專利名稱：用于基于led的環(huán)境光的對稱光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于混合顏色的光導(dǎo)結(jié)構(gòu)，尤其是涉及用于使用發(fā)光 二極管的環(huán)境光應(yīng)用的光導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
對于若干新的基于LED的照明系統(tǒng)，使用了光導(dǎo)。這種光導(dǎo)一般 為一段平直或彎曲的透明塑料或玻璃，通常用于兩個目的。它將來自 光源(例如一個或多個發(fā)光二極管(LED))的光導(dǎo)向希望的位置并且 幫助它混合來自單獨的紅色、綠色和藍(lán)色LED的顏色。顏色的混合是 特別重要的，因為非理想的混合導(dǎo)致有色的邊緣和陰影，而白色的表 面將不是白色的，而是有色的。
光導(dǎo)用在許多照明應(yīng)用中，例如用于通用照明或者作為用于LCD 監(jiān)視器或電視的背光源。國際專利申請W02004/008023 Al中公開了一 個這樣的實例，其中示出了一種光導(dǎo)器件，其包括作為光源的LED組、 用于顏色混合的導(dǎo)光板以及具有光輸出面的導(dǎo)光板。該光導(dǎo)器件作為 背光源設(shè)置在液晶顯示面板之后。該文獻(xiàn)還示出了用于將光線從所述 LED組導(dǎo)向?qū)Ч獍宓囊粋€端面的三角棱鏡以及用于將光線從導(dǎo)光板的 另一個端面導(dǎo)向?qū)Ч獍宓囊粋€端面的三角棱鏡。
其中可以使用這些光導(dǎo)的另 一個可能的應(yīng)用是例如用于電視機(jī) (例如平板顯示面板)的基于LED的環(huán)境背景照明。在TV周圍產(chǎn)生與 圖像內(nèi)容匹配的光效果。該效果給出更大的虛擬屏幕的印象以及更為 沉浸的視覺體驗。此外，它降低了觀眾眼睛的疲勞。
為了實現(xiàn)該環(huán)境背景照明效果，已知的是將燈置于電視機(jī)的后面， 所述燈朝著墻壁發(fā)射光。為了達(dá)到這些目的，通常使用CCFL燈。出于 若干原因，基于LED的版本將是優(yōu)選的。然而，存在與使用LED關(guān)聯(lián) 的顏色混合和顏色均勻性方面的已知問題。例如，為了能夠產(chǎn)生所有 的顏色，需要至少三個不同的LED,即一個紅色LED、 一個綠色LED和 一個藍(lán)色LED。這三個LED固有地彼此鄰近地放置，并且由于位置不同，
4這些單獨的顏色在輸出中不會完全地彼此重疊。
每種基色使用更多LED是一種可替換方案，但是這將顯著地增大 解決方案的成本。因此，優(yōu)選的是每種顏色只有幾個或者甚至只有一 個LED。
使用的另一種常見技術(shù)是借助于二色性濾波器光學(xué)地將所述3個 LED置于彼此疊置(on top of each other)。這樣，可以建立一個 能夠產(chǎn)生所有顏色的假想光源。然而，這種解決方案同樣存在嚴(yán)重的
缺陷。二色性濾波器的主要缺點是制造這些濾波器的成本高以及方法 困難。此外，它們強(qiáng)烈依賴于角度；以與預(yù)期的角度不同的角度轟擊 這些濾波器的光可能會被透射而不是反射，或者出現(xiàn)相反的情況。再 者，在光導(dǎo)內(nèi)部包含這樣的濾波器是非常困難的，所述光導(dǎo)的最簡單 的形式由單段玻璃或透明塑料(例如聚曱基丙烯酸甲酯(P固A))構(gòu) 成。
為了實現(xiàn)包含若干種顏色的光的更加均勻的分布， 一種常見的技 術(shù)是使用具有擴(kuò)散(diffuse)光的特性的光導(dǎo)。例如，由于全內(nèi)反射 (TIR)，光可能保留在光導(dǎo)內(nèi)。僅當(dāng)光以充分接近于法線的角度遇到 表面時，光才可能離開光導(dǎo)。然而，由于各種缺陷的原因，這種技術(shù) 同樣需要改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述，本發(fā)明的一個目的是解決或者至少減少以上討論 的問題。特別地， 一個目的是提供用于產(chǎn)生改進(jìn)的顏色組成的改進(jìn)的光導(dǎo)。
