CN101189543A - 具有亮度增强层的发光器件 - Google Patents

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Abstract

提供一种包括校准装置(6)的亮度增强装置(5)，该校准装置具有接收区域(61)、比所述接收区域大的输出区域(62)、以及至少部分在所述接收区域和输出区域之间延伸的侧壁(63)。所述校准装置(6)的至少部分侧壁(63)包括第一滤光器，该第一滤光器设置成将第一光性质的光朝向所述第一校准装置(6)的所述输出区域(62)反射，所述光通过所述第一校准装置(6)的所述接收区域(61)而被接收，其中所述第一滤光器是二色性滤光器或偏振滤光器。

Description

具有亮度增强层的发光器件
技术领域
本发明涉及一种亮度增强装置，至少包括第一校准装置和第二校准装置，第一校准装置和第二校准装置每一个都具有接收区域、比所述接收区域大的输出区域、以及在所述接收区域和输出区域之间延伸的侧壁。本发明还涉及一种包括亮度增强层的发光器件。
背景技术
目前试图将平面光源用于几种不同的应用，例如用于环境照明的灯、液晶显示器中的背灯和投影显示器中的灯。
发光二极管、LED可以是许多应用中的光源的理想选择，例如因为LED的寿命高于白炽灯泡、荧光灯泡和放电灯的寿命。
另外，发光二极管的功耗效率比白炽灯泡高并且可以预见到在不久的将来比荧光灯管更有效率。
在这些和其他应用中的几个中，通常希望获得高亮度和颜色可变性的光。
亮度(B)定义为每单元面积(A)每单元立体角(Ω)发射的流明量(φ)：
B = Φ AΩ .
常规地，颜色可变性通过将多个红、绿和蓝色LED独立地设置成阵列(行、列和二维矩阵)以形成一个色彩可变的、独立可寻址的象素阵列而获得。
高亮度的颜色可变的光典型地通过在矩阵中并排堆叠大量在光谱的不同部分发光的高亮度LED而获得。在一定面积上排列的LED越多，φ/A比值就变得越高。
然而，使发射不同颜色的LED完全并排设置并不是一种获得尽可能多地校准的光的有效方法。典型地，LED以基本上Lambertian图案(pattern)发射光，即，具有与观看角度的余弦成比例的强度。使不同颜色的LED并排设置将再次导致产生Lambertian辐射图案。因此，与Ω成比例的角展度(angular spread)没有改变。
降低该角展度的一种方法是提供具有校准器的LED。这例如在美国专利申请2004/02118390中被描述，其中LED阵列设置成锥形金属反射槽(bin)的对应阵列。
然而，锥形金属槽是空间需求，并且为了给每个LED提供单独的光校准，这些LED必须以间隔开的排列设置。
然而该间隔开的排列的缺点是增大了上述公式中的A，这导致对设定数量的发光二极管来说亮度降低。
因此，仍然存在对平面光源的需求，其具有紧凑布局，能够提供具有低角展度发射光的高亮度光。
发明内容
本发明的一个目的是克服该问题，并且提供一种具有小型布局并且能够提供经过校准的高亮度光的光源。
因此，在本发明的第一方面提供一种包括至少一个校准装置的亮度增强装置，该校准装置具有接收区域、比接收区域大的输出区域以及在接收区域和输出区域之间延伸的侧壁。
在本发明的亮度增强装置中，校准装置的至少部分侧壁包括二色性滤光器，该二色性滤光器设置成将波长范围中的光朝向所述第一校准装置的所述输出区域反射，其中所述光通过所述第一校准装置的所述接收区域接收。
在本发明的实施例中，亮度增强装置可以至少包括第一校准装置和第二校准装置，其中第一校准装置和第二校准装置均具有接收区域、和比所述接收区域大的输出区域、以及在所述接收区域和输出区域之间延伸的侧壁。
第一校准装置的至少部分侧壁包括第一二色性滤光器，该第一二色性滤光器设置成将第一波长范围中的光朝向所述第一校准装置的所述输出区域反射，其中所述光通过所述第一校准装置的所述接收区域接收。
第二校准装置的至少部分侧壁包括第二二色性滤光器，该第二二色性滤光器设置成将第二波长范围中的光朝向所述第二校准装置的输出区域反射，其中所述光通过所述第二校准装置的所述接收区域接收。
另外，第一校准装置的输出区域和第二校准装置的输出区域至少是部分重叠的。
第一和第二波长范围不同，但是可以部分重叠。然而，优选地这个范围重叠尽可能地小。
通过使用具有包括二色性滤光器的壁的校准装置，可以制造这种具有重叠的输出区域的校准装置。
第一波长范围的光被透射通过适于反射第二波长范围(除了该范围的重叠部分之外)内的光的二色性滤光器，而是被适于反射第一波长范围的光的二色性滤光器反射。反之，第二波长范围的光被透射通过适于反射第一波长范围(除了该范围的重叠部分之外)的光的二色性滤光器，而是被适于反射第二波长范围的光的二色性滤光器反射。
通过使用本发明的这种方法，通过相同结构同时进行光的颜色混合和校准，而不是在一个结构中进行校准并且之后在另一个结构中进行颜色混合(或者反之亦然)。
本发明者还发现上述方法可以用于混合和校准不同偏振状态的光，例如不同平面偏振或不同圆形偏振的光。
因此，在其他方面，本发明还涉及如上所述的亮度增强装置，但是其中第一和第二波长范围由第一和第二偏振状态替代，并且其中分别反射所述第一和第二波长范围的光的第一和第二二色性滤光器由用于分别反射第一和第二偏振状态的光的第一和第二偏振滤光器代替。
因此，此外，本发明提供一种包括至少一个校准装置的亮度增强装置，该校准装置具有接收区域、比接收区域大的输出区域、以及在接收区域和输出区域之间延伸的侧壁，其中校准装置的至少部分侧壁包括偏振滤光器，该偏振滤光器布置成将处于偏振状态的光朝向所述第一校准装置的所述输出区域反射，其中所述光通过所述第一校准装置的所述接收区域接收。
在本发明的该其他方面的实施例中，亮度增强装置可以至少包括第一校准装置和第二校准装置，它们每一个均具有接收区域、比接收区域大的输出区域、以及在接收区域和输出区域之间延伸的侧壁，其中所述第一校准装置的至少部分侧壁包括第一偏振滤光器，该偏振滤光器设置成将处于第一偏振状态的光朝向所述第一校准装置的所述输出区域反射，其中所述光通过所述第一校准装置的所述接收区域接收，并且其中所述第二校准装置的至少部分侧壁包括第二偏振滤光器，该偏振滤光器设置成将处于第二偏振状态的光朝向所述第二校准装置的输出区域反射，其中所述光通过所述第二校准装置的接收区域接收，其中第一校准装置的输出区域和第二校准装置的输出区域至少部分重叠。
