TW201525525A - 光學顯示系統 - Google Patents

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TW201525525A TW103142468A TW103142468A TW201525525A TW 201525525 A TW201525525 A TW 201525525A TW 103142468 A TW103142468 A TW 103142468A TW 103142468 A TW103142468 A TW 103142468A TW 201525525 A TW201525525 A TW 201525525A
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optical
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Ping Wang
Douglas Harvey
Tyler Kakuda
Ronald Kaneshiro
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Abstract

本發明揭示一種光學顯示系統，其包含：一偏光器；一整合背光單元，其經光學連接至該偏光器之一第一面；及一顯示器，其包括經光學連接至該偏光器之一第二面之一像素陣列。該偏光器之該第一面與該偏光器之該第二面不平行，且該偏光器經組態以將光自該整合背光單元引導至該顯示器。

Description

光學顯示系統
本發明之實施例大體上係關於半導體發光裝置，諸如發光二極體(LED)，且具體言之係關於含有整合背光LED單元之一投影顯示器。
LED用於諸如膝上型電腦或LED電視中之液晶顯示器之電子顯示器中。習知LED單元係藉由將LED安裝至一基板、囊封經安裝之LED且接著將經囊封之LED光學耦合至一光學波導而製造。習知LED單元可遭受不良光學耦合的問題。
一實施例涉及一種光學顯示系統，其包含：一偏光器；一整合背光單元，其光學連接至該偏光器之一第一面；及一顯示器，包括光學連接至該偏光器之一第二面之一像素陣列。該偏光器之該第一面與該偏光器之該第二面不平行且該偏光器經組態以自該整合背光單元將光引導至該顯示器。
另一實施例涉及一種製造一光學顯示系統之方法，其包含將整合背光單元光學連接至一偏光器之一第一面且將包括一像素陣列之顯示器光學連接至該偏光器之一第二面。該偏光器之該第一面與該偏光器之該第二面不平行且其中該偏光器經組態以自該整合背光單元將光引導至該顯示器。
另一實施例涉及一種投影一影像之方法，其包含：自一整合背光單元將複數個色彩之光提供至一偏光器之一第一面；自該偏光器之一第二面將該光提供至一顯示器之一像素陣列；及自該像素陣列投影該影像。
100‧‧‧已封裝發光二極體(LED)裝置單元/單元
101‧‧‧第一側表面
102‧‧‧光學散發器
103‧‧‧第二側表面
104‧‧‧波導/光導面板
105‧‧‧光子
106‧‧‧光學透明模製材料
107‧‧‧半導體晶圓
108‧‧‧引線框
109A‧‧‧LED 112之列
109B‧‧‧LED 112之列
110‧‧‧反射材料/反射層
111‧‧‧開口
112‧‧‧發光二極體(LED)晶粒
112R‧‧‧紅色發光二極體(LED)晶粒
112G‧‧‧綠色發光二極體(LED)晶粒
112B‧‧‧藍色發光二極體(LED)晶粒
113‧‧‧發光二極體(LED)總成
114‧‧‧彎曲可撓性電路板/印刷電路板/電路板
114A‧‧‧第一部分
114B‧‧‧第二部分
116‧‧‧模製聚合物外殼/封裝/模製結構/引線框
117‧‧‧透明材料/囊封劑材料
117A‧‧‧折射率匹配化合物
118‧‧‧測錘繩
119‧‧‧熱點
120‧‧‧測錘繩
122‧‧‧測錘繩
124‧‧‧導線接合件/第一導線/第二導線
126R‧‧‧匯流排
126G‧‧‧匯流排
126B‧‧‧匯流排
130‧‧‧引線/接觸件/接觸墊
130RP‧‧‧紅色發光二極體(LED)p接觸件
130RN‧‧‧紅色發光二極體(LED)n接觸件
130GN‧‧‧綠色發光二極體(LED)n接觸件
130BP‧‧‧藍色發光二極體(LED)p接觸件
130BN‧‧‧藍色發光二極體(LED)n接觸件
132‧‧‧間隙
136‧‧‧夾具
138‧‧‧膠帶
140‧‧‧偏光器
142‧‧‧濾光器
144‧‧‧漫射體
146‧‧‧凹口
200‧‧‧基底板/支撐表面
202‧‧‧主表面
300‧‧‧整合背光單元
302‧‧‧染料/磷光體層
304‧‧‧染料及/或磷光體顆粒
400A‧‧‧整合背光單元
400B‧‧‧整合背光單元
500‧‧‧光學顯示系統/光學系統
502‧‧‧光學顯示器/顯示器
503‧‧‧外殼
504‧‧‧像素
505‧‧‧箭頭/光
506R‧‧‧紅光源
506G‧‧‧綠光源
506B‧‧‧藍光源
508‧‧‧反射光/影像
510‧‧‧偏光器
510A‧‧‧第一面
510B‧‧‧第二面
圖1係根據一實施例之一整合背光單元之一側視橫截面圖之一示意性圖解說明。
圖2係根據另一實施例之一整合背光單元之一側視橫截面圖之一示意性圖解說明。
圖3A至圖3D圖解說明根據一實施例之一發光裝置，其包含：(A)一平面圖；(B)貫穿圖3(F)之截面J-J之一側視橫截面圖；(C)圖3(A)之平面圖之一特寫圖；及(D)圖3(B)之橫截面圖之一特寫圖。
圖4A係根據一實施例之具有晶粒接合LED之一整合背光單元之一部分之一平面圖。
