TW200916916A - White light backlights and the like with efficient utilization of colored LED sources - Google Patents

Description

200916916 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體上係、關於廣域_，其發射白m 色光源’彩色光源之輸出經組合以產生白光。發白光之廣 域光源之一實例為一種摘人田& A ^ 種通合用於自背面照明液晶顯示器或 其他圖形之背光。另„香在丨·& m 實例為用於一般照明目的之延伸光 源。 【先前技術】

至少自Isaac Newton之時代起，已知白光由藍色至紅色 之可見色彩之光譜構成。此必然結果（白光可藉由組合諸 如紅色、綠色及藍色光束之不同彩色光束來產生）亦已 知’且持續使得學生在見到此原理經論證時著迷。 此相同原理用於特定現代薄面板電視單元中。此等單元 利用個別紅色、綠色及藍色發光二極體（LED)之陣列以照 明液晶顯示器（LCD)面板。以規則重複圖案將紅色、綠色 及藍色LED配置於器件之背部表面上，且將強漫射板安裝 於LED上以在LCD面板的整個區域後提供相對均一性延伸 之白色光源。在重複之圖案中’ LED以四個接近間隔之 LED之群組（一個紅色、一個藍色及兩個綠色）叢集。接著 在器件之背部表面之上以圖案配置等同叢集。用於單元中 之LED之整個群體因此具有1:2:1的紅色（R):綠色（G):藍 色（B)比。 合作以在LCD面板後提供延伸白色光源之LED、漫射板 及其他組件統稱為"背光"。 131598.doc 200916916 視内部光源相對於背光的輪出區較位於何處而定，背 光可視為屬於兩個種類中之—者’其中背光”輪出區域”對 應於顯示器件之可檢視區域或區。背光之”輸出區域"在本 文中有時被稱作"輸出區”或，，輸出表面"以區別區或表面自 身與彼區或表面之面積（具有平方米、平方毫米、平方英 吋或其類似者之單位的數值量）。 、 ‘ 第一種類為"側面發光型"。在”側面發光型，，背光中，沿 〇 #光構造之外邊界或周邊，-❹個光源大體安置於對: 於輸出區域之區域或區的外部（自平面圖視角）。光源常常 由接界背光之輸出區域的框架或帶槽框遮蔽而不可見。光 源通常發射光進入被稱作，’光導"之組件中，尤其在期望極 薄輪廓背光之狀況下’如膝上型電腦顯示器中的情形。光 導為清楚、固體且相對薄板，其長度及寬度尺寸與背光輸 出區域相當。光導利用全内反射（TIR)以輸送或導引來自 邊緣安裝之燈的光越過光導的整個長度或寬度至背光之相 V 對邊緣，且將區域化提取結構之非均一圖案提供於光導的 表面上以將此經導引光中之一些重新指引出光導朝向背光 , <輸出區域。此等背光通常亦包括光管理薄膜(諸如安置 _ 力光導後或下方之反射性材料，及安置於光導前部或上方 • 之反射性偏振薄膜及稜鏡BEF薄臈）以增加軸上亮度。 第二種類為”直光型”。在直光型背光中，通常以區内的 規則陣列或圖案實質上在對應於輪出區域之區域或區内安 置一或多個光源（自平面圖視角）。或者，可以說直光型背 光中之光源直接安置於背光之輸出區域後。通常將強漫射 13I598.doc 200916916 板安裝於光源上方以在輸出區域之上展布光。又，諸如反 射性偏振器薄膜及稜鏡卿薄膜之光管理薄膜亦可置放於 漫射體板頂部上用於改良之軸上亮度及效率。 在-些狀況下’直光型背光亦可包括位於背光之周邊處 卜或一些光源，或側面發光型背光可包括直接位於輸出 、區域：的一或一些光源。在此等狀況下，若大部分光直接 源自月光之輸出區域後則背光視為"直光型"，若大部分光 广 源自背光之輸出區域的周邊則為”側面發光型"。 LCD面板由於其操作方法而僅運用光之一偏振狀態，且 因此對於LCD應用重要的係，瞭解背光之亮度及具有正確 或可利用偏振狀態之光的均一性，而非簡單地可為非偏振 之光之冗度及均一性。在此方面，在所有其他因素等同之 情形下，發射主要或獨佔地處於可利用偏振狀態下之光之 责光在LCD應用中比發射非偏振光之背光更有效。然而， 發射並非獨佔地處於可利用偏振狀態之光之背光，即使就 i， 發射隨機偏振光的範圍而言，仍在LCD應用中可充分利 用’因為非可利用偏振狀態可易於由提供於LCD面板之背 部處之吸收性偏振器消除。 【發明内容】 申請人已發現利用個別彩色LEd光源之器件未必最有效 地利用彼等光源。舉例而言，申請人已發現，用於白色發 光背光中之所有紅色、綠色及藍色（或其他組成色彩）LED 之相對數目可根據其各別最大驅動特性及最大輸出特性以 最小化或實質上減少背光中的彩色LED之總數之方式經修 131598.doc 200916916 ^ 此可尤其有用於側面發光型背朵，达 尘牙先，因為可用以安裝 LED益件之實體空間 力限且當經正規化至背 无之輸出區域時，隨背来尺十掷 、 逍月尤尺寸^加而實際上減少。此係因 為周邊與矩形或類似形狀之面積之比隨特性平面内尺寸 L(例如’就給定縱橫比矩形而言’背光之輸出區之長度或 寬度或對角量測）線性減小（1 /L)。 r

