JP5415433B2 - 偏光発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、第１の表面と、第２の表面と、前記第１の表面と前記第２の表面とを接続している少なくとも１つの側部小面とを持つＬＥＤダイを有する発光装置に関する。更に、前記ＬＥＤダイは、光偏光層と光遮断層と光反射層とを有している。本発明は、更に、このようなＬＥＤダイからの偏光された光を供給する方法にも関する。

ソリッドステート発光ダイオード（ＬＥＤ）は、様々な照明用途における従来の光源に置き換わるための見込みを調べられた明るい将来を有している。更に詳細には、高いブライトネスの無機ＬＥＤは、自動車の照明、カメラフラッシュ、表示投影及び表示バックライトのような市場に入っている。

これらのＬＥＤを従来の光源の代わりに使用する利益は、これらの小さいボリューム、高度輝度及び高い色飽和度によって与えられる。

しかしながら、従来の光源として、ＬＥＤは、無偏光の光、即ち特定の偏光状態に対する著しい選択を有していない光を発する。従って、偏光を必要としている用途において、この光は、他の手段によって偏光されなければならない。

偏光が使用される用途の領域は、ＬＣＤバックライト及びＬＣＤ投影におけるもの、並びにＬＥＤ点光源によって発される光線がＬＣセルによって操作されているＬＣビームステアリング装置のためのオプションにおけるものである。

更に、偏光された光は、屋内及び屋外照明の両方における利点を与える。線形に偏光された光が表面上の反射に影響を与え、グレアと、視力、観察されるコントラスト及び飽和度における照明されている周囲の観察のその後の影響との抑制を可能にするからである。この影響のため、偏光蛍光発光体が、視覚において要求される利益を備える商品として存在している。

ＬＥＤの作製のエキゾチックな結晶方位の方向を使用することによって、前記ＬＥＤからの偏光された光の放出を達成することが可能である。しかしながら、このようなＬＥＤは製造するのが困難であり、効率的な光出力を得るのは難しい。更に、報告されている偏光されているコントラストは、小さい。

光を偏光させる一般的な方法は、望まれていない偏光状態を吸収するステップを含んでいる。この方法は、約４５％の効率を有している。

米国特許第２００６／００６６１９２Ａ１号は、ＬＥＤ及び反射偏光子を組み込んでいる照明システムを開示している。前記反射偏光子は、前記ＬＥＤから発される光の第１の部分を透過し、前記ＬＥＤから発される前記光の第２の部分を反射する。前記反射された光は、ＬＥＤ上に入射し、前記ＬＥＤによって反射される。更に、前記光の第２の部分は、反射された前記光の偏光状態が混合されるように、散乱される。従って、散乱された前記光の一部は、前記照明システムの全体的な効率が増大されるように、前記反射偏光子によって透過されることができる。

米国特許第２００６／００６６１９２Ａ１号に開示されているシステムが、偏光の増大されている効率を示している場合でさえも、これは、多くの用途に充分なものではない。

本発明の目的は、上述の技術及び従来技術の改善を提供することにある。更に詳細には、本発明の目的は、増大された効率を備える偏光ＬＥＤを提供することにある。

上述の目的は、第１の表面、第２の表面、及び前記第１の表面と前記第２の表面とを接続している少なくとも１つの側部小面を持つＬＥＤダイを有する発光装置によって本発明の第１の見地によって与えられる。前記発光装置は、更に、光偏光層、光遮断層及び光反射層を有しており、前記光偏光層は、前記第１の表面上に配されており、前記光遮断層は、前記少なくとも１つの側部小面上に配されており、前記光反射層は、前記ＬＥＤダイの前記第２表面上に配されている。前記発光装置は、高い効率によって偏光されている光を提供するという点において有利である。

前記光偏光層は、前記第１の表面全体を覆っていても良く、前記光遮断層は、（複数の）前記側部小面全体を覆っていても良く、前記光反射層は、前記第２の表面全体を覆っていても良い。このことは、高い分極化コントラストが達成されるという点において有利である。

