Optische ontwerp- en analysetools voor weergave met led-achtergrondverlichting

Achtergrondverlichting wordt gebruikt in kleine, lichtgewicht, flat-panel liquid crystal displays (LCD's) en andere elektronische apparaten die achtergrondverlichting nodig hebben, waaronder draagbare apparaten zo klein als handpalmen en grote tv's. De doelen van het ontwerp van de achtergrondverlichting zijn onder meer een laag stroomverbruik, ultradunne, hoge helderheid, uniforme helderheid, groot gebied en verschillende breedte- en smalle kijkhoekregeling. Om deze uitdagende ontwerpdoelen te bereiken en om de kosten te beheersen en een snelle implementatie te bereiken, moeten computerondersteunde optische ontwerptools worden gebruikt voor het ontwerp. ? Dit artikel introduceert de kenmerken van LightTools optische ontwerp- en analysesoftware van ORA in de Verenigde Staten, die kan worden gebruikt om de meest geavanceerde ontwerptoepassingen voor achtergrondverlichting te ontwikkelen.

Optische ontwerp- en analysetools voor achtergrondverlichting

Het achtergrondverlichtingssysteem moet het licht van een of meerdere lichtbronnen omzetten om de gewenste lichtverdeling in een ruimte of onder een vaste hoek te produceren. De software voor lichtontwerp moet in staat zijn geometrisch te modelleren, optische karakteristieke parameters in te stellen voor verschillende soorten lichtbronnen en conversie-eenheden, en moet optische traceringsmethoden kunnen gebruiken om het pad van het licht dat door het model gaat te evalueren en de uiteindelijke lichtverdeling te berekenen . De lichtverdeling maakt gebruik van Monte Carlo-simulatie om de verlichtingssterkte, helderheid of lichtintensiteit van een bepaald gebied en/of hoek te berekenen. ? Licht wordt uitgezonden door de lichtbron in willekeurige posities en hoeken, gevolgd door het optische systeem en ontvangen op het ontvangende oppervlak. De verlichtingssterkte kan worden berekend vanaf de oppervlakte-ontvanger en de intensiteit kan worden verkregen van de verre-veldontvanger. Door een luminantiemeter op het oppervlak van de ontvanger te definiëren, kan de verdeling van luminantie met ruimte en hoek worden berekend. In sommige gevallen kan het belangrijk zijn om de kleurkwaliteit van het scherm te analyseren. Specificeer de spectrale energieverdeling van de lichtbron (zoals light-emitting diodes), voer CIE-coördinaatwaarden en gecorreleerde kleurtemperatuur (CCT) uit, kwantificeer de kleurkwaliteit van het scherm en genereer RGB-weergave van echt licht op het scherm. Deze analyses kunnen allemaal gedaan worden in de LightTools software.

De kenmerken van het verlichte display stellen speciale eisen aan de lichtanalysesoftware. Zoals zal worden uitgelegd, hangt het door de achtergrondverlichting uitgestraalde licht af van de distributiedichtheid van de afgedrukte stippen, of het distributiepatroon van de microstructuur. Voor het modelleren van een specifieke microstructuurarray, als het CAD-model direct wordt gebruikt, kan dit resulteren in een zeer grote modelafmeting. LightTools-software biedt de functie van 3D-textuurarraydefinitie, die nauwkeurige raytracing en -weergave kan uitvoeren. Omdat er geen direct geconstrueerd geometrisch model wordt gebruikt, is het volume van het model kleiner en is de raytracing sneller. Een ander aspect van de analyse van tegenlicht omvat de splitsing en verstrooiing van licht op het oppervlak van de lichtgeleidingsplaat. Omdat de Monte Carlo-methode wordt gebruikt om lichteffecten te simuleren, kan het nodig zijn om een ​​groot aantal raytracings te gebruiken om een ​​ontwerp met voldoende nauwkeurigheid te verkrijgen. ? De meest effectieve methode is om het licht met de hoogste energie te traceren. Het volgen van het straalpad met de hoogste energie door gebruik te maken van de splitsingswaarschijnlijkheid en het doelgebied of de verstrooiingshoek van het verstrooiingsoppervlak te gebruiken om het verstrooide licht naar de"belangrijke" richting (zoals in de richting van de kijker van het scherm).

Wat is achtergrondverlichting? ?

