Устройство задней подсветки
Изобретение относится к осветительным устройствам. Устройство задней подсветки содержит множество расположенных отдельно друг от друга светоизлучающих диодов (СИД), светонаправляющую пластину, изготовленную из прозрачного оптического материала, которая имеет первую поверхность и вторую поверхность, снабженную множеством углублений, а также отражающую пластину, расположенную под светонаправляющей пластиной. Боковые поверхности углублений имеют форму, обеспечивающую возможность полного внутреннего отражения части света, испущенной светоизлучающими поверхностями СИДов в угловой апертуре α=±arcsin(l/n) от нормали к светоизлучающим поверхностям СИДов, где n - показатель преломления прозрачного оптического материала, при этом, по меньшей мере, одна из поверхностей светонаправляющей пластины содержит световыводящее средство. Технический результат - возможность использования диодов более высокой мощности. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к осветительным устройствам, а именно к устройствам дополнительной подсветки, и может быть применено в жидкокристаллических (LCD) телевизорах, промышленных дисплеях и других устройствах с задней подсветкой.
Устройства задней подсветки используют для обеспечения однородного освещения жидкокристаллической панели светом светоизлучающих диодов (СИД).
Широко используются устройства задней подсветки с источниками света, расположенными отдельно друг от друга на плоскости под жидкокристаллической панелью, и светонаправляющей пластиной, выполненной с возможностью обеспечения бокового рассеивания света от каждого СИД. Такая конфигурация отличается улучшенными температурными показателями по сравнению с конфигурацией, в которой СИДы расположены на торцевой стороне жидкокристаллической панели, малой толщиной и высокой однородностью освещения по сравнению с конфигурациями на основе СИД-линз. Световыводящее средство может быть выполнено в виде множества призматических элементов или диффузного (светорассеивающего) средства и расположено, по меньшей мере, на одной из поверхностей светонаправляющей пластины, чтобы обеспечить однородное освещение жидкокристаллической панели.
Известно несколько решений, относящихся к устройствам задней подсветки со светонаправляющими пластинами, снабженными средствами бокового рассеивания света, например линзами, для СИД.
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.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство задней подсветки, предложенное в выложенной заявке на патент США №2005/0264716 [2], которое содержит один или несколько отделенных друг от друга определенными интервалами и расположенных в линию на зеркальной отражающей подложке СИДов и светонаправляющую пластину, верхняя поверхность которой имеет углубления в виде насечек с двумя боковыми поверхности (гранями), при этом каждая из поверхностей имеет кривизну, позволяющую осуществлять полное внутреннее отражение света, излучаемого СИДами. Данное устройство выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения. Конструкция прототипа обеспечивает однородное освещение жидкокристаллической панели, но имеет некоторые недостатки, а именно: диффузно отражающая или зеркальная отражающая подложка нарушает полное внутреннее отражение (ПВО) на нижней поверхности светонаправляющей пластины, поэтому на подложке имеют место потери света при отражении (1-10% потерь при одном отражении в зависимости о материала подложки), при этом свет не распространяется внутри светонаправляющей пластины на значительное расстояние от источника света, вследствие чего ограничены возможности смешивания света от разных СИДов. Строго определенная геометрия верхней поверхности, предусматривающая только наличие углублений с двумя боковыми поверхностями, у светонаправляющей пластины не позволяет использовать СИДы высокой мощности для освещения жидкокристаллической панели в данном устройстве задней подсветки при сохранении незначительной толщины светопроводящей пластины.
Таким образом, известные решения конструкции задней подсветки, использующие средства бокового излучения, не позволяют обеспечить однородное освещение жидкокристаллической панели с заданным значением освещенности, с использованием СИДов высокой мощности и тонкой, простой в производстве светонаправляющей пластины с отношением размера СИД к толщине светонаправляющей пластины от 1:1 до 1:10. Кроме того, в существующих решениях используют отражающие поверхности с дополнительным поглощением света, что приводит к снижению общей эффективности устройства подсветки.
Задачей заявленного изобретения является создание устройства задней подсветки с уменьшенной толщиной, простого в изготовлении, с контролируемыми однородностью освещения и величиной освещенности на выходе, что позволило бы использовать светоизлучающие диоды более высокой мощности, а также применить тонкую и простую в изготовлении светонаправляющую пластину.
Технический результат достигается путем создания устройства задней подсветки, содержащего набор (под термином «набор», как правило, подразумевается множество, состоящее, по меньшей мере, из двух единиц) из расположенных отдельно друг от друга светоизлучающих диодов (СИД), каждый из которых имеет светоизлучающую поверхность конечных размеров и выполнен с возможностью излучения света в угловой апертуре ±90° от нормали к светоизлучающей поверхности, светонаправляющую пластину, изготовленную из прозрачного оптического материала, которая имеет первую поверхность и вторую поверхность, при этом вторая поверхность снабжена множеством углублений, а светоизлучающие поверхности СИДов оптически соединены с первой поверхностью светонаправляющей пластины и расположены напротив углублений второй поверхности, а также отражающую пластину, расположенную под светонаправляющей пластиной, при этом боковые поверхности углублений имеют форму, обеспечивающую возможность полного внутреннего отражения части света, испущенной светоизлучающими поверхностями СИДов конечных размеров в угловой апертуре α=±arcsin(l/n) от нормали к светоизлучающим поверхностям СИДов, где n - показатель преломления прозрачного оптического материала, при этом, по меньшей мере, одна из поверхностей светонаправляющей пластины содержит световыводящее средство (элемент), снабженное зонами, выполненными с возможностью полного внутреннего отражения света, испущенного светоизлучающими поверхностями СИДов, и зонами, выполненными с возможностью нарушения условия полного внутреннего отражения для света, испущенного светоизлучающими поверхностями СИДов.
