устройство прямой подсветки дисплея

Формула изобретения

1. Устройство прямой подсветки дисплея, включающее в себя массив источников света, отражающий слой, поляризационное средство и массив оптических концентраторов, каждый из которых расположен между поляризационным средством и отражающим слоем, причем отражающий слой выполнен с множеством сквозных отверстий, в каждом из которых установлен, по меньшей мере, один источник света, при этом каждый оптический концентратор расположен напротив соответствующего ему, по меньшей мере, одного источника света и имеет форму усеченного конуса, нижнее основание которого меньше верхнего основания, причем нижнее и верхнее основания каждого конуса являются соответственно входной и выходной поверхностями каждого оптического концентратора, при этом нижнее основание выполнено с возможностью преломления света, исходящего от соответствующего, по меньшей мере, одного источника света, боковые стенки конуса выполнены с возможностью отражения света, а выходная поверхность выполнена с возможностью вывода света из оптического концентратора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве источников света использованы светоизлучающие диоды (СИД).

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что все плоскости оптических концентраторов, а именно входная поверхность, боковые стенки и выходная поверхность, выполнены плоскими.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что снабжено дополнительным оптическим слоем, расположенным над массивом оптических концентраторов и соединяющим оптические концентраторы.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что дополнительный оптический слой выполнен из того же оптически прозрачного материала, что и оптические концентраторы.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входная поверхность оптических концентраторов выполнена изогнутой.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что входная поверхность оптических концентраторов выполнена выпуклой.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходная поверхность оптических концентраторов выполнена изогнутой.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отражающий слой выполнен плоским.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отражающий слой снабжен выступами со стенками.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что стенки выступов перпендикулярны выходной поверхности источников света.

12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что угол между боковыми стенками и входной поверхностью оптического концентратора составляет более 90°.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к осветительным устройствам, а именно к устройствам прямой подсветки жидкокристаллических (ЖК) дисплеев.

Устройство прямой подсветки дисплея, как правило, состоит из одного или нескольких источников света и оптической системы, которая перенаправляет свет от источников света на вход ЖК панели. В качестве источников света в современных устройствах прямой подсветки дисплея обычно используют белые или цветные светоизлучающие диоды (СИД).

Основными требованиями, предъявляемыми к устройствам подсветки являются:

- обеспечение однородности освещения на ЖК панели с высокой оптической эффективностью;

- обеспечение коллимированного света на входе ЖК панели;

- обеспечение однородности цвета (при использовании СИД);

- обеспечение линейно поляризованного света на входе ЖК панели.

Известны различные схемы прямой подсветки на основе СИД.

Среди них решение, описанное в патенте США №7137725 [1], где в качестве источника излучения используют массив СИД, для обеспечения однородности излучения на входе ЖК панели используют диффузную пластину, для получения коллимированного и поляризованного света используют пленки фирмы 3М, которые работают на принципе переотражения света. Для обеспечения эффективного переотражения между диодами размещена отражающая пластина. В данной схеме потери света при переотражении на излучающих площадках и на элементах крепления диодов снижают однородность освещения ЖК панели и оптическую эффективность системы.

Наиболее близким к заявленному изобретению является решение, описанное в выложенной заявке на патент США №2007/0070625 [2], в котором отражающая пластина формирует стенки вокруг каждой ячейки, содержащей белые или цветные диоды. Эти стенки способствуют повышению эффективности использования света, однако данная схема также использует переотражение света, допускает оптические потери на диодах и элементах их крепления. Данное решение выбрано в качестве прототипа заявленного изобретения.

Основным недостатком описанных выше устройств [1] и [2] прямой подсветки дисплея является их невысокая оптическая эффективность, хотя они и обеспечивают достаточно хорошую однородность и степень коллимации.

Задачей заявленного изобретения является повышение оптической эффективности устройства прямой подсветки при сохранении высокой однородности и высокой степени коллимации света на входе ЖК панели.

