JP2010521066A - Ｌｅｄモジュール - Google Patents

Abstract

本発明は、１つの支持体と複数の光源（１）を有するＬＥＤモジュール（１０）に関している。前記光源（１）は、支持体上に次のように配設されている。すなわちＬＥＤモジュール（１０）が照射均一性Ｈ_BLUを有し、該照射均一性Ｈ_BLUがＬＥＤモジュール（１０）の光源のランダム配置のもとで得られる照射均一性分布の統計的平均値Ｈ*よりも小さくなるように配設されている。さらに本発明は前記ＬＥＤモジュールの製造方法にも関している。

Description

本発明はＬＥＤモジュール及び該ＬＥＤモジュールの製造方法に関する。

ＬＥＤモジュールは例えばＬＣＤのバックライトのために用いられる。この場合はディスプレイ後方の１つの平面に多数の個々のＬＥＤが配置される。このようなケースにおいて難しいことは、十分に均質なバックライト照明を達成させることである。この均一性の問題は２つの異なった要因に基づいている。その１つは、バックライト照明ユニットの薄さと均一性を同時に確率すること自体の困難性である。なぜなら完全に同じＬＥＤが複数得られとしても光学的な構造においてはこのような本質的な均一性を達成することには既に特別な努力が要求されるからである。もう１つは、これらのＬＥＤが必ずしも完全に同一ではないことである。従って予め選別されたできるだけ同じようなＬＥＤを使用することが試みられる（いわゆるビニング"binning"）。

ＬＥＤ平面に対するビニングの際に、複数の同タイプのＬＥＤにおける相違性が問題にならないように境界ないし範囲を狭く設定することは、測定精度、とりわけ"組合わせ論的に爆発する"ロジスティックス（kombinatorisch explodierenden Logistik）の理由から不可能である。特にシーケンシャルな製造プロセスに基づく場合、あるいは平均値からの偏差が相似する任意のＬＥＤが相互に近接して用いられる場合には問題となる。

本発明の課題はより良好な照射均一性を備えたＬＥＤモジュールを提供することである。この課題は請求項１に記載されたＬＥＤモジュールによって解決される。

本発明のさらなる課題は、そのようなより良好な均一性を備えたＬＥＤモジュールの製造方法を提供することである。この課題は請求項１１に記載の本発明による方法によって解決される。

ＬＥＤモジュールの有利な構成例及び改善例並びにそのようなＬＥＤモジュールの製造方法の有利な構成例及び改善例も従属請求項の対象である。

本発明によるＬＥＤモジュールは、１つの支持体と複数の光源を有し、該光源はそれぞれ１つ若しくは複数の発光ダイオードを備えており、前記各発光ダイオードは色位置（Farbort）Ｆ_iと輝度Ｈ₁とを有し、前記光源はこの色位置Ｆi及び／又は輝度Ｈiに依存して支持体の所定の位置に次のように配設されている。すなわちＬＥＤモジュールが照射均一性Ｈ_BLUを有し、それがＬＥＤモジュールの光源のランダム配置のもとで得られる照射均一性分布の統計的平均値Ｈ*よりも小さくなるように配設されている。ＬＥＤには通しインデックスｉによって通し番号が付されている。

本発明によるＬＥＤモジュールは特にバックライト又は照明のために設けられる。例えばこのＬＥＤモジュールはバックライト照明のためにフラットディスプレイテレビに用いられてもよいし、一般照明用のビーム源として用いられてもよい。

有利にはＬＥＤモジュールの照射均一性Ｈ_BLUはスカラー品質関数によって評価される。この品質関数は次のように算出される。すなわちまずビーム出射面上に複数の検査ポイントをとり、各検査ポイントの色位置をＣＩＥ−ｕ′ｖ′色空間若しくはＣＩＥ−Ｌ*ａ*ｂ色空間において定める。次にＬＥＤモジュールの平均的色位置を求め、その他にもこの平均的色位置からの間隔を各検査ポイント毎に求める。品質関数は有利にはそのように得られた最大間隔の倍の規模で定められる。

