CN101292183B - 使用远离光源的磷光体的照明系统 - Google Patents

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Abstract

照明系统100包括一个或多个产生初始光的光源102、均匀化初始光的光混合区域104、将初始光转换成二次光的波长转换层106以及接收二次光并发射二次光至例如液晶显示器(LCD)的光发射区域108。

Description

使用远离光源的磷光体的照明系统
技术领域
本发明总体上涉及照明系统领域，更具体地，涉及使用诸如磷光体的波长转换材料的照明系统，所述波长转换材料远离诸如发光二极管的光源定位。
背景技术
照明系统广泛地用来背光照明显示设备，诸如电视、膝上型电脑电脑和个人数字助理(PDA)；用来照亮橱柜和厨房中的搁板；以及用于标牌和轮廓照明。照明系统可以包括耦合到光学波导的光源。光学波导传输光源产生的光到例如显示设备。
一些现有的照明系统包括冷阴极荧光灯(CCFL)作为光源。CCFL发射的光被耦合到光学波导中，该光学波导传输此光。然而，CCFL含有汞，其可能导致环境危害。而且，CCFL尺寸大并需要高的工作电压。
包括发光二极管(LED)作为光源的照明系统正得到了流行。包括LED作为光源的现有照明系统的例子是具有产生诸如白色光或红色、蓝色和绿色光的多个LED的照明系统。可以混合红色、蓝色和绿色光以产生例如基本呈白色的光。另外，现有的照明系统包括围绕光源的封装以提高现有照明系统的效率。
围绕光源的封装增大了现有照明系统的尺寸。在使用LED的现有照明系统中，必须均匀地混合红色、蓝色和绿色光以产生基本呈白色的光。然而，在现有的照明系统中难以实现光的空间光谱分布和亮度的一致性。另外，由于传输损失，现有照明系统的效率低。
发明内容
本发明的一个目的是提供照明系统。
本发明的另一个目的是提供照明系统，该照明系统产生具有一致的空间光谱分布的均匀的亮光，而与现有照明系统相比，其占用的空间量少得多。
本发明的各种实施例提供了照明系统以及用于照明的方法。根据本发明的一个实施例，照明系统包括一个或多个光源、光混合区域、波长转换层以及光发射区域。光源产生初始光(primary light)。波长转换层将初始光转换成二次光(secondary light)。光发射区域基本上朝向例如液晶显示器(LCD)发射二次光。另外，可以在光发射区域和LCD之间包括一个或多个中间层以便例如将二次光均匀地分布在LCD上。
根据本发明的另一个实施例，用于照明的方法包括产生初始光并使其均匀、将初始光转换成二次光以及基本上朝向例如LCD发射二次光。
附图说明
以下将结合附图描述本发明的各种实施例，提供附图以说明但并非限制本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1a说明了根据本发明的一个实施例的照明系统；
图1b说明了根据图1a的显示系统；
图2a是根据图1a的照明系统的横截面；
图2b是根据本发明一个可替换实施例的照明系统的横截面。
图3a是根据图1a和图1b的照明系统的横截面；
图3b是根据本发明另一个可替换实施例的照明系统的横截面。
图3c是根据图3a的照明系统的横截面；
图3d是根据图3a的照明系统的横截面；以及
图4是根据本发明一个实施例的用于照明的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的各种实施例提供了照明系统以及用于照明的方法。根据本发明的实施例，照明系统可以用于例如照明液晶显示器(LCD)。
图1a说明了根据本发明的一个实施例的照明系统100。照明系统100包括一个或多个光源102(以下称为光源102)、光混合区域104、波长转换层106以及光发射区域108。光发射区域108包括第一表面110、诸如发射表面112的一个或多个发射表面以及诸如剩余边缘表面114的一个或多个剩余边缘表面。根据本发明的各种实施例。第一表面110、所述一个或多个发射表面以及所述一个或多个剩余边缘表面组合起来形成封闭的结构。
光源102产生初始光，该初始光可以例如是蓝色光、紫外(UV)光或近UV光。光混合区域104被耦合到光源102并接收来自光源102的初始光。在光混合区域104中均匀化初始光，以便例如实现初始光空间均匀的光谱分布以及初始光均匀的亮度。光混合区域104在耦合到光混合区域104的波长转换层106上均匀地分布被均匀化的初始光。结合图2a详细地说明在光混合区域104中初始光的均匀化。
