CN101523109A - 薄照明设备、显示设备和发光体设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种薄照明设备(1，10，20，30，40，50，60)。本发明也涉及包括这样的薄照明设备的显示设备和发光体设备。所述薄照明设备包括：半透明板(2，23，31，41，51，66，73)，设置有由导电图案连接的发光二极管(LED)(3，32，47，61，75)的阵列；和反射体(4，20，22，43，53，62，74)，布置在板的第一侧与板相距一定距离。这样的构造能够比常规LED薄膜照明设备制作得更薄并且更有效地工作。

Description

薄照明设备、显示设备和发光体设备
技术领域
本发明涉及薄的照明(illumination)设备。本发明还涉及包括这样的薄照明设备的显示设备和发光体(luminary)设备。
背景技术
发光二极管(LED)可以被用于例如在液晶显示器(LCD)和发光体中提供背光的薄照明设备中。薄照明设备通常包括位于要被从背后照亮的物体(例如，液晶板、广告屏或装饰砖)之后的LED阵列。其缺点是LED从很小的表面区域发光，因此设备必须具有相对较厚的结构以便实现可接受的色彩和亮度均匀性。常规LED背光设备通常需要大于10mm和附加漫射体层以便获得足够均匀的亮度。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的薄照明设备。
本发明提供了一种薄照明设备，包括：半透明板(translucentplate)，设置有由导电图案连接的发光二极管(LED)的阵列；和反射体，布置在所述板的第一侧，与所述板相距一定距离，其中所述LED的阵列被布置为发出基本指向所述反射体的光，并且所述反射体被布置为将来自于LED的光反射经过所述半透明板。与其中LED位于反射体上的常规LED背光相比，这样的薄照明设备使得通过半透明板发出更加漫射的光。有效地，与其中LED位于反射体上的配置相比，由LED阵列发出的光的最短可能光路被加倍了。LED可以是任何类型的发光二极管或与之相当的光源，例如RGB LED或不同LED类型的混合，特别是白色LED和磷光体转换LED。如果使用不同颜色的LED，则根据本发明的设备也改进了颜色混合，使得由所述设备发出均匀的光谱。另一个有益效果是本发明最小化了LED的筛选(binning)效应。筛选是由于在一批相似的LED内的各个LED的通量和/或颜色的轻微差别而导致亮度均匀性下降的效应。半透明板优选地由半透明玻璃或树脂或聚合物材料构成。LED可以被布置在所述半透明板的任一侧或者可以集成在所述板中。所述导电图案被布置为对LED供电，并且包括到LED和外部电源的连接。所述导电图案可以被设置有抗反射涂层，以便提高系统的光学效率。所述反射体被布置为将来自于LED的光反射经过所述半透明板。被布置为发出基本指向所述反射体的光的LED阵列可以包括被设计为控制所述光的方向的光学元件。所述LED可以设置有透明封装，以便最小化所述半透明板的与反射体相反的一侧上的阴影，在所述半透明板的与反射体相反的一侧上，例如可以放置LCD屏幕。根据照明设备的应用，照明设备通常每平方米包含100到1000个LED，这很大地依赖于LED的光输出和应用类型。以基本正方形配置放置LED的LED阵列是最容易生产的。在正方形配置中，四个相邻LED形成一个正方形。但是，如果使用六边形配置，可以获得更好的光均匀性。在六边形配置中，六个相邻的LED形成一个六边形。反射体可以根据优选的应用由任何光反射材料构成。本发明特别适合于低功率LED(通常每个LED低于0.5W)，每个LED仅耗散少量的功率。因此，将LED放置在玻璃或树脂上就足够有效，而不用使用体积较大的散热器。
反射体优选地基本平行于半透明板。利用这种配置可以容易地获得良好的亮度均匀性。基本平行是指设备的总体配置，而反射体和/或板不必是完全平的或者在每个位置都遵循相同的曲率。
在优选实施例中，反射体是漫反射体(diffusing reflector)。因而获得改善的亮度均匀性。漫反射体通常设置有光漫射表面。
在更优选的实施例中，所述漫反射体包括漫射元件。这样的漫反射体使得能够更好地精细调节亮度均匀性。有用的漫射元件是根据应用而选择的，并且可以具有各种形式，例如从反射体表面突出的金字塔形、圆锥形和(半)球形。
如果导电图案包括半透明导电材料，那么这是有益的。这样的半透明图案提高了设备的光学效率。有用的导电材料的示例包括氧化铟锡(ITO)和掺杂有氟的氧化锡(SnO2:F)。
