Instrumente optice de proiectare și analiză pentru afișaj cu iluminare de fundal LED

Iluminările de fundal sunt utilizate în ecrane cu cristale lichide (LCD) mici, ușoare, cu ecran plat și în alte dispozitive electronice care necesită iluminare din spate, inclusiv dispozitive portabile la fel de mici precum palmele și televizoarele cu ecran mare. Obiectivele designului luminii de fundal includ consum redus de energie, luminozitate ultra-subțire, luminozitate ridicată, luminozitate uniformă, suprafață mare și control diferit de lățime și unghi de vizualizare îngust. Pentru a atinge aceste obiective de proiectare provocatoare și pentru a controla costurile și a realiza o implementare rapidă, instrumentele de proiectare optică asistată de computer trebuie să fie utilizate pentru proiectare. ? Acest articol prezintă caracteristicile software-ului de proiectare și analiză optică LightTools de la ORA din Statele Unite, care poate fi folosit pentru a dezvolta cele mai avansate aplicații de proiectare pentru iluminare de fundal în prezent.

Instrumente optice de proiectare și analiză pentru iluminarea din spate

Sistemul de iluminare din spate trebuie să transforme lumina de la una sau mai multe surse de lumină pentru a produce distribuția necesară a luminii într-o zonă sau la un unghi fix. Software-ul de proiectare a iluminatului trebuie să fie capabil să modeleze geometric, să stabilească parametri optici caracteristici pentru diferite tipuri de surse de lumină și unități de conversie și trebuie să fie capabil să utilizeze metode de urmărire optică pentru a evalua traseul luminii care trece prin model și pentru a calcula distribuția finală a luminii. . Distribuția luminii folosește simularea Monte Carlo pentru a calcula iluminarea, luminozitatea sau intensitatea luminoasă a unei anumite zone și/sau unghi. ? Lumina este emisă de sursa de lumină în poziții și unghiuri aleatorii, urmărită prin sistemul optic și primită pe suprafața receptoare. Iluminanța poate fi calculată de la receptorul de suprafață, iar intensitatea poate fi obținută de la receptorul de câmp îndepărtat. Prin definirea unui contor de luminanță pe suprafața receptorului, se poate calcula distribuția luminanței cu spațiul și unghiul. În unele cazuri, poate fi important să analizați cromaticitatea afișajului. Specificați distribuția spectrală a energiei sursei de lumină (cum ar fi diodele emițătoare de lumină), afișați valorile coordonatelor CIE și temperatura corelată a culorii (CCT), cuantificați cromaticitatea afișajului și generați grafice RGB de redare a luminii reale pe afișaj. Toate aceste analize pot fi făcute în software-ul LightTools.

Caracteristicile display-ului cu iluminare din spate au cerințe speciale pentru software-ul de analiză a luminii. După cum va fi explicat, lumina emisă de lumina de fundal depinde de densitatea de distribuție a punctelor imprimate sau de modelul de distribuție al microstructurii. Pentru modelarea unei matrice de microstructuri specifice, dacă modelul CAD este utilizat direct, poate rezulta o dimensiune foarte mare a modelului. Software-ul LightTools oferă funcția de definire a matricei de texturi 3D, care poate efectua urmărirea și randarea precisă a razelor. Deoarece nu se utilizează un model geometric construit direct, volumul modelului este mai mic, iar trasarea razelor este mai rapidă. Un alt aspect al analizei luminii de fundal include divizarea și împrăștierea luminii pe suprafața plăcii de ghidare a luminii. Deoarece metoda Monte Carlo este utilizată pentru a simula efectele de iluminare, poate fi necesar să se utilizeze un număr mare de trasări de raze pentru a obține un design cu suficientă acuratețe. ? Cea mai eficientă metodă este de a urmări lumina cu cea mai mare energie. Urmărirea căii razelor de cea mai mare energie folosind probabilitatea de divizare și utilizarea zonei țintă sau unghiului de împrăștiere al suprafeței de împrăștiere pentru a direcționa lumina împrăștiată către"important" direcție (cum ar fi către vizualizatorul afișajului).

Ce este iluminarea de fundal? ?

