專利名稱：照明系統(tǒng)、光混合腔及顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于照亮顯示裝置的照明系統(tǒng)，它包括發(fā)光板，該發(fā)光板具有光發(fā)射窗和至少一個用于將光耦合到發(fā)光板中的光耦合邊緣區(qū)；以及光混合腔，其縱向平行于光耦合邊緣區(qū)而延伸，所述光混合腔具有光源并且與光耦合邊緣區(qū)相連。
本發(fā)明也涉及一種用于照明系統(tǒng)的光混合腔。
本發(fā)明還涉及一種包括所述照明系統(tǒng)的顯示裝置。
所述顯示裝置通常包括設(shè)有像素的規(guī)則圖案的襯底，各像素均由至少一個電極驅(qū)動。為了在(圖像)顯示裝置的(顯示)屏的相關(guān)區(qū)域內(nèi)重現(xiàn)圖像或信息圖形表示，顯示裝置采用了控制電路。在LCD裝置中，源于背光的光線由開關(guān)或調(diào)制器調(diào)制，同時應(yīng)用各種類型的液晶效應(yīng)。另外，顯示也可以基于電泳效應(yīng)或機電效應(yīng)。
在開始的段落中提及的照明系統(tǒng)中，通常采用管狀低壓汞蒸汽放電燈、如一個或多個小型熒光燈作為光源。在工作時，由光源發(fā)出的光被耦合到作為光波導(dǎo)的發(fā)光板中。光波導(dǎo)通常是由例如合成樹脂或玻璃制成的較薄和較平的板，在(全)內(nèi)反射的作用下通過光波導(dǎo)傳送光。
這種照明系統(tǒng)也可以配備多個光電元件形式的另一種光源，這些光電元件也稱為電光元件、如電致發(fā)光元件，例如發(fā)光二極管(LED)。這些光源通常設(shè)置在發(fā)光板的透光邊緣區(qū)附近，或者與發(fā)光板的透光邊緣區(qū)鄰接，這樣，在工作時光源發(fā)出的光入射到透光邊緣區(qū)，并且在板中傳播。
美國專利第5613751號中公布了一種包括發(fā)光板和一個或多個光源的照明系統(tǒng)，光源設(shè)置在與發(fā)光板耦合或結(jié)合在一起的所謂的光過渡區(qū)中，通過在發(fā)光板的光發(fā)射窗中設(shè)置適當(dāng)變形的圖案，產(chǎn)生從發(fā)光板耦合到外面而照亮顯示裝置的光分布。
上述類型的照明系統(tǒng)的缺點在于發(fā)光板內(nèi)、尤其是光源附近的光的分布不夠均勻。結(jié)果，顯示裝置的照明均勻度不夠。
根據(jù)本發(fā)明，能實現(xiàn)此目的是因為所述光源包括多個具有不同光發(fā)射波長的發(fā)光二極管簇，把所述各簇排列成相互間的間距為P，而且光混合腔的高度H和發(fā)光二極管簇的間距P之比滿足以下關(guān)系0.1≤H/P≤10，光混合腔的高度H是垂直于光耦合邊緣區(qū)測量的。
由于發(fā)光二極管聚集成簇，因此發(fā)光二極管(LED)發(fā)出的光的混合性得到提高。這種簇的一個例子是一個藍(lán)色LED、一個綠色LED和一個紅色LED的組合體。這種簇的另一個實施例包括一個藍(lán)色LED、一個紅色LED與兩個綠色LED的組合。除上述顏色的組合外，簇中還可包括琥珀色LED。
應(yīng)用按照本發(fā)明的量度的光混合腔的優(yōu)點在于，不同顏色的LED發(fā)出的光可以很好地混合。處于上述限值范圍內(nèi)的光混合腔高度與LED簇間距的幾何比率可以使LED發(fā)出的光、即通過光耦合邊緣區(qū)耦合至發(fā)光板中的光在從光發(fā)射窗向外耦合時、已經(jīng)在光混合腔中被充分地混合，從而均勻地照亮(圖像)顯示裝置。
根據(jù)本發(fā)明的光混合腔的結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，其原因之一是不需要在光混合腔中設(shè)置另外的光學(xué)結(jié)構(gòu)來混合從不同顏色的LED發(fā)出的光。這些光學(xué)結(jié)構(gòu)所包括的光學(xué)元件可以設(shè)有、也可不設(shè)有復(fù)雜的曲面，而這些曲面可以設(shè)有、也可不設(shè)有反射膜。這種光學(xué)元件用于將LED發(fā)往發(fā)光板的光耦合邊緣區(qū)方向上的光漫射到沿光混合腔的縱向的方向上，從而提高光的混合性。
光混合腔高度與簇間距之比的下限(H/P＝0.1)是由下述事實決定的需要相鄰簇中不同顏色的LED發(fā)出的光束至少在光耦合邊緣區(qū)處相互接觸。上述比值的上限(H/P＝10)是由下述事實決定的缺少在此上限時，光混合腔(的高度)大得不切實際，因此，(圖像)顯示裝置的邊緣寬得無法實現(xiàn)。
通過根據(jù)本發(fā)明的量度，照明系統(tǒng)發(fā)出的光的分布的均勻性得到提高，結(jié)果，(圖像)顯示裝置得到更均勻的照明。
光混合腔的高度(H)和發(fā)光二極管簇的間距(P)的比值最好滿足以下關(guān)系0.2≤H/P≤2，光混合腔高度與簇間距的比值的下限(H/P＝0.2)是由下述事實決定的相鄰簇中不同顏色的LED發(fā)出的光束最好在光耦合邊緣區(qū)處呈現(xiàn)至少50％的重疊。結(jié)果，照明系統(tǒng)發(fā)出的光的分布的均勻性得到進(jìn)一步提高。所述光混合腔高度與簇間距的比值的上限(H/P＝2)是由下述事實決定的缺少此上限時，光混合腔(的高度)會變得比(圖像)顯示裝置中通常采用的高度大。
