ابزارهای طراحی و تحلیل نوری برای نمایشگر نور پس زمینه LED

نور پس‌زمینه در نمایشگرهای کریستال مایع کوچک، سبک و تخت (LCD) و سایر دستگاه‌های الکترونیکی که نیاز به نور پس‌زمینه دارند، از جمله دستگاه‌های دستی به کوچکی کف دست و تلویزیون‌های با صفحه بزرگ استفاده می‌شوند. اهداف طراحی نور پس زمینه عبارتند از: مصرف انرژی کم، بسیار نازک، روشنایی بالا، روشنایی یکنواخت، مساحت بزرگ و کنترل عرض و زاویه دید باریک. برای دستیابی به این اهداف چالش برانگیز طراحی و کنترل هزینه ها و دستیابی به اجرای سریع، باید از ابزارهای طراحی نوری به کمک کامپیوتر برای طراحی استفاده شود. ? این مقاله به معرفی ویژگی های نرم افزار طراحی و تحلیل نوری LightTools از ORA در ایالات متحده می پردازد که امروزه می توان از آن برای توسعه پیشرفته ترین برنامه های طراحی نور پس زمینه استفاده کرد.

ابزارهای طراحی و تحلیل نوری برای نور پس زمینه

سیستم نور پس زمینه نیاز به تبدیل نور از یک یا چند منبع نور دارد تا توزیع نور مورد نیاز را در یک منطقه یا در یک زاویه ثابت ایجاد کند. نرم افزار طراحی روشنایی باید قادر به مدل سازی هندسی، تنظیم پارامترهای مشخصه نوری برای انواع مختلف منابع نور و واحدهای تبدیل باشد و باید بتواند از روش های ردیابی نوری برای ارزیابی مسیر عبور نور از مدل و محاسبه توزیع نور نهایی استفاده کند. . توزیع نور از شبیه سازی مونت کارلو برای محاسبه روشنایی، روشنایی یا شدت نور یک ناحیه و/یا زاویه خاص استفاده می کند. ? نور در موقعیت ها و زوایای تصادفی از منبع نور ساطع می شود، از طریق سیستم نوری ردیابی می شود و در سطح دریافت کننده دریافت می شود. روشنایی را می توان از گیرنده سطحی محاسبه کرد و شدت را می توان از گیرنده میدان دور بدست آورد. با تعریف روشنایی سنج بر روی سطح گیرنده می توان توزیع روشنایی با فضا و زاویه را محاسبه کرد. در برخی موارد، ممکن است تجزیه و تحلیل رنگی بودن نمایشگر مهم باشد. توزیع انرژی طیفی منبع نور (مانند دیودهای ساطع کننده نور)، مقادیر مختصات CIE خروجی و دمای رنگ همبسته (CCT) را تعیین کنید، رنگ نمایشگر را کمی کنید، و گرافیک رندر واقعی RGB را روی نمایشگر ایجاد کنید. این تحلیل ها همگی در نرم افزار LightTools قابل انجام هستند.

ویژگی‌های صفحه‌نمایش دارای نور پس‌زمینه نیازمندی‌های ویژه‌ای برای نرم‌افزار تحلیل روشنایی است. همانطور که توضیح داده خواهد شد، نور ساطع شده توسط نور پس زمینه به چگالی توزیع نقاط چاپ شده یا الگوی توزیع ریزساختار بستگی دارد. برای مدل‌سازی یک آرایه ریزساختاری خاص، اگر مدل CAD مستقیماً استفاده شود، ممکن است به اندازه مدل بسیار بزرگ منجر شود. نرم افزار LightTools عملکرد تعریف آرایه بافت سه بعدی را ارائه می دهد که می تواند ردیابی پرتو و رندر دقیق را انجام دهد. از آنجایی که هیچ مدل هندسی ساخته شده مستقیمی استفاده نمی شود، حجم مدل کوچکتر است و ردیابی پرتو سریعتر است. یکی دیگر از جنبه های تحلیل نور پس زمینه شامل تقسیم نور و پراکندگی در سطح صفحه راهنمای نور است. از آنجایی که روش مونت کارلو برای شبیه سازی افکت های نورپردازی استفاده می شود، ممکن است استفاده از تعداد زیادی ردیابی پرتو برای به دست آوردن طرحی با دقت کافی ضروری باشد. ? موثرترین روش ردیابی نور با بالاترین انرژی است. ردیابی بالاترین مسیر پرتو انرژی با استفاده از احتمال تقسیم، و استفاده از ناحیه هدف یا زاویه پراکندگی سطح پراکندگی برای هدایت نور پراکنده به"مهم" جهت (مانند به سمت بیننده نمایشگر).

