專利名稱：緊湊型照明系統(tǒng)及顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有發(fā)光面板的照明系統(tǒng)，包括-相對(duì)設(shè)置的前壁、后壁，以及在前壁和后壁之間，用于將光耦合進(jìn)發(fā)光面板的半透明輸入邊界面，-同時(shí)至少一個(gè)光源與輸入邊界面相關(guān)聯(lián)，和-同時(shí)，在操作中，光源發(fā)射的光入射到輸入邊界面上，并在發(fā)光面板中自身分布。
本發(fā)明還涉及一種具有所述照明系統(tǒng)的顯示裝置。
這種照明系統(tǒng)本身是公知的，其也稱作邊界照明系統(tǒng)。它們尤其用作(圖像)顯示裝置，例如電視機(jī)和監(jiān)視器中的背光系統(tǒng)。這種照明系統(tǒng)尤其適合用作非發(fā)射顯示器的背光，例如液晶顯示裝置，也稱作LCD面板，其用在(便攜式)計(jì)算機(jī)或(便攜式)電話中。
所述顯示裝置通常包括設(shè)有規(guī)則像素圖案的基板，每個(gè)像素由至少一個(gè)電極來(lái)控制。所述顯示裝置利用控制電路在(圖像)顯示裝置的(圖像)屏幕的相關(guān)區(qū)域中實(shí)現(xiàn)圖像或數(shù)據(jù)圖形顯示。通過(guò)開關(guān)或調(diào)制器來(lái)調(diào)制由LCD裝置的背光發(fā)射的光，使用各種類型的液晶效應(yīng)。此外，所述顯示可以基于電泳或電機(jī)效應(yīng)。
這種照明系統(tǒng)也用作一般發(fā)光目的或商店照明的光源，例如商店窗戶照明或(透明或半透明)玻璃片或其上展示有像珠寶這樣的物品的合成樹脂的照明。這種照明系統(tǒng)還用作窗玻璃，例如用于在特定條件下使玻璃壁輻射光，或借助光來(lái)減少或封閉通過(guò)窗戶的觀察。進(jìn)一步可選擇的應(yīng)用是將這種照明系統(tǒng)用作照亮廣告板。
在開頭段落中提到的照明系統(tǒng)中，使用的光源通常是管狀低壓汞蒸汽放電燈，如一個(gè)或多個(gè)冷陰極熒光燈(CCFL)，其中在操作過(guò)程中光源發(fā)射的光被耦合進(jìn)發(fā)光面板，其用作光波導(dǎo)。該波導(dǎo)通常構(gòu)成相當(dāng)薄且平坦的板，其例如由合成樹脂或玻璃制造，其中光在(全)內(nèi)反射的影響下穿過(guò)光波導(dǎo)來(lái)傳播。
作為可選擇的光源，這種照明系統(tǒng)還可以設(shè)有多個(gè)光電元件，也稱作電光元件，例如電致發(fā)光元件，如發(fā)光二極管(LED)。這些光源通常被設(shè)在與發(fā)光面板的透光邊界面接近或接觸，而在這樣的情況下，在操作過(guò)程中光源發(fā)射的光入射到透光邊界面上，并在面板內(nèi)自身分布。
照明系統(tǒng)可從US-A5,575,549中獲知。具有均勻亮度的線性光源發(fā)射的光，通過(guò)光入射邊界面被耦合進(jìn)發(fā)光面板，也稱作光導(dǎo)管。通過(guò)所述光入射邊界面透射的部分光入射到圓錐或多邊棱錐形的所謂凹部的傾斜表面上。在導(dǎo)光部件中的凹部處光被折射后，光被耦合出發(fā)光面板。
所述公知的照明系統(tǒng)的缺點(diǎn)是耦合出發(fā)光面板的光的均勻分布仍然相對(duì)較差。
本發(fā)明的一個(gè)目的是完全或部分消除上述缺點(diǎn)。依照本發(fā)明，在開頭段落中所提到類型的照明系統(tǒng)就是為了該目的，其特征在于發(fā)光面板的第一部分中的后壁設(shè)有多個(gè)臺(tái)階，以及發(fā)光面板的第二部分在面對(duì)第一部分的方向上從輸入邊界面變寬。
由于發(fā)光面板的第二部分從輸入邊界面向著第一部分變寬，所以在輸入邊界面處被耦合進(jìn)發(fā)光面板的光，在其從輸入邊界面向第一部分穿過(guò)發(fā)光面板的第一傳播過(guò)程中不會(huì)離開發(fā)光面板。通過(guò)這種發(fā)光面板的楔形第二部分傳播的光的角度化光分布逐漸變窄。一般地講，光在變寬的發(fā)光面板中被校準(zhǔn)。在基于全內(nèi)反射(TIR)的發(fā)光面板中，沒有超出極限角的光不會(huì)被耦合出發(fā)光面板。在相反的情形中，其中光穿過(guò)變窄的發(fā)光面板傳播，角度化光分布會(huì)逐漸變大。由于在入射邊界面處耦合進(jìn)發(fā)光面板的光在其穿過(guò)發(fā)光面板第二部分的第一傳播過(guò)程中不會(huì)離開發(fā)光面板的該第二部分，所以在其穿過(guò)發(fā)光面板第二部分的傳播過(guò)程中，促進(jìn)了光在發(fā)光面板內(nèi)自身分布，并且，如果是從兩個(gè)或更多個(gè)可能不同顏色的光源發(fā)射的光，則也促進(jìn)了光令人滿意地被混合。良好的光分布和/或混合促進(jìn)了發(fā)光面板發(fā)出的光的均勻性。發(fā)光面板的第二部分用作仿佛是光在其穿過(guò)發(fā)光面板變寬的第二部分的第一路徑上的光混合腔。這種“光混合腔”在公知的照明系統(tǒng)中通常設(shè)在發(fā)光面板的外部，這就使得這種發(fā)光面板占用了比所需的更大空間。通過(guò)使用具有依照本發(fā)明的楔形第二部分的發(fā)光面板，“光混合腔”集成在發(fā)光面板中，使得節(jié)省了相當(dāng)大的空間。
