CN1199077C - 照明系统、光混合腔及显示装置 - Google Patents

Abstract

一种用于照亮显示装置(3)的背光系统包括发光板(1)，该板具有光发射窗(2)和至少一个将光耦合到发光板(1)中的边缘面(4)。该背光系统还包括配有光源(6)的光混合腔(5)。光混合腔(5)和边缘面(4)相连。根据本发明，光源(6)包括多个具有不同光发射波长的发光二极管(LED)簇，各簇被排列成相互间的间距为P。光混合腔(5)的高度H与簇间距P之比满足关系0.1≤H/P≤10，最好是0.2≤H/P≤2。每簇最好包括一个蓝色、一个绿色和一个红色LED或者一个蓝色、两个绿色和一个红色LED。最好是各LED的光通量至少为5流明。本发明的背光系统具有十分均匀的光分布，因此显示装置被均匀地照亮。

Description

照明系统、光混合腔及显示装置

技术领域

本发明涉及一种用于照亮显示装置的照明系统，它包括：

发光板，该发光板具有光发射窗和至少一个用于将光耦合到发光板中的光耦合边缘区；以及

光混合腔，其纵向平行于光耦合边缘区而延伸，所述光混合腔具有光源并且与光耦合边缘区相连。

本发明也涉及一种用于照明系统的光混合腔。

本发明还涉及一种包括所述照明系统的显示装置。

技术背景

这种照明系统本身是已知的，也称为边缘照明系统。它们的用途之一是作为(图像)显示装置、例如电视接收机和监视器的背光。这种照明系统特别适合用作无放射显示的背光，如(便携式)计算机或(无绳)电话中使用的液晶显示装置、也称为LCD板。

所述显示装置通常包括设有像素的规则图案的衬底，各像素均由至少一个电极驱动。为了在(图像)显示装置的(显示)屏的相关区域内重现图像或信息图形表示，显示装置采用了控制电路。在LCD装置中，源于背光的光线由开关或调制器调制，同时应用各种类型的液晶效应。另外，显示也可以基于电泳效应或机电效应。

在开始的段落中提及的照明系统中，通常采用管状低压汞蒸汽放电灯、如一个或多个小型荧光灯作为光源。在工作时，由光源发出的光被耦合到作为光波导的发光板中。光波导通常是由例如合成树脂或玻璃制成的较薄和较平的板，在(全)内反射的作用下通过光波导传送光。

这种照明系统也可以配备多个光电元件形式的另一种光源，这些光电元件也称为电光元件、如电致发光元件，例如发光二极管(LED)。这些光源通常设置在发光板的透光边缘区附近，或者与发光板的透光边缘区邻接，这样，在工作时光源发出的光入射到透光边缘区，并且在板中传播。

美国专利第5613751号中公布了一种包括发光板和一个或多个光源的照明系统，光源设置在与发光板耦合或结合在一起的所谓的光过渡区中，通过在发光板的光发射窗中设置适当变形的图案，产生从发光板耦合到外面而照亮显示装置的光分布。

上述类型的照明系统的缺点在于：发光板内、尤其是光源附近的光的分布不够均匀。结果，显示装置的照明均匀度不够。

发明内容

本发明的目的之一是完全地或部分地克服上述缺点。更具体地说，本发明旨在提供一种在开篇中提到的那种类型的照明系统，其中照明系统的光分布的均匀性以及由此带来的照亮显示装置的均匀性都得到提高。

根据本发明，能实现此目的是因为：

所述光源包括多个具有不同光发射波长的发光二极管簇，把所述各簇排列成相互间的间距为P，而且

光混合腔的高度H和发光二极管簇的间距P之比满足以下关系：

                    0.1≤H/P≤10，

光混合腔的高度H是垂直于光耦合边缘区测量的。

由于发光二极管聚集成簇，因此发光二极管(LED)发出的光的混合性得到提高。这种簇的一个例子是一个蓝色LED、一个绿色LED和一个红色LED的组合体。这种簇的另一个实施例包括一个蓝色LED、一个红色LED与两个绿色LED的组合。除上述颜色的组合外，簇中还可包括琥珀色LED。

应用按照本发明的量度的光混合腔的优点在于，不同颜色的LED发出的光可以很好地混合。处于上述限值范围内的光混合腔高度与LED簇间距的几何比率可以使LED发出的光、即通过光耦合边缘区耦合至发光板中的光在从光发射窗向外耦合时、已经在光混合腔中被充分地混合，从而均匀地照亮(图像)显示装置。

根据本发明的光混合腔的结构简单，制造成本低，其原因之一是不需要在光混合腔中设置另外的光学结构来混合从不同颜色的LED发出的光。这些光学结构所包括的光学元件可以设有、也可不设有复杂的曲面，而这些曲面可以设有、也可不设有反射膜。这种光学元件用于将LED发往发光板的光耦合边缘区方向上的光漫射到沿光混合腔的纵向的方向上，从而提高光的混合性。