ビーム出射面は、次のような平面として定められる。すなわち支持体から所定の間隔Ｄをおいて存在し、ＬＥＤモジュールの拡幅幅全体に亘って延在する平面である。

有利にはＬＥＤモジュールの照射均一性Ｈ_BLUは最大で、照射均一性分布の統計的平均値Ｈ*の半分の大きさである。

本発明によれば、ＬＥＤモジュールの照射均一性Ｈ_BLUの算出のために有利なシミュレーション法が用いられる。これに対してはＬＥＤの輝度絶対値が複数の変数のパラメータ化された関数として観察される。

これらの変数は、ＬＥＤの位置、出射面の観察されるポイントの位置、並びに場合によってさらなる変数、例えばＬＥＤ照射特性の変化特性に起因する変数（例えばチップポジションの許容偏差など）であってもよい。その場合ＬＥＤの輝度絶対値は、たとえば異なる規模と幅の複数の二次元ガウス関数の加法的累積として観察されてもよい。エッジ効果は例えば周縁（エッジ）においてミラーリングされた場合によって楕円状のさらなるガウス関数によって考慮され得る。それにより個々のＬＥＤの光の連続的な伝達関数（これは所定の但し任意に選択され得る箇所にある）は、出射面上の別の任意に選択可能な箇所に対し、使用するガウス関数のパラメータによって定められる。これらのパラメータの適応化は、複数の測定又はレイトレーシングシミュレーションにおける伝達関数モデルの数値的最適化によって行われるか手動による。

品質関数はそのようにして生じる最大の間隔として定められる。照射均一性Ｈ_BLUの品質関数はシミュレーション結果から求められる。

最初のステップでは同一の赤色、緑色、青色のＬＥＤがシミュレーションに用いられ、それに伴ってＬＥＤモジュールの"本質的照射均一性"が異なるＬＥＤ間隔のもとで試みられる。さらなる考慮段階では、個々のＬＥＤの任意の色値や輝度値を形成し、製造段階に起因するＬＥＤの輝度差や色差の影響を検査するために、データベースから読出されたＬＥＤビンの境界ないし限界値が用いられる。

この種のシミュレーション手法を用いれば、例えば１０００個のＬＥＤと約１００×１００の検査ポイントを伴うＬＥＤモジュールの場合、つまり１００×１００×１０００＝１０⁷の伝達関数の機能評価がなされる場合には、市販ベースのＰＣで機能評価毎に実験的算出値として約０.３μｓの時間をかけるならばほぼ３秒の時間内で照射均一性Ｈ_BLUを求めることが可能である。有利には各々の統計的なノイズなしでの結果には相応のモデル化誤差が含まれる。その大きさは使用する伝達関数モデルの融通性とパラメータマッチングの精度に依存する。速度に関する利点は、ＬＥＤモジュールの所定の構造の純粋に光学的特性を唯一度だけ伝達関数モデルに代入し、その後でこのモデルを用いて複数のＬＥＤモジュール構成を算出することに基づいている。

ＬＥＤモジュールの光源に用いられているＬＥＤから出発して、発光モジュール内で可能な種々の光源配置構成から得られる様々な照射均一性値Ｈ_BLUを統計的に検査することが可能である。

ＬＥＤモジュールの有利な変化例によれば、各光源は１つ若しくは複数の発光ダイオードを有している。本発明によれば発光ダイオードとは有利には少なくとも１つの半導体チップを供えたビームを発する構成素子と理解されたい。しかしながら個々のビームを発する半導体チップも含まれ得る。

さらに別の有利な変化例によれば、これらの発光ダイオードが１つのプリント基板に取付けられる。

有利には各光源は、異なる波長のビームを発する少なくとも２つの発光ダイオードを有している。例えば各光源は少なくとも１つの赤色と緑色と青色の発光ダイオードを有している。

有利には光源毎に複数のＲＧＧＢクラスタが利用される。すなわちこのクラスタは１つの赤色と２つの緑色と１つの青色の発光ダイオードを含んでいる。代替的に各光源は白色光を発する少なくとも１つの発光ダイオードを有している。