應(yīng)該注意到，楔形發(fā)光面板本身是公知的(例如，見US-A5,575,549公知的照明系統(tǒng))，但這種公知的楔形發(fā)光面板在光耦合進(jìn)發(fā)光面板邊界面的區(qū)域處是最寬的，在發(fā)光面板的相對(duì)端處是最窄的。
一般地，第二部分會(huì)終止于面對(duì)輸入邊界面的發(fā)光面板一側(cè)上的反射邊界面中。反射之后，角度化光分布依靠發(fā)生反射的方式再次增加。在穿過(guò)這種發(fā)光面板的光返回路徑中，由于發(fā)光面板逐漸變窄的原因，光將會(huì)具有進(jìn)一步的增加角度的分布。在一個(gè)特定的時(shí)刻，角度化光分布將會(huì)變得很寬，以致于其一部分超出了全內(nèi)反射的極限角，由此光將會(huì)從發(fā)光面板中發(fā)出。一般地，依靠反射，所述光會(huì)被傾斜，以促進(jìn)光在輸入邊界面方向中的其返回路徑上的光輸出。然而，這種對(duì)反射光的傾斜應(yīng)當(dāng)使光在發(fā)光面板前壁的整個(gè)區(qū)域上耦合出，以便均勻照亮顯示裝置。在所述反射條件下，從鄰近所述反射邊界面的發(fā)光面板前壁發(fā)射出明亮光波帶。所述光波帶的亮度比從發(fā)光面板前壁的其它部分發(fā)射的光高得多。一個(gè)解決方案是從用于照亮顯示裝置的光中除去該明亮的光波帶。然而這種屏蔽會(huì)消耗空間，且系統(tǒng)的效率將會(huì)降低。
本發(fā)明人已經(jīng)領(lǐng)會(huì)到上述明亮的光波帶源自在反射邊界面處反射后，直接耦合出的光。在明亮的光波帶處耦合出的光實(shí)際上是以比極限角更大的立體角耦合進(jìn)的所有光的總和，對(duì)此在反射邊界面處反射后的角度等于TIR的臨界角。依照本發(fā)明的措施，發(fā)光面板第一部分中的后壁設(shè)有多個(gè)臺(tái)階。結(jié)果，明亮的光波帶被分成許多更短的明亮光波帶，其遍布在發(fā)光面板的前壁上。發(fā)光面板的第一部分中臺(tái)階的空間頻率可以如此選擇，以致于由很多小光波帶的亮度調(diào)制不再能夠被分辨，所以亮度被平均化，并表現(xiàn)出均勻性?？梢哉{(diào)整所述明亮光波帶的平均的、即較低亮度，以使其與前壁剩余部分的亮度一樣高。
通過(guò)依照本發(fā)明的措施，獲得了一種特別緊湊的照明系統(tǒng)，其具有照明系統(tǒng)發(fā)射的高均勻性的光分布。由此實(shí)現(xiàn)了顯示裝置的更加均勻的照明，尤其是在(圖像)顯示裝置的情況下。
依照本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，其特征在于面對(duì)耦合輸入(in-coupling)邊界面的臺(tái)階的表面相對(duì)于等分發(fā)光面板的等分平面上的法線成一個(gè)角β，其中該等分平面包括輸入邊界面內(nèi)的等分線，所述等分線平行于前壁并等分該輸入邊界面，且其中角度β至少為5°。
等分平面與發(fā)光面板的前壁成一個(gè)角度，并將發(fā)光面板的第二部分分為兩半。角度β負(fù)責(zé)返回光的角強(qiáng)度分布的旋轉(zhuǎn)，以便于其返回路徑上的光在光導(dǎo)第二部分的整個(gè)長(zhǎng)度上被提取出。根據(jù)輸入邊界面的表面面積Ses和發(fā)光面板內(nèi)最大的表面面積Str的比率，對(duì)于比率Str/Ses≤2.5，臺(tái)階表面的形態(tài)可以選擇為平坦的。另外，角度β必須被改變，以確保角強(qiáng)度分布變寬，臺(tái)階表面的形態(tài)將優(yōu)選為彎曲的。下面，將討論β、βav的平均值。
優(yōu)選地，角度βav在5≤β≤25°的范圍內(nèi)。光導(dǎo)端部和反射表面的兩個(gè)不同實(shí)施方案可以不同。一個(gè)實(shí)施方案在光導(dǎo)端部和(漫射)反射表面之間包括空氣隙。在該情形中，對(duì)于具有折射率n≈1.5的光導(dǎo)材料，βav＞5°，以確保光提取開始于光導(dǎo)第二部分的起始部分，這里“起始部分”指與面板的輸入邊界面相對(duì)的一側(cè)。同樣地，βav不能夠太大，以確保光在接近輸入邊界面處仍可以被提取。模擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)示出βav＞25°的值是不利的。這可以歸因于下述事實(shí)，即反射之后在全內(nèi)反射范圍之外的光的部分隨著β值的增加而增加。當(dāng)然，當(dāng)光被耦合進(jìn)光導(dǎo)時(shí)這也涉及到光的角度化分布。在該階段，更小的角度化分布使β值變大成為可能和/或必需，但是為了獲得該更窄的分布，需要光導(dǎo)在輸入邊界面處的更大厚度，其又是不利的。
