RU2558616C2 - Способ подсветки дисплея с использованием вторичной оптики и светорассеивающей подложки, устройство для подсветки дисплея - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу и устройству подсветки дисплея. Техническим результатом является улучшение световых характеристик дисплеев, таких как эффективность, однородность освещенности, а также использование линз или рефлекторов простой формы и уменьшение габаритов. Устройство подсветки дисплея включает светодиоды, линзы или рефлекторы, светорассеивающую подложку, причем каждая линза или рефлектор находится в плоскости светорассеивающей подложки, излучение от светодиодов перенаправляется линзами или рефлекторами на поверхность светорассеивающей подложки для обеспечения освещения дисплея, причем каждая линза или рефлектор имеет одну рабочую поверхность, представляющую собой поверхность вращения с осью симметрии, совпадающей с прямой, вдоль которой формируется равномерно освещенный отрезок. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Изобретение относится к способам и устройствам для управления интенсивностью и направлением света, исходящего от независимого источника, в том числе к конструктивным взаимосвязям оптических устройств, в частности для систем подсветки цветных жидкокристаллических дисплеев.

Одной из основных задач при проектировании осветительных систем для дисплеев с задней подсветкой является обеспечение равномерного освещения экрана при малой толщине оптической системы.

Из уровня техники известно изобретение «Устройство освещения, устройство отображения и телевизионный приемник» (патент РФ №2473836 C1, МПК F21V 19/00, опубл. 27.01.2013) японской компании Шарп, в котором для решения задачи получения однородной освещенности в дисплее используется устройство, включающее в себя каркас, отражательный лист, множество трубок с холодным катодом, несколько слоев оптических элементов (например, светорассеивателей) и фиксаторы ламп.

Система подсветки на основе ламп с холодным катодом позволяет достичь высокой равномерности освещения, однако имеет ряд недостатков, к которым можно отнести невысокую энегоэффективность ламп, неширокий цветовой охват, небольшой контраст, меньший срок службы по сравнению с осветительными системами на светодиодах, которые в настоящее время считаются более перспективными.

Но при использовании светодиодов возникает проблема получения равномерного освещения в плоскости дисплея, т.к. светодиоды имеют высокую светимость, что приводит к формированию высокой неоднородности освещенности дисплея с характерными яркими пятнами. Для решения данной проблемы используют вторичную оптику, которая позволяет управлять световой диаграммой источника.

Известно изобретение «Линза для формирования излучения светодиода» (патент РФ №2303800 C1, МПК G02B 27/09, опубл. 27.07.2007) южнокорейской компании Самсунг, относящееся к разработке вторичной оптики для светодиода, где авторами предложено использование осесимметричной линзы с двумя поверхностями, которая позволяет снизить эффект ярких пятен.

Недостатком данного решения является использование линзы с двумя поверхностями, которая требует больших технологических затрат и необходимости последующего позиционирования при креплении на светодиод, по сравнению с линзами с одной рабочей поверхностью.

В работе (Wang, K. New reversing design method for LED uniform illumination / Kai Wang, Dan Wu, Zong Qin, Fei Chen, Xiaobing Luo, and Sheng Liu // Opt. Exp. - 2011. - Vol.19. - P.A830-A840) изложен способ получения равномерной освещенности с помощью массива светодиодов, на каждом из которых установлена осесимметричная линза. Авторы анализируют распределение освещенности от массива элементов и находят кривую силы света. Используя кривую силы света, находится форма линзы, которая обеспечивает равномерную подсветку.

Недостатком способа является ограничение расстояния между светодиодами, так как линза работает на эффекте преломления и не может отклонять лучи на большие углы. Поэтому данный способ по сравнению с предлагаемым техническим решением не может обеспечить сокращения количества светодиодов на единицу освещаемой площади.

Наиболее близким аналогом к заявляемому решению является способ и устройство, используемые в изобретении «Компактная оптическая система и линзы для формирования равномерного коллимированного света» (патент РФ №2475672 C2, МПК F21S 8/10, F21V 5/04, опубл. 20.10.2012), голландской компании Филипс. Для получения равномерного освещения лучи от светодиода предварительно проходят через цилиндрическую линзу, которая коллимирует и направляет их на отражатель из специально подобранных поверхностей. Данный метод позволяет добиться высокой равномерности, но при этом по-прежнему у линзы две поверхности и отражатель имеет сложную ступенчатую форму. Кроме того, для освещения экрана большого размера требуется использовать много светодиодов, что увеличивает затраты на изготовление продукции.

