УСТРОЙСТВО ПОДСВЕТКИ ДЛЯ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ПАНЕЛИ
BACKLIGHTING DEVICE FOR LIQUID CRYSTAL PANEL

Настоящее изобретение относится к устройствам подсветки, а именно к системам подсветки на основе светодиодов (СИД) для жидкокристаллических панелей (ЖК-панелей).
Такие системы подсветки используют для равномерного и эффективного подсвечивания жидкокристаллической панели светом от светодиода. Важной характеристикой современных систем подсветки ЖК-панелей является толщина, которую желательно минимизировать.
Существует два подхода к конструированию устройств подсветки: прямая подсветка и подсветка сбоку. В случае подсветки сбоку источники света расположены по бокам светопроводящей панели. Конструкция устройства с подсветкой сбоку наиболее перспективна, поскольку обеспечивает уменьшение толщины устройства подсветки.
Светодиоды, помещаемые по бокам светопроводящей панели, имеют определенную ширину (обычно 1-5 мм). В обычном устройстве подсветки толщина светопроводящей панели больше или равна ширине светодиода для обеспечения эффективного ввода света в светопроводящую панель.
Из уровня техники известны различные подходы к решению проблемы подсветки. В частности, в патенте RU 2306587 [1] и заявках US 20090021668 [2], US 20090091949 [3] описаны ЖК-панели с устройствами подсветки, выполненными на основе светопроводящей панели. Указанные решения характеризуются простым способом ввода света в светопроводящую панель: источник света расположен перед плоской боковой поверхностью светопроводящей панели. Поперечный размер источника света равен или меньше соответствующего поперечного размера боковой поверхности светопроводящей панели. В указанных решениях применяются различные средства для вывода света, расположенные на верхней или на нижней поверхности светопроводящей панели. Вышеупомянутые решения наиболее просты и эффективны (т.е. ввод света в светопроводящую панель происходит без дополнительных потерь) в случае, когда источник света имеет маленький поперечный размер. Данные конструкции имеют два главных недостатка: большая толщина светопроводящей панели, которая равна или больше, чем поперечный размер источника света, и неоднородность освещения вблизи поверхности ввода света, которая приводит к тому, что в конструкции светопроводящей панели необходимо предусматривать специальную зону для смешения света.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является техническое решение, описанное в заявке US 2009059127 [4]. В этом решении, выбранном в качестве прототипа, раскрыто устройство подсветки ЖК-панели на основе светопроводящей панели (см. Фиг.1). В предложенном решении толщина светопроводящей панели меньше, чем поперечный размер поверхности для ввода света, благодаря дополнительной наклонной части. Раскрытое в [4] изобретение решает задачу уменьшения толщины светопроводящей панели. Однако в известном изобретении возможность существенного уменьшения толщины светопроводящей панели ограничена, поскольку увеличение угла наклона дополнительной части приводит к потерям света во время ввода света в светопроводящую панель. Нарушение условия полного внутреннего отражения для части пучка, входящего в светопроводящую панель, приводит к потерям света и дополнительной неоднородности по бокам светопроводящей панели.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение значительного уменьшения толщины светопроводящей панели по сравнению с шириной светодиода без значительных потерь света.
