RU2533741C2

RU2533741C2 - Edge-lit system for liquid crystal displays (versions)

Info

Publication number: RU2533741C2
Application number: RU2012139190/28A
Authority: RU
Inventors: Алексей Григорьевич Аниканов; Михаил Вячеславович Попов; Юнгчол ЛИ
Original assignee: Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд."
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2014-11-20
Also published as: RU2012139190A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention is related to edge-lit systems. The edge-lit system comprises an emission source in the forms of at least one light-emitting diode; the lower mirror with reflective coating; the upper reflective and diffusion film placed above the lower mirror and edge mirrors at four sides thus forming an air-filled waveguide together with the lower mirror and the upper reflective and diffusion film. The upper reflective diffusion plate is made of material with volume-diffuse scattering and reflective coating applied to its lower side; it has a number of transparent or partially transparent areas.

EFFECT: improving brightness and uniformity of lighting.

4 cl, 6 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к системам подсветки жидкокристаллических дисплеев, в частности к системам боковой подсветки, обеспечивающим повышенную яркость и равномерность освещения.The claimed invention relates to backlight systems for liquid crystal displays, in particular to side backlight systems providing increased brightness and uniformity of illumination.

В настоящее время известны различные конструкции систем подсветки для ЖК дисплеев. Прежде всего, можно выделить два основных типа подсветки - прямая подсветка и боковая. При использовании прямой подсветки источники излучения располагаются под ЖК панелью и непосредственно подсвечивают дисплей. Равномерность подсветки достигается за счет использования различных оптических элементов, таких как широкоугольные линзы над источниками, позволяющие получить требуемую индикатрису излучения, различные оптические пленки и т.д. Системы с прямой подсветкой позволяют достичь высокой однородности освещения ЖК дисплея, но вместе с этим имеют серьезный недостаток - большую толщину системы. В связи с этим более перспективными являются системы с боковой подсветкой ЖК дисплеев. В подсветке данного типа источники излучения расположены сбоку от дисплея и излучение от них распространяется по волноводу под ЖК панелью, постепенно и равномерно подсвечивая дисплей. При этом в качестве волновода обычно используется пластина, называемая волноводной пластиной, выполненная из оптического материала, а для постепенного, равномерного вывода излучения из нее, на пластину наносятся различные выводящие элементы. Равномерность вывода достигается соответствующей геометрией и расположением выводящих элементов, а также геометрией волноводной пластины.Currently, various designs of backlight systems for LCD displays are known. First of all, two main types of backlighting can be distinguished - direct backlight and side. When using direct illumination, radiation sources are located under the LCD panel and directly illuminate the display. The uniformity of the backlight is achieved through the use of various optical elements, such as wide-angle lenses above the sources, which make it possible to obtain the required radiation indicatrix, various optical films, etc. Systems with direct illumination can achieve high uniformity of illumination of the LCD display, but at the same time they have a serious drawback - the large thickness of the system. In this regard, systems with side illumination of LCD displays are more promising. In this type of backlight, the radiation sources are located on the side of the display and the radiation from them propagates through the waveguide under the LCD panel, gradually and evenly illuminating the display. In this case, a plate called a waveguide plate made of optical material is usually used as a waveguide, and for the gradual, uniform output of radiation from it, various output elements are applied to the plate. The uniformity of the output is achieved by the corresponding geometry and location of the output elements, as well as the geometry of the waveguide plate.

Все известные системы с боковой подсветкой являются достаточно эффективными, но при этом обладают рядом существенных недостатков, связанных с применением в них волноводной пластины.All known systems with side illumination are quite effective, but at the same time they have a number of significant drawbacks associated with the use of a waveguide plate in them.

К недостаткам систем с волноводной пластиной можно отнести такие как: сложность эффективного ввода излучения через торец волноводной пластины, причем сложность дополнительно возрастает при попытке уменьшения толщины системы подсветки, относительная хрупкость тонкой волноводной пластины, что также не позволяет существенно уменьшить ее толщину, а следовательно, и толщину всей системы. Также к недостаткам волноводной пластины относятся ее большой вес и стоимость.The disadvantages of systems with a waveguide plate include: the difficulty of efficiently introducing radiation through the end of the waveguide plate, the complexity further increasing when trying to reduce the thickness of the backlight system, the relative fragility of a thin waveguide plate, which also does not significantly reduce its thickness, and therefore, thickness of the entire system. Also disadvantages of the waveguide plate include its high weight and cost.