本発明による、ＬＥＤモジュールの製造方法は、以下の方法ステップ、すなわち、
複数の光源を準備するステップと、
前記各光源の個々の発光ダイオードの色位置Ｆ_iと輝度Ｈ_iを測定するステップと、
支持体上で各光源毎に色位置Ｆ_iと輝度Ｈ_iの値に依存して最適な位置を算出し、それによってＬＥＤモジュールが照射均一性Ｈ_BLUを有し、該照射均一性Ｈ_BLUは、ＬＥＤモジュール内での光源のランダム配置のもとで得られる照射均一性分布の統計的平均値Ｈ*よりも小さくなるようにするステップと、
支持体上で前記算出された位置に光源を配置するステップとを有している。

本発明のさらなる特徴、利点及び改善例は以下の明細書で図１から図３に基づいて説明する実施例からも明らかとなる。

本発明によるＬＥＤモジュールの概略的平面図 光源がランダム配置されたＬＥＤモジュールの照射均一性Ｈ_BLUの輝度分布Ｗを示したヒストグラム 従来のＬＥＤモジュールと本発明によるＬＥＤモジュールの光源配置の概略図

次に本発明の実施例を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。

図１に示されているＬＥＤモジュール１０は１１５２のＬＥＤ２を有している。これらのＬＥＤ２は、それぞれ隣接して存在する６個のＲＧＧＢクラスタ３における２４個のＬＥＤ２をそれぞれ有する４８個の光源からなる。光源１は、１２行４列のマトリックスの形態で（図示されていない）支持体上に配設されている。同じ形態の４８個の光源１は、基本的に任意の順序で用いられ得る。４８個の光源１のもとでは４８！≒１０⁶¹もの可能性が生じ、これは完全な検査を実施し得る回数をはるかに超えている。しかしながらそれは所定の数（例えば２０００）の配置構成をランダムに形成して前述したように評価する確率分布のような印象を得る。このようにすれば照射均一分布を求めることができ、さらに照射均一分布の平均値Ｈ*とその分散を推定することも可能になる。そして光源１は支持体上に次のように配設される。すなわちＬＥＤモジュール１０の照射均一性Ｈ_BLUが統計的平均値Ｈ*よりも小さくなるように配設される。

照射均一分布の算出に対してはまずＬＥＤ２の色位置Ｆ_iと輝度Ｈ_iが確定される。ＬＥＤ２が実装前に色位置Ｆ_iと輝度Ｈ_iに従って典型的な形式で既にグループ化されているにもかかわらず、完成時のコントロールの理由から実装の完了した各光源１の個々のＬＥＤ２の色位置Ｆ_iと輝度Ｈ_iが再度測定される。照射均一分布を求めるためのこの測定は、付加的なコストを何等表すものではない。さらに通常はエラートラックバックのために各個別の光源１がバーコードラベルでマーキングされ、それによって各光源１の識別が可能となる。

本発明によれば個々の光源１のいわゆる最終的クリアランス測定データが例えば各光源２のバーコードと一緒にプリント基板への実装の際にデータベースに記憶され得る。光源１はそれぞれ１つのＬＥＤモジュール１０毎にユニット内へ一緒に充填され、最終取付けのために移送されるのに対して、最適化計算は有利にはオフラインで行われる。これについては以下の明細書で詳細に説明する。それらの結果は最終取付けラインに電子的に転送される。

この最終取付けラインでは、作業従事者によってバーコードが手動で走査され（これはいずれにせよトラックバックのためにも実施されなければならない）、光源１のために設けられた場所がディスプレイに表示される。この場所は自動制御されたランプを用いた支持体上の相応する箇所のマーキングによって表示されてもよい。さらにこの最終取付けは、例えばロボットを用いて自動的に実施されてもよい。手作業による取付け若しくは自動化された取付けにおいて、方法過程の総和は最適化手法によって増加するものではない。

