Optiskie projektēšanas un analīzes rīki LED fona apgaismojuma displejam

Fona apgaismojumu izmanto mazos, vieglos plakanā ekrāna šķidro kristālu displejos (LCD) un citās elektroniskās ierīcēs, kurām nepieciešams fona apgaismojums, tostarp rokas ierīcēs, kas ir tik mazas kā plaukstas, un liela ekrāna televizoros. Fona apgaismojuma dizaina mērķi ietver zemu enerģijas patēriņu, īpaši plānu, augstu spilgtumu, vienmērīgu spilgtumu, lielu laukumu un dažāda platuma un šaura skata leņķa kontroli. Lai sasniegtu šos sarežģītos projektēšanas mērķus un kontrolētu izmaksas un panāktu ātru ieviešanu, projektēšanai jāizmanto datorizēti optiskās projektēšanas rīki. ? Šis raksts iepazīstina ar LightTools optiskās projektēšanas un analīzes programmatūras īpašībām no ORA ASV, ko var izmantot, lai izstrādātu mūsdienu vismodernākās fona apgaismojuma dizaina lietojumprogrammas.

Optiskie projektēšanas un analīzes rīki fona apgaismojumam

Fona apgaismojuma sistēmai ir jāpārveido gaisma no viena vai vairākiem gaismas avotiem, lai nodrošinātu nepieciešamo gaismas sadalījumu apgabalā vai fiksētā leņķī. Apgaismojuma projektēšanas programmatūrai jāspēj ģeometriski modelēt, iestatīt optiskos raksturlielumus dažādu veidu gaismas avotiem un pārveidošanas vienībām, kā arī jāspēj izmantot optiskās izsekošanas metodes, lai novērtētu gaismas ceļu, kas iet caur modeli un aprēķinātu galīgo gaismas sadalījumu. . Gaismas sadalījumā tiek izmantota Montekarlo simulācija, lai aprēķinātu apgaismojumu, spilgtumu vai gaismas intensitāti noteiktā apgabalā un/vai leņķī. ? Gaisma tiek izstarota no gaismas avota nejaušās pozīcijās un leņķos, izsekota caur optisko sistēmu un tiek uztverta uz uztverošās virsmas. Apgaismojuma intensitāti var aprēķināt no virsmas uztvērēja, un intensitāti var iegūt no tālā lauka uztvērēja. Definējot spilgtuma mērītāju uz uztvērēja virsmas, var aprēķināt spilgtuma sadalījumu ar telpu un leņķi. Dažos gadījumos var būt svarīgi analizēt displeja krāsainību. Norādiet gaismas avota (piemēram, gaismas diožu) spektrālās enerģijas sadalījumu, izvades CIE koordinātu vērtības un korelēto krāsu temperatūru (CCT), kvantificējiet displeja hromatiskumu un ģenerējiet displejā RGB reālas gaismas renderēšanas grafiku. Visas šīs analīzes var veikt programmā LightTools.

Izgaismota displeja parametriem ir īpašas prasības apgaismojuma analīzes programmatūrai. Kā tiks paskaidrots, fona apgaismojuma izstarotā gaisma ir atkarīga no drukāto punktu sadalījuma blīvuma vai mikrostruktūras sadalījuma modeļa. Konkrēta mikrostruktūras masīva modelēšanai, ja tiek izmantots tieši CAD modelis, tas var radīt ļoti lielu modeļa izmēru. Programmatūra LightTools nodrošina 3D tekstūras masīva noteikšanas funkciju, kas var veikt precīzu staru izsekošanu un renderēšanu. Tā kā netiek izmantots tieši konstruēts ģeometriskais modelis, modeļa apjoms ir mazāks un staru izsekošana ir ātrāka. Vēl viens fona apgaismojuma analīzes aspekts ietver gaismas sadalīšanu un izkliedi uz gaismas virzošās plāksnes virsmas. Tā kā apgaismojuma efektu modelēšanai tiek izmantota Montekarlo metode, var būt nepieciešams izmantot lielu skaitu staru izsekošanas, lai iegūtu pietiekami precīzu dizainu. ? Visefektīvākā metode ir izsekot visaugstākās enerģijas gaismai. Augstākās enerģijas staru ceļa izsekošana, izmantojot sadalīšanas varbūtību, un izkliedētās virsmas mērķa apgabalu vai izkliedes leņķi, lai novirzītu izkliedēto gaismu uz"svarīgi" virzienā (piemēram, pret displeja skatītāju).

Kas ir fona apgaismojums? ?