光混合腔高度与簇间距之比的下限(H/P＝0.1)是由下述事实决定的：需要相邻簇中不同颜色的LED发出的光束至少在光耦合边缘区处相互接触。上述比值的上限(H/P＝10)是由下述事实决定的：缺少在此上限时，光混合腔(的高度)大得不切实际，因此，(图像)显示装置的边缘宽得无法实现。

通过根据本发明的量度，照明系统发出的光的分布的均匀性得到提高，结果，(图像)显示装置得到更均匀的照明。

光混合腔的高度(H)和发光二极管簇的间距(P)的比值最好满足以下关系：

                      0.2≤H/P≤2，

光混合腔高度与簇间距的比值的下限(H/P＝0.2)是由下述事实决定的：相邻簇中不同颜色的LED发出的光束最好在光耦合边缘区处呈现至少50％的重叠。结果，照明系统发出的光的分布的均匀性得到进一步提高。所述光混合腔高度与簇间距的比值的上限(H/P＝2)是由下述事实决定的：缺少此上限时，光混合腔(的高度)会变得比(图像)显示装置中通常采用的高度大。

簇中各LED相互之间的定位影响光从发光板发出的方式。根据本发明的照明系统的优选实施例的特征在于，光混合腔的高度H和发光二极管簇的间距P之比满足以下关系：

$\frac{1}{2\tan {\mathrm{\β}}_{\max }}\≤\frac{H}{P}\≤\frac{2}{\tan {\mathrm{\β}}_{\max }},$

其中β是在平行于光混合腔纵向的平面内、相对于发光二极管的纵向轴测量的发光二极管的发光角度，而

β_max是β的最大值，在该值下，对于|β|≤β_max范围内的β值，发光二极管在工作时发出其90％的能量。

角β表示在工作时LED在光混合腔的纵向上发出的光的孔径角。在LED采用的范围-β_max≤β≤β_max内，LED在工作时发出其90％的光。作为角β取向的所述选择的结果，给出的上述关系是关于相邻簇中LED发出的各种颜色的光的混合程度的量度。举例来说，如果某簇包括一连串的一个蓝色LED、一个绿色LED和一个红色LED，且相邻簇也包括同样排列的LED，那么最好是，所述簇中一定颜色的LED发出的光所具有的光分布在到达光耦合边缘区时，使得所述LED发出的光束的至少一部分和相邻簇中同样颜色的LED光束发出的光重合。

上述公式中的下限2tan(β_max)＝P/H是由下述事实决定的：相邻簇中相同颜色的LED发出的光束至少在发光板的光耦合边缘区的位置处相互接触。如果所述光束相互不接触，那么在光耦合边缘区中就存在这么一个区域，其中所述相邻簇中所述颜色的LED发出的所述颜色并不产生直射光。上述公式中的上限tan(β_max)＝2P/H是由下述事实决定的：如果从某簇中某种颜色的LED发出的光束具有这样的宽度，使得在光耦合边缘区的位置处光束仍以簇间距二倍(2×P)的距离发出光，此上限就足够大。换句话说，当某簇中特定颜色的LED发出的光是这样的，使得所述LED的光束在光耦合边缘区的位置处与从相邻簇中相同颜色的LED的垂直线接触，在这种LED的光分布下，达到该上限。按照上述量度，照明系统发出的光的分布的均匀性得到进一步提高。

根据本发明的照明系统的一个替代的优选实施例的特征在于，光混合腔的高度H与宽度D之比满足以下关系：

$\frac{1}{2\tan {\mathrm{\α}}_{\max }}\≤\frac{H}{D}\≤\frac{3}{\tan {\mathrm{\α}}_{\max }},$

其中D是垂直于光混合腔纵向测量的光混合腔的宽度，

α是在垂直于光混合腔纵向的平面上、相对于发光二极管的纵向轴测量的发光二极管的发光角度，以及

α_max是角α的最大值，对于|α|≤α_max的范围内的α值，发光二极管在工作时发出其90％的能量。

角α表示在工作时、LED在垂直于光混合腔纵向的方向上发出的光的孔径角。在采用的范围-α_max≤α≤α_max内，LED在工作时发出其90％的光。由于如上述地选择角α的取向，给出的上述H/D关系是关于从LED以一定角度α发出的光束在到达光耦合边缘区之前和光混合腔的壁碰撞(及反射)的次数的量度。

上述公式中的下限2tan(α_max)＝D/H是由下述事实决定的：LED发出的光束在光耦合边缘区的位置上完全覆盖了光耦合边缘区的宽度。如果α_max小于上述下限，那么光耦合边缘区未被完全地照亮。如果α_max的值等于上述下限，那么在由角α形成的平面内(即在垂直于光混合腔的纵向延伸的LED的位置处的平面)，在光混合腔的壁上不会发生光的反射。如果α_max大于上述下限，那么在光混合腔的壁上就会发生光的反射。虽然在实验中已发现，理论上这些反射不会有助于光在所述平面上的混合，但是所述反射有助于在由角α形成的平面内混合光。在每一次反射时都会损失一(小)部分光。因此，上述公式中的上限tan(α_max)＝3D/H是由以下事实决定的：如果LED发出的光束的一部分在到达光耦合边缘区之前、在光混合腔的壁上最多反射三(3)次，则此上限就足够大。通过上述量度，照明系统发出的光的分布的均匀性得到进一步提高。

