Alati za optički dizajn i analizu za LED pozadinsko osvetljenje

Pozadinsko osvetljenje se koristi u malim, laganim ekranima sa tečnim kristalima (LCD) sa ravnim ekranom i drugim elektronskim uređajima koji zahtevaju pozadinsko osvetljenje, uključujući ručne uređaje male poput dlanova i televizore sa velikim ekranom. Ciljevi dizajna pozadinskog osvetljenja uključuju nisku potrošnju energije, ultra-tanak, visoku osvetljenost, ujednačenu osvetljenost, veliku površinu i različitu kontrolu širine i uskog ugla gledanja. Da bi se postigli ovi izazovni ciljevi dizajna, i da bi se kontrolisali troškovi i postigla brza implementacija, za projektovanje se moraju koristiti kompjuterski podržani optički alati za projektovanje. ? Ovaj članak predstavlja karakteristike softvera za optički dizajn i analizu LightTools kompanije ORA u Sjedinjenim Državama, koji se može koristiti za razvoj najnaprednijih aplikacija za dizajn pozadinskog osvetljenja danas.

Optički dizajn i alati za analizu pozadinskog osvetljenja

Sistem pozadinskog osvetljenja treba da pretvori svetlost iz jednog ili više izvora svetlosti da bi proizveo potrebnu distribuciju svetlosti u oblasti ili pod fiksnim uglom. Softver za projektovanje osvetljenja mora da bude u stanju da geometrijski modeluje, podesi parametre optičkih karakteristika za različite tipove izvora svetlosti i jedinica za konverziju i mora biti u stanju da koristi metode optičkog praćenja da proceni putanju svetlosti koja prolazi kroz model i izračuna konačnu distribuciju svetlosti. . Raspodela svetlosti koristi Monte Karlo simulaciju za izračunavanje osvetljenosti, osvetljenosti ili intenziteta svetlosti određene oblasti i/ili ugla. ? Svetlost se emituje iz izvora svetlosti na nasumičnim pozicijama i uglovima, prati se kroz optički sistem i prima na prijemnu površinu. Osvetljenost se može izračunati iz površinskog prijemnika, a intenzitet se može dobiti iz prijemnika dalekog polja. Definisanjem merača osvetljenosti na površini prijemnika može se izračunati raspodela osvetljenosti sa prostorom i uglom. U nekim slučajevima može biti važno analizirati hromatičnost ekrana. Odredite spektralnu distribuciju energije izvora svetlosti (kao što su diode koje emituju svetlost), izlazne vrednosti CIE koordinata i korelisanu temperaturu boje (CCT), kvantifikujte hromatičnost ekrana i generišete RGB grafiku realnog svetla na ekranu. Sve ove analize se mogu uraditi u softveru LightTools.

Karakteristike displeja sa pozadinskim osvetljenjem imaju posebne zahteve za softver za analizu osvetljenja. Kao što će biti objašnjeno, svetlost koju emituje pozadinsko osvetljenje zavisi od gustine distribucije štampanih tačaka, ili uzorka distribucije mikrostrukture. Za modeliranje specifičnog niza mikrostrukture, ako se direktno koristi CAD model, to može rezultirati veoma velikom veličinom modela. Softver LightTools pruža funkciju 3D definicije niza tekstura, koja može da izvrši precizno praćenje i renderovanje zraka. Pošto se ne koristi direktno konstruisani geometrijski model, zapremina modela je manja i praćenje zraka je brže. Drugi aspekt analize pozadinskog osvetljenja uključuje cepanje i rasipanje svetlosti na površini ploče za vođenje svetlosti. Pošto se Monte Karlo metoda koristi za simulaciju svetlosnih efekata, možda će biti potrebno koristiti veliki broj tragova zraka da bi se dobio dizajn sa dovoljnom tačnošću. ? Najefikasniji metod je praćenje svetlosti najveće energije. Praćenje putanje najvećeg energetskog zraka korišćenjem verovatnoće cepanja i korišćenjem ciljne oblasti ili ugla rasejanja površine rasejanja da usmeri rasejanu svetlost ka"važnom" smer (kao što je ka posmatraču ekrana).