Заявляемое решение позволяет решить существующие проблемы: использование линз простой формы с одной рабочей поверхностью, получение высокой однородности, использование меньшего количества светодиодов, уменьшение толщины оптической системы.

Задача решается за счет того, что в способе создания равномерной освещенности в системе подсветки дисплея, включающем перенаправление излучения от источников с помощью линз (рефлекторов), согласно изобретению излучение перенаправляют на светорассеивающую подложку и формируют равномерно освещенные отрезки, обеспечивающие в свою очередь равномерное освещение дисплея.

Кроме того, светорассеивающая подложка отражает падающий свет по закону Ламберта.

Длина каждого равномерно освещаемого отрезка лежит в диапазоне от 50 мм до 200 мм.

Расстояние от источников до плоскости дисплея лежит в диапазоне от 20 мм до 50 мм и размеры освещаемого участка плоскости превышают 200 мм на 200 мм.

Задача решается также за счет того, что в устройстве подсветки дисплея, включающем светодиоды, линзы (рефлекторы), отражатель, согласно изобретению каждая линза (рефлектор) имеет одну рабочую поверхность, представляющую собой поверхность вращения с осью симметрии, совпадающей с прямой, вдоль которой формируется равномерно освещенный отрезок, отражатель выполнен в виде подложки из светорассеивающего материала.

Кроме того, светорассеивающая подложка выполнена в виде листа из спектралона.

Светорассеивающая подложка имеет продольные насечки.

Устройство снабжено набором оптических элементов: рассеивателей, поляризаторов, фильтров.

При этом оптическая система включает в себя светорассеивающую подложку (в частности, ламбертовский отражатель), множество светодиодов с цилиндрическими линзами (или рефлекторами) с осью симметрии в плоскости подложки, несколько слоев оптических элементов (например, диффузоров). Каждая линза (или рефлектор), которая устанавливается на светодиод, имитирует лампу с холодным катодом за счет формирования на подложке равномерно освещенного отрезка. Освещаемый отрезок становится вторичным источниками света. В качестве светорассеивающей подложки можно использовать спектралон, имеющий коэффициент отражения более 99% (Bhandari, A. Bidirectional reflectance distribution function of Spectralon white reflectance standard illuminated by incoherent unpolarized and plane-polarized light/ Anak Bhandari, Borge Hamre, Ovynd Frette, Lu Zhao, Kakob J. Stamnes, and Morten Kildemo // Applied Optics. - 2011. - Vol.50(16). - P.2431-2442.), но в общем случае в качестве светорассеивающей подложки можно использовать более сложную структуру, например, продольные насечки, которые обеспечивают рассеяние света под большими углами хотя бы в одном направлении (т.е. уже не по закону Ламберта).

Устройство поясняется чертежом, где на фиг.1 показана схема подсветки дисплея.

На фиг.1 : источник света 1, оптический элемент 2 в виде линзы или рефлектора. Светорассеивающая подложка 3 выполнена в виде листа из спектралона; 4 - набор оптических элементов рассеивателей, поляризаторов, фильтров; равномерно освещаемый отрезок 5.

Пример осуществления способа

Оптический элемент 2 перенаправляет излучение от точечного (компактного) источника 1 в отрезок 5 на поверхности светорассеивающей подложки 3 длиной 200 мм. Для получения более высокой однородности используется набор оптических элементов: рассеивателей, поляризаторов, фильтров.

На Фиг.2 показана используемая система координат и обозначений для расчета рефлектора. Оптический элемент имеет ось вращения (ось Ox) и рассчитывается для работы с лучами в определенном диапазоне углов α∈[-π/2,α_max], где α_max лежит в пределах от 45° до 70°. Выбор угла определяет размеры рефлектора и количество световой энергии, используемой для формирования отрезков (например, для ламбертовского источника в диапазон углов от -60 до 60° попадает более 90% световой энергии). Мы пренебрегаем лучами, которые не отражаются поверхностью рефлектора, а попадают сразу на экран.

В данном примере для диапазона углов [-90°; 70°] были получены следующие значения размеров: длина по оси Ox получилась равной около 20 мм, ширина 12 мм и высота 6 мм.

