CN103392142A

CN103392142A - 照明设备

Info

Publication number: CN103392142A
Application number: CN2012800104739A
Authority: CN
Inventors: 彼得·布里克
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2012-01-26
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2032-01-26
Also published as: KR101540873B1; US20140049943A1; KR20130108652A; TWI506224B; DE102011012297A1; TW201235598A; CN103392142B; US8998435B2; DE102011012297B4; WO2012113603A1

Abstract

提出一种照明设备（10），其具有多级光学系统（1，2，3），所述多级光学系统使穿过的光（5，6）在光谱上和在空间上准直。照明设备尤其好地适合于用在显示设备中。

Description

照明设备

参考文献WO 2010/076103 A2描述一种照明设备。

发明内容

要实现的目的在于，提出一种照明设备，所述照明设备具有特别窄带的光谱发射。

根据照明设备的至少一个实施形式，照明设备包括光源，所述光源包括至少一个发光二极管芯片。光源在此在运行中产生光。至少一个发光二极管芯片是光源的产生光的元件。光源例如能够产生彩色的、多彩的或白色的光。光源为此能够包括相同类型的发光二极管芯片或者也能够包括在运行中产生不同颜色的光的不同的发光二极管芯片。

根据照明设备的至少一个实施形式，照明设备包括第一光学元件，所述第一光学元件使光源的穿过的光准直到可预设的角度范围中。

例如，第一光学元件是所谓的光学聚光器。光学聚光器例如能够是抛物面光学聚光器、椭圆面光学聚光器或双曲面光学聚光器。

此外，可能的是，第一光学元件由所述光学聚光器的组合构成，使得例如第一光学元件的第一部段构成为抛物面光学聚光器并且相邻的第二部段构成为双曲面光学聚光器。

第一光学元件也能够是透镜。此外，可能的是，第一光学元件包括透镜。因此，例如，第一光学元件通过反射的光学元件与透镜的组合形成。

第一光学元件在此使光源的穿过的光在可预设的角度范围中准直，使得由光源的光组成的光束在离开第一光学元件之后例如具有可预设的张角。以该方式，第一光学元件减小穿过的光的发散。特别地，第一光学元件构成为关于主延伸方向是象限对称的或者特别是旋转对称的。

根据照明设备的至少一个实施形式，照明设备包括第二光学元件，所述第二光学元件将光源的至少首先没有射入到第一光学元件中的光反向反射到光源。也就是说，光源的因为例如经过第一光学元件的光入射侧而没有射入到第一光学元件中的光由第二光学元件反向反射到光源。在那，这些光随后例如能够在光源的组件上、例如在载体上或者在至少一个发光二极管芯片上被反射。那么，光例如被反向反射到朝向第一光学元件的方向上并且在那必要时射入到第一光学元件中。此外，可能的是，光穿透入至少一个发光二极管芯片中并且在那借助于所谓的“光子循环”以产生光。

根据照明设备的至少一个实施形式，照明设备包括第三光学元件，所述第三光学元件至少部分地减小光源的穿过的光的光谱带宽。在此，也能够将减小光谱带宽理解成，将光谱分布中的尖峰的上升沿和下降沿切去。这例如能够通过带通滤波器来实现。

由单色的发光二极管芯片产生的光通常具有在20nm和40nm之间的光谱半宽度。第三光学元件能够减小所述光谱半宽度。如果发光二极管芯片例如是产生白光的发光二极管芯片，那么可能的是，第三光学元件在不同的位置上减小穿过的光的光谱带宽。因此，白光的宽的光谱例如能够借助于第三光学元件变窄到具有例如在蓝光范围中的窄尖峰和例如在黄光范围中的窄尖峰的光谱。

以该方式，第三光学元件至少部分地减小光源的穿过的光的光谱带宽。

根据照明设备的至少一个实施形式，第一光学元件具有朝向光源的光入射侧。那么，光源的在光入射侧上的光的至少一部分射入到第一光学元件中。例如，第一光学元件尤其在第一光学元件构成为镜面化的空心体时在光入射侧上具有开口，或者在第一光学元件例如是由透明的材料构成的实心体时具有光入射面。在第一种情况下，第一光学元件例如能够是CPC（Compound Parabolic Concentrator，复合抛物面聚光器）-反射器，所述CPC反射器具有抛物线状成形的外面，所述外面在其内侧上例如被金属地镜面化。在第二种情况下，例如能够是具有圆锥形部段的CPC，所述圆锥形部段由透明的材料、例如由玻璃、PC（聚碳酸酯）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）或者其它的塑料构成。