申請人亦已發現’可最佳化運用彩色咖及白色發光 LED兩者之白光背光之設計的關係。白色發光哪之數目 :經選擇為足夠大以增強或實質上最大化輪出照明區域之 儿度同時將月光輸出的色域維持於所要色域規格之指定 百分比内。 因此，本申請案揭示白光背光’其具有輸出照明區域、 經安置以發射光進入此區域（例如，經由再循環空腔、光 導、漫射體板或其他方式）之複數個彩色光源，及連接至 該複數個彩色光源之驅動電路。在一些實施例中，該複數 個衫色光源具有第一數目nl之第一 LED光源、第二數目η] 之第二LED光源，及第三數目a的第三LED光源，第— led光源、第二LED光源及第三LED光源⑴分別發射第— 色彩、第二色彩及第三色彩之光，第一色彩、第二色彩及 第三色彩為非白色且實質上彼此不同，且（ii)分別具有第 一最大驅動特性、第二最大驅動特性及第三最大驅動特 性，與相應第一最大輸出特性、第二最大輸出特性及第三 最大輸出特性。電路經組態以在（例如）第一最大驅動特性 之10%内驅動第一 LED光源，且在第二最大驅動特性之 131598.doc 200916916 -内驅動第二LED光源，且在第三最 内驅動第三咖光源。此外，數目ni, 得來自經供給能量第一 LED光源、 …、擇使 LED光源之光在經組合 ^ 〇先源及第三 中’該複數個彩色光源可且有發Μη在/、他實知例 人* * ，、有發射任何數目之色彩之任何 =數目:LED光源（例如，發射第-色彩、第：色彩、第 一色彩及第四色彩之光源）。 本申請案亦揭示白光背光’其具有輸出照明區域、經安 =發射光進入此區域之複數個彩色光源、亦發射光進入 數目n4個白色LED光源，及連接至該複數個彩 源及白色LED光源的驅動電路。該複數個彩色光源呈 有第一數目nl之第-LED光源、第二數目n2之第二LEM 源，及第三數目n3的第三LED光源，第—LED光 二 LED光源及第三LED光源⑴分別發射第—色彩、第 彩之光’第一色彩、第二色彩及第三色料非白 、貝上被此不同，且(ii)分別具有第一最大驅動特 第二最大驅動特性及第三最大.驅動特性，與相庫第一 最大輸出特性、第二最大輸出特性及第三最大輸出二 :色led先源之數目认經選擇以增強或最大化輸出照明區 知之發光效率，給定第一LED光源、第二LED光源及第三 LED光源之數目nl、n2&n3，同時將輸出照明區域的色域 維持於所要色域m分比（諸如，10%)内。 本^請案之此等及其他態樣將自下文詳細描述顯而易 見’、'、而，在任何情形下，以上概要不應解釋為對所主張 131598.doc 200916916 的物僅由可在執行期間經修訂的附加 標的物之限制，該標 申請專利範圍界定。 【實施方式】 說明書通篇參考附加圖式 元件。 其中相似參考數字表示相似 本文中所論述之彩色及白色發光LED之組合可用於背光 或具有幾乎無限制設計的其他廣域光源中。以最簡單之形

式责光可僅含有安裝於藉由漫射板覆蓋以展布來自個別 光源之光且將來自個別光源之光組合(或"混合”)為均一性 輸出的空腔中之光源。背光亦可含有背部反射體以有助於 收集向後傳播之光用於經改良效率。若背光為側面發光型 種類，則其亦可包括固體光導以有助於輪送光橫向越過背 光之輸出區域。亦可利用諸如反射性偏振器、稜鏡亮度增 強溥膜(BEF)、轉向薄膜(—g film)、；;曼射薄膜、高反 射率鏡面反射體、漫射反射薄膜及其類似物之光管理薄 膜。經由此等背光組件與背光幾何結構之組合，背光較佳 經建構，使得來自各種彩色光源及自色發光光源（若存在） 之光經充分混合或均勻化以提供亮度及均一性特性適合所 預期應用的背光。 有用且有利、但絕非必需結合所揭示光源組合之背光的 -類為併有再循環空腔的背光種類。此類型之例示性背光 在以下共同讓渡之PCT專利申請案令揭示·_，,丁hin H〇n〇w Backlights With Beneficial Design CharacteristicsA 案號 63031W0003) ; ”Recycling Backlights

With Semi- 131598.doc -10- 200916916 specular Components”（代理人案號 63〇32W〇〇〇3); "Collimating Light Injectors for Edge-Lit Backlights1，（代理 人案號 63034W0004);及"Backlight and Display System

Using Same"(代理人案號63274WO004)。此等申請案中所 述之背光中的至少一些具有以下設計特徵中之一些或全 部： •再循環光學空腔，其中大部分光在自部分透射性且部 刀反射性之鈾部反射體出射之前經歷實質上同延之前 部反射體與背部反射體之間的多次反射； •舉例而言，藉由提供包括低損耗前部反射體及背部反 射體以及側面反射體之具有低吸收性損耗的實質上封 閉空腔，且藉由（例如，藉由確保所有光源之累積發 射區域為背光輸出區域之小部分）使與光源相關聯的 損耗保持極低，使得再循環空腔中光傳播之總損耗保 持格外低； •再循環光學空腔，其為中空的’亦即，空腔内光之橫 向輸送主要發生於空氣，真空或類似物中而非發生於 諸如丙烯酸或玻璃之光學密集介質中； •在經設計以僅發射處於特定(可利用)偏振狀態之光之 背光的狀況下’前部反射體具有對此可利用光之足夠 高之反射率以支援橫向輸送或展布，且具有對光線角 