依照本發(fā)明照明系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，其特征在于面對(duì)輸入邊界面的臺(tái)階的表面在遠(yuǎn)離輸入邊界面的一側(cè)上包括鏡面反射器。這種鏡面反射器提供了從輸入邊界面?zhèn)鞑サ墓獾乃璺瓷?，并激?lì)了光從發(fā)光面板的耦合出。
在可選擇的實(shí)施方案中，臺(tái)階在遠(yuǎn)離發(fā)光面板的一側(cè)上包括散射體，在臺(tái)階與散射體之間保持有空氣隙，或至少在光導(dǎo)和漫反射器之間防止光學(xué)接觸。優(yōu)選地，散射體由漫射的、高度反射材料制造，其復(fù)制了與發(fā)光面板第一部分的臺(tái)階相同的形狀。在該情形中，應(yīng)當(dāng)小心控制發(fā)光面板與散射體間的空氣隙的厚度。優(yōu)選地，漫射材料具有非常短的穿透深度(＜0.1mm)。使用散射體的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)光源輻射圖案和輸入幾何圖形具有非常高的穩(wěn)固性。
依照本發(fā)明照明系統(tǒng)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，其特征在于輸入邊界面的表面面積Ses與在發(fā)光面板的第一部分和第二部分之間的過(guò)渡部分的發(fā)光面板內(nèi)的表面面積Str的比率滿足關(guān)系1＜Str/Ses＜10。從光源發(fā)射并被耦合進(jìn)發(fā)光面板第二部分內(nèi)的光具有角度化分布，對(duì)于具有約1.5折射率的通常光導(dǎo)材料，其在約+42°和-42°之間變化。在第一和第二部分之間過(guò)渡處的橫截面Str，其中發(fā)光面板具有最大厚度，和輸入邊界面的表面面積Ses的比率下限由下述事實(shí)給出，即發(fā)光面板在發(fā)光面板的第二部分中是楔形的。由希望發(fā)光面板不變得太厚來(lái)確定比率Str/Ses＜10的上限。通常，例如顯示裝置的尺寸(屏幕直徑)決定了發(fā)光面板的大小(直徑)。如果輸入邊界面具有2mm的厚度，則等式Str/Ses＝10意味著第二邊界面或在發(fā)光面板最大厚度位置處平行于輸入邊界面的發(fā)光面板的橫截面具有20mm的厚度。在這種高比率的情形下也減小了制造發(fā)光面板的容易度。
優(yōu)選地，比率Str/Ses滿足關(guān)系1.5＜Str/Ses＜4。具有優(yōu)選范圍內(nèi)的Str/Ses比率的發(fā)光面板可以很容易地以(注入)成型工藝制造。
所用的光源可以由LED形成，如白色LED或不同類型的LED和/或不同顏色的LED，其彼此組合使用。通過(guò)使用適合的LED，可以以期望的方式混合顏色，如產(chǎn)生期望色溫的白光。為了該目的，依照本發(fā)明照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案，其特征在于光源包括一個(gè)白色LED或至少兩個(gè)具有不同光發(fā)射波長(zhǎng)的發(fā)光二極管。優(yōu)選地，光源包括三個(gè)發(fā)光二極管。使用單一白色的LED是有利的，因?yàn)榘l(fā)光面板的變寬部分用于發(fā)光面板內(nèi)光分布的均勻化。LED優(yōu)選包括本身公知的紅，綠和藍(lán)LED的組合，如紅，綠，藍(lán)和琥珀色LED。具有三個(gè)光發(fā)射波長(zhǎng)的LED也可以通過(guò)具有不同光發(fā)射波長(zhǎng)的兩個(gè)LED來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中一個(gè)類型的LED(部分地)設(shè)有磷光體，使得LED的光發(fā)射通過(guò)磷光體轉(zhuǎn)變?yōu)榈谌N期望的光發(fā)射波長(zhǎng)的光。本身公知的紅，綠和藍(lán)LED的組合使得獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)顯示裝置狀態(tài)的顏色轉(zhuǎn)變成為可能。使用LED具有進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，即獲得了動(dòng)態(tài)照明的可能性。為了該目的，在其中一個(gè)邊界面設(shè)置傳感器，用以測(cè)量在操作過(guò)程中光源發(fā)射的光的光學(xué)特性。
由于發(fā)光二級(jí)管的光通量變化，所以調(diào)整LED發(fā)射的光的數(shù)量。對(duì)光通量的該控制通常以能量有效率的方式進(jìn)行。因而LED可以變暗而沒有明顯的效率降低。優(yōu)選地，發(fā)光二極管發(fā)射的光的強(qiáng)度響應(yīng)于顯示裝置所顯示的圖像的亮度級(jí)而可變化，或響應(yīng)于環(huán)境光的級(jí)別而可變化。優(yōu)選地，顯示裝置顯示的圖像的色點(diǎn)由照明系統(tǒng)確定。由此實(shí)現(xiàn)了由顯示裝置所顯示的圖像的(改善的)動(dòng)態(tài)范圍(如對(duì)比度)。