В связи с этим в последнее время появились системы, основанные на боковой подсветке, но при этом не использующие волноводную пластину. В качестве волновода в таких системах используется воздушная среда, заключенная между зеркальными или частично зеркальными элементами. Такой волновод получил название воздушного волновода. Он позволяет избавиться от большинства недостатков, присущих схеме с волноводной пластиной, но в то же время создает иные проблемы, которые необходимо преодолеть.In this regard, systems based on lateral illumination, but without using a waveguide plate, have recently appeared. An air medium enclosed between mirror or partially mirror elements is used as a waveguide in such systems. Such a waveguide is called an air waveguide. It allows you to get rid of most of the shortcomings inherent in the circuit with a waveguide plate, but at the same time creates other problems that must be overcome.

Наиболее сложной является проблема равномерного вывода излучения из воздушного волновода. В известных системах подсветки жидкокристаллических дисплеев используют различные методы вывода излучения из волновода, такие как: нанесение рассеивающих точек на нижнюю или верхнюю часть волновода, использование специальных призматических, конических или линзовых структур, наклеенных на нижнюю или верхнюю часть волновода, нанесение штриховых структур на нижнюю или верхнюю часть волновода и так далее. Все эти методы основаны на принципе нарушения закона полного внутреннего отражения в месте контакта волновода и какой-либо нанесенной или приклеенной структуры, что позволяет вывести излучение из волновода. Однако в случае отказа от использования волноводной пластины эти методы не могут быть применены из-за отсутствия физического волновода. Вывод излучения может быть организован за счет введения в систему волновода оригинальной конструкции, выполненного в виде зеркальной верхней пленки с переменными показателями как отражения, так и пропускания по ее площади (см., например, патентную заявку США № US 2010/0238686) [1]. Показатели отражения и пропускания меняются вдоль длины и ширины пленки по мере удаления от источника излучения. Основной проблемой в системах подсветки является неоднородность яркости дисплея. Для решения этой проблемы показатели отражения и пропускания верхней пленки меняются по достаточно сложному закону (см. Фиг.1). Самым существенным недостатком данной схемы является необходимость непрерывного плавного изменения показателей отражения и пропускания для обеспечения равномерности подсветки. Практически возможно только изготовление пленки с зональным изменением показателей отражения и пропускания, что приводит к большой неравномерности в подсветке ЖК дисплея. Также вывод излучения может быть организован при помощи усовершенствованной коллимирующей системы и верхней, образующей волновод, пленки с перфорацией (см. патентную заявку США №2011/0032449) [2]. Пленка может быть перфорирована отверстиями различной формы и по различным законам распределения этих отверстий. Подразумевается, что при таком методе вывода коллимирующая система должна обеспечивать малую расходимость излучения на входе в воздушный волновод (не более 30 градусов), а перфорированная верхняя пленка позволит порционно выводить излучение из воздушного волновода на ЖК дисплей (см. Фиг.2). При этом излучение выводится под достаточно большими углами наклона по отношению к нормали дисплея. Такое освещение дисплея, который хорошо работает только при падении излучения под углами, близкими к нормали, является крайне неэффективным. Поэтому подобный способ вывода требует дополнительного перемешивания излучения, которое осуществляется в еще одном дополнительном волноводе, расположенном непосредственно над первым (см. Фиг.3). Описанная система может рассматриваться в качестве прототипа заявляемого изобретения. В качестве недостатков такой системы следует отметить, что система с двумя воздушными волноводами не может в полной мере обеспечить необходимой угловой индикатрисы выходящего из системы подсветки излучения из-за недостаточного рассеяния в воздушной среде верхнего волновода и, как следствие, недостаточного перемешивания различных угловых мод выходящего излучения. Кроме того, система, состоящая из большого числа элементов и включающая в себя коллиматор, является относительно дорогой и сложной в юстировке.The most difficult problem is the uniform output of radiation from the air waveguide. Known backlight systems for liquid crystal displays use various methods for outputting radiation from the waveguide, such as applying scattering points to the lower or upper part of the waveguide, using special prismatic, conical or lens structures glued to the lower or upper part of the waveguide, applying dashed structures to the lower or the top of the waveguide and so on. All these methods are based on the principle of violation of the law of total internal reflection at the point of contact of the waveguide and any deposited or glued structure, which allows radiation to be removed from the waveguide. However, in the case of refusal to use the waveguide plate, these methods cannot be applied due to the lack of a physical waveguide. The radiation output can be organized by introducing into the waveguide system an original design made in the form of a mirror upper film with variable reflection and transmission over its area (see, for example, US patent application US No. 2010/0238686) [1] . The reflection and transmission indices change along the length and width of the film with distance from the radiation source. The main problem in backlight systems is the heterogeneity of the display brightness. To solve this problem, the reflection and transmission indices of the upper film vary according to a rather complicated law (see Figure 1). The most significant drawback of this scheme is the need for continuous smooth changes in the reflection and transmittance to ensure uniform illumination. In practice, it is possible only to produce a film with a zonal change in the reflection and transmittance, which leads to a large unevenness in the backlight of the LCD display. Also, the output of radiation can be organized using an improved collimating system and the upper, forming the waveguide, film with perforation (see patent application US No. 2011/0032449) [2]. The film can be perforated with holes of various shapes and according to different laws of distribution of these holes. It is understood that with this output method, the collimating system should provide a small divergence of radiation at the entrance to the air waveguide (no more than 30 degrees), and the perforated upper film will allow the radiation from the air waveguide to be portioned to the LCD display (see Figure 2). In this case, the radiation is output at sufficiently large angles of inclination with respect to the normal display. Such display illumination, which only works well when radiation is incident at angles close to normal, is extremely inefficient. Therefore, such a method of output requires additional mixing of the radiation, which is carried out in another additional waveguide located directly above the first (see Figure 3). The described system can be considered as a prototype of the claimed invention. As disadvantages of such a system, it should be noted that a system with two air waveguides cannot fully provide the necessary angular indicatrix of the radiation emerging from the backlight system due to insufficient scattering in the air of the upper waveguide and, as a consequence, insufficient mixing of the various angular modes of the output radiation . In addition, a system consisting of a large number of elements and including a collimator is relatively expensive and difficult to align.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке системы подсветки жидкокристаллических дисплеев на основе воздушного волновода, обеспечивающей высокую однородность подсветки жидкокристаллического экрана и необходимую угловую индикатрису излучения, выходящего из системы подсветки. При этом такая система должна быть применима для ЖК дисплеев с большой диагональю, но иметь уменьшенные габариты, повышенную надежность и простоту юстировки.The problem to which the claimed invention is directed, is to develop a backlight system for liquid crystal displays based on an air waveguide, providing high uniformity of illumination of the liquid crystal screen and the necessary angular indicatrix of the radiation emerging from the backlight system. Moreover, such a system should be applicable for LCD displays with a large diagonal, but have a reduced size, increased reliability and ease of alignment.

