ТОНКАЯ ПОДСВЕТКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НИЗКОПРОФИЛЬНЫХ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ БОКОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
THIN BACKLIGHT USING LOW PROFILE SIDE EMITTING LED

Область техники, к которой относится изобретение
Это изобретение относится к подсветке с использованием светоизлучающих диодов (СИД), и в частности, к способам формирования тонких подсветок с использованием светоизлучающих диодов бокового излучения.
Уровень техники
Жидкокристаллические дисплеи (ЖКД, LCD) широко используют в сотовых телефонах, персональных цифровых секретарях (PDA), портативных музыкальных плеерах, компактных компьютерах, настольных мониторах и телевизорах. Одно осуществление настоящего изобретения касается цветного или монохромного просветного жидкокристаллического дисплея, для которого требуется задняя подсветка, при этом для подсветки можно использовать один или несколько светоизлучающих диодов, излучающих белый или цветной свет. Светоизлучающие диоды отличаются от лазерных диодов тем, что светоизлучающие диоды излучают некогерентный свет.
Во многих небольших дисплеях, например для сотовых телефонов, важно, чтобы дисплей и подсветка были тонкими. В таких небольших подсветках один или несколько светоизлучающих диодов оптически связаны с краями или почти с краями твердотельного прозрачного световода (также называемого волноводом). Свет из световода просачивается через верхнюю поверхность световода, освещая заднюю поверхность жидкокристаллической дисплейной панели. В таких небольших подсветках жидкокристаллическая дисплейная панель не лежит над светоизлучающими диодами, поскольку светоизлучающие диоды будут представляться яркими пятнами, или, если светоизлучающие диоды являются диодами только бокового излучения, то светоизлучающие диоды будут представляться темными пятнами. Такая краевая связь с твердотельным световодом не является практичной в случае большой подсветки вследствие ослабления света на протяжении световода, делая центральный участок намного более темным, чем краевые участки, и/или снижая общую эффективность и светоотдачу.
В случае большой подсветки, например, для телевизоров, светоизлучающие диоды обычно распределяют по нижней поверхности отражающего корпуса подсветки. Свет от матрицы светоизлучающих диодов смешивается в корпусе с образованием по существу равномерного излучения света перекрывающимися световыми лучами и светом, отражаемым от стенок корпуса. Такой корпус подсветки является жестким. С большими корпусами подсветки трудно работать, и они являются дорогими в изготовлении.
Существует необходимость в подсветке, которую можно масштабировать для крупной аппаратуры, но не имеющей недостатков больших подсветок, образованных с использованием светоизлучающих диодов внутри жесткого корпуса подсветки.
Краткое изложение сущности изобретения
В этой заявке описываются тонкие нелазерные светоизлучающие диоды бокового излучения различных видов для создания тонкой гибкой подсветки, предназначенной для задней подсветки жидкокристаллического дисплея. Светоизлучающие диоды представляют собой перевернутые кристаллы с электродами катода и анода на монтажной поверхности светоизлучающего диода. В предпочтительном осуществлении проводные соединения не используются. Светоизлучающие диоды могут иметь толщину меньше чем 0,5 мм. Суммарная толщина светоизлучающего диода и подложки может быть меньше чем 1 мм.
Подсветка представляет собой твердотельный прозрачный световод, такой как полимерный (например, из полиметилметакрилата), с матрицей светоизлучающих диодов бокового излучения, расположенных внутри отверстий, образованных в нижней поверхности световода. Нижняя поверхность световода является отражающей за счет отражающей фольги, образованной на нижней поверхности, или помещения световода в отражающий карман. По нижней поверхности световода распределены микропризмы или другие рассеивающие свет элементы, которые отражают свет к верхней выходной поверхности световода, противоположной нижней поверхности.
Чтобы светоизлучающие диоды бокового излучения не представлялись темными пятнами на выходе световода, по меньшей мере одна призма (или другой рассеивающий свет элемент) сформирован в световоде поверх светоизлучающих диодов. Призма образует часть верхней поверхности отверстия для светоизлучающего диода. В такой конфигурации оптические свойства световода над светоизлучающим диодом являются по существу идентичными оптическим свойствам в другом месте световода, так что темные или яркие пятна не заметны на выходе световода.
Некоторая часть света, излучаемого с боковых сторон светоизлучающего диода, направляется к выходной поверхности световода. Для предотвращения появления такого света в виде ярких участков вокруг светоизлучающего диода, по меньшей мере один рассеивающий свет элемент располагают на краях отверстия или на выходной поверхности световода, чтобы предотвратить выход такого прямого света над светоизлучающим диодом, что является более эффективным вариантом, чем поглощение света поглощающим материалом.
