光输出设备 【技术领域】
本发明涉及光输出设备，特别是使用与透明衬底结构关联的离散光源的光输出设备。
背景技术
这种类型的光照(lighting)设备的一个已知的实例是所谓的“玻璃内LED”设备。图1中示出了一个实例。典型地，使用玻璃板，其具有形成电极的透明导电涂层(例如ITO)。该导电涂层被图案化以便制成电极，所述电极连接到半导体LED设备。整个组件通过对玻璃分层来完成，其中LED位于热塑层(例如聚乙烯醇缩丁醛，PVB)内。
这种类型的设备的应用为搁板、橱窗、门面(facade)、办公隔断、墙面覆盖层以及装饰照明。所述光照设备可以用于照明其他目标、显示图像或者只是用于装饰目的。
这种类型的设备的一个问题是难于提供允许改变照明特性(例如光源输出的聚焦或定向控制)的结构。
【发明内容】
依照本发明，提供了一种光输出设备，该光输出设备包括：
-集成到衬底装置的结构中的至少一个离散光源设备；
-包括与所述至少一个光源设备关联的一个或多个可控区域的电泳可切换光控制设备，该电泳可切换光控制设备与衬底装置相堆叠。
在这种布置中，电泳设备可以用来改变光源的光输出，例如提供聚焦和/或重定向。这允许保持光源的结构简单。光源阵列基本上可以用作电泳控制设备的背光源。所述设备可以包括多个光源设备(例如光源设备阵列)。
光源设备可以包括LED设备或者LED设备组，例如无机LED、有机LED、聚合物LED或者激光二极管。
光源设备优选地设置在阵列中，光源设备之间的间隔至少0.5cm，更优选地至少1cm，进一步更优选地至少2cm。该光源阵列因此是简单的低成本设备。
所述多个光源设备的衬底装置可以包括第一和第二透明衬底以及嵌入到该衬底装置内的电极装置，所述多个光源设备连接到该电极装置。这提供了一种光源阵列设备，其在不提供光输出(例如用作窗口、玻璃天花板或者其他透明装饰光照产品)时可以是几乎完全透明的。可以在衬底之间提供热塑层或树脂层。所述电极装置可以由透明导电材料(例如透明金属氧化物)形成。
衬底装置的顶部玻璃板可以形成电泳光控制设备的底部衬底，从而提供集成的结构。
所述电泳可切换光控制设备可以包括散射电泳粒子。
于是，散射的量和方向性可以通过改变光源设备上方的粒子浓度来操控。
在其他的布置中，所述电泳可切换光控制设备可以包括被设置成衍射光或者改变介质的折射性质的粒子。
例如，所述电泳可切换光控制设备可以包括具有第一折射率的位于不同折射率的液体中的粒子。当粒子处于来自光输出设备的光的路径上时，有效折射率被改变，并且这因而可以实现透镜或者光重定向功能。
特别地，介质中相对较低浓度的悬浮粒子与相对较高浓度的悬浮粒子相比会导致更高或更低的折射率。
所述电泳可切换光控制设备可以包括包封(enclose)在主体内形成的腔体中的粒子和悬浮液体。主体、液体和粒子的折射率都可以被选择以便获得希望的光学效应，并且在将粒子移入和移出来自光源设备的光的路径时改变光学效应。
所述电泳可切换光控制设备可以包括可基本上垂直于控制电极地(横向切换)和/或在控制电极之间基本上侧向地(laterally)(平面内切换)可控地移动的粒子。
本发明也提供了一种提供光输出的方法，该方法包括：
-从集成到衬底装置的结构中的至少一个离散光源设备产生光输出；
-使用与衬底装置相堆叠的电泳可切换光控制设备，通过控制与所述至少一个光源设备关联的电泳可切换光控制设备的一个或多个区域来控制光输出。
应当指出的是，本发明涉及权利要求书中陈述的特征的所有可能的组合。
【附图说明】
现在将参照附图详细地描述本发明的实例，在附图中：
图1示出了已知的玻璃内LED照明设备；
图2更详细地示出了图1设备的单个LED；
图3示出了平面内电泳控制设备可以如何工作；
图4示出了可以用在本发明的设备中的电泳控制设备的第一实例；
图5示出了可以用在本发明的设备中的电泳控制设备的第二实例；
图6示出了可以用在本发明地设备中的电泳控制设备的第三实例；
图7示出了可以用在本发明的设备中的电泳控制设备的第四实例；以及
图8示出了本发明的光输出设备的实例。
在不同的附图中，相同的附图标记用来表示相似的部件。
【具体实施方式】
图2中示出了玻璃内LED照明设备的结构。该光照设备包括玻璃板1和2。在这些玻璃板之间的是(半)透明电极3a和3b(例如使用ITO而形成)以及连接到透明电极3a和3b的LED 4。热塑材料层5设置在玻璃板1和2之间(例如PVB或者UV树脂)。
