CN101595571A - 具有二向色表面的发光系统 - Google Patents

Abstract

描述了一种具有较小光束扩展的高效发光系统(100)，能够用于，例如作为如液晶显示器(LCD)、投影显示器的显示设备的背光，和用于一般的发光目的。从发光器件管芯(101)发出的部分光落到如磷的荧光材料(105，106)上。二向色镜(107，109)防止通过荧光材料产生的光返回到发光器件。二向色镜也可以提供产生的光和发光器件发出光的剩余部分光的准直。通过这种方式能够获得高效系统，因为很少或没有光被吸收，产生的光也不通过荧光材料层，因此具有沿所期望方向射出的高几率。

Description

具有二向色表面的发光系统

技术领域

本发明涉及发光系统，其中发光器件被设置为具有荧光材料和二色性表面。

背景技术

近来，在增加如发光二极管(LED)的发光器件的亮度上取得了很大的进展。因此，可以预期在未来的几年，LED将变得足够的明亮和便宜以用作例如具有可调整颜色的灯，直观液晶显示器(LCD)和正投和背投显示器中的光源。

通常需要获得高的流明功效，如果使用能够发蓝光和将部分蓝光转换成黄光的LED管芯，则可以获得高的流明功效。这样的器件包括那些被磷层覆盖的LED管芯。然而，具有磷覆盖层的LED管芯的缺点是产生的很多光以错误的方向从磷层中射出而落到了蓝光管芯上并被其吸收。由于蓝光不得不穿过磷层，因此当黄光被磷发射的时候，蓝光和黄光具有不同的角分布，这可能导致在远场不期望的光束变色。

其他已知的解决方案包括将磷层设置为相对远离LED和覆盖相对大的区域。虽然光被射回LED的概率可能会很小，但在这样的方案中通常需要大的磷层。这种器件的另一缺点是通常具有大的光束扩展。实际上，对于如聚光灯，投影显示器，侧面发光LCD的应用，保持光束扩展尽可能地小是重要的。虽然通过增加例如所谓的亮度增强箔(BEF)，准直度可以被恢复，但是这种方案将在源的方向上反射一些光，因此它们不是非常有效。

在欧洲专利申请公开EP1566848中披露了一个现有技术器件的例子，在EP1566848中描述了一发光器件，其包括被两个磷层覆盖的LED和被设置在两个磷层之间用以减少进入LED的反向散射光量的二向色滤光片。

发明内容

由此本发明的一个目的在于改进发光系统的效率，其将通过如下面所述的不同方面来实现。

由此，在第一方面，提供一个发光系统，其包括：发光器件，能够发射具有第一峰值波长的第一光；荧光材料结构，能够吸收至少部分第一光和发出具有第二峰值波长的第二光；第一二向色镜结构，能够反射至少部分第一光和透射至少部分第二光，并被设置为与所述发光器件和荧光材料结构相关以促进至少部分第一光到达荧光材料结构；第二二向色镜结构，能够反射至少部分第二光和透射至少部分第一光，并被设置为与所述发光器件和荧光材料结构相关以防止至少部分第二光到达发光器件。

也就是说，通过提供这样一种反射和透射第一和第二光的二向色镜的设置，能够从这个系统中获得具有相对小的光束扩展的混合光。与现有技术中的系统相比，不需要用荧光材料覆盖发光器件，而是将荧光材料设置为与发光器件远离。因此由荧光材料产生的光不需要通过荧光材料，由此带来了很多优点。例如，改进了第一光转换为第二光的效率。由于不需要精确控制层厚度，制造这样的荧光材料非常简单，这也是一个优点。通过二向色镜的设置来防止第二光被发光器件吸收，使得效率进一步得到改善。此外，更多的光将以预定的方向发射，也就是能够获得一定程度的准直。

因为产生的光中很少光或没有光被吸收，且产生的光也不必经过荧光材料层，因此在发射到期望的方向上具有高的几率，通过这种方式使得高效率的系统得以实现。

这些效果和优点进一步在下面的实施方式中得以着重指出：其中，设置有第三镜结构，其能够反射至少部分第二光以在准直方向上至少部分地准直射出系统的光；以及在这样的实施例中，发光器件和所述荧光材料结构在空间上被分离，且所述第二二向色镜结构被设置在所述发光器件和所述荧光材料结构之间。

