JP2010541154A

JP2010541154A - 薄型側面発光ｌｅｄを用いた薄型バックライト

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Publication number: JP2010541154A
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Inventors: セルヘビールハイウゼン
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
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Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2010-12-24
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Abstract

向上された輝度の均一性をもつ薄型側面発光ＬＥＤを含むバックライトが開示される。一実施形態において、バックライトは、光ガイドの底面に複数の開口部をもつ固体透明光ガイド４２を有し、各開口部が側面発光ＬＥＤ１０を含む。側面発光ＬＥＤがバックライトの出力で暗点として現れないように光ガイドの光出力面に向かって光ガイド内に光を反射させるために、プリズム又は他の光学的特徴体４４，４８が各開口部の上壁に形成される。明るいエリアとして現れる光ガイドの出力面に向かうＬＥＤの側面からのいずれの直接放射も回避するために、光学的特徴体８０，８８，９４，９７は、直接放射光が光ガイドから出力されないように、開口部の縁部又は光ガイドの出力面に形成される。実質的に同等のセルが、１又はそれ以上のＬＥＤの周りのセル壁６１，７２を用いて光ガイド内に形成され得る。

Description

この発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いたバックライト、特に、側面発光ＬＥＤを用いて薄型バックライトを形成する技術に関する。

液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、携帯電話、携帯端末（ＰＤＡ）、ポータブル音楽プレイヤ、ノートパソコン、デスクトップモニタ及びテレビアプリケーションにおいて一般に用いられている。本発明の一実施形態は、白色又は着色された光を放射する１又はそれ以上のＬＥＤを用い得るバックライトを必要とするカラー又はモノクロ透過型ＬＣＤを取り扱う。ＬＥＤは、ＬＥＤがインコヒーレント光（incoherent light）を放射するという点において、レーザダイオードと区別される。

携帯電話のような多くの小型のディスプレイにおいて、ディスプレイ及びバックライトが薄型であることが重要である。斯様な小型のバックライトにおいて、１又はそれ以上のＬＥＤは、（導波路（waveguide）とも呼ばれる）固体透明光ガイドの縁部に又はその近くに光学的に結合される。光ガイド内の光は、液晶（ＬＣＤ）パネルの裏面を照射するために、光ガイドの上面から漏出する。斯様な小型のバックライトにおいて、ＬＣＤパネルはＬＥＤを覆われないので、ＬＥＤが明点（bright spot）として現れるか、又は、ＬＥＤが側面発光だけであった場合にはＬＥＤが暗点（dark spot）として現れる。固体光ガイドへの斯様な縁部結合は、中心エリアを縁部エリアよりも非常に暗くさせ、及び／又は、全体の効率及び光出力を低減させるという、光ガイドを介しての光の減衰の理由から、大型のバックライトに対して有用ではない。

テレビのような大型のバックライトに関して、ＬＥＤは、反射型バックライトボックスの底面に典型的に分配される。ＬＥＤのアレイからの光は、オーバーラップする光線、及び、ボックスの壁に反射される光により、略均一な光放射を作り出すために、ボックス内において混合される。斯様なバックライトボックスは剛性である。大きなバックライトボックスは、取り扱うのが難しく、製造コストが高い。

大型のアプリケーションのために寸法されるにもかかわらず、剛性のバックライトボックス内のＬＥＤを用いて形成された大型のバックライトの欠点をもたないバックライトが必要とされる。

薄型側面発光非レーザＬＥＤの種々のタイプが、ＬＣＤをバックライティングするための薄型で可塑性のバックライトを生成するためにここに説明される。ＬＥＤは、ＬＥＤの取付面にカソード及びアノード電極をもつフリップチップである。好ましい実施形態においてワイヤ結合は用いられない。ＬＥＤは、０．５ｍｍよりも薄い厚さをもつ。ＬＥＤ及びサブマウントの全体の厚さは１ｍｍよりも薄い。

バックライトは、光ガイドの底面に形成された開口部内に配置された側面発光ＬＥＤのアレイを備えた、ポリマ（例えばＰＭＭＡ）のような固体透明光ガイドである。光ガイドの底面は、底面に形成された反射ホイルにより、又は、光ガイドが反射タブ内に配置されることにより、反射型である。光ガイドの底面に分配されるものは、底面の反対側の光ガイドの上部出力面に向かって光を反射させる、マイクロプリズム又は他の光散乱特徴体である。

側面発光ＬＥＤを光ガイドの出力で暗点として出現させないために、少なくとも１つのプリズム（又は他の光散特徴体）がＬＥＤの上の光ガイド内に形成される。前記プリズムは、ＬＥＤのための開口部の上面の部分を形成する。斯様な構成において、ＬＥＤの上の光ガイドの光学特性は、光ガイド内の他の場所の光学特性と実質的に同一であり、従って、暗点又は明点がバックライトの出力で認識されない。