Поставленная задача решена путем создания устройства прямой подсветки дисплея, которое включает в себя массив источников света, отражающий слой, поляризационный слой и массив оптических концентраторов, каждый из которых расположен между поляризационным средством и отражающим слоем, причем отражающий слой выполнен с множеством сквозных отверстий, в каждом из которых установлен, по меньшей мере, один источник света, при этом каждый оптический концентратор расположен напротив соответствующего ему, по меньшей мере, одного источника света и имеет форму усеченного конуса, нижнее основание которого меньше верхнего основания, причем нижнее и верхнее основания каждого конуса являются соответственно входной и выходной поверхностями каждого оптического концентратора, при этом нижнее основание выполнено с возможностью преломления света, исходящего от соответствующего, по меньшей мере, одного источника света, боковые стенки конуса выполнены с возможностью отражения света, а выходная поверхность выполнена с возможностью вывода света из оптического концентратора.

Таким образом, технический эффект достигается за счет применения в конструкции устройства прямой подсветки дисплея массива источников света, расположенных напротив оптических концентраторов, и дополнительного поляризационного средства для обеспечения линейной поляризации на входе ЖК панели дисплея, а также отражающего слоя с отверстиями, где размещены источники света, причем каждый источник света имеет выходную светоизлучающую поверхность, а каждый оптический концентратор имеет входную поверхность, боковые стенки и выходную поверхность, при этом входная поверхность каждого оптического концентратора расположена напротив соответствующего ему, по меньшей мере, одного источника света, что позволяет более полно использовать свет, излучаемый источником света. Боковые стенки оптического концентратора обеспечивают отражение света, преломленного на входной поверхности оптического концентратора. Тем самым обеспечивается перераспределение света на выходе оптического концентратора, при этом обеспечивается однородное освещение с высокой степенью коллимации. Оптический концентратор, при использовании цветных диодов, способствует повышению цветовой однородности на входе ЖК панели. Использование дополнительного поляризационного средства позволяет обеспечить линейную поляризацию света на входе ЖК панели с высокой эффективностью благодаря высокой степени коллимации на выходе массива оптических концентраторов. Отражающий слой позволяет дополнительно повысить оптическую эффективность заявленного устройства подсветки за счет перенаправления света, отраженного в соответствии с законами Френеля от рабочих поверхностей оптических концентраторов, в направлении ЖК панели. Отражающий слой выполнен с выступами, что дополнительно повышает оптическую эффективность заявленного устройства прямой подсветки за счет того, что часть света от источников света, отражаясь от выступов, поступает на входную поверхность оптических концентраторов.

Для оптимального функционирования устройства предпочтительно, чтобы в качестве источников света использовались светоизлучающие диоды (СИД).

С учетом требований производства в конструкции устройства целесообразно предусмотреть, чтобы все поверхности оптических концентраторов, а именно входная поверхность, боковые стенки и выходная поверхность, были плоскими.

Для производства и сборки устройства имеет смысл, чтобы устройство имело дополнительный оптический слой, расположенный над массивом оптических концентраторов и соединяющий оптические концентраторы.

Для функционирования устройства важно, чтобы оптические концентраторы и дополнительный оптический слой, в случае его наличия, были выполнены из оптически прозрачного материала.

Для нормального функционирования устройства допустимо, чтобы входная поверхность оптических концентраторов была изогнута.

Для нормального функционирования устройства допустимо, чтобы входная поверхность оптических концентраторов была выпуклой.

Для нормального функционирования устройства допустимо, чтобы выходная поверхность оптических концентраторов была изогнута.

Для оптимального функционирования устройства предпочтительно, чтобы отражающий слой был плоским.

Для нормального функционирования устройства допустимо, чтобы отражающий слой имел выступы со стенками.

Для оптимального функционирования устройства, включающего в себя отражающий слой, снабженный выступами, важно, чтобы стенки выступов были перпендикулярны выходной поверхности источников света.

Для оптимального функционирования устройства, включающего в себя отражающий слой, снабженный выступами, важно, чтобы угол между боковыми стенками и входной поверхностью оптического концентратора составлял более 90 градусов.

Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.

Фиг.1. Устройство прямой подсветки дисплея с дополнительным оптически прозрачным слоем, выполненное согласно изобретению.

Фиг.2. Устройство прямой подсветки дисплея с выпуклой выходной поверхностью оптических концентраторов, выполненное согласно изобретению.

Фиг.3. Устройство прямой подсветки дисплея с выпуклой входной поверхностью оптических концентраторов и с выступами на отражающем слое, выполненное согласно изобретению.

Фиг.4. График выходного углового распределения интенсивности света в устройстве прямой подсветки дисплея с дополнительным оптически прозрачным слоем и плоскими входной и выходной поверхностями оптического концентратора.

