CN102165344A - 具有光学耦合到后表面的led的薄边缘背光 - Google Patents

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Abstract

一种背光包括波导（102），多个发光二极管（110）置于波导中心区域的后表面中的腔体内。波导的后表面从中心区域到边缘可以是渐缩的，使得边缘比中心区域更薄。此外，由于与沿着边缘相反的是，发光二极管在波导的中心区域中，因而可以消除外框（103），或者至少最小化其高度，例如1mm或者更小。此外，可以使用多个波导并且将其配置成“V”形以最小化外框。

Description

具有光学耦合到后表面的LED的薄边缘背光
技术领域
本发明涉及发光二极管（LED），特别地，涉及与背光一起使用LED。
背景技术
液晶显示器（LCD）常用于膝上型计算机、桌面监视器、电视机以及更小的应用，例如移动电话、个人数字助理（PDA）、便携式音乐播放器中。透射式LCD需要背光照明，其常规上通过使用诸如LED之类的光源照射波导的边缘来实现。
计算机监视器和电视机中使用的边缘照亮背光具有最小的外框(bezel)高度和边缘厚度，其至少部分地由光源的尺寸和波导厚度所驱使。图1A和图1B分别通过实例说明了常规背光10的平面图和侧视图，该背光包括由多个LED光源14照射的边缘照亮波导12，这些LED光源在图1B中被示为包括LED 16和反射器18。由图可见，外框高度Hbezel由LED光源14的高度确定并且波导边缘12edge的厚度Tedge由LED光源14的宽度确定。出于美学和设计的目的，希望的是最小化外框高度和边缘厚度。
发明内容
一种背光包括具有多个LED的波导，这些LED置于波导后表面中的腔体内以用作光源。LED可以是低廓形(low profile)侧面发射LED并且可以例如利用安装到波导的波长转换元件通过波长转换产生白色光或者蓝色光。波导的后表面从LED的位置到侧边缘可以是渐缩的，使得侧边缘比波导的中心区域更薄，从而给予波导以薄的外观。此外，由于与沿着侧边缘放置相反的是，发光二极管位于波导的后表面中，因而可以消除外框，或者至少最小化其高度，例如1mm或者更小。
附图说明
图1A和图1B分别示出了常规背光的平面图和侧视图，该常规背光具有由多个LED从边缘照射的波导。
图2A和图2B分别示出了包括波导的背光的俯视平面图和侧视图，该波导具有分布在波导的后表面中的LED。
图3A、图3B、图3C、图3D和图3E示出了具有上覆的LCD和安装在背光后表面中的腔体内的LED的背光的一部分的截面图。
图4为可以与背光一起使用的低廓形侧面发射LED的一个实施例的截面图。
图5A和图5B示出了可以与背光一起使用的准直透镜的不同配置的俯视平面图。
图6示出了具有准直透镜的一部分的LED的俯视平面图。
图7示出了一种LED，其中包覆成型的(overmolded)透镜在模制引线框架上形成。
图8示出了包括波导的背光，该波导具有分布在波导的后表面中的LED，其中波长转换元件安装在波导的前表面上。
图9A和图9B示出了波导的另一个实施例。
具体实施方式
图2A和图2B分别示出了包括波导102的背光100的俯视平面图和侧视图，该波导102具有分布在波导102的背面中的低廓形侧面发射LED 110。借助于波导102背面中分布的LED 110，外框高度被最小化了。例如，当LED 110不在波导102的边缘102edge处时，可以完全消除外框，但是为了保护包括波导102和上覆的LCD（图2A和图2B中未示出）的显示器，可以使用具有低的高度H（例如1mm）的外框103，如图2B中的虚线所示。此外，如图2B中所示，波导102的后表面102back朝前表面102front可以是渐缩的，以便最小化波导102的边缘102edge的厚度。应当理解的是，代替侧面发射LED 110，可以使用具有附接的或者外部的侧面定向光学元件的顶部发射LED。