ＬＥＤの側面から放射された一部の光は、光ガイドの出力面に向けられる。斯様な光をＬＥＤの周りの明るいエリアとして出現させることを防止するべく、少なくとも１つの光散乱特徴体は、斯様な直接光がＬＥＤの上に出力されることを防止するために、開口部の縁部、又は、光ガイドの出力面に配置され、これは、吸収材料で光を吸収するよりも効果的な代替手段である。

側面発光ＬＥＤは、ＬＥＤを相互接続する可塑性の回路上に取り付けられ、透明光ガイドは、約１ｍｍの厚さのように非常に薄く作られる。それ故、バックライトは、可塑性であり、連続ロールで形成され得る。連続ロールは、特定サイズのＬＣＤのために任意のサイズに切断され得る。

一実施形態において、（光ガイドロールの幅に沿った）ＬＥＤの列内のＬＥＤは、一列にＬＥＤを相互接続する可塑性の回路上に取り付けられ得る。ＬＥＤの複数列のための可塑性回路の端部は、直列及び／又は並列に一緒に結合され、バックライト内のＬＥＤに通電するための電源に接続される。斯様なシステムは、一般照明のような他のアプリケーションに対しても用いられ得る。

一実施形態において、光ガイドは、側面又は基面から漏れ出る任意の光が光ガイドに戻ってリダイレクトされるように、ＬＣＤを組み立てるときに反射タブ内に配置される。反射タブは、可塑性のバックライトに対して構造的サポートを供給し、バックライトに対してＬＣＤパネルを整列させることを補助する。

典型的には大型のバックライトのための他の実施形態において、バックライトは、１０ｍｍ以下の厚さで可塑性でなくてもよい。厚さを増大させることは、良好な色のための別個のＬＥＤからの光の混合、及び、バックライトに渡る輝度の均一性を向上させる。

一実施形態において、各ＬＥＤは、同一であり、赤及び緑の成分に寄与する蛍光体層をもつ青色ＬＥＤダイの使用により白色光を放射する。

一実施形態において、様々なＬＥＤからの光は、透明光ガイドにおいて混合される。

他の実施形態において、各ＬＥＤは、各ＬＥＤの周りに矩形セルを基本的に生成する正反射又は拡散反射壁により囲まれ、従って、複数のＬＥＤからの光の制限された混合が存在する。一のバリエーションにおいて、壁は、一のセルからの光を他のセルに入れるように、バックライトの上面と底面との間において完全には延在しない。他のバリエーションにおいて、ＬＥＤは、壁のライン上にあり、これにより、複数のセル間に光を分割する。例えば、４つのセルの角での１つのＬＥＤは、４つのセルにより同等に共有され得る。他の実施形態において、セルの各壁は、隣接するセルとＬＥＤを共有し、他のＬＥＤは、各セルの中央にあり、これにより、各セルに対して５つのＬＥＤから光を供給する。本実施形態の任意の組み合わせが想定される。

本発明の一実施形態による薄型側面発光ＬＥＤの断面図である。コリメーション光学を備えた図１Ａの側面発光ＬＥＤを示す。本発明の一実施形態によるＬＥＤを通って切断されたバックライトの部分的な断面図である。また、バックライトから分離されたＬＣＤパネルが示される。追加のＬＥＤを示す、図２のバックライトのトップダウン図である。本発明の他の実施形態による、バックライトが複数のセルに分割されるＬＥＤを通って切断されたバックライトの部分的な断面図である。追加のＬＥＤを示す、図４のバックライトのトップダウン図である。本発明の他の実施形態による、バックライトセル壁がバックライトの上面と底面との間に完全には延在しないＬＥＤを通って切断されたバックライトの部分的な断面図である。本発明の他の実施形態による、各ＬＥＤからの光が２つのセルの間で分割されるようにＬＥＤがバックライトセル壁に沿ったＬＥＤを通って切断されたバックライトの部分的な断面図である。ＬＥＤがオプション的に個々にアドレスされ得る追加のＬＥＤを示す、図７のバックライトのトップダウン図である。本発明の他の実施形態による、どのようにしてＬＥＤが４つのセルの角に配置され得るかを示すバックライトの一部のトップダウン図である。セル又はセグメントのエッジの断面であり、どのようにして各セルのエッジが出力面に向かって光を反射するためのエッジに角度付けしたかを示す。図１０と同様であり、僅かに異なるセルのエッジを示す。どのようにして光ガイドの上面が、ＬＥＤに渡って暗点がないように側面発光ＬＥＤに渡る光抽出を増大させる、プリズム形状のインデント部のような光学的特徴体をもつかを示している。上方へ放射される一部の側面発光ＬＥＤ光により光ガイドの出力で現れる側面発光ＬＥＤからの明るいパターンをもつという潜在的な問題を示す。屈折特徴体が側面発光ＬＥＤのための光ガイドインデントの上縁に配置される、図１３の問題に対する措置を示す。全内部反射（ＴＩＲ）特性が光ガイドの出力面に形成される、図１３の問題に対する他の措置を示す。図１５のＴＩＲのバリエーションを示す。放射された光が白色になるように光ガイドの出力面に渡って白色光蛍光体層（例えばＹＡＧ）をもつ、光ガイドの底面のインデント内の青色光側面発光ＬＥＤを示す。中心軸の周りに対称である側面発光レンズ形状の断面図であり、これは、半導体ＬＥＤに渡って金属反射層の代わりに用いられ得る。取扱いの簡略化のために製造後にどのようにして光ガイドがロールされ得るかを示す。

