RU2330318C1

RU2330318C1 - Liquid crystal display backlighting (embodiments)

Info

Publication number: RU2330318C1
Application number: RU2006138997/28A
Authority: RU
Inventors: Аслан Хаджимуратович Абдуев (RU); Аслан Хаджимуратович Абдуев; Марат Хаджи-Муратович Абдуев (RU); Марат Хаджи-Муратович Абдуев; тлов Владимир Михайлович Д (RU); Владимир Михайлович Дятлов; тлов Михаил Владимирович Д (RU); Михаил Владимирович Дятлов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Конструкторское бюро Технотроник"
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2008-07-27

Abstract

FIELD: measuring instruments.

SUBSTANCE: proposed liquid crystal display is provided with a backlighting system, which includes a light distributor comprising a polariser made of electrically conductive light-reflecting stripes, the surface density of which varies so that to compensate unevenness of backlighting by their degree of light transmission. The stripped polariser, which is provided in the proposed distributor, reflects mostly the light having a polarisation that the inlet polariser cannot transmit. The same light, having been repeatedly reflected from elements of a light box, changes its polarisation and contributes to the display brightness. The invention proposes embodiments, wherein the polariser has the form of spots, the distribution of which leads to evening out of the brightness over the surface, and of variable-width strips providing the same effect.

EFFECT: providing the evenness of backlighting.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области конструкций просветных жидкокристаллических экранов (ЖКЭ), в частности к устройствам для равномерной подсветки ЖКЭ.The invention relates to the field of designs of translucent liquid crystal screens (LCD), in particular, to devices for uniform illumination of LCD.

Известны ЖКЭ, системы задней подсветки которых содержат источники света и средства рассеивания света (распределители) для равномерной подсветки экрана (патенты США №№5262880, 5486983, 5986728 и др.). Недостатком этих аналогов является сложность отражающих и рассеивающих свет элементов, недостаточная равномерность подсветки и большие потери светового потока.There are known LCDs whose backlight systems contain light sources and light scattering means (distributors) for uniform screen illumination (US patents Nos. 5262880, 5486983, 5986728, etc.). The disadvantage of these analogues is the complexity of the elements reflecting and scattering light, insufficient uniformity of illumination and large losses of luminous flux.

Прототипом предлагаемого изобретения является дисплейная панель (патент США №5247429), в которой для получения равномерной по поверхности подсветки при использовании точечного источника света использован распределитель света в виде прозрачного слоя с непрозрачными поглощающими или отражающими свет пятнами, расположенными с плотностью не менее 100 штук на дюйм и имеющими диаметр тем больший, чем ближе они к источнику света.A prototype of the invention is a display panel (US Pat. No. 5,247,429), in which a light distributor is used in the form of a transparent layer with opaque absorbing or reflecting light spots located at a density of at least 100 pieces per inch to obtain a uniform illumination surface using a point light source. and having a larger diameter, the closer they are to the light source.

Недостатком устройства по прототипу является недостаточная эффективность использования светового потока.The disadvantage of the device according to the prototype is the lack of efficiency in the use of light flux.

Общеизвестны также поляризаторы света, состоящие из расположенных достаточно плотно узких проводящих полос, которые преимущественно пропускают свет, поляризованный поперек полос (т.е. вектор напряженности электрического поля которого направлен перпендикулярно полосам), и отражают преимущественно свет с поляризацией, направленной вдоль полос. Известно также использование таких поляризаторов в системе подсветки экрана (например, E.Hansen, E.Gardner, R.Perkins, M.Lines and A.Robbins "The Display Applications and Physics of the ProFlux Wire Grid Polarizer", SID 2002 Simpozium Digest Vol.33, pp.730-733). Вторым прототипом предлагаемого изобретения является подсветка ЖКЭ, содержащая дополнительный полосчатый поляризатор между лампами подсветки и входным поляризатором и световой короб (Sang Hoon Kim, Joo-Do Park, Ki-Dong Lee, "Fabrication of a nano-wire grid polarizer for brightness enhancement in liquid crystal display." Nanotechnology, 2006, v.17, No 17, pp.4436-4438.). При таком использовании часть светового потока, обычно поглощаемая входным поляризатором жидкокристаллической ячейки (ЖКЯ), отражается обратно в световой короб и может после серии отражений изменить свою поляризацию и пройти через поляризатор, увеличивая тем самым эффективность подсветки.Light polarizers are also well known, consisting of fairly densely narrow conductive bands located that mainly transmit light polarized across the bands (i.e., the electric field vector of which is directed perpendicular to the bands) and reflect mainly polarized light directed along the bands. The use of such polarizers in the backlight system is also known (e.g., E. Hansen, E. Gardner, R. Perkins, M. Lines and A. Robbins "The Display Applications and Physics of the ProFlux Wire Grid Polarizer", SID 2002 Simpozium Digest Vol .33, pp. 730-733). The second prototype of the invention is an LCD backlight containing an additional banded polarizer between the backlight and the input polarizer and a light box (Sang Hoon Kim, Joo-Do Park, Ki-Dong Lee, "Fabrication of a nano-wire grid polarizer for brightness enhancement in liquid crystal display. "Nanotechnology, 2006, v.17, No. 17, pp.4436-4438.). With this use, the part of the light flux that is usually absorbed by the input polarizer of the liquid crystal cell (LC) is reflected back into the light box and can after a series of reflections change its polarization and pass through the polarizer, thereby increasing the backlight efficiency.

