УСТРОЙСТВО ПОДСВЕТКИ
ILLUMINATION DEVICE

Изобреение относится к видеотехнологиям, а более конкретно - к устройствам подсветки для дисплеев на жидких кристаллах (ЖК-дисплеев). Такие устройства подсветки используются для того, чтобы обеспечить равномерное освещение ЖК-панели излучением от светодиода.
Известны устройства подсветки с источниками освещения, разнесенными один от другого в плоскости за ЖК-панелью, и снабженные пластиной-световодом с боковым пропусканием пучка, исходящего от каждого светодиода. Такая конфигурация имеет преимущество перед конструкцией с размещением светодиодов по одну сторону ЖК-панели за счет улучшенных температурных условий, она также отличается малой толщиной с высокой равномерностью по сравнению с конструкциями, основанными на светодиодах с линзами фронтального излучения. Устройство выхода светового потока (оно может быть реализовано в виде призменных элементов или диффузионных приспособлений, установленных, по меньшей мере, на одной поверхности пластины-световода для изменения направления светового потока, смешивания световых пучков и т.д.) обеспечивает равномерное освещение ЖК-панели.
В выложенной заявке на патент США №2007/0200118 [1] описано устройство задней подсветки, содержащее массив светоизлучающих диодов, расположенных между отражающим слоем и оптической пленкой, снабженной множеством расположенных на ней оптических элементов, некоторые из которых, т.е. оптические элементы, имеют воронкообразные углубления с вращательной симметрией для отражения излучения светодиодов, а форма других оптических элементов не имеет вращательной симметрии. Под оптическими элементами расположен отражающий слой. При этом свет СИД не имеет возможности распространяться вверх через область воронкообразных углублений. Основные недостатки данного устройства заключаются в отсутствии возможности контроля однородности освещения и угловой апертуры выходящего света, а также в потерях света, поглощаемого отражающей поверхностью.
В устройстве подсветки, описанном в патенте США №6679621 [2], использована дополнительная пленка с отражающимися зонами, однако эта конструкция является слишком толстой, чтобы обеспечить равномерное освещение на выходе.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является техническое решение, описанное в выложенной заявке США №2005/0264716 [3], в которой предложена осветительная конструкция для ЖК-дисплея (см. Фиг.1), состоящая из одного светодиода или из нескольких светодиодов, разнесенных между собой на заданные расстояния и размещенных в ряд на подложке, и из формованного элемента, верхняя сторона которого представляет собой две кривые поверхности такого радиуса, который обеспечивает полное отражение светового потока, исходящего от светодиода. Кроме того, множество выпуклостей на верхней стороне подложки образуют средство для рассеивания света, чтобы обеспечить равномерное освещение на выходе блока подсветки. Такая конструкция может обеспечить достаточно равномерное освещению ЖК-панели, однако она имеет и ряд недостатков: рассеивающая или зеркальная подложка нарушает TIR-условие (TIR - это английское сокращение для термина «полное внутренне отражение») на нижней поверхности формованной части в целом, поэтому на подложке происходят световые потери (1-10% потери света за время одного лишь светового отражения), кроме того, отсутствует возможность распространения света внутри формованной части на значительное расстояние от источника света, поэтому возможность смешивания световых потоков от различных светодиодов весьма ограничена. Строго определенная геометрия верхней стороны (только две сферические поверхности) формованной части не позволяет использовать мощные светодиоды для освещения ЖК-панели в этой конструкции подсветки, имеющей тонкую формованную часть.
У известных из уровня техники решений можно выделить две основные проблемы:
- очень высокие требования к допускам при изготовлении профиля кривизны элементов бокового выпуска света;
- не поддающаяся контролю утечка светового потока на боковых поверхностях элементов бокового выпуска света: световой поток от соседних светодиодов может легко пройти через боковые поверхности элементов соседних ячеек.
Заявляемое изобретение направлено на решение двух этих проблем.
