Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОДСВЕТКИ ДИСПЛЕЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВТОРИЧНОЙ ОПТИКИ И СВЕТОРАССЕИВАЮЩЕЙ ПОДЛОЖКИ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДСВЕТКИ ДИСПЛЕЯ

Изобретение относится к способам и устройствам для управления интенсивностью и направлением света, исходящего от независимого источника, в том числе к конструктивным взаимосвязям оптических устройств, в частности для систем подсветки цветных жидкокристаллических дисплеев.

Одной из основных задач при проектировании осветительных систем для дисплеев с задней подсветкой является обеспечение равномерного освещения экрана при малой толщине оптической системы.

Из уровня техники известно изобретение «Устройство освещения, устройство отображения и телевизионный приемник» (патент РФ №2473836 C1, МПК F21V 19/00, опубл. 27.01.2013) японской компании Шарп, в котором для решения задачи получения однородной освещенности в дисплее используется устройство, включающее в себя каркас, отражательный лист, множество трубок с холодным катодом, несколько слоев оптических элементов (например, светорассеивателей) и фиксаторы ламп.

Система подсветки на основе ламп с холодным катодом позволяет достичь высокой равномерности освещения, однако имеет ряд недостатков, к которым можно отнести невысокую энегоэффективность ламп, неширокий цветовой охват, небольшой контраст, меньший срок службы по сравнению с осветительными системами на светодиодах, которые в настоящее время считаются более перспективными.

Но при использовании светодиодов возникает проблема получения равномерного освещения в плоскости дисплея, т.к. светодиоды имеют высокую светимость, что приводит к формированию высокой неоднородности освещенности дисплея с характерными яркими пятнами. Для решения данной проблемы используют вторичную оптику, которая позволяет управлять световой диаграммой источника.

Известно изобретение «Линза для формирования излучения светодиода» (патент РФ №2303800 C1, МПК G02B 27/09, опубл. 27.07.2007) южнокорейской компании Самсунг, относящееся к разработке вторичной оптики для светодиода, где авторами предложено использование осесимметричной линзы с двумя поверхностями, которая позволяет снизить эффект ярких пятен.

Недостатком данного решения является использование линзы с двумя поверхностями, которая требует больших технологических затрат и необходимости последующего позиционирования при креплении на светодиод, по сравнению с линзами с одной рабочей поверхностью.

В работе (Wang, K. New reversing design method for LED uniform illumination / Kai Wang, Dan Wu, Zong Qin, Fei Chen, Xiaobing Luo, and Sheng Liu // Opt. Exp. - 2011. - Vol.19. - P.A830-A840) изложен способ получения равномерной освещенности с помощью массива светодиодов, на каждом из которых установлена осесимметричная линза. Авторы анализируют распределение освещенности от массива элементов и находят кривую силы света. Используя кривую силы света, находится форма линзы, которая обеспечивает равномерную подсветку.

Недостатком способа является ограничение расстояния между светодиодами, так как линза работает на эффекте преломления и не может отклонять лучи на большие углы. Поэтому данный способ по сравнению с предлагаемым техническим решением не может обеспечить сокращения количества светодиодов на единицу освещаемой площади.

Наиболее близким аналогом к заявляемому решению является способ и устройство, используемые в изобретении «Компактная оптическая система и линзы для формирования равномерного коллимированного света» (патент РФ №2475672 C2, МПК F21S 8/10, F21V 5/04, опубл. 20.10.2012), голландской компании Филипс. Для получения равномерного освещения лучи от светодиода предварительно проходят через цилиндрическую линзу, которая коллимирует и направляет их на отражатель из специально подобранных поверхностей. Данный метод позволяет добиться высокой равномерности, но при этом по-прежнему у линзы две поверхности и отражатель имеет сложную ступенчатую форму. Кроме того, для освещения экрана большого размера требуется использовать много светодиодов, что увеличивает затраты на изготовление продукции.

Заявляемое решение позволяет решить существующие проблемы: использование линз простой формы с одной рабочей поверхностью, получение высокой однородности, использование меньшего количества светодиодов, уменьшение толщины оптической системы.