隨機化之足夠高的反射率以達成背光輪出的可接受* 間均一性，但具有進入恰當之應用可利用角之足夠高 的透射以確保背光之應用亮度為可接受的； 131598.doc 200916916 •再循環光學空腔含有給空腔提供鏡面反射特性及漫射 特性之平衡的組件，即使當使光僅在窄角度範圍上注 入至空腔中時，組件具有足以支援空腔内顯著橫向光 輸送或混合的鏡面反射性，但是亦具有足以使得空腔 内穩態光之角分布實質上均勻化的漫射率(且此外， 在經設計以僅發射處於特定（可利用）偏振狀態之光之 背光的狀況下，空腔内之再循環較佳包括經反射光偏 振相對於入射光偏振狀態之隨機化度，其允許非可利 用偏振光藉以轉換為可利用偏振光之機構）； •再循環空腔之前部反射體具有大體隨入射角增加之反 射率，及大體隨入射角減小的透射率，其中反射率及 透射率係針對非偏振可見光且針對任何人射平面，及/ 或針對在平面（具有可利用偏振狀態之斜 經p偏振）中入射之且右I、 , 八有可利用偏振狀態的光（且此 外’前部反射體具有高车 反射率值，且同時亦具有 應用可利用光之足夠高透射率）； •光注入光學器件，直 將初始注入至再循環空腔之光 (例如，具有自橫斷单品η ^ 15产之範ϋΐφ ' 至4G度，或〇至30度，或〇至 直二 平均通量偏移角之注入光束)部分準 區域）之傳播方向。 自十灯於月先之輸出 不管所選背光之類型，五 LED光源提供廣域白光° $將注意力轉至由個別彩色 ^ Ί Ah -V* A W出之利用所產生的問題，而非f 體均勻化或混合光之挑而非實 在圖1中，吾人見到分別含有 131598.doc 200916916 諸如紅色、綠色及藍色發光led之三個彩色LED光源12a、 12b、12c之原背光的示意性透視圖。驅動電路丨^、^匕、 18c柄接至所#各別㈣且對所示各別&源供給能量。此 實施例及其他所揭示實施例中之驅動電路可具有習知設 計。漫射體板截取且均句化由三個光源發射之光以提供 發射白光之背光輸出區域丨6。 視所預期應用中期望或需要，，白色”之特定色度或色調之 程度而定，快速認識到在輸出區域處達成的,，白色”之程度 非常依賴於電路l8a、18b、18c驅動其各別光源之相對強 度（就發光二極體而言，通常表述為電流"】，，或電功率 P-IV ，其中v為給定二極體上之電壓降落就當今市 售之彩色LED而言，綠色發光LED傾向於相比其紅色及藍 色對應物較少有助於白色光譜之建立。此藉由以下事實反 映若具有類似設計之紅色、綠色及藍色LED係自一製造 商獲得，且其各以其最大推薦驅動特性（通常，給定溫度 下之最大操作電流）驅動或供給能量且其輸出經組合，則 歸因於過多紅光及藍光，或綠光之缺乏，結果為具有獨特 紫色調的光。 如以上所提及，—些現有j^ED供給能量之器件利用紅色 或藍色LED之兩倍數目的綠色LED，—起群組化於四個之 叢集中。然而’申請人已發現’即使藉由彼配置，以其最 大推薦驅動特性對所有四個LED供給能冑將仍產生紫色調 之光。結果’因為綠色LED已提供其最大光輸出，所以紅 色及藍色LED之功率（電功率，或電流，或總發射光學功率 131598.doc 13 200916916 或其他）必須實質上降低至其最大操作點以下以達成產 生"白色”之平衡。 儘管此情形由LED/LCD TV製造商視為商業上可接受 的，但是申請人已識別改良之機會，亦即，彩色LED光源 之更佳運用。提供圖2a至2c以說明由申請人識別之機會。 注意，此等圖式未繪製所量測之資料，且出於說明之目的 經極大地簡化。諸圖繪製產生"白"光所必要之相對驅動強 度，其中針對特定LED給出相對驅動強度為彼LED之最大 推薦驅動特性的百分比，其中驅動特性可為（例如）電功率 p、電流I或總發射光學功率。諸圖因此未假設不同彩色 LED之驅動特性相同。 圖2a用於三個LED之群組’一個紅色、一個綠色、一個 藍色，或"RGB”。紅色及藍色[ED相比綠色[ED更有助於 白色光譜之建立，使得其驅動強度必須降低至類似位準以 在與綠色LED輸出混合時產生白光。在圖式中，經降低之 位準各為25%。 添加另一綠色LED至圖2a之群組產生四個LED之群組， 一個紅色、兩個綠色、一個藍色，或RGGB。此新群組之 驅動強度描繪於圖2b中。因為存在RGB群組中兩倍之綠 光，所以紅色及藍色LED可以其自圖2a之各別位準的兩倍 經驅動。然而，即使以此配置，紅色及藍色LED仍實質上 低於其各別最大推薦驅動特性經驅動。 吾人現提出問題：使得所有LED以其各別最大推薦驅動 特性或接近其各別最大推薦驅動特性經驅動，但是藉此其 131598.doc 14 200916916 組合光學輸出仍提供所要"白”光輸出，不同彩色（r、g、 B)LED之何組合為必要的？在此狀況下，答案為必須再添 力兩個、·杀色LED，從而產生如圖2c中所示之r㈤⑻b。藉 由此組合’有助於背光輸出之所有彩色LED光源以其各別 最大驅動特性或接近其各別最大驅動特性經驅動。實務 上，可需要職之偏差以將輸出㈣至所要白色點，、例 如，特性相干色溫。舉例而言，在LCD τν背光應用中， 以其他方式稱為〇65之65〇〇 K2CC 丁可為所要的。亦可需 要對驅動強度之調整以解決皆標稱地為相同色彩之咖: 源當中之色彩可變性。亦可需要對驅動強度之調整以解決 歸因於個別LED經歷溫度波動或歸因於LED老化之色彩漂 移。