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      中小尺寸液晶屏-背光顯示的光學設計

      Author:HongKa    View:1251    Time:2016-1-5
      背光應用于小型,輕便,要求從背后照明的平板液晶顯示器(LCD)等電子設備,包括小到如手掌大小的手持設備,大到大屏幕電視機。背光設計的目標包括低功耗,超薄,高亮度,亮度均勻,大面積,不同寬窄的視角控制。為了實現這些挑戰性的設計目標,并控制成本和快速實現,必須使用電腦輔助光學設計工具進行設計。 本文介紹了美國ORA公司的LightTools光學設計和分析軟件的特性,可用于開發當今最先進的背光設計應用。

      用于背光的光學設計和分析工具

      背光照明系統需要將來自一個或多個光源的光進行某種轉換,在一個區域或一個固定的角度;里產生需要的配光分布。照明設計軟件必須能夠幾何建模,對不同類型的光源和轉換單元設定光學特性參數,而且必須能夠使用光學追跡的方法來評價光線通過模型的路徑并計算最后的光分布。光分布采用蒙特卡羅模擬來計算特定區域和/或角度的照度,亮度,或發光強度。 光線從光源以隨機的位置和角度發出,通過光學系統追跡,并在接收面上接收。 照度可以從表面接收器計算出來,強度可以從遠場接收器獲得。通過在接收器表面定義亮度計,可以計算出亮度隨空間和角度的分布。在某些情況下,分析顯示器的色度可能是很重要的。指定光源(如發光二極管)的光譜能量分布,輸出CIE坐標值以及相關色溫(CCT),量化顯示器的色度,在顯示器上生成RGB真實光線渲染的圖形。這些分析在LightTools軟件中都可以做到。

      背光顯示器的特點對照明分析軟件有特別的要求。正如將要說明的,背光發出的光線取決于印刷點的分布密度,或者微結構的分布模式。對特定的微結構陣列的建模,如果直接使用CAD模型可能會導致非常大的模型尺寸。LightTools軟件提供三維紋理陣列定義的功能,能夠進行準確的光線追跡和渲染,由于沒有使用直接構建的幾何模型,所以模型的體積更小,光線追跡更快。背光分析的另一個方面,包括光線在導光板表面的分光和散射。由于使用蒙特卡洛方法仿真照明效果,有可能必須使用大量光線追跡以獲得足夠精度的設計。 最有效的方法是追跡最高能量的光線。通過使用分光概率追跡最高能量的光線路徑,并使用散射表面的目標區域或散射角度定向散射光到“重要”的方向(如朝向顯示器的觀察者)。

      什么是背光?

      典型的背光由一個光源,如冷陰極熒光燈(CCFL)或發光二極管(LED),和一個長方形導光板。其他可用組件包括擴散板,用來提高顯示器的均勻性,以及增亮膜(BEF),用來提高了顯示器的亮度。光源通常位于導光板的一個側邊緣以減小顯示器的厚度。側光照明通常使用全反射(TIR)在顯示器中傳導光線。

      背光設計師在LightTools軟件中有多種方法對光源建模。熒光燈光源的不同形狀(如直,L形,U形或W形,如圖2所示)可以迅速使用熒光燈創建工具定義。燈的反射器可以用LightTools軟件中的各種幾何原形定義,如圓柱,橢圓形槽,擠壓成型的多邊形。在CAD系統中定義的反射器也可以通過標準數據交換格式(IGES, STEP, SAT 和CATIA)導入到LightTools軟件。如果使用LED,設計人員就可以從LightTools軟件中預存的安捷倫,Lumileds,日亞,歐司朗等公司的產品模型中選擇期望的LED模型。一旦光線進入導光板的一邊,問題就變成從導光板中提取垂直于傳播方向的光線。

      如圖3所示,導光板中最亮是靠近光源的一邊,隨著距離越遠,導光板中的亮度越暗。為了獲得均勻的光線輸出,光線提取效率必須隨著距離增加而增加。背光設計的主要任務之一是設計按需要改變光線提取效率的導光板。有兩種提取技術可以使用。網點印刷光線提取技術是在導光板的底部印刷點陣結構將光向上散射,從導光板表面射出。第二種技術, 模壓成型光線提取技術,依靠底部表面微觀結構的全反射(TIR),使光從導光板表面射出。

      LightTools軟件提供背光設計工具實現導光板的設計。此工具(圖4)協助用戶創建背光的各種組件。其他選項包括向模型添加光源/反射器組件,BEF建模,建立一個接收器來分析亮度。背光工具的界面是多個標簽,用來設置和修改各種不同類型的光線提取機制。 

      對于使用網點印刷光線提取方法的背光,背光工具可以設置印刷點的大小尺寸和長寬比的線性變化, 以及網點間距沿著導光板長度方向的線性變化。這種線性變化的結構對顯示均勻性往往是一個良好的起點,但并不足以滿足最終的均勻性要求。進一步控制均勻性可以使用非線性變化的光線提取參數。一種使用最少參數而且控制非常靈活的方法是定義二次貝塞爾曲線的參數變量。 LightTools軟件的二維區域工具可用來設置非線性結構。圖5顯示了一個使用印刷提取的例子,其中3個參數(印刷點寬度,高度和垂直間距)的變化來獲得不同的提取行為。輸出均勻性如圖6所示。其中右圖顯示平均輸出亮度是一個常數。 
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