Задача решается за счет того, что в способе создания равномерной освещенности в системе подсветки дисплея, включающем перенаправление излучения от источников с помощью линз (рефлекторов), согласно изобретению излучение перенаправляют на светорассеивающую подложку и формируют равномерно освещенные отрезки, обеспечивающие в свою очередь равномерное освещение дисплея.

Кроме того, светорассеивающая подложка отражает падающий свет по закону Ламберта.

Длина каждого равномерно освещаемого отрезка лежит в диапазоне от 50 мм до 200 мм.

Расстояние от источников до плоскости дисплея лежит в диапазоне от 20 мм до 50 мм и размеры освещаемого участка плоскости превышают 200 мм на 200 мм.

Задача решается также за счет того, что в устройстве подсветки дисплея, включающем светодиоды, линзы (рефлекторы), отражатель, согласно изобретению каждая линза (рефлектор) имеет одну рабочую поверхность, представляющую собой поверхность вращения с осью симметрии, совпадающей с прямой, вдоль которой формируется равномерно освещенный отрезок, отражатель выполнен в виде подложки из светорассеивающего материала.

Кроме того, светорассеивающая подложка выполнена в виде листа из спектралона.

Светорассеивающая подложка имеет продольные насечки.

Устройство снабжено набором оптических элементов: рассеивателей, поляризаторов, фильтров.

При этом оптическая система включает в себя светорассеивающую подложку (в частности, ламбертовский отражатель), множество светодиодов с цилиндрическими линзами (или рефлекторами) с осью симметрии в плоскости подложки, несколько слоев оптических элементов (например, диффузоров). Каждая линза (или рефлектор), которая устанавливается на светодиод, имитирует лампу с холодным катодом за счет формирования на подложке равномерно освещенного отрезка. Освещаемый отрезок становится вторичным источниками света. В качестве светорассеивающей подложки можно использовать спектралон, имеющий коэффициент отражения более 99% (Bhandari, A. Bidirectional reflectance distribution function of Spectralon white reflectance standard illuminated by incoherent unpolarized and plane-polarized light/ Anak Bhandari, Borge Hamre, Ovynd Frette, Lu Zhao, Kakob J. Stamnes, and Morten Kildemo // Applied Optics. - 2011. - Vol.50(16). - P.2431-2442.), но в общем случае в качестве светорассеивающей подложки можно использовать более сложную структуру, например, продольные насечки, которые обеспечивают рассеяние света под большими углами хотя бы в одном направлении (т.е. уже не по закону Ламберта).

Устройство поясняется чертежом, где на фиг.1 показана схема подсветки дисплея.

На фиг.1 : источник света 1, оптический элемент 2 в виде линзы или рефлектора. Светорассеивающая подложка 3 выполнена в виде листа из спектралона; 4 - набор оптических элементов рассеивателей, поляризаторов, фильтров; равномерно освещаемый отрезок 5.

Пример осуществления способа

Оптический элемент 2 перенаправляет излучение от точечного (компактного) источника 1 в отрезок 5 на поверхности светорассеивающей подложки 3 длиной 200 мм. Для получения более высокой однородности используется набор оптических элементов: рассеивателей, поляризаторов, фильтров.

На Фиг.2 показана используемая система координат и обозначений для расчета рефлектора. Оптический элемент имеет ось вращения (ось Ox) и рассчитывается для работы с лучами в определенном диапазоне углов α∈[-π/2,α_max], где α_max лежит в пределах от 45° до 70°. Выбор угла определяет размеры рефлектора и количество световой энергии, используемой для формирования отрезков (например, для ламбертовского источника в диапазон углов от -60 до 60° попадает более 90% световой энергии). Мы пренебрегаем лучами, которые не отражаются поверхностью рефлектора, а попадают сразу на экран.

В данном примере для диапазона углов [-90°; 70°] были получены следующие значения размеров: длина по оси Ox получилась равной около 20 мм, ширина 12 мм и высота 6 мм.