采用具有高度H和宽度D的光混合腔，其高度和宽度满足上述H/P和H/D两种关系并且决定LED的定位和光分布(α_max和β_max)，就可以实现协同效应。

LED最好具有较宽的光分布，尤其是在光混合腔的纵向上。较宽的光分布提高了光在光混合腔(纵向)上的混合。如果角β_max的值在60°≤β_max≤80°的范围内，则更为有利。β_max的值越大，LED发出的在光混合腔纵向上的光就越多。

如果发光二极管设置在光混合腔的远离光耦合边缘区、而且平行于光耦合边缘区延伸的壁上，那么当角α_max的值在20°≤α_max≤50°的范围内时尤为有利。如果发光二极管设置在光混合腔的垂直于光耦合边缘区的壁上，那么当角α_max的值在60°≤α_max≤80°的范围内时更为有利。

为了进一步提高光混合腔发出的光的混合性，可以在光混合腔和光耦合边缘区之间设置用于进一步混合不同颜色的多个LED发出的光的装置。为此，照明系统的一个优选实施例的特征在于，在光混合腔和光耦合边缘区之间设有漫射体。另一个优点是这种漫射体使不同颜色LED的不同光束分布能进一步地均匀化。

本照明系统的一个优选实施例的特征在于，所述板包括两个位于板的相对两侧上的光耦合边缘区。在本照明系统的另一个替代实施例中，光耦合边缘区位于发光板的与光发射窗相对的那侧(所谓的直接背光)。

具有不同光发射波长的发光二极管最好聚集成簇，这些簇包括：

一个蓝色LED、一个绿色LED和一个红色LED；

一个蓝色LED、两个绿色LED和一个红色LED；

一个蓝色LED、一个绿色LED、一个琥珀色LED和一个红色LED；以及

一个蓝色LED、两个绿色LED、一个琥珀色LED和一个红色LED。

每个LED最好有至少5lm(流明)的光通量。具有这么高输出的LED也称为LED功率封装(power package)。采用这种高效率、高输出的LED具有特别的优点，即具有所需的较高光输出的LED的数目可以较小。这对制造紧凑高效的照明系统尤其有利。

采用LED的其它优点有：包括LED的照明系统的使用寿命相对较长，能耗和维护费用均较低。另外，采用LED还有可获得动态照明可能性的优点。

在另一最佳实施例中，照明系统包括用来改变发光二极管的光通量的控制电子装置。合适的控制电子装置使得能够达到所需的发光效果，耦合出的光的均匀性也得到提高。另外，适当的LED的组合可以得到白光，通过控制电子装置还能得到所需的色温。

LED最好按串联连接的LED串来驱动，这样每一串LED包括光发射波长基本相同的LED。例如，根据本发明，光混合腔中设置的所有蓝色LED连接成一串。逐串地驱动LED的优点在于，在每串LED的基本相等的光通量下产生合适的驱动电压。

通过下文中介绍的实施例可以清楚并阐明本发明的这些及其它方面。

附图说明

在图中：

图1A是包括根据本发明的照明系统的一个实施例的照明系统和显示装置的组件的剖视图；

图1B是包括根据本发明的照明系统的另一替代实施例的照明系统和显示装置的组件的剖视图；

图2A是多个LED簇的平面图，每簇包括排成线性阵列的一个蓝色LED、一个绿色LED和一个红色LED；

图2B是另一类的多个LED簇的平面图，每簇包括排成线性阵列的一个蓝色LED、两个绿色LED和一个红色LED；

图2C是又一类的多个LED簇的平面图，每簇包括排成二条线性阵列的一个蓝色LED、两个绿色LED和一个红色LED；

图3是图1A所示照明系统的详细透视图；

图4A是H/P比值与角α_max的关系图；

图4B是H/D比值和角β_max的关系图；

图5A示出在光混合腔的壁上的镜面反射和漫反射；

图5B示出在光混合腔的壁上的镜面反射和漫反射；

图6A示出三种基本颜色蓝、绿和红及白光的亮度，此亮度是在无光混合腔的照明系统的光发射窗处测量的，测量时离光耦合边缘区的距离为2mm和10mm；

图6B示出三种基本颜色蓝、绿和红及白光的亮度，此亮度是在配有根据本发明的高度为15mm的光混合腔的照明系统的光发射窗处测量的，测量时离光耦合边缘区的距离为2mm和10mm。