Светоизлучающие диоды бокового излучения можно устанавливать на гибкую схему, которая соединяет светоизлучающие диоды, а прозрачный световод может быть сделан очень тонким, например толщиной около 1 мм. Поэтому подсветка может быть гибкой и может быть образован в виде непрерывного рулона. Для жидкокристаллического дисплея конкретного размера от непрерывного рулона можно отрезать кусок любого размера.
В одном осуществлении светоизлучающие диоды в столбце светоизлучающих диодов (по ширине рулона световода) могут быть установлены на гибкую схему, которая соединяет светоизлучающие диоды в столбце. затем концы гибкой схемы для многочисленных столбцов светоизлучающих диодов могут быть связаны друг с другом последовательно и/или параллельно и соединены с источником тока для подачи напряжения светоизлучающим диодам в подсветке. Такую систему можно также использовать для других применений, таких как общее освещение.
В одном осуществлении при сборке жидкокристаллического дисплея световод располагают в отражающем кармане, так что любой свет, исходящий с боковых сторон или основной поверхности, перенаправляется обратно в световод. Отражающим карманом также обеспечивается структурная опора для гибкой подсветки и облегчается выравнивание жидкокристаллической панели относительно подсветки.
В другом осуществлении, обычно для больших подсветок, подсветка может быть толщиной до 10 мм и может не быть гибкой. С увеличением толщины обычно улучшается смешение света от отдельных светоизлучающих диодов при этом для лучшей однородности цвета и яркости по подсветке.
В одном осуществлении каждый светоизлучающий диод является идентичным и излучает белый свет при использовании кристалла голубого светоизлучающего диода с люминофорным слоем, который привносит красную и зеленую составляющие.
В одном осуществлении свет от различных светоизлучающих диодов смешивается в прозрачном световоде.
В другом осуществлении каждый светодиод окружен зеркальными или диффузно отражающими стенками, которые по существу образуют прямоугольную ячейку вокруг каждого светоизлучающего диода, поэтому смешение света от многочисленных светоизлучающих диодов ограничивается. В одном варианте стенки не продолжаются полностью между верхней и нижней поверхностями подсветки, так что допускается прохождение света из одной ячейки в другие ячейки. В другом варианте светоизлучающие диоды находятся на одной линии со стенками, в результате чего свет делится между многочисленными ячейками. Например, один светоизлучающий диод в углу четырех ячеек может в равной степени использоваться в четырех ячейках. В другом осуществлении каждая стенка ячейки разделяет светоизлучающий диод с соседними ячейками, и еще один светоизлучающий диод находится в середине каждой ячейки, в результате чего для каждой ячейки обеспечивается свет от пяти светоизлучающих диодов. Можно представить себе любое сочетание осуществлений.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
фиг.1А - сечение низкопрофильного светоизлучающего диода бокового излучения согласно осуществлению изобретения;
фиг.1В иллюстрирует светоизлучающий диод бокового излучения из фиг.1А с коллимирующей оптикой;
фиг.2 - частичное сечение подсветки через светоизлучающие диоды, согласно осуществлению изобретения; также показана жидкокристаллическая панель, отделенная от подсветки;
фиг.3 - вид сверху вниз подсветки из фиг.2 с показом дополнительных светоизлучающих диодов;
фиг.4 - частичное сечение подсветки через светоизлучающие диоды, где подсветка разделена на ячейки, согласно другому осуществлению изобретения;
фиг.5 - вид сверху вниз подсветки из фиг.4 с показом дополнительных светоизлучающих диодов;
фиг.6 - частичное сечение подсветки через светоизлучающие диоды, где стенки ячейки подсветки не продолжаются полностью между верхней и нижней поверхностями подсветки, согласно еще одному осуществлению изобретения;
фиг.7 - частичное сечение подсветки через светоизлучающие диоды, где светоизлучающие диоды находятся 8 на одной линии со стенками ячеек подсветки, так что свет от каждого светоизлучающего диода делится между двумя ячейками, согласно еще одному осуществлению изобретения;
фиг.8 - вид сверху вниз подсветки из фиг.7 показывающий дополнительные светоизлучающих диодов, где светоизлучающие диоды по выбору могут адресоваться индивидуально;
фиг.9 - вид сверху вниз участка подсветки, иллюстрирующий, каким образом светоизлучающие диоды могут быть расположены в углах четырех ячеек, согласно еще одному осуществлению изобретения;
фиг.10 - сечение края ячейки или сегмента показывает, что края каждой ячейки могут иметь наклонные края для отражения света к выходной поверхности;
фиг.11 - вид, аналогичный показанному на фиг.10, с несколько иным краем ячейки;
фиг.12 иллюстрирует, что верхняя поверхность световода может иметь оптические элементы, такие как призмообразные углубления, которые повышают вывод света над светоизлучающим диодом бокового излучения, с тем чтобы не было темного пятна над светоизлучающим диодом;
фиг.13 - иллюстрация потенциальной проблемы, связанной с яркой картиной от светоизлучающего диода бокового излучения, возникающей на выходе световода вследствие излучения вверх некоторой части света светоизлучающего диода бокового излучения;
фиг.14 - иллюстрация решения проблемы из фиг.13, где преломляющие элементы расположены на верхних краях углубления световода для светоизлучающего диода бокового излучения;
фиг.15 - иллюстрация другого решения проблемы из фиг.13, где элементы полного внутреннего отражения (TIR) сформированы на выходной поверхности световода;
фиг.16 иллюстрирует вариант элементов полного внутреннего отражения из фиг.15;
фиг.17 иллюстрирует светоизлучающий диод бокового излучения голубого света внутри углубления в дне световода с люминофорным слоем белого света (например, на основе алюмоиттриевого граната) поверх выходной поверхности световода, так что излучаемый свет является белым;
фиг.18 - сечение конфигурации линзы с боковым излучением, которая является симметричной вокруг центральной оси, которую можно использовать вместо металлического отражающего слоя поверх полупроводникового светоизлучающего диода; и
фиг.19 - иллюстрация скатывания в рулон подсветки после изготовления для облегчения обращения.
