כלי עיצוב וניתוח אופטי לתצוגת תאורת LED אחורית

תאורה אחורית משמשת בצגי גביש נוזליים (LCD) קטנים וקלים משקל ומכשירים אלקטרוניים אחרים הדורשים תאורה אחורית, כולל מכשירים כף יד קטנים כמו כפות ידיים וטלוויזיות בעלות מסך גדול. המטרות של עיצוב תאורה אחורית כוללות צריכת חשמל נמוכה, דקה במיוחד, בהירות גבוהה, בהירות אחידה, שטח גדול ושליטה שונה ברוחב ובזווית צפייה צרה. על מנת להשיג את יעדי התכנון המאתגרים הללו, וכדי לשלוט בעלויות ולהשיג יישום מהיר, יש להשתמש בכלי תכנון אופטי בעזרת מחשב לתכנון. ? מאמר זה מציג את המאפיינים של תוכנת העיצוב והניתוח האופטי LightTools מבית ORA בארצות הברית, אשר ניתן להשתמש בהן לפיתוח יישומי עיצוב תאורה אחורית המתקדמים ביותר כיום.

כלי עיצוב וניתוח אופטי לתאורה אחורית

מערכת התאורה האחורית צריכה להמיר את האור ממקור אור אחד או יותר כדי לייצר את פיזור האור הנדרש באזור או בזווית קבועה. תוכנת עיצוב התאורה חייבת להיות מסוגלת ליצור מודל גיאומטרי, לקבוע פרמטרים אופייניים אופטיים עבור סוגים שונים של מקורות אור ויחידות המרה, ועליה להיות מסוגלת להשתמש בשיטות מעקב אופטיות כדי להעריך את נתיב האור העובר במודל ולחשב את חלוקת האור הסופית. . חלוקת האור משתמשת בהדמיית מונטה קרלו כדי לחשב את עוצמת ההארה, הבהירות או עוצמת האור של אזור ו/או זווית ספציפיים. ? אור נפלט ממקור האור במיקומים ובזוויות אקראיות, מתחקה דרך המערכת האופטית ומתקבל על פני המשטח הקולט. ניתן לחשב את עוצמת ההארה ממקלט השטח, ואת עוצמת ההארה ניתן לקבל ממקלט השדה הרחוק. על ידי הגדרת מד בהירות על פני המקלט, ניתן לחשב את התפלגות הזוהר עם החלל והזווית. במקרים מסוימים, ייתכן שיהיה חשוב לנתח את הצבעוניות של התצוגה. ציין את חלוקת האנרגיה הספקטרלית של מקור האור (כגון דיודות פולטות אור), פלט ערכי קואורדינטות CIE וטמפרטורת צבע בקורלציה (CCT), כימת את הצבעוניות של התצוגה, וצור גרפיקה של עיבוד אור אמיתי RGB על הצג. כל הניתוחים הללו יכולים להיעשות בתוכנת LightTools.

למאפייני התצוגה עם תאורה אחורית יש דרישות מיוחדות לתוכנת ניתוח התאורה. כפי שיוסבר, האור הנפלט מהתאורה האחורית תלוי בצפיפות ההפצה של הנקודות המודפסות, או בדפוס ההפצה של המיקרו-מבנה. עבור מידול של מערך מיקרו-מבנה מסוים, אם נעשה שימוש ישיר במודל ה-CAD, זה עלול לגרום לגודל מודל גדול מאוד. תוכנת LightTools מספקת את הפונקציה של הגדרת מערך מרקם תלת-ממדי, שיכולה לבצע מעקב ורינדור מדויקים של קרניים. מכיוון שלא נעשה שימוש במודל גיאומטרי בנוי ישירות, נפח המודל קטן יותר ועקיבות הקרניים מהירה יותר. היבט נוסף של ניתוח תאורה אחורית כולל את פיצול האור ופיזור על פני השטח של לוחית מנחה האור. מכיוון ששיטת מונטה קרלו משמשת כדי לדמות אפקטים של תאורה, ייתכן שיהיה צורך להשתמש במספר רב של מעקבי קרניים כדי לקבל עיצוב עם דיוק מספיק. ? השיטה היעילה ביותר היא להתחקות אחר אור האנרגיה הגבוהה ביותר. התחקות אחר נתיב קרן האנרגיה הגבוהה ביותר על ידי שימוש בהסתברות הפיצול, ושימוש באזור המטרה או זווית הפיזור של משטח הפיזור כדי לכוון את האור המפוזר אל"חשוב" כיוון (כגון לכיוון הצופה בתצוגה).

מהי תאורה אחורית? ?

תאורה אחורית טיפוסית מורכבת ממקור אור, כגון מנורת פלורסנט קתודה קרה (CCFL) או דיודה פולטת אור (LED), ולוחית מנחה אור מלבנית. רכיבים זמינים אחרים כוללים מפזרים, המשמשים לשיפור אחידות התצוגה, ו-Brightness Enhancement Film (BEF), המשמשים להגברת בהירות התצוגה. מקור האור ממוקם בדרך כלל בקצה צד אחד של לוחית מנחה האור כדי להפחית את עובי התצוגה. תאורת תאורת צד משתמשת בדרך כלל בהשתקפות מוחלטת (TIR) ​​כדי להעביר אור בתצוגה. ?

איור 1 מציג תרשים סכמטי של עיצוב תאורה אחורית טיפוסית. ?