優(yōu)選地，每個(gè)發(fā)光二極管都具有至少5lm的光通量。這樣高的值對(duì)于高亮度，大屏幕的應(yīng)用是特別有用的，即，發(fā)光面板亮度輸出與面板對(duì)角線的商值大于10lm/inch。具有這樣相對(duì)高輸出的LED也稱作LED功率組。使用這些高效率，高輸出的LED具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，即為了期望的、相對(duì)高的光輸出所需要的LED的數(shù)量相對(duì)少了。這有益于制造緊湊結(jié)構(gòu)和有效的照明系統(tǒng)。使用LED的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于具有LED的照明系統(tǒng)而言，具有相對(duì)非常長(zhǎng)的使用壽命，相對(duì)低的能量消耗，以及低的維護(hù)成本。
相當(dāng)大的長(zhǎng)度可用來(lái)混合各種光的顏色，直到在具有包括從輸入邊界面變寬的楔形部分的發(fā)光面板的照明系統(tǒng)中獲得了期望的顏色混合，如預(yù)定色溫的白光，且其中在光穿過(guò)發(fā)光面板變寬(第二)部分的第一傳播過(guò)程中，光不會(huì)被耦合出。以該方式，用包括總共如六個(gè)或甚至只有三個(gè)(高輸出)具有不同光發(fā)射波長(zhǎng)的發(fā)光二極管的光源，就可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)大尺寸的發(fā)光面板。在可選擇的實(shí)施方案中，單個(gè)的LED足夠了。在公知的照明系統(tǒng)中，對(duì)于這種有限數(shù)量的LED通常必需有相當(dāng)大尺寸的光混合腔以便實(shí)現(xiàn)光被充分地分布，在多個(gè)LED的情形中，在發(fā)光面板內(nèi)的混合，以便提供在(圖像)顯示裝置的方向上來(lái)自發(fā)光面板的均勻和一致的光耦合輸出。
在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方案中，照明系統(tǒng)包括控制電子裝置，用于改變光源的光通量。通過(guò)合適的控制電子裝置來(lái)獲得期望的照明效果，并提高發(fā)射光的均勻性。通過(guò)合適的LED組合還獲得了白光，控制電子裝置為其提供了調(diào)整期望色溫的可能性。
通過(guò)依照本發(fā)明的方案獲得了特別緊湊的照明系統(tǒng)，照明系統(tǒng)發(fā)出的光具有高均勻性的分布。由此特別在(圖像)顯示裝置的例子中實(shí)現(xiàn)了顯示裝置的更加均勻的照明。
現(xiàn)在將參照多個(gè)實(shí)施方案和附圖來(lái)更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，其中


圖1A是包括依照本發(fā)明照明系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施方案的顯示裝置的透視圖；圖1B是圖1A中所示照明系統(tǒng)的細(xì)節(jié)的橫截面視圖；圖2A示出了從具有單個(gè)臺(tái)階的楔形發(fā)光面板發(fā)射的光，其依靠在該臺(tái)階表面處的反射，處在全內(nèi)反射的范圍之外；圖2B示出了從楔形發(fā)光面板發(fā)射的光，其依靠在臺(tái)階表面處的反射，處在具有多個(gè)并不間隔分離的臺(tái)階的面板內(nèi)全內(nèi)反射的范圍之外，β交替地取正值和負(fù)值；圖2C示出了依靠臺(tái)階表面處的反射而處在全內(nèi)反射范圍之外的光，隨后從依照本發(fā)明的具有多個(gè)臺(tái)階的楔形發(fā)光面板中發(fā)射所述光，所述臺(tái)階彼此間處于一定的距離，和圖3示出了由依照本發(fā)明的、具有單個(gè)臺(tái)階的發(fā)光面板的前壁發(fā)射的光在不同角度β值處的均勻分布。
所述圖僅僅是概略的，并沒有顯示真實(shí)的比例。為了清楚的原因，一些尺度被刻意夸大。在圖中相同的部分在任何可能用到的時(shí)候被給予了相同的參考標(biāo)記。
