Optikai tervező és elemző eszközök LED háttérvilágítású kijelzőhöz

A háttérvilágítást kisméretű, könnyű, síkképernyős folyadékkristályos kijelzőkben (LCD-k) és más elektronikus eszközökben használják, amelyek háttérvilágítást igényelnek, beleértve a tenyérnyi kisméretű kézi eszközöket és a nagy képernyős tévéket. A háttérvilágítás tervezésének céljai közé tartozik az alacsony energiafogyasztás, az ultravékony, a nagy fényerő, az egyenletes fényerő, a nagy terület, valamint a különböző szélesség és szűk betekintési szög szabályozása. E kihívást jelentő tervezési célok elérése, valamint a költségek ellenőrzése és a gyors megvalósítás érdekében számítógéppel segített optikai tervezőeszközöket kell használni a tervezéshez. ? Ez a cikk bemutatja az egyesült államokbeli ORA LightTools optikai tervező és elemző szoftverének jellemzőit, amelyek felhasználhatók napjaink legfejlettebb háttérvilágítás-tervező alkalmazásainak fejlesztésére.

Optikai tervező és elemző eszközök háttérvilágításhoz

A háttérvilágítási rendszernek egy vagy több fényforrásból származó fényt kell átalakítania, hogy a kívánt fényeloszlást egy területen vagy fix szögben állítsa elő. A világítástervező szoftvernek képesnek kell lennie geometriai modellezésre, optikai jellemző paraméterek beállítására a különböző típusú fényforrások és konverziós egységek számára, valamint képesnek kell lennie optikai nyomkövetési módszerekkel a modellen áthaladó fény útjának értékelésére és a végső fényeloszlás kiszámítására. . A fényeloszlás Monte Carlo szimulációt használ egy adott terület és/vagy szög megvilágításának, fényerejének vagy fényerősségének kiszámításához. ? A fényforrás a fényt véletlenszerű pozíciókban és szögekben bocsátja ki, az optikai rendszeren keresztül vezeti, és a vevőfelületre veszi. A megvilágítás a felületi vevőből számítható, az intenzitás pedig a távoli vevőből. A vevő felületén egy fénysűrűségmérő meghatározásával kiszámítható a fénysűrűség térrel és szöggel való eloszlása. Bizonyos esetekben fontos lehet a kijelző színvilágának elemzése. Adja meg a fényforrás spektrális energiaeloszlását (például fénykibocsátó diódák), a kimeneti CIE koordinátaértékeket és a korrelált színhőmérsékletet (CCT), számszerűsítse a kijelző színezetét, és állítson elő RGB valós fényvisszaadási grafikát a kijelzőn. Ezek az elemzések mind elvégezhetők a LightTools szoftverben.

A háttérvilágítású kijelző jellemzői különleges követelményeket támasztanak a világításelemző szoftverrel szemben. Amint azt elmagyarázzuk, a háttérvilágítás által kibocsátott fény a nyomtatott pontok eloszlási sűrűségétől vagy a mikrostruktúra eloszlási mintájától függ. Egy adott mikrostruktúra tömb modellezéséhez, ha közvetlenül a CAD modellt használjuk, az nagyon nagy modellméretet eredményezhet. A LightTools szoftver biztosítja a 3D textúra tömb meghatározásának funkcióját, amely pontos sugárkövetést és megjelenítést végez. Mivel nem használunk közvetlenül szerkesztett geometriai modellt, a modell térfogata kisebb és a sugárkövetés gyorsabb. A háttérvilágítás elemzésének másik aspektusa a fény meghasadása és szóródása a fényvezető lemez felületén. Mivel a Monte Carlo-módszert fényhatások szimulálására használják, nagyszámú sugárkövetés alkalmazására lehet szükség a kellő pontosságú terv elkészítéséhez. ? A leghatékonyabb módszer a legnagyobb energiájú fény nyomon követése. A legnagyobb energiájú sugárút nyomon követése a hasadási valószínűség segítségével, és a szórt felület célterületének vagy szórási szögének felhasználásával a szórt fényt a"-ra irányítja; fontos" irányba (például a kijelző nézője felé).