LED 110可以成行（列）或者成矩形地设置在波导102中，如图2A中所示。LED 110置于侧边缘102edge之间的波导中心区域中。举例而言，沿着波导102宽度的LED 110与最近边缘102edge之间的距离可以是边缘-边缘宽度的近似25%至33%。可替换地，LED 110可以成棋盘形地或者以其他空间分布方式置于波导102的背面内。相对较小的LED的发射可以被覆盖或充分地抑制以避免背光中的热点。此外，利用背光中更高的混合高度，光将在入射到漫射器或远端磷光体板上或者离开背光时被混合。漫射器膜、亮度增强膜和诸如磷光体膜之类的远端波长转换材料可以产生光的附加的再循环和混合，其将改进均匀性。如果这还不够充分，那么可以使用图案化漫射器以最佳地控制光分布均匀地通过LCD。由于LED 110置于中心区域并且后表面102back是渐缩的，因而中心区域具有厚度Tcenter，而边缘具有更小的厚度Tedge。在一个实施例中，边缘厚度Tedge小于中心区域厚度Tcenter的一半，并且在另一个实施例中，边缘厚度Tedge可以为零或者在制造限制下近似为零。
图3A示出了具有上覆的LCD 101的背光100一部分的跨LED 110截取的截面图。在图3A中，侧面发射LED 110安装在基台112和电路板114上并且包括包覆成型的透镜116。将具有包覆成型的透镜116的LED 110***到固态透明波导102中的腔体104内。在透镜116与腔体104的壁之间可以存在小的空气间隙（例如25微米）以便允许定位公差。对于LED的一些实施例，例如具有侧面定向光学元件的顶部发射LED，该空气间隙可以更大。波导102可以是空心的腔体、模制的塑料（例如PMMA）或者另一适当的材料。镜膜106可以覆盖波导102的后表面102back和边缘102edge（在图2A和图2B中示出）。膜106可以是可从3M公司获得的增强镜面反射器（ESR）膜或者外部漫射白色散射板。可选的是，镜膜106或外部白色板覆盖边缘102edge。代替使用反射膜，可以在具有反射侧壁的载体中支撑波导102。
波导102的后表面102back可以具有许多小的凹坑108以便在向上的方向上朝LCD 101的后表面散射光。LCD 101以常规的方式选择性地控制显示屏幕中的像素。对于波导102，可以在模制工艺中产生凹坑108，或者可以通过蚀刻、喷砂、印刷或其他方式形成凹坑。可替换地，可以通过印刷白色散射点来形成提取部件。凹坑108可以采用任何形式，例如棱镜或者随机粗糙化。这样的部件有时称为提取部件。在一个实施例中，更靠近LED 110（其中来自LED的光更亮）的凹坑108的密度小于更远离LED 110的凹坑108的密度以便在波导102的前表面102front上创建均匀光发射。欲知关于背光和波导的更多信息，参见Serge Bierhuizen等人2007年8月16日的题为“Thin Backlight Using Low Profile Side Emitting LED”的美国序列号No. 11/840130，该文献通过引用全部合并于此。如果希望的话，远端磷光体膜可以在背光中添加附加的混合。
图3B、图3C、图3D和图3E示出了背光和LED的其他实施例的截面图。图3B示出了顶部发射LED 110’的使用，其具有耦合到波导102以便将来自LED 110’的顶部发射的光重新定向到波导102中的顶部反射器116’。图3C类似于图3B，然而，图3C中波导102’内的腔体104’是从底部表面延伸到顶部表面的通孔。图3D示出了包覆成型的透镜116’’的使用，其用于将来自LED 110’’的顶部发射的光重新定向到波导102中。图3E类似于图3D，具有从底部表面延伸到顶部表面的通孔形式的腔体104’。
图4为可以与背光100一起使用的低廓形侧面发射LED 110的一个实施例的截面图。LED 110包括半导体发光元件132、波长转换元件134和反射膜136。侧面发射LED 110安装在基台112上，该基台安装在印刷电路板114上。可以用在背光实施例中的薄侧面发射LED的其他实施例可以见诸Oleg Shchekin等人2006年6月9日提交的题为Low Profile Side Emitting LED的美国申请序列号no. 11/423419，该申请转让给本受让人并且通过引用合并于此。
