Optické nástroje pro návrh a analýzu pro LED podsvícení displeje

Podsvícení se používá v malých, lehkých, plochých displejích z tekutých krystalů (LCD) a dalších elektronických zařízeních, která vyžadují podsvícení, včetně kapesních zařízení malých jako dlaně a velkoplošných televizorů. Mezi cíle designu podsvícení patří nízká spotřeba energie, ultratenký, vysoký jas, rovnoměrný jas, velká plocha a ovládání různé šířky a úzkého pozorovacího úhlu. Aby bylo možné dosáhnout těchto náročných návrhových cílů a kontrolovat náklady a dosáhnout rychlé implementace, musí být pro návrh použity počítačem podporované nástroje pro návrh optiky. ? Tento článek představuje vlastnosti softwaru pro návrh a analýzu optiky LightTools od společnosti ORA ve Spojených státech, který lze použít k vývoji nejpokročilejších aplikací pro návrh podsvícení současnosti.

Optické nástroje pro návrh a analýzu podsvícení

Systém podsvícení potřebuje převést světlo z jednoho nebo více světelných zdrojů, aby vytvořil požadované rozložení světla v oblasti nebo v pevném úhlu. Software pro návrh osvětlení musí umět geometricky modelovat, nastavovat optické charakteristické parametry pro různé typy světelných zdrojů a převodních jednotek a musí být schopen používat metody optického trasování pro vyhodnocení dráhy světla procházejícího modelem a výpočet konečné distribuce světla. . Distribuce světla využívá simulaci Monte Carlo k výpočtu osvětlenosti, jasu nebo intenzity osvětlení konkrétní oblasti a/nebo úhlu. ? Světlo je vyzařováno ze světelného zdroje v náhodných polohách a úhlech, vedeno přes optický systém a přijímáno na přijímací ploše. Osvětlení lze vypočítat z povrchového přijímače a intenzitu lze získat z přijímače vzdáleného pole. Definováním měřiče jasu na povrchu přijímače lze vypočítat rozložení jasu s prostorem a úhlem. V některých případech může být důležité analyzovat barevnost displeje. Specifikujte spektrální rozložení energie světelného zdroje (jako jsou světelné diody), výstupní hodnoty souřadnic CIE a korelovanou barevnou teplotu (CCT), kvantifikujte chromatičnost displeje a generujte na displeji grafiku vykreslování skutečného světla RGB. Všechny tyto analýzy lze provádět v softwaru LightTools.

Vlastnosti podsvíceného displeje mají speciální požadavky na software pro analýzu osvětlení. Jak bude vysvětleno, světlo vyzařované podsvícením závisí na hustotě rozložení tištěných bodů nebo rozložení rozložení mikrostruktury. Pro modelování specifického pole mikrostruktur, pokud je CAD model použit přímo, může vést k velmi velké velikosti modelu. Software LightTools poskytuje funkci definice 3D pole textur, která může provádět přesné sledování a vykreslování paprsků. Protože není použit žádný přímo konstruovaný geometrický model, je objem modelu menší a sledování paprsků je rychlejší. Další aspekt analýzy podsvícení zahrnuje dělení a rozptyl světla na povrchu světlovodné desky. Vzhledem k tomu, že metoda Monte Carlo se používá k simulaci světelných efektů, může být nutné použít velké množství sledování paprsků pro získání návrhu s dostatečnou přesností. ? Nejúčinnější metodou je sledovat světlo s nejvyšší energií. Sledování dráhy paprsku s nejvyšší energií pomocí pravděpodobnosti rozdělení a použití cílové oblasti nebo úhlu rozptylu rozptylového povrchu k nasměrování rozptýleného světla na"důležité" směrem (například směrem k divákovi displeje).

Co je podsvícení? ?

Typické podsvícení se skládá ze zdroje světla, jako je zářivka se studenou katodou (CCFL) nebo dioda emitující světlo (LED), a obdélníková světlovodná deska. Mezi další dostupné komponenty patří difuzory, sloužící ke zlepšení uniformity displeje, a Brightness Enhancement Film (BEF), sloužící ke zvýšení jasu displeje. Světelný zdroj je obvykle umístěn na jedné boční hraně světlovodné desky, aby se zmenšila tloušťka displeje. Boční osvětlení obvykle využívá k přenosu světla na displeji úplný odraz (TIR). ?

Obrázek 1 ukazuje schematický diagram typické konstrukce podsvícení. ?

