JP2007148332A - バックライトに有用なｌｅｄのための広角放射レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオード（ＬＥＤ）とある一定のレンズ設計形状及びＬＥＤダイの上にレンズを形成する技術とを提供する。
【解決手段】レンズ及びいくつかの製作技術。広角放射レンズは、ＬＥＤダイによって発せられた光を屈折し、ピーク強度を中心軸線から５０〜８０度外れた範囲内に発生させ、中心軸線に沿った強度をピーク強度の５％及び３３％の間になるようにする。このレンズは、ＬＣＤバックライト用途において特に有用である。一実施形態では、レンズは、ＬＥＤダイが取り付けられたバックプレーンに固定されてＬＥＤダイを取り囲む。レンズは、ＬＥＤダイとレンズの間に空隙を形成する中空部分を有し、光は、空隙界面及び外側レンズ面界面の両方で側面の方向に曲げられる。このレンズは、ＬＥＤダイの上に直接成形された内部レンズを取り囲む２次レンズとすることができる。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
これは、２００４年１１月１５日出願の「ＬＥＤダイ上の成形レンズ」という名称のＧｒｉｇｏｒｉｙ Ｂａｓｉｎ他による米国特許出願出願番号第１０／９９０，２０８号の一部継続出願（ＣＩＰ）である２００５年２月２８日出願の「ＬＥＤダイ上のオーバーモールドレンズ」という名称のＧｒｉｇｏｒｉｙ Ｂａｓｉｎ他による米国特許出願出願番号第１１／０６９，４１８号のＣＩＰである。
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、特に、ある一定のレンズ設計形状及びＬＥＤダイの上にレンズを形成する技術とに関する。

ＬＥＤダイは、一般的に、ランバーシアン（lambertian）パターンで発光する。ＬＥＤダイの上のレンズを使用して、ビーム幅を狭めるか又は側面放射パターンを作るのが一般的である。表面装着型ＬＥＤのための一般的な種類のレンズは、予備成形モールドプラスチックであり、これは、ＬＥＤダイが取り付けられたパッケージに結合される。「Ｌｕｍｉｌｅｄｓ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ」に譲渡され、本明細書において引用により組み込まれている米国特許第６，２７４，９２４号には、このようなレンズの一つが示されている。

米国特許出願出願番号第１０／９９０，２０８号 米国特許出願出願番号第１１／０６９，４１８号 米国特許第６，２７４，９２４号 米国特許第６，６４９，４４０号 米国特許第６，２７４，３９９号 米国特許第６，５７６，４８８号

当業技術において、表面装着型ＬＥＤのためのレンズを形成する技術、並びにレンズの様々な設計形状が必要とされている。

表面装着型ＬＥＤのためのレンズを形成する技術をレンズの様々な設計形状と共に本明細書で説明する。１つの特に有用なレンズは、バックライト内の複数のＬＥＤからの光が完全に混ざり合って液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）バックライトにおける均質な光源を作り出すような広角放射パターンを作り出すものである。
レンズを形成する１つの方法においては、１つのＬＥＤダイ又は複数のＬＥＤダイが、支持構造体上に取り付けられる。支持構造体は、セラミック基板、シリコン基板、又は他の種類の支持構造体とすることができ、ＬＥＤダイは、支持構造体上の金属パッドに電気的に接続される。支持構造体は、パッケージ内の回路基板又は放熱板上に取り付けられるサブマウントとすることができる。

モールドは、支持構造体上のＬＥＤダイの位置に対応する凹部を有する。凹部は、硬化時に硬化レンズ材料を形成するシリコーンのような液体光学透明材料で充填される。凹部の形状は、レンズの形状ということになる。モールドとＬＥＤダイ／支持構造体とは、各ＬＥＤダイが関連の凹部の液体レンズ材料内にあるように一緒にされる。
モールドは、次に加熱されてレンズ材料を養生（硬化）する。次に、モールド及び支持構造体は分離され、完全なレンズを各ＬＥＤダイ上に残す。この一般的工程を以下ではオーバーモールド法と呼ぶ。

オーバーモールド工程を異なるモールドで繰返し、レンズの同心円状又は重ね合わせシェルを作り出すことができる。各レンズは、蛍光体を含有すること、異なる材料であること、異なる放射パターンをもたらすこと、異なる硬度値を有すること、異なる屈折率を有すること、又は異なる技術（例えば、熱に対してＵＶ）によって硬化可能であることなどの異なる特性を有することができる。
別の実施形態では、２次レンズが、オーバーモールドレンズの上に固定される。オーバーモールドレンズは、２次レンズの設計形状及び製作を簡素化するものである。
別の実施形態では、オーバーモールドレンズを必要としない広角放射レンズを説明する。

前提として、従来のＬＥＤは、成長基板上に形成される。使用された例においては、ＬＥＤは、青色光又はＵＶ光を生成するＡｌＩｎＧａＮのＬＥＤのようなＧａＮベースのＬＥＤである。一般的に、従来の技術を用いて、相対的に厚いｎ型ＧａＮ層をサファイア成長基板上に成長させる。この相対的に厚いＧａＮ層は、一般的に、ｎ型クラッド層及び活性層に対する低欠陥格子構造を提供するために低温核生成層及び１つ又はそれよりも多くの付加的な層を含む。次に、１つ又はそれよりも多くのｎ型クラッド層が厚いｎ型層の上に形成され、活性層、１つ又はそれよりも多くのｐ型クラッド層、及びｐ型接触層がそれに続く（金属化のため）。

