СПОСОБ ПОДСВЕТКИ ДИСПЛЕЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВТОРИЧНОЙ ОПТИКИ И СВЕТОРАССЕИВАЮЩЕЙ ПОДЛОЖКИ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДСВЕТКИ ДИСПЛЕЯ
DISPLAY LIGHTING METHOD USING SECONDARY OPTICS AND LIGHT-DIFFUSING SUBSTRATE, DISPLAY LIGHTING DEVICE

Изобретение относится к способам и устройствам для управления интенсивностью и направлением света, исходящего от независимого источника, в том числе к конструктивным взаимосвязям оптических устройств, в частности для систем подсветки цветных жидкокристаллических дисплеев.
Одной из основных задач при проектировании осветительных систем для дисплеев с задней подсветкой является обеспечение равномерного освещения экрана при малой толщине оптической системы.
Из уровня техники известно изобретение «Устройство освещения, устройство отображения и телевизионный приемник» (патент РФ №2473836 C1, МПК F21V 19/00, опубл. 27.01.2013) японской компании Шарп, в котором для решения задачи получения однородной освещенности в дисплее используется устройство, включающее в себя каркас, отражательный лист, множество трубок с холодным катодом, несколько слоев оптических элементов (например, светорассеивателей) и фиксаторы ламп.
Система подсветки на основе ламп с холодным катодом позволяет достичь высокой равномерности освещения, однако имеет ряд недостатков, к которым можно отнести невысокую энегоэффективность ламп, неширокий цветовой охват, небольшой контраст, меньший срок службы по сравнению с осветительными системами на светодиодах, которые в настоящее время считаются более перспективными.
Но при использовании светодиодов возникает проблема получения равномерного освещения в плоскости дисплея, т.к. светодиоды имеют высокую светимость, что приводит к формированию высокой неоднородности освещенности дисплея с характерными яркими пятнами. Для решения данной проблемы используют вторичную оптику, которая позволяет управлять световой диаграммой источника.
Известно изобретение «Линза для формирования излучения светодиода» (патент РФ №2303800 C1, МПК G02B 27/09, опубл. 27.07.2007) южнокорейской компании Самсунг, относящееся к разработке вторичной оптики для светодиода, где авторами предложено использование осесимметричной линзы с двумя поверхностями, которая позволяет снизить эффект ярких пятен.
Недостатком данного решения является использование линзы с двумя поверхностями, которая требует больших технологических затрат и необходимости последующего позиционирования при креплении на светодиод, по сравнению с линзами с одной рабочей поверхностью.
В работе (Wang, K. New reversing design method for LED uniform illumination / Kai Wang, Dan Wu, Zong Qin, Fei Chen, Xiaobing Luo, and Sheng Liu // Opt. Exp. - 2011. - Vol.19. - P.A830-A840) изложен способ получения равномерной освещенности с помощью массива светодиодов, на каждом из которых установлена осесимметричная линза. Авторы анализируют распределение освещенности от массива элементов и находят кривую силы света. Используя кривую силы света, находится форма линзы, которая обеспечивает равномерную подсветку.
Недостатком способа является ограничение расстояния между светодиодами, так как линза работает на эффекте преломления и не может отклонять лучи на большие углы. Поэтому данный способ по сравнению с предлагаемым техническим решением не может обеспечить сокращения количества светодиодов на единицу освещаемой площади.
Наиболее близким аналогом к заявляемому решению является способ и устройство, используемые в изобретении «Компактная оптическая система и линзы для формирования равномерного коллимированного света» (патент РФ №2475672 C2, МПК F21S 8/10, F21V 5/04, опубл. 20.10.2012), голландской компании Филипс. Для получения равномерного освещения лучи от светодиода предварительно проходят через цилиндрическую линзу, которая коллимирует и направляет их на отражатель из специально подобранных поверхностей. Данный метод позволяет добиться высокой равномерности, но при этом по-прежнему у линзы две поверхности и отражатель имеет сложную ступенчатую форму. Кроме того, для освещения экрана большого размера требуется использовать много светодиодов, что увеличивает затраты на изготовление продукции.
Заявляемое решение позволяет решить существующие проблемы: использование линз простой формы с одной рабочей поверхностью, получение высокой однородности, использование меньшего количества светодиодов, уменьшение толщины оптической системы.
Задача решается за счет того, что в способе создания равномерной освещенности в системе подсветки дисплея, включающем перенаправление излучения от источников с помощью линз (рефлекторов), согласно изобретению излучение перенаправляют на светорассеивающую подложку и формируют равномерно освещенные отрезки, обеспечивающие в свою очередь равномерное освещение дисплея.
Кроме того, светорассеивающая подложка отражает падающий свет по закону Ламберта.