O lumină de fundal tipică constă dintr-o sursă de lumină, cum ar fi o lampă fluorescentă cu catod rece (CCFL) sau o diodă emițătoare de lumină (LED) și o placă dreptunghiulară de ghidare a luminii. Alte componente disponibile includ difuzoarele, folosite pentru a îmbunătăți uniformitatea afișajului și filmul de îmbunătățire a luminozității (BEF), folosit pentru a crește luminozitatea afișajului. Sursa de lumină este de obicei situată pe o margine laterală a plăcii de ghidare a luminii pentru a reduce grosimea afișajului. Iluminarea laterală utilizează de obicei reflexia totală (TIR) ​​pentru a transmite lumina pe afișaj. ?

Figura 1 prezintă o diagramă schematică a unui design tipic de iluminare de fundal. ?

Designerul de iluminare de fundal are multe modalități de a modela sursa de lumină în software-ul LightTools. Diferite forme de surse de lumină fluorescentă (cum ar fi drepte, în formă de L, în formă de U sau în formă de W, așa cum se arată în Figura 2) pot fi definite rapid folosind instrumentul de creare a luminii fluorescente. Reflectorul lămpii poate fi definit de diverse primitive geometrice în software-ul LightTools, cum ar fi cilindri, caneluri eliptice și poligoane extrudate. Reflectorul definit în sistemul CAD poate fi importat și în software-ul LightTools prin formate standard de schimb de date (IGES, ?STEP, ?SAT? și CATIA). Dacă sunt folosite LED-uri, designerii pot selecta modelul LED dorit din modelele de produse ale Agilent, Lumileds, Nichia, Osram și ale altor companii pre-stocate în software-ul LightTools. Odată ce lumina intră pe o parte a plăcii de ghidare a luminii, problema devine extragerea luminii perpendicular pe direcția de propagare din placa de ghidare a luminii.

După cum se arată în Figura 3, cea mai strălucitoare dintre plăcile de ghidare a luminii se află pe partea apropiată de sursa de lumină. Pe măsură ce distanța este mai mare, luminozitatea din placa de ghidare a luminii devine mai întunecată. Pentru a obține o putere de lumină uniformă, eficiența extracției luminii trebuie să crească pe măsură ce distanța crește. Una dintre sarcinile principale ale proiectării luminii de fundal este proiectarea unei plăci de ghidare a luminii care modifică eficiența extracției luminii după cum este necesar. Există două tehnici de extracție care pot fi utilizate. Tehnologia de extracție a luminii prin imprimare cu puncte este de a imprima o structură cu matrice de puncte pe partea de jos a plăcii de ghidare a luminii pentru a împrăștia lumina în sus și a o emite de pe suprafața plăcii de ghidare a luminii. A doua tehnologie, tehnologia de extracție a luminii prin turnare prin compresie, se bazează pe reflexia totală (TIR) ​​a microstructurii de pe suprafața inferioară pentru a face lumina să iasă de pe suprafața plăcii de ghidare a luminii.

?

Software-ul LightTools oferă instrumente de proiectare pentru iluminare din spate pentru a realiza proiectarea plăcilor de ghidare a luminii. Acest instrument (Figura 4) ajută utilizatorul să creeze diferite componente ale luminii de fundal. Alte opțiuni includ adăugarea de componente de sursă de lumină/reflector la model, modelarea BEF și construirea unui receptor pentru a analiza luminozitatea. Interfața instrumentului de iluminare de fundal este un număr de file utilizate pentru a seta și modifica diferite tipuri de mecanisme de extracție a luminii.