波长转换层106将初始光转换成二次光。二次光可以例如是白色光。根据本发明的一个实施例，波长转换层106可以是磷光体层，诸如红色和绿色磷光体层，蓝色、红色和绿色磷光体层以及钇铝石榴石(YAG)磷光体层。波长转换层106可以是平面或可以具有不同的形状。
光发射区域108的第一表面110与波长转换层106关联在一起。这里的关联可以包括例如在波长转换层106和第一表面110之间引入零个或多个中间层。第一表面110接收来自波长转换层106的二次光。发射表面112发射由第一表面110接收的二极光，使得二次光可以用于例如照明LCD。根据本发明的一个实施例，发射表面112可以位于第一表面110的邻近。特别地，发射表面112的中心平面可以基本与第一表面110的中心平面垂直。
根据本发明的一个实施例，每个光源102可以包括一个或多个发光二极管(LED)。另外，每个LED可以是蓝色LED、紫外(UV)LED、近UV LED等等。根据本发明的一个实施例，包括在光源102中的LED可以涂敷有密封材料。该密封材料可以完成如下功能：例如，从LED抽取光，以及优化辐射的轮廓分布(radiation profile)以获得更高的耦合效率或更好的均匀性。另外，密封材料可以包括例如磷光体以产生具有期望的空间光谱分布的初始光。
根据本发明的另一个实施例，光源102可以包括LED功率封装(power package)。LED功率封装的例子包括LuxeonTM型LED等等。这里，LED功率封装的光通量远大于常规LED的光通量。
根据本发明的一个实施例，可以响应来自照明系统100的所需照明而调节由作为光源102之一的LED产生的初始光量。可以通过例如改变经过LED的电流来实现对由LED产生的初始光量的调节。另外，可以通过改变包括在每个光源102中的LED的数目来调节由光源102产生的初始光量。
根据本发明的一个实施例，光混合区域104可以例如是光导、中空光导、中空塑料外壳等等。光混合区域104可以由例如合成树脂、丙烯、聚碳酸酯、PMMA、玻璃等等制成。另外，光混合区域104可以是实心的区域或者可以包括空气腔。根据本发明的一个实施例，光混合区域104的厚度(以下表示为t)可以处于1mm至10mm之间。根据本发明的一个实施例，t等于2.5mm。这里，t是沿着y-轴的尺寸(如图1a中所示)。
根据本发明的一个实施例，波长转换层106包括基材和荧光材料。荧光材料例如以微粒的形式分布在基材中。荧光材料将诸如蓝色光的初始光转换成诸如白色光的二次光。基材的例子可以包括光学透明的硅树脂、丙烯酸、聚碳酸酯等等。根据二次光的期望的空间光谱分布来选择荧光材料。荧光材料的例子可以包括钇铝石榴石(YAG)颗粒。这里，YAG颗粒可以是例如铈(Ce)激发的，并且可以包含掺杂的钆。根据本发明的各种实施例，可以使用例如丝网印刷工艺或溶胶-凝胶法来沉积波长转换层106。此外，可以根据例如二次光的期望的空间光谱分布来改变波长转换层106中的荧光材料的浓度。根据本发明的一个实施例，波长转换层106只包括荧光材料层。
根据本发明的一个可替换实施例，可以在诸如波长转换层106的单一波长转换层中包括不同的荧光材料。
根据本发明的一个实施例，波长转换层106还可以包括例如稀土金属以改善诸如波长转换层106的显色性的性质。
根据本发明的各种实施例，荧光材料可以将入射到荧光材料上的初始光转换成中间(intermediate)光。其后，可以将中间光与未被转换的初始光组合以生成二次光。未被转换的初始光可以包括例如没有入射到荧光材料上(例如，初始光穿过波长转换层106)并因此未被转换成中间光的初始光。例如，当蓝色光入射到波长转换层106上时，入射到诸如YAG颗粒的荧光材料上的一部分蓝色光可以被YAG颗粒转换成黄色或琥珀色光。然后可以将黄色光和未被转换的蓝色光组合以生成基本上呈白色的光。这里，白色光可以具有变化的颜色深浅，所述变化的颜色深浅取决于波长转换层106的厚度以及存在于波长转换层106中的荧光材料的量。根据本发明的一个实施例，荧光材料吸收具有第一波长的初始光并发射具有第二波长的中间光，第二波长比第一波长更长。
根据本发明的一个实施例，当初始光是UV光时，荧光材料可以包括蓝色、红色和绿色磷光体颗粒以生成二次光。
根据本发明的各种实施例，可以把中间光和在波长转换层106内未被转换的初始光组合起来，或者可以利用单独的漫射体层把中间光和未被转换的初始光组合起来。
