CN101490466A - 用于led基流光溢彩的双层光导结构 - Google Patents

Abstract

一种用于引导和混合光的装置，由光导、位于第一层内的至少第一组发光元件和位于第二层内的至少第二组发光元件组成。每个发光元件布置成发射至少第一预定频率的光。第二层在与所述第一层的第一几何平面不同的第二几何平面内延伸，用于从组成频率的总和产生均匀光输出。

Description

用于LED基流光溢彩的双层光导结构

技术领域

本发明涉及用于混合色彩，特别是用于使用发光二极管的环境光应用的光导结构。

背景技术

光导用于一些新的LED基照明系统。这种光导通常是透明塑料或玻璃的平坦或弯曲零件，通常用于两个目的。光导从例如一个或多个发光二极管(LED)的光源将光引导至期望地点，并帮助其混合来自各个红、绿和蓝LED的色彩。混合色彩是非常重要的，因为不理想的混合导致有色边缘和阴影，同时白表面将不是白的，而是有颜色的。

光导在许多照明应用中使用，例如用于通用照明或者LCD监视器或电视机的背光。一个这样的示例披露于国际专利申请WO2004/008023 A1，其中示出了一种光导装置，其包括作为光源的LED组、用于色彩混合的导光板、以及具有光输出面的导光板。该光导装置被提供作为液晶显示面板背后的背光源。还示出了用于从LED组将光线引导至导光板的一个端面的三角棱镜，以及用于从该导光板的另一端面将光线引导至该导光板的一个端面的三角棱镜。

这些光导的另一个可能应用例如是在用于诸如平板显示面板的电视机的LED基环境背景照明。在电视机周围产生与图像内容匹配的光效果。该效果提供更大虚拟屏幕的印象以及更加身临其境的观看体验。此外，这减小了观看者眼睛疲劳。

将灯置于电视机后面，该灯朝壁发光，从而实现这种环境背景照明效果，这种方法是已知的。为此目的，通常使用冷阴极荧光(CCFL)灯。由于诸多原因，LED基形式将是优选的。然而，与使用LED相关联，在色彩混合和色彩均匀性方面出现已知问题。例如，为了能够产生所有色彩，需要至少三个不同LED，即，一个红色、一个绿色和一个蓝色LED。三个LED固有地相互挨着布置，且由于位置不同，各个色彩在输出中不会理想地相互交叠。

每个基色使用更多个LED是一种备选，不过这显著增加方案成本。因此，优选每个色彩只使用几个或者甚至一个LED。

发明内容

鉴于上述方面，本发明的目的是解决或者至少减轻上述问题。具体而言，本发明目的是提供一种用于产生改进的色彩组成的改进的光导。

本发明的另一目的是改善光导在色彩的混合以及具有强度逐渐变化方面的性能。

根据本发明第一方面，上述目的是通过一种用于引导和混合光的装置来达成的，该装置由光导、位于第一层内的至少第一发光元件和位于第二层内的至少第二发光元件组成。每个所述发光元件布置成发射至少第一预定频率的光。该装置的特征在于，第二层在与第一层的第一几何平面不同的第二几何平面内延伸，用于从组成频率的总和产生均匀光输出。因此，有益地实现了由光导所表征的扩展单个点源发出的光的功能以及混合色彩的功能。一个优点为，发光元件被划分到不同平面内，使得从各个元件发射的光被其他发光元件阻挡或遮蔽的程度低得多。同样，有利地实现了从组成频率的总和输出的均匀光强度。另一个优点为，在色彩均匀性方面实现了改进的性能。根据本发明一个实施例，发光元件布置成发射预定频率的窄频带的光，例如呈现一个不同的基本感知色彩。

根据本发明一个实施例，该第一和第二层的几何平面大致上相互平行。

根据本发明另一实施例，该至少第一和第二发光元件分别包括至少第一组和第二组发光元件。因此，可以包含附加发光元件，以致形成第一和第二组发光元件。因此，可以实现更大数目的同时发射的频率或色彩，这具有进一步改善色彩混合的优点。

根据本发明另一实施例，该组包括相对于可发射频率的相应的对应发光元件，与该第一组发光元件相比，该第二组发光元件相对于可发射频率在顺序上颠倒。

发光元件可置于光导外部，通过光引导装置将发射的光引至光导的内部。然而，根据本发明一个实施例，发光元件包含在光导内的平面内。根据本发明又一实施例，发光元件的第一和第二层的几何平面延伸穿过该光导。例如，侧面发光LED具有定义一平面的发射图案，该平面与波导的平面一致。