Целью предлагаемого изобретения является получение ЖКЭ с более равномерной подсветкой, более эффективным использованием светового потока и упрощение конструкции системы подсветки.The aim of the invention is to obtain LCD with more uniform illumination, more efficient use of light flux and simplification of the design of the backlight system.

Указанная цель достигается тем, что система подсветки ЖКЭ содержит распределитель света, который выполнен в виде электропроводных светоотражающих и перпендикулярных требуемому направлению поляризации полос, размеры и/или расположение которых определяются расположением источников света и отражателей так, чтобы компенсировать степенью пропускания света неравномерность подсветки. Ширина полос выбирается из интервала от 10 нм (предел технологии) до 0,1 от линейного размера пикселя (чтобы не вызывать заметного явления мура на экране), а расстояние между полосами - от 10 нм до 1,0 линейного размера пикселя (для обеспечения требуемого интервала пропускания).This goal is achieved by the fact that the LCD backlight system contains a light distributor, which is made in the form of electrically conductive reflective and perpendicular to the desired direction of polarization bands, the dimensions and / or location of which are determined by the location of the light sources and reflectors so as to compensate for the degree of light transmission uneven illumination. The bandwidth is selected from the interval from 10 nm (technology limit) to 0.1 of the linear pixel size (so as not to cause a noticeable phenomenon of moore on the screen), and the distance between the bands is from 10 nm to 1.0 linear pixel size (to provide the required transmission interval).

В частности, распределитель может состоять из полос, ширина которых и, следовательно, расстояние между ними меняются по их длине так, чтобы компенсировать степенью пропускания света неравномерность подсветки.In particular, the distributor may consist of strips whose width and, consequently, the distance between them vary along their length so as to compensate for the unevenness of the backlight by the degree of light transmission.

При использовании протяженных (линейных) источников света или плоских светопроводов с торцевой подсветкой указанные полосы могут быть выполнены сплошными, причем источники света и полосы должны быть сориентированы поперек требуемого направления поляризации. Ширина и/или расстояния между полосами зависят от освещенности в данном месте, создаваемой источниками света и отражателями в отсутствие предлагаемого распределителя: чем больше освещенность, тем больше ширина полос и/или меньше расстояние между полосами, т.е. чем больше освещенность, тем большую относительную площадь должны занимать полосы. В частности, ширина отдельной полосы и расстояние между соседними полосами также могут быть переменными вдоль их длины.When using extended (linear) light sources or flat light guides with end illumination, these strips can be solid, and the light sources and strips should be oriented across the desired direction of polarization. The width and / or distance between the bands depends on the illumination in a given place created by light sources and reflectors in the absence of the proposed distributor: the greater the illumination, the greater the width of the bands and / or the less the distance between the bands, i.e. the greater the illumination, the greater the relative area should occupy the strip. In particular, the width of an individual strip and the distance between adjacent stripes can also be variable along their length.

При этом в областях с высокой освещенностью будет отражаться больший световой поток, чем в областях с низкой освещенностью, причем преимущественно за счет отражения излучения с неподходящей поляризацией.Moreover, in areas with high illumination a greater luminous flux will be reflected than in areas with low illumination, and this is mainly due to reflection of radiation with inappropriate polarization.

При таком исполнении распределитель отражает не только часть излучения с неподходящей поляризацией (как во втором прототипе), но (в отличие от второго прототипа) и часть излучения подходящей поляризации, создающую избыточную освещенность в данной точке. Причем отраженная часть излучения (в отличие от первого прототипа) состоит в основном из излучения неподходящей поляризации. В процессе многократного отражения и изменения направления поляризации отраженная ранее часть излучения проходит через распределитель, причем вероятность прохождения выше в тех местах, где меньше поверхностная плотность полос.With this design, the distributor reflects not only part of the radiation with inappropriate polarization (as in the second prototype), but (unlike the second prototype) and part of the radiation of suitable polarization, which creates excess illumination at this point. Moreover, the reflected part of the radiation (in contrast to the first prototype) consists mainly of radiation of inappropriate polarization. In the process of multiple reflection and a change in the direction of polarization, the previously reflected part of the radiation passes through the distributor, and the probability of passage is higher in those places where the surface density of the bands is lower.

