Các công cụ thiết kế và phân tích quang học cho màn hình đèn nền LED

Đèn nền được sử dụng trong màn hình tinh thể lỏng (LCD) nhỏ, nhẹ, và các thiết bị điện tử khác yêu cầu đèn nền, bao gồm các thiết bị cầm tay nhỏ bằng lòng bàn tay và TV màn hình lớn. Các mục tiêu của thiết kế đèn nền bao gồm tiêu thụ điện năng thấp, siêu mỏng, độ sáng cao, độ sáng đồng đều, diện tích lớn và điều khiển góc nhìn rộng và hẹp khác nhau. Để đạt được những mục tiêu thiết kế đầy thách thức này, đồng thời kiểm soát chi phí và thực hiện nhanh chóng, các công cụ thiết kế quang học có sự hỗ trợ của máy tính phải được sử dụng để thiết kế. ? Bài viết này giới thiệu các đặc điểm của phần mềm thiết kế và phân tích quang học LightTools của ORA tại Hoa Kỳ, phần mềm này có thể được sử dụng để phát triển các ứng dụng thiết kế đèn nền tiên tiến nhất hiện nay.

Các công cụ phân tích và thiết kế quang học cho đèn nền

Hệ thống đèn nền cần chuyển đổi ánh sáng từ một hoặc nhiều nguồn sáng để tạo ra sự phân bố ánh sáng cần thiết trong một khu vực hoặc ở một góc cố định. Phần mềm thiết kế chiếu sáng phải có khả năng mô hình hóa hình học, thiết lập các thông số đặc trưng quang học cho các loại nguồn sáng và đơn vị chuyển đổi khác nhau, và phải có khả năng sử dụng phương pháp truy tìm quang học để đánh giá đường đi của ánh sáng truyền qua mô hình và tính toán sự phân bố ánh sáng cuối cùng. . Sự phân bố ánh sáng sử dụng mô phỏng Monte Carlo để tính toán độ rọi, độ sáng hoặc cường độ sáng của một khu vực và / hoặc góc cụ thể. ? Ánh sáng được phát ra từ nguồn sáng ở các vị trí và góc ngẫu nhiên, được truyền qua hệ thống quang học, và nhận được trên bề mặt tiếp nhận. Độ rọi có thể được tính toán từ bộ thu bề mặt và cường độ có thể thu được từ bộ thu trường xa. Bằng cách xác định một máy đo độ chói trên bề mặt của máy thu, có thể tính được sự phân bố của độ chói theo không gian và góc. Trong một số trường hợp, điều quan trọng là phải phân tích màu sắc của màn hình. Chỉ định phân bố năng lượng quang phổ của nguồn sáng (chẳng hạn như điốt phát sáng), giá trị tọa độ CIE đầu ra và nhiệt độ màu tương quan (CCT), định lượng màu sắc của màn hình và tạo đồ họa kết xuất ánh sáng thực RGB trên màn hình. Tất cả các phân tích này đều có thể được thực hiện trong phần mềm LightTools.

Các đặc điểm của màn hình có đèn nền có các yêu cầu đặc biệt đối với phần mềm phân tích ánh sáng. Như sẽ được giải thích, ánh sáng phát ra từ đèn nền phụ thuộc vào mật độ phân bố của các chấm in, hoặc dạng phân bố của cấu trúc vi mô. Đối với việc mô hình hóa một mảng cấu trúc vi mô cụ thể, nếu mô hình CAD được sử dụng trực tiếp, nó có thể dẫn đến kích thước mô hình rất lớn. Phần mềm LightTools cung cấp chức năng định nghĩa mảng kết cấu 3D, có thể thực hiện theo dõi và kết xuất tia chính xác. Vì không sử dụng mô hình hình học được xây dựng trực tiếp nên thể tích của mô hình nhỏ hơn và việc dò tia nhanh hơn. Một khía cạnh khác của phân tích đèn nền bao gồm sự phân tách và tán xạ ánh sáng trên bề mặt của tấm dẫn sáng. Vì phương pháp Monte Carlo được sử dụng để mô phỏng các hiệu ứng ánh sáng, nên có thể cần sử dụng một số lượng lớn các vệt tia để có được một thiết kế với độ chính xác vừa đủ. ? Phương pháp hiệu quả nhất là theo dõi ánh sáng năng lượng cao nhất. Truy tìm đường đi của tia năng lượng cao nhất bằng cách sử dụng xác suất phân tách và sử dụng vùng mục tiêu hoặc góc tán xạ của bề mặt tán xạ để hướng ánh sáng tán xạ tới" important" hướng (chẳng hạn như hướng về phía người xem màn hình).