根据本发明另一实施例，这些组的任何一组包括三个发光元件，这些发光元件布置成发射单独色彩从而产生与感知的白光相对应的频率。例如，可以将三个发光元件的一组布置在一个平面内，将单个发光元件布置在另一平面内。优点在于，通过分别控制三个发光元件的每一个发光元件的光强可以再现完整的色彩标度，其中该三个发光元件布置成发射明显不同色彩的光，例如绿、蓝和红，因此发射RGB三重色彩。另一个优点为，三基色例如三个不同LED的光强在屏幕或表面上均匀地分布。换言之，一个优点为，本发明帮助在壁上的每个位置提供相同数量的红色、绿色和蓝色，因此形成白壁。因此，获得均匀色彩的图像以及色彩边纹很少或没有的图像。

通常，总亮度会随受照射区域而变化。在每个特定点只要各个色彩之间没有亮度差异，则总和将是白色。根据特定实施例，例如在环境背光照明的应用中，色彩的绝对强度在整个投影屏幕上并不必须为恒定；其随着与屏幕的距离而减小，然而在某种程度上是完全可接受的。

根据本发明一个实施例，该色彩为红、绿和蓝。

根据本发明另一实施例，这些组的第一组包括沿着第一横向方向的第一、第二和第三光元件，且这些组的第二组包括沿第二横向方向布置的相应的对应元件，且其中第一和第三对应元件沿直径彼此相对地布置，且第二对应元件彼此相对地布置。

根据本发明另一实施例，该发光元件大致上布置成行。还应注意，LED无需完美地布置成行。例如，LED可布置成略微偏离横向观察点，以致形成稍微有点三角形状。

根据本发明又一实施例，该发光元件包含发光二极管。

根据本发明再一实施例，该发光元件彼此等间距分开。

换言之，本发明给出了一种新颖的光导结构，优选地用于环境照明技术领域中的LED光源。光源置于光导的顶面和底面之间。

附图说明

参考附图，通过对本发明优选实施例的下述说明性且非限制性的详细描述，本发明的上述以及附加目的、特征和优点可得到更好理解，相同的参考符号在附图中被用于相似的元件，其中：

图1示出根据本发明的光导的a)三维视图和b)侧视图；

图2示出根据本发明一个实施例的侧面发光元件；

图3示出具有一种LED布置的光导；

图4示出具有另一种LED布置的光导；

图5示出光导以及由光导发射的光投影在其上的壁。

具体实施方式

为了实现由多种色彩组成的光的更均匀分布，一种技术是使用光导，该光导在通过全内反射(TIR)传输光时，还同时对穿过光导的不同色彩的光进行混合。例如，通过全内反射(TIR)，光可以保持在光导内部。只有当光以充分接近法线的角度碰到表面时，光才会离开光导。

图3和4示出光导301和401内LED 302和402的布置的示例。例如，图3示出了如何沿着与投影平面(未示出)平行的行并排布置三个不同颜色的侧面发光LED 303、304和305。侧面发光LED包括“裸”LED管芯和一些附件光学元件，从而朝侧向将光发射到光导的平面内。此外，在此光导的二维视图中，在四个壁中的三个壁上示出的粗线代表镜面涂层312和412。由于LED位置不同，来自三个LED的光并不累加以在照射对象上产生均匀分布的白光。相反，由于红色LED阻挡或遮蔽并因此阻碍其他LED的光到达特定区域，所以红色在一些区域占主导，而绿色或蓝色在其他区域将更明显。因此，由于相互阻挡，来自各个光元件的最终光分布在空间上分离。

另一可选示例示于图4，图4说明光导401，其中LED 403、404和405沿着与投影平面(未示出)垂直的行并排布置。这里，左右不对称已经解决，不过绿光和蓝光受阻挡而无法直接出射。现在的问题是，在中心将主要看到红光。因此，通过将LED定位在二维平面内无法避免一个或多个这些LED的阻挡，除非每种色彩使用若干LED，而这将严重影响成本。即使使用多个LED，被遮蔽区仍存在。实际上，可能会出现更多遮蔽，尽管使用2个红色LED，一次被阻挡的可能不超过一个。整体效果为，特定色彩的光在任意特定区域仅被部分阻挡。

此外在图3和4，用微小圆圈表示的小的光散射结构310和410有助于将光反射离开光导。如果没有这些光散射结构，大部分光将保留在光导内部，直到被光导的45度侧面311和411反射出来。同时，散射结构310和410代表一种扩展光并实现改善的强度均匀性的技术。因此，尽管这些和其他技术提供了光扩展和混合的一些改进，但是需要发现用于这些目的的更好且更有效的技术。

图5示出光导501以及用于将从该光导输出的光投影在其上的壁或投影平面502。光导501具有定位成一行的三个发光元件503、504和505。光导501包括三个反射壁506、507和508以及一个输出侧509，散射结构510置为靠近输出侧509。用箭头511、512、513、514和515表示的光线代表从发光元件之一504发射的光的各种传播路径。光线511在光导的后壁507被反射并被阻挡在发光元件504内。光线512在后壁507被反射，在散射结构510内被散射之后到达壁502。光线513在后壁507被反射并被发光元件503阻挡。光线514在后壁507和侧壁508被反射，随后通过输出侧509出射并到达壁502。光线517在散射结构510内被散射，随后到达壁502。光线515和516通过输出侧509直接出射并到达壁502。