На различных фигурах элементы, которые являются аналогичными или идентичными, обозначаются одинаковыми позициями.
Подробное описание
Осуществления настоящего изобретения содержат низкопрофильные светоизлучающие диоды бокового излучения в сочетании с тонкими конструкциями световодов, обеспечивающими однородную светоизлучающую поверхность. Типичным применением изобретения является тонкая подсветка в жидкокристаллическом дисплее или общее освещение.
На фиг.1А представлено сечение тонкого светоизлучающего диода 10 бокового излучения согласно одному осуществлению. Другие осуществления тонких светоизлучающих диодов бокового излучения, которые можно использовать в подсветке, можно найти в заявке №11/423419 на патент США под названием “Low profile side emitting LED”, поданной 9 июня 2006 г, автор Олег Щекин (Oleg Shchekin) и другие, переуступленной настоящему правопреемнику и включенной в эту заявку путем ссылки.
В одном примере активный слой светоизлучающего диода 10 генерирует голубой свет. Светоизлучающий диод 10 формируют на исходной подложке для выращивания, например, сапфировой SiC или GaN. Обычно выращивают n-слой 12, за которым следует активный слой 14, за которым следует p-слой 16. Чтобы открыть участок нижележащего n-слоя 14, травят p-слой 16. После этого отражающие металлические электроды 18 (например, серебряные, алюминиевые или сплавные) формируют на поверхности светоизлучающего диода для контакта с n- и p-слоями. Когда диод смещают в прямом направлении, активный слой 14 излучает свет, длина волны которого определяется составом активного слоя (например, AlInGaN). Формирование таких светоизлучающих диодов является хорошо известным и не нуждается в более подробном описании. Дополнительные детали формирования светоизлучающих диодов описаны в патенте США №6828596 (Steigerwald et al.) и патенте США №6876008 (Bhat et al.), оба переуступлены настоящему правопреемнику и включены в эту заявку путем ссылки.
Затем полупроводниковый светоизлучающий диод устанавливают на подложку 22 как перевернутый кристалл. Подложка 22 содержит металлические электроды 24, которые припаивают или приваривают ультразвуком к металлическим электродам 18 на светоизлучающем диоде с помощью шариков 26 припоя. Соединения других видов также можно использовать. Шарики 26 припоя можно исключить, если сами электроды могут быть приварены ультразвуком.
Электроды 24 подложки электрически соединяют посредством металлизированных сквозных отверстий с контактными площадками на нижней стороне подложки, поэтому подложка может быть установлена поверхностью на металлические контактные площадки на гибкой схеме 28 или печатной схемной плате. Гибкая схема 28 содержит очень тонкий полимерный диэлектрик с печатными металлическими дорожками, в конечном счете соединенными с источником питания. Подложку 22 можно формировать из любого подходящего материала, такого как керамика, кремний, алюминий и т.д. Если материал подложки является электропроводным, поверх материала подложки формируют изолирующий слой, а поверх изолирующего слоя формируют рисунок металлических электродов. Подложка 22 действует как механическая опора, обеспечивает электрическое соединение между хрупкими n- и p-электродами на кристалле светоизлучающего диода и источником питания и обеспечивает отвод тепла. Подложки хорошо известны.
