Design óptico e ferramentas de análise para display de retroiluminação LED

As luzes de fundo são usadas em telas planas de cristal líquido (LCDs) pequenas e leves e outros dispositivos eletrônicos que requerem iluminação de fundo, incluindo dispositivos portáteis tão pequenos quanto palmas e TVs de tela grande. Os objetivos do design de luz de fundo incluem baixo consumo de energia, ultrafino, alto brilho, brilho uniforme, grande área e largura diferente e controle de ângulo de visão estreito. A fim de atingir esses objetivos de projeto desafiadores e para controlar os custos e alcançar uma implementação rápida, ferramentas de projeto óptico auxiliado por computador devem ser usadas para o projeto. ? Este artigo apresenta as características do software de análise e design óptico LightTools da ORA nos Estados Unidos, que pode ser usado para desenvolver os aplicativos de design de luz de fundo mais avançados da atualidade.

Design óptico e ferramentas de análise para iluminação de fundo

O sistema de retroiluminação precisa converter a luz de uma ou mais fontes de luz para produzir a distribuição de luz necessária em uma área ou em um ângulo fixo. O software de design de iluminação deve ser capaz de modelar geometricamente, definir parâmetros de características ópticas para diferentes tipos de fontes de luz e unidades de conversão, e deve ser capaz de usar métodos de rastreamento óptico para avaliar o caminho da luz que passa pelo modelo e calcular a distribuição final da luz . A distribuição de luz usa simulação de Monte Carlo para calcular a iluminância, brilho ou intensidade luminosa de uma área e / ou ângulo específico. ? A luz é emitida da fonte de luz em posições e ângulos aleatórios, rastreada através do sistema óptico e recebida na superfície receptora. A iluminância pode ser calculada a partir do receptor de superfície e a intensidade pode ser obtida a partir do receptor de campo distante. Ao definir um medidor de luminância na superfície do receptor, a distribuição de luminância com espaço e ângulo pode ser calculada. Em alguns casos, pode ser importante analisar a cromaticidade da tela. Especifique a distribuição de energia espectral da fonte de luz (como diodos emissores de luz), valores de coordenadas CIE de saída e temperatura de cor correlacionada (CCT), quantifique a cromaticidade da tela e gere gráficos de renderização de luz real RGB na tela. Todas essas análises podem ser feitas no software LightTools.

As características do display retroiluminado têm requisitos especiais para o software de análise de iluminação. Como será explicado, a luz emitida pela luz de fundo depende da densidade de distribuição dos pontos impressos ou do padrão de distribuição da microestrutura. Para a modelagem de uma matriz de microestrutura específica, se o modelo CAD for usado diretamente, pode resultar em um tamanho de modelo muito grande. O software LightTools fornece a função de definição de matriz de textura 3D, que pode realizar rastreamento e renderização de raios precisos. Uma vez que nenhum modelo geométrico construído diretamente é usado, o volume do modelo é menor e o traçado do raio é mais rápido. Outro aspecto da análise de luz de fundo inclui a divisão e dispersão da luz na superfície da placa guia de luz. Como o método Monte Carlo é usado para simular efeitos de iluminação, pode ser necessário usar um grande número de traçados de raios para obter um projeto com precisão suficiente. ? O método mais eficaz é rastrear a luz de maior energia. Traçando o caminho do raio de energia mais alta usando a probabilidade de divisão e usando a área alvo ou ângulo de espalhamento da superfície de espalhamento para direcionar a luz espalhada para o&importante" direção (como em direção ao visualizador da tela).

O que é luz de fundo? ?

Uma retroiluminação típica consiste em uma fonte de luz, como uma lâmpada fluorescente de cátodo frio (CCFL) ou diodo emissor de luz (LED), e uma placa guia de luz retangular. Outros componentes disponíveis incluem difusores, usados ​​para melhorar a uniformidade da tela, e Brightness Enhancement Film (BEF), usado para aumentar o brilho da tela. A fonte de luz geralmente está localizada em uma borda lateral da placa guia de luz para reduzir a espessura da tela. A iluminação lateral geralmente usa reflexão total (TIR) ​​para transmitir luz na tela. ?

A Figura 1 mostra um diagrama esquemático de um projeto típico de luz de fundo. ?