ｎ層への電気的アクセスを得るために、様々な技術が用いられる。フリップチップの例では、ｐ層及び活性層の一部分をエッチングによって除去し、金属化のためにｎ層を露出させる。このようにすると、ｐ接点とｎ接点はチップの同じ側となり、パッケージ（又はサブマウント）接触パッドに直接に電気的に取り付けることができる。ｎ金属接点からの電流は、始めはｎ層を通って横方向に流れる。これとは対照的に、縦型射出成形（非フリップチップ）ＬＥＤにおいては、ｎ接点をチップの一方の側に形成し、ｐ接点をチップの他方の側に形成する。ｐ接点又はｎ接点の一方との電気的接触は、一般的にワイヤ又はメタルブリッジで行い、他方の接点は、パッケージ（又はサブマウント）接触パッドに直接に結合される。簡素化を期すために、図１から図３の例においては、フリップチップＬＥＤを使用している。
ＬＥＤを形成する例は、共に「Ｌｕｍｉｌｅｄｓ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ」に譲渡され、引用により組み込まれている米国特許第６，６４９，４４０号及び第６，２７４，３９９号に説明されている。

任意的に、導電基板をＬＥＤ層に（典型的にｐ層に）結合して、サファイア基板が取り除かれる。導電基板をサブマウントに直接に結合した状態で、１つ又はそれよりも多くのＬＥＤダイをサブマウントに結合することができ、これは、図５及び図６に関連してより詳細に後述する。他のＬＥＤ又は電源との接続のための金属リードを収容するプリント回路基板に、１つ又はそれよりも多くのサブマウントを結合してもよい。回路基板は、様々なＬＥＤを直列及び／又は並列に相互接続することができる。
形成された特定のＬＥＤ及びサブマウントへのそれらの取り付けの有無は、本発明を理解する上で重要ではない。

図１は、支持構造体１２上に取り付けられた４つのＬＥＤダイ１０の側面図である。支持構造体は、サブマウント（例えば、金属リードを有するセラミック又はシリコン）、金属放熱板、プリント回路基板、又はあらゆる他の構造体とすることができる。この例では、支持構造体１２は、金属パッド／リードを有するセラミックサブマウントである。
モールド１４は、各ＬＥＤダイ１０の上のレンズの望ましい形状に対応する凹部１６を有する。モールド１４は、金属製であることが好ましい。モールド１４の全体的形状を有する非常に薄い非粘着フィルム１８が、モールド１４の上に置かれる。フィルム１８は、金属へのシリコーンの粘着を防止する公知の従来材料のものである。

フィルム１８は、レンズ材料がモールドに粘着しない場合は不要である。これは、非粘着モールドコーティングを用いるか、非粘着モールド材料を用いるか、又は非粘着界面をもたらす成形工程を用いることによって達成することができる。このような工程は、ある一定の処理温度を選択して最小の粘着性を得る段階を伴うであろう。フィルム１８を用いなければ、より複合的なレンズを形成することができる。

図２において、モールド凹部１６は、熱硬化可能液体レンズ材料２０で既に充填されている。レンズ材料２０は、シリコーン、エポキシ、又は混成シリコーン／エポキシのようなあらゆる適切な光学透明材料とすることができる。混成材料を用いると、適合する熱膨張率（ＣＴＥ）を達成することができる。シリコーン及びエポキシの屈折率は、ＡｌＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＰのＬＥＤからの光抽出を大幅に向上させるばかりでなくレンズとしても作用するほど十分に高いものである（１．４を超える）。１つの種類のシリコーンは、１．７６の屈折率を有する。

支持構造体１２の周囲とモールド１４の間に真空シールが作り出され、この２つの部分は、各ＬＥＤダイ１０が液体レンズ材料２０に挿入されてレンズ材料２０が圧縮状態になるように互いに押圧される。
次に、モールドを約１５０℃（又は、他の適切な温度）まである一定の時間にわたって加熱し、レンズ材料２０を硬化させる。
次に、支持構造体１２をモールド１４から分離する。フィルム１８のために、得られる硬化レンズは、モールド１４から簡単に離れる。次に、フィルム１８を取り除く。
別の実施形態では、図１のＬＥＤダイ１０は、最初に、結合剤内のシリコーン又は蛍光体粒子のような材料で覆うことができる。モールド凹部１６は、別の材料で充填される。ダイを次にモールドに入れた時に、モールド材料が被覆材料の上に成形される。

図３は、成形レンズ２２が各ＬＥＤダイ１０の上にある得られる構造体を示している。一実施形態では、成形レンズは、直径が１ｍｍと５ｍｍの間である。レンズ２２は、あらゆる大きさ又は形状とすることができる。
図４は、各々が成形レンズ２２を有するＬＥＤダイのアレイを支持構造体１２が支持している得られる構造体の斜視図である。使用するモールドは、対応する凹部のアレイを有するであろう。仮に支持構造体１２がセラミック又はシリコンサブマウントである場合は、各ＬＥＤ（下に重なるそのサブマウント部分を有する）は、サブマウントを鋸で切断するか又は破壊することによって分離し、個々のＬＥＤダイを形成することができる。代替的に、支持構造体１２は、分離する／ダイスカットしてＬＥＤのサブグループを支持することができ、又は分離する／ダイスカットすることなく使用することができる。
レンズ２２は、ＬＥＤダイからの光抽出を改善し、かつ光を屈折させて望ましい放射パターンを作り出すばかりでなく、このレンズはまた、ＬＥＤダイを封入してダイを汚染から保護し、機械的強度を付加し、あらゆるワイヤ結合を保護するものである。