簇中各LED相互之間的定位影響光從發(fā)光板發(fā)出的方式。根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的特征在于，光混合腔的高度H和發(fā)光二極管簇的間距P之比滿足以下關(guān)系12tanβmax≤HP≤2tanβmax,]]>其中β是在平行于光混合腔縱向的平面內(nèi)、相對于發(fā)光二極管的縱向軸測量的發(fā)光二極管的發(fā)光角度，而βmax是β的最大值，在該值下，對于|β|≤βmax范圍內(nèi)的β值，發(fā)光二極管在工作時發(fā)出其90％的能量。
角β表示在工作時LED在光混合腔的縱向上發(fā)出的光的孔徑角。在LED采用的范圍-βmax≤β≤βmax內(nèi)，LED在工作時發(fā)出其90％的光。作為角β取向的所述選擇的結(jié)果，給出的上述關(guān)系是關(guān)于相鄰簇中LED發(fā)出的各種顏色的光的混合程度的量度。舉例來說，如果某簇包括一連串的一個藍(lán)色LED、一個綠色LED和一個紅色LED，且相鄰簇也包括同樣排列的LED，那么最好是，所述簇中一定顏色的LED發(fā)出的光所具有的光分布在到達(dá)光耦合邊緣區(qū)時，使得所述LED發(fā)出的光束的至少一部分和相鄰簇中同樣顏色的LED光束發(fā)出的光重合。
上述公式中的下限2tan(βmax)＝P/H是由下述事實決定的相鄰簇中相同顏色的LED發(fā)出的光束至少在發(fā)光板的光耦合邊緣區(qū)的位置處相互接觸。如果所述光束相互不接觸，那么在光耦合邊緣區(qū)中就存在這么一個區(qū)域，其中所述相鄰簇中所述顏色的LED發(fā)出的所述顏色并不產(chǎn)生直射光。上述公式中的上限tan(βmax)＝2P/H是由下述事實決定的如果從某簇中某種顏色的LED發(fā)出的光束具有這樣的寬度，使得在光耦合邊緣區(qū)的位置處光束仍以簇間距二倍(2×P)的距離發(fā)出光，此上限就足夠大。換句話說，當(dāng)某簇中特定顏色的LED發(fā)出的光是這樣的，使得所述LED的光束在光耦合邊緣區(qū)的位置處與從相鄰簇中相同顏色的LED的垂直線接觸，在這種LED的光分布下，達(dá)到該上限。按照上述量度，照明系統(tǒng)發(fā)出的光的分布的均勻性得到進(jìn)一步提高。
根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的一個替代的優(yōu)選實施例的特征在于，光混合腔的高度H與寬度D之比滿足以下關(guān)系12tanαmax≤HD≤3tanαmax,]]>其中D是垂直于光混合腔縱向測量的光混合腔的寬度，α是在垂直于光混合腔縱向的平面上、相對于發(fā)光二極管的縱向軸測量的發(fā)光二極管的發(fā)光角度，以及αmax是角α的最大值，對于|α|≤αmax的范圍內(nèi)的α值，發(fā)光二極管在工作時發(fā)出其90％的能量。
角α表示在工作時、LED在垂直于光混合腔縱向的方向上發(fā)出的光的孔徑角。在采用的范圍-αmax≤α≤αmax內(nèi)，LED在工作時發(fā)出其90％的光。由于如上述地選擇角α的取向，給出的上述H/D關(guān)系是關(guān)于從LED以一定角度α發(fā)出的光束在到達(dá)光耦合邊緣區(qū)之前和光混合腔的壁碰撞(及反射)的次數(shù)的量度。
上述公式中的下限2tan(αmax)＝D/H是由下述事實決定的LED發(fā)出的光束在光耦合邊緣區(qū)的位置上完全覆蓋了光耦合邊緣區(qū)的寬度。如果αmax小于上述下限，那么光耦合邊緣區(qū)未被完全地照亮。如果αmax的值等于上述下限，那么在由角α形成的平面內(nèi)(即在垂直于光混合腔的縱向延伸的LED的位置處的平面)，在光混合腔的壁上不會發(fā)生光的反射。如果αmax大于上述下限，那么在光混合腔的壁上就會發(fā)生光的反射。雖然在實驗中已發(fā)現(xiàn)，理論上這些反射不會有助于光在所述平面上的混合，但是所述反射有助于在由角α形成的平面內(nèi)混合光。在每一次反射時都會損失一(小)部分光。因此，上述公式中的上限tan(αmax)＝3D/H是由以下事實決定的如果LED發(fā)出的光束的一部分在到達(dá)光耦合邊緣區(qū)之前、在光混合腔的壁上最多反射三(3)次，則此上限就足夠大。通過上述量度，照明系統(tǒng)發(fā)出的光的分布的均勻性得到進(jìn)一步提高。
采用具有高度H和寬度D的光混合腔，其高度和寬度滿足上述H/P和H/D兩種關(guān)系并且決定LED的定位和光分布(αmax和βmax)，就可以實現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)。
LED最好具有較寬的光分布，尤其是在光混合腔的縱向上。較寬的光分布提高了光在光混合腔(縱向)上的混合。如果角βmax的值在60°≤βmax≤80°的范圍內(nèi)，則更為有利。βmax的值越大，LED發(fā)出的在光混合腔縱向上的光就越多。
如果發(fā)光二極管設(shè)置在光混合腔的遠(yuǎn)離光耦合邊緣區(qū)、而且平行于光耦合邊緣區(qū)延伸的壁上，那么當(dāng)角αmax的值在20°≤αmax≤50°的范圍內(nèi)時尤為有利。如果發(fā)光二極管設(shè)置在光混合腔的垂直于光耦合邊緣區(qū)的壁上，那么當(dāng)角αmax的值在60°≤αmax≤80°的范圍內(nèi)時更為有利。
