CN101473256B - 用于基于led的环境光的对称光导结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于扩散光的器件(100)，包括光导(101)、光输入装置(102)以及光输出装置(103)。所述光输入装置(102)和光输出装置(103)连接到所述光导(101)，并且所述器件(100)被设置成允许来自光源(108，109，110)的具有至少两种分开的频率的光通过所述光输入装置(102)进入所述光导(101)、通过所述光导(101)进行传播并且在所述光输出装置(103)处离开。所述光导(101)是环形的，从而允许光在到达所述输出装置(103)之前传播比所述光导(101)的外部尺寸更大的距离，并且因而产生来自所述至少两种频率的光的混合。本文还公开了实施本发明的显示设备。

Description

用于基于LED的环境光的对称光导结构
技术领域
本发明涉及用于混合颜色的光导结构，尤其是涉及用于使用发光二极管的环境光应用的光导结构。
背景技术
对于若干新的基于LED的照明系统，使用了光导。这种光导一般为一段平直或弯曲的透明塑料或玻璃，通常用于两个目的。它将来自光源(例如一个或多个发光二极管(LED))的光导向希望的位置并且帮助它混合来自单独的红色、绿色和蓝色LED的颜色。颜色的混合是特别重要的，因为非理想的混合导致有色的边缘和阴影，而白色的表面将不是白色的，而是有色的。
光导用在许多照明应用中，例如用于通用照明或者作为用于LCD监视器或电视的背光源。国际专利申请W02004/008023A1中公开了一个这样的实例，其中示出了一种光导器件，其包括作为光源的LED组、用于颜色混合的导光板以及具有光输出面的导光板。该光导器件作为背光源设置在液晶显示面板之后。该文献还示出了用于将光线从所述LED组导向导光板的一个端面的三角棱镜以及用于将光线从导光板的另一个端面导向导光板的一个端面的三角棱镜。
其中可以使用这些光导的另一个可能的应用是例如用于电视机(例如平板显示面板)的基于LED的环境背景照明。在TV周围产生与图像内容匹配的光效果。该效果给出更大的虚拟屏幕的印象以及更为沉浸的视觉体验。此外，它降低了观众眼睛的疲劳。
为了实现该环境背景照明效果，已知的是将灯置于电视机的后面，所述灯朝着墙壁发射光。为了达到这些目的，通常使用CCFL灯。出于若干原因，基于LED的版本将是优选的。然而，存在与使用LED关联的颜色混合和颜色均匀性方面的已知问题。例如，为了能够产生所有的颜色，需要至少三个不同的LED，即一个红色LED、一个绿色LED和一个蓝色LED。这三个LED固有地彼此邻近地放置，并且由于位置不同，这些单独的颜色在输出中不会完全地彼此重叠。
每种基色使用更多LED是一种可替换方案，但是这将显著地增大解决方案的成本。因此，优选的是每种颜色只有几个或者甚至只有一个LED。
使用的另一种常见技术是借助于二色性滤波器光学地将所述3个LED置于彼此叠置(on top of each other)。这样，可以建立一个能够产生所有颜色的假想光源。然而，这种解决方案同样存在严重的缺陷。二色性滤波器的主要缺点是制造这些滤波器的成本高以及方法困难。此外，它们强烈依赖于角度；以与预期的角度不同的角度轰击这些滤波器的光可能会被透射而不是反射，或者出现相反的情况。再者，在光导内部包含这样的滤波器是非常困难的，所述光导的最简单的形式由单段玻璃或透明塑料(例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))构成。
为了实现包含若干种颜色的光的更加均匀的分布，一种常见的技术是使用具有扩散(diffuse)光的特性的光导。例如，由于全内反射(TIR)，光可能保留在光导内。仅当光以充分接近于法线的角度遇到表面时，光才可能离开光导。然而，由于各种缺陷的原因，这种技术同样需要改进。
发明内容
鉴于以上所述，本发明的一个目的是解决或者至少减少以上讨论的问题。特别地，一个目的是提供用于产生改进的颜色组成的改进的光导。
