JP5394497B2 - Ｌｅｄのための薄型側部放射ｔｉｒレンズ - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）のためのレンズに関し、とりわけ、側部放射のための非常に薄型のレンズに関する。

一般に、ＬＥＤチップは、一般にＬＥＤチップの主要面に垂直であるその中央軸から９０度までの、非常に広い角度にわたって光を放射する。薄い液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）をバックライトで照らすために薄い矩形導波路内へ光を結合するためなどの、幾つかの用途のために、ＬＥＤは、光学部品を具備して、それに、小さい角度内のその中央軸に対してほぼ垂直な光だけを放射させる。このような場合には、ＬＥＤの主要面は、導波路の放射面に対して平行であり、側部放射レンズの全光放射部が、導波路内にある、又は導波路の側部に光学的に結合される。

図１は、或るこのような従来技術の側部放射ＬＥＤ構造１０の側面図である。ＬＥＤチップ１２は、サブマウント１４に取り付けられる。サブマウント１４は、ＬＥＤチップ１２上の底部電極と接触する頂部電極を持つ。サブマウント頂部電極は、一般に、ＬＥＤチップ１２に電力を供給するための回路基板との接続のために、リード線又はバイア穴によって、サブマウント１４の頂部、側部又は底部のロバストな端子に接続される。ＬＥＤの発光を、様々な色のどれかを得るよう、異なる波長に変換するために、ＬＥＤチップ１２の上には、蛍光体層（図示せず）が形成され得る。光がＬＥＤチップの主要面に対して垂直に出て行くのを阻止し、基本的に全ての光を、ＬＥＤチップ１２内へ後方反射、又は側部の外へ反射するよう、ＬＥＤチップ１２の頂部の上には、金属層などの反射層１６が形成される。

図１の側部放射ＬＥＤ構造は、それを、バックライティングのために薄い導波路に光を供給するのに用いる場合に、少なくとも以下の不利な点を持つ。前記構造は、ほぼ９０°で側部を出て行く幾つかの光線によって図示されているように、望ましくない広角側部光放射を持つ。鏡１６は、光をＬＥＤチップ１２内へ後方反射する。これは、光が側部を出て行く前の多重内部反射をもたらし、各反射は、光を減衰させる。鏡１６の反射率は１００％ではない。更に、反射層の形成は、複雑なステップである。

光を、ＬＥＤチップの主要面に対して平行に向けるのに、反射層１６ではなく、全反射（ＴＩＲ）を用いる側部放射レンズをＬＥＤチップの上に設けることで、上記の不利な点は防止される。しかしながら、このようなレンズは、ＬＥＤ構造の厚さを、1mmをはるかに上回るまで増大させる。側部放射光は、厚さが側部発光の高さより小さい導波路内へは、効率的に結合されることができない。

図２は、ＴＩＲを用いる従来技術の側部放射レンズ２０の断面図である。レンズの側部から放射されている様々な光線が示されている。このようなレンズは、米国特許第6,473,554号に記載されており、参照により本願明細書に盛り込まれる。前記レンズは、円形であり、その中央軸に関して対称である。ＬＥＤチップ１２は、一般に、0.6mmと1.5mmとの間の幅を持ち、レンズ２０の内角は、一般に、ＬＥＤチップ１２の上面に対して平行に光を反射しなければならないことから、レンズ２０の必要とされる高さは、物理学によって決定され、どうしても、1mmより大きくなる。ほぼ1mmの幅のＬＥＤに対しては、レンズ２０の必要とされる高さは、少なくとも2mmとなる。レンズ２０の直径を増大させると、ＬＥＤ光のより多くが、レンズ２０の上面によって横向きに反射されるであろうことから、光放射角度は小さくなる。

レンズ２０は、1mmの厚さの導波路内へ光を効率的に結合するのには、用いられることができない。

小さいバックライト付きディスプレイを必要とする小さい民生用装置が多く存在する。このようなディスプレイの厚さを減らすことが目標であり、ディスプレイの厚さを減らす１つの方法は、バックライト導波路の厚さを減らすことである。1mm導波路のような薄い導波路内へ効率的に光を結合する側部放射ＬＥＤ構造を作成することは望ましいであろう。