نور پس زمینه چیست؟ ?

یک نور پس زمینه معمولی از یک منبع نور مانند یک لامپ فلورسنت کاتد سرد (CCFL) یا دیود ساطع کننده نور (LED) و یک صفحه هدایت نور مستطیلی تشکیل شده است. سایر اجزای موجود عبارتند از دیفیوزرها که برای بهبود یکنواختی نمایشگر استفاده می شوند و فیلم افزایش روشنایی (BEF) که برای افزایش روشنایی نمایشگر استفاده می شود. منبع نور معمولاً در یک لبه کناری صفحه راهنمای نور قرار می گیرد تا ضخامت نمایشگر کاهش یابد. نور جانبی معمولاً از بازتاب کامل (TIR) ​​برای انتقال نور در صفحه نمایش استفاده می کند. ?

شکل 1 یک نمودار شماتیک از یک طراحی معمولی نور پس زمینه را نشان می دهد. ?

طراح نور پس زمینه راه های زیادی برای مدل سازی منبع نور در نرم افزار LightTools دارد. اشکال مختلف منابع نور فلورسنت (مانند مستقیم، L شکل، U شکل یا W شکل، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است) را می توان به سرعت با استفاده از ابزار ایجاد نور فلورسنت تعریف کرد. بازتابنده لامپ را می‌توان با موارد اولیه هندسی مختلف در نرم‌افزار LightTools، مانند استوانه‌ها، شیارهای بیضوی و چند ضلعی‌های اکسترود شده تعریف کرد. بازتابنده تعریف شده در سیستم CAD همچنین می تواند از طریق فرمت های استاندارد تبادل داده (IGES، ?STEP، ?SAT? و CATIA) به نرم افزار LightTools وارد شود. در صورت استفاده از ال ای دی، طراحان می توانند مدل ال ای دی مورد نظر را از مدل های محصولات شرکت های Agilent، Lumileds، Nichia، Osram و سایر شرکت های از پیش ذخیره شده در نرم افزار LightTools انتخاب کنند. هنگامی که نور وارد یک طرف صفحه راهنمای نور می شود، مشکل استخراج نور عمود بر جهت انتشار از صفحه راهنمای نور است.

همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، روشن ترین صفحات راهنمای نور در سمت نزدیک به منبع نور است. با دورتر شدن فاصله، روشنایی صفحه راهنمای نور تاریک تر می شود. برای به دست آوردن یک نور خروجی یکنواخت، با افزایش فاصله، راندمان استخراج نور باید افزایش یابد. یکی از وظایف اصلی طراحی نور پس زمینه طراحی صفحه راهنمای نور است که راندمان استخراج نور را در صورت نیاز تغییر می دهد. دو تکنیک استخراج وجود دارد که می توان از آنها استفاده کرد. فناوری استخراج نور چاپ نقطه‌ای به این صورت است که ساختار ماتریس نقطه‌ای را در پایین صفحه راهنمای نور چاپ می‌کند تا نور را به سمت بالا پراکنده کرده و از سطح صفحه راهنمای نور ساطع کند. فناوری دوم، فناوری استخراج نور قالب‌گیری فشرده، بر بازتاب کل (TIR) ​​ریزساختار روی سطح زیرین تکیه دارد تا نور را از سطح صفحه راهنمای نور خارج کند.