様々な図面において同様又は同一の要素は同一の番号で表示される。

本発明の実施形態は、均一な発光面を供給するための薄型光ガイド設計と併せて、薄型側面発光ＬＥＤを有する。本発明の典型的なアプリケーションは、ＬＣＤの薄型バックライト又は一般照明である。

図１Ａは、薄型側面発光ＬＥＤ１０の一実施形態の断面図である。バックライトの実施形態に用いられる薄型側面発光ＬＥＤの他の実施形態は、本願の出願人に譲渡された、Oleg Shchekinらにより２００６年６月９日に提出された、薄型側面発光ＬＥＤという題名の米国特許出願公開第１１／４２３，４１９号明細書で見られ、参照によりここに組み込まれる。

一例のＬＥＤ１０の活性化層は、青色光を生成する。ＬＥＤ１０は、サファイア、SiC又はGaNのような出発成長基板上に形成される。一般に、ｎ層１２が成長され、活性化層１４が続き、ｐ層１６が続く。ｐ層１６は、下のｎ層１４の一部を露出させるためにエッチングされる。そして、反射性金属電極１８（例えば、銀、アルミニウム又は合金）が、ｎ層及びｐ層に接触するようにＬＥＤの表面の上に形成される。ダイオードに順方向バイアスがかけられた場合には、活性化層１４は、活性化層（例えばAlInGaN）の組成により決定される波長の光を放射する。斯様なＬＥＤを形成することは、良く知られており、更に詳細に説明される必要はない。ＬＥＤを形成する追加の詳細は、双方が本願の出願人に譲渡されたBhatらによる米国特許第６，８２８，５９６号明細書及び米国特許第６，８７６，００８号明細書において説明され、参照によりここに組み込まれる。

その後、半導体ＬＥＤは、フリップチップとしてサブマウント２２上に搭載される。サブマウント２２は、半田ボール２６を介してＬＥＤ上の金属電極１８に半田付けされるか又は超音波で接合される金属電極２４を含む。ボンディングの他のタイプが用いられてもよい。半田ボール２６は、これらの電極自体が超音波で一緒に接合され得る場合には取り除かれてもよい。

サブマウント電極２４は、サブマウントの底部のパッドに対する金属ビアにより電気的に接続され、従って、サブマウントは、可塑性回路２８又はプリント配線基板上の金属パッドに取り付けられた面である。可塑性回路２８は、最終的に電源に接続されたプリント金属配線をもつ超薄型のポリマ絶縁体を有する。サブマウント２２は、セラミック、シリコン、アルミニウム等のような任意の適切な材料で形成され得る。サブマウント材料が導電性である場合には、絶縁体層が基板材料の上に形成され、金属電極パターンが絶縁体層の上に形成される。サブマウント２２は、機械的サポートとして機能し、ＬＥＤチップ上の精巧なｎ及びｐ電極と電源との間の電気的接触面を提供し、ヒートシンクを提供する。サブマウントは良く知られている。

ＬＥＤ１０を超薄型にするため、及び、光が成長基板により吸収されることを防止するために、成長基板は、ＣＭＰにより、又は、レーザリフトオフ法を用いて除去され、レーザが、基板をGaNから離す高圧ガスを生成するために、GaN及び成長基板の接触面を加熱する。一実施形態において、成長基板の除去は、ＬＥＤのアレイがサブマウントウエハー上に取り付けられた後、ＬＥＤ／サブマウントが（例えば切断により）単体化される前に実行される。

成長基板が除去された後、平面蛍光体層３０が、活性化層１４から放射された青色光を波長変換するためにＬＥＤの上面の上に配置される。蛍光体層３０が、セラミックシートとして予め形成されてＬＥＤ層に取り付けられてもよく、又は、蛍光体粒子が、電気泳動等により堆積された薄膜であってもよい。蛍光体セラミックシートは、有機物又は無機物であり得る透明又は半透明の結合剤中の蛍光体粒子又は焼結された蛍光体粒子であってもよい。蛍光体層３０により放射された光は、青色光と混合されたときに、白色光又は他の所望の色を生成する。蛍光体は、黄色光を生成するＹＡＧ蛍光体であってもよく（Ｙ＋Ｂ＝白色）、又は、赤色及び緑色の蛍光体であってもよい（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ＝白色）。