Đèn nền là gì? ?

Một đèn nền điển hình bao gồm một nguồn sáng, chẳng hạn như đèn huỳnh quang catốt lạnh (CCFL) hoặc điốt phát quang (LED) và một tấm dẫn ánh sáng hình chữ nhật. Các thành phần khả dụng khác bao gồm bộ khuếch tán, được sử dụng để cải thiện tính đồng nhất của màn hình và Phim tăng cường độ sáng (BEF), được sử dụng để tăng độ sáng của màn hình. Nguồn sáng thường nằm ở một cạnh của tấm dẫn sáng để giảm độ dày của màn hình. Ánh sáng trung thực thường sử dụng phản xạ toàn phần (TIR) ​​để truyền ánh sáng trong màn hình. ?

Hình 1 cho thấy một sơ đồ của một thiết kế đèn nền điển hình. ?

Người thiết kế đèn nền có nhiều cách để tạo mô hình nguồn sáng trong phần mềm LightTools. Các hình dạng khác nhau của nguồn sáng huỳnh quang (chẳng hạn như thẳng, hình chữ L, hình chữ U hoặc hình chữ W, như trong Hình 2) có thể được xác định nhanh chóng bằng cách sử dụng công cụ tạo ánh sáng huỳnh quang. Bộ phản xạ của đèn có thể được xác định bằng nhiều nguyên thủy hình học khác nhau trong phần mềm LightTools, chẳng hạn như hình trụ, rãnh hình elip và đa giác đùn. Bộ phản xạ được xác định trong hệ thống CAD cũng có thể được nhập vào phần mềm LightTools thông qua các định dạng trao đổi dữ liệu tiêu chuẩn (IGES,? STEP,? SAT? Và CATIA). Nếu sử dụng đèn LED, các nhà thiết kế có thể chọn mẫu đèn LED mong muốn từ các mẫu sản phẩm của Agilent, Lumileds, Nichia, Osram và các công ty khác được lưu trữ trước trong phần mềm LightTools. Khi ánh sáng đi vào một mặt của tấm dẫn sáng, vấn đề trở thành trích ánh sáng vuông góc với hướng truyền từ tấm dẫn sáng.

Như hình 3, điểm sáng nhất của tấm dẫn sáng nằm ở phía gần với nguồn sáng. Khi khoảng cách càng xa, độ sáng trong tấm dẫn sáng càng tối. Để thu được hiệu suất ánh sáng đồng đều, hiệu suất khai thác ánh sáng phải tăng khi tăng khoảng cách. Một trong những nhiệm vụ chính của thiết kế đèn nền là thiết kế tấm dẫn sáng làm thay đổi hiệu suất khai thác ánh sáng khi cần thiết. Có hai kỹ thuật chiết xuất có thể được sử dụng. Công nghệ in tách ánh sáng in dot là in một cấu trúc ma trận điểm ở mặt dưới của tấm dẫn sáng để tán xạ ánh sáng lên trên và phát ra từ bề mặt của tấm dẫn sáng. Công nghệ thứ hai, công nghệ khai thác ánh sáng đúc nén, dựa trên sự phản xạ toàn phần (TIR) ​​của cấu trúc vi mô trên bề mặt đáy để làm cho ánh sáng xuất hiện từ bề mặt của tấm dẫn sáng.