圖1A非常示意性地示出了包括依照本發(fā)明照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案的顯示裝置的透視圖。該照明系統(tǒng)包括透光材料的發(fā)光面板1。所述發(fā)光面板1例如由合成樹脂、丙烯酸、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)如perspex有機(jī)玻璃，或玻璃來(lái)制造。利用全內(nèi)反射(TIR)，光在操作過(guò)程中通過(guò)發(fā)光面板1來(lái)傳播。發(fā)光面板1具有彼此相對(duì)的前壁2和后壁3。輸入邊界面4設(shè)在發(fā)光面板1的前壁2和后壁3之間。在圖1A的例子中，輸入邊界面4相對(duì)于發(fā)光面板1的前壁2的角度在80和100°之間。輸入邊界面4是透光的。照明系統(tǒng)包括光源6，6’，...例如多個(gè)發(fā)光二極管(LED)。在圖1所示的情形中，在操作過(guò)程中，光源6，6’，...發(fā)射的光入射到發(fā)光面板1的輸入邊界面4上，該光在發(fā)光面板1中自身分布。反射器裝置(圖1A中沒有示出)可以設(shè)在光源6，6’，...和輸入邊界面4之間，以便將例如LED的光導(dǎo)入到發(fā)光面板1中。在可選擇的實(shí)施方案中，LED設(shè)在發(fā)光面板內(nèi)部。為此目的，發(fā)光面板可以設(shè)有缺口，其形狀基本上與光源的形狀互補(bǔ)。在該情形中，所述缺口用作光輸入邊界面。依照本發(fā)明的措施，在發(fā)光面板1的第一部分12中的后壁3設(shè)有多個(gè)臺(tái)階13，13’，...(還參見圖1B)。另外，發(fā)光面板1的第二部分22從輸入邊界面4變寬。
光在發(fā)光面板1的第二部分22的薄端(輸入邊界面4)處被耦合進(jìn)發(fā)光面板1中，并向發(fā)光面板1的第一部分12傳播。在圖1A的例子中，發(fā)光面板1在第一和第二部分之間的過(guò)渡處達(dá)到其最大的橫截面Str。該過(guò)渡通過(guò)假想的平面用參考標(biāo)記122表示在圖1A中。在第一部分12中，光在臺(tái)階13，13’，...的表面17處被反射，所述表面17面對(duì)輸入邊界面4。反射之后，光被耦合出發(fā)光面板1。
單憑經(jīng)驗(yàn)，臺(tái)階的高度hst優(yōu)選在0.1≤hst≤0.5mm的范圍內(nèi)；最靠近前壁的最后一個(gè)臺(tái)階因?yàn)闄C(jī)械原因可以選擇較厚(如2mm)，該特殊臺(tái)階的角度β相應(yīng)減小。另外，兩個(gè)臺(tái)階之間的距離dst在0.1≤dst≤10mm的范圍內(nèi)。
如此選擇發(fā)光面板第一部分中臺(tái)階的空間頻率，以致由很多小的光波帶的亮度調(diào)制不再被分辨，以使亮度平均化并表現(xiàn)出均勻性。因此，依照本發(fā)明照明系統(tǒng)優(yōu)選的實(shí)施方案特征在于臺(tái)階的數(shù)量在從25到100的范圍內(nèi)。
依照本發(fā)明照明系統(tǒng)優(yōu)選的實(shí)施方案，特征在于第一部分的長(zhǎng)度lfp與前壁的長(zhǎng)度lfw相比在0.05≤lfp/lfw≤0.6的范圍內(nèi)。通過(guò)在給定的范圍內(nèi)選擇比率lfp/lfw，可以實(shí)現(xiàn)耦合出發(fā)光面板的光的均勻分布的進(jìn)一步提高。
優(yōu)選地，輸入邊界面4的表面面積Ses與在發(fā)光面板1的第一部分12和第二部分22之間的假想過(guò)渡平面122處的發(fā)光面板的表面面積Str的比率滿足關(guān)系1＜Str/Ses＜10。尤其優(yōu)選的是比率Str/Ses滿足關(guān)系1.5＜Str/Ses＜4。其中Str/Ses比率在優(yōu)選范圍內(nèi)的發(fā)光面板可以在(注入)成型處理中容易地制造。尤其合適的比率是Str/Ses≈2。例如，輸入邊界面4的合適的厚度是3mm，其意味著對(duì)于Str/Ses＝2，發(fā)光面板1的最大厚度是6mm。輸入邊界面4可選擇的合適厚度是1mm，其意味著在Str/Ses＝2的情形中，發(fā)光面板1的最大厚度是2mm。
由于發(fā)光面板1的第二部分22從輸入邊界面4變寬，所以光穿過(guò)變寬的第二部分22的第一傳播過(guò)程中，光不會(huì)離開發(fā)光面板1。因此促進(jìn)了光在穿過(guò)發(fā)光面板1的第二部分22的第一傳播中，光進(jìn)行自身分布，并在發(fā)光面板1中混合。光的良好分布和/混合促進(jìn)了耦合出發(fā)光面板1的光的一致性和均勻性。發(fā)光面板1的第二部分22，如圖1A所示，其在光穿過(guò)變寬的發(fā)光面板的第一傳播過(guò)程中用作光的光混合腔。依照本發(fā)明的措施，光混合腔由于集成到發(fā)光面板中，其導(dǎo)致了相當(dāng)大的空間節(jié)省。通過(guò)依照本發(fā)明的措施，獲得了特別緊湊的照明系統(tǒng)，其具有照明系統(tǒng)發(fā)射的光的高均勻性分布。
在圖1A中，表示了第一部分12的長(zhǎng)度lfp，也表示了前壁2的長(zhǎng)度lfw。優(yōu)選地，比率在0.05≤lfp/lfw≤0.6的范圍內(nèi)。如果，例如前壁2的長(zhǎng)度lfw約為300mm，則第一部分12的長(zhǎng)度lfp約為30mm，如lfp/lfw≈0.1。優(yōu)選地，臺(tái)階13，13’...的數(shù)量在從25到100的范圍內(nèi)。在給定的例子中(lfp≈30mm)，臺(tái)階特別優(yōu)選的數(shù)量為50。優(yōu)選地，臺(tái)階13，13’...的高度hst(見圖1 B)在0.1≤hst≤0.5mm的范圍內(nèi)。具有這種臺(tái)階的發(fā)光面板可以容易地制造。