圖4B係根據一實施例之用於一整合背光單元之發光裝置之一側視橫截面圖。該發光裝置包含具有金屬化側面之一光學散發器。
圖4C係根據一實施例之具有導線接合LED之一整合背光單元之一平面圖。
圖4D係根據一實施例之一整合背光單元之一側視橫截面圖。
圖4E係根據一實施例之一整合背光單元之一平面圖。
圖4F係圖4E中圖解說明之一整合背光單元之一透視圖。
圖4G係圖4E中圖解說明之一整合背光單元之一側視橫截面圖。
圖4H係圖4G中圖解說明之整合背光單元之部分B之一側視橫截面特寫圖。
圖5A至圖5C圖解說明根據一實施例之在製造一整合背光單元之一方法中之步驟。圖5D圖解說明根據一實施例之一替代整合背光單 元。
圖6A至圖6D圖解說明根據一實施例之在製造一整合背光單元之另一方法中之步驟。圖6E圖解說明根據一實施例之一替代整合背光單元。
圖7A至圖7D圖解說明根據一實施例之製造一整合背光單元之一替代方法。圖7E圖解說明根據一實施例之一替代整合背光單元。
圖8係圖解說明容許一LED陣列中之LED之個別控制之一電路組態之一電路圖。
圖9係圖解說明根據一實施例之一整合背光單元中之未對準之效應之一射線圖。
圖10係依據耦合效率而變化之LED分佈之一曲線圖。
圖11A至圖11B圖解說明整合背光單元之替代實施例。
圖12係根據一實施例之一整合背光單元之一側視橫截面圖之一示意性圖解說明。
圖13A係圖解說明亮度中之一熱點之位置之一整合背光單元之一側視橫截面圖之一示意性圖解說明。
圖13B係根據另一實施例之一整合背光單元之一側視橫截面圖之一示意性圖解說明。
圖14A及圖14B係具有嵌入式染料及/或磷光體顆粒之整合背光單元之替代實施例之示意性圖解說明。
圖15A及圖15B係具有波長轉換材料之整合背光單元之實施例之示意性圖解說明。
圖16係根據一實施例之製造整合背光單元之一方法之一示意性圖解說明。
圖17A係一習知光學顯示系統之一示意性圖解說明。
圖17B係根據一實施例之一光學顯示器之一示意性圖解說明。
本發明者認識到利用LED光源且意欲用於均勻照明應用(諸如透射及反射顯示器及薄型面板照明器具)之先前技術背光解決方案遭受歸因於以下限制之一或多者之降級總光學系統效率：1.源於來自容納LED發射體之封裝之吸收損耗之固有光學損耗；2.LED發射體、LED封裝及光導板之間之耦合光學器件之光展量；3.源自LED封裝之放置、封裝與光導板之間之氣隙及光導板與LED封裝之對準之五度之自由度之裝配公差；及4.對減小背光單元之厚度之總厚度之持續需要。對於更狹長光面板及更薄顯示器之追求(尤其在行動數位設備市場中)加劇前述挑戰。
實施例涉及一種發光裝置，該發光裝置包含：一發光二極體(LED)總成，其具有含有一間隙之一支撐件及定位於該間隙中之至少一LED；及一透明材料，其囊封至少一LED且形成一光學散發器及/或一波導之至少部分。換言之，LED晶粒囊封劑形成光學散發器及/或諸如一光導板之波導。其他實施例涉及一種整合背光單元，其包含光學散發器及光學耦合至該光學散發器之一背光波導。較佳地，該背光波導直接接觸透明材料。其他實施例涉及製造發光裝置及整合背光單元之方法。製造一整合背光單元之方法之實施例包含藉由附接定位於一支撐件中之一間隙中之至少一LED且使用形成一光學散發器及/或一波導之至少部分之一透明材料囊封至少一LED而製造一發光裝置。在一實施例中，製造一整合背光單元之方法亦包含將一背光波導光學耦合至光學散發器。較佳地，該背光波導直接接觸透明材料。
此整合背光單元架構消除了LED發射體之第一層級封裝且容許經 發射光子至諸如一光導板之波導中之極其有效的光學散發而無與用於顯示及照明應用之背光單元之習知架構相關聯之封裝內及耦合損耗。此藉由消除或減少了非所要光學介面之共模製而提供光導板至LED發射體之直接耦合。
圖1及圖2係根據替代實施例之一已封裝LED裝置單元100之示意性圖解說明，其中LED晶粒囊封劑形成光學散發器，且該已封裝LED裝置單元100可與一波導一起使用以形成一整合背光單元。單元100包含：一支撐件，諸如支撐一間隙132中之至少一LED晶粒112(例如，晶片)之一模製引線框108(如圖1中所示)或一電路板114(如圖2中所示)；一透明材料117，其囊封至少一LED晶粒112且形成一光學散發器102之至少部分；及複數個引線/接觸件130(在圖1中展示其等之一者)。間隙132可包括在含有LED晶粒112之封裝之底表面與(若干)側表面之間之任何合適的中介空間。間隙132可具有一狹縫形狀或任何其他形狀，諸如圓柱形、圓錐形、多面體、錐體、不規則形等。LED晶粒112可包含可安裝於一引線/接觸件130之一上表面上之一或多個發光半導體元件(諸如，紅色、綠色及藍色發光LED或覆蓋有黃色發光磷光體之藍色發光LED)。
如圖3D及圖4B中所示，支撐件(諸如，一引線框108或一印刷電路板114)與定位於支撐件中之間隙132中之至少一LED晶粒112一起形成封裝LED單元100之一發光二極體(LED)總成113。如圖4A及圖4C中所示，總成113之引線框108可包括包含一敞開頂部之模製聚合物外殼116之一模製引線框，該模制聚合物外殼116具有嵌入之複數個(例如，至少第一及第二)導電引線框108引線130。間隙132定位於外殼116之側壁與一底表面之間且至少一LED(例如，LED晶粒)112定位於間隙132中且電連接至第一及第二導電引線框引線130。
可使用任何合适的接合或附接技術將LED晶粒112安裝至引線/接 觸件130之上表面。在實施例中，LED晶粒112之表面可經由一絕緣材料(例如，一藍寶石層)而與引線/接觸件130電絕緣，該絕緣材料可係或可形成晶粒112之支撐基板之部分。
