Herramientas de análisis y diseño óptico para pantallas con retroiluminación LED

Las luces de fondo se utilizan en pantallas de cristal líquido (LCD) de panel plano pequeñas y livianas y otros dispositivos electrónicos que requieren iluminación de fondo, incluidos dispositivos portátiles tan pequeños como las palmas de las manos y televisores de pantalla grande. Los objetivos del diseño de retroiluminación incluyen bajo consumo de energía, ultradelgado, alto brillo, brillo uniforme, área grande y control de ángulo de visión estrecho y ancho diferente. Para lograr estos desafiantes objetivos de diseño, controlar los costos y lograr una implementación rápida, se deben utilizar herramientas de diseño óptico asistidas por computadora para el diseño. ? Este artículo presenta las características del software de análisis y diseño óptico LightTools de ORA en los Estados Unidos, que se puede utilizar para desarrollar las aplicaciones de diseño de retroiluminación más avanzadas en la actualidad.

Herramientas de análisis y diseño óptico para retroiluminación

El sistema de retroiluminación necesita convertir la luz de una o más fuentes de luz para producir la distribución de luz requerida en un área o en un ángulo fijo. El software de diseño de iluminación debe poder modelar geométricamente, establecer parámetros de características ópticas para diferentes tipos de fuentes de luz y unidades de conversión, y debe poder utilizar métodos de rastreo óptico para evaluar la trayectoria de la luz que atraviesa el modelo y calcular la distribución final de la luz. . La distribución de la luz utiliza la simulación de Monte Carlo para calcular la iluminancia, el brillo o la intensidad luminosa de un área y / o ángulo específicos. ? La luz se emite desde la fuente de luz en posiciones y ángulos aleatorios, se rastrea a través del sistema óptico y se recibe en la superficie receptora. La iluminancia se puede calcular a partir del receptor de superficie y la intensidad se puede obtener del receptor de campo lejano. Al definir un medidor de luminancia en la superficie del receptor, se puede calcular la distribución de luminancia con el espacio y el ángulo. En algunos casos, puede ser importante analizar la cromaticidad de la pantalla. Especifique la distribución de energía espectral de la fuente de luz (como diodos emisores de luz), valores de coordenadas CIE de salida y temperatura de color correlacionada (CCT), cuantifique la cromaticidad de la pantalla y genere gráficos de representación de luz real RGB en la pantalla. Todos estos análisis se pueden realizar en el software LightTools.

Las características de la pantalla retroiluminada tienen requisitos especiales para el software de análisis de iluminación. Como se explicará, la luz emitida por la luz de fondo depende de la densidad de distribución de los puntos impresos o del patrón de distribución de la microestructura. Para el modelado de una matriz de microestructura específica, si el modelo CAD se usa directamente, puede resultar en un tamaño de modelo muy grande. El software LightTools proporciona la función de definición de matriz de textura 3D, que puede realizar un trazado y renderizado de rayos precisos. Dado que no se utiliza un modelo geométrico construido directamente, el volumen del modelo es menor y el trazado de rayos es más rápido. Otro aspecto del análisis de la luz de fondo incluye la división y dispersión de la luz en la superficie de la placa de guía de luz. Dado que el método de Monte Carlo se utiliza para simular efectos de iluminación, puede ser necesario utilizar una gran cantidad de trazados de rayos para obtener un diseño con suficiente precisión. ? El método más eficaz es rastrear la luz de mayor energía. Rastreando la trayectoria del rayo de energía más alta usando la probabilidad de división, y usando el área objetivo o el ángulo de dispersión de la superficie de dispersión para dirigir la luz dispersa al" importante" dirección (como hacia el espectador de la pantalla).

¿Qué es la luz de fondo? ?

Una luz de fondo típica consta de una fuente de luz, como una lámpara fluorescente de cátodo frío (CCFL) o un diodo emisor de luz (LED), y una placa guía de luz rectangular. Otros componentes disponibles incluyen difusores, que se utilizan para mejorar la uniformidad de la pantalla, y la película de mejora del brillo (BEF), que se utiliza para aumentar el brillo de la pantalla. La fuente de luz generalmente se encuentra en un borde lateral de la placa de guía de luz para reducir el grosor de la pantalla. La iluminación de luz lateral usualmente usa reflexión total (TIR) ​​para transmitir luz en la pantalla. ?

La Figura 1 muestra un diagrama esquemático de un diseño típico de retroiluminación. ?

