СИСТЕМА БОКОВОЙ ПОДСВЕТКИ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ДИСПЛЕЕВ (ВАРИАНТЫ)
EDGE-LIT SYSTEM FOR LIQUID CRYSTAL DISPLAYS (VERSIONS)

Заявляемое изобретение относится к системам подсветки жидкокристаллических дисплеев, в частности к системам боковой подсветки, обеспечивающим повышенную яркость и равномерность освещения.
В настоящее время известны различные конструкции систем подсветки для ЖК дисплеев. Прежде всего, можно выделить два основных типа подсветки - прямая подсветка и боковая. При использовании прямой подсветки источники излучения располагаются под ЖК панелью и непосредственно подсвечивают дисплей. Равномерность подсветки достигается за счет использования различных оптических элементов, таких как широкоугольные линзы над источниками, позволяющие получить требуемую индикатрису излучения, различные оптические пленки и т.д. Системы с прямой подсветкой позволяют достичь высокой однородности освещения ЖК дисплея, но вместе с этим имеют серьезный недостаток - большую толщину системы. В связи с этим более перспективными являются системы с боковой подсветкой ЖК дисплеев. В подсветке данного типа источники излучения расположены сбоку от дисплея и излучение от них распространяется по волноводу под ЖК панелью, постепенно и равномерно подсвечивая дисплей. При этом в качестве волновода обычно используется пластина, называемая волноводной пластиной, выполненная из оптического материала, а для постепенного, равномерного вывода излучения из нее, на пластину наносятся различные выводящие элементы. Равномерность вывода достигается соответствующей геометрией и расположением выводящих элементов, а также геометрией волноводной пластины.
Все известные системы с боковой подсветкой являются достаточно эффективными, но при этом обладают рядом существенных недостатков, связанных с применением в них волноводной пластины.
К недостаткам систем с волноводной пластиной можно отнести такие как: сложность эффективного ввода излучения через торец волноводной пластины, причем сложность дополнительно возрастает при попытке уменьшения толщины системы подсветки, относительная хрупкость тонкой волноводной пластины, что также не позволяет существенно уменьшить ее толщину, а следовательно, и толщину всей системы. Также к недостаткам волноводной пластины относятся ее большой вес и стоимость.
В связи с этим в последнее время появились системы, основанные на боковой подсветке, но при этом не использующие волноводную пластину. В качестве волновода в таких системах используется воздушная среда, заключенная между зеркальными или частично зеркальными элементами. Такой волновод получил название воздушного волновода. Он позволяет избавиться от большинства недостатков, присущих схеме с волноводной пластиной, но в то же время создает иные проблемы, которые необходимо преодолеть.
Наиболее сложной является проблема равномерного вывода излучения из воздушного волновода. В известных системах подсветки жидкокристаллических дисплеев используют различные методы вывода излучения из волновода, такие как: нанесение рассеивающих точек на нижнюю или верхнюю часть волновода, использование специальных призматических, конических или линзовых структур, наклеенных на нижнюю или верхнюю часть волновода, нанесение штриховых структур на нижнюю или верхнюю часть волновода и так далее. Все эти методы основаны на принципе нарушения закона полного внутреннего отражения в месте контакта волновода и какой-либо нанесенной или приклеенной структуры, что позволяет вывести излучение из волновода. Однако в случае отказа от использования волноводной пластины эти методы не могут быть применены из-за отсутствия физического волновода. Вывод излучения может быть организован за счет введения в систему волновода оригинальной конструкции, выполненного в виде зеркальной верхней пленки с переменными показателями как отражения, так и пропускания по ее площади (см., например, патентную заявку США № US 2010/0238686) [1]. Показатели отражения и пропускания меняются вдоль длины и ширины пленки по мере удаления от источника излучения. Основной проблемой в системах подсветки является неоднородность яркости дисплея. Для решения этой проблемы показатели отражения и пропускания верхней пленки меняются по достаточно сложному закону (см. Фиг.1). Самым существенным