因此，期望給定色彩（R、G、B或其他）之所有具 有其取大驅動特性之指定百分比内的平均驅動強度。舉例 而言，指定百分比可為25%、2〇%、15%、1〇%或5%(亦 即，分別75%、80%、85%、9〇%或95%之平均相對驅動強 度），且較佳地，光源未經驅動而顯著未超出其各別最大 驅動特性。 由另一觀點，必要時，彩色LED之總數可減少至最小數 目，其為背光中所利用之特定色彩的lED之總數的函數。 當存在每一特定色彩之相對大數目（例如，至少5或至少1〇) 之LED時，此條件最具意義。舉例而言，假設存在總共。！ 個紅色LED，及總共n2個綠色LED ,及總共n3個藍色LED 對背光提供光。進一步假設紅色LED以95%之平均相對驅 動強度操作。若存在1〇個紅色LED(nl = l〇)，則1〇之95%為 131598.doc -15- 200916916

9·5 ’且需要ι〇個紅色led中之每一者。然而，若存在1()〇 個紅色LED(nl = l〇〇)，貝ij 1〇〇之95%為95 ’且因此紅色LED 之數目可減少至95(以100%之平均相對驅動強度操作），同 時如先前產生相同量的紅光。相同分析可應用於背光中之 任何其他彩色LED群組。大體而言，此條件可表述為不同 LED之驅動電路’其經組態以藉由紅色led最大驅動特性 之X%的平均值驅動紅色LED光源，且藉由綠色led最大驅 動特性之y%之平均值驅動綠色LED光源，且藉由藍色lED 最大驅動特性的z%之平均值驅動藍色LED光源，且η1*(1· x〇/〇)<l ’ 且 n2*(l-y%)<l，且 η3*(1-ζ%)<1。 遵循以上方法可有助於實質上降低特定應用中所需彩色 led之數目，且因此降低製造成本。舉例而言，儘管圖2c 之RGGGGB群組含有多於圖2b之RGGB群組或圖2a的RGB 群組之彩色LED ’但是RGGGGB群組發射多於RGGB群組 兩倍之白光，及多於RGB群組四倍之白光。為發射與 RGGGGB群組之六個LED相同量之白光，RGGB群組將需 要八個LED(兩個群組），且RGB群組將需要12個1^]〇(四個 群組）。 減少數目之彩色LED可有利地用於任何背光中，但在可 用於安裝LED之’，不動產”或空間限於背光空腔的邊緣之側 面發光型背光中尤其具有益處。舉例而言，就4〇英对對角 16:9縱橫比TV而言，背光提供88.5公分之線性距離，只要 一長邊緣（頂部或底部）可用於光源’或若兩個短邊緣（側 面）可用則為99.6 cm，或若兩個長邊緣可用則為177 i cm。 13I598.doc 16 200916916 在一些狀況下’以上所描述之方式可允許總數之LED光源 僅沿一長邊緣配合，例如，以所要唯底部組態。 在一些狀況下，側面發光型背光或需要延伸列之許多 LED光源之類似器件可具有足夠不動產"寬度"或"深度”以 容納平行的一個以上列。舉例而言，背光空腔之邊緣可容 納以下兩列叢集RGGGGB LED :

RGGGGB RGGGGB RGGGGB RGGGGB RGGGGB RGGGGB RGGGGB RGGGGB。 該等列無需為彼此等同的，如在以下配置中：

RB RB RB RB GGGG GGGG GGGG GGGG。 其他色彩組態亦為可能的。舉例而言，當如本文中所述 將白色LED與彩色LED組合時，亦可界定紅色、綠色及白 色之新且不同之組合。白色LED通常係利用藍色led晶粒 來製造’且包括在由藍光中之一些刺激時將發射黃光使得 藍色與黃色之組合將顯現白色之黃色磷光體。在製造此等 白色LED時，LED之色溫可自顯現帶藍色之”冷白色”變為 顯現更多破ίό色或金色的”暖白色"。藉由選擇白色led 為11冷白色"種類’可能界定紅色、綠色及白色led之组 合，其中典型R-G-G-B組合中需要之藍光實際由來自冷白 色LED的過多藍色貢獻。因此’在一些實施例中，無需藍 色LED來產生白光。 本揭示案中有用之光源可包括紅色、綠色、藍色（或產 生白光之其他衫色光源之組合）及白色。在一此實施例 131598.doc 200916916 中’當期望較低亮度之寻彡 較高* ^ 〜像時，可僅激活彩色光源，而在 竿乂呵冗度位準，保持於 杜 源用以、#5丨 、心、取大壳度之RGB光源及白色光 原用以達到所需亮度。此驅動配 時維持越過廣泛範圍亮度位準之了力率效率同 進一 +你古f丄 之阿色域的盈處。此系統可 像之“ ‘#'焭度控制’其中針對所需亮度分析每一影 中"谷且將背光動態調整至彼亮度。在分區背光系統

