ES2968909T3 - Dispositivo Optico y Panel de Visualización - Google Patents
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Abstract
La presente divulgación se refiere a un dispositivo óptico (1) para controlar la luz, comprendiendo el dispositivo óptico (1): una primera guía de ondas (2) para recibir un haz de luz de una fuente de luz externa, al menos una segunda guía de ondas (3), una óptica acoplador (4) para acoplar un haz de luz desde la primera guía de ondas (2) a la segunda guía de ondas (3), una estructura de conformación de haz (5) con un área emisora de luz (6) para emitir un haz de luz, en donde la segunda guía de ondas (3) está configurado para guiar un haz de luz acoplado desde la primera guía de ondas (2) a la estructura de conformación de haz (5), en donde la estructura de conformación de haz (5) está configurada para propagar un haz de luz recibido desde la segunda guía de ondas (3) a el área emisora de luz (6) de manera que la divergencia del haz de luz emitido desde el área emisora de luz (6) sea menor que la divergencia del haz de luz recibido desde la segunda guía de ondas (3). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo Óptico y Panel de Visualización
La descripción se refiere a un dispositivo óptico según el preámbulo de la reivindicación 1, y su incorporación en una unidad de retroiluminación y un panel de visualización.
Se conocen algunos dispositivos ópticos que distribuyen la luz sobre un área mayor. Esto es necesario, por ejemplo, para las unidades de retroiluminación de pantallas de cristal líquido (LCD).
Las pantallas LCD son la tecnología de pantalla más utilizada hasta la fecha y se pueden encontrar en dispositivos que van desde teléfonos inteligentes hasta televisores. En una pantalla LCD, la unidad de retroiluminación, en particular una fuente de luz plana, ilumina todos los píxeles y a continuación cada píxel actúa como un obturador que deja pasar la luz o bloquea parcialmente la luz que pasa a través de él. El obturador se basa en la polarización de la luz. Un rayo de luz emitido por la retroiluminación pasa primero a través del polarizador inferior y se polariza. El cristal líquido proporciona una forma controlada por voltaje de convertir la polarización de este rayo de luz: Los cristales líquidos son birrefringentes y su orientación se puede ajustar utilizando un campo eléctrico. Después de salir del cristal líquido, el rayo de luz incide en el polarizador superior (también llamado analizador) y la fracción de la transmisión del rayo de luz a través de este polarizador depende del ángulo de polarización impreso en el rayo en el cristal líquido.
Idealmente, una pantalla debería mostrar la misma imagen independientemente del ángulo de visión. Para lograr esto, un píxel debería irradiar uniformemente en todas las direcciones. Si bien esta es la norma para las tecnologías de pantalla emisiva como OLED, no es el caso de las tecnologías transmisivas como LCD: un rayo de luz observado desde el espectador se origina en la luz de fondo en la parte inferior de la pila de visualización LCD. A continuación, la capa de cristal líquido modula la intensidad de este rayo para cambiar el brillo del píxel.
Para los rayos que se propagan en ángulos no normales a través de la pila de visualización, se cambia la longitud del recorrido y el eje de birrefringencia de la célula de cristal líquido vista por el rayo y, por lo tanto, la rotación de polarización, que codifica el brillo, es diferente que para los rayos que se propagan en ángulos normales. Esto conduce a una variación de brillo para un píxel si la pantalla se ve desde diferentes ángulos.
Una posibilidad para superar este problema sería usar una retroiluminación que solo emita rayos en ángulos normales (retroiluminación colimada) y a continuación usar un difusor en la parte superior de la pila de visualización. Aún así, esto generalmente no se hace, porque en la técnica anterior no existe una retroiluminación colimada eficiente.
Por ejemplo, el documento US2018/0292713A1 muestra una pantalla retroiluminada con una fuente de luz. La pantalla puede comprender una guía de luz con iluminación de borde, en la que la luz emitida desde la fuente de luz se distribuye lateralmente dentro de la guía de luz y se dispersa fuera de la guía de luz mediante estructuras de acoplamiento externo tales como retículas, protuberancias o ranuras. Alternativamente, la pantalla comprende una pluralidad de diodos emisores de luz adyacentes con reflectores curvos para colimar la luz. Para ayudar a colimar aún más la luz, la fuente de luz está provista de una capa de filtro que tiene características de transmisión de luz angularmente dependientes para reflejar la luz fuera del eje. Sin embargo, esto da como resultado una alta pérdida de energía y no logra una divergencia de haz baja, conduciendo así a una diafonía entre diferentes subpíxeles. Otra pantalla se muestra en el documento US2016/0300535A1. Se proporciona una matriz de diodos láser, que emiten luz directamente en la dirección de los píxeles. La luz emitida por los diodos láser es primero dispersada por una lente y posteriormente colimada por lentes Fresnel. Sin embargo, este enfoque requiere una gran cantidad de diodos láser para iluminar un área de visualización y no permite una unidad de retroiluminación delgada.
Otro dispositivo óptico se muestra en el documento EP3599541A1. El dispositivo comprende un sustrato y guías de onda ópticas que se extienden dentro del sustrato y cada una se curva hacia una superficie del sustrato. En otra realización, las guías de onda pueden guiar la luz a una cuña en el sustrato que forma una superficie de espejo plana para dispersar la luz fuera del sustrato. Sin embargo, en este procedimiento, la divergencia de los haces de luz emitidos aumenta y el ángulo de divergencia resultante es muy grande.
Además, el documento US7,773,849B2 describe un elemento de redimensionamiento óptico.
Un objetivo de la presente descripción es resolver o aliviar al menos algunos de los problemas de la técnica anterior. En particular, la presente descripción proporcionará un dispositivo óptico, que se puede utilizar, por ejemplo, en una unidad de retroiluminación, y que proporciona eficientemente al menos un haz con una divergencia de haz reducida. Opcionalmente, el dispositivo óptico incluye la posibilidad de proporcionar haces colimados adicionales.
La descripción propone un dispositivo óptico como se menciona en la reivindicación 1.
Al guiar el haz de luz en una guía de ondas distinta a la estructura de conformación de haz, su ángulo de incidencia y características adicionales se pueden adaptar con precisión de tal manera que el ángulo de divergencia de los haces se reduzca por la estructura de conformación de haz. Esto no es posible, cuando la luz se distribuye desordenadamente en un sustrato grande similar a una losa, en el que la luz no incidirá en los elementos ópticos de una manera bien definida. De esta manera, con el dispositivo óptico propuesto es posible proporcionar un haz colimado, sin tener que descartar a propósito una parte del haz y, por lo tanto, reduciendo el brillo y desperdiciando energía. Con este haz de luz, se pueden iluminar pequeños puntos (por ejemplo, subpíxeles individuales de una pantalla). Por lo tanto, cuando se usa en una pantalla, es posible proporcionar una relación de 1 a 1 de guías de ondas y subpíxeles; es decir, un haz de luz que sale de una guía de ondas y es guiado a una estructura de conformación de haz ilumina solo un único subpíxel y, viceversa, cada subpíxel es iluminado por un haz de luz que llega a la estructura de conformación de haz desde una única guía de ondas. La estructura de conformación de haz puede compartirse entre múltiples subpíxeles y sus respectivas guías de onda asociadas. Además, el dispositivo óptico proporciona la posibilidad de proporcionar haces colimados adicionales que se originan a partir de la misma fuente de luz externa, ya que las guías de ondas adicionales se pueden ramificar de la primera guía de ondas. En general, la primera guía de ondas puede recibir un haz de luz de una fuente de luz externa directa o indirectamente, por ejemplo, a través de una o más guías de ondas intermedias adicionales y/o uno o más acopladores ópticos intermedios adicionales.
La característica de que la estructura de conformación de haz esté configurada para propagar un haz de luz recibido desde la segunda guía de ondas al área de emisión de luz de modo que la divergencia de haz de un haz de luz emitido desde el área de emisión de luz sea menor que la divergencia de haz del haz de luz recibido desde la segunda guía de ondas implica que la divergencia de haz a lo largo de al menos un eje del haz de luz se reduce. El ángulo de divergencia de haz es una medida del aumento del ancho del haz o el diámetro del haz con el aumento de la distancia desde las ubicaciones de la parte central del haz y se definen como se da en la norma ISO 11146-1 (Primera edición, 2005-01-15), en particular en la sección 3.15 de dicha documentación, para haces estigmáticos y astigmáticos simples; para haces astigmáticos generales es aplicable la definición respectiva de las normas ISO 11146-2 e ISO 11146-3. Opcionalmente, el ángulo de divergencia de haz se reduce para ambos ejes principales del haz. El ángulo de divergencia de haz se reduce opcionalmente en al menos 1°, más opcionalmente al menos 10°, más opcionalmente al menos 20°, para al menos un eje, opcionalmente ambos/todos los ejes, del haz de luz. Opcionalmente, el ángulo de divergencia se reduce de tal manera que el haz de luz emitido desde el área de emisión de luz tiene un semiángulo de divergencia de menos de 10°, más opcionalmente menos de 3°, más opcionalmente menos de 1°. El ángulo de divergencia se reduce de tal manera que un punto del haz de luz a una distancia de 2 cm del área de emisión de luz (y/o del elemento de conformación óptica mencionado a continuación) tiene un tamaño con un diámetro de opcionalmente menos de 2 mm, más opcionalmente menos de 500 pm, más opcionalmente menos de 100 pm. En particular, el dispositivo óptico de la presente descripción permite crear puntos de menos de 20 pm de diámetro en la superficie de una pantalla y/o en una capa de cristal líquido de una pantalla cuando se utiliza en una unidad de retroiluminación respectiva, que es menor que la distancia entre subpíxeles de los televisores (típicamente mayor que 70 pm) o incluso teléfonos inteligentes (aproximadamente 25 pm).