El diseñador de retroiluminación tiene muchas formas de modelar la fuente de luz en el software LightTools. Se pueden definir rápidamente diferentes formas de fuentes de luz fluorescente (como recta, en forma de L, en forma de U o en forma de W, como se muestra en la Figura 2) utilizando la herramienta de creación de luz fluorescente. El reflector de la lámpara se puede definir mediante varias primitivas geométricas en el software LightTools, como cilindros, ranuras elípticas y polígonos extruidos. El reflector definido en el sistema CAD también se puede importar al software LightTools a través de formatos de intercambio de datos estándar (IGES,? STEP,? SAT? Y CATIA). Si se utilizan LED, los diseñadores pueden seleccionar el modelo de LED deseado de los modelos de productos de Agilent, Lumileds, Nichia, Osram y otras compañías pre-almacenados en el software LightTools. Una vez que la luz entra por un lado de la placa de guía de luz, el problema es extraer la luz perpendicular a la dirección de propagación de la placa de guía de luz.

Como se muestra en la Figura 3, la más brillante de las placas de guía de luz está en el lado cercano a la fuente de luz. A medida que aumenta la distancia, el brillo de la placa de guía de luz se vuelve más oscuro. Para obtener una salida de luz uniforme, la eficiencia de extracción de luz debe aumentar a medida que aumenta la distancia. Una de las principales tareas del diseño de la luz de fondo es diseñar una placa de guía de luz que cambie la eficiencia de extracción de luz según sea necesario. Hay dos técnicas de extracción que se pueden utilizar. La tecnología de extracción de luz de impresión de puntos consiste en imprimir una estructura de matriz de puntos en la parte inferior de la placa de guía de luz para dispersar la luz hacia arriba y emitirla desde la superficie de la placa de guía de luz. La segunda tecnología, la tecnología de extracción de luz de moldeo por compresión, se basa en la reflexión total (TIR) ​​de la microestructura en la superficie inferior para hacer que la luz emerja de la superficie de la placa de guía de luz.

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El software LightTools proporciona herramientas de diseño de retroiluminación para realizar el diseño de placas de guía de luz. Esta herramienta (Figura 4) ayuda al usuario a crear varios componentes de la luz de fondo. Otras opciones incluyen agregar componentes de fuente de luz / reflector al modelo, modelado BEF y construir un receptor para analizar el brillo. La interfaz de la herramienta de luz de fondo es una serie de pestañas que se utilizan para configurar y modificar varios tipos de mecanismos de extracción de luz.

Para la luz de fondo que utiliza el método de extracción de luz de impresión de puntos, la herramienta de luz de fondo puede establecer el cambio lineal del tamaño y la relación de aspecto de los puntos impresos, y el cambio lineal del paso de puntos a lo largo de la placa guía de luz. Esta estructura que cambia linealmente es a menudo un buen punto de partida para la uniformidad de visualización, pero no es suficiente para cumplir con los requisitos finales de uniformidad. Para controlar aún más la uniformidad, se pueden utilizar parámetros de extracción de luz que no varíen linealmente. Un método que utiliza la menor cantidad de parámetros y es muy flexible es definir las variables paramétricas de la curva cuadrática de Bezier. ? La herramienta de área bidimensional del software LightTools se puede utilizar para establecer la estructura no lineal. La Figura 5 muestra un ejemplo del uso de extracción de impresión, donde 3 parámetros (ancho de punto de impresión, altura y espaciado vertical) cambian para obtener diferentes comportamientos de extracción. La uniformidad de salida se muestra en la Figura 6. La figura de la derecha muestra que el brillo de salida promedio es una constante. ?

El segundo método de extracción, la tecnología de extracción por moldeo por compresión, utiliza la función de textura tridimensional del software LightTools, que hace que el trazado de rayos de estructuras repetitivas sea muy efectivo y la información almacenada sea muy compacta. El trazado de rayos del modelo creado por la función de textura no 3D es más de 30 veces más lento que el modelo creado con la textura 3D, y el archivo es más de 100 veces más grande. Hay tres formas básicas para elegir texturas 3D: esférica, prismática y piramidal (Figura 7). La herramienta de luz de fondo puede definir microestructuras linealmente variables. Pero la herramienta de textura 3D puede usar la curva cuadrática de Bézier para cambiar los parámetros de textura de forma no lineal. El ejemplo que se muestra en la Figura 8 es una microestructura en forma de canal (usando modelado de textura prismática en 3D) como mecanismo de extracción. La placa de guía de luz resultante y sus resultados de simulación se muestran en la Figura 9.

Cálculo óptico de luz de fondo

Las dos cantidades ópticas más importantes de una pantalla retroiluminada son el brillo de la pantalla y la uniformidad de iluminancia en la superficie de la placa de guía de luz. También es importante calcular la intensidad luminosa y diversas métricas de color (coordenadas CIE y temperatura de color correlacionada CCT). El software LightTools ha incorporado estas funciones de cálculo y muchas otras funciones para ayudar a comprender los datos generados por la simulación Monte Carlo.