Mi az a háttérvilágítás? ?

A tipikus háttérvilágítás egy fényforrásból, például hidegkatódos fénycsöves lámpából (CCFL) vagy fénykibocsátó diódából (LED) és egy téglalap alakú fényvezető lemezből áll. További rendelkezésre álló alkatrészek közé tartoznak a diffúzorok, amelyek a kijelző egyenletességét javítják, és a BEF (Brightness Enhancement Film), amely a kijelző fényerejét növeli. A fényforrás általában a fényvezető lemez egyik oldalsó szélén található, hogy csökkentse a kijelző vastagságát. Az oldalsó világítás általában teljes visszaverődést (TIR) ​​használ a fény továbbítására a kijelzőn. ?

Az 1. ábra egy tipikus háttérvilágítás vázlatos diagramját mutatja. ?

A háttérvilágítás tervezője sokféleképpen modellezheti a fényforrást a LightTools szoftverben. A fluoreszkáló fényforrások különböző formái (például egyenes, L-alakú, U-alakú vagy W-alakúak, a 2. ábrán látható módon) gyorsan meghatározhatók a fluoreszkáló fény létrehozó eszközzel. A lámpa reflektora a LightTools szoftverben különféle geometriai primitívekkel határozható meg, mint például hengerek, elliptikus barázdák és extrudált sokszögek. A CAD rendszerben meghatározott reflektor szabványos adatcsere formátumokon (IGES, ?STEP, ?SAT? és CATIA) is importálható a LightTools szoftverbe. LED-ek használata esetén a tervezők kiválaszthatják a kívánt LED-modellt az Agilent, Lumileds, Nichia, Osram és más cégek LightTools szoftverben előre tárolt termékmodelljei közül. Amint a fény belép a fényvezető lemez egyik oldalára, a probléma a terjedési irányra merőleges fény eltávolítása a fényvezető lemezből.

A 3. ábrán látható módon a fényvezető lemezek közül a legfényesebb a fényforráshoz közeli oldalon található. Ahogy a távolság nagyobb, a fényvezető lemezben a fényerő sötétebb lesz. Az egyenletes fénykibocsátás érdekében a fényelszívás hatásfokának a távolság növekedésével növekednie kell. A háttérvilágítás tervezésének egyik fő feladata olyan fényvezető lemez tervezése, amely szükség szerint változtatja a fényelszívás hatásfokát. Két extrakciós technika használható. A pontnyomtatási fénykivonási technológia egy pontmátrix szerkezetet nyomtat a fényvezető lemez aljára, hogy a fényt felfelé szórja és kibocsátja a fényvezető lemez felületéről. A második technológia, a kompressziós fröccsöntési fényelvonási technológia az alsó felületen lévő mikrostruktúra teljes visszaverődésén (TIR) ​​támaszkodik, hogy a fényt kibocsássa a fényvezető lemez felületéről.

?

A LightTools szoftver háttérvilágítás tervezési eszközöket biztosít a fényvezető lemezek tervezésének megvalósításához. Ez az eszköz (4. ábra) segíti a felhasználót a háttérvilágítás különféle összetevőinek létrehozásában. További lehetőségek közé tartozik a fényforrás/reflektor komponensek hozzáadása a modellhez, a BEF-modellezés, valamint egy vevő építése a fényerő elemzéséhez. A háttérvilágítás eszköz interfészén számos fül található, amelyek különféle típusú fényelvonási mechanizmusok beállítására és módosítására szolgálnak.

A pontnyomtatási fénykivonási módszerrel végzett háttérvilágításhoz a háttérvilágítás eszközzel beállítható a nyomtatott pontok méretének és képarányának lineáris változása, valamint a pontosztás lineáris változása a fényvezető lemez hossza mentén. Ez a lineárisan változó struktúra gyakran jó kiindulópont a megjelenítési egyenletességhez, de ez nem elegendő a végső egységességi követelmények teljesítéséhez. Az egyenletesség további szabályozására nemlineárisan változó fénykivonási paraméterek használhatók. A legkevesebb paramétert használó és nagyon rugalmas módszer a másodfokú Bezier-görbe paraméteres változóinak meghatározása. ? A nemlineáris szerkezet beállítására a LightTools szoftver kétdimenziós területeszköze használható. Az 5. ábra egy példát mutat a nyomtatási extrakció használatára, ahol 3 paraméter (nyomtatási pontszélesség, magasság és függőleges térköz) változik, hogy különböző kivonási viselkedést kapjunk. A kimenet egyenletessége a 6. ábrán látható. A jobb oldali ábra azt mutatja, hogy az átlagos kimeneti fényerő állandó. ?