Opcionalmente, la estructura de conformación de haz colima y/o (re)enfoca el haz de luz. Cuando se utiliza el dispositivo óptico en una retroiluminación de una pantalla, es posible crear un haz de luz para cada subpíxel. Opcionalmente, la primera guía de ondas y/o la segunda guía de ondas son guías de ondas monomodo. Es ventajoso que un diámetro del núcleo de la guía de ondas de la primera y/o la segunda guía de ondas sea inferior a 100 pm, opcionalmente entre 0,1 y 50 pm, más opcionalmente entre 1 y 5 pm.
Opcionalmente, el dispositivo óptico comprende un número de guías de ondas adicionales con un número correspondiente de acopladores ópticos adicionales para acoplar un haz de luz desde la primera guía de ondas a las guías de ondas adicionales respectivas, donde cada una del número de guías de ondas adicionales está configurada para guiar un haz de luz acoplado desde la primera guía de ondas a la estructura de conformación de haz, donde la estructura de conformación de haz está configurada para propagar un haz de luz recibido desde cada una del número de guías de ondas adicionales al área de emisión de luz de modo que la divergencia de haz de un haz de luz emitido desde el área de emisión de luz sea menor que la divergencia de haz del haz de luz recibido desde la guía de onda respectiva. Los acopladores ópticos adicionales también pueden ser para acoplar un haz de luz desde otras guías de ondas, otras guías de ondas que están directa o indirectamente conectadas a la primera guía de ondas y/o se pueden conectar a la fuente de luz externa y/o se pueden conectar a otras fuentes de luz externas. El número de guías de ondas adicionales es opcionalmente al menos 1, más opcionalmente al menos 10, más opcionalmente al menos 100, más opcionalmente al menos 10000, más opcionalmente al menos 100000. Por lo tanto, puede haber una guía de ondas por subpíxel y se pueden usar acopladores direccionales para distribuir la luz de una fuente de luz externa a cientos o miles o millones de píxeles. Además, es ventajoso que el dispositivo óptico comprenda guías de ondas adicionales del tipo de la primera guía de ondas, para recibir un haz de luz desde la fuente de luz externa y/o desde una fuente de luz externa adicional. Por ejemplo, cada fuente de luz externa se puede acoplar a al menos 1000 guías de ondas adicionales (del tipo de la segunda guía de ondas).
Opcionalmente, el haz de luz que llega a la estructura de conformación de haz desde la segunda guía de ondas se propaga de tal manera que ilumina solo una fracción del área de emisión de luz.
Opcionalmente, los haces de luz propagados por la estructura de conformación de haz recibidos de diferentes guías de ondas adicionales iluminan secciones no superpuestas del área de emisión de luz y/o la superposición de cada dos secciones vecinas comprende menos del 10% de la energía de los haces de luz de diferentes guías de ondas. Opcionalmente, el área de emisión de luz es sustancialmente plana y/o está en un plano.
Cabe señalar que las retroiluminaciones colimadas tienen aplicaciones que van más allá de lo que se detalla aquí. En el área tecnológica incipiente de las pantallas de campo de luz y las pantallas holográficas también existe la necesidad de retroiluminaciones colimadas para mejorar la calidad de la imagen.
En una realización ejemplar, la estructura de conformación de haz comprende un elemento de conformación óptica, donde la al menos segunda guía de ondas dirige el haz de luz acoplado desde la primera guía de ondas al elemento de conformación óptica. Opcionalmente, guías de ondas adicionales dirigen el haz de luz acoplado desde la guía de ondas adicional respectiva a dicho elemento de conformación óptica. Ventajosamente, el dispositivo óptico comprende elementos de conformación óptica adicionales, donde cada una del número de guías de ondas adicionales guía un haz de luz al elemento de conformación óptica o uno de los elementos de conformación óptica adicionales. El elemento de conformación óptica opera sobre el haz de luz para reducir la divergencia de haz cuando el haz de luz se propaga desde la segunda guía de ondas hasta el área de emisión de luz.
En una realización ejemplar más específica, el elemento de conformación óptica es un espejo cóncavo o un elemento óptico difractivo. Esto permite una implementación particularmente fácil del elemento de conformación óptica y la estructura de conformación de haz que comprende el elemento de conformación óptica. Opcionalmente, el espejo cóncavo es un microespejo. El espejo cóncavo puede tener una alta calidad superficial, ya que, de lo contrario, la calidad del haz puede verse afectada y los puntos focales pueden agrandarse. El espejo cóncavo puede tener una forma arbitraria, en la que son posibles curvas pronunciadas. Opcionalmente, el espejo cóncavo tiene un radio de curvatura (o radios de curvatura) de entre 0,1 mm y 1 mm, más opcionalmente entre 0,3 mm y 0,7 mm. Se puede utilizar para establecer el diámetro del haz como se desee a cualquier distancia definida, por ejemplo, en cualquier punto de una pila de visualización, por ejemplo, en una capa de cristal líquido o en una capa de conversión de luz (como puntos cuánticos o barras cuánticas) de la pantalla. Si el elemento de conformación óptica es un espejo cóncavo, es opcional además que otras guías de ondas incidan en el mismo espejo cóncavo. Por ejemplo, el número máximo de guías de ondas que inciden en el mismo espejo se puede establecer en 25. El espejo cóncavo puede tener, por ejemplo, una forma esférica, parabólica o toroidal. El elemento de conformación óptica, en particular el espejo cóncavo, puede producirse, por ejemplo, mediante un procedimiento de rollo a placa, que permite una fabricación barata. Además, el moldeo por presión de vidrio de precisión o el grabado en seco son posibles técnicas de fabricación.
El elemento de conformación óptica puede tener al menos un primer eje y un segundo eje, donde la distancia focal del elemento óptico para el primer eje es diferente que para el segundo eje. El elemento de conformación óptica puede recibir un haz de luz de la segunda guía de ondas desde una dirección que difiere de la dirección en la que se emite/refleja el haz de luz desde el elemento de conformación óptica, por ejemplo, la luz se dirige al elemento de conformación óptica en un ángulo poco profundo, de, por ejemplo, 10-20°. Proporcionar una distancia focal diferente para cada eje permite compensar las contorsiones resultantes de tales ángulos incidentes, transformando así, por ejemplo, un haz elíptico en un haz circular y, en general, transformando el haz de luz de modo que el haz de luz resultante tenga anchos del haz más similares para los diferentes ejes (principales). El primer eje es opcionalmente ortogonal al segundo eje. Si el elemento de conformación óptica es un espejo cóncavo, puede tener diferentes radios de curvatura en el primer y el segundo eje.
Opcionalmente, el elemento de conformación óptica puede proporcionarse mediante una estructura polimérica. De esta manera, se puede lograr una alta calidad de haz y una alta reflectividad. Por ejemplo, la estructura polimérica es una estructura polimérica nanoimpresa por UV. Opcionalmente, el elemento de conformación óptica y/o, respectivamente, la estructura polimérica comprende un recubrimiento reflectante (por ejemplo, plata). Esto permite una implementación particularmente fácil del elemento de conformación óptica y bajas pérdidas. El recubrimiento reflectante puede tener un espesor de, por ejemplo, entre 10 |jm y 100 |jm.
En una realización opcional, el dispositivo óptico comprende una tercera guía de ondas y un acoplador óptico (un segundo acoplador óptico) para acoplar un haz de luz desde la primera guía de ondas a la tercera guía de ondas, donde la tercera guía de ondas está configurada para guiar un haz de luz acoplado desde la primera guía de ondas a la estructura de conformación de haz, donde la estructura de conformación de haz está configurada para propagar un haz de luz recibido desde la tercera guía de ondas al área de emisión de luz de modo que la divergencia de haz de un haz de luz emitido desde el área de emisión de luz sea menor que la divergencia de haz del haz de luz recibido desde la tercera guía de ondas, donde el haz de luz guiado por la segunda guía de ondas a la estructura de conformación de haz y el haz de luz guiado por la tercera guía de ondas a la estructura de conformación de haz se emiten opcionalmente desde el área de emisión de luz con ejes de propagación centrales sustancialmente paralelos (como se define por el centroide del haz). Alternativamente, los ejes de propagación centrales pueden incluir ángulos pequeños y están alineados para incidir en puntos definidos (por ejemplo, vecinos) a una cierta distancia.