Длина каждого равномерно освещаемого отрезка лежит в диапазоне от 50 мм до 200 мм.
Расстояние от источников до плоскости дисплея лежит в диапазоне от 20 мм до 50 мм и размеры освещаемого участка плоскости превышают 200 мм на 200 мм.
Задача решается также за счет того, что в устройстве подсветки дисплея, включающем светодиоды, линзы (рефлекторы), отражатель, согласно изобретению каждая линза (рефлектор) имеет одну рабочую поверхность, представляющую собой поверхность вращения с осью симметрии, совпадающей с прямой, вдоль которой формируется равномерно освещенный отрезок, отражатель выполнен в виде подложки из светорассеивающего материала.
Кроме того, светорассеивающая подложка выполнена в виде листа из спектралона.
Светорассеивающая подложка имеет продольные насечки.
Устройство снабжено набором оптических элементов: рассеивателей, поляризаторов, фильтров.
При этом оптическая система включает в себя светорассеивающую подложку (в частности, ламбертовский отражатель), множество светодиодов с цилиндрическими линзами (или рефлекторами) с осью симметрии в плоскости подложки, несколько слоев оптических элементов (например, диффузоров). Каждая линза (или рефлектор), которая устанавливается на светодиод, имитирует лампу с холодным катодом за счет формирования на подложке равномерно освещенного отрезка. Освещаемый отрезок становится вторичным источниками света. В качестве светорассеивающей подложки можно использовать спектралон, имеющий коэффициент отражения более 99% (Bhandari, A. Bidirectional reflectance distribution function of Spectralon white reflectance standard illuminated by incoherent unpolarized and plane-polarized light/ Anak Bhandari, Borge Hamre, Ovynd Frette, Lu Zhao, Kakob J. Stamnes, and Morten Kildemo // Applied Optics. - 2011. - Vol.50(16). - P.2431-2442.), но в общем случае в качестве светорассеивающей подложки можно использовать более сложную структуру, например, продольные насечки, которые обеспечивают рассеяние света под большими углами хотя бы в одном направлении (т.е. уже не по закону Ламберта).
Устройство поясняется чертежом, где на фиг.1 показана схема подсветки дисплея.
На фиг.1 : источник света 1, оптический элемент 2 в виде линзы или рефлектора. Светорассеивающая подложка 3 выполнена в виде листа из спектралона; 4 - набор оптических элементов рассеивателей, поляризаторов, фильтров; равномерно освещаемый отрезок 5.
Пример осуществления способа
Оптический элемент 2 перенаправляет излучение от точечного (компактного) источника 1 в отрезок 5 на поверхности светорассеивающей подложки 3 длиной 200 мм. Для получения более высокой однородности используется набор оптических элементов: рассеивателей, поляризаторов, фильтров.
max
max
На Фиг.2 показана используемая система координат и обозначений для расчета рефлектора. Оптический элемент имеет ось вращения (ось Ox) и рассчитывается для работы с лучами в определенном диапазоне углов α∈[-π/2,α], где α лежит в пределах от 45° до 70°. Выбор угла определяет размеры рефлектора и количество световой энергии, используемой для формирования отрезков (например, для ламбертовского источника в диапазон углов от -60 до 60° попадает более 90% световой энергии). Мы пренебрегаем лучами, которые не отражаются поверхностью рефлектора, а попадают сразу на экран.
В данном примере для диапазона углов [-90°; 70°] были получены следующие значения размеров: длина по оси Ox получилась равной около 20 мм, ширина 12 мм и высота 6 мм.
max
На Фиг.2 введены следующие обозначения: ρ(α) длину радиус-вектора точки профиля, где α∈[-π/2,α] - угловая координата падающего луча. В работе (Моисеев, М.А. Расчет радиально-симметричных преломляющих поверхностей с учетом френелевских потерь / Л.Л. Досколович, М.А. Моисеев // Компьютерная оптика. - 2008. - Т.32, №1. - С.201-203) для ρ(α) получено следующее дифференциальное уравнение:
<mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>σ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>α</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>cot</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>−</mo><mi>α</mi><mo>−</mo><mi>β</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где функция β(α) задает направление луча после отражения. Из геометрии на Фиг.2 координата пересечения выходящего из оптического элемента луча с осью Ox равна:
<mrow><mi>x</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>β</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Тогда функция β(α) принимает следующий вид:
<mrow><mi>β</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>x</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Определим функцию x(α) в правой части (3) из закона сохранения светового потока. Введем сферические координаты (α,φ), где φ - полярный угол в плоскости YOZ, перпендикулярной плоскости Фиг.2. Поскольку оптический элемент расположен при z>0, то φ∈[0,π]. В указанных координатах элемент телесного угла, соответствующий отрезку φ∈[0,π], имеет вид:
dΩ(α)=πsin(π1=/2-α)dα.