為了進(jìn)一步提高光混合腔發(fā)出的光的混合性，可以在光混合腔和光耦合邊緣區(qū)之間設(shè)置用于進(jìn)一步混合不同顏色的多個LED發(fā)出的光的裝置。為此，照明系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施例的特征在于，在光混合腔和光耦合邊緣區(qū)之間設(shè)有漫射體。另一個優(yōu)點是這種漫射體使不同顏色LED的不同光束分布能進(jìn)一步地均勻化。
本照明系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施例的特征在于，所述板包括兩個位于板的相對兩側(cè)上的光耦合邊緣區(qū)。在本照明系統(tǒng)的另一個替代實施例中，光耦合邊緣區(qū)位于發(fā)光板的與光發(fā)射窗相對的那側(cè)(所謂的直接背光)。
具有不同光發(fā)射波長的發(fā)光二極管最好聚集成簇，這些簇包括一個藍(lán)色LED、一個綠色LED和一個紅色LED；一個藍(lán)色LED、兩個綠色LED和一個紅色LED；一個藍(lán)色LED、一個綠色LED、一個琥珀色LED和一個紅色LED；以及一個藍(lán)色LED、兩個綠色LED、一個琥珀色LED和一個紅色LED。
每個LED最好有至少5lm(流明)的光通量。具有這么高輸出的LED也稱為LED功率封裝(power package)。采用這種高效率、高輸出的LED具有特別的優(yōu)點，即具有所需的較高光輸出的LED的數(shù)目可以較小。這對制造緊湊高效的照明系統(tǒng)尤其有利。
采用LED的其它優(yōu)點有包括LED的照明系統(tǒng)的使用壽命相對較長，能耗和維護(hù)費用均較低。另外，采用LED還有可獲得動態(tài)照明可能性的優(yōu)點。
在另一最佳實施例中，照明系統(tǒng)包括用來改變發(fā)光二極管的光通量的控制電子裝置。合適的控制電子裝置使得能夠達(dá)到所需的發(fā)光效果，耦合出的光的均勻性也得到提高。另外，適當(dāng)?shù)腖ED的組合可以得到白光，通過控制電子裝置還能得到所需的色溫。
LED最好按串聯(lián)連接的LED串來驅(qū)動，這樣每一串LED包括光發(fā)射波長基本相同的LED。例如，根據(jù)本發(fā)明，光混合腔中設(shè)置的所有藍(lán)色LED連接成一串。逐串地驅(qū)動LED的優(yōu)點在于，在每串LED的基本相等的光通量下產(chǎn)生合適的驅(qū)動電壓。
通過下文中介紹的實施例可以清楚并闡明本發(fā)明的這些及其它方面。
圖2C是又一類的多個LED簇的平面圖，每簇包括排成二條線性陣列的一個藍(lán)色LED、兩個綠色LED和一個紅色LED；圖3是

圖1A所示照明系統(tǒng)的詳細(xì)透視圖；圖4A是H/P比值與角αmax的關(guān)系圖；圖4B是H/D比值和角βmax的關(guān)系圖；圖5A示出在光混合腔的壁上的鏡面反射和漫反射；圖5B示出在光混合腔的壁上的鏡面反射和漫反射；圖6A示出三種基本顏色藍(lán)、綠和紅及白光的亮度，此亮度是在無光混合腔的照明系統(tǒng)的光發(fā)射窗處測量的，測量時離光耦合邊緣區(qū)的距離為2mm和10mm；圖6B示出三種基本顏色藍(lán)、綠和紅及白光的亮度，此亮度是在配有根據(jù)本發(fā)明的高度為15mm的光混合腔的照明系統(tǒng)的光發(fā)射窗處測量的，測量時離光耦合邊緣區(qū)的距離為2mm和10mm。
所有附圖只是示意性的，并沒有按比例繪制。為清楚起見，有些尺寸被夸大。在附圖中所有相同的標(biāo)號代表相同的部件。
對于具有較小圖像直徑的(圖像)顯示裝置來說，一個光混合腔就足夠了。對于具有較大圖像直徑的(圖像)顯示裝置來說，通常在發(fā)光板的兩相對側(cè)加上兩個光混合腔。光混合腔最好設(shè)置成平行于發(fā)光板的長邊。
光混合腔5和光耦合邊緣區(qū)4相連，這在權(quán)利要求書和本發(fā)明的描述中意思是，光混合腔5與光耦合邊緣區(qū)4以這樣的方式耦合，使得光混合腔5中產(chǎn)生的光經(jīng)由光耦合邊緣區(qū)4最優(yōu)地耦合到發(fā)光板1中。在光混合腔5中設(shè)有光源6。在工作時，光源6發(fā)出的光入射在透光邊緣區(qū)4中，并在板1中漫射。光源6發(fā)出的光可以直接地或經(jīng)由光混合腔5的壁上的(多重)反射到達(dá)光耦合邊緣區(qū)。圖1A示意性地示出在光混合腔中的兩束可能的光束。在圖1A所示實例中，在光混合腔5和光耦合邊緣區(qū)4之間設(shè)置了漫射體7，用于提高從光混合腔5發(fā)出的光的混合性。漫射體7最好不在光混合腔5和發(fā)光板1之間形成另外的界面。另外，在圖1A中，光混合腔5的側(cè)壁設(shè)有鏡面反射和/或漫反射涂層14，14’(同樣見于圖4A和4B)。這些涂層14，14’有助于光源6發(fā)出的光的混合。
光混合腔5易于制造，并且包括例如由適當(dāng)折疊的金屬板制成的殼體。