可替换地，如果所述导电图案包括金属线，那么这是有益的。金属线可以是松散的线或者例如通过沉积铜或铝以薄层形成为图案，并且一般比大多数半透明的导电材料具有更好的导电性和更小的功耗。这些线的形式和尺寸可以被优化以最小化对亮度的干扰。金属线可以被印制在玻璃上或者通过标准光刻来制成，但是也可以使用线网，其中与LED相连的线仅部分连接到所述板。
在优选实施例中，反射体和半透明板之间的距离介于2mm和10mm之间。这样的距离产生了紧凑的设备，其具有通过板发出的光的足够的亮度均匀性，特别是对于LCD背光应用来说。
所述半透明板优选地设置有反射点图案。所述反射点进一步提高了亮度均匀性。反射点通常由白色反射材料制成，并且可以被施加于半透明板的任一侧或者两侧。
在优选实施例中，图案中的反射点在靠近LED处具有相对高的密度，而在远离LED处具有相对低的密度。因而，相对容易实现光的更有效漫射。这使得能够实现板和反射体之间的甚至更小的距离，同时仍然实现良好的亮度均匀性。
在优选实施例中，LED的阵列包括蓝色LED和/或UV LED，所述反射体包括荧光材料。这种配置使得能够精细地调节由设备发出的光的色谱。荧光材料通常是荧光磷光体，诸如YAG:Ce，其可以被集成或涂覆到反射体上，优选地以印制图案的形式。由LED和荧光材料发出的优选波长优选地被选择为彼此互补。蓝色LED主要发出波长短于500nm的光，而UV LED发出波长短于380nm的光。磷光体吸收蓝色和/或UV光，并且发出更长波长的光。
优选地使用发射不同波长的磷光体的混合物来获得用于特定应用的最佳光谱。可以通过平衡在反射体处散射的蓝光的量和通过反射体上磷光体的激发而产生的光的量，来进行对照明设备的光谱的精细调节。另外，可以使用白色和发光颜料的混合物来调节设备发出的颜色，以获得例如白光。
如果至少一个荧光管被布置在半透明板和反射体之间，那么这是有益的。由于来自所述设备的光是来自于LED和荧光管的光的混合，因此能够优化由所述设备发出的光谱。用在背光中的典型的常规荧光管是CCFL、EEFL和HCFL型的。灯管和LED优选地被布置成彼此交替的图案。
优选的是所述半透明板设置有光学活性前层(optically activefront layer)。这导致更好的亮度均匀性。所述光学活性前层可以包括，例如漫射体板、漫射体膜或滤光器。在Philips的专利申请WO2005/083317中描述了有效的光学活性前层的示例。
在优选实施例中，光学活性前层与所述半透明板集成在一起。因而能够制成非常紧凑的设备。
可替换地，光学活性前层位于半透明板的与反射体相反的第二侧，与半透明板相距一定距离。从光学活性前层到半透明板的距离优选地小于从反射体到半透明板的距离。
在优选实施例中，所述光学活性前层和所述板围成一个与外部环境开放连通的空间。因而所述空间形成空气通道，在服务期间热量可以通过所述空气通道从设备耗散出去，从而降低了电阻和功耗。
在优选实施例中，半透明板是柔性聚合物膜。因而能够有很大的设计自由。反射体也可以是柔性的或者被布置为对于柔性聚合物膜的支撑体。这样的实施例在作为背光设备的各种应用中都非常有用，特别是在发光体应用中，例如广告牌、墙壁覆层和地板砖中的照明。
本发明还提供了一种包括用作背光的、如权利要求中限定的薄照明设备的显示设备。根据本发明的显示设备比具有相当的光均匀性和颜色混合的已知的基于LED的显示器更薄并且更有效。
本发明也提供了一种包括根据本发明的薄照明设备的发光体设备。根据本发明的这样的发光体设备比具有相当的光均匀性的已知的基于LED的显示器更薄。墙壁覆层和半透明地板砖下的使用是典型的发光体应用。
现将参照下述实施例通过非限制的示例方式来说明本发明。实施例中所示的技术手段可以被组合以实现累加效果，这在某些应用中是有益的。
附图说明
图1a、1b和1c示出了本发明的第一优选实施例。
图2示出了本发明的第二优选实施例。
图3示出了本发明的第三优选实施例。
图4a和4b示出了本发明的第四优选实施例。
图5示出了本发明的第五优选实施例。
图6示出了本发明的第六优选实施例。
图7示出了本发明的第七优选实施例。
图8示出了本发明的第八优选实施例。
具体实施方式
