RU2297727C1

RU2297727C1 - Liquid-crystal display lighting system (alternatives)

Info

Publication number: RU2297727C1
Application number: RU2005137051/09A
Authority: RU
Inventors: Мари Валерьевна Потапова (RU); Мария Валерьевна Потапова
Original assignee: Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-04-20

Abstract

FIELD: liquid-crystal displays.

SUBSTANCE: proposed liquid-crystal display lighting system has sequentially disposed light source, optical system, optical film, polarization film, and microprism film; optical film is made of transparent material and has at least one optical element incorporating first refracting surface and opposing interconnected second refracting surface and reflecting surface, as well as side surfaces; light source is designed to generate diverging light beams; microprism film is designed to pass some portion of light beams through desired aperture and to reflect some portion of light beams in direction of reflecting surface whose external aperture is practically equal to that of first refracting surface; internal aperture equals that of second refracting surface; reflecting surface is designed to partially depolarize some portion of light reflected by polarization plate and for reflecting this portion of light and some portion of light beams reflected by microprism plate to polarization plate.

EFFECT: reduced angular aperture, enhanced light efficiency.

14 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области оптики, а именно к системам подсветки жидкокристаллических (ЖК) дисплеев, и может быть использовано для изготовления ЖК дисплеев.The invention relates to the field of optics, namely, backlight systems for liquid crystal (LCD) displays, and can be used for the manufacture of LCD displays.

В общем случае устройство подсветки ЖК дисплея работает следующим образом. Пучок лучей, исходящий от источника света, поступает в оптическую систему, которая служит для равномерного распределения яркости по поверхности ЖК панели дисплея. ЖК панель работает эффективно только с линейно поляризованным светом, поступающим на вход в строго определенных пределах угловой апертуры. Поэтому свет на выходе оптической системы должен быть поляризован и должен иметь ограниченную угловую апертуру (в большинстве существующих систем угловая апертура не превышает +/-35°) для наиболее эффективного использования света.In general, an LCD backlight device operates as follows. The beam of rays emanating from the light source enters the optical system, which serves to evenly distribute brightness on the surface of the LCD display panel. The LCD panel works efficiently only with linearly polarized light entering the input within strictly defined limits of the angular aperture. Therefore, the light at the output of the optical system must be polarized and must have a limited angular aperture (in most existing systems, the angular aperture does not exceed +/- 35 °) for the most efficient use of light.

В системах с боковой подсветкой данная оптическая система называется световодной пластиной, которая обеспечивает диффузное рассеяние света на входе в ЖК панель. Специальные оптические пленки, такие как пленка двойного увеличения яркости (DBEF) в патенте США № 6760175, широко применяются для более эффективного использования света в системах подсветки ЖК дисплеев.In systems with side illumination, this optical system is called a light guide plate, which provides diffuse light scattering at the entrance to the LCD panel. Special optical films, such as double-brightness enhancement (DBEF) in US Pat. No. 6760175, are widely used for more efficient use of light in LCD backlight systems.

Данные пленки содержат поляризационную пленку, которая пропускает только одну компоненту поляризации (проходящие лучи рассеиваются в угловой апертуре, не превышающей 16°) и диффузно отражает другую компоненту поляризации. Можно увеличить оптическую эффективность системы подсветки ЖК панели за счет использования переотражателя позади поляризационной пленки для частичной деполяризации отраженного света и для направления его обратно на поляризационную пленку. В системах с боковой подсветкой для этой цели, например, часто используют зеркало, расположенное за световодной пластиной.These films contain a polarizing film that transmits only one polarization component (transmitted rays are scattered in an angular aperture not exceeding 16 °) and diffusely reflects the other polarization component. It is possible to increase the optical efficiency of the backlight system of the LCD panel by using a re-reflector behind the polarizing film to partially depolarize the reflected light and direct it back to the polarizing film. In systems with side illumination for this purpose, for example, a mirror located behind the light guide plate is often used.

В общем случае система подсветки ЖК дисплея включает в себя источник света, оптическую систему, оптическую пленку, переотражатель и поляризационную пленку.In general, an LCD backlight system includes a light source, an optical system, an optical film, a reflector, and a polarizing film.