Een typische achtergrondverlichting bestaat uit een lichtbron, zoals een koude kathode fluorescentielamp (CCFL) of lichtemitterende diode (LED), en een rechthoekige lichtgeleidingsplaat. Andere beschikbare componenten zijn onder meer diffusors, die worden gebruikt om de uniformiteit van het scherm te verbeteren, en Brightness Enhancement Film (BEF), dat wordt gebruikt om de helderheid van het scherm te verhogen. De lichtbron bevindt zich meestal aan een zijrand van de lichtgeleiderplaat om de dikte van het scherm te verminderen. Sidelight-verlichting maakt meestal gebruik van totale reflectie (TIR) ​​om licht in het display door te laten. ?

Figuur 1 toont een schematisch diagram van een typisch achtergrondverlichtingsontwerp. ?

De ontwerper van de achtergrondverlichting heeft veel manieren om de lichtbron in de LightTools-software te modelleren. Verschillende vormen van fluorescerende lichtbronnen (zoals recht, L-vormig, U-vormig of W-vormig, zoals weergegeven in figuur 2) kunnen snel worden gedefinieerd met behulp van het hulpmiddel voor het maken van fluorescerend licht. De reflector van de lamp kan worden gedefinieerd door verschillende geometrische primitieven in de LightTools-software, zoals cilinders, elliptische groeven en geëxtrudeerde polygonen. De in het CAD-systeem gedefinieerde reflector kan ook in de LightTools-software worden geïmporteerd via standaardformaten voor gegevensuitwisseling (IGES, ?STEP, ?SAT? en CATIA). Als LED's worden gebruikt, kunnen ontwerpers het gewenste LED-model selecteren uit de productmodellen van Agilent, Lumileds, Nichia, Osram en andere bedrijven die vooraf zijn opgeslagen in de LightTools-software. Zodra het licht één kant van de lichtgeleidingsplaat binnenkomt, wordt het probleem om het licht loodrecht op de voortplantingsrichting uit de lichtgeleidingsplaat te halen.

Zoals weergegeven in figuur 3, bevindt de helderste van de lichtgeleidingsplaten zich aan de kant dicht bij de lichtbron. Naarmate de afstand groter is, wordt de helderheid in de lichtgeleiderplaat donkerder. Om een ​​uniforme lichtopbrengst te verkrijgen, moet de lichtextractie-efficiëntie toenemen naarmate de afstand groter wordt. Een van de belangrijkste taken van het ontwerp van de achtergrondverlichting is het ontwerpen van een lichtgeleiderplaat die de efficiëntie van de lichtafzuiging naar behoefte verandert. Er zijn twee extractietechnieken die kunnen worden gebruikt. De technologie voor het extraheren van dot printing licht is het printen van een dot-matrixstructuur op de bodem van de lichtgeleidingsplaat om het licht naar boven te verstrooien en uit te zenden vanaf het oppervlak van de lichtgeleidingsplaat. De tweede technologie, lichtextractietechnologie door middel van persgieten, is gebaseerd op de totale reflectie (TIR) ​​van de microstructuur op het bodemoppervlak om licht uit het oppervlak van de lichtgeleidingsplaat te laten komen.

?

LightTools-software biedt ontwerptools voor achtergrondverlichting om het ontwerp van lichtgeleidingsplaten te realiseren. Deze tool (Figuur 4) helpt de gebruiker bij het maken van verschillende componenten van de achtergrondverlichting. Andere opties zijn onder meer het toevoegen van lichtbron/reflectorcomponenten aan het model, BEF-modellering en het bouwen van een ontvanger om de helderheid te analyseren. De interface van de achtergrondverlichtingstool bestaat uit een aantal tabbladen die worden gebruikt om verschillende soorten lichtextractiemechanismen in te stellen en te wijzigen.

Voor de achtergrondverlichting die gebruikmaakt van de puntafdrukmethode voor lichtextractie, kan de achtergrondverlichtingstool de lineaire verandering van de grootte en aspectverhouding van de afgedrukte punten en de lineaire verandering van de puntafstand over de lengte van de lichtgeleiderplaat instellen. Deze lineair veranderende structuur is vaak een goed uitgangspunt voor uniformiteit van de weergave, maar het is niet voldoende om aan de uiteindelijke uniformiteitseisen te voldoen. Om de uniformiteit verder te beheersen, kunnen niet-lineair variërende lichtextractieparameters worden gebruikt. Een methode die de minste parameters gebruikt en zeer flexibel is, is het definiëren van de parametrische variabelen van de kwadratische Bezier-curve. ? Het tweedimensionale vlakgereedschap van de LightTools-software kan worden gebruikt om de niet-lineaire structuur in te stellen. Afbeelding 5 toont een voorbeeld van het gebruik van afdrukextractie, waarbij 3 parameters (breedte, hoogte en verticale afstand van de afdrukstip) veranderen om verschillende extractiegedragingen te verkrijgen. De outputuniformiteit wordt getoond in Figuur 6. De figuur rechts laat zien dat de gemiddelde outputhelderheid een constante is. ?