、可針對所需亮度分析每一區之影像，且可如本文中所 迷將彼區之背光調整至所需亮度。 實例1 在此實例中，由 Philips Lumileds Ughting c〇mpany 售賣 之紅、綠及品藍Luxeon ΙΠ朗伯發射器件在攝氏5〇度之芯 1或散熱片溫度下經特徵化。紅色LED具有14 A之最大電 L 1疋且綠色及藍色LED各具有700 mA之最大電流額 疋。其各別色彩、通量及成本特性如下： 色彩 紅色LED 綠色LED 藍色LED X ' 0.35 卜 0.03 0.12 Υ 0.15 0.11 0.02 Ζ 0.00 0.02 0.62 X 0.70 0.19 0.15 _ y 0.30 0.70 0.03 TLh (Lm) 105.83 77.37 12.89 成本（US $) 3.10 2.20 2.20 ϋ 在表中，TLF指代總光通量，以流明量測的量。吾人現 考慮各平衡至色點CCT=6500 K(亦即，（X，y)=(0.314, 0.326))之兩個色彩單元。在兩種狀況下，吾人將色彩平衡 於ΔΕ<0·0025内，其中ΔΕ為界定為（Δχ2 + Δγ2)平方根之色 131598.doc 200916916 差，其中X及y為CIE 1931色彩座標空間中之座標。所比較 之兩個色彩單元（或LED群組）為一 RGGB單元，及一 RGGGGB單元： 組態 RGGB RGGGGB 色彩或單位 R G B 單位 R G B 單位 D65下之衰減％ 50 98 50 — 100 98 100 - 流明/色彩 51 154 7 212 102 308 13 423 US$/色彩 3.1 4.4 2.2 9.7 3.1 8.8 2.2 14.1 LED之數目 — — — 4 — ~ — 6 流明/US$ — -- — 22 — — — 30 x RGGGGB單元（其中每一LED以其額定功率或接近其額定 功率經驅動）提供較低成本白光。利用流明/US$i量度， RGGGGB單元相比RGGB單元每投入組件成本之美元提供 約35%的更多光。 吾人現比較典型40英吋（對角）16:9 LCD-TV之相同兩個 LED單元，其需要6500流明之總光通量。RGGB單元需要 124個LED(3 1個單元或叢集）、272瓦特，且花費$300.70。 f RGGGGB單元需要96個LED( 16個單元或叢集）、281瓦特， 且花費$225.60。RGGGGB單元允許顯著降低之LED計數、 成本及不動產（背光邊緣上，或底板上）。藉由0,9 cm之 ' LED封裝尺寸，RGGB單元（需要110.6 cm)僅允許光引擎之 - ”頂部及底部"安裝設計。相反，RGGGGB單元僅需要86.4 cm，因此允許”側面發光型”或甚至"唯底部”安裝設計的選 擇。亦可以與減少之LED封裝計數相關聯之減少的電路、 配線、機械支撐及裝配人工實現節省。 實例2 131598.doc -19- 200916916 在此實例中，由OSRAM售賣之紅、綠及品藍朗伯發射 器件在攝氏50度之芯塊或散熱片溫度下經特徵化。此等為 表面安裝（SMT)器件，亦稱為進階電力TOPLED器件。參 考 OSRAM 文獻 2006-06-19(藍色、綠色 ThinGaN)，2006-03-28(紅色增強薄膜LED)及2006-08-30(白色ThinGaN)。其 各別色彩、通量及成本特性如下： 色彩 紅色LED 綠色LED 藍色LED X 0.0366 0.0052 0.0133 Y 0.0159 0.025 0.007 Z 6E-06 0.0019 0.0866 X 0.6972 0.1621 0.1243 y 0.3027 0.7793 0.0652 TLF (Lm) 10.852 17.058 4.7578 成本（US $) 0.21 0.39 0.39 吾人再次考慮各平衡至色點CCT=6500 K(亦即，（X， y)=(0.3 14，0.326))之兩個色彩單元。在兩種狀況下，吾人再 次將色彩平衡至D65色點之ΔΕ<0.0025内。所比較之兩個色 彩單元（或LED群組）為一RGGB單元，及一RRRGGGGBB單元： 組態 RGGB RRRGGGGBB 色彩或單位 R 2G B 單位 3R 4G 2B D65下之衰減％ 100 68 68 — 100 100 100 -—-- 流明/色彩 10.88 23.27 3.24 37.0 32.65 68.43 9.54 lii.o US$/色彩 0.21 0.78 0.39 1.38 0.63 1.56 0.78 Z9T~ LED之數目 — — — 4 — — — ----- 9 流明/US$ — — 27 — — — 3广 L------- 再次見到RRRGGGGBB單元（其中每一 LED以其額定功率 或接近其額定功率經驅動）相比RGGB單元提供較低成本白 光’每投入組件成本之美元提供約35%之更多光。 吾人現比較典型15英吋（對角）16:9 LCD-TV之相同兩個 131598.doc •20- 200916916 LED單元，其需要900流明之總光通量。RGGB單元需要96 個LED(24個單元或叢集）、30瓦特，且花費$33.00。 RRRGGGGBB單元需要72個LED(8個單元或叢集）、30瓦 特，且花費$24.00。RRRGGGGBB單元允許顯著降低之 LED計數、成本及不動產（背光邊緣上，或底板上）。藉由 3.5 mm之LED封裝尺寸，RGGB單元（需要33.6 cm)僅允 許”頂部及底部"安裝設計。相反，RRRGGGGBB單元僅需 要25.2 cm，因此允許π側面發光型"或甚至”唯底部”安裝設 r、 s 計之選擇。亦可以與減少之LED封裝計數相關聯之減少的 電路、配線、機械支撐及裝配人工實現節省。 -白色發光LED添加至彩色LED系統-已知白色發光LED，其中藍色或UV發射LED晶粒藉由磷 光體覆蓋以提供發射白光之小面積光源。通常，LED發射 藍光且磷光體發射黃光，且藍光中之一些經透射通過磷光 體層。與黃光組合之藍光接著產生白色。