ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ИНТЕГРАЛЬНЫМ СВЕТОВОДОМ
ILLUMINATION DEVICE WITH INTEGRATED LIGHT GUIDE

Область техники
Настоящее изобретение относится к осветительному устройству с интегральным световодом и, более конкретно, - к интегральному устройству задней подсветки для жидкокристаллических дисплеев.
Предшествующий уровень техники
Как известно, обычному жидкокристаллическому дисплею требуется устройство задней подсветки, дающее равномерное освещение по всему дисплею. Характеристики устройства задней подсветки сильно зависят от используемой световодной пластины, а также от принципа его работы. Наиболее общая типология световодной пластины использует картину дифракции или рассеяния, которая локализована на одной поверхности световодной пластины (например, на нижней поверхности), и во время работы имеет возможность диффрагировать или рассеивать световые лучи, посылаемые источником света, в направлении противоположной прозрачной поверхности (например, верхней поверхности) таким образом, чтобы световые лучи, исходящие из этой прозрачной поверхности световодной пластины, могли достигать жидкокристаллическую панель, удобно расположенную параллельно этой прозрачной поверхности. Устройство задней подсветки такого рода раскрыто, например, в патентах США 5703667 и 7221416.
В известном варианте исполнения, раскрытом в патенте США 5703667 и показанном на фиг.1, устройство 1 задней подсветки содержит световодную пластину 2, имеющую верхнюю поверхность 2а, действующую как светоизлучающая поверхность, первую нижнюю поверхность 2b, на которую нанесено множество дифракционных элементов 3, флуоресцентную трубку 4, направленную в сторону поверхности 2с падения света и создающую световые пучки, идущие практически вдоль опорной оси Х, отражающую пластину 5, расположенную под нижней поверхностью 2b, и светоформирующие слои 6, 7, расположенные над первой верхней поверхностью 2а. Более конкретно, каждый дифракционный элемент 3 содержит участок 3а с решеткой, включающий в себя ряд штрихов, нанесенных один рядом с другим, и участок 3b без решетки, обращенные в сторону отражающей пластины 5. Отношение ширины участка с решеткой к ширине участка без решетки увеличивается по мере того, как дифракционный элемент 3 продолжается все далее от поверхности 2с падения света, так что количество дифрагированного света пропорционально увеличивается по мере уменьшения количества света от флуоресцентной трубки 4. Поэтому высокоэнергетичные световые лучи, более близкие к поверхности 2с падения света, претерпевают более слабую дифракцию относительно низкоэнергетичных световых лучей, отстоящих дальше от поверхности 2с падения света.
Для оптимальной работы вышеописанного устройства каждый дифракционный элемент 3 должен быть рассчитан и выполнен максимально точно, так чтобы световые лучи, исходящие из флуоресцентной трубки 4, падающие на участок 3а с решеткой, дифрагировались на нем таким образом, чтобы усилить световые составляющие, которые могут исходить из верхней поверхности 2а, обеспечивая освещение жидкокристаллического дисплея.
Между световыми пучками, падающими на дифракционный элемент 3, и соответствующими дифрагированными пучками существует следующее соотношение (1):
(Sin <i>i</i>-Sin <i>θ</i>)=±<i>m(λ/d)</i>
(1)
i
θ
λ
m
d
где:  - угол падения;  - угол дифракции;  - длина волны светового пучка, испущенного флуоресцентной трубкой 4;  - целое число, определяющее порядок дифракции;  - постоянная дифракционной решетки, то есть расстояние от одного штриха до другого участка 3а с решеткой дифракционного элемента 3.
i
d
λ
m
Поэтому правильным выбором величины  угла падения и постоянной  дифракционной решетки в зависимости от длины волны  внутри световодной пластины 2 можно предопределить путь дифрагированных лучей любого дифракционного порядка. Например, можно сделать так, чтобы дифрагированные световые лучи низшего порядка (то есть, при =1) следовали по заданному пути и достигали верхней поверхности 2а под углом, меньшим, чем критический угол, для которого имело бы место полное внутреннее отражение.
i
θ
Поскольку световые пучки, испущенные флуоресцентной трубкой 4, излучаются вдоль оси Х, то угол падения, необходимый для получения заданного угла дифракции , получается наклоном нижней поверхности 2b под углом, изменяющимся в диапазоне от 0,5 до 5° над осью Х.
