Orodja za optično načrtovanje in analizo za LED osvetlitev ozadja

Osvetlitev ozadja se uporablja v majhnih, lahkih zaslonih s tekočimi kristali (LCD) z ravnim zaslonom in drugih elektronskih napravah, ki zahtevajo osvetlitev ozadja, vključno z ročnimi napravami, majhnimi kot dlani, in televizorji z velikim zaslonom. Cilji oblikovanja osvetlitve ozadja vključujejo nizko porabo energije, ultra tanek, visoko svetlost, enakomerno svetlost, veliko površino ter različne širine in ozkega nadzora kota gledanja. Za dosego teh zahtevnih ciljev oblikovanja ter za nadzor stroškov in doseganje hitre izvedbe je treba za načrtovanje uporabiti računalniško podprta orodja za optično načrtovanje. ? Ta članek predstavlja značilnosti programske opreme za optično načrtovanje in analizo LightTools podjetja ORA v Združenih državah, ki se lahko uporablja za razvoj najnaprednejših aplikacij za načrtovanje osvetlitve ozadja danes.

Orodja za optično načrtovanje in analizo osvetlitve ozadja

Sistem osvetlitve ozadja mora pretvoriti svetlobo iz enega ali več svetlobnih virov, da ustvari zahtevano porazdelitev svetlobe na območju ali pod fiksnim kotom. Programska oprema za načrtovanje razsvetljave mora biti sposobna geometrijsko modelirati, nastaviti optične karakteristične parametre za različne vrste svetlobnih virov in pretvorbenih enot ter mora biti sposobna uporabljati metode optičnega sledenja za oceno poti svetlobe, ki prehaja skozi model, in izračunati končno porazdelitev svetlobe. . Porazdelitev svetlobe uporablja simulacijo Monte Carlo za izračun osvetlitve, svetlosti ali svetlobne jakosti določenega območja in/ali kota. ? Svetloba se oddaja iz svetlobnega vira v naključnih položajih in kotih, sledi skozi optični sistem in sprejema na sprejemno površino. Osvetlitev se lahko izračuna iz površinskega sprejemnika, intenzivnost pa iz sprejemnika daljnega polja. Z definiranjem merilnika svetilnosti na površini sprejemnika lahko izračunamo porazdelitev svetilnosti s prostorom in kotom. V nekaterih primerih je morda pomembno analizirati barvnost zaslona. Določite spektralno porazdelitev energije svetlobnega vira (kot so svetleče diode), izhodne vrednosti koordinat CIE in korelirano barvno temperaturo (CCT), količinsko določite kromatičnost zaslona in ustvarite grafiko realne svetlobe RGB na zaslonu. Vse te analize je mogoče opraviti v programski opremi LightTools.

Značilnosti osvetljenega zaslona imajo posebne zahteve za programsko opremo za analizo osvetlitve. Kot bo pojasnjeno, je svetloba, ki jo oddaja osvetlitev ozadja, odvisna od gostote porazdelitve natisnjenih pik ali vzorca porazdelitve mikrostrukture. Za modeliranje določenega niza mikrostruktur, če se CAD model uporablja neposredno, lahko povzroči zelo veliko velikost modela. Programska oprema LightTools ponuja funkcijo določanja 3D matrike teksture, ki lahko izvaja natančno sledenje in upodabljanje žarkov. Ker se ne uporablja neposredno konstruiran geometrijski model, je volumen modela manjši in sledenje žarkov je hitrejše. Drug vidik analize osvetlitve ozadja vključuje delitev in razpršitev svetlobe na površini svetlobne vodilne plošče. Ker se metoda Monte Carlo uporablja za simulacijo svetlobnih učinkov, bo morda potrebno uporabiti veliko število sledi žarkov, da dobimo načrt z zadostno natančnostjo. ? Najučinkovitejša metoda je izslediti svetlobo z najvišjo energijo. Sledenje najvišji energijski poti žarka z uporabo verjetnosti delitve in uporabo ciljnega območja ali kota sipanja razpršene površine za usmerjanje razpršene svetlobe na"pomembno" smer (na primer proti gledalcu zaslona).

Kaj je osvetlitev ozadja? ?