所有附图只是示意性的，并没有按比例绘制。为清楚起见，有些尺寸被夸大。在附图中所有相同的标号代表相同的部件。

具体实施方式

图1A是照明系统和显示装置的组件的示意性剖视图，它包括根据本发明的照明系统的一个实施例。照明系统包括透光材料的发光板1。例如，板1可由合成树脂、丙烯酸酯、聚碳酸酯、如Perspex的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或玻璃制成。在工作时，光在全内反射的作用下通过板1传播。发光板1具有光发射窗2以及与所述光发射窗相对的后壁2’。在光发射窗2和后壁之间有光耦合边缘区4，用于将光耦合到发光板1中。照明系统还包括具有纵向15(见图3)的光混合腔5，而且照明系统设置了具有纵轴21的光源6。光混合腔5具有高度H和宽度D。高度H是垂直于光耦合边缘区4测量的，宽度D是垂直于光混合腔5的纵向15测量的。

对于具有较小图像直径的(图像)显示装置来说，一个光混合腔就足够了。对于具有较大图像直径的(图像)显示装置来说，通常在发光板的两相对侧加上两个光混合腔。光混合腔最好设置成平行于发光板的长边。

光混合腔5和光耦合边缘区4相连，这在权利要求书和本发明的描述中意思是，光混合腔5与光耦合边缘区4以这样的方式耦合，使得光混合腔5中产生的光经由光耦合边缘区4最优地耦合到发光板1中。在光混合腔5中设有光源6。在工作时，光源6发出的光入射在透光边缘区4中，并在板1中漫射。光源6发出的光可以直接地或经由光混合腔5的壁上的(多重)反射到达光耦合边缘区。图1A示意性地示出在光混合腔中的两束可能的光束。在图1A所示实例中，在光混合腔5和光耦合边缘区4之间设置了漫射体7，用于提高从光混合腔5发出的光的混合性。漫射体7最好不在光混合腔5和发光板1之间形成另外的界面。另外，在图1A中，光混合腔5的侧壁设有镜面反射和/或漫反射涂层14，14’(同样见于图4A和4B)。这些涂层14，14’有助于光源6发出的光的混合。

光混合腔5易于制造，并且包括例如由适当折叠的金属板制成的壳体。

在图1A中，光混合腔5的垂直于光耦合边缘区4延伸的壁上设有传感器10，用于测量在工作时由光源6发出的光的光学特性。此传感器10与控制电子装置(图1A中未示出)耦合，用来适当地调节光源6的光通量，以达到所需的亮度和/或由发光板耦合出的光的色点。通过传感器10和控制电子装置可以形成反馈机构，通过此反馈机构可以装置影响从发光板1耦合出的光的质量和数量。

在图1A所示的实例中，发光板1的后壁2’设有用于将光耦合出发光板1的装置18、18’。这些装置18、18’包括变形(的图案)和例如丝网印刷的字点、楔形和/或脊。这些装置是例如通过在板1的后壁2’上蚀刻、划割或喷砂来设置的。在替代实施例中，这些变形设置在板1的光发射窗2上。装置18、18’充当了二级光源，并且通过反射、散射和/或折射将光耦合到发光板1之外。

在图1A中，标号3示意性地代表LCD板。发光板1、光源6和LCD板3的组合形成一个用于显示例如(视频)图像的显示装置。

图1B示出一种照明系统和显示装置的组件的剖视图，它包括根据本发明的照明系统的另一替代实施例。在此实施例中，光源6’位于光混合腔5的侧壁中。在此实施例中，传感器10’设置在光混合腔5的朝向光耦合边缘区4的顶壁上。图1B和图1A中的其它部件采用相同的标号。

根据本发明的方法，光源6、6’包括多个具有不同光发射波长的发光二极管簇(见图2A、2B及2C)，每簇相互之间的间距为P，光混合腔5的高度H和发光二极管簇的间距P之比满足以下关系：

                   0.1≤H/P≤10，

光混合腔5的宽度D的实际有利的尺寸在3≤D≤15mm的范围内(宽度是在垂直于光混合腔5的纵向15的方向上测量的，图3中也可见到)。实验表明，如果宽度D在3≤D≤5mm的范围内就十分合适。根据本发明，这就使得光混合腔5的尺寸、就宽度而言、比现有的光混合腔小。这在根据本发明的显示装置和照明系统的组件的制造中具有明显的优点。

照明系统的上述实施例包括设有发光二极管的光混合腔，其中光混合腔的宽度D在3≤D≤15mm的范围内，最好在3≤D≤5mm的范围内，这也可视为本发明本身。

光混合腔5的高度H的一个实际有利的尺寸在10≤H≤20mm的范围内。LED相互之间排列的间距P最好在2≤P≤8mm的范围内。如果P＝3×p(见图2A)，则LED簇的间距P在6≤P≤24mm的范围内。如果P＝4×p(见图2B)，那么LED簇的间距P在8≤P≤32mm的范围内。一个特别有利的光混合腔5的高度H约为15mm，LED的间距p约为6mm。这样，光混合腔5的高度和簇间距的比值H/P约为0.83(如果P＝3×p)，或者约为0.63(如果P＝4×p)。这两个比值均满足以下关系：

                  0.2≤H/P≤2

图2A到2C示意性地示出大量的LED6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...的各个实施例。为清楚起见，LED簇的间距由带有下划线的大写字母P来表示。