Tipisks fona apgaismojums sastāv no gaismas avota, piemēram, aukstā katoda dienasgaismas spuldzes (CCFL) vai gaismas diodes (LED), un taisnstūrveida gaismas vadotnes plāksnes. Citi pieejamie komponenti ietver difuzorus, ko izmanto, lai uzlabotu displeja vienmērīgumu, un spilgtuma uzlabošanas plēvi (BEF), ko izmanto, lai palielinātu displeja spilgtumu. Gaismas avots parasti atrodas vienā gaismas vadotnes plāksnes sānu malā, lai samazinātu displeja biezumu. Sānu apgaismojuma apgaismojumā parasti tiek izmantota pilnīga atstarošana (TIR), lai pārraidītu gaismu displejā. ?

1. attēlā parādīta tipiska fona apgaismojuma dizaina shematiska diagramma. ?

Fona apgaismojuma dizainerim ir daudz veidu, kā modelēt gaismas avotu programmatūrā LightTools. Izmantojot fluorescējošās gaismas radīšanas rīku, var ātri definēt dažādas fluorescējošās gaismas avotu formas (piemēram, taisnas, L formas, U formas vai W formas, kā parādīts 2. attēlā). Lampas atstarotāju var definēt ar dažādiem ģeometriskiem primitīviem LightTools programmatūrā, piemēram, cilindriem, eliptiskām rievām un ekstrudētiem daudzstūriem. CAD sistēmā definēto reflektoru var arī importēt LightTools programmatūrā, izmantojot standarta datu apmaiņas formātus (IGES, ?STEP, ?SAT? un CATIA). Ja tiek izmantotas gaismas diodes, dizaineri var izvēlēties vajadzīgo LED modeli no Agilent, Lumileds, Nichia, Osram un citu uzņēmumu produktu modeļiem, kas iepriekš saglabāti LightTools programmatūrā. Kad gaisma nokļūst vienā gaismas virzītāja plāksnes pusē, rodas problēma, lai no gaismas vadotnes plāksnes izvilktu gaismu perpendikulāri izplatīšanās virzienam.

Kā parādīts 3. attēlā, spilgtākā no gaismas vadīšanas plāksnēm atrodas sānos, kas atrodas tuvu gaismas avotam. Tā kā attālums ir lielāks, spilgtums gaismas vadotnes plāksnē kļūst tumšāks. Lai iegūtu vienmērīgu gaismas atdevi, gaismas ekstrakcijas efektivitātei jāpalielinās, palielinoties attālumam. Viens no galvenajiem fona apgaismojuma projektēšanas uzdevumiem ir izveidot gaismas vadotnes plāksni, kas maina gaismas ekstrakcijas efektivitāti pēc vajadzības. Var izmantot divas ekstrakcijas metodes. Punktu drukāšanas gaismas ekstrakcijas tehnoloģija paredz punktmatricas struktūras drukāšanu gaismas vadotnes plāksnes apakšā, lai izkliedētu gaismu uz augšu un izstarotu to no gaismas virzošās plāksnes virsmas. Otrā tehnoloģija, kompresijas formēšanas gaismas ekstrakcijas tehnoloģija, balstās uz mikrostruktūras kopējo atstarošanu (TIR) ​​uz apakšējās virsmas, lai gaisma izplūst no gaismas virzošās plāksnes virsmas.

?

Programmatūra LightTools nodrošina fona apgaismojuma projektēšanas rīkus, lai realizētu gaismas virzošo plākšņu dizainu. Šis rīks (4. attēls) palīdz lietotājam izveidot dažādus fona apgaismojuma komponentus. Citas iespējas ietver gaismas avota/atstarotāja komponentu pievienošanu modelim, BEF modelēšanu un uztvērēja izveidi, lai analizētu spilgtumu. Fona apgaismojuma rīka saskarne ir vairākas cilnes, ko izmanto, lai iestatītu un modificētu dažāda veida gaismas ekstrakcijas mehānismus.

Fona apgaismojumam, izmantojot punktu drukāšanas gaismas ekstrakcijas metodi, fona apgaismojuma rīks var iestatīt drukāto punktu izmēra un proporcijas lineāro izmaiņu, kā arī punktu soļa lineāro izmaiņu gaismas vadotnes plāksnes garumā. Šī lineāri mainīgā struktūra bieži ir labs sākumpunkts displeja viendabīgumam, taču ar to nepietiek, lai izpildītu galīgās viendabīguma prasības. Lai vēl vairāk kontrolētu viendabīgumu, var izmantot nelineāri mainīgus gaismas ekstrakcijas parametrus. Metode, kas izmanto vismazāko parametru un ir ļoti elastīga, ir definēt kvadrātiskās Bezjē līknes parametriskos mainīgos. ? Programmatūras LightTools divdimensiju apgabala rīku var izmantot, lai iestatītu nelineāro struktūru. 5. attēlā parādīts drukas ekstrakcijas izmantošanas piemērs, kur mainās 3 parametri (drukāšanas punkta platums, augstums un vertikālā atstarpe), lai iegūtu dažādas ekstrakcijas darbības. Izvades vienmērīgums ir parādīts 6. attēlā. Attēlā labajā pusē redzams, ka vidējais izvades spilgtums ir nemainīgs. ?

