專利名稱：緊湊型照明系統(tǒng)及顯示器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種設(shè)有發(fā)光面板的照明系統(tǒng)，該發(fā)光面板包括彼此相對(duì)設(shè)置的前壁和后壁，以及位于該前壁與后壁之間彼此相對(duì)的第一邊緣面和第二邊緣面；所述第一邊緣面透射光；至少一個(gè)第一光源同所述第一邊緣面相關(guān)聯(lián)，在工作時(shí)，發(fā)自所述第一光源的光入射到所述第一邊緣面并散布在發(fā)光面板內(nèi)。
本發(fā)明還涉及一種設(shè)有所述照明系統(tǒng)的顯示器件。
背景技術(shù)：
這類照明系統(tǒng)在本領(lǐng)域是已知的，也稱作邊緣照明系統(tǒng)。它們特別地被用作(圖像)顯示器件例如電視機(jī)和監(jiān)視器中的背光照明系統(tǒng)。這類照明系統(tǒng)尤其適合用作無(wú)源器件例如液晶顯示器件，也稱作LCD面板的背光源，而這些無(wú)源器件通常用在(便攜式)計(jì)算機(jī)或(便攜式)電話中。
所述的顯示器件通常包括設(shè)有規(guī)則的像素圖案的基底，每個(gè)像素用至少一個(gè)電極進(jìn)行控制。這種顯示器件利用控制電路來(lái)在(圖像)顯示器件的(圖像)屏幕的相關(guān)場(chǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)圖像或數(shù)據(jù)圖形的顯示。從LCD器件內(nèi)的背光源發(fā)出的光用開(kāi)關(guān)或調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，其中可以用各種類型的液晶效應(yīng)。另外，顯示器還可以基于電泳效應(yīng)或電動(dòng)機(jī)械效應(yīng)(electromechanical effect)。
這類照明系統(tǒng)也用作普通照明目的的光源，或者商店照明例如商店櫥窗照明或者陳列物品如珠寶的(透明或半透明)玻璃板照明或合成樹(shù)脂板照明的光源。這類照明系統(tǒng)還用作窗玻璃，例如來(lái)促使玻璃幕墻在特定條件下輻射光，或者借助于光來(lái)減少或遮蔽穿過(guò)櫥窗的景象。再一種可供選擇的應(yīng)用是用這類照明系統(tǒng)來(lái)照亮廣告板。
在開(kāi)始部分提到的照明系統(tǒng)中，所用的光源通常是管狀低壓汞汽放電燈，例如一個(gè)或多個(gè)冷陰極熒光燈(CCFL)，在工作期間，由光源發(fā)出的光耦合進(jìn)作為光波導(dǎo)的發(fā)光面板內(nèi)。這種波導(dǎo)通常構(gòu)成為相對(duì)較薄的平面面板，例如由合成樹(shù)脂或玻璃制成，在這種平面面板內(nèi)，光在(全)內(nèi)反射的作用下穿過(guò)光波導(dǎo)進(jìn)行傳送。
作為一種替代的光源，這類照明系統(tǒng)也可以設(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)。這些光源通常設(shè)置在發(fā)光面板其透光邊緣面的附近或者正切該透光邊緣面，在這種情形下，工作期間，發(fā)自光源的光入射到該透光邊緣面，并且散布在面板內(nèi)。
從US5,575,549A可知一種照明系統(tǒng)。從具有均勻亮度的線性光源發(fā)出的光經(jīng)由光入射邊緣面耦合進(jìn)發(fā)光面板內(nèi)，該發(fā)光面板也稱作光導(dǎo)管。透過(guò)所述光入射邊緣面的光的一部分入射到呈圓錐或多角錐形的所謂凹面部分的傾斜表面上。當(dāng)在該光傳導(dǎo)元件內(nèi)光在凹面部分處被反射之后，光就耦合出發(fā)光面板。
然而，這種已知照明系統(tǒng)的缺點(diǎn)是耦合出發(fā)光面板的光的均勻分布性仍然比較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是全部或部分地消除上述的缺點(diǎn)。依照本發(fā)明，在開(kāi)始部分中提到的這種照明系統(tǒng)用于此目的，其特征在于所述發(fā)光面板在從所述第一邊緣面沿朝所述第二邊緣面的方向的加寬區(qū)上逐漸加寬；以及具有許多臺(tái)階的所述后壁設(shè)在所述加寬區(qū)上，這些臺(tái)階面向所述前壁的表面基本平行于所述前壁。
由于這種發(fā)光面板具有從第一邊緣面開(kāi)始加寬的加寬區(qū)，因此只要發(fā)光面板逐漸加寬，在第一邊緣面區(qū)域處耦合進(jìn)發(fā)光面板內(nèi)的光在其穿過(guò)發(fā)光面板從第一邊緣面朝向第二邊緣面的第一次傳播期間就不可能離開(kāi)發(fā)光面板。另外，光在其穿過(guò)發(fā)光面板從第一邊緣面朝向第二邊緣面的第一次傳播期間也不可能在發(fā)光面板的加寬區(qū)的后壁上的臺(tái)階處進(jìn)行折射，因?yàn)榕_(tái)階面向前壁的表面基本平行于前壁。而且，從第一邊緣面穿過(guò)光導(dǎo)加寬區(qū)進(jìn)行傳播的光的角度分布基本保持不變，因?yàn)楣庠诨酒叫械谋砻嫔辖柚谌珒?nèi)反射(TIR)進(jìn)行反射。