如圖3C及圖4C中所圖解說明，可使用導線接合件124將LED晶粒112導線接合至諸如引線框引線130之第一及第二導電接觸件/引線。因此，LED晶粒112之作用區域可藉由一第一導線124而電連接至第一引線130，該第一導線124可被接合至晶粒112之一第一接合墊區域，如圖3C中所圖解說明。一第二導線124可被接合至晶粒112之一第二接合墊區域，以將晶粒112電連接至第二引線130。在一替代實施例中，至少一LED晶粒112經接合至導電引線框引線130，如圖4A中所圖解說明。LED晶粒112與接觸件/引線130(諸如第一及第二導電引線框引線130)之間的全部電連接件(例如，導線接合件124或直接接合件)宜係定位於光學散發器102之透明材料內。
在圖2中圖解說明之實施例中，已封裝LED單元100係形成於諸如一印刷電路板或可撓性電路板之一電路板114支撐件上，而非形成於一模製引線框上。圖2之單元100亦包含一外殼116，其可係在晶粒112及引線130周圍之一保護性、敞開頂部的封裝。在實施例中，外殼116可係一模製環氧樹脂材料，但可利用其他材料(例如，陶瓷、塑膠、玻璃等)。引線130可係至少部分嵌入外殼116中。如圖2中所示，外殼116可形成單元100之側壁及(視情況)底表面之至少一部分，且可在其上表面中包含一開口111，從而曝露至少一LED晶粒112。在圖2之實施例中，一印刷電路板114形成單元100之底表面的至少部分。在實施例中，外殼116形成一凹口，該凹口具有圍繞LED晶粒112之一間隙132。
間隙132宜可填充有一囊封劑材料117，該囊封劑材料117在諸如400nm至700nm之至少一經選擇波長範圍上係光學透明的(例如，至 少80%，諸如80%至95%透射)。透明材料117可係聚矽氧、丙烯酸聚合物(例如，聚(甲基丙烯酸酯)(「PMMA」))或環氧樹脂或任何其他透明材料，且形成光學散發器102之至少一部分。視情況，囊封劑可包含一磷光體或與聚矽氧、聚合物或環氧樹脂混合之染料材料。在一實施例中，外殼116包含一單一LED晶粒112。在其他實施例中，多個LED晶粒112可包含於一外殼116內(在外殼116之相同或不同間隙132中)，如下文中更詳細論述。
在圖1、圖3D、圖4B、圖4D及圖4H中圖解說明之一實施例中，透明材料溢出間隙132且自間隙132延伸於支撐件108/114之一上表面上方(即，在外殼/封裝116或總成LED 113之上表面上方)。在此實施例中，一波導104之一底部分接觸間隙132上方之散發器102之透明材料。波導104藉由間隙132上方之一夾具及一膠帶(136及/或138)之至少一者而附接至光學散發器102以形成整合背光單元300，如圖4D及圖4H中所示。較佳地，諸如一銀或鋁層或另一反射材料之一反射材料110定位於光學散發器102之透明材料之側表面之至少一部分上方，該反射材料110延伸於LED總成113之上表面上方，如圖3D及圖4B中所示。
在圖5C中展示之另一實施例中，光學散發器102之透明材料117僅部分填充間隙132。在此實施例中，波導104(諸如一光導面板)之一底部分延伸至間隙132中以接觸間隙132中之散發器102之透明材料，如圖5C中所示。光導面板104藉由圍繞間隙132之支撐結構(例如，外殼/封裝116)之側壁而附接至光學散發器102。在下文中將更詳細描述之此實施例之一非限制性組態中，封裝116可包括定位於一電路板114上之一模製或衝壓凹口146。
在圖5D中展示之另一實施例中，省略光學散發器102且透明材料模製材料形成諸如一光導板之一波導104。呈光導板104之形式之模製 材料完全填充間隙132且在諸如一模製引線框之支撐件之上表面上方自間隙132延伸出。
在一實施例中，LED晶粒112可係一白色發光LED(例如，覆蓋有一黃色發光磷光體之一藍色LED 112B，藍色LED 112B與黃色發光磷光體對一觀察者而言看似一起發射白光)或複數個緊密間隔之LED晶粒(例如，複數個紅色發光LED晶粒112R、綠色發光LED晶粒112G、藍色發光LED晶粒112B)，如圖3C中所示。
可利用任何合適的LED結構。在實施例中，LED可係一基於奈米線之LED。奈米線LED通常基於一或多個pn或pin接面。各奈米線可包括一第一導電類型(例如，摻雜n類型)之奈米線芯體及一圍封第二導電類型(例如，摻雜p類型)之殼體，以用於形成在操作中提供用於產生光之一作用區域之一pn或pin接面。芯體與殼體之間的一中間作用區域可包括一單一本質或輕微摻雜(例如，1016cm-3下之摻雜級)之半導體層或包括不同能帶間隙之複數個半導體層之一或多個量子井(諸如3至10個量子井)。奈米線通常以包括數百、數千、數萬或更多個奈米線之陣列並排配置於支撐基板上以形成LED結構。奈米線可包括多種半導體材料(諸如III至V族半導體及/或III族氮化物半導體)及合適的材料，其等包含(但不限於)GaAs、InAs、Ge、ZnO、InN、GaInN、GaN、AlGaInN、BN、InP、InAsP、GaInP、InGaP：Si、InGaP：Zn、GaInAs、AlInP、GaAlInP、GaAlInAsP、GaInSb、InSb、AlN、GaP及Si。支撐基板可包含(但不限於)III至V族或II至VI族半導體、Si、Ge、Al3O3、SiC、石英及玻璃。關於奈米線LED及製造之方法之進一步細節論述於(例如)美國專利第7,396,696、7,335,908及7,829,443、PCT公開案第WO2010014032、WO2008048704及WO2007102781號及瑞典專利申請案SE 1050700-2中，其等之全部內容以引用之方式併入本文中。