Технический результат достигается за счет разработки системы подсветки (в двух вариантах) жидкокристаллических дисплеев, обеспечивающей высокую равномерность, яркость и требуемую угловую индикатрису подсветки. При этом реализация системы подсветки предусматривает либо перемешивание излучения и вывод его из воздушного волновода только при помощи зеркально-диффузной пленки, либо использование дополнительной световодной пленки, которая позволяет значительно снизить требования к точности изготовления зеркально-диффузной пленки.The technical result is achieved by developing a backlight system (in two versions) of liquid crystal displays that provides high uniformity, brightness and the required angular indicatrix of the backlight. In this case, the implementation of the illumination system involves either mixing the radiation and removing it from the air waveguide using only a mirror-diffuse film, or using an additional light guide film, which can significantly reduce the requirements for the accuracy of manufacturing a mirror-diffuse film.

В Варианте 1 система подсветки ЖК дисплеев содержит:In Option 1, the LCD backlight system contains:

- источник излучения в виде, по меньшей мере, одного светодиода;- a radiation source in the form of at least one LED;

- нижнее зеркало с зеркальным покрытием;- bottom mirror with a mirror coating;

- верхнюю зеркально-диффузную пленку, расположенную над нижним зеркалом и выполненную в виде пластины, изготовленной из материала с объемным диффузным рассеянием, причем на нижнюю сторону пластины нанесено зеркальное покрытие, имеющее ряд прозрачных областей;- an upper mirror-diffuse film located above the lower mirror and made in the form of a plate made of a material with diffuse bulk scattering, with a mirror coating having a number of transparent regions applied to the lower side of the plate;

- боковые зеркала, расположенные с четырех сторон и образующие совместно с нижним зеркалом и верхней зеркально-диффузионной пленкой воздушный волновод.- side mirrors located on four sides and forming together with the lower mirror and the upper mirror-diffusion film an air waveguide.