根据本发明的一个实施例，光发射区域108可以包括例如光学波导、光导、中空光导等等。光发射区域108可以由例如合成树脂、丙烯、聚碳酸酯、PMMA、玻璃等等制成。根据本发明的各种实施例，剩余边缘表面114相对于发射表面112可以倾斜零度或更大角度。特别地，光发射区域108可以具有楔形的几何结构。
根据本发明的一个实施例，二次光可以在光发射区域108中经过全内反射(TIR)。这里，TIR是一种现象，当在具有较高折射率的第一介质中行进的光到达与具有较低折射率的第二介质的分界面时，该现象导致诸如二次光的光的反射。发生TIR的必要条件是，光相对于分界面法线的入射角大于第一介质和第二介质的组合的临界角。根据本发明的一个实施例，通过阻止TIR来经过发射表面112发射二次光。根据本发明的一个实施例，光发射区域108的楔形几何结构使得阻止TIR以及随后经过发射表面112发射二次光变得容易。
图1b说明了根据图1a的显示系统116。显示系统116包括诸如照明系统100(图1a中所示)的照明系统、一个或多个中间层118(以下称作中间层118)以及显示器120。显示系统116的例子可以包括但不限于LCD。照明系统100用于照明显示器120。在由照明系统100发射的二次光被用于照明显示器120之前，使该二次光通过中间层118。根据本发明的各种实施例，中间层118可以包括一个或多个偏振滤光器、一个或多个薄膜晶体管(TFT)阵列、一个或多个包含液晶的层、红绿蓝(RGB)滤光器等等。根据本发明的各种实施例，显示器120可以是透射式显示器或透反射式显示器。
图2a是根据图1a的照明系统100的横截面。这里，该横截面是沿着平行于平面x-y的平面截取的(如图2a中所示)。照明系统100还包括多个耦合部件202(以下称作耦合部件202)、一个或多个反射表面204(以下称作反射表面204)、一个或多个反射表面206(以下称作反射表面206)、一个或多个漫射层208(以下称作漫射层208)。提供耦合部件202以将二次光均匀地耦合出光发射区域108。另外，耦合部件202可以用于提高向外耦合的效率。反射表面204可以用于例如经过例如发射表面112朝期望的方向将二次光耦合出光发射区域108。根据本发明的一个实施例，光发射区域108的所述一个或多个剩余边缘表面(如图1a中所描述的)可以包括反射表面204。反射表面204的例子可以包括镜面、呈白色的表面等等。反射表面204还可以用于在发射之前均匀化二次光。根据本发明的一个实施例，所述一个或多个剩余边缘表面可以是透明的，并可以包括一个或多个反射薄膜，其将二次光反射进光发射区域108。
光混合区域104包括反射表面206。可以通过离开各自的反射表面206朝向波长转换层106反射初始光来在光混合区域104中实现波长转换层106上的初始光的均匀化和基本上均匀分布。反射表面206的例子可以包括镜面、呈白色的表面等等。
使被耦合出光发射区域108的二次光通过漫射层208。根据本发明的一个实施例，可以在中间层118(如图1b中所示)中实现漫射层208。漫射层208可以用于在例如显示器120上均匀地分布二次光。
在图2a中，箭头图示地指示了一条或多条光线的路径。由光源102之一产生的初始光线进入光混合区域104。在光混合区域104中，可以一次或多次反射初始光线，并可以随后将该初始光线耦合进波长转换层106，波长转换层106产生二次光线。可以一次或多次反射或散射所述二次光线，并可以例如通过利用耦合部件202和反射表面204将该二次光线耦合出光发射区域108。
耦合部件202通过利用例如反射、折射和散射将二次光耦合出光发射区域108。根据本发明的一个实施例，耦合部件202可以和反射表面204一起用于将二次光耦合出光发射区域108。根据本发明的各种实施例，耦合部件202可以包括例如包括楔和脊的表面变形、丝网印刷点等等。可以通过使用诸如印刷、压制、蚀刻、刻划、喷沙等等工艺来提供耦合部件202。
根据本发明的可替换实施例，光混合区域104的一个或多个表面可以包括耦合部件202，以朝着波长转换层106均匀地将初始光耦合出光混合区域104。另外，光混合区域104的一个或多个表面可以包括耦合部件202，以将初始光耦合进光混合区域104，并在光混合区域104中均匀化初始光。
根据本发明的各种实施例，波长转换层106可以包括耦合部件202，以将初始光耦合进波长转换层106。另外，波长转换层106可以包括耦合部件202，以将二次光耦合出波长转换层106。根据本发明的一个实施例，波长转换层106的一个或多个表面可被粗糙地制造或者可以具有微结构，所述微结构可以用作耦合部件202。