替代地，作為對奈米線LED的替代或除奈米線LED之外，可使用塊狀(即，平面層類型)LED。此外，雖然無機半導體奈米線或塊狀發光二極體係較佳，但可替代地使用任何其他發光裝置，諸如雷射、有機發光二極體(OLED)(包含小分子、聚合物及/或基於磷光之OLED)、發光電化學電池(LEC)、化學發光裝置、螢光燈、陰極發光裝置、電子刺激發光裝置(ESL)、電阻絲白熾燈、鹵素白熾燈及/或氣體放電發光裝置。發光裝置可發射任何合適的輻射波長(例如，峰值或頻帶)，諸如可見輻射(即，具有在400nm至700nm之一範圍中之任何一或多個峰值或頻帶波長之可見光)。
在圖4A中更詳細圖解說明之一實施例中，單元100包含一紅色LED n接觸件130RN、一紅色LED p接觸件130RP、一綠色LED n接觸件130GN、一LED綠色p接觸件130GP、一藍色LED n接觸件130BN及藍色LED p接觸件130BP。各引線/接觸件130可由一導電材料(例如，可視情況塗佈有鎳及/或銀之一金屬，諸如銅)形成。引線/接觸件130可形成為一引線框之部分、經封裝且與框架分離以產生個別單元100。引線/接觸件130可在單元100之一第一側表面101與一第二側表面103之間大體上平行延伸而不彼此接觸。
單元100不限於三個LED晶粒112。實施例單元100包含可包含幾十或數百或更多個LED晶粒112R、112G、112B之一外殼/封裝116。已封裝之LED單元100可包含複數個引線/接觸件130RN、130RP、130GN、130GP、130BN、130BP以電連接LED晶粒112R、112G、112B，如圖4A中所圖解說明。晶粒112R、112G、112B之各者可安裝於一引線之一頂表面上且電連接至至少兩個不同引線，如上文所述。
單元100與波導104一起可以一頂部發射組態(例如，其中經發射之光垂直於支撐單元100之板200之主表面202)或以一側面發射組態(例如，其中經發射之光平行於支撐單元100之板200之主表面202)安 裝至諸如一基底板200之一支撐表面200，如圖4D及圖4G中所圖解說明。舉例而言，整合背光單元300可以一側面發射組態定位於一基底板200上方使得封裝LED裝置單元100支撐件(例如，模製引線框108/116)之一側定位於基底板200之一主表面上，且在模製引線框108之封裝116之側上之經曝露接觸件130接觸基底板200上之各自電極。在此實施例中，一漫射體144、濾光器142及(若干)偏光器140膜之至少一者定位於波導104之第一表面及第二表面上方，如圖4D、圖4E、圖4F及圖4H中所圖解說明。
實施例亦包含製造一發光裝置之方法。一實施例包含提供一發光二極體(LED)總成113，其包含具有一間隙132之一支撐件(諸如模製引線框108或一電路板114)及定位於間隙132中之至少一LED晶粒112。該方法亦包含使用一透明材料117囊封至少一LED晶粒112，該透明材料117形成至少部分填充間隙132之一光學散發器102。
在圖3A至圖3D、圖4A至圖4H及圖5A至圖5C中圖解說明之一實施例中，支撐件包括模製引線框108。藉由在一引線框周圍模製一聚合物外殼116以使第一及第二導電引線框引線130嵌入於外殼116中而形成模製引線框108。經模製引線框108包含一外殼116(例如，模製封裝部分)，該外殼116具有定位於外殼116之側壁與一底表面之間的間隙(例如，對準通道或空腔)132，如圖5A及圖5B中所示。
若需要，諸如藉由使用一Ni及/或Ag層塗佈引線130而在間隙132中形成一電極材料。接著，在囊封LED晶粒112之前在圍繞間隙132之支撐件(例如，外殼116)之側壁上形成反射材料110，如圖5B中展示。若引線不具有所需接合墊形狀，則接著藉由雷射燒蝕或化學蝕刻經曝露引線130而形成晶粒接合墊。
至少一LED晶粒112放置於間隙116中(如圖5B中所示)且電連接至第一及第二導電引線框引線130。在一實施例中，至少一LED晶粒 112導線接合至第一及第二導電引線框引線130，如圖4C中所示。
另外，使用透明材料117囊封至少一LED晶粒112之步驟包含囊封至少一LED晶粒112與第一及第二導電引線框引線130之間之導線接合件124使得導線接合定位於光學散發器102之透明材料內，如圖5C中所示。
該方法進一步包含將一背光波導104光學耦合至光學散發器102使得背光波導104直接接觸透明材料。在一實施例中，背光波導104係一光導面板且散發器102之透明材料僅部分填充間隙132(例如，25%至75%填充，諸如約50%填充)，如圖5C中所示。在此實施例中，光學耦合背光波導104之步驟包含將光導面板104之一底部分***至間隙132中以接觸間隙132中之散發器102之透明材料，使得光導面板104藉由圍繞間隙132之支撐結構(例如，模製外殼116)之側壁而附接至光學散發器102，如圖5C中所示。
在圖5D中展示之另一實施例中，省略光學散發器102且透明材料模製材料形成諸如一光導板之一波導104。模製材料經固化呈光導板104之形式，該光導板104完全填充間隙132且在諸如一模製引線框108之支撐件之上表面上方自間隙132延伸。因此，波導104由一可模製聚合物材料製成，直接接觸LED晶粒112之上表面且充當用於LED晶粒112之囊封劑。