?

نرم افزار LightTools ابزارهای طراحی نور پس زمینه را برای تحقق طراحی صفحات راهنمای نور فراهم می کند. این ابزار (شکل 4) به کاربر در ایجاد اجزای مختلف نور پس زمینه کمک می کند. گزینه‌های دیگر شامل افزودن اجزای منبع نور/بازتابنده به مدل، مدل‌سازی BEF و ساخت یک گیرنده برای تجزیه و تحلیل روشنایی است. رابط ابزار نور پس زمینه تعدادی تب است که برای تنظیم و اصلاح انواع مکانیزم های استخراج نور استفاده می شود.

برای نور پس‌زمینه با استفاده از روش استخراج نور چاپ نقطه‌ای، ابزار نور پس‌زمینه می‌تواند تغییر خطی اندازه و نسبت ابعاد نقاط چاپ شده و تغییر خطی گام نقطه را در طول صفحه راهنمای نور تنظیم کند. این ساختار خطی در حال تغییر اغلب نقطه شروع خوبی برای یکنواختی نمایش است، اما برای برآوردن الزامات نهایی یکنواختی کافی نیست. برای کنترل بیشتر یکنواختی، می توان از پارامترهای استخراج نور غیرخطی متفاوت استفاده کرد. روشی که از کمترین پارامترها استفاده می کند و بسیار انعطاف پذیر است، تعریف متغیرهای پارامتری منحنی بزیه درجه دوم است. ? برای تنظیم ساختار غیرخطی می توان از ابزار مساحت دو بعدی نرم افزار LightTools استفاده کرد. شکل 5 نمونه ای از استفاده از استخراج چاپ را نشان می دهد، که در آن 3 پارامتر (عرض نقطه چاپ، ارتفاع و فاصله عمودی) برای به دست آوردن رفتارهای استخراج متفاوت تغییر می کند. یکنواختی خروجی در شکل 6 نشان داده شده است. شکل سمت راست نشان می دهد که میانگین روشنایی خروجی ثابت است. ?

روش دوم استخراج، فناوری استخراج قالب گیری فشرده، از تابع بافت سه بعدی نرم افزار LightTools استفاده می کند که باعث می شود ردیابی اشعه سازه های تکراری بسیار موثر باشد و اطلاعات ذخیره شده بسیار فشرده باشد. ردیابی پرتوی مدل ایجاد شده توسط تابع بافت غیر سه بعدی بیش از 30 برابر کندتر از مدل ایجاد شده با بافت سه بعدی است و فایل بیش از 100 برابر بزرگتر است. سه شکل اصلی برای بافت های سه بعدی وجود دارد: کروی، منشوری و هرمی (شکل 7). ابزار نور پس زمینه می تواند ریزساختارهای متغیر خطی را تعریف کند. اما ابزار بافت سه بعدی می تواند از منحنی Bezier درجه دوم برای تغییر پارامترهای بافت به صورت غیر خطی استفاده کند. مثال نشان داده شده در شکل 8 یک ریزساختار فرورفتگی (با استفاده از مدلسازی بافت سه بعدی منشوری) به عنوان مکانیزم استخراج است. صفحه راهنمای نور حاصل و نتایج شبیه سازی آن در شکل 9 نشان داده شده است.

محاسبه نوری نور پس زمینه

دو کمیت اپتیکی مهم یک نمایشگر با نور پس زمینه، روشنایی نمایشگر و یکنواختی روشنایی در سطح صفحه راهنمای نور است. همچنین محاسبه شدت نور و معیارهای رنگی مختلف (مختصات CIE و دمای رنگ مرتبط CCT) مهم است. نرم افزار LightTools این توابع محاسبه و بسیاری از توابع دیگر را برای کمک به درک داده های تولید شده توسط شبیه سازی مونت کارلو تعبیه کرده است.

?