недостатком данной схемы является необходимость непрерывного плавного изменения показателей отражения и пропускания для обеспечения равномерности подсветки. Практически возможно только изготовление пленки с зональным изменением показателей отражения и пропускания, что приводит к большой неравномерности в подсветке ЖК дисплея. Также вывод излучения может быть организован при помощи усовершенствованной коллимирующей системы и верхней, образующей волновод, пленки с перфорацией (см. патентную заявку США №2011/0032449) [2]. Пленка может быть перфорирована отверстиями различной формы и по различным законам распределения этих отверстий. Подразумевается, что при таком методе вывода коллимирующая система должна обеспечивать малую расходимость излучения на входе в воздушный волновод (не более 30 градусов), а перфорированная верхняя пленка позволит порционно выводить излучение из воздушного волновода на ЖК дисплей (см. Фиг.2). При этом излучение выводится под достаточно большими углами наклона по отношению к нормали дисплея. Такое освещение дисплея, который хорошо работает только при падении излучения под углами, близкими к нормали, является крайне неэффективным. Поэтому подобный способ вывода требует дополнительного перемешивания излучения, которое осуществляется в еще одном дополнительном волноводе, расположенном непосредственно над первым (см. Фиг.3). Описанная система может рассматриваться в качестве прототипа заявляемого изобретения. В качестве недостатков такой системы следует отметить, что система с двумя воздушными волноводами не может в полной мере обеспечить необходимой угловой индикатрисы выходящего из системы подсветки излучения из-за недостаточного рассеяния в воздушной среде верхнего волновода и, как следствие, недостаточного перемешивания различных угловых мод выходящего излучения. Кроме того, система, состоящая из большого числа элементов и включающая в себя коллиматор, является относительно дорогой и сложной в юстировке.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке системы подсветки жидкокристаллических дисплеев на основе воздушного волновода, обеспечивающей высокую однородность подсветки жидкокристаллического экрана и необходимую угловую индикатрису излучения, выходящего из системы подсветки. При этом такая система должна быть применима для ЖК дисплеев с большой диагональю, но иметь уменьшенные габариты, повышенную надежность и простоту юстировки.
Технический результат достигается за счет разработки системы подсветки (в двух вариантах) жидкокристаллических дисплеев, обеспечивающей высокую равномерность, яркость и требуемую угловую индикатрису подсветки. При этом реализация системы подсветки предусматривает либо перемешивание излучения и вывод его из воздушного волновода только при помощи зеркально-диффузной пленки, либо использование дополнительной световодной пленки, которая позволяет значительно снизить требования к точности изготовления зеркально-диффузной пленки.
В Варианте 1 система подсветки ЖК дисплеев содержит:
- источник излучения в виде, по меньшей мере, одного светодиода;
- нижнее зеркало с зеркальным покрытием;
- верхнюю зеркально-диффузную пленку, расположенную над нижним зеркалом и выполненную в виде пластины, изготовленной из материала с объемным диффузным рассеянием, причем на нижнюю сторону пластины нанесено зеркальное покрытие, имеющее ряд прозрачных областей;
- боковые зеркала, расположенные с четырех сторон и образующие совместно с нижним зеркалом и верхней зеркально-диффузионной пленкой воздушный волновод.
В Варианте 2 система подсветки ЖК дисплеев содержит:
- источник излучения в виде, по меньшей мере, одного светодиода;
- нижнее зеркало с зеркальным покрытием;
- верхнюю зеркально-диффузную пленку, расположенную над нижним зеркалом и выполненную в виде пластины, изготовленной из материала с объемным диффузным рассеянием, причем на нижнюю сторону пластины нанесено зеркальное покрытие, имеющее ряд прозрачных областей;
- боковые зеркала, расположенные с четырех сторон и образующие совместно с нижним зеркалом и верхней зеркально-диффузионной пленкой воздушный волновод;
- световодную пленку, расположенную непосредственно над нижним зеркалом и выполненную с возможностью передачи части излучения от источников на противоположный конец воздушного волновода.
