RU2326420C2

RU2326420C2 - Optic film

Info

Publication number: RU2326420C2
Application number: RU2006111940/28A
Authority: RU
Inventors: Андрей Николаевич Путилин (RU); Андрей Николаевич Путилин; Артур Рубенович Гейвандов (RU); Артур Рубенович Гейвандов; Александр Викторович Морозов (RU); Александр Викторович Морозов
Original assignee: Самсунг Электроникс Ко., Лтд.; Андрей Николаевич Путилин
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2008-06-10
Also published as: RU2006111940A

Abstract

FIELD: physics; optics.

SUBSTANCE: invention relates to the optics. The optic film comprises the cell array in which every element is designed as focusing concentrator consisting of two planar surfaces where the area of the first element surface is less than the second surface and ratio of the element height to outer diameter of the second surface is in the range from 2 to 8. The third cambered lateral face connects the contours of first and second surfaces and has the form providing the total internal reflection of the light impinging from the first surface.

EFFECT: increasing of light transmission efficiency.

14 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к области оптики, а именно к оптическим пленкам, и может быть использовано в жидкокристаллических дисплеях (ЖКД).The invention relates to the field of optics, namely to optical films, and can be used in liquid crystal displays (LCD).

Известные устройства подсветки (УП) ЖКД включают следующие элементы: источник света, отражатель, световодную пластину (LGP, т.е. Light Guide Plate), так называемые пленки, улучшающие яркость (BEF, т.е. Brightness Enhancement Films), рассеиватель и т.п.Known LCD backlight devices (UP) include the following elements: a light source, a reflector, a light guide plate (LGP, i.e., Light Guide Plate), so-called brightness enhancing films (BEF, i.e. Brightness Enhancement Films), a diffuser, and etc.

В современной технологии изготовления ЖКД активно используются BEF, обеспечивающие более высокое свечение ЖКД и эффективное использование света УП. Известны BEF, состоящие из массива призм (см., например, патент США № 5917664 [1]), которые обеспечивают коллимацию света и улучшенное прохождение света от источника света до модулирующего слоя ЖКД, что приводит к повышению яркости. Поскольку такие пленки с призмами производятся методом прокатки, то их массовое производство является недорогим.In modern LCD manufacturing technology, BEF is actively used, providing a higher luminance of the LCD and the efficient use of UE light. BEFs are known, consisting of an array of prisms (see, for example, US Patent No. 5,917,664 [1]), which provide collimation of light and improved light transmission from the light source to the LCD modulating layer, which leads to an increase in brightness. Since such films with prisms are produced by rolling, their mass production is inexpensive.

Главной задачей УП, включающего указанные BEF, является создание диаграммы излучения света с высокой яркостью света в направлении, перпендикулярном по отношению к плоскости дисплея, и уменьшение потерь света внутри УП. Также важна однородная по плоскости дисплея освещенность. Типичный диапазон углов выходящего света указанной BEF равен ±40 градусов.The main task of the control unit, including these BEFs, is to create a light emission diagram with a high brightness of light in a direction perpendicular to the display plane, and to reduce light losses inside the control unit. Uniform illumination on the display plane is also important. A typical range of angles of outgoing light of a specified BEF is ± 40 degrees.

Известна система оптических пленок (см. например, патент JP № 10106327 [2]), где описываются конические оптические концентраторы. Отличительными характеристиками такой конструкции являются коническая симметрия элементов и металлическое покрытие для осуществления отражательного рабочего режима.A known system of optical films (see, for example, JP patent No. 10106327 [2]), which describes a conical optical concentrator. Distinctive characteristics of this design are the conical symmetry of the elements and the metal coating for the implementation of the reflective operating mode.