На Фиг.2 введены следующие обозначения: ρ(α) длину радиус-вектора точки профиля, где α∈[-π/2,α_max] - угловая координата падающего луча. В работе (Моисеев, М.А. Расчет радиально-симметричных преломляющих поверхностей с учетом френелевских потерь / Л.Л. Досколович, М.А. Моисеев // Компьютерная оптика. - 2008. - Т.32, №1. - С.201-203) для ρ(α) получено следующее дифференциальное уравнение:

где функция β(α) задает направление луча после отражения. Из геометрии на Фиг.2 координата пересечения выходящего из оптического элемента луча с осью Ox равна:

Тогда функция β(α) принимает следующий вид:

Определим функцию x(α) в правой части (3) из закона сохранения светового потока. Введем сферические координаты (α,φ), где φ - полярный угол в плоскости YOZ, перпендикулярной плоскости Фиг.2. Поскольку оптический элемент расположен при z>0, то φ∈[0,π]. В указанных координатах элемент телесного угла, соответствующий отрезку φ∈[0,π], имеет вид:

dΩ(α)=πsin(π1=/2-α)dα.

Для записи закона сохранения светового потока необходимо приравнять световой поток, падающий на элемент dx освещаемого отрезка, к световому потоку световому потоку от источника, излученному в элемент телесного угла dΩ(α). Таким образом, можно записать следующее равенство:

где E(x), x∈[x₁,x₂] - заданная освещенность на отрезке (x₁, x₂ - координаты начала и конца отрезка), I(α,φ) - интенсивность источника.

Отметим, что корректное задание освещенности E(x) требует выполнения условия нормировки:

При постоянной освещенности E(x)=E₀, x∈[x₁,x₂] проинтегрируем (5) и получим:

В случае ламбертовского источника, излучающего по оси Oz, интенсивность источника в координатах (α,φ) имеет вид:

Подставляя (7) в (6), получим x(α) в аналитическом виде:

Подставим функцию x(α) в (3) и получим следующее уравнение:

Таким образом, расчет оптического элемента для формирования отрезка с заданной освещенностью сведен к интегрированию дифференциального уравнения (1).

В рамках рассматриваемого подхода предполагается, что оптический элемент формирует освещенный отрезок на светорассеивающей подложке. Будем считать, что в качестве подложки используется ламбертовская поверхность (http://www.labsphere.com/products/reflectance-materials-and-coatings/high-reflectance-materials/default.aspx.). При этом освещаемый отрезок будет вторичным ламбертовским источником.

Разработанный метод расчета оптического элемента реализован в среде программирования Matlab (http://www.mathworks.com/).

На Фиг.3 приведена трехмерная модель массива из 5 отстоящих относительно друг друга на расстоянии 20 мм источников с рефлекторами, каждый из которых обеспечивает равномерное освещение отрезка длиной 200 мм (причем x₁=0).

Расстояние от источника до поверхности линзы по оси Oz выбрано равным 1 мм, а максимальный рабочий угол α_max=70°.

Для проверки правильности расчетов было проведено моделирование работы рассчитанной оптической системы в программе для светотехнических расчетов TracePro с использованием метода трассировки лучей (http://www.lambdares.com/software_products/tracepro/).

На Фиг.4 приведены распределения освещенности, рассчитанные для 1000000 лучей, формируемые в плоскости z=0, содержащей отрезок.

На Фиг.5 приведено распределение освещенности, формируемое массивом из 5 оптических элементов, которые расположены справа на расстоянии 100 мм от начала координат.

На Фиг.7 приведены распределения вдоль осей Ox и Oy.

При использовании оптического элемента или массива элементов, формирующих отрезки, в системе подсветки в плоскости z=0 находится светорассеивающая подложка. При этом конечной задачей является получение равномерного распределения света в некоторой плоскости z=d (Фиг.2) над оптическим элементом, на дисплее.

На Фиг.8 представлено распределение освещенности для 5 источников с рефлекторами, удаленных на расстояние 20 мм от плоскости дисплея (z=d).

На Фиг.9 приведены распределения вдоль осей Ox и Oy. Отметим, что плоскость z=0 в данном примере соответствует ламбертовскому отражателю. Среднеквадратическое отклонение освещенности в плоскости d составляет менее 6% в центральной области размерами 300 мм на 400 мм. Энергетическая эффективность (доля излученного светового потока, попавшая на детектор) превышает 90%.

Техническим результатом использования данного изобретения является улучшение световых характеристик дисплеев, таких как эффективность, однородность освещенности, а также использование линз или рефлекторов простой формы и уменьшение габаритов.