然而，沿光導(dǎo)中上述加寬區(qū)的相反方向傳播的光經(jīng)歷逐漸變窄的面板，可能會(huì)被臺(tái)階反射或折射，從而可能穿過(guò)前表面而耦合出。為了使光穿過(guò)前表面耦合出光導(dǎo)，需要在光從第一邊緣面?zhèn)鞑ブ恋诙吘壝嬷筮M(jìn)行反射，以便在反射后光傳播穿過(guò)非加寬區(qū)，例如逐漸變窄的面板，或者需要使面板既包括至少一個(gè)加寬區(qū)，也包括至少一個(gè)非加寬區(qū)，例如一個(gè)逐漸變窄區(qū)。替代地，該面板包括一加寬區(qū)，繼之是設(shè)有雙向光抽取的光導(dǎo)。由于在穿過(guò)發(fā)光面板的加寬區(qū)的第一次傳播期間被耦合進(jìn)第一邊緣面內(nèi)的光不可能離開(kāi)該發(fā)光面板，因此這就促使光在此次傳播期間散布在面板內(nèi)，同時(shí)也促使發(fā)自兩個(gè)或多個(gè)可能不同顏色光源的光滿意地進(jìn)行混合。光的這種良好的分布和/或混合也促進(jìn)耦合出發(fā)光面板的光的均勻性。對(duì)于穿過(guò)加寬發(fā)光面板的第一路徑上的光，發(fā)光面板就好像一個(gè)光混合腔。這類光混合腔通常設(shè)在已知照明系統(tǒng)的發(fā)光面板的外部，從而這類光混合腔就不必要地占據(jù)大量的空間。因此，依照本發(fā)明的措施，光混合腔集成在發(fā)光面板內(nèi)，從而節(jié)省相當(dāng)大的空間。
應(yīng)當(dāng)注意，楔形發(fā)光面板在本領(lǐng)域是已知的(例如，參看US5,575,549A中公開(kāi)的照明系統(tǒng))，但是這種已知的楔形發(fā)光面板在光耦合進(jìn)發(fā)光面板內(nèi)的邊緣面區(qū)域處最寬，而在第二邊緣面區(qū)域處最窄。
根據(jù)本發(fā)明的措施，可以獲得一種特別緊湊的照明系統(tǒng)，由這種照明系統(tǒng)發(fā)出的光具有極高的分布均勻性。從而，特別是在(圖像)顯示器件的情形中可以實(shí)現(xiàn)一種更加均勻照明的顯示器件。
依照本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式的照明系統(tǒng)，其特征在于所述第一邊緣面的表面面積S1與所述發(fā)光面板內(nèi)基本平行于所述第一邊緣面(4)的最大橫截面S1cs的比滿足關(guān)系式1＜S1cs/S1＜10。
發(fā)自所述光源并耦合進(jìn)發(fā)光面板的光具有在約+42°至-42°之間變化的角度分布。第一邊緣面的表面面積S1與發(fā)光面板處于最大厚度的橫截面S1cs的比的下限，即S1cs/S1＞1，由下列事實(shí)給出發(fā)光面板在至少鄰近第一邊緣面的加寬區(qū)處至少是楔形的。比S1cs/S1＜10的上限取決于發(fā)光面板不應(yīng)變得太厚的意愿。原則上，例如顯示器件的尺寸(屏幕直徑)決定發(fā)光面板的尺寸(直徑)。若第一邊緣面具有2mm的厚度，那么等式S1cs/S1＝10就意味著發(fā)光面板的第二邊緣面或者在發(fā)光面板最大厚度處平行于第一邊緣面的橫截面將具有20mm的厚度。在這么高比例的情形中，發(fā)光面板制造的簡(jiǎn)易性同時(shí)減小。
優(yōu)選地，所述S1cs/S1比滿足關(guān)系1.5＜S1cs/S1＜3。其中S1cs/S1比位于該優(yōu)選范圍內(nèi)的發(fā)光面板可以在(注塑)模制工藝中容易地制造。特別合適的比是S1cs/S1≈2。例如，第一邊緣面的合適厚度是3mm，這意味著對(duì)于S1cs/S1＝2，發(fā)光面板的最大厚度是6mm。對(duì)于第一邊緣面，替代的合適厚度是1mm，這意味著，在S1cs/S1＝2的情形中，發(fā)光面板的最大厚度是2mm。
依照本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式的照明系統(tǒng)，其特征在于所述第二邊緣面相對(duì)于發(fā)光面板內(nèi)的光是反射的。由于發(fā)自所述光源的光穿過(guò)發(fā)光面板加寬區(qū)的第一次傳播主要是用來(lái)均勻地散布和混合該光，同時(shí)在加寬區(qū)內(nèi)光在開(kāi)始返回傳播穿過(guò)發(fā)光面板之前不可能耦合出發(fā)光面板，因此對(duì)于該光，很重要的是要在第二邊緣面處進(jìn)行反射。
在依照本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式的照明系統(tǒng)中，第二邊緣面的表面是鏡面或漫反射的，或者設(shè)有鏡面或漫反射材料。漫反射可以促進(jìn)光角度分布的隨機(jī)化或變得平滑。這樣，可以使照明系統(tǒng)難以覺(jué)察光源的輻射圖。在鏡面反射表面處的反射可以提供一種高效率的方式來(lái)將光保持在發(fā)光面板內(nèi)部。反射材料可以是例如設(shè)在相關(guān)邊緣面上的箔。
在依照本發(fā)明另一種替代實(shí)施方式的照明系統(tǒng)中，第二邊緣面是有小平面的。在相應(yīng)邊緣面上刻畫(huà)小平面使得在反射期間沿不同方向引導(dǎo)光成為可能。由此也可以有利地來(lái)影響該光的角度分布。在又一種替代實(shí)施方式的照明系統(tǒng)中，第二邊緣面與發(fā)光面板的后壁成一定的角度，該角度大于90°。
