CN100395653C - 高效平面光源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于UV光激发的荧光体光激发光的高效平面光源。通过平面玻璃外壳将放电限制为大体平面放电，该放电产生紫外光子。这些紫外光子又激发荧光体产生高效和高强度的可见光。在本发明中，仅仅使光源的光从一侧射出。还可以设置UV光再利用装置。本发明还公开了用于投影显示应用的该光源的准直装置。还公开了用于这种平面光源的偏振转换装置，所以光输出几乎被全部线性偏振化。
Description
技术领域
本发明涉及光源领域，特别是涉及一种平面光源，该平面光源基于低压气体在交流电作用下放电而激发荧光体发光。
背景技术
平面光源适用于许多应用，比如通常应用于液晶显示器(LCD)的发光和背光。平面光源通常由线性光源如冷阴极荧光(CCFL)管与平面(二维)光引导/扩散层一起制成，以便在一个可以散射出光的平面内散射光。点光源如小型灯或者其它光源如发光二极管的二维阵列在一定程度上也被认为是平面光源。Weber和Trutna发明了用于投影显示目的地二维LED阵列。
利用一个真空管内部的电子束激发荧光层的场致发射装置(FED)也可以是平面光源的替代形式。尽管发明FED最初是用于显示应用，但是也可以用作许多应用的强平面光源。然而，在FED中，需要具有高电子发光效率的优良电极和高真空。还需要注意到，FED中的荧光体需要高效率地把电子轰击能量转换成可见光。
由二维气体放电和荧光层组成的真实平面光源在本技术领域中也是公知的。为了保持均匀的二维气体放电，使用了诸如阻挡肋、线性阵列的技术。Ipson教导了一种具有电极阵列以激发平面放电的光源。Eberhardt和Ilmer教导了一种具有分割元件以分离各个放电的平面光源。在所有这些平面光源中，允许合成的二维气体放电激发普通荧光灯(FL)内的荧光体。这些发明在偏振光或再利用受拒绝光方面或者在光准直中，没有提出任何创新。
在本发明中，我们公开了一种基于二维气体放电的发明，该发明具有适合于新应用如投影显示的许多新特点。此外，我们公开了依据荧光体上的这种气体放电，极大增加光激发光发射过程效率的装置。这种光源是真平面光源，并且仅仅从光源的一侧发射光。然后，可以借助各种投影应用，准直该光源并转换成线性偏振。
在所有的投影仪中，形成曝光值的图像是平面图像。光源通常是伪点光源，比如弧光灯。平面光源如本发明公开的平面光源可以高效率地被直接投射到这样的成像器上。此外，成像器上的光可以通过投影透镜投射到投影屏幕上。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效平面荧光灯。通过平面玻璃外壳将放电限制为大体平面放电，该放电产生紫外光子。这些紫外光子又激发荧光体产生高效和高强度的可见光。
根据一个实施例，本发明的一种平面光源包括：
(a)一个由上玻璃板和下玻璃板组成的玻璃单元，所述上下玻璃板相隔至少0.1mm的距离，其所有侧边被密封；
(b)所述玻璃单元内部的低压气体混合物；
(c)所述玻璃单元内部的撞击气体放电的装置，所述气体放电能够产生紫外光子；
(d)设置在所述下玻璃板之外或者之内的光反射涂层，所述反射涂层充分反射所有可见光；
(e)设置在下玻璃板上的荧光层，该荧光层能够将紫外光子转换成可见光；
(f)设置在上玻璃板之内的光涂层，该光涂层充分反射大多数紫外光，并充分透射可见光。
根据另一个实施例，本发明的一种平面光源包括：
(a)一个由上玻璃板和下玻璃板组成的玻璃单元，所述上下玻璃板相隔至少0.1mm的距离，其所有侧边被密封；
(b)所述玻璃单元内部的低压气体混合物；