重叠的输出区域允许制造紧凑的亮度增强层，适于具有紧凑布局的照明单元阵列。
在本发明中，包括二色性滤光器的校准装置中的接收区域的法线和侧壁部分的法线之间的角度基本上是恒定的，或者可以随着距接收区域的距离而增大。
在本发明的实施例中，两个相邻校准装置的输出区域的重叠可以是至少10％、诸如至少30％、例如至少50％。
在本发明的实施例中，校准装置的侧壁可以包括自支撑壁部件。
在本发明的实施例中，二色性滤光器可以包括设置在壁部件的第一侧面上的第一二色性材料和设置在壁部件的第二侧面上的第二二色性材料。第一和第二二色性材料可以相同或者不同。
二色性滤光器可以例如包括具有第一反射率的第一材料和具有第二反射率的第二材料的交替层，例如5到大约10层。
在本发明的实施例中，光阻(light-blocking)装置可以设置在位于所述亮度增强装置周边界的至少部分校准装置的至少部分输出区域上。
在本发明的实施例中，沿着垂直于所述周边界的方向所取的，最接近所述亮度增强装置的周边界的至少两个或者三个校准装置的输出区域可以基本上延伸到所述周边界，即那些输出区域的界限可以至少部分地与所述周边界重合。
在本发明的实施例中，校准装置中位于所述亮度增强装置周边界处的与所述周边界重合的至少部分侧壁可以提供有全光谱反射表面。
在第二方面，本发明提供一种发光器件，其包括设置在衬底上的第一照明单元和第二照明单元，其中第一照明单元用于发射第一波长范围的光，第二照明单元用于发射第二波长范围的光。
照明单元可以例如每一个均包括一个或者多个发光二极管。
本发明的器件还包括本发明的亮度增强装置，该亮度增强装置设置成接收照明单元发射的光。
亮度增强装置包括校准装置，该校准装置具有接收区域、比所述接收区域大的输出区域、以及至少部分在所述接收区域和输出区域之间延伸的侧壁。所述校准装置的至少部分侧壁包括二色性滤光器，该二色性滤光器设置成将所述第一波长范围的光朝向校准装置的输出区域反射，其中所述光通过校准装置的接收区域接收。
在本发明的第二方面的实施例中，发光器件中的亮度增强装置可以包括至少第一校准装置和第二校准装置，该第一校准装置和第二校准装置的每一个均具有接收区域、比所述接收区域大的输出区域、以及在所述接收区域和输出区域之间延伸的侧壁。
在亮度增强装置中，第一校准装置的至少部分侧壁包括第一二色性滤光器，该第一二色性滤光器设置成将第一波长范围内的光朝向所述第一校准装置的输出区域反射，其中所述光通过所述第一校准装置的所述接收区域接收。
另外，第二校准装置的至少部分侧壁包括第二二色性滤光器，该第二二色性滤光器设置成将第二波长范围的光朝向所述第二校准装置的输出区域反射，其中所述光通过所述第二校准装置的所述接收区域接收。
另外，第一校准装置的输出区域和第二校准装置的输出区域至少是部分重叠的。第一和第二波长区间可以至少部分重叠。
正如上面对本发明的亮度增强装置所描述的、还有对本发明的发光器件所描述的，波长范围可以替换为偏振状态，并且二色性滤光器可以替换为偏振滤光器。因此，本发明的发光器件在某些实施例中可以包括第一照明单元，用于提供第一偏振状态的光；任选的第二照明单元，用于提供第二偏振状态的光；以及本发明的亮度增强装置，能够混合和校准不同偏振状态的光。
本发明的发光器件提供良好的光校准，还提供良好的颜色或偏振混合。这允许置于发光器件的光束中的物体的阴影不会具有彩色的或偏振的边缘，这通常是光源没有很好的颜色或者偏振混合的情况。
在本发明的一般实施例中，本发明的发光器件包括本发明的亮度增强装置。
在本发明的实施例中，发光器件可以包括设置在所述照明单元上的延迟器(retarder)、设置在延迟器上的偏振反射器，其中亮度增强装置设置在偏振反射器上。
这种发光器件可以用于高效率地提供经过校准的偏振光。
另外，在其上设置照明单元的衬底可以是可反射性的衬底。
在本发明的实施例中，校准器可以设置在照明单元上以接收和校准由所述照明单元所发射的光，并且亮度增强装置可以设置在该校准器上以接收并且进一步校准由照明单元所发射的光。
在本发明的实施例中，每个照明单元可以包括一个或多个发光二极管。
在本发明的一些实施例中，照明单元可以包括一个或多个有机发光二极管(OLED)。
在本发明的实施例中，第一照明单元包括两个或多个发光二极管的第一线性阵列并且第二照明单元包括两个或多个发光二极管的第二线性阵列，其中第二阵列可以设置成基本上平行于第一阵列。
在本发明的实施例中，至少部分地降低了在所述器件周边界处的光输出。输出降低可以例如通过在位于所述亮度增强装置周边界处的至少部分校准装置的至少部分输出区域上设置光阻装置来实现，因此至少部分地阻止光通过这些输出区域射出。可替换地，或者另外，输出降低可以通过降低位于所述器件周边界处的至少部分照明单元所发射的光的通量来实现。
在本发明的实施例中，发光器件还可以包括波导，其中亮度增强层设置成将所述至少第一和第二照明单元发射的光耦合进所述波导。
在其他方面，本发明提供包括本发明亮度增强装置的光源和显示装置。
附图说明
参考示出本发明的当前优选实施例的附图，对本发明的这个和其他方面更加详细地进行描述。
图1a-b示出本发明的第一实施例的横截面视图。图1b是图1a的详图。图1c是替换图1b细节的可选实施例。
图2示出本发明的用于改善光校准的第二实施例的横截面视图。
图3示出本发明的用于提供偏振光的第三实施例的横截面视图。
图4示出本发明的第四实施例的透视图。
图5示出本发明的第五实施例。
图6是图5的详图。
图7示出本发明的另一个实施例的顶视图和横截面视图。
图8示出本发明的又一个实施例的横截面视图。
图9示出本发明的还一个实施例的透视图。
具体实施方式
图1a示出了本发明的亮度增强装置的实施例，其示出在根据本发明的发光器件的情况下这个实施例的横截面视图，所述发光器件包括亮度增强装置。
在本发明的情况下，亮度增强装置是光学活性元件，其是或适于设置在发光器件上以增加由该器件所发射的光的亮度和颜色混合。
亮度(B)定义为每单元面积(A)每单元立体角(Ω)发射的流明(φ)量：
B = Φ AΩ .