图1a示出了根据本发明的薄照明设备1。其包括薄玻璃板2，在该薄玻璃板上布置LED阵列3。LED 3指向与玻璃板2平行放置的漫反射体(diffusing reflector)4，以使得LED 3发出的光5被反射回来作为漫射光(diffused light)6经过玻璃板2。因而当使用玻璃板2和反射体4之间的相对小的距离h1时，可以获得非常有效的光的漫射，导致了具有均匀亮度分布的相对薄的照明设备1。LED如果用在已知系统中，将附在反射体4上；在这种情况下，将需要整个系统的较大的厚度以在玻璃板2的位置处实现相似水平的光漫射。包括例如漫射体层、亮度增强层和滤光器的附加的光学叠层(optical stack)7可以被放置在玻璃板2的前面。设备1可以被放置在例如LCD屏之后作为背光。可替换地，LED阵列3可以被布置在玻璃板2的面向光学叠层7的一侧，或者其可以被集成在玻璃板中，其中LED 3仍然可以通过玻璃板指向反射体4。
玻璃板2与反射体4之间的空间(厚度h1)和光学叠层7与玻璃板2之间的空间(厚度h2)都可以露天(in open air)与环境接触，因而使得在使用中能够通过空气对流来冷却LED 3和相关电子电路。反射体4与玻璃板2之间的距离(h1)将优选地大于光学叠层7与玻璃板2之间的距离(h2)。甚至能够将光学叠层与玻璃板集成，从而将距离h2有效地减小为零。对于系统的给定总厚度H(h1+h2)，最佳配置是具有LED 3的半透明板2的位置在前光学叠层7之下的最小距离处，以使得不会在光学叠层7上形成由于板上的LED 3或其它挡光物体所致的来自于反射体4的反射光中的阴影。
图1b示出了LED阵列3的正方形图案，其中四个相邻LED形成正方形8。这样的图案相对容易生产。LED阵列的电功率由透明导体图案(未示出)提供，但是也可以应用施加到玻璃板的金属图案。
作为图1b的正方形图案的替换，图1c示出了LED阵列3的六边形图案，其中相邻LED比正方形形式更紧密地聚集，并且提供了区域(圈9)的更好的均匀亮度覆盖度。这样的六边形图案9提供了相对有效的光源分布。LED阵列的电功率由透明导体图案(未示出)提供。
图2示出了根据本发明的薄照明设备10的第二优选实施例，其中反射体设置有成形的反射元件20，使得光的漫射更好。
图3示出了根据本发明的薄照明设备20的第三优选实施例，其中反射元件是从反射体22指向玻璃板23的正交反射壁21，以实现良好的亮度均匀性，以及当使用有色LED时实现良好的混色。由壁21限定的分段(segment)可以被独立地照明，这在扫描背光时是很有利的，以降低动态图像中的运动模糊(motion blur)。
图4a示出了根据本发明的薄照明设备30的第四优选实施例，其中施加于玻璃板31的反射点33的图案用于改善光均匀性。点33的浓度在LED32附近较大，如图4b中的顶视图所示。LED32附近的点33的较大的浓度导致比均匀分配的点图案更好的亮度均匀性。图4b所示的实施例的图案是示例，可替换的图案可以用于实现相似的效果。
图5示出了根据本发明的薄照明设备40的第五优选实施例。位于半透明板41上的LED47将它们的LED光42指向反射体43。该反射体被涂覆有荧光磷光体(fluorescent phosphor)点图案46，其可以具有与图4b中的玻璃板上的反射点的图案相似的配置。来自于LED 47的部分光被反射体43反射和漫射经过玻璃板41，用实线箭头44表示。LED光42的另一部分被磷光体点46吸收，并且作为不同波长的光被再次发射，用虚线箭头45表示。因而获得了LED光和荧光的混合，使得能够总体上精细调节由该设备发出的光的光谱。主要发蓝光(波长短于500nm)的LED 40优选地用于此应用，其中磷光体被选择为主要向着光谱的红色部分(波长长于600nm)发射。例如，YAG:Ce在绿黄范围内发射。与来自于LED的蓝光结合，这产生了白色，作为总体上从设备发出的光谱。
图6示出了根据本发明的薄照明设备50的第六优选实施例。在此实施例中，通常由陶瓷材料或树脂材料制成的半透明装饰砖(decorati vetile)54在玻璃板51的与反射体53相反的一侧与设置有LED 52的玻璃板51相邻地放置。由于来自于LED 52的光经由反射体53通过装饰砖50间接地发射，因此实现了良好的亮度均匀性，同时设备可以具有相对小的厚度H(h1+h2)。使用位于反射体53上的侧发射(side-emitting)LED的设备会在相当的厚度处具有较小的亮度均匀性。
图7示出了根据本发明的薄照明设备60的第七优选实施例，其中具有集成的LED 61和电路(未示出)的柔性聚合物箔66被弯曲成期望的形式。反射体62的形状遵循聚合物箔66的曲率。光学叠层64位于聚合物箔66的观看者一侧，根据其应用，光学叠层64进一步漫射和过滤由该设备发出的光65。该实施例允许很大的设计自由度，例如，在墙壁覆层中。