前記光遮断層は、光偏光層であっても良く、このことは、この遮断層及び前記光偏光層が、１つの部品において製造されるという点において有利である。

前記光遮断層は、光反射層であっても良く、このことは、この遮断層及び前記光反射層が１つの部品において製造されるという点において有利である。

前記光偏光層は、反射偏光層であっても良く、前記ＬＥＤダイから高温の及び光束に耐えることができる。

前記光偏光層は、ワイアグリッド格子であっても良い。従って、これ自体は知られている従来の格子が、使用される。

前記発光装置は、更に、前記光の偏光状態を変化させるリサイクル層を有していても良く、前記光リサイクル層は、前記光偏光層と前記光反射層との間に配されている。このことは、より大きい量の偏光された光が発されるという点において有利である。

このリサイクル層は、リターディング層（retarding layer）又は偏光解消層（depolarization layer）であっても良く、このことは、従来の技術及び材料が使用されるという点において有利である。

波長変換層は、前記光偏光層と前記ＬＥＤダイとの間に配されても良く、例えば、緑、琥珀又は赤色の光の効率が、増大されるという点において有利である。

波長変換層は、蛍光体層であっても良く、一般的に知られている材料である。

本発明の第２の見地によれば、本発明の第１の見地による少なくとも１つの発光装置を有する光源が、提供される。本発明の第１の見地の利点は、本発明のこの第２の見地にも適用可能である。

前記発光装置は、前記ダイを覆っているドーム形のレンズを有していても良い。このことは、増大された量の光が前記ＬＥＤから抽出されるという点において有利である。

上述の目的は、第１の表面と、第２の表面と、前記第１の表面と前記第２の表面とを接続している少なくとも１つの側部小面とを持つＬＥＤダイからの偏光された光を供給する方法によって、本発明の第３の見地によって提供される。当該方法には、前記ＬＥＤダイの前記第１の表面から第１の量の光を発するステップと、前記ＬＥＤダイの（複数の）前記側部小面から第２の量の光を発するステップと、（複数の）前記側部小面に配されている遮断層によって前記第２の量の光の第１の部分を遮断するステップと、前記第１の表面上に配されている偏光層によって前記第１の量の光の第１の部分を遮断するステップと、前記偏光層を通過する前記第１の量の光の第２の部分を透過するステップと、前記第１の量の光の偏光状態を変換するステップと、前記偏光層によって前記第１の量の光の変換された前記第１の部分を透過するステップとを有する。本発明の第２の見地の利点は、本発明のこの第３の見地にも適用可能である。

本発明の他の目的、フィーチャ及び有利な点は、以下の詳細な開示、添付の従属請求項及び添付の図面から明らかになるであろう。

従来技術による偏光子の基本的な原理を示している。 本発明の第１の実施例による発光装置の側面図である。 本発明の他の実施例による発光装置の斜視図である。 本発明による発光装置の一実施例を示している。 本発明による発光装置の一実施例を示している。 本発明による発光装置の一実施例を示している。 本発明による発光装置の一実施例を示している。 本発明による発光装置の一実施例を示している。 本発明による発光装置の一実施例を示している。

本発明の実施例は、今、例として、添付の模式的な図面を参照して記載されている。

図１において、偏光要素の基本的な原理が、示されている。伝播している光の波が、示されており、偏光要素４上に入射している。この光の波は、実線及び点線によって示されているように偏光の特定の状態を有しておらず、偏光要素４を透過されている。しかしながら、実線で示されているように、或る偏光状態を有している光の波の一部分のみが、透過されている。前記光の波の他の部分は、後方に反射される、又は偏光要素４によって吸収される。