Наиболее близким к заявленному изобретению является система оптических пленок (см. выложенную патентную заявку США №2001/0053074 [3]), в которой описывается планарный источник света, включающий в себя LGP и элементы с изогнутыми боковыми поверхностями. Отличительными характеристиками таких элементов является цилиндрическая симметрия, невысокий профиль (отношение высоты элемента к ширине элемента составляет менее двух). Также в данном случае одна из боковых поверхностей (А) используется для направления света, в то время как противоположная боковая поверхность элемента (В) не используется для направления и формирования выходящего пучка света. Поверхность А используется в качестве элемента полного внутреннего отражения (ПВО). Известной особенностью такой структуры является то, что световой луч, проникая в элемент, имеет только одно отражение от поверхности А, поскольку элемент имеет относительно малую высоту. Данная система выбрана в качестве прототипа заявленного изобретения.Closest to the claimed invention is an optical film system (see US Patent Application Laid-Open No. 2001/0053074 [3]), which describes a planar light source including LGP and elements with curved side surfaces. Distinctive characteristics of such elements are cylindrical symmetry, low profile (the ratio of the height of the element to the width of the element is less than two). Also in this case, one of the side surfaces (A) is used to direct the light, while the opposite side surface of the element (B) is not used to direct and form the outgoing light beam. Surface A is used as an element of total internal reflection (AD). A known feature of such a structure is that a light beam penetrating into an element has only one reflection from surface A, since the element has a relatively small height. This system is selected as a prototype of the claimed invention.

Недостатком указанных выше аналога и прототипа заявленного изобретения является невысокая пропускающая способность от УП в сторону модулирующих слоев.The disadvantage of the above analogue and prototype of the claimed invention is the low transmittance from the UP towards the modulating layers.

Задачей заявленного изобретения является создание оптической пленки, которая позволяет эффективно пропускать свет, падающий на нее со стороны УП, к передней стороне ЖКД, одновременно сохраняя качественные характеристики (однородность, диаграмма излучения) ЖКД, а также уменьшить количество оптических слоев в УП ЖКД, и, как следствие, уменьшить потери света УП.The objective of the claimed invention is the creation of an optical film that allows you to effectively transmit light incident on it from the side of the UE to the front side of the LCD, while maintaining the quality characteristics (uniformity, radiation pattern) of the LCD, as well as reduce the number of optical layers in the UE of the LCD, and, as a result, reduce light loss UP.

Технический результат заявляемого изобретения достигается благодаря улучшению пропускающей способности, т.е. коэффициента пропускания для света, падающего со стороны источника света УП, за счет создания оптической пленки, включающей в себя массив элементов заданной формы, так называемых фоконов или фокусирующих концентраторов, каждый из которых состоит из двух планарных поверхностей, причем площадь первой поверхности элемента меньше площади второй поверхности, а соотношение высоты элемента к внешнему диаметру упомянутой второй поверхности выбирается в диапазоне от двух до восьми, а третья изогнутая боковая поверхность соединяет контуры первой и второй поверхностей и имеет форму, обеспечивающую полное внутреннее отражение (ПВО) света, падающего со стороны первой поверхности. Такая оптическая пленка обеспечивает диаграмму излучения ЖКД с высокой яркостью вдоль нормали к плоскости дисплея позволяет исключить дорогостоящие пленки BEF из конструкции УП и уменьшить потери света в многочисленных оптических слоях.The technical result of the claimed invention is achieved by improving the transmittance, i.e. transmittance for light incident from the light source unitary unit, due to the creation of an optical film that includes an array of elements of a given shape, the so-called focons or focusing concentrators, each of which consists of two planar surfaces, and the area of the first surface of the element is less than the area of the second surface, and the ratio of the height of the element to the outer diameter of the said second surface is selected in the range from two to eight, and the third curved side surface connects the contours of the oh and second surfaces and has a shape that ensures total internal reflection (TIR) of light incident from the first surface. Such an optical film provides a high-brightness LCD radiation pattern along the normal to the plane of the display that eliminates costly BEF films from the UE design and reduces light loss in multiple optical layers.

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 - сечение оптического коллимирующего элемента, имеющего коэффициент преломления n и высоту h.Figure 1 is a cross section of an optical collimating element having a refractive index n and a height h.

Элементы:Items:

11 - первая поверхность,11 is the first surface

22 - вторая поверхность,22 - the second surface

33 - поверхность ПВО,33 - surface air defense,

44 - ось симметрии.44 - axis of symmetry.