在圖6A至圖6D及圖7A至圖7D中圖解說明之替代實施例之一方法中，支撐件係一電路板114。含有間隙132之一凹口146定位於電路板114上。凹口146可係定位於電路板114之一表面上之一模製結構，諸如一外殼116。在此實施例中，間隙132定位於模製結構116之側壁與一底表面之間。LED晶粒112放置於間隙132中且導線接合至電路板114之表面上之接觸墊130。較佳地，使用光學散發器102之透明材料囊封至少一LED晶粒112之步驟包括囊封導線接合件124使得導線接合 124定位於光學散發器102之透明材料117內。
如圖6A至圖6D中所圖解說明，具有一間隙132之模製結構116可直接模製(即，形成)於電路板114上。在此方法中，提供諸如具有晶粒接合墊及其他電極之一印刷電路板或一可撓性電路板之一電路板114，如圖6A中所示。
接著，將一環氧樹脂或另一合適模製材料提供至板114之表面且模製該環氧樹脂或另一合適模製材料以形成凹口146(例如，模製外殼結構116)。較佳地，諸如藉由Shin-Etsu以KER-2020-DAM或KER-2000-DAM之名稱出售之一甲基橡膠RTV聚矽氧材料之一反射白色環氧樹脂或聚矽氧晶粒接合屏障材料(dam material)用於形成結構116，如圖6B中所示。
在一替代實施例中，凹口146包括一模製結構116，其在獨立於電路板114經模製之後經附接至電路板114之表面而非經模製於電路板114之表面上。此模製結構116可包括一模製引線框(例如，諸如一聚合物或陶瓷之一絕緣體上之接觸件之一金屬圖案，其形成互連件作為用於LED晶粒之基底及連接)或一絕緣凹口。替代地，凹口146可包括經衝壓於電路板114上之一衝壓外殼結構116，諸如一反射波導凹口。舉例而言，衝壓凹口146可包括塗佈有諸如一鋁層之一反射層110之一丙烯酸玻璃(例如，PMMA)凹口。可使用諸如UV可固化環氧樹脂之任何合適的黏著劑將模製或衝壓結構116附接至電路板114。
在形成模製或衝壓結構116之後，一或多個LED晶粒112可定位於(例如，附接至)間隙132中且連接(例如，導線接合)至電路板114上之接合墊，如圖6C中所示。若結構116係一模製引線框，則LED晶粒可接合於引線框內部。
接著，藉由囊封LED晶粒112於環氧樹脂、丙烯酸聚合物或聚矽氧中而在間隙132中形成光學散發器102。在形成光學散發器102之 後，可將波導(例如，光導面板)104定位於結構116中之間隙132的剩餘未填充上部分中，如圖6D中所示。將背光波導104光學耦合至光學散發器之步驟可包括將波導(例如，光導面板)104之一底部分***至間隙132中以接觸間隙中之散發器102的透明材料，使得光導面板由圍繞間隙132之支撐件(例如，結構或外殼)116之側壁附接至光學散發器。
在一替代方法中，首先將一或多個LED晶粒112定位於電路板114之表面上，且接著在LED晶粒112周圍形成結構116(例如，在LED晶粒周圍模製、衝壓或附接)。
在圖6E中展示之一替代實施例中，省略光學散發器102，且透明材料模製材料形成諸如一光導板之一波導104。呈光導板104之形式之模製材料完全填充間隙132且在結構116之上表面上方自間隙132延伸出。
在圖7A至圖7D中圖解說明之另一實施例中，電路板114包括一彎曲可撓性電路板114，其具有一第一部分114a，及在相對於第一部分114a之一不平行的方向上中延伸之一第二部分114b。舉例而言，第二部分114b可(例如)相對於第一部分114a成20至160度(諸如80至100度，例如垂直)延伸，如圖7A中所示。
凹口146包含在彎曲可撓性電路板114周圍經模製、附接或衝壓之一結構116。結構116可包括上文中描述之白色反射性環氧樹脂或反射波導丙烯酸玻璃凹口。第一部分114a在凹口146之一底表面上的間隙132中曝露，且第二部分114b在相對於第一部分114a之不平行的方向上延伸穿過凹口146的底表面，如圖7B所示。
該方法接著以類似於圖6C至圖6D中展示之步驟繼續進行，其中至少一LED晶粒112經附接至凹口146中之間隙132中之彎曲可撓性電路板的第一部分114a，如圖7C中所示。接著使用光學散發器102之透 明材料囊封LED晶粒112，且可將波導(例如，光導面板)104定位於結構116中之剩餘間隙132中，如圖7D中所示。
在圖7E中所示之一替代實施例中，省略光學散發器102，且透明材料模製材料形成諸如一光導板之一波導104。呈光導板104之形式之模製材料完全填充間隙132且在結構116之上表面上方自間隙132延伸。
在另一替代實施例中，形成光學散發器102及/或光導板之透明材料117以囊封LED晶粒112，使得溢出間隙132且在形成間隙132之(若干)側壁之支撐件108/116之一上表面上方自間隙132延伸。在此方法中，光學耦合背光波導104之步驟包含在間隙132上方使波導104之一底部分與光學散發器102之透明材料接觸且在間隙132上方通過一夾具及一帶(136及/或138)之至少一者而將波導104附接至光學散發器102，如(例如)圖4H中所示。替代地，波導(例如，一作用光導板)104可由藉由在波導104及光學散發器102之介面周圍射出成型或澆鑄而形成之一光學透明模製材料(例如，聚合物或環氧樹脂)106附接至光學散發器102。光學透明模製材料106較佳具有與波導104之折射率相同或類似(例如，差別少於10%)之折射率。在一實施例中，該方法進一步包含在延伸於支撐件之上表面上方之光學散發器102之透明材料之側部分上方形成一反射材料110之一步驟，如(例如)圖3D及圖4B中所示。