根据照明设备的至少一个实施形式，第二光学元件尤其在横向方向上完全地包围第一光学元件的光入射侧，使得光源的没有射入到第一光学元件中的光的至少大部分射到第二光学元件上。横向方向在此是例如平行于至少一个发光二极管芯片的辐射出射面伸展的方向。换言之，第二光学元件在侧向完全地包围第一光学元件的光射入侧。

在此和在下文中，光的“大部分”表示多于光的50%，特别是多于光源的光的75%。在理想情况下，光源的没有射入到第一光学元件中的全部的光由第二光学元件反射，也就是说，全部的没有耦合输入的光射到第二光学元件上。第二光学元件为此能够框架状地或环状地在横向方向上完全地包围第一光学元件的光入射侧。

根据照明设备的至少一个实施形式，第三光学元件设置在第一光学元件的背离光入射侧的光出射侧上。光学元件的光出射侧是穿过第一光学元件的光又从所述第一光学元件射出的一侧。例如，光出射侧能够包括光出射开口或者借助光出射面形成。根据照明设备的至少一个实施形式，从第一光学元件的光出射侧射出的光的至少大部分、在理想情况下所有的从光出射侧射出的光穿过第三光学元件。第三光学元件为此例如能够在光出射侧上与第一光学元件直接接触。

根据照明设备的至少一个实施形式，照明设备包括：光源，所述光源包括至少一个发光二极管芯片并且在运行中产生光；第一光学元件，所述第一光学元件使光源的穿过的光准直到可预设的角度范围中；第二光学元件，所述第二光学元件将光源的至少首先没有射入到第一光学元件中的光反向反射到光源；和第三光学元件，所述第三光学元件至少部分地减小光源的穿过的光的光谱带宽。在此，第一光学元件具有朝向光源的光入射侧，光源的光的至少一部分在光入射侧上射入到第一光学元件中，第二光学元件至少在侧向完全地包围第一光学元件的光入射侧，光源的没有射入到光学元件中的光的至少大部分射到第二光学元件上，并且第三光学元件设置在第一光学元件的背离光入射侧的光出射侧上，其中从第一光学元件的光出射侧射出的光的至少大部分穿过第三光学元件。借助在此描述的照明设备，尤其可能的是，在窄的角度范围中产生光谱窄带的光。在此，此外，照明设备基于如下思想：

光源的发光二极管芯片具有高的集光率。例如，集光率为E=Π×（sin90°）²×（发光二极管芯片的光出射面积）。因此，在光出射面积为一平方毫米时，集光率为大约3.14。

至少部分地减小光源的穿过的光的光谱带宽的第三光学元件、例如为干涉滤波器具有有限的集光率E=Π×（sin α）²×（滤波器的光入射面的面积）。

α在此是光射到第三光学元件的光入射面上的最大的光入射角。如果α例如是15°并且滤波器16的光入射面积为16平方毫米，那么集光率为1.07×Π也就是大约为3.4。

因此，这种装置以极其接近集光率极限的方式工作。相应地，困难的是，引导由光源的至少一个发光二极管芯片在运行中产生的所有的光穿过第三光学元件。为此，例如需要第一光学元件，所述第一光学元件使光源的穿过的光在可预设的角度范围中准直，其中光射到第三光学元件的光入射面上0期望的最大角度是目标角度。那么，a₁×sin 90°=a₂×sin（目标角度）。a1在此例如是第一光学元件的光入射面或者光入射开口的一半的直径，所述第一光学元件例如实施为CPC，a₂是所述第一光学元件的光出射开口或光出射面的一半的直径。在应将a₁选择成大于例如光源的在下游设置有第一光学元件的发光二极管芯片的边长的条件下，特别是对于较大的发光二极管芯片出现困难。因此，显得必要的是，由光源在运行中产生的光的尽可能大的部分耦合输入到第一光学元件中。这在本文中的照明设备中例如通过下述方式能够通过将光源的至少首先没有射入到第一光学元件中的光反向反射到光源的第二光学元件来实现：通过所述反向反射提供给光射入到第一光学元件中的另外的可能性。