在圖1A中，光混合腔5的垂直于光耦合邊緣區(qū)4延伸的壁上設(shè)有傳感器10，用于測量在工作時由光源6發(fā)出的光的光學(xué)特性。此傳感器10與控制電子裝置(圖1A中未示出)耦合，用來適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)光源6的光通量，以達(dá)到所需的亮度和/或由發(fā)光板耦合出的光的色點。通過傳感器10和控制電子裝置可以形成反饋機構(gòu)，通過此反饋機構(gòu)可以裝置影響從發(fā)光板1耦合出的光的質(zhì)量和數(shù)量。
在圖1A所示的實例中，發(fā)光板1的后壁2’設(shè)有用于將光耦合出發(fā)光板1的裝置18、18’。這些裝置18、18’包括變形(的圖案)和例如絲網(wǎng)印刷的字點、楔形和/或脊。這些裝置是例如通過在板1的后壁2’上蝕刻、劃割或噴砂來設(shè)置的。在替代實施例中，這些變形設(shè)置在板1的光發(fā)射窗2上。裝置18、18’充當(dāng)了二級光源，并且通過反射、散射和/或折射將光耦合到發(fā)光板1之外。
在圖1A中，標(biāo)號3示意性地代表LCD板。發(fā)光板1、光源6和LCD板3的組合形成一個用于顯示例如(視頻)圖像的顯示裝置。
圖1B示出一種照明系統(tǒng)和顯示裝置的組件的剖視圖，它包括根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的另一替代實施例。在此實施例中，光源6’位于光混合腔5的側(cè)壁中。在此實施例中，傳感器10’設(shè)置在光混合腔5的朝向光耦合邊緣區(qū)4的頂壁上。圖1B和圖1A中的其它部件采用相同的標(biāo)號。
根據(jù)本發(fā)明的方法，光源6、6’包括多個具有不同光發(fā)射波長的發(fā)光二極管簇(見圖2A、2B及2C)，每簇相互之間的間距為P，光混合腔5的高度H和發(fā)光二極管簇的間距P之比滿足以下關(guān)系0.1≤H/P≤10，光混合腔5的寬度D的實際有利的尺寸在3≤D≤15mm的范圍內(nèi)(寬度是在垂直于光混合腔5的縱向15的方向上測量的，圖3中也可見到)。實驗表明，如果寬度D在3≤D≤5mm的范圍內(nèi)就十分合適。根據(jù)本發(fā)明，這就使得光混合腔5的尺寸、就寬度而言、比現(xiàn)有的光混合腔小。這在根據(jù)本發(fā)明的顯示裝置和照明系統(tǒng)的組件的制造中具有明顯的優(yōu)點。
照明系統(tǒng)的上述實施例包括設(shè)有發(fā)光二極管的光混合腔，其中光混合腔的寬度D在3≤D≤15mm的范圍內(nèi)，最好在3≤D≤5mm的范圍內(nèi)，這也可視為本發(fā)明本身。
光混合腔5的高度H的一個實際有利的尺寸在10≤H≤20mm的范圍內(nèi)。LED相互之間排列的間距P最好在2≤P≤8mm的范圍內(nèi)。如果P＝3×p(見圖2A)，則LED簇的間距P在6≤P≤24mm的范圍內(nèi)。如果P＝4×p(見圖2B)，那么LED簇的間距P在8≤P≤32mm的范圍內(nèi)。一個特別有利的光混合腔5的高度H約為15mm，LED的間距p約為6mm。這樣，光混合腔5的高度和簇間距的比值H/P約為0.83(如果P＝3×p)，或者約為0.63(如果P＝4×p)。這兩個比值均滿足以下關(guān)系0.2≤H/P≤2圖2A到2C示意性地示出大量的LED6B、6G、6R、…；16B、16G、16R、16G’、…；26B、26G、26R、26G’、…的各個實施例。為清楚起見，LED簇的間距由帶有下劃線的大寫字母P來表示。
在圖2A中示出多個LED6B、6G、6R、…的簇的平面圖，每一簇包括一個藍(lán)色LED6B、一個綠色LED6G和一個紅色LED6R，LED6B、6G、6R、…排成一條線性陣列。LED具有常規(guī)的機械和電連接件28、28’、29、29’。LED6B、6G、6R、…相互隔開一定距離，其間距為p。三個LED6B、6G、6R、…組成的簇相互隔開一定距離，其間距為P。在圖2A所示實例中，LED6B，6G，6R，…這樣排列，使得P＝3×p。
圖2B中示出大量的LED16B、16G、16R、16G’、…的替代實施例的平面圖，每簇包括一個藍(lán)色LED16B、兩個綠色LED16G、16G’和一個紅色LED16R。LED16B、16G、16R、16G’…排成一條線性陣列。在LED16B、16G、16R的每一簇中增加了一個另外的綠色LED16G’，因為在工作時，綠色LED通常不能發(fā)出與藍(lán)色及紅色LED成比例的足夠的光來達(dá)到所需的顏色設(shè)定(色溫和/或白點)。LED16B、16G、16R、16G’…相互隔開一定距離，其間距為p。四個LED16B、16G、16R、16G’…組成的簇相互隔開一定距離，其間距為P。在圖2B所示實例中，LED16B、16G、16R、16G’…這樣排列，使得P＝4×p。
在圖2C中還示出大量的LED26B、26G、26R、26G’、…的另一替代實施例的平面圖，每一簇包括一個藍(lán)色LED26B、兩個綠色LED26G、26G’和一個紅色LED26R。LED26B、26G、26R、26G’…排成兩條線性陣列。在此例中，在LED26B、26G、26R的每個簇中也增加了一個另外的綠色LED26G’。在一個陣列的方向上，藍(lán)色和綠色的LED26B、26G相互隔開一定距離，其間距為p；在另一個陣列的方向上，綠色和紅色的LED26G’、26R相互隔開一定距離，其間距為p。四個LED26B、26G、26R、26G’…組成的簇相互隔開一定距離，其間距為P。在圖2C所示實例中，LED26B、26G、26R、26G’…這樣排列，使得P＝2×p。兩個LED陣列之間的距離最好選擇得盡可能小。在另一個替代實施例中還采用了琥珀色LED。
