ОПТИЧЕСКАЯ ПЛЕНКА Российский патент 2008 года по МПК G02F1/00 

Изобретение относится к области оптики, а именно к оптическим пленкам, и может быть использовано в жидкокристаллических дисплеях (ЖКД).

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.

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.

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.

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.

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.

Недостатком указанных выше аналога и прототипа заявленного изобретения является невысокая пропускающая способность от УП в сторону модулирующих слоев.

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.

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.

Для лучшего понимания настоящего изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.

Фиг.1 - сечение оптического коллимирующего элемента, имеющего коэффициент преломления n и высоту h.

Элементы:

11 - первая поверхность,

22 - вторая поверхность,

33 - поверхность ПВО,

44 - ось симметрии.

Фиг.2 - схема оптической пленки (трехмерный вид), имеющей массив оптических коллимирующих элементов, где

21 - несущая подложка коэффициента преломления n,

22 - оптический коллимирующий элемент с коэффициентом преломления n,

23 - световод с коэффициентом преломления n, имеющий оптический контакт с массивом элементов 22,

24 - источник света,

25 - отражатель.

Фиг.3 - сечение оптической пленки, имеющей массив оптических коллимирующих элементов с коэффициентом преломления n, где

31 - оптический коллимирующий элемент,

32 - световод, имеющий оптический контакт с массивом элементов 31,

33 - луч от источника света.

Фиг.4 - вид на массив оптических коллимирующих элементов, где

41 - оптический коллимирующий элемент,

42 - световод, имеющий оптический контакт с элементом 41,

43 - луч от источника света, входящий в световод 42,

44 - выходящий коллимированный свет.

Фиг.5 - сечение оптической пленки, имеющей массив оптических коллимирующих элементов с коэффициентом преломления n, где

51 - оптический коллимирующий элемент,

52 - световод, имеющий оптический контакт с массивом элементов 31,

53 - луч от источника света,

54 - рассеивающая поверхность.

Фиг.6 - вид сверху на массив оптических коллимирующих элементов, имеющих гексагональную форму первой и второй поверхностей.

Фиг.7 - вид сверху на массив оптических коллимирующих элементов круглой формы первых поверхностей и гексагональной форма вторых поверхностей.

Фиг.8 - фотография оптической пленки (трехмерный вид), имеющей массив оптических коллимирующих элементов.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

На Фиг.6 показано множество элементов, имеющих гексагональные первую и вторую поверхности (вид сверху).

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).

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.

Для реализации заявляемого устройства важно, чтобы отношение высоты элемента оптической пленки к внешнему диаметру второй поверхности находилось в диапазоне от двух до восьми.

Для реализации заявляемого устройства целесообразно, чтобы третья поверхность (ПВО) элемента оптической пленки имела ось симметрии, пересекающую первую и вторую поверхности в соответствующих единственных точках.

Для реализации заявляемого устройства предпочтительно, чтобы первая поверхность элементов оптической пленки включала рассеивающую область.

Для реализации заявляемого устройства имеет смысл, чтобы элементы оптической пленки были соединены через оптический контакт с оптическим световодом.

Для реализации заявляемого устройства имеет смысл, чтобы элементы оптической пленки были соединены с оптическим световодом с помощью оптического клея.

Формы первой и второй поверхностей элементов оптической пленки выбирают из группы, включающей следующие контуры: круглый, треугольный, прямоугольный, гексагональный.

Третья поверхность (ПВО) элемента оптической пленки предпочтительно выполняется гладкой или составленной из линейных сегментов.

Целесообразно, чтобы материал массива элементов оптической пленки имел поляризационные свойства.

Имеет смысл, чтобы упомянутая вторая поверхность элементов оптической пленки была соединена с твердой оптической пленкой.

Рассмотрим конкретный пример выполнения заявляемого изобретения (Фиг.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°.

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.

Проведенное моделирование было экспериментально подтверждено на оптических пленках, изготовленных методами стереолитографии. Были получены фоконные массивы заданной геометрии (фотография массива показана на Фиг.8).

Изобретение относится к оптике. Оптическая пленка включает в себя массив элементов, в котором каждый элемент выполнен в виде фокусирующего концентратора, состоящего 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. Третья изогнутая боковая поверхность соединяет контуры первой и второй поверхностей и имеет форму, обеспечивающую полное внутреннее отражение света, падающего со стороны первой поверхности. Технический результат - повышение эффективности пропускания света. 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Оптическая пленка, включающая в себя массив элементов, в котором каждый элемент выполнен в виде фокусирующего концентратора, состоящего 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 света, падающего со стороны первой поверхности.2. Оптическая пленка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая третья поверхность имеет ось симметрии, пересекающую первую и вторую поверхности в соответствующих единственных точках.3. Оптическая пленка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая третья поверхность имеет как минимум одну ось симметрии, пересекающую первую и вторую поверхности.4. Оптическая пленка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая первая поверхность включает в себя рассеивающую область.5. Оптическая пленка по п.1, отличающаяся тем, что коэффициент преломления материалов находится в диапазоне от 1 до 1,7.6. Оптическая пленка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая первая поверхность соединена с оптическим световодом при помощи оптического контакта.7. Оптическая пленка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая первая поверхность соединена с оптическим световодом при помощи оптического клея.8. Оптическая пленка по п.1, отличающаяся тем, что форма упомянутой первой поверхности выбирается из группы, состоящей из следующих форм: круглой, треугольной, прямоугольной, гексагональной.9. Оптическая пленка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая третья поверхность выполнена гладкой.10. Оптическая пленка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая третья поверхность составлена из линейных сегментов.11. Оптическая пленка по п.1, отличающаяся тем, что форма упомянутой второй поверхности выбирается из группы, состоящей из следующих форм: круглой, треугольной, прямоугольной, гексагональной.12. Оптическая пленка по п.1, отличающаяся тем, что форма упомянутой третьей поверхности построена согласно принципу полного внутреннего отражения света, падающего со стороны упомянутой первой поверхности.13. Оптическая пленка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая вторая поверхность соединена с твердой оптической пленкой.14. Оптическая пленка по п.1, отличающаяся тем, что материал массива упомянутых элементов имеет поляризационные свойства.