Tipična osvetlitev ozadja je sestavljena iz vira svetlobe, kot je fluorescenčna sijalka s hladno katodo (CCFL) ali svetleča dioda (LED), in pravokotna svetlobna vodilna plošča. Druge razpoložljive komponente vključujejo difuzorje, ki se uporabljajo za izboljšanje enakomernosti zaslona, ​​in film za izboljšanje svetlosti (BEF), ki se uporablja za povečanje svetlosti zaslona. Svetlobni vir je običajno nameščen na enem stranskem robu plošče za vodenje svetlobe, da se zmanjša debelina zaslona. Bočna osvetlitev običajno uporablja popoln odboj (TIR) ​​za prenos svetlobe na zaslonu. ?

Slika 1 prikazuje shematski diagram tipične zasnove osvetlitve ozadja. ?

Oblikovalec osvetlitve ozadja ima veliko načinov za modeliranje vira svetlobe v programski opremi LightTools. Različne oblike fluorescenčnih svetlobnih virov (kot so ravne, L-oblike, U ali W, kot je prikazano na sliki 2) je mogoče hitro definirati z orodjem za ustvarjanje fluorescenčne svetlobe. Reflektor svetilke je mogoče definirati z različnimi geometrijskimi primitivami v programski opremi LightTools, kot so cilindri, eliptični utori in ekstrudirani poligoni. Reflektor, definiran v CAD sistemu, se lahko uvozi tudi v programsko opremo LightTools preko standardnih formatov za izmenjavo podatkov (IGES, ?STEP, ?SAT? in CATIA). Če se uporabljajo LED diode, lahko oblikovalci izberejo želeni model LED med modeli izdelkov Agilent, Lumileds, Nichia, Osram in drugih podjetij, ki so predhodno shranjeni v programski opremi LightTools. Ko svetloba vstopi na eno stran svetlovodne plošče, postane problem izločiti svetlobo pravokotno na smer širjenja iz svetlovodne plošče.

Kot je prikazano na sliki 3, je najsvetlejša od svetlobnih plošč na strani blizu vira svetlobe. Ko je razdalja daljša, postane svetlost v plošči za vodenje svetlobe temnejša. Da bi dosegli enakomerno svetlobno moč, se mora učinkovitost ekstrakcije svetlobe povečati z večanjem razdalje. Ena od glavnih nalog oblikovanja osvetlitve ozadja je oblikovanje plošče za vodenje svetlobe, ki po potrebi spremeni učinkovitost ekstrakcije svetlobe. Obstajata dve tehniki ekstrakcije, ki ju je mogoče uporabiti. Tehnologija ekstrakcije svetlobe s pikčastim tiskanjem je tiskanje matrične strukture na dnu plošče za vodenje svetlobe, da se svetloba razprši navzgor in jo oddaja s površine svetlovodne plošče. Druga tehnologija, tehnologija ekstrakcije svetlobe kompresijskega oblikovanja, temelji na skupnem odboju (TIR) ​​mikrostrukture na spodnji površini, da svetloba izhaja iz površine svetlobne plošče.

?

Programska oprema LightTools ponuja orodja za načrtovanje osvetlitve ozadja za realizacijo oblikovanja svetlobnih vodilnih plošč. To orodje (slika 4) pomaga uporabniku pri ustvarjanju različnih komponent osvetlitve ozadja. Druge možnosti vključujejo dodajanje komponent svetlobnega vira/reflektorja v model, modeliranje BEF in izgradnjo sprejemnika za analizo svetlosti. Vmesnik orodja za osvetlitev ozadja je več zavihkov, ki se uporabljajo za nastavitev in spreminjanje različnih vrst mehanizmov za ekstrakcijo svetlobe.