De tweede extractiemethode, compressievormextractietechnologie, maakt gebruik van de driedimensionale textuurfunctie van LightTools-software, waardoor de raytracing van repetitieve structuren zeer effectief is en de opgeslagen informatie zeer compact is. De raytracing van het model dat is gemaakt met de niet-3D-textuurfunctie is meer dan 30 keer langzamer dan het model dat is gemaakt met de 3D-textuur, en het bestand is meer dan 100 keer groter. Er zijn drie basisvormen voor 3D-structuren waaruit u kunt kiezen: bolvormig, prismatisch en piramidaal (Afbeelding 7). De achtergrondverlichtingstool kan lineair variabele microstructuren definiëren. Maar het 3D-textuurgereedschap kan de kwadratische Bezier-curve gebruiken om de textuurparameters niet-lineair te wijzigen. Het voorbeeld in figuur 8 is een trogvormige microstructuur (met behulp van prismatische 3D-textuurmodellering) als extractiemechanisme. De resulterende lichtgeleiderplaat en de simulatieresultaten worden getoond in figuur 9.

Optische berekening achtergrondverlichting

De twee belangrijkste optische grootheden van een display met achtergrondverlichting zijn de helderheid van het display en de uniformiteit van de verlichtingssterkte op het oppervlak van de lichtgeleiderplaat. Het is ook belangrijk om de lichtsterkte en verschillende kleurstatistieken (CIE-coördinaten en gecorreleerde kleurtemperatuur CCT) te berekenen. LightTools-software heeft deze berekeningsfuncties en vele andere functies ingebouwd om inzicht te krijgen in de gegevens die door Monte Carlo-simulatie worden gegenereerd.

?

Monte Carlo simulatie is de basis voor de berekening van de verlichtingssterkte in LightTools software. De generator voor willekeurige getallen wordt gebruikt om de startpositie, richting en golflengte van het licht te selecteren en wordt gebruikt om de lichtverdeling op het ontvangende oppervlak te bemonsteren. De keuze van"willekeurige" getallen hebben een grote invloed op de convergentie van de simulatie. Met behulp van een getallenreeks met lage variantie (Sobol) (deze is niet volledig willekeurig), kan de fout worden teruggebracht tot 1/N, waarbij N het aantal stralen aan de ontvangende kant is. U kunt het vergelijkingsresultaat zien van het gebruik van een willekeurige nummerreeks (Figuur 10) en Sobol-nummerreeks (Figuur 11) om de kleurkwaliteit te berekenen. In dit voorbeeld is het simulatieresultaat met 128.000 willekeurige stralen gelijk aan de nauwkeurigheid van Sobol's 16.000 stralen. Het belangrijkste is om de simulatieconvergentiesnelheid van verschillende software te vergelijken. Waar het ons om gaat is de snelheid waarmee een bepaalde simulatienauwkeurigheid wordt bereikt, niet de snelheid waarmee een bepaalde hoeveelheid licht wordt getraceerd. In de LightTools-software wordt de ontvanger gebruikt om lichtgegevens te verzamelen om de verlichtingssterkte te berekenen.

De lichtgegevens voor analyse en weergave worden verzameld uit het dataraster. De gebruiker kan interactief de grootte of het aantal van het gegevensraster regelen. ? Voor een bepaald aantal stralen op de ontvanger geldt: hoe kleiner het aantal rasters, hoe lager de ruimtelijke en hoekresolutie, maar hoe hoger de relatieve nauwkeurigheid (laag foutenpercentage). Omgekeerd geldt: hoe meer rasters, hoe hoger de ruimtelijke en hoekresolutie, maar hoe lager de nauwkeurigheid (hoge foutenmarge). Het geschatte foutenpercentage wordt op elk raster weergegeven om de gebruiker te helpen beslissen of er voldoende licht wordt gebruikt voor de traceersimulatie om tegelijkertijd te voldoen aan de resolutie en nauwkeurigheid die vereist zijn voor het ontwerp (Cassarly,?WJ,?Fest,?EC,? en ?Jenkins,?DG,?2002). Als er meer licht nodig is, kan de gebruiker de simulatie interactief voortzetten totdat het doel is bereikt. ?

