СВЕТОВОДНАЯ ПЛАСТИНА И СОДЕРЖАЩЕЕ ЕЕ УСТРОЙСТВО ЗАДНЕЙ ПОДСВЕТКИ
LIGHT GUIDE PLATE AND BACKLIGHT DEVICE CONTAINING IT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к технике освещения, в частности к световодной пластине и устройству задней подсветки, содержащему световодную пластину, которые могут быть использованы для получения 3D и 2D изображений без необходимости применения очков.
Уровень техники
В настоящее время устройства 3D отображения применяются в различных сферах деятельности, таких как медицинская визуализация, игры, рекламные объявления, образование, военная сфера и т.д. Кроме того, было выполнено множество исследований по отображению 3D изображений с использованием голографических и стереоскопических методов.
Стереоскопические методы могут быть классифицированы на те, в которых требуется использовать очки (т.е. когда поляризованный свет и затвор используются для того, чтобы позволить двум глазам пользователя видеть отдельные изображения), и на те, в которых не требуется использовать очки (т.е. так называемое автостереоскопическое отображение, при котором устройство отображения непосредственно разделяет изображения для формирования полей обзора).
В последнее время в отношении автостереоскопических устройств отображения имеется тенденция к освоению паралаксного барьера, который используется для виртуального создания 3D изображений с помощью стереоизображений. Параллаксный барьер включает в себя вертикальные или горизонтальные щели, сформированные перед изображениями, соответствующими левому и правому глазам пользователя, и позволяет пользователю наблюдать 3D изображения по отдельности посредством этих щелей для достижения стереоскопического эффекта.
В то же время многие конструируемые сейчас устройства отображения должны обеспечивать простое переключение между режимами 3D и 2D отображения без использования структуры на основе параллаксного барьера, чтобы удовлетворять всем потребностям пользователей.
US 8820997 В2 раскрывает переключаемое устройство 1000 3D/2D отображения, использующее способ параллаксного барьера для обеспечения 3D отображения. Как показано на Фиг. 10А-В, известное устройство отображения содержит световод 1010, имеющий рассеивающую структуру 1011 на одной своей плоскости, которая используется для формирования 3D изображений. Световод 1010 выполнен из РММА, который является бесцветным и прозрачным. Другие плоскости световода 1010 подвержены машинной обработке для получения зеркальной гладкости и не имеют никаких элементов. Свет от источников 1013 света, предусмотренных на торцах световода 1010, распространяется между отражающими поверхностями внутри световода 1010, но при попадании на рассеивающую структуру 1011 он диффузно отражается и испускается в направлении LCD 1030. Таким образом, за счет использования рассеивающей структуры 1011, предусмотренной в местоположениях, соответствующих щелям параллаксного барьера, можно получить такое же состояние освещения, как при параллаксном барьере и структуре задней подсветки.
Неструктурированные участки 1012 световода 1010 являются плоскими, бесцветными и прозрачными. Следовательно, свет от источника 1020 света, используемый для 2D отображения, проходит сквозь неструктурированные участки 1012 световода 1010. Однако этот свет от источника 1020 света, используемый для 2D отображения, рассеивается на рассеивающей структуре 1011. Это рассеяние на структуре 1011 не проявляется в той или иной мере в распределении освещенности на LCD 1030.
Переключение между режимами 2D и 3D отображения достигается за счет переключения между источниками 1013 света и источниками 1020 света. Когда требуется отобразить 2D изображение, контроллер (не показан) активирует только источники 1020 света. Когда требуется отобразить 3D изображение, контроллер активирует только источники 1013 света.
Конструкция, показанная на Фиг. 10А-В, обеспечивает простой способ переключения между режимами 2D и 3D отображения без ухудшения разрешения, распределения освещенности и угла наблюдения в сравнении с традиционным 2D отображением. Тем не менее, рассеивающая структура 1011, используемая для режима 3D отображения, которая реализована в виде линий, может вызвать теневой эффект в режиме 2D отображения и значительно ухудшить качество изображения.
US 7626643 В2 раскрывает переключаемое устройство 1100 3D/2D отображения на основе параллаксного барьера. Как показано на Фиг. 11А-В, известное устройство отображения включает в себя панель 1130 отображения и систему задней подсветки, имеющей источник 1150 света и волновод 1110. Волновод 1110 включает в себя рассеивающие участки 1120 из рассеивающего материала. Свет распространяется через волновод 1110 за счет полного внутреннего отражения, но может рассеиваться на рассеивающих участках 1120. Рассеянный свет, выходящий из волновода 1110 через его выходную поверхность, создает линии света, соответствующие положениям рассеивающих участков 1110 и формирующие параллаксный барьер, используемый при освещении 3D автостереоскопического изображения, отображаемого панелью 1130 отображения. Промежуточные участки 1140 между рассеивающими участками 1120 сформированы из материала, который может переключаться между состоянием светопропускания и состоянием рассеивания. Оптические свойства промежуточных участков 1140 управляются с использованием электрических полей. Такое устройство отображения является переключаемым между режимом 2D отображения, при котором промежуточные участки 1140 являются рассеивающими, а волновод 1110 обеспечивает равномерное освещение, и режимом 3D отображения, при котором промежуточные участки 1140 являются светопропускающими, а волновод 1110 обеспечивает освещение в виде линий света.