(c)所述玻璃单元内部的撞击气体放电的装置，所述气体放电能够产生紫外光子；
(d)设置在所述下玻璃板之外或者之内的光反射涂层，所述反射涂层充分反射所有可见光；
(e)设置在下玻璃板上的荧光层，该荧光层能够将紫外光子转换成可见光；
(f)设置在上玻璃板之内的光涂层，该光涂层充分反射大多数紫外光，并充分透射可见光；
(g)设置在上玻璃板之外的薄片型反射偏光镜，所述反射偏光镜沿某一方向反射线性偏振光，并透射垂直偏振的线性偏振光。
根据再一个实施例，本发明的一种平面光源包括：
(a)一个由上玻璃板和下玻璃板组成的玻璃单元，所述上下玻璃板相隔至少0.1mm的距离，其所有侧边被密封；
(b)所述玻璃单元内部的低压气体混合物；
(c)所述玻璃单元内部的撞击气体放电的装置，所述气体放电能够产生紫外光子；
(d)设置在所述下玻璃板之外或者之内的光反射涂层，所述反射涂层充分反射所有可见光；
(e)设置在下玻璃板上的荧光层，该荧光层能够将紫外光子转换成可见光；
(f)设置在上玻璃板之内的光涂层，该光涂层充分反射大多数紫外光，并充分透射可见光；
(g)设置在上玻璃板顶面外侧上的四分之一波长延迟片；
(h)设置在所述四分之一波长延迟片顶面上的薄片型反射偏光镜，所述反射偏光镜以某一方向反射线性偏振光，并透射垂直偏振的线性偏振光。
根据又一个实施例，本发明的一种平面光源包括：
(a)一个由上玻璃板和下玻璃板组成的玻璃单元，所述上下玻璃板相隔至少0.1mm的距离，其所有侧边被密封；
(b)所述玻璃单元内部的低压气体混合物；
(c)所述玻璃单元内部的撞击气体放电的装置，所述气体放电能够产生紫外光子；
(d)设置在所述下玻璃板之外或者之内的光反射涂层，所述反射涂层充分反射所有可见光；
(e)设置在下玻璃板上的荧光层，该荧光层能够将紫外光子转换成可见光；
(f)设置在上玻璃板之内的光涂层，该光涂层充分反射大多数紫外光，并充分透射可见光；
(g)设置在上玻璃板顶面外侧上的四分之一波长延迟片；
(h)设置在所述四分之一波长延迟片顶面上的薄片型反射偏光镜，所述反射偏光镜以某一方向反射线性偏振光，并透射垂直偏振的线性偏振光；
(i)设置在所述反射偏振膜顶面上的光散射片，该光散射片能够限制主要在沿正方向的光发射角。
下面结合附图以具体实例对本发明进行详细说明。
附图说明
图1显示了典型的CCFL灯；
图2显示了典型的CCFL灯的截面图；
图3显示了本发明第一实施例的几何形状；
图4显示了本发明第一实施例的细节；
图5显示了本发明第二实施例的细节；
图6显示了本发明第三实施例的细节；
图7显示了优选实施例的变化；
图8显示了光角度分布的示意图。
具体实施方式
本发明的平面荧光灯具有高效率和高亮度。在传统的冷阴极荧光灯中，低压等离子体放电被封闭在柱形玻璃管1中。在玻璃管内部通过两个电极2激发电子放电。放电3发射紫外光，该紫外光激发涂覆在玻璃管1内部的荧光体4。通过光激发光过程使荧光体发射可见光。该光具有受荧光体材料控制的光谱含量。
在冷阴极放电中，重要的是选择合适的电极材料，以便使电子发射对于所施加的电压来说到达最大。此外，使玻璃管1内气体的成分以及压力达到最优，以便能够高效率地生成大量的紫外光，也是重要的。大量的文件记述了这些问题的讨论，并且该技术是公知的。在没有电极的新型灯中，通过灯外部的射频源激发等离子放电。
在本发明中，灯的几何形状不是圆柱形的，而是呈图3所示的平面结构。该灯的形状呈矩形，其两侧面基本上呈平面。光仅仅从灯的一侧面发射，而灯的另一侧面不透光。可以选择灯的最佳厚度，以便提供最高的光发射效率。