Een belangrijk aspect van tegenlichtanalyse is de lichtsplitsing en -verstrooiing op het oppervlak van de lichtgeleidingsplaat. De functie van de lichtgeleidingsplaat is dat licht kan worden geabsorbeerd of uitgestraald na meerdere reflecties op het binnenoppervlak. Als het licht wordt gesplitst in twee delen van transmissie en reflectie op elk contactoppervlak, zal het een zeer groot aantal gesplitste lichtstralen veroorzaken, waarvan de meeste niet veel energie dragen, waardoor de analysesnelheid wordt vertraagd. Een voorbeeld hiervan wordt getoond in figuur 12, die een startstraal laat zien met veel paden als gevolg van lichtsplitsing.

De volgende simulatie gebruikt 2.000 invallende stralen. Door lichtsplitsing verzamelt de ontvanger 277.948 stralen (Figuur 13). Aangezien het meeste licht dat de ontvanger bereikt niet veel energie heeft, is de resulterende fout 42%. Integendeel, als de Fresnel-verliescoëfficiënt en oppervlakteverstrooiingskarakteristieken worden gebruikt om de mogelijkheid van lichttransmissie en reflectie te bepalen, om de mogelijkheid van een optisch padpad te evalueren, zal het grootste deel van de tijd van raytracing worden gebruikt om de energie in de systeem, waardoor de analyse wordt versneld. Een simulatieresultaat van 200.000 invallende stralen wordt weergegeven in figuur 14. In dit geval bereiken 118.969 stralen de ontvanger en is de rekenfout 6%. Het gebruik van ray tracing in de waarschijnlijkheidsmodus reduceert rekenfouten met 7 keer en verkort de rekentijd met 42%.

?

Integendeel, als de Fresnel-verliescoëfficiënt en oppervlakteverstrooiingskarakteristieken worden gebruikt om de mogelijkheid van lichttransmissie en reflectie te bepalen, om de mogelijkheid van een optisch padpad te evalueren, zal het grootste deel van de tijd van raytracing worden gebruikt om de energie in de systeem, dus analyse versnellen. Een simulatieresultaat van 200.000 invallende stralen wordt weergegeven in figuur 14. In dit geval bereiken 118.969 stralen de ontvanger en is de rekenfout 6%. Het gebruik van ray tracing in de waarschijnlijkheidsmodus reduceert rekenfouten met 7 keer en verkort de rekentijd met 42%.

Ten slotte wordt, om de uniformiteit van de weergave te verbeteren, soms een diffusor gebruikt op het bovenoppervlak van de lichtgeleiderplaat. Doordat de diffuser het licht over een grotere hoek verspreidt, wordt er minder licht verstrooid naar de opening van de helderheidsmeter. Volgens de conventionele testmethode voor de helderheid van het beeldscherm is een zeer grote hoeveelheid licht nodig voor de berekening van de helderheid. De LightTools-software brengt het doelgebied of de doelhoek in kaart met het verstrooiingsoppervlak, zodat de gebruiker kan specificeren met welke verstrooiing rekening moet worden gehouden. Dit is een belangrijke steekproefvorm en een andere methode om de convergentie van Monte Carlo-simulaties te verbeteren. Afbeelding 15 toont een luminantiemeter en een achtergrondverlichting met een diffusor, zonder een doelhoek op te geven. Na het traceren van 2000 stralen ontving de helderheidsmeter 40 stralen en het rooster van ruimtelijke helderheid wordt weergegeven in de figuur.

?

Afbeelding 16 toont hetzelfde voorbeeld, maar bemonsterd op belangrijke waarde en specificeert de doelhoek op de diffuser. De doelhoek komt overeen met de acceptatiehoek van het diafragma van de helderheidsmeter. Wanneer het licht de diffusor bereikt, genereert de LightTools-software verstrooid licht (de lichtstroom die het doelgebied binnenkomt, berekend op basis van de hoekverdeling van het diffusiemodel) in de doelhoek, zodat al het verstrooide licht dat door de luminantiemeter wordt opgevangen zal de convergentie van de simulatie verbeteren. In dit geval werden van de 2000 invallende stralen 1416 stralen (71%) ontvangen door de luminantiemeter.