Поскольку световой пучок, падающий на дифракционный элемент 3, имеет спектральное распределение с максимумами в красной, зеленой и синей областях спектра, то дифрагированный световой пучок может представлять собой RGB-спектр. Чтобы собрать дифрагированные световые лучи и выпустить из верхней поверхности 2а белый свет, над этой верхней поверхностью параллельно ей установлены диффузионная пластина 6 и коллекторный призматический лист, которые предназначены для смешения лучей RGB-спектра и получения равномерного белого света.
Другой известный вариант исполнения раскрыт в патенте США 7221416 и показан на фиг.2. Устройство 10 задней подсветки включает в себя световодную пластину 11, имеющую верхнюю поверхность 11а, действующую как светоизлучающая поверхность, нижнюю поверхность 11b, рассеивающий шаблон 12, содержащий набор пазов, выполненных один рядом с другим и нанесенных по всей нижней поверхности 11b, а также множество монохромных светоизлучающих диодов 13, установленных по боковым сторонам 14а, 14b второй световодную пластины 11 и испускающих монохромные красный, зеленый и синий световые пучки с углами β расхождения вверх и вниз. Для того чтобы получить полное смешение монохромных световых пучков и, таким образом, иметь белое световое излучение со второй верхней поверхности 11а, важно точно контролировать величину углов β расхождения излучения монохромных светодиодов 13 вверх и вниз, так чтобы красный, зеленый и синий световые пучки могли смешиваться вместе, образовав белый световой пучок до достижения им рассеивающего шаблона 12. Таким образом, в направлении второй верхней поверхности 11а рассеивается только белый свет. С этой целью углы β расхождения излучения вверх и вниз каждого монохромного светодиода 13 соответствующими линзами (не показаны) могут быть скорректированы, чтобы получить измененные углы β' расхождения излучения вверх и вниз, которое имеет меньшую амплитуду, чем излучение светодиодов 13 с углами β расхождения излучения вверх и вниз.
Поэтому вышеописанное устройство имеет преимущество в применении тогда, когда монохромные светодиоды 13 используются в комбинации с линзами, которые позволяют достичь нужных измененных углов β' расхождения излучения вверх и вниз, с тем, чтобы управлять направлением испускания световых пучков до достижения ими рассеивающего шаблона 12.
Более того, важно, чтобы пазы рассеивающего шаблона 12 были нанесены чрезвычайно точно для достижения рассеяния пучков падающего света почти перпендикулярно верхней поверхности 11а, таким образом, максимизируя испускание света вторым устройством 10 задней подсветки и уменьшая световые пучки полного внутреннего отражения.
Краткое изложение сущности изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение конструктивных противоречий и недостатков устройств существующего уровня техники.
Предложенный модуль задней подсветки для жидкокристаллических дисплеев обеспечивает преимущество, состоящее в том, что он содержит рассеивающий шаблон для светового излучения, испущенного по всей нижней поверхности световодной пластины, что не накладывает ограничения ни на углы расхождения излучения, ни на углы падения светового излучения на рассеивающем шаблоне.
В соответствии с настоящим изобретением предложено устройство задней подсветки в том виде, как оно определено в п.1 формулы изобретения.
В одном варианте выполнения модуль задней подсветки для жидкокристаллических дисплеев содержит световодную пластину, установленную параллельно жидкокристаллической панели, для освещения задней стороны этой жидкокристаллической панели, при этом световодная пластина имеет рассеивающий шаблон, образованный на нижней поверхности противоположной и параллельной верхней поверхности световодной пластины. На противоположных первой и второй боковых сторонах световодной пластины выставлены первая и вторая матрицы источников света для создания светового излучения между нижней и верхней поверхностями световодной пластины; на третьей боковой стороне световодной пластины выставлена третья матрица источников света, связанная с фильтром для ночного видения (NGV-фильтр), предназначенного для обрезания во время ночной работы компонентов светового излучения, близкого к инфракрасному.