Для записи закона сохранения светового потока необходимо приравнять световой поток, падающий на элемент dx освещаемого отрезка, к световому потоку световому потоку от источника, излученному в элемент телесного угла dΩ(α). Таким образом, можно записать следующее равенство:
<mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>π</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>−</mo><mi>α</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>π</mi></munderover><mrow><mi>I</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>α</mi><mo>,</mo><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>ϕ</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>α</mi><mo>=</mo><mi>E</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>x</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
1
2
где E(x), x∈[x,x] - заданная освещенность на отрезке (x, x - координаты начала и конца отрезка), I(α,φ) - интенсивность источника.
Отметим, что корректное задание освещенности E(x) требует выполнения условия нормировки:
<mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></munderover><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>π</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>−</mo><mi>α</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>π</mi></munderover><mrow><mi>I</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>α</mi><mo>,</mo><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>ϕ</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>d</mi><mi>α</mi></mrow></mrow></mstyle><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub></mrow></munderover><mrow><mi>E</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>x</mi></mrow></mrow></mstyle><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
1
2
При постоянной освещенности E(x)=E, x∈[x,x] проинтегрируем (5) и получим:
<mrow><mi>x</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>E</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>α</mi></munderover><mrow><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow></mrow></mstyle><mrow><mo>[</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>π</mi></munderover><mrow><mi>I</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>α</mi><mo>,</mo><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>ϕ</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>d</mi><mi>α</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
В случае ламбертовского источника, излучающего по оси Oz, интенсивность источника в координатах (α,φ) имеет вид:
<mrow><mi>I</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>α</mi><mo>,</mo><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mi>cos</mi><mi>α</mi><mi>sin</mi><mi>ϕ</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Подставляя (7) в (6), получим x(α) в аналитическом виде:
<mrow><mi>x</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mn>2</mn><msub><mi>α</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>α</mi><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mn>2</mn><mi>α</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Подставим функцию x(α) в (3) и получим следующее уравнение:
<mrow><mi>β</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mn>2</mn><msub><mi>α</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>α</mi><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>sin</mi><mn>2</mn><mi>α</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mi>ρ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mn>.,</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Таким образом, расчет оптического элемента для формирования отрезка с заданной освещенностью сведен к интегрированию дифференциального уравнения (1).
В рамках рассматриваемого подхода предполагается, что оптический элемент формирует освещенный отрезок на светорассеивающей подложке. Будем считать, что в качестве подложки используется ламбертовская поверхность (http://www.labsphere.com/products/reflectance-materials-and-coatings/high-reflectance-materials/default.aspx.). При этом освещаемый отрезок будет вторичным ламбертовским источником.
Разработанный метод расчета оптического элемента реализован в среде программирования Matlab (http://www.mathworks.com/).
1
На Фиг.3 приведена трехмерная модель массива из 5 отстоящих относительно друг друга на расстоянии 20 мм источников с рефлекторами, каждый из которых обеспечивает равномерное освещение отрезка длиной 200 мм (причем x=0).
max
Расстояние от источника до поверхности линзы по оси Oz выбрано равным 1 мм, а максимальный рабочий угол α=70°.
Для проверки правильности расчетов было проведено моделирование работы рассчитанной оптической системы в программе для светотехнических расчетов TracePro с использованием метода трассировки лучей (http://www.lambdares.com/software_products/tracepro/).
На Фиг.4 приведены распределения освещенности, рассчитанные для 1000000 лучей, формируемые в плоскости z=0, содержащей отрезок.
На Фиг.5 приведено распределение освещенности, формируемое массивом из 5 оптических элементов, которые расположены справа на расстоянии 100 мм от начала координат.
На Фиг.7 приведены распределения вдоль осей Ox и Oy.
При использовании оптического элемента или массива элементов, формирующих отрезки, в системе подсветки в плоскости z=0 находится светорассеивающая подложка. При этом конечной задачей является получение равномерного распределения света в некоторой плоскости z=d (Фиг.2) над оптическим элементом, на дисплее.
На Фиг.8 представлено распределение освещенности для 5 источников с рефлекторами, удаленных на расстояние 20 мм от плоскости дисплея (z=d).
На Фиг.9 приведены распределения вдоль осей Ox и Oy. Отметим, что плоскость z=0 в данном примере соответствует ламбертовскому отражателю. Среднеквадратическое отклонение освещенности в плоскости d составляет менее 6% в центральной области размерами 300 мм на 400 мм. Энергетическая эффективность (доля излученного светового потока, попавшая на детектор) превышает 90%.
Техническим результатом использования данного изобретения является улучшение световых характеристик дисплеев, таких как эффективность, однородность освещенности, а также использование линз или рефлекторов простой формы и уменьшение габаритов.