図１に示されているように、偏光要素４は、平行に配されている複数のスリットを有している格子である。この格子の周期は、前記光の波の波長未満である。このような偏光要素は、ワイアグリッド偏光子として一般的に知られている。ワイアグリッド偏光子は、しばしば、空気又は誘電材料によって分離されている、金属（例えばアルミニウム）の小さいストライプから成る。前記格子の周期は、典型的には、１００〜２００ｎｍのオーダーである。間隙に対する金属の典型的なデューティサイクルは１：１であるが、他の割合（例えば、１：２）も適用可能である。各金属ストライプの高さは、典型的には、１００ｎｍのオーダーである。

図２は、何らかの既知の種類の基板５上に取り付けられている発光装置１００を示している。基板５は、プリント回路基板及びソケット等であっても良い。発光装置１００は、ＬＥＤダイ１０、光反射層４０、光偏光層２０及び光遮断層３０を有している。光偏光層２０は、ＬＥＤダイ１０の第１の表面１２に隣接して配されている。光反射層４０は、基板５とＬＥＤダイ１０の第２の表面１４との間に配されている。光遮断層３０は、ＬＥＤダイ１０の側部小面１６に隣接して配されている。

電圧がＬＥＤダイ１０のｐ／ｎ接合部の両端に印加されている場合、光は、前記ＬＥＤダイの第１の表面１２及び側部小面１６に向かって発される。通常のＬＥＤと同様に、発せられた前記光は、特定の偏光角を有していないが、幾つかの異なる角の混合である。第１の量の前記発せられた光は、光偏光層２０上に入射し、第２の量の前記発せられた光は、光遮断層３０上に入射する。前記第１の量の前記発せられた光が光偏光層２０に当たる場合、前記第１の量の光の第１の部分は反射され、前記第１の量の光の第２の部分は透過される。前記第２の量の前記発せられた光が光遮断層３０に当たる場合、少なくとも第１の部分は、反射又は吸収の何れかによって遮断される。反射の後、前記第１の量の光の前記第１の部分は前記ＬＥＤダイに向かって伝搬して戻り、光反射層４０に当たった場合、この偏光状態は影響を受ける。従って、前記第１の量の発せられた光の前記第１の部分が、２回目に光偏光層２０上に入射した場合、前記光の一部は透過されるであろう。反射された光は、もう一度、光反射層４０に反射され戻され、自身の偏光状態を僅かに変化させ、従って、光偏光層２０との３回目、４回目、５回目の相互作用における更なる透過に至る。

偏光層２０は、円形偏光されている光を透過し、逆回りの円偏光（opposite circular handedness of polarization）を反射しても良い。例えば、偏光層２０は、左回り円偏光を透過し、右回り円偏光を反射しても良い。このような偏光層２０は、コレステリック液晶反射性偏光子であることができる。

図３において、ＬＥＤのダイ１０及び光偏光層２０の斜視図が示されている。この実施例において、光偏光層２０及び光遮断層３０は、１つの単層として設計されている。ワイアグリッド格子２０及び光遮断層３０は、平行に配されている金属ストライプ２２から成る。光遮断層３０は、光の第１の部分を反射し、光の第２の部分を透過する。光遮断層３０及び光偏光層２０は、ＬＥＤダイ１０の第１の表面１２全体と側部小面１６とを覆っている。

図４は、発光装置１００を示している。ＬＥＤダイ１０は、光反射層４０に隣接しており、透明薄膜５０が、ＬＥＤダイ１０の上部に配されている。前記ＬＥＤダイは、例えば紫外線及び青色光のためのＩｎＧａＮ、赤色光のためのＡｌＧａＡｓ、緑色光のためのＡｌＧａＰ又はＧａＮ等のような、これら自体は知られている如何なる適切な材料であっても良い。ＧａＮを有するＬＥＤ（ＬＥＤ）ダイの場合、透明薄膜５０は、製造の間、ＧａＮの適切な堆積を提供するように、サファイア又はシリコンカーバイドを有していても良い。光リサイクル層６０は、薄膜５０の上部に配されており、光偏光層２０は、光リサイクル層６０の上部に取り付けられているガラス板７０上に配されている。光遮断層３０は、発光装置１００の側部小面上に配されている。図４に示されているような発光装置１００は、以下のように動作する。