光源6，6’包括多個發(fā)光二極管6B、6G、6R、…；16B、16G、16R、16G’、…；26B、26G、26R、26G’、…，但也可以采用不同的光源，例如放電燈。LED的源亮度是熒光管的許多倍。另外，采用LED時將光耦合到板中的效率比采用熒光管的效率高。采用LED作為光源的優(yōu)點在于，LED可以接觸用合成樹脂制造的板。LED幾乎不在發(fā)光板1的方向上放出熱量，也不會產(chǎn)生有害的(UV)輻射。采用LED的另外的優(yōu)點是可以省去用于將LED發(fā)出的光耦合到板內(nèi)的裝置。采用LED能得到更緊湊的照明系統(tǒng)。
所采用的LED6B、6G、6R、…；16B、16G、16R、16G’、…；26B、26G、26R、26G’、…最好是光通量為至少5lm的LED。具有如此高的輸出的LED也稱為LED功率封裝。這種功率LED的例子有“Barracuda”型LED(Lumileds)。每一紅色LED的光通量為15lm，每一綠色LED的光通量為13lm，每一藍(lán)色LED的光通量為5lm，每一琥珀色LED的光通量為20lm。在一個替代實施例中，采用了“Prometheus”型LED(Lumileds)，每一紅色LED的光通量為35lm，每一綠色LED的光通量為20lm，每一藍(lán)色LED的光通量為8lm，每一琥珀色LED的光通量為40lm。
LED最好安裝在(具有金屬芯的)印制電路板(PCB)上。如果功率LED安裝在這種(具有金屬芯的)印制電路板上，LED產(chǎn)生的熱量可以經(jīng)由PCB通過熱傳導(dǎo)容易地散去。在照明系統(tǒng)的一個有利實施例中，(具有金屬芯的)印制電路板通過導(dǎo)熱連接與顯示裝置的殼體相接觸。
圖3示出圖1A所示照明系統(tǒng)的具體情況的示意性透視圖。圖3示出具有高度H和寬度D的光混合腔5。為了定向，在光混合腔5中示出沿光混合腔5的縱向延伸并且平行于光耦合邊緣區(qū)4的縱軸15。至于光源，選擇圖2A所示的設(shè)置，即多個包括一個藍(lán)色LED6B、一個綠色LED6G和一個紅色LED6R的簇。LED6B、6G、6R、…排列成平行于光混合腔5的縱向15，并且位于光混合腔5的(頂)壁上，其相互間的距離由間距p表示。三個LED6B、6G、6R、…組成的簇排列成相互的間距為P。在圖3所示實例中，LED6B、6G、6R、…這樣排列，使得P＝3×p。為清楚起見，圖3中用于表示LED簇的間距的大寫字母P加了下劃線。
從多個LED6B、6G、6R、…發(fā)出的光在光混合腔5中發(fā)生混合。來自光混合腔5的光通過透光邊緣區(qū)4耦合到發(fā)光板1中。
圖3示出LED之一(6B)的縱軸21，還示出相當(dāng)于LED6B的發(fā)光角度的角α。角α是在垂直于光混合腔5的縱向15而延伸的平面內(nèi)測量的(見圖3中標(biāo)號31所示的加陰影線的三角形)。角α是相對于發(fā)光二極管6B的縱軸21測量的，即，在沿縱軸21的方向上α＝0°(或180°)。
根據(jù)照明系統(tǒng)的一個最佳實施例，光混合腔5的高度H和寬度D之比滿足以下關(guān)系12tanαmax≤HD≤3tanαmax,]]>αmax值代表這樣的角α值，對于在-αmax≤α≤αmax的范圍內(nèi)的角α值，LED6B、6G、6R、…在工作時發(fā)出其90％的能量。
作為角α取向的上述選擇的結(jié)果，給出的H/D比值是關(guān)于LED6B以給定角度α發(fā)出的光束在到達(dá)光耦合邊緣區(qū)4之前和光混合腔5的壁發(fā)生碰撞(和反射)的次數(shù)的量度(見圖1A中所示光束的實例)。
上述公式中的下限2×tan(αmax)＝D/H是由下面的事實決定的在光耦合邊緣區(qū)的位置處，LED發(fā)出的光束的寬度正好等于光耦合邊緣區(qū)的寬度。上述公式中的上限tan(αmax)＝3D/H是由下面的事實決定的如果LED發(fā)出的光束的一部分在到達(dá)所述光耦合邊緣區(qū)之前在光混合腔的壁上最多反射3次，此上限就足夠大。
圖4A以圖表表示角αmax與H/D的關(guān)系。當(dāng)αmax的值＜20°時，照明系統(tǒng)的尺寸大得不切實際。角αmax的值越大，可選擇越小的H/D值。當(dāng)αmax＞80°時，由LED發(fā)出的光的多重反射所引起的損耗變得非常大。
根據(jù)光混合腔5中LED6、6’相對于光耦合邊緣區(qū)4的位置，可以指出角αmax值的優(yōu)選范圍。如果各LED6設(shè)置在光混合腔5中朝向光耦合邊緣區(qū)4并平行于光耦合邊緣區(qū)4延伸的壁上(見圖1A所示位置)，那么角αmax的值最好在20°≤αmax≤50°的范圍內(nèi)(如圖4A中的陰影區(qū)A)。在這種情況下，如果LED發(fā)出的光束在由角α形成的平面(如圖3)內(nèi)較窄就比較有利，這樣入射在光耦合邊緣區(qū)上的光在光混合腔5的壁上反射很少或沒有反射。在所述范圍內(nèi)，對于αmax＝20°H/D的值在1.37≤H/D≤8.25的范圍內(nèi)，對于αmax＝50°，H/D的值在0.42≤≤H/D≤2.5的范圍內(nèi)。