本發(fā)明的另 一個目的是在顏色的混合以及強(qiáng)度的漸變方面改進(jìn)光 導(dǎo)的性能。
依照本發(fā)明的第一方面，上面的目的是通過用于擴(kuò)散光的器件來 獲得的，所述器件包括光導(dǎo)、光輸入裝置以及光輸出裝置。光輸入裝 置和光輸出裝置連接到所述光導(dǎo)。該器件被設(shè)置成允許來自光源的具 有至少兩種分開的頻率的光通過光輸入裝置進(jìn)入光導(dǎo)、通過光導(dǎo)進(jìn)行 傳播并且在光輸出裝置處離開。所述光導(dǎo)是環(huán)形(circumferential) 的，從而允許光在到達(dá)所述輸出裝置之前傳播比光導(dǎo)的外部尺寸更大 的距離。因此，所述器件產(chǎn)生來自所述至少兩種頻率的光的混合物。關(guān)于用語"環(huán)形的"，應(yīng)當(dāng)理解的是，所述光導(dǎo)限定了一個閉合的路 徑或環(huán)路，允許光采用多種單獨的傳播路徑以便確保包含各種頻率的 光的良好混合。將光限制在光導(dǎo)內(nèi)通過優(yōu)選地沿著光導(dǎo)的外部的、定 界的部分具有反射表面來實現(xiàn)。這可以利用反射器或者通過具有折射 率與光導(dǎo)的折射率不同以便獲得全內(nèi)反射的鄰接材料來實現(xiàn)。所述鄰 接材料的折射率不必與光導(dǎo)的折射率不同。然而，作為防止損耗的優(yōu) 點，如果所述鄰接材料具有高的折射率，那么這是有利的。
依照本發(fā)明的一個實施例，光導(dǎo)包括單件(single piece)。 依照本發(fā)明的另一個實施例，光導(dǎo)包括壓鑄件(die cast)。有
利的是，這提供了高效而廉價的制造。
依照本發(fā)明的一個實施例，所述材料是玻璃、塑料、P薩A或者其
任意組合。
依照本發(fā)明的一個實施例，光輸入裝置包括光導(dǎo)的第一部分，光 輸出裝置包括光導(dǎo)的笫二部分。
依照本發(fā)明的一個實施例，所述第一和第二部分由第三部分分離。 此外，第三部分優(yōu)選地可以包括具有與第一部分的折射率不同的折射 率的第二種材料。此外，所述鄰接材料的折射率不必與光導(dǎo)的折射率 不同。因此，有利的是，實現(xiàn)了全反射。此外，所述第二種材料可以 是流體，例如氣體或液體，優(yōu)選地為空氣。另外，所述第三部分還可 以包括涂層，以便提供反射表面到第一部分，例如通過空氣中的彎曲 的反射器提供。有利的是，與全反射相比，實現(xiàn)了普通的反射。
依照本發(fā)明的一個實施例，所述第一和第二部分包括漸變的截面， 用于改善相對于第一部分的內(nèi)表面的光反射。因此，光導(dǎo)假設(shè)為有凹 陷的形狀。換言之，優(yōu)選地呈管狀的光導(dǎo)在光輸入裝置端部處的側(cè)壁 稍微彎曲。結(jié)果，光向所述管的端部聚焦，其有利的是減少通過側(cè)壁 的泄漏。
依照本發(fā)明的一個實施例，與第二部分結(jié)合并且包括光向外耦合 結(jié)構(gòu)的光輸出裝置具有優(yōu)點向外發(fā)出的光的方向性得到改善。此外， 另一個優(yōu)點在于，獲得了光輸出的更佳的均勻性以及改善的向外耦合效率。
依照本發(fā)明的一個實施例，所述光導(dǎo)包括連接所述第一和第二部 分的連接部分。
6依照本發(fā)明的一個實施例，所述連接部分包括至少第一和第二連 接部分，以便在光導(dǎo)內(nèi)實現(xiàn)光傳播的對稱分布。此外，所述連接部分 優(yōu)選地可以包括用于在所述第一和第二部分之間引導(dǎo)光的光學(xué)棱鏡。 可替換地，所述連接部分可以包括彎曲的反射鏡，其優(yōu)選地由空氣包 圍。這些棱鏡的折射率可以與光導(dǎo)的折射率相同。然而，作為防止損 耗的優(yōu)點，如果這些棱鏡具有高的折射率，則是有幫助的。在這方面， 如果這些棱鏡和光導(dǎo)借助于具有相對低的折射率的粘合劑連接在一 起，那么這也是有幫助的。