Otrā ekstrakcijas metode, kompresijas formēšanas ekstrakcijas tehnoloģija, izmanto LightTools programmatūras trīsdimensiju tekstūras funkciju, kas padara atkārtotu struktūru staru izsekošanu ļoti efektīvu, un saglabātā informācija ir ļoti kompakta. Ar 3D tekstūras funkciju izveidotā modeļa staru izsekošana ir vairāk nekā 30 reižu lēnāka nekā modelim, kas izveidots ar 3D tekstūru, un fails ir vairāk nekā 100 reizes lielāks. 3D faktūrām ir pieejamas trīs pamatformas: sfēriska, prizmatiska un piramīdas (7. attēls). Fona apgaismojuma rīks var definēt lineāri mainīgas mikrostruktūras. Taču 3D tekstūras rīks var izmantot kvadrātisko Bezjē līkni, lai nelineāri mainītu tekstūras parametrus. 8. attēlā parādītais piemērs ir siles formas mikrostruktūra (izmantojot prizmatisku 3D faktūras modelēšanu) kā ekstrakcijas mehānismu. Iegūtā gaismas virzošā plāksne un tās simulācijas rezultāti ir parādīti 9. attēlā.

Fona apgaismojuma optiskais aprēķins

Divi vissvarīgākie aizmugurgaismojuma displeja optiskie lielumi ir displeja spilgtums un apgaismojuma vienmērīgums uz gaismas virzošās plāksnes virsmas. Svarīgi ir arī aprēķināt gaismas intensitāti un dažādas krāsu metrikas (CIE koordinātas un korelētās krāsu temperatūras CCT). Programmatūrai LightTools ir iebūvētas šīs aprēķinu funkcijas un daudzas citas funkcijas, kas palīdz izprast Montekarlo simulācijas radītos datus.

?

Montekarlo simulācija ir apgaismojuma aprēķina pamatā LightTools programmatūrā. Nejaušo skaitļu ģeneratoru izmanto, lai izvēlētos gaismas sākuma pozīciju, virzienu un viļņa garumu, un to izmanto, lai paraugus uztvertu gaismas sadalījumu uz uztverošās virsmas. Izvēle"nejauši" skaitļi lielā mērā ietekmēs simulācijas konverģenci. Izmantojot zemas dispersijas (Sobol) skaitļu secību (tā nav pilnīgi nejauša), kļūdu var samazināt līdz 1/N, kur N ir staru skaits uztveršanas galā. Varat redzēt salīdzināšanas rezultātu, izmantojot nejaušu skaitļu secību (10. attēls) un Sobola skaitļu secību (11. attēls), lai aprēķinātu hromatitāti. Šajā piemērā simulācijas rezultāts, izmantojot 128 000 nejaušus starus, ir līdzvērtīgs Sobola's 16 000 staru precizitātei. Svarīgi ir salīdzināt dažādu programmatūru simulācijas konverģences ātrumu. Mums rūp noteiktas simulācijas precizitātes sasniegšanas ātrums, nevis noteikta gaismas daudzuma izsekošanas ātrums. Programmatūrā LightTools uztvērējs tiek izmantots gaismas datu vākšanai, lai aprēķinātu apgaismojumu.

Gaismas dati analīzei un attēlošanai tiek savākti no datu režģa. Lietotājs var interaktīvi kontrolēt datu režģa izmēru vai skaitu. ? Noteiktam staru skaitam uztvērējā, jo mazāks ir režģu skaits, jo zemāka ir telpiskā un leņķiskā izšķirtspēja, bet augstāka relatīvā precizitāte (zems kļūdu līmenis). Un otrādi, jo vairāk režģu, jo augstāka ir telpiskā un leņķiskā izšķirtspēja, bet zemāka precizitāte (augsts kļūdu līmenis). Aptuvenais kļūdu īpatsvars tiek parādīts katrā režģī, lai palīdzētu lietotājam izlemt, vai izsekošanas simulācijai tiek izmantots pietiekami daudz gaismas, lai vienlaikus sasniegtu dizaina nepieciešamo izšķirtspēju un precizitāti (Cassarly,?WJ,?Fest,?EC un? ?Jenkins,?DG,?2002). Ja nepieciešams vairāk gaismas, lietotājs var interaktīvi turpināt simulāciju, līdz tiek sasniegts mērķis. ?