ＹＡＧ蛍光体（即ちCe:YAG）によれば、白色光の色温度は、蛍光体におけるCeドーピング及び蛍光体層３０の厚さに大いに依存する。

そして、反射膜３２が蛍光体層３０の上に形成される。反射膜３２は、正反射型であってもよく、又は、拡散型であってもよい。正反射型反射体は、有機又は無機の層で形成された分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）であり得る。正反射型反射体は、アルミニウムの層若しくは他の反射性金属、ＤＢＲと金属との組み合わせ、又は、ゾルーゲル溶液における酸化チタン粒子であってもよい。拡散型反射体は、粗い面上に堆積された金属、又は、適切な白色塗料のような拡散材料で形成されてもよい。また、蛍光体層３０は、光抽出効率を向上させるために光を拡散するのを補助する。

側面発光レンズは、ＬＥＤの上面により放射された全ての光を、円形の側面発光パターンに向けるために時々用いられるが、斯様なレンズは、ＬＥＤ自体の厚さの何倍にもなり、超薄型のバックライトに適さないだろう。

側面発光ＬＥＤの非優先的実施形態（図示省略）において、２つのミラー層（例えば反射膜）が、蛍光体層を挟むように、半導体ＬＥＤ層に対して垂直な、蛍光体層の両側に渡って形成される。そして、ＬＥＤは、ＬＥＤ半導体層の主要面が光ガイドに上面及び底面に対して垂直になり、ミラー面が光ガイドの上面及び底面と平行になるように、光ガイド内に配置される。光は、ミラー層と概ね平行な蛍光体層の３つの開口側面を出て、バックライトの光ガイドに入る。

バックライトの光ガイドの上面と底面との間の狭いか若しくは制限された角度内、又は、低い高さ／エリア内にその光の大部分を放射する任意のＬＥＤは、この開示において側面発光ＬＥＤと見なされる。ＬＥＤ上の反射層が非常に薄い場合には、一部の光が反射層を介して漏れる。しかしながら、この漏れは典型的には１０％よりも少ない。適切な側面発光ＬＥＤは、光ガイド面の範囲内において光を最初にリダイレクトするレンズをもつＬＥＤであってもよい。レンズは、全内部反射、コリメーション光学又は任意の他の技術を用いてもよい。

図１Ｂは、コリメーション光学３３を含む側面発光ＬＥＤ１０を示す。サポート面３４は、光学３３をサポートし得る。コリメーション光学３３は、光が光ガイドに入る前に光をコリメートする。他の実施形態において、光をコリメートするためにＬＥＤの側面にフレネルレンズが形成されてもよい。

ＬＥＤ半導体層の処理は、ＬＥＤがサブマウント２２上に取り付けられる前又は後に生じ得る。

一実施形態においては、サブマウント２２が約３８０ミクロンの厚さをもち、半導体層が約５ミクロンの組み合わせられた厚さをもち、蛍光体層３０が約２００〜３００ミクロンの厚さをもち、反射膜３２が約１００ミクロンの厚さをもち、従って、サブマウントを加えたＬＥＤは１ｍｍよりも薄い厚さになる。勿論、ＬＥＤ１０は、より厚く作られてもよい。ＬＥＤの各側面の長さは、典型的には、１ｍｍよりも小さい。

ＬＥＤが極薄である必要がない場合には、側面発光の効率は、ｎ層１２の上に透明光ガイド層を、反射粒子又は粗い／プロズムの表面を取り込む蛍光体層の上に散乱層を、及び、蛍光体層３０の下にダイクロイックミラー又は（ダイクロイックミラーのような）一方向ミラーを追加することにより増大され、その結果、反射膜３２により下方に反射された波長変換された光は、半導体層によっては吸収されない。

側面発光フリップチップＬＥＤは、照明システムで用いられたときに多くの利点を提供する。バックライトにおいて、側面発光フリップチップＬＥＤは、光ガイドへの光の良好な結合により、より薄い光ガイドの利用、より少ないＬＥＤ、良好な照射の均一性、及び、より高い効率を可能にする。

図２は、ＬＥＤ１０を用いたバックライト４０の部分的断面図であり、２つのＬＥＤ１０を通って切断されている。図３は、全体バックライト４０のトップダウン図である。

ポリマシート（例えばＰＭＭＡ）は、透明な光ガイド４２を形成する。一実施形態において、光ガイド４２の厚さは、１〜２ｍｍであり、従って可塑性であり、巻き取られ得る。他の実施形態において、バックライトに渡る向上した色及び輝度の均一性のためにより大きなバックライトアプリケーションに光混合を増大させるために、光ガイド４２は１０ｍｍ以下である。

光ガイドの底面に成型されるのは、光ガイド４２の上面に向かって上方に光を反射するプリズム４４である。プリズムの代わりに、ピットを形成するためにエッチングするか又はサンドブラスティングすることによる底面のランダムな粗面処理のような、光を上方にリダイレクトする他の表面形状が形成されてもよい。プリズム４４の分布は、上向きの光が、薄型拡散シート４６により拡散されるときに、バックライト４０の光出力面に渡る適切に一様な光放射を生成するようになる。拡散シート４６は、光ガイド４２上に直接的に配置されるか、又は、光ガイド４２から離され得る。