Тип переключаемого устройства 3D/2D отображения, показанный на Фиг. 11А-В, позволяет реализовать требуемое переключение между режимами 3D и 2D отображения на одной световодной пластине 1110, тем самым обеспечивая уменьшение толщины, но в то же время требует дополнительных наборов столбцовых электродов. Используемые материалы для рассеивания и их структура обусловливают сложность производства и делают такое устройство отображения неэффективным, так как теряется значительная часть света, формируемого источником 1150 света. Также возникает ухудшение качества изображения вследствие появления усиленных перекрестных помех за счет неуправляемого направления рассеивания на рассеивающих участках 1120.
Раскрытие изобретения
Для устранения или смягчения одного или более из вышеупомянутых недостатков решений, известных из уровня техники, предложено настоящее изобретение, охарактеризованное в независимых пунктах приложенной формулы изобретения. Разные частные варианты осуществления настоящего изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах приложенной формулы изобретения.
Технические эффекты, обеспечиваемые настоящим изобретением, заключаются в: уменьшении общей толщины устройства задней подсветки за счет использования одной световодной пластины для режимов 3D и 2D отображения; обеспечении простого переключения между режимами 3D и 2D отображения за счет использования по меньшей мере одного источника света для каждого режима отображения; и улучшении качества изображения за счет устранения теневого эффекта в режиме 3D отображения с помощью призматической и линейной структур на противоположных сторонах световодной пластины.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложена световодная пластина. Световодная пластина содержит подложку, призматическую структуру и линейную структуру. Подложка выполнена с возможностью обеспечения распространения первого пучка света и второго пучка света внутри себя вследствие полного внутреннего отражения. Первый пучок света вводится с одной из передней поверхности и задней поверхности подложки, когда используется режим 3D отображения, в то время как второй пучок света вводится с по меньшей мере одной из боковых поверхностей подложки, когда используется режим 2D отображения. Первый и второй пучки света имеют разные угловые распределения. Призматическая структура обеспечена на верхней поверхности подложки и состоит из пространственно разнесенных рядов призм. Каждый ряд призм содержит множество одиночных призм, расположенных встык друг с другом. Линейная структура обеспечена на нижней поверхности подложки и состоит из массива линейных канавок или выступов. Призматическая структура выполнена с возможностью вывода первого пучка света из подложки, когда первый пучок света попадает на каждый ряд призм на верхней поверхности подложки. Линейная структура выполнена с возможностью вывода второго пучка света из подложки, когда второй пучок света попадает на каждую линейную канавку или выступ на нижней поверхности подложки.
В некоторых вариантах осуществления ряды призм призматической структуры периодически или непериодически пространственно разнесены на верхней поверхности подложки.
В некоторых вариантах осуществления канавки или выступы линейной структуры периодически или непериодически пространственно разнесены на нижней поверхности подложки.
В некоторых вариантах осуществления ряды призм призматической структуры параллельны направлению распространения первого пучка света или расположены под произвольным углом относительно направления распространения первого пучка света.
В некоторых вариантах осуществления канавки или выступы линейной структуры расположены перпендикулярно направлению распространения второго пучка света или расположены под произвольным углом относительно направления распространения второго пучка света.
В одном варианте осуществления подложка, призматическая структура и линейная структура выполнены из РММА и/или другого оптически прозрачного материала, такого, например, как стекло. Подложка, призматическая структура и линейная структура могут быть выполнены как одно целое.
В одном варианте осуществления призматическая структура обеспечена на верхней поверхности подложки посредством технологии травления, печати, склейки, формовки, резки или любого их сочетания.
В одном варианте осуществления линейная структура обеспечена на нижней поверхности подложки посредством технологии травления, печати или их сочетания.
В одном варианте осуществления ширина подложки является постоянной, или подложка имеет переменную ширину.
В одном варианте осуществления призмы в каждом ряду призм призматической структуры расположены линейно встык друг с другом. В другом варианте осуществления призмы в каждом ряду призм призматической структуры расположены встык, но со смещением относительно друг друга, тем самым формируя линию зигзага.
В одном варианте осуществления период пространственного разнесения и ширина каждого ряда призм призматической структуры выбраны в соответствии с характеристиками источника света, освещающего подложку первым пучком света. Ширина каждого ряда призм может быть постоянной или переменной. Если ширина является переменной, ширина каждого ряда призм может увеличиваться с упомянутой одной из передней и задней поверхностей подложки, на которую падает первый пучок света, до другой из передней и задней поверхностей подложки. Ширина каждого ряда призм призматической структуры может также изменяться непрерывно или дискретно от призмы к призме.
В одном варианте осуществления основание каждой призмы в каждом ряду призм призматической структуры имеет постоянную или переменную ширину.