Наиболее близкой к заявленному изобретению является система подсветки ЖК дисплея, описанная в патенте США № 6876408. Данная система включает в себя оптическую пленку, которая содержит первую выпуклую преломляющую поверхность и расположенные напротив нее вторую преломляющую и отражающую поверхности, соединенные друг с другом и выполненные виде единой плоской поверхности, причем отражающая поверхность выполнена диффузной. Данная система выбрана в качестве прототипа заявленного изобретения.Closest to the claimed invention is an LCD backlight system described in US patent No. 6876408. This system includes an optical film that contains a first convex refractive surface and opposite it a second refractive and reflective surface, connected to each other and made as a single flat surface, and the reflective surface is made diffuse. This system is selected as a prototype of the claimed invention.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности обеспечения эффективного переотражения излучения в направлении поляризатора, а также отсутствие возможности обеспечения ограниченной угловой апертуры на входе поляризатора и, как следствие, невысокой эффективности использования света на входе ЖК панели.The disadvantage of the prototype is the lack of the ability to provide effective re-reflection of radiation in the direction of the polarizer, as well as the lack of the ability to provide a limited angular aperture at the input of the polarizer and, as a result, the low efficiency of the use of light at the entrance of the LCD panel.

Задачей заявленного изобретения является создание системы подсветки ЖК дисплеев с высокой оптической эффективностью за счет обеспечения частичной деполяризации переотраженного света при одновременном обеспечении ограниченной угловой апертуры на входе ЖК панели.The objective of the claimed invention is the creation of a backlight system for LCD displays with high optical efficiency by providing partial depolarization of the reflected light while providing a limited angular aperture at the entrance of the LCD panel.

Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение угловой апертуры пучка света за счет применения двух преломляющих поверхностей и увеличение световой эффективности за счет применения отражающей поверхности, обеспечивающей частичную деполяризацию отраженного света и ее эффективное переотражение в направлении ЖК панели.The technical result of the claimed invention is to reduce the angular aperture of the light beam due to the use of two refracting surfaces and to increase the luminous efficiency due to the use of a reflective surface that provides partial depolarization of the reflected light and its effective re-reflection in the direction of the LCD panel.

Для лучшего понимания настоящего изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.For a better understanding of the present invention, the following is a detailed description thereof with corresponding drawings.

Фиг.1 - схема работы системы подсветки ЖК монитора с микропризменной пленкой, выполненная согласно изобретению.Figure 1 - diagram of the backlight system of the LCD monitor with microprismatic film, made according to the invention.

Фиг.2 - схема оптической пленки с плоской отражающей поверхностью, выполненной согласно изобретению.Figure 2 - diagram of an optical film with a flat reflective surface, made according to the invention.

Фиг.3 - схема оптической пленки с отражающей поверхностью, выполненной в виде поверхности второго порядка согласно изобретениюFigure 3 - diagram of an optical film with a reflective surface made in the form of a second-order surface according to the invention

Фиг.4 - схема работы системы подсветки ЖК монитора без микропризменной пленки, выполненная согласно изобретению.Figure 4 - diagram of the backlight system of the LCD monitor without microprismatic films, made according to the invention.

Фиг.5 - схема оптической пленки с отражающей и второй преломляющей поверхностями, выполненными в виде поверхностей второго порядка и имеющими разный радиус кривизны согласно изобретению.5 is a diagram of an optical film with reflective and second refracting surfaces made in the form of second-order surfaces and having different curvature radius according to the invention.

Фиг.6 - схема оптической пленки с отражающей и второй преломляющей поверхностями, выполненными в виде поверхностей второго порядка и имеющими одинаковый радиус кривизны согласно изобретению.6 is a diagram of an optical film with reflective and second refracting surfaces made in the form of second-order surfaces and having the same radius of curvature according to the invention.

В первом варианте (Фиг.4) система подсветки ЖК монитора 1, содержащего ЖК панель 2, включает в себя источник света 3, оптическую систему 4, оптическую пленку 5, поляризационную пленку 6. Во втором варианте (Фиг.1) система дополнительно содержит микропризменную пленку 7, расположенную между поляризационной пленкой 6 и ЖК панелью 2.In the first embodiment (Figure 4), the backlight system of the LCD monitor 1 containing the LCD panel 2 includes a light source 3, an optical system 4, an optical film 5, a polarizing film 6. In a second embodiment (Figure 1), the system further comprises a microprism a film 7 located between the polarizing film 6 and the LCD panel 2.