本発明の或る実施例においては、ＬＥＤチップのための薄型側部放射レンズが、２段の異なる導波路を持つ。前記レンズの中央部は、前記ＬＥＤチップの中心に面する先端部を備える渦形状を持つ。前記渦形状の内角は、ＬＥＤ光を、前記ＬＥＤチップの上面に対してほぼ平行に、内部反射する。前記中央渦部は、或る実施例においては、約2mmの高さを持つ。従って、光は、前記中央渦部の周囲から、2mmの高さの３６０°の光のリングのように、放射されるであろう。

前記中央渦部の下半分の周囲から放射状に延在するのは、各々が1mmの一定の厚さを持つ下段の矩形導波路であり、前記下段の矩形導波路は、前記中央渦部の前記下半分から放射される全ての光を、前記下段の導波路の光出力領域に案内する。前記中央渦部の上半分の周囲から放射状に延在するのは、各々が1mmの一定の厚さを持つ上段の導波路であり、前記上段の導波路は、前記中央渦部の前記上半分から放射される全ての光を、前記上段の導波路の光出力領域に案内する。前記上段の導波路の前記光出力領域が、前記下段の導波路の前記光出力領域と同じ面内にあるように、前記上段の導波路の各々は、下方傾斜部を持つ。それ故、前記中央渦部から出力される2mmの高さの側部放射は、前記上段及び下段の導波路の組み合わせによって、1mmの側部放射へ減らされる。前記ＬＥＤチップからの全ての光が、1mm以下の高さを持つ非常に薄い３６０°リングに効率的に成形される。当然、他の高さの光放射も得られる。

上記の技術は、図２の従来技術のレンズの側部放射の高さを半分に減らす。

前記側部放射レンズの直径が大きければ大きいほど、放射円錐角度は減る。一般に、直径は、0.5cmと3cmとの間であろう。

別の実施例においては、前記上段及び下段の導波路は、矩形ではなく、前記側部放射レンズの外面が、前記導波路間にギャップを持たないように、くさび形である。

全ての反射がＴＩＲによって達成されることから、前記ＬＥＤチップの上又は前記導波路の上に反射層（例えば金属層）が形成される必要がない。

前記ＬＥＤは、前記側部放射レンズがＬＣＤバックライトのための1mm導波路内へ結合する白色光を放射するように、蛍光体層を持ち得る。前記ＬＥＤ構造は、前記導波路内へ前記光を光学的に結合するよう、前記導波路内に形成される穴に挿入され得る。

単純な従来技術の側部放射ＬＥＤ構造の側面図である。 ＴＩＲを用いる従来技術の側部放射レンズの断面図である。 本発明の或る実施例による薄型側部放射レンズの或る実施例の上面斜視図である。 図３のレンズの上面図である。 図３のレンズの側面図である。 図３の線６−６に沿う図３のレンズの断面図である。 図３の線７−７に沿う図３のレンズの断面図である。 薄型側部放射レンズの別の実施例の上面斜視図である。 図８のレンズの上面図である。 図８のレンズの側面図である。 ＬＥＤと本発明の側部放射レンズとを含む小さいＬＣＤをバックライトで照らすための1mmのポリマ導波路の斜視図である。 側部放射レンズと共に用いられ得る、白色などの任意の色の光を生成するための蛍光体コーティングを持つ従来技術の青色又はＵＶのＬＥＤチップの断面図である。 側部放射レンズと共に用いられ得る、拡散ガラスプレート又は蛍光体プレートを持つＬＥＤチップの断面図である。

様々な図において同じ参照符号によって識別される素子は、同じもの又は同様のものである。

図３は、側部放射レンズ２４の或る実施例を図示している。図４及び５は、レンズ２４の異なる図である。図６は、図３の線６−６に沿った断面であり、図７は、図３の線７−７に沿った断面である。図５は、レンズ２４の下に延在する回路基板又はサブマウント１４の一部を示している。

図６及び７に示されているように、レンズの中央部２６は、ＬＥＤ光が、臨界角より大きな角度でレンズ面に当たることにより、渦形状の曲面が、当たるほぼ全ての光をほぼ横向きに内部反射するように、ＬＥＤチップ１２の中央に置かれる下向き先端部２８を備える対称渦形状を持つ。中央部２６を通る光の幾らかの漏れはあり得るが、このような漏れは、ＬＥＤチップ１２の主要面によって放射される光全体の１０％未満であろう。中央部２６の外壁は円柱形である。