O designer de luz de fundo tem muitas maneiras de modelar a fonte de luz no software LightTools. Diferentes formas de fontes de luz fluorescente (como reta, em forma de L, em forma de U ou em forma de W, conforme mostrado na Figura 2) podem ser definidas rapidamente usando a ferramenta de criação de luz fluorescente. O refletor da lâmpada pode ser definido por vários primitivos geométricos no software LightTools, como cilindros, ranhuras elípticas e polígonos extrudados. O refletor definido no sistema CAD também pode ser importado para o software LightTools por meio de formatos de troca de dados padrão (IGES,? STEP,? SAT? E CATIA). Se LEDs forem usados, os designers podem selecionar o modelo de LED desejado a partir dos modelos de produto da Agilent, Lumileds, Nichia, Osram e outras empresas pré-armazenados no software LightTools. Uma vez que a luz entra em um lado da placa guia de luz, o problema passa a ser extrair a luz perpendicular à direção de propagação da placa guia de luz.

Conforme mostrado na Figura 3, a placa guia de luz mais brilhante está no lado próximo à fonte de luz. À medida que a distância é maior, o brilho na placa guia de luz torna-se mais escuro. Para obter uma saída de luz uniforme, a eficiência de extração de luz deve aumentar à medida que a distância aumenta. Uma das principais tarefas do projeto da luz de fundo é projetar uma placa guia de luz que altera a eficiência de extração de luz conforme necessário. Existem duas técnicas de extração que podem ser usadas. A tecnologia de extração de luz de impressão de pontos consiste em imprimir uma estrutura de matriz de pontos na parte inferior da placa guia de luz para espalhar a luz para cima e emiti-la da superfície da placa guia de luz. A segunda tecnologia, tecnologia de extração de luz de moldagem por compressão, depende da reflexão total (TIR) ​​da microestrutura na superfície inferior para fazer a luz emergir da superfície da placa guia de luz.

?

O software LightTools fornece ferramentas de design de luz de fundo para realizar o design de placas de guia de luz. Esta ferramenta (Figura 4) auxilia o usuário na criação de vários componentes da luz de fundo. Outras opções incluem adicionar componentes de fonte de luz / refletor ao modelo, modelagem BEF e construir um receptor para analisar o brilho. A interface da ferramenta de luz de fundo é uma série de guias usadas para definir e modificar vários tipos de mecanismos de extração de luz.

Para a luz de fundo usando o método de extração de luz de impressão de pontos, a ferramenta de luz de fundo pode definir a mudança linear do tamanho e proporção dos pontos impressos, e a mudança linear do espaçamento do ponto ao longo do comprimento da placa guia de luz. Essa estrutura de mudança linear costuma ser um bom ponto de partida para a uniformidade da tela, mas não é suficiente para atender aos requisitos finais de uniformidade. Para controlar ainda mais a uniformidade, parâmetros de extração de luz não linearmente variáveis ​​podem ser usados. Um método que usa o mínimo de parâmetros e é muito flexível é definir as variáveis ​​paramétricas da curva quadrática de Bezier. ? A ferramenta de área bidimensional do software LightTools pode ser usada para definir a estrutura não linear. A Figura 5 mostra um exemplo de extração de impressão, onde 3 parâmetros (largura do ponto de impressão, altura e espaçamento vertical) mudam para obter diferentes comportamentos de extração. A uniformidade de saída é mostrada na Figura 6. A figura à direita mostra que o brilho médio de saída é uma constante. ?

O segundo método de extração, a tecnologia de extração por moldagem por compressão, usa a função de textura tridimensional do software LightTools, que torna o traçado de raios de estruturas repetitivas muito eficaz e as informações armazenadas são muito compactas. O traçado de raio do modelo criado pela função de textura não 3D é mais de 30 vezes mais lento do que o modelo criado com a textura 3D, e o arquivo é mais de 100 vezes maior. Existem três formas básicas de escolha de texturas 3D: esférica, prismática e piramidal (Figura 7). A ferramenta de luz de fundo pode definir microestruturas linearmente variáveis. Mas a ferramenta de textura 3D pode usar a curva Bézier quadrática para alterar os parâmetros de textura de forma não linear. O exemplo mostrado na Figura 8 é uma microestrutura em forma de calha (usando modelagem de textura 3D prismática) como mecanismo de extração. A placa guia de luz resultante e seus resultados de simulação são mostrados na Figura 9.

Cálculo óptico de luz de fundo

As duas grandezas ópticas mais importantes de uma tela retroiluminada são o brilho da tela e a uniformidade de iluminância na superfície da placa guia de luz. Também é importante calcular a intensidade luminosa e várias métricas de cor (coordenadas CIE e CCT de temperatura de cor correlacionada). O software LightTools incorporou essas funções de cálculo e muitas outras funções para ajudar a entender os dados gerados pela simulação de Monte Carlo.