在图2A中示出多个LED6B、6G、6R、...的簇的平面图，每一簇包括一个蓝色LED6B、一个绿色LED6G和一个红色LED6R，LED6B、6G、6R、...排成一条线性阵列。LED具有常规的机械和电连接件28、28’、29、29’。LED6B、6G、6R、...相互隔开一定距离，其间距为p。三个LED6B、6G、6R、...组成的簇相互隔开一定距离，其间距为P。在图2A所示实例中，LED6B，6G，6R，...这样排列，使得P＝3×p。

图2B中示出大量的LED16B、16G、16R、16G’、...的替代实施例的平面图，每簇包括一个蓝色LED16B、两个绿色LED16G、16G’和一个红色LED16R。LED16B、16G、16R、16G’...排成一条线性阵列。在LED16B、16G、16R的每一簇中增加了一个另外的绿色LED16G’，因为在工作时，绿色LED通常不能发出与蓝色及红色LED成比例的足够的光来达到所需的颜色设定(色温和/或白点)。LED16B、16G、16R、16G’...相互隔开一定距离，其间距为p。四个LED16B、16G、16R、16G’...组成的簇相互隔开一定距离，其间距为P。在图2B所示实例中，LED16B、16G、16R、16G’...这样排列，使得P＝4×p。

在图2C中还示出大量的LED26B、26G、26R、26G’、...的另一替代实施例的平面图，每一簇包括一个蓝色LED26B、两个绿色LED26G、26G’和一个红色LED26R。LED26B、26G、26R、26G’...排成两条线性阵列。在此例中，在LED26B、26G、26R的每个簇中也增加了一个另外的绿色LED26G’。在一个阵列的方向上，蓝色和绿色的LED26B、26G相互隔开一定距离，其间距为p；在另一个阵列的方向上，绿色和红色的LED26G’、26R相互隔开一定距离，其间距为p。四个LED26B、26G、26R、26G’...组成的簇相互隔开一定距离，其间距为P。在图2C所示实例中，LED26B、26G、26R、26G’...这样排列，使得P＝2×p。两个LED阵列之间的距离最好选择得尽可能小。在另一个替代实施例中还采用了琥珀色LED。

光源6，6’包括多个发光二极管6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...，但也可以采用不同的光源，例如放电灯。LED的源亮度是荧光管的许多倍。另外，采用LED时将光耦合到板中的效率比采用荧光管的效率高。采用LED作为光源的优点在于，LED可以接触用合成树脂制造的板。LED几乎不在发光板1的方向上放出热量，也不会产生有害的(UV)辐射。采用LED的另外的优点是可以省去用于将LED发出的光耦合到板内的装置。采用LED能得到更紧凑的照明系统。

所采用的LED6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...最好是光通量为至少51m的LED。具有如此高的输出的LED也称为LED功率封装。这种功率LED的例子有“Barracuda”型LED(Lumileds)。每一红色LED的光通量为15lm，每一绿色LED的光通量为13lm，每一蓝色LED的光通量为5lm，每一琥珀色LED的光通量为20lm。在一个替代实施例中，采用了“Prometheus”型LED(Lumileds)，每一红色LED的光通量为35lm，每一绿色LED的光通量为201m，每一蓝色LED的光通量为8lm，每一琥珀色LED的光通量为40lm。

LED最好安装在(具有金属芯的)印制电路板(PCB)上。如果功率LED安装在这种(具有金属芯的)印制电路板上，LED产生的热量可以经由PCB通过热传导容易地散去。在照明系统的一个有利实施例中，(具有金属芯的)印制电路板通过导热连接与显示装置的壳体相接触。

图3示出图1A所示照明系统的具体情况的示意性透视图。图3示出具有高度H和宽度D的光混合腔5。为了定向，在光混合腔5中示出沿光混合腔5的纵向延伸并且平行于光耦合边缘区4的纵轴15。至于光源，选择图2A所示的设置，即多个包括一个蓝色LED6B、一个绿色LED6G和一个红色LED6R的簇。LED6B、6G、6R、...排列成平行于光混合腔5的纵向15，并且位于光混合腔5的(顶)壁上，其相互间的距离由间距p表示。三个LED6B、6G、6R、...组成的簇排列成相互的间距为P。在图3所示实例中，LED6B、6G、6R、...这样排列，使得P＝3×p。为清楚起见，图3中用于表示LED簇的间距的大写字母P加了下划线。

从多个LED6B、6G、6R、...发出的光在光混合腔5中发生混合。来自光混合腔5的光通过透光边缘区4耦合到发光板1中。

图3示出LED之一(6B)的纵轴21，还示出相当于LED6B的发光角度的角α。角α是在垂直于光混合腔5的纵向15而延伸的平面内测量的(见图3中标号31所示的加阴影线的三角形)。角α是相对于发光二极管6B的纵轴21测量的，即，在沿纵轴21的方向上α＝0°(或180°)。

根据照明系统的一个最佳实施例，光混合腔5的高度H和宽度D之比满足以下关系：

$\frac{1}{2\tan {\mathrm{\α}}_{\max }}\≤\frac{H}{D}\≤\frac{3}{\tan {\mathrm{\α}}_{\max }},$