图8示出了根据本发明的薄照明设备70的第八优选实施例，其中LED 75和常规管式荧光灯71被集成在单一设备70中。荧光灯71位于设置有LED 75的玻璃板73和反射体74之间。根据它们的应用，由LED75和荧光灯71发出的光谱优选地被选择为彼此互补。通过组合LED 75和荧光灯71，获得期望的光谱变得相对容易，这可以由光学叠层7来进一步优化。例如用在背光中的典型的常规荧光灯71是CCFL和EEFL灯。
应当注意，上述实施例示出了本发明而不是限制本发明，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，本领域技术人员将能够设计许多可替换实施例。
在权利要求中，位于括号中的任何附图标记不应当被解释为限制权利要求。动词“包括”及其变形的使用不排除除了权利要求中所述的元件或步骤之外的其它元件或步骤的存在。元件之前的冠词“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在。本发明可以通过包括数个不同元件的硬件来实施。在列举数个装置的设备权利要求中，这些装置中的几个可以由硬件中的一个且相同的部分来实施。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims (17)

1、一种薄照明设备(1，10，20，30，40，50，60)，包括：
-半透明板(2，23，31，41，51，66，73)，设置有由导电图案连接的发光二极管(LED)(3，32，47，61，75)的阵列，和
-反射体(4，20，22，43，53，62，74)，布置在所述板的第一侧，与所述板相距一定距离，
其中LED的阵列布置为发出基本指向所述反射体的光，并且所述反射体布置为使来自于所述LED的光反射通过所述半透明板。
2、根据权利要求1所述的薄照明设备，其特征在于，所述反射体(4，20，22，43，53，62，74)基本平行于所述半透明板(2，23，31，41，51，66，73)。
3、根据权利要求1或2所述的薄照明设备，其特征在于，所述反射体(4，20，22，43，53，62，74)是漫反射体。
4、根据权利要求3所述的薄照明设备，其特征在于，所述漫反射体包括漫射元件(20，21)。
5、根据前述权利要求中任一权利要求所述的薄照明设备，其特征在于，
所述导电图案包括半透明导电材料。
6、根据前述权利要求中任一权利要求所述的薄照明设备，其特征在于，
所述导电图案包括金属线。
7、根据前述权利要求中任一权利要求所述的薄照明设备，其特征在于，
所述反射体(4，20，22，43，53，62，74)和半透明板(2，23，31，41，51，66，73)之间的距离在2和10mm之间。
8、根据权利要求1所述的薄照明设备，其特征在于，所述半透明板(2，23，31，41，51，66，73)设置有反射点图案(33)。
9、根据权利要求8所述的薄照明设备，其特征在于，所述图案中的反射点(33)在LED(3，32，47，61，75)附近具有相对高的密度而在远离所述LED处具有相对低的密度。
10、根据权利要求1所述的薄照明设备，其特征在于，LED(3，32，47，61，75)的阵列包括蓝色LED和/或UV LED，并且所述反射体包括荧光材料。
11、根据权利要求1所述的薄照明设备，其特征在于，至少一个荧光管(71)被布置在所述半透明板(2，23，31，41，51，66，73)和所述反射体(4，20，22，43，53，62，74)之间。
12、根据权利要求1所述的薄照明设备，其特征在于，所述半透明板(2，23，31，41，51，66，73)设置有光学活性前层(7，54，64)。
13、根据权利要求12所述的薄照明设备，其特征在于，所述光学活性前层(7，54，64)与所述半透明板(2，23，31，41，51，66，73)集成。
14、根据权利要求13所述的薄照明设备，其特征在于，所述光学活性前层(7，54，64)位于所述半透明板的与所述反射体(4，20，22，43，53，62，74)相反的第二侧，与所述半透明板(2，23，31，41，51，66，73)相距一定距离。
15、根据权利要求1所述的薄照明设备，其特征在于，所述半透明板是柔性聚合物膜(66)。
16、一种显示设备，包括根据前述权利要求中任一权利要求所述的、用作背光的薄照明设备。
17、一种发光体设备，包括根据权利要求1到15中任一权利要求所述的薄照明设备。
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