光源平面上で得られる情報は、照射均一分布のシミュレーションのために用いられる。本発明によればこれらの情報データを用いて検査が可能であり、数値的最適化によって光源１の最良の配置構成を見つけることが可能となる。それにより完成したＬＥＤモジュールは最適な照射均一性Ｈ_BLUを有する。

最良の配置構成を見つけることの問題は、最適化理論の古典的な"巡回セールスマン問題"（セールスマンが商談旅行において１００の都市をどのような順序でまわれば、総巡回距離が最も短くて済むか？）である。この問題がＮＰ完全問題であることは公知である。そのため１０⁶¹以上の可能性の汎用的な最適化による検索は絶望的である。しかしながら本発明によって選択された"焼きなまし法"を用いることにより、非常に良好な解を見つけ出すことが可能である。この方法のやり方は焼きなましの際の１個の鋼の結晶子の配置構成のように最小の自由エネルギーに結びつく。

この場合は初期の配置構成から出発して個々の光源か若しくは分離性で矩形状の個々の光源領域のランダムな交換が選択される。この変更された配置構成の照射均一性Ｈは計算される。いずれにせよ改善性が得られるときにはその新たな配置構成が取り入れられる。ΔＨだけの悪化しか得られないときには、その新たな配置構成はｅｘｐ（−ΔＨ／Ｔ）の確率で受容される。この場合前記Ｔとは１つのパラメータ、いわゆる"温度"と言われているものであり、これは計算の開始時点で、多くの悪化を受容し得るレベルの値を有すべきものである。従ってこのパラメータＴは計算の過程においてもはや真の改善が選択されるまで徐々に低減される。

本発明によれば有利には、ＬＥＤの色位置Ｆiと輝度Ｈiに関する既存の情報を使用することで、容易に自動化が可能でかつほとんど付加的コストをかけることなく置き換えることのできる製造規定が得られる。この場合は不良なＬＥＤモジュールが回避されるだけではなく、照射均一性Ｈについても実質的に全てのＬＥＤモジュールに対して体系的に著しい向上が見込まれる。

図２には、本発明による計算の結果が示されている。横軸には照射均一性ＨがＪＮＤ（丁度可知差異）単位でプロットされている。縦軸には所定の数のランダムな配置構成（このケースでは２０００のランダムな配置構成）のもとでの照射均一性Ｈの観測回数ないし頻度Ｗがそれぞれの間隔で示されている。

この柱状分布グラフの図示のケースでは統計的平均値Ｈ*はほぼ４ＪＮＤ、総幅はほぼ３ＪＮＤである。２０００のランダムな配置構成の最良値は、ほぼ２．５ＪＮＤにある。１．５ＪＮＤの棒グラフは最適化法によって検査された総数２０００の配置構成の中から求められた最適な配置構成を表している。検出された最適幅が柱状分布の外部に存するような矛盾は存在しない。但しこのことは実際の分布が２０００のみのランダムな検索によってみつけられるものよりもはるかに広範なものであるということを意味するだけである。

図３には、照射均一性Ｈ＝４．６ＪＮＤを有する従来のＬＥＤモジュール（左方側）と、最適な照射均一性Ｈ_BLU＝１．５ＪＮＤを有する本発明によるＬＥＤモジュール（右方側）の比較を示している。従来のＬＥＤモジュール１０では、赤、緑、青のＬＥＤがビン内で輝度及び色位置に従って予め分類され、"bin-rein"がプリント基板に組み付けられる。この場合光源１は２４のＬＥＤから形成される。光源１はランダムな配置構成で支持体に取り付けられる。本発明によるＬＥＤモジュール１０は光源１０の番号付けに基づいて認められるように従来のＬＥＤモジュール１０の光源の配置構成とは異なっいる。光源のランダムな配置構成のもとでは、最適な照射均一性Ｈ_BLUが得られることは非常に不確実である（例えば図２のＨ＝４．６ＪＮＤはＨ_BLU＝１．５ＪＮＤよりも可能性が高い）。