В одном варианте осуществления ширина и глубина/высота каждой канавки или выступа в линейной структуре выбраны в соответствии с характеристиками источника света, освещающего подложку вторым пучком света. Ширина и/или глубина/высота каждой канавки или выступа в линейной структуре могут быть постоянными или разными. Ширина и/или глубина/высота каждой канавки или выступа в линейной структуре могут также изменяться вдоль длины канавки или выступа.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложено устройство задней подсветки. Устройство задней подсветки выполнено с возможностью переключения между режимом 3D отображения и режимом 2D отображения. Устройство задней подсветки содержит световодную пластину согласно первому аспекту настоящего изобретения, по меньшей мере один первый осветительный модуль, по меньшей мере один второй осветительный модуль, по меньшей мере одну перенаправляющую пленку и по меньшей мере одну отражающую пленку. Упомянутый по меньшей мере один первый осветительный модуль выполнен с возможностью испускания первого пучка света в направлении одной из передней поверхности и задней поверхности подложки световодной пластины. Упомянутый по меньшей мере один второй осветительный модуль выполнен с возможностью испускания второго пучка света в направлении по меньшей мере одной из боковых поверхностей подложки световодной пластины. Первый и второй пучки света имеют разные угловые распределения. Упомянутая по меньшей мере одна перенаправляющая пленка обеспечена над верхней поверхностью подложки. Упомянутая по меньшей мере одна отражающая пленка обеспечена под нижней поверхностью подложки. Когда выбран режим 3D отображения, упомянутый по меньшей мере один первый осветительный модуль является включенным, упомянутый по меньшей мере один второй осветительный модуль является выключенным и упомянутая по меньшей мере одна перенаправляющая пленка выполнена с возможностью перенаправления первого пучка света, выведенного из подложки через призматическую структуру, в направлении глаз наблюдателя. Когда выбран режим 2D отображения, упомянутый по меньшей мере один первый осветительный модуль является выключенным, упомянутый по меньшей мере один второй осветительный модуль является включенным и упомянутая по меньшей мере одна отражающая пленка выполнена с возможностью отражения второго пучка света, выведенного из подложки через линейную структуру, и изменения углового распределения второго пучка света для обеспечения прохождения второго пучка света сквозь подложку и упомянутую по меньшей мере одну перенаправляющую пленку в направлении глаз наблюдателя.
В одном варианте осуществления упомянутый по меньшей мере один первый осветительный модуль состоит из по меньшей мере одного первого источника света и по меньшей мере одного первого модуля преобразования света, а упомянутый по меньшей мере один второй осветительный модуль состоит из по меньшей мере одного второго источника света и по меньшей мере одного второго модуля преобразования света. Упомянутый по меньшей мере первый модуль преобразования света выполнен с возможностью обеспечения коллимации, гомогенизации и углового преобразования света, испущенного упомянутым по меньшей мере одним первым источником света, и ввода преобразованного света в качестве первого пучка света в подложку. Упомянутый по меньшей мере один второй модуль преобразования света выполнен с возможностью обеспечения коллимации, гомогенизации и углового преобразования света, испущенного упомянутым по меньшей мере одним вторым источником света, и ввода преобразованного света в качестве второго пучка света в подложку.
В одном варианте осуществления каждый из упомянутого по меньшей мере одного первого источника света и упомянутого по меньшей мере одного второго источника света выполнен в виде одного или более LED, лазерных диодов, ламп или любого их сочетания.
В одном варианте осуществления упомянутый по меньшей мере один первый модуль преобразования света содержит по меньшей мере один коллимирующий массив, по меньшей мере одну гомогенизирующую пленку и по меньшей мере один перенаправляющий куб. Коллимирующий массив может быть выполнен в виде набора отдельных или объединенных коллиматоров. Гомогенизирующая пленка может быть выполнена в виде пленки с микросферическими или микроцилиндрическими линзами. Гомогенизирующая пленка может быть выполнена в виде рассеивателя для придания формы пучку света. Перенаправляющий куб может быть выполнен в виде куба, имеющего симметричную или несимметричную призматическую структуру.
В одном варианте осуществления упомянутый по меньшей мере один второй модуль преобразования света выполнен в виде коллимирующего куба с параллельными или непараллельными поверхностями.
В одном варианте осуществления упомянутая по меньшей мере одна перенаправляющая пленка имеет массив симметричных или несимметричных микропризм.
В одном варианте осуществления устройство задней подсветки дополнительно содержит пленку с линзами Френеля, обеспеченную над упомянутой по меньшей мере одной перенаправляющей пленкой и выполненную с возможностью фокусировки первого и второго пучков света от упомянутой по меньшей мере одной перенаправляющей пленки в плоскости наблюдателя. Пленка с линзами Френеля может иметь радиальную или цилиндрическую структуру.
В одном варианте осуществления отражающая пленка выполнена в виде пленки с выпуклыми или вогнутыми микросферическими или микропирамидальными линзами. В другом варианте осуществления отражающая пленка выполнена в виде отражающего рассеивателя с ламбертовым угловым распределением.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны после прочтения следующего далее подробного описания и после просмотра сопроводительных чертежей.
Краткое описание чертежей
Сущность настоящего изобретения поясняется ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет собой схему, иллюстрирующую вид в перспективе переключаемого устройства 3D/2D задней подсветки в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2А-В представляют собой схемы, иллюстрирующие виды сверху и снизу световодной пластины с призматической и линейной структурами для извлечения света;
Фиг. 3A-D представляют собой схемы, иллюстрирующие общие виды верхней поверхности световодной пластины, содержащей по-разному расположенные призматические структуры;
Фиг. 4А-В представляют собой схемы, иллюстрирующие общие виды одной призмы в призматической структуре, расположенной на верхней поверхности световодной пластины;
Фиг. 5 представляет собой схему, иллюстрирующую поперечный вид одной линейной канавки или выступа в линейной структуре, расположенной на нижней поверхности световодной пластины;
Фиг. 6 представляет собой схему, иллюстрирующую поперечный вид устройства задней подсветки, основанного на одной световодной пластине, функционирующей в режиме 3D отображения;
Фиг.7 представляет собой схему, иллюстрирующую один пример осветительного модуля, используемого для режима 3D отображения;
Фиг. 8А-С представляют собой схемы, иллюстрирующие поперечные виды осветительного модуля, используемого для режима 3D отображения, и общий вид одного коллиматора в коллимирующем массиве, который является частью осветительного модуля;
Фиг. 9 представляет собой схему, иллюстрирующую поперечный вид устройства задней подсветки, основанного на одной световодной пластине, функционирующей в режиме 2D отображения;
Фиг. 10А-В представляют собой схемы, иллюстрирующие поперечный вид одного типа переключаемого устройства 3D/2D отображения, известного из уровня техники;
Фиг. 11А-В представляют собой схемы, иллюстрирующие поперечный вид другого типа переключаемого устройства 3D/2D отображения, известного из уровня техники.