図５は、セラミック又はシリコンのようないずれかの適切な材料で形成されたサブマウント２４上の単一フリップチップＬＥＤダイ１０の一実施形態の簡素化された拡大図である。一実施形態では、サブマウント２４は、図１から図４で支持構造体１２として作用し、図５のダイ／サブマウントは、鋸切断によって図４の構造体から切り離されている。図５のＬＥＤダイ１０は、下部ｐ接点層２６、ｐ金属接点２７、ｐ型層２８、発光活性層３０、ｎ型層３２、及びｎ型層３２に接触するｎ金属接点３１を有する。サブマウント２４上の金属パッドは、接点２７及び３１に直接に金属結合されている。サブマウント２４を通るバイアは、サブマウント２４の下面上の金属パッド内に終端し、これらの金属パッドは、回路基板４５上の金属リード４０及び４４に結合されている。金属リード４０及び４４は、他のＬＥＤ又は電源に接続される。回路基板４５は、金属リード４０及び４４が絶縁層の上に重なっている金属プレート（例えば、アルミニウム）とすることができる。図１から図３の技術を用いて形成した成形レンズ２２は、ＬＥＤダイ１０を封入する。
図５のＬＥＤダイ１０はまた、ワイヤが上部ｎ層３２をサブマウント２４上の金属パッドに接続する非フリップチップダイとすることもできる。レンズ２２は、ワイヤを封入することができる。

一実施形態では、回路基板４５自体が、図１から図３の支持構造体１２であってもよい。このような実施形態を図６に示す。図６は、ワイヤ３８によって回路基板４５上の金属リード４０に接続した上部ｎ金属接点３４を有する非フリップチップＬＥＤダイ１０の簡素化された拡大図である。ＬＥＤダイ１０は、図６の例においては金属スラブであるサブマウント３６上に取り付けられる。ワイヤ４２は、ｐ層２６／２８を回路基板４５上の金属リード４４に電気的に接続している。レンズ２２は、ワイヤ及びサブマウント３６を完全に封入するように示されているが、他の実施形態では、サブマウント全体又はワイヤ全体を封入しなくてもよい。

一般的な従来技術の封入方法は、保護コーティング上で回転させることである。しかし、その封入工程は、ＬＥＤダイの上の封入材料の厚みが不均一なので、蛍光体コーティングをＬＥＤダイに追加するには不適切である。また、このような封入方法では、レンズが形成されない。ＬＥＤダイの上に蛍光体をもたらす一般的な技術は、ＬＥＤダイを取り囲む反射カップをシリコーン／蛍光体組成物で充填することである。しかし、その技術では、様々な厚みの蛍光体層が形成されるので適切なレンズは形成されない。レンズが必要な場合は、付加的な工程で依然としてプラスチック成形レンズを作り出し、それをＬＥＤダイの上に固定しなければならない。

図７から図１１は、上述の技術を用いて形成することができる様々なレンズを示している。
図７は、いずれかの適切な方法を用いて蛍光体６０が既に被覆されているＬＥＤダイ１０を示している。１つのこのような方法は、「Ｌｕｍｉｌｅｄｓ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ」に譲渡され、本明細書において引用により組み込まれている米国特許第６，５７６，４８８号に説明されている電気泳動法である。適切な蛍光体は、公知である。レンズ２２は、上述の技術を用いて形成される。蛍光体６０は、ＬＥＤ発光（例えば、青色光又はＵＶ光）によって活性化され、緑色、黄色、又は赤色のような異なる波長の光を発する。蛍光体発光は、単独で又はＬＥＤ発光と共に白色光を生成することができる。
ＬＥＤを蛍光体で被覆する工程は、時間が掛かるものである。ＬＥＤダイを蛍光体で被覆する工程を排除するために、蛍光体粉末を、図８に示すレンズ６２に組み込まれた状態になるように液体シリコーンと混合することができる。

図９に示すように、ＬＥＤダイの上の蛍光体材料の入念に制御された厚みをもたらすために、上述の技術を用いて内側レンズ６４を形成し、別々の成形段階（深さ及び幅がより大きい凹部を有するモールドを用いる）を用いて、内側レンズ６４の真上にいずれかの厚みの外側蛍光体／シリコーンシェル６６を形成する。
図１０は、ビームを更に成形するために別のモールドを用いて蛍光体／シリコーンシェル６６の上に形成することができる外側レンズ６８を示している。

図１１は、透明シリコーンシェル７６、７８、及び８０の上に重なるそれぞれ赤色、緑色、及び青色発光蛍光体のシェル７０、７２、及び７４を示している。この場合、ＬＥＤダイ１０はＵＶ光を発し、赤色、緑色、及び青色発光の組合せは、白色光を生成する。上述の方法で全てのシェルが生成される。
上述の成形技術を用いて多くの他の形状のレンズを形成することができる。図１２は、ＬＥＤ１０、サブマウント２４、及び成形側面放射レンズ８４の断面図である。一実施形態では、レンズ８４は、モールドから取り外されると撓むシリコーンのような非常に可撓性のある材料で形成される。レンズが単一の形状ではない時は、離型フィルム１８（図１）は、一般的に使用されないことになる。
図１３は、ＬＥＤ１０、サブマウント２４、及び成形コリメータレンズ８６の断面図である。レンズ８６は、変形可能モールドを用いて、又はモールドから引っ張られた時に縮み、モールドから離型した後にその成形形状に膨張する軟質レンズ材料を用いて生成することができる。

図１４は、成形ランバーシアンレンズ２２の上に予備成形レンズ８８を固定することができる方法を示している。図１４の例においては、上述の方法でレンズ２２を形成する。レンズ２２は、ＬＥＤ１０を封入して汚染から保護する役目を果たすものである。次に、ＵＶ硬化可能接着剤又は機械式クランプを用いてレンズ２２の上に予備成形側面放射レンズ８８を固定する。このレンズ形成技術は、従来技術に優る利点を有する。従来技術では、予備成形レンズ（例えば、側面放射レンズ）をＬＥＤダイの上に粘着的に固定し、シリコーンを注入することによってあらゆる間隙を充填する。従来の工程は、とりわけ、レンズ配置及び間隙充填段階に対する分離したダイ／サブマウントの入念な位置決めという理由のために実施し難いものとなっている。図１４の本発明の技術を用いれば、ＬＥＤの大形アレイ（図４）は、各々の上に成形レンズを形成することにより同時に封入することができる。次に、ＬＥＤがまだアレイ内にある間か又は分離させた後に、予備成形レンズ８８を各成形レンズ２２の上に固定することができる。
更に、従来のレンズとは異なり、成形レンズは、非常に小さく（例えば、直径１〜２ｍｍ）に作ることができる。従って、非常に小さな完全封入ＬＥＤを形成することができる。このようなＬＥＤは、ある一定の用途に有用な非常に薄型に作ることができる。
図１４もサブマウント２４が取り付けられた回路基板４５を示している。この回路基板４５には、ＬＥＤ／サブマウント２４のアレイが取り付けられていてもよい。