На Фиг.2 введены следующие обозначения: ρ(α) длину радиус-вектора точки профиля, где α∈[-π/2,α_max] - угловая координата падающего луча. В работе (Моисеев, М.А. Расчет радиально-симметричных преломляющих поверхностей с учетом френелевских потерь / Л.Л. Досколович, М.А. Моисеев // Компьютерная оптика. - 2008. - Т.32, №1. - С.201-203) для ρ(α) получено следующее дифференциальное уравнение:

$$\frac{d\rho \left(\sigma \right)}{d\alpha }=\rho \left(\alpha \right)\cdot \cot \left(\frac{\pi /2-\alpha -\beta \left(\alpha \right)}{2}\right),\left(1\right)$$

где функция β(α) задает направление луча после отражения. Из геометрии на Фиг.2 координата пересечения выходящего из оптического элемента луча с осью Ox равна:

$$x\left(\alpha \right)=\rho \left(\alpha \right)\sin \left(\alpha \right)+\frac{\rho \left(\alpha \right)\cos \left(\alpha \right)}{tg\left(\beta \left(\alpha \right)\right)}.\left(2\right)$$

Тогда функция β(α) принимает следующий вид:

$$\beta \left(\alpha \right)arctg\frac{\rho \left(\alpha \right)\cos \left(\alpha \right)}{x\left(\alpha \right)-\rho \left(\alpha \right)\sin \left(\alpha \right)}.\left(3\right)$$

Определим функцию x(α) в правой части (3) из закона сохранения светового потока. Введем сферические координаты (α,φ), где φ - полярный угол в плоскости YOZ, перпендикулярной плоскости Фиг.2. Поскольку оптический элемент расположен при z>0, то φ∈[0,π]. В указанных координатах элемент телесного угла, соответствующий отрезку φ∈[0,π], имеет вид:

dΩ(α)=πsin(π1=/2-α)dα.

Для записи закона сохранения светового потока необходимо приравнять световой поток, падающий на элемент dx освещаемого отрезка, к световому потоку световому потоку от источника, излученному в элемент телесного угла dΩ(α). Таким образом, можно записать следующее равенство:

$$\sin \left(\pi /2-\alpha \right)\left({\displaystyle \underset{0}{\overset{\pi }{\int }}I\left(\alpha ,\varphi \right)d\varphi }\right)d\alpha =E\left(x\right)dx,\left(4\right)$$

где E(x), x∈[x₁,x₂] - заданная освещенность на отрезке (x₁, x₂ - координаты начала и конца отрезка), I(α,φ) - интенсивность источника.

Отметим, что корректное задание освещенности E(x) требует выполнения условия нормировки:

$${\displaystyle \underset{0}{\overset{{\alpha }_{\max }}{\int }}\sin \left(\pi /2-\alpha \right)\left[{\displaystyle \underset{0}{\overset{\pi }{\int }}I\left(\alpha ,\varphi \right)d\varphi }\right]d\alpha }={\displaystyle \underset{x_1}{\overset{x_2}{\int }}E\left(x\right)dx}.\left(5\right)$$

При постоянной освещенности E(x)=E₀, x∈[x₁,x₂] проинтегрируем (5) и получим:

$$x\left(\alpha \right)=x_1+\frac{1}{E_0}{\displaystyle \underset{0}{\overset{\alpha }{\int }}\cos \alpha }\left[{\displaystyle \underset{0}{\overset{\pi }{\int }}I\left(\alpha ,\varphi \right)d\varphi }\right]d\alpha .\left(6\right)$$

В случае ламбертовского источника, излучающего по оси Oz, интенсивность источника в координатах (α,φ) имеет вид:

$$I\left(\alpha ,\varphi \right)=I_0\cos \alpha \sin \varphi .\left(7\right)$$

Подставляя (7) в (6), получим x(α) в аналитическом виде:

$$x\left(\alpha \right)=x_1+\frac{x_2-x_1}{{\alpha }_{\max }+\frac{\sin 2{\alpha }_{\max }}{2}}\left(\alpha +\frac{\sin 2\alpha }{2}\right).\left(8\right)$$

Подставим функцию x(α) в (3) и получим следующее уравнение:

$$\beta \left(\alpha \right)=arctg\frac{\rho \left(\alpha \right)\cos \left(\alpha \right)}{x_1+\frac{x_2-x_1}{{\alpha }_{\max }+\frac{\sin 2{\alpha }_{\max }}{2}}\left(\alpha +\frac{\sin 2\alpha }{2}\right)-\rho \left(\alpha \right)\sin \left(\alpha \right)}\mathrm{.,}\left(9\right)$$

Таким образом, расчет оптического элемента для формирования отрезка с заданной освещенностью сведен к интегрированию дифференциального уравнения (1).