本发明的另一个目的是在颜色的混合以及强度的渐变方面改进光导的性能。
依照本发明的第一方面，上面的目的是通过用于扩散光的器件来获得的，所述器件包括光导、光输入装置以及光输出装置。光输入装置和光输出装置连接到所述光导。该器件被设置成允许来自光源的具有至少两种分开的频率的光通过光输入装置进入光导、通过光导进行传播并且在光输出装置处离开。所述光导是环形(circumferential)的，从而允许光在到达所述输出装置之前传播比光导的外部尺寸更大的距离。因此，所述器件产生来自所述至少两种频率的光的混合物。关于用语“环形的”，应当理解的是，所述光导限定了一个闭合的路径或环路，允许光采用多种单独的传播路径以便确保包含各种频率的光的良好混合。将光限制在光导内通过优选地沿着光导的外部的、定界的部分具有反射表面来实现。这可以利用反射器或者通过具有折射率与光导的折射率不同以便获得全内反射的邻接材料来实现。所述邻接材料的折射率不必与光导的折射率不同。然而，作为防止损耗的优点，如果所述邻接材料具有高的折射率，那么这是有利的。
依照本发明的一个实施例，光导包括单件(single piece)。
依照本发明的另一个实施例，光导包括压铸件(die cast)。有利的是，这提供了高效而廉价的制造。
依照本发明的一个实施例，所述材料是玻璃、塑料、PMMA或者其任意组合。
依照本发明的一个实施例，光输入装置包括光导的第一部分，光输出装置包括光导的第二部分。
依照本发明的一个实施例，所述第一和第二部分由第三部分分离。此外，第三部分优选地可以包括具有与第一部分的折射率不同的折射率的第二种材料。此外，所述邻接材料的折射率不必与光导的折射率不同。因此，有利的是，实现了全反射。此外，所述第二种材料可以是流体，例如气体或液体，优选地为空气。另外，所述第三部分还可以包括涂层，以便提供反射表面到第一部分，例如通过空气中的弯曲的反射器提供。有利的是，与全反射相比，实现了普通的反射。
依照本发明的一个实施例，所述第一和第二部分包括渐变的截面，用于改善相对于第一部分的内表面的光反射。因此，光导假设为有凹陷的形状。换言之，优选地呈管状的光导在光输入装置端部处的侧壁稍微弯曲。结果，光向所述管的端部聚焦，其有利的是减少通过侧壁的泄漏。
依照本发明的一个实施例，与第二部分结合并且包括光向外耦合结构的光输出装置具有优点：向外发出的光的方向性得到改善。此外，另一个优点在于，获得了光输出的更佳的均匀性以及改善的向外耦合效率。
依照本发明的一个实施例，所述光导包括连接所述第一和第二部分的连接部分。
依照本发明的一个实施例，所述连接部分包括至少第一和第二连接部分，以便在光导内实现光传播的对称分布。此外，所述连接部分优选地可以包括用于在所述第一和第二部分之间引导光的光学棱镜。可替换地，所述连接部分可以包括弯曲的反射镜，其优选地由空气包围。这些棱镜的折射率可以与光导的折射率相同。然而，作为防止损耗的优点，如果这些棱镜具有高的折射率，则是有帮助的。在这方面，如果这些棱镜和光导借助于具有相对低的折射率的粘合剂连接在一起，那么这也是有帮助的。
依照本发明的一个实施例，所述光源包括发光二极管。
依照本发明的又一个实施例，所述光导在其结构上是对称的。关于“对称的”，其例如应当解释成该光导包括两个部分，所述两个部分是相应的彼此相对的(counter)部分，从而光能够穿过该光导在相同的但是反向的路径上传播。因此，有利的是，在颜色的混合以及强度的渐变方面实现了杰出的性能。
依照本发明的第二方面，上面的目的是通过包括依照本发明第一方面的器件的显示设备来获得的。
依照本发明第二方面的一个实施例，所述器件被设置成向所述设备提供环境光。有利的是，获得了更大的虚拟屏幕的印象以及更深刻的沉浸观察体验。此外，降低了观众的眼睛的紧张。
依照本发明第二方面的一个实施例，所述器件设置在显示设备的侧面。
依照本发明第二方面的一个实施例，所述器件设置在显示设备的背面。