?

Phần mềm LightTools cung cấp các công cụ thiết kế đèn nền để hiện thực hóa việc thiết kế các tấm dẫn sáng. Công cụ này (Hình 4) hỗ trợ người dùng tạo các thành phần khác nhau của đèn nền. Các tùy chọn khác bao gồm thêm nguồn sáng / thành phần phản xạ vào mô hình, lập mô hình BEF và xây dựng bộ thu để phân tích độ sáng. Giao diện của công cụ đèn nền là một số tab được sử dụng để thiết lập và sửa đổi các loại cơ chế khai thác ánh sáng khác nhau.

Đối với đèn nền sử dụng phương pháp khai thác ánh sáng in điểm, công cụ đèn nền có thể thiết lập sự thay đổi tuyến tính của kích thước và tỷ lệ co của các điểm được in và sự thay đổi tuyến tính của cao độ điểm dọc theo chiều dài của tấm dẫn sáng. Cấu trúc thay đổi tuyến tính này thường là điểm khởi đầu tốt cho tính đồng nhất của màn hình, nhưng nó không đủ để đáp ứng các yêu cầu về tính đồng nhất cuối cùng. Để kiểm soát thêm tính đồng nhất, có thể sử dụng các thông số khai thác ánh sáng thay đổi không tuyến tính. Một phương pháp sử dụng ít tham số nhất và rất linh hoạt là xác định các biến tham số của đường cong Bezier bậc hai. ? Công cụ diện tích hai chiều của phần mềm LightTools có thể được sử dụng để thiết lập cấu trúc phi tuyến. Hình 5 cho thấy một ví dụ về việc sử dụng trích xuất in, trong đó 3 tham số (chiều rộng điểm in, chiều cao và khoảng cách dọc) thay đổi để có được các hành vi trích xuất khác nhau. Độ đồng đều đầu ra được thể hiện trong Hình 6. Hình bên cho thấy rằng độ sáng đầu ra trung bình là một hằng số. ?

Phương pháp trích xuất thứ hai, công nghệ chiết xuất khuôn nén, sử dụng chức năng kết cấu ba chiều của phần mềm LightTools, giúp cho việc dò tia của các cấu trúc lặp lại rất hiệu quả và thông tin được lưu trữ rất nhỏ gọn. Việc dò tia của mô hình được tạo bởi chức năng tạo họa tiết không phải 3D chậm hơn 30 lần so với mô hình được tạo bằng kết cấu 3D và tệp lớn hơn 100 lần. Có ba hình dạng cơ bản cho kết cấu 3D để bạn lựa chọn: hình cầu, hình lăng trụ và hình chóp (Hình 7). Công cụ đèn nền có thể xác định cấu trúc vi mô biến đổi tuyến tính. Nhưng công cụ kết cấu 3D có thể sử dụng đường cong Bezier bậc hai để thay đổi các thông số kết cấu một cách không tuyến tính. Ví dụ thể hiện trong Hình 8 là một cấu trúc vi mô hình máng (sử dụng mô hình kết cấu 3D lăng trụ) làm cơ chế khai thác. Tấm dẫn ánh sáng thu được và kết quả mô phỏng của nó được thể hiện trong Hình 9.

Tính toán quang học đèn nền

Hai đại lượng quang học quan trọng nhất của màn hình có đèn nền là độ đồng đều về độ sáng và độ rọi của màn hình trên bề mặt của tấm dẫn sáng. Điều quan trọng nữa là phải tính toán cường độ sáng và các chỉ số màu khác nhau (tọa độ CIE và nhiệt độ màu tương quan CCT). Phần mềm LightTools đã tích hợp sẵn các chức năng tính toán này và nhiều chức năng khác để giúp hiểu dữ liệu được tạo ra bởi mô phỏng Monte Carlo.