?

A simulação de Monte Carlo é a base para o cálculo da iluminância no software LightTools. O gerador de números aleatórios é usado para selecionar a posição inicial, direção e comprimento de onda da luz, e é usado para amostrar a distribuição da luz na superfície receptora. A escolha de" random" os números afetarão muito a convergência da simulação. Usando uma sequência numérica de baixa variância (Sobol) (não é completamente aleatória), o erro pode ser reduzido a 1 / N, onde N é o número de raios na extremidade receptora. Você pode ver o resultado da comparação usando a sequência de números aleatórios (Figura 10) e a sequência de números de Sobol (Figura 11) para calcular a cromaticidade. Neste exemplo, o resultado da simulação usando 128.000 raios aleatórios é equivalente à precisão de Sobol' s 16.000 raios. O importante é comparar a velocidade de convergência da simulação de diferentes softwares. O que nos interessa é a velocidade de atingir uma certa precisão de simulação, não a velocidade de rastrear uma certa quantidade de luz. No software LightTools, o receptor é usado para coletar dados de luz para calcular a iluminância.

Os dados de luz para análise e exibição são coletados da grade de dados. O usuário pode controlar interativamente o tamanho ou número da grade de dados. ? Para um determinado número de raios no receptor, quanto menor o número de grades, menor a resolução espacial e angular, mas maior a precisão relativa (baixa taxa de erro). Por outro lado, quanto mais grades, maior a resolução espacial e angular, mas menor a precisão (alta taxa de erro). A taxa de erro estimada é exibida em cada grade para ajudar o usuário a decidir se luz suficiente é usada para simulação de rastreamento para atender a resolução e precisão exigidas pelo projeto ao mesmo tempo (Cassarly,? WJ,? Fest,? EC ,? e ? Jenkins,? DG,? 2002). Se mais luz for necessária, o usuário pode continuar a simulação interativamente até que o objetivo seja alcançado. ?

Um aspecto importante da análise da luz de fundo é a divisão e dispersão da luz na superfície da placa guia de luz. A função da placa guia de luz é que a luz pode ser absorvida ou emitida após múltiplas reflexões na superfície interna. Se a luz for dividida em duas partes de transmissão e reflexão em cada superfície de contato, isso causará um grande número de raios de luz divididos, a maioria dos quais não transporta muita energia, diminuindo assim a velocidade de análise. Um exemplo disso é mostrado na Figura 12, que mostra um raio inicial com muitos caminhos devido à divisão de luz.

A simulação a seguir usa 2.000 raios incidentes. Devido à divisão de luz, o receptor coleta 277.948 raios (Figura 13). Como a maior parte da luz que chega ao receptor não tem muita energia, o erro resultante é de 42%. Pelo contrário, se o coeficiente de perda de Fresnel e as características de espalhamento de superfície são usados ​​para determinar a possibilidade de transmissão de luz e reflexão, para avaliar a possibilidade de caminho óptico, a maior parte do tempo de traçado de raio será usado para rastrear a energia no sistema, agilizando assim a análise. Um resultado de simulação de 200.000 raios incidentes é mostrado na Figura 14. Nesse caso, 118.969 raios atingem o receptor e o erro de cálculo é de 6%. O uso do traçado de raio do modo de probabilidade reduz os erros de cálculo em 7 vezes e reduz o tempo de cálculo em 42%.

?

Pelo contrário, se o coeficiente de perda de Fresnel e as características de espalhamento de superfície são usados ​​para determinar a possibilidade de transmissão de luz e reflexão, para avaliar a possibilidade de caminho óptico, a maior parte do tempo de traçado de raio será usado para rastrear a energia no sistema, assim, acelerar a análise. Um resultado de simulação de 200.000 raios incidentes é mostrado na Figura 14. Nesse caso, 118.969 raios atingem o receptor e o erro de cálculo é de 6%. O uso do traçado de raio do modo de probabilidade reduz os erros de cálculo em 7 vezes e reduz o tempo de cálculo em 42%.