インデント部（indentation）４８（又は穴若しくは開口）も、側面発光ＬＥＤ１０が挿入される光ガイド４２の底面に成型される。サブマウント２２は、インデント部４８に挿入される必要はなく、従って、インデント部４８は、０．３〜０．５ｍｍのような非常に浅いものである。サブマウントがＬＥＤと略同一の寸法である場合には、インデント部４８はより深く作られ、ＬＥＤ、及び、サブマウントの少なくとも一部は、インデント部４８内に固定され得る。これは、光ガイドへのインカップリング効率（incoupling efficiency）を増大させ得る。

側面発光ＬＥＤ１０が上向きの光を少ししか放射しないので、バックライト４０の如何なる他のエリアとも全く変わりなく、インデントエリアの上に光放射が現れるように、プリズム４４（又は他の反射体）が、インデント部４８の上壁に成型される。ＬＥＤ１０の上にプリズム４４をもたない場合には、ＬＥＤエリアは、バックライト４０の出力で暗点として現れるだろう。

インデント部４８は、縦の又は角度付けされた側壁をもち得る。

反射膜４９は、全ての光を光ガイド４２に及び概ね上面に向かって反射させるために、光ガイド４２の裏面及び側面に渡って形成又は配置される。膜４９は、３Ｍ社から入手できるEnhanced Specular Reflector（ＥＳＲ）膜である。代わりに、バックライト４０は、全ての光を光ガイド４２に反射させるため、及び、ＬＣＤを組み立てるときに構造サポートを提供するための浅い反射タブ内に配置される。反射ボックスがバックライトの上のＬＣＤパネルを整列させてもよい。反射体は、正反射型であってもよく、又は、拡散型であってもよい。

様々な光線５１が示され、これは、プリズム４４及び反射型底面によりＬＥＤからの側面放射の上方反射の一般的な原理を示す。全てのＬＥＤからの側面発光は、光ガイド４２内において一緒に混合し、混合された光は、（拡散シート４６を含む）バックライト４０の出力面に渡る均一発光のためのバックライト４０の上面を通って漏出する。

反射膜３２が非常に薄い場合には、一部の光が反射膜３２を介して漏れるだろう。概して、側面発光ＬＥＤに関して、１０％よりも小さい光が反射体を介して漏れる。バックライトの上面で光点として見られる斯様な漏れを防止するために、インデント部４８の上壁は、小さなプリズムを成型し、貝殻形状にし、粗くし、又は、光吸収エリアを供給する等により、光散乱特徴体５３をもってもよい。これにより、反射膜３２を通るＬＥＤからの如何なる上向きの光も、広がって、目立たなくなるだろう。加えて、拡散シート４６は、光ガイドから抽出された光における如何なる不均一に対しても補償するためにパターン化されて最適化され得る。

ＬＥＤ１０は、共に電気的に接続され、可塑性回路２８を用いて電源５０に接続される。斯様な可塑性回路２８は、コネクタにおいて終端する金属配線をもつ薄型絶縁シート又はリボンを有する。金属配線は、直列及び／又は並列にＬＥＤを相互接続する。可塑性回路は、位置的にＬＥＤを固定するために光ガイド４２の底面に接着され、及び／又は、ＬＥＤが、シリコン又は任意の他の適切な接着材を用いて各インデント部４８内に接着固定され得る。

可塑性回路２８は、ＬＥＤとＬＣＤを組み立てるときにバックライトが配置されるヒートシンク面との間に適切な熱伝導を供給すべきである。

１又はそれ以上の薄型輝度強化膜（ＢＥＦ；brightness enhancement films）５４は、特定の視角の範囲内の輝度を増大させるためにその視角の範囲内の拡散された光を案内するために、拡散シート４６の上に配置される。

そして、従来型の液晶ディスプレイパネル５６は、カラー画像を表示するためのＬＣＤを生成するためにバックライト４０の上に配置される。ＬＣＤは、ピクセルシャッタ（例えば、ＴＦＴアレイとの組み合わせの液晶層）、偏光子、及び、ＲＧＢフィルタを用いてカラー画像を生成し得る。斯様なＬＣＤパネルは良く知られている。

図３は、１６個のＬＥＤのアレイを示すバックライト４０の上面図であり、ＬＥＤの各列は、可塑性回路２８により直列に接続されている。代わりに、全てのＬＥＤ１０が、直列及び／又は並列に１つの可塑性回路シートにより相互接続されてもよい。可塑性回路導体は、コネクタ５８で終端され、電源５０に接続され得る。光ガイド４２は、反射タブ、又は、裏面及び側面を囲む反射ホイルのいずれかに取り付けられる。

一実施形態において、各ＬＥＤは、白色光を放射する。他の実施形態において、バックライトの周りに分布された赤色、緑色及び青色発光ＬＥＤがあり、これらの光は、白色光を生成するために光ガイドにおいて混合される。