在另一個位置，LED6’設(shè)置在光混合腔5的垂直于光耦合邊緣區(qū)4的壁上(見圖1B所示位置)，則角αmax的值最好在60°≤αmax≤80°的范圍內(nèi)(見圖4A中的陰影區(qū)B)。在這種情況下，相對較寬的光束會較快地到達(dá)光耦合邊緣區(qū)4。在所述范圍內(nèi)，對于αmax＝60°，H/D的值在0.29≤H/D≤1.73的范圍內(nèi)，對于αmax＝80°，H/D的值在0.088≤H/D≤0.53的范圍內(nèi)。
在圖3中還示出相當(dāng)于LED6B的發(fā)光角度的角β。在平行于光混合腔5的縱向15延伸的平面內(nèi)測量角β(見圖3中標(biāo)號32所示的加陰影線的三角形)。角β相對于發(fā)光二極管的相關(guān)縱軸測量，即在沿縱軸的方向上α＝0(或180°)。
根據(jù)照明系統(tǒng)的另一個優(yōu)選實施例，光混合腔5的高度H和發(fā)光二極管6B、6G、6R、…的簇的間距P之比滿足以下關(guān)系12tanβmax≤HP≤2tanβmax,]]>
βmax值代表這樣的角β值，對于在-βmax≤β≤βmax的范圍內(nèi)的β值，LED6B、6G、6R、…在工作時發(fā)出其90％的能量。
作為角β方向的上述選擇的結(jié)果，給出的H/P值是關(guān)于相鄰簇中各LED發(fā)出的各種顏色的光的混合程度的量度。
圖4B以圖表表示角βmax和H/D比值的關(guān)系。為清楚起見，圖4B中代表LED簇間距的大寫字母P加了下劃線。當(dāng)βmax＜30°時，照明系統(tǒng)的尺寸大得無法實現(xiàn)。角βmax的值越大，可以選擇H/P的值越小。當(dāng)βmax＞85°時，由LED發(fā)出的光的多重反射所引起的損耗變得非常大。
角βmax的一個特別有利的值在60°≤βmax≤80°的范圍內(nèi)。此優(yōu)選范圍如圖4B中的陰影區(qū)所示。在此區(qū)域內(nèi)，當(dāng)βmax＝60°時H/P的比值在0.29≤H/P≤1.15的范圍內(nèi)，當(dāng)αmax＝80°時H/P的值在0.09≤H/P≤0.35的范圍內(nèi)。
圖5A示意性地示出光混合腔的壁50上的鏡面反射和漫反射。如果壁如鏡面一樣亮，入射光束42以已知的方式反射成光束43(入射角等于出射角)。為了使壁50象鏡面一樣亮，所述壁應(yīng)涂有鏡亮涂層24，例如來自Alanod的MIRO-II。如果壁設(shè)有部分漫反射涂層24，例如Alanod的MIRO-V，得出反射后的光束分布就如分布44所示。
圖5B示意性地示出光混合腔的壁50’上的鏡面反射和漫反射。為進(jìn)行比較，圖中示出鏡面亮度位置(光束42’被反射成光束43’)以及壁漫反射白色光的位置(由分布44’示意性地表示)。在后一種情況中，壁最好設(shè)有漫射體，包括例如鹵代磷酸鈣、鹵代磷酸鍶和/或焦磷酸鈣。最好象漆一樣涂上這些漫射體，其中加了粘合劑、例如氟共聚物如THV以及溶劑(如Mibk)。采用這種漫射體和所述粘合劑結(jié)合的優(yōu)點是不需要焙燒，而且在所有可見范圍和大部分UV范圍內(nèi)反射具有至少基本相等大小的值。這就意味著這些漫射體能十分適合用在頻繁反射光的涂層中，這是因為采用這些漫射體可以有效地抵消優(yōu)先吸附及其可能引起的色差。另外，還可以在這種漆的混合物中加入另外的添加劑，改善例如其流動或混合特性。
圖6A示出三種基本顏色藍(lán)、綠、紅及白光的亮度L，其單位為任意單位(a.u.)，亮度L是在沒有光混合腔的照明系統(tǒng)的光發(fā)射窗處測量的，離光耦合邊緣區(qū)的距離為2mm和10mm。為了進(jìn)行測量，將藍(lán)、綠、紅LED的多個簇排成線性陣列，以便與發(fā)光板的光耦合邊緣區(qū)直接地接觸。在此實例中，發(fā)光板的長度l＝13cm，此值是平行于光耦合邊緣區(qū)測得的。圖中符號(a)表示在與光耦合邊緣區(qū)相距2mm處測得的亮度，符號(b)表示在與光耦合邊緣區(qū)相距10mm處測得的亮度。首先，只使藍(lán)色LED通電，測量亮度L和長度l的關(guān)系，結(jié)果如曲線a-bl和b-bl所示。接著只使綠色LED通電，測量亮度L，結(jié)果如曲線a-gr和b-gr所示。然后只使紅色LED通電，測量亮度L，結(jié)果如曲線a-rd和b-rd所示。這些曲線的峰點和谷點清楚地示出LED的位置。最后，同時使藍(lán)色、綠色和紅色LED通電，測量亮度L，結(jié)果如曲線a-wh和b-wh所示。在圖6A中，在長度l上的曲線中可看到的微小波動是由較小尺寸的光發(fā)射窗引起的。