此等白色發光 LED可併入亦含有彩色LED光源之照明系統。 申請人已發現，市售之白色發光LED傾向於比彩色LED 之組合在產生白光時更有效（每瓦特電功率花費之流明）， 但是彩色LED提供較高色域且當前成本較低。 此藉由以下比較而論證。獲得白色發光LED，即由Cree, Inc.以7090封裝製造之Xlamp。將其與由在攝氏50度下操 作之1個紅色、1個藍色及4個綠色Luxeon III LED構成之 RGGGGB的彩色LED組合相比。白色發光LED花費$2.42， 且具有0.7 cm之最小橫斷尺寸。彩色LED花費$ 1 4.10(合 131598.doc -21 - 200916916 計），且具有0.9 cm(每一者）之最小橫斷尺寸。以下量測在 3 50 mA之額定直流電流下進行：白色LED呈現6500之 CCT，具有51.5流明之總光通量，且產生1.20瓦特的焦耳 熱量；彩色LED組合呈現6500之CCT，具有423流明之總光 通量，且產生17.6瓦特的熱量。 藉由具有彩色濾光片平面之LCD面板之利用，及單獨量 測紅/綠/藍色彩強度及色彩分量來確定此等兩個系統的色 域。結果展示於圖3a(針對白色發光LED)及圖3b(針對 RGGGGB LED組合）之色彩空間圖中。兩個圖式皆利用CIE 1 93 1 X, y色彩座標繪製各別系統之所量測色域（粗線三 角）。兩個圖式亦展示D65色點，以及NTSC 1953色域（細線 三角）。可見，由彩色LED組合提供之色域在面積上實質上 大於白色發光LED之色域。每一系統之色域計算為NTSC 1953標準之百分比，結果為白色發光LED為64% ;且彩色 LED組合為112%。此相同比較（藉由NTSC 1953標準）在將 色彩值轉換為CIE 1976色彩座標（u’，ν’）之後重複，結果為 白色發光LED為77% ;且彩色LED組合為148%。 亦針對產生5500流明所需要之光引擎之狀況評估此等兩 個系統，結果如下： 白色5务光LED RGGGGB LED 單位 107 13 LED之成本（US $) 258.94 183.30 焦耳熱量（W) 128.40 228.80 %色域* 77 148 TLF (Lm) 5510.5 5499 不動產（cm) 74.9 70.2 131598.doc -22- 200916916 所列舉之％色域係利用（U1，ν')色彩座標比對NTSC 1953 標準來量測。可見針對約相同總光通量，白色發光LED產 生遠少於彩色LED之焦耳熱量。另一方面，彩色LED提供 遠大於白色發光LED之色域。在此基礎上，吾人假設白色 發光LED可以受控量添加至彩色LED系統以將系統亮度增 益與系統色域損耗平衡。色域可視系統之所預期應用而定 表述為所要色域標準（諸如NTSC 1953標準）或另一所要標 準之百分比。舉例而言，其他色域標準包括：Adobe RGB(1998) ； Apple RGB ； Best RGB ； Beta RGB ； Bruce RGB ； CIE RGB ； ColorMatch RGB ； Don RGB 4 ； ECI RGB ； Ekta Space PS5 ； PAL/SEC AM RGB ； ProPhoto RGB ; SMPTE-C RGB ; sRGB ;及 Wide Gamut RGB。此 外，可以（x, y)色彩座標或（u'，ν')色彩座標量測色域。 吾人現論證將白色發光LED添加至彩色LED系統以達成 所要平衡之效應。吾人以在攝氏50度之芯塊溫度下操作之 如上文所述的13個RGGGGB Luxeon III LED群組或叢集開 始。此產生5500流明之白光，適用於40英吋（對角）16:9 LCD-TV背光之光引擎。吾人接著繼續逐個移除彩色LED 叢集，且藉由白色發光LED之群組以保持5500流明之總光 通量的數量替換其。結果展示於下表中： RGGGGB叢集之數目 白色發光LED之數目 %色域* 焦耳熱量(W) 13 - 一 0 148.5 228.8 Ϊ2 9 136.8 222 Π 17 128.7 214 Ϊ0~ 25 122.0 206 9 33 116.3 198 8 42 110.8 191.2 131598.doc -23· 200916916 7 50 106.1 2 6 58 foil 175.2 5 66 L 1-—— 167 2 4 74 93.6 159.2__ 152 4 3 83 89.5 2 1 91 85.5 144.4 1 99 8U Ή6 4 0 107 77.2 128.4 如之月il，比對NTSC 1953標準在（u'，ν')空間中計算％色 域。可見’因為彩色LED叢集由白色發光LED替換，所以 色域下降。所產生之熱量亦下降，但是因為總光通量保持 Γ- 恆疋，所以此意謂光效率（以流明/瓦特計）增加。因此，就 給疋功率消耗而言，系統之亮度增加。或者，就給定系統 亮度而言，總功率消耗及熱產生減少，其降低系統之熱管 理要求。 若才曰疋色域在目標色域之1 0%内，亦即，在此狀況下（U,， V’）座標之NTSC 1953標準，則至少具有4、5、6或7個彩色 LED叢集（或74、66、μ或5〇個白色發光led)之實施例將 為可接受的。