図４は、バックライト６０の他のタイプの部分的断面図であり、各ＬＥＤ１０は、光学セル６１に配置されている。セル壁６２は、拡散的に反射するか、又は、透明であり、従って、セル内のＬＥＤにより放射されたほとんど全ての光は、そのセルによってのみ放射される。他の実施形態において、セル壁は、正反射型である。セル壁６２は、光ガイドセルを別個に形成してセルを拡散シート４６又はセルの中間にセル壁材料をもつ反射ホイル４９に接着することにより、壁を開口させるように光ガイドを成型して白色拡散材料でその開口を埋めることにより、光ガイドの透明部分を形成するのと同時に壁を形成することにより、壁をもつサポート構造を生成してそのサポート構造及び壁の上に光ガイド層を形成することにより、又は、任意の他の適切な手段を用いて壁を形成することによる等のような、種々の手法で形成され得る。壁は、各ＬＥＤセルの周りに大型の反射プリズムを成型することにより形成されてもよい。各セルを同様に形成することにより、各セルは、拡散シート４６による拡散の後に非常に均一な発光を形成するように同一の光を出力するだろう。

図４のバリエーションにおいて、各セル内に複数のＬＥＤがあり、複数のＬＥＤからの光がセル内において混合する。セル毎に２，３，４又はそれ以上のＬＥＤがあり得る。

図５は、可塑性回路及びコネクタ５８を用いて電源５０に電気的に結合されたＬＥＤをもつ、図４のバックライト６０のトップダウン図である。

図６は、図４のバックライトのバリエーションを示し、壁６６は、光ガイド６１の厚さを部分的にだけ通るように延在している。この実施形態においては、一部の光が異なるセルエリアに壁を越えて通るので、異なるセル内のＬＥＤからの光の更に多くの混合が存在する。全ての実施形態において、拡散シート４６は、バックライトに渡る輝度の均一性を最適化するようにパターン化され得る。

図７は、図４のバックライトの他のバリエーションを示し、ＬＥＤは、セル壁６７のライン上にある。セル壁は、各ＬＥＤからの光が隣接セル間において分割されるように、各ＬＥＤの周りに延在し得る。

図８は、可塑性回路及びコネクタ５８を用いて電源５０に電気的に結合されたＬＥＤ１０をもつ、図７のバックライト６８のトップダウン図である。縁部側ＬＥＤ１９は、これらの光がセルの間において分割されないので小さくてもよく、又は、縁部側セルのエリアが小さく作られてもよい。追加のＬＥＤが、各セルに４つのＬＥＤからの光を供給するために横方向に引かれたセル壁のライン上にある。（簡潔さのための）１つのＬＥＤは、横方向の壁のライン上に破線で示される。これは、ＬＥＤの色温度が若干変化し、複数のＬＥＤからの組み合わせられた光が色温度を平均化するので、色の均一性を向上させる。

一実施形態において、セル毎に５つのＬＥＤ、即ち、４つのセル壁に沿って４つ及びセルの中央に１つのＬＥＤが存在してもよい。全ての実施形態において、セルのサイズは、セルの所望輝度及びセル内のＬＥＤの数に依存し得る。追加のセルが残りのバックライトにどのように影響するかを心配することなく、セルを簡単に追加することにより大型のバックライトが形成され得るように、セルがモジュール式であってもよい。

ＬＥＤは、所望の電圧降下を得るために直列及び並列の組み合わせで接続されてもよい。他の実施形態において、バックライトを構成する個々のＬＥＤ又はセル内の各グループのＬＥＤは、輝度の均一性を最適化するために別個に制御されてもよい。

図９は、図７及び図８と同様であるが、ＬＥＤ１０がセル壁７０の角に配置される、バックライトの一部のトップダウン図である。それ故、各ＬＥＤは、４つの隣接セルに光を与える。（破線で示された）追加のＬＥＤ１０は、追加の輝度又は良好な均一性のために各セルの中央に配置され得る。縁部側でのセルが他のセルと同一の輝度をもつようにバックライトの縁部側のＬＥＤが小さいものであってもよく、又は、セルが小さなエリアをもってもよい。

図１０は、図５，８及び９のようないずれかの説明されたバックライトにおける、隣接セルの縁部又はセグメントの断面図である。セルの縁部が縦方向の壁である代わりに、縁部７２は、光ガイド７５の出力面７４に向かって上方に（ＴＩＲにより）光７３を反射するように角度付けされ得る。各縁部の上側部分は、垂直である。

図１１は、図１０と同様であるが、光ガイド７７の上部までずっと延在する角度付けされた縁部７６を示している。縁部の角度は、各セルに渡って光の最良の均一性を供給するか、又は、制御された量の光だけが隣接セル間を通ることを可能にするように最適化され、この角度は、隣接セルを通って漏れ、及び／又は、隣接セルに底部ミラーにより反射される光に対して、全体的に内部に反射された光の量を制御する。