Návrhář podsvícení má mnoho způsobů, jak modelovat zdroj světla v softwaru LightTools. Různé tvary zářivkových světelných zdrojů (jako jsou přímé, ve tvaru L, ve tvaru U nebo ve tvaru W, jak je znázorněno na obrázku 2) lze rychle definovat pomocí nástroje pro vytváření fluorescenčního světla. Reflektor lampy lze definovat pomocí různých geometrických primitiv v softwaru LightTools, jako jsou válce, eliptické drážky a extrudované polygony. Reflektor definovaný v systému CAD lze také importovat do softwaru LightTools prostřednictvím standardních formátů výměny dat (IGES, ?STEP, ?SAT? a CATIA). Pokud jsou použity LED diody, mohou návrháři vybrat požadovaný model LED z produktových modelů Agilent, Lumileds, Nichia, Osram a dalších společností předem uložených v softwaru LightTools. Jakmile světlo vstoupí na jednu stranu světlovodné desky, nastává problém extrahovat světlo kolmo ke směru šíření ze světlovodné desky.

Jak je znázorněno na obrázku 3, nejjasnější ze světlovodných desek je na straně blízko zdroje světla. Čím je vzdálenost větší, jas ve světlovodné desce je tmavší. Aby se dosáhlo rovnoměrného světelného výkonu, musí se účinnost extrakce světla zvyšovat s rostoucí vzdáleností. Jedním z hlavních úkolů návrhu podsvícení je navrhnout světlovodnou desku, která podle potřeby mění účinnost odsávání světla. Existují dvě techniky extrakce, které lze použít. Technologie extrakce světla bodového tisku spočívá v vytištění struktury bodové matice na spodní stranu světlovodné desky, aby se světlo rozptýlilo nahoru a vyzařovalo z povrchu světlovodné desky. Druhá technologie, technologie extrakce světla lisováním, spoléhá na totální odraz (TIR) ​​mikrostruktury na spodním povrchu, aby světlo vycházelo z povrchu světlovodné desky.

?

Software LightTools poskytuje nástroje pro návrh podsvícení pro realizaci návrhu světlovodných desek. Tento nástroj (obrázek 4) pomáhá uživateli při vytváření různých součástí podsvícení. Mezi další možnosti patří přidání komponent světelného zdroje/reflektoru do modelu, modelování BEF a sestavení přijímače pro analýzu jasu. Rozhraním nástroje podsvícení je řada záložek sloužících k nastavení a úpravě různých typů mechanismů extrakce světla.

Pro podsvícení pomocí metody extrakce světla při bodovém tisku může nástroj podsvícení nastavit lineární změnu velikosti a poměru stran vytištěných bodů a lineární změnu rozteče bodů po délce světlovodné desky. Tato lineárně se měnící struktura je často dobrým výchozím bodem pro jednotnost zobrazení, ale nestačí ke splnění konečných požadavků na jednotnost. Pro další řízení rovnoměrnosti lze použít nelineárně se měnící parametry extrakce světla. Metodou, která používá nejméně parametrů a je velmi flexibilní, je definování parametrických proměnných kvadratické Bezierovy křivky. ? K nastavení nelineární struktury lze použít nástroj dvourozměrné oblasti softwaru LightTools. Obrázek 5 ukazuje příklad použití extrakce tisku, kde se 3 parametry (šířka tiskového bodu, výška a vertikální rozestup) mění, aby se získalo různé chování extrakce. Rovnoměrnost výstupu je znázorněna na obrázku 6. Obrázek vpravo ukazuje, že průměrný jas výstupu je konstantní. ?

Druhá metoda extrakce, technologie extrakce lisováním, využívá funkci trojrozměrné textury softwaru LightTools, díky níž je sledování paprsků opakujících se struktur velmi efektivní a uložené informace jsou velmi kompaktní. Trasování paprsků modelu vytvořeného funkcí ne3D textury je více než 30krát pomalejší než model vytvořený pomocí 3D textury a soubor je více než 100krát větší. Na výběr jsou tři základní tvary 3D textur: sférický, hranolový a pyramidální (obrázek 7). Nástroj podsvícení dokáže definovat lineárně proměnné mikrostruktury. Nástroj 3D textury však může použít kvadratickou Bezierovu křivku ke změně parametrů textury nelineárně. Příklad zobrazený na obrázku 8 je mikrostruktura ve tvaru žlabu (využívající prizmatické 3D modelování textury) jako extrakční mechanismus. Výsledná světlovodná deska a její výsledky simulace jsou zobrazeny na obrázku 9.

Optický výpočet podsvícení

Dvě nejdůležitější optické veličiny podsvíceného displeje jsou jas displeje a rovnoměrnost osvětlení na povrchu světlovodné desky. Je také důležité vypočítat intenzitu světla a různé barevné metriky (CIE souřadnice a korelovanou barevnou teplotu CCT). Software LightTools má vestavěné tyto výpočetní funkce a mnoho dalších funkcí, které pomáhají porozumět datům generovaným simulací Monte Carlo.