Рассеивающий шаблон, образованный на нижней поверхности световодной пластины, содержит множество рассеивающих элементов, имеющих переменную ширину, определенных множеством выгравированных линий, имеющих переменную глубину, выполненных с возможностью рассеяния светового излучения внутри нижней поверхности.
Под нижней поверхностью и параллельно ей расположен рефлектор заднего света, который установлен с возможностью отражения назад в рефлекторную пластину светового излучения, рассеянного рассеивающим шаблоном внутри нижней поверхности. Таким образом, световое излучение, которое взаимодействует с рассеивающим шаблоном, сначала рассеивается внутри нижней поверхности световодной пластины, затем отражается назад рефлектором заднего света, и, наконец, повторно рассеивается рассеивающим шаблоном в световодную пластину. В соответствии с этим процессом световое излучение претерпевает, по меньшей мере, двойное рассеяние, прежде чем будет испущено через верхнюю поверхность световодной пластины в направлении жидкокристаллической панели.
Каждая выгравированная линия рассеивающего шаблона при виде сбоку, предпочтительно, имеет треугольную форму, так что в направлении в световодной пластине от источников света глубина каждой выгравированной линии постепенно увеличивается, в то время как расстояние, измеренное между вершиной основания одной выгравированной линии и вершиной основания другой выгравированной линии, соседней с первой, постепенно уменьшается. Эта геометрия позволяет там, где количество светового излучения становится меньше (то есть, при удалении от источников света), рассеивать световое излучение с максимальной эффективностью. При рассмотрении случая, когда первая и вторая матрицы источников света расположены на противоположных боковых сторонах световодной пластины, минимальное межбазовое расстояние и максимальная глубина достигаются на промежуточных расстояниях между первой и второй боковыми сторонами.
Устройство задней подсветки, предпочтительно, дополнительно содержит по меньшей мере одну светоформирующую пленку, расположенную между световодной пластиной и жидкокристаллической панелью для направления испущенного светового излучения в направлении этой жидкокристаллической панели.
Первая, вторая и третья матрицы источников света, предпочтительно, включают в себя белые светоизлучающие диоды (светодиоды). Альтернативно, первая, вторая и третья матрицы источников света могут представлять собой матрицы монохромных RGB-светодиодов.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания настоящего изобретения теперь будут описаны варианты его выполнения, которые предназначены только лишь в качестве примеров, и не должны истолковываться как его ограничивающие, со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает вид сбоку первого известного устройства задней подсветки для жидкокристаллических дисплеев;
Фиг.2 - вид сбоку второго известного устройства задней подсветки для жидкокристаллических дисплеев;
Фиг.3 - общий вид устройства задней подсветки в разобранном виде для жидкокристаллических дисплеев в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения;
Фиг.4 - вид сверху рассеивающего шаблона в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения, причем светоформирующие пленки удалены;
Фиг.5 - вид сбоку устройства задней подсветки для жидкокристаллических дисплеев в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения;
Фиг.6 - увеличенный вид сбоку участка рассеивающего шаблона во время работы в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения;
Фиг.7 - световодная пластина устройства задней подсветки для жидкокристаллических дисплеев в соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения;
Фиг.8а и 8b - вид сбоку участка рассеивающего шаблона в соответствии с другими вариантами исполнения настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения
На фиг.3 показан общий вид модуля 20 задней подсветки в разобранном виде, включающего в себя световодную пластину 21, имеющую рассеивающий шаблон 22, выполненный непрерывно по всей нижней поверхности 23; первую и вторую матрицы источников света 24, 25, продолжающиеся вдоль направления оси Х по первой и второй боковым сторонам световодной пластины 21, одна напротив другой, и испускающие внутри этой световодной пластины 21 белое световое излучение; третью матрицу источников света 26, продолжающуюся по третьей боковой стороне световодной пластины 21 в направлении оси Y, испускающую белое световое излучение и соединенную с фильтром ночного видения 27 (NGV); рефлектор 28 задней подсветки, расположенный под нижней поверхностью 23 световодной пластины 21 и поддерживаемый опорным слоем 32; одну или большее количество светоформирующих пленок 29 (на фиг.3 показана только одна светоформирующая пленка 29), расположенных между верхней поверхностью 30 световодной пластины 21 и жидкокристаллической панелью 31 жидкокристаллического дисплея (не показан).