α_max值代表这样的角α值，对于在-α_max≤α≤α_max的范围内的角α值，LED6B、6G、6R、...在工作时发出其90％的能量。

作为角α取向的上述选择的结果，给出的H/D比值是关于LED6B以给定角度α发出的光束在到达光耦合边缘区4之前和光混合腔5的壁发生碰撞(和反射)的次数的量度(见图1A中所示光束的实例)。

上述公式中的下限2×tan(α_max)＝D/H是由下面的事实决定的：在光耦合边缘区的位置处，LED发出的光束的宽度正好等于光耦合边缘区的宽度。上述公式中的上限tan(α_max)＝3D/H是由下面的事实决定的：如果LED发出的光束的一部分在到达所述光耦合边缘区之前在光混合腔的壁上最多反射3次，此上限就足够大。

图4A以图表表示角α_max与H/D的关系。当α_max的值＜20°时，照明系统的尺寸大得不切实际。角α_max的值越大，可选择越小的H/D值。当α_max＞80°时，由LED发出的光的多重反射所引起的损耗变得非常大。

根据光混合腔5中LED6、6’相对于光耦合边缘区4的位置，可以指出角α_max值的优选范围。如果各LED6设置在光混合腔5中朝向光耦合边缘区4并平行于光耦合边缘区4延伸的壁上(见图1A所示位置)，那么角α_max的值最好在20°≤α_max≤50°的范围内(如图4A中的阴影区A)。在这种情况下，如果LED发出的光束在由角α形成的平面(如图3)内较窄就比较有利，这样入射在光耦合边缘区上的光在光混合腔5的壁上反射很少或没有反射。在所述范围内，对于α_max＝20°H/D的值在1.37≤H/D≤8.25的范围内，对于α_max＝50°，H/D的值在0.42≤H/D≤2.5的范围内。

在另一个位置，LED6’设置在光混合腔5的垂直于光耦合边缘区4的壁上(见图1B所示位置)，则角α_max的值最好在60°≤α_max≤80°的范围内(见图4A中的阴影区B)。在这种情况下，相对较宽的光束会较快地到达光耦合边缘区4。在所述范围内，对于α_max＝60°，H/D的值在0.29≤H/D≤1.73的范围内，对于α_max＝80°，H/D的值在0.088≤H/D≤0.53的范围内。

在图3中还示出相当于LED6B的发光角度的角β。在平行于光混合腔5的纵向15延伸的平面内测量角β(见图3中标号32所示的加阴影线的三角形)。角β相对于发光二极管的相关纵轴测量，即在沿纵轴的方向上α＝0(或180°)。

根据照明系统的另一个优选实施例，光混合腔5的高度H和发光二极管6B、6G、6R、...的簇的间距P之比满足以下关系：

$\frac{1}{2\tan {\mathrm{\β}}_{\max }}\≤\frac{H}{P}\≤\frac{2}{\tan {\mathrm{\β}}_{\max }},$

β_max值代表这样的角β值，对于在-β_max≤β≤β_max的范围内的β值，LED6B、6G、6R、...在工作时发出其90％的能量。

作为角β方向的上述选择的结果，给出的H/P值是关于相邻簇中各LED发出的各种颜色的光的混合程度的量度。

图4B以图表表示角β_max和H/D比值的关系。为清楚起见，图4B中代表LED簇间距的大写字母P加了下划线。当β_max＜30°时，照明系统的尺寸大得无法实现。角β_max的值越大，可以选择H/P的值越小。当β_max＞85°时，由LED发出的光的多重反射所引起的损耗变得非常大。

角β_max的一个特别有利的值在60°≤β_max≤80°的范围内。此优选范围如图4B中的阴影区所示。在此区域内，当β_max＝60°时H/P的比值在0.29≤H/P≤1.15的范围内，当α_max＝80°时H/P的值在0.09≤H/P≤0.35的范围内。

图5A示意性地示出光混合腔的壁50上的镜面反射和漫反射。如果壁如镜面一样亮，入射光束42以已知的方式反射成光束43(入射角等于出射角)。为了使壁50象镜面一样亮，所述壁应涂有镜亮涂层24，例如来自Alanod的MIRO-II。如果壁设有部分漫反射涂层24，例如Alanod的MIRO-V，得出反射后的光束分布就如分布44所示。

图5B示意性地示出光混合腔的壁50’上的镜面反射和漫反射。为进行比较，图中示出镜面亮度位置(光束42’被反射成光束43’)以及壁漫反射白色光的位置(由分布44’示意性地表示)。在后一种情况中，壁最好设有漫射体，包括例如卤代磷酸钙、卤代磷酸锶和/或焦磷酸钙。最好象漆一样涂上这些漫射体，其中加了粘合剂、例如氟共聚物如THV以及溶剂(如Mibk)。采用这种漫射体和所述粘合剂结合的优点是不需要焙烧，而且在所有可见范围和大部分UV范围内反射具有至少基本相等大小的值。这就意味着这些漫射体能十分适合用在频繁反射光的涂层中，这是因为采用这些漫射体可以有效地抵消优先吸附及其可能引起的色差。另外，还可以在这种漆的混合物中加入另外的添加剂，改善例如其流动或混合特性。