?

Mô phỏng Monte Carlo là cơ sở để tính toán độ rọi trong phần mềm LightTools. Bộ tạo số ngẫu nhiên được sử dụng để chọn vị trí bắt đầu, hướng và bước sóng của ánh sáng, và được sử dụng để lấy mẫu phân bố ánh sáng trên bề mặt nhận. Sự lựa chọn" ngẫu nhiên" các con số sẽ ảnh hưởng lớn đến sự hội tụ của mô phỏng. Sử dụng dãy số có phương sai thấp (Sobol) (nó không hoàn toàn ngẫu nhiên), sai số có thể giảm xuống 1 / N, trong đó N là số tia ở đầu nhận. Bạn có thể xem kết quả so sánh của việc sử dụng dãy số ngẫu nhiên (Hình 10) và dãy số Sobol (Hình 11) để tính toán sắc độ. Trong ví dụ này, kết quả mô phỏng sử dụng 128.000 tia ngẫu nhiên tương đương với độ chính xác của 16.000 tia Sobol' s. Điều quan trọng là so sánh tốc độ hội tụ mô phỏng của các phần mềm khác nhau. Điều chúng tôi quan tâm là tốc độ đạt được độ chính xác mô phỏng nhất định, không phải tốc độ truy tìm một lượng ánh sáng nhất định. Trong phần mềm LightTools, bộ thu được sử dụng để thu thập dữ liệu ánh sáng để tính độ rọi.

Dữ liệu ánh sáng để phân tích và hiển thị được thu thập từ lưới dữ liệu. Người dùng có thể tương tác kiểm soát kích thước hoặc số lượng của lưới dữ liệu. ? Đối với một số tia nhất định trên máy thu, số lượng lưới càng nhỏ thì độ phân giải không gian và góc càng thấp, nhưng độ chính xác tương đối càng cao (tỷ lệ lỗi thấp). Ngược lại, càng nhiều lưới, độ phân giải không gian và góc càng cao nhưng độ chính xác càng thấp (tỷ lệ lỗi cao). Tỷ lệ lỗi ước tính được hiển thị trên mỗi lưới để giúp người dùng quyết định xem liệu có đủ ánh sáng được sử dụng cho mô phỏng theo dõi để đáp ứng độ phân giải và độ chính xác theo yêu cầu của thiết kế cùng một lúc hay không (Cassarly,? WJ,? Fest,? EC,? Và ? Jenkins,? DG,? 2002). Nếu cần thêm ánh sáng, người dùng có thể tiếp tục mô phỏng một cách tương tác cho đến khi đạt được mục tiêu. ?

Một khía cạnh quan trọng của phân tích đèn nền là sự phân tách và tán xạ ánh sáng trên bề mặt của tấm dẫn sáng. Chức năng của tấm dẫn sáng là ánh sáng có thể được hấp thụ hoặc phát ra sau nhiều lần phản xạ ở bề mặt bên trong. Nếu ánh sáng bị tách thành hai phần truyền và phản xạ trên mỗi bề mặt tiếp xúc, nó sẽ gây ra một số lượng rất lớn các tia sáng bị tách ra, hầu hết không mang nhiều năng lượng, do đó làm chậm tốc độ phân tích. Một ví dụ về điều này được thể hiện trong Hình 12, cho thấy một tia bắt đầu có nhiều đường đi do sự phân tách ánh sáng.

