DE102007053297A1 - Polarized light source for background lighting of liquid crystal display and liquid crystal display projectors, comprises light emitting diode, which emits unpolarized light - Google Patents

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Abstract

The polarized light source comprises a light emitting diode (1), which emits the unpolarized light. A photonic crystal (2) with an anisotropic crystal structure is provided, which is arranged in the light path of the light emitting diode. The photonic crystal converts the unpolarized light emitted from the light emitting diode into a linear polarized light. The light emitting diode is a thin film light emitting diode.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtquelle, die vorzugsweise polarisiertes Licht emittiert.The The invention relates to a light source which is preferably polarized Emitted light.

Für die Hintergrundbeleuchtung von LCD Displays sowie für LCD-Projektoren wird linear polarisiertes Licht benötigt. Alle üblichen Lichtquellen, einschließlich LEDs, erzeugen unpolarisiertes Licht. Daher ist zwischen der Lichtquelle und dem LCD eine Polarisationsfolie erforderlich, die nur eine lineare Polarisationsrichtung durchlässt und die andere reflektiert. Dadurch geht ein Teil des Lichts verloren.For the backlight of LCD displays as well as for LCD projectors require linearly polarized light. All usual Light sources, including LEDs produce unpolarized light. Therefore, between the light source and the LCD requires a polarizing film which is only a linear polarization direction passes and the other reflects. As a result, part of the light is lost.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Lichtquelle anzugeben, die vorzugsweise polarisiertes Licht emittiert.A to be solved Task is to provide a light source, preferably emitted polarized light.

Diese Aufgabe wird durch eine polarisierte Lichtquelle gemäß Anspruch 1 gelöst.These Task is by a polarized light source according to claim 1 solved.

Die polarisierte Lichtquelle weist eine LED auf, die unpolarisiertes Licht emittiert. Bevorzugt im Strahlengang der LED ist ein photonischer Kristall angeordnet. Der photonische Kristall wandelt das unpolarisierte Licht der LED bevorzugt in linear polarisiertes Licht um.The polarized light source has an LED, the unpolarized Emitted light. Preferably in the beam path of the LED is a photonic Crystal arranged. The photonic crystal transforms the unpolarized one Light of the LED preferably in linearly polarized light.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der LED um eine Dünnfilm-LED.at a preferred embodiment the LED is a thin-film LED.

Photonische Kristalle bestehen aus periodisch angeordneten Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten. Dabei entstehen analog zur Festkörperphysik Bänder für die erlaubten photonischen Energien. Bei geeigneter Wahl der Parameter, wie Materialen, Periodizität, Mengenverhältnis der Materialien treten Bandlücken für die Photonen auf, so dass Photonen mit einer bestimmten Energie innerhalb des photonischen Kristalls nicht propagieren können. Diese Bandlücken sind abhängig vom Polarisationszustand der Photonen und beeinflussen auch die Transmissionseigenschaften der photonischen Kristallstruktur. Durch die Wahl einer geeigneten Kristallstruktur kann eine höhere Transmission für eine gegebene Polarisationsrichtung im Vergleich zu der dazu orthogonalen Polarisationsrichtung erreicht werden.Photonic Crystals consist of periodically arranged materials with different Dielectric constants. This is analogous to solid state physics bands for the allowed photonic Energies. With a suitable choice of parameters, such as materials, periodicity, quantity ratio of Materials occur band gaps for the Photons on, allowing photons with a specific energy within of the photonic crystal can not propagate. These band gaps are depending on Polarization state of the photons and also influence the transmission properties the photonic crystal structure. By choosing a suitable Crystal structure can be a higher Transmission for a given polarization direction compared to the orthogonal one Polarization direction can be achieved.