ＬＥＤダイ１０は、全ての方向に特定の波長（例えば、４００ｎｍ）において光を発する。下方への方向を有している前記光の量は、反射層４０によって下に反射され、前記光の量は光遮断層３０に当たり、更に反射され、この結果、光は、光遮断層３０又は反射層４０を透過されない。光遮断層３０及び光反射層４０は、単層として（例えば、反射金属の薄い薄膜として）配されても良い。上方の方向を有している前記光の量（即ち直接的に発せられた光又は反射された光）は、透明薄膜５０を透過され、光リサイクル層６０を通って伝搬する。光リサイクル層６０は、固定されている角度だけ前記偏光状態を回転させるか、又は偏光角の不規則分布を与えるかの何れかによって、前記光の偏光状態を変化させるように設計されている。従って、前記光リサイクル層６０は、リターディング層（即ち四分の一波長薄膜）か又は散乱層かの何れであっても良い。前記光が、ガラス板７０及び光偏光層２０上に入射した場合、光の第１の部分は透過され、光の第２の部分は、ＬＥＤダイ１０に向かって後方に反射される。透過された前記光は、光偏光層２０の金属ストライプ２２に垂直な偏光角を有しており、反射された前記光は、反射された前記光の金属ストライプ２２と平行な偏光角を有している。前記反射された光は、光遮断層３０及び光反射層４０と相互作用し、複数の内部反射の後、前記光は、光リサイクル層６０を通って、もう一度、透過される。この時、前記光の偏光角は変化され、この結果、前記光の新しい部分は、光偏光層２０を透過される。この手順が繰り返され、毎回、透過される偏光の累積量は増大される。光遮断層３０は、ＬＥＤダイ１０の側部小面から透過されるのに望ましくない偏光角を有する光を阻止する。従って、第１の偏光状態の前記光の量と第２の偏光状態の前記光の量との間のコントラストが、増大される。

光リサイクル層６０は、制御されたマクロスコピックの複屈折、又は、代替的には、マクロスケールスケールで制御されていない局所的な複屈折を有する材料から成り得る。リターディング四分の一波長薄膜（ＱＷＦ）のような、マクロスコピックの複屈折を有する典型的な層は、典型的には、伸張されたポリカーボネートのような、伸張されたポリマ薄膜から成るが、これらは、液晶ポリマー（ＬＣＰのもの）からも作られることができる。このリターダ（retarder）は、一軸のもの又はねじられているものかの何れかであり得る。異なる光軸の方向を有する複数の層の前記リターダも、存在し得る。例えば、ＱＷＦリターダと半波長リターダとの組み合わせは、広帯域の四分の一波長リターダとして一緒に振る舞うことができる。

向上されている安定性を備える代替的な材料は、可能である。更に安定なポリマは、フルオロポリマである。テトラフルオロエチレン及びヘキサフルオロプロピレンポリマのポリマ（ＦＥＰ）が、使用されても良い。他の類似の材料は、テトラフルオロエチレン及びパーフルオロビニルエーテルのポリマ（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン及びエチレンのポリマ（ＥＴＦＥ）、又はテトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン及びフッ化ビニリデンのポリマ（ＴＨＶ）を含んでいる。全てのこれらの材料は、これらの優れた熱安定性、化学安定性及び光安定性に関して知られている。ポリテトラフルオロエチレン（テフロン）も、使用されることができる。

サファイアのような、他の材料は、複屈折性のものであることが知られている。形状複屈折の材料も、リターダとして使用されることができ、ナノサイズの形状による複屈折性を示す。サブ波長周期性を有する誘電格子は、複屈折を示すことができ、これらは、例えば、１／４波長リターダとして使用されることができる。ナノワイヤも、異方性のフォトニック材料として使用されることができ、これらの誘起複屈折のために使用されることができる。