在另一實施例中，該方法進一步包含在波導104之第一及第二表面上方形成一漫射體144、濾光器142及偏光器140膜(若干)之至少一者，如圖4H中所示。該方法進一步包含以一側面發射組態在一基底板200上方安裝連接至波導104之單元100使得支撐件108/116之一側定位於基底板200之一主表面202上，如圖4H中所示。可在將單元100附接至基底板200之前或之後將波導104附接至單元100。
圖8圖解說明一電路圖，該電路圖圖解說明容許LED晶粒112之一 陣列中之LED晶粒112G、112R、112B之個別控制之一電路組態。當使用具有諸如紅色、綠色及藍色之不同色彩之LED時，向各色彩LED晶粒提供單獨匯流排126G、126B、126R。通常向各色彩發光LED晶粒提供兩個匯流排126(一正匯流排及一負匯流排)。可串聯接線發射相同色彩光之LED晶粒112使得在串聯連接之LED晶粒112之陣列中之第一LED晶粒112之一第一引線電連接至諸如正匯流排或負匯流排之一匯流排，且該陣列中之最後LED晶粒112之一第二引線電連接至兩個匯流排之另一匯流排。
圖9係圖解說明一整合背光單元100之光學散發器102與背光波導104之未對準之效應之一射線圖。測錘繩118圖解說明一Y軸之未對準。測錘繩120圖解說明一Y位置之未對準。測錘繩122圖解說明模製腳高度。運行五千個模擬且在對模擬執行一蒙特卡羅分析。在圖10中圖解說明蒙特卡羅分析之結果，圖10係依據耦合效率而變化之分佈之一曲線圖，其展示在即使具有未對準之情況之一可接受裝置效能。
應注意，在上文中描述且圖解說明之實施例中，可使用任何合適的方法將LED附接至支撐件。舉例而言，可使用晶粒附接、覆晶附接(例如，覆晶接合)或移植方法附接LED。LED可以一共面組態(例如，LED晶片之主表面定位於其上定位LED之支撐件之主表面上且平行於該主表面延伸)或以一邊緣安裝組態(例如，LED晶片之副邊緣表面定位於其上定位LED之支撐件之主表面上且平行於該主表面延伸)而附接至支撐件。支撐件可包括任何合適的材料，諸如聚合物或環氧樹脂外殼或電路板，囊封於聚合物或環氧樹脂外殼中之金屬引線(例如，模製引線框)、一金屬支撐件、一半導體(例如，III族氮化物或IV族，諸如矽)支撐件等。可使用諸如導線接合、覆晶接合及表面安裝二極體接觸(例如，接觸二極體之一底表面)之任何合適的接觸方法產生至LED之電接觸。
雖然將光學散發器描述且圖解說明為附接至光導板之一邊緣，但亦可使用諸如將光學散發器附接至光導板之一主表面(例如，面)之替代組態。替代地，複數個光學散發器可直接附接至光導板之複數個(例如，2個、3個或4個)邊緣及/或面。此外，一單一散發器(例如，一L形狀、U形狀或矩形形狀之散發器)可直接附接至光導板之複數個邊緣及/或面。該裝置(例如，背光單元)可用於任何合適系統中，諸如用於照明之一系統(例如，一照明裝置或燈)或用於顯示之一系統(例如，液晶顯示器)。
綜上所述，使用在筆直的一列RGB LED晶粒上方之側表面上之一反射體模製諸如聚矽氧或丙烯酸(聚(甲基丙烯酸酯))之一光學透明材料形成直接配合背光波導之一光學散發器。此組態導致以下非限制性優點之一或多者，諸如經改良之光學耦合、經減小之功率消耗、較短之混合長度、較小之總封裝大小及經減小之成本，此係因為不需要個別封裝。具體言之，將RGB LED晶粒直接模製至光學散發器中改良光學耦合，(諸如)藉由將光學散發器直接對接耦合至波導。此容許一列RGB LED晶粒沿著一波導之邊緣對準，及透過光學散發器使光直接向下散發至波導之核心。光學散發器形狀改良耦合且縮短混合長度，且容許使用一反射金屬層金屬化光學散發器之側以形成光學散發器。光學散發器可使用諸如夾持、黏貼、模製或***一面板形狀之波導至部分填充有光學散發器材料之一間隙中之任何合適的方法而容易地連接至波導。該裝置可在寬度、長度及厚度方面縮放。
此組態進一步導致以下額外非限制性優點之一或多者：1. LED發射光子「見到」至光導中之一連續光學路徑；2. 在光子飛行路徑之折射率中不存在中斷，藉此消除或減小菲涅耳損耗(Fresnel loss)；3. 以大於光導(例如，散發器及/或波導)之全內反射之入射角散發 之光子由反射表面往回引導；4. 減小或消除歸因於LED封裝之光學損耗；5. LED發射體「看見」光導板之全內反射角增大至42度而非LED發射體至空氣之26度角。此使一更大部分之發射光子能夠散發至光導板中；6. 光導板與LED總成之共模製消除一層級之關鍵對準。此導致經改良之耦合效率以及窄製造分佈；7. 歸因於消除第一層級之LED封裝，共模製之光導板容許更薄之背光單元厚度。
本發明之替代實施例亦提供以下任選非限制性優點。經選擇LED發射體可隨機分佈於背光單元內。LED發射體之波長不限於紅色、綠色及藍色。LED發射體在背光單元內之一更密集放置變得可能。歸因於緊湊且具有面積高效架構，可建構由以格柵幾何形狀配置之多個較小尺寸之背光單元組成之一大背光單元面板。在有機或無機之任何合適電基板上容易實現共模製之光學散發器及光導。
圖11A至圖11B圖解說明整合背光單元100之替代實施例。在圖11A中圖解說明之實施例中，具有嵌入式染料及/或磷光體顆粒304之一染料/磷光體層302定位於背光波導104之遠端處。在一態樣中，染料及/或磷光體顆粒304降頻轉換來自LED 112之光。即，染料及/或磷光體顆粒304吸收自LED 112於一第一波長處發射之光且在一第二更長波長處重新發射光。舉例而言，若LED 112發射藍光，則可選擇染料及/或磷光體顆粒304使得染料/磷光體層302發射黃光、綠光或紅光。在另一態樣中，多個不同類型之染料及/或磷光體顆粒304可嵌入染料/磷光體層302中，使得自染料及/或磷光體顆粒304發射一種以上不同色彩之光。在一態樣中，不同色彩之光可在染料/磷光體層302中組合(諸如)以形成白光。舉例而言，對於藍色發光LED，顆粒304可包 括發射黃光之YAG：Ce奈米顆粒。可使用材料及波長組合。較佳地，染料及/或磷光體顆粒304係諸如量子點之奈米級顆粒。