В Варианте 2 система подсветки ЖК дисплеев содержит:In Option 2, the LCD backlight system contains:

- боковые зеркала, расположенные с четырех сторон и образующие совместно с нижним зеркалом и верхней зеркально-диффузионной пленкой воздушный волновод;- side mirrors located on four sides and forming together with the lower mirror and the upper mirror-diffusion film an air waveguide;

- световодную пленку, расположенную непосредственно над нижним зеркалом и выполненную с возможностью передачи части излучения от источников на противоположный конец воздушного волновода.- a light guide film located directly above the lower mirror and configured to transmit part of the radiation from sources to the opposite end of the air waveguide.

Следует отметить, что признак «прозрачный» в отношении областей зеркального покрытия должен пониматься как противопоставление признаку «непрозрачный», то есть включает в себя как абсолютную прозрачность, так и частичную прозрачность.It should be noted that the sign “transparent” with respect to the areas of mirror coating should be understood as a contrast to the sign “opaque”, that is, it includes both absolute transparency and partial transparency.

Для лучшего понимания сути изобретения далее приводятся примеры реализации изобретения со ссылками на графические материалы.For a better understanding of the invention, the following are examples of implementation of the invention with reference to graphic materials.

Фиг.1 - Система с переменным показателем отражения и пропускания, известная из уровня техники.Figure 1 - System with a variable reflection and transmission, known from the prior art.

Фиг.2 - Система прототипа с коллимирующей системой, известная из уровня техники.Figure 2 - Prototype system with a collimating system, known from the prior art.

Фиг.3 - Система прототипа с коллимирующей системой и дополнительным волноводом, известная из уровня техники.Figure 3 - Prototype system with a collimating system and an additional waveguide, known from the prior art.

Фиг.4 - Система подсветки в заявляемом варианте 1.Figure 4 - Backlight system in the claimed embodiment 1.

Фиг.5 - Система подсветки в заявляемом варианте 2;Figure 5 - Backlight system in the claimed embodiment 2;

Фиг.6 - Конструкция световодной пленки для системы подсветки в заявляемом варианте 2.6 - Design of a light guide film for a backlight system in the claimed embodiment 2.

Представленная на Фиг.4 схема заявляемой системы подсветки ЖК дисплеев в варианте 1 предусматривает, что излучение от светодиодных источников 11 распространяется в воздушном волноводе, образованном нижним зеркалом 13, боковыми зеркалами 14 и верхней зеркально-диффузной пленкой 12. Зеркально-диффузная пленка представляет собой тонкую пластину из оптического материала с диффузным рассеянием, используемую в качестве подложки, на нижнюю поверхность которой нанесено зеркальное покрытие 15, снабженное рядом прозрачных отверстий 16. Число прозрачных отверстий может варьироваться в конкретных конструкциях, но в любом случае предпочтительным является наличие нескольких (>1) отверстий, обеспечивающих выход множества пучков света. Таким образом, распространяясь в воздушном волноводе, излучение от источников по мере его распространения в волноводе порционно выводится через прозрачные области по всей площади волновода. Затем выведенное таким образом излучение, претерпевает дополнительное рассеяние в диффузном материале зеркально-диффузной пленки и после выхода из системы подсветки освещает жидкокристаллический дисплей (не показан на иллюстрациях). Подобная комбинация зеркального покрытия с рядом прозрачных областей и подложки из диффузного материала позволяет получить одновременно и хорошую однородность, и высокую яркость системы подсветки.Presented in Figure 4, the scheme of the inventive LCD backlight system in embodiment 1 provides that the radiation from the LED sources 11 propagates in the air waveguide formed by the lower mirror 13, side mirrors 14 and the upper mirror-diffuse film 12. The mirror-diffuse film is a thin a plate of an optical material with diffuse scattering, used as a substrate, on the lower surface of which a mirror coating 15 is applied, provided with a number of transparent holes 16. The number of transparen holes may vary in specific designs, but in any case, it is preferable to have multiple (> 1) holes that allow multiple light beams to exit. Thus, propagating in an air waveguide, radiation from sources as it propagates in the waveguide is portionwise removed through transparent regions over the entire area of the waveguide. Then the radiation thus extracted undergoes additional scattering in the diffuse material of the mirror-diffuse film and, after exiting the backlight system, illuminates the liquid crystal display (not shown in the illustrations). A similar combination of a mirror coating with a number of transparent regions and a substrate of diffuse material allows both good uniformity and high brightness of the backlight system to be obtained.