شبیه سازی مونت کارلو مبنایی برای محاسبه روشنایی در نرم افزار LightTools است. مولد اعداد تصادفی برای انتخاب موقعیت شروع، جهت و طول موج نور استفاده می شود و برای نمونه برداری از توزیع نور در سطح دریافت کننده استفاده می شود. انتخاب"تصادفی" اعداد تا حد زیادی بر همگرایی شبیه سازی تأثیر خواهند گذاشت. با استفاده از یک دنباله عددی با واریانس کم (Sobol) (کاملاً تصادفی نیست)، خطا را می توان به 1/N کاهش داد، که در آن N تعداد پرتوهای انتهای دریافت کننده است. می توانید نتیجه مقایسه استفاده از دنباله اعداد تصادفی (شکل 10) و دنباله اعداد سوبول (شکل 11) را برای محاسبه رنگی مشاهده کنید. در این مثال، نتیجه شبیه‌سازی با استفاده از 128000 پرتو تصادفی معادل دقت 16000 پرتو Sobol' است. نکته مهم مقایسه سرعت همگرایی شبیه سازی نرم افزارهای مختلف است. چیزی که ما به آن اهمیت می دهیم سرعت دستیابی به دقت شبیه سازی مشخص است، نه سرعت ردیابی مقدار مشخصی از نور. در نرم افزار LightTools از گیرنده برای جمع آوری داده های نور برای محاسبه روشنایی استفاده می شود.

داده های نور برای تجزیه و تحلیل و نمایش از شبکه داده جمع آوری می شود. کاربر می تواند به صورت تعاملی اندازه یا تعداد شبکه داده را کنترل کند. ? برای تعداد معینی از پرتوهای روی گیرنده، هرچه تعداد شبکه‌ها کمتر باشد، تفکیک مکانی و زاویه‌ای کمتر است، اما دقت نسبی بالاتر (نرخ خطا کم) است. برعکس، هر چه شبکه های بیشتر باشد، وضوح مکانی و زاویه ای بالاتر، اما دقت کمتر (نرخ خطا بالا) است. نرخ خطای تخمینی بر روی هر شبکه نمایش داده می شود تا به کاربر کمک کند تصمیم بگیرد که آیا نور کافی برای شبیه سازی ردیابی استفاده می شود تا رزولوشن و دقت مورد نیاز طراحی را به طور همزمان برآورده کند (Cassarly,?WJ,?Fest,?EC,? و ?Jenkins,?DG,?2002). اگر نور بیشتری نیاز باشد، کاربر می تواند شبیه سازی را به صورت تعاملی تا رسیدن به هدف ادامه دهد. ?

یک جنبه مهم در تجزیه و تحلیل نور پس زمینه، تقسیم و پراکندگی نور بر روی سطح صفحه راهنمای نور است. عملکرد صفحه راهنمای نور این است که نور می تواند پس از بازتاب های متعدد در سطح داخلی جذب یا منتشر شود. اگر نور در هر سطح تماس به دو قسمت انتقال و انعکاس تقسیم شود، باعث ایجاد تعداد بسیار زیادی پرتوهای نور تقسیم می شود که اکثر آنها انرژی زیادی را حمل نمی کنند و در نتیجه سرعت تجزیه و تحلیل را کاهش می دهد. نمونه ای از آن در شکل 12 نشان داده شده است که یک پرتو شروع را با مسیرهای زیاد به دلیل تقسیم نور نشان می دهد.

در شبیه سازی زیر از 2000 پرتو فرودی استفاده شده است. به دلیل تقسیم نور، گیرنده 277948 اشعه را جمع آوری می کند (شکل 13). از آنجایی که بیشتر نوری که به گیرنده می رسد انرژی زیادی ندارد، خطای حاصله 42 درصد است. برعکس، اگر از ضریب تلفات فرنل و مشخصه های پراکندگی سطحی برای تعیین امکان انتقال و انعکاس نور استفاده شود، برای ارزیابی امکان مسیر نوری، بیشتر زمان ردیابی اشعه برای ردیابی انرژی در نور استفاده می شود. سیستم، در نتیجه سرعت تجزیه و تحلیل. نتیجه شبیه سازی 200000 پرتو فرودی در شکل 14 نشان داده شده است. در این حالت 118969 پرتو به گیرنده می رسد و خطای محاسبه 6 درصد است. استفاده از ردیابی پرتوی حالت احتمال خطاهای محاسباتی را 7 برابر و زمان محاسبه را تا 42 درصد کاهش می دهد.