在圖1A的例子中，散射體提供在臺(tái)階13，13’...的后面，同時(shí)在13，13’...和散射體32之間保持有空氣隙33。在圖1A的例子中，散射體32是具有與發(fā)光面板1第一部分12的臺(tái)階13，13’...互補(bǔ)形狀的塊。優(yōu)選地，散射體32由散射的、高反射材料制造，所述材料如特氟綸(Teflon)，漫反射鋁或包含高反射粒子如鹵磷酸鹽，焦磷酸鈣，焦磷酸鍶和二氧化鈦的涂層、或如延展的聚四氟乙烯涂層。這種顯示長(zhǎng)滲透深度的涂層可以與設(shè)置在其后的鏡面反射器層結(jié)合用作薄層(0.1mm)，以獲得較高的反射率。同樣，白色粉末可以涂敷到光導(dǎo)上，近似球形的顆粒確保了粉末層與光導(dǎo)之間實(shí)質(zhì)上沒有光學(xué)接觸，固體鏡面反射鏡位于其后，以將粉末固定住。優(yōu)選地，散射材料具有非常短的滲透深度(＜0.1mm)。同樣，空氣隙必須小(＜0.1mm)且控制在整個(gè)邊界高度的厚度內(nèi)(優(yōu)選±0.025mm)。在照明系統(tǒng)可選擇的實(shí)施方案中，面對(duì)輸入邊界面的臺(tái)階表面包括在遠(yuǎn)離輸入邊界面的一側(cè)上的鏡面反射器(圖1A中沒有示出)。
在操作過(guò)程中，發(fā)光面板1通過(guò)半透明散射體8在顯示裝置，如液晶顯示(LCD)裝置20的方向上發(fā)射光，以便進(jìn)一步將發(fā)光面板1發(fā)出的光均勻化。光源6，6’...的組件、發(fā)光面板1、以及LCD裝置20不管是否容納在外殼(圖1A中沒有示出)中，都構(gòu)成用于顯示如(視頻)圖像的顯示裝置。發(fā)光面板1可以進(jìn)一步設(shè)有用于測(cè)量光的光學(xué)特性的傳感器(圖1A中沒有示出)。該傳感器耦合到控制電子裝置(圖1A中沒有示出)，用于適合地與光源6，6’...的光通量相適應(yīng)。借助于傳感器和控制電子裝置可以實(shí)現(xiàn)反饋機(jī)構(gòu)，以影響耦合出發(fā)光面板的光的質(zhì)量和數(shù)量。
在可選擇的實(shí)施方案中，前壁2設(shè)有光重定向箔片。
優(yōu)選地，光源6，6’...包括一個(gè)白色LED或至少兩個(gè)不同光發(fā)射波長(zhǎng)的發(fā)光二極管。優(yōu)選地，光源包括三個(gè)具有藍(lán)，綠和紅光發(fā)射波長(zhǎng)的發(fā)光二極管。LED的源亮度通常是熒光管的許多倍。此外，使用LED將光耦合進(jìn)面板的效率比使用熒光管更大。使用LED作為光源具有以下優(yōu)點(diǎn)，即LED可以相對(duì)由合成樹脂制造的面板放置。LED在發(fā)光面板1的方向上幾乎不傳輸任何熱量，它們也不會(huì)產(chǎn)生有害(UV)輻射。此外，使用LED還具有下述優(yōu)點(diǎn)，即不需要應(yīng)用任何裝置來(lái)將LED發(fā)射的光耦合進(jìn)面板。照明系統(tǒng)中的LED可以包括適當(dāng)選擇的藍(lán)，綠和紅LED的串，或單色或雙色LED的合適的交替組合，或具有高光通量的多個(gè)白色LED。
大屏幕、高亮度照明系統(tǒng)中使用的LED優(yōu)選是每個(gè)都具有至少50mW光功率的LED，所述大屏幕、高亮度照明系統(tǒng)的特征在于發(fā)光面板光輸出與面板對(duì)角線的比值超過(guò)10lm/inch。具有這種高輸出的LED也稱作LED功率組。功率LED的例子是“LuxeonTM”型(Lumileds)LED，其每一LED的光通量為紅色35lm，綠色30lm，藍(lán)色8lm，琥珀色LED 40lm。在可選擇的實(shí)施方案中，使用黃色、琥珀色、青色，品紅色、和/或紫色LED，其具有相當(dāng)高的光輸出(不管是否借助兩光譜的光發(fā)射波長(zhǎng))。也可能使用多個(gè)高光通量的白色LED。在進(jìn)一步可選擇的實(shí)施方案中，紅色LED可以與設(shè)有磷光體的藍(lán)色LED組合使用，以使后者在兩個(gè)光譜帶，即藍(lán)色和綠色光譜帶中發(fā)光。
優(yōu)選地，LED裝配在(金屬芯)印刷電路板上(圖1A中沒有示出)。當(dāng)功率LED設(shè)在這種(金屬芯)印刷電路板(PCB)上時(shí)，由LED產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)熱傳導(dǎo)利用PCB容易地移除。此外，所述照明系統(tǒng)值得注意的實(shí)施方案是這樣一個(gè)，其中(金屬芯)印刷電路板通過(guò)熱傳導(dǎo)連接與顯示裝置的外殼接觸。