Za osvetlitev ozadja z metodo črpanja svetlobe za tiskanje s pikami lahko orodje za osvetlitev ozadja nastavi linearno spremembo velikosti in razmerja stranic natisnjenih pik ter linearno spremembo koraka pike vzdolž dolžine svetlobne vodilne plošče. Ta linearno spreminjajoča se struktura je pogosto dobro izhodišče za enotnost prikaza, vendar ni dovolj za izpolnjevanje končnih zahtev po enotnosti. Za nadaljnji nadzor enakomernosti se lahko uporabijo nelinearno spreminjajoči se parametri ekstrakcije svetlobe. Metoda, ki uporablja najmanj parametrov in je zelo prilagodljiva, je definiranje parametričnih spremenljivk kvadratne Bezierjeve krivulje. ? Orodje za dvodimenzionalno območje programske opreme LightTools se lahko uporablja za nastavitev nelinearne strukture. Slika 5 prikazuje primer uporabe ekstrakcije tiskanja, kjer se 3 parametri (širina tiskarske pike, višina in navpični razmik) spremenijo, da dobimo različno obnašanje ekstrakcije. Enakomernost izhoda je prikazana na sliki 6. Slika na desni kaže, da je povprečna izhodna svetlost konstantna. ?

Druga metoda ekstrakcije, tehnologija ekstrakcije s stiskanjem, uporablja funkcijo tridimenzionalne teksture programske opreme LightTools, zaradi česar je sledenje žarkov ponavljajočih se struktur zelo učinkovito, shranjene informacije pa so zelo kompaktne. Sledenje žarkom modela, ustvarjenega s funkcijo teksture, ki ni 3D, je več kot 30-krat počasnejše od modela, ustvarjenega s 3D teksturo, in datoteka je več kot 100-krat večja. Na izbiro so tri osnovne oblike 3D tekstur: sferična, prizmatična in piramidalna (slika 7). Orodje za osvetlitev ozadja lahko definira linearno spremenljive mikrostrukture. Toda orodje za 3D teksturo lahko uporabi kvadratno Bezierjevo krivuljo za nelinearno spreminjanje parametrov teksture. Primer, prikazan na sliki 8, je mikrostruktura v obliki korita (z uporabo prizmatičnega 3D modeliranja teksture) kot ekstrakcijskega mehanizma. Nastala plošča za svetlobno vodenje in rezultati njene simulacije so prikazani na sliki 9.

Optični izračun osvetlitve ozadja

Dve najpomembnejši optični količini osvetljenega zaslona sta svetlost zaslona in enakomernost osvetlitve na površini svetlobne vodilne plošče. Pomembno je tudi izračunati jakost svetlobe in različne barvne metrike (CIE koordinate in korelirana barvna temperatura CCT). Programska oprema LightTools ima vgrajene te funkcije za izračun in številne druge funkcije, ki pomagajo razumeti podatke, ki jih ustvari simulacija Monte Carlo.

?

Simulacija Monte Carlo je osnova za izračun osvetljenosti v programski opremi LightTools. Generator naključnih števil se uporablja za izbiro začetnega položaja, smeri in valovne dolžine svetlobe ter se uporablja za vzorčenje porazdelitve svetlobe na sprejemni površini. Izbira"naključno" številke bodo močno vplivale na konvergenco simulacije. Z uporabo zaporedja številk z nizko varianco (Sobol) (ni povsem naključno) lahko napako zmanjšamo na 1/N, kjer je N število žarkov na sprejemnem koncu. Ogledate si lahko primerjalni rezultat uporabe naključnega številskega zaporedja (Slika 10) in Sobolovega številskega zaporedja (Slika 11) za izračun kromatičnosti. V tem primeru je rezultat simulacije z uporabo 128.000 naključnih žarkov enakovreden natančnosti 16.000 žarkov Sobol'. Pomembno je primerjati hitrost konvergence simulacije različnih programov. Kar nas zanima, je hitrost doseganja določene natančnosti simulacije in ne hitrost sledenja določene količine svetlobe. V programski opremi LightTools se sprejemnik uporablja za zbiranje svetlobnih podatkov za izračun osvetlitve.

Podatki o svetlobi za analizo in prikaz se zbirajo iz podatkovne mreže. Uporabnik lahko interaktivno nadzoruje velikost ali število podatkovne mreže. ? Za dano število žarkov na sprejemniku, manjše je število mrež, nižja je prostorska in kotna ločljivost, a višja je relativna natančnost (nizka stopnja napak). Nasprotno, več kot je mrež, višja je prostorska in kotna ločljivost, vendar nižja je natančnost (visoka stopnja napak). Ocenjena stopnja napak je prikazana na vsaki mreži, da se uporabniku pomaga pri odločitvi, ali se za simulacijo sledenja uporabi dovolj svetlobe, da se hkrati izpolni ločljivost in natančnost, ki jo zahteva načrt (Cassarly,?WJ,?Fest,?EC,? in ?Jenkins,?DG,?2002). Če je potrebno več svetlobe, lahko uporabnik interaktivno nadaljuje simulacijo, dokler ni dosežen cilj. ?