Šta je pozadinsko osvetljenje? ?

Tipično pozadinsko osvetljenje se sastoji od izvora svetlosti, kao što je fluorescentna lampa sa hladnom katodom (CCFL) ili dioda koja emituje svetlost (LED), i pravougaone ploče za vođenje svetlosti. Ostale dostupne komponente uključuju difuzore, koji se koriste za poboljšanje uniformnosti ekrana, i film za poboljšanje osvetljenosti (BEF), koji se koristi za povećanje osvetljenosti ekrana. Izvor svetlosti se obično nalazi na jednoj bočnoj ivici ploče za vođenje svetlosti da bi se smanjila debljina ekrana. Bočno osvetljenje obično koristi totalnu refleksiju (TIR) ​​za prenos svetlosti na displeju. ?

Slika 1 prikazuje šematski dijagram tipičnog dizajna pozadinskog osvetljenja. ?

Dizajner pozadinskog osvetljenja ima mnogo načina da modelira izvor svetlosti u softveru LightTools. Različiti oblici fluorescentnih izvora svetlosti (kao što su ravni, L-oblika, U-oblika ili W-oblika, kao što je prikazano na slici 2) mogu se brzo definisati pomoću alata za kreiranje fluorescentnog svetla. Reflektor lampe se može definisati raznim geometrijskim primitivima u softveru LightTools, kao što su cilindri, eliptični žlebovi i ekstrudirani poligoni. Reflektor definisan u CAD sistemu se takođe može uvesti u softver LightTools preko standardnih formata za razmenu podataka (IGES, ?STEP, ?SAT? i CATIA). Ako se koriste LED diode, dizajneri mogu izabrati željeni LED model iz modela proizvoda Agilent, Lumileds, Nichia, Osram i drugih kompanija unapred uskladištenih u softveru LightTools. Kada svetlost uđe na jednu stranu ploče za vođenje svetlosti, problem postaje izvlačenje svetlosti okomito na pravac širenja iz ploče za vođenje svetlosti.

Kao što je prikazano na slici 3, najsvetlija ploča za vođenje svetlosti je na strani blizu izvora svetlosti. Kako je udaljenost veća, osvetljenost ploče za vođenje svetlosti postaje tamnija. Da bi se dobio ujednačen izlaz svetlosti, efikasnost ekstrakcije svetlosti mora da se povećava kako se rastojanje povećava. Jedan od glavnih zadataka dizajna pozadinskog osvetljenja je dizajniranje ploče za vođenje svetlosti koja po potrebi menja efikasnost ekstrakcije svetlosti. Postoje dve tehnike ekstrakcije koje se mogu koristiti. Tehnologija ekstrakcije svetlosti za štampanje tačaka je štampanje matrične strukture na dnu ploče za vođenje svetlosti kako bi se svetlost raspršila prema gore i emitovala sa površine ploče za vođenje svetlosti. Druga tehnologija, tehnologija ekstrakcije svetlosti kompresijskog kalupa, oslanja se na ukupnu refleksiju (TIR) ​​mikrostrukture na donjoj površini da bi svetlost izašla sa površine ploče za vođenje svetlosti.

?

Softver LightTools pruža alate za dizajn pozadinskog osvetljenja za realizaciju dizajna svetlovodnih ploča. Ovaj alat (slika 4) pomaže korisniku u kreiranju različitih komponenti pozadinskog osvetljenja. Ostale opcije uključuju dodavanje komponenti izvora svetlosti/reflektora u model, BEF modeliranje i izgradnju prijemnika za analizu osvetljenosti. Interfejs alata za pozadinsko osvetljenje je niz kartica koje se koriste za podešavanje i modifikovanje različitih tipova mehanizama za ekstrakciju svetlosti.