Световодная пластина 21 может быть выполнена из оптической пластмассы (например, из метакрилата или акрилового стекла) или, вообще говоря, из оптически чистых термостабильных полимеров, поэтому световодная пластина 21 является дешевой, имеет высокую степень чистоты и обеспечивает низкое поглощение и рассеяние светового излучения, испускаемого матрицами источников света 24, 25, 26. Для получения аналогичных характеристик могут быть использованы другие материалы, такие как стекло. Световодная пластина 21, предпочтительно, имеет форму параллелепипеда, имеющего, например, короткую сторону величиной около 62 мм, длинную сторону величиной около 83 мм и толщину 1,2 мм. При изготовлении световодной пластины 21 рекомендуется точно контролировать ее толщину, поскольку неуправляемые изменения толщины могут вызвать непредсказуемое неравномерное изменение распределения светового излучения внутри световодной пластины 21.
В данном варианте выполнения первая и вторая матрицы источников света 24, 25 выставлены относительно коротких боковых сторон световодной пластины 21, а третья матрица источников света 26 выставлена относительно одной из двух длинных сторон с наложением на NGV-фильтр 27. Матрицы источников света 24, 25, 26, предпочтительно, испускают белое световое излучение (они могут быть, например, матрицами белых светодиодов). Как известно, компоненты любого светового излучения, близкие к инфракрасным, взаимодействуют с излучением ночного времени, по этой причине световое излучение, испускаемое третьей матрицей источников света 26, до поступления в световодную пластину 21 фильтруется NGV-фильтром 27, так что компоненты, близкие к инфракрасному излучению, отсекаются.
Для работы в дневное время первая и вторая матрицы источников света 24, 25 включаются, а третья матрица источников света 26 отключена; для работы в ночное время первая и вторая матрицы источников света 24, 25 отключаются, а третья матрица источников света 26 начинает работать.
Белое световое излучение, испускаемое третьей матрицей источников света 26, лишенное посредством NGV-фильтром 27 компонент, близких к инфракрасному излучению, приобретает слегка голубой цвет. Следовательно, во время ночной работы желательно проведение цветовой коррекции светового излучения, отфильтрованного NGV-фильтром 27, с тем, чтобы сохранить цвет светового излучения близким к белому. Эта цветовая коррекция выполняется цветокорректирующей пленкой 38, выполненной, например, из полиэфира и имеющей толщину 0,2 мм, размещенной параллельно NGV-фильтру 27. Цветокорректирующая пленка 38 используется для формирования хроматического спектра светового излучения, испускаемого третьей матрицей источников света 26, для получения по существу белого светового излучения.
Под световодной пластиной 21 расположен рефлектор 28 задней подсветки, образованный имеющейся в коммерческой продаже зеркальной пленкой сверхвысокого отражения с оптическим увеличением, имеющей толщину порядка, например, 100 мкм. Рефлекторная способность рефлектора 28 задней подсветки, предпочтительно, постоянна по всему видимому спектру и не дает нежелательных цветовых смещений. Высокорефлекторные рефлекторы 28 задней подсветки, предпочтительно, имеют минимальные световые потери. Этот рефлектор 28 задней подсветки выгодно не имеет предпочтительного направления отражения, чем гарантируется равномерное отражение для любых углов падения световых пучков.
Над световодной пластиной 21 уложена одна или большее количество светоформирующих пленок 29 (на фиг.3 показана только одна из них) такого типа, который имеется в продаже. Светоформирующие пленки 29 могут иметь микроструктурированные поверхности, которые используют механизмы преломления и/или отражения для повышения эффективности модуля задней подсветки, а также для увеличения равномерности и концентрации светового излучения.