チップ１２は、図１のサブマウント１４のようなサブマウントに取り付けられ得る。サブマウントは、回路基板に取り付けられ得る。中央部２６は、ＬＥＤチップ１２を内部に封入するようＬＥＤチップ１２を覆って成形される、シリコーン、ポリマ又は他の透明な材料であり得る。高屈折率シリコーンで形成されるオーバーモールド中央部２６でＬＥＤチップ１２をカプセル化することによって、中央部２６内への優れた光結合が存在する。

図３乃至７に示されている実施例においては、中央部の光出射高は2mmであり、その直径は約5mmである。ＬＥＤチップ１２のサイズに応じて、他の寸法も用いられ得る。幅がより大きいＬＥＤチップは、適切なＴＩＲのために必要とされる渦の内面の曲率を得るために、より厚い中央部２６を必要とする。側光は、一般に、光の明るさが、０°の角度の光の明るさの半分である角度によって決定される、３０°の範囲内で、中央部２６から放射される。このような角度内の光は、ＬＥＤチップの主要面に対してほぼ垂直であるとみなされる。なぜなら、反射光の最も明るい部分は、０°の角度の近くの狭い範囲内にあるからである。

従って、この例においては、光は、2mmの厚さのリングのような中央部２６の外側円柱形壁部を狭い角度で出て行くであろう。中央部の直径が大きければ大きいほど、前記角度は狭くなる。

更に、中央部２６の下半分のまわりに、厚さが1mmである矩形導波路３０の放射状アレイが形成され、下段の導波路を形成する。導波路３０は、中央部２６上に直接成形することによって形成されてもよく、又は別々に形成されて、中央部２６に取り付けられてもよい。それどころか、中央部２６と導波路３０との間に小さなエアギャップがあってもよい。中央部２６の下半分によって放射される光は、全て、導波路３０内へ光学的に結合され、導波路３０は、このような光を、図３及び７において光線３２によって示されているように、導波路３０の各々の端部の外へ向ける。導波路３０は、一般に、中央部２６を形成するのに用いられているものと同じ透明材料のものであろう。この例においては、下段の導波路のために、８個の導波路３０が示されているが、より多くてもよく、又はより少なくてもよい。

更に、中央部２６の上半分のまわりに、1mmの一定の厚さを持つ導波路の第２放射状アレイ３４が形成され、上段の導波路を形成する。下方傾斜部３６は、中央部２６の上半分から放射される全ての光を、下段の導波路３０から出力される光と同じ面内にあるよう案内する。このような導光は、図３及び６において光線３８によって図示されている。導波路３４は、一般に、中央部２６を形成するのに用いられているものと同じ透明材料のものであろう。導波路３４は、中央部２６上に直接成形することによって形成されてもよく、又は別々に形成されて、中央部２６に取り付けられてもよい。それどころか、中央部２６と導波路３４との間に小さなエアギャップがあってもよい。この例においては、下段の導波路３０の間を埋めるよう、８個の導波路３４が示されている。上段の導波路３４の数は、下段の導波路３０の数と同じであろう。

導波路３０／３４の出力部における側部放射レンズ２４の高さは、1mmしかなく、故に、全ての光が、1mm以上の厚さを持つバックライト導波路内へ効率的に結合され得る。中央部２６の2mmの高さの円柱形壁部の全放射面積は、1mmの高さの導波路３０／３４の全放射面積と同じである。側部放射レンズ２４の直径を増大させると、放射円錐角度は狭くなり、「より平坦な」３６０°光リングを生成する。

導波路３０及び３４の光出力領域の間のあらゆる暗い領域の発生を防止するため、導波路は、図８乃至１０に示されているように、くさび形であり得る。このような場合には、光出力領域は、中央部２６の放射領域より大きい。図８は、下段の導波路４０と、下方傾斜部４４を持つ上段の導波路４２とを図示している。動作は、図３乃至７に関して記載した動作と同じである。図８乃至１０の側部放射レンズ４６の出力部の高さ（例えば1mm）は、中央部２６の高さの約半分である。レンズ４６は、図３乃至７のレンズ２４と同じようにして製造され得る。