?

Simulace Monte Carlo je základem pro výpočet osvětlení v softwaru LightTools. Generátor náhodných čísel se používá k výběru počáteční polohy, směru a vlnové délky světla a používá se k vzorkování rozložení světla na přijímací ploše. Volba"náhodné" čísla výrazně ovlivní konvergenci simulace. Pomocí číselné sekvence s nízkým rozptylem (Sobol) (není zcela náhodná) lze chybu snížit na 1/N, kde N je počet paprsků na přijímacím konci. Můžete vidět výsledek porovnání použití náhodné číselné sekvence (obrázek 10) a Sobolovy číselné sekvence (obrázek 11) pro výpočet chromatičnosti. V tomto příkladu je výsledek simulace využívající 128 000 náhodných paprsků ekvivalentní přesnosti Sobol's 16 000 paprsků. Důležité je porovnat rychlost konvergence simulace různých softwarů. Jde nám o rychlost dosažení určité přesnosti simulace, nikoli o rychlost trasování určitého množství světla. V softwaru LightTools se přijímač používá ke sběru světelných dat pro výpočet osvětlení.

Světelná data pro analýzu a zobrazení se shromažďují z datové mřížky. Uživatel může interaktivně ovládat velikost nebo počet datové mřížky. ? Pro daný počet paprsků na přijímači platí, že čím menší počet mřížek, tím menší prostorové a úhlové rozlišení, ale vyšší relativní přesnost (nízká chybovost). Naopak čím více mřížek, tím vyšší prostorové a úhlové rozlišení, ale nižší přesnost (vysoká chybovost). Odhadovaná chybovost je zobrazena na každé mřížce, aby pomohla uživateli rozhodnout, zda je pro simulaci trasování použito dostatek světla, aby bylo současně dosaženo rozlišení a přesnosti požadované návrhem (Cassarly,?WJ,?Fest,?EC,? a Jenkins, DG, 2002). Pokud je potřeba více světla, uživatel může interaktivně pokračovat v simulaci, dokud není dosaženo cíle. ?

Důležitým aspektem analýzy podsvícení je štěpení a rozptyl světla na povrchu světlovodné desky. Funkce světlovodné desky spočívá v tom, že světlo může být absorbováno nebo vyzařováno po vícenásobných odrazech na vnitřním povrchu. Pokud je světlo rozděleno na dvě části prostupu a odrazu na každé kontaktní ploše, způsobí to velmi velké množství rozdělených světelných paprsků, z nichž většina nenese mnoho energie, čímž se zpomalí rychlost analýzy. Příklad toho je znázorněn na obrázku 12, který ukazuje počáteční paprsek s mnoha dráhami v důsledku rozdělení světla.

Následující simulace využívá 2000 dopadajících paprsků. V důsledku štěpení světla přijímač shromažďuje 277 948 paprsků (obrázek 13). Protože většina světla dopadajícího na přijímač nemá velkou energii, je výsledná chyba 42 %. Naopak, pokud se Fresnelův ztrátový koeficient a charakteristika povrchového rozptylu použijí k určení možnosti prostupu a odrazu světla, k vyhodnocení možnosti dráhy optické dráhy, většinu času sledování paprsku bude využito ke sledování energie v systému, čímž se urychlí analýza. Výsledek simulace 200 000 dopadajících paprsků je znázorněn na obrázku 14. V tomto případě dorazí k přijímači 118 969 paprsků a chyba výpočtu je 6 %. Použití sledování paprsku v režimu pravděpodobnosti snižuje chyby výpočtu 7krát a zkracuje dobu výpočtu o 42 %.

?

Naopak, pokud se Fresnelův ztrátový koeficient a charakteristika povrchového rozptylu použijí k určení možnosti prostupu a odrazu světla, k vyhodnocení možnosti dráhy optické dráhy, většinu času sledování paprsku bude využito ke sledování energie v systém, čímž urychlíte analýzu. Výsledek simulace 200 000 dopadajících paprsků je znázorněn na obrázku 14. V tomto případě dorazí k přijímači 118 969 paprsků a chyba výpočtu je 6 %. Použití sledování paprsku v režimu pravděpodobnosti snižuje chyby výpočtu 7krát a zkracuje dobu výpočtu o 42 %.