Фиг.2 - схема оптической пленки (трехмерный вид), имеющей массив оптических коллимирующих элементов, гдеFigure 2 is a diagram of an optical film (three-dimensional view) having an array of optical collimating elements, where

21 - несущая подложка коэффициента преломления n,21 is a carrier substrate of the refractive index n,

22 - оптический коллимирующий элемент с коэффициентом преломления n,22 is an optical collimating element with a refractive index n,

23 - световод с коэффициентом преломления n, имеющий оптический контакт с массивом элементов 22,23 is a fiber with a refractive index n having optical contact with the array of elements 22,

24 - источник света,24 is a light source

25 - отражатель.25 - reflector.

Фиг.3 - сечение оптической пленки, имеющей массив оптических коллимирующих элементов с коэффициентом преломления n, гдеFigure 3 is a cross section of an optical film having an array of optical collimating elements with a refractive index n, where

31 - оптический коллимирующий элемент,31 - optical collimating element,

32 - световод, имеющий оптический контакт с массивом элементов 31,32 - a fiber having optical contact with an array of elements 31,

33 - луч от источника света.33 - a beam from a light source.

Фиг.4 - вид на массив оптических коллимирующих элементов, гдеFigure 4 is a view of an array of optical collimating elements, where

41 - оптический коллимирующий элемент,41 - optical collimating element,

42 - световод, имеющий оптический контакт с элементом 41,42 - a fiber having optical contact with the element 41,

43 - луч от источника света, входящий в световод 42,43 - a beam from a light source entering the light guide 42,

44 - выходящий коллимированный свет.44 - outgoing collimated light.

Фиг.5 - сечение оптической пленки, имеющей массив оптических коллимирующих элементов с коэффициентом преломления n, где5 is a cross section of an optical film having an array of optical collimating elements with a refractive index n, where

51 - оптический коллимирующий элемент,51 - optical collimating element,

52 - световод, имеющий оптический контакт с массивом элементов 31,52 - a fiber having optical contact with an array of elements 31,

53 - луч от источника света,53 - beam from a light source,

54 - рассеивающая поверхность.54 - scattering surface.

Фиг.6 - вид сверху на массив оптических коллимирующих элементов, имеющих гексагональную форму первой и второй поверхностей.6 is a top view of an array of optical collimating elements having a hexagonal shape of the first and second surfaces.

Фиг.7 - вид сверху на массив оптических коллимирующих элементов круглой формы первых поверхностей и гексагональной форма вторых поверхностей.7 is a top view of an array of optical collimating elements of a circular shape of the first surfaces and the hexagonal shape of the second surfaces.

Фиг.8 - фотография оптической пленки (трехмерный вид), имеющей массив оптических коллимирующих элементов.Fig. 8 is a photograph of an optical film (three-dimensional view) having an array of optical collimating elements.

Оптическая пленка состоит из массива оптических фокусирующих и коллимирующих элементов. Каждый элемент имеет коэффициент преломления n и высоту h (Фиг.1). Элемент состоит из трех поверхностей: планарной первой поверхности 11, планарной второй поверхности 22 и гладкой изогнутой третьей поверхности 33, которая, в частном случае, имеет ось симметрии 44 и, по меньшей мере, одну плоскость симметрии, пересекающую поверхности 11 и 22. На Фиг.1 поверхность 11 имеет внешний диаметр периметра D1 и является входной поверхностью для лучей от источника света УП, поверхность 22 с внешним диаметром периметра D2 является выходом для коллимированного пучка, поверхность 33 построена таким образом, чтобы коллимировать свет источника света УП согласно закону ПВО для лучей, вошедших в элемент через поверхность 11.An optical film consists of an array of optical focusing and collimating elements. Each element has a refractive index n and a height h (FIG. 1). The element consists of three surfaces: a planar first surface 11, a planar second surface 22 and a smooth curved third surface 33, which, in the particular case, has an axis of symmetry 44 and at least one plane of symmetry intersecting surfaces 11 and 22. FIG. .1 surface 11 has an external diameter of the perimeter D1 and is the input surface for rays from the light source UP, surface 22 with the external diameter of the perimeter D2 is the output for the collimated beam, surface 33 is constructed so as to collimate t UE light source according to the law VOP rays included in the element 11 through the surface.