Mô phỏng sau sử dụng 2.000 tia tới. Do sự tách ánh sáng, máy thu thu được 277,948 tia (Hình 13). Vì hầu hết ánh sáng đến máy thu không có nhiều năng lượng, nên sai số kết quả là 42%. Ngược lại, nếu hệ số suy hao Fresnel và các đặc điểm tán xạ bề mặt được sử dụng để xác định khả năng truyền và phản xạ ánh sáng, để đánh giá khả năng của đường quang học, thì phần lớn thời gian dò tia sẽ được sử dụng để theo dõi năng lượng trong hệ thống, Từ đó tăng tốc độ phân tích. Kết quả mô phỏng 200.000 tia tới được thể hiện trong Hình 14. Trong trường hợp này, 118.969 tia tới máy thu, và sai số tính toán là 6%. Việc sử dụng dò tia ở chế độ xác suất giúp giảm sai số tính toán xuống 7 lần và giảm 42% thời gian tính toán.

?

Ngược lại, nếu hệ số suy hao Fresnel và các đặc điểm tán xạ bề mặt được sử dụng để xác định khả năng truyền và phản xạ ánh sáng, để đánh giá khả năng của đường quang học, thì phần lớn thời gian dò tia sẽ được sử dụng để theo dõi năng lượng trong hệ thống, do đó Tăng tốc độ phân tích. Kết quả mô phỏng 200.000 tia tới được thể hiện trong Hình 14. Trong trường hợp này, 118.969 tia tới máy thu, và sai số tính toán là 6%. Việc sử dụng dò tia ở chế độ xác suất giúp giảm sai số tính toán xuống 7 lần và giảm 42% thời gian tính toán.

Cuối cùng, để cải thiện tính đồng nhất của màn hình, một bộ khuếch tán đôi khi được sử dụng trên bề mặt trên cùng của tấm dẫn sáng. Vì bộ khuếch tán khuếch tán ánh sáng đến một góc rộng hơn, ít ánh sáng bị phân tán đến khẩu độ của đồng hồ đo độ sáng. Theo phương pháp kiểm tra độ sáng màn hình thông thường, cần một lượng ánh sáng rất lớn để tính toán độ sáng. Phần mềm LightTools ánh xạ khu vực mục tiêu hoặc góc tới bề mặt tán xạ, cho phép người dùng chỉ định sự tán xạ nào nên được xem xét. Đây là một dạng lấy mẫu quan trọng và là một phương pháp khác để cải thiện sự hội tụ của các mô phỏng Monte Carlo. Hình 15 cho thấy máy đo độ chói và đèn nền có bộ khuếch tán, không chỉ định góc mục tiêu. Sau khi dò được 2000 tia, máy đo độ sáng nhận được 40 tia, và cách tử của độ sáng không gian được thể hiện trong hình.

?

Hình 16 cho thấy cùng một ví dụ, nhưng lấy mẫu theo giá trị quan trọng và chỉ định góc mục tiêu trên bộ khuếch tán. Góc mục tiêu phù hợp với góc chấp nhận của khẩu độ máy đo độ sáng. Khi ánh sáng đến bộ khuếch tán, phần mềm LightTools sẽ tạo ra ánh sáng tán xạ (quang thông đi vào khu vực mục tiêu được tính toán dựa trên sự phân bố góc của mô hình khuếch tán) vào góc mục tiêu, sao cho tất cả ánh sáng tán xạ được máy đo độ chói thu thập sẽ cải thiện sự hội tụ của mô phỏng. Trong trường hợp này, trong số 2000 tia tới, máy đo độ chói nhận được 1416 tia (71%).

Những ý kiến ​​khác?

Đèn nền được sử dụng rộng rãi trong màn hình tinh thể lỏng (LCD), là một thành phần phân cực. Mô hình hóa các thành phần phân cực, chẳng hạn như phân cực tuyến tính, tấm 1/4 bước sóng, đánh giá theo dõi ánh sáng phân cực, v.v. là những yếu tố quan trọng để phân tích thành công. Phần mềm LightTools cung cấp các mô hình làm chậm và phân cực tuyến tính đơn giản, cũng như các thông số kỹ thuật của ma trận Jones-Mueller cho các thành phần phân cực. Người dùng có thể sử dụng chức năng dò tia phân cực khi cần thiết để dò tìm trạng thái phân cực của ánh sáng theo các Stocks? vectơ.