ＬＥＤダイ１０に向かって後方へ指向されている前記光の最大反射率のために、ＬＥＤダイ１０の第２の表面１４は、高い反射率を有さなければならない。通常、反射層４０は、ｐドープＧａＮのような、ＬＥＤ電極のための接触領域として振舞う開口を含んでいる。ここで、光は、損失され得る。従って、前記開口の損失は、接触孔の前記数を減らすことによって、又は反射層４０のこれらの孔をできるだけ小さくすることによって、最小にされるべきである。更に、前記反射層の反射率は、最大にされるべきである。一実施例において、反射層４０は散乱層である。

以下において、発光装置１００の複数の実施例が、記載される。図５において、図４に示されている透明な板５０が、取り除かれている。代わりに、光偏光層２０が、光リサイクル層６０に隣接して配されている。

図６において、光リサイクル層６０は、ＬＥＤダイ１０の粗い表面として設計されている。平面化層８０が、ＬＥＤダイ１０の上部に配され、光偏光層２０を担持しているガラス板７０は、平面化層８０の上部に配されている。

図７において、光偏光層２０は、直接的に平面化層８０上に配されている。

更なる実施例において、偏光層２０は、ＬＥＤから発される青色又は紫外線光の蛍光体変換によって白色又は有色発光を得る蛍光体変換ＬＥＤに利用される。図８及び９に示されているように、光偏光層２０は、蛍光体層９０の上部に配さている。この偏光状態が、リン光工程（phosphorescence process）において保持されないからである。図９において、光リサイクル層６０が、蛍光体層９０と光偏光層２０との間に配されている。図８及び９に関して、発光装置１００は、サファイア層５０のような、透明な層であっても良く、又はこのようなサファイア層５０を有さなくても良い。蛍光体層９０は、サファイア層５０上に又は直接的にＬＥＤダイ１０上に結合されても良い。光偏光層２０は、蛍光体層９０上に設けられ、ＬＥＤダイ１０の側部小面上にも設けられている。光偏光層２０は、前記表面上に直接的に処理されることもでき、又は基板によって支持され蛍光体層９０に接着されても良い。更に、光遮断層３０は、光が、向上された性能のために光偏光層２０を通って発されるようにするために、金属のような、リフレクタを含んでいても良い。蛍光体層９０は、例えば、楔形において成形されることができる。光リサイクル層６０は、光偏光層２０の下方に又は蛍光体層９０の下方に配されることができる。付加的な散乱層（図示略）が、反射された光の偏光を解消するために、例えば、例えば、蛍光体層９０の上部に、又は蛍光体９０の下方に組み込まれても良い。蛍光体層９０は透明であっても良いが、向上された偏光解消のための散乱体（scattering centers ）を含んでいても良い。

光偏光層２０は、ＬＥＤダイ１０上には蛍光体層９０上に直接的に生成され、好ましくはウェハのスケールにおいて生成され、この後、ダイシングされても良い。代替的には、光偏光層２０は、従来、薄いガラス（例えば、０．２ｍｍ）のような、担体基板に生成され、ダイシングされ、この後、適切な接着剤によって又は光学的接触を有することなくの何れかにおいて、ＬＥＤダイ２０又は蛍光体層９０に結合される。

これ自体は知られている何らかの種類の球面状のドームは、開示されている何れの実施例の発光装置１００にも配されることができる。このことは、発光装置１００からの光抽出を向上させ、反射損失を最小化し、そうでない場合に平坦な光学スタック内に導波される光を抽出する。

