发光二极管模块 本发明涉及一种LED(发光二极管)模块和一种用于制造LED模块的方法。
LED模块例如用于LCD(液晶显示器)的背光照明。在此，在显示器之后在平面中设置有多个单独的LED。在这种情况中的困难在于，实现足够均匀的背光照明。该均匀性问题有两个不同的原因：一方面即使有完全相同的LED可供使用，构建同时薄并且均匀的背光照明单元也是困难的，因为这已经要求在光学构造方面特别的努力来实现该“固有的”均匀性，另一方面LED并不相同。人们尝试构建尽可能相同类型的、被预分类的LED(所谓的“筛选(binning)”)。
出于测量精度的原因，尤其是出于在其他情况下“组合爆炸(kombinatorisch explodierenden)”的逻辑的原因，不可能将在LED层面上进行筛选的界限设置为窄到使得相同类型的LED的差别性不再造成困难。在此特别的问题是，当由于顺序的制造过程或者仅仅由于偶然原因而将相对于平均值具有相似偏差的LED彼此靠近地构建。
本发明的任务是，提出一种带有改进的辐射均匀性的LED模块。该任务通过根据权利要求1所述的LED模块来解决。
本发明的另一任务是，提出一种简单的方法用于制造带有改进的色彩均匀性的LED模块。该任务通过根据权利要求11所述的方法来解决。
LED模块以及用于制造这种LED模块的方法的有利的扩展方案和改进方案是从属权利要求的主题。
根据本发明的LED模块包括支承体和分别带有一个发光二极管或者多个发光二极管的多个光源，其中每个发光二极管具有色度坐标Fi和亮度Hi，并且光源根据色度坐标Fi和/或亮度Hi设置在支承体上的预先给定的位置，使得LED模块具有辐射均匀性HBLU，该辐射均匀性小于在将光源随机设置在LED模块中的情况下得到的辐射均匀性分布的统计平均值H＊。借助连续标识i将LED连续编号。
根据本发明的LED模块特别设计用于背光照明或者照明。例如，该LED模块可以用于平面屏幕电视机中用于背光照明，或者用作一般照明的辐射源。
优选的是，LED模块的辐射均匀性HBLU通过标量的品质函数来评价。该品质函数如下计算：在辐射出射面上取多个测试点，并且确定每个测试点在CIE-u’v’空间或者CIE-L＊a＊b空间中的色度坐标。随后，计算LED模块的平均色度坐标并且此外针对每个测试点计算与平均色度坐标的距离。品质函数优选定义为这样得到的最大距离的两倍。
辐射出射面确定为如下的面：该面位于距支承体距离D的平面中并且在LED模块的整个范围上延伸。
优选的是，LED模块的辐射均匀性HBLU最大为辐射均匀性分布的统计平均值H＊的一半。
在此，为了计算LED模块的辐射均匀性HBLU使用了一种有利的模拟方法。为此，将LED的亮度贡献视为多个变量的参数化函数。
变量是LED的位置、所考虑的出射面地点的位置以及可能的其他引起LED辐射特性改变的变量(例如芯片位置公差)。LED的亮度贡献在此例如考虑为不同强度和宽度的多个二维高斯函数的加法叠加；边缘效应例如可以通过其他在边缘上镜像的、必要时为椭圆的高斯函数来考虑。位于确定的但是可自由选择的位置的单个LED的光至出射面上的另一可自由选择的位置的连续的传递函数由此通过所使用的高斯函数的参数来确定。这些参数的匹配可以通过在测量或者射线跟踪模拟中对传递函数模型的数值优化来进行或者“手动(von Hand)”进行。
品质函数于是定义为这样得到的最大距离。辐射均匀性HBLU的品质函数可以由模拟结果来确定。
在第一方式中可以使用相同的红色、绿色和蓝色LED来进行模拟，并且由此研究在不同的LED距离情况下LED模块的“固有辐射均匀性”。在进一步进行的计算中，可以使用从数据页中读取的LED-bin的界限，以便产生各个的LED的随机色彩值和亮度值，并且随后研究由于制造引起的LED的亮度和色彩差别的影响。