Finalmente, para melhorar a uniformidade da tela, às vezes é usado um difusor na superfície superior da placa guia de luz. Como o difusor difunde a luz em um ângulo mais amplo, menos luz é espalhada pela abertura do medidor de brilho. De acordo com o método convencional de teste de brilho da tela, uma grande quantidade de luz é necessária para o cálculo do brilho. O software LightTools mapeia a área ou ângulo alvo para a superfície de espalhamento, permitindo ao usuário especificar qual espalhamento deve ser considerado. Esta é uma importante forma de amostragem e outro método para melhorar a convergência das simulações de Monte Carlo. A Figura 15 mostra um medidor de luminância e uma luz de fundo com um difusor, sem especificar um ângulo alvo. Após traçar 2.000 raios, o medidor de brilho recebeu 40 raios, e a grade de brilho espacial é mostrada na figura.

?

A Figura 16 mostra o mesmo exemplo, mas amostrando por valor importante e especificando o ângulo alvo no difusor. O ângulo do alvo corresponde ao ângulo de aceitação da abertura do medidor de brilho. Quando a luz atinge o difusor, o software LightTools irá gerar luz espalhada (o fluxo luminoso que entra na área alvo calculado com base na distribuição angular do modelo de difusão) no ângulo alvo, de modo que toda a luz espalhada coletada pelo medidor de luminância irá melhorar a convergência da simulação. Neste caso, dos 2.000 raios incidentes, 1.416 raios (71%) foram recebidos pelo medidor de luminância.

Outras considerações?

A luz de fundo é amplamente usada em telas de cristal líquido (LCD), que é um componente de polarização. Componentes de polarização de modelagem, como polarização linear, placas de um quarto de comprimento de onda, avaliação de rastreamento de luz polarizada, etc., são fatores críticos para uma análise bem-sucedida. O software LightTools fornece modelos de polarização e retardo linear simples, bem como especificações de matriz Jones-Mueller para componentes de polarização. Os usuários podem usar a função de rastreamento de raios de polarização quando necessário para rastrear o estado de polarização da luz de acordo com os estoques? vetor.

Freqüentemente, existem vários revestimentos ópticos com diferentes características de transparência, coeficiente de reflexão e polarização nos componentes. O revestimento é definido no software LightTools com base em seu desempenho, que muitas vezes é a única informação que o usuário conhece. Os valores médios ou separados de S ou P de reflexão e transmissão podem ser especificados por quaisquer dois dos seguintes parâmetros: ângulo de ocorrência, comprimento de onda, posição X ou posição Y. O sistema fornece ferramentas para converter a pilha de revestimento no formato de revestimento do software LightTools.

Embora a maioria das luzes de fundo use impressão de pontos ou tecnologia de extração de luz de moldagem por compressão, outros métodos também são possíveis. Uma é usar as partículas da placa de guia de luz para se espalhar. Se o tamanho e a densidade das partículas forem adequadamente controlados, o espalhamento de Mie das partículas pode efetivamente extrair luz da placa guia de luz (Tagaya, et al., 2001: 6274). O software LightTools pode simular o espalhamento de partículas esféricas em lotes de acordo com a teoria de Mie ou de acordo com uma distribuição angular definida pelo usuário. ?

Exportar um projeto óptico completo para um sistema CAD é frequentemente uma etapa necessária na fabricação de placas de guia de luz. O software LightTools oferece suporte à conversão de formato padrão, como STEP, SAT ou IGES, para ser concluído. Uma vez que o padrão de conversão de dados suporta apenas dados geométricos externos, no caso de extração de projeto de moldagem por compressão, é necessário converter a forma definida pela textura tridimensional em dados geométricos externos para saída. O software LightTools suporta formatos padrão e pode converter seletivamente texturas 3D em dados geométricos externos, de forma que todo o design da luz de fundo seja incluído no arquivo convertido.

resumo

A tecnologia de design de backlight vem progredindo e se desenvolvendo continuamente, para fornecer melhor desempenho e menor custo para atender às necessidades do mercado. Este tipo de inovação requer software de design de iluminação para adicionar continuamente novos recursos, especialmente suporte para encurtar o ciclo de design de luz de fundo. As principais funções do software LightTools, como criação de modelo e tamanho de arquivo, traçado de raio e tempo de simulação, e a função de cálculo de um grande número de parâmetros ópticos relacionados ao design de luz de fundo, foram reconhecidas e verificadas pela indústria.

A versão 5.0 do software LightTools lançado em 2004 inclui otimização de iluminância para redundância de ruído, o que é muito prático no design de luz de fundo. Esta função pode definir automaticamente o modelo de extração de luz para maximizar a eficiência e uniformidade. Além disso, a ferramenta de otimização de modelo de luz de fundo do software LightTools fornece um método eficaz para otimizar a distribuição de saída da luz de fundo e guia de luz.

Palavras-chave: display LED retroiluminado, design óptico, ferramenta de análise