ＬＥＤダイ１０の第１の表面１２と側部小面１６との間の角度は、９０°であり得る。他の実施例において、ＬＥＤダイ１０の第１の表面１２と側部小面１６との間の角度は、より小さいものであり得る（例えば、４５°）。これらの層のうちの１つ（例えば、蛍光体層９０又は光リサイクル層６０）は、より小さい角度（例えば、４５°）において側部小面を含むように成形されることができ、従って、結果として前記発光装置のピラミッド形状を与える。このような側部小面は、前記発光装置の外側に延在することができる、又はＬＥＤダイ１０又は光遮断層３０と丁度適合することができる。光偏光層２０（例えば、ワイアグリッド偏光子）は、（例えば、リソグラフィ工程によって）前記側部小面の上部に配されることができる。偏光層２０は湾曲されていても良く、又は蛍光体層９０が湾曲されていても良い。このドーム自体が、湾曲されている面を形成していても良く、この上に偏光層２０が堆積されても良い。

本発明は、主に、２、３の実施例に関して上述された。しかしながら、当業者であれば直ちに理解できるように、上述で開示されている実施例以外の実施例が、添付請求項によって規定されている本発明の範囲において等しく実現可能である。

Claims (16)

1. 第１の表面と、第２の表面と、前記第１の表面と前記第２の表面とを接続している少なくとも１つの側部小面とを持つＬＥＤダイと、
   前記第１の表面上に配されている光偏光層と、
   前記少なくとも１つの側部小面上に配されている光遮断層と、
   前記第２の表面に配されている光反射層と、
   を有し、
   前記光遮断層及び前記光偏光層が、前記光遮断層及び前記光偏光層の両方にそれぞれ配置された共通の格子ストライプを含む単層の一部である、発光装置。
2. 前記光偏光層が、前記第１の表面全体を覆っている、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記光遮断層は、１つ以上の前記側部小面全体を覆っている、請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 前記光反射層は、前記第２の表面全体を覆っている、請求項１乃至３の何れか一項に記載の発光装置。
5. 前記光遮断層は、光偏光層である、請求項１乃至４の何れか一項に記載の発光装置。
6. 前記光遮断層は光反射層である、請求項５に記載の発光装置。
7. 前記光偏光層は、反射偏光層である、請求項１乃至６の何れか一項に記載の発光装置。
8. 前記光偏光層はワイアグリッド格子である、請求項１乃至７の何れか一項に記載の発光装置。
9. 前記光の偏光状態を変化させる光リサイクル層を更に有しており、前記光リサイクル層は、前記光偏光層層と前記光反射層との間に配されている、請求項１乃至８の何れか一項に記載の発光装置。
10. 前記光リサイクル層は、リターディング層である、請求項９に記載の発光装置。
11. 前記光リサイクル層は、偏光解消層又は散乱層である、請求項９に記載の発光装置。
12. 波長変換層は、前記光偏光層と前記ＬＥＤダイとの間に配されている、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の発光装置。
13. 前記波長変換層は、蛍光体層である、請求項１２に記載の発光装置。
14. 請求項１に記載の発光装置を少なくとも１つ有している、光源。
15. 前記発光装置が前記ＬＥＤダイを覆っているドーム形のレンズを有している、請求項１４に記載の光源。
16. 第１の表面と、第２の表面と、前記第１の表面と前記第２の表面とを接続している及び少なくとも１つの側部小面とを持つＬＥＤダイから偏光されている光を供給するための方法であって、
    前記ＬＥＤダイの前記第１の表面から第１の量の光を発するステップと、
    前記ＬＥＤダイの前記側部小面から第２の量の光を発するステップと、
    前記第２の量の光の第１の部分を前記側部小面に配される遮断層によって遮断するステップと、
    前記第１の表面に配される偏光層によって前記第１の量の光の第１の部分を遮断するステップと、を有し、
    前記遮断層及び前記偏光層が、前記遮断層及び前記偏光層の両方にそれぞれ配置された共通の格子ストライプを含む単層の一部であり、
    前記偏光層によって前記第１の量の光の第２の部分を透過させるステップと、
    前記第１の量の光の前記第１の部分の偏光状態を変換するステップと、
    前記偏光層によって前記第１の量の光の変換された前記第１の部分を透過させるステップと、
    を有する方法。

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