图2b是根据图1a的照明系统100的横截面。这里，该横截面是沿着平行于平面x-y的平面截取的。在图2b中，说明了光发射区域108的可替换的几何结构，其中横截面的形状是矩形。根据本发明的一个可替换实施例，横截面可以具有梯形的几何结构。
图3a是根据图1a和图1b的照明系统100的横截面。该横截面是沿着平行于平面z-x的平面截取的。这里，联合波长转换层106和光发射区域108，使得在波长转换层1 06和光发射区域108之间引入空气间隙302。空气间隙302可以用于例如保证二次光在光发射区域108的临界角之内。
图3b是根据图1a的照明系统100的截面。该截面是沿着平行于平面z-x的平面截取的。这里，以一种方式布置光源102以形成阵列。根据本发明的一个实施例，该阵列的中心平面基本平行于波长转换层106的前表面。
根据本发明的一个实施例，光混合区域104还可以包括位于例如阵列中任意两个光源102之间的传感器。这些传感器可以用于保证由光源102产生的初始光具有一致的亮度水平和空间光谱分布。
图3c是根据图3a的照明系统100的截面。在波长转换层106和光发射区域108之间引入一张或多张亮度增强膜(BEF)304，所述亮度增强膜以下称作BEF 304。BEF 304可以用于例如将二次光聚焦进光发射区域108。这增大了光发射区域108中的二次光的亮度并随后增大了由光发射区域108发射的二次光的亮度。
根据本发明的另一个实施例，可以通过在波长转换层106和光发射区域108之间引入一个或多个滤光器来联合波长转换层106和光发射区域108。所述滤光器捕获可以被耦合出波长转换层106的未被转换的初始光。这里，捕获可以包括吸收初始光或反射初始光至波长转换层106。
图3d是根据图3a的照明系统100的截面。该截面是沿着平行于平面z-x的平面截取的。这里，照明系统100包括光导306a和光导306b。光导306a和光导306b中的每一个具有一个锥形表面并被覆盖。根据本发明的一个实施例，光导306a和光导306b在波长转换层106上均匀地分布初始光并保证光混合区域104中初始光的基本均匀化。光导306a和光导306b中的每一个可以由例如硅树脂、丙烯酸、聚碳酸酯等等制成。根据本发明的一个实施例，光导306a和光导306b中的每一个被耦合至一个或多个光源102。
根据本发明的一个实施例，诸如光导306a和光导306b的一个或多个光导可以用于在波长转换层106上均匀地分布初始光，并实现基本的均匀化。另外，一个或多个光源102可以和所述一个或多个光导一起使用。根据本发明的一个可替换实施例，所述一个或多个光导中的每一个的一个或多个表面可以是锥形的。
图4是根据本发明一个实施例的用于照明的方法的流程图。在402处，通过利用例如光源102产生初始光。在404处，通过利用例如光混合区域104均匀化初始光。在406处，通过利用例如波长转换层106将初始光转换成二次光。这里，将初始光转换成二次光包括将初始光转换成中间光。然后，把中间光和未被转换的初始光组合以产生二次光。在408处，通过利用例如光发射区域108发射二次光。特别地，可以经过例如发射表面112发射二次光。被发射的二次光可用于照明。
本发明的各种实施例提供了照明系统和用于照明的方法。诸如照明系统100的照明系统产生具有均匀空间光谱分布的均匀的亮光。这通过在光混合区域1 04中均匀化初始光并在波长转换层106上均匀地分布初始光来实现。二次光在发射之前也被均匀化。另外，所述照明系统尺寸较小。这通过避免使用围绕光源102的封装来实现。另外，所述照明系统具有高的效率。这通过例如在将光从光源102耦合进光混合区域104时减小传输损失来实现。
通过提供远离LED的而不是作为每个LED的部分的波长转换层106，可以使用各种类型的LED，并且波长转换层106可以更易于构造。另外，远处的波长转换层106提供了对由LED产生的初始光的附加的混合。
可以提供照明系统100，作为任意尺寸的单一互连的或集成的单元。照明系统100可以用于照明用于蜂窝式电话、电视机或其他设备的LCD。
尽管已经说明并描述了本发明的各种实施例，但应该清楚的是，本发明不仅仅限于这些实施例。许多修改、变化、变形、替换以及等效物对于本领域技术人员是显而易见的，并不背离如权利要求中所述的本发明的精神和范围。

Claims (24)

1.一种照明系统，该照明系统包括：
a.一个或多个光源，所述一个或多个光源产生初始光；