进一步地，所述第一二向色镜结构包括能够使至少部分所述第一光集中在所述荧光材料结构上的表面，通过这种方式增加了落在荧光材料上的光量。例如，这可能需要设置另外的反射二向色表面，该表面改变从发光器件发出光的方向以使其更多的直接朝向荧光材料，其可以通过使用直的镜表面或弯曲的镜表面来获得。这种镜设置方式的一个实施方式是设置一椭圆镜(或更通常地为曲面镜)并使得发光器件在椭圆二向色镜的第一焦点上以及荧光材料在第二焦点上。

第一镜结构和/或第二镜结构可被设置为与第三二向色镜结构相关以使至少部分第一光和/或至少部分第二光被分别准直。通过合适地设置所述镜，系统产生的光可以被准直到期望的程度，从而可以提供具有期望的较小光束扩展的发光系统。

进一步地，发光器件和荧光材料结构被设置在一公共平面上，所述公共平面与所述准直方向垂直。可替换的，发光器件和荧光材料结构被设置在准直方向上。这样的实施方式进一步体现了其优点，即通过荧光材料被设置为与发光器件分开，通过荧光材料产生的光不需要通过荧光材料。

根据应用和其它与制造成本等有关的考虑，这些镜结构可以包括平坦镜表面和弯曲镜表面的任意组合。例如，向上面描述的，通过提供椭圆镜结构，第一光可以被集中在荧光材料上的期望范围内。

实施方式包括：其中荧光材料结构具有磷光体材料、发光陶瓷材料、激光和上转换磷光体材料中的任一种。实施方式也包括：荧光材料结构具有下转换磷光体材料。进一步地，任何一个实施方式中的发光器件可包括半导体发光器件。

具有上述描述的发光系统的显示设备将至少能获得上述描述的与效率相关的优点。

由此，简要来说，本发明的实施方式提供了具有低光束扩展的高效发光系统。其可被用于，例如，诸如液晶显示器(LCD)、投影显示器的显示设备中的背光，也可以用于通常的光照目的。这些实施方式的基本思想是使发光器件管芯发出的一部分光落到荧光材料(如磷)上。二向色镜防止荧光材料产生的光返回到发光器件，此外，这些镜也可以提供所述产生的光和从发光器件发出的剩余光的准直。因为所述产生的光中很少光或没有光被吸收，且所述产生的光不需要必须经过荧光材料层，因此其具有高的几率射向所期望的方向，通过这种方式实现了高效率的系统。因为所述产生的光中很少光或没有光被吸收，且所产生的光不需要必须经过荧光材料层，因此其具有高的几率射向所期望的方向，通过这种方式实现了高效率的系统。

本发明的这些方面和其他方面将参考下面描述的实施方式来展示和说明。

附图说明

图1a和1b以图表形式分别显示了发光系统的一个实施方式的截面图和顶视图。

图2以图表形式显示了另一个实施方式的顶视图，其具有与图1所示实施方式相同的横截面侧视图。

图3以图表形式显示了发光系统的另一个实施方式的截面图。

图4和5以图表形式显示了发光系统进一步的实施方式的截面局部视图。

图6和7以图表形式显示了发光系统进一步的实施方式的截面图。

图8和9以图表形式分别显示了合并有单独某一发光系统的显示设备的实施方式的截面图和顶视图。

具体实施方式

在接下来的详细描述之前，应当指出图示的实施方式仅使用两种光的颜色来描述，例如由发光器件发射蓝光和由荧光材料发射黄光。然而，可以容易的扩展为包括能够发射其它颜色光的材料。例如从长波长光到短波长光的转换也是可行的，如通过使用红光发光器件。进一步地，虽然示出的实施方式都示出了单个半导体发光器件，如发光二极管，其它类型的光源也是可以的，包括那些将可能具有不同颜色的多个独立的发光器件与二向色镜结构设置在一起的光源。

虽然实施方式中示出的大多数表面是平坦状的，但所有的表面能够是平坦状或弯曲状(如CPC)。

荧光材料通常使用普通的磷光体。由此，为使描述简单，在下面的描述中常常以磷光体为参考。然而，使用“发光体”也是可能的，即发光陶瓷，或者实际上任何能够将一种颜色的光转换为另一种颜色的光的材料，例如激光、上转换磷光体等。

虽然在任何实施方式中都没有描述，但仅在发光器件的一侧设置荧光材料也是可以的。这样的构造将给出非对称的远场辐射图。

在实施方式的描述中，经常涉及空间上的表述，例如“顶”、“底”、“上”、“下”等。然而，这样的表述仅是为参考图示时描述上的简化。实际上，作为本领域技术人员可知，任何设置方位都可以。此外，大部分实施方式将参考各自的图进行描述，所述图为截面图，如二维视图。这不被解释为关于各个实施方式在第三维上扩展的任何限制。换句话说，当从上面观察时，实施方式可以是弯曲的或具有任意的多边形状。

现在参考图1a和1b来描述发光系统100的第一实施方式。图1a是AA截面的侧视图，图1b是顶视图。

能够发射蓝光120，121，122，128的发光二极管(LED)101被安装在衬底103上，在其每一边以“点”状形式设置有两个磷结构105，106。两个磷光体点105，106将来自LED101的蓝光120，121，122转换为黄光124，126.