Для функционирования устройства задней подсветки целесообразно, чтобы первая поверхность светонаправляющей пластины была плоской.
Для функционирования устройства задней подсветки целесообразно, чтобы углубления были вращательно симметричными и их ось симметрии была перпендикулярна первой поверхности светонаправляющей пластины.
Для функционирования устройства задней подсветки целесообразно, чтобы углубления имели плоскость симметрии, перпендикулярную первой поверхности светонаправляющей пластины.
Для функционирования устройства задней подсветки целесообразно, чтобы оно содержало набор оптических слоев, расположенных над светонаправляющей пластиной.
Для функционирования устройства задней подсветки целесообразно, чтобы отражающая поверхность диффузно отражала свет.
Для функционирования устройства задней подсветки целесообразно, чтобы один из оптических слоев, расположенный над светонаправляющей пластиной, был выполнен в виде диффузионной пластины.
Для функционирования устройства задней подсветки целесообразно, чтобы один из оптических слоев, расположенный над светонаправляющей пластиной, был выполнен в виде пленки для изменения (контроля) угловой апертуры света.
Для функционирования устройства задней подсветки целесообразно, чтобы один из оптических слоев, расположенный над светонаправляющей пластиной, был выполнен в виде поляризующей пленки.
Для лучшего понимания заявленного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.
Фиг.1. Схема варианта устройства задней подсветки без отражающей поверхности и дополнительных слоев, выполненная согласно изобретению: 1.1 - вид сбоку, 1.2 - изометрическая проекция. Элементы:
1 - светонаправляющая пластина,
2 - источник света (СИД),
3 - светоизлучающая поверхность источника света,
4 - первая поверхность светонаправляющей пластины,
5 - светоиспускающая зона первой поверхности,
6 - первая поверхность светонаправляющей пластины,
7 - углубление на второй поверхности,
8 - боковая поверхность углубления,
9 - световыводящее средство.
Фиг.2. Схема принципа действия устройства задней подсветки, выполненная согласно изобретению.
Элементы:
10-13 - лучи, испускаемые в угловой апертуре ±α,
14-16 - лучи, испускаемые в угловой апертуре от ±α до ±90°.
Фиг.3. Схема варианта устройства задней подсветки с отражающей поверхностью и набором дополнительных слоев, выполненная согласно изобретению.
Элементы:
17 - отражающая поверхность,
18 - набор оптических слоев.
Светонаправляющая пластина 1 заявленного устройства задней подсветки (Фиг.1) изготовлена из прозрачного оптического материала и предназначена для использования в качестве части осветительных устройств, которые содержат множество СИДов 2 как источников света, излучающих свет в угловой апертуре до ±90° и имеющих светоизлучающую поверхность конечных размеров 3. Светонаправляющая пластина 1 имеет плоскую первую поверхность 4 с множеством светоиспускающих зон 5, которые оптически соединены со светоизлучающей поверхностью 3 СИДов, и вторую поверхность 6 с множеством углублений 7 с боковой поверхностью 8. Каждое углубление 7 представляет собой средство бокового излучения, которое отражает весь свет, испущенный светоиспускающими зонами в угловой апертуре α=±arcsin(l/n) от нормали к данной светоиспускающей зоне (n обозначает показатель преломления прозрачного материала) в соответствии с условием полного внутреннего отражения. Дополнительно, по меньшей мере, одна из поверхностей данной светоизлучающей пластины 1 содержит световыводящее средство 9, которое выполнено с возможностью обеспечения нарушения условия полного внутреннего отражения (ПВО) в определенных зонах.
Часть света (лучи 10-13, Фиг.2), испущенная светоизлучающей поверхностью 3 в угловой апертуре α=±arcsin(l/n), отражается боковой поверхностью 8 углубления 7, и углы распространения отраженных лучей больше чем а, для обеспечения распространения света внутри данной светонаправляющей пластины 1 в соответствии с условием ПВО без потерь света. Часть света (лучи 14-16, Фиг.2), испускаемого светоизлучающей поверхностью 3 в угловой апертуре от α=±arcsin(l/n) до ±90°, частично отражается боковой поверхностью 8 углублений 7 и частично отражается второй поверхностью 6, углы распространения данных отраженных лучей внутри светонаправляющей пластины также больше чем α. Таким образом, весь свет, излучаемый СИДами, распространяется внутри светонаправляющей пластины 1 без потерь.