На Фиг.2 в трехмерном виде показана оптическая пленка, состоящая из несущей подложки 21 и массива 22 элементов, которая находится в оптическом контакте с световодом 23. Источник 24 света УП и отражатель 25 также представлены на данной схеме.Figure 2 in three-dimensional view shows an optical film consisting of a carrier substrate 21 and an array of 22 elements, which is in optical contact with the optical fiber 23. The light source 24 of the UP and the reflector 25 are also presented in this diagram.

Высокая эффективность пропускания и отражения света в данной конструкции достигается благодаря обеспечению оптического контакта между коллимирующими элементами и световодом, а также благодаря использованию заданной формы изогнутой поверхности коллимирующих оптических элементов, позволяющей эффективно использовать принцип ПВО света от источника света УП.The high transmission and reflection efficiency of light in this design is achieved by providing optical contact between the collimating elements and the light guide, as well as by using a predetermined shape of the curved surface of the collimating optical elements, which makes it possible to effectively use the principle of air defense of light from an UP light source.

На Фиг.3 показан пример светового луча 33 от источника света падающего на световод 32 под углом ПВО от поверхности световода. Далее световой луч входит в элемент 31 под определенным углом и направляется на противоположную сторону элемента. Данный подход позволяет получать коллимированный световой пучок на передней стороне УП без больших потерь света.Figure 3 shows an example of a light beam 33 from a light source incident on the fiber 32 at an angle of air defense from the surface of the fiber. Next, the light beam enters the element 31 at a certain angle and is directed to the opposite side of the element. This approach makes it possible to obtain a collimated light beam on the front side of the unit cell without large light losses.

Фиг.4 демонстрирует общий вид оптической пленки, состоящей из массива оптических коллимирующих элементов 41, находящихся в оптическом контакте со световодом 42. Свет от УП 43 проходит в световод 42 под углом ПВО от поверхности световода и рассеивается в точках оптического контакта с элементами 41. Поверхность элементов также обеспечивает ПВО света, рассеивающегося от световода 42, что в итоге приводит к коллимации выходящего светового пучка.Figure 4 shows a general view of an optical film consisting of an array of optical collimating elements 41 in optical contact with the optical fiber 42. The light from the PM 43 passes into the optical fiber 42 at an angle of air defense from the surface of the optical fiber and is scattered at the points of optical contact with the elements 41. The surface elements also provides air defense of the light scattered from the light guide 42, which ultimately leads to the collimation of the emerging light beam.

На Фиг.5 показан пример светового луча 53 от источника света, входящего в световод 52 под определенным углом, обеспечивая ПВО от поверхностей световода. Далее световой луч попадает в элемент 51 под определенным углом и направляется на противоположную сторону элемента. Здесь вторичный источник света реализован с использованием рассеивающей поверхности 54 в основании элемента 51. Данный подход позволяет получить коллимированный световой пучок на передней стороне УП без больших потерь света. Вторичный источник света способствует однородности освещенности передней стороны УП.Figure 5 shows an example of a light beam 53 from a light source entering the fiber 52 at a certain angle, providing air defense from the surfaces of the fiber. Next, the light beam enters the element 51 at a certain angle and is directed to the opposite side of the element. Here, the secondary light source is implemented using a scattering surface 54 at the base of the element 51. This approach allows to obtain a collimated light beam on the front side of the unit cell without large light losses. The secondary light source contributes to the uniformity of illumination of the front side of the unitary enterprise.

На Фиг.6 показано множество элементов, имеющих гексагональные первую и вторую поверхности (вид сверху).FIG. 6 shows a plurality of elements having hexagonal first and second surfaces (top view).

На Фиг.7 показано множество элементов, имеющих первую поверхность круглой формы, а вторую гексагональной (слева: вид сверху на первую поверхность элементов, справа - вид сбоку на отдельный элемент).Fig. 7 shows a plurality of elements having a first surface of circular shape and a second hexagonal (left: top view of the first surface of the elements, right side view of a separate element).