根据本发明，发射面积A，即光源的面积，可以允许不变。然而，角展度降低，即光被校准。通过二色性滤光器，角展度降低，因此相对发射的光的立体角Ω减小。结果，亮度增大。
发光器件包括在其上排列发光二极管阵列的衬底1。该阵列包括设置在衬底1上且电连接到电路(未示出)的第一发红光二极管2、第二发绿光二极管3和第三发蓝光二极管4。
如在此所用的，“发光二极管”涉及所有不同类型的发光二极管(LED)，包括基于有机物的LED、基于聚合物的LED和基于无机物的LED，在工作模式下它们发射从紫外到红外的任意波长或者波长区间的光。在该应用的情况下，发光二极管还包含激光二极管，即发射激光的发光二极管。适于在本发明中使用的发光二极管包括但不局限于顶部发射、侧面发射和底部发射的发光二极管。
如在此所用的，术语“有机发光二极管”或“OLED”涉及所有不同类型的包括有机发光材料的发光二极管(LED)，包括基于有机小分子的LED(smOLED)和基于有机聚合物的LED(polyLED)，在工作模式下它们发射从紫外到红外的任意波长或波长区间的光。而且透明的顶部发射、底部发射或者顶部和底部发射的OLED(TOLED)可以用作本发明中的光源。
有机发光二极管(OLED)典型地由夹在阳极和阴极之间的一个或多个有机层构成，其中至少一层可以发光。OLED适于用作照明用的大表面发光面板的光源。
使用OLED用于一般照明时的一个瓶颈是光的无方向耦合输出，使OLED成为漫射光的光源。因此，对于许多照明应用来说，目前使用OLED不是很有效。
OLED的第二个问题是由它们有限的寿命导致的。典型地，在恒定驱动电流下亮度作为时间的函数而降低。另外，典型地，在越高的电流密度(即越高的亮度)下OLED退化得越快。目前，OLED的寿命不足以进入照明市场，甚至在相对低的亮度水平。此外，不同颜色的OLED通常具有不同的老化性质，使得OLED的多色彩阵列(即，RGB阵列)不仅呈现出亮度，而且随着时间呈现出色移。
第三，颜色可变的OLED器件的颜色混合是个问题。颜色可变的器件的一种选择是用例如红色、绿色和蓝色单色的OLED设置于侧面制造形成图案(patterned)的器件。
然而，有效率的颜色混合对图案的尺寸设置了限制。越小的图案，即越密集的OLED的封装，典型地产生越好的颜色混合，但是图案越小，使得用于驱动OLED的电路越复杂。虽然也可以堆叠单色的OLED，但是这样成本效率低。
为了降低OLED发射的光的漫射程度的一种可选择方案是校准该光，并且由此降低角展度。
降低的角展度还能够增大所发射的光的亮度，因此提高了OLED的寿命，因为能够使用相对较低的驱动电流实现同样的亮度。因此有利地是本发明的亮度增强装置层与有机发光二极管一起使用。
如在此所用的，发光二极管(例如“发绿光的二极光”)的颜色指的是由发光二极管在工作模式下所发射的光的颜色，即波长范围。
概括地如上面所述，本发明的创造性观点还触及到不同偏振性质的混合和校准。因此，在此处描述的适当段落中，术语“波长区间”可以替换为“偏振状态”，“二色性滤光器”可以替换为“偏振滤光器”并且“颜色”可以替换为“偏振”。
亮度增强装置5包括接收表面和与接收表面相对的输出表面，并且该亮度增强装置5设置在发光二极管的顶部，以通过其接收表面接收发光二极管发射的至少部分光。
亮度增强装置包括光校准装置6，7，8的阵列，每个光校准装置都在亮度增强装置5的接收表面上具有接收区域61，71，81并且在亮度增强装置5的输出表面上具有输出区域62，72，82。
此外，每个光校准装置都包括在相应的光校准装置的接收区域和输出区域之间延伸的侧壁63，73，83。
图1b中详细示出了校准装置6，7和8。
在本发明中有利地是，与发光二极管相面对的校准装置的与该发光二极管相邻的侧壁部分包括二色性滤光器，该校准装置与该发光二极管相对应，该二色性滤光器反射由其对应的发光二极管所发射的颜色的光，但是透射由该相邻发光二极管所发射的颜色的光。
校准装置在至少一维上具有通常为类似于漏斗的形状，并且通过利用二色性滤光器材料作为锥形部分上的侧壁，输出区域的重叠是可能的，而基本上没有影响每个漏斗的校准效率。
当使用相同类型的发光二极管时，与使用非重叠校准装置的发光器件相比，这个重叠允许发光二极管在衬底上的密集组装，进而允许本发明的发光器件产生更高的亮度。
两个相邻校准装置的输出区域的重叠至少为10％，例如至少为30％，例如至少50％，被视作一个校准装置的部分输出区域被一个相邻的校准装置重叠。
输出区域的重叠还提供了来自相邻发光二极管的发射光的良好颜色混合。在输出区域的重叠部分中，基本上实现了全颜色混合。
相邻输出区域之间的重叠越高，颜色混合就变得越好
如在此处所使用的，术语“校准”和相关术语，例如“校准装置”指的是能够接收电磁(EM)辐射(例如从UV到IR区间的光)的部件，并且减小所接受的EM辐射的校准角度。
光校准装置阵列叠置在发光二极管阵列上，使得每个校准装置接收来自单独的发光二极管的光。
在某些情况下，多个发光二极管聚合在一起成为照明单元，使得亮度增强装置设置在照明单元阵列上，其中每个照明单元包括多于一个的发光二极管，其中每个这种照明单元与亮度增强装置的一个光校准装置相对应。
校准装置的侧壁包括二色性滤光器，其适于反射基本上相同颜色(波长或波长范围)的光作为由其对应的发光二极管所发射的光。
如在此处所使用的，术语“二色性滤光器”涉及这样的滤光器：其反射一个或多个波长或波长范围的电磁辐射，并且透射波长或波长范围，同时对所有感兴趣的波长都保持低吸收系数，典型地接近零。
二色性滤光器可以是高通、低通、带通或带阻型。
如在此处所使用的，术语“波长范围”指的是连续的和不连续的波长范围。
适用于在本发明的亮度增强装置中使用的二色性滤光器包括本领域技术人员公知的二色性滤光器，并且包括折射率不同的多层材料。