図１５は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）又はバックライトを使用する他のディスプレイのためのバックライトの断面図である。一般的な用途は、テレビ、モニタ、携帯電話などである。ＬＥＤは、白色光を作り出すように赤色、緑色、及び青色とすることができる。ＬＥＤは、二次元アレイを形成する。図示の例においては、各ＬＥＤ構造体は、図１４に示すようなものであるが、あらゆる適切なレンズを使用することができる。バックライトボックスの底部及び側壁９０を白色反射性拡散材料で被覆することが好ましい。各ＬＥＤに真上には、各ＬＥＤの真上にバックライトによって光のスポットが放出されないように白色拡散ドット９２がある。ドット９２は、透明又は拡散ＰＭＭＡシート９４によって支持される。側面放射レンズ８８によって発せられた光は、バックライトの下方部分で混ざり合い、次に、上部拡散器９６から出る前にバックライトの上方部分で更に混ざり合う。ＬＥＤの線形アレイは、狭い回路基板４５上に取り付けることができる。

図１６は、成形レンズ２２がカメラのフラッシュとして使用されるＬＥＤ１０を示している。図１６のカメラは、携帯電話９８の一部である。携帯電話９８は、カラー画面１００（本明細書で説明するＬＥＤを使用するバックライトを有することができる）及びキーパッド１０２を含む。
図１０に関連して説明したように、外側レンズを内側シェルの上に形成し、更にビームを成形することができる。様々なシェルの要件に応じて異なるシェル材料を使用することができる。図１７〜３０は、オーバーモールド工法と共に使用することができる様々なレンズ及び材料の例を示している。

図１７及び図１８は、上述の成形技術を用いて形成した内側シェルのための成形レンズの２つの形状を示している。同じ支持構造体１２上に多くのＬＥＤ１０を取り付けることができる。支持構造体１２は、上述のように、金属トレース及び接触パッドを有するセラミック又はシリコンサブマウントとすることができる。あらゆる数のＬＥＤを同じ支持構造体１２上に取り付けることができ、支持構造体１２上の全てのＬＥＤは、必ずしも必要ではないが、一般的に同一方法で処理されると考えられる。例えば、支持構造体が大形であり、ＬＥＤアレイ全体の光パターンが指定された場合、各ＬＥＤレンズは、指定の全体的光パターンをもたらすように異なる場合がある。
ＬＥＤダイ１０の下部と支持基板１２の間のあらゆる間隙を埋めるために下部充填材料を注入し、とりわけ、ＬＥＤの下のあらゆる空隙を防止して熱伝導を改善することができる。

図１７は、内側成形レンズ２２がランバーシアン放射パターンのためにほぼ半球形である図３〜６に関連して説明した。図１８の内側成形レンズ１０６は、丸い縁部を有するほぼ矩形である。外側レンズによってもたらされる放射パターンによっては、内側成形レンズ２２又は１０６の一方がより適切である場合がある。他の形状の内側成形レンズも適切と考えられる。各レンズの上面図は、一般的に円形であることになる。

図１９は、光を屈折して望ましい放射パターンを達成するパターンをレンズ外面が有する図１８の構造体を示している。外面パターンは、内側成形レンズ内に直接に形成することができ（モールド自体によって）、又は外面パターンは、内側成形レンズ上にオーバーモールドされるか又はそれに接着剤（例えば、シリコーン、エポキシなど）によって固定された外側レンズ内に形成することができる。パターン１０８は、回折格子であり、一方、パターン１１０は、バイナリステップを用いて光を屈折させる。この例においては、パターンは、図２０に示す放射パターンを有するほぼ側面放射のレンズを形成する。図２０においては、ピーク強度は、５０〜８０度以内で発生し、０度の強度よりもかなり大きい。

内側レンズの要件は、一般的に外側レンズの要件と異なる。例えば、内側レンズは、支持構造体に対して良好な接着性を有し、黄変するか又は経時的に不透明性が増すことがなく、高い屈折率（１．４を超える）を有し、又はＬＥＤに対するどのワイヤも破断せず又は応力を掛けず、高いＬＥＤ温度に耐え、適合する熱膨張率を有するべきである。内側レンズは、ＬＥＤ又はどのワイヤにも応力を掛けないように非剛性（例えば、シリコーン）であるべきである。これとは対照的に、外側レンズ材料は、一般的に、望ましいパターンでパターン化されて内側レンズに粘着的に固定することができることのみが必要である。外側レンズは、オーバーモールドすることができ、又は予備成形して内側レンズに粘着的に固定することができる。外側レンズの材料は、ＵＶ硬化可能にすることができ、一方、内側レンズの材料は、熱硬化することができる。熱硬化は、ＵＶ硬化よりも時間が掛かる。
一般的に、内側レンズ材料の硬度範囲は、「Ｓｈｏｒｅ ００ ５−９０」であり、一方、外側シェルの硬度範囲は、「Ｓｈｏｒｅ Ａ ３０」又はそれよりも大きい。