圖1B是圖1A中所示照明系統(tǒng)細(xì)節(jié)的橫截面視圖。在第一部分12中，面對(duì)輸入邊界面4的臺(tái)階13，13’...的表面17相對(duì)于等分發(fā)光面板1的等分平面20的法線25成角度β≥5°。等分平面20與發(fā)光面板1的前壁2成一個(gè)角度，并將發(fā)光面板1的第二部分22分成兩半。為此目的，等分平面20包括輸入邊界面4中的等分線21，所述等分線21平行于前壁2，并等分輸入邊界面4。優(yōu)選地，角度βav在5≤βav≤25°的范圍內(nèi)。尤其優(yōu)選的是角度βav為大約15°-19°。
圖2A非常示意性地顯示了楔形發(fā)光面板101內(nèi)的光，所述楔形發(fā)光面板具有前壁102和后壁103，并具有單個(gè)臺(tái)階113(“單面背反射器”)?？梢钥吹剑谶h(yuǎn)離光源(圖2A中沒有示出)的前壁102的邊緣處形成了明亮的光波帶。所述光波帶的亮度實(shí)質(zhì)上比在發(fā)光面板101的前壁102的其它地方發(fā)射的光更高(兩倍或更大)。解決方案是從用于照亮顯示裝置的光中排除該明亮光波帶。然而，使前壁102的該部分不“可用”是不利的。這種屏蔽是消耗空間的，如果發(fā)光面板101用作顯示裝置，尤其用于(膝上型電腦)LCD發(fā)背光的背光，則這將是一個(gè)問(wèn)題。另外，系統(tǒng)效率將會(huì)減小(根據(jù)幾何尺寸其可以超過(guò)10％)，其在(膝上型電腦)顯示裝置的情形中尤其重要。
圖2B非常示意性地顯示了從楔形發(fā)光面板201發(fā)射的光，所述楔形發(fā)光面板具有前壁202和后壁203，以及具有許多臺(tái)階213(“多面背反射器”)，所述臺(tái)階213之間沒有距離。該情形比圖2A中的情形有所改善。產(chǎn)生了多個(gè)明亮的光波帶。然而，所述明亮的光波帶仍然出現(xiàn)在相對(duì)接近于遠(yuǎn)離光源(圖2B中沒有示出)的前壁202的邊界。
圖2C非常示意性地顯示了楔形發(fā)光面板1內(nèi)的光，所述發(fā)光面板具有前壁2和后壁3，并且依照本發(fā)明，具有多個(gè)彼此間隔的臺(tái)階13，13’...(“伸展的多面背反射器”)(還見圖1A和1B)。所述明亮的光波帶在發(fā)光面板1的前壁2的相對(duì)大部分上分布。
圖3顯示了依照本發(fā)明，在各種角度β值處對(duì)于一個(gè)臺(tái)階面(見圖1A和1B)，發(fā)光面板1的前壁2發(fā)射的光的均勻分布。該例子中前壁2的長(zhǎng)度為250mm。在圖3的例子中，輸入邊界面4的表面面積Ses與在發(fā)光面板1的第一部分12與第二部分22之間的假想過(guò)渡平面122處的發(fā)光面板內(nèi)的表面面積Str的比率為Str/Ses＝2。光源位于發(fā)光面板1的其中x＝0mm一側(cè)。對(duì)于β≤10°的值，可以看出在發(fā)光面板1的開始處(即x≤100mm處)發(fā)射了過(guò)多的光，導(dǎo)致由前壁2其它部分(即x＞100mm處)發(fā)射的光過(guò)少。對(duì)于22≤β≤15°的角度值，可以看出光分布相對(duì)平坦，但在發(fā)光面板1的端處(即x＞225mm處)發(fā)射了相對(duì)多的光。對(duì)于約17°的角度β值，本發(fā)明的延伸多面方案可以將明亮的帶在發(fā)光面板的端部展開，并結(jié)合有整個(gè)前壁上相對(duì)平坦的光分布。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)本領(lǐng)域技術(shù)人員可能作一些修改，這是顯而易見的。本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于給出的實(shí)施方案。本發(fā)明存在于每一個(gè)新穎性特征和特征的組合。權(quán)利要求中的參考標(biāo)記不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。動(dòng)詞“包括”及其變形的使用不排除存在除權(quán)利要求中詳細(xì)說(shuō)明的那些元件以外的元件。元件之前的不定冠詞“一”或“一種”的使用不排除存在多個(gè)這樣的元件。
權(quán)利要求
1.一種裝備有發(fā)光面板(1)的照明系統(tǒng)，包括-相對(duì)設(shè)置的前壁(2)、后壁(3)，以及在前壁和后壁(2，3)之間，用于將光耦合進(jìn)發(fā)光面板(1)的半透明輸入邊界面(4)，-同時(shí)至少一個(gè)光源(6，6’...)與輸入邊界面(4)相關(guān)聯(lián)，和-同時(shí)，在操作中，光源(6，6’...)發(fā)射的光入射到輸入邊界面(4)上，并在發(fā)光面板(1)內(nèi)自身分布，特征在于發(fā)光面板(1)的第一部分(12)中的后壁(3)設(shè)有多個(gè)臺(tái)階(13，13’...)，且發(fā)光面板(1)的第二部分(22)在面對(duì)第一部分(12)的方向上從輸入邊界面(4)變寬。