A második extrakciós módszer, a kompressziós fröccsöntéses extrakciós technológia a LightTools szoftver háromdimenziós textúra funkcióját használja, ami az ismétlődő struktúrák sugárkövetését nagyon hatékonysá teszi, a tárolt információ pedig nagyon kompakt. A nem 3D textúra funkcióval létrehozott modell sugárkövetése több mint 30-szor lassabb, mint a 3D textúrával készített modellé, a fájl pedig több mint 100-szor nagyobb. A 3D textúrákhoz három alapvető forma közül választhat: gömb, prizma és piramis (7. ábra). A háttérvilágítás eszközzel lineárisan változó mikrostruktúrákat lehet definiálni. A 3D textúra eszköz azonban használhatja a négyzetes Bezier-görbét a textúra paramétereinek nemlineáris megváltoztatására. A 8. ábrán látható példa egy vályú alakú mikrostruktúra (prizmás 3D textúra modellezéssel), mint extrakciós mechanizmus. Az így kapott fényvezető lemezt és szimulációs eredményeit a 9. ábra mutatja.

Háttérvilágítás optikai számítás

A háttérvilágítású kijelző két legfontosabb optikai mennyisége a kijelző fényereje és a megvilágítás egyenletessége a fényvezető lemez felületén. Fontos a fényerősség és a különböző színmetrikák (CIE koordináták és korrelált színhőmérséklet CCT) kiszámítása is. A LightTools szoftver beépítette ezeket a számítási funkciókat és sok más funkciót, amelyek segítenek megérteni a Monte Carlo-szimulációval előállított adatokat.

?

A Monte Carlo szimuláció a LightTools szoftverben a megvilágítás számításának alapja. A véletlenszám-generátor a fény kiindulási helyzetének, irányának és hullámhosszának kiválasztására szolgál, valamint a fényeloszlás mintavételére szolgál a vevőfelületen. A"véletlenszerű" számok nagyban befolyásolják a szimuláció konvergenciáját. Alacsony variancia (Sobol) számsort használva (ez nem teljesen véletlenszerű) a hiba 1/N-re csökkenthető, ahol N a vevő végén lévő sugarak száma. Megtekintheti a véletlenszám-sorozat (10. ábra) és a Sobol-számsorozat (11. ábra) használatának összehasonlítási eredményét a színszám kiszámításához. Ebben a példában a 128 000 véletlenszerű sugarat használó szimulációs eredmény megegyezik Sobol' 16 000 sugarának pontosságával. A lényeg az, hogy összehasonlítsuk a különböző szoftverek szimulációs konvergencia sebességét. Amit érdekel, az egy bizonyos szimulációs pontosság elérésének sebessége, nem pedig egy bizonyos mennyiségű fény nyomon követésének sebessége. A LightTools szoftverben a vevő fényadatok gyűjtésére szolgál a megvilágítás kiszámításához.

Az elemzéshez és megjelenítéshez szükséges fényadatokat az adatrácsból gyűjtjük. A felhasználó interaktívan szabályozhatja az adatrács méretét vagy számát. ? Adott számú sugár esetén a vevőn minél kisebb a rácsok száma, annál kisebb a térbeli és szögfelbontás, de annál nagyobb a relatív pontosság (alacsony hibaarány). Ezzel szemben minél több rács, annál nagyobb a térbeli és szögfelbontás, de annál kisebb a pontosság (nagy hibaarány). A becsült hibaarány minden rácson megjelenik, hogy segítse a felhasználót eldönteni, hogy elegendő fényt használ-e a nyomkövetési szimuláció a tervezés által megkövetelt felbontás és pontosság egyidejű teljesítéséhez (Cassarly,?WJ,?Fest,?EC, és ?Jenkins,?DG,?2002). Ha több fényre van szükség, a felhasználó interaktívan folytathatja a szimulációt a cél eléréséig. ?