?

برعکس، اگر از ضریب تلفات فرنل و مشخصه های پراکندگی سطحی برای تعیین امکان انتقال و انعکاس نور استفاده شود، برای ارزیابی امکان مسیر نوری، بیشتر زمان ردیابی اشعه برای ردیابی انرژی در نور استفاده می شود. سیستم، بنابراین تجزیه و تحلیل را تسریع کنید. نتیجه شبیه سازی 200000 پرتو فرودی در شکل 14 نشان داده شده است. در این حالت 118969 پرتو به گیرنده می رسد و خطای محاسبه 6 درصد است. استفاده از ردیابی پرتوی حالت احتمال خطاهای محاسباتی را 7 برابر و زمان محاسبه را تا 42 درصد کاهش می دهد.

در نهایت، به منظور بهبود یکنواختی نمایشگر، گاهی اوقات از یک دیفیوزر در سطح بالایی صفحه راهنمای نور استفاده می شود. از آنجایی که دیفیوزر نور را به زاویه وسیع تری پخش می کند، نور کمتری به دیافراگم روشنایی سنج پراکنده می شود. با توجه به روش معمول تست روشنایی صفحه نمایش، مقدار بسیار زیادی نور برای محاسبه روشنایی مورد نیاز است. نرم افزار LightTools منطقه یا زاویه مورد نظر را با سطح پراکندگی نقشه می کشد و به کاربر این امکان را می دهد که مشخص کند کدام پراکندگی باید در نظر گرفته شود. این یک فرم نمونه برداری مهم و روش دیگری برای بهبود همگرایی شبیه سازی مونت کارلو است. شکل 15 روشنایی متر و نور پس زمینه با دیفیوزر را بدون تعیین زاویه هدف نشان می دهد. پس از ردیابی 2000 پرتو، روشنایی سنج 40 پرتو دریافت کرد و گریتینگ روشنایی فضایی در شکل نشان داده شده است.

?

شکل 16 همین مثال را نشان می دهد، اما نمونه برداری با مقدار مهم و مشخص کردن زاویه هدف روی دیفیوزر. زاویه هدف با زاویه پذیرش دیافراگم روشنایی سنج مطابقت دارد. هنگامی که نور به دیفیوزر می رسد، نرم افزار LightTools نور پراکنده (شار نورانی که وارد منطقه هدف محاسبه شده بر اساس توزیع زاویه ای مدل انتشار می شود) را در زاویه هدف تولید می کند، به طوری که تمام نور پراکنده شده توسط درخشندگی سنج جمع آوری می شود. همگرایی شبیه سازی را بهبود می بخشد. در این مورد، از 2000 پرتو فرودی، 1416 پرتو (71%) توسط دستگاه درخشندگی سنج دریافت شد.

ملاحظات دیگر؟

نور پس زمینه به طور گسترده در نمایشگرهای کریستال مایع (LCD) استفاده می شود که جزء قطبش است. مدل‌سازی مولفه‌های پلاریزاسیون، مانند پلاریزاسیون خطی، صفحات با طول موج چهارم، ارزیابی ردیابی نور پلاریزه، و غیره عوامل حیاتی برای تجزیه و تحلیل موفق هستند. نرم افزار LightTools مدل های پلاریزاسیون و عقب ماندگی خطی ساده و همچنین مشخصات ماتریس Jones-Mueller را برای اجزای پلاریزاسیون ارائه می دهد. کاربران می توانند در صورت نیاز از تابع ردیابی پرتو قطبش برای ردیابی وضعیت قطبش نور با توجه به سهام استفاده کنند؟ بردار