Осуществление изобретения
Различные варианты осуществления настоящего изобретения описаны далее подробнее со ссылкой на сопроводительные чертежи. Однако настоящее изобретение может быть реализовано во многих других формах и не должно пониматься как ограниченное какой-либо конкретной структурой или функцией, представленной в нижеследующем описании. В отличие от этого, эти варианты осуществления предоставлены для того, чтобы сделать описание настоящего изобретения подробным и полным. Исходя из настоящего описания, специалисту в данной области техники будет очевидно, что объем настоящего изобретения охватывает любой вариант осуществления настоящего изобретения, который раскрыт в данном документе, вне зависимости от того, реализован ли этот вариант осуществления независимо или совместно с любым другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Например, устройство, раскрытое в данном документе, может быть реализовано на практике посредством использования любого числа вариантов осуществления, обеспеченных в данном документе. Кроме того, должно быть понятно, что любой вариант осуществления настоящего изобретения может быть реализован с использованием одного или более элементов, представленных в приложенной формуле изобретения.
Слово «примерный» используется в данном документе в значении «используемый в качестве примера или иллюстрации». Любой вариант осуществления, описанный здесь как «примерный», необязательно должен восприниматься как предпочтительный или имеющий преимущество над другими вариантами осуществления.
Кроме того, терминология, связанная с направлением, такая как «передняя», «задняя», «верхняя», «нижняя», «боковая» и т.д., используется со ссылкой на ориентацию описываемых фигур. Поскольку компоненты вариантов осуществления настоящего изобретения могут быть расположены в разных ориентациях, терминология, связанная с направлением, используется в целях иллюстрации, а не ограничения. Должно быть понятно, что другие варианты осуществления могут быть использованы и структурные или логические замены могут быть выполнены без отступления от объема настоящего изобретения.
Фиг. 1 показывает вид в перспективе переключаемого устройства 100 3D/2D задней подсветки на основе параллаксного барьера в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Устройство 100 задней подсветки выполнено с возможностью переключения между режимом 3D отображения и режимом 2D отображения. Как показано, устройство 100 задней подсветки содержит световодную подложку 110, первый осветительный модуль 120, второй осветительный модуль 130, перенаправляющую пленку 140, отражающую пленку 150 и пленку 160 с линзами Френеля. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение не ограничено количеством конструктивных элементов, показанным на Фиг. 1, и, если потребуется, устройство 100 задней подсветки может дополнительно содержать два или более первых осветительных модулей 120, вторых осветительных модулей 130, перенаправляющих пленок 140 и/или отражающих пленок 150. Единственное ограничение состоит в том, что устройство 100 задней подсветки использует только одну световодную подложку 110, что является необходимым для обеспечения уменьшения его толщины. Количество других конструктивных элементов устройства 100 задней подсветки может изменяться в зависимости от конкретных применений.
В варианте осуществления, показанном на Фиг. 1, первый осветительный модуль 120 используется для режима 3D отображения и состоит из по меньшей мере одного источника 121 света и по меньшей мере одного модуля 122 преобразования света. Второй осветительный модуль 130 используется для режима 2D отображения и состоит из по меньшей мере одного источника 131 света и по меньшей мере одного модуля 132 преобразования света. Первый осветительный модуль 120 выполнен с возможностью испускания первого пучка света в направлении одной из передней поверхности и задней поверхности световодной подложки 110, в то время как второй осветительный модуль 130 выполнен с возможностью испускания второго пучка света в направлении по меньшей мере одной из боковых поверхностей световодной подложки 110. Поскольку осветительные модули 120 и 130 используются для режимов 3D и 2D отображения соответственно, первый и второй пучки света, испущенные осветительными модулями 120 и 130, должны иметь разные угловые распределения. Как будет показано далее, световодная подложка 110 снабжена призматической структурой 111 на ее верхней поверхности для извлечения первого пучка света в режиме 3D отображения и линейной структурой 112 на ее нижней поверхности для извлечения второго пучка света в режиме 2D отображения. Следует отметить, что термин «световодная пластина», используемый в данном документе, означает комбинацию световодной подложки 110 вместе с призматической и линейной структурами 111, 112. Перенаправляющая пленка 140 обеспечена над световодной подложкой 110, а отражающая пленка 150 обеспечена под световодной подложкой 110. Пленка 160 с линзами Френеля является необязательным конструктивным элементов и обеспечена над перенаправляющей пленкой 140.
Источник 121 света может быть реализован в виде одного или более светоизлучающих диодов (LED), лазерных диодов, лам или любого их сочетания. В предпочтительных вариантах осуществления источник 121 света реализован в виде одного или более LED для испускания неколлимированного неполяризованного света или одного или более лазерных диодов для испускания поляризованного высококоллимированного света. В тех же предпочтительных вариантах осуществления модуль 122 преобразования света выполнен с возможностью обеспечения коллимации, гомогенизации и углового преобразования света, испущенного источником 121 света, и ввода преобразованного света в качестве первого пучка света в световодную подложку 110.
Источник 131 света может быть также реализован в виде одного или более LED или лам для испускания неколлимированного неполяризованного света или одного или более лазерных диодов для испускания поляризованного высококоллимированного света. Предпочтительно, чтобы модуль 132 преобразования света был выполнен с возможностью обеспечения коллимации, гомогенизации и углового преобразования света, испущенного источником 131 света, и ввода преобразованного света в качестве второго пучка света в световодную подложку 110.