这种滤光器的一个例子，一般地已知为“干涉叠层(interferencestack)”，包括Ta2O5和SiO2的交替层。每层的厚度典型地近似等于用折射率除空气中的波长的四分之一，其中空气中的波长等于二色性滤光器被适用的光的主波长。
本领域技术人员已知的并且适用于本发明中的二色性滤光器的其他例子是基于胆甾型液晶的滤光器，称之为光子晶体(photonic crystal)或全息层。
如在本发明的情况下所使用的，如果二色性滤光器反射由照明单元所发射的波长范围内的波长，同时透射不同波长范围的光，则二色性滤光器与照明单元相匹配。
例如，适于绿光的二色性滤光器可以反射绿光，同时透射蓝光和红光。
所发射的波长范围和所反射的波长范围不必相同。所反射的波长范围可以例如比所发射的波长范围窄，或者可以比所发射的波长范围宽。
另外，二色性滤光器可以是非理想的，即没有100％反射滤光器要反射光所在的波长范围的光。因此，术语“二色性滤光器设置成反射波长区间的光”理解为“二色性滤光器设置成至少部分地反射波长区间中的光”。
例如，二色性滤光器可以与两个不同颜色(例如红色和绿色)、透射蓝光等的照明单元相匹配。
每个校准装置6，7和8具有类似漏斗的形状，使得输出区域大于接收区域，并且每个校准装置的横截面(从上面看)随着距接收区域的距离的增加而不断增大。
在图1a和b中示出的实施例中，校准装置6，7和8的侧壁63，73和83分别基本上为扁平的，即接收区域的法线和侧壁的法线之间的角度随着距照明单元的距离而基本上恒定。典型地，这个角度在45°到89°之间，例如在60°到85°之间，例如在75°到85°之间。
然而，在一些应用中，如果接收区域的法线和侧壁的法线之间的这个角度例如随着到接收区域的距离而增大或减小，例如增大以形成类似抛物线或双曲线的形状，则可以有利的。在图1c中，示出这种校准装置6，其中侧壁63具有类似抛物线的形状。正如本领域技术人员理解的那样，这种抛物线类型的形状还可应用到图1b中的校准装置7和8上。通过类似抛物线的形状，LED发射的光和用于二色性反射的位置处的侧壁之间的角度较小地取决于发射角。这导致更好的性能，因为通常二色性滤光器取决于入射角，即反射和透射带在波长区间的情况下随着入射角而变化。接收区域的法线和侧壁的法线之间的最大角度典型地在45°到89°的范围，例如从60°到85°，例如从75°到85°。
在图1中示出的实施例中，包括二色性滤光器的侧壁部分向外朝向输出区域逐渐变细。因此，在来自发光二极管的光以在它遇到输出区域之前遇到锥形侧壁这样的角度进入校准装置的情况下，通过相应的校准装置的接收区域进入该校准装置的该来自发光二极管的光将在二色性滤光器中被反射朝向同一校准装置的输出区域。
当二色性侧壁朝外逐渐变细时，接收区域的法线和反射的光束(在侧壁上被反射)之间的绝对角将比光束被反射之前的绝对角小。
因此，遇到输出区域的光将根据接收到的光而被校准。
然而，在包括二色性滤光器的侧壁部分上发生光反射的一个要求就是光的颜色与二色性滤光器相匹配。如果发射的光的颜色与二色性滤光器不匹配，那么滤光器会使它透过。尽管如上所述，但是二色性滤光器也可以适合于不止一种颜色的反射，例如红色和绿色，而透射蓝色光，或者实际上颜色的任何其他组合。
与不同颜色(即具有基本上无重叠光谱)的两个相邻发光二极管相对应的光校准装置，如与发光二极管2和3相对应的光校准装置6和7，被设置得使得输出区域62和72分别是重叠的。
当校准装置6的二色性滤光器对于发绿光二极管发射的(绿)光基本上是可透过的时候，并且反之亦然，这个重叠基本上没有导致任何向后朝向发光二极管的光反射。
在图1中示出的实施例中，校准装置的侧壁由自支撑壁部件构成。该壁部件直接设置第一层51中LED阵列顶部上，且第二层52设置在第一层52上。
第一层设置在LED阵列上，使得三角形空隙直接位于每个LED上方。
界定某一LED上方的空隙的壁构成与相邻LED对应校准装置的部分侧壁。因此，如图1中所示，界定红色LED 2上方空隙的左侧壁为校准装置8的侧壁83一部分，该校准装置8与设置在红色LED 2左侧的蓝色LED 4相对应。相似的，界定红色LED 2上方空隙的右侧壁为校准装置7侧壁73的一部分，该校准装置7与设置在红色LED 2右侧的绿色LED 3相对应。
第二衬底52设置在第一衬底51上，使得形成由第一衬底51所形成的壁的线性延伸。
将如上所述的二色性材料设置在自支撑壁部件上以便提供二色性滤光器功能性。
制造这种亮度增强装置的一种方法就是提供两个平面的、透明的、可折叠的衬底。第一个衬底设置有二色性材料，使得当它折叠成类似W形状时，其采用图1中的第一层51的形状。第二衬底设置有二色性材料，使得当它折叠成类似W形状时，采用图1中的第二层52的形状。然后将两个折叠的衬底叠加在LED阵列上以提供亮度增强装置。
在图1中示出的实施例中，基本上亮度增强装置的每个校准装置6，7，8都具有相同的形状。此外，它们呈现出基本上对称的横截面(切去顶端的三角形)，其中输入区域的几何中心和输出区域的几何中心基本上位于彼此的顶部(输入区域的几何中心和输出区域的几何中心之间的线平行于输入区域的法线)。然而，在本发明的替换实施例中，在相邻的校准装置之间校准装置的形状可以不同。例如，对于相邻校准装置来说，输入区域的法线与输入区域的几何中心和输出区域的几何中心之间的线之间的角度可以不同。典型地，对于位于亮度增强装置周边界附近的校准装置来说，这个角度的绝对值较高(使得该线朝向边界倾斜)，并且对于位于亮度增强装置的中心附近的校准装置来说，这个角度的绝对值较低。