El dispositivo óptico comprende un sustrato, donde la primera guía de ondas y al menos la segunda guía de ondas se forman dentro del sustrato. El sustrato es opcionalmente un sustrato transparente, en particular un sustrato de vidrio. Ventajosamente, el sustrato comprende vidrio de borosilicato, por ejemplo, Corning (R) EAGLE XG (R), que es un tipo de vidrio de boro-aluminosilicato alcalinotérreo. El sustrato puede tener un espesor de más de 100 pm, opcionalmente más de 250 pm. El sustrato tiene opcionalmente forma de lámina o placa y el espesor del sustrato (definido como la dimensión más corta del sustrato) es opcionalmente al menos 10 veces, más opcionalmente al menos 100 veces, más opcionalmente al menos 1000 veces, menor que la dimensión del sustrato en ambas direcciones normales a la dimensión más corta. El sustrato tiene un espesor de opcionalmente menos de 5 cm, más opcionalmente menos de 2 mm, más opcionalmente menos de 1 mm. La primera guía de ondas y al menos la segunda guía de ondas se forman dentro del sustrato por medio de escritura láser directa, en particular escritura láser directa de femtosegundo. De esta manera, se pueden lograr guías de ondas que tengan una baja pérdida de propagación. Por ejemplo, los experimentos han mostrado una pérdida de propagación de menos de 0,4 dB/cm para la luz azul (a una longitud de onda de 450 nm). Mediante la formación de las guías de ondas por medio de la escritura láser directa, es posible proporcionar trayectorias de guía de ondas 3D. Por lo tanto, las capas de elementos de conformación óptica (en particular, espejos) se pueden combinar con capas de guías de ondas. Opcionalmente, la primera guía de ondas se extiende dentro del sustrato de forma sustancialmente ortogonal a la dimensión más delgada del sustrato. Si la estructura de conformación óptica comprende un polímero, el índice de refracción del polímero debería ser igual o similar al índice de refracción del sustrato, por ejemplo, con una diferencia de menos de 0,1. De esta manera, se puede evitar la reflexión interna total. El elemento de conformación óptica puede estar formado por el sustrato y/o por una estructura externa, por ejemplo, adyacente al sustrato. Opcionalmente, la segunda guía de ondas y/o la primera guía de ondas emiten luz monomodo (haz gaussiano), en particular con una alta calidad de haz, donde la medida M2 es opcionalmente menor que 3, más opcionalmente menor que 2, más opcionalmente menor que 1,5. De este modo, se puede lograr un tamaño de punto pequeño. Los resultados de laboratorio han demostrado que se puede lograr un acoplamiento entre guías de ondas monomodo de más del 95 %. Opcionalmente, el área de emisión de luz es proporcionada por una superficie del sustrato.
Generalmente, un procedimiento para la escritura láser directa de las guías de ondas en el sustrato comprende opcionalmente la siguiente etapa:
- usar un haz láser estrechamente enfocado (con, por ejemplo, 1 pm de ancho) y mover el sustrato para crear estructuras.
La escritura láser directa de femtosegundo (también llamada escritura directa por láser de femtosegundo o FDLW) se puede emplear si el dispositivo óptico se va a usar con una fuente de luz externa de alta potencia en el UV cercano, como se puede usar con el dispositivo óptico descrito en este documento. FDLW comprende opcionalmente una o más de las siguientes etapas:
- proporcionar un sustrato, que comprende un material dieléctrico transparente y/o que comprende vidrio, cerámica, polímero y/o material cristalino;
- utilizar la absorción multifotónica (es decir, más de 2 fotones) de fotones con energías por debajo de la banda prohibida del material del sustrato y/o donde los pulsos son pulsos de femtosegundos a frecuencias bajas a medias, por ejemplo, entre 20 kHz y 10 MHz, opcionalmente entre 80 kHz y 5 MHz, en particular entre 100 kHz y 2 MHz e incluso más particularmente entre 500 kHz y 1,5 MHz, y/o donde los pulsos tienen un ancho de pulso medio, por ejemplo, entre 40 fs y 2 ps, opcionalmente entre 100 fs y 1 ps, en particular entre 200 fs y 400 fs.
Otra técnica de escritura láser es la escritura láser 2PP (2-fotónpolimerización), que puede comprender litografía de dos fotones o litografía multifotónica. A diferencia de la escritura láser directa de femtosegundo, puede contener uno o más de las siguientes etapas o propiedades:
- utilizar pulsos de femtosegundos a frecuencias típicamente altas, por ejemplo, 80 MHz y con ancho de pulso bajo < 100 fs;
- la absorción de dos fotones es un proceso de tercer orden con respecto a la susceptibilidad de tercer orden y un proceso de segundo orden con respecto a la intensidad de la luz;
- proporcionar una resistencia especial (un material fotosensible) que es altamente transparente a los fotones de longitud de onda lambda pero altamente absorbente para los fotones de longitud de onda lambda/2.
La descripción se refiere además a una unidad de retroiluminación, que comprende un dispositivo óptico como se describe en este documento y que comprende una fuente de luz acoplada a la primera guía de ondas. Con la presente descripción es posible distribuir la luz de una fuente de luz a muchos píxeles (por ejemplo, más de 1000 píxeles), en particular mientras se mantiene la calidad monomodo. En particular, permite distribuir y proporcionar un haz de luz colimado por subpíxel de una pantalla a iluminar. Es decir, se puede lograr una rejilla 2D de haces de luz perpendiculares a la superficie de retroiluminación, donde el espaciado entre los haces de luz vecinos en una dirección es, por ejemplo, entre 30 pm y 500 pm. Esto corresponde a la distancia entre subpíxeles típica de las pantallas. La fuente de luz es opcionalmente un láser, en particular un diodo láser monomodo. La fuente de luz tiene opcionalmente una medida de M2 baja, por ejemplo, menos de 3, más opcionalmente menos de 2, más opcionalmente menos de 1,5. De este modo, se puede lograr una eficiencia de acoplamiento de modesta a alta a guías de onda (en particular, monomodo). El láser es opcionalmente un diodo láser emisor de borde y/o emisor de cavidad vertical. El acoplamiento del haz de luz emitido desde la fuente de luz a la primera guía de ondas también puede ser indirecto, es decir, a través de otra guía de ondas o cascada de guías de ondas. El acoplamiento de un haz de luz emitido desde la fuente de luz a la guía de ondas se logra opcionalmente utilizando una microlente y/o acoplamiento a tope. Los resultados de laboratorio han demostrado eficiencias de acoplamiento de más del 50 %. Opcionalmente, la fuente de luz está configurada para emitir luz con una longitud de onda central de entre 300 y 470 nm, por ejemplo, 450 nm o 405 nm. Opcionalmente, la unidad de retroiluminación comprende más de una fuente de luz. Si se utilizan varias fuentes de luz, cada una iluminando una cierta sección de un área, se puede implementar atenuación local del área a iluminar para aumentar los contrastes (o las relaciones de contraste, de manera equivalente). Además, es posible una opción a todo color con longitudes de onda centrales de diodos láser de 460 nm, 530 nm y 630 nm.
Esta descripción se refiere además a un panel de visualización (o "pantalla"). Hay algunas desventajas de las pantallas disponibles actualmente.
Un problema se refiere a la gama de colores de las LCD.
El ojo humano tiene tres tipos diferentes de "píxeles", que le permiten muestrear el espectro de la luz que incide sobre él. Dependiendo de la composición espectral de la luz que incide sobre el ojo, se perciben diferentes "colores". Este hecho es muy útil para las pantallas, ya que solo necesitan emitir luz de tres longitudes de onda diferentes para "simular" todos los colores. Una pantalla perfecta sería capaz de direccionar espectralmente cada uno de los "píxeles" del ojo por separado. Esto se puede hacer usando, por ejemplo, rayos láser a 400 nm para el azul, 700 nm para el rojo y típicamente 530 nm para el verde.
Las LCD utilizadas hasta la fecha no utilizan diodos láser, sino casi siempre LED con fósforo amarillo en la parte superior, lo que crea una emisión espectral continua en todo el espectro visible. Se utilizan entonces filtros de color para "recortar" las partes azules, verdes y rojas de ese espectro. Esto conduce a espectros muy amplios para cada color, lo que significa que, por ejemplo, un subpíxel rojo también emitirá luz "verde" significativa, lo que se denomina diafonía de color. La diafonía de color limita la gama de colores que se pueden mostrar, por ejemplo, no hay rojo limpio, solo un rojo verde amarillento.