Чтобы сделать светоизлучающий диод 10 имеющим очень низкий профиль и чтобы предотвратить поглощение света подложкой для выращивания, подложку для выращивания удаляют, например, химико-механическим полированием или используя лазерный метод отслаивания, в котором лазер нагревает границу раздела GaN и подложки для выращивания для образования газа высокого давления, который отталкивает подложку от GaN. В одном осуществлении удаление подложки для выращивания выполняют после установки матрицы светоизлучающих диодов на пластину подложки и до разделения светоизлучающих диодов/подложек (например, разрезанием).
После удаления подложки для выращивания планарный люминофорный слой 30 располагают на верхней поверхности светоизлучающего диода для преобразования длины волны голубого света, излучаемого из активного слоя 14. Люминофорный слой 30 можно формировать заранее в виде керамического листа и прикреплять к слоям светоизлучающего диода, или люминофорные частицы можно осаждать с образованием тонкой пленки, например, электрофорезом. Люминофорный керамический лист может представлять собой спеченные люминофорные частицы или люминофорные частицы в прозрачном или просвечивающем связующем веществе, которое может быть органическим или неорганическим. Свет, излучаемый люминофорным слоем 30, при смешении с голубым (В) светом образует белый свет или свет другого требуемого цвета. Люминофор может быть люминофором на основе алюмоиттриевого граната (АИГ), который создает желтый (Y) свет (Y+B = белый), или может быть красным и зеленым люминофором (R+G+B = белый).
В случае люминофора на основе алюмоиттриевого граната (а именно,Ce:YAG) цветовая температура белого света сильно зависит от примеси Се в люминофоре, а также толщины люминофорного слоя 30.
Затем поверх люминофорного слоя 30 формируют отражающую пленку 32. Отражающая пленка 32 может быть зеркальной или рассеивающей. Зеркальный отражатель может быть распределенным брэгговским отражателем (РБО), сформированным из органических или неорганических слоев. Зеркальный отражатель также может быть слоем алюминия или другого отражающего металла, или комбинацией распределенного брэгговского отражателя и металла, или частицами оксида титана в золь-гель растворе. Рассеивающий отражатель можно формировать из металла, осаждаемого на шероховатую поверхность, или рассеивающего материала, такого как подходящая белая краска. Люминофорный слой 30 также способствует рассеиванию света, что повышает эффективность вывода света.
Хотя линзы с боковым излучением иногда используют для отклонения всего света, излучаемого верхней поверхностью светоизлучающего диода в круговую диаграмму бокового излучения, такие линзы во много раз толще самого светоизлучающего диода и непригодны для сверхтонкой подсветки.
В непредпочтительном осуществлении светоизлучающего диода бокового излучения (непоказанном) два зеркальных слоя (например, отражающие пленки) формируют поверх противоположных боковых сторон люминофорного слоя, перпендикулярно к полупроводниковым слоям светоизлучающего диода, для прослаивания люминофорного слоя. Затем светоизлучающий диод помещают в световод таким образом, чтобы основная поверхность светодиодных полупроводниковых слоев была перпендикулярной к верхней и нижней поверхностям световода, и при этом зеркальные поверхности были параллельными верхней и нижней поверхностям световода. В таком случае свет выходит через три открытые стороны люминофорного слоя, обычно параллельно зеркальным слоя, входя в световод подсветки.
В этом раскрытии любой светоизлучающий диод, который излучает наибольшее количество света в пределах небольшой высоты/площади или в пределах узкого или ограниченного угла между верхней и нижней поверхностями световода подсветки, считается светоизлучающим диодом бокового излучения. Если отражающий слой (слои) на светоизлучающем диоде являются очень тонкими, некоторая часть света может просачиваться через отражающий слой (слои); однако это просачивание обычно меньше, чем 10%. подходящим светоизлучающим диодом бокового излучения может быть даже светоизлучающий диод, имеющий линзу, которая перенаправляет свет преимущественно в пределах плоскости световода. Можно использовать линзу с полным внутренним отражением, коллимирующую оптику или любую другую технологию.
На фиг.1В показан светоизлучающий диод 10 бокового излучения, который включает в себя коллимирующую оптику 33. Опорная поверхность 34 может поддерживать оптику 33. Коллимирующая оптика 33 коллимирует свет до того, как свет входит в световод. В другом осуществлении на боковой стороне светоизлучающего диода может быть сформирована линза Френеля для коллимирования света.
Обработку полупроводниковых слоев светоизлучающего диода можно осуществлять до или после установки светоизлучающего диода на подложкь 22.
В одном осуществлении подложка 22 имеет толщину около 380 мкм, полупроводниковые слои имеют общую толщину около 5 мкм, люминофорный слой 30 имеет толщину около 200-300 мкм и отражающая пленка 32 имеет толщину около 100 мкм, так что толщина светоизлучающего диода с добавлением толщины подложки составляет меньше чем 1 мм. Конечно, светоизлучающий диод 10 может быть сделан более толстым. Длина каждой боковой стороны светоизлучающего диода обычно меньше чем 1 мм.