就更嚴格之5%之目標要求而言，具有5或6 個彩色LED叢集（66或58個白色發光LED)之實施例仍為可 接乂的視所預期應用之容差或要求而定，亦可利用其他 百分比或準確度。 在將白色發光LED添加至彩色LED系統且背光系統中僅 存在彩色LED之兩種狀況下，LED之圖案或配置呈現對稱 性可為有利的。在直光型背光之狀況下，經安置鄰近空腔 之高反射性側表面的LED叢集可在此表面中產生自身之虛 擬影像，從而潛在地在背光輸出區域中產生彩色假影。確 131598.doc •24· 200916916 保叢集擁有關於第一區域平面及第二區域平面之鏡面對稱 性（例如，垂直及水平，或平行於第一空腔側表面且平行 於第二空腔側表面）可有助於減少此等困擾。參考圖4中所 不之彩色LED叢集之平面圖布局。在LED之諸如將用於側 面發光型背光中之線性配置的狀況下，亦可以呈現鏡面對稱 性之叢集或重複單元配置LED。組合彩色㈣及白色發光 LED兩者之此叢集之實例為grgbgrwwwwwwrgbg抓。 在則述論述中，應理解，組合以提供白光之任何色彩組 合（不限於二個不同色彩）可替代"紅"、"綠"及"藍"。舉例 而月色光源及黃色光源可經組合以產生白光。此等色 衫之添加亦可提供較高演色指數（CRi)，藉此亦提供藉由 光源照明之物件的更真實表示。 又，如先則所論述，白色LED光源之恰當選擇可允許在 未降低色彩品質之情形下自所述實施例巾之—些消除藍色 LED光源。 除非另外指示，否則對"背光”之引用亦意欲應用於在其 預』之應用中提供標稱地均一性照明之其他廣域照明器 :。此等其他器件可提供偏振或非偏振輸出。實例包括光 =心°己、子型燈’及經設計用於室内（例如，住宅或辦 公室)或室外用途的有時被稱作"照明器具"之一般照明器 件。亦睛注意，側面發光型器件可經組態以在兩個相對主 表面（亦即，以上稱作，，前部反射體”及”背部反射體"）發 出光’在該狀況下前部反射體及背部反射體皆為部分透射 、此器件可A?、明置放於背光之相對側面上之兩個獨立 131598.doc •25- 200916916 LCD面板或其他圖形部件。在彼狀況下，前部及背部反射 體可具有相同或類似構造。 術語”LED”指代發射可見，紫外或紅外光之二極體。其 包括具有習知或超輻射種類之在市場上作為"LED"交易之 不連貫包裝或囊封之半導體器件。若LED發射諸如紫外光 則其經封 之不可見光，且在其發射可見光之一些狀況下 裝以包括磷光體（或其可照明經遠端安置之磷光體）以將短 波長光轉換為較長波長可見光m兄下產生發射白 光的器件。”LED晶粒"以其最基本形式（亦即，藉由半導體 處理程序製得之個別組件或晶片之形式）為咖。組件或晶 片可包括適合用於電力應用之電接點以對器件供給能量。 組件或晶片之個別層及其他功能元件通常以晶圓尺度形 成’且完成之晶圓可接著經切割為個別單—愛件 P㈣以產生許多㈣晶粒。LED亦可包括杯形反射體或其 他反射性基板、形成為簡單圓 狀或結構之囊封材料、提取器 件可用以產生前向發射、側面 布0 頂形透鏡或任何其他已知形 ，及其他封裝元件，該等元 發射，或其他所要光輸出分 丨用亦意欲應用於能夠在 小^射面積中發射彩色或白色及偏振或非偏振之明亮光的 實例包括半導體雷射器件，及運用固態雷射抽 及反饋系統 之一者或兩 以偵測及控制來自光源的光之亮度及 131598.doc -26 - 200916916 者。舉例而言，感剛器可位於接近個別光源或光源叢集處 以監視輸出且提供反饋以批_ ’、，、處 沿邊㈣〇 隹持或調整白點或色溫。 有：工腔内疋位一或多個感測器以取樣混合光可為 男利的。在一 4b例頂十，坦β、· 八感測器以偵測檢視環境（例 =，顯示器所處房間)中之顯示器外部之環境光可為有利 ^控制邏輯可用以恰當地基於㈣檢視條件調整光源之 輸出。可利用任何合適之感測器 二Texas可付)。另外’熱感測器可用以監視及控制光 出。此等技財之任—者可心基於操作條件及對 老化之組件的補償而調整光輸出。此外，感測哭可 料動態對比、垂直掃描或水平區，或場序式系統以將反 饋k號供應至控制系統。 除非另外指示’否則說明書及申請專利範圍中利用之表 ，特徵尺寸、量及實體性質之所有數字應理解為由術 …勺修飾。因此，除非相反地指示，否則前述說明書及 附加之申請專利範圍中闡述的數值參數為可視設法由熟習 此員技術者運用本文中揭示的教示獲得之所要性質而變化 的近似值。 本揭不案之各種修改及變更在未脫離 精神的情形下對熟習此項技術者將顯犧，且:::及 本揭不案不限於本文中闡述之說明性實施例。本文中引用 之所有美國專利、專利申請案出版物、未出版專利申請案 及其他專利及非專利文獻的全部内容以引用的方式併入， 131598.doc -27- 200916916 其中任何標的物與前述揭示案直接矛盾之處除外。 【圖式簡單說明】 圖1為背光之示意性透視圖； 圖2a至2c描繪針對個別LED，針對不同LED配置或叢集 產生白光所需的假想相對驅動強度； 圖3a以CIE 1931 X，y色彩座標描緣白色發光LED之所量 測色域； 圖3b以CIE 1931 X，y色彩座標描繪rgGGGB LED組合之 所量測色域；及 圖4展示彩色LED之配置之俯視圖或正視圖。 【主要元件符號說明】 10 背光 12a 彩色LED光源 12b 彩色LED光源 12c 彩色LED光源 14 漫射體板 16 背光輸出區域 18a 驅動電路 18b 驅動電路 18c 驅動電路 131598.doc -28-