Фиг.5. График выходного углового распределения интенсивности света в устройстве прямой подсветки дисплея с дополнительным оптически прозрачным слоем и выпуклыми входной и выходной поверхностями оптического концентратора.

Фиг.6. График выходного углового распределения интенсивности света в устройстве прямой подсветки дисплея с дополнительным оптически прозрачным слоем и вогнутыми входной и выходной поверхностями оптического концентратора.

Заявленное устройство прямой подсветки дисплея 1 (Фиг.1-3) включает в себя массив источников 2 света, отражающий слой 3, поляризационное средство 4 и массив оптических концентраторов 5, каждый из которых расположен между поляризационным средством 4 и отражающим слоем 3. Отражающий слой 3 выполнен с множеством сквозных отверстий 6, в каждом из которых установлен, по меньшей мере, один источник 2 света. Каждый оптический концентратор 5 расположен напротив соответствующего ему, по меньшей мере, одного источника 2 света и имеет форму усеченного конуса, нижнее основание 7 которого меньше верхнего основания 8, причем нижнее и верхнее основания 7, 8 каждого конуса являются соответственно входной и выходной поверхностями каждого оптического концентратора 5, при этом нижнее основание 7 выполнено с возможностью преломления света, исходящего от соответствующего, по меньшей мере, одного источника 2 света, боковые стенки 9 выполнены с возможностью отражения света, а выходная поверхность 8, выполнена с возможностью вывода света из оптического концентратора 5. Поляризационное средство 4 выполнено с возможностью поляризации света, выходящего из массива оптических концентраторов 5, причем после прохождения поляризационного средства свет попадает на ЖК панель 10.

В устройстве 1 прямой подсветки дисплея (в варианте, изображенном на Фиг.1) поверхности оптических концентраторов, а именно входная поверхность 7, боковые стенки 9 и выходная поверхность 8, выполнены плоскими.

Устройство 1 прямой подсветки дисплея (в варианте, изображенном на Фиг.1) включает в себя дополнительный оптический слой 11, который расположен над массивом оптических концентраторов 5 и соединяет оптические концентраторы 5, что обеспечивает выполнение массива оптических концентраторов 5 в виде единой пластины. При этом дополнительный оптический слой 11 и оптические концентраторы 5 выполнены из оптически прозрачного материала.

В устройстве 1 прямой подсветки дисплея (в варианте, изображенном на Фиг.2) входная поверхность 7 оптических концентраторов 5 выполнена изогнутой.

В устройстве 1 прямой подсветки дисплея (в варианте, изображенном на Фиг.3) входная поверхность 7 оптических концентраторов 5 выполнена выпуклой, а отражающий слой 3 имеет выступы 12 со стенками 13. При этом стенки 13 выступов 12 выполнены перпендикулярными выходной поверхности 7 источников 2 света.

Заявленное устройство прямой подсветки дисплея обеспечивает высокую оптическую эффективность (более 80% без каких-либо антиотражающих покрытий), высокую коллимационную эффективность (не менее 70% выходящего света собирается в угловой апертуре ±30 градусов), хорошую однородность освещения (не менее 80%).

Например, в устройстве прямой подсветки, выполненном согласно заявленному изобретению, с массивом белых СИД прямоугольной формы с площадью выходной поверхности 4×4 мм ², расположенных на расстоянии 10 мм друг от друга, и с оптическими концентраторами длинной 10 мм, которые имеют входную плоскую прямоугольную поверхность площадью 5×5 мм ², выходную прямоугольную поверхность площадью 10×10 мм и плоские боковые стенки, однородность освещения составляет не менее 80% (Фиг.4), угловая апертура ±30 градусов (Фиг.4), оптическая эффективность более 87%.

Выпуклая выходная поверхность оптических концентраторов (радиус кривизны 10 мм) улучшает коллимационную эффективность: угловая апертура уменьшается с ±30 градусов до ±25,5 градусов (Фиг.5).

Выпуклая входная поверхность (радиус кривизны 5 мм) оптических концентраторов также улучшает коллимационную эффективность: с ±25,5 градусов до ±21,0 градусов (Фиг.6).

Заявленное устройство прямой подсветки дисплея может быть использовано в ЖК телевизорах, промышленных дисплеях, осветительных системах для проекторов и осветительных системах на основе СИД.