根据照明设备的至少一个实施形式，第三光学元件包括干涉滤波器或者由干涉滤波器形成。干涉滤波器尤其好地适合于减小穿过的光的光谱带宽。然而，在使用干涉滤波器时，出现滤波器效果极大地与穿过的辐射的入射角相关的问题。有利地，第一光学元件引起入射角的减小，使得构成为干涉滤波器的第三光学元件能够以可预设的方式减小光谱带宽。

此外，干涉滤波器的特征在于，在所述干涉滤波器上不发生光的吸收。光的没有穿过干涉滤波器的部分被反射并且例如能够穿过第一光学元件到达光源的至少一个发光二极管芯片，在此，这部分借助于光子循环能够被再次使用。干涉滤波器例如是具有陡沿的带通滤波器。干涉滤波器例如能够通过层来构成，所述层能够在第一光学元件的光出射侧直接地施加到第一光学元件的外面上。将层施加到照明设备的另外的部件上也是可行的。所述层例如是介电层序列。替选地，干涉滤波器也能够施加到例如由玻璃制成的载体板上，所述载体板设置在第一光学元件的光出射侧的下游。

根据照明设备的至少一个实施形式，光源产生白色的或多彩的光并且第三光学元件具有至少两个透射带。光源例如产生具有红光、绿光和蓝光部分的光。那么，第三光学元件例如能够具有三个透射带，在所述透射带中透射光谱窄带的红光、蓝光和绿光。光的未透射的部分能够反向反射到光源。

根据照明设备的至少一个实施形式，第一光学元件尤其使光源的穿过的光的大部分准直在至多±15°的角度范围中。在这种情况下，来自第一光学元件的光以至多15°的入射角射到第三光学元件上。那么，当第三光学元件包括干涉滤波器或者由干涉滤波器形成时，这样小的入射角尤其被证实为是有利的。

根据照明设备的至少一个实施形式，第三光学元件使光源的穿过的光的光谱至少部分地变窄到具有至多10nm的光谱带宽的尖峰。光谱带宽例如根据尖峰的半值宽度来测量，其中相对于波长描绘光强。

根据照明设备的至少一个实施形式，光源产生白色的或者多彩的光并且第三光学元件包括至少两个透射带，其中由第三光学元件滤波的光的尖峰的数量对应于透射带的数量。例如，那么，每个尖峰具有至多10nm的光谱带宽。在此，可能的是，一个尖峰由多个尖峰组成。

根据照明设备的至少一个实施形式，第二光学元件设计为用于将射中的光定向地反射。例如，第二光学元件为此能够包括反射的金属层，所述金属层朝向光源。随后没有在光入射侧上射入到第一光学元件中、而是射到第二光学元件上的光被定向地反向反射到朝向光源的方向上。

根据照明设备的至少一个实施形式，第二光学元件部分地与第一光学元件的外面直接接触。第二光学元件例如能够以空心截锥或空心截棱锥的形式构成，其中所述几何元件的基面尤其具有与第一光学元件的光入射侧上的光入射面或光入射开口一样的形状。那么，光学元件借助其朝向第一光学元件的一侧部分地与第一光学元件的外面直接接触。第二光学元件和第一光学元件之间的连接在此能够选择成，使得光不能够在第一光学元件和第二光学元件之间漏出，也就是说，在该情况下，在这两个光学元件之间存在不中断的连接。第二光学元件在其朝向光源的一侧上例如能够与光源的部件、例如与用于至少一个发光二极管芯片的载体直接接触。以该方式，第二光学元件完全地包围光源和第一光学元件之间的中间空间。以该方式，光不能够到达外面，因为当光由至少一个发光二极管发射时，光射入到第一光学元件中或由第二光学元件反射。那么，换言之，第二光学元件形成灯箱，所述灯箱在两个对置侧上具有光源或第一光学元件。