依照本發(fā)明的一個實施例，所述光源包括發(fā)光二極管。 依照本發(fā)明的又一個實施例，所述光導(dǎo)在其結(jié)構(gòu)上是對稱的。關(guān) 于"對稱的，，，其例如應(yīng)當(dāng)解釋成該光導(dǎo)包括兩個部分，所述兩個部
分是相應(yīng)的彼此相對的(counter )部分，從而光能夠穿過該光導(dǎo)在相 同的但是反向的路徑上傳播。因此，有利的是，在顏色的混合以及強(qiáng) 度的漸變方面實現(xiàn)了杰出的性能。
依照本發(fā)明的第二方面，上面的目的是通過包括依照本發(fā)明第一 方面的器件的顯示設(shè)備來獲得的。
依照本發(fā)明第二方面的一個實施例，所述器件被設(shè)置成向所述設(shè) 備提供環(huán)境光。有利的是，獲得了更大的虛擬屏幕的印象以及更深刻 的沉浸觀察體驗。此外，降低了觀眾的眼睛的緊張。
依照本發(fā)明第二方面的一個實施例，所述器件設(shè)置在顯示設(shè)備的 側(cè)面。
依照本發(fā)明第二方面的一個實施例，所述器件設(shè)置在顯示設(shè)備的 背面。
換言之，與所述器件的設(shè)計有關(guān)的幾個特征是特別有利的。首先， 由于光必須行進(jìn)長的路徑，因而實現(xiàn)了光的良好混合。其次，盡管對 于每種顏色僅僅使用 一個光源，但是光從兩側(cè)同時進(jìn)入所述向外耦合 結(jié)構(gòu)。這確保了實現(xiàn)完全對稱的光分布。因此，作為一個特定的優(yōu)點， 該設(shè)計允許光呈環(huán)形行進(jìn)。
此外，由于這種設(shè)置的原因，即使只使用單個光源(對于每種顏 色)，也實現(xiàn)了對稱的光向外耦合。這是非常希望的特征。
此外，這種結(jié)構(gòu)確保了對于每種單獨的顏色而言，在朝著墻壁向 外耦合之前，要行進(jìn)長的光路，同時保持了小的、細(xì)長的縱橫比和尺寸。


圖la和lb示出了依照本發(fā)明用于擴(kuò)散光的器件；
圖2示出了依照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的器件；
圖3示出了依照本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例的器件的細(xì)節(jié)；
圖4示出了在第一實施例4a和第二實施例4b中的器件的三維視圖。
圖5示出了在電視機(jī)中實施的依照本發(fā)明的器件。
具體實施例方式
圖1示出了器件100，其包括光導(dǎo)101、光輸入裝置102、光輸出 裝置103、光學(xué)棱鏡104和105、空間(void) 106以及一組107發(fā)光 元件108、 109和110?？臻g106由所述器件中間的雙水平線定界，并 且在依照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，該空間構(gòu)成氣隙?？商鎿Q空氣 的是，光輸入部分和光輸出部分之間的間隔或空間可以包括真空或流 體。所述發(fā)光元件位于光輸入裝置102中。圖la示出了器件100的部 件，圖lb示出了器件100上的光線追跡(tracing)仿真，其中箭頭111、 112、 113、 121、 122和123表示自發(fā)光元件108、 109和110行進(jìn)直到 在光導(dǎo)101的光輸出裝置102處射出120的路徑。還表示了在光導(dǎo)101 的壁上的反射130和131。由于被稱為全內(nèi)反射(TIR)的原因，所述 氣隙起著一種反射鏡的作用。因此，光或者自光源向左傳播或者自光 源向右傳播，但是其保持在光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。在光導(dǎo)的兩端，設(shè)置了 棱鏡。這些棱鏡使得角落周圍的光"彎"向優(yōu)選地呈管狀結(jié)構(gòu)化的光 輸出裝置。在光輸出裝置中，存在某種向外耦合結(jié)構(gòu)。可替換地，代 替光學(xué)棱鏡104和105的是，可以使用彎曲的反射鏡以便將光引導(dǎo)到 光輸入裝置102和光輸出裝置103之間。