Za pozadinsko osvetljenje pomoću metode ekstrakcije svetlosti za štampanje tačaka, alatka za pozadinsko osvetljenje može da podesi linearnu promenu veličine i odnosa širine i visine štampanih tačaka, kao i linearnu promenu koraka tačke duž dužine ploče za vođenje svetlosti. Ova struktura koja se linearno menja često je dobra polazna tačka za uniformnost prikaza, ali nije dovoljna da ispuni konačne zahteve uniformnosti. Za dalju kontrolu uniformnosti, mogu se koristiti nelinearno promenljivi parametri ekstrakcije svetlosti. Metoda koja koristi najmanje parametara i veoma je fleksibilna je definisanje parametarskih promenljivih kvadratne Bezijeove krive. ? Alat za dvodimenzionalno područje softvera LightTools može se koristiti za postavljanje nelinearne strukture. Slika 5 prikazuje primer korišćenja ekstrakcije štampanja, gde se 3 parametra (širina tačke štampanja, visina i vertikalni razmak) menjaju da bi se dobila različita ponašanja ekstrakcije. Ujednačenost izlaza je prikazana na slici 6. Slika desno pokazuje da je prosečna izlazna svetlost konstantna. ?

Drugi metod ekstrakcije, tehnologija ekstrakcije kompresijskim kalupom, koristi funkciju trodimenzionalne teksture softvera LightTools, što čini praćenje zraka repetitivnih struktura veoma efikasnim, a sačuvane informacije su veoma kompaktne. Praćenje zraka modela kreiranog funkcijom ne-3D teksture je više od 30 puta sporije od modela kreiranog sa 3D teksturom, a datoteka je više od 100 puta veća. Postoje tri osnovna oblika za 3D teksture koje možete izabrati: sferni, prizmatični i piramidalni (slika 7). Alat za pozadinsko osvetljenje može da definiše linearno promenljive mikrostrukture. Ali alat za 3D teksturu može da koristi kvadratnu Bezierovu krivu da nelinearno promeni parametre teksture. Primer prikazan na slici 8 je mikrostruktura u obliku korita (koristeći prizmatično 3D modeliranje teksture) kao mehanizam za ekstrakciju. Dobijena ploča za vođenje svetlosti i njeni rezultati simulacije prikazani su na slici 9.

Optički proračun pozadinskog osvetljenja

Dve najvažnije optičke veličine displeja sa pozadinskim osvetljenjem su osvetljenost ekrana i ujednačenost osvetljenja na površini svetleće ploče. Takođe je važno izračunati intenzitet svetlosti i različite metrike boja (CIE koordinate i korelirana temperatura boje CCT). LightTools softver ima ugrađene ove funkcije proračuna i mnoge druge funkcije koje pomažu u razumevanju podataka generisanih Monte Karlo simulacijom.

?

Monte Karlo simulacija je osnova za proračun osvetljenja u LightTools softveru. Generator slučajnih brojeva se koristi za odabir početne pozicije, pravca i talasne dužine svetlosti i koristi se za uzorkovanje distribucije svetlosti na prijemnoj površini. Izbor"slučajni" brojevi će u velikoj meri uticati na konvergenciju simulacije. Korišćenjem niza brojeva niske varijanse (Sobol) (nije potpuno slučajan), greška se može smanjiti na 1/N, gde je N broj zraka na prijemnom kraju. Možete videti rezultat poređenja korišćenja slučajnog niza brojeva (Slika 10) i Sobolovog niza brojeva (Slika 11) za izračunavanje hromatičnosti. U ovom primeru, rezultat simulacije korišćenjem 128.000 nasumičnih zraka je ekvivalentan tačnosti Sobol's 16.000 zraka. Važno je uporediti brzinu konvergencije simulacije različitog softvera. Ono do čega nam je stalo je brzina postizanja određene tačnosti simulacije, a ne brzina praćenja određene količine svetlosti. U softveru LightTools, prijemnik se koristi za prikupljanje svetlosnih podataka za izračunavanje osvetljenja.

Podaci o svetlosti za analizu i prikaz se prikupljaju iz mreže podataka. Korisnik može interaktivno da kontroliše veličinu ili broj mreže podataka. ? Za dati broj zraka na prijemniku, što je manji broj mreža, to je manja prostorna i ugaona rezolucija, ali je veća relativna tačnost (niska stopa greške). Nasuprot tome, što je više mreža, veća je prostorna i ugaona rezolucija, ali je niža tačnost (visoka stopa greške). Procenjena stopa greške je prikazana na svakoj mreži kako bi se pomoglo korisniku da odluči da li se koristi dovoljno svetla za simulaciju praćenja da bi se istovremeno ispunila rezolucija i tačnost koja zahteva dizajn (Cassarly,?WJ,?Fest,?EC,? i ?Jenkins,?DG,?2002). Ako je potrebno više svetla, korisnik može interaktivno da nastavi simulaciju dok se ne postigne cilj. ?