図２１は、図２０のものと類似のほぼ側面放射のレンズパターンを作り出すためのレンズ外面上に形成されたフレネルレンズパターン１１２を示している。外面は、図１９に関連して説明したように、内側成形レンズの外面又は外側シェルの外面とすることができる。これは、本明細書で説明する全てのパターンに適用される。
図２２は、平行化光パターン又は別の光パターンを作り出すための外側レンズ面上のピラミッド１１４又は円錐形１１６パターンを示している。
図２３は、平行化パターンを作り出すための高ドーム形外側レンズ１１８を示している。

図１９及び図２１〜２３の表面パターンは、あらゆる光パターンを作り出すように構成することができる（例えば、表面角度を変えることにより）。ホログラフィック構造、ＴＩＲ、及び他のパターンを形成することができる。平行化光パターンは、一般的に背面投射型ＴＶに使用され、一方、側面放射光パターンは、一般的にバックライトＬＣＤ画面に使用される。
図２４は、ＬＥＤ１０に結合されたワイヤ１２６に応力が掛からないように内側成形レンズ１２４としてシリコーンゲルのような軟質（例えば、「Ｓｈｏｒｅ ＸＸ」）材料の使用を示している。ゲルは、一般的にＵＶ硬化する。外側レンズ１２８は、成形又は予備成形して接着剤で固定することができる。外側レンズ１２８は、一般的に、耐久性、粒子に対する耐性などが得られるように遥かに硬質であることになる。外側レンズ１２８は、シリコーン、エポキシシリコーン、エポキシ、シリコーンエラストマー、硬質ゴム、他のポリマー、又は他の材料とすることができる。外側レンズは、ＵＶ又は熱硬化することができる。

図２５は、図２４と類似のものであるが、異なる放射パターン又は薄型にするために内側成形レンズ１２９の形状が異なっている（図１８のように）。レンズ１２９は、軟質シリコーンゲルとすることができる。外側レンズ１３０は、放射パターンを更に成形し、軟質内側レンズ１２９を保護することになる。
全ての図におけるＬＥＤは、フリップチップ型又はワイヤ結合型とすることができる。

図２６は、内側レンズに必要とされる特性を有する軟質内側成形レンズ１３２と、界面層として作用するため及び構造体安定性を得るための硬質中間シェル１３４と、側面放射光パターンを作り出すための外側レンズ１３６とを有するＬＥＤ構造体を示している。外側レンズ１３６は、成形工程を容易にするために軟質とすることができる。代替的に、外側レンズ１３６は、予備成形して中間シェル１３４に粘着的に固定することができる。中間シェル１３４の使用により、外側レンズ材料の選択が基本的に内側レンズ材料とは独立したものになる。

図２７は、中間シェル１３４又は内側レンズ１３２のどの部分にも外側レンズ１３８を形成することができる方法を示している。
図２８は、内側レンズ１４４材料上への直接の外側レンズ１４２の形成を示している。
図２９は、内側レンズ１３２の上に成形された側面放射レンズ１４５の別の形状を示している。レンズ１４５は、いかなる内側レンズもなしにＬＥＤダイ１０の上に直接に成形することができる。

図３０は、各シェル１４６、１４７、及び１４８が赤色発光蛍光体、緑色発光蛍光体、及び青色発光蛍光体のような異なる蛍光体材料を含有するＬＥＤを示している。ＬＥＤダイ１０は、ＵＶを放射することができる。蛍光体粒子間に間隙があるために、ＵＶは、内側シェルを通って外側シェル内の蛍光体を活性化することができる。代替的に、赤色及び緑色蛍光体シェルのみが使用されると、ＬＥＤダイ１０は青色光を発する。赤色、緑色、及び青色光の組合せで白色光が生成される。とりわけ、シェルの厚み、蛍光体粒子の密度、及び蛍光体色の順番を調整すると、望ましい光を得ることができる。あらゆる形状のレンズを使用することもできる。

図３１は、支持構造体１２それ自体上でのモールドパターン１４９の使用を示している。高屈折率材料（例えば、ポリマー）又は反射材料（例えば、アルミニウム又は銀）は、図１示す方法と類似の方法を用いてパターンを支持構造体１２上に成形するか、又は金属化工程を用いるか、又は別の適切な工程を用いることによって形成される。モールドパターン１４９は、次に、レンズ１５０を形成する別の材料に対するモールドとして使用される。一実施形態では、レンズ１５０材料は、支持構造体１２上に形成したモールド内に堆積させてその後硬化させた液体（例えば、シリコーン）である。表面は、次に、平坦化することができる。得られるレンズは、反射カップのような壁に当たる光を反射／屈折させることによって光を平行化する。

図３２は、ＬＥＤ１０によって発せられた光を反射させるために金属１５１が側面の回りにスパッタリングされた成形レンズ２２を示している。反射光は、ＬＥＤ１０によって散乱して最終的に上部開口部を通って放出されることになる。金属１５１は、アルミニウム又は銀のようなあらゆる反射材料とすることができる。金属を代わりにレンズ２２の上部にスパッタリングして、側面放射パターンを作り出すこともできる。レンズ２２は、望ましい光放射パターンを作り出すためのいかなる形状にも作ることができる。

図３３は、制御可能ＲＧＢピクセルと、拡散器１５６と、赤色、緑色、及び青色ＬＥＤ１６０からの光を混ぜ合わせて白色光を作り出すバックライト１５８とを有する、ＬＣＤ画面１５４を備えた液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）１５２の側面図である。バックライト１５８は、拡散性反射ボックスである。ＬＥＤ１６０は、上述の技術のいずれかを用いて作られた側面放射レンズを有する。
図３４は、指定の視角内の画像を明るくする正面レンズ１６４と、一組の赤色、緑色、及び青色ＬＥＤ１６６と、ＲＧＢ光を変調及び集束させてカラーＴＶ画像を生成する変調器／光学機器１７０と、反射体１７２とを有する背面投射型テレビジョン１６２の側面図である。変調器は、制御可能ミラー、ＬＣＤパネル、又はあらゆる他の適切な装置のアレイとすることができる。ＬＥＤ１６６は、上述の技術のいずれかを用いて作られたコリメータレンズを有する。