在圖11B中圖解說明之實施例中，染料及/或磷光體顆粒304直接嵌入在背光波導104中。在一實施例中，背光波導104由一光學透明聚合物材料製成。較佳地，如在先前實施例中，染料及/或磷光體顆粒304係諸如量子點之奈米級顆粒。在另一實施例中，染料及/或磷光體顆粒304可嵌入在光學散發器中、在光學散發器與波導之間及/或在光學散發器及波導兩者中。
圖12係根據另一實施例之一整合背光單元100之一側視橫截面圖之一示意性圖解說明。在此實施例中，整合背光單元100包含一光學散發器102及一波導104。此實施例亦包含在光學散發器102與波導104之間之間隙中之一折射率匹配化合物117A，以改良光子105自光學散發器102至波導104中之通過之效率。視需要，可提供延伸跨光學散發器102與波導104之間之間隙之如上文論述之一反射材料110。反射材料充當散發器與波導之間之一機械接合件且限制原本將逸出至波導之光子。較佳地，機械接合件包括纏繞光學散發器與波導之間之一介面之反射材料之一金屬條(例如，鋁、銀等)。
圖13A係圖解說明在波導104中之亮度中之一熱點119之位置之一整合背光單元100之一側視橫截面圖之一示意性圖解說明。發明者已發現自光學散發器102提供至光導104之光可能係非均勻的，從而導致波導104中之亮度中之一熱點119。為了幫助防止光逸出波導104，可在波導104周圍提供一圓周偏光器140，如圖13B中圖解說明。運用偏光器140，僅一小部分之熱點119中之光逸出波導104而大多數光由偏光器140往回引導至波導104中。即，圓周偏光器定位於波導104周圍以減少來自背光波導104中之光學熱點之光損耗。熱點119頻帶亮度降低，從而導致整個單元100之亮度之增加。此外，高角度光子損耗顯 著降低，諸如降低30%至50%。若需要，圖12中展示之機械接合件金屬條110及/或折射率匹配化合物117A亦可與圖13B中展示之圓周偏光器140組合使用。
圖14A及圖14B係具有嵌入式染料及/或磷光體顆粒304之整合背光單元之替代實施例之示意性圖解說明。此等實施例類似於上文中論述之圖11A及圖11B中圖解說明之實施例。在圖14A中圖解說明之實施例中，嵌入式染料及/或磷光體顆粒304僅定位於光學散發器102中。在圖14B中圖解說明之實施例中，嵌入式染料及/或磷光體顆粒304僅定位於波導104中。如圖11B中圖解說明，嵌入式染料及/或磷光體顆粒304可定位於光學散發器102及波導104兩者中。
圖15A及圖15B係具有諸如嵌入式染料及/或磷光體顆粒304之波長轉換材料之整合背光單元400A、400B之實施例之示意性圖解說明。在圖15A中圖解說明之整合背光單元400A之實施例中，染料及/或磷光體顆粒304遍及光學散發器102、波導104或兩者分佈使得來自全部LED 112之光行進至染料及/或磷光體顆粒304。在圖15B中圖解說明之整合背光單元400B之實施例中，染料及/或磷光體顆粒304在光學散發器102、波導104或兩者中分佈使得來自經選擇LED 112之光行進至染料及/或磷光體顆粒304。舉例而言，染料及/或磷光體顆粒304可經組態使得僅來自紅色LED 112R之光行進至染料及/或磷光體顆粒304。替代地，染料及/或磷光體顆粒304可經組態使得僅來自藍色LED 112B或綠色LED 112G或紅色LED 112R、藍色LED 112B及/或綠色LED 112G之任何組合之光行進至染料及/或磷光體顆粒304。
圖16係根據一實施例之製造整合背光單元100之一方法之一示意性圖解說明。在圖16中圖解說明之方法中，首先將LED 112之多個列109A、109B安裝(例如，晶粒附接及導線接合或覆晶附接)於諸如一有機或無機基板或面板或一半導體晶圓107之一支撐件上。接著，可使 用圖5A至圖7E中圖解說明之任何方法製造整合背光單元100之一「面板」。在製造整合背光單元100之「面板」之後，面板或晶圓107可分離成若干列之LED 112(例如，藉由鋸切割而分割等)以形成個別整合背光單元100，各整合背光單元100具有一或多個列之LED。在將囊封單元100分離成若干列之前或之後可使用光學散發器102及/或波導104囊封單元100。較佳地，在分離之前使用散發器及/或波導成組模製支撐件上之全部LED 112。若需要，可在分離之前效能測試面板或晶圓上之全部LED 112。替代地，可在分離之前單獨效能測試各列(即，一次測試各列之LED)，且若各列通過測試則分離各列且將其用於一背光單元100中，或若各列未通過測試，則將其摒棄。
圖17A及圖17B分別圖解說明根據一實施例之一習知光學顯示系統及一光學顯示系統500。圖17A中展示之習知光學顯示系統包含一顯示器502，該顯示器502包含定位於一外殼503中之像素504之一陣列。像素504之陣列產生經顯示之影像。習知光學顯示系統進一步包含用於數位光處理(DLP)中之微鏡或用於液晶(LC)顯示器中之扭轉向列聚合物。為了照明像素504之陣列，習知顯示系統包含自像素504之陣列遠端定位之單獨紅光源506R、綠光源506G及藍光源506B，諸如燈。來自單獨紅光源506R、綠光源506G及藍光源506B之光經反射遠離像素504之陣列。一觀察者可看到反射光508。