依照本發(fā)明，因?yàn)榭梢栽谥饾u加寬的發(fā)光面板的較厚端處采用鏡面反射，因此可以使用所謂的“雙倍逐漸加寬”發(fā)光面板，其結(jié)構(gòu)類似于兩個(gè)上述的發(fā)光面板其厚端相互附著在一起。因此，依照本發(fā)明一種特別優(yōu)選實(shí)施方式的照明系統(tǒng)，其特征在于第二邊緣面是透射光的，一個(gè)第二光源同所述第二邊緣面相關(guān)聯(lián)；在工作時(shí)，發(fā)自所述第二光源的光入射到第二邊緣面并散布在所述發(fā)光面板內(nèi)；以及所述發(fā)光面板從所述第二邊緣面沿朝所述第一邊緣面的方向逐漸加寬。很顯然，從第一邊緣面以及從第二邊緣面開(kāi)始加寬的發(fā)光面板在發(fā)光面板的中心某處達(dá)到其最大的尺寸。
替代地，依照本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式的照明系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)光面板包括位于所述加寬區(qū)與所述第二邊緣面之間的設(shè)有雙向光抽取的光導(dǎo)部分。對(duì)于具有相對(duì)大尺寸的發(fā)光面板的照明系統(tǒng)，這是特別有利的。這樣，發(fā)光面板的厚度就有所限制，并結(jié)合有良好的光混合性質(zhì)，且使從發(fā)光面板耦合出的光具有極高的均勻度。
優(yōu)選地，發(fā)光面板的雙向光抽取光導(dǎo)部分的后壁設(shè)有一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過(guò)局部中斷全內(nèi)反射來(lái)抽取光。
在依照本發(fā)明一種更加優(yōu)選實(shí)施方式的照明系統(tǒng)中，位于發(fā)光面板的雙向光抽取光導(dǎo)部分的后壁上的所述結(jié)構(gòu)用許多臺(tái)階來(lái)形成，這些臺(tái)階面向前壁的表面基本平行于前壁。
本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式的照明系統(tǒng)，其特征在于在發(fā)光面板的后壁上的所述臺(tái)階的其它表面相對(duì)于所述前壁的法線成β角，其中-48°≤β≤48°。該β角的邊界值取決于發(fā)光面板制作材料的折射率與發(fā)光面板周圍材料的折射率之比。具體地，β滿足關(guān)系式β＝arcsin(nam/n1ep)，其中n1ep是發(fā)光面板的折射率，nam是周圍材料的折射率。舉例來(lái)說(shuō)，若發(fā)光面板是由折射率ng1＝1.45的玻璃制成，而且周圍材料是nair＝1的空氣，則β＝arcsin(1/1.45)≈44°。通過(guò)避免使β角超過(guò)全內(nèi)反射的臨界角，光在其穿過(guò)發(fā)光面板的第一次傳播期間就不可能被基本準(zhǔn)直，這在鏡面反射鏡位于第二邊緣面處的情形中是很有利的。優(yōu)選地，β角位于0≤β≤48°的范圍。在β角位于該優(yōu)選范圍內(nèi)時(shí)，一旦光被反射，光很容易耦合出發(fā)光面板。入射到臺(tái)階其它表面上的光可以穿過(guò)后壁耦合出發(fā)光面板，然后再反射回來(lái)進(jìn)入發(fā)光面板，或者可以直接被反射射向前壁，隨后可能穿過(guò)后壁的表面耦合出。通過(guò)調(diào)節(jié)β角，這兩種作用可以被一起用來(lái)獲得穿過(guò)前壁耦合出的光的均勻分布。替代地，β角可以被調(diào)節(jié)以使對(duì)直接反射部分的影響最小。對(duì)于這種情形，優(yōu)選選擇的β角是0°。如果鏡面反射器位于臺(tái)階之上或者直接在臺(tái)階之后，優(yōu)選選擇的β角是大約45°，以使穿過(guò)前壁的表面從發(fā)光面板抽取的光的效率最大，和使抽取出的光的均勻性最大。
所用的光源可以用LED形成，例如白色LED或不同類型的LED和/或彼此相互組合的不同顏色的LED。通過(guò)合適的使用LED，顏色可以以期望的方式進(jìn)行混合，例如形成期望色溫的白光。為此，依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的照明系統(tǒng)，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，該光源包括三個(gè)發(fā)光二極管。采用單一白色LED是有利的，因?yàn)榘l(fā)光面板的加寬區(qū)被用來(lái)均化發(fā)光面板內(nèi)光的分布。這些LED優(yōu)選包括本領(lǐng)域已知的紅色、綠色和藍(lán)色LED的組合，或者，例如紅色、綠色、藍(lán)色和琥珀色LED的組合。具有三種光發(fā)射波長(zhǎng)的LED也可以借助于兩個(gè)具有不同光發(fā)射波長(zhǎng)的LED來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中一種類型的LED(部分地)設(shè)有磷，以便用磷使該LED的光發(fā)射轉(zhuǎn)換成第三種光，即期望的光發(fā)射波長(zhǎng)。本領(lǐng)域已知的紅色、綠色和藍(lán)色LED的組合使得它能夠不依賴于顯示器件的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)顏色變化。LED的使用還具有的優(yōu)點(diǎn)在于可以獲得動(dòng)態(tài)的照明。為此，傳感器設(shè)在其中一個(gè)邊緣面處，測(cè)量在工作期間由光源發(fā)出的光的光學(xué)性質(zhì)。