Der photonische Kristall lässt Licht mit einer bestimmten Polarisationsrichtung durch, alles andere Licht wird in den Chip zurückreflektiert. Dort wird es teilweise in der aktiven Schichtenfolge absorbiert und, entsprechend der internen Quanteneffizienz, wieder mit einer neuen Polarisationsrichtung emittiert. Die Absorption und Reemission von Strahlung in der aktiven Schichtenfolge wird auch als "Photonenrecycling" bezeichnet. Nicht absorbiertes Licht kann an der Grenzfläche zu einem Trägersubstrat oder, bei transparenten Trägersubstraten, an der Substratrückseite reflektiert werden, wobei es ebenfalls zu einer Änderung der Polarisationsrichtung kommt, die jedoch nicht unbedingt der gewünschten Polarisationsrichtung entspricht. Besonders vorteilhaft hierfür sind Dünnfilm-LEDs mit einem integrierten Metallspiegel. Das reflektierte Licht läuft wieder durch die aktive Schichtenfolge, wo es entweder absorbiert wird oder wieder auf den photonischen Kristall trifft. Bei einer verlustfreien LED würde das Licht bei einer solchen Anordnung solange in der LED reflektiert, absorbiert und re-emittiert werden, bis es mit der gewünschten Polarisationsrichtung den Chip beziehungsweise das strahlungsemittierende Bauelement verlassen kann.Of the photonic crystal leaves Light with a certain polarization direction through, all other light is reflected back into the chip. There it is partially absorbed in the active layer sequence and, according to the internal quantum efficiency, again with a new one Polarization emitted. The absorption and reemission of Radiation in the active layer sequence is also referred to as "photon recycling". Not absorbed light may be at the interface to a carrier substrate or, in the case of transparent carrier substrates, at the substrate backside it is also a change in the direction of polarization but not necessarily the desired polarization direction equivalent. Particularly advantageous for this are thin-film LEDs with an integrated Metal mirror. The reflected light runs through the active again Layer sequence, where it is either absorbed or returned to the photonic crystal hits. For a lossless LED, that would Light in such an arrangement as long as reflected in the LED, absorbed and re-emitted until it reaches the desired polarization direction leave the chip or the radiation-emitting device can.

Um einen photonischen Kristall als Polarisationsfilter im Strahlengang einer LED zu verwenden, sollte dieser geeignete Bandlücken aufweisen, die den Filtereffekt ermöglichen.Around a photonic crystal as a polarizing filter in the beam path an LED, it should have suitable band gaps, which allow the filter effect.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der photonische Kristall zweidimensional und weist eine anisotrope Kristallstruktur auf, die parallel zur lichtemittierenden Oberfläche der LED angeordnet ist.In a preferred embodiment the photonic crystal is two-dimensional and has anisotropic Crystal structure on, parallel to the light-emitting surface of the LED is arranged.

Als anisotrope Kristallstruktur weist der photonische Kristall vorzugsweise ovale Löcher auf. Die Löcher im photonischen Kristall sind bei einer rechteckigen Kristallstruktur vorzugsweise regelmäßig verteilt angeordnet. Bei einer trigonalen Kristallstruktur weist der photonische Kristall vorzugsweise zueinander versetzte Reihen von ovalen Löchern auf.When anisotropic crystal structure, the photonic crystal preferably oval holes on. The holes in the photonic crystal are at a rectangular crystal structure preferably distributed regularly arranged. In a trigonal crystal structure, the photonic Crystal preferably offset from each other rows of oval holes.

In einer weiteren Ausführungsform weisen die Löcher in den photonischen Kristallen eine rechteckige Form auf.In a further embodiment show the holes in the photonic crystals on a rectangular shape.

In einer weiteren Ausführungsform weist der photonische Kristall eine lineare Gitterstruktur auf. Jede andere anisotrope Form von Öffnungen im photonischen Kristall ist jedoch auch möglich.In a further embodiment For example, the photonic crystal has a linear lattice structure. each other anisotropic form of openings in the photonic crystal is also possible.

Die Flanken der Öffnungen in den Gitterstrukturen können bezüglich der Oberfläche des photonischen Kristalls, die parallel zu der Licht emittierenden Oberfläche der LED liegt, senkrechte, schräge oder andersartige Formen aufweisen. Die Öffnungen können einen trapezförmigen, gekrümmten oder andersartigen Querschnitt aufweisen.The Flanks of the openings in the lattice structures can in terms of the surface of the photonic crystal, which is parallel to the light-emitting surface the LED is vertical, oblique or have other forms. The openings may have a trapezoidal, curved or have different cross-section.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der photonische Kristall als externe Filterstruktur auf einer aufgerauten oder einer bereits vorstrukturierten Dünnfilm-LED-Oberfläche angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform ist der photonische Kristall in einer Dünnfilm-LED zwischen angeordneten Planarisierungsschichten angeordnet.In a preferred embodiment is the photonic crystal as an external filter structure on one roughened or arranged an already pre-structured thin-film LED surface. In a further embodiment The photonic crystal is arranged in a thin-film LED between Planarisierungsschichten arranged.