圖6B示出三種基本顏色藍(lán)、綠、紅和白光的亮度L，其單位為任意單位(a.u.)，亮度L是在具有本發(fā)明的光混合腔的照明系統(tǒng)的光發(fā)射窗處測量的，離光耦合邊緣區(qū)的距離為2mm和10mm，光混合腔的高度為15mm。為了進(jìn)行測量，將多個藍(lán)、綠、紅的LED6B，6G，6R，…設(shè)置在光混合腔5中如圖1A所示的位置(圖3中也示出)。在此實例中，發(fā)光板1的長度l＝13cm，此值是平行于光混合腔5的縱向1 5測得的。首先，只使藍(lán)色LED6B通電、…，測量亮度L和長度l的關(guān)系，結(jié)果如曲線a-bl和b-bl所示。接著只使綠色LED6G通電，…，測量亮度L，結(jié)果如曲線a-gr和b-gr所示。然后只使紅色LED6R通電，…，測量亮度L，結(jié)果如曲線a-rd和b-rd所示。最后，同時觸發(fā)藍(lán)色、綠色和紅色LED6B，6G，6R，…，測量亮度L，結(jié)果如曲線a-wh和b-wh所示。圖6B中所示曲線的亮度是在靠近光耦合邊緣區(qū)處測得的，和圖6A相比，圖6B中所示曲線清楚地表明采用如本發(fā)明所描述的光混合腔，顯然有助于通過發(fā)光板的光發(fā)射窗發(fā)出的光的混合。這樣就得到了一種照明系統(tǒng)，其中在發(fā)光板的整個光發(fā)射窗的每個位置上光的分布都足夠均勻，在光源附近也是如此。采用本發(fā)明的照明系統(tǒng)可以使顯示裝置被足夠均勻地照亮。在圖6B中，在長度l上曲線中可看到的微小波動是由較小尺寸的光發(fā)射窗引起的。
很明顯對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行許多改動。例如，LED發(fā)出的光的分布可取決于光的發(fā)射角度。通過適當(dāng)?shù)剡x擇LED的光分布，可以減小向前方發(fā)出的光的量(在LED縱軸方向上)，有利于和LED縱軸成一定角度發(fā)出的光。因此，可以理解，LED的光分布具有兩瓣，其取向相對于縱軸成預(yù)定角度。如果這些瓣平行于光混合腔的縱向延伸，則格外有利。
本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于以上給出的實例。本發(fā)明由每一新穎特征及其結(jié)合來體現(xiàn)。權(quán)利要求書的標(biāo)號并不限制其保護(hù)范圍。動詞“包括”及其變形的使用不排除除所述權(quán)利要求書中所述元件之外的其它元件的出現(xiàn)。每一元件前的冠詞“一”并不排除多個這種元件的出現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種用于照亮顯示裝置(3)的照明系統(tǒng)，它包括發(fā)光板(1)，該板具有光發(fā)射窗(2)和至少一個用于將光耦合到所述發(fā)光板(1)中的光耦合邊緣區(qū)(4)；以及光混合腔(5)，其縱向(15)平行于所述光耦合邊緣區(qū)(4)而延伸，該光混合腔配備有光源(6，6’)，并且所述光混合腔(5)和所述光耦合邊緣區(qū)(4)相連，其特征在于，所述光源(6，6’)包括具有不同光發(fā)射波長的多個發(fā)光二極管簇(6B、6G、6R、…；16B、16G、16R、16G’、…；26B、26G、26R、26G’、…)，所述各簇排列成相互之間的間距為(P)；以及所述光混合腔(5)的高度(H)與所述發(fā)光二極管簇(6B、6G、6R、…；16B、16G、16R、16G’、…；26B、26G、26R、26G’、…)的所述間距(P)之比滿足以下關(guān)系0.1≤H/P≤10，所述光混合腔(5)的所述高度(H)是在垂直于所述光耦合邊緣區(qū)(4)的方向上測量的。
2.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述光混合腔(5)的所述高度(H)與所述發(fā)光二極管簇(6B、6G、6R、…；16B、16G、16R、16G’、…；26B、26G、26R、26G’、…)的所述間距(P)之比滿足以下關(guān)系0.2≤H/P≤2。
3.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述光混合腔(5)的所述高度(H)與所述發(fā)光二極管簇(6B、6G、6R、…；16B、16G、16R、16G’、…；26B、26G、26R、26G’、…)的所述間距(P)之比滿足以下關(guān)系12tanβmax≤HP≤2tanβmax,]]>其中β是所述發(fā)光二極管(6B、6G、6R、…；16B、16G、16R、16G’、…；26B、26G、26R、26G’、…)在平行于所述光混合腔(5)的所述縱向(15)的平面內(nèi)的光發(fā)射角，并且β是相對于所述發(fā)光二極管(6B、6G、6R、…；16B、16G、16R、16G’、…；26B、26G、26R、26G’、…)的縱軸(21)測量的，以及其中βmax是β的最大值，對于在|β|≤βmax的范圍內(nèi)的β值，所述發(fā)光二極管(6B、6G、6R、…；16B、16G、16R、16G’、…；26B、26G、26R、26G’、…)在工作時發(fā)出其90％的能量。