借助这种模拟方法，例如在带有1000个LED以及譬如100＊100个测试点、即100＊100＊1000＝107个传递函数的函数分析的LED模块中，可能的是，在通过实验确定的时间为每个函数分析大约0.3μs的情况下，在市面上常见的个人计算机中在大约3秒内确定辐射均匀性HBLU。有利的是，结果没有任何统计噪声，但是对此含有建模误差，其大小取决于所使用的传递函数模型的灵活性以及参数匹配的精度。速度优点的原因在于，将LED模块的确定的结构的全部光学特性一次性地插入到传递函数模型中并且随后借助该模型来计算多个LED模块配置。
基于构建在LED模块的光源中的LED，可以在统计上研究由发光模块中的光源布置的不同可能性得到的不同辐射均匀性HBLU。
根据LED模块的一个优选的变形方案，每个光源具有一个发光二极管或者多个发光二极管。在此，发光二极管优选理解为发射辐射的、带有至少一个半导体芯片的器件。然而，也可以意味着发射辐射的单个半导体芯片。
根据另一个优选的变形方案，发光二极管安装在印刷电路板上。
特别地，每个光源具有至少两个发光二极管，它们发射不同波长的辐射。例如，每个光源可以具有至少一个红色、至少一个绿色和至少一个蓝色的发光二极管。优选的是，针对光源使用多个RGGB簇，即包含一个红色、两个绿色和一个蓝色LED的簇。可替选地，每个光源可以具有至少一个发光二极管，其发射白光。
根据本发明的用于制造如上所述的LED模块的方法具有以下步骤：
-提供多个光源，
-测量每个光源的各个发光二极管的色度坐标Fi和亮度Hi，
-根据色度坐标Fi和/或亮度Hi的值计算每个光源在支承体上的最佳位置，使得LED模块具有辐射均匀性HBLU，该辐射均匀性小于在将光源随机设置在LED模块中的情况下得到的辐射均匀性分布的统计平均值H＊，
-将光源定位在支承体上的所计算的位置。
本发明的其他特征、优点和改进方案从下面结合附图1至3所阐述的实施例中得到。
其中：
图1示出了根据本发明的LED模块的示意性俯视图，
图2示出了柱状图，其示出了针对带有随机设置的光源的LED模块的辐射均匀性HBLU的频度分布W，
图3示出了在传统的和在根据本发明的LED模块中的光源布置的示意图。
在图1中示出的LED模块10具有1152个LED 2。LED 2形成48个光源1，其分别带有24个LED 2，这些LED分别在6个并排的RGGB簇3中。光源1根据具有12行和4列的矩阵形式设置在支承体(未示出)上。相同构型的48个光源1原则上可以以任何顺序来构建。在48个光源1的情况下得到48！≈1061种可能性，比可以完全研究的更加难以置信地多。然而可以得到概率分布的印象，其方式是随机地产生一定数目(例如2000个)的布置并且如上所述地进行评价。通过这种方式，可以确定辐射均匀性分布并且估计辐射均匀性分布的统计平均值H＊以及其方差。于是，光源1被设置在支承体上，使得LED模块10的辐射均匀性HBLU小于统计平均值H＊。
为了确定辐射均匀性分布，首先确定LED 2的色度坐标Fi和亮度Hi。出于制造控制的原因，每个装配好的光源1的各个LED 2的色度坐标Fi和亮度Hi本来就被再次测量，虽然LED 2通常在装配之前已经根据色度坐标Fi和亮度Hi被分组。为了确定辐射均匀性分布的测量于是并未造成额外的开销。此外，通常为了错误的可跟踪性而将每个单个的光源1标记，譬如借助条形码便条来标记，使得可以标识每个光源1。
在此，单个光源1的所谓“最终结算(final-clearance)”测量数据例如与每个光源2的条形码一同在印刷电路板装配装置处存储在数据库中。光源1针对各LED模块10被包装成组合件并且被运输以最终安装，而优化计算可以有利地离线进行，这在下面被进一步描述。其结果可以用电子方式传输给最终安装。