ここでは当該の方法が、色位置及び／又は輝度の他にグラジエントも評価する別の評価関数に基づく転用も可能であることを述べておく。

本発明はこれまで説明してきた実施例に限定されるものではない。それどころか本発明には新たなあらゆる特徴ないしそれらの特徴の組み合わせ、請求の範囲に含まれる複数の特徴のあらゆる組み合わせが、たとえそれらの特徴ないし組み合わせ自体に係わる詳細な説明が本願の特許請求の範囲や実施例に示されていなかったとしても含まれるものである。

最後に本願発明はＤＥ１０２００７０１１９８８．９号明細書の優先権を主張するものであることを述べておく。

Claims (14)

1. １つの支持体と複数の光源（１）を有し、
   前記光源（１）はそれぞれ１つ若しくは複数の発光ダイオード（２）を含み、
   前記各発光ダイオード（２）は色位置Ｆ_iと輝度Ｈ₁を有し、
   前記光源（１）は、色位置Ｆ_i及び／又は輝度Ｈ_iに依存して支持体の所定の位置に配設され、それによってＬＥＤモジュール（１０）が照射均一性Ｈ_BLUを有し、該照射均一性Ｈ_BLUは、ＬＥＤモジュール（１）内での光源（１）のランダム配置のもとで得られる照射均一性分布の統計的平均値Ｈ*よりも小さくなるように構成されていることを特徴とするＬＥＤモジュール。
2. 前記ＬＥＤモジュール（１０）の照射均一性Ｈ_BLUは最大で、照射均一性分布の統計的平均値Ｈ*の半分の大きさである、請求項１記載のＬＥＤモジュール。
3. 前記発光ダイオード（２）は、プリント基板に取り付けられている、請求項１または２記載のＬＥＤモジュール。
4. 前記各光源（１）は、異なる波長のビームを発する少なくとも２つの発光ダイオード（２）を有している、請求項１から３いずれか１項記載のＬＥＤモジュール。
5. 前記各光源（１）は、少なくとも１つの赤色と緑色と青色の発光ダイオードを有している、請求項４記載のＬＥＤモジュール。
6. 前記各光源（１）は、白色光を発する少なくとも１つの発光ダイオード（２）を有している、請求項１から５いずれか１項記載のＬＥＤモジュール。
7. 前記各光源（１）は、２４の発光ダイオード（２）を有している、請求項１から６いずれか１項記載のＬＥＤモジュール。
8. 前記各光源（１）は、マトリクスの形態で支持体上に配設されている、請求項１から７いずれか１項記載のＬＥＤモジュール。
9. 前記マトリクスは１２の行と４つの列を有している、請求項８記載のＬＥＤモジュール。
10. 前記ＬＥＤモジュール（１０）はバックライト用または照明用に設けられている、請求項１から９いずれか１項記載のＬＥＤモジュール。
11. 請求項１から１０いずれか１項記載のＬＥＤモジュール（１０）の製造方法において、
    複数の光源（１）を準備するステップと、
    前記各光源（１）の個々の発光ダイオード（２）の色位置Ｆ_iと輝度Ｈ_iを測定するステップと、
    支持体上で各光源（１）毎に色位置Ｆ_iと輝度Ｈ_iの値に依存して最適な位置を算出し、それによってＬＥＤモジュール（１０）が照射均一性Ｈ_BLUを有し、該照射均一性Ｈ_BLUは、ＬＥＤモジュール（１）内での光源（１）のランダム配置のもとで得られる照射均一性分布の統計的平均値Ｈ*よりも小さくなるようにするステップと、
    支持体上で前記算出された位置に光源（１）を配置するステップとを有していることを特徴とする方法。
12. 最適な位置の算出が焼きなまし法を用いて行われる、請求項１１記載の方法。
13. 前記光源（１）の製造のためにそれぞれ複数の発光ダイオード（２）を複数のプリント基板に実装させる、請求項１１または１２記載の方法。
14. 前記発光ダイオード（２）は、実装前に色位置Ｆ_iと輝度Ｈ_iに従ってグループ分けされる、請求項１３記載の方法。

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