Перенаправляющая пленка 140 выполнена с возможностью перенаправления первого пучка света, испущенного первым осветительным модулем 120 и выведенного из световодной подложки 110 посредством призматической структуры 111, по нормали к верхней поверхности пленки 160 с линзами Френеля, если она используется, или непосредственно в направлении глаз наблюдателя. Пленка 160 с линзами Френеля используется для фокусировки первого пучка света (а также второго пучка света в случае режима 2D отображения) от перенаправляющей пленки 140 в плоскости наблюдателя.
Отражающая пленка 150 выполнена с возможностью отражения второго пучка света, выведенного из подложки 110 через линейную структуру 112, и изменения углового распределения второго пучка света для обеспечения прохождения второго пучка света сквозь подложку 110 и перенаправляющую пленку 140 (и пленку 160 с линзами Френеля, если она применяется) в направлении глаз наблюдателя.
Переключение между режимами 3D и 2D отображения реализуется посредством переключения между первым осветительным модулем 120 и вторым осветительным модулем 130. В режиме 3D отображения источник 121 света первого осветительного модуля 120 является включенным, в то время источник 131 света второго осветительного модуля 130 является выключенным. В режиме 2D отображения наблюдается обратная ситуация.
Световодная подложка 110 устройства 100 задней подсветки выполнена с возможностью обеспечения распространения первого и второго пучков света внутри себя вследствие эффекта полного внутреннего отражения. Конструкция световодной пластины будет далее описана подробнее со ссылкой на Фиг. 2А-В. Как отмечено выше, световодная пластина включает в себя световодную подложку 110 (далее упоминаемую как «подложка» для простоты), призматическую структуру 111, обеспеченную на верхней поверхности подложки 110, и линейную структуру 112, обеспеченную на нижней поверхности подложки 110. Подложка 110, призматическая структура 111 и линейная структура 112 могут быть выполнены из РММА и/или стекла, и/или другого оптически прозрачного материала. Кроме того, подложка 110, призматическая структура 111 и линейная структура 112 могут быть выполнены как одно целое.
Фиг. 2А иллюстрирует призматическую структуру 111, выполненную с возможностью частично выводить первый пучок света, распространяющийся внутри подложки 110 (в случае режима 3D отображения), из подложки 110 в направлении перенаправляющей пленки 140, когда первый пучок света падает на призматическую структуру 111. Призматическая структура 111 состоит из пространственно разнесенных рядов 210 призм. Каждый ряд 210 призм содержит множество отдельных призм 211, расположенных встык друг с другом. Первый пучок света от первого осветительного модуля 120 (т.е. от источника 121 света) вводится через переднюю поверхность подложки 110. Верхняя поверхность и нижняя поверхность подложки 110 являются оптически полированными. Ряды 210 призм отделены друг от друга на верхней поверхности подложки 110 неструктурированными зонами 212. Если первый пучок света, вводимый от первого осветительного модуля 120 в подложку 110, попадает на неструктурированные зоны 212, он не нарушает эффекта полного внутреннего отражения и распространяется внутри подложки 110 без изменений. В то же время, если первый пучок света, вводимый от осветительного модуля 120 в подложку 110, попадает на ряд 210 призм, он частично выводится из подложки 110 вследствие нарушения эффекта полного внутреннего отражения. В этом случае ряды 210 призм представляют собой линейные щели для режима отображения на основе параллаксного барьера, и первый пучок света, выводимый из подложки 110 через ряды 210 призм, формирует освещение с автостереоскопическим эффектом отображения. В то же время неструктурированные зоны 212 формируют барьеры для режима отображения на основе параллаксного барьера (поскольку второй пучок света, попадающий на зоны 212, остается внутри подложки 110 за счет поддержания эффекта полного внутреннего отражения). Призматическая структура 111 может быть обеспечена на верхней поверхности подложки 110 посредством технологии травления, печати, склейки, формовки, резки или любого их сочетания.
Фиг. 3A-D показывают разные примерные варианты осуществления призматической структуры 111.
Ряды 210 призм в призматической структуре 111 могут быть расположены параллельно направлению распространения первого пучка света, как показано на Фиг. 3А, или могут быть повернуты на некий угол относительно направления распространения первого пучка света, как показано на Фиг. 3B-D. Каждая призма 211 в ряду 210 призм призматической структуры 111 может быть ориентирована в направлении распространения первого пучка света, как показано на Фиг. 3А и 3С, или может быть повернута на некий угол в соответствии с общим направлением ряда в призматической структуре 111, как показано на Фиг. 3В и 3D. Призмы 211 в рядах 210 призм призматической структуры 111 могут расположены линейно встык друг с другом, как показано на Фиг. 3А, 3В и 3D, или с любым смещением для формирования линий зигзага, как показано на Фиг. 3С. Призматическая структура 111 характеризуется основными параметрами, такими как период 310 между рядами 210 призм и ширина 320 для каждого ряда 210 призм. Период 310 выбирается так, чтобы обеспечить возможность применения дальнейшего алгоритма составления изображения и достижения автостереоскопического изображения в процессе освещения и составления изображения. В общем, период 310 является постоянным, но может быть переменным согласно требованиям алгоритма. Ширина 320 выбирается в соответствии с шириной линейных источников света, освещающих составное изображение на панели, определяемой алгоритмом составления изображения. В общем, ширина 320 является постоянной, но может быть переменной согласно требованиям алгоритма или необходимости улучшения эффективности и равномерности извлечения света из подложки 110. Если ширина 320 изменяется, то ширина 320 в основном увеличивается от передней поверхности до задней поверхности подложки 110 (в соответствии с ориентацией, показанной на Фиг. 3A-D).