换言之，与所述器件的设计有关的几个特征是特别有利的。首先，由于光必须行进长的路径，因而实现了光的良好混合。其次，尽管对于每种颜色仅仅使用一个光源，但是光从两侧同时进入所述向外耦合结构。这确保了实现完全对称的光分布。因此，作为一个特定的优点，该设计允许光呈环形行进。
此外，由于这种设置的原因，即使只使用单个光源(对于每种颜色)，也实现了对称的光向外耦合。这是非常希望的特征。
此外，这种结构确保了对于每种单独的颜色而言，在朝着墙壁向外耦合之前，要行进长的光路，同时保持了小的、细长的纵横比和尺寸。
附图说明
图1a和1b示出了依照本发明用于扩散光的器件；
图2示出了依照本发明的一个优选实施例的器件；
图3示出了依照本发明的另一个优选实施例的器件的细节；
图4示出了在第一实施例4a和第二实施例4b中的器件的三维视图。
图5示出了在电视机中实施的依照本发明的器件。
具体实施方式
图1示出了器件100，其包括光导101、光输入装置102、光输出装置103、光学棱镜104和105、空间(void)106以及一组107发光元件108、109和110。空间106由所述器件中间的双水平线定界，并且在依照本发明的一个优选实施例中，该空间构成气隙。可替换空气的是，光输入部分和光输出部分之间的间隔或空间可以包括真空或流体。所述发光元件位于光输入装置102中。图1a示出了器件100的部件，图1b示出了器件100上的光线追迹(tracing)仿真，其中箭头111、112、113、121、122和123表示自发光元件108、109和110行进直到在光导101的光输出装置102处射出120的路径。还表示了在光导101的壁上的反射130和131。由于被称为全内反射(TIR)的原因，所述气隙起着一种反射镜的作用。因此，光或者自光源向左传播或者自光源向右传播，但是其保持在光导结构的内部。在光导的两端，设置了棱镜。这些棱镜使得角落周围的光“弯”向优选地呈管状结构化的光输出装置。在光输出装置中，存在某种向外耦合结构。可替换地，代替光学棱镜104和105的是，可以使用弯曲的反射镜以便将光引导到光输入装置102和光输出装置103之间。
图2示出了依照本发明一个优选实施例的器件200，其中光导201的光输入装置202的尺寸已经经过改变以便改善光的反射。类似于图1，图2a中的器件200也包括光输出装置203、光学棱镜204和205、空间206以及光源207。此外，截面211和212表示沿着包括光输入装置202的光导201的断面的截面如何朝着光源207逐渐地减小。图2b示出了图2a中所示器件200的细节210。在图2b中，显示了光导202、光源207、光导202的壁208、以及表示传播光的光线的箭头220和221。这些光线被显示在光导的壁208处被反射230和231，从而改变它们的方向路径。图2b中还示出了施加到光导的光输入装置部分的表面上的涂层240。该涂层使得能够到达光导边缘的光有效地反射。该涂层仅在所述表面的小部分上示出，不过它也可以施加到所述器件的表面的更大的部分。
图3示出了器件100或200中的光导101或201的光输出部分303中采用的向外耦合结构302的细节。箭头304、305和306表示离开307和308光输出部分303的光线。
图4示出了光输入部分402和光输出部分403彼此邻接400以及位于彼此叠置410的光导器件401的三维视图。还示出了棱镜404和405、光源406、光线407、408和409、以及光输入部分402和光输出部分403之间的间隙411。
虽然仍然具有本发明的特有特征，但是其他设计变型是可能的。可替换地，所述光导可以是隔间(compartment)的形式，例如具有反射和/或扩散侧面的箱形结构。于是，光由于顶部、底部以及侧面上的多次反射而被引导穿过该隔间。
图5示出了其中实施了器件100的电视机500。箭头501和502表示从器件100发出的光。
另外，本发明也可以有利地用于其它应用领域，例如用于LCD监测器或电视的灯或背光。

Claims (22)

1.一种用于漫射光的器件(100)，包括：
光导(101，201，401和501)，
光输入装置(102和202)，以及