Технический результат достигнут за счет разработки усовершенствованной конструкции устройства подсветки, при этом заявляемое устройство включает в себя:
- множество светодиодов, имеющих светоизлучающую поверхность с углом рассеяния светового потока в угловой апертуре до ±90° от нормали к упомянутой светоизлучающей поверхности, при этом упомянутые светодиоды разнесены один от другого в общей плоскости,
- пластину-световод, выполненную из прозрачного оптического материала, включающую в себя:
- первую поверхность, имеющую зоны падения света, а также центральные зоны и боковые зоны, находящиеся рядом с зонами падения света;
- вторую поверхность, имеющую множество вогнутостей, сопряженных с упомянутыми зонами и обладающих плоскостью симметрии, причем боковые поверхности упомянутых вогнутостей имеют форму, обеспечивающую возможность отражения за счет эффекта полного внутреннего отражения части светового потока, исходящего из зон падения света в пределах угловой апертуры вплоть до α=±arcsin (1/n) от нормали до упомянутых зон падения света, где n - коэффициент преломления прозрачного вещества;
- средство выпуска света, выполненное с возможностью обеспечить нарушение эффекта полного внутреннего отражения;
- отражающую поверхность, размещенную под упомянутой пластиной-световодом;
при этом упомянутые центральные зоны имеют общую плоскость симметрии с сопряженными вогнутостями и сформированы из двух поверхностей, величина угла между которыми лежит в диапазоне от 120 градусов до 60 градусов.
Отличительным признаком заявляемого решения является геометрическая форма пластины-световода. Благодаря этой новой форме пластина-световод является тонкой и простой в производстве. Она выполнена с возможностью интеграции световых потоков и распространения их в пластине-световоде за счет эффекта полного внутреннего отражения (TIR-эффект) практически без потерь.
Предложенная геометрия пластины-световода и основанная на ней конструкция устройства подсветки обеспечивают контролируемую равномерность светового потока. Требуемая степень равномерности обеспечивается за счет оптимизации распределения ячеек (здесь под ячейкой понимается связка рабочих элементов при каждом светодиоде) и оптимизации геометрии боковой зоны, прилегающей к зоне, непосредственно контактирующей с источником света на нижней поверхности пластины-световода.
Заявленная геометрия центральной зоны, размещенной в зоне, которая непосредственно контактирует с источником света, обеспечивает приемлемые производственные допуски профиля у средства бокового выпуска светового потока.
Далее существо заявляемого изобретения поясняется с привлечением графических материалов.
Фиг.1 - известное решение по [3].
Фиг.2 - один из рабочих вариантов усовершенствованного устройства подсветки (см. нашу заявку на патент РФ №2008109586 [4]).
Фиг.3 - устройство подсветки согласно изобретению, где показаны следующие элементы:
1 - пластина-световод,
2 - источник света (светодиод),
3 - диффузно отражающее зеркало,
4 - светоизлучающая поверхность источника света,
5 - первая поверхность пластины-световода,
6 - зона падения света на первой поверхности,
7 - центральная зона в зоне падения света,
8 - боковые зоны на первой поверхности,
9 - вторая поверхность пластины-световода,
10 - вогнутость,
11 - боковая поверхность вогнутости,
12 - плоскость симметрии вогнутости.
Фиг.4 - принцип работы центральной зоны в зоне падения света.
Фиг.5 - принцип работы центральной зоны в зоне падения света и распределение освещенности в центральной зоне.
Фиг.6 - принцип работы боковой зоны, где показаны следующие элементы:
13 - лучи, прошедшие через средство бокового выпуска света в известных решениях (вид 13.1),
14 - лучи, прошедшие через средство бокового выпуска света и вернувшиеся в пластину-световод в известных решениях (вид 13.1).
15 - лучи, отраженные призмообразной структурой боковой зоны, согласно изобретению,
16 - лучи, прошедшие через призмообразную структуру боковой зоны и отраженные диффузионным зеркалом согласно изобретению.
Заявленное устройство подсветки (Фиг.3) состоит из пластины-световода 1, светодиодов 2, размещенных под пластиной-световодом на расстоянии один от другого, диффузионного зеркала 3, размещенного под пластиной-световодом. Светодиоды 2 излучают световой поток в пределах угловой апертуры ±90° и имеют светоизлучающую поверхность 4 конечного размера. Упомянутая пластина-световод 1 имеет плоскую поверхность 5 с множеством зон 6 падения света, которые имеют оптический контакт со светоизлучающими поверхностями 4 светодиодов 2, при этом в каждой зоне падения света 6 имеется центральная зона 7, и, кроме того, первая поверхность 5 имеет боковые зоны 8, размещенные в непосредственной близости от зон 6 падения света; а вторая поверхность 9 с множеством вогнутостей 10 с боковыми поверхностями 11. Каждая вогнутость 10 имеет плоскость симметрии 12 и образует средство бокового выпуска света, которое отражает весь световой поток, поступивший из зон 6 в пределах угловой апертуры вплоть до α=±arcsin (1/n) от нормали до упомянутых зон 6 падения света, где n обозначает коэффициент преломления прозрачного вещества в соответствии с условием полного внутреннего отражения. По меньшей мере, на одной из поверхностей упомянутой пластины-световода 1 размещено средство бокового выпуска света, образованное вогнутостями 10 и выполненное с возможностью обеспечивать нарушение TIR-условия в определенной зоне. Центральная зона 7 состоит из вогнутости, имеющей плоскость симметрии, совпадающую с плоскостью симметрии 12 из соответствующего средства бокового выпуска света.