在磷光体点105，106上设置第一二向色镜结构107，其能够反射来自LED101的蓝光120和透射来自磷光体点105，106的光124。

在蓝光LED101上设置第二二向色镜结构109，其能够反射来自磷光体点105，106的光126并透射来自LED101的光120，121，122，128，由此来自磷光体点105，106的光不能返LED以被吸收。

蓝光121，122可以通过第一镜结构107和衬底103之间的间隙123直接到达磷光体点105，106，也可以通过光通路120的多次反射到达，该反射也涉及了所示出的第三镜结构113。从LED和从磷光体点105，106发出光的混合光沿着系统100的轴150的总方向射出系统100.轴150方向上的发射通过第三镜结构113而被辅助，因此增加了发射的混合光的一定准直度。一个可选的扩散器111被设置在系统100的顶部上以进一步增强发射光的混合。

图2显示了发光系统200的另一实施方式的顶视图。系统200具有如图1a所示实施方式相同的AA截面侧视图。但是显示以环形对称结构替换了图1a所示系统的一般“线性”结构。相应于图1a中的LED101的LED201被安装在中央位置，第一和第二二向色镜结构207和209也分别相应于图1a中的第一和第二结构107和109被示出。相应于图1a中的磷光体结构105，106，环形的磷光体结构205也被示出。

现在参考图3-7来描述发光系统许多不同的实施方式。应该注意，当结合图1和图2描述包括几个光通路的图示例子时，为简化描述，仅有部分光通路被示于图3至7中。进一步地，类似于图1a，图3至7是截面的侧视图或局部侧视图。当从顶上观察时，可能具有类似于对照图1b和图2描述的例子的线性结构和环形结构。

因此，现在参考图3来描述发光系统300的第二实施方式。

发光二极管301(LED)，能够发射蓝光321，322，其被安装在一衬底303上，在它的每一边以“点”的形状设置有两个磷光体结构305，306。这两个磷光体点305，306将来自LED 301的蓝光321，322转换为黄光324，326。

在磷光体点305，306的上面设置第一二向色镜结构307，其能够反射来自LED301的蓝光(图3中未示出)和透射来自磷光体点305，306的黄光324。

在蓝光LED 301的上面设置第二二向色镜结构309，其能够反射来自磷光体点305，306的光326和透射来自LED301的光321，322，这样使得来自磷光体点305，306的光不能返回LED 301以被吸收。

蓝光321，322可以通过第一镜结构307和衬底303之间的间隙123直接到达磷光体点105，106，也可以经由上面描述的反射到达。从LED和磷光体点305，306发射的光的混合光沿着系统300的轴350的总方向射出系统300。在轴350方向上的发射通过第三镜结构313的辅助，一定程度上增加了所发射混合光的准直度。一个可选的扩散器311被设置在系统300的顶部上以进一步增强发射光的混合。

图3中的实施方式与根据图1和图2所描述的实施方式相比，落在磷光体点305，306上的光量增加了。此处的第一镜结构307被配置为光集中部件330，331，其将来自发光二极管301的光321，322的方向改变为更直接地朝向磷光体点305，306。在图3中，光集中部件330，331是椭圆表面的形式(虽然更普通的曲面形状也可以实现)。发光二极管301和各个磷光体点305，306的相关设置可以是，例如发光第二极管301位于椭圆形状的第一焦点和各个磷光体点305，306位于第二焦点。

图4示出了类似于图3的实施方式。仅有完整发光系统的一部分被示出。此处，第一镜结构407的光集中部件430的截面是直的。第二镜结构409和第三镜结构413也被示出。光集中部件430将来自发光二极管401的光方向改变为更直接地朝向磷光体点405，其采用类似于上面根据图3所描述的方式。

现在来看图5，描述的还是类似于图4所描述的实施方式。第一、第二和第三镜结构507，509，513被设置为与发光二极管501和磷光体点505相关。如图5中所示出的，从发光二极管501到达磷光体点505的光量也可以通过设置具有倾斜表面505’的磷光体点505增加，该倾斜表面或多或少地朝向发光二极管505。