上述のように、一次レンズ又は二次レンズは、側面放射パターンを作り出すように設計することができる。このような側面放射パターンは、ＬＣＤパネルのための均一なバックライトを作り出すためであるか又は装飾照明のためであるか又は別の用途のためである時のような複数のＬＥＤからの光を混ぜ合わせる意図がある時に特に有用である。
図３５に示すように、レンズがないか又は半球形レンズのみでバックプレーン上に取り付けられたＬＥＤ１８０は、一般的にランバーシアンパターン１８３で光を発することになる。ＬＥＤ１８０のアレイは、拡散性画面１８４の背面を照明する。画面１８４は、図３３のＬＣＤバックライト内の拡散器１５６とすることができる。各ＬＥＤの拡散した輝度プロフィール１８５及びその「半値全幅（ＦＷＨＭ）」も示されている。画面１８４の前面での全体的光出力は、ＬＥＤが互いに十分に接近して置かれない限り、顕著な明るいスポットを有することになる。従って、このようなバックライトには、比較的高いＬＥＤ密度が必要であり、高価なバックライトをもたらすことになる。

本出願人は、バックライトにおいて特に有用である図３６〜３８に示す広角放射レンズを発明した。図３６において、広角放射レンズを有するＬＥＤ１８８は、バックプレーン１９０に取り付けられた状態で示されている。各ＬＥＤダイのピーク発光（Ｉｐｅａｋ）は、図３７に示すように、中心軸線（法線）から５０〜８０度外れた範囲内に発生する。７０〜８０度の間の範囲が好ましい。レンズは、中心軸線に沿った発光（Ｉ₀）がピーク発光の５％〜３３％であるように設計される。従って、各ＬＥＤの輝度プロフィール１９２は、図３５の輝度プロフィール１８５と比較すると広がり方が大きい。従って、図３６のバックライトにおけるＬＥＤ１８８ピッチは、拡散性画面１８４から同じ光出力均一性を達成しながら図３５のＬＥＤ１８０ピッチより大きくすることができる。これは、それほど高価でないバックライトをもたらすことになる。

輝度プロフィールは、漏斗形レンズで中央尖頭部に一般的に現れるもののような急激な遷移を有するべきではない。
５０〜８０度ピーク強度に対する中心軸線強度の最適な比率は、バックライトの指定の輝度を達成するのに必要なＬＥＤのピッチのように用途に依存することになる。ピーク強度は、中心軸線に沿った強度の少なくとも３倍であり、図３７の実施形態では、その比率は４〜８の間である。

図３８は、上述の特性を有する広角放射レンズの一実施形態の断面図である。ＬＥＤダイ１９４は、図１〜６に関連して説明したように、セラミック、シリコン、又は他の材料で作られた基板又はサブマウント１９６上に取り付けられ、第１のレンズ１９８は、図１〜６に関連して説明したように、ＬＥＤダイ１９４の上に成形される。複数のダイを単一の大形サブマウント上に取り付けることができる。レンズ１９８は、シリコーンのようなあらゆる適切な材料で形成することができる。
次に、サブマウント１９６は分離され、次に、半田リフロー又は他の適切な技術によってバックプレーン１９０（ＰＣＢ）上に取り付けられる。

２次レンズ２０２は、望ましい広角放射特性を有するように予備成形される。２次レンズは、射出成形又は機械加工プラスチック又は他の材料とすることができる。このような材料としては、ＣＯＣ、ＣＯＰ、ＰＭＭＡ、エポキシ、シリコーン、ガラス、又は他のあらゆる適切な材料がある。２次レンズ２０２は、次に、第１のレンズ１９８の上に重なって支持のためにバックプレーン１９０に接触するように取り付けられる。空隙２０４（又は、他の低屈折率材料の間隙）により、光を側面の方向に曲げる内部屈折界面が作り出される。空気を有する２次レンズ２０２の外面の界面は、光を更に曲げて５０〜８０度以内のピーク強度を達成する。２次レンズ２０２は、第１のレンズ１９８と直接に接触してもよいが、２次レンズ２０２の形状は、同じ広角放射パターンを達成するために変更する必要があるであろう。
別の実施形態では、２次レンズ２０２は、バックプレーン１９０ではなくサブマウント１９６と接触して支持される。
２次レンズ２０２は、エポキシのような接着剤でバックプレーン又はサブマウントに固定することができ、又はスナップ−タブ接続を用いて固定することもできる。

バックプレーンの上のＬＥＤ及び第１のレンズ１９８の高さが取り付けパラメータで若干変わる場合があるために、サブマウントを基準にして２次レンズ２０２を固定すれば、バックプレーンを基準として２次レンズ２０２を固定するのに比べて発光に対して若干良好な制御が達成される。
非球形ドーム形内部空隙を有する非球形２次レンズ２０２は、成形が容易な単純な設計形状である。レンズ２０２は、バックプレーン１９０の方向に下方に光が放射されないように、バックプレーン１９０近くで下を切り取り、切断面で光を上方に反射させる。これによって光リングが回避され、バックライトの光出力が大きくなる。

図３９は、図３８のＬＥＤに対する光強度対角度を示している。ピーク強度は、約７２度であり、中心軸線に沿った強度は、ピーク強度の約１０％である。
別の実施形態では、２次レンズ２０２の表面は、図１９、図２１、及び図２２に関連して説明したように、光を更に屈折して望ましい放射パターンを達成する微小構造を含んでいる。
図４０は、全内部反射（ＴＩＲ）部分２０８を有するレンズ２０６を備えたＬＥＤ１９４の断面図である。ＴＩＲ部分２０８は、漏斗の形状である。ＴＩＲ部分２０８は、上方に発せられたほとんどの光を内部反射させて側面部分２１０を通じて放射させる。このような設計形状は、中心軸線に沿った強度を低減し、同時に５０〜８０度以内のピーク強度とピーク強度の５〜３３％の間の中心軸線に沿った強度とを依然として提供するのに有用である。レンズ実施形態のいずれも図３３のバックライトに使用することができる。