在一个实例中，LED 110的有源层产生蓝色光。LED 110在诸如蓝宝石、SiC或GaN之类的起始生长衬底上形成。通常，生长n层132n，其后是有源层132active，其后是p层132p。p层132p被蚀刻以暴露下面的n层132n的一部分。然后，在LED的表面上形成反射金属电极140（例如银、铝或合金）以便接触n层和p层。当二极管正向偏置时，有源层132active发射其波长由有源层的成分（例如AlInGaN）确定的光。形成这样的LED是公知的，并且不必进一步详加描述。形成LED的附加细节记载于Steigerwald等人的美国专利No. 6828596和Bhat等人的美国专利No. 6876008，这两个专利都转让给本受让人并且通过引用合并于此。
然后，将半导体发光元件132作为倒装芯片安装到基台112上。基台112包含通过焊球144焊接或超声焊接到金属140的金属电极142。也可以使用其他类型的结合。如果电极本身能够被超声焊接在一起的话，那么可以去掉焊球144。
基台电极142通过通路(via)电连接到基台112底部上的焊盘，因而基台112可以被表面安装到印刷电路板114上的金属焊盘。电路板114上的金属迹线将焊盘电耦合到电源。基台112可以由诸如氮化铝、陶瓷、硅、氧化铝等等之类的任何适当的材料形成。如果基台材料是导电的，那么在衬底材料上形成绝缘层，并且在绝缘层上形成金属电极图案。基台112充当机械支撑，在LED芯片上的精细的n电极和p电极与电源之间提供电接口并且提供散热。基台是公知的。LED半导体层的加工可以发生在将LED安装到基台112上之前或之后。
为了使得LED 110具有非常低的廓形，并且为了防止光被生长衬底吸收，例如通过CMP或者使用激光剥离方法移除生长衬底，在激光剥离方法中，激光加热GaN和生长衬底的界面以便产生将衬底推离GaN的高压气体。在一个实施例中，生长衬底的移除是在将LED阵列安装到基台晶片上之后以及在（例如通过锯切）使多个LED/多个基台单一化(singulate)之前执行的。
在移除生长衬底并且粗糙化发射表面之后，将诸如平面磷光体层134之类的波长转换元件134置于LED顶部之上以便对从有源层132active发射的蓝色光进行波长转换。可替换地，元件134可以是透明元件，例如玻璃，当需要蓝色侧面发射器时，其可以置于LED顶部之上。磷光体层134可以作为陶瓷片而预先形成并且附加到LED层，或者磷光体颗粒可以例如通过电泳而被薄膜式沉积。磷光体陶瓷片可以是透明或半透明粘合剂中的磷光体颗粒或者烧结的磷光体颗粒，所述粘合剂可以是有机的或无机的。当与蓝色光混合时，磷光体层134发射的光产生白色光或者另一种希望的颜色。磷光体可以是产生黄色光的钇铝氧化物石榴石（YAG）磷光体（Y+B=白色），或者可以是红色磷光体和绿色磷光体的组合（R+G+B=白色）。
利用YAG磷光体（即Ce:YAG），白色光的色温很大程度上取决于磷光体中的Ce掺杂以及磷光体层134的厚度。
然后，在透明或磷光体层134上形成反射膜136。反射膜136基本上与半导体发光元件132的顶部表面平行。反射膜136可以是镜面的或漫射的。镜面反射器可以是由有机或无机层形成的分布式布拉格反射器（DBR）。镜面反射器也可以是铝层或其他反射金属层，或者是DBR和金属的组合。漫反射器可以由沉积在粗糙化表面上的金属或者漫射材料形成，所述漫射材料例如是适当的白色涂料或者具有例如硅树脂、溶胶凝胶或silres中的TiO2的溶胶凝胶溶液。磷光体层134也有助于漫射光以提高光提取效率。在另一个实施例中，反射器136远离LED，例如在有源层上方的腔体104中由波导102支撑的反射器，这导致LED仍然为侧面发射LED，因为很少（例如上至10%）的直射光在LED上方离开背光。此外，蓝色LED可以与背光中在别处的远端磷光体层组合使用。
有源层132active发射的大多数光通过LED的侧面直接发射，或者在一次或多次内反射之后通过侧面发射。如果顶部反射器136非常薄，那么一些光可能通过顶部反射器136泄漏。