在手动的最终安装中，工人扫描条形码(为了可跟踪性他本来就必须这样做)并且于是在屏幕上显示针对光源1所设计的位置。该位置也可以通过借助自动地激励的灯在支承体上标记相应部位来显示。最终安装也可以自动地、例如借助机器人来进行。在两种情况中(手动安装或者自动化安装)，并未由于优化方法而增加方法路径的总数。
在光源层面上可用的信息被用于对辐射均匀性分布进行模拟。借助当前信息可以尝试通过数值的优化来发现光源1的尽可能好的布置，使得制成的LED模块具有优化的辐射均匀性HBLU。
发现尽可能好的布置这一问题与优化理论的传统的“旅行推销员(traveling salesman)”问题(旅行推销员应当以何种顺序来访问100座城市，使得其总旅行路径最短)有关系。已知的是，该问题是NP完全的(NP-vollstaendig)。由此，寻找超过1061种可能性的全局最优是毫无希望的。然而，借助当前选择的“模拟退火”方法可以找到一种非常好的解决方案。该方法由如下方式方法来得到启示：在一块钢中，微晶的布置在退火(英语：annealing)时如何找到自由能量的最小值。
基于初始布置，在此选择将各个光源或者各个不相交的矩形光源区域随机交换。计算这种变化后的布置的辐射均匀性H。如果得到改进，则在任何情况下采用新的布置。如果得到ΔH的劣化，则以exp(-ΔH/T)的概率来接受该新的布置。在此，T是参数，称为“温度”，其在计算开始时应当具有大的值，使得也可以接受许多的劣化。在计算过程中，参数T随后被逐渐地减小，直到几乎仅仅还能选择实际的改进。
有利的是，在此使用了本来就有的关于LED的色度坐标Fi和亮度Hi的信息，并且被转化成可容易地自动化的并且几乎没有额外开销地实现的制造规定。在此，不仅避免了差的LED模块，而且实际上针对所有LED模块系统性地并且明显地改进了辐射均匀性H。
在图2中示出了根据本发明的计算的结果。在横坐标上以JND(辨别阈)为单位绘出了辐射均匀性H。纵坐标说明了在相应间隔中在给定数目的随机布置的情况下(在此在2000个随机布置的情况下)辐射均匀性H的频度W。
在所示的情况中，柱状图分布具有大约4JND的统计平均值H＊以及大约3JND的总宽度。2000个随机布置的最佳值在大约2.5JND处。在1.5JND处的柱示出了通过优化方法从总计大约2000个所测试的布置中确定的最优布置。所找到的最优值远远地位于柱状图分布之外并没有矛盾。这只是显示出，实际的分布明显比仅仅借助2000个随机尝试所看到的更宽。
图3对比地在左边示出了带有辐射均匀性H＝4.6JND的传统LED模块10，并且在右边示出了带有优化的辐射均匀性HBLU＝1.5JND的根据本发明的LED模块10。在传统的LED模块10中，红色、绿色和蓝色LED根据亮度和色度坐标被预先分类到箱(bin)中，并且“纯粹以箱的形式(bin-rein)”安装到印刷电路板上，其中光源1由24个LED制造。光源1以随机布置安装在支承体上。根据本发明的LED模块10在光源1的布置中与传统的LED模块10不同，如基于光源10的编号可以看出的那样。在光源的随机布置中，极为不可能的是，实现最优的辐射均匀性HBLU(参见图2，H＝4.6JND比HBLU＝1.5JND更可能)。
要明确说明的是，该方法可以容易地转移到除了色度坐标和/或亮度还分析梯度的其他分析函数上。
本发明并未通过借助实施例的描述而受到限制。更确切地说，本发明包括任意新的特征和特征的任意组合，特别是在权利要求中包含的特征的任意组合，即使该特征或者该组合本身并未明确地在权利要求中或者实施例中说明。
本专利申请要求德国专利申请102007011988.9的优先权，其公开内容通过引用结合于此。