Važan aspekt analize pozadinskog osvetljenja je cepanje i rasipanje svetlosti na površini ploče za vođenje svetlosti. Funkcija ploče za vođenje svetlosti je da se svetlost može apsorbovati ili emitovati nakon višestrukih refleksija na unutrašnjoj površini. Ako se svetlost podeli na dva dela transmisije i refleksije na svakoj kontaktnoj površini, to će izazvati veoma veliki broj podeljenih svetlosnih zraka, od kojih većina ne nosi mnogo energije, čime se usporava brzina analize. Primer ovoga je prikazan na slici 12, koja prikazuje početni zrak sa mnogo putanja usled cepanja svetlosti.

Sledeća simulacija koristi 2.000 upadnih zraka. Usled ​​cepanja svetlosti prijemnik sakuplja 277.948 zraka (slika 13). Pošto većina svetlosti koja stiže do prijemnika nema mnogo energije, rezultujuća greška je 42%. Naprotiv, ako se Frenelov koeficijent gubitka i karakteristike površinskog rasejanja koriste za određivanje mogućnosti prenosa i refleksije svetlosti, za procenu mogućnosti putanje optičke putanje, najveći deo vremena praćenja zraka koristiće se za praćenje energije u sistema, čime se ubrzava analiza. Rezultat simulacije od 200.000 upadnih zraka prikazan je na slici 14. U ovom slučaju do prijemnika stiže 118.969 zraka, a greška proračuna je 6%. Korišćenje režima verovatnoće za praćenje zraka smanjuje greške u proračunu za 7 puta i skraćuje vreme izračunavanja za 42%.

?

Naprotiv, ako se Frenelov koeficijent gubitka i karakteristike površinskog rasejanja koriste za određivanje mogućnosti prenosa i refleksije svetlosti, za procenu mogućnosti putanje optičke putanje, najveći deo vremena praćenja zraka koristiće se za praćenje energije u sistema, čime se ubrzava analiza. Rezultat simulacije od 200.000 upadnih zraka prikazan je na slici 14. U ovom slučaju do prijemnika stiže 118.969 zraka, a greška proračuna je 6%. Korišćenje režima verovatnoće za praćenje zraka smanjuje greške u proračunu za 7 puta i skraćuje vreme izračunavanja za 42%.

Konačno, da bi se poboljšala uniformnost prikaza, ponekad se koristi difuzor na gornjoj površini ploče za vođenje svetlosti. Pošto difuzor raspršuje svetlost pod širim uglom, manje svetlosti se raspršuje na otvor merača osvetljenosti. Prema konvencionalnom metodu ispitivanja osvetljenosti ekrana, za proračun osvetljenosti potrebna je veoma velika količina svetlosti. Softver LightTools mapira ciljnu oblast ili ugao na površinu rasejanja, omogućavajući korisniku da odredi koje rasipanje treba uzeti u obzir. Ovo je važan oblik uzorkovanja i još jedan metod za poboljšanje konvergencije Monte Karlo simulacija. Slika 15 prikazuje merač osvetljenosti i pozadinsko osvetljenje sa difuzorom, bez navođenja ciljnog ugla. Nakon praćenja 2000 zraka, merač osvetljenosti je primio 40 zraka, a rešetka prostorne osvetljenosti je prikazana na slici.

?

Slika 16 prikazuje isti primer, ali uzorkovanje po važnoj vrednosti i specificiranje ciljnog ugla na difuzoru. Ciljni ugao se poklapa sa uglom prihvatanja otvora merača osvetljenosti. Kada svetlost stigne do difuzora, softver LightTools će generisati rasejanu svetlost (svetlosni tok koji ulazi u ciljnu oblast izračunat na osnovu ugaone distribucije modela difuzije) u ciljni ugao, tako da sva rasejana svetlost prikupljena meračem osvetljenosti poboljšaće konvergenciju simulacije. U ovom slučaju, od 2000 upadnih zraka, 1416 zraka (71%) je primljeno meračem osvetljenosti.