本发明的平面几何形状具有许多优点。第一，由于光从灯的一侧面发射，因此可以用全反射镜8覆盖不透光侧面。这将有效地使荧光体发射的全部光射向一侧。反射涂层8最好是电介质，以便它不干涉放电。
第二，该CCFL平面光源的重要优点是发射荧光体是面向发射侧的。这不同于传统的管型CCFL。如图2所示，在一个CCFL中，荧光体的内部由来自等离子放电7的UV(紫外)光子激发。所发射的可见光必须通过荧光层，才能射到外部。在本发明的平面光源中，射出的可见光位于与入射UV光相同的一侧。从荧光层9射出可见光没有散射损失。对于发射到荧光体相对侧面的光，反射镜8将其反射到正确的侧面。
第三，通过再利用等离子放电的UV光，可以提高平面光源的效率。由于UV光是从等离子放电3全方向发射的，因此某些UV光将沿荧光层9的相反方向辐射。可以在光源的内部构造一个光涂层4，以便将UV光反射回到荧光层9。因而利用了所有的UV光。
第四，本发明还包括一个任选的偏振变换片。该光源的平面几何形状使偏振变换片非常容易地变换偏振作用。通过使用发射/反射偏振片10实现变换，发射/反射偏振片10具有在反射某一偏振方向反射光以及反射垂直偏振光的特性。这些片可在市场上购买到，比如从3M公司得到。该片将透过单偏振光源中的光。误垂直偏振的光将被反射回到荧光体。荧光体的散射将加强去偏振效果，并且把某些光转换成将由偏振片10透射的正确偏振。因此，最终将按照单偏振发射所有的光。如果需要，可以在偏振片的下面放置四分之一波长片11，以旋转来自偏振片10的受拒绝反射光的偏振。
本平面光源的角分布基本上是满足下式的Lambertian：
I(θ)＝I0cosθ
其中，θ是距法线的夹角。在图8中用虚线显示了该分布。本发明的应用之一是作为投影仪的光源。对于一个平面光源，可以高效率地用于成像光学系统。在此情况下，需要使用某种准直片来限制光源光的发射角度。这种片可以是3M公司的“亮度增强片”12的形式。作为选择，可以在光源上设置全息散射片12，用于主要在正方向散射光。图8中实线示意性示出窄角度分布，对于提高投影仪的光利用效率是必须的。作为投影仪的光源，etundue E必须尽可能的小。E的定义为
E＝AΩ
其中，A是光源的面积，Ω是发射的立体角。因此，对于投影仪应用，减小Ω是重要的。这可以通过使用本发明指出的散射片得以实现。
在本发明的优选实施例中，平面光源由玻璃制成的矩形单元组成，具有如图4所示的形状，并且包含上下玻璃片5。玻璃基本上是平面的，并且彼此大体上由隔片6隔开而保持固定距离。用于所有可见光的光反射涂层8被设置在下玻璃片上。该涂层的顶部是荧光材料层9，它能够将紫外光转换成可见光。上玻璃片的内侧上具有光涂层5，它具有反射紫外光以及透射可见光的特性。
在该第一实施例中，可以使用一对电极2激发等离子放电，或者使用外部电路借助无电极放电激发等离子放电。通过电极或者外部电路激发的等离子放电将产生紫外光子。紫外光子通常通过在气体混合物中添加汞或其他汞化合物而产生，尽管这不是本发明的要求。同样，为了增加汞的浓度，玻璃单元可能需要稍微加热。这些紫外光子将撞击荧光体，从而产生可见光。允许该紫外光从顶部表面逃逸光源。
在本发明的第二优选实施例中，平面光源基本上与第一实施例相同，其不同之处在于，反射偏光镜被设置在光源的顶部，如图5所示。该反射偏光镜具有反射单偏振光和透射垂直偏振光的特性。也可以使用四分之一波长滞后片，并将其置于反射偏光镜之下。该实施例将仅允许单偏振的光发射。这样，光源仅高效率地发射线性偏振光。
在本发明的第三优选实施例中，一个附加片被置入光源的顶部。该附加片的目的是限制光的发射角，使光主要沿正方向。市面上可以购买到许多这样的片，如“亮度增强片”。可以在表面上构建这些片，比如美国3M公司的VikutiTM片，或者美国Physical Optics公司的Light Diffuser FilmTM全息散射片。