Svarīgs fona apgaismojuma analīzes aspekts ir gaismas sadalīšana un izkliede uz gaismas virzošās plāksnes virsmas. Gaismas virzošās plāksnes funkcija ir tāda, ka gaismu var absorbēt vai izstarot pēc vairākkārtējas atstarošanas uz iekšējās virsmas. Ja gaisma tiek sadalīta divās transmisijas un atstarošanas daļās uz katras saskares virsmas, tas radīs ļoti lielu skaitu sadalītu gaismas staru, no kuriem lielākā daļa nenes daudz enerģijas, tādējādi palēninot analīzes ātrumu. Piemērs tam ir parādīts 12. attēlā, kurā redzams sākuma stars ar daudziem ceļiem gaismas šķelšanās dēļ.

Sekojošā simulācija izmanto 2000 krītošu staru. Gaismas šķelšanās dēļ uztvērējs savāc 277 948 starus (13. attēls). Tā kā lielākajai daļai gaismas, kas sasniedz uztvērēju, nav daudz enerģijas, iegūtā kļūda ir 42%. Gluži pretēji, ja Fresnela zuduma koeficientu un virsmas izkliedes raksturlielumus izmanto, lai noteiktu gaismas caurlaidības un atstarošanas iespēju, novērtētu optiskā ceļa ceļa iespēju, lielāko daļu staru izsekošanas laika izmantos, lai izsekotu enerģijai sistēma, tādējādi paātrinot analīzi. 200 000 krītošu staru simulācijas rezultāts ir parādīts 14. attēlā. Šajā gadījumā uztvērēju sasniedz 118 969 stari, un aprēķina kļūda ir 6%. Varbūtības režīma staru izsekošanas izmantošana samazina aprēķinu kļūdas 7 reizes un samazina aprēķina laiku par 42%.

?

Gluži pretēji, ja Fresnela zuduma koeficientu un virsmas izkliedes raksturlielumus izmanto, lai noteiktu gaismas caurlaidības un atstarošanas iespēju, novērtētu optiskā ceļa ceļa iespēju, lielāko daļu staru izsekošanas laika izmantos, lai izsekotu enerģijai sistēma, tādējādi paātrinot analīzi. 200 000 krītošu staru simulācijas rezultāts ir parādīts 14. attēlā. Šajā gadījumā uztvērēju sasniedz 118 969 stari, un aprēķina kļūda ir 6%. Varbūtības režīma staru izsekošanas izmantošana samazina aprēķinu kļūdas 7 reizes un samazina aprēķina laiku par 42%.

Visbeidzot, lai uzlabotu displeja vienmērīgumu, gaismas vadotnes plāksnes augšējā virsmā dažreiz tiek izmantots difuzors. Tā kā difuzors izkliedē gaismu plašākā leņķī, mazāk gaismas tiek izkliedēta uz spilgtuma mērītāja apertūru. Saskaņā ar parasto displeja spilgtuma pārbaudes metodi spilgtuma aprēķināšanai ir nepieciešams ļoti liels gaismas daudzums. Programmatūra LightTools kartē mērķa apgabalu vai leņķi uz izkliedes virsmu, ļaujot lietotājam norādīt, kura izkliede ir jāņem vērā. Šī ir svarīga izlases forma un vēl viena metode Montekarlo simulāciju konverģences uzlabošanai. 15. attēlā parādīts spilgtuma mērītājs un fona apgaismojums ar difuzoru, nenorādot mērķa leņķi. Pēc 2000 staru izsekošanas spilgtuma mērītājs saņēma 40 starus, un telpiskā spilgtuma režģis ir parādīts attēlā.

?

16. attēlā parādīts tas pats piemērs, bet paraugu ņemšana pēc svarīgas vērtības un mērķa leņķa precizēšana uz difuzora. Mērķa leņķis atbilst spilgtuma mērītāja apertūras pieņemšanas leņķim. Kad gaisma sasniedz difuzoru, programmatūra LightTools ģenerēs izkliedētu gaismu (gaismas plūsmu, kas nonāk mērķa apgabalā, kas aprēķināta, pamatojoties uz difūzijas modeļa leņķisko sadalījumu) mērķa leņķī, lai visa izkliedētā gaisma tiktu savākta ar spilgtuma mērītāju. uzlabos simulācijas konverģenci. Šajā gadījumā no 2000 krītošajiem stariem 1416 stari (71%) tika uztverti ar spilgtuma mērītāju.