在一个实施例中，基台112具有大约380微米的厚度，各半导体层具有大约5微米的组合厚度，磷光体层134具有大约200微米的厚度并且反射膜136具有大约150微米的厚度，从而使LED加上基台不足1mm厚。当然，LED 110可以制成更厚。LED每侧的长度典型地小于1mm，例如一侧的长度可以为0.6mm，然而，例如对于更高功率的应用而言，可以使用1.0mm的侧长度。在其他侧面发射配置的情况下，例如包覆成型的光学器件在顶部发射器上或者外部光学部件用于侧面重新定向，则可以使用更大的高度。
图3A中所示的包覆成型的透镜116是耦合到LED 110的准直光学器件，其对水平面内的侧面发射的光进行准直。透镜116可以具有不同的配置，如图5A和图5B中所示，图5A和图5B示出了带有LED 110的透镜116的方形和圆形配置的俯视平面图。如果希望的话，可以在背光100内的不同位置使用透镜116的不同配置。由图可见，透镜116耦合到LED 110的每个发光侧面，并且因而在其中LED 110具有四个发光侧面的当前实施例中，透镜116包括耦合到每个侧面的四个入射表面。如果希望的话，可以组合分开的各个透镜以形成单个透镜116。此外，不同配置的透镜可以与顶部发射LED一起使用。
图6示出了具有透镜116的一部分的LED 110的俯视平面图，其中透镜116的入射表面具有竖直取向的有角壁117，其也可以用来改善透镜116内的光的角度混合。透镜116入射表面的壁117的变化角度在不同的角度下折射LED 110发射的光，从而更均匀地散布光。由于光在水平面内被准直，因而无需产生水平取向的有角壁。尽管图6示出了具有锯齿形配置的壁117，但是可以使用其他的配置，例如圆化的或扇贝形状。侧壁的形状也可以基于波导底部表面上形成的提取部件的分布而改变以便在背光的光输出端实现最均匀的亮度分布。
透镜116可以通过包覆成型而产生，并且在一个实施例中，模制的引线框架用来形成透镜116的底部。图7示出了具有模制的引线框架150上形成的包覆成型的透镜116的LED 110。模制的引线框架150可以由图案化导体材料产生，其中塑料或其他适当的材料在导体材料周围注射成型。注射成型材料被模制以形成透镜116的底部表面，并且可以涂敷反射层152，例如铝或银。然后，可以将LED 110安装到引线框架150上并且沉积和模制硅树脂或其他适当材料以形成透镜116。接着，可以在透镜116的顶部表面上沉积反射层154，例如铝或银。如果透镜116的设计是基于透镜材料内的全内反射，那么无需或者不使用反射涂层。在一个实施例中，可以使用二次包覆成型工艺，其中沉积和模制具有第一折射率（例如1.6）的第一材料（用虚线156示出）。然后，沉积和模制具有不同折射率（例如1.3）的附加材料以形成透镜116的其余部分。举例而言，第一材料和第二材料可以是具有不同折射率的硅树脂。这些折射率可以被选择成使得希望的折射发生在折射率台阶处以实现光的角度混合。而且，例如图6中所示部件的部件可以在第一硅材料156中模制以帮助实现光的希望的角度混合。
Serge J. Bierhuizen 2007年8月16日提交的题为“Optical Element Coupled to Low Profile Side Emitting LED”的美国申请No. 11/840129中记载了具有包覆成型的透镜的低廓形侧面发射LED，该申请与本公开是共有的，并且通过引用全部合并于此。
如果希望的话，可以将波长转换元件160置于波导的前表面102front上，如图8中所示。在这样的实施例中，可以为顶部发射器或侧面发射器的LED 110’不包括波长转换元件，而是改为产生蓝色光，该蓝色光在光离开波导102时由波长转换元件160进行转换。
图9A和图9B示出了波导200另一实施例的俯视图和侧视图。如图9A中所示，两个薄波导202和204与LED 110（图9B中示出）以及分别沿着一条边缘203和205的镜206、208一起使用。LED 110如例如图3A、图3B或图3C中所示分布在背光之后，并且不延伸到例如波导202与204之间的任何外框区域中。波导202和204的边缘203和205彼此邻近地放置。如图9B中所示，两个波导202和204配置成“V”形，使得邻近的边缘203和205比外边缘207和209更远离LCD屏幕210，以便产生具有少的外框或者没有外框的LCD屏幕210。