На Фиг.8 показана фотография пленки фоконов (трехмерный вид со стороны первой поверхности). На фотографии видно, что различные части каждого элемента неодинаково выглядят, благодаря тому, что свет испытывает (для направления наблюдения) полное внутреннее отражение для участков ближе ко второй поверхности. Это выражается в наблюдении светлых частей фоконов. А участок фокона, где угол наблюдения вышел за участок полного внутреннего отражения, выглядит как темная вершина, прилежащая к первой поверхности, т.е. просвечивает та поверхность, на которой лежит данная матрица фоконов.On Fig shows a photograph of a film of focons (three-dimensional view from the side of the first surface). The photograph shows that the different parts of each element do not look the same, due to the fact that the light undergoes (for the direction of observation) total internal reflection for the areas closer to the second surface. This is expressed in the observation of the bright parts of the focons. And the plot of the focon, where the observation angle is beyond the plot of total internal reflection, looks like a dark peak adjacent to the first surface, i.e. it shines through the surface on which this matrix of focons lies.

Для реализации заявляемого устройства важно, чтобы отношение высоты элемента оптической пленки к внешнему диаметру второй поверхности находилось в диапазоне от двух до восьми.To implement the inventive device, it is important that the ratio of the height of the optical film element to the outer diameter of the second surface is in the range from two to eight.

Для реализации заявляемого устройства целесообразно, чтобы третья поверхность (ПВО) элемента оптической пленки имела ось симметрии, пересекающую первую и вторую поверхности в соответствующих единственных точках.To implement the inventive device, it is advisable that the third surface (AD) of the element of the optical film had an axis of symmetry intersecting the first and second surfaces at the corresponding single points.

Для реализации заявляемого устройства предпочтительно, чтобы первая поверхность элементов оптической пленки включала рассеивающую область.To implement the inventive device, it is preferable that the first surface of the elements of the optical film include a scattering region.

Для реализации заявляемого устройства имеет смысл, чтобы элементы оптической пленки были соединены через оптический контакт с оптическим световодом.To implement the inventive device, it makes sense that the elements of the optical film are connected through optical contact with an optical fiber.

Для реализации заявляемого устройства имеет смысл, чтобы элементы оптической пленки были соединены с оптическим световодом с помощью оптического клея.To implement the inventive device, it makes sense that the elements of the optical film were connected to the optical fiber using optical glue.

Формы первой и второй поверхностей элементов оптической пленки выбирают из группы, включающей следующие контуры: круглый, треугольный, прямоугольный, гексагональный.The shapes of the first and second surfaces of the elements of the optical film are selected from the group comprising the following contours: round, triangular, rectangular, hexagonal.

Третья поверхность (ПВО) элемента оптической пленки предпочтительно выполняется гладкой или составленной из линейных сегментов.The third surface (AD) of the optical film element is preferably smooth or composed of linear segments.

Целесообразно, чтобы материал массива элементов оптической пленки имел поляризационные свойства.It is advisable that the material of the array of elements of the optical film have polarizing properties.

Имеет смысл, чтобы упомянутая вторая поверхность элементов оптической пленки была соединена с твердой оптической пленкой.It makes sense that said second surface of the optical film elements is connected to a solid optical film.

Рассмотрим конкретный пример выполнения заявляемого изобретения (Фиг.3).Consider a specific example of the implementation of the claimed invention (Figure 3).

Пример 1. Оптическая пленка, состоящая из массива гексагональных оптических элементов, помещается на поверхности LGP (Фиг.2). Оптические элементы, имеющие коэффициент преломления 1,59, имеют оптический контакт с LGP, при этом входная апертура элементов расположена на верхней стороне LGP. Толщина LGP равна 5 мм, параметры оптического элемента (фокона) (в соответствии с Фиг.1): входная апертура D1=0,1 мм, выходная апертура D2=0,6 мм, высота элемента h=1,2 мм. Массив 22 элементов находится на несущей подложке 1, толщина которой 1 мм (см. Фиг.2). Таким образом, общая толщина УП, включая оптическую пленку и LGP без коллимирующей системы, равна 7,2 мм. Источники света расположены на одной стороне у кромки LGP, а противоположная сторона кромки является обычным зеркалом (коэффициент отражения равен 0,95). Угловые характеристики света внутри LGP: расходимость пучка равняется ±20°, угол главного луча равняется 30°.Example 1. An optical film consisting of an array of hexagonal optical elements is placed on the surface of the LGP (Figure 2). Optical elements having a refractive index of 1.59 have optical contact with the LGP, with the input aperture of the elements located on the upper side of the LGP. The thickness of the LGP is 5 mm, the parameters of the optical element (focon) (in accordance with Figure 1): input aperture D1 = 0.1 mm, output aperture D2 = 0.6 mm, element height h = 1.2 mm. An array of 22 elements is located on the carrier substrate 1, the thickness of which is 1 mm (see Figure 2). Thus, the total thickness of the UP, including the optical film and LGP without a collimating system, is 7.2 mm. Light sources are located on one side near the LGP edge, and the opposite side of the edge is a normal mirror (reflection coefficient equal to 0.95). The angular characteristics of the light inside the LGP: the beam divergence is ± 20 °, the angle of the main beam is 30 °.