Los puntos cuánticos abordan este problema haciendo un trabajo mucho mejor que el fósforo amarillo: absorben la luz azul y la emiten en picos distintos en las longitudes de onda deseadas. Todavía no tan nítido como los láseres, pero con, por ejemplo, un ancho espectral de 30 nm ya mucho mejor que el fósforo. Hasta la fecha, los puntos cuánticos se utilizan en la retroiluminación de los televisores vendidos, por ejemplo, por Samsung (R) bajo la marca QLED. En tal retroiluminación, la luz de los LED azules se distribuye por toda la matriz de visualización antes de incidir sobre una película delgada de puntos cuánticos ("Quantum Dot Enhancement Film" o QDEF). En la película, los puntos cuánticos rojos y verdes absorben parte de la luz azul y la convierten en luz roja y verde, creando, junto con el LED azul, una mezcla de luz RGB en toda la placa de la película. Los filtros de color seleccionan solo la luz de su color para el subpíxel respectivo y reflejan el resto.
Otro problema es la eficiencia óptica de las LCD.
Para generar, por ejemplo, luz roja para el subpíxel rojo, se debe usar un filtro de color que bloquee toda la luz que no sea roja, lo que significa que para una retroiluminación blanca estándar se pierde al menos el 66 % de la luz. Por lo general, la pérdida es significativamente mayor porque el espectro de la luz no se ajusta bien al espectro de transmisión de los filtros. Se deben utilizar filtros adicionales para polarizar la luz antes de entrar en la estructura de cristal líquido, introduciendo otra pérdida de aproximadamente el 30 %. Finalmente, los límites negros que separan los subpíxeles absorben aproximadamente el 33 % de la luz. Teniendo todo esto en cuenta, normalmente más del 90% de la luz generada en la retroiluminación se pierde y nunca llega al espectador, lo que lleva a un alto consumo de energía y generación de calor en la pantalla en relación con el brillo alcanzado de la pantalla.
Al utilizar QDEF en LCD, la eficiencia solo mejora ligeramente con respecto a las LCD estándar basadas en LED, ya que las principales pérdidas relacionadas con los 3 filtros de color individuales, la polarización y los límites negros de la rejilla de cristal líquido todavía están presentes. Cabe señalar que la eficiencia energética de las pantallas OLED (la segunda tecnología más importante para las pantallas en uso hoy en día) está aproximadamente a la par con la tecnología LCD actual.
En los últimos años, se ha propuesto una forma más eficiente de usar puntos cuánticos en LCD en comparación con QDEF: posicionar los puntos cuánticos después de la parte de "obturador" de la LCD para que actúen como convertidores de color específicos y reemplazar los filtros de color. Este enfoque se denomina reemplazo de filtro de color de punto cuántico (QDCFR). Para este fin, solo se colocan puntos cuánticos verdes en la posición del subpíxel verde y lo mismo para el color rojo. De esta manera, una retroiluminación azul emite luz azul, que pasa a través del "obturador" sin filtrado de color, lo que significa una disminución significativa de las pérdidas ópticas.
Las ventajas de QDCFR sobre QDEF son:
- mayor eficiencia energética porque no se utilizan filtros de color en la LCD;
- ángulo de visión muy bueno y la misma relación de contraste en todos los ángulos de visión debido a los ángulos de dispersión uniformes de los QD;
- solo un tipo de célula LCD (azul);
- precio más bajo y relación de contraste probablemente mejorada;
- las células LC azules también tienen típicamente un tiempo de conmutación más rápido.
Aún así, QDCFR encuentra al menos dos problemas de diseño conceptual con respecto a la unidad de retroiluminación.
Un problema es la diafonía de subpíxeles.
Los rayos de luz que pasan a través del "obturador", por ejemplo, un subpíxel verde, solo deberín incidir en los puntos cuánticos para este mismo subpíxel. Esto es difícil de lograr si la distancia de propagación entre el obturador y los puntos cuánticos es grande y el ángulo de los rayos es grande. En una pila de visualización típica, la distancia entre una célula de cristal líquido y los puntos cuánticos es del orden de 700 pm. Incluso para una retroiluminación colimada con un semiángulo de apertura de cono de solo 10°, algo que no está disponible comercialmente y que probablemente conduciría a pérdidas ópticas adicionales sustanciales, a menudo no se puede evitar la diafonía de subpíxeles. Las únicas soluciones posibles son hacer píxeles muy grandes, lo que no es deseable, disminuir el tamaño de la abertura del cristal líquido, lo que conduce a grandes caídas de eficiencia energética o utilizar una retroiluminación de alta colimación (por ejemplo, un ángulo de divergencia de haz de menos de 1°), algo que no se ha podido lograr hasta ahora.
Alternativamente, la pila de visualización también se puede cambiar: al mover el polarizador superior a la célula de cristal líquido (polarizador "en la célula"), los puntos cuánticos se pueden colocar donde los filtros de color están posicionados en un diseño estándar, que es en la posición del cristal líquido. En este diseño, la diafonía de subpíxeles se puede suprimir lo suficiente. El problema con este enfoque es que es difícil hacer polarizadores funcionales en la célula y aún no se ha lanzado ningún producto producible en el mercado de masas que los incorpore.
Un problema adicional de QDCFR es la disminución de la relación de contraste, que tampoco se puede superar mediante el uso de polarizadores en la célula.
Incluso si estuviera disponible un polarizador en la célula de alta relación de contraste, la relación de contraste de una pantalla QDCFR puede ser significativamente menor que una pantalla LCD estándar. La razón de esto es que, dado que los puntos cuánticos son dispersores uniformes en direcciones de ángulo de 360°, los rayos que se propagan a través de la LCD en ángulos oblicuos se convertirán en nuevos rayos en ángulos aleatorios, algunos de ellos en ángulo normal. Esto significa que un rayo en ángulo oblicuo (antes de incidir en el QDCFR), que muestra una relación de contraste deficiente y normalmente solo sería visible si la pantalla se ve en ángulo (cuando se usa QDEF o LED-BLU estándar), ahora también se puede ver si la pantalla se ve en ángulo normal.
Por lo tanto, mientras que los puntos cuánticos proporcionan la misma relación de contraste en todos los ángulos de visión, dado que son dispersores uniformes, la relación de contraste de la LCD QDCFR se promedia en todos los ángulos de visión. Esto puede disminuir la relación de contraste cuando se ve en ángulo normal de 1:3000 a 1:130 (véase, por ejemplo: el documento de Han, S., Kiselev, F.D. y Mlejnek, M. (2019), 75-2: Quantum Dots on Color Filter LCD Design Study. Sid Symposium Digest of Technical Papers, 50: 1067-1070.).
Un objeto adicional de la presente descripción es resolver o aliviar al menos algunos de los problemas de las pantallas de la técnica anterior. En particular, un objeto de la presente invención es proporcionar una pantalla, que sea más eficiente, tenga una mejor gama de colores y/o una mayor relación de contraste y/o un mejor ángulo de visión.
Se propone un panel de visualización que comprende una unidad de retroiluminación como se describe en esta descripción. Tal pantalla puede lograr una iluminación con luz colimada, aliviando uno o más de los problemas mencionados anteriormente. En particular, en QDCFR, se puede resolver el problema de diafonía de subpíxeles y no es necesario ningún polarizador en la célula para evitar la diafonía de subpíxeles (por supuesto, todavía se puede usar un polarizador en la célula, por ejemplo, para hacer que la pila de visualización sea más compacta). Además, en QDCFR, también se resuelve el problema de la disminución de la relación de contraste, ya que solo los rayos en ángulo normal pasan a través de la célula de cristal líquido y se logra la relación de contraste máxima. Sin embargo, las ventajas no se limitan a la pantalla QDCFR. Por el contrario, la eficiencia se puede aumentar en pantallas retroiluminadas en general. La eficiencia sobre las pantallas convencionales se puede aumentar aún más, ya que se puede evitar la reflexión interna total en un material de cubierta del panel de visualización, por ejemplo, vidrio, lo que resulta en una baja eficiencia de extracción de salida (véase, por ejemplo: el documento de Han, S., Kiselev, F.D. y Mlejnek, M. (2019), 75-2: Quantum Dots on Color Filter L<c>D Design Study. Sid Symposium Digest of Technical Papers, 50: 1067-1070). Con la presente descripción, el material de cubierta podría intercambiarse con cualquier otro polímero.
Además, la presente descripción permite lograr un diámetro de haz pequeño. Esto garantiza que no se incida en los límites negros que normalmente separan los subpíxeles, lo que significa que se puede evitar una pérdida del 30-50 %. Esto da lugar a un fuerte aumento de la transmisión.
Para aumentar la relación de contrastemediante atenuación local, se pueden apilar dos capas LC una encima de la otra. Nuevamente, la transmisión se puede aumentar, porque no se incide en los límites. Además, se puede resolver el problema de Moire, que puede ocurrir si las rejillas LC se apilan una encima de la otra debido a la desalineación de dos rejillas. Dado que el haz se puede hacer mucho más pequeño que la abertura de cada subpíxel individual, existe suficiente tolerancia de alineación lateral entre los dos LCD (por ejemplo, - 20 pm).