此外，提出一种显示设备。

根据显示设备的至少一个实施形式，显示设备包括至少一个在此描述的照明设备。也就是说，针对照明设备所说明的所有特征对显示设备也是公开的。此外，显示设备包括成像元件，所述成像元件由至少一个照明设备的光背光照明或照明。成像元件例如能够是LCD显示器或者微镜阵列。那么，显示设备例如能够是屏幕或者投影设备。

由于照明设备的光谱窄带的发射，这种显示设备尤其好地适合于对波长的信息进行编码从而尤其适合用于3D显示。也就是说，在此描述的显示设备尤其好地适合用于3D显示，尤其适合于基于多波-三合透镜的方法，例如“杜比”公司的“杜比3D”法。

根据显示设备的至少一个实施形式，显示设备包括至少一个光导体，其中至少一个照明设备的光至少大部分地射入到光导体中并且至少一个照明设备的从光导体射出的光对成像元件背光照明。也就是说，在这样构成的显示设备中，例如，LCD显示器作为成像元件没有直接由照明设备背光照明，而是光首先射入到大面积的光导体中，所述光导体随后又对成像元件背光照明。

根据在此描述的显示设备的至少一个实施形式，成像元件通过至少一个照明设备形成。例如，显示设备包括多个照明设备，其中每个照明设备与要产生的图像的像素相关联。

根据显示设备的至少一个实施形式，显示设备包括产生相同颜色的光的至少两个照明设备，其中照明设备的光的最大强度的波长彼此相差，尤其彼此相差至少10nm。也就是说，照明设备例如产生两种类型的红光，其中所述光的最大强度的尖峰轻微地彼此偏移。那么，这种显示设备尤其好地适合用于3D显示，因为用于左眼和右眼的不同的分图像通过轻微地彼此偏移的波长来编码。那么，为了获得三维的图像，例如能够使用包括干涉滤波器的眼镜。例如，用于左眼的图像信息通过最大尖峰值为629nm的红光、最大尖峰值为532nm的绿光和最大尖峰值为446nm的蓝光而产生。那么，用于右眼的图像由尖峰值波长为615nm的红光、尖峰值波长为518nm的绿光和尖峰值波长为432nm的蓝光产生。图像的通道分离经由选择性的干涉滤波器来实现，所述干涉滤波器为每只眼睛将适当的三重波长

滤出。

附图说明

在下文中，根据实施例和与其相关的附图详细地阐明在此描述的照明设备以及在此描述的显示设备。

图1示出在此描述的照明设备的一个实施例的示意剖面图。

图2、3、4和5示出在此描述的显示设备的实施例的示意剖面图。

相同的、相同类型的或起相同作用的元件在图中设有相同的附图标记。图和在图中示出的元件相互间的大小比例不能够视为是按比例的。相反地，为了更好的可视性和/或为了更好的理解能够夸张大地示出个别元件。

具体实施形式

图1示出在此描述的照明设备的一个实施例。照明设备包括光源4。光源4包括至少一个发光二极管芯片41。光源4在此也能够包括多个发光二极管芯片41，所述发光二极管芯片例如能够适合于产生不同颜色的光。在光源4的发光二极管芯片41的下游设置第一光学元件1。第一光学元件1在本文中作为复合抛物面聚光器（CPC）、例如以镜面化的空心体的形式实施。在光入射侧1a上，第一光学元件1具有光入射开口，所述光入射开口具有2×a1的直径，所述直径大于发光二极管芯片41的朝向第一光学元件的光出射面或者——在多个发光二极管芯片41的情况下——大于光出射面的总和。

使出自发光二极管芯片41的光5、6在穿过第一光学元件1时准直，使得所述光在穿过之后形成张角最大为±15°的光束锥。光在此在光出射侧1b上例如从光出射开口射出，所述光出射开口具有2×a2的直径。

发光二极管芯片41的光的一部分没有射入到第一光学元件1中。这些光由第二光学元件2反向反射到光源4，在所述光源处，光例如射到发光二极管芯片41上并且从那再次被反射到朝向第一光学元件1的方向上。