Andere Overwegingen?

Achtergrondverlichting wordt veel gebruikt in liquid crystal displays (LCD), een polarisatiecomponent. Modellering van polarisatiecomponenten, zoals lineaire polarisatie, kwartgolflengteplaten, evaluatie van het volgen van gepolariseerd licht, enz. zijn kritische factoren voor een succesvolle analyse. LightTools-software biedt eenvoudige lineaire polarisatie- en vertragingsmodellen, evenals Jones-Mueller-matrixspecificaties voor polarisatiecomponenten. Gebruikers kunnen de polarisatie-ray tracing-functie gebruiken wanneer dat nodig is om de polarisatiestatus van het licht te traceren volgens de Stocks? vector.

Er zijn vaak verschillende optische coatings met verschillende transparantie, reflectiecoëfficiënt en polarisatie-eigenschappen op de componenten. Coating wordt in LightTools-software gedefinieerd op basis van zijn prestaties, wat vaak de enige informatie is die de gebruiker weet. De gemiddelde of afzonderlijke S- of P-waarden van reflectie en transmissie kunnen worden gespecificeerd door twee van de volgende parameters: hoek van optreden, golflengte, X-positie of Y-positie. Het systeem biedt tools om de coatingstapel om te zetten in het coatingformaat van de LightTools-software.

Hoewel de meeste achtergrondverlichting gebruik maken van dot printing of compressievormende lichtextractietechnologie, zijn ook andere methoden mogelijk. Een daarvan is om de deeltjes in de lichtgeleiderplaat te gebruiken om te verstrooien. Als de grootte en dichtheid van de deeltjes goed worden gecontroleerd, kan Mie-verstrooiing van de deeltjes effectief licht van de lichtgeleidingsplaat extraheren (Tagaya, et al., 2001:6274). LightTools-software kan de verstrooiing van bolvormige deeltjes in batches simuleren volgens de Mie-theorie, of volgens een door de gebruiker gedefinieerde hoekverdeling. ?

Het exporteren van een compleet optisch ontwerp naar een CAD-systeem is vaak een noodzakelijke stap bij de fabricage van lichtgeleidingsplaten. LightTools-software ondersteunt conversie van standaardformaten zoals STEP, SAT of IGES om te voltooien. Aangezien de gegevensconversiestandaard alleen externe geometrische gegevens ondersteunt, is het in het geval van ontwerpextractie door persgieten noodzakelijk om de vorm die wordt gedefinieerd door de driedimensionale textuur om te zetten in externe geometrische gegevens voor uitvoer. LightTools-software ondersteunt standaardformaten en kan 3D-texturen selectief omzetten in externe geometrische gegevens, zodat het volledige achtergrondverlichtingsontwerp wordt opgenomen in het geconverteerde bestand.

samenvatting

De ontwerptechnologie voor achtergrondverlichting is voortdurend in ontwikkeling en verbeterd om betere prestaties en lagere kosten te bieden om aan de behoeften van de markt te voldoen. Dit soort innovatie vereist software voor verlichtingsontwerp om voortdurend nieuwe functies toe te voegen, met name ondersteuning voor het verkorten van de ontwerpcyclus van de achtergrondverlichting. De belangrijkste functies van LightTools-software, zoals het maken van modellen en bestandsgrootte, raytracing en simulatietijd, en de functie van het berekenen van een groot aantal optische parameters met betrekking tot het ontwerp van achtergrondverlichting, zijn allemaal erkend en geverifieerd door de industrie.

Versie 5.0 van de LightTools-software die in 2004 is uitgebracht, bevat optimalisatie van de verlichtingssterkte voor ruisredundantie, wat erg praktisch is bij het ontwerpen van achtergrondverlichting. Deze functie kan automatisch het lichtextractiesjabloon definiëren om de efficiëntie en uniformiteit te maximaliseren. Bovendien biedt de optimalisatietool voor achtergrondverlichting van de LightTools-software een effectieve methode voor het optimaliseren van de uitgangsverdeling van de achtergrondverlichting en de lichtgeleider.

Trefwoorden: display met led-achtergrondverlichting, optisch ontwerp, analysetool