In einer weiteren Ausführungsform ist der photonische Kristall als externer Filter angeordnet. Eine weitere Möglichkeit, ist die Kombination des photonischen Kristalls mit weiteren funktionalen Elementen, beispielsweise zur Erzeugung von Direktionalität, wobei der photonische Kristall als Filter fungiert.In a further embodiment, the photonic crystal arranged as an external filter. Another possibility is the combination of the photonic crystal with other functional elements, for example, to generate directionality, wherein the photonic crystal acts as a filter.

Die Anordnung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.The Arrangement will be described below with reference to exemplary embodiments and the associated figures explained in more detail.

Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.The The drawings described below are not to scale specific. Rather, you can For better representation, individual dimensions are enlarged, reduced or distorted.

Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.Elements, the same or the same function, are denoted by the same reference numerals.

1 zeigt eine schematische Skizze einer polarisierten Lichtquelle. 1 shows a schematic sketch of a polarized light source.

2 zeigt einen Ausschnitt eines photonischen Kristalls mit rechteckiger Kristallstruktur. 2 shows a section of a photonic crystal with a rectangular crystal structure.

3 zeigt einen Ausschnitt eines photonischen Kristalls mit trigonaler Kristallstruktur. 3 shows a section of a photonic crystal with trigonal crystal structure.

4 zeigt einen Ausschnitt eines photonischen Kristalls mit linearer Gitterstruktur. 4 shows a section of a photonic crystal with a linear lattice structure.

In 1 ist ein schematischer Aufbau einer polarisierten Lichtquelle gezeigt, bei der auf einer LED 1 ein photonischer Kristall 2 aufgebracht ist. Der photonische Kristall ist auf der Licht emittierenden Seite der LED 1 angeordnet. Der photonische Kristall 2 kann auch innerhalb der LED 1 angeordnet sein, was hier jedoch nicht dargestellt ist. Der photonische Kristall 2 kann auch über der LED als so genannter externer Polarisationsfilter angeordnet sein, der hier nicht dargestellt ist. Der photonische Kristall 2 ist vorzugsweise zweidimensional ausgebildet, das heißt, dass die Kristallstruktur des photonische Kristalls 2 parallel zu der Ebene der Licht emittierenden Oberfläche der LED 1 angeordnet ist.In 1 is a schematic structure of a polarized light source shown in which on an LED 1 a photonic crystal 2 is applied. The photonic crystal is on the light-emitting side of the LED 1 arranged. The photonic crystal 2 can also be inside the LED 1 be arranged, which is not shown here. The photonic crystal 2 can also be arranged above the LED as a so-called external polarization filter, which is not shown here. The photonic crystal 2 is preferably formed two-dimensional, that is, that the crystal structure of the photonic crystal 2 parallel to the plane of the light-emitting surface of the LED 1 is arranged.

Die 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Kristallstruktur des photonischen Kristalls 2. In dieser Ausführungsform weist die Kristallstruktur des photonischen Kristalls 2 regelmäßig angeordnete ovale Löcher 3 auf. Die Kristallstruktur des photonischen Kristall ist in dieser Ausführungsform vorzugsweise rechteckig.The 2 shows a first embodiment of the crystal structure of the photonic crystal 2 , In this embodiment, the crystal structure of the photonic crystal 2 regularly arranged oval holes 3 on. The crystal structure of the photonic crystal is preferably rectangular in this embodiment.

In 3 ist eine weitere Ausführungsform der Kristallstruktur des photonischen Kristalls 2 dargestellt, bei der Reihen mit ovalen Löchern 3 versetzt zueinander angeordnet sind. Die Kristallstruktur des photonischen Kristalls 2 ist in dieser Ausführungsform trigonal.In 3 is another embodiment of the crystal structure of the photonic crystal 2 shown in the rows with oval holes 3 offset from one another. The crystal structure of the photonic crystal 2 is trigonal in this embodiment.

Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Kristallstruktur des photonischen Kristalls 2, der eine lineare Gitterstruktur aufweist. Die Löcher weisen in dieser Ausführungsform des photonischen Kristalls 2 vorzugsweise eine rechteckige Form auf. Das Verhältnis von Länge L zu Breite B ist vorzugsweise größer als 5 zu 1, bevorzugt 10 zu 1. Das Verhältnis von Länge L zu Breite B kann jedoch auch andere Werte aufweisen, wobei die Länge L bevorzugt größer ist als die Breite B.The 4 shows another embodiment of the crystal structure of the photonic crystal 2 which has a linear lattice structure. The holes are in this embodiment of the photonic crystal 2 preferably a rectangular shape. The ratio of length L to width B is preferably greater than 5 to 1, preferably 10 to 1. However, the ratio of length L to width B may also have other values, wherein the length L is preferably greater than the width B.

Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte Anzahl möglicher Weiterbildungen der Erfindung beschrieben werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Es ist prinzipiell möglich, andere Formen anisotroper Löcher und andere Anordnungen der Löcher in dem photonischen Kristall zu verwenden. Die Erfindung ist nicht auf die Anzahl der schematisch dargestellten Elemente beschränkt.Even though in the embodiments only a limited one Number of possible Further developments of the invention could be described is the Invention not limited to this. It is possible in principle other forms of anisotropic holes and other arrangements of the holes to use in the photonic crystal. The invention is not limited to the number of elements shown schematically.

Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände und Verfahren ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt.The Description of the objects and methods specified here is not limited to the individual specific embodiments.

Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen – soweit technisch sinnvoll – beliebig miteinander kombiniert werden.Much more can the features of the individual embodiments - as far as technically sensible - arbitrary be combined with each other.

Claims (11)

Polarisierte Lichtquelle aufweisend, – eine LED (1) die unpolarisiertes Licht emittiert, – einen photonischen Kristall (2), der sich im Strahlengang der LED (1) befindet, – wobei der photonische Kristall (2) das von der LED (1) emittierte unpolarisierte Licht größtenteils in linear polarisiertes Licht umwandelt.Polarized light source, - one LED ( 1 ) which emits unpolarized light, - a photonic crystal ( 2 ) located in the beam path of the LED ( 1 ), wherein the photonic crystal ( 2 ) that of the LED ( 1 ) emitted unpolarized light largely converted into linearly polarized light. Polarisierte Lichtquelle nach Anspruch 1, bei der die LED (1) eine Dünnfilm-LED ist.A polarized light source according to claim 1, wherein the LED ( 1 ) is a thin-film LED. Polarisierte Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der photonische Kristall (2) zwei Dimensionen aufweist.Polarized light source according to one of the preceding claims, in which the photonic crystal ( 2 ) has two dimensions. Polarisierte Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der photonische Kristall (2) eine anisotrope Kristallstruktur aufweist, die parallel zur Oberfläche der LED (1) ausgerichtet ist.Polarized light source according to one of the preceding claims, in which the photonic crystal ( 2 ) has an anisotropic crystal structure parallel to the surface of the LED ( 1 ) is aligned. Polarisierte Lichtquelle nach ein Anspruch 4, bei der der photonische Kristall (2) ovale Löcher (3) aufweist.A polarized light source according to claim 4, wherein the photonic crystal ( 2 ) oval holes ( 3 ) having. Polarisierte Lichtquelle nach Anspruch 4, bei der der photonische Kristall (2) rechteckige Löcher (4) aufweist.Polarized light source according to claim 4, in which the photonic crystal ( 2 ) rectangular holes ( 4 ) having. Polarisierte Lichtquelle nach Anspruch 4, bei der der photonische Kistall (2) eine lineare Gitterstruktur aufweist.Polarized light source according to claim 4, in which the photonic crystal ( 2 ) has a linear grid structure. Polarisierte Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Flanken der Gitterstruktur senkrecht zu der Oberfläche des photonischen Kristalls (2) geformt sind.Polarized light source according to one of the preceding claims, in which the flanks of the lattice structure are perpendicular to the surface of the photonic crystal ( 2 ) are formed. Polarisierte Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Flanken der Gitterstruktur schräg zu der Oberfläche des photonischen Kristalls (2) geformt sind.Polarized light source according to one of the preceding claims, in which the flanks of the lattice structure are oblique to the surface of the photonic crystal ( 2 ) are formed. Polarisierte Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der photonische Kristall (2) auf einer Oberfläche einer Dünnfilm-LED aufgebracht ist.Polarized light source according to one of the preceding claims, in which the photonic crystal ( 2 ) is applied to a surface of a thin-film LED. Polarisierte Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der photonische Kristall (2) als separater Filter im Strahlengang einer LED (1) angeordnet ist.Polarized light source according to one of the preceding claims, in which the photonic crystal ( 2 ) as a separate filter in the beam path of an LED ( 1 ) is arranged.
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