A háttérvilágítás elemzésének egyik fontos szempontja a fény meghasadása és szóródása a fényvezető lemez felületén. A fényvezető lemez funkciója, hogy a belső felületen többszöri visszaverődés után a fény elnyelhető vagy kibocsátható. Ha a fényt két átviteli és visszaverődési részre osztjuk fel minden érintkezési felületen, akkor nagyon sok megosztott fénysugarat okoz, amelyek többsége nem hordoz sok energiát, így lelassítja az elemzési sebességet. Erre mutat példát a 12. ábra, amely a fényhasadás miatt sok úttal rendelkező kiindulási sugarat mutat be.

A következő szimuláció 2000 beeső sugarat használ. A fényhasadás miatt a vevő 277 948 sugarat gyűjt (13. ábra). Mivel a vevőt érő fény nagy része nem sok energiával rendelkezik, a kapott hiba 42%. Ellenkezőleg, ha a Fresnel-veszteségi együtthatót és a felületi szórási karakterisztikát használjuk a fényáteresztés és -visszaverődés lehetőségének meghatározására, az optikai útpálya lehetőségének értékelésére, akkor a sugárkövetés idejének nagy részét a fényben lévő energia nyomon követésére használják. rendszer, Ezzel felgyorsítja az elemzést. 200 000 beeső sugár szimulációs eredménye a 14. ábrán látható. Ebben az esetben 118 969 sugár éri el a vevőt, és a számítási hiba 6%. A valószínűségi módú sugárkövetés használata 7-szer csökkenti a számítási hibákat, és 42%-kal csökkenti a számítási időt.

?

Ellenkezőleg, ha a Fresnel-veszteségi együtthatót és a felületi szórási karakterisztikát a fényáteresztés és a visszaverődés lehetőségének meghatározására, az optikai útpálya lehetőségének értékelésére használjuk, akkor a sugárkövetés idejének nagy részét a fényben lévő energia nyomon követésére használják. rendszer, így felgyorsítja az elemzést. 200 000 beeső sugár szimulációs eredménye a 14. ábrán látható. Ebben az esetben 118 969 sugár éri el a vevőt, és a számítási hiba 6%. A valószínűségi módú sugárkövetés használata 7-szer csökkenti a számítási hibákat, és 42%-kal csökkenti a számítási időt.

Végül a kijelző egyenletességének javítása érdekében a fényvezető lemez felső felületén időnként diffúzort alkalmaznak. Mivel a diffúzor a fényt szélesebb szögbe szórja, kevesebb fény szóródik a fényerőmérő apertúrájára. A hagyományos kijelző fényerő-vizsgálati módszer szerint a fényerő kiszámításához nagyon sok fényre van szükség. A LightTools szoftver leképezi a célterületet vagy szöget a szórási felülethez, lehetővé téve a felhasználó számára, hogy meghatározza, melyik szórást kell figyelembe venni. Ez egy fontos mintavételi forma és egy másik módszer a Monte Carlo szimulációk konvergenciájának javítására. A 15. ábra egy fénysűrűségmérőt és egy háttérvilágítást mutat be diffúzorral, célszög megadása nélkül. 2000 sugár követése után a fényességmérő 40 sugarat kapott, a térbeli fényesség rácsát az ábra mutatja.

?

A 16. ábra ugyanezt a példát mutatja, de fontos érték alapján mintavételezéssel és a célszög megadásával a diffúzoron. A célszög megegyezik a fényerőmérő rekesznyílásának elfogadási szögével. Amikor a fény eléri a diffúzort, a LightTools szoftver szórt fényt (a diffúziós modell szögeloszlása ​​alapján kiszámított fényáramot, amely a célterületre jut) a célszögbe állítja elő, így a fénysűrűségmérő által összegyűjtött összes szórt fényt javítja a szimuláció konvergenciáját. Ebben az esetben 2000 beeső sugárból 1416 sugarat (71%) kapott a fénysűrűségmérő.