Pentru iluminarea de fundal folosind metoda de extracție a luminii prin imprimare cu puncte, instrumentul de iluminare de fundal poate seta modificarea liniară a dimensiunii și raportul de aspect al punctelor imprimate și modificarea liniară a pasului punctelor de-a lungul lungimii plăcii de ghidare a luminii. Această structură care se schimbă liniar este adesea un bun punct de plecare pentru uniformitatea afișajului, dar nu este suficientă pentru a îndeplini cerințele finale de uniformitate. Pentru a controla în continuare uniformitatea, pot fi utilizați parametrii de extracție a luminii care variază neliniar. O metodă care utilizează cei mai puțini parametri și este foarte flexibilă este definirea variabilelor parametrice ale curbei Bezier pătratice. ? Instrumentul de zonă bidimensională al software-ului LightTools poate fi utilizat pentru a seta structura neliniară. Figura 5 prezintă un exemplu de utilizare a extracției prin imprimare, în care 3 parametri (lățimea punctelor de imprimare, înălțimea și distanța verticală) se modifică pentru a obține comportamente de extracție diferite. Uniformitatea ieșirii este prezentată în Figura 6. Figura din dreapta arată că luminozitatea medie a ieșirii este o constantă. ?

A doua metodă de extracție, tehnologia de extracție prin turnare prin compresie, utilizează funcția de textura tridimensională a software-ului LightTools, ceea ce face ca trasarea razelor structurilor repetitive să fie foarte eficientă, iar informațiile stocate sunt foarte compacte. Urmărirea razelor modelului creat de funcția de textură non-3D este de peste 30 de ori mai lent decât modelul creat cu textura 3D, iar fișierul este de peste 100 de ori mai mare. Există trei forme de bază pentru texturile 3D din care să alegeți: sferică, prismatică și piramidală (Figura 7). Instrumentul de iluminare de fundal poate defini microstructuri variabile liniar. Dar instrumentul de textură 3D poate folosi curba Bezier pătratică pentru a modifica parametrii texturii în mod neliniar. Exemplul prezentat în Figura 8 este o microstructură în formă de jgheab (folosind modelarea prismatică a texturii 3D) ca mecanism de extracție. Placa de ghidare a luminii rezultată și rezultatele simulării acesteia sunt prezentate în Figura 9.

Calcul optic de iluminare de fundal

Cele mai importante două cantități optice ale unui afișaj cu iluminare din spate sunt luminozitatea afișajului și uniformitatea iluminării pe suprafața plăcii de ghidare a luminii. De asemenea, este important să se calculeze intensitatea luminoasă și diverse metrici de culoare (coordonatele CIE și temperatura de culoare corelată CCT). Software-ul LightTools are încorporate aceste funcții de calcul și multe alte funcții pentru a ajuta la înțelegerea datelor generate de simularea Monte Carlo.

?

Simularea Monte Carlo este baza pentru calculul iluminării în software-ul LightTools. Generatorul de numere aleatorii este folosit pentru a selecta poziția de pornire, direcția și lungimea de undă a luminii și este folosit pentru a eșantiona distribuția luminii pe suprafața receptoare. Alegerea"aleatorie" numerele vor afecta foarte mult convergența simulării. Folosind o secvență de numere cu varianță scăzută (Sobol) (nu este complet aleatorie), eroarea poate fi redusă la 1/N, unde N este numărul de raze la capătul receptor. Puteți vedea rezultatul comparației utilizării secvenței de numere aleatoare (Figura 10) și a secvenței de numere Sobol (Figura 11) pentru a calcula cromaticitatea. În acest exemplu, rezultatul simulării folosind 128.000 de raze aleatorii este echivalent cu precizia de 16.000 de raze Sobol'. Lucrul important este să comparați viteza de convergență a simulării diferitelor programe. Ceea ce ne pasă este viteza de a obține o anumită precizie de simulare, nu viteza de urmărire a unei anumite cantități de lumină. În software-ul LightTools, receptorul este utilizat pentru a colecta date de lumină pentru a calcula iluminarea.

Datele luminoase pentru analiză și afișare sunt colectate din grila de date. Utilizatorul poate controla în mod interactiv dimensiunea sau numărul grilei de date. ? Pentru un anumit număr de raze de pe receptor, cu cât numărul de grile este mai mic, cu atât rezoluția spațială și unghiulară este mai mică, dar cu atât acuratețea relativă este mai mare (rată de eroare scăzută). În schimb, cu cât sunt mai multe grile, cu atât rezoluția spațială și unghiulară este mai mare, dar cu atât acuratețea este mai mică (rată de eroare mare). Rata de eroare estimată este afișată pe fiecare grilă pentru a ajuta utilizatorul să decidă dacă este utilizată suficientă lumină pentru simularea urmăririi pentru a îndeplini rezoluția și acuratețea cerute de proiect în același timp (Cassarly, WJ, Fest, EC și ?Jenkins,?DG,?2002). Dacă este nevoie de mai multă lumină, utilizatorul poate continua simularea în mod interactiv până când obiectivul este atins. ?