Фиг. 4А-В показывают общие схемы каждой призмы 211 в призматической структуре 111. Как показано на этих фигурах, ширина 320 каждого ряда 210 призм может изменяться непрерывно или дискретно от призмы к призме в зависимости от применяемых требований алгоритма, распределения рядов призм и технологии производства. Ширина 320 определяется шириной 410 каждой призмы 211, расположенной в расчетной точке ряда призм в призматической структуре 111. Основные параметры каждого ряда 211 в призматической структуре 111 определяются таким образом, чтобы первый пучок света выводился из подложки 110 с высокой эффективностью и равномерным образом, но с небольшим ухудшением присущих ему параметров света, таких как угловое распределение. Ширина 410 может быть постоянной для одной заданной призмы 211, как показано на Фиг. 4А, или переменной с начальным значением 4101 и конечным значением 4102, как показано на Фиг. 4В, в соответствии с применяемыми условиями. Ширина 410 определяет часть первого пучка света, проходящую сквозь нижнюю поверхность 411 каждой призмы и, соответственно, выходящую из подложки 110 вследствие нарушения эффекта полного внутреннего отражения на поверхности 412 призмы. Для нарушения эффекта полного внутреннего отражения поверхность 412 ориентирована под неким углом, превышающим угол полного внутреннего отражения между первым пучком света, распространяющимся внутри подложки 110, и поверхностью 412. Угловое положение поверхности 412 определяется первым углом 413 при основании, который выбирается в зависимости от параметров первого осветительного модуля 120, и, таким образом, параметрами распространения первого пучка света внутри подложки 110. В общем, первый угол 413 при основании также задается в соответствии с угловой структурой призматической поверхности перенаправляющей пленки 140 (которая будет обсуждаться ниже) для обеспечения точного перенаправления первого пучка света, выводимого из подложки 110, по нормально к плоскости наблюдателя.
Второй угол 414 при основании задается таким образом, чтобы получить равномерное вертикальное угловое распределение выводимого первого пучка света после прохождения через поверхность 412. Длина 415 призмы выбирается так, чтобы обеспечить высококачественные равномерные линии выводимого первого пучка света, и может дополнительно определяться структурой перенаправляющей пленки 140, конструкцией панели отображения и требованиями алгоритма, в особенности в случае зигзагообразных рядов призм в призматической структуре 111.
Для случаев вариантов осуществления, описанных выше со ссылкой на Фиг. 3В и 3D, призма 211 может быть реализована в виде необычной призмы, имеющей измененную форму, в которой стороны вдоль направления распространения не перпендикулярны боковым сторонам призмы и повернуты на угол 416 для компенсации возможных отклонений света. Другие отмеченные параметры, такие как верхний угол 417 и высота 418 призмы, представляют собой размеры, задаваемые в соответствии с углами 413, 414 и длиной 415.
Таким образом, параметры призмы 311 связаны с характеристиками первого пучка света (от источника 121 света), распространяющегося внутри подложки 110.
Возвращаясь к Фиг. 2В, линейная структура 112 показана как обеспеченная на нижней поверхности подложки 110 и состоящая из массива линейных канавок или выступов 220. Линейная структура 112 может быть обеспечена на нижней поверхности подложки 110 посредством технологии травления, печати или их сочетания. Второй пучок света вводится вторым осветительным модулем 130 (т.е. вторым источником 131 света) в подложку 110 с по меньшей мере одной из боковых поверхностей подложки 110. Линейная структура 112 выполнена с возможностью частично выводить второй пучок света (в случае режима 2D отображения) из подложки 110, когда второй пучок света попадает на каждую канавку или выступ на нижней поверхности подложки 110. Второй пучок света, частично выводимый из подложки 110 через линейную структуру 112, направляется к перенаправляющей пленке 150. Аналогично первому пучку света, используемому в режиме 3D отображения, когда второй пучок света попадает на неструктурированные зоны 221 между канавками или выступами 220, он не нарушает эффекта полного внутреннего отражения и распространяется дальше внутри подложки 110.
Фиг. 5 представляет собой поперечный вид одной линейной канавки или выступа 220. Линейная структура 112 характеризуется следующими параметрами: периодом между линейными канавками или выступами, шириной 510, высотой 520 и длиной 530 каждой канавки или выступа. Период между линейными канавками или выступами может быть постоянным или переменным. Период выбирается таким образом, чтобы обеспечить равномерность освещения. Ширина 510 и высота 520 каждой канавки или выступа 220 в линейной структуре 112 могут также быть постоянными или переменными. Если ширина 510 и высота 520 являются переменными, эти параметры могут изменяться вдоль длины 530 для обеспечения равномерности извлечения второго пучка света вдоль всех направлений подложки 110. Следует отметить, что период, ширина 510 и высота 520 могут изменяться линейно, хаотично или любым другим подходящим образом. Кроме того, каждая из канавок или каждый из выступов линейной структуры может быть расположен перпендикулярно направлению распространения второго пучка света или может быть расположен под произвольным углом относительно направления распространения второго пучка света.