למעצב התאורה האחורית יש דרכים רבות לדגמן את מקור האור בתוכנת LightTools. ניתן להגדיר במהירות צורות שונות של מקורות אור ניאון (כגון ישר, בצורת L, בצורת U או בצורת W, כפי שמוצג באיור 2) באמצעות הכלי ליצירת אור פלורסנט. ניתן להגדיר את המשקף של המנורה על ידי פרימיטיבים גיאומטריים שונים בתוכנת LightTools, כגון צילינדרים, חריצים אליפטיים ומצולעים מחולצים. ניתן לייבא את המשקף המוגדר במערכת CAD לתוכנת LightTools גם באמצעות פורמטים סטנדרטיים של חילופי נתונים (IGES, ?STEP, ?SAT? ו-CATIA). אם נעשה שימוש ב-LED, המעצבים יכולים לבחור את דגם ה-LED הרצוי מתוך דגמי המוצרים של Agilent, Lumileds, Nichia, Osram וחברות אחרות המאוחסנות מראש בתוכנת LightTools. ברגע שהאור נכנס לצד אחד של לוח מנחה האור, הבעיה הופכת לחלץ את האור בניצב לכיוון ההתפשטות מלוח מנחה האור.

כפי שמוצג באיור 3, הבהיר ביותר מבין לוחות מנחה האור נמצא בצד הקרוב למקור האור. ככל שהמרחק גדול יותר, הבהירות בלוחית מנחה האור הופכת כהה יותר. על מנת לקבל תפוקת אור אחידה, יעילות שאיבת האור חייבת לעלות ככל שהמרחק גדל. אחת המשימות העיקריות של עיצוב תאורה אחורית היא לתכנן לוחית מנחה אור המשנה את יעילות חילוץ האור לפי הצורך. ישנן שתי טכניקות מיצוי שניתן להשתמש בהן. טכנולוגיית חילוץ האור להדפסת נקודות היא להדפיס מבנה מטריצת נקודות על החלק התחתון של לוחית מנחה האור כדי לפזר את האור כלפי מעלה ולפלוט אותו מפני השטח של לוחית מנחה האור. הטכנולוגיה השנייה, טכנולוגיית מיצוי האור של דפוס דחיסה, מסתמכת על ההשתקפות הכוללת (TIR) ​​של המיקרו-מבנה על המשטח התחתון כדי לגרום לאור להגיח מפני השטח של לוחית מנחה האור.

?

תוכנת LightTools מספקת כלים לעיצוב תאורה אחורית למימוש העיצוב של לוחות מובילי אור. כלי זה (איור 4) מסייע למשתמש ביצירת רכיבים שונים של התאורה האחורית. אפשרויות אחרות כוללות הוספת רכיבי מקור אור/רפלקטור לדגם, מידול BEF ובניית מקלט לניתוח בהירות. הממשק של כלי התאורה האחורית הוא מספר כרטיסיות המשמשות להגדרה ושינוי סוגים שונים של מנגנוני חילוץ אור.

עבור תאורה אחורית בשיטת חילוץ האור להדפסת נקודות, כלי התאורה האחורית יכול להגדיר את השינוי הליניארי של הגודל ויחס הגובה-רוחב של הנקודות המודפסות, ואת השינוי הליניארי של גובה הנקודות לאורך לוחית מנחה האור. המבנה המשתנה באופן ליניארי הוא לעתים קרובות נקודת התחלה טובה לאחידות תצוגה, אבל זה לא מספיק כדי לעמוד בדרישות האחידות הסופיות. כדי לשלוט יותר על האחידות, ניתן להשתמש בפרמטרים של מיצוי אור לא ליניאריים. שיטה שמשתמשת במינימום פרמטרים וגמישה מאוד היא הגדרת המשתנים הפרמטריים של עקומת בזייר הריבועית. ? ניתן להשתמש בכלי השטח הדו-ממדי של תוכנת LightTools כדי להגדיר את המבנה הלא ליניארי. איור 5 מציג דוגמה לשימוש בחילוץ הדפסה, שבו 3 פרמטרים (רוחב נקודות הדפסה, גובה ומרווח אנכי) משתנים כדי להשיג התנהגויות חילוץ שונות. אחידות הפלט מוצגת באיור 6. האיור מימין מראה כי בהירות הפלט הממוצעת היא קבועה. ?

שיטת החילוץ השנייה, טכנולוגיית מיצוי דפוס דחיסה, משתמשת בפונקציית הטקסטורה התלת מימדית של תוכנת LightTools, מה שהופך את מעקב הקרניים של מבנים חוזרים ונשנים ליעיל מאוד, והמידע המאוחסן הוא מאוד קומפקטי. מעקב הקרניים של המודל שנוצר על ידי פונקציית הטקסטורה הלא-תלת-ממדית איטי יותר מפי 30 מהמודל שנוצר עם הטקסטורה התלת-ממדית, והקובץ גדול יותר מפי 100. ישנן שלוש צורות בסיסיות לטקסטורות תלת-ממדיות לבחירה: כדורית, מנסרת ופירמידלית (איור 7). כלי התאורה האחורית יכול להגדיר מבני מיקרו משתנים ליניארי. אבל כלי הטקסטורה התלת מימדית יכול להשתמש בעקומת Bezier הריבועית כדי לשנות את פרמטרי המרקם בצורה לא ליניארית. הדוגמה המוצגת באיור 8 היא מבנה מיקרו בצורת שוקת (באמצעות דוגמנות מרקם תלת מימדי מנסרתי) כמנגנון החילוץ. לוחית