Claims (1)

1. 200916916 十、申請專利範圍： 1. 一種具有一輸出照明區域之白光背光，其包含： 複數個彩色光源，其經安置以發射光進入該輸出照明 區域；及 一驅動電路，其連接至該複數_色光源； 八中忒複數個彩色光源具有第一數目nl個第—LED光 源、第二數目n2個第二LED光源，及第三數目n3個第三 LED光源，該等第一LED光源、該等第二LED光源及該 等第三LED光源⑴分別發射一第—色彩、一第二色彩及 一第二色彩之光，該第一色彩、該第二色彩及該第三色 彩為非白色且實質上彼此不同，且（Η)分別具有第一最大 驅動特性、第二最大驅動特性及第三最大驅動特性，與 相應第-最大輸出特性、第二最大輸出特性及第三最大 輸出特性； 其中該電路經組態以在該第一最大驅動特性之ι〇%内 驅動該等第一 LED光源，且在該第二最大驅動特性之 10%内驅動該等第二LED光源’且在該第三最大驅動特 性的10%内驅動該等第三LED光源；且 其中ηΐ、Π2及n3經選擇使得來自該等經供給能量第— LED光源、該等經供給能量第二lEd光源及該等經供給 能量第三LED光源之光在經組合時實質上為白色。 2. 如請求項1之背光，其中該背光包括一位於該輪出照明 區域後之空腔’且該複數個彩色光源發射光進入該咖 腔0 131598.doc 200916916 3·如請求項1之背光，其中該電路經組態以藉由該第一最 大驅動特性之x°/°之一平均值驅動該等第一 LED光源，且 藉由該第二最大驅動特性的之一平均值驅動該等第二 LED光源，且藉由該第三最大驅動特性之2%的一平均值 驅動該等第三LED光源，且ηΐγΐ-χ%)^，且 y%)<lAn3*(l-z%)<l。 \ "

   4. 如請求項1之背光，其中該第一最大驅動特性、該第二 最大驅動特性及該第三最大驅動特性分別為分別在第一 操作溫度、第二操作溫度及第三操作溫度下之第一最大 驅動電流、第二最大驅動電流及第三最大驅動電流。 5. 如請求項1之背光，其中該第一色彩為紅色，該第二色 彩為綠色，且該第三色彩為藍色。 6. 如明求項4之背光’其中ni=n3，且112 = 4*111。 7. 如請求項i之背光，其中該等第一 LED光源、該等第二 LED光源及該等第三LED光源經安置接近該輸出照明區 域之一周邊以提供一側面發光型背光。 8·如請求項1之背光，其中該等第—LED光源、該等第二 哪光源及該等第三光源經安置直接 ： 明區域後以提供一直光型背光。 输出照 9·如請求们之背光’其中該等第—led光源、該等第二 咖光源及該等第三LED光源配置於叢集中，每_此; 集關於一第一區域平面呈現鏡面對稱。 1 〇.如請求項9之背光，直中每一業隹言M t 、 ，、r母最第亦關於一與該第一區 域平面正交之第二區域平面呈現鏡面對稱。 131598.doc 200916916 ί 11.如請求項i之背光，其進一步包含發射 明區域之一或多個白色LED光源。 人該輸出照 1 2.如請求項丨丨之背光，其中該光源呈 處於 之10%内的色域。 13. 如請求項12之背光， 之5%内的色域。 14. 如請求項13之背光， 測之NTSC 1953色域 一種具有一輸出照明區域之白光背光，其包含. 複數個彩色光源’其經安置以發射光進入：輪出昭明 區域，—該複數個彩色光源具有第—數目ni個第一咖光 源、第二數目n2個第二LED光源及第-奴 人乐二數目n3個第三 LED光源，該等第一LED光源、該等 一 乐—LED光源，及 該等第三LED光源⑴分別發射一第—多 — 巴杉、一第二色彩 及一第三色彩之光’該第一色彩、該第二色彩及該第三 色彩非白色且實質上彼此不同，且（ii)分別具有第一最: 驅動特性、第二最大驅動特性及第三最大驅動特性，與 相應第一最大輸出特性、第二最大輸出特性及第三最大 輸出特性； 數目n4個白色LED光源，其亦發射光進入該輸出照明 區域； 一驅動電路，其連接至該複數個彩色光源且連接至該 等白色LED光源； 其中該數目n4經選擇以增強該輸出照明區域之發光效 所要色域 其中該光源呈現—_ # 處於該所要色 其中該所要色域為 q M U，v)座標 域 量 15 131598.doc 200916916 率，同時將該輸出照明區域之一色域維持在一所要色域 的1 〇 %内。 16.如請求項15之背光，其中該背光包括一位於該輸出照明 區域後之空腔’且該複數個彩色光源及該數目以個白色 LED光源發射光進入該空腔。 Π.如請求項15之背光，其巾該色域係以（u,，v，）色彩座標量 •測’且該所要色域為NTSC 1953色域。 f : 1 8. 士 求項1 5之背光，其中該數目n4將該輸出照明區域之 一色域維持在該所要色域的5 %内。 19.如請求項15之背光，其中該電路經組態以在該第一最大 驅動特性之10%内驅動該等第一LED光源，且在該第二 最大驅動特性的10%内驅動該等第二LED光源，且在該 第二最大驅動特性之1〇%内驅動該等第三LED光源，且 /、中η 1、n2及n3經選擇使得來自該等經供給能量第一 led光源、該等經供給能量第二LED光源，及該等第三 U led光源之光在經組合時實質上為白色。 131598.doc