在二色性滤光器构造或者设置在自立式(free standing)自支撑壁部件上的实施例中，象图1中一样，可以有利的是设置二色性材料例如在壁部件的干涉叠层两侧上以便获得改善的滤光性质。为了获得良好的滤光性质，在壁部件的不同侧上的二色性材料可以相同或不同。例如，可以在壁部件的第一侧上设置如上所述的5-50层第一干涉叠层，例如大约15层，并且在同一壁部件的第二相对侧上设置5-50层第二干涉叠层，例如大约15层。
作为二色性滤光器或者作为用于二色性滤光器的衬底的自支撑壁部件的一种替代方案，全透明棱镜(solid transparent prism)阵列可以设置在LED阵列上，其中棱镜的侧面被提供有二色性材料以形成校准装置的侧壁。
然而，并不是在所有实施例中的亮度增强装置都需要包括如上所述的两个叠加的衬底。因此，在一些实施例中省略了图1中的第二衬底52。例如，在适用于交替的第一和第二彩色照明单元的双色阵列的亮度增强装置中，可以由从一个衬底上可获得的亮度增强装置获得良好的校准和色彩混合。在这种亮度增强装置中，第一种颜色的照明单元位于第二种颜色的两个照明单元之间。这里，与第二种颜色的这两个照明单元相对应的校准装置的侧壁在第一种颜色的照明单元的上方交叉。同样地，第二种颜色的照明单元位于第一种颜色的两个照明单元之间，并且与第一种颜色的两个照明单元相对应的校准装置的侧壁在第二种颜色的照明单元的上方交叉(与图1一样，省略了衬底52，并且其中该照明单元2，3和4阵列是第一种颜色和第二种颜色的交替照明单元阵列)。
图2中说明了本发明的另一个示例性实施例，示出了图1中的实施例的变形，其中发光二极管2，3和4分别间隔开设置在衬底1上校准杯体12，13和14中。
校准器12-14填充发光二极管2-4之间的空间。然后将亮度增强装置5设置在校准器的顶部，以进一步校准发光二极管发出的光。
图3中说明了本发明的另一个实施例，其示出用于提供偏振光的发光装置。在这个实施例中，在发光二极管和亮度增强装置之间设置延迟片(retarder plate)9和反射性偏振器10。
如在此处所使用的，术语“延迟片”和相关术语是指具有主光轴的光学有源元件，一个慢和快。在形成的光束中，沿着光轴的偏振分量是相对于彼此的相位偏移。
发光二极管2发射的光通过延迟片9，其主轴优选相对于偏振器10的主轴呈45°角。反射性偏振器10将某些偏振的光朝向亮度增强装置5透射，而光的互补部分被向下反射朝向发光发光二极管2和校准装置12。返回的光在校准器12和LED的反射表面上被反射并且再次通过延迟片9并且，如果它具有正确的偏振的话，则通过反射性偏振器朝向亮度增强装置5。
延迟片9可以例如是四分之一波片或者任何其他适当的延迟片，其与反射性偏振器10结合，并且反射性校准器产生大量透射到亮度增强装置中的偏振光。
当使用上述实施例时，典型地由LED随机发射的光的60-70％，其具有所需要的偏振，被透射到亮度增强装置中。
在这个实施例的一个替换方案中，延迟片9和反射性偏振器10设置在亮度增强装置5的输出区域上。
通常，本发明的亮度增强装置可以用于接收和校准来自一维阵列例如线性阵列照明单元的光和二维阵列照明单元的光。
亮度增强装置的形状和组装将取决于该照明装置阵列的布局。
在本发明的实施例中，不一定校准装置的全部侧壁都包括二色性滤光器。
例如，当是图2和图3中示出的实施例这种情况时，最接近接收区域的侧壁部分可以不必包括二色性滤光器。
其他实施例包括亮度增强装置的周边界，在该其它实施例中，校准装置的部分侧壁不包括二色性滤光器是有利的，其中在至少一个方向上存在不相邻校准装置。在亮度增强装置的边界，形成或面对边界的侧壁部分可以例如是全光谱反射器，例如金属膜，以便将基本上所有波长的光从器件中反射出去，或者可以例如是吸收器。
图4中示出了这种亮度增强装置的一个实例，其中说明了一种具有线性光源的发光器件，是图1中示出的实施例的实施方案。这里，发光二极管设置成一维阵列401。侧壁的部分403，其形成亮度增强装置402的外周，该部分包括宽带反射材料，使得基本上没有光能够通过这些壁逃离该器件。反之，任何波长的光将在四周壁403上被反射朝向输出区域。
这种宽带反射壁还可以有利于光学地界定彼此分离的区域，例如本发明的显示器件的相邻像素。
然而，亮度增强装置402中不形成边界的内壁404包括二色性滤光器，如上所述。
形成亮度增强装置长边缘的宽带反射壁可以是逐渐变细的，使得这些壁还用作校准壁，或者可以基本上垂直于接收和输出区域。在前一种情况中，实现二维校准，在后一种情况下，实现大致一维校准。
发光二极管的二维阵列可以例如通过排列多个一维阵列来提供，每个阵列具有独立的亮度增强装置，或者共用一个公共的亮度增强装置。例如，图4中示出的若干器件可以在彼此旁边对齐平行排列，以形成2维阵列。
图5和图6中示出了实现二维亮度增强装置的另一种方法。这个亮度增强装置适用于六角形排列的照明单元514、515、516的三色、二维阵列501，其需要更复杂的组装来提供想要的光校准。在这个实施例中，六角形棱椎514，515，516组成的第一阵列502叠加在发光二极管的顶上，在每个发光二极管上一个棱椎，棱椎的底部面对LED。
然后将二色性滤光器设置在六角形棱椎的侧面上。将二色性滤光器设置在侧面上，以使与LED相邻并且远离那个LED逐渐变细的侧面包括适用于那个LED的二色性滤光器。
提供了四面体棱椎形成的第二阵列503。将这个棱椎的第二阵列排列成具有平坦表面和结构化表面，该结构化表面面对LED。
第二阵列503叠加在棱椎的第一阵列502上，使得第二阵列的四面体棱椎的峰位于第一阵列的三个六角形棱椎之间的交叉处。
棱椎的第二阵列的结构化表面提供有二色性材料，以使得围绕每个照明单元形成基本上向外的逐渐变细的漏斗状的二色性滤光器，其具有六角形(6个边)接收区域和输出区域(以及位于接收区域和输出区域之间的十二面体(12个边)区域)，这适用于由被环绕的照明单元所发射的颜色。