圖2示出了依照本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的器件200，其中光導(dǎo)201 的光輸入裝置202的尺寸已經(jīng)經(jīng)過改變以便改善光的反射。類似于圖 1，圖2a中的器件200也包括光輸出裝置203、光學(xué)棱鏡204和205、 空間206以及光源207。此外，截面211和212表示沿著包括光輸入裝 置202的光導(dǎo)201的斷面的截面如何朝著光源207逐漸地減小。圖2b
8示出了圖2a中所示器件200的細(xì)節(jié)H0。在圖2b中，顯示了光導(dǎo)202、 光源207、光導(dǎo)202的壁208、以及表示傳播光的光線的箭頭220和221。 這些光線被顯示在光導(dǎo)的壁208處被反射230和231，從而改變它們的 方向路徑。圖2b中還示出了施加到光導(dǎo)的光輸入裝置部分的表面上的 涂層240。該涂層使得能夠到達(dá)光導(dǎo)邊緣的光有效地反射。該涂層僅在 所述表面的小部分上示出，不過它也可以施加到所述器件的表面的更 大的部分。
圖3示出了器件100或200中的光導(dǎo)101或201的光輸出部分303 中采用的向外耦合結(jié)構(gòu)302的細(xì)節(jié)。箭頭304、 305和306表示離開307 和308光輸出部分303的光線。
圖4示出了光輸入部分402和光輸出部分403彼此鄰接400以及 位于彼此疊置410的光導(dǎo)器件401的三維視圖。還示出了棱鏡404和 405、光源406、光線407、 408和409、以及光輸入部分402和光輸出 部分403之間的間隙411。
雖然仍然具有本發(fā)明的特有特征，但是其他設(shè)計變型是可能的。 可替換地，所述光導(dǎo)可以是隔間(compartment)的形式，例如具有反 射和/或擴(kuò)散側(cè)面的箱形結(jié)構(gòu)。于是，光由于頂部、底部以及側(cè)面上的 多次反射而被引導(dǎo)穿過該隔間。
圖5示出了其中實施了器件100的電視機(jī)500。箭頭501和502表 示從器件IOO發(fā)出的光。
另外，本發(fā)明也可以有利地用于其它應(yīng)用領(lǐng)域，例如用于LCD監(jiān) 測器或電視的燈或背光。
權(quán)利要求
1. 一種用于擴(kuò)散光的器件(100)，包括光導(dǎo)(101，201，401和501)，光輸入裝置(102和202)，以及光輸出裝置(103和203)，所述光輸入裝置(102和202)和光輸出裝置(103和203)連接到所述光導(dǎo)(101，201，401和501)，所述器件(100)被設(shè)置成允許來自光源(108，109，110，207和406)的具有至少兩種分開的頻率的光通過所述光輸入裝置(102和202)進(jìn)入所述光導(dǎo)(101，201，401和501)、通過所述光導(dǎo)(101，201，401和501)進(jìn)行傳播并且在所述光輸出裝置(103和203)處出射，其特征在于所述光導(dǎo)(101)是環(huán)形的，從而允許光在到達(dá)所述輸出裝置(103)之前傳播比所述光導(dǎo)(101)的外部尺寸更大的距離，用于產(chǎn)生來自所述至少兩種頻率的光的混合物。
2. 依照權(quán)利要求l的器件(100)，其中所述光導(dǎo)(101)包括單件。
3. 依照權(quán)利要求1或2中任何一項的器件(100)，其中所述光 導(dǎo)(101)包括壓鑄件。
4. 依照前面的權(quán)利要求中任何一項的器件(100),其中所述光 導(dǎo)的材料包括玻璃、塑料、P醒A或者其任意組合。
5. 依照前面的權(quán)利要求中任何一項的器件(100)，其中所述光 輸入裝置(102 )包括所述光導(dǎo)(101 )的第一部分(102 ),并且所述 光輸出裝置(103)包括所述光導(dǎo)(101)的第二部分(103)。
6. 依照權(quán)利要求5的器件(100),其中所述第一部分(102)和 所述第二部分(103)由第三部分(106)分離。