LED所發(fā)出的光量是可調(diào)節(jié)的，因?yàn)榘l(fā)光二極管的光通量是變化的。這種對(duì)光通量的控制通常是以有效能量的方式進(jìn)行。因此，LED可以變得很微弱，而功效方面不會(huì)有顯著的損失。優(yōu)選地，由發(fā)光二極管所發(fā)出光的強(qiáng)度根據(jù)要被顯示器件顯示的圖像的照度級(jí)來(lái)變化，或者根據(jù)環(huán)境光的照度級(jí)來(lái)變化。優(yōu)選地，由顯示器件顯示的圖像的色點(diǎn)(colorpoint)取決于照明系統(tǒng)。由此，可以獲得被顯示器件顯示的圖像的(改進(jìn)的)動(dòng)態(tài)范圍(例如對(duì)比度)。
優(yōu)選地，每個(gè)發(fā)光二極管都具有至少51m的光通量。具有這種相對(duì)高輸出的LED也表示作LED功率組。這些高效率、高輸出LED的使用具有特別的優(yōu)勢(shì)，即期望的相對(duì)高的光輸出所需要的LED的數(shù)目可以相對(duì)很少。這有助于使要制造的照明系統(tǒng)具有緊湊的結(jié)構(gòu)和高效率。對(duì)于具有LED的照明系統(tǒng)，使用LED的其他優(yōu)點(diǎn)在于相對(duì)較長(zhǎng)的使用壽命，相對(duì)低的能量消耗，以及很低的維護(hù)成本。
在具有楔形發(fā)光面板的照明系統(tǒng)中，可以用相當(dāng)長(zhǎng)的長(zhǎng)度來(lái)混合各種光的顏色，直至達(dá)到所期望的顏色混合，例如預(yù)定色溫的白光，其中該發(fā)光面板從第一邊緣面開(kāi)始加寬，而且光在穿過(guò)該發(fā)光面板的加寬區(qū)的第一次傳播期間不可能耦合出。以這種方式就可以實(shí)現(xiàn)具有光源的相對(duì)較大尺寸的發(fā)光面板，所述光源整個(gè)地包括例如僅僅六個(gè)乃至至多三個(gè)具有不同光發(fā)射波長(zhǎng)的(高輸出)發(fā)光二極管。在一種替代的實(shí)施方式中，單個(gè)LED就足夠了。在這種已知的照明系統(tǒng)中，對(duì)于這類有限數(shù)目的LED，通常需要相當(dāng)大尺寸的光混合腔，以使光充分地散布，而且在多個(gè)LED的情形中，光在發(fā)光面板內(nèi)充分地混合，來(lái)提供均勻且同質(zhì)的從發(fā)光面板沿(圖像)顯示器件的方向耦合出的光。
在另一種優(yōu)選實(shí)施方式中，照明系統(tǒng)包括用來(lái)改變光源的光通量的電子控制器。借助于適當(dāng)?shù)碾娮涌刂破鱽?lái)實(shí)現(xiàn)期望的照明效果，并且改善所發(fā)出光的均勻性。利用適當(dāng)?shù)腖ED組合也可以獲得白光，因?yàn)殡娮涌刂破魈峁┝苏{(diào)節(jié)期望色溫的可能性。
借助于本發(fā)明的措施，可以得到特別緊湊的照明系統(tǒng)，由該照明系統(tǒng)發(fā)出的光具有很高的分布均勻性。由此，特別是在(圖像)顯示器件的情形中可以獲得更加均勻照明的顯示器件。


現(xiàn)在，參看一些實(shí)施方式和附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，在附圖中圖1是包括依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的照明系統(tǒng)的顯示器件的橫截面圖；圖2是包括依照本發(fā)明一種替代實(shí)施方式的照明系統(tǒng)的顯示器件的橫截面圖；圖3A是位于圖1或2所示照明系統(tǒng)后壁上的臺(tái)階的一種實(shí)施方式的橫截面圖；圖3B是位于圖1或2所示照明系統(tǒng)后壁上的臺(tái)階的一種替代實(shí)施方式的橫截面圖；圖4是包括依照本發(fā)明另一種實(shí)施方式的照明系統(tǒng)的顯示器件的橫截面圖；圖5是包括依照本發(fā)明包括又一種替代實(shí)施方式的照明系統(tǒng)的顯示器件的橫截面圖；這些附圖僅僅是圖解性的，并未嚴(yán)0按比例繪制。為了清楚起見(jiàn)，尤其是一些尺寸被顯著地夸大。在整個(gè)附圖中，相同的部件盡可能給出的是相同的參考數(shù)字。
具體實(shí)施例方式