Следует отметить, что признак «прозрачный» в отношении областей зеркального покрытия должен пониматься как противопоставление признаку «непрозрачный», то есть включает в себя как абсолютную прозрачность, так и частичную прозрачность.
Для лучшего понимания сути изобретения далее приводятся примеры реализации изобретения со ссылками на графические материалы.
Фиг.1 - Система с переменным показателем отражения и пропускания, известная из уровня техники.
Фиг.2 - Система прототипа с коллимирующей системой, известная из уровня техники.
Фиг.3 - Система прототипа с коллимирующей системой и дополнительным волноводом, известная из уровня техники.
Фиг.4 - Система подсветки в заявляемом варианте 1.
Фиг.5 - Система подсветки в заявляемом варианте 2;
Фиг.6 - Конструкция световодной пленки для системы подсветки в заявляемом варианте 2.
Представленная на Фиг.4 схема заявляемой системы подсветки ЖК дисплеев в варианте 1 предусматривает, что излучение от светодиодных источников 11 распространяется в воздушном волноводе, образованном нижним зеркалом 13, боковыми зеркалами 14 и верхней зеркально-диффузной пленкой 12. Зеркально-диффузная пленка представляет собой тонкую пластину из оптического материала с диффузным рассеянием, используемую в качестве подложки, на нижнюю поверхность которой нанесено зеркальное покрытие 15, снабженное рядом прозрачных отверстий 16. Число прозрачных отверстий может варьироваться в конкретных конструкциях, но в любом случае предпочтительным является наличие нескольких (>1) отверстий, обеспечивающих выход множества пучков света. Таким образом, распространяясь в воздушном волноводе, излучение от источников по мере его распространения в волноводе порционно выводится через прозрачные области по всей площади волновода. Затем выведенное таким образом излучение, претерпевает дополнительное рассеяние в диффузном материале зеркально-диффузной пленки и после выхода из системы подсветки освещает жидкокристаллический дисплей (не показан на иллюстрациях). Подобная комбинация зеркального покрытия с рядом прозрачных областей и подложки из диффузного материала позволяет получить одновременно и хорошую однородность, и высокую яркость системы подсветки.
Представленная на Фиг.5 схема заявляемой системы подсветки ЖК дисплеев в варианте 2 предусматривает, что излучение от светодиодных источников 110 распространяется в воздушном волноводе, образованным нижним зеркалом 130, боковыми зеркалами 140 и верхней зеркально-диффузной пленкой 120. Зеркально-диффузная пленка представляет собой пластину из оптического материала с диффузным рассеянием, используемую в качестве подложки, на нижнюю поверхность которой нанесено зеркальное покрытие 150, содержащее ряд прозрачных областей 160. Часть излучения от источников в процессе распространения попадает на расположенную снизу световодную пластину 170. Эта пластина имеет приемную часть 171 (Фиг.6), выполненную в виде призматической структуры. Излучение, попадая в световодную пленку через приемную часть, далее распространяется в ней, как в волноводе, до противоположного конца пластины, на котором расположена выводящая часть 172. Выводящая часть 172 также выполнена в виде призматической структуры, через которую излучение выводится из световодной пластины. Такая световодная пластина позволяет эффективно перенести часть излучения от источников к противоположному концу воздушного волновода и значительно снижает требования к форме и расположению прозрачных областей на зеркально-диффузионной пленке. Таким образом, распространяясь в воздушном волноводе, излучение от источников по мере его распространения в волноводе порционно выводится через прозрачные области по всей площади волновода. Затем выведенное таким образом излучение претерпевает дополнительное рассеяние в диффузном материале зеркально-диффузной пленки и после выхода из системы подсветки освещает жидкокристаллический дисплей (не показан на иллюстрациях). Подобная комбинация зеркального покрытия с рядом прозрачных областей и подложки из диффузного материала позволяет получить одновременно и хорошую однородность, и высокую яркость системы подсветки.
Оба варианта, описанные в качестве примеров реализации заявляемого изобретения, могут найти применение в разработке конструкций устройств с ЖК дисплеями, отличающимися уменьшенной толщиной и высокой однородной яркостью подсветки.