На фиг.4 показан вид сверху рассеивающего шаблона 22 (светоформирующие пленки 29 удалены), образованного на нижней поверхности 23 гравировкой на этой нижней поверхности 23 пазов 35, параллельно боковым сторонам световодной пластины 21, которые направлены в сторону источника света, таким образом, чтобы снабдить эти боковые стороны множеством рассеивающих элементов 36. Каждый рассеивающий элемент 36 имеет, например, усеченную пирамидальную, наклонную усеченную пирамидальную, параллелепипедную или просто призматическую форму, причем его боковые стороны выполнены вдоль осей Х и Y и определяются выгравированными пазами 35. Боковые стороны рассеивающих элементов 36, которые продолжаются вдоль оси Х, рассеивают световое излучение, испущенное первой и второй матрицами источников света 24, 25 (то есть, для дневного видения), а боковые стороны рассеивающих элементов 36, которые продолжаются вдоль оси Y, рассеивают световое излучение, испущенное третьей матрицей источников света 26 (то есть, для ночного видения).
Выгравированные пазы 35 могут быть образованы техникой лазерной гравировки, выполняемой, например, со скоростью, 1500 мм/с, с частотой, изменяющейся в диапазоне от 2 до 3 кГц, и с мощностью гравировки в диапазоне от 5 до 10 Вт - при нанесении выгравированных пазов 35, параллельных оси Х, для дневного видения, и с мощностью гравировки в диапазоне от 4 до 8 Вт - при нанесении выгравированных пазов 35, параллельных оси Y, для ночного видения.
В настоящем варианте исполнения каждый рассеивающий элемент 36, относящийся к рассеивающему шаблону 22, на виде сверху имеет прямоугольное основание с двумя сторонами, параллельными оси Х, и с двумя сторонами, параллельными оси Y. Как видно на фиг.4, длина сторон, параллельных оси Y, постепенно увеличивается с увеличением расстояния от первой и второй матриц источников света 24, 25 (в направлении центра рассеивающего шаблона 22), в то время как длины сторон, параллельных оси Х, с увеличением расстояния от третьей матрицы источников света 26 постепенно уменьшаются.
На фиг.5 представлено поперечное сечение половины модуля задней подсветки во время его работы, из которого может быть уяснена боковая форма выгравированных пазов 35, а также рассеивающих элементов 36, принадлежащих рассеивающему шаблону 22.
Здесь, на поперечном сечении, выгравированные пазы 35 представляют собой треугольники с постоянной длиной b основания и переменной глубиной h. В частности, при перемещении от первой матрицы источников света 24 к центру рассеивающего шаблона 22 глубина h параллельных выгравированных пазов 35 возрастает, а межбазовое расстояние v между вершиной основания одного выгравированного паза 35 и вершиной основания другого выгравированного паза 35, соседнего с первым, уменьшается.
Соответствующим образом, рассеивающие элементы 36 имеют форму, определенную выгравированными пазами 35 и нижней поверхностью 23 световодной пластины 21. Например, каждый рассеивающий элемент 36 в своем поперечном сечении имеет форму четырехстороннего многоугольника, причем, одна сторона которого является идеальным сопряжением между верхними вершинами соседних выгравированных пазов 35.
Во время работы первая матрица источников света 24 испускает световое излучение, которое передается в световодную пластину 21 (для ясности на чертеже показан только один источник света 39, принадлежащий первой матрице источников света 24).
Часть светового излучения, например, испущенные световые лучи L1 и L2 на фиг.5, попадает на рассеивающий шаблон 22, соответственно, вблизи и удаленно от первого источника света 24, и рассеивается соответствующим рассеивающим элементом 36 под рассеивающим шаблоном 22, который является прозрачным для светового излучения, испущенного матрицей источников света, что условно показано на фиг.6.
Более подробно (см. фиг.6), - испущенный световой луч L1, падающий на рассеивающий шаблон 22, равномерно рассеивается этим рассеивающим шаблоном 22, что показано идущими вниз рассеянными световыми лучами d1, d2, d3, в диапазоне некоторого угла γ, то есть в угле, заключенном между идущими вниз световыми лучами d1 и d3.
Каждый из идущих вниз рассеянных световых лучей d1-d3, условно показанных стрелками, достигает рефлектора 28 задней подсветки и затем отражается назад в направлении рассеивающего шаблона 22, что показано отраженными световыми лучами r1, r2, r3. Каждый из отраженных световых лучей r1-r3 претерпевает процесс вторичного отражения, который расщепляет отраженные световые лучи r1-r3 на идущие вверх рассеянные световые лучи u1-u9, производя, таким образом, по меньшей мере двойное рассеяние светового излучения, испущенного первой матрицей источников света 24 на фиг.5.