ＬＥＤチップが約1mmより小さい幅を持つ場合、中央部２６の光出射高は、2mm未満であってもよく、側部放射導波路は、1mm未満の出力高を持ち得る。

両方の場合において、導波路の全光出力面積は、中央部２６の光出力面積より大きいか、又は等しいことから、中央部２６の広がり(etendue)は、導波路の広がりより小さいか、又は等しく、故に、広がりのミスマッチに起因する損失がない。広くは、ここに記載されている光学技術は、ＴＩＲしか用いずに、光出力面積を減らさずに、光源光放射の高さを減らす。

側部放射レンズは多くの目的のために用いられ得るが、重要な目的は、側光を導波路内へ結合することである。図１１は、1mmの厚さを持つ透明なポリマ導波路５０を図示している。導波路５０の穴の中に挿入された側部放射レンズ２４又は４６が示されている。側部放射レンズの導波路３０／３４の端部は、導波路５０の穴の内壁部に当接してもよく、小さなエアギャップがあってもよい。レンズの中央部２６は、中央部２６の高さが導波路５０の厚さより大きい場合には、導波路５０より上又は下に延在するであろう。導波路５０は、全ての光をその上面の方へ再方向付けするために、その下面において傾斜反射器を含み得る（又は凸凹にされ得る）。このようにして、導波路５０の上面は、ＬＣＤをバックライトで照らすための一様な光を放射する。導波路５０は、その代わりに、一般照明又は何らかの他の目的のために用いられてもよい。

図１２は、側部放射レンズによってオーバーモールドされ得るＬＥＤ構造の断面図である。サブマウント１４上に取り付けられるＬＥＤチップ５２は、青色又はＵＶ光を放射し得る。結果として生じる光放射が、白色又は任意の他の色になり得るように、ＹＡＧなどの蛍光体５４、又は赤色、緑色若しくは青色蛍光体の任意の組み合わせが、ＬＥＤチップ５２を覆い得る。別の実施例においては、蛍光体は用いられない、又は蛍光体は、レンズの上若しくはレンズの外部などに、遠隔配置される。

図１３は、側部放射レンズによってオーバーモールドされ得る別のＬＥＤ構造の断面図である。サブマウント１４上に取り付けられるＬＥＤチップ５６は、青色又はＵＶ光を放射し得る。更に、出力波長を拡散させる且つ／又は変更するために、ＬＥＤチップ５６の上面に、拡散ガラスプレート又は蛍光体プレートが取り付けられる。

或る実施例においては、ＬＥＤチップは、その成長基板を取り除かせて、１０ミクロン未満の厚さを持つ。ＬＥＤの上の如何なる蛍光体又は拡散ガラスも0.5mm未満の厚さであり得る。一般的な厚さの範囲のＬＥＤは、好ましくはＬＥＤを覆って成形される側部放射レンズの厚さに影響を及ぼさないであろう。

本発明の特定の実施例を示し、記載しているが、本発明のより幅広い態様において、本発明から外れずに、変更及び修正がなされ得ることは、当業者には明らかであろう。それ故、添付の請求項は、本発明の本来の趣旨及び範囲に入るようなこのような変更及び修正を、全て、それらの範囲内に含む。

Claims (15)