图6A示出三种基本颜色蓝、绿、红及白光的亮度L，其单位为任意单位(a.u.)，亮度L是在没有光混合腔的照明系统的光发射窗处测量的，离光耦合边缘区的距离为2mm和10mm。为了进行测量，将蓝、绿、红LED的多个簇排成线性阵列，以便与发光板的光耦合边缘区直接地接触。在此实例中，发光板的长度l＝13cm，此值是平行于光耦合边缘区测得的。图中符号(a)表示在与光耦合边缘区相距2mm处测得的亮度，符号(b)表示在与光耦合边缘区相距10mm处测得的亮度。首先，只使蓝色LED通电，测量亮度L和长度l的关系，结果如曲线a-bl和b-bl所示。接着只使绿色LED通电，测量亮度L，结果如曲线a-gr和b-gr所示。然后只使红色LED通电，测量亮度L，结果如曲线a-rd和b-rd所示。这些曲线的峰点和谷点清楚地示出LED的位置。最后，同时使蓝色、绿色和红色LED通电，测量亮度L，结果如曲线a-wh和b-wh所示。在图6A中，在长度l上的曲线中可看到的微小波动是由较小尺寸的光发射窗引起的。

图6B示出三种基本颜色蓝、绿、红和白光的亮度L，其单位为任意单位(a.u.)，亮度L是在具有本发明的光混合腔的照明系统的光发射窗处测量的，离光耦合边缘区的距离为2mm和10mm，光混合腔的高度为15mm。为了进行测量，将多个蓝、绿、红的LED6B，6G，6R，...设置在光混合腔5中如图1A所示的位置(图3中也示出)。在此实例中，发光板1的长度l＝13cm，此值是平行于光混合腔5的纵向15测得的。首先，只使蓝色LED6B通电、...，测量亮度L和长度l的关系，结果如曲线a-bl和b-bl所示。接着只使绿色LED6G通电，...，测量亮度L，结果如曲线a-gr和b-gr所示。然后只使红色LED6R通电，...，测量亮度L，结果如曲线a-rd和b-rd所示。最后，同时触发蓝色、绿色和红色LED6B，6G，6R，...，测量亮度L，结果如曲线a-wh和b-wh所示。图6B中所示曲线的亮度是在靠近光耦合边缘区处测得的，和图6A相比，图6B中所示曲线清楚地表明采用如本发明所描述的光混合腔，显然有助于通过发光板的光发射窗发出的光的混合。这样就得到了一种照明系统，其中在发光板的整个光发射窗的每个位置上光的分布都足够均匀，在光源附近也是如此。采用本发明的照明系统可以使显示装置被足够均匀地照亮。在图6B中，在长度l上曲线中可看到的微小波动是由较小尺寸的光发射窗引起的。

很明显对于本领域的技术人员来说，可以在本发明的范围内进行许多改动。例如，LED发出的光的分布可取决于光的发射角度。通过适当地选择LED的光分布，可以减小向前方发出的光的量(在LED纵轴方向上)，有利于和LED纵轴成一定角度发出的光。因此，可以理解，LED的光分布具有两瓣，其取向相对于纵轴成预定角度。如果这些瓣平行于光混合腔的纵向延伸，则格外有利。

本发明的保护范围不限于以上给出的实例。本发明由每一新颖特征及其结合来体现。权利要求书的标号并不限制其保护范围。动词“包括”及其变形的使用不排除除所述权利要求书中所述元件之外的其它元件的出现。每一元件前的冠词“一”并不排除多个这种元件的出现。

Claims (15)

1.一种用于照亮显示装置(3)的照明系统，它包括：

发光板(1)，该板具有光发射窗(2)和至少一个用于将光耦合到所述发光板(1)中的光耦合边缘区(4)；以及

光混合腔(5)，其纵向(15)平行于所述光耦合边缘区(4)而延伸，该光混合腔配备有光源(6，6’)，并且所述光混合腔(5)和所述光耦合边缘区(4)相连，其特征在于，

所述光源(6，6’)包括具有不同光发射波长的多个发光二极管簇(6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...)，所述各簇排列成相互之间的间距为(P)；以及

所述光混合腔(5)的高度(H)与所述发光二极管簇(6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...)的所述间距(P)之比满足以下关系：

0.1≤H/P≤10，

所述光混合腔(5)的所述高度(H)是在垂直于所述光耦合边缘区(4)的方向上测量的。

2.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述光混合腔(5)的所述高度(H)与所述发光二极管簇(6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...)的所述间距(P)之比满足以下关系：

0.2≤H/P≤2。

3.如权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，所述光混合腔(5)的所述高度(H)与所述发光二极管簇(6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...)的所述间距(P)之比满足以下关系：