Функциональная схема освещения в режиме 3D отображения проиллюстрирована на Фиг. 6. Первый осветительный модуль 120 расположен близко к поверхности подложки 110 для ввода первого пучка света от источника 121 света (после прохождения модуля 122 преобразования света) в подложку 110. Если источник 121 света реализован в виде одного или более LED, модуль 122 преобразования света реализован в виде комбинации коллимирующего массива 123, обеспечивающего коллимацию света от LED за счет использования эффекта полного внутреннего отражения, гомогенизирующей пленки 124, обеспечивающей гомогенизацию коллимированного света от коллимирующего массива 123, перенаправляющего куба 125, обеспечивающего дополнительное смешивание света как зонный компонент лицевой панели и перенаправление света, чтобы увеличить эффективность и равномерность дальнейшего извлечения света из подложки 110. Разные виды такого типа модуля 122 преобразования света проиллюстрированы на Фиг. 7 и 8А-С. Снова следует отметить, что свет из первого осветительного модуля 120 вводится в подложку 110 в качестве первого пучка света.
Коллимирующий массив 123 может быть реализован в виде ряда объединенных или отдельных коллиматоров для каждого источника света в массиве источников 121 света или в качестве любого другого модуля с отличающейся структурой, но с теми же функциональными возможностями преобразования точечно-распределяемого неколлимированного света в равномерное пространственное распределение коллимированного света на выходе.
Гомогенизирующая пленка 124 выполнена с возможностью преобразования углового распределения входного света в требуемое угловое распределение для дальнейшего ввода в подложку 110 и освещения. Гомогенизирующая пленка 124 может быть реализована в виде линзово-растравой пленки с микроцилиндрической структурой, пленки с микросферической структурой с выпуклыми и вогнутыми массивами линз, рассеивателя для придания формы пучку света, способного обеспечивать рассеивание света только для одного из двух или обоих вертикальной и горизонтальной осей, или может быть реализована в виде любой другой пленки с отличающейся структурой, но с теми же функциональными возможностями манипулирования светом за счет изменения направления его энергии.
Перенаправляющий куб 125 выполнен с возможностью расщепления входного света на несколько взаимозависимых направлений для увеличения равномерности и эффективности дальнейшего извлечения света из подложки 110. Перенаправляющий куб 125 может быть реализован в виде куба, имеющего симметричную или несимметричную призматическую структуру, или в виде любого другого куба, имеющего отличающуюся структуру, но те же функциональные возможности манипулирования светом за счет расщепления света на несколько взаимозависимых направления. Перенаправляющий куб 125 может быть реализован с увеличенной длиной вдоль направления распространения света, чтобы функционировать аналогично зонному компоненту лицевой панели.
Как показано на Фиг. 8А-В, которые представляют собой вид сверху и вид сбоку модуля 122 преобразования света соответственно, неколлимированный свет от периодически пространственно разнесенных источников 121 света отражается на передней поверхности каждого коллиматора в коллимирующем массиве 123 и вводится в него. Внутри свет коллимируется вследствие эффекта полного внутреннего отражения на боковых поверхностях 1231 для горизонтальной коллимации и верхней и нижней поверхностях 1232 для вертикальной коллимации. Цилиндрическая поверхность 1233 обеспечивает дополнительную требуемую коллимацию в горизонтальном направлении, компенсирующую длину коллимирующего массива 123.
Коллимированный свет от коллимирующего массива 123 проходит сквозь гомогенизирующую пленку 124, реализованную в виде линзово-растравой пленки с вертикально ориентированными микроцилиндрическими поверхностями 1241. Параметры гомогенизирующей пленки 124 выбираются на основании ключевых угловых характеристик входного и требуемого выходного света.
Затем свет от гомогенизирующей пленки 124 расщепляется в двух направлениях на перенаправляющем кубе 125, имеющем симметричную микропризматическую поверхность 1251, содержащую продолговатые микропризмы, расположенные с вертикальным периодом. Свет отражается на призматической поверхности 1251 с дополнительным угловым смещением и проходит сквозь куб 125, будучи перенаправленным в двух симметричных направлениях. Вертикальные и горизонтальные размеры всех компонентов модуля 122 преобразования света задаются дополнительно на основании размеров источника 121 света и передней поверхности подложки 110 (которая освещается источником 121 света). Все компоненты в модуле 122 преобразования света расположены встык друг с другом без воздушных зазоров или с малым воздушным зазором для уменьшения общей толщины первого осветительного модуля 120.
Общий вид одного коллиматора в коллимирующем массиве 123 показан на Фиг. 8С. Горизонтальная ширина 1234 выбирается на основании горизонтального размера одной области освещения источника 121 света в соответствии с принципом, описанным выше, и вертикальная высота 1235 выбирается аналогичным образом. Горизонтальная ширина 1236 задается на основании заранее вычисленного количества источников света в массиве источников 121 света и его соответствующего периода, который также вычисляется в соответствии с размером передней поверхности подложки 110 (которая освещается источником 121 света). Длина 1237 задается так, чтобы обеспечить достаточную коллимацию неколлимированного света с широким угловым распределением от источников 121 света; в общем, она вычисляется из условия обеспечения равномерного пространственного и углового распределения коллимированного света. Длина 1238 задается в соответствии с возможностями производства и общими требованиями к длине коллиматора. Радиус 1239 для цилиндрической поверхности 1233 вычисляется так, чтобы получить компонент с фокальной длиной, достаточной для дополнительной коллимации. Все параметры для одного коллиматора в коллимирующем массиве 123 являются переменными, и конструкция, показанная на Фиг. 8А-С, представляет собой только пример и может быть изменена для достижения таких же выходных характеристик света.
Надлежащая реализация модуля 122 преобразования света позволяет обеспечить требуемое угловое и пространственное распределение света для дальнейшего ввода в подложку 110 и эффективного и равномерного извлечения света для высококачественного освещения в режиме 3D отображения.