光输出装置(103和203)，
所述光输入装置(102和202)和光输出装置(103和203)连接到所述光导(101，201，401和501)，
所述器件(100)被设置成允许来自光源(108，109，110，207和406)的具有至少两种分开的频率的光通过所述光输入装置(102和202)进入所述光导(101，201，401和501)、通过所述光导(101，201，401和501)进行传播并且在所述光输出装置(103和203)处出射，其特征在于
所述光导(101)是环向地设置成闭合的环形路径，由此允许来自所述光源(108，109，110，207和406)的所述光在所述输出装置(103，203)处出射之前通过反射沿着所述光导(101)内的环形路径传播，从而允许光在到达所述输出装置(103)之前传播比所述光导(101)的外部尺寸更大的距离，用于产生来自所述至少两种频率的光的混合。
2.依照权利要求1的器件(100)，其中所述光导(101)包括单件。
3.依照权利要求1或2中任何一项的器件(100)，其中所述光导(101)包括压铸件。
4.依照权利要求1或2中任何一项的器件(100)，其中所述光导的材料包括玻璃、塑料或者其任意组合。
5.依照权利要求4的器件(100)，其中所述光导的材料是PMMA。
6.依照权利要求1或2中任何一项的器件(100)，其中所述光输入装置(102)包括所述光导(101)的第一部分(102)，并且所述光输出装置(103)包括所述光导(101)的第二部分(103)。
7.依照权利要求6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)分离。
8.依照权利要求7的器件(100)，其中所述第三部分(106)包括具有与所述第一部分(102)的折射率不同的折射率的第二种材料。
9.依照权利要求8的器件(100)，其中所述第二种材料是空气。
10.依照权利要求7的器件(100)，其中所述第三部分(106)包括在所述第一部分(102)之上的涂层(240)。
11.依照权利要求6的器件(100)，其中所述第一部分(102)和所述第二部分(103)包括渐变的截面(211和212)，以用于改善相对于所述第一部分(102)的内表面(208)的光反射。
12.依照权利要求6的器件(100)，其中所述光输出装置(103)与所述第二部分(103)结合并且包括光向外耦合结构(302)，以用于改善向外发出的光(120)的方向性。
13.依照权利要求6的器件(100)，其中所述光导(101)包括连接所述第一部分(102)和所述第二部分(103)的连接部分(104和105)。
14.依照权利要求13的器件(100)，其中所述连接部分(104和105)包括至少第一连接部分(104)和第二连接部分(105)，以便在所述光导(101)内实现光传播的对称分布。
15.依照权利要求13的器件(100)，其中所述连接部分(104和105)包括用于在所述第一部分(102)和第二部分(103)之间引导光的光学棱镜。
16.依照权利要求13的器件(100)，其中所述连接部分(104和105)包括弯曲的反射镜。
17.依照权利要求1或2中任何一项的器件(100)，其中所述光源(108，109和110)包括发光二极管。
18.依照权利要求1或2中任何一项的器件(100)，其中所述光导在其结构上是对称的。
19.一种显示设备(500)，包括依照前面的权利要求中任何一项的器件(100)。
20.依照权利要求19的显示设备(500)，其中所述器件(100)被设置成向所述设备(500)提供环境光。
21.依照权利要求19或20中任何一项的显示设备(500)，其中所述器件(100)设置在所述显示设备(500)的侧面。
22.依照权利要求19或20中任何一项的显示设备(500)，其中所述器件设置在所述显示设备(500)的背面。
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