Un aspect important al analizei luminii de fundal este împărțirea și împrăștierea luminii pe suprafața plăcii de ghidare a luminii. Funcția plăcii de ghidare a luminii este aceea că lumina poate fi absorbită sau emisă după reflexii multiple pe suprafața interioară. Dacă lumina este împărțită în două părți de transmisie și reflexie pe fiecare suprafață de contact, va provoca un număr foarte mare de raze de lumină divizate, dintre care majoritatea nu transportă multă energie, încetinind astfel viteza de analiză. Un exemplu în acest sens este prezentat în Figura 12, care arată o rază de pornire cu multe căi datorate divizării luminii.

Următoarea simulare folosește 2.000 de raze incidente. Datorită divizării luminii, receptorul colectează 277.948 de raze (Figura 13). Deoarece cea mai mare parte a luminii care ajunge la receptor nu are prea multă energie, eroarea rezultată este de 42%. Dimpotrivă, dacă coeficientul de pierdere Fresnel și caracteristicile de împrăștiere a suprafeței sunt utilizate pentru a determina posibilitatea transmiterii și reflectării luminii, pentru a evalua posibilitatea căii optice, de cele mai multe ori trasarea razelor va fi utilizată pentru a urmări energia în sistem, accelerând astfel analiza. Un rezultat de simulare de 200.000 de raze incidente este prezentat în Figura 14. În acest caz, 118.969 de raze ajung la receptor, iar eroarea de calcul este de 6%. Utilizarea ray tracing în modul probabilitate reduce erorile de calcul de 7 ori și reduce timpul de calcul cu 42%.

?

Dimpotrivă, dacă coeficientul de pierdere Fresnel și caracteristicile de împrăștiere a suprafeței sunt utilizate pentru a determina posibilitatea transmiterii și reflectării luminii, pentru a evalua posibilitatea căii optice, de cele mai multe ori trasarea razelor va fi utilizată pentru a urmări energia în sistem, astfel accelerați analiza. Un rezultat de simulare de 200.000 de raze incidente este prezentat în Figura 14. În acest caz, 118.969 de raze ajung la receptor, iar eroarea de calcul este de 6%. Utilizarea ray tracing în modul probabilitate reduce erorile de calcul de 7 ori și reduce timpul de calcul cu 42%.

În cele din urmă, pentru a îmbunătăți uniformitatea afișajului, se folosește uneori un difuzor pe suprafața superioară a plăcii de ghidare a luminii. Deoarece difuzorul difuzează lumina la un unghi mai larg, mai puțină lumină este împrăștiată în deschiderea contorului de luminozitate. Conform metodei convenționale de testare a luminozității afișajului, este necesară o cantitate foarte mare de lumină pentru calcularea luminozității. Software-ul LightTools mapează zona țintă sau unghiul la suprafața de împrăștiere, permițând utilizatorului să specifice ce dispersie trebuie luată în considerare. Aceasta este o formă importantă de eșantionare și o altă metodă de îmbunătățire a convergenței simulărilor Monte Carlo. Figura 15 prezintă un contor de luminanță și o lumină de fundal cu un difuzor, fără a specifica un unghi țintă. După urmărirea a 2000 de raze, contorul de luminozitate a primit 40 de raze, iar grătarul de luminozitate spațială este prezentat în figură.

?

Figura 16 prezintă același exemplu, dar eșantionarea după valoare importantă și specificarea unghiului țintă pe difuzor. Unghiul țintă se potrivește cu unghiul de acceptare al diafragmei contorului de luminozitate. Când lumina ajunge la difuzor, software-ul LightTools va genera lumină împrăștiată (fluxul luminos care intră în zona țintă calculat pe baza distribuției unghiulare a modelului de difuzie) în unghiul țintă, astfel încât toată lumina împrăștiată colectată de contorul de luminanță va îmbunătăți convergența simulării. În acest caz, din 2000 de raze incidente, 1416 raze (71%) au fost recepționate de contorul de luminanță.