还是在这个实施例中，二色性滤光器可以形成在自支撑壁上，如上所述，形成想要的棱椎形状。
如上面讨论的，本发明的亮度增强装置的一个优点在于它提供了良好的颜色混合。然而，在亮度增强装置的边界上，颜色混合可能会略微削弱，导致看得见的色移，在这些边界上的“边缘效应”。例如，在图1所示的实施例中，边界效应出现在最外边的校准装置中，即在亮度增强装置的边界处的校准装置。
边缘效应的一个主要起因是因为：在最外面的校准装置的输出区域的最外面部分，仅仅来自最外部光源的光离开器件。因此，在这个区域中没有出现颜色混合，引起色移并且由最外面的光源所发射的光的颜色过多。
为了避免该边缘效应，有利的是减少引起这个效应的光过量，即减少来自该最外面的光源的输出。
完成这个的一种方法就是在引起该效应的输出区域部分上设置光阻装置101。
因此，在本发明的实施例中，在位于本发明的亮度增强装置的边界处的校准装置的至少部分输出区域上设置光阻装置101。
可替换地，或者除了光阻装置之外，有利地是降低从最外面的照明单元所发射的光通量以降低在边界处的色移，即减小“边缘效应”。这个可以以多种方式实现，包括降低驱动这个照明单元的电流、降低该照明单元的发光区域或者使用具有更低光输出的照明单元。
图7中示出了本发明的另一个实施例，包括三个平行的发光二极管线性阵列；一个红色LED的阵列701；一个绿色LED的阵列702、以及一个蓝色LED的阵列703。亮度增强装置设置在这些阵列上。
来自红色LED 701的光由侧壁711和712限定的校准装置校准，来自绿色LED 702的光由侧壁721和722限定的校准装置校准，来自蓝色LED 703的光由侧壁731和732限定的校准装置校准。
在这个实施例中，侧壁711将反射红色光，但是还可以反射任何其他颜色的光，并且侧壁712将反射红色光。侧壁721将反射绿色光，但是还可以反射蓝色光，并且侧壁722将反射绿色光，但还可以反射红色光。侧壁731将反射蓝色光，但是还可以反射任何其他颜色的光，侧壁732将反射蓝色光。
在这个实施例中值得注意的是，三个不同校准装置的输出区域基本上100％重叠。
这里，与所述亮度增强装置的周边界最接近的三个校准装置的输出区域，其取自垂直于所述周边界的方向上，至少部分地与所述周边界重合。
侧壁711，721和732都在由侧壁711限定的亮度增强装置的周边界上汇合。因此，三个校准装置的输出区域的界限与这个周边界重合。
另外，侧壁712，722和731都在由侧壁731限定的亮度增强装置的周边界上汇合。因此，三个校准装置的输出区域的界限与这个周边界重合。
通过设置侧壁711，721和732使得与这些侧壁相对应的三个校准装置的输出区域延伸到由侧壁711所限定的亮度增强装置的周边界，在器件的整个输出区域上，甚至在这个周边界处获得了良好的颜色混合。因为在最外面的校准装置(即由侧壁711和712所限定的校准装置)的整个范围上提供了有效的颜色混合，从而降低了上述边缘效应。
相应地，由侧壁712所限定的周边界处提供了良好的颜色混合。
正如本领域技术人员将认识到的那样，如图7中示出的器件不局限于使用三个照明装置。例如包括多于三个照明单元的器件，例如图1或4中示出的器件，也可以使用这种方法在亮度增强装置的周边界处获得良好的颜色混合，通过布置亮度增强装置的校准装置，使得位于最接近周边界的两个或更多个校准装置的输出区域(其取自垂直于所述周边界的方向上)，延伸到周边界上，即这两个或多个输出区域与周边界部分地重合。这在图8中对三种颜色阵列进行了说明，其中位于最接近周边界804的三个校准装置801，802和803的输出区域与周边界804重合。对于四种颜色阵列来说，典型地四个最外面的校准装置的输出区域应当与周边界重合。对于两种颜色的阵列来说。典型地两个最外面的校准装置的输出区域应当与周边界重合。
正如图7中图示说明的那样，本发明的发光器件中的每个照明装置可以非常适当地包括多个发光二极管。然而，正如本领域技术人员所明白的那样，在每个照明单元中不必使用一个以上的发光二极管。
此外，多个本发明的器件可以彼此相邻设置。
图9中示出四颜色发光器件和适于这个器件的亮度增强装置。该光源阵列形成行-列矩阵901。矩阵中的第一行902(以及所有行2n-1(n＝1，2，3…))由交替的第一种颜色和第二种颜色LED构成。矩阵中的第二行903(以及所有行2n(n＝1，2，3…))由交替的第三种颜色和第四种颜色LED构成。因此，第一列904(并且因此所有奇数列)由交替的第一种颜色和第三种颜色LED构成，以及第二列905(并且因此所有偶数列)包括交替的第二种颜色和第四种颜色LED。
亮度增强装置的第一层906设置在LED矩阵上。在该第一层中，LED的第一行以及所有2n-1行(n＝1，2，3…)提供有适于第一种颜色和第二种颜色的校准和颜色混合的亮度增强装置907。LED的第二行以及所有2n行(n＝1，2，3…)提供有适于第三种颜色和第四种颜色的校准和颜色混合的亮度增强装置908。反射壁909优选地设置在在第一层中相邻的校准装置之间(与LED矩阵中的行平行)。亮度增强装置的该第一层在LED矩阵中行的维度(y-维度)上而基本上不在列的维度(x-维度)上提供校准和颜色混合。
为了在LED矩阵901的列的维度(x-维度)上提供校准和颜色混合，亮度增强装置的第二层910设置在亮度增强装置的第一层906的顶部上。
该第二层910是包括两种类型的校准装置的亮度增强装置，其中第一种类型反射第一种和第二种颜色的光，第二种类型反射第三种和第四种颜色的光。第一种类型校准装置具有与LED矩阵中的2n-1行902相对应(位于上方)的接收区域，第二种类型校准装置具有与LED矩阵中的2n行903(n＝1，2，3……)相对应的接收区域。因此该第二层亮度增强装置910在LED矩阵的列维度(x-维度)上提供校准和颜色混合。共同地，亮度增强装置的第一和第二层在LED矩阵的列(x)和行(y)的维度上提供校准和颜色混合。