Konečně, aby se zlepšila jednotnost zobrazení, je někdy na horní ploše světlovodné desky použit difuzor. Protože difuzér rozptyluje světlo do širšího úhlu, do otvoru měřiče jasu se rozptyluje méně světla. Podle konvenční metody testování jasu displeje je pro výpočet jasu potřeba velmi velké množství světla. Software LightTools mapuje cílovou oblast nebo úhel k povrchu rozptylu, což umožňuje uživateli určit, který rozptyl by měl být zvažován. Toto je důležitá forma vzorkování a další metoda ke zlepšení konvergence simulací Monte Carlo. Obrázek 15 ukazuje měřič jasu a podsvícení s difuzorem bez určení cílového úhlu. Po vysledování 2000 paprsků přijal měřič jasu 40 paprsků a mřížka prostorového jasu je znázorněna na obrázku.

?

Obrázek 16 ukazuje stejný příklad, ale vzorkování podle důležité hodnoty a určení cílového úhlu na difuzoru. Cílový úhel odpovídá akceptačnímu úhlu clony měřiče jasu. Když světlo dosáhne difuzoru, software LightTools vygeneruje rozptýlené světlo (světelný tok, který vstupuje do cílové oblasti vypočítaný na základě úhlového rozložení difuzního modelu) do cílového úhlu, takže veškeré rozptýlené světlo shromážděné měřičem jasu zlepší konvergenci simulace. V tomto případě z 2000 dopadajících paprsků bylo 1416 paprsků (71 %) přijato měřičem jasu.

Jiné úvahy?

Podsvícení je široce používáno v displejích z tekutých krystalů (LCD), což je polarizační součást. Modelování složek polarizace, jako je lineární polarizace, čtvrtvlnové desky, vyhodnocení sledování polarizovaného světla atd., jsou kritickými faktory pro úspěšnou analýzu. Software LightTools poskytuje jednoduché modely lineární polarizace a retardace, stejně jako specifikace Jones-Mueller matrice pro polarizační komponenty. Uživatelé mohou v případě potřeby použít funkci sledování polarizačního paprsku ke sledování stavu polarizace světla podle Stocks? vektor.

Na součástkách jsou často různé optické povlaky s různou průhledností, koeficientem odrazu a polarizačními charakteristikami. Povlak je definován v softwaru LightTools na základě jeho výkonu, což je často jediná informace, kterou uživatel zná. Průměrné nebo samostatné hodnoty S nebo P odrazu a prostupu lze specifikovat libovolnými dvěma z následujících parametrů: úhel výskytu, vlnová délka, poloha X nebo poloha Y. Systém poskytuje nástroje pro převod vrstvy povlaku do formátu povlaku softwaru LightTools.

Ačkoli většina podsvícení používá bodový tisk nebo technologii extrakce světla lisováním, jsou možné i jiné metody. Jedním z nich je použití částic ve světlovodné desce k rozptylu. Pokud je velikost a hustota částic správně kontrolována, Mieův rozptyl z částic může účinně extrahovat světlo ze světlovodné desky (Tagaya, et al., 2001:6274). Software LightTools může simulovat rozptyl kulových částic v dávkách podle teorie Mie nebo podle uživatelem definovaného úhlového rozložení. ?

Export kompletního optického návrhu do CAD systému je často nezbytným krokem při výrobě světlovodných desek. Software LightTools podporuje standardní převod formátu, jako je STEP, SAT nebo IGES. Vzhledem k tomu, že standard pro převod dat podporuje pouze externí geometrická data, je v případě extrakce návrhu lisováním nutné převést tvar definovaný trojrozměrnou texturou na externí geometrická data pro výstup. Software LightTools podporuje standardní formáty a dokáže selektivně převádět 3D textury na externí geometrická data, takže celý návrh podsvícení je zahrnut v převedeném souboru.

souhrn

Technologie designu podsvícení se neustále vyvíjí a vyvíjí, aby poskytovala lepší výkon a nižší náklady, aby vyhovovala potřebám trhu. Tento druh inovace vyžaduje, aby software pro návrh osvětlení neustále přidával nové funkce, zejména podporu pro zkrácení cyklu návrhu podsvícení. Hlavní funkce softwaru LightTools, jako je tvorba modelu a velikost souboru, ray tracing a doba simulace, a funkce výpočtu velkého množství optických parametrů souvisejících s návrhem podsvícení, všechny byly uznány a ověřeny průmyslem.

Verze 5.0 softwaru LightTools vydaná v roce 2004 obsahuje optimalizaci osvětlení pro redundanci šumu, což je velmi praktické při návrhu podsvícení. Tato funkce může automaticky definovat šablonu extrakce světla pro maximalizaci účinnosti a jednotnosti. Nástroj pro optimalizaci šablony podsvícení softwaru LightTools navíc poskytuje účinnou metodu pro optimalizaci výstupní distribuce podsvícení a světlovodu.

Klíčová slova: LED podsvícení displeje, optický design, analytický nástroj