Световыводящее средство 9 может быть выполнено разными способами, известными из уровня техники. Это могут быть диффузно отражающие зоны, расположенные на второй поверхности 6 светопроводящей пластины 1 соответствующим образом для обеспечения однородности освещения на выходе светонаправляющей пластины. Световыводящее средство 9 может быть выполнено в виде призматических элементов, обеспечивающих вывод света из светонаправляющей пластины в соответствующие зоны. Световыводящее средство 9 может быть выполнено в виде диффузно рассеивающих зон, как схематически показано на Фиг.1.
На Фиг.3 показан вариант выполнения устройства задней подсветки, который содержит множество СИДов 2, имеющих светоизлучающую поверхность 3 конечных размеров и излучающих свет в угловой апертуре ±90° от нормали к данной светоизлучающей поверхности 3, светопроводящую пластину 1, отражающую поверхность 17, расположенную под данной светопроводящей пластиной 1, набор 18 оптических слоев, расположенный над данной светопроводящей пластиной 1.
Светоизлучающие поверхности 3 СИДов оптически соединены со светоиспускающими зонами первой поверхности светонаправляющей пластины.
Свет, испущенный СИДами 2, распространяется и смешивается внутри светонаправляющей пластины 1, затем выводится из светонаправляющей пластины с помощью световыводящего средства 9. Выведенный свет проходит через оптические слои 18 и отражается от отражающей поверхности 17. Следовательно, предложенная схема реализует требуемую функциональность с повторным использованием света.
В конструкции заявленного устройства задней подсветки могут быть использованы разные оптические слои, известные из уровня техники: диффузная пленка, коллимирующая свет пленка (например, BEF компании 3М), поляризующая пленка (например, DBEF компании 3М).
Светонаправляющая пластина заявленного устройства задней подсветки обеспечивает высокую оптическую эффективность при малой толщине: с СИД-источником размера 1×1 mm2, в одном варианте реализации требуемая толщина светопроводящей пластины составляет 1.8 мм, поперечный размер углубления 3.9 мм. Вычисления показывают, что весь свет, излучаемый СИДами, перенаправляется внутрь светонаправляющей пластины без потерь.
Заявленное устройство задней подсветки может быть использовано в жидкокристаллических (LCD) телевизорах, промышленных дисплеях и других устройствах с задней подсветкой.
Хотя указанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации настоящего изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.
1. Устройство задней подсветки, содержащее множество расположенных отдельно друг от друга светоизлучающих диодов (СИД), каждый из которых имеет светоизлучающую поверхность конечных размеров и выполнен с возможностью излучения света в угловой апертуре ±90° от нормали к светоизлучающей поверхности, светонаправляющую пластину, изготовленную из прозрачного оптического материала, которая имеет первую поверхность и вторую поверхность, снабженную множеством углублений, при этом светоизлучающие поверхности СИДов оптически соединены с первой поверхностью светонаправляющей пластины и расположены напротив углублений второй поверхности, а также отражающую пластину, расположенную под светонаправляющей пластиной, отличающееся тем, что боковые поверхности углублений имеют форму, обеспечивающую возможность полного внутреннего отражение части света, испущенной светоизлучающими поверхностями СИДов в угловой апертуре α=±arcsin(l/n) от нормали к светоизлучающим поверхностям СИДов, где n - показатель преломления прозрачного оптического материала, при этом, по меньшей мере, одна из поверхностей светонаправляющей пластины содержит световыводящее средство, которое имеет зоны, выполненные с возможностью полного внутреннего отражения света, испущенного светоизлучающими поверхностями СИДов, и зоны, выполненные с возможностью нарушения условия полного внутреннего отражения для света, испущенного светоизлучающими поверхностями СИДов.
2. Устройство задней подсветки по п.1, отличающееся тем, что первая поверхность светонаправляющей пластины выполнена плоской.
3. Устройство задней подсветки по п.1, отличающееся тем, что углубления выполнены с вращательной симметрией, и их ось симметрии перпендикулярна первой поверхности светонаправляющей пластины.
4. Устройство задней подсветки по п.1, отличающееся тем, что углубления имеют плоскость симметрии, перпендикулярную первой поверхности светонаправляющей пластины.
5. Устройство задней подсветки по п.1, отличающееся тем, что содержит набор оптических слоев, расположенный над светонаправляющей пластиной.
6. Устройство задней подсветки по п.1, отличающееся тем, что отражающая поверхность выполнена с возможностью диффузного отражения света.
7. Устройство задней подсветки по п.5, отличающееся тем, что один из оптических слоев, расположенный над светонаправляющей пластиной, выполнен в виде диффузионной пластины.
8. Устройство задней подсветки по п.5, отличающееся тем, что один из оптических слоев, расположенный над светонаправляющей пластиной, выполнен в виде пленки для изменения угловой апертуры света.
9. Устройство задней подсветки по п.5, отличающееся тем, что один из оптических слоев, расположенный над светонаправляющей пластиной, выполнен в виде поляризующей пленки.