Технический результат достигается за счет разработки усовершенствованной конструкции устройства подсветки для жидкокристаллического дисплея, включающего в себя:
- по меньшей мере, один источник света;
- светопроводяшую панель, выполненную из прозрачного оптического материала, имеющую нижнюю, верхнюю и боковые поверхности;
- расположенное между источником света и светопроводящей панелью средство для ввода света, выполненное из прозрачного оптического материала, содержащее:
- входную поверхность, собирающую свет от источника света, разделенную, по меньшей мере, на две зоны (n≥2);
- выходные поверхности, число которых равно числу зон (n), на которые разделена указанная входная поверхность; причем указанные выходные поверхности соединены с боковой поверхностью светопроводящей панели;
- состоящие из двух частей волноводы, которые соединяют зоны указанной входной поверхности с выходными поверхностями, причем число волноводов равно числу зон (n), на которые разделена входная поверхность;
- при этом первые части волноводов имеют боковые поверхности, и, по меньшей мере, одна боковая поверхность первой части одного волновода находится в оптическом контакте с боковой поверхностью первой части соседнего волновода;
min
min
- при этом вторые части волноводов строго отделены друг от друга и изогнуты так, чтобы минимальное значение поперечного размера выходных поверхностей (d) волноводов было равно величине поперечного размера входной поверхности (D) средства для ввода света, разделенной на количество зон (n) указанной входной поверхности: d=D/n;
- средство для вывода света, расположенное на верхней или нижней поверхности светопроводящей панели, выполненное с возможностью вывода смешенного света из светопроводящей панели;
светоотражающую пластину, расположенную под светопроводящей панелью;
оптические пленки, размещенные над светопроводящей панелью.
Для функционирования заявляемого устройства подсветки для жидкокристаллического дисплея имеет смысл, чтобы вторые части волноводов были плавно изогнуты или изогнуты под углом.
Для функционирования устройства подсветки для жидкокристаллического дисплея имеет смысл, чтобы минимальный угол между вторыми частями волноводов составлял больше чем 0,5 градусов.
Согласно одному из вариантов изобретения для функционирования устройства подсветки для жидкокристаллического дисплея имеет смысл, чтобы выходные поверхности соседних волноводов имели, по меньшей мере, одну общую грань.
Согласно другому варианту изобретения для функционирования устройства подсветки для жидкокристаллического дисплея имеет смысл, чтобы выходные поверхности соседних волноводов были разнесены относительно друг друга.
Для функционирования устройства подсветки для жидкокристаллического дисплея имеет смысл, чтобы число средств для ввода света было равно числу источников света.
Для функционирования устройства подсветки для жидкокристаллического дисплея имеет смысл, чтобы, по меньшей мере, один поперечный размер выходных поверхностей волноводов был равен или меньше толщины светопроводящей панели.
Для функционирования устройства подсветки для жидкокристаллического дисплея имеет смысл, чтобы средство для ввода света включало, по меньшей мере, два волновода, первые части которых склеены друг с другом.
Для функционирования устройства подсветки для жидкокристаллического дисплея имеет смысл, чтобы поперечный размер входной поверхности (D) средства для ввода света был равен или больше поперечного размера источника света.
Для функционирования устройства подсветки для жидкокристаллического дисплея имеет смысл, чтобы средство для вывода света было выполнено на основе нарушения условия полного внутреннего отражения.
Для функционирования устройства подсветки для жидкокристаллического дисплея имеет смысл, чтобы светоотражающая пластина была расположена под светопроводящей панелью.
Для функционирования устройства подсветки для жидкокристаллического дисплея имеет смысл, чтобы светоотражающая пластина была расположена под светопроводящей панелью и дополнительно окружала средства для ввода света с источниками света.
Для функционирования устройства подсветки для жидкокристаллического дисплея имеет смысл, чтобы площадь поперечного сечения волноводов была постоянна по всей длине волноводов.
Основными преимуществами предложенного изобретения являются:
- Возможность значительного уменьшения толщины светопроводящей панели по сравнению с поперечным размером источника света без потерь света.
- Дополнительная зона в светопроводящей панели для смешения света может быть уменьшена или полностью исключена.
Новизна предложенного изобретения заключается в особенной геометрической форме средства для ввода света, обеспечивающей уменьшение поперечного размера светового пучка от источника света за счет использования нескольких волноводов.
Геометрическая форма средства для ввода света обеспечивает уменьшение толщины светопроводящей панели и снижение до минимума потерь света в средстве для ввода света.
Геометрическая форма средства для ввода света обеспечивает распределение световых пучков в продольном направлении (вдоль боковой поверхности светопроводящей панели). Таким образом, дополнительная зона в светопроводящей панели для смешения света может быть минимизирована или полностью устранена.
Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.
Фиг.1. Прототип
Фиг.2. Устройство подсветки
Фиг.3. Средство для ввода света
Фиг.4. Средство для ввода света (вид сбоку)
Фиг.5. Средство для ввода света (вид сверху)
Фиг.6. Средство для ввода света (траектория пучков света)
Элементы:
1 - источник света
2 - светопроводящая панель
3 - верхняя поверхность светопроводящей панели
4 - нижняя поверхность светопроводящей панели
5 - боковая поверхность светопроводящей панели
6 - средство для ввода света
7 - входная поверхность средства для ввода света
8 - зоны средства для ввода света
9 - выходные поверхности волноводов
10 - волноводы средства для ввода света
11 - первая часть волновода
12 - вторая часть волновода
13 - общая грань выходных поверхностей волноводов
14 - средство для вывода света
15 - светоотражающая пластина
16 - оптические пленки
Заявляемое устройство подсветки для жидкокристаллического дисплея (Фиг.2) состоит, по меньшей мере, из одного источника 1 света и светопроводящей панели 2, включающей верхнюю поверхность 3, нижнюю поверхность 4 и боковые поверхности 5. Между каждым источником 1 света и светопроводящей панелью 2 помещено средство 6 для ввода света.
Число средств 6 для ввода света равно числу источников 1 света.
Каждое средство 6 для ввода света (Фиг.3) включает в себя входную поверхность 7, собирающую свет от источника 1 света. Указанная входная поверхность 7 разделена, по меньшей мере, на две зоны 8. Каждая зона 8 соединена с выходной поверхностью 9 посредством волновода 10. Выходные поверхности 9 волновода 10 соединены с боковой поверхностью 5 светопроводящей панели 2.
Площадь поперечного сечения волновода 10 постоянна по всей его длине.
Волноводы 10 состоят из двух частей 11 и 12. Главное назначение первой части 11 является техническим, а именно соединить волноводы друг с другом для создания единого (монолитного) средства для ввода света. Длина первой части 11 мала по сравнению с длиной второй части 12. Первые части 11 волноводов 10 помещены вплотную друг к другу таким образом, что, по меньшей мере, одна поверхность первой части 11 одного волновода 10 находится в оптическом контакте с поверхностью первой части 11 другого волновода 10 (например, части 11 могут быть склеены). Вторые части 12 волноводов 10 предназначены для того, чтобы изменять поперечный размер пучка света, распространяющегося от источника 1 света и первых частей 11 волноводов 10 к светопроводящей панели 2. Было обнаружено, что крайне важным является полностью разделить вторые части 12 волноводов 10, поскольку это позволяет избежать потерь света внутри средства 6 для ввода света. Такое разделение волноводов необходимо для сохранения оптической эффективности средства 6 для ввода света.
min
min
Вторые части 12 волноводов 10 изогнуты так, чтобы минимальное значение поперечного размера d выходных поверхностей 9 (Фиг.3) волноводов 10 было равно величине поперечного размера D входных поверхностей 7 (Фиг.3) средства 6 для ввода света, разделенной на количество n зон 8 указанной входной поверхности 7: d=D/n.
На устройстве, приведенном на Фиг.2-6, количество данных зон 8 равно двум (n=2).
Таким образом, поперечные размеры выходных поверхностей 9 волноводов 10 средства 6 для ввода света равны или меньше по величине, чем толщина светопроводящей панели 2.
Минимальный угол α между вторыми частями волновода составляет больше чем 0,5° (Фиг.4).
Согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения выходные поверхности 9 волноводов 10 имеют, по меньшей мере, одну общую грань 13 (см. Фиг.3).
Согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения выходные поверхности 9 волноводов 10 могут быть разнесены относительно друг друга.
Заявленное устройство подсветки (Фиг.2) включает в себя, по меньшей мере, одно средство 14 для вывода света, размещенное на верхней поверхности 3 или нижней поверхности 4 светопроводящей панели 2, светоотражающее средство 15 и обычно используемые в устройстве подсветки оптические пленки 16 (пленки-поляризаторы, рассеивающие пленки, микропризменные пленки).