Второй процесс рассеяния, которому подвергаются отраженные световые лучи r1-r3, еще более увеличивает равномерность светового излучения внутри световодной пластины 21, а следовательно, и равномерность светового излучения, исходящего из верхней поверхности 30. Кроме того, во время процесса вторичного отражения монохромные спектры, которые могут образовываться во время взаимодействия между белым световым излучением и рассеивающим шаблоном 22, перемешиваются между собой, в результате чего из верхней поверхности 30 обеспечивается испускание белого светового излучения.
Как показано на фиг.5, некоторые из световых лучей, испущенных источником света 24 (например, L3), могут претерпеть по меньшей мере одно полное внутреннее отражение, прежде чем достигнут рассеивающего шаблона 22. Более того, некоторые из направленных вверх рассеянных световых лучей u1-u9 (например, направленный вверх рассеянный световой луч u6 на фиг.5) в зависимости от угла падения каждого из световых лучей u1-u9 на верхнюю поверхность 30 могут претерпеть дополнительное полное внутреннее отражение, будучи, таким образом, отраженными назад к рассеивающему шаблону 22 и вновь подвергаясь процессу двойного рассеяния.
Другие световые лучи (например, направленные вверх рассеянные световые лучи u4 и u5 на фиг.5), падая на верхнюю поверхность 30 под таким углом падения, для которого нет условий полного внутреннего отражения, испускаются из этой верхней поверхности 30.
В результате, вследствие большого количества световых лучей, которые идут внутри световодной пластины 21, по существу, по случайным путям, а также переменной геометрии выгравированных пазов 35, а, значит, и рассеивающих элементов 36, внутри всей световодной пластины 21 создается чрезвычайно высокая равномерность светового излучения.
Ясно, что в изобретение могут быть внесены многочисленные модификации и все варианты выполнения соответствуют объему изобретения, в том виде, как он определен в приложенных пунктах формулы изобретения.
В частности, как показано на фиг.7, на свободной стороне световодной пластины 21 напротив третьей матрицы источников света 26 может быть помещена четвертая матрица источников света 41 с соответствующим NGF-фильтром 37 и с соответствующей цветокорректирующей пленкой 40, делая, таким образом, распределение источников света симметричным. В этом случае выгравированные пазы 35 имеют уменьшающееся межбазовое расстояние v и увеличивающуюся глубину h при перемещении от всех матриц источников света 24-26, 41 к центру рассеивающего шаблона 22. Что касается остального, модуль 20 задней подсветки по фиг.7 подобен модулю, описанному применительно к фиг.3-6.
Можно также использовать только две матрицы источников света, - одну для дневного видения, другую для ночного видения - с соответствующих сторон световодной пластины 21. В этом случае выгравированные пазы 35 имеют уменьшающееся межбазовое расстояние v и увеличивающуюся глубину h при перемещении от матриц источников света в направлении, противоположном боковой стороне световодной пластины 21.
Кроме того, световод 21 может иметь форму, отличную от прямоугольной, она может быть, например, квадратной или круглой формы в соответствии с формой жидкокристаллического дисплея и области, предназначенной к освещению.
Рассеивающий шаблон 22 может иметь другие формы, например формы световода 21, и он может покрывать либо всю поверхность световодной пластины 21, либо некоторые ее участки в соответствии с необходимостью.
Каждый выгравированный паз 35 может иметь форму, отличную от треугольной формы, видимой на боковой проекции, например прямоугольную или трапецеидальную, как показано на фиг.8а, 8b, а рассеивающие элементы 36 могут быть расположены иным образом, чем в виде матрицы по фиг.4.
Наконец, первая, вторая и третья матрицы источников света 24, 25, 26 могут быть выполнены на основе монохромных источников света, то есть с использованием красного, зеленого и синего светодиодов. В этом случае угол испускания каждого монохромного источника света становится не важным, поскольку монохромное излучение, создаваемое каждым монохромным источником света, в результате двойного процесса рассеяния дает белый свет.