Вариантом изобретения, применимым при произвольной геометрии осветителя, является распределитель света в виде распределенных по поверхности пятен по аналогии с первым прототипом, но пятна при этом состоят из электропроводных отражающих свет полос, перпендикулярных требуемому направлению поляризации света. То есть распределитель представляет собой растр из пятен, каждое из которых, в свою очередь, представляет собой растр из параллельных полос. Поверхностная плотность пятен и/или степень заполнения их площади полосами должна быть тем выше, чем выше освещенность в данной области в отсутствие предлагаемого распределителя: такой, чтобы компенсировать степенью пропускания света неравномерность подсветки. Пятна имеют характерный размер (диаметр, сторона квадрата и т.п.) от 1,0 мкм до 1 мм и/или поверхностную плотность от 1,0 мм^-2 до 10⁶ мм^-2. При этом свет, попавший между пятнами, проходит беспрепятственно. Пятна же отражают преимущественно свет неподходящей поляризации, который, как во втором прототипе, после отражений меняет поляризацию и проходит сквозь пятна или между ними. Таким образом, происходит перераспределение светового потока по поверхности с меньшими, чем в первом прототипе, потерями.A variant of the invention, applicable for arbitrary geometry of the illuminator, is a light distributor in the form of spots distributed over the surface by analogy with the first prototype, but spots in this case consist of electrically conductive light-reflecting bands perpendicular to the desired direction of polarization of light. That is, the distributor is a raster of spots, each of which, in turn, is a raster of parallel stripes. The surface density of spots and / or the degree of filling of their area with stripes should be the higher, the higher the illumination in this area in the absence of the proposed distributor: such as to compensate for the degree of light transmission uneven illumination. The spots have a characteristic size (diameter, square side, etc.) of 1.0 μm to 1 mm and / or a surface density of 1.0 mm ^-2 to 10 ⁶ mm ^-2 . In this case, the light trapped between the spots passes unhindered. The spots, on the other hand, reflect mainly light of inappropriate polarization, which, as in the second prototype, after reflections changes the polarization and passes through or between the spots. Thus, there is a redistribution of the light flux over the surface with less loss than in the first prototype.

Структура предлагаемого распределителя во всех вариантах исполнения может быть определена расчетным путем или подобрана экспериментально путем одно- или многократного повторения цикла (т.к. распределитель сам влияет на распределение яркости) измерения распределения яркости после входного поляризатора и создания растра полос тем более плотного, чем выше яркость в данной области. Создать описанные полосы можно любым известным способом, например полиграфическим или напылением с использованием фотолитографии (или электронной литографии). Полосы распределителя могут быть созданы либо на поверхности входного поляризатора со стороны осветителя, либо на дополнительном прозрачном носителе, устанавливаемом между осветителем и входным поляризатором, либо на поверхности плоского светопровода (если он имеется).The structure of the proposed distributor in all variants of execution can be determined by calculation or experimentally selected by repeating the cycle one or several times (since the distributor itself affects the brightness distribution) measuring the brightness distribution after the input polarizer and creating a raster of bands the denser the higher brightness in this area. The described stripes can be created by any known method, for example, by printing or spraying using photolithography (or electronic lithography). Distributor strips can be created either on the surface of the input polarizer from the side of the illuminator, or on an additional transparent carrier installed between the illuminator and the input polarizer, or on the surface of a flat optical fiber (if any).

Эффективность предлагаемого распределителя в качестве поляризатора может быть ниже, чем у устройства по второму прототипу, но в качестве распределителя света предлагаемое изобретение превосходит первый прототип, т.к., сохраняя все его преимущества, обеспечивает большую эффективность использования светового потока подсветки.The effectiveness of the proposed distributor as a polarizer may be lower than that of the device according to the second prototype, but as a light distributor, the invention exceeds the first prototype, because, while retaining all its advantages, it provides greater efficiency in using the luminous flux of the backlight.

Малая толщина предлагаемого распределителя позволяет использовать его и совместно с другими распределителями (формирователями подсветки), имеющими другое назначение (например, фокусировку в зоне субпикселей, увеличение угла обзора и т.д.).The small thickness of the proposed distributor allows it to be used in conjunction with other distributors (backlight shapers) that have a different purpose (for example, focusing in the sub-pixel area, increasing the viewing angle, etc.).