圖1是包括依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的照明系統(tǒng)的顯示器件的圖解性截面圖。這種照明系統(tǒng)包括光透射材料的發(fā)光面板1。該發(fā)光面板1例如由合成樹(shù)脂，丙烯，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸甲酯如有機(jī)玻璃(perspex)，或玻璃制成。在工作時(shí)，利用全內(nèi)反射(TIR)，光穿過(guò)發(fā)光面板1傳送。發(fā)光面板1具有彼此相對(duì)的前壁2和后壁3。另外，在圖1的實(shí)施例中，在發(fā)光面板1的前壁2和后壁3之間還有第一邊緣面4和第二邊緣面5，其中該第一邊緣面4透射光。這種照明系統(tǒng)包括光源6，例如多個(gè)發(fā)光二極管(LED)。在圖1所示的情形中，工作時(shí)，發(fā)自光源6的光入射到發(fā)光面板1的第一邊緣面4上，然后光散布在發(fā)光面板1內(nèi)。設(shè)置反射器部件16用來(lái)將LED的光導(dǎo)進(jìn)發(fā)光面板1內(nèi)。在一種替代的實(shí)施方式中，這些LED設(shè)在發(fā)光面板的內(nèi)部。為此，發(fā)光面板可以設(shè)有凹槽(indentation)，該凹槽的形狀基本上與光源的形狀互補(bǔ)。在這種情形中，凹槽起著第一邊緣面的作用。
發(fā)光面板1的后壁3上設(shè)有多個(gè)臺(tái)階13，13’...(同樣參看圖3A和3B)。依照本發(fā)明的措施，發(fā)光面板1在從第一邊緣面4沿朝著第二邊緣面5的方向的加寬區(qū)100上逐漸加寬并且向第二邊緣面5延伸，面向前壁2的臺(tái)階13，13’...的表面17基本平行于前壁2。
光在發(fā)光面板1的薄端(第一邊緣面4)處耦合進(jìn)發(fā)光面板1，并朝發(fā)光面板1的厚端(第二邊緣面5)傳播。在圖1的實(shí)施例中，第二邊緣面5是發(fā)光面板1達(dá)到其最大橫截面S1cs所在的部分。在光的傳播過(guò)程中，發(fā)光面板1的作用就像平面的光導(dǎo)一樣，盡管其厚度取決于所處的位置。這就意味著，在發(fā)光面板1內(nèi)，輻射圖在朝向發(fā)光面板1的厚端(第二邊緣面5)的路徑上保持未變。在第二邊緣面5處，光被反射，再次開(kāi)始朝著發(fā)光面板1的薄端(第一邊緣面4)傳播。然而，入射到發(fā)光面板1的后壁上設(shè)置的臺(tái)階13，13’...的另一些表面18中的任何一個(gè)上的每條光線都將被(幾乎完全地)耦合出發(fā)光面板1。為了獲得以這種方式從發(fā)光面板1抽取的同質(zhì)光通量密度，可以采用減少節(jié)距和/或增加高度的臺(tái)階13，13’...。
優(yōu)選地，在鄰近發(fā)光面板1的后壁3處設(shè)置漫反射器9。這種反射器9用來(lái)將穿過(guò)發(fā)光面板1的光再次引向前壁2，在前壁2處光從發(fā)光面板1發(fā)出(參看圖1中示出的例舉性光線)。另外，前壁2上設(shè)有半透明漫射器8。優(yōu)選地，第二邊緣面5是鏡面或漫反射的，或者設(shè)有鏡面或漫反射材料。在一種替代的實(shí)施方式中，第二邊緣面是有小平面的。
工作時(shí)，發(fā)光面板1沿顯示器件例如液晶顯示器件20的方向發(fā)出光。光源6、發(fā)光面板1和LCD器件20的組件，不論是否容納在外殼(圖1中未示出)內(nèi)，形成一個(gè)顯示例如(視頻)圖像的顯示器件。發(fā)光面板1還可以設(shè)有傳感器(圖1中未示出)，測(cè)量光的光學(xué)性質(zhì)。該傳感器被耦合用來(lái)控制適當(dāng)?shù)匦薷墓庠?的光通量的電子儀器(圖1中未示出)。利用該傳感器和該電子控制器(control electronics)，可以實(shí)現(xiàn)一種反饋機(jī)構(gòu)，來(lái)影響從發(fā)光面板1耦合出的光的質(zhì)量和數(shù)量。
優(yōu)選地，光源6包括具有藍(lán)色、綠色、紅色光發(fā)射波長(zhǎng)的三個(gè)發(fā)光二極管(LED)。LED的光源亮度通常比熒光管的光源亮度要高很多倍。另外，在使用LED時(shí)，光耦合進(jìn)面板的效率也比使用熒光管時(shí)要高。因此，用LED作為光源就具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即這些LED可以對(duì)著由合成樹(shù)脂制成的面板而放置。而且，LED幾乎不會(huì)沿著發(fā)光面板1的方向傳遞任何熱量，同時(shí)LED也不會(huì)產(chǎn)生有害(UV)輻射。另外，用LED具有的優(yōu)點(diǎn)還有，不需要任何裝置將發(fā)自LED的光耦合進(jìn)面板。在照明系統(tǒng)中，這些LED可以包括適當(dāng)挑選的藍(lán)色、綠色、紅色LED組，或者適當(dāng)替換的單色或雙色LED的組合，或者多個(gè)具有高光通量的白色LED。
用在照明系統(tǒng)中的LED優(yōu)選是每個(gè)都具有至少50mW光功率的LED。具有這種高輸出的LED也稱作LED電源組。功率型LED的例子有“LuxeonTM”型(lumileds)LED，對(duì)紅色LED，綠色LED，藍(lán)色LED以及琥珀色LED，每個(gè)LED的光通量分別是351m，301m，81m和401m。在替代的實(shí)施方式中，使用具有比較高光輸出的黃色、琥珀色、藍(lán)綠色、品紅色(magenta)和/或紫色LED(不論是否在兩種頻譜光發(fā)射波長(zhǎng)的輔助下)。同時(shí)，也可以使用多個(gè)高光通量的白色LED。在另一些替代實(shí)施方式中，紅色LED可以與設(shè)有磷的藍(lán)色LED組合使用，以使藍(lán)色LED在兩種光譜帶即藍(lán)帶和綠帶中發(fā)光。