図３８及び図４０及び他の図の２次レンズはまた、成形第１レンズなしでＬＥＤダイの上に使用することができる。しかし、成形第１レンズとの併用は、ＬＥＤを保護する上で好ましいものである。２次レンズの直径は、一般的に４〜１０ｍｍの間の範囲になることになる。
本発明の特定的な実施形態を示して説明したが、本発明から逸脱することなくそのより広い態様の中で変更及び修正を行うことができることは当業者には明らかであろう。従って、特許請求の範囲は、本発明の真の精神及び範囲に該当する全てのそのような変更及び修正をその範囲に含むものとする。

サブマウントのような支持構造体上に取り付けられた４つのＬＥＤダイと各ＬＥＤダイ回りにレンズを形成するモールドとの側面図である。 液体レンズ材料で充填されたモールドの凹部内に挿入されているＬＥＤダイの側面図である。 液体が硬化した後にモールドから取り外されて各ＬＥＤダイを封入するレンズがもたらされたＬＥＤダイの側面図である。 成形レンズが各ＬＥＤダイの上に形成されたサブマウント又は回路基板上のＬＥＤダイのアレイの斜視図である。 それ自体が回路基板上に取り付けられたサブマウント上に取り付けられたフリップチップＬＥＤダイの、成形レンズがＬＥＤダイの上に形成されている場合の拡大側面図である。 それ自体が回路基板に取り付けられたサブマウント上に取り付けられた非フリップチップＬＥＤダイの、ワイヤがＬＥＤダイ上のｎ及びｐ金属を回路基板上のリードに電気的に接続し、かつ成形レンズがＬＥＤダイの上に形成されている場合の拡大側面図である。 異なるレンズが上に形成されたＬＥＤダイの断面図である。 異なるレンズが上に形成されたＬＥＤダイの断面図である。 異なるレンズが上に形成されたＬＥＤダイの断面図である。 異なるレンズが上に形成されたＬＥＤダイの断面図である。 異なるレンズが上に形成されたＬＥＤダイの断面図である。 本発明の技術を用いてＬＥＤダイ上に成形された側面放射レンズの断面図である。 本発明の技術を用いてＬＥＤダイ上に成形されたコリメータレンズの断面図である。 本発明の技術を用いてＬＥＤダイ上に成形されたランバーシアンレンズの上に固定された予備成形側面放射レンズの断面図である。 図１４のＬＥＤ及び側面放射レンズを用いた液晶ディスプレイ又は他の種類のディスプレイのためのバックライトの断面図である。 成形レンズを有するＬＥＤをフラッシュとして使用するカメラを備えた携帯電話の斜視図である。 ２種類の成形レンズのうちの１つの断面図であり、図示のレンズは中心軸線に関して対称であるが、本発明は、非対称レンズにも同様に適用することができる。 ２種類の成形レンズのうちの１つの断面図であり、図示のレンズは、中心軸線に関して対称であるが、本発明は、非対称レンズにも同様に適用することができる。 望ましい放射パターンを得るための内側レンズ又は外側シェルレンズ上の表面特徴を示す図である。 望ましい放射パターンを得るための内側レンズ又は外側シェルレンズ上の表面特徴を示す図である。 望ましい放射パターンを得るための内側レンズ又は外側シェルレンズ上の表面特徴を示す図である。 望ましい放射パターンを得るための内側レンズ又は外側シェルレンズ上の表面特徴を示す図である。 平行化された放射パターンのための高ドーム形レンズの使用を示す図である。 ワイヤ結合に掛かる応力を制限するための硬質外側レンズと軟質内側レンズの使用を示す図である。 ワイヤ結合に掛かる応力を制限するための硬質外側レンズと軟質内側レンズの使用を示す図である。 側面放射パターンのための様々な種類の内側又は中間レンズの１つに形成された外側レンズの使用を示す図である。 側面放射パターンのための様々な種類の内側又は中間レンズの１つに形成された外側レンズの使用を示す図である。 側面放射パターンのための様々な種類の内側又は中間レンズの１つに形成された外側レンズの使用を示す図である。 別の側面放射成形レンズを示す図である。 各々が異なる蛍光体を含有する成形シェルの使用を示す図である。 成形レンズを形成するために支持基板上にモールド部分を形成する段階を示す図である。 望ましい放射パターンを達成するためにレンズの一部分の上に金属反射体を堆積させる段階を示す図である。 バックライト内に側面放射レンズを有するＬＥＤを用いた液晶ディスプレイの側面図である。 ＲＧＢ光源としてコリメータレンズを有するＬＥＤを用いた背面投射型ＴＶの側面図である。 従来技術のＬＥＤ放射パターン（ランバーシアン）及び画面上のそれらの重なり合う輝度プロフィールを示す図である。 本発明のレンズを用いたＬＥＤの広角放射パターンと画面上のそれらの重なり合う輝度プロフィールとを示す図である。 図３６のＬＥＤの放射パターンをより詳細に示す図である。 本発明の一実施形態によるＬＥＤ及び広角放射レンズの断面図である。 図３８のレンズの光強度に対する角度のグラフである。 本発明の別の実施形態によるＬＥＤ及び広角放射レンズの断面図である。

符号の説明

１０ ＬＥＤダイ
１２ 支持構造体
１４ モールド
１６ 凹部

Claims (28)