Если светоизлучающий диод не обязательно должен быть сверхтонким, эффективность бокового излучения можно повысить добавлением прозрачного световодного слоя поверх n-слоя 12, рассеивающего слоя поверх люминофорного слоя, включающего в себя отражающие частицы или шероховатую/призматическую поверхность, и дихроичного зеркала или прозрачного с одной стороны зеркала (подобного дихроичному зеркалу) под люминофорным слоем 30 с тем, чтобы свет с преобразованной длиной волны, отражаемый вниз отражающей пленкой 32, не поглощался полупроводниковыми слоями.
При использовании в системах освещения светоизлучающие диоды бокового излучения с перевернутыми кристаллами обеспечивают ряд преимуществ. В подсветке светоизлучающие диоды бокового излучения с перевернутыми кристаллами позволяют использовать более тонкие световоды, меньшее количество светоизлучающих диодов, получать более высокую равномерность освещения и более высокую эффективность вследствие лучшего связывания света в световоде.
На фиг.2 представлено частичное сечение 40 подсветки с использованием светоизлучающих диодов 10 и сечение двух светоизлучающих диодов 10. На фиг.3 представлен вид сверху вниз всей 40 подсветки.
Полимерный лист (например, из полиметилметакрилата) образует прозрачный световод 42. В одном осуществлении толщина световода 42 составляет 1-2 мм, так что он является гибким и может быть свернут. Для применений в более крупных подсветках световод 42 согласно другому осуществлению имеет толщину до 10 мм, чтобы улучшить смешение света для повышенной однородности цвета и яркости по подсветке.
На верхней поверхности световода находятся полученные формованием призмы 44, которые отражают свет вверх к верхней поверхности световода 42. Вместо призм можно формировать другие поверхностные формы, которые перенаправляют свет вверх, такие как случайная шероховатость нижней поверхности, получаемая травлением или пескоструйной обработкой с образованием ямок. Распределение призм 44 является таким, что направленный вверх свет при рассеивании тонким рассеивающим листом 46 создает отвечающее требованиям равномерное излучение света по поверхности светоотдачи подсветки 40. Рассеивающий лист 46 может быть расположен непосредственно на световоде 42 или отделен от световода 42.
Кроме того, углубления 48 (или впадины или отверстия) получают формованием в нижней поверхности световода 42, в которые вводят светоизлучающие диоды 10 бокового излучения. Подложки 22 необязательно вводить в углубления 48, поэтому углубления 48 могут быть очень мелкими, например 0,3-0,5 мм. Если подложка имеет приблизительно такие же размеры, как и светоизлучающий диод, углубления 48 могут быть сделаны более глубокими, и светоизлучающий диод и по меньшей мере часть подложки можно устанавливать в углубление 48. Этим можно повысить эффективность связывания в световоде.
Кроме того, поскольку светоизлучающие диоды 10 бокового излучения излучают мало света вверх, призму 44 (или другой отражатель) образуют формованием на верхней стенке углублений 48, чтобы на участке углубления излучение света не отличалось от излучения на любом другом участке подсветки 40. Без призмы 44 поверх светоизлучающего диода 10 на выходе 40 подсветки участок светоизлучающего диода может проявляться в виде темного пятна.
Углубления 48 могут иметь вертикальные или наклонные боковые стенки.
Отражающую пленку 49 можно формировать или помещать поверх задней поверхности и боковых поверхностей световода 42 для отражения всего света обратно в световод 42 и большей частью к верхней поверхности. Пленка 49 может быть пленкой с повышенным зеркальным отражением (ESR), поставляемой 3M Corporation. альтернативно подсветки 40 располагают в мелком отражающем кармане для отражения всего света обратно в световод 42 и для обеспечения структурной опоры при сборке жидкокристаллического дисплея. Кроме того, отражающий корпус можно совместить с панелью светоизлучающих диодов в подсветке. Отражатель может быть зеркальным или рассеивающим.
Показаны различные световые лучи 51, иллюстрирующие общий принцип отражения вверх бокового излучения от светоизлучающих диодов призмами 44 и отражающей нижней поверхностью. Боковые излучения из всех светоизлучающих диодов смешиваются друг с другом внутри световода 42, и смешанный свет просачивается через верхнюю поверхность подсветки 40, создавая равномерное излучение по выходной поверхности подсветки 40 (который включает в себя рассеивающий лист 46).