優(yōu)選地，這些LED固定在(金屬芯子的)印刷電路板上。在功率型LED設(shè)在這種(金屬芯子的)印刷電路板(PCB)上時(shí)，由LED產(chǎn)生的熱量很容易會(huì)被PCB借助于熱傳導(dǎo)去除。這種照明系統(tǒng)的一種感興趣的實(shí)施方式是(金屬芯子的)印刷電路板經(jīng)由熱傳導(dǎo)連接接觸顯示器件的外殼。
優(yōu)選地，第一邊緣面4的表面面積S1與發(fā)光面板內(nèi)基本平行于第一邊緣面(4)的最大橫截面S1cs的比滿足關(guān)系式1＜S1cs/S1＜10。
圖1圖解性地示出從光源6開(kāi)始的輻射路徑。發(fā)自光源6并耦合進(jìn)發(fā)光面板1內(nèi)的光具有的角度分布在約+45°和-45°之間變化(該角度分布取決于光從空氣到玻璃或到透明合成樹(shù)脂或者從LED周圍的合成樹(shù)脂到發(fā)光面板的折射率，當(dāng)這些材料光學(xué)接觸時(shí))。由于全內(nèi)反射，發(fā)自光源6的光在發(fā)光面板1的前壁2和后壁3處反射，同時(shí)，因?yàn)榘l(fā)光面板1在加寬區(qū)100上逐漸加寬，即入射角(相對(duì)于前壁2或后壁3的垂向)大于所謂的全內(nèi)反射臨界角，所以光不可能耦合出去。實(shí)際上，由于發(fā)光面板1在其加寬區(qū)100上從第一邊緣面4開(kāi)始加寬，而且臺(tái)階13，13’...的表面17基本平行于發(fā)光面板1的前壁2，因此連續(xù)的入射角基本保持相同。隨后，光在第二邊緣面5處反射。在光穿過(guò)發(fā)光面板1的返回路徑上，光面向逐漸變窄的發(fā)光面板1。光可以入射到臺(tái)階13，13’...的其它表面18的其中一個(gè)上，在其上光被鄰近于后壁3而設(shè)的漫反射器9反射，并耦合出發(fā)光面板1。在圖1中這種情形圖解性地用箭頭所示。
依照本發(fā)明，由于這種發(fā)光面板在其加寬區(qū)域100上從第一邊緣面4開(kāi)始加寬，而且臺(tái)階13，13’...的表面17基本平行于前壁2，因此光在從第一邊緣面4傳播穿過(guò)發(fā)光面板1的加寬區(qū)100的第一次傳播期間不可能離開(kāi)發(fā)光面板1。從而，這就促進(jìn)光在穿過(guò)發(fā)光面板1的第一次傳播期間進(jìn)行自我分布，并在發(fā)光面板1內(nèi)進(jìn)行混合。而且，良好的光分布和/或混合還促進(jìn)從發(fā)光面板1耦合出的光的均勻性和同質(zhì)性。諸如圖1中所示的發(fā)光面板1充當(dāng)著在光穿過(guò)加寬發(fā)光面板的第一次傳播期間的光混合腔的作用。依照本發(fā)明的措施，光混合腔就如同集成在發(fā)光面板內(nèi)，從而節(jié)省相當(dāng)多的空間。借助于本發(fā)明的措施，可以獲得特別緊湊的照明系統(tǒng)，而且由這種照明系統(tǒng)發(fā)出的光分布極其均勻。由此獲得更加均勻照明的(圖像)顯示系統(tǒng)。優(yōu)選地，S1cs/S1的比滿足關(guān)系1.5＜S1cs/S1＜3。S1cs/S1比位于該優(yōu)選范圍內(nèi)的發(fā)光面板可以在(注射)模塑過(guò)程中容易地制造。特別合適的比是S1cs/S1≈2。
圖2示意性地示出包括本發(fā)明一種替代實(shí)施方式的照明系統(tǒng)的顯示器件的橫截面圖。這種照明系統(tǒng)包括光透射材料的發(fā)光面板11。在工作時(shí)，利用全內(nèi)反射(TIR)，光穿過(guò)發(fā)光面板11傳送。發(fā)光面板11具有彼此相對(duì)的前壁2和后壁3。另外，在發(fā)光面板1的前壁2和后壁3之間，還有第一邊緣面14和第二邊緣面15，在本實(shí)施方式中這兩個(gè)邊緣面14，15都透射光。這種照明系統(tǒng)包括光源6，7，例如多個(gè)發(fā)光二極管(LED)。在圖2所示的情形中，在工作時(shí)，發(fā)自光源6，7的光分別入射到發(fā)光面板11的第一邊緣面14和第二邊緣面15上，然后光散布在發(fā)光面板1內(nèi)。設(shè)置反射器裝置16，27用來(lái)將LED的光導(dǎo)引進(jìn)發(fā)光面板11內(nèi)。發(fā)光面板11的后壁3上設(shè)有很多臺(tái)階13，13’...(同樣參看圖3A和3B)。依照本發(fā)明的這種實(shí)施方式，發(fā)光面板1在從第一邊緣面14沿朝著第二邊緣面15的方向的第一加寬區(qū)110上逐漸加寬，同時(shí)，發(fā)光面板11還在從第二邊緣面15沿朝著第一邊緣面14的方向的第二加寬區(qū)111上逐漸加寬。另外，面向前壁2的臺(tái)階13，13’...的表面17基本平行于前壁2。光在兩個(gè)薄端(第一和第二邊緣面4，5)處耦合進(jìn)發(fā)光面板11內(nèi)，并朝著發(fā)光面板11的中心部分傳播，發(fā)光面板11在該中心部分處的厚度大于在第一和第二邊緣面14，15處的厚度。在圖2的實(shí)施例中，這個(gè)中心部分是第一和第二加寬區(qū)110，111彼此適合的位置，在該位置處，發(fā)光面板11的橫截面達(dá)到最大S1cs。優(yōu)選地，漫反射器9，9’相鄰于發(fā)光面板1的后壁3被設(shè)置。另外，前壁2上設(shè)置有半透明漫射器8。