4.如權(quán)利要求3所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述角βmax的值在60°≤βmax≤80°的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述光混合腔(5)的所述高度(H)與寬度(D)之比滿足以下關(guān)系12tanαmax≤HD≤3tanαmax,]]>其中D是在垂直于所述光混合腔(5)的所述縱向(15)的方向上測量的所述光混合腔(5)的寬度，其中α是所述發(fā)光二極管(6B、6G、6R、…；16B、16G、16R、16G’、…；26B、26G、26R、26G’、…)在垂直于所述光混合腔(5)的所述縱向(15)的平面內(nèi)的光發(fā)射角，α是相對于所述發(fā)光二極管(6B、6G、6R、…；16B、16G、16R、16G’、…；26B、26G、26R、26G’、…)的縱軸(21，21’)測量的，以及其中αmax是α的最大值，對于在|α|≤αmax范圍內(nèi)的α值，所述發(fā)光二極管(6B、6G、6R、…；16B、16G、16R、16G’、…；26B、26G、26R、26G’、…)在工作時發(fā)出其90％的能量。
6.如權(quán)利要求5所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，如果所述發(fā)光二極管(6)設(shè)置在所述光混合腔(5)的遠(yuǎn)離所述光耦合邊緣區(qū)(4)且平行于所述光耦合邊緣區(qū)(4)而延伸的壁上，則所述角αmax的值在20°≤αmax≤50°的范圍內(nèi)；或者如果所述發(fā)光二極管(6’)設(shè)置在所述光混合腔(5)的垂直于所述光耦合邊緣區(qū)(4)的壁上，則所述角αmax的值在60°≤αmax≤80°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，在垂直于所述光混合腔(5)的所述縱向(15)上測量的所述光混合腔(5)的所述寬度(D)在3≤D≤15mm的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求7所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述寬度(D)在3≤D≤5mm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，所述具有不同光發(fā)射波長的各個發(fā)光二極管簇(6B、6G、6R、…；16B、16G、16R、16G’、…；26B、26G、26R、26G’、…)是從包括以下組合的組中選擇的一個藍(lán)色(6B)、一個綠色(6G)以及一個紅色(6R)的發(fā)光二極管；一個藍(lán)色(16B；26B)，兩個綠色(16G、16G’；26G、26G’)以及一個紅色(16R；26R)的發(fā)光二極管；一個藍(lán)色、一個綠色、一個琥珀色以及一個紅色的發(fā)光二極管；以及一個藍(lán)色、兩個綠色、一個琥珀色以及一個紅色的發(fā)光二極管。
10.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，在所述光混合腔(5)與所述光耦合邊緣區(qū)(4)之間設(shè)有漫射體(7)。
11.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述板包括兩個光耦合邊緣區(qū)(4)，它們設(shè)置在所述發(fā)光板(1)的相對兩側(cè)上。
12.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，每個所述發(fā)光二極管(6B、6G、6R、…；16B、16G、16R、16G’、…；26B、26G、26R、26G’、…)具有至少5流明的光通量。
13.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述照明系統(tǒng)包括用于改變所述發(fā)光二極管(6B、6G、6R、…；16B、16G、16R、16G’、…；26B、26G、26R、26G’、…)的所述光通量的控制電子裝置。
14.供如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)使用的光混合腔(5)。
15.包括如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)的顯示裝置(3)。
全文摘要
一種用于照亮顯示裝置(3)的背光系統(tǒng)包括發(fā)光板(1),該板具有光發(fā)射窗(2)和至少一個將光耦合到發(fā)光板(1)中的邊緣面(4)。該背光系統(tǒng)還包括配有光源(6)的光混合腔(5)。光混合腔(5)和邊緣面(4)相連。根據(jù)本發(fā)明,光源(6)包括多個具有不同光發(fā)射波長的發(fā)光二極管(LED)簇,各簇被排列成相互間的間距為P。光混合腔(5)的高度H與簇間距P之比滿足關(guān)系0.1≤H/P≤10,最好是0.2≤H/P≤2。每簇最好包括一個藍(lán)色、一個綠色和一個紅色LED或者一個藍(lán)色、兩個綠色和一個紅色LED。最好是各LED的光通量至少為5流明。本發(fā)明的背光系統(tǒng)具有十分均勻的光分布,因此顯示裝置被均勻地照亮。
文檔編號F21Y101/02GK1383498SQ01801875
公開日2002年12月4日 申請日期2001年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月4日
發(fā)明者C·G·A·霍埃倫, G·哈伯斯 申請人:皇家菲利浦電子有限公司, 荷蘭魯米勒德斯照明有限公司