Pomemben vidik analize osvetlitve ozadja je cepitev in razpršitev svetlobe na površini svetlobne vodilne plošče. Naloga svetlobne plošče je, da se svetloba lahko absorbira ali oddaja po večkratnem odboju na notranji površini. Če svetlobo razdelimo na dva dela prenosa in odboja na vsaki kontaktni površini, bo to povzročilo zelo veliko število razcepljenih svetlobnih žarkov, od katerih večina ne nosi veliko energije, s čimer se upočasni hitrost analize. Primer tega je prikazan na sliki 12, ki prikazuje začetni žarek s številnimi potmi zaradi cepitve svetlobe.

Naslednja simulacija uporablja 2000 vpadnih žarkov. Zaradi cepitve svetlobe sprejemnik zbere 277.948 žarkov (slika 13). Ker večina svetlobe, ki doseže sprejemnik, nima veliko energije, je nastala napaka 42%. Nasprotno, če se Fresnelov koeficient izgube in značilnosti površinskega sipanja uporabijo za določitev možnosti prenosa in odboja svetlobe, za oceno možnosti optične poti, bo večina časa sledenja žarkom uporabljena za sledenje energije v sistema, s čimer se pospeši analiza. Rezultat simulacije 200.000 vpadnih žarkov je prikazan na sliki 14. V tem primeru do sprejemnika doseže 118.969 žarkov, napaka pri izračunu pa je 6%. Uporaba sledenja žarkov verjetnostnega načina zmanjša napake pri izračunu za 7-krat in skrajša čas izračuna za 42%.

?

Nasprotno, če se Fresnelov koeficient izgube in značilnosti površinskega sipanja uporabijo za določitev možnosti prenosa in odboja svetlobe, za oceno možnosti optične poti, bo večina časa sledenja žarkom uporabljena za sledenje energije v sistema, s čimer pospešite analizo. Rezultat simulacije 200.000 vpadnih žarkov je prikazan na sliki 14. V tem primeru do sprejemnika doseže 118.969 žarkov, napaka pri izračunu pa je 6%. Uporaba sledenja žarkov verjetnostnega načina zmanjša napake pri izračunu za 7-krat in skrajša čas izračuna za 42%.

Nazadnje, da bi izboljšali enotnost prikaza, se včasih uporablja difuzor na zgornji površini plošče za vodenje svetlobe. Ker difuzor razprši svetlobo pod širši kot, se manj svetlobe razprši na odprtino merilnika svetlosti. Po običajni metodi testa svetlosti zaslona je za izračun svetlosti potrebna zelo velika količina svetlobe. Programska oprema LightTools preslika ciljno območje ali kot na površino sipanja, kar uporabniku omogoča, da določi, katero sipanje je treba upoštevati. To je pomembna oblika vzorčenja in še ena metoda za izboljšanje konvergence simulacij Monte Carlo. Slika 15 prikazuje merilnik svetilnosti in osvetlitev ozadja z difuzorjem, ne da bi navedli ciljni kot. Po sledenju 2000 žarkov je merilnik svetlosti prejel 40 žarkov, rešetka prostorske svetlosti pa je prikazana na sliki.

?

Slika 16 prikazuje isti primer, vendar vzorčenje po pomembni vrednosti in določanje ciljnega kota na difuzorju. Ciljni kot se ujema s sprejemnim kotom zaslonke merilnika svetlosti. Ko svetloba doseže difuzor, bo programska oprema LightTools ustvarila razpršeno svetlobo (svetlobni tok, ki vstopi v ciljno območje, izračunano na podlagi kotne porazdelitve difuzijskega modela) v ciljni kot, tako da bo vsa razpršena svetloba, zbrana z merilnikom svetilnosti bo izboljšala konvergenco simulacije. V tem primeru je merilnik svetilnosti od 2000 vpadnih žarkov prejel 1416 žarkov (71 %).