在工作期間，發(fā)光面板11沿顯示器件例如液晶顯示器件20的方向發(fā)出光。光源6、發(fā)光面板11和LCD器件20的組件，不論是否被容納在外殼(圖2中未示出)內(nèi)，都形成一個(gè)顯示例如(視頻)圖像的顯示器件。優(yōu)選地，光源6，7包括具有藍(lán)，綠和紅光發(fā)射波長(zhǎng)的三個(gè)發(fā)光二極管(LED)。
在圖2中所示的發(fā)光面板的一種替代實(shí)施方式中，在第二邊緣面處省略掉第二光源，而且第二邊緣面是反射的。
圖3A示出在如圖1或2所示照明系統(tǒng)的后壁上的臺(tái)階的一種實(shí)施方式的詳細(xì)橫截面圖。這些臺(tái)階13，13’...的表面17基本平行于前壁2。在圖3A的實(shí)施例中，這些臺(tái)階13，13’...的其它表面18基本正交于臺(tái)階13，13’...的表面17。
圖3B示出在如圖1或2所示照明系統(tǒng)的后壁上的臺(tái)階的一種替代實(shí)施方式的詳細(xì)橫截面圖。這些臺(tái)階13，13’...的表面17基本平行于前壁2。在圖3B的實(shí)施例中，這些臺(tái)階13，13’...的其它表面18與臺(tái)階13，13’...的表面17成一定的角度。在圖3B中，相對(duì)于前壁的法線，該角度示出為β角。對(duì)于β角的值，可以取多種數(shù)值。優(yōu)選地，-48°≤β≤48°。在0≤β≤48°的條件下，則發(fā)光面板更容易被制造。在圖3A所示的情形中，β≈0°，這是一種特別有利的實(shí)施方式。在一種替代的實(shí)施方式中，這些臺(tái)階的形狀是凹凸形。這種凹凸形狀有利于發(fā)光面板的制造。
圖4示意性地示出包括本發(fā)明另一種實(shí)施方式的照明系統(tǒng)的顯示器件的橫截面圖。這種照明系統(tǒng)包括光透射材料的發(fā)光面板1。該發(fā)光面板具有加寬區(qū)110，而且包括一個(gè)位于加寬區(qū)110和第二邊緣面5之間的光導(dǎo)部分120，以提供雙向的光抽取(extraction)。在該雙向光抽取的光導(dǎo)部分120處，在發(fā)光面板1的后壁3上設(shè)有一個(gè)通過(guò)局部地中斷全內(nèi)反射來(lái)抽取光的結(jié)構(gòu)30。在圖4所示的實(shí)施方式中，用多個(gè)臺(tái)階130來(lái)形成在該雙向光抽取的光導(dǎo)部分處在后壁上的結(jié)構(gòu)30，臺(tái)階130面向前壁的表面170基本平行于該前壁。其它形成該光抽取結(jié)構(gòu)的可能技術(shù)例如有屏幕印刷點(diǎn)(screen printed dot)和像凹槽的微結(jié)構(gòu)。
在該示出的實(shí)施方式中，發(fā)光面板的前壁2和后壁3在雙向光抽取的光導(dǎo)部分上基本平行。
圖5示意性地示出包括本發(fā)明又一種替代實(shí)施方式的照明系統(tǒng)的顯示器件的橫截面圖。在該示出的實(shí)施方式中，位于雙向光抽取的光導(dǎo)部分處的發(fā)光面板的前壁2和后壁3彼此相對(duì)地沿第二邊緣面的方向稍稍地逐漸變細(xì)。
在又一種替代實(shí)施方式(未示出)中，發(fā)光面板包括從第一邊緣面開(kāi)始加寬的第一加寬區(qū)，雙向光抽取的光導(dǎo)部分以及從第二邊緣面開(kāi)始加寬的第二加寬區(qū)。
對(duì)于本領(lǐng)域的熟練人員來(lái)說(shuō)，很明顯，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)做出許多改變。盡管依照本發(fā)明采用的發(fā)光面板是直線平行的臺(tái)階(β角≈0)，但從發(fā)光面板發(fā)出的光的通量密度分布可以很容易地作為沿垂直于光源的直線的位置的函數(shù)來(lái)進(jìn)行控制。另外，可以在發(fā)光面板前壁的頂部上使用相對(duì)簡(jiǎn)單的半透明漫射器。優(yōu)選地，可以鄰近于后壁使用簡(jiǎn)單的白光漫射器。因?yàn)槁瓷淦骺梢杂迷凇芭_(tái)階”后面，所以從面板發(fā)出的光本身已經(jīng)形成很寬的角度分布，這對(duì)于寬視角面板是非常有利的。此外，發(fā)光面板可以被注塑模制(injection mold)，當(dāng)采用相對(duì)小的LED，或至少在一維方向上很小的LED或LED組件時(shí)，這是特別有利的。