发光系统进一步的实施方式示于图6和7中，图6和7是发光系统600，700的截面图，该发光系统可以是，例如，沿着轴650，750从顶上看为环形。此处，发光二极管601，701被设置在衬底617，717上类似上面描述过的位置。然而，单独的磷光体点605，705被设置在沿着具有发光二极管601，701的轴650，750的直线中。

类似于上面描述的例子，第一607，707和第二609，709二向色镜结构被设置为与发光二极管601，701和磷光体点605，705相关，并透射和反射来自LED601，701的光，这样使得来自磷光体点605，705的光不能返LED601，701以被吸收。

现在参看图8和9，将描述显示系统的实施方式，显示系统800，900可以形成，例如计算机或需要显示系统的任意类型通信设备的一个大系统的一部分。

显示系统800的第一实施方式被以截面图的形式示于图8中，LCD显示屏802被设置为与作为LCD屏802的背光系统的多个发光系统801a-h相关，发光系统801a-h中的任一个可以是上面参考图1-7描述的任一类型的实施方式。电子控制电路804被设置为既控制LCD屏(也就是屏的显示内容)，也控制背光系统801。

显示系统900的第二实施方式被以前视图的方式示于图9。LCD显示屏902被设置为与作为LCD屏902的侧面发光系统的多个发光系统901a-h相关。发光系统901a-h中的任一个可以是上面参考图1-7描述的任一类型的实施方式以及发光系统仅具有第一和第二镜结构。电子控制电路904被设置为既控制LCD屏(也就是屏的显示内容)，也控制侧光系统901。

Claims (14)

1、一种发光系统(100，200，300，600，700)，包括：

发光器件(101，201，301，601，701)，能够发射具有第一峰值波长的第一光(120，121，122，321，421，521)；

荧光材料结构(105，106，205，305，306，405，505)，能够吸收至少部分第一光并发出具有第二峰值波长的第二光(124，126，324，326)；

第一二向色镜结构(107，207，307，407，507，607，707)，能够反射至少部分第一光和透射至少部分第二光，并被设置为与所述发光器件和荧光材料结构相关以促进至少部分第一光到达荧光材料结构；

第二二向色镜结构(109，209，309，409，509，609，709)，能够反射至少部分第二光和透射至少部分第一光，并被设置为与所述发光器件和荧光材料结构相关以防止至少部分第二光到达荧光材料结构。

2、根据权利要求1所述的发光系统，进一步包括第三镜结构(113，213，313，413，513，613，713)，能够反射至少部分第二光并被设置为在准直方向上至少部分地准直射出系统的光。

3、根据权利要求1或2所述的发光系统，其中：

所述发光器件和所述荧光材料结构在空间上被分离开，且所述第二二向色镜结构被设置在所述发光器件和所述荧光材料结构之间。

4、根据权利要求1-3中任一项所述的发光系统，其中：

所述第一二向色镜结构包括能够将至少部分第一光集中在所述荧光材料结构上的表面(330，331，430)。

5、根据权利要求2-4中任一项所述的发光系统，其中：

第一镜结构被设置为与第三二向色镜结构相关以使其能够准直至少部分第一光。

6、根据权利要求2-5中任一项所述的发光系统，其中：

第二镜结构被设置为与第三二向色镜结构相关以使其能够准直至少部分第二光。

7、根据权利要求3-6中任一项所述的发光系统，其中：

所述发光器件和所述荧光材料结构被设置在公共平面上，所述公共平面与所述准直方向垂直。

8、根据权利要求3-6中任一项所述的发光系统，其中：

所述发光器件和所述荧光材料结构被设置在准直方向上。

9、根据权利要求1-8中任一项所述的发光系统，其中：

所述镜结构中的任一个包括平坦的镜表面。

10、根据权利要求1-9中任一项所述的发光系统，其中：

所述镜结构中的任一个包括弯曲的镜表面。

11、根据权利要求1-10中任一项所述的发光系统，其中：

所述荧光材料结构包括磷光体材料、发光陶瓷材料，激光和上转换磷光体材料中的任一种。

12、根据权利要求1-11中任一项所述的发光系统，其中：

所述荧光材料结构包括下转换磷光体材料。

13、根据权利要求1-12中任一项所述的发光系统，其中：

所述发光器件包括半导体发光器件。

14、一种包括根据权利要求1-13中任一项所述的发光系统的显示设备(800，900)。

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