$\frac{1}{2\tan {\mathrm{\β}}_{\max }}\≤\frac{H}{P}\≤\frac{2}{\tan {\mathrm{\β}}_{\max }}$

其中β是所述发光二极管(6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...)在平行于所述光混合腔(5)的所述纵向(15)的平面内的光发射角，并且β是相对于所述发光二极管(6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...)的纵轴(21)测量的，以及

其中β_max是β的最大值，对于在|β|≤β_max的范围内的β值，所述发光二极管(6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...)在工作时发出其90％的能量。

4.如权利要求3所述的照明系统，其特征在于，所述角β_max的值在60°≤β_max≤80°的范围内。

5.如权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，所述光混合腔(5)的所述高度(H)与宽度(D)之比满足以下关系：

$\frac{1}{2\tan {\mathrm{\α}}_{\max }}\≤\frac{H}{D}\≤\frac{3}{\tan {\mathrm{\α}}_{\max }}$

其中D是在垂直于所述光混合腔(5)的所述纵向(15)的方向上测量的所述光混合腔(5)的宽度，

其中α是所述发光二极管(6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...)在垂直于所述光混合腔(5)的所述纵向(15)的平面内的光发射角，α是相对于所述发光二极管(6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...)的纵轴(21，21’)测量的，以及

其中α_max是α的最大值，对于在|α|≤α_max范围内的α值，所述发光二极管(6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...)在工作时发出其90％的能量。

6.如权利要求5所述的照明系统，其特征在于，

如果所述发光二极管(6)设置在所述光混合腔(5)的远离所述光耦合边缘区(4)且平行于所述光耦合边缘区(4)而延伸的壁上，则所述角α_max的值在20°≤α_max≤50°的范围内；或者

如果所述发光二极管(6’)设置在所述光混合腔(5)的垂直于所述光耦合边缘区(4)的壁上，则所述角α_max的值在60°≤α_max≤80°的范围内。

7.如权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，在垂直于所述光混合腔(5)的所述纵向(15)上测量的所述光混合腔(5)的所述宽度(D)在3≤D≤15mm的范围内。

8.如权利要求7所述的照明系统，其特征在于，所述宽度(D)在3≤D≤5mm的范围内。

9.如权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，所述具有不同光发射波长的各个发光二极管簇(6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...)是从包括以下组合的组中选择的：

一个蓝色(6B)、一个绿色(6G)以及一个红色(6R)的发光二极管；

一个蓝色(16B；26B)，两个绿色(16G、16G’；26G、26G’)以及一个红色(16R；26R)的发光二极管；

一个蓝色、一个绿色、一个琥珀色以及一个红色的发光二极管；以及

一个蓝色、两个绿色、一个琥珀色以及一个红色的发光二极管。

10.如权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，在所述光混合腔(5)与所述光耦合边缘区(4)之间设有漫射体(7)。

11.如权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，所述板包括两个光耦合边缘区(4)，它们设置在所述发光板(1)的相对两侧上。

12.如权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，每个所述发光二极管(6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...)具有至少5流明的光通量。

13.如权利要求1或2所述的照明系统，其特征在于，所述照明系统包括用于改变所述发光二极管(6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...)的所述光通量的控制电子装置。

14.一种光混合腔，用于照亮显示装置(3)的照明系统，所述照明系统包括发光板(1)，该板具有光发射窗(2)和至少一个用于将光耦合到所述发光板(1)中的光耦合边缘区(4)；所述光混合腔(5)的纵向(15)平行于所述光耦合边缘区(4)而延伸，该光混合腔配备有光源(6，6’)，并且所述光混合腔(5)和所述光耦合边缘区(4)相连，其特征在于，

所述光源(6，6’)包括具有不同光发射波长的多个发光二极管簇(6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...)，所述各簇排列成相互之间的间距为(P)；以及

所述光混合腔(5)的高度(H)与所述发光二极管簇(6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...)的所述间距(P)之比满足以下关系：

0.1≤H/P≤10，

所述光混合腔(5)的所述高度(H)是在垂直于所述光耦合边缘区(4)的方向上测量的。

15.一种显示装置，包括用于照亮该显示装置(3)的照明系统，所述照明系统包括发光板(1)，该板具有：

光发射窗(2)和至少一个用于将光耦合到所述发光板(1)中的光耦合边缘区(4)；以及

光混合腔(5)，其纵向(15)平行于所述光耦合边缘区(4)而延伸，该光混合腔配备有光源(6，6’)，并且所述光混合腔(5)和所述光耦合边缘区(4)相连，其特征在于，

所述光源(6，6’)包括具有不同光发射波长的多个发光二极管簇(6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...)，所述各簇排列成相互之间的间距为(P)；以及

所述光混合腔(5)的高度(H)与所述发光二极管簇(6B、6G、6R、...；16B、16G、16R、16G’、...；26B、26G、26R、26G’、...)的所述间距(P)之比满足以下关系：

0.1≤H/P≤10，

所述光混合腔(5)的所述高度(H)是在垂直于所述光耦合边缘区(4)的方向上测量的。

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