7. 依照權(quán)利要求6的器件(100)，其中所述第三部分(106)包 括具有與所述第一部分(102)的折射率不同的折射率的第二種材料。
8. 依照權(quán)利要求7的器件(100)，其中所述第二種材料是空氣。
9. 依照權(quán)利要求6-8中任何一項的器件(100)，其中所述第三 部分(106 )包括在所述第一部分(102 )之上的涂層(240 )。
10. 依照權(quán)利要求5-9中任何一項的器件(100),其中所述第一部分(102 )和所述第二部分(103 )包括漸變的截面(211和212 )，以用于改善相對于所述第一部分(102)的內(nèi)表面(208 )的光反射。
11. 依照權(quán)利要求5-9中任何一項的器件(100)，其中所述光輸出裝置(103)與所述第二部分(103)結(jié)合并且包括光向外耦合結(jié)構(gòu)(302 )，以用于改善向外發(fā)出的光(120)的方向性。
12. 依照權(quán)利要求5-9中任何一項的器件(100)，其中所述光導(dǎo)(101 )包括連接所述第一部分(102 )和所述第二部分(103 )的連接部分(104和105 )。
13. 依照權(quán)利要求12的器件(100)，其中所述連接部分(104和105 )包括至少第一 (104 )和第二 ( 105 )連接部分，以便在所述光導(dǎo)(101)內(nèi)實現(xiàn)光傳播的對稱分布。
14. 依照權(quán)利要求12或13中任何一項的器件(100)，其中所述連接部分(104和105 )包括用于在所述第一 (102 )和第二 ( 103 )部分之間引導(dǎo)光的光學(xué)棱鏡。
15. 依照權(quán)利要求12-14中任何一項的器件(100)，其中所述連接部分(104和105)包括彎曲的反射鏡。
16. 依照前面的權(quán)利要求中任何一項的器件(100)，其中所述光源(108， 109和110)包括發(fā)光二極管。
17. 依照前面的權(quán)利要求中任何一項的器件(100)，其中所述光導(dǎo)在其結(jié)構(gòu)上是對稱的。
18. —種顯示設(shè)備(500 )，包括依照前面的權(quán)利要求中任何一項的器件(100)。
19. 依照權(quán)利要求18的顯示設(shè)備(500 )，其中所述器件(IOO)被設(shè)置成向所述設(shè)備(500 )提供環(huán)境光。
20. 依照權(quán)利要求18或19中任何一項的顯示設(shè)備(500 )，其中所述器件(100)設(shè)置在所述顯示設(shè)備(500 )的側(cè)面。
21. 依照權(quán)利要求18-20中任何一項的顯示設(shè)備(500 ),其中所述器件(100)設(shè)置在所述顯示設(shè)備(500 )的背面。
全文摘要
一種用于擴(kuò)散光的器件(100)，包括光導(dǎo)(101)、光輸入裝置(102)以及光輸出裝置(103)。所述光輸入裝置(102)和光輸出裝置(103)連接到所述光導(dǎo)(101)，并且所述器件(100)被設(shè)置成允許來自光源(108，109，110)的具有至少兩種分開的頻率的光通過所述光輸入裝置(102)進(jìn)入所述光導(dǎo)(101)、通過所述光導(dǎo)(101)進(jìn)行傳播并且在所述光輸出裝置(103)處離開。所述光導(dǎo)(101)是環(huán)形的，從而允許光在到達(dá)所述輸出裝置(103)之前傳播比所述光導(dǎo)(101)的外部尺寸更大的距離，并且因而產(chǎn)生來自所述至少兩種頻率的光的混合。本文還公開了實施本發(fā)明的顯示設(shè)備。
文檔編號G02B6/00GK101473256SQ200780023252
公開日2009年7月1日 申請日期2007年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月22日
發(fā)明者B·A·薩爾特斯, M·P·C·M·克里恩 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司