Микропризменная пленка BEF (Brightness Enhancement film) предназначена для дополнительного замешивания света и формирования необходимой суженной угловой апертуры на входе в ЖК панель. Пленка-поляризатор DBEF (Dual Brightness Enhancement film) предназначена для создания линейно поляризованного излучения на входе в ЖК панель. Рассеивающая пленка предназначена для дополнительного замешивания света.
Ниже описывается принцип работы устройства.
Свет, поступающий от источника 1 света, собирается входной поверхностью 7 средства 6 для ввода света. На входной поверхности 7 световой пучок разделяется на несколько пучков, количество которых равно числу зон n указанной входной поверхности 7 (в примере, показанном на Фиг.2, n=2). Затем, световые пучки распространяются внутри волноводов 10 по направлению к выходным поверхностям 9 к светопроводящей пластине 2 через боковые поверхности 5.
Главным назначением средства 6 для ввода света является уменьшение толщины светопроводящей панели 2 по сравнению с поперечным размером источника 1 света. Поперечный размер выходных поверхностей 9 приблизительно равен толщине светопроводящей панели 2.
Согласно одному из вариантов изобретения площадь поперечного сечения волноводов 10 постоянна по всей длине волновода. В этом случае значение поперечного размера выходных поверхностей 9 волноводов 10 может быть равно величине поперечного размера входных поверхностей 7 средства 6 для ввода света, разделенной на количество n зон 8. Таким образом, обеспечивается значительное (в n раз) уменьшение толщины светопроводящей панели 2.
Согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения выходные поверхности 9 соседних волноводов 10 имеют, по меньшей мере, одну общую грань 13.
Согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения выходные поверхности 9 волноводов 10 могут быть разнесены относительно друг друга.
Светопроводящая панель 2 выполнена с возможностью смешения света от различных источников света. Средство 14 для вывода света извлекает свет из светопроводящей панели 2. Затем свет проходит к оптическим пленкам 16, обычно используемым в устройствах подсветки (пленки-поляризаторы, рассеивающие пленки, микропризменные пленки). Эти пленки обеспечивают сужение угловой апертуры света, улучшение равномерности яркости и поляризованный свет на входе в ЖК-панель. Светоотражающая пластина 15 расположена под светопроводящей панелью 2 и окружает средство 6 для ввода света и источник 1 света для повышения эффективности всей системы.
Средство 14 для вывода света выполнено на основе нарушения условия полного внутреннего отражения.
Некоторое количество различных известных устройств для вывода света описано в [1]: призматические структуры, белые диффузно рассеивающие элементы, структуры, состоящие из фоконов (световых концентратов, например, это может быть массив усеченных конусов, выполненных из стекла).
Настоящее изобретение может эффективно работать со светодиодами в качестве источников 1 света.
Использование диодов приводит к интенсивному нагреванию оптической системы. Чтобы уменьшить такое нагревание, необходимо использовать оптические материалы с очень низкой абсорбционной способностью (пластики с высоким коэффициентом пропускания, оптические стекла, кварцевое стекло).
Пример.
2
2
Согласно одному из вариантов выполнения изобретения средство для ввода света имеет следующие параметры: входная поверхность с размером 4,4×1.0 мм разделена на две зоны (n) с размером 4,4×0.5 мм; два волновода, в которых длина первой части равна 2 мм, длина второй части равна 42,5 мм; угол α между вторыми частями волноводов равен 0,64°. Средство для ввода света выполнено из поликарбоната. Эффективность такой конструкции средства для ввода света составляет более 98% без учета Френелевских потерь на отражение. Толщина светопроводящей панели составляет 0,5 мм при поперечном размере светодиода, равном 1 мм.
Заявленное устройство подсветки может быть использовано в ЖК-телевизорах, ЖК-проекторах, других устройствах с подсветкой.