Alte considerente?

Iluminarea de fundal este utilizată pe scară largă în afișajele cu cristale lichide (LCD), care este o componentă de polarizare. Modelarea componentelor de polarizare, cum ar fi polarizarea liniară, plăcile cu un sfert de lungime de undă, evaluarea urmăririi luminii polarizate etc. sunt factori critici pentru o analiză de succes. Software-ul LightTools oferă modele simple de polarizare și întârziere liniară, precum și specificații ale matricei Jones-Mueller pentru componentele de polarizare. Utilizatorii pot folosi funcția de urmărire a razelor de polarizare atunci când este necesar pentru a urmări starea de polarizare a luminii în funcție de Stoc? vector.

Există adesea diferite acoperiri optice cu diferite caracteristici de transparență, coeficient de reflexie și polarizare pe componente. Acoperirea este definită în software-ul LightTools pe baza performanței sale, care este adesea singura informație pe care o cunoaște utilizatorul. Valorile S sau P medii sau separate ale reflexiei și transmisiei pot fi specificate prin oricare dintre următorii parametri: unghiul de apariție, lungimea de undă, poziția X sau poziția Y. Sistemul oferă instrumente pentru conversia stivei de acoperire în formatul de acoperire al software-ului LightTools.

Deși majoritatea luminilor de fundal folosesc tehnologia de extracție a luminii prin imprimare cu puncte sau prin turnare prin compresie, sunt posibile și alte metode. Una este să folosiți particulele din placa de ghidare a luminii pentru a se împrăștia. Dacă dimensiunea și densitatea particulelor sunt controlate corespunzător, împrăștierea Mie din particule poate extrage în mod eficient lumina din placa de ghidare a luminii (Tagaya, et al., 2001:6274). Software-ul LightTools poate simula împrăștierea particulelor sferice în loturi conform teoriei Mie sau conform unei distribuții unghiulare definite de utilizator. ?

Exportul unui design optic complet într-un sistem CAD este adesea un pas necesar în fabricarea plăcilor de ghidare a luminii. Software-ul LightTools acceptă conversia formatului standard, cum ar fi STEP, SAT sau IGES pentru a finaliza. Deoarece standardul de conversie a datelor acceptă numai date geometrice externe, în cazul extragerii designului de turnare prin compresie, este necesar să se convertească forma definită de textura tridimensională în date geometrice externe pentru ieșire. Software-ul LightTools acceptă formate standard și poate converti în mod selectiv texturile 3D în date geometrice externe, astfel încât întregul design de iluminare de fundal să fie inclus în fișierul convertit.

rezumat

Tehnologia de design cu iluminare de fundal a progresat și dezvoltat continuu, pentru a oferi performanțe mai bune și costuri mai mici pentru a satisface nevoile pieței. Acest tip de inovație necesită software-ul de proiectare a luminii să adauge continuu noi funcții, în special suport pentru scurtarea ciclului de proiectare a luminii de fundal. Principalele funcții ale software-ului LightTools, cum ar fi crearea modelului și dimensiunea fișierului, trasarea razelor și timpul de simulare și funcția de calculare a unui număr mare de parametri optici legați de proiectarea luminii de fundal, au fost toate recunoscute și verificate de industrie.

Versiunea 5.0 a software-ului LightTools lansat în 2004 include optimizarea iluminării pentru redundanța zgomotului, care este foarte practică în proiectarea iluminării de fundal. Această funcție poate defini automat șablonul de extracție a luminii pentru a maximiza eficiența și uniformitatea. În plus, instrumentul de optimizare a șablonului de iluminare de fundal al software-ului LightTools oferă o metodă eficientă pentru optimizarea distribuției de ieșire a luminii de fundal și a ghidajului de lumină.

Cuvinte cheie: afișaj cu iluminare de fundal LED, design optic, instrument de analiză