1. 発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体であって、
   中心軸線を有するＬＥＤダイと、
   前記ＬＥＤダイによって発せられた光を屈折してピーク強度を前記中心軸線から５０〜８０度外れた範囲内に発生させ、かつ該中心軸線に沿った強度を該ピーク強度の５％と３３％の間にする、該ＬＥＤダイに対して固定されたレンズと、
   を含むことを特徴とする構造体。
2. ＬＥＤ構造体から発せられた光は、前記レンズが前記中心軸線の回りにいかなる急激な強度遷移も生じない輝度プロフィールを有することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
3. 前記ピーク強度は、前記中心軸線から７０〜８０度外れた範囲内に発生することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
4. 前記ピーク強度は、前記中心軸線から７０〜８０度外れた範囲内に発生し、前記中心軸線に沿った強度は、該ピーク強度の５〜１５％であることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
5. 前記レンズは、非球面外面と非球面ドーム形内面を含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
6. 前記レンズは、前記中心軸線の近くで光強度を低減するための全内部反射（ＴＩＲ）部分を有する非球面外面を含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
7. 前記レンズは、前記ＬＥＤダイと該レンズの間に、前記中心軸線から離れるように光を曲げる屈折界面を作り出す低屈折率材料の間隙を形成する中空部分を有することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
8. 前記間隙は、前記低屈折率材料として空気を収容することを特徴とする請求項７に記載の構造体。
9. 前記レンズは、２次レンズであり、
   前記ＬＥＤダイと前記２次レンズの間の第１のレンズ、
   を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
10. 前記第１のレンズは、ほぼ半球形であることを特徴とする請求項９に記載の構造体。
11. 前記第１のレンズは、前記ＬＥＤダイの真上に成形されたレンズであり、該ＬＥＤダイを封入していることを特徴とする請求項９に記載の構造体。
12. 前記第１のレンズと前記２次レンズの間に、前記中心軸線から離れるように光を曲げる屈折界面を作り出す間隙が存在することを特徴とする請求項９に記載の構造体。
13. 前記間隙は、ドーム形空隙であることを特徴とする請求項１２に記載の構造体。
14. 前記第１のレンズは、シリコーンであり、前記２次レンズは、プラスチックであることを特徴とする請求項９に記載の構造体。
15. 前記ＬＥＤダイが取り付けられたサブマウントと、
    前記サブマウントが取り付けられたプリント回路基板と、
    を更に含み、
    前記レンズは、前記プリント回路基板と直接に接触し、前記サブマウントを取り囲んでいる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
16. 前記ＬＥＤダイが取り付けられたサブマウントと、
    前記サブマウントが取り付けられたプリント回路基板と、
    を更に含み、
    前記レンズは、前記サブマウントと直接に接触し、前記ＬＥＤダイを取り囲んでいる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
17. 前記レンズは、放射光パターンに影響を及ぼすためにその表面内に成形されたパターンを有することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
18. 前記パターンは、フレネルレンズ、回折格子、バイナリパターン、ピラミッド、又は円錐を含むことを特徴とする請求項１７に記載の構造体。
19. 前記ＬＥＤダイとレンズとを組み込んだバックライトと、
    前記バックライトによって照明される液晶ディスプレイパネルと、
    を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
20. 発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体であって、
    中心軸線を有するＬＥＤダイと、
    前記ＬＥＤダイを封入する第１のレンズと、
    前記第１のレンズ及びＬＥＤダイを取り囲む２次レンズと、
    を含み、
    前記２次レンズは、前記第１のレンズと前記２次レンズの間に、前記中心軸線から離れるように光を曲げる屈折界面を作り出す空隙を形成する中空部分を有する、
    ことを特徴とする構造体。
21. 前記２次レンズ及び空隙は、前記ＬＥＤダイによって発せられた光を屈折して、ＬＥＤ構造体によって発せられた光のピーク強度を前記中心軸線から５０〜８０度外れた範囲内に発生させ、かつ該中心軸線に沿った強度を該ピーク強度の５％と３３％の間にすることを特徴とする請求項２０に記載の構造体。
22. 前記間隙は、ドーム形であることを特徴とする請求項２０に記載の構造体。
23. 前記第１のレンズは、前記ＬＥＤダイの真上に成形されたレンズであることを特徴とする請求項２０に記載の構造体。
24. 発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体であって、
    ＬＥＤダイと、
    前記ＬＥＤダイが取り付けられたサブマウントと、
    前記サブマウントが取り付けられたプリント回路基板と、
    前記ＬＥＤダイによって発せられた光を屈折する該ＬＥＤダイに対して固定されたレンズと、
    を含み、
    前記レンズは、前記プリント回路基板と直接に接触して前記サブマウントを取り囲んでいる、
    ことを特徴とする構造体。
25. 前記レンズは、２次レンズであり、
    前記ＬＥＤダイと前記２次レンズの間の第１のレンズ、
    を更に含むことを特徴とする請求項２４に記載の構造体。
26. 前記第１のレンズは、ほぼ半球形であることを特徴とする請求項２５に記載の構造体。
27. 前記第１のレンズは、前記ＬＥＤダイの真上に成形されたレンズであり、該ＬＥＤダイを封入していることを特徴とする請求項２５に記載の構造体。
28. 発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体を形成する方法であって、
    中心軸線を有するＬＥＤダイを準備する段階と、
    前記ＬＥＤダイの真上に第１のレンズを成形して該ＬＥＤダイを封入する段階と、
    前記第１のレンズの上に２次レンズを固定する段階と、
    を含み、
    前記２次レンズは、前記第１のレンズと該２次レンズの間に、前記中心軸線から離れるように光を曲げる屈折界面を作り出す空隙を形成する中空部分を有し、
    前記２次レンズはまた、前記ＬＥＤダイによって発せられた光を屈折して、ピーク強度を前記中心軸線から５０〜８０度外れた範囲内に発生させ、かつ該中心軸線に沿った強度を該ピーク強度の５％と３３％の間にする、
    ことを特徴とする方法。

Images