图1示出根据本发明的用于漫射光的装置100的三维视图。装置100包括光导101、嵌在光导101内的第一组发光元件102和第二组发光元件103。第一组和第二组发光元件示为具有第一、第二以及第三相应的配对元件对104和114、105和115以及106和116。因此，图1示出具有双层发光元件即LED的光导。该说明仅仅是演示一个优选实施例，且存在其他可选实施例，例如使用更多数目的发光元件的实施例。然而，回到所示的具体示例，各对发光元件可发射不同色彩的光。例如，发光元件对104和114可发射蓝光，105和115发射绿光，以及106和116发射红光。

通过将彼此相对的第一对发光元件位于中间，如105和115，以及其余两对沿直径彼此相对，则在光输出中实现对称性。从任意单个元件发射的光的行进路径不受干扰且得到的总的色彩组成在均匀性方面增强。因此，还实现了在屏幕上所有位置的包含相同数量的红色、绿色和蓝色光的白色图像，因为所有三种色彩都具有相同均匀分布。

图1的部分b)示出如图1的部分a)所示的装置的侧视图。发光元件104、105、106、114、115和116置于延伸穿过光导101的两个平行几何平面117和118所示的两层内。这些层置于光导101内部，介于光导101的顶部119和底部120部分之间。箭头121表示从发光元件104、105、106、114、115和116发射的光线。

图2示出用于置于根据本发明的光导(未示出)内的侧面发光元件201。由箭头202所示的光沿侧向发射离开圆柱形外围203，且界定光的对称锥形204。该锥形从图1中117和118所示沿着光导延长线的几何平面的法线206两侧以角度205延伸。根据特定类型的侧面发光元件或LED，该角度约为20度。因此，发射光的图案大致上类似于从灯塔发射的光的图案，不过是同时沿所有方向。因此，即使采用这种构造，从图1结合图2看出，一些LED将阻挡来自相邻LED的一些光，不过显著小于先前情形，因为光可以在其他LED下方或上方经过。

应注意，图不是按比例的，且宽度实际上经常远大于高度。对于特定应用，特定要求优选在约25比1的比例。

Claims (12)

1.一种用于引导和混合光的装置(100)，由光导(101、301和401)、位于第一层内的至少第一发光元件(104、105和106)和位于第二层内的至少第二发光元件(114、115和116)组成，每个所述发光元件布置成发射至少第一预定频率的光，其特征在于，所述第二层在与所述第一层的第一几何平面(117)不同的第二几何平面(118)内延伸，用于从组成频率的总和产生均匀光输出。

2.如权利要求1所述的装置(100)，其中该第一和第二层的几何平面(117和118)大致上相互平行。

3.如前述权利要求任意一项所述的装置(100)，其中该发光元件(104、105、106、114、115和116)包含在所述光导(101)内。

4.如前述权利要求任意一项所述的装置(100)，其中该第一和第二层的几何平面(117和118)延伸穿过该光导(101)。

5.如前述权利要求任意一项所述的装置(100)，其中该至少第一(104)和第二(114)发光元件分别包括至少第一组(102)和第二组(103)发光元件。

6.如权利要求5所述的装置(100)，其中该组(102和103)包括相对于可发射频率的相应的对应发光元件，与该第一组(102)发光元件(104、105和106)相比，该第二组(103)发光元件(114、115和116)相对于可发射频率在顺序上颠倒。

7.如权利要求5或6任意一项所述的装置(100)，其中该组(102和103)的任何一个包括三个发光元件(104、105和106或114、115和116)，该发光元件布置成发射单独色彩从而产生与感知的白光相对应的频率。

8.如权利要求7所述的装置(100)，其中该色彩为红、绿和蓝。

9.如权利要求7或8任意一项所述的装置(100)，其中所述组的第一组(104、105和106)包括沿着第一横向方向的第一(104)、第二(105)和第三(106)光元件，且所述组的第二组包括沿第二横向方向布置的相应的对应元件(114、115和116)，且其中第一和第三对应元件(104和114；106和116)沿直径彼此对立地布置，且第二对应元件(105和115)彼此相对地布置。

10.如前述权利要求任意一项所述的装置(100)，其中该发光元件(104、105和106；114、115和116)大致上布置成行。

11.如前述权利要求任意一项所述的装置(100)，其中该发光元件(104、105、106、114、115和116)包含发光二极管。

12.如前述权利要求任意一项所述的装置(100)，其中该发光元件(104、105、106、114、115和116)彼此等间距分开。

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