b.光混合区域，所述光混合区域耦合至所述一个或多个光源；
c.耦合至光混合区域的输出的波长转换层，该光混合区域在波长转换层上基本上均匀地分布初始光，该波长转换层将初始光转换成二次光；以及
d.用于使二次光改变方向的光发射区域，该光发射区域包括：
i.接收二次光的第一表面；以及
ii.一个或多个发射表面，所述一个或多个发射表面发射接收的二次光，
其特征在于所述光混合区域包括一个或多个光导，所述一个或多个光导中的每一个具有至少一个锥形表面。
2.根据权利要求1的照明系统，其中所述一个或多个光源中的每一个包括一个或多个发光二极管(LED)。
3.根据权利要求2的照明系统，其中所述一个或多个LED选自包括一个或多个蓝色LED、一个或多个紫外(UV)LED以及一个或多个近UV LED的组。
4.根据权利要求1的照明系统，其中光混合区域包括至少两个被覆盖的光导。
5.根据权利要求1的照明系统，其中光混合区域包括一个或多个中空光导。
6.根据权利要求1的照明系统，其中光混合区域包括至少一个反射内表面。
7.根据权利要求1的照明系统，其中波长转换层包括基材，该基材包含荧光材料。
8.根据权利要求1的照明系统，其中波长转换层是钇铝石榴石(YAG)磷光体层。
9.根据权利要求1的照明系统，其中波长转换层是蓝色、红色和绿色磷光体层。
10.根据权利要求1的照明系统，其中波长转换层包括多个耦合部件，所述多个耦合部件将二次光耦合出波长转换层。
11.根据权利要求1的照明系统，其中波长转换层包括多个耦合部件，所述多个耦合部件将初始光耦合进波长转换层。
12.根据权利要求1的照明系统，其中所述二次光基本上是白色光。
13.根据权利要求1的照明系统，其中光发射区域是光学波导。
14.根据权利要求1的照明系统，其中光发射区域包括多个耦合部件，所述多个耦合部件将二次光耦合出光发射区域。
15.根据权利要求1的照明系统，其中光发射区域还包括一个或多个反射表面。
16.根据权利要求15的照明系统，其中所述一个或多个反射表面相对于所述一个或多个发射表面倾斜零度或更大角度。
17.根据权利要求1的照明系统，其中联合第一表面和波长转换层，使得第一表面和波长转换层之间存在空气间隙。
18.根据权利要求1的照明系统，其中联合第一表面和波长转换层，使得在波长转换层和第一表面之间引入一张或多张亮度增强膜(BEF)。
19.根据权利要求1的照明系统，其中联合第一表面和波长转换层，使得在波长转换层和第一表面之间引入一个或多个滤光器，所述一个或多个滤光器捕获未被转换的初始光，该未被转换的初始光是未被波长转换层转换成二次光的一部分初始光。
20.一种显示系统，该显示系统包括：
a.液晶显示器(LCD)；以及
b.背光照明系统，该背光照明系统照明LCD，该背光照明系统包括：
i.一个或多个光源，所述一个或多个光源产生初始光；
ii.光混合区域，所述光混合区域耦合至所述一个或多个光源；
iii.耦合至光混合区域的输出的波长转换层，该光混合区域在波长转换层上基本上均匀地分布初始光，该波长转换层将初始光转换成二次光；以及
iv.用于使二次光改变方向的光发射区域，该光发射区域包括：
a)接收二次光的第一表面；以及
b)一个或多个发射表面，所述一个或多个发射表面发射接收的二次光，
其特征在于所述光混合区域包括一个或多个光导，所述一个或多个光导中的每一个具有至少一个锥形表面。
21.根据权利要求20的显示系统，还包括一个或多个中间层，所述一个或多个中间层位于LCD和背光照明系统之间。
22.一种用于照明的方法，该方法包括：
a.产生初始光，通过给一个或多个光源通电来产生所述初始光；
b.均匀化所述初始光，在光混合区域中均匀化所述初始光，其中所述光混合区域耦合至所述一个或多个光源；
c.将初始光转换成二次光，通过波长转换层来完成初始光到二次光的转换，其中波长转换层耦合至光混合区域的输出；以及
d.发射二次光，经过光发射区域的一个或多个发射表面来完成二次光的发射，该光发射区域和该波长转换层关联，该光发射区域接收二次光，
其特征在于在光混合区域中均匀化所述初始光，所述光混合区域包括一个或多个光导，所述一个或多个光导中的每一个具有至少一个锥形表面。
23.根据权利要求22的方法，其中所述初始光选自包括蓝色光、紫外(UV)光以及近UV光的组。
24.根据权利要求22的方法，其中所述二次光基本上是白色光。
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