В обоих вариантах (Фиг.1, 2) система подсветки 1 проецирует поляризованный свет с ограниченной угловой апертурой на вход ЖК панели 2. Оптическая пленка 5 представляет собой массив оптических элементов 8. Каждый оптический элемент 8 содержит первую преломляющую поверхность 9, вторую преломляющую поверхность 10 и отражающую поверхность 11 и заполнен оптически прозрачным материалом (например, поликарбонатом). Расходящийся пучок лучей 12, испущенный источником излучения 3, перераспределяют и коллимируют с помощью оптической системы 4, обеспечивая тем самым равномерное распределение яркости на ЖК панели 2. Поперечное сечение коллимированного пучка лучей 13, выходящего из оптической системы 4, уменьшается первой преломляющей поверхностью 9. Затем пучок лучей 13 проходит через преломляющую поверхность 10, апертура которой значительно меньше апертуры первой преломляющей поверхности 9 и приблизительно равна поперечному сечению пучка лучей 13. Пучок лучей 13 преломляется второй преломляющей оптической поверхностью 10 и, выходя из оптического элемента 8 оптической пленки 5, падает на поляризационную пленку 6. Часть данного пучка (с требуемым состоянием поляризации) практически без рассеяния проходит через поляризационную пленку 6.In both versions (FIGS. 1, 2), the illumination system 1 projects polarized light with a limited angular aperture to the input of the LCD panel 2. The optical film 5 is an array of optical elements 8. Each optical element 8 contains a first refractive surface 9, a second refractive surface 10 and a reflective surface 11 and is filled with an optically transparent material (e.g., polycarbonate). The diverging beam of rays 12 emitted by the radiation source 3 is redistributed and collimated using the optical system 4, thereby providing a uniform distribution of brightness on the LCD panel 2. The cross section of the collimated beam of rays 13 emerging from the optical system 4 is reduced by the first refractive surface 9. Then the beam of rays 13 passes through a refractive surface 10, the aperture of which is much smaller than the aperture of the first refracting surface 9 and is approximately equal to the cross section of the beam of rays 13. The beam beam 13, it is refracted by the second refracting optical surface 10 and, leaving the optical element 8 of the optical film 5, falls onto the polarizing film 6. A part of this beam (with the required state of polarization) passes almost without scattering through the polarizing film 6.

В первом варианте системы (Фиг.1) после прохождения поляризационной пленки 6 пучок направляется на микропризменную пленку 7 (пучок лучей 16). Оставшаяся часть 14 (с ортогональным состоянием поляризации) рассеивается при отражении поляризационной пленкой 6 и опять падает на пленку 5. Пучок лучей 16, прошедший в направлении микропризменной пленки 7, имеет значительную расходимость. Микропризменная пленка 7 пропускает в направлении ЖК панели 2 пучки лучей с ограниченной угловой апертурой 18, часть лучей 17 отражается обратно в направлении поляризатора 6 и оптической пленки 5. Отражающая поверхность 11 предназначена для переотражения и частичной деполяризации пучка лучей 14 и пучка лучей 17. Отражающая поверхность 11 имеет внешнюю апертуру, которая практически равна апертуре первой отражающей поверхности 9. Внутренняя апертура отражающей поверхности 11 практически равна апертуре второй преломляющей поверхности 10. Отношение площади апертуры первой преломляющей поверхности и площади апертуры второй преломляющей поверхности должно быть достаточно большим для обеспечения высокой эффективности использования света, отраженного поляризационной пленкой 6.In the first embodiment of the system (FIG. 1), after passing through the polarizing film 6, the beam is directed to the microprismatic film 7 (beam of rays 16). The remaining part 14 (with the orthogonal state of polarization) is scattered upon reflection by the polarizing film 6 and again falls onto the film 5. The beam of rays 16 passing in the direction of the microprismatic film 7 has a significant divergence. The microprismatic film 7 transmits beams of rays with a limited angular aperture 18 in the direction of the LCD panel 2, part of the rays 17 is reflected back in the direction of the polarizer 6 and the optical film 5. The reflecting surface 11 is intended for re-reflection and partial depolarization of the beam of rays 14 and the beam of rays 17. The reflecting surface 11 has an external aperture that is substantially equal to the aperture of the first reflecting surface 9. The internal aperture of the reflecting surface 11 is substantially equal to the aperture of the second refracting surface 10. Relations e the aperture area of the first refractive surface and the aperture area of the second refractive surface should be large enough to ensure high efficiency of use of light reflected by the polarizing film 6.