尽管出于教导的目的结合具体实施例说明了本发明，但是本发明并不限于此。在不脱离本发明的范围的情况下可以做出各种不同的适应性调节和修改。因此，所附权利要求的精神和范围不应当限于前面的描述。

Claims (25)

1. 一种设备，包括：
多个发光二极管；以及
波导，其被配置为用于显示器的背光，该波导具有前表面、后表面和侧边缘，光从前表面从波导发射，后表面与前表面相对，侧边缘在前表面与后表面之间，波导在后表面中具有多个腔体，所述多个发光二极管***到这些腔体中并且光学耦合到波导以便用作用于波导的光源。
2. 权利要求1的设备，其中波导在中心区域中的前表面与后表面之间具有第一厚度并且在侧边缘处具有第二厚度，其中第二厚度小于第一厚度的一半。
3. 权利要求2的设备，其中第二厚度为零。
4. 权利要求1的设备，其中在波导的侧边缘上不存在外框。
5. 权利要求1的设备，进一步包括波导侧边缘上的外框，并且其中在外框与侧边缘之间不存在光源。
6. 权利要求1的设备，其中所述多个发光二极管中的每一个包括波长转换元件。
7. 权利要求1的设备，进一步包括安装到波导的波长转换元件。
8. 权利要求7的设备，其中波长转换元件安装到波导的前表面。
9. 权利要求1的设备，进一步包括光学耦合到波导的前表面的LCD。
10. 权利要求1的设备，其中波导具有来自于相对侧边缘的宽度，并且其中发光二极管置于距相对侧边缘的最近侧边缘为所述宽度的25%或更大的距离处。
11. 权利要求1的设备，其中发光二极管在波导中以行和矩形中的至少一种设置。
12. 权利要求1的设备，其中发光二极管为侧面发射二极管。
13. 权利要求1的设备，其中发光二极管为顶部发射二极管。
14. 权利要求1的设备，其中波导为具有第一侧边缘的第一波导，该设备进一步包括：
第二多个发光二极管；
第二波导，其被配置为用于显示器的背光，该第二波导具有前表面、底部表面和侧边缘，光从前表面从第二波导发射，底部表面与前表面相对，侧边缘在前表面与后表面之间，包括第一侧边缘，第二波导在后表面中具有多个腔体，所述第二多个发光二极管***到这些腔体中并且光学耦合到第二波导以便用作用于第二波导的光源，第一波导和第二波导被放置成第一波导的第一侧边缘和第二波导的第一侧边缘彼此相邻。
15. 权利要求14的设备，其中所述多个发光二极管***其中的第一波导后表面中的所述多个腔体沿着第一波导的第一侧边缘，并且所述第二多个发光二极管***其中的第二波导后表面中的所述多个腔体沿着第二波导的第一侧边缘。
16. 权利要求14的设备，进一步包括LCD屏幕，其中第一波导和第二波导被配置成一起具有“V”形，其中第一波导的第一侧边缘和第二波导的第一侧边缘比与第一波导的第一侧边缘相对的第一波导的第二侧边缘以及与第二波导的第一侧边缘相对的第二波导的第二侧边缘更远离LCD屏幕。
17. 一种设备，包括：
多个发光二极管；以及
波导，其被配置为用于显示器的背光，该波导具有前表面、后表面和侧边，光从前表面从波导发射，后表面与前表面相对，侧边在前表面与后表面之间，所述多个侧面发射发光二极管光学耦合到后表面的中心区域，其中与在波导的侧边处相比，波导在中心区域处在前表面与后表面之间具有更大的厚度。
18. 权利要求17的设备，其中波导的侧边处的前表面与后表面之间的厚度为波导的中心区域处的前表面与后表面之间的厚度的一半。
19. 权利要求17的设备，其中波导在后表面中包括多个腔体，所述多个发光二极管***到这些腔体中。
20. 权利要求17的设备，其中在波导的侧边上不存在外框。
21. 权利要求17的设备，进一步包括波导侧边上的外框，该外框具有小于1mm的高度。
22. 权利要求17的设备，其中所述多个发光二极管中的每一个包括波长转换元件。
23. 权利要求17的设备，进一步包括安装到波导的波长转换元件。
24. 权利要求17的设备，其中波导具有一定宽度，并且其中发光二极管置于沿着所述宽度距侧边中的最近侧边为所述宽度的25%或更大的距离处。
25. 权利要求17的设备，其中发光二极管在波导中以行和矩形中的至少一种设置。
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