Además, para las pantallas QD, se puede lograr un uso reducido del material de los puntos cuánticos, ya que se pueden alcanzar tamaños de punto de menos de 20 pm por 20 pm en la posición de los puntos cuánticos. Para los televisores actuales, los tamaños de subpíxeles pueden llegar a 300x100 pm, que normalmente están cubiertos uniformemente con puntos cuánticos. Cubrir solo un área de 20x20 pm en lugar de un área de 300x100 pm conduce a un ahorro de material de los puntos cuánticos de aproximadamente el 98,7 %. Potencialmente, esta reducción podría incluso permitir el uso de puntos cuánticos basados en cadmio (Cd) a pesar de los estrictos requisitos de RoHS. Los puntos cuánticos de Cd tienen un mejor rendimiento que los de fosfuro de indio, pero estos últimos no están limitados por RoHS.
El panel de visualización es opcionalmente una pantalla de panel plano. Opcionalmente, el panel de visualización es una pantalla de cristal líquido, más opcionalmente una pantalla de puntos cuánticos. Opcionalmente, el haz de luz de la segunda guía de ondas emitido desde la estructura de conformación de haz ilumina un subpíxel y/o el área de cristal líquido (LC) asociada con un subpíxel y/o el área de punto cuántico asociada con un subpíxel. Opcionalmente, las guías de ondas adicionales del tipo de la segunda guía de ondas están asociadas cada una con un subpíxel, donde el subpíxel asociado es diferente para diferentes guías de ondas.
El panel de visualización comprende opcionalmente uno o más de:
- un primer polarizador,
- un vidrio TFT (transistor de película delgada),
- un vidrio de cubierta,
- un segundo polarizador (generalmente denominado "analizador") y/o un polarizador en la célula,
- una capa que comprende estructuras de conversión de luz (véase más adelante),
- un filtro de color para bloquear la luz de bombeao y reflejar la luz ambiental que puede provocar excitaciones no deseadas de las estructuras de conversión de luz,
- una protección de capa de vidrio.
En una realización opcional, el panel de visualización comprende al menos un primer tipo de estructura de conversión de luz, que opcionalmente comprende un primer tipo de puntos cuánticos o barras cuánticas, para convertir un haz de luz emitido desde la fuente de luz en un primer intervalo de color, donde la estructura de conformación de haz está configurada de modo que el haz de luz guiado a la estructura de conformación de haz desde la segunda guía de ondas y emitido desde el área de emisión de luz incide en una estructura de conversión de luz del primer tipo, estructura de conversión de luz que está asociada con un primer subpíxel de color del panel de visualización. Opcionalmente, la estructura de conversión de luz del primer tipo comprende fósforo. En particular, la fuente de luz proporciona un haz de bombeo para la estructura de conversión de luz.
Opcionalmente, el panel de visualización comprende al menos un segundo tipo de estructura de conversión de luz, que opcionalmente comprende un segundo tipo de puntos cuánticos o barras cuánticas, para convertir un haz de luz emitido desde la fuente de luz externa en un segundo intervalo de color diferente del primer intervalo de color, donde la estructura de conformación de haz está configurada de tal manera que el haz de luz guiado a la estructura de conformación de haz desde la tercera guía de ondas y emitido desde el área de emisión de luz incide en una estructura de conversión de luz del segundo tipo, estructura de conversión de luz que está asociada con un segundo subpíxel de color del panel de visualización, donde el segundo subpíxel de color está opcionalmente adyacente al primer subpíxel de color. En efecto, por lo tanto, el primer y el segundo subpíxel de color pueden mostrar diferentes colores. Opcionalmente, dos, tres, cuatro o más subpíxeles (de color) pueden formar un píxel.
A menudo, en QDCFR no se utilizan QD azules. En su lugar, se utiliza un LED azul a, por ejemplo, 450 nm para bombear QD rojos y verdes, así como para proporcionar la luz azul. En este caso, normalmente se utilizan algunas estructuras de dispersión transparentes para difundir la luz azul y garantizar que no haya un cambio de color dependiente del ángulo. Tal configuración también se puede utilizar para la descripción actual. Sin embargo, debido a la coherencia de los haces de luz, esto podría dar lugar a motas. Por lo tanto, es ventajoso utilizar una lente o un elemento óptico difractivo para difundir el haz (que no incide en los QD). Alternativa y opcionalmente, también se utiliza un tercer tipo de estructura de conversión de luz (opcionalmente puntos cuánticos o barras cuánticas) como difusores y la longitud de onda de bombeo se establece para que sea suficientemente más corta (incluso UV) que la longitud de onda de emisión del tercer tipo de estructura de conversión de luz. Opcionalmente, el panel de visualización comprende al menos un tercer tipo de estructura de conversión de luz, que opcionalmente comprende un tercer tipo de puntos cuánticos o barras cuánticas, para convertir un haz de luz emitido desde la fuente de luz externa en un tercer intervalo de color diferente del primer y el segundo intervalo de color y la fuente de luz externa está configurada para emitir un haz de luz con una longitud de onda central que es más corta que una longitud de onda central del primer, el segundo y el tercer intervalo de color. Opcionalmente, la fuente de luz emite luz en el espectro UV (por ejemplo, 400 nm o menos) . Dado que el ojo humano tiene una sensibilidad de 1/100 a 400 nm en comparación con 450 nm, sería posible omitir un filtro óptico que bloquea la luz de "bombeo", simplificando la pila de visualización. Además, algunos puntos cuánticos tienen una tasa de absorción significativamente mayor en el UV que a 450 nm.
El primer y/o el segundo y/o el tercer intervalo de color pueden ser cada uno, por ejemplo, uno de los intervalos entre:
- 380 y 495 nm; o
- 495 y 580 nm; o
- 580 y 800 nm.
El primer y el segundo y el tercer intervalo de color opcionalmente no se superponen. El primer y/o el segundo y/o el tercer intervalo de color pueden tener cada uno, por ejemplo, una longitud de onda central de uno de:
- 400 nm; o
- 530 nm; o
- 700 nm.
Opcionalmente, el panel de visualización comprende un cuarto tipo de estructura de conversión de luz, que opcionalmente comprende un cuarto tipo de puntos cuánticos o barras cuánticas, para convertir un haz de luz emitido desde la fuente de luz externa en un cuarto intervalo de color diferente del primer, el segundo y el tercer intervalo de color.
Opcionalmente, la estructura de conversión de luz asociada con el primer subpíxel de color y la estructura de conversión de luz asociada con el segundo subpíxel de color están separadas por un límite que comprende un material que es sustancialmente opaco a al menos una longitud de onda central del primer intervalo de color y/o una longitud de onda central del segundo intervalo de color. Por lo tanto, se pueden impedir las excitaciones cruzadas entre las estructuras de conversión de luz asociadas con diferentes subpíxeles. Opcionalmente, el límite bloquea al menos el 90 % de la intensidad de la luz con una longitud de onda central del primer intervalo de color y el segundo intervalo de color.
Opcionalmente, el dispositivo óptico comprende al menos una guía de ondas adicional y un acoplador óptico adicional para acoplar un haz de luz desde la primera guía de ondas a la guía de ondas adicional,
donde la guía de ondas adicional guía el haz de luz emitido desde la fuente de luz externa a la estructura de conformación de haz y la estructura de conformación de haz también está configurada de tal manera que la divergencia de haz de un haz de luz emitido desde el área de emisión de luz es menor que la del haz de luz guiado a la estructura de conformación de haz por la guía de ondas adicional,
donde la estructura de conformación de haz está configurada de modo que el haz de luz guiado a la estructura de conformación de haz desde la guía de ondas adicional y emitido desde el área de emisión de luz incide en un elemento de difusión óptica asociado con un tercer subpíxel de color del panel de visualización. En esta realización, uno de los colores a mostrar por el panel de visualización puede ser opcionalmente el color emitido por la fuente de luz. Gracias al elemento de difusión óptica, se puede mejorar el ángulo de visión.
Opcionalmente, la estructura de conversión de luz asociada con el primer subpíxel de color y la estructura de conversión de luz asociada con el segundo subpíxel de color se proporcionan en una capa de conversión de luz, donde se proporciona una capa de filtro, en particular una capa de filtro de paso corto, donde un haz de luz emitido desde el área de emisión de luz pasa a través de la capa de filtro antes de alcanzar la capa de conversión de luz, donde la capa de filtro tiene una reflectividad más alta para una longitud de onda central de un haz de luz, que la fuente de luz externa está configurada para emitir, que para una longitud de onda central del primer intervalo de color y opcionalmente también el segundo intervalo de color. De este modo, la luz de bombeo procedente de la fuente de luz se puede transmitir a las estructuras de conversión de luz, pero la luz emitida desde las estructuras de conversión de luz se puede reflejar. Por lo tanto, se mejora la eficiencia.
A modo de ejemplo, la descripción se explica adicionalmente con respecto a algunas realizaciones seleccionadas mostradas en los dibujos. Sin embargo, estas realizaciones no se considerarán limitativas para la descripción.
La Fig. 1 muestra esquemáticamente una vista en sección de una pantalla QDCFR de la técnica anterior.