Egyéb szempontok?

A háttérvilágítást széles körben használják a folyadékkristályos kijelzőkben (LCD), amely polarizációs összetevő. A modellezési polarizációs komponensek, mint például a lineáris polarizáció, a negyedhullámhosszú lemezek, a polarizált fénykövetés értékelése stb. kritikus tényezői a sikeres elemzésnek. A LightTools szoftver egyszerű lineáris polarizációs és retardációs modelleket, valamint Jones-Mueller mátrixspecifikációkat biztosít a polarizációs komponensekhez. A felhasználók szükség esetén használhatják a polarizációs sugárkövetés funkciót a fény polarizációs állapotának nyomon követéséhez a Stocks? vektor.

Az alkatrészeken gyakran különféle optikai bevonatok találhatók, amelyek átlátszósága, reflexiós együtthatója és polarizációs jellemzői eltérőek. A bevonat meghatározása a LightTools szoftverben a teljesítménye alapján történik, ami gyakran az egyetlen információ, amelyet a felhasználó tud. A visszaverődés és áteresztés átlagos vagy különálló S vagy P értékei a következő paraméterek bármelyikével megadhatók: előfordulási szög, hullámhossz, X ​​pozíció vagy Y pozíció. A rendszer eszközöket biztosít a bevonatkötegnek a LightTools szoftver bevonatformátumára való konvertálásához.

Bár a legtöbb háttérvilágítás pontnyomtatást vagy kompressziós fröccsöntési fénykivonási technológiát használ, más módszerek is lehetségesek. Az egyik a fényvezető lemezben lévő részecskék felhasználása a szóráshoz. Ha a részecskék méretét és sűrűségét megfelelően szabályozzák, a részecskékből származó Mie-szórás hatékonyan vonhatja ki a fényt a fényvezető lemezről (Tagaya et al., 2001:6274). A LightTools szoftver képes szimulálni a gömb alakú részecskék kötegelt szétszóródását a Mie elmélet szerint, vagy a felhasználó által meghatározott szögeloszlás szerint. ?

A komplett optikai terv CAD-rendszerbe történő exportálása gyakran szükséges lépés a fényvezető lemezek gyártásában. A LightTools szoftver támogatja a szabványos formátumú konvertálást, például a STEP, SAT vagy IGES befejezéséhez. Mivel az adatkonverziós szabvány csak a külső geometriai adatokat támogatja, a présforma-terv-kivonás esetén a háromdimenziós textúra által meghatározott alakzatot külső geometriai adatokká kell konvertálni a kimenethez. A LightTools szoftver támogatja a szabványos formátumokat, és szelektíven tudja átalakítani a 3D textúrákat külső geometriai adatokká, így a teljes háttérvilágítási terv szerepel a konvertált fájlban.

összefoglaló

A háttérvilágítás tervezési technológiája folyamatosan fejlődik és fejlődik, hogy jobb teljesítményt és alacsonyabb költségeket biztosítson a piac igényeinek megfelelően. Az ilyen jellegű innovációhoz világítástervező szoftverre van szükség ahhoz, hogy folyamatosan új funkciókat adjon hozzá, különösen a háttérvilágítás tervezési ciklusának lerövidítéséhez. A LightTools szoftver fő funkcióit, mint például a modellkészítés és a fájlméret, a sugárkövetés és a szimulációs idő, valamint a háttérvilágítás tervezésével kapcsolatos nagyszámú optikai paraméter kiszámításának funkciója, az iparág elismerte és ellenőrzi.

A LightTools szoftver 2004-ben kiadott 5.0-s verziója tartalmazza a megvilágítás optimalizálását a zajredundanciához, ami nagyon praktikus a háttérvilágítás tervezésénél. Ez a funkció automatikusan meghatározza a fényelszívási sablont a hatékonyság és az egyenletesség maximalizálása érdekében. Ezenkívül a LightTools szoftver háttérvilágítássablon-optimalizáló eszköze hatékony módszert biztosít a háttérvilágítás és a fényvezető kimeneteloszlásának optimalizálására.

Kulcsszavak: LED háttérvilágítású kijelző, optikai tervezés, elemző eszköz