这些玻璃板典型地可以具有0.1mm-5mm的厚度。连接到LED的电极之间的间隔典型地为0.01-3mm，例如大约为0.15mm。热塑层具有0.3mm-2mm的典型厚度，并且电极的电阻处于范围2-80欧姆或者10-30欧姆/平方(Ohm/square)内。
所述电极优选地为基本上透明的，从而它们在设备的正常使用中对于观察者是不可察觉的。如果该导体装置不引入光透射的变化(例如因为它未被图案化，或者因为图案不可见)，那么大于或等于50％的透明度对于系统透明就可能足够了。更优选地，透明度大于70％，更优选地90％，进一步更优选地99％。如果该导体装置被图案化(例如因为使用了细导线)，那么透明度优选地大于80％，更优选地90％，但是最优选地大于99％。
所述电极可以由诸如ITO之类的透明材料制成，或者它们可以由诸如铜之类的不透明材料制成，但是足够细，使得它们在正常使用中不可见。US5218351中公开了适当材料的实例。
本发明提供了一种光照设备，其将所述玻璃内LED结构与基于电泳粒子系统的可切换光学元件相结合。
电泳显示设备是显示技术的一个实例，其使用电场内带电电泳粒子的运动以提供选择性的光散射或者吸收功能。基于该技术的双稳态显示器是已知的。本发明使用该已知的显示技术作为用于控制照明(而不是显示)系统的光输出的控制设备。
在电泳显示设备的一个实例中，白色粒子悬浮在吸收液体中，并且电场可以用来使粒子到达设备的表面。在该位置，它们可以执行光散射功能，使得显示器看起来为白色。从顶面移开使得液体的颜色能够被看见，例如为黑色。在另一个实例中，可以存在悬浮于透明流体中的两种类型的粒子，例如黑色带负电粒子和白色带正电粒子。存在若干不同的可能的配置。
已经认识到，作为其双稳态性的结果，电泳显示设备允许实现低功耗(在不施加电压的情况下图像被保留)，并且它们可以允许形成薄而明亮的显示设备，因为无需背光源(对于反射式显示器而言)或者偏振器。它们也可以由塑料材料制成，并且在制造这样的显示器时也存在低成本卷带式(reel-to-reel)处理的可能性。
如果要保持成本尽可能低，那么采用被动寻址方案。最简单配置的显示设备是分段(segmented)显示器，并且存在若干其中这种类型的显示器就足够了的应用。分段电泳显示器具有低功耗、良好的亮度并且运行时也是双稳态的，因而即使当显示器关闭时也能够显示信息。
然而，使用矩阵寻址方案提供了改进的性能和多功能性。使用被动矩阵寻址的电泳显示器典型地包括下电极层、显示介质层和上电极层。偏置电压选择性地施加到上和/或下电极层中的电极以便控制与偏置的电极关联的显示介质的部分的状态。
另一种类型的电泳显示设备使用了所谓的“平面内切换”。这种类型的设备使用了粒子在显示材料层中的选择性侧向运动。当粒子朝侧向电极运动时，在粒子之间出现开口，通过该开口可以看见下面的表面。当粒子随机散布时，存在光的吸收和/或滤波。粒子可以被着色并且下面的表面为黑色或白色，否则，粒子可以为黑色或白色，并且下面的表面被着色。
平面内切换的优点在于，设备可以适于透射式操作或者透反式操作。特别地，粒子的运动建立光的通路，从而可以通过材料实现反射式和透射式操作。这允许实现使用背光源而不是反射式操作的照明。平面内电极可以全部设置在一个衬底上，否则，两个衬底可以设有电极。
主动矩阵寻址方案也可以用于电泳显示器，并且当具有高分辨率灰度级的明亮的全彩色显示器需要更快的图像更新时，这些通常是所需的。这样的设备正被开发用于标志和广告牌显示应用，并且作为电子窗和环境光照应用中的(像素化)光源。彩色可以通过使用滤色器或者通过减色原理来实现，并且因而显示器像素仅仅用作灰度级设备。
本发明基于将电泳设备用作用于控制来自光源阵列的光输出的控制阀。所述光源典型地间隔相当远(大于0.5cm)，并且不需要快速的图像更新。相反地，电泳控制设备预期允许引入光照效应。结果，分段寻址或者被动矩阵寻址将提供足够的更新速度和分辨率。
图3示出了电泳控制单元的平面内操作。带电粒子的折射率与悬浮介质的折射率不同。
图3中的左图示出了移出来自电泳单元下面的光束的路径的散射粒子。该光束当然可以包括LED设备之一的输出。这提供了亮斑。
图3中的右图示出了移入光束中的腔体内、导致漫射光输出的粒子。
存在可以使用的不同类别的粒子尺寸。如果粒子直径大于数个波长(例如1-50μm)，那么粒子散射光。如果粒子被带入光束内，那么得到如图3中所示的漫射光。散射的量可以通过改变粒子浓度来改变。而且，通过局部地改变粒子浓度，可以使得不同方向上的散射的量不同。