Citi apsvērumi?

Fona apgaismojums tiek plaši izmantots šķidro kristālu displejos (LCD), kas ir polarizācijas sastāvdaļa. Modelēšanas polarizācijas komponenti, piemēram, lineārā polarizācija, ceturkšņa viļņa garuma plāksnes, polarizētās gaismas izsekošanas novērtējums utt., ir kritiski faktori veiksmīgai analīzei. Programmatūra LightTools nodrošina vienkāršus lineāras polarizācijas un aizkavēšanas modeļus, kā arī Jones-Mueller matricas specifikācijas polarizācijas komponentiem. Ja nepieciešams, lietotāji var izmantot polarizācijas staru izsekošanas funkciju, lai izsekotu gaismas polarizācijas stāvoklim atbilstoši krājumiem? vektors.

Bieži vien uz komponentiem ir dažādi optiskie pārklājumi ar atšķirīgu caurspīdīgumu, atstarošanas koeficientu un polarizācijas raksturlielumiem. Pārklājums tiek definēts programmā LightTools, pamatojoties uz tā veiktspēju, kas bieži vien ir vienīgā lietotājam zināmā informācija. Vidējās vai atsevišķas atstarošanas un pārraides S vai P vērtības var norādīt ar jebkuriem diviem no šiem parametriem: rašanās leņķis, viļņa garums, X pozīcija vai Y pozīcija. Sistēma nodrošina rīkus pārklājuma kaudzes konvertēšanai LightTools programmatūras pārklājuma formātā.

Lai gan lielākajā daļā fona apgaismojumu tiek izmantota punktdrukas vai kompresijas formēšanas gaismas ekstrakcijas tehnoloģija, ir iespējamas arī citas metodes. Viens no tiem ir izmantot gaismas virzītāja plāksnē esošās daļiņas, lai izkliedētu. Ja daļiņu izmērs un blīvums tiek pareizi kontrolēts, Mie izkliede no daļiņām var efektīvi iegūt gaismu no gaismas virzītāja plāksnes (Tagaya, et al., 2001:6274). Programmatūra LightTools var simulēt sfērisku daļiņu izkliedi partijās saskaņā ar Mie teoriju vai lietotāja definētu leņķisko sadalījumu. ?

Pilnīga optiskā dizaina eksportēšana uz CAD sistēmu bieži ir nepieciešams solis gaismas virzošo plākšņu ražošanā. Programmatūra LightTools atbalsta standarta formāta konvertēšanu, piemēram, STEP, SAT vai IGES, lai pabeigtu. Tā kā datu pārveidošanas standarts atbalsta tikai ārējos ģeometriskos datus, kompresijas formēšanas dizaina ekstrakcijas gadījumā ir nepieciešams pārveidot trīsdimensiju faktūras noteikto formu ārējos ģeometriskos datos izvadīšanai. Programmatūra LightTools atbalsta standarta formātus un var selektīvi pārveidot 3D faktūras ārējos ģeometriskos datos, lai viss fona apgaismojuma dizains tiktu iekļauts konvertētajā failā.

kopsavilkums

Fona apgaismojuma dizaina tehnoloģija ir nepārtraukti progresējusi un attīstās, lai nodrošinātu labāku veiktspēju un zemākas izmaksas, lai apmierinātu tirgus vajadzības. Šāda veida jauninājumiem ir nepieciešama apgaismojuma projektēšanas programmatūra, lai nepārtraukti pievienotu jaunas funkcijas, jo īpaši atbalstu fona apgaismojuma projektēšanas cikla saīsināšanai. Nozare ir atzinusi un pārbaudījusi galvenās LightTools programmatūras funkcijas, piemēram, modeļa izveide un faila lielums, staru izsekošana un simulācijas laiks, kā arī liela skaita optisko parametru aprēķināšana saistībā ar fona apgaismojuma dizainu.

Programmatūras LightTools versijā 5.0, kas tika izlaista 2004. gadā, ir iekļauta apgaismojuma optimizācija trokšņu dublēšanai, kas ir ļoti praktiska fona apgaismojuma dizainā. Šī funkcija var automātiski definēt gaismas ekstrakcijas veidni, lai palielinātu efektivitāti un viendabīgumu. Turklāt programmatūras LightTools fona apgaismojuma veidņu optimizācijas rīks nodrošina efektīvu metodi fona apgaismojuma un gaismas virzītāja izvades sadalījuma optimizēšanai.

Atslēgas vārdi: LED apgaismojuma displejs, optiskais dizains, analīzes rīks