根據本發明之一實施例之圖17B中展示之光學系統500包含光學連接至一偏光器510之一第一面510A之一整合背光單元100。該系統亦包含一顯示器502，該顯示器502包含一外殼、光學連接至偏光器510之一第二面510B之像素504之一陣列。在一實施例中，偏光器510之第一面510A與偏光器510之第二面510B彼此不平行。然而，偏光器510經組態以將光自整合背光單元100引導至顯示器502，如由箭頭505所指示。在光學系統500之一實施例中，第一面510A與第二面510B成 大約90°之一角度。因此，在此實施例中，整合背光單元100可光學附接至偏光器510之一垂直面且光學顯示器502可光學附接至偏光器510之一水平面。此外，在使用一單一偏光器510將源光自整合背光單元100引導至顯示器502之情況下，不需要DLP之鏡及扭轉聚合物LC之複雜光學器件。
該系統可包括可將諸如一色彩影像之一影像投影於一表面上(例如，一螢幕之一表面上或諸如窗或遮光板之另一物件之一表面上)或表面之間之一空間中之任何合適的影像投影系統。影像投影系統之實例包含投影機、可佩戴式顯示器、微型顯示器及平視顯示器。一平視顯示器(「HUD」)係一飛行機或一運載工具中之儀器度數之無需降低眼睛即可見到之一顯示器(通常透過投影至一擋風玻璃或一遮光板上)。
自系統500投影一影像508之一方法包含將諸如紅色、綠色及藍色峰值波長光或光色彩之另一組合之複數個色彩之光505自整合背光單元100提供至偏光器510之第一面510a。該方法亦包含將光505自偏光器510之第二面510b提供至一顯示器502之像素504之一陣列。像素504將光轉換成一影像且透過偏光器510將影像508自像素504之陣列投影至一表面上或表面之間之一空間中。
用於光學系統500中之整合背光單元100可包含上文中描述之整合背光單元100之任何者或任何其他合適的多色彩LED光源。整合背光單元100可包含具有光學附接至一光導104之複數個LED 112之一光學散發器102。較佳地，複數個LED包含紅色LED 112R、綠色LED112G及藍色LED 112B。
較佳地，整合背光單元100提供跨像素504之陣列均勻照明。在一實施例中，照明跨陣列像素變動少於5%。
雖然前述內容涉及特定較佳實施例，但將瞭解，本發明不限於 此。一般技術者將想到可對所揭示之實施例作出多種修改且此等修改意欲在本發明之範疇內。本文中引用之全部公開案、專利申請案及專利之全文以引用之方式併入本文中。
100‧‧‧封裝發光二極體(LED)裝置單元/單元
102‧‧‧光學散發器
104‧‧‧波導/光導面板
500‧‧‧光學顯示系統/光學系統
502‧‧‧光學顯示器/顯示器
503‧‧‧外殼
504‧‧‧像素
505‧‧‧箭頭/光
508‧‧‧反射光/影像
510‧‧‧偏光器
510A‧‧‧第一面
510B‧‧‧第二面

Claims (20)

  1. 一種光學顯示系統，其包括：一偏光器；一整合背光單元，其經光學連接至該偏光器之一第一面；及一顯示器，其包括經光學連接至該偏光器之一第二面之一像素陣列，其中該偏光器之該第一面與該偏光器之該第二面不平行，且其中該偏光器經組態以將光自該整合背光單元引導至該顯示器。
  2. 如請求項1之系統，其中該整合背光單元包括一光學散發器及經光學連接至該光學散發器之一波導，且該波導係鄰近該偏光器定位。
  3. 如請求項1之系統，其中該第一面與該第二面成大約90°之一角度。
  4. 如請求項1之系統，其中該整合背光單元包括複數個紅色、藍色及綠色發光二極體。
  5. 如請求項1之系統，其中該整合背光單元提供跨該像素陣列之均勻照明。
  6. 如請求項1之系統，其中該照明跨該等像素變動少於5%。
  7. 如請求項1之系統，其中該像素陣列包括一液晶陣列或一DLP鏡像素陣列。
  8. 如請求項1之系統，其中該顯示器包括一影像投影顯示器。
  9. 如請求項8之系統，其中該影像投影顯示器包括一投影機、一可佩戴式顯示器、一微型顯示器或一平視顯示器。
  10. 一種製造一光學顯示系統之方法，其包括：將整合背光單元光學連接至一偏光器之一第一面；及 將包括一像素陣列之顯示器光學連接至該偏光器之一第二面，其中該偏光器之該第一面與該偏光器之該第二面不平行，且其中該偏光器經組態以將光自該整合背光單元引導至該顯示器。
  11. 如請求項10之方法，其中該第一面與該第二面成大約90°之一角度。
  12. 如請求項10之方法，其中該整合背光單元提供紅光、藍光及綠光。
  13. 一種投影一影像之方法，其包括：將複數個色彩光自一整合背光單元提供至一偏光器之一第一面；將該光自該偏光器之一第二面提供至一顯示器之一像素陣列；及自該像素陣列投投影該影像。
  14. 如請求項13之方法，其中該偏光器之該第一面與該偏光器之該第二面不是平行的。
  15. 如請求項14之方法，其中該第一面與該第二面成大約90°之一角度。
  16. 如請求項13之方法，其中透過該偏光器將該影像自該像素陣列投影至一表面上或表面之間之一空間中。
  17. 如請求項13之方法，其中該整合背光單元提供來自複數個紅色發光二極體、藍色發光二極體及綠色發光二極體之紅光、藍光及綠光。
  18. 如請求項13之方法，其中該像素陣列包括一液晶陣列或一DLP鏡像素陣列。
  19. 如請求項13之方法，其中該顯示器包括一影像投影顯示器。
  20. 如請求項19之方法，其中該影像投影顯示器包括一投影機、一可佩戴式顯示器、一微型顯示器或一平視顯示器。
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