La Fig. 2 muestra esquemáticamente una vista en sección detallada de la pantalla QDCFR de la técnica anterior. La Fig. 3 muestra esquemáticamente una vista en sección de un panel de visualización según la presente descripción.
La Fig. 4 muestra esquemáticamente una vista superior de una unidad de retroiluminación del panel de visualización de la Fig. 3.
La Fig. 5 muestra esquemáticamente una vista en sección de un panel de visualización según la presente descripción con un polarizador en la célula.
La Fig. 6 muestra esquemáticamente una vista en sección de un panel de visualización según la presente descripción e ilustra la ventaja sobre una pantalla de la técnica anterior según la Fig. 1.
La Fig. 7 muestra el plano X-Z de una simulación Zemax (R) que demuestra la reducción del ángulo de divergencia.
La Fig. 8 muestra el plano Y-Z de la misma simulación que la Fig. 7.
La Fig. 9 muestra el plano X-Z de otra simulación Zemax (R), en la que varias guías de ondas del tipo de la segunda guía de ondas inciden en el mismo elemento de conformación óptica.
La Fig. 10 muestra el plano Y-Z de la misma simulación que la Fig. 9.
La Figura 11 muestra el plano X-Y de la misma simulación que la Fig. 9.
La Fig. 1 muestra las capas y los haces de luz en un panel de visualización de la técnica anterior 160, que es una pantalla QDCFR con capas polarizadoras estándar. El panel de visualización 160 comprende una unidad de retroiluminación 130 con una película de mejora de brillo 132. La unidad de retroiluminación 130 emite haces de luz con un semiángulo de aproximadamente 10°. Posteriormente, se proporciona un primer polarizador 161 y un vidrio TFT 162 con una capa 163 de células LC en la parte superior. Los haces de luz que pasaron a través de una sola de las células LC se muestran a la derecha de la capa LC 163. Este haz de luz pasa primero a través del vidrio de cubierta 164, a través del segundo polarizador 165 y un filtro de paso bajo 166 (para reflejar la luz QD pero pasar la luz de bombeo), antes de incidir en una capa 173 con puntos cuánticos para diferentes colores y subpíxeles de color del panel de visualización 160. Como se puede observar a partir del haz de luz que sale de una sola célula LC, este haz de luz alcanza varios subpíxeles, lo que lleva a una diafonía de subpíxeles y una disminución de la relación de contraste.
La Fig. 2 muestra esquemáticamente un detalle de una pantalla QDCFR 160 de la técnica anterior e ilustra un problema, que no se puede superar en las pantallas de la técnica anterior incluso cuando se usan polarizadores en la célula. El polarizador en la célula 165' está en la misma capa que la capa de cristal líquido 163 (o más precisamente: contiguo a las células LC) y la capa 173 que contiene los puntos cuánticos. Estas están intercaladas entre dos capas de vidrio 162, 164. Un rayo procedente de la retroiluminación se muestra como una flecha 180. Viene de la retroiluminación en un ángulo oblicuo y produce una relación de contraste no ideal en la salida de la pantalla, si se utilizan puntos cuánticos para dispersar estos rayos uniformemente en todas las direcciones (es decir, el caso QDCFR). Esto se debe a la diferente longitud de recorrido de los rayos a través del cristal líquido 163 y el eje de birrefringencia de la célula de cristal líquido visto por el rayo en ángulos oblicuos en comparación con los rayos en ángulos normales. Por lo tanto, la relación de contraste al ver la pantalla 160 en ángulo normal disminuye.
La Fig. 3 muestra un panel de visualización 60 según la presente descripción. El panel de visualización 60 comprende una unidad de retroiluminación 30. La unidad de retroiluminación 30 comprende un dispositivo óptico 1 para controlar la luz. El dispositivo óptico 1 comprende una primera guía de ondas 2 para recibir un haz de luz de una fuente de luz externa. En este caso, la fuente de luz externa es proporcionada por la fuente de luz 31 de la unidad de retroiluminación 30. La fuente de luz 31 es, por ejemplo, un diodo láser. La primera guía de ondas 2 está conectada a una segunda guía de ondas 3 mediante un acoplador óptico 4 para acoplar un haz de luz desde la primera guía de ondas 2 a la segunda guía de ondas 3. El dispositivo óptico 1 comprende una estructura de conformación de haz 5 con un área de emisión de luz 6 para emitir un haz de luz. La segunda guía de ondas 3 está configurada para guiar un haz de luz acoplado desde la primera guía de ondas 2 a la estructura de conformación de haz 5. La estructura de conformación de haz 5 está configurada para propagar un haz de luz recibido desde la segunda guía de ondas 3 al área de emisión de luz 6 de modo que la divergencia de haz de un haz de luz emitido desde el área de emisión de luz 6 sea menor que la divergencia de haz del haz de luz recibido desde la segunda guía de ondas 3. En particular, el ángulo de divergencia de haz es menor.
La estructura de conformación de haz 5 comprende un elemento de conformación óptica 7. La segunda guía de ondas 3 dirige el haz de luz acoplado desde la primera guía de ondas 2 al elemento de conformación óptica 7. En esta realización, el elemento de conformación óptica 7 es un espejo cóncavo. El elemento de conformación óptica 7 es proporcionado por una estructura polimérica 8. Opcionalmente, el elemento de conformación óptica 7 se produjo en la estructura polimérica 8 mediante nanoimpresión UV.
Además, el dispositivo óptico 1 comprende una tercera guía de ondas 9 y un acoplador óptico 10 para acoplar un haz de luz desde la primera guía de ondas 2 a la tercera guía de ondas 9. La tercera guía de ondas 9 está configurada para guiar un haz de luz acoplado desde la primera guía de ondas 2 a la estructura de conformación de haz 5, donde la estructura de conformación de haz 5 está configurada para propagar un haz de luz recibido desde la tercera guía de ondas 9 al área de emisión de luz 6 de modo que la divergencia de haz de un haz de luz emitido desde el área de emisión de luz 6 sea menor que la divergencia de haz del haz de luz recibido desde la tercera guía de ondas 9. El haz de luz guiado por la segunda guía de ondas 3 a la estructura de conformación de haz 5 y el haz de luz guiado por la tercera guía de ondas 9 a la estructura de conformación de haz 5 se emiten desde el área de emisión de luz 6 con ejes de propagación centrales sustancialmente paralelos. De manera similar a la segunda guía de ondas 3 y la tercera guía de ondas 9, el dispositivo óptico 1 comprende guías de ondas adicionales.
El dispositivo óptico 1 comprende un sustrato 11. La primera guía de ondas 2, la segunda guía de ondas 3 y la tercera guía de ondas 9 están formadas dentro del sustrato 11. El sustrato 11 se puede considerar el vidrio de retroiluminación.
La Fig. 4 es una vista superior de la unidad de retroiluminación 30. Esta figura ilustra cómo se logra una salida en abanico a una rejilla 2D. Se proporciona una guía de ondas de dalida en abanico primaria 12. A través de acopladores ópticos, la luz se acopla desde la guía de ondas de salida en abanico primaria 12 a cuatro guías de ondas de salida en abanico secundarias 13. Cada una de la guía de ondas de salida en abanico primaria 12 y las guías de ondas de salida en abanico secundarias 13 pueden formar una primera guía de ondas 2 en el sentido de esta descripción. Desde cada una de las guías de ondas de salida en abanico primaria y secundaria 12, 13, los acopladores ópticos pueden acoplar la luz a la segunda y la tercera guía de ondas 3, 9 y otras guías de ondas de su tipo, que dirigen la luz a la estructura de conformación de haz 5 (véase la Fig. 3) . Por supuesto, es posible que solo algunas de las guías de ondas de salida en abanico primarias y/o secundarias 12, 13 sirvan como primeras guías de ondas 2.
De esta manera, se puede emitir una rejilla 2D de haces de luz colimados desde la superficie delantera de la unidad de retroiluminación 30. Los haces de luz emitidos son opcionalmente paralelos o casi paralelos entre sí. Además, la unidad de retroiluminación 30 puede comprender fuentes de luz adicionales 31, donde se proporcionan diseños de salida en abanico adicionales como se describió anteriormente. Por lo tanto, cada una de una pluralidad de fuentes de luz puede proporcionar una subrejilla 2D de haces de luz colimados, que juntos cubren un área más grande. Por lo tanto, con una o más fuentes de luz 31, se logra una unidad de retroiluminación 30 que emite una rejilla de haces de luz colimados.
Como se puede observar de nuevo a partir de la Fig. 3, el panel de visualización 60 comprende un primer polarizador 61, a través del cual pasan los haces de luz emitidos por la unidad de retroiluminación 30. Posteriormente, se puede proporcionar un vidrio TFT 62. Posteriormente, los haces de luz pasan por una capa de cristal líquido 63, a la que sigue un vidrio de cubierta de TFT 64. En general, es posible proporcionar el panel de visualización 60 con cualquier pila de LCD como se conoce en la técnica. A esto le sigue un segundo polarizador 65 y una capa de filtro 66, que se explicarán con más detalle a continuación.