1. 光を放射する主要面を持つ発光ダイオードと、
   前記発光ダイオードを覆う第１光学素子であり、前記主要面によって放射される前記光の大部分が、全反射によって、前記主要面に対してほぼ平行である方向に再方向付けされるような曲面を持つ第１光学素子であって、前記第１光学素子から放射されるほぼ全ての光が、前記第１光学素子の第１表面領域を通り、前記第１表面領域が、前記主要面に対してほぼ垂直な方向に第１高さを持つ第１光学素子と、
   前記第１光学素子の前記第１表面領域を通って放射されるほぼ全ての光を受けるよう、前記第１光学素子に光学的に結合される第２光学素子であり、前記第１高さより実質的に少ない第２高さの光出力領域を持つ第２光学素子であって、前記光出力領域によって放射される光の大部分が、前記発光ダイオードの前記主要面に対してほぼ平行な方向にあり、前記第２光学素子の前記光出力領域が、前記第１表面領域とほぼ等しい又は前記第１表面領域より大きい第２表面領域を持つ第２光学素子とを有する照明システム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、前記第１光学素子が、ほぼ円柱形の側壁部であって、光が前記ほぼ円柱形の側壁部を通って前記第１光学素子を出て行くほぼ円柱形の側壁部を持つ対称円形ボディを有し、前記第１光学素子の上面が、先端部と渦形状とを持ち、前記発光ダイオード主要面の中心が実質的に前記先端部の下に置かれ、前記上面が、発光ダイオードの光を、全反射によって、前記主要面に対してほぼ平行である方向に、反射するシステム。
3. 請求項１に記載のシステムであって、前記第２光学素子が、
   複数の第１導波路であって、前記第１導波路の各々が、光入力端部及び光出力端部を持ち、前記複数の第１導波路が、前記第１導波路の各々の前記光入力端部が、前記第１光学素子の前記第１表面領域の第１区域だけから光を受けるよう光学的に結合されるように、前記第１光学素子のまわりに放射状に配設される複数の第１導波路と、
   複数の第２導波路であって、前記第２導波路の各々が、光入力端部及び光出力端部を持ち、前記複数の第２導波路が、前記第２導波路の各々の前記光入力端部が、前記第１光学素子の前記第１表面領域の第２区域だけから光を受けるよう光学的に結合されるように、前記第１光学素子のまわりに放射状に配設される複数の第２導波路とを有し、
   前記第１導波路及び前記第２導波路の前記光出力端部が、同じ第１面内にあり、前記第１導波路及び前記第２導波路の前記光入力端部が、異なる面内にあるシステム。
4. 請求項３に記載のシステムであって、前記第１光学素子が、ほぼ円柱形の側壁部であって、光が前記ほぼ円柱形の側壁部を通って前記第１光学素子を出て行くほぼ円柱形の側壁部を持つ対称円形ボディを有し、前記第１光学素子の上面が、先端部と渦形状とを持ち、前記発光ダイオード主要面の中心が実質的に前記先端部の下に置かれ、前記上面が、発光ダイオードの光を、全反射によって、前記主要面に対してほぼ平行である方向に、反射し、前記第１光学素子の前記第１表面領域の前記第１区域が、前記ほぼ円柱形の側壁部の第１半分であり、前記第１光学素子の前記第１表面領域の前記第２区域が、前記ほぼ円柱形の側壁部の第２半分であるシステム。
5. 請求項３に記載のシステムであって、前記第１導波路及び前記第２導波路が、矩形断面を持つシステム。
6. 請求項３に記載のシステムであって、前記第１導波路が矩形であるシステム。
7. 請求項３に記載のシステムであって、前記第２導波路が、入力面において入る光を、前記入力面と異なる前記第１面において、前記第２導波路から出て行くよう、再方向付けする傾斜部を持つシステム。
8. 請求項３に記載のシステムであって、前記第１導波路の前記光入力端部が、前記第１面内にあり、前記第２導波路の前記光入力端部が、前記第１面とは異なる第２面内にあるシステム。
9. 請求項３に記載のシステムであって、前記第１導波路が、くさび形であるシステム。
10. 請求項３に記載のシステムであって、前記第２導波路が、入力面において入る光を、前記入力面と異なる前記第１面において、前記第２導波路から出て行くよう、再方向付けする傾斜部を備える、くさび形であるシステム。
11. 請求項３に記載のシステムであって、前記第１導波路及び前記第２導波路が、前記第１光学素子に光学的に結合される場所で、前記第１導波路及び前記第２導波路が、重なり合うシステム。
12. 請求項１に記載のシステムであって、前記第２高さが、前記第１高さのほぼ半分であるシステム。
13. 請求項１に記載のシステムであって、前記第２高さが、ほぼ1mm以下であるシステム。
14. 請求項１に記載のシステムであって、前記第２光学素子が、前記第１光学素子のまわりに配設される複数の導波路を有するシステム。
15. 請求項１に記載のシステムであって、前記第２光学素子が、リングパターンで光を放射するシステム。

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