Светоизлучающие поверхности 4 светодиодов сопрягаются с зонами падения света таким образом, что световые лучи не испытывают преломления на зонах падения света (оптический контакт) за исключением центральных зон 7, где преломление лучей света имеет место. В одном из вариантов реализации размер светоизлучающих поверхностей совпадает по размеру с зонами падения света. В другом рекомендуемом варианте реализации размер светоизлучающих поверхностей меньше, чем размер зон падения лучей света.
В одном из вариантов реализации изобретения центральная зона 7 представляет собой призмообразную вогнутость с двумя плоскими поверхностями. Эта форма обеспечивает отклонение лучей от вершины средства бокового выпуска света (Фиг.4 и 5). В результате лучи от источника 2 света не достигают вершины средства бокового выпуска света и не могут достигнуть ЖК-панели напрямую, и поэтому производственные допуски при изготовлении контура вершины могут быть нестрогими.
В одном из вариантов реализации изобретения размер центральной зоны 7 выполнен как совпадающий с размером зоны 6 падения света.
Боковые зоны 8 размещены в непосредственной близости от зон 6 падения света для того, чтобы обеспечить дополнительную интеграцию (смешение) оптических сигналов и предотвращение частной производной лучей, проходящих к панели жидкого кристалла через побочные поверхности 11 из вогнутости 10.
В одном из вариантов реализации заявляемого изобретения боковые зоны 8 реализованы в виде призмообразных структур, за счет чего предотвращается попадание лучей, проходящих через боковые поверхности средства бокового выпуска света, на ЖК-панель. На Фиг.6 представлен принцип работы боковых зон. Вид на Фиг.6.1 поясняет известную конструкцию без боковой зоны: лучи 13 проходят через боковую поверхность светоизлучающей линзы на ЖК-панель, луч 14 проходит вне пластины-световода, но он возвращается благодаря конкретной форме средства бокового выпуска света. Такие лучи не представляют собой проблемы с точки зрения равномерности освещения. Фиг.6.2 поясняет случай с боковой зоной 8, в которой лучи 15, проходя путь, подобный лучам 13 из вида Фиг.6.1, отражаются затем благодаря полному внутреннему отражению и не выходят за пределы пластины-световода. Луч 16 преломляется на призмообразной структуре и поступает на диффузионное зеркало, поэтому часть лучей, приходящих в направлении средства бокового выпуска света, значительно ослаблена.
Имеется возможность использования в конструкции заявляемого устройства подсветки различных оптических листовых материалов, известных из уровня техники, таких как: диффузионная пленка, светоколлимирующая пленка (например, BEF производства компании 3М), поляризационная пленка (например, DBEF производства компании 3М).
В заявляемом решении у призмы, формирующей центральную зону 7, угол при вершине составляет 110 градусов, хотя на практике этому углу можно придавать значения в диапазоне от 60 градусов до 120 градусов, чтобы добиться требуемой функциональности. Угол в 120 градусов-100 градусов не приводит к слишком большому увеличению поперечного размера вогнутости 10.
В заявляемом решении призмоподобная форма выступов в боковой зоне 8 имеет следующие геометрические параметры: каждое призмоподобное образование имеет две плоские поверхности, при этом первая поверхность выполнена перпендикулярно первой поверхности пластины-световода, угол при вершине призмоподобного образования составляет 70 градусов, причем допустимый диапазон этого угла лежит в пределах от 55 градусов до 80 градусов. Этот угол при вершине и призмоподобная форма должны быть оптимизированы для конкретной пластины-световода с конкретным видом соединительных элементов.
Заявляемое устройство подсветки может найти применение в ЖК-дисплеях телевизоров, в промышленных дисплеях и в других приборах, требующих наличия подсветки.