Возвращаясь к Фиг. 6, первый пучок света, выведенный из подложки 110 через призматическую структуру 111, достигает перенаправляющей пленки 140, расположенной над подложкой 110. Перенаправляющая пленка 140 выполнена с возможностью перенаправления первого пучка света сквозь себя таким образом, что первый пучок света падает по нормали к верхней поверхности перенаправляющей пленки 140.
Перенаправляющая пленка 140 может быть реализована в виде пленки с призматической структурой 141 на своей нижней поверхности. В этом случае призматическая структура 141 выполнена с возможностью перенаправления первого пучка света вследствие эффекта полного внутреннего отражения. Первый пучок света, выведенный из подложки 110 через призматическую структуру 111, достигает одной из двух сторон каждой призмы в призматической структуре 141. После преломления на упомянутой одной из двух сторон каждой призмы в призматической структуре 141 первый пучок света попадает на противоположную сторону, где он отражается вследствие эффекта полного внутреннего отражения и проходит сквозь оставшуюся часть перенаправляющей пленки 140 по нормали к ее верхней поверхности. Перенаправляющая пленка 140 может быть также реализована в виде оптической пленки с отличающейся структурой, но с теми же функциональными возможностями.
После прохождения сквозь перенаправляющую пленку 140 первый пучок света распространяется к структуре 161 с линзами Френеля, обеспеченной на нижней поверхности пленки 160 с линзами Френеля. Пленка 160 с линзами Френеля используется для фокусировки падающего первого пучка света (а также падающего второго пучка света в случае режима 2D отображения) от перенаправляющей пленки 140 в плоскости наблюдателя. Параметры каждой линзы Френеля, такие как радиус или кривизна, выбираются так, чтобы фокусировать пучок света в плоскости наблюдателя на требуемом расстоянии до дисплея.
Таким образом, основная зона наблюдения параллаксного барьера формируется в плоскости наблюдателя. Эффект параллаксного барьера достигается главным образом за счет освещения пиксельной панели линейной картиной света от подложки 110. Упомянутая линейная картина света получается вследствие того, что призматическая структура 111 расположена периодически или непериодически, формируя линии света.
Функциональная схема освещения в режиме 2D отображения проиллюстрирована на Фиг. 9. Как показано, два вторых осветительных модуля 130 расположены на боковых поверхностях подложки 110 (и вдоль длины подложки 110) для обеспечения возможности ввода света от источников 131 света в подложку 110. Вместо двух осветительных модулей 130 может использоваться только один или более двух осветительных модулей в зависимости от конкретных применений.
Как отмечено выше, осветительный модуль 130 состоит из источника 131 света и модуля 132 преобразования света. Модуль 132 преобразования света может быть реализован с увеличенной длиной вдоль направления распространения света для функционирования в качестве зонного компонента лицевой панели. Свет, испущенный источником 131 света, проходит через модуль 132 преобразования света и, будучи подверженным угловому преобразованию, вводится через боковые поверхности в подложку 110 в качестве второго пучка света. Второй пучок света распространяется внутри подложки 110 как в волноводе.
Второй пучок света, выведенный из подложки 110 через линейную структуру 112, ориентирован не по нормали, а с заранее вычисленным угловым расхождением, и падает на отражающую пленку 150. Отражающая пленка 150 выполнена с возможностью отражения и изменения углового распределения второго пучка света таким образом, чтобы второй пучок света проходил сквозь перенаправляющую пленку 140 по нормали к верхней поверхности пленки 160 с линзами Френеля. Отражающая пленка 150 может быть реализована в виде отражающей структурированной пленки с микросферическими выпуклыми или вогнутыми линзами, отражающего рассеивателя, отражающей пленки с отличающейся структурой, но с теми же функциональными возможностями, или даже в виде компоновки выбранных пленок с одними и теми же комплексными функциональными возможностями. Второй пучок света, падающий на поверхность 151, отражается вверх с измененным угловым распределением света для прохождения сквозь перенаправляющую пленку 140.
Таким образом, вышеописанный способ позволяет обеспечить равномерное пространственное и достаточное угловое распределение света для дальнейшего освещения LCD с широким полем зрения в случае режима 2D отображения. Упомянутые характеристики в значительной степени достигаются за счет структуры и расположения линейной структуры 112 на нижней поверхности подложки 110.
В общих словах, настоящее изобретение предлагает устройство 100 задней подсветки, выполненное с возможностью переключения между режимом 3D отображения и режимом 2D отображения. Когда выбран режим 3D отображения, первый осветительный модуль 120 является включенным, второй осветительный модуль 130 является выключенным и перенаправляющая пленка 140 выполнена с возможностью перенаправления первого пучка света, выводимого из подложки 110 через призматическую структуру 111, в направлении глаз наблюдателя. Когда выбран режим 2D отображения, первый осветительный модуль 120 является выключенным, второй осветительный модуль 130 является включенным и отражающая пленка 150 выполнена с возможностью отражения второго пучка света, выводимого из подложки 110 через линейную структуру 112, и изменения углового распределения второго пучка света для обеспечения прохождения второго пучка света сквозь подложку 110 и перенаправляющую пленку 140 в направлении глаз наблюдателя.
Хотя в данном документе были раскрыты примерные варианты осуществления настоящего изобретения, следует отметить, что в этих вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть выполнены любые различные изменения и модификации без отступления от объема правовой охраны, который определяется приложенной формулой изобретения. В приложенной формуле изобретения упоминание элементов в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов, если в явном виде не указано иное.