在附图中示出的实施例中，所有照明单元(LED)被彼此等距离设置，其中在整个器件上相邻输出区域之间的重叠基本上是相同的。然而，正如本领域技术人员所明白的那样，在整个器件上相邻照明单元之间的距离和/或相邻输出区域之间重叠不必相等。
在本发明的实施例中(未示出)，发光器件分成多个小组，例如象素。每个象素包括多个照明单元，例如LED。在这些小组的每一个中，相邻照明单元之间的距离相同，相邻输出区域之间的重叠相同。然而，包括在不同小组中的两个相邻照明单元之间的距离大于在一个小组内部的距离，此外，与所述两个相邻照明单元相对应的输出区域之间的重叠比在一个小组内部的重叠小。
本发明的亮度增强装置可以用于将一个发光二极管阵列发射的光混合并耦合进波导。
本发明的发光器件可以包括设置在发光二极管上的一个以上的亮度增强装置。例如，当使用某些类型的LED时，光沿着至少两个总方向从这些LED中发射出来，并且在这种情况下，可以希望在这些方向的每一个方向上使用一个亮度增强装置。
其他光学部件可以与本发明的器件结合使用。例如，可以在亮度增强装置的输出区域处设置反射表面，例如反射镜等，以便将从器件中出射的光反射到另一个总方向上。例如，在一个侧面发光型发光二极管阵列上设置两个亮度增强装置来收集和接收在两个相反方向上发射的光的情况下，两个分开的亮度增强装置的输出区域在大体相反的方向上相面对。通过在每个亮度增强装置上设置反射镜，可以选择反射镜的角度，使得将来自亮度增强装置的反射光沿着基本上相同的方向传播。
本发明的发光器件，或者包括根据本发明的亮度增强装置的发光器件可以用在几种不同的应用中。这种应用包括但是不局限于线性光源、高亮度灯中的光源，例如室内照明、环境照明、舞台照明、交通灯、汽车灯和基于LCD的显示器件中的背后照明。本发明的亮度增强装置还可以用在LED显示器件上，例如用于引导来自LED的光和获得良好的颜色混合。
另一个实例是用作投影LCD显示器中的光源。
本发明的亮度增强装置可以用于将一个发光二极管阵列发射的光混合和耦合进波导，通过设置波导来接收来自亮度增强装置的输出区域的光。
本发明的发光器件可以包括一个以上的设置在发光二极管上的亮度增强装置。例如当使用侧面发射型LED时，光沿着至少两个总方向从这些LED中发射。在这种情况下，可以希望在那些方向的一个方向上使用一个亮度增强装置。
本领域技术人员认识到本发明决不局限于上述优选实施例。相反，许多变形和变动都可能在附带的权利要求的范围内。
上述实施例主要涉及三种颜色的LED阵列。然而，正如本领域技术人员所明白的那样，本发明的亮度增强装置还可以适于个别地校准多于三种不同颜色的光。例如，在每个不同的LED与单独的校准装置相对应或者一个校准装置与两个或更多个不同颜色的LED相对应的情况下，一个四种或更多种不同颜色的LED阵列也可以设置有本发明的亮度增强装置。
本发明不局限于使用发光二极管作为光源。此外，可以使用其他发光器件，例如白炽灯、放电灯、荧光灯等。
上述实施例主要涉及可见波长范围或者可见波长范围附近(UV或IR)的光的校准和颜色混合。然而，本发明的亮度增强装置还可以通过选择适当的二色性滤光器，用于在这个波长范围之外的电磁辐射的校准，例如用于X-射线辐射。

Claims (29)

1.一种亮度增强装置(5)，包括至少一个校准装置(6)，该校准装置具有接收区域(61)、比所述接收区域(61)大的输出区域(62)以及至少部分地在所述接收区域和输出区域之间延伸的侧壁(63)，其特征在于，所述校准装置(6)的至少部分侧壁(63)包括第一滤光器，该第一滤光器设置成将通过所述第一校准装置(6)的所述接受区域(61)而接收到的第一光性质的光朝向所述校准装置(6)的所述输出区域(62)反射，其中
所述第一光性质是第一波长范围，以及所述第一滤光器是第一二色性滤光器，或者
所述第一光性质是第一偏振状态，以及所述第一滤光器是第一偏振滤光器。
2.根据权利要求1的亮度增强装置(5)，包括至少第一校准装置(6)和至少第二校准装置(7)，每个校准装置都具有接收区域(61，71)、比所述接收区域(61，71)大的输出区域(62，72)、和至少部分地在所述接收区域和输出区域之间延伸的侧壁(63，73)，其中
所述第一校准装置(6)的至少部分侧壁(63)包括第一滤光器，该第一滤光器设置成将通过所述第一校准装置(6)的所述接受区域(61)而接收到的第一光性质的光朝向所述第一校准装置(6)的所述输出区域(62)反射，
所述第二校准装置(7)的至少部分侧壁(73)包括第二滤光器，该第二滤光器设置成将通过所述第二校准装置(7)的所述接受区域(71)而接收到的第二光性质的光朝向所述第二校准装置(7)的所述输出区域(72)反射，
所述第一校准装置的输出区域(62)和所述第二校准装置的输出区域(72)至少部分地重叠，以及
所述第一光性质与所述第二光性质不同。
3.根据权利要求2的亮度增强装置，其中所述第一滤光器是第一二色性滤光器，所述第一光性质是第一波长范围，所述第二滤光器是第二二色性滤光器，所述第二光性质是第二波长范围。
4.根据权利要求2的亮度增强装置，其中所述第一滤光器是第一偏振滤光器，所述第二滤光器是第二偏振滤光器，所述第一光性质是第一偏振状态以及所述第二光性质是第二偏振状态。
5.根据前述任何一项权利要求的亮度增强装置，其中校准装置的接收区域的法线和包括滤光器的侧壁部分的法线之间的角度随着距接收区域的距离而基本上恒定。