Оптическое моделирование, проведенное при помощи программного обеспечения TracePro v.3.2.5 (Lambda Research) [4], показывает, что эффективность такой LGP более 83% (отношение выходящего светового потока к потоку света, вошедшего в LGP), и более 95% выходящего светового потока собирается в диапазоне углов ±25°, 100% выходящего светового потока собирается в диапазоне углов ±35°. Очевидно, что выходящий световой поток является коллимированным, поэтому он пригоден для модуляции в ЖКД без использования BEF при сохранении конкурентоспособных характеристик по светоотдаче и планарной однородности. Отличительной особенностью оптической схемы является отсутствие паразитного рассеяния света в направлениях, обратных основному направлению освещения ЖКД, что повышает общий световой КПД осветителя.Optical modeling using TracePro v.3.2.5 software (Lambda Research) [4] shows that the efficiency of such an LGP is more than 83% (the ratio of the output light flux to the light flux included in the LGP) and more than 95% of the output luminous flux is collected in the range of angles ± 25 °, 100% of the output light flux is collected in the range of angles ± 35 °. Obviously, the outgoing luminous flux is collimated, therefore, it is suitable for modulation in LCDs without using BEF while maintaining competitive characteristics in light output and planar uniformity. A distinctive feature of the optical scheme is the absence of stray light scattering in directions opposite to the main direction of LCD illumination, which increases the overall light efficiency of the illuminator.

Проведенное моделирование было экспериментально подтверждено на оптических пленках, изготовленных методами стереолитографии. Были получены фоконные массивы заданной геометрии (фотография массива показана на Фиг.8).The simulation was experimentally confirmed on optical films made by stereolithography. Focon arrays of a given geometry were obtained (a photograph of the array is shown in Fig. 8).

Claims

1. An optical film comprising an array of elements in which each element is made in the form of a focusing concentrator consisting of two planar surfaces, the area of the first surface of the element being less than the area of the second surface, and the ratio of the height of the element to the outer diameter of the second surface being selected in the range from two to eight, and the third curved side surface connects the contours of the first and second surfaces and has a shape that provides full internal reflection of the light incident from the side us first surface.

2. The optical film according to claim 1, characterized in that the said third surface has an axis of symmetry intersecting the first and second surfaces at the corresponding single points.

3. The optical film according to claim 1, characterized in that the said third surface has at least one axis of symmetry intersecting the first and second surfaces.

4. The optical film according to claim 1, characterized in that said first surface includes a scattering region.

5. The optical film according to claim 1, characterized in that the refractive index of the materials is in the range from 1 to 1.7.

6. The optical film according to claim 1, characterized in that said first surface is connected to the optical fiber using optical contact.

7. The optical film according to claim 1, characterized in that said first surface is connected to the optical fiber using optical glue.

8. The optical film according to claim 1, characterized in that the shape of said first surface is selected from the group consisting of the following shapes: round, triangular, rectangular, hexagonal.

9. The optical film according to claim 1, characterized in that said third surface is smooth.

10. The optical film according to claim 1, characterized in that the said third surface is composed of linear segments.

11. The optical film according to claim 1, characterized in that the shape of said second surface is selected from the group consisting of the following forms: round, triangular, rectangular, hexagonal.

12. The optical film according to claim 1, characterized in that the shape of said third surface is constructed according to the principle of total internal reflection of light incident from the side of said first surface.

13. The optical film according to claim 1, characterized in that said second surface is connected to a solid optical film.

14. The optical film according to claim 1, characterized in that the material of the array of said elements has polarizing properties.