図１２は、ＬＥＤの上に暗点がないように側面発光ＬＥＤの上の光抽出を増大させるプリズム、ヒップルーフ（hip roof；即ち、４つの平坦傾斜面をもつ形状）、錐体、球、楕円、ピラミッド、穴、***又はこれらのバリエーションのような光学的特徴体８０を、光ガイド７９の上面７８がどのようにしてもつかを示している。図１２は、光ガイドの上面に対する浅い角度の光線８２を示し、これは、標準的には光ガイドに反射する。しかしながら、角度付けされたインデント（indent）７９により、光線８２は、光ガイド全体に渡る輝度の均一性を向上させるために、ＬＥＤの上に放射される。

図１３は、一部の側面発光ＬＥＤ光８５が上方に放射されることにより、光ガイド８４の出力側で現れる側面発光ＬＥＤからの輝度パターンを伴う潜在的な問題を示している。

図１４は、図１３の問題に対する処置を示しており、屈折特徴体８８が、側面発光ＬＥＤ１０のための光ガイドインデント９０の上縁部の近くに形成される。ＬＥＤ１０の側面から放射された上向きの光９２は、ＬＥＤの周りの明るいエリアを防止するために、ＬＥＤ１０の上から離れるように向けられる。これは、光ガイド９３により放射された光の均一性を向上させ、これは、吸収材料で光を吸収することに対する効果的な代替手段である。

図１５は、図１３の問題に対する他の処置を示しており、全内部反射（ＴＩＲ）特徴体９４が、ＬＥＤの周りの明るいエリアを防止するために光ガイド９５の出力面に形成される。

図１６は、図１５のＴＩＲ特徴体のバリエーションを示しており、ＴＩＲ特徴体９７が、ＬＥＤ１０の周りの明るいエリアを防止するために、光ガイド９８の出力面に形成される。

ここで説明されたいずれかの光ガイド特徴体は、１つの光ガイドに組み合わせられ得る。

図１７は、放射された光が白色になるように光ガイドの出力面の上に白色蛍光体層１０４をもつ、光ガイド１０２の底部におけるインデント１００内における青色光側面発光ＬＥＤ１０を示している。ＹＡＧ蛍光体層１０４は、青色光で活性化されたときに黄緑色光を放射し、変換された光と漏出する青色光との組み合わせが白色光を生成する。蛍光体層１０４は、白色光を生成するために赤色と緑色との組み合わせの蛍光体であってもよい。ＬＥＤ１０がＵＶを放射し、蛍光体層１０４が、白色光を生成するために、青色、緑色及び赤色の蛍光体を含んでもよい。

様々な実施形態において、側面発光は、ＬＥＤダイの上の反射層（例えば金属）により生成される。しかしながら、側面発光は、ＬＥＤ光をリダイレクトするためにＴＩＲを用いる、ＬＥＤの上に側面放射レンズを形成することにより生成され得る。図１８は、中心軸の周りにおいて対称である側面発光レンズ１０６の断面図であり、これは、半導体ＬＥＤ１０８の上の反射層の代わりに用いられ得る。ＬＥＤ１０８は、約０．６３ｍｍの幅であり、レンズ１０６は、約５ｍｍの直径及び約２．２５ｍｍの高さをもつ。側面発光レンズを用いることで、バックライトの最小厚さを非常に制限する。

種々の他のタイプの側面発光ＬＥＤは、本発明のバックライトと組み合わせて用いられ、バックライトは、ＬＥＤエリアが非ＬＥＤエリアと基本的に同じように現れるように光ガイドにおいて形成された光学的特徴体をもつことにより、暗点及び明点を回避する。

全ての実施形態において、光を散乱させるための光ガイドに成型される光学的特徴体は、図面に示されたインデントされた特徴体と大体同じ位置に光ガイド面の上に置かれる散乱反射体の代わりになり得る。斯様な散乱（拡散）反射体は、適切な白色塗料のような白色顔料、金属、又は、他の材料であってもよい。斯様な材料は、スクリーンプリント、スパッタリング、蒸発、又は、他の手段のような、任意の適切な手段を用いて置かれ得る。

光ガイドの全ての実施形態は、ＬＣＤをバックライトするために用いられるか、又は、薄型光源が望まれる汎用照明のために用いられる。

ＬＥＤ１０を含む図２〜１７のバックライトが１ｍｍオーダの厚さにあるので、バックライトは、図１９に示されるように、バックライトを連続ロールに最終的に巻き取るプロセスを用いて製造され得る。一実施形態において、拡散シート４６及びＢＥＦ５４は、バックライトに取り付けられて巻き取られる。しかしながら、好ましい実施形態において、拡散シート４６及びＢＥＦ５４は、剥離を回避するためにバックライトが展開された後に取り付けられる。ＬＣＤの組み立てのために、ＬＣＤの製造者は、１つのＬＣＤの所望の長さ及び幅にバックライトを切断し得る。そして、バックライト及びＬＣＤパネルが組み立てられる。