Если отражающая пленка 32 является очень тонкой, некоторая часть света будет просачиваться через отражающую пленку 32. Обычно в случае светоизлучающего диода бокового излучения меньше, чем 10% света просачивается через отражатель. Чтобы предотвратить такую утечку, наблюдаемую в виде светового пятна на верхней поверхности подсветки, верхние стенки углублений 48 могут иметь рассеивающие свет элементы 53, такие как небольшие призмы, волнообразный профиль, шероховатость, получаемые формованием, или создать участки поглощения света. Посредством этого любой свет, направляющийся вверх от светоизлучающего диода через отражающую пленку 32, будет рассеиваться и не будет заметным. Кроме того, рассеивающий лист 46 можно структурировать и оптимизировать для компенсации любой неоднородности света, извлекаемого из световода.
Светоизлучающие диоды 10 могут быть электрически соединены друг с другом и соединены с источником 50 тока, используя гибкую схему 28. Такая гибкая схема 28 содержит тонкий изолирующий лист или полоску с металлическими дорожками, заканчивающимися на соединителе. Металлические дорожки могут соединять светоизлучающие диоды последовательно и/или параллельно. Гибкую схему можно прикреплять адгезивно к нижней поверхности световода 42 для фиксации светоизлучающих диодов на месте, и/или светоизлучающие диоды можно по отдельности закреплять клеем внутри каждого углубления 48, используя силиконовый или любой другой подходящий клей.
Гибкие схемы 28 должны обеспечивать удовлетворяющую требованиям передачу тепла между светоизлучающими диодами и поверхностью, воспринимающей отводимое тепло, на которой устанавливают подсветку при сборке жидкокристаллического дисплея.
Одну или несколько тонких, повышающих яркость пленок 54 (BEF) располагают поверх рассеивающего листа 46 для направления рассеиваемого света в пределах определенного угла обзора, чтобы повысить яркость в пределах этого угла.
Затем обычную жидкокристаллическую дисплейную панель 56 располагают поверх подсветки 40, чтобы образовать жидкокристаллический дисплей для отображения цветных изображений. На жидкокристаллическом дисплее можно получать цветные изображения, используя модуляторы пикселей (например, жидкокристаллический слой в сочетании с матрицей тонкопленочных транзисторов), поляризаторы и RGB-фильтры основных цветов. Такие жидкокристаллические панели хорошо известны.
На фиг.3 представлен вид сверху 40 подсветки, иллюстрирующий матрицу (структуру) из 16 светоизлучающих диодов, где в каждом столбце светоизлучающие диоды соединены друг с другом последовательно с помощью гибкой схемы 28. Альтернативно все светоизлучающие диоды 10 могут быть соединены с помощью единственного листа гибкой схемы последовательно и/или параллельно. Проводники гибкой схемы могут заканчиваться соединителем 58 и соединяться с источником 50 тока. Световод 42 устанавливают в отражающий карман или его заднюю и боковые поверхности окружают отражающей фольгой.
В одном осуществлении каждый светоизлучающий диод излучает белый свет. В другом осуществлении имеются красные, зеленые и голубые светоизлучающие диоды, распределенные по подсветке, при этом для образования белого света их свет смешивается в световоде.
На фиг.4 представлен частичное сечение 60 подсветки другого вида, где каждый светоизлучающий диод 10 расположен в оптической ячейке 61. Стенки 62 ячеек являются диффузно отражающими или полупрозрачными, так что почти весь свет, излучаемый светоизлучающим диодом внутри ячейки, излучается только этой ячейкой. В другом осуществлении стенки ячеек являются зеркальными. Стенки 62 ячеек можно образовать различными способами, например отдельно формируя световодные ячейки и прикрепляя клеем ячейки к рассеивающему листу 46 или к отражающей фольге 49 с материалом стенок ячеек между ячейками, или получая формованием световод с отверстиями стенок и заполняя отверстия белым рассеивающим материалом, или формируя стенки одновременно с формированием прозрачных участков световода, или создавая опорную структуру, имеющую стенки, и затем формируя световодный слой поверх опорной структуры и стенок, или формируя стенки любым другим подходящим способом. Стенки можно образовать даже путем формования большой отражающей призмы вокруг каждой светодиодной ячейки. При одинаковом формировании каждой ячейки из каждой ячейки будет выводиться одно и то же количество света с образованием очень однородного излучения света после рассеивания рассеивающим листом 46.
В варианте из фиг.4 внутри каждой ячейки имеются множество светоизлучающих диодов, и свет от множества светоизлучающих диодов смешивается внутри ячейки. На каждую ячейку может быть 2, 3, 4 или больше светоизлучающих диодов.
На фиг.5 представлен вид сверху вниз 60 подсветки из фиг.4, при этом светоизлучающие диоды 10 электрически соединены с источником 50 тока с использованием гибкой схемы и соединителя 58.