El panel de visualización 60 comprende al menos un primer tipo de estructura de conversión de luz 67 para convertir un haz de luz emitido desde la fuente de luz 31 en un primer intervalo de color, donde la estructura de conformación de haz 5 está configurada de tal manera que el haz de luz guiado a la estructura de conformación de haz 5 desde la segunda guía de ondas 3 y emitido desde el área de emisión de luz 6 incide sobre una estructura de conversión de luz 67 del primer tipo. Dicha estructura de conversión de luz 67 está asociada con un primer subpíxel de color 68 del panel de visualización 60. La posición relativa del subpíxel de color 68 y otros subpíxeles de color mencionados a continuación también se indica esquemáticamente en la Fig. 4.
El panel de visualización 60 comprende además un segundo tipo de estructura de conversión de luz 69 para convertir un haz de luz emitido desde la fuente de luz externa 31 en un segundo intervalo de color diferente del primer intervalo de color, donde la estructura de conformación de haz 5 está configurada de tal manera que el haz de luz guiado a la estructura de conformación de haz 5 desde la tercera guía de ondas 9 y emitido desde el área de emisión de luz 6 incide en una estructura de conversión de luz 69 del segundo tipo. La estructura de conversión de luz 69 está asociada con un segundo subpíxel de color 70 del panel de visualización 60. Como se puede observar a partir de las Figs. 3 y 4, el segundo subpíxel de color 70 es adyacente al primer subpíxel de color 68.
El panel de visualización 60 comprende un tercer tipo de estructura de conversión de luz 71 para convertir un haz de luz emitido desde la fuente de luz externa 31 en un tercer intervalo de color diferente del primer y el segundo intervalo de color. La fuente de luz 31 está configurada para emitir un haz de luz con una longitud de onda central que es más corta que una longitud de onda central del primer, el segundo y el tercer intervalo de color. Por ejemplo, la fuente de luz 31 puede emitir luz UV. Por lo tanto, la luz que pasa por las estructuras de conversión de luz 67, 69, 71 sin conversión no reduce la calidad de una imagen mostrada por el panel de visualización 60. La longitud de onda de bombeo de las estructuras de conversión de luz 67, 69, 71 se adapta a la luz emitida por la fuente de luz 31. Las estructuras de conversión de luz 67, 69, 71 del primer, el segundo y el tercer tipo comprenden, respectivamente, un primer, un segundo o un tercer tipo de puntos cuánticos en esta realización. Por supuesto, son posibles otras realizaciones de las estructuras de conversión de luz 67, 69, 71.
La estructura de conversión de luz 67 asociada con el primer subpíxel de color 68 y la estructura de conversión de luz 69 asociada con el segundo subpíxel de color 70 están separadas por un límite 72, que comprende un material que es sustancialmente opaco a al menos una longitud de onda central del primer intervalo de color y una longitud de onda central del segundo intervalo de color. Por lo tanto, se pueden evitar las excitaciones cruzadas entre las estructuras de conversión de luz 67, 69 asociadas con el primer subpíxel de color 68 y el segundo subpíxel de color 70.
La estructura de conversión de luz 67 asociada al primer subpíxel de color 68 y la estructura de conversión de luz 69 asociada al segundo subpíxel de color 70 se proporcionan en una capa de conversión de luz 73. La capa de conversión de luz 73 es adyacente a la capa de filtro 66. Un haz de luz emitido desde el área de emisión de luz 6 pasa a través de la capa de filtro 66 antes de alcanzar la capa de conversión de luz 73. La capa de filtro 66 tiene una reflectividad más baja para una longitud de onda central de un haz de luz que la fuente de luz 31 está configurada para emitir que para una longitud de onda central del primer intervalo de color y el segundo intervalo de color. Por lo tanto, la luz procedente de la fuente de luz 31 puede pasar por la capa de filtro 66 a la capa de conversión de luz 73, mientras que la luz emitida hacia atrás desde las estructuras de conversión de luz 67, 69 se refleja a una superficie frontal del panel de visualización 60, es decir, en la dirección de un espectador. Encima de la capa de conversión de luz 73, el panel de visualización 60 comprende una capa de filtro de color 74. La capa de filtro de color 74 impide que la luz de la fuente de luz 31, que no fue convertida, se emita desde el panel de visualización 60 y refleja la luz ambiental que, de otro modo, podría conducir a excitaciones no deseadas de la estructura de conversión de luz 67, 69, 71. Se proporciona una capa de vidrio 75 encima de la capa de filtro de color 74 para la protección de las estructuras subyacentes.
La realización del panel de visualización 60 mostrada en la Fig. 5 es similar a la mostrada en la Fig. 3. En particular, la unidad de retroiluminación 30 es la misma que en la Fig. 3. La unidad de visualización 60 comprende un primer polarizador 61 y un vidrio TFT 62. Sin embargo, el segundo polarizador 65' se proporciona como un polarizador en la célula, como parte de la capa LC 63 (o más precisamente: contiguo a las células LC). Además, las estructuras de conversión de luz 67, 69, 71 también se proporcionan en la célula con la capa LC 63. Esto tiene la ventaja de que se puede lograr un diseño más compacto. El vidrio de cubierta TFT 64 se proporciona encima de la capa LC 63.
La Fig. 6 muestra esquemáticamente una vista lateral de un panel de visualización 60 según la presente descripción e ilustra la ventaja sobre la pantalla de la técnica anterior 160 mostrada en la Fig. 1. El panel de visualización 60 comprende la unidad de retroiluminación 30, donde la fuente de luz y la primera guía de ondas no se muestran.
Posteriormente, se proporciona un primer polarizador 61 y un vidrio TFT 62 con una capa 63 de células LC encima del vidrio TFT 62 (que se ilustra en el lado derecho del vidrio TFT en la Fig. 6). Se muestra el haz de luz emitido desde el elemento de conformación óptica 7 de la estructura de conformación de haz 5, que pasa a través de una única célula LC de la capa 63. Este haz de luz pasa primero a través del vidrio de cubierta 64, a través del segundo polarizador 65 y un filtro de paso bajo 66 (para reflejar la luz QD pero pasar la luz de bombeo), antes de incidir en una capa 73 con puntos cuánticos para diferentes colores y subpíxeles de color del panel de visualización 60. Como se puede observar, debido a la reducción del ángulo de divergencia por la estructura de conformación de haz 5 (de la cual solo se muestra el elemento de conformación óptica 7), el haz de luz que pasa a través de una célula LC incide solo en los puntos cuánticos asociados con un subpíxel. Por lo tanto, no hay diafonía de subpíxeles ni reducción de la relación de contraste. En la parte superior, se proporciona una capa de vidrio 75.
Las Figs. 7 y 8 muestran una simulación Zemax (R), donde la Fig. 7 muestra el plano X-Z y la Fig. 8 muestra el plano Y-Z. Para esta simulación, se supone que la segunda guía de ondas 3 (no visible) se dobla hacia el elemento de conformación óptica 7 en un ángulo de 12°. La guía de ondas se proporciona en el sustrato 11, y la estructura de conformación de haz 5 con el elemento de conformación óptica 7 se proporciona en contacto con el sustrato 11. La punta de la segunda guía de ondas 2 termina 10 pm por encima de la interfaz del sustrato 11 y la estructura de conformación de haz 5 y la segunda guía de ondas 2 emite un cono de luz con un semiángulo de apertura de 3,5°. El elemento de conformación óptica 7 se proporciona como un espejo cóncavo con radios de curvatura de 0,32 mm y 0,65 mm en diferentes ejes ortogonales entre sí. El haz de luz mostrado pasa a través de una célula de la capa LC 63 y se enfoca sustancialmente en la estructura de conversión de luz 67 del primer tipo asociada al primer subpíxel de color 68. La estructura de conversión de luz 67 se proporciona en la capa de conversión de luz 73. La simulación muestra que se puede lograr un tamaño de punto del haz de luz en la capa de conversión de luz 73 de 4 pm por 10 pm. La distancia entre píxeles para esta simulación es de 220 pm, la abertura de subpíxeles de la LCD se establece en 58 pm por 58 pm y la abertura de píxeles de la capa QD se establece en 220 pm por 73 pm.