Drugi premisleki?

Osvetlitev ozadja se pogosto uporablja v zaslonih s tekočimi kristali (LCD), ki je polarizacijska komponenta. Modeliranje polarizacijskih komponent, kot so linearna polarizacija, plošče s četrt valovno dolžino, ocena sledenja polarizirani svetlobi itd., so ključni dejavniki za uspešno analizo. Programska oprema LightTools ponuja preproste modele linearne polarizacije in zaostajanja ter specifikacije Jones-Muellerjeve matrike za polarizacijske komponente. Uporabniki lahko po potrebi uporabijo funkcijo sledenja polarizacijskih žarkov za sledenje polarizacijskemu stanju svetlobe glede na zaloge? vektor.

Na komponentah so pogosto različni optični premazi z različno prosojnostjo, koeficientom odboja in polarizacijskimi lastnostmi. Premaz je definiran v programski opremi LightTools na podlagi njegove zmogljivosti, ki je pogosto edina informacija, ki jo uporabnik pozna. Povprečne ali ločene vrednosti S ali P odboja in prenosa je mogoče določiti s katerim koli dvema od naslednjih parametrov: kot pojavljanja, valovna dolžina, položaj X ali položaj Y. Sistem ponuja orodja za pretvorbo sklada premazov v format premaza programske opreme LightTools.

Čeprav večina osvetlitev ozadja uporablja tehnologijo pikčastega tiskanja ali stiskanja, so možne tudi druge metode. Ena je uporaba delcev v svetlobni vodilni plošči za razpršitev. Če sta velikost in gostota delcev pravilno nadzorovani, lahko Mie sipanje iz delcev učinkovito izloči svetlobo iz plošče za vodenje svetlobe (Tagaya, et al., 2001:6274). Programska oprema LightTools lahko simulira sipanje sferičnih delcev v serijah po Mie teoriji ali glede na uporabniško definirano kotno porazdelitev. ?

Izvoz celotnega optičnega dizajna v sistem CAD je pogosto nujen korak pri izdelavi svetlobnih vodilnih plošč. Programska oprema LightTools podpira standardno pretvorbo formatov, kot so STEP, SAT ali IGES za dokončanje. Ker standard za pretvorbo podatkov podpira samo zunanje geometrijske podatke, je v primeru ekstrakcije zasnove kompresijskega oblikovanja potrebno obliko, definirano s tridimenzionalno teksturo, pretvoriti v zunanje geometrijske podatke za izpis. Programska oprema LightTools podpira standardne formate in lahko selektivno pretvori 3D teksture v zunanje geometrijske podatke, tako da je celoten dizajn osvetlitve ozadja vključen v pretvorjeno datoteko.

povzetek

Tehnologija oblikovanja osvetlitve ozadja nenehno napreduje in se razvija, da bi zagotovila boljše delovanje in nižje stroške, da bi zadostila potrebam trga. Tovrstna inovacija zahteva, da programska oprema za načrtovanje razsvetljave nenehno dodaja nove funkcije, zlasti podporo za skrajšanje cikla oblikovanja osvetlitve ozadja. Glavne funkcije programske opreme LightTools, kot so ustvarjanje modela in velikost datoteke, sledenje žarkov in čas simulacije ter funkcija izračuna velikega števila optičnih parametrov, povezanih z zasnovo osvetlitve ozadja, so bile priznane in preverjene v industriji.

Različica 5.0 programske opreme LightTools, ki je bila izdana leta 2004, vključuje optimizacijo osvetlitve za zmanjšanje hrupa, kar je zelo praktično pri oblikovanju osvetlitve ozadja. Ta funkcija lahko samodejno definira predlogo za ekstrakcijo svetlobe, da poveča učinkovitost in enotnost. Poleg tega orodje za optimizacijo predloge osvetlitve ozadja programske opreme LightTools zagotavlja učinkovito metodo za optimizacijo porazdelitve izhoda osvetlitve ozadja in svetlobnega vodnika.

Ključne besede: LED zaslon z osvetlitvijo ozadja, optično oblikovanje, orodje za analizo