اغلب پوشش‌های نوری مختلف با شفافیت، ضریب انعکاس و ویژگی‌های پلاریزاسیون متفاوت روی قطعات وجود دارد. پوشش در نرم افزار LightTools بر اساس عملکرد آن تعریف می شود که اغلب تنها اطلاعاتی است که کاربر می داند. مقادیر میانگین یا جداگانه S یا P بازتاب و انتقال را می توان با هر دو پارامتر زیر مشخص کرد: زاویه وقوع، طول موج، موقعیت X یا موقعیت Y. این سیستم ابزارهایی را برای تبدیل پشته پوشش به فرمت پوشش نرم افزار LightTools فراهم می کند.

اگرچه اکثر نور پس زمینه ها از فناوری استخراج نور از چاپ نقطه ای یا قالب گیری فشرده استفاده می کنند، روش های دیگری نیز امکان پذیر است. یکی این است که از ذرات موجود در صفحه راهنمای نور برای پراکندگی استفاده کنید. اگر اندازه و چگالی ذرات به درستی کنترل شود، پراکندگی Mie از ذرات می تواند به طور موثر نور را از صفحه راهنمای نور استخراج کند (Tagaya, et al., 2001:6274). نرم افزار LightTools می تواند پراکندگی ذرات کروی را به صورت دسته ای طبق نظریه Mie یا بر اساس توزیع زاویه ای تعریف شده توسط کاربر شبیه سازی کند. ?

صدور یک طرح نوری کامل به یک سیستم CAD اغلب یک مرحله ضروری در ساخت صفحات راهنمای نور است. نرم افزار LightTools از تبدیل فرمت استاندارد مانند STEP، SAT یا IGES برای تکمیل پشتیبانی می کند. از آنجایی که استاندارد تبدیل داده فقط از داده های هندسی خارجی پشتیبانی می کند، در مورد استخراج طراحی قالب گیری فشرده، لازم است شکل تعریف شده توسط بافت سه بعدی به داده های هندسی خارجی برای خروجی تبدیل شود. نرم افزار LightTools از فرمت های استاندارد پشتیبانی می کند و می تواند بافت های سه بعدی را به صورت انتخابی به داده های هندسی خارجی تبدیل کند، به طوری که کل طرح نور پس زمینه در فایل تبدیل شده گنجانده شود.

خلاصه

فناوری طراحی نور پس زمینه به طور مداوم در حال پیشرفت و توسعه بوده است تا عملکرد بهتر و هزینه کمتری را برای رفع نیازهای بازار ارائه دهد. این نوع نوآوری به نرم افزار طراحی نور نیاز دارد تا به طور مداوم ویژگی های جدید را اضافه کند، به ویژه پشتیبانی از کوتاه کردن چرخه طراحی نور پس زمینه. کارکردهای اصلی نرم افزار LightTools مانند ایجاد مدل و اندازه فایل، ردیابی پرتو و زمان شبیه سازی و عملکرد محاسبه تعداد زیادی از پارامترهای نوری مربوط به طراحی نور پس زمینه، همگی توسط صنعت شناسایی و تایید شده اند.

نسخه 5.0 نرم افزار LightTools منتشر شده در سال 2004 شامل بهینه سازی روشنایی برای افزونگی نویز است که در طراحی نور پس زمینه بسیار کاربردی است. این تابع می تواند به طور خودکار الگوی استخراج نور را برای به حداکثر رساندن کارایی و یکنواختی تعریف کند. علاوه بر این، ابزار بهینه سازی قالب نور پس زمینه نرم افزار LightTools روشی موثر برای بهینه سازی توزیع خروجی نور پس زمینه و راهنمای نور ارائه می کند.

کلمات کلیدی: صفحه نمایش نور پس زمینه LED، طراحی نوری، ابزار تجزیه و تحلیل