Las Figs. 9 a 11 muestran otra simulación Zemax (R), donde la Fig. 9 muestra el plano X-Z, la Fig. 10 muestra el plano Y-Z y la Fig. 11 muestra el plano X-Y. En ellas, tres guías de ondas (no mostradas) del tipo de la segunda guía de ondas 3 inciden en el mismo elemento de conformación óptica 7 y se muestran los haces de luz resultantes. Los parámetros son sustancialmente los mismos que para la simulación mostrada en las Figs. 7 y 8. En particular, los ángulos de la punta de cada una de las guías de ondas son los mismos que para la guía de ondas de la Fig. 7. Es decir, las tres guías de ondas tienen el mismo ángulo y se encuentran en el mismo plano inclinado, paralelas entre sí. Sin embargo, la separación de las guías de onda del elemento de conformación óptica 7 se cambia a 14 pm, y la separación entre la guía de ondas intermedia y cada una de las dos guías de ondas vecinas es de 14 pm para ambos casos. El diseño está hecho para una distancia entre píxeles de 75 pm, es decir, una distancia entre subpíxeles de 25 pm. El elemento de conformación óptica 7 se proporciona, de nuevo, como un espejo cóncavo y los radios de curvatura del espejo son 0,3 mm para la dirección x y 0,48 mm para la dirección y. El espejo tiene un ángulo de 37,6° con respecto a un plano de extensión de la capa<L c>63 y/o la capa de conversión de luz 73, y más generalmente, una superficie de visualización del panel de visualización 60. Como se puede observar a partir de esta figura, el haz de luz emitido desde cada una de las tres guías de ondas es dirigido por el elemento de conformación óptica 7 a una de las tres células vecinas de la capa LC 63 y a una de las tres estructuras de conversión de luz vecinas en la capa de conversión de luz 73, cada una asociada con un subpíxel de color diferente. Por tanto, se puede lograr un ajuste más fácil.
Claims (15)
1. Dispositivo óptico (1) para controlar la luz, comprendiendo el dispositivo óptico (1): una primera guía de ondas (2) para recibir un haz de luz desde una fuente de luz externa,
al menos una segunda guía de ondas (3), un acoplador óptico (4) para acoplar un haz de luz desde la primera guía de ondas (2) a la segunda guía de ondas (3), donde el dispositivo óptico (1) comprende un sustrato, donde la primera guía de ondas (2) y al menos la segunda guía de ondas (3) se forman dentro del sustrato (11) por medio de escritura láser directacaracterizado porqueel dispositivo óptico (1) comprende:
una estructura de conformación de haz (5) con un área de emisión de luz (6) para emitir un haz de luz, donde la segunda guía de ondas (3) está configurada para guiar un haz de luz acoplado desde la primera guía de ondas (2) a la estructura de conformación de haz (5), donde la estructura de conformación de haz (5) está configurada para propagar un haz de luz recibido desde la segunda guía de ondas (3) a la zona de emisión de luz (6) de tal manera que la divergencia de haz de un haz de luz emitido desde la zona de emisión de luz (6) sea menor que la divergencia de haz del haz de luz recibido desde la segunda guía de ondas (3).
2. Dispositivo óptico (1) según la reivindicación 1, caracterizado porque la estructura de conformación de haz (5) comprende un elemento de conformación óptica (7), donde la al menos segunda guía de ondas (3) dirige el haz de luz acoplado desde la primera guía de ondas (2) al elemento de conformación óptica (7).
3. Dispositivo óptico (1) según la reivindicación 2, caracterizado porque el elemento de conformación óptica (7) es un espejo cóncavo o un elemento óptico difractivo.
4. Dispositivo óptico (1) según la reivindicación 3, caracterizado porque el elemento de conformación óptica (7) tiene al menos un primer eje y un segundo eje, donde la distancia focal del elemento de conformación óptica (7) para el primer eje es diferente que para el segundo eje.
5. Dispositivo óptico (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque el elemento de conformación óptica (7) se proporciona por una estructura polimérica (8), opcionalmente una estructura polimérica nanoimpresa por UV y/o que comprende opcionalmente un recubrimiento reflectante.
6. Dispositivo óptico (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo óptico (1) comprende una tercera guía de ondas (9) y un acoplador óptico (10) para acoplar un haz de luz desde la primera guía de ondas (2) a la tercera guía de ondas (9), donde la tercera guía de ondas (9) está configurada para guiar un haz de luz acoplado desde la primera guía de ondas (2) a la estructura de conformación de haz (5), donde la estructura de conformación de haz (5) está configurada para propagar un haz de luz recibido desde la tercera guía de ondas (9) al área de emisión de luz (6) de manera que la divergencia de haz de un haz de luz emitido desde el área de emisión de luz (6) es menor que la divergencia de haz del haz de luz recibido desde la tercera guía de ondas (9), donde el haz de luz guiado por la segunda guía de ondas (3) a la estructura de conformación de haz (5) y el haz de luz guiado por la tercera guía de ondas (9) a la estructura de conformación de haz (5) son emitidos desde el área de emisión de luz (6) con ejes de propagación centrales sustancialmente paralelos.
7. Dispositivo óptico (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la primera guía de ondas (2) y al menos la segunda guía de ondas (3) se forman dentro del sustrato (11) por medio de escritura láser directa de femtosegundo.
8. Unidad de retroiluminación, caracterizada por un dispositivo óptico (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores y que comprende una fuente de luz (31), en particular un láser, acoplada a la primera guía de ondas (2).
9. Panel de visualización (60), caracterizado por una unidad de retroiluminación (30) según la reivindicación 8.
10. Panel de visualización (60) según la reivindicación 9, caracterizado porque el panel de visualización (60) comprende al menos un primer tipo de estructura de conversión de luz (67), que opcionalmente comprende un primer tipo de puntos cuánticos o barras cuánticas, para convertir un haz de luz emitido desde la fuente de luz (31) en un primer intervalo de color, donde la estructura de conformación de haz (5) está configurada de tal manera que el haz de luz guiado a la estructura de conformación de haz (5) desde la segunda guía de ondas (3) y emitido desde el área de emisión de luz (6) incide sobre una estructura de conversión de luz (67) del primer tipo, estructura de conversión de luz (67) que está asociada con un primer subpíxel de color (68) del panel de visualización (60) .
11. Panel de visualización (60) según la reivindicación 10, caracterizado porque el panel de visualización (60) comprende al menos un segundo tipo de estructura de conversión de luz (69), que opcionalmente comprende un segundo tipo de puntos cuánticos o barras cuánticas, para convertir un haz de luz emitido desde la fuente de luz (31) en un segundo intervalo de color diferente del primer intervalo de color, donde la estructura de conformación de haz (5) está configurada de tal manera que el haz de luz guiado a la estructura de conformación de haz (5) desde la tercera guía de ondas (9) y emitido desde el área de emisión de luz (6) incide sobre una estructura de conversión de luz (69) del segundo tipo, estructura de conversión de luz (69) que está asociada con un segundo subpíxel de color (70) del panel de visualización (60), donde el segundo subpíxel de color (70) es opcionalmente vecino del primer subpíxel de color (68).
12. Panel de visualización (60) según la reivindicación 11, caracterizado porque el panel de visualización (60) comprende al menos un tercer tipo de estructura de conversión de luz (71), que opcionalmente comprende un tercer tipo de puntos cuánticos o barras cuánticas, para convertir un haz de luz emitido desde la fuente de luz (31) en un tercer intervalo de color diferente del primer y el segundo intervalo de color y caracterizado porque la fuente de luz (31) está configurada para emitir un haz de luz con una longitud de onda central que es más corta que una longitud de onda central del primer, el segundo y el tercer intervalo de color.
13. Panel de visualización (60) según una cualquiera de las reivindicaciones 11 o 12, caracterizado porque la estructura de conversión de luz (67) asociada con el primer subpíxel de color (68) y la estructura de conversión de luz (69) asociada con el segundo subpíxel de color (70) están separadas por un límite (72) que comprende un material que es sustancialmente opaco a al menos una longitud de onda central del primer intervalo de color y/o una longitud de onda central del segundo intervalo de color.
14. Panel de visualización (60) según una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado porque el dispositivo óptico (1) comprende al menos una guía de ondas adicional y un acoplador óptico adicional para acoplar un haz de luz desde la primera guía de ondas (2) a la guía de ondas adicional, donde la guía de ondas adicional guía el haz de luz emitido desde la fuente de luz (31) a la estructura de conformación de haz (5) y la estructura de conformación de haz (5) también está configurada de modo que la divergencia de haz de un haz de luz emitido desde el área de emisión de luz (6) sea menor que la del haz de luz guiado a la estructura de conformación de haz (5) por la guía de ondas adicional, donde la estructura de conformación de haz (5) está configurada de tal manera que el haz de luz guiado a la estructura de conformación de haz (5) desde la guía de ondas adicional y emitido desde el área de emisión de luz (6) incide en un elemento de difusión óptica asociado con un tercer subpíxel de color del panel de visualización (60).
15. Panel de visualización (60) según una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque la estructura de conversión de luz (67) asociada con el primer subpíxel de color (68) y la estructura de conversión de luz (69) asociada con el segundo subpíxel de color (70) se proporcionan en una capa de conversión de luz (73), donde se proporciona una capa de filtro (66), en particular una capa de filtro de paso corto, donde un haz de luz emitido desde el área de emisión de luz (6) pasa a través de la capa de filtro (66) antes de alcanzar la capa de conversión de luz (73), donde la capa de filtro (66) tiene una reflectividad más alta para una longitud de onda central de un haz de luz que la fuente de luz (31) está configurada para emitir que para una longitud de onda central del primer intervalo de color y opcionalmente también el segundo intervalo de color.
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