第二光学元件2与第一光学元件1的外面直接接触并且在所述第一光学元件1的光入射侧1a上侧向地完全包围第一光学元件1。例如，第二光学元件的朝向光源4的面构成为定向地反射。在此，可能的是，第二光学元件完全地封闭光源4和第一光学元件之间的空腔（对此例如参看图3），使得除了在第一光学元件1的光出射侧1b上之外，发光二极管芯片41的光不能够向外射出。

此外，照明设备包括第三光学元件3，所述第三光学元件在本文中构成为干涉滤波器。例如，干涉滤波器构成为载体板上的介电层序列，所述介电层序列能够在光出射侧1b上例如与第一光学元件1直接接触。对于第一光学元件1构成为实心体的情况，第三光学元件3例如也能够作为层直接在光射出侧1b上施加到第一光学元件1上。

由第二光学元件2反射到发光二极管芯片41的光的反射在那例如在发光二极管芯片的外面上漫射地进行，使得提高这些光能够射入到第一光学元件1中的可能性。

结合图2详细阐明在此描述的显示设备的第一实施例。显示设备包括如同结合图1详细阐明的照明设备。在照明设备的第一光学元件1的光出射侧1b处设置光导体7。照明设备的光在棱边处耦合输入到光导体中。光从光导体7穿过扩散器8，所述扩散器用于使射出的光均匀化并且随后例如射到为成像元件9的LCD面板上。

结合图3详细阐明在此描述的显示设备的另一个实施例。与结合图2描述的显示设备不同地，在该实施例中，在多个照明设备10和扁平的光导体7之间设置可选的混合光学系统81。在本文中，由于概括性的原因，放弃描述成像元件9。在此，照明设备10能够产生不同颜色和不同波长的单色光。例如，照明设备产生两种不同红色调的、两种不同绿色调的和两种不同蓝色调的光。为此，能够在照明设备10的下游设置不同的滤波器以用于产生光谱上特别窄带的光。使用不同组分的白光或者不同地组成的多色光是可行的。因此，不同的照明设备10例如能够产生不同的红色调和不同的薄荷色调。

如同在图3中示出，用于各个照明设备的滤波器在此能够设置在共同的载体板上。替选地，可能的是，滤波器作为层构成在显示设备的其它部件中的一个部件上，例如构成在光导体7的辐射射入面、混合光学系统81上或者在光射出侧1b处构成在照明设备10的第一光学元件1上。

不同于图3，图4示出一种显示设备，其中弃用光导体7并且成像元件9直接由照明设备的光照亮。在此，分别可选地使用混合光学系统81或者扩散器8。

结合图5描述一种显示设备，其中弃用成像元件。照明设备10在此自身作为成像元件来使用。例如，照明设备10能够如同在上文中描述的那样与要产生的图像的各个像素相关联。

总体上，在此描述的照明设备由于光的窄带的发射尤其好地适合于用于产生运动的和不运动的三维图像的特定的3D显示技术。然而，也可能的是，在此描述的照明设备在其它的应用领域中、例如在用于尤其不褪色地照亮空间或物品的普通照明中被证实为是有利的。

本发明不局限于根据实施例进行的描述。相反地，本发明包括每个新特征以及特征的任意组合，这尤其是包含在权利要求中的特征的任意的组合，即使所述特征或者所述组合本身没有明确地在权利要求中或者实施例中说明时也如此。