追加的に、幾つかのアプリケーションにおいて、可塑性のＬＣＤが望まれ、バックライトの可塑性は、最終的なＬＣＤの可塑性の特性を可能にする。

本発明を詳細に説明したが、当業者は、本開示を与えることで、ここで説明された精神及び本発明の概念から逸脱することなく本発明に対して変更が行われ得ることを理解するだろう。それ故、本発明の範囲が、示された及び説明された特定の実施形態に限定されることは意図されない。

Claims

半導体ＬＥＤダイの上面の法線に放射された光の大部分が前記法線から離れてリダイレクトされる、少なくとも１つの側面発光非レーザ発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
光が放射される出力面をもつ光ガイドとを有し、
前記光ガイドは、前記出力面と反対側の第１の面に少なくとも１つのインデント部をもち、各インデント部が側面発光ＬＥＤを含み、前記インデント部の壁が前記第１の面の部分を形成し、
前記光ガイドは、各ＬＥＤの上の暗いエリア、又は、各ＬＥＤに隣接した明るいエリアの出現を制限するための、前記出力面及び前記第１の面のうち少なくとも一方に光学的特徴体をもち、前記光学的特徴体は、前記光ガイドの出力面に渡る輝度の均一性を向上させるために光をリダイレクトする、発光デバイス。
前記側面発光ＬＥＤが前記光ガイドの前記出力面で暗点として現れないように、各ＬＥＤを覆う光学的特徴体に当たる前記光ガイド内の光が、前記光ガイドの前記出力面に向かってリダイレクトされるように、前記光学的特徴体が、各ＬＥＤを含む前記少なくとも１つのインデント部の上壁に形成された少なくとも１つの光学的特徴体を有する、請求項１に記載の発光デバイス。
前記側面発光ＬＥＤが、前記光ガイドの前記出力面で暗点として現れないように、各ＬＥＤの上の光学的特徴体に当たる光が、前記ＬＥＤの概ね上の前記出力面を介して放射されるようにリダイレクトされるように、前記光学的特徴体が、各ＬＥＤの概ね上の前記光ガイドの前記出力面に形成された少なくとも１つの光学的特徴体を有する、請求項１に記載の発光デバイス。
前記光ガイドの前記出力面に向かって放射された前記ＬＥＤからの直接光が、前記光ガイドの前記出力面で明点として現れないように、前記光ガイドの前記出力面に向かって放射された前記ＬＥＤからの直接光が、前記光ガイドの前記出力面から離れてリダイレクトされるように、前記光学的特徴体が、各ＬＥＤを含む前記少なくとも１つのインデント部の上壁の側縁部の近くに形成された少なくとも１つの光学的特徴体を有する、請求項１に記載の発光デバイス。
前記光ガイドの前記出力面に向かって放射された前記ＬＥＤからの直接光が、前記光ガイドの前記出力面で明点として現れないように、前記光ガイドの前記出力面に向かって放射された前記ＬＥＤからの直接光が、前記光ガイドの前記出力面から離れてリダイレクトされるように、前記光学的特徴体が、各ＬＥＤの概ね上の前記光ガイドの前記出力面に形成された少なくとも１つの光学的特徴体を有する、請求項１に記載の発光デバイス。
前記光学的特徴体は、凹凸のある特徴体を有する、請求項１に記載の発光デバイス。
前記光学的特徴体は、前記光ガイドの面に又は面上に形成されたプリズム、ヒップルーフ（hip roof）、球、楕円体、ピラミッド、ピット、バンプ又は穴を有する、請求項１に記載の発光デバイス。
前記光学的特徴体は、前記光ガイドの表面に成型される、請求項１に記載の発光デバイス。
前記光学的特徴体は、前記光ガイドの表面上に置かれた散乱反射体を有する、請求項１に記載の発光デバイス。
前記散乱反射体は、白色顔料を有する、請求項１に記載の発光デバイス。
前記光ガイドは、複数のセルを有し、各セルは、少なくとも１つのＬＥＤを含み、少なくとも１つのＬＥＤを囲むセル壁を有し、各セル壁は、少なくとも部分的に反射型である、請求項１に記載の発光デバイス。
前記セル壁は、前記光ガイドの前記出力面に向かって光をリダイレクトするように角度付けされる、請求項１１に記載の発光デバイス。
複数の側面発光非レーザ発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
光が放射される出力面をもつ光ガイドと、
１又はそれ以上のＬＥＤを少なくとも部分的に囲む前記光ガイド内のセル壁とを有し、
各ＬＥＤが、前記光ガイドに光を光学的に結合するように前記光ガイドの開口内に配置され、
各セル壁は、少なくとも部分的に反射型であり、
前記セル壁は、前記光ガイドにおいて複数のセルを生成し、各セルからの光出力は、実質的に同じである、発光デバイス。
前記セル壁は、拡散反射型である、請求項１３に記載の発光デバイス。
前記セル壁は、前記光ガイドの前記出力面に光をリダイレクトするように角度付けされる、請求項１３に記載の発光デバイス。