На фиг.6 показан вариант подсветки из фиг.4, где стенки 66 продолжаются только частично через толщу световода 61. В этом осуществлении имеется намного большее смешение света от светоизлучающих диодов в различных ячейках, поскольку некоторая часть света проходит поверх стенок в области других ячеек. Как и во всех осуществлениях, рассеивающий лист 46 можно структурировать, чтобы оптимизировать равномерность яркости по подсветке.
На фиг.7 показан другой вариант подсветки из фиг.4, где светоизлучающие диоды находятся на одной линии со стенками 67 ячеек. Стенки ячеек могут продолжаться вокруг каждого светоизлучающего диода, так что свет от каждого светоизлучающего диода делится между соседними ячейками.
На фиг.8 представлен вид сверху вниз 68 подсветки из фиг.7, при этом светоизлучающие диоды 10 электрически соединены с источником 50 тока с использованием гибкой схемы и соединителя 58. Краевые светоизлучающие диоды 10 могут быть меньше, поскольку их свет не делится между ячейками, или площади краевых ячеек можно сделать меньшими. Дополнительные светоизлучающие диоды могут находиться на одной линии с тянущимися по горизонтали стенками ячеек для подачи света от четырех светоизлучающих диодов в каждую ячейку. Один светоизлучающий диод 10 (для простоты), находящийся в совмещении с горизонтальной стенкой, показан пунктирной линией. Этим повышается однородность цвета, поскольку цветовые температуры светоизлучающих диодов несколько различаются, а цветовая температура комбинированного света от множества светоизлучающих диодов является усредненной.
В одном осуществлении могут быть пять светоизлучающих диодов на каждую ячейку, четыре в совмещении с четырьмя стенками ячейки и один в центре ячейки. Во всех осуществлениях размер ячейки может зависеть от требуемой яркости ячейки и числа светоизлучающих диодов в ячейке. Ячейки могут быть модульными, так что более крупную подсветку можно образовывать просто добавлением ячеек, не беспокоясь о том, каким образом дополнительные ячейки будут влиять на остальную подсветку.
Для получения требуемого падения напряжения светоизлучающие диоды можно соединять группами последовательно или параллельно. В другом осуществлении индивидуальными светоизлучающими диодами, создающими заднюю подсветку, или каждой группой светоизлучающих диодов в ячейке можно отдельно управлять, чтобы оптимизировать равномерность яркости.
На фиг.9 представлен вид сверху вниз участка подсветки, аналогичного показанному на фиг.7 и 8, но в котором светоизлучающие диоды 10 расположены в углах стенок 70 ячеек. Поэтому каждый светоизлучающий диод привносит свет в четыре соседние ячейки. Дополнительный светоизлучающий диод 10 (показанный пунктирной линией) может быть расположен в середине каждой ячейки для дополнительной яркости или лучшей равномерности. Светоизлучающие диоды на краях подсветки могут быть меньше, так что краевые ячейки имеют такую же яркость, как и другие ячейки, или ячейки могут иметь меньшую площадь.
На фиг.10 представлено сечение краев двух смежных ячеек или сегмента в любой из описанных подсветок, таких как показанные на фиг.5, 8 и 9. Вместо краев ячейки, являющихся вертикальными стенками, края 72 могут быть наклонными для отражения света 73 (с помощью полного внутреннего отражения) вверх к выходной поверхности 74 световода 75. Верхний участок каждого края является вертикальным.
Фиг.11 аналогична фиг.10, но на ней показаны наклонные края 76, продолжающиеся на всем пути до верха световода 77. Углы (наклона) краев можно оптимизировать для получения наилучшей равномерности света по каждой ячейке или обеспечения возможности пропускания только контролируемого количества света между соседними ячейками, где углом задается количество света полного внутреннего отражения в сравнении со светом, который просачивается и/или отражается нижним зеркалом в соседнюю ячейку.
На фиг.12 показано, что верхняя поверхность 78 световода 79 может иметь оптические элементы 80, такие как призмы, четырехскатные крыши (то есть, форму с четырьмя плоскими наклонными сторонами), конусы, сферы, эллипсоиды, пирамиды, выемки, выступы или их вариации, которые повышают выход света над светоизлучающим диодом 10 бокового излучения, вследствие чего над светоизлучающим диодом темное пятно будет отсутствовать. На фиг.12 показаны световые лучи 82 под небольшим углом к верхней поверхности световода, которые обычно отражаются обратно в световод. Однако вследствие наклонного углубления 79 световой луч 82 излучается поверх светоизлучающего диода, что повышает равномерность яркости по всему световоду.
На фиг.13 показана потенциальная проблема с яркой картиной от светоизлучающего диода 10 бокового излучении, возникающей на выходе световода 84 вследствие излучения вверх некоторой части света 85 светоизлучающего диода бокового излучения.