На чертежах приведены варианты исполнения изобретения и цифрами обозначены:The drawings show embodiments of the invention and the numbers denote:

1 - источник света; 2 - отражатель; 3 - электропроводные светоотражающие полосы (распределитель); 4 - поляризатор ЖКЯ; 5 - ЖКЯ; 6 - свет с требуемой поляризацией; 7 - свет с неподходящей поляризацией.1 - light source; 2 - reflector; 3 - electrically conductive reflective strip (distributor); 4 - LCD polarizer; 5 - LCD; 6 - light with the required polarization; 7 - light with improper polarization.

На фиг.1 схематично показан разрез предлагаемого устройства в варианте с протяженными источниками света и сплошными полосами распределителя.Figure 1 schematically shows a section of the proposed device in the embodiment with extended light sources and continuous stripes of the distributor.

На фиг.2 показан примерный вид распределителя в варианте в виде пятен и протяженном источнике света.Figure 2 shows an exemplary view of the distributor in the form of spots and an extended light source.

На фиг.3 показан примерный вид распределителя со стороны источника света в варианте в виде пятен и точечном источнике света.Figure 3 shows an exemplary view of the distributor from the side of the light source in the form of spots and a point source of light.

Примером конкретного исполнения предлагаемого изобретения может служить ЖКЭ с размером изображения 132,5×99,4 мм (6,5 дюймов по диагонали) и разрешающей способностью 640×480 полноцветных элементов изображения. В качестве отражателя задней подсветки ЖКЭ использована световая коробка, стенки и дно которой покрыты белой светотехнической эмалью с коэффициентом отражения 90%-94%. На расстоянии 2 мм от отражателя и 18 мм от освещаемой поверхности ЖКЯ расположены 6 электролюминесцентных ламп с холодными катодами диаметром 3 мм и длиной 145 мм, суммарная потребляемая мощность которых 9 Вт. Распределитель представляет собой стеклянную пластину толщиной 0,1 мм с нанесенным на нее полосчатым поляризатором-отражателем в виде сплошных параллельных лампам алюминиевых полос шириной 50 нм, толщиной 0,15 мкм и расстояниями между полосами от 50 нм до 100 нм. Закон распределение полос установлен экспериментально путем трехкратного повторения процедуры фотометрирования с последующими расчетом и нанесением полос (первый раз - предварительное определение расстояния между полосами по исходному распределению освещенности, второй и третий разы - коррекция расстояний между полосами с учетом влияния на распределение освещенности самого распределителя-отражателя).An example of a specific implementation of the present invention can serve as LCD with an image size of 132.5 × 99.4 mm (6.5 inches diagonally) and a resolution of 640 × 480 full-color image elements. A light box was used as a reflector of the LCD backlight, the walls and bottom of which are covered with white lighting enamel with a reflection coefficient of 90% -94%. At a distance of 2 mm from the reflector and 18 mm from the illuminated surface of the LC, there are 6 electroluminescent lamps with cold cathodes with a diameter of 3 mm and a length of 145 mm, the total power consumption of which is 9 watts. The distributor is a glass plate with a thickness of 0.1 mm with a banded reflector polarizer on it in the form of solid parallel aluminum lamp strips of 50 nm wide, 0.15 μm thick and distance between the strips from 50 nm to 100 nm. The law of the distribution of bands was established experimentally by repeating the photometric procedure three times, followed by calculation and drawing of the bands (the first time is the preliminary determination of the distance between the bands by the initial distribution of illumination, the second and third times are the correction of the distances between the bands taking into account the influence on the distribution of illumination of the reflector-reflector itself) .

Преимуществом предлагаемой подсветки является достижение большей предельной яркости изображения на ЖКЭ при меньшей расходуемой мощности, а также простота изготовления для заданной геометрии ламп и отражателей, что особенно существенно при массовом производстве.The advantage of the proposed illumination is the achievement of a higher limit brightness of the image on the LCD with less power consumption, as well as ease of manufacture for a given geometry of lamps and reflectors, which is especially important in mass production.

Claims

1. The backlight of the liquid crystal screen containing light sources, reflectors and a light distributor, characterized in that the light distributor contains a banded polarizer of reflective strips, the width of which (from 10 to 0.1 nm of the linear pixel size) and the distance between them (from 10 to 1.0 nm of the linear pixel size) are selected so as to compensate for the unevenness of the backlight by the degree of light transmission.

2. The backlight according to claim 1, characterized in that the width of the stripes varies along their length.

3. The backlight of the liquid crystal screen containing light sources, reflectors and a light distributor, characterized in that the light distributor contains a polarizer made in the form of separate spots with the same direction of polarization, consisting of electrically conductive light-reflecting bands, a characteristic spot size (from 1.0 μm to 1 mm) and / or surface density (from 1.0 to 10 ⁶ mm ^-2 ) are selected so as to compensate for the degree of light transmission uneven illumination.