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La simulación Monte Carlo es la base para el cálculo de la iluminancia en el software LightTools. El generador de números aleatorios se utiliza para seleccionar la posición inicial, la dirección y la longitud de onda de la luz, y se utiliza para muestrear la distribución de la luz en la superficie receptora. La elección de" aleatorio" los números afectarán en gran medida la convergencia de la simulación. Usando una secuencia numérica de baja varianza (Sobol) (no es completamente aleatoria), el error se puede reducir a 1 / N, donde N es el número de rayos en el extremo receptor. Puede ver el resultado de la comparación de usar la secuencia de números aleatorios (Figura 10) y la secuencia de números de Sobol (Figura 11) para calcular la cromaticidad. En este ejemplo, el resultado de la simulación utilizando 128.000 rayos aleatorios es equivalente a la precisión de los 16.000 rayos de Sobol &. Lo importante es comparar la velocidad de convergencia de la simulación de diferentes programas. Lo que nos importa es la velocidad para lograr una cierta precisión de simulación, no la velocidad para rastrear una cierta cantidad de luz. En el software LightTools, el receptor se utiliza para recopilar datos de luz para calcular la iluminancia.

Los datos de luz para análisis y visualización se recopilan de la cuadrícula de datos. El usuario puede controlar de forma interactiva el tamaño o el número de la cuadrícula de datos. ? Para un número dado de rayos en el receptor, cuanto menor sea el número de cuadrículas, menor será la resolución espacial y angular, pero mayor será la precisión relativa (baja tasa de error). Por el contrario, cuantas más cuadrículas, mayor será la resolución espacial y angular, pero menor será la precisión (alta tasa de error). La tasa de error estimada se muestra en cada cuadrícula para ayudar al usuario a decidir si se usa suficiente luz para la simulación de rastreo para cumplir con la resolución y precisión requeridas por el diseño al mismo tiempo (Cassarly,? WJ,? Fest,? EC ,? y ? Jenkins,? DG,? 2002). Si se necesita más luz, el usuario puede continuar la simulación de forma interactiva hasta alcanzar el objetivo. ?

Un aspecto importante del análisis de la luz de fondo es la división y dispersión de la luz en la superficie de la placa de guía de luz. La función de la placa de guía de luz es que la luz se pueda absorber o emitir después de múltiples reflejos en la superficie interior. Si la luz se divide en dos partes de transmisión y reflexión en cada superficie de contacto, provocará una gran cantidad de rayos de luz divididos, la mayoría de los cuales no transportan mucha energía, lo que ralentiza la velocidad del análisis. Un ejemplo de esto se muestra en la Figura 12, que muestra un rayo inicial con muchas trayectorias debido a la división de la luz.

La siguiente simulación utiliza 2000 rayos incidentes. Debido a la división de la luz, el receptor recolecta 277,948 rayos (Figura 13). Dado que la mayor parte de la luz que llega al receptor no tiene mucha energía, el error resultante es del 42%. Por el contrario, si el coeficiente de pérdida de Fresnel y las características de dispersión de la superficie se utilizan para determinar la posibilidad de transmisión y reflexión de la luz, para evaluar la posibilidad de la trayectoria de la trayectoria óptica, la mayor parte del tiempo del trazado de rayos se utilizará para rastrear la energía en el sistema, acelerando así el análisis. En la Figura 14 se muestra un resultado de simulación de 200.000 rayos incidentes. En este caso, 118.969 rayos llegan al receptor y el error de cálculo es del 6%. El uso del trazado de rayos en modo de probabilidad reduce los errores de cálculo en 7 veces y reduce el tiempo de cálculo en un 42%.

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Por el contrario, si el coeficiente de pérdida de Fresnel y las características de dispersión de la superficie se utilizan para determinar la posibilidad de transmisión y reflexión de la luz, para evaluar la posibilidad de la trayectoria de la trayectoria óptica, la mayor parte del tiempo del trazado de rayos se utilizará para rastrear la energía en el sistema, así acelerar el análisis. En la Figura 14 se muestra un resultado de simulación de 200.000 rayos incidentes. En este caso, 118.969 rayos llegan al receptor y el error de cálculo es del 6%. El uso del trazado de rayos en modo de probabilidad reduce los errores de cálculo en 7 veces y reduce el tiempo de cálculo en un 42%.