Druga razmatranja?

Pozadinsko osvetljenje se široko koristi u displejima sa tečnim kristalima (LCD), što je komponenta polarizacije. Modeliranje komponenti polarizacije, kao što su linearna polarizacija, ploče sa četvrtinom talasne dužine, evaluacija praćenja polarizovane svetlosti, itd. su kritični faktori za uspešnu analizu. LightTools softver pruža jednostavne modele linearne polarizacije i retardacije, kao i specifikacije Jones-Mueller matrice za polarizacione komponente. Korisnici mogu da koriste funkciju praćenja polarizacionih zraka kada je potrebno da prate stanje polarizacije svetlosti prema zalihama? vektor.

Često se na komponentama nalaze različiti optički premazi sa različitom transparentnošću, koeficijentom refleksije i karakteristikama polarizacije. Premaz je definisan u softveru LightTools na osnovu njegovih performansi, što je često jedina informacija koju korisnik zna. Prosečne ili odvojene S ili P vrednosti refleksije i transmisije mogu biti specificirane sa bilo koja dva od sledeća parametra: ugao pojavljivanja, talasna dužina, X pozicija ili Y pozicija. Sistem obezbeđuje alate za pretvaranje gomile premaza u format premaza softvera LightTools.

Iako većina pozadinskih osvetljenja koristi tehnologiju štampanja tačaka ili kompresionog oblikovanja, moguće su i druge metode. Jedan je da se čestice u ploči za vođenje svetlosti koriste za raspršivanje. Ako se veličina i gustina čestica pravilno kontrolišu, Mie rasejanje od čestica može efikasno izvući svetlost iz ploče za vođenje svetlosti (Tagaya, et al., 2001:6274). LightTools softver može da simulira rasejanje sfernih čestica u serijama prema Mie teoriji, ili prema korisnički definisanoj ugaonoj distribuciji. ?

Izvoz kompletnog optičkog dizajna u CAD sistem je često neophodan korak u proizvodnji svetlovodnih ploča. LightTools softver podržava standardnu ​​konverziju formata kao što su STEP, SAT ili IGES za završetak. Pošto standard za konverziju podataka podržava samo eksterne geometrijske podatke, u slučaju ekstrakcije dizajna kompresionog kalupa, potrebno je konvertovati oblik definisan trodimenzionalnom teksturom u eksterne geometrijske podatke za izlaz. LightTools softver podržava standardne formate i može selektivno da konvertuje 3D teksture u eksterne geometrijske podatke, tako da je ceo dizajn pozadinskog osvetljenja uključen u konvertovanu datoteku.

rezime

Tehnologija dizajna pozadinskog osvetljenja je kontinuirano napredovala i razvijala se kako bi obezbedila bolje performanse i niže troškove kako bi zadovoljila potrebe tržišta. Ova vrsta inovacije zahteva softver za dizajniranje osvetljenja da neprestano dodaje nove funkcije, posebno podršku za skraćivanje ciklusa dizajna pozadinskog osvetljenja. Glavne funkcije LightTools softvera, kao što su kreiranje modela i veličina datoteke, praćenje zraka i vreme simulacije, kao i funkcija izračunavanja velikog broja optičkih parametara koji se odnose na dizajn pozadinskog osvetljenja, sve su prepoznate i verifikovane od strane industrije.

Verzija 5.0 softvera LightTools objavljena 2004. uključuje optimizaciju osvetljenja za redundansu šuma, što je veoma praktično u dizajnu pozadinskog osvetljenja. Ova funkcija može automatski da definiše šablon za ekstrakciju svetlosti kako bi se maksimizirala efikasnost i uniformnost. Pored toga, alatka za optimizaciju šablona pozadinskog osvetljenja softvera LightTools pruža efikasan metod za optimizaciju distribucije izlaza pozadinskog osvetljenja i svetlosnog vodiča.

Ključne reči: LED ekran sa pozadinskim osvetljenjem, optički dizajn, alat za analizu