6.根据前述任何一项权利要求的亮度增强装置，其中校准装置的接收区域的法线和包括滤光器的侧壁部分的的法线之间的角度随着距接收区域的距离而增大。
7.根据前述任何一项权利要求的亮度增强装置，其中两个相邻校准装置的输出区域的重叠至少为10％。
8.根据前述任何一项权利要求的亮度增强装置，其中所述侧壁包括自支撑壁部件。
9.根据权利要求8的亮度增强装置，其中所述滤光器包括设置在所述壁部件的第一侧面上的第一滤光器材料以及设置在所述壁部件的第二侧面上的第二滤光器材料。
10.根据前述任何一项权利要求的亮度增强装置，其中在位于所述亮度增强装置的周边界处的至少部分校准装置的至少部分输出区域上设置光阻装置(101)。
11.根据前述任何一项权利要求的亮度增强装置，其中在沿着垂直于所述周边界(804)的方向上所取的、最接近于所述亮度增强装置的周边界(804)的至少两个校准装置的输出区域(801，802)的界限至少部分地与所述周边界(804)重合。
12.根据前述任何一项权利要求的亮度增强装置，其中校准装置的位于所述亮度增强装置周边界处的、与所述周边界重合的至少部分侧壁具有全光谱反射表面。
13.一种发光器件，包括设置在衬底(1)上的第一照明单元(2)和第二照明单元(3)，其中第一照明单元(2)用于发射第一光性质的光，第二照明单元(3)用于发射第二光性质的光，其特征在于，所述器件还包括亮度增强装置(5)，该亮度增强装置(5)设置成接收由所述第一照明单元(2)发射的光，所述装置(5)包括校准装置(6)，该校准装置(6)具有接收区域(61)、比所述接收区域(61)大的输出区域(62)、以及至少部分地在所述接收区域和输出区域之间延伸的侧壁(63)，以及
所述校准装置(6)的侧壁(63)的至少一部分包括第一滤光器，该第一滤光器设置成将通过所述第一校准装置(6)的所述接受区域(61)而接收到的所述第一偏振性质的光朝向所述第一校准装置(6)的所述输出区域(62)反射，其中
所述第一光性质是第一波长范围，所述第二光性质是第二波长范围，以及所述第一滤光器是第一二色性滤光器，或者
所述第一光性质是第一偏振状态，所述第二光性质是第二偏振状态，以及所述第一滤光器是第一偏振滤光器。
14.根据权利要求13的发光器件，其中所述亮度增强装置(5)设置成接收由所述第一照明单元(2)和第二照明单元发射的光，并且包括至少第一校准装置(6)和至少第二校准装置(7)，每个校准装置都具有接收区域(61，71)、比所述接收区域(61，71)大的输出区域(62，72)、和至少部分地在所述接收区域和输出区域之间延伸的侧壁(63，73)，
所述第一校准装置(6)的侧壁(63)的至少一部分包括第一滤光器，该第一滤光器设置成将通过所述第一校准装置(6)的所述接收区域(61)而接收到的所述第一光性质的光朝向所述第一校准装置(6)的所述输出区域(62)反射，
所述第二校准装置(7)的侧壁(73)的至少一部分包括第二滤光器，该第二滤光器设置成将通过所述第二校准装置(7)的所述接收区域(71)而接收的所述第二光性质的光朝向所述第二校准装置(7)的所述输出区域(72)反射，
所述第一校准装置的输出区域(62)和所述第二校准装置的输出区域(72)至少部分地重叠，以及
所述第一光性质与所述第二光性质不同。
15.根据权利要求14的亮度增强装置，其中所述第一滤光器是第一二色性滤光器，所述第二滤光器是第二二色性滤光器，所述第一光性质是第一波长范围，以及所述第二光性质是第二波长范围。
16.根据权利要求14的亮度增强装置，其中所述第一滤光器是第一偏振滤光器，所述第二滤光器是第二偏振滤光器，所述第一光性质是第一偏振状态，以及所述第二光性质是第二偏振状态。
17.根据权利要求13到16中任何一项的发光器件，其中所述亮度增强装置(5)是权利要求5到12中任何一项中所限定的。
18.根据权利要求13到17中任何一项的发光器件，其中延迟片(9)设置在所述照明单元(2，3，4)上，偏振反射器(10)设置在所述延迟片(9)上，所述亮度增强装置设置在所述偏振反射器(10)上。
19.根据权利要求13到18中任何一项的发光器件，其中所述衬底(1)是反射性衬底。
20.根据权利要求13到19中任何一项的发光器件，其中校准装置(12，13)设置在所述照明单元(2，3)上以接收并且校准所述照明单元发射的光，以及所述亮度增强装置(5)设置在所述校准器上。
21.根据权利要求13到20中任何一项的发光器件，其中所述照明单元包括发光二极管。
22.根据权利要求21的发光器件，其中所述发光二极管包括有机发光二极管。
23.根据权利要求21或22的发光器件，其中所述第一照明单元包括至少一个发光二极管，以及所述第二照明单元包括至少一个发光二极管。
24.根据权利要求23的发光器件，其中所述第一照明单元包括两个或多个发光二极管的第一线性阵列，以及所述第二照明单元包括两个或多个发光二极管的第二线性阵列，所述第一和第二阵列基本上平行。
25.根据权利要求13-24中任何一项的发光器件，其中所述器件周边界处的光输出被至少部分地减少。
26.根据权利要求25的发光器件，其中通过减少位于所述器件周边界处的至少部分照明单元所发射的光的通量，来减少所述光输出。
27.根据权利要求13到26中任何一项的发光器件，还包括波导，其中所述亮度增强层设置成将所述至少第一和第二照明单元发射的光耦合进入所述波导。
28.一种显示器件，包括根据权利要求1到12中任何一项的亮度增强装置或者根据权利要求13到26中任何一项的发光器件。
29.一种投影显示器件，包括根据权利要求1到12中任何一项的亮度增强装置或者根据权利要求13到26中任何一项的发光器件。
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