Finalmente, para mejorar la uniformidad de la pantalla, a veces se usa un difusor en la superficie superior de la placa de guía de luz. Dado que el difusor difunde la luz a un ángulo más amplio, se dispersa menos luz a la apertura del medidor de brillo. De acuerdo con el método de prueba de brillo de pantalla convencional, se requiere una gran cantidad de luz para calcular el brillo. El software LightTools mapea el área objetivo o el ángulo a la superficie de dispersión, lo que permite al usuario especificar qué dispersión se debe considerar. Este es un formulario de muestreo importante y otro método para mejorar la convergencia de las simulaciones de Monte Carlo. La Figura 15 muestra un medidor de luminancia y una luz de fondo con un difusor, sin especificar un ángulo objetivo. Después de rastrear 2000 rayos, el medidor de brillo recibió 40 rayos y la rejilla de brillo espacial se muestra en la figura.

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La Figura 16 muestra el mismo ejemplo, pero muestreando por valor importante y especificando el ángulo objetivo en el difusor. El ángulo objetivo coincide con el ángulo de aceptación de la apertura del medidor de brillo. Cuando la luz llega al difusor, el software LightTools generará luz dispersa (el flujo luminoso que ingresa al área objetivo calculado en base a la distribución angular del modelo de difusión) en el ángulo objetivo, de modo que toda la luz dispersa recolectada por el medidor de luminancia mejorará la convergencia de la simulación. En este caso, de 2000 rayos incidentes, 1416 rayos (71%) fueron recibidos por el luminómetro.

¿Otras Consideraciones?

La luz de fondo se usa ampliamente en pantallas de cristal líquido (LCD), que es un componente de polarización. Modelar componentes de polarización, como polarización lineal, placas de un cuarto de longitud de onda, evaluación de seguimiento de luz polarizada, etc., son factores críticos para un análisis exitoso. El software LightTools proporciona modelos simples de retardo y polarización lineal, así como especificaciones matriciales de Jones-Mueller para componentes de polarización. Los usuarios pueden utilizar la función de rastreo de rayos de polarización cuando sea necesario para rastrear el estado de polarización de la luz de acuerdo con las existencias. vector.

A menudo hay varios recubrimientos ópticos con diferente transparencia, coeficiente de reflexión y características de polarización en los componentes. El revestimiento se define en el software LightTools en función de su rendimiento, que a menudo es la única información que conoce el usuario. Los valores S o P promedio o separados de reflexión y transmisión se pueden especificar mediante dos de los siguientes parámetros: ángulo de ocurrencia, longitud de onda, posición X o posición Y. El sistema proporciona herramientas para convertir la pila de recubrimientos al formato de recubrimiento del software LightTools.

Aunque la mayoría de las luces de fondo utilizan tecnología de extracción de luz de impresión por puntos o moldeo por compresión, también son posibles otros métodos. Uno es usar las partículas en la placa de guía de luz para dispersar. Si el tamaño y la densidad de las partículas se controlan adecuadamente, la dispersión de Mie de las partículas puede extraer de manera eficaz la luz de la placa de guía de luz (Tagaya, et al., 2001: 6274). El software LightTools puede simular la dispersión de partículas esféricas en lotes de acuerdo con la teoría de Mie, o de acuerdo con una distribución angular definida por el usuario. ?

La exportación de un diseño óptico completo a un sistema CAD suele ser un paso necesario en la fabricación de placas de guía de luz. El software LightTools admite la conversión de formato estándar como STEP, SAT o IGES para completar. Dado que el estándar de conversión de datos solo admite datos geométricos externos, en el caso de la extracción del diseño de moldeo por compresión, es necesario convertir la forma definida por la textura tridimensional en datos geométricos externos para la salida. El software LightTools admite formatos estándar y puede convertir selectivamente texturas 3D en datos geométricos externos, de modo que todo el diseño de la retroiluminación se incluya en el archivo convertido.

resumen

La tecnología de diseño de retroiluminación ha ido progresando y desarrollándose continuamente para proporcionar un mejor rendimiento y un menor costo para satisfacer las necesidades del mercado. Este tipo de innovación requiere que el software de diseño de iluminación agregue continuamente nuevas funciones, especialmente soporte para acortar el ciclo de diseño de la retroiluminación. Las principales funciones del software LightTools, como la creación de modelos y el tamaño del archivo, el trazado de rayos y el tiempo de simulación, y la función de calcular una gran cantidad de parámetros ópticos relacionados con el diseño de la retroiluminación, han sido reconocidas y verificadas por la industria.

La versión 5.0 del software LightTools lanzado en 2004 incluye optimización de iluminancia para redundancia de ruido, que es muy práctica en el diseño de retroiluminación. Esta función puede definir automáticamente la plantilla de extracción de luz para maximizar la eficiencia y uniformidad. Además, la herramienta de optimización de la plantilla de retroiluminación del software LightTools proporciona un método eficaz para optimizar la distribución de salida de la retroiluminación y la guía de luz.

Palabras clave: pantalla de retroiluminación LED, diseño óptico, herramienta de análisis