Thường có nhiều lớp phủ quang học với độ trong suốt, hệ số phản xạ và đặc điểm phân cực khác nhau trên các thành phần. Lớp phủ được định nghĩa trong phần mềm LightTools dựa trên hiệu suất của nó, đây thường là thông tin duy nhất mà người dùng biết. Các giá trị S hoặc P trung bình hoặc riêng biệt của phản xạ và truyền qua có thể được xác định bởi bất kỳ hai tham số nào sau đây: góc xuất hiện, bước sóng, vị trí X hoặc vị trí Y. Hệ thống cung cấp các công cụ để chuyển đổi lớp phủ sang định dạng lớp phủ của phần mềm LightTools.

Mặc dù hầu hết các đèn nền sử dụng công nghệ chiết xuất ánh sáng dạng khuôn nén hoặc in chấm, các phương pháp khác cũng có thể thực hiện được. Một là sử dụng các hạt trong tấm dẫn sáng để tán xạ. Nếu kích thước và mật độ của các hạt được kiểm soát thích hợp, sự tán xạ Mie từ các hạt có thể tách ánh sáng từ tấm dẫn sáng một cách hiệu quả (Tagaya, et al., 2001: 6274). Phần mềm LightTools có thể mô phỏng sự tán xạ của các hạt hình cầu theo lô theo lý thuyết Mie hoặc theo phân bố góc do người dùng xác định. ?

Việc xuất một thiết kế quang học hoàn chỉnh sang hệ thống CAD thường là một bước cần thiết trong quá trình sản xuất tấm dẫn sáng. Phần mềm LightTools hỗ trợ chuyển đổi định dạng tiêu chuẩn như STEP, SAT hoặc IGES để hoàn thành. Vì tiêu chuẩn chuyển đổi dữ liệu chỉ hỗ trợ dữ liệu hình học bên ngoài, trong trường hợp trích xuất thiết kế khuôn nén, cần phải chuyển đổi hình dạng được xác định bởi kết cấu ba chiều thành dữ liệu hình học bên ngoài để xuất ra. Phần mềm LightTools hỗ trợ các định dạng tiêu chuẩn và có thể chuyển đổi có chọn lọc kết cấu 3D thành dữ liệu hình học bên ngoài, để toàn bộ thiết kế đèn nền được đưa vào tệp chuyển đổi.

tóm lược

Công nghệ thiết kế đèn nền đã không ngừng tiến bộ và phát triển, nhằm mang lại hiệu suất tốt hơn và chi phí thấp hơn để đáp ứng nhu cầu của thị trường. Loại đổi mới này đòi hỏi phần mềm thiết kế chiếu sáng phải liên tục bổ sung các tính năng mới, đặc biệt là hỗ trợ rút ngắn chu kỳ thiết kế đèn nền. Các chức năng chính của phần mềm LightTools, chẳng hạn như tạo mô hình và kích thước tệp, thời gian mô phỏng và dò tia, và chức năng tính toán một số lượng lớn các thông số quang học liên quan đến thiết kế đèn nền, đều đã được ngành công nghiệp công nhận và xác minh.

Phiên bản 5.0 của phần mềm LightTools được phát hành vào năm 2004 bao gồm tối ưu hóa độ rọi để dự phòng tiếng ồn, điều này rất thiết thực trong thiết kế đèn nền. Chức năng này có thể tự động xác định mẫu khai thác ánh sáng để tối đa hóa hiệu quả và tính đồng nhất. Ngoài ra, công cụ tối ưu hóa mẫu đèn nền của phần mềm LightTools cung cấp một phương pháp hiệu quả để tối ưu hóa phân phối đầu ra của đèn nền và hướng dẫn ánh sáng.

Từ khóa: màn hình LED nền, thiết kế quang học, công cụ phân tích