2.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于面對(duì)輸入邊界面(4)的臺(tái)階(13，13’...)的表面(7)相對(duì)于等分發(fā)光面板(1)的等分平面(20)上的法線(25)成一平均角βav，其中等分平面(20)包括輸入邊界面(4)內(nèi)的等分線(21)，所述等分線(21)平行于前壁(2)并等分輸入邊界面(4)，且其中角βav至少為5°。
3.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于所述平均角β在5≤βav≤25°的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于面對(duì)輸入邊界面(4)的臺(tái)階(13，13’...)的表面(17)在遠(yuǎn)離輸入邊界面(4)的一側(cè)上包括鏡面反射器(31)。
5.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于臺(tái)階(13，13’...)在遠(yuǎn)離發(fā)光面板(1)的一側(cè)上包括散射體(32)，同時(shí)在臺(tái)階(13，13’...)與散射體(32)之間保持有空氣隙(33)。
6.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于臺(tái)階(13，13’...)的高度hst在0.1≤hst≤0.5mm的范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于兩個(gè)臺(tái)階(13，13’...)之間的距離dst在0.1≤dst≤10mm的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于臺(tái)階(13，13’...)的數(shù)量在從25到100的范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于第一部分(12)的長(zhǎng)度lfp與前壁(2)的長(zhǎng)度lfw相比在0.05≤lfp/lfw≤0.6的范圍內(nèi)。
10.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于輸入邊界面(4)的表面面積Ses與在發(fā)光面板(1)的第一部分(12)與第二部分(22)之間的過(guò)渡處的發(fā)光面板(1)內(nèi)的表面面積Str的比率滿足關(guān)系1＜Str/Ses＜10。
11.如權(quán)利要求2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于所述比率為1.5＜Str/Ses＜4。
12.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于前壁(2)設(shè)有半透明散射體(8)。
13.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于前壁(2)設(shè)有光重定向箔片。
14.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于光源(6，6’...)包括至少一個(gè)白色LED或至少兩個(gè)具有不同光發(fā)射波長(zhǎng)的發(fā)光二極管。
15.如權(quán)利要求13所述的照明系統(tǒng)，其特征在于每個(gè)發(fā)光二極管都具有至少5lm的光通量。
16.一種裝備有如權(quán)利要求1或2中所述的照明系統(tǒng)的顯示裝置。
17.如權(quán)利要求15所述的顯示裝置，所述顯示裝置包括液晶顯示器(50)。
全文摘要
緊湊型背光系統(tǒng)具有發(fā)光面板(1)，所述發(fā)光面板具有相對(duì)設(shè)置的前壁(2)、后壁(3)，此外，在前壁和后壁(2，3)之間，具有半透明輸入邊界面(4)用于將光耦合進(jìn)發(fā)光面板(1)。光源(6，6’...)與輸入邊界面(4)相關(guān)聯(lián)。依照本發(fā)明，發(fā)光面板(1)的第一部分(12)的后壁(3)設(shè)有多個(gè)臺(tái)階(13，13’...)，發(fā)光面板(1)的第二部分(22)在面對(duì)第一部分(12)的方向上從輸入邊界面(4)變寬。優(yōu)選地，面對(duì)輸入邊界面(4)的臺(tái)階(13，13’...)的表面(17)相對(duì)于等分發(fā)光面板(1)的等分平面(20)上的法線成一個(gè)角度β
文檔編號(hào)G02B6/00GK1650202SQ03809190
公開日2005年8月3日 申請(qǐng)日期2003年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月25日
發(fā)明者C·G·A·霍埃倫, N·B·普菲弗 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司, 荷蘭魯米勒德斯照明有限公司