在所有优选实施例中，光反射层8可以被设置在玻璃单元内部或者设置在玻璃单元外部，如图7所示，另外，底部玻璃板可以用其他绝缘体代替。
Claims (6)
1.一种平面光源，包括：
(a)一个由上玻璃板和下玻璃板组成的玻璃单元，所述上下玻璃板相隔至少0.1mm的距离，其所有侧边被密封；
(b)所述玻璃单元内部的低压气体混合物；
(c)所述玻璃单元内部的撞击气体放电的装置，所述气体放电能够产生紫外光子；
(d)设置在所述下玻璃板之外或者之内的光反射涂层，所述反射涂层充分反射所有可见光；
(e)设置在下玻璃板上的荧光层，该荧光层能够将紫外光子转换成可见光；
(f)设置在上玻璃板之内的光涂层，该光涂层充分反射大多数紫外光，并充分透射可见光。
2.一种平面光源，包括：
(a)一个由上玻璃板和下玻璃板组成的玻璃单元，所述上下玻璃板相隔至少0.1mm的距离，其所有侧边被密封；
(b)所述玻璃单元内部的低压气体混合物；
(c)所述玻璃单元内部的撞击气体放电的装置，所述气体放电能够产生紫外光子；
(d)设置在所述下玻璃板之外或者之内的光反射涂层，所述反射涂层充分反射所有可见光；
(e)设置在下玻璃板上的荧光层，该荧光层能够将紫外光子转换成可见光；
(f)设置在上玻璃板之内的光涂层，该光涂层充分反射大多数紫外光，并充分透射可见光；
(g)设置在上玻璃板之外的薄片型反射偏光镜，所述反射偏光镜沿某一方向反射线性偏振光，并透射垂直偏振的线性偏振光。
3.一种平面光源，包括：
(a)一个由上玻璃板和下玻璃板组成的玻璃单元，所述上下玻璃板相隔至少0.1mm的距离，其所有侧边被密封；
(b)所述玻璃单元内部的低压气体混合物；
(c)所述玻璃单元内部的撞击气体放电的装置，所述气体放电能够产生紫外光子；
(d)设置在所述下玻璃板之外或者之内的光反射涂层，所述反射涂层充分反射所有可见光；
(e)设置在下玻璃板上的荧光层，该荧光层能够将紫外光子转换成可见光；
(f)设置在上玻璃板之内的光涂层，该光涂层充分反射大多数紫外光，并充分透射可见光；
(g)设置在上玻璃板顶面外侧上的四分之一波长延迟片；
(h)设置在所述四分之一波长延迟片顶面上的薄片型反射偏光镜，所述反射偏光镜以某一方向反射线性偏振光，并透射垂直偏振的线性偏振光。
4.一种平面光源，包括：
(a)一个由上玻璃板和下玻璃板组成的玻璃单元，所述上下玻璃板相隔至少0.1mm的距离，其所有侧边被密封；
(b)所述玻璃单元内部的低压气体混合物；
(c)所述玻璃单元内部的撞击气体放电的装置，所述气体放电能够产生紫外光子；
(d)设置在所述下玻璃板之外或者之内的光反射涂层，所述反射涂层充分反射所有可见光；
(e)设置在下玻璃板上的荧光层，该荧光层能够将紫外光子转换成可见光；
(f)设置在上玻璃板之内的光涂层，该光涂层充分反射大多数紫外光，并充分透射可见光；
(g)设置在上玻璃板顶面外侧上的四分之一波长延迟片；
(h)设置在所述四分之一波长延迟片顶面上的薄片型反射偏光镜，所述反射偏光镜以某一方向反射线性偏振光，并透射垂直偏振的线性偏振光；
(i)设置在所述反射偏振膜顶面上的光散射片，该光散射片能够限制主要在沿正方向的光发射角。
5.根据权利要求1、2、3或4所述平面光源，其中所述的撞击气体放电的装置是所述玻璃单元外侧的射频源。
6.根据权利要求1-4之一所述的平面光源，其中下玻璃板可以用其他绝缘体代替。
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