Во втором варианте системы (Фиг.4) после прохождения поляризационной пленки 6, пучок направляется на ЖК панель 2.In the second embodiment of the system (Figure 4) after passing through the polarizing film 6, the beam is directed to the LCD panel 2.

В первом варианте системы отражающая поверхность 11 оптической пленки 5 выполнена плоской (Фиг.1-3), а вторая преломляющая поверхность 19 выполнена либо плоской (Фиг.1, 2), либо выпуклой (Фиг.3), обеспечивая тем самым возможность уменьшения расстояния между оптической пленкой 5 и поляризатором 6 при сохранении равномерного облучения поверхности поляризатора (Фиг.3).In the first version of the system, the reflective surface 11 of the optical film 5 is made flat (Figs. 1-3), and the second refractive surface 19 is made either flat (Figs. 1, 2) or convex (Fig. 3), thereby providing the possibility of reducing the distance between the optical film 5 and the polarizer 6 while maintaining uniform irradiation of the surface of the polarizer (Figure 3).

Во втором варианте системы (Фиг.4-6) преломляющие поверхности 9 и 20 служат для уменьшения угловой апертуры пучков лучей 13, отражающая поверхность 21 служит для уменьшения угловой апертуры пучка лучей 22, отраженного от поляризатора 6 (пучок лучей 23). Отражающая поверхность 21 может быть вычислена в предположении, что существует точечный источник 24 рассеянного излучения на поверхности 25 поляризационной пленки 6 в центре поперечного сечения пучка лучей 13 (Фиг.4). Чтобы получить коллимированный пучок после отражения от отражающей поверхности 21, эта поверхность должна быть поверхностью второго порядка - параболоидом. Кроме того, первая и вторая преломляющие поверхности могут представлять собой телескопическую систему, направляющую коллимированный пучок лучей на вход поляризационной пленки 6. Это является лучшим способом обеспечения ограниченной угловой апертуры на входе ЖК панели 2. Кроме того, вторая преломляющая поверхность 27 и отражающая поверхность 21 могут иметь одну форму (Фиг.6). Такая пленка является наиболее технологичной, при этом обеспечивая ограниченную угловую апертуру пучков лучей на входе ЖК панели 2.In the second embodiment of the system (Figs. 4-6), the refractive surfaces 9 and 20 serve to reduce the angular aperture of the beam of rays 13, the reflecting surface 21 serves to reduce the angular aperture of the beam of rays 22 reflected from the polarizer 6 (beam of rays 23). The reflecting surface 21 can be calculated under the assumption that there is a point source 24 of scattered radiation on the surface 25 of the polarizing film 6 in the center of the cross section of the beam of rays 13 (Figure 4). In order to obtain a collimated beam after reflection from the reflecting surface 21, this surface must be a second-order surface — a paraboloid. In addition, the first and second refractive surfaces can be a telescopic system directing a collimated beam of rays to the input of the polarizing film 6. This is the best way to provide a limited angular aperture at the entrance of the LCD panel 2. In addition, the second refracting surface 27 and the reflecting surface 21 can have one form (Fig.6). Such a film is the most technologically advanced, while providing a limited angular aperture of the beam of rays at the entrance of the LCD panel 2.

Таким образом, применение заявленной системы подсветки позволяет увеличить световую эффективность системы подсветки ЖК панели 2 за счет обеспечения высокой эффективности использования излучения, отраженного поляризационной и микропризменной пленками, а также обеспечения поляризованного излучения с ограниченной угловой апертурой на входе ЖК панели.Thus, the use of the claimed backlight system allows to increase the light efficiency of the backlight system of the LCD panel 2 by ensuring high efficiency of the use of radiation reflected by polarizing and microprismatic films, as well as providing polarized radiation with a limited angular aperture at the entrance of the LCD panel.

Указанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации настоящего изобретения, и специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.The above embodiment of the invention has been set forth to illustrate the present invention, and it is clear to those skilled in the art that various modifications, additions and substitutions are possible without departing from the scope and meaning of the present invention disclosed in the attached claims.

Claims

1. The backlight system of the liquid crystal display, containing a sequentially located light source, an optical system, an optical film, a polarizing film and a microprismatic film, wherein the optical film is made of light-transmitting material and has at least one optical element that contains a first refracting surface and located opposite it and interconnected by a second refracting surface and a reflective surface, as well as side surfaces, while the light source nen with the possibility of generating a diverging beam of rays, the optical system is configured to reduce the angular aperture of the beam of rays and projecting the beam of rays with a small angular aperture onto the first refracting surface, which is made in the form of a second-order surface with the possibility of reducing the cross section of the incoming light beam with a small angular aperture due to refraction, as well as with the possibility of focusing this beam of rays on the second refracting surface, the second refracting surface is made and flat, while the aperture of the second refracting surface is much smaller than the aperture of the first refracting surface, while the second refracting surface is configured to direct the beam of the beam onto the polarizing plate, which is configured to transmit part of the beam of the beam with the desired state of polarization to the microprism film, and diffuse reflection parts of the world with a polarization state perpendicular to the required on the reflective surface, while the microprismatic film is made with possible the transmission of part of the beam with the required aperture and reflection of part of the beam in the direction of the reflecting surface, the external aperture of which is almost equal to the aperture of the first refracting surface, and the internal aperture is equal to the aperture of the second refracting surface, and the reflecting surface is capable of partial depolarization of the part of the light reflected by polarization plate, and the reflection of a given part of the light and part of the beam of rays reflected by the microprismatic plate onto the polarizing plate.

2. The system according to claim 1, characterized in that the first refractive surface, the second refractive surface and the reflective surface are symmetrical about one axis.

3. The system according to claim 1, characterized in that the first refractive surface, the second refractive surface and the reflective surface are symmetrical with respect to one plane.

4. The system according to claim 1, characterized in that the elements of the optical film are interconnected by side surfaces.

5. The system according to claim 1, characterized in that polycarbonate is used as the light transmitting material of the optical film.

6. The system according to claim 1, characterized in that the reflective surface of the optical film is made in the form of a plane.

7. The system according to claim 1, characterized in that the second refracting surface of the optical film is made in the form of a plane.

8. The system according to claim 1, characterized in that the second refracting surface is a second-order surface.

9. A backlight system for a liquid crystal display comprising a sequentially located light source, an optical system, an optical film, a polarizing film, wherein the optical film is made of light-transmitting material and has at least one optical element that contains a first refracting surface and located opposite it and interconnected second refracting surface and reflective surface, as well as side surfaces, while the light source is configured to diverging beam, the optical system is configured to collimate the beam and project the beam with a small angular aperture onto the first refracting surface, which is made in the form of a convex surface of the second order with the possibility of reducing the cross section of the incoming light beam with a small angular aperture due to refraction , and also with the possibility of projecting this beam of rays on the second refracting surface, the second refracting surface is made in the form of a concave surface of the order of magnitude, the aperture of the second refracting surface being much smaller than the aperture of the first refracting surface, the second refracting surface being configured to direct the beam to the polarizing plate, which is configured to transmit part of the beam with the desired state of polarization and diffuse reflection of the part of the light with the state of polarization perpendicular to the required on the reflective surface, the reflective surface is made in the form of a concave surface of the second order while its external aperture is almost equal to the aperture of the first reflecting surface, and the internal aperture is equal to the aperture of the second refracting surface, and the reflecting surface is capable of partial depolarization of a part of the light reflected by the polarizing plate, and reflection of this part of the light on the polarizing plate.

10. The system according to claim 9, characterized in that the first refractive surface, the second refractive surface and the reflective surface are symmetrical about one axis.

11. The system according to claim 9, characterized in that the first refractive surface, the second refractive surface and the reflective surface are symmetrical about one plane.

12. The system according to claim 9, characterized in that polycarbonate is used as the light transmitting material of the optical film.

13. The system according to claim 9, characterized in that the first and second refracting surfaces are a telescopic system that directs a collimated beam of light to the input of a polarizing film.

14. The system according to claim 9, characterized in that the reflective surface is made in the form of a paraboloid.