如果粒子小得足以限制散射的量(直径例如低于0.2μm或者更优选地低于0.1μm)，那么可以实现具有空间和时间可变的折射率的液体。应当清楚的是，“粒子”并不仅仅限于固态粒子。也可以使用液滴或者填充有气体或液体的囊状物，只要它们具有与周围流体的折射率不同的折射率。
小的非散射粒子的使用可以用于改变光的发散，如图4所示，或者改变平均方向，如图5所示。
在图4中，示出了导致光的集中的凸透镜。图4的左边部分示出光路中没有粒子，其导致发散的光束。图4的右边部分示出移入光束中的透镜状腔体内的粒子，其导致会聚的光束。
如果改为使用凹透镜，那么结果是更发散的光束。在图4所示的实例中，流体40的折射率与其中包含了液体的腔体42的材料的折射率基本上相同，而粒子具有更高的折射率。可替换地，可以使用具有比液体更低的折射率的粒子，在这种情况下，当引入粒子时，图4中所示的透镜几何结构也将变为发散透镜。
在另外的实例中，具有通过液体分布的粒子的流体的折射率可以被选择成与腔体42的材料的折射率基本上相同，而液体本身在去除粒子时可以具有更低或更高的折射率。
图5示出了可以如何通过使用电泳粒子来控制平均光方向。在图5的左边部分中，光路中没有粒子，因此不存在光方向的改变。图5的右边部分示出了移入光路中的棱镜状腔体50内的粒子，其导致光方向的改变。
图3-5示出了可以如何控制平面内切换电泳控制设备。这具有以下优点：可以提供光开口以允许所述玻璃内LED结构的光输出的不间断的通过。
图6示出了也可以使用垂直(横向)切换。图6的左边部分示出了所有粒子聚集在单元体积60内的下电极处，没有粒子位于凹面处。如果粒子小得足以不进行散射并且如果单元60内的流体的折射率与容器62的折射率匹配，那么这导致没有透镜行为。在图6的右边部分中，粒子移入光束中的透镜状腔体内，导致透镜行为。
平面内(侧向)粒子运动的使用可以与横向(竖直)粒子运动相结合。例如，图4的布置可以使用置于透镜的凸部分之上的第三电极。粒子可以被从侧向储库(reservoir)带到下面的中心电极。然后，更高的中心电极可以与储库电极一起使用。于是，提供对于粒子的2维或3维重新分布的控制变得可能，其中布朗运动增大响应速度。
电泳单元也可以用来实现分级折射率透镜，如图7所示。图7中阴影的水平表示高折射率粒子的浓度。电极图案70用代表场线的线示意性地示出，并且这引起导致透镜行为的粒子分布。
本发明提供了玻璃内LED装置与电泳控制装置的组合，这提供了上面解释的效应中的一个或多个。
图8示出了本发明设备的组合结构。
该设备的下部包括如图2所示的已知的玻璃内LED设备，并且使用了相同的附图标记。
玻璃内LED设备的顶部玻璃衬底1作为电泳控制设备的下衬底而被共享。图8的设备的其他层包括限定单元体积的设备82的主体和单元液体80。
上述附图中的每一幅示出了所提出的设备的二维截面。在三维下，可以实施附加的控制措施(本领域中已知)以便在第三方向上对光束定形，例如圆柱形透镜对(vs.)球形透镜。
上面已经示出了电泳控制设备的仅仅一个实例。电泳控制设备可以包括单一类型的粒子或者多种粒子。多种不同颜色的粒子的使用可以用来例如通过使用吸收光频率成分的粒子(所谓的减色系统)将白色LED输出转换成希望的颜色输出。除了仅仅吸收不同的频率成分之外，可以保持散射、折射或衍射功能，但是具有波长相关性质，使得某些频率成分被吸收并且其他频率成分被散射、折射或衍射。通过这种方式，可以以不同的方式操控不同颜色的光。
因此，所述电泳控制设备可以因而用于颜色控制、方向控制、光的均匀性控制(介于光斑输出与均匀输出之间)或者这些效应的组合。
所述设备也可以使用衍射光栅(在顶面或底面上)，以便再次操控光的方向和颜色。
所述电泳控制设备可以使用产生电场的电极装置，其中粒子在介电泳力、电流体动力或者电渗透力的影响下运动。
所述电泳控制设备可以利用ac或dc驱动信号来驱动。
上面的实例示出了小的光源阵列。然而，应当理解的是，本发明典型地被实现为嵌入到大玻璃板内的许多LED设备。LED之间的典型距离可以为1cm-10cm，例如大约3cm。
每个光源也可以包括单个LED或者多个LED。
上面的实例使用了玻璃衬底，但是应当清楚的是，也可以使用塑料衬底。
各种不同的修改对于本领域技术人员应当是清楚明白的。