На фиг.14 показано решение проблемы из фиг.13, где преломляющие элементы 88 образованы вблизи верхних краев углубления 90 в световоде для светоизлучающего диода 10 бокового излучения. Направленный вверх свет 92, излучаемый с боковых сторон светоизлучающего диода 10, перенаправляется выше светоизлучающего диода 10 для предотвращения ярких участков вокруг светоизлучающего диода. Этим повышается равномерность света, излучаемого световодом 93, что является эффективной альтернативой поглощению света поглощающим материалом.
На фиг.15 показано другое решение проблемы из фиг.13, где элементы 94 полного внутреннего отражения (ПВО) образованы на выходной поверхности световода 95 для предотвращения ярких участков вокруг светоизлучающего диода.
На фиг.16 показан вариант элементов полного внутреннего отражения из фиг.15, где элементы 97 полного внутреннего отражения образованы на выходной поверхности световода 98 для предотвращения ярких участков вокруг светоизлучающего диода 10.
Любые элементы световода, описанные в этой заявке, могут быть объединены в один световод.
На фиг.17 показан светоизлучающий диод 10 бокового излучения голубого света внутри углубления 100 в нижней части световода 102 с люминофорным слоем 104 белого света поверх выходной поверхности световода, так что излучаемым светом является белый. Люминофорный слой 104 на основе алюмоиттриевого граната излучает желто-зеленый свет, когда возбуждается голубым светом, и при сочетании преобразованного света и просачивающегося голубого света образуется белый свет. Чтобы создавать белый свет, люминофорный слой 104 также может быть выполнен из комбинации красного и зеленого люминофоров. Кроме того, светоизлучающий диод 10 может излучать ультрафиолетовый свет, а люминофорный слой 104 может включать в себя голубой, зеленый и красный люминофоры для образования белого света.
В различных осуществлениях боковое излучение создают отражающим слоем (например, металлическим) поверх кристалла светоизлучающего диода. Однако боковое излучение можно создавать, формируя линзу с боковым излучением поверх светоизлучающего диода, в которой используется полное внутреннее отражение, чтобы перенаправлять свет светоизлучающего диода. На фиг.18 представлено сечение линзы 106 с боковым излучением, симметричной вокруг центральной оси, которую можно использовать вместо отражающего слоя поверх полупроводникового светоизлучающего диода 108. Ширина светоизлучающего диода 108 составляет около 0,63 мм, а линза 106 имеет диаметр около 5 мм и высоту около 2,25 мм. Использование линзы с боковым излучением существенно ограничивает минимальную толщину подсветки.
Светоизлучающие диоды бокового излучения различных других видов можно использовать в сочетании с подсветкой согласно изобретению, где при задней подсветке исключаются темные пятна и яркие пятна за счет наличия оптических элементов, образованных в световоде, так что участки светоизлучающих диодов выглядят по существу так же, как и участки без светоизлучающих диодов.
Во всех осуществлениях оптические элементы для рассеивания света, которые получают формованием в световоде, можно заменить рассеивающими отражателями, которые осаждают на поверхности световода приблизительно в тех же самых местах, на которых находятся углубленные элементы, показанные на фигурах. Такие рассеивающие (диффундирующие) отражатели могут быть белым пигментом, например подходящей белой краской, или металлом или другим материалом. Такой материал можно осаждать, используя любой подходящий способ, такой как трафаретная печать, распыление, испарение или другой способ.
Все осуществления световодов можно использовать для задней подсветки жидкокристаллического дисплея или использовать для освещения общего назначения, где требуется тонкий источник освещения.
Поскольку подсветки из фиг.2-17, содержащие светоизлучающие диоды 10, могут быть толщиной порядка 1 мм, то подсветку можно изготавливать, используя процесс, в котором подсветку в конечном счете, как показано на фиг.19, скатывают в рулон. Кроме того, в одном осуществлении рассеивающий лист 46 и повышающую яркость пленку 54 (BEF) прикрепляют к подсветке и скатывают. Однако в предпочтительном осуществлении рассеивающий лист 46 и повышающую яркость пленку 54 прикрепляют после разматывания подсветки, чтобы исключить расслоение. При сборке жидкокристаллического дисплея изготовитель жидкокристаллического дисплея может отрезать подсветки нужной длины и ширины для одного жидкокристаллического дисплея. Затем осуществляют сборку подсветки и жидкокристаллической панели.
Кроме того, в некоторых применениях требуется гибкий жидкокристаллический дисплей, и гибкостью подсветки обеспечивается характеристика гибкости конечного жидкокристаллического дисплея.
При наличии подробного описания изобретения специалистам в данной области техники должно быть понятно, что с учетом настоящего раскрытия модификации к изобретению могут быть сделаны без отступления от сущности и принципов изобретения, описанных в этой заявке. Поэтому не предполагается, что объем изобретения будет ограничен конкретными показанными и описанными осуществлениями.