本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上面給出的實(shí)施方式，而是在于每個(gè)新穎的性質(zhì)和這些性質(zhì)的每種組合。權(quán)利要求書(shū)的參考數(shù)字并不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。詞語(yǔ)“包括”及其同義詞的使用并不排除權(quán)利要求中除那些具體限定元件之外其它元件的存在。元件前的不定冠詞“一個(gè)”的使用也不排除多個(gè)這類元件的存在。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)有發(fā)光面板的照明系統(tǒng)，所述發(fā)光面板包括彼此相對(duì)設(shè)置的前壁和后壁，以及位于該前壁與后壁之間彼此相對(duì)的第一邊緣面和第二邊緣面；所述第一邊緣面透射光；至少一個(gè)第一光源同所述第一邊緣面相關(guān)聯(lián)，在工作時(shí)，發(fā)自所述第一光源的光入射到所述第一邊緣面并且散布在發(fā)光面板內(nèi)；其特征在于，所述發(fā)光面板在從所述第一邊緣面沿朝所述第二邊緣面的方向的加寬區(qū)上逐漸加寬；以及具有多個(gè)臺(tái)階的所述后壁設(shè)在所述加寬區(qū)上，這些臺(tái)階面向所述前壁的表面基本平行于所述前壁。
2.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于所述第一邊緣面的表面面積S1與所述發(fā)光面板內(nèi)基本平行于所述第一邊緣面的最大橫截面Slcs的比滿足關(guān)系式1＜Slcs/S1＜10。
3.如權(quán)利要求2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于所述Slcs/S1比滿足關(guān)系式1.5＜Slcs/S1＜3。
4.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于所述第二邊緣面相對(duì)于所述發(fā)光面板內(nèi)的光是反射的。
5.如權(quán)利要求4所述的照明系統(tǒng)，其特征在于所述第二邊緣面的表面是鏡面反射或漫反射地，或者設(shè)有鏡面反射或漫反射材料。
6.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于所述第二邊緣面透射光，一個(gè)第二光源同所述第二邊緣面相關(guān)聯(lián)；在工作時(shí)，發(fā)自所述第二光源的光入射到第二邊緣面并且散布在所述發(fā)光面板內(nèi)；以及所述發(fā)光面板從所述第二邊緣面沿朝所述第一邊緣面的方向逐漸加寬。
7.如權(quán)利要求1，2或6所述的照明系統(tǒng)，其特征在于所述臺(tái)階的其它面相對(duì)于所述前壁的法線成β角，且-48°≤β≤48°。
8.如權(quán)利要求7所述的照明系統(tǒng)，其特征在于所述β角位于0≤β≤48°的范圍。
9.如權(quán)利要求1，2或6所述的照明系統(tǒng)，其特征在于所述前壁設(shè)有半透明漫射器。
10.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)光面板包括位于所述加寬區(qū)與所述第二邊緣面之間的設(shè)有雙向光抽取的光導(dǎo)部分。
11.如權(quán)利要求10所述的照明系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)光面板位于所述雙向光抽取的光導(dǎo)部分處的所述后壁上設(shè)有通過(guò)局部中斷全內(nèi)反射來(lái)抽取光的結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求10所述的照明系統(tǒng)，其特征在于位于所述雙向光抽取的光導(dǎo)部分處的后壁上的所述結(jié)構(gòu)用多個(gè)臺(tái)階來(lái)形成，這些臺(tái)階面向所述前壁的表面基本平行于所述前壁。
13.如權(quán)利要求1，2或6所述的照明系統(tǒng)，其特征在于所述光源包括一個(gè)白色LED或者具有不同光發(fā)射波長(zhǎng)的至少兩個(gè)發(fā)光二極管。
14.如權(quán)利要求13所述的照明系統(tǒng)，其特征在于所述每個(gè)發(fā)光二極管都具有至少51m的光通量。
15.一種顯示器件，設(shè)有如權(quán)利要求1，2或6的照明系統(tǒng)。
16.如權(quán)利要求13所述的顯示器件，該顯示器件包括液晶顯示器。
全文摘要
一種緊湊型照明系統(tǒng)，具有發(fā)光面板(1)，該發(fā)光面板(1)包括彼此相對(duì)設(shè)置的前壁(2)和后壁(3)，以及位于該前壁(2)與后壁(3)之間彼此相對(duì)的第一邊緣面(4)和第二邊緣面(5)。一個(gè)第一光源(6)同透射光的所述第一邊緣面(4)相關(guān)聯(lián)。依照本發(fā)明，所述發(fā)光面板(1)在從所述第一邊緣面(4)沿朝所述第二邊緣面(5)的方向的加寬區(qū)(100)上逐漸加寬，具有許多臺(tái)階(13，13；…)的所述后壁(3)設(shè)在所述加寬區(qū)(100)上，這些臺(tái)階面向所述前壁(2)的表面(17)基本平行于所述前壁(2)。優(yōu)選地，所述第一邊緣面(4)的表面面積S
文檔編號(hào)F21Y101/02GK1643409SQ03806887
公開(kāi)日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2003年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月28日
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