В рамках рассматриваемого подхода предполагается, что оптический элемент формирует освещенный отрезок на светорассеивающей подложке. Будем считать, что в качестве подложки используется ламбертовская поверхность (http://www.labsphere.com/products/reflectance-materials-and-coatings/high-reflectance-materials/default.aspx.). При этом освещаемый отрезок будет вторичным ламбертовским источником.

Разработанный метод расчета оптического элемента реализован в среде программирования Matlab (http://www.mathworks.com/).

На Фиг.3 приведена трехмерная модель массива из 5 отстоящих относительно друг друга на расстоянии 20 мм источников с рефлекторами, каждый из которых обеспечивает равномерное освещение отрезка длиной 200 мм (причем x₁=0).

Расстояние от источника до поверхности линзы по оси Oz выбрано равным 1 мм, а максимальный рабочий угол α_max=70°.

Для проверки правильности расчетов было проведено моделирование работы рассчитанной оптической системы в программе для светотехнических расчетов TracePro с использованием метода трассировки лучей (http://www.lambdares.com/software_products/tracepro/).

На Фиг.4 приведены распределения освещенности, рассчитанные для 1000000 лучей, формируемые в плоскости z=0, содержащей отрезок.

На Фиг.5 приведено распределение освещенности, формируемое массивом из 5 оптических элементов, которые расположены справа на расстоянии 100 мм от начала координат.

На Фиг.7 приведены распределения вдоль осей Ox и Oy.

При использовании оптического элемента или массива элементов, формирующих отрезки, в системе подсветки в плоскости z=0 находится светорассеивающая подложка. При этом конечной задачей является получение равномерного распределения света в некоторой плоскости z=d (Фиг.2) над оптическим элементом, на дисплее.

На Фиг.8 представлено распределение освещенности для 5 источников с рефлекторами, удаленных на расстояние 20 мм от плоскости дисплея (z=d).

На Фиг.9 приведены распределения вдоль осей Ox и Oy. Отметим, что плоскость z=0 в данном примере соответствует ламбертовскому отражателю. Среднеквадратическое отклонение освещенности в плоскости d составляет менее 6% в центральной области размерами 300 мм на 400 мм. Энергетическая эффективность (доля излученного светового потока, попавшая на детектор) превышает 90%.

Техническим результатом использования данного изобретения является улучшение световых характеристик дисплеев, таких как эффективность, однородность освещенности, а также использование линз или рефлекторов простой формы и уменьшение габаритов.

Claims (7)

1. Способ создания равномерной освещенности в системе подсветки дисплея, включающий перенаправление излучения от источников с помощью линз или рефлекторов, отличающийся тем, что линзы или рефлекторы формируют равномерно освещенные отрезки на светорассеивающей подложке, обеспечивающие, в свою очередь, равномерное освещение дисплея, при этом линзы или рефлекторы имеют ось симметрии, лежащую в плоскости светорассеивающей подложки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длина каждого равномерно освещаемого отрезка лежит в диапазоне от 50 мм до 200 мм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расстояние от источников до плоскости дисплея лежит в диапазоне от 20 мм до 50 мм и размеры освещаемого участка плоскости превышают 200 мм на 200 мм.

4. Устройство подсветки дисплея, включающее светодиоды, линзы или рефлекторы, светорассеивающую подложку, причем каждая линза или рефлектор находится в плоскости светорассеивающей подложки, излучение от светодиодов перенаправляется линзами или рефлекторами на поверхность светорассеивающей подложки для обеспечения освещения дисплея, отличающееся тем, что каждая линза или рефлектор имеет одну рабочую поверхность, представляющую собой поверхность вращения с осью симметрии, совпадающей с прямой, вдоль которой формируется равномерно освещенный отрезок.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что светорассеивающая подложка выполнена в виде листа из спектралона.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что светорассеивающая подложка имеет продольные насечки.

7. Устройство по любому из пп. 4-6, отличающееся тем, что снабжено набором оптических элементов рассеивателей, поляризаторов, фильтров.

Images