本申请要求德国专利申请102011012297.4的优先权，其公开内容在此通过参引并入本文。

Claims

1.一种照明设备（10），具有：

-光源（4），所述光源（4）包括至少一个发光二极管芯片（41）并且在运行中产生光（5，6），

-第一光学元件（1），所述第一光学元件（1）使所述光源（4）的穿过的光（5，6）在能预设的角度范围中准直，

-第二光学元件（2），所述第二光学元件（2）将所述光源（4）的至少首先没有射入到所述第一光学元件（1）中的光（5）反向反射到所述光源（4），和

-第三光学元件（3），所述第三光学元件（3）至少部分地减小所述光源（4）的穿过的光（5，6）的光谱带宽，其中

-所述第一光学元件（1）具有光入射侧（1a），所述光入射侧（1a）朝向所述光源（4），

-所述光源（4）的光（5，6）的至少一部分在所述光入射侧射入到所述第一光学元件中，

-所述第二光学元件（2）在侧向完全地包围所述第一光学元件（1）的所述光入射侧（1a），

-所述光源（4）的没有射入到所述第一光学元件（1）中的光的至少大部分射到所述第二光学元件（2）上，

-所述第三光学元件（3）设置在所述第一光学元件（1）的背离所述光入射侧（1a）的光出射侧（1b）上，和

-从所述第一光学元件（1）的所述光出射侧（1b）射出的光的至少大部分穿过所述第三光学元件（3）。

2.根据上一项权利要求所述的照明设备（10），

其中所述第三光学元件（3）包括干涉滤波器或者是干涉滤波器，其中所述第一光学元件（1）使所述光源（4）的穿过的光（5，6）在至多+/-15°的角度范围中准直。

3.根据上一项权利要求所述的照明设备（10），

其中

-所述第三光学元件（3）构成为层，所述层在所述第一光学元件的光出射侧（1b）上直接地施加到所述第一光学元件（1）的外面上，

-所述光源（4）产生白色的或者多色的光（5，6）并且所述第三光学元件（3）具有至少两个透射带，

-所述第三光学元件（3）将所述光源（4）的穿过的光（5，6）的光谱至少部分地变窄到具有至多20nm、尤其至多10nm的光谱带宽的尖峰，

-所述尖峰的数量对应于所述透射带的数量，

-所述第二光学元件（2）定向地反射射中的光（5，6），以及

-所述第二光学元件（2）部分地与所述第一光学元件（1）的外面直接接触。

4.根据权利要求1所述的照明设备（10），

其中所述第三光学元件（3）包括干涉滤波器或者是干涉滤波器。

5.根据上述权利要求之一所述的照明设备（10），

其中所述第三光学元件（3）构成为层，所述层在所述第一光学元件的光出射侧（1b）上直接地施加到所述第一光学元件（1）的外面上。

6.根据上述权利要求之一所述的照明设备（10），

其中所述光源（4）产生白色的或者多色的光（5，6）并且所述第三光学元件（3）具有至少两个透射带。

7.根据上述权利要求之一所述的照明设备（10），

其中所述第一光学元件（1）使所述光源（4）的穿过的光（5，6）在至多+/-15°的角度范围中准直。

8.根据上述权利要求之一所述的照明设备（10），

其中所述第三光学元件（3）将所述光源（4）的穿过的光（5，6）的光谱至少部分地变窄到具有至多20nm、尤其至多10nm的光谱带宽的尖峰。

9.根据上一项权利要求所述的照明设备（10），

其中所述光源（4）产生白色的或者多色的光（5，6）并且所述第三光学元件（3）具有至少两个透射带，其中所述尖峰的数量对应于所述透射带的数量。

10.根据上述权利要求之一所述的照明设备（10），

其中所述第二光学元件（2）定向地反射射中的光（5，6）。

11.根据上述权利要求之一所述的照明设备（10），

其中所述第二光学元件（2）部分地与所述第一光学元件（1）的外面直接接触。

12.一种显示设备，具有

-至少一个根据上述权利要求之一所述的照明设备（10），和

-成像元件（9），所述成像元件（9）由至少一个所述照明设备（10）的光（5，6）背光照明或者照明。

13.根据上一项权利要求所述的显示设备，具有

-至少一个光导体（7），其中

-至少一个所述照明设备（10）的光（5，6）至少大部分地射入到所述光导体（7）中并且至少一个所述照明设备（10）的从所述光导体（7）射出的光（5，6）对所述成像元件（9）背光照明。

14.一种显示设备，具有

-至少一个根据上述权利要求之一所述的照明设备（10），其中成像元件（9）通过至少一个所述照明设备（10）形成。

15.根据上述权利要求之一所述的显示设备，

其中所述照明设备中的至少两个照明设备产生相同颜色的光（5，6），其中所述照明设备的光的最大强度的波长彼此相差、尤其彼此相差至少10nm。