Представленная на Фиг.5 схема заявляемой системы подсветки ЖК дисплеев в варианте 2 предусматривает, что излучение от светодиодных источников 110 распространяется в воздушном волноводе, образованным нижним зеркалом 130, боковыми зеркалами 140 и верхней зеркально-диффузной пленкой 120. Зеркально-диффузная пленка представляет собой пластину из оптического материала с диффузным рассеянием, используемую в качестве подложки, на нижнюю поверхность которой нанесено зеркальное покрытие 150, содержащее ряд прозрачных областей 160. Часть излучения от источников в процессе распространения попадает на расположенную снизу световодную пластину 170. Эта пластина имеет приемную часть 171 (Фиг.6), выполненную в виде призматической структуры. Излучение, попадая в световодную пленку через приемную часть, далее распространяется в ней, как в волноводе, до противоположного конца пластины, на котором расположена выводящая часть 172. Выводящая часть 172 также выполнена в виде призматической структуры, через которую излучение выводится из световодной пластины. Такая световодная пластина позволяет эффективно перенести часть излучения от источников к противоположному концу воздушного волновода и значительно снижает требования к форме и расположению прозрачных областей на зеркально-диффузионной пленке. Таким образом, распространяясь в воздушном волноводе, излучение от источников по мере его распространения в волноводе порционно выводится через прозрачные области по всей площади волновода. Затем выведенное таким образом излучение претерпевает дополнительное рассеяние в диффузном материале зеркально-диффузной пленки и после выхода из системы подсветки освещает жидкокристаллический дисплей (не показан на иллюстрациях). Подобная комбинация зеркального покрытия с рядом прозрачных областей и подложки из диффузного материала позволяет получить одновременно и хорошую однородность, и высокую яркость системы подсветки.Presented in Figure 5, the diagram of the inventive LCD backlight system in embodiment 2 provides that the radiation from the LED sources 110 propagates in an air waveguide formed by the lower mirror 130, side mirrors 140 and the upper mirror-diffuse film 120. The mirror-diffuse film is a plate of diffuse scattering optical material used as a substrate, on the lower surface of which is coated a mirror coating 150 containing a number of transparent regions 160. Part of the radiation from and Tocnik during propagation falls on disposed below the light guide plate 170. This plate has a receiving portion 171 (Figure 6), formed as a prismatic structure. The radiation entering the light guide film through the receiving part then propagates in it, like in a waveguide, to the opposite end of the plate on which the output part 172 is located. The output part 172 is also made in the form of a prismatic structure through which the radiation is removed from the light guide plate. Such a light guide plate can effectively transfer part of the radiation from sources to the opposite end of the air waveguide and significantly reduces the requirements for the shape and arrangement of transparent regions on the mirror-diffusion film. Thus, propagating in an air waveguide, radiation from sources as it propagates in the waveguide is portionwise removed through transparent regions over the entire area of the waveguide. Then the radiation thus extracted undergoes additional scattering in the diffuse material of the mirror-diffuse film and, after exiting the backlight system, illuminates the liquid crystal display (not shown in the illustrations). A similar combination of a mirror coating with a number of transparent regions and a substrate of diffuse material allows both good uniformity and high brightness of the backlight system to be obtained.

Оба варианта, описанные в качестве примеров реализации заявляемого изобретения, могут найти применение в разработке конструкций устройств с ЖК дисплеями, отличающимися уменьшенной толщиной и высокой однородной яркостью подсветки.Both options, described as examples of the implementation of the claimed invention, can find application in the development of device designs with LCD displays, characterized by a reduced thickness and high uniform brightness of the backlight.

Claims

1. A system for side illumination of liquid crystal displays, comprising:
a radiation source in the form of at least one LED,
Mirror coated lower mirror
upper mirror diffusion plate and
side mirrors located on four sides and forming, together with the lower mirror and the upper diffusion plate, an air waveguide,
the upper mirror-diffusion plate is made of a material with diffuse bulk scattering with a mirror coating deposited on its lower side, in which there are a number of transparent or partially transparent regions.

2. The system of claim 1, wherein said transparent regions in the mirror coating of said mirror diffusion plate are in the form of round holes.

3. A system for side illumination of liquid crystal displays, comprising:
a radiation source in the form of at least one LED,
Mirror coated lower mirror
top mirror diffusion plate
side mirrors located on four sides and forming, together with the lower mirror and the upper diffusion plate, an air waveguide; and
a light guide plate located directly above the lower mirror,
the upper mirror-diffuse plate is made of a material with diffuse bulk scattering with a mirror coating deposited on its lower side, in which there are a number of transparent or partially transparent regions,
the light guide plate consists of a receiving, waveguide and output parts and is configured to transmit part of the radiation from said radiation source to the opposite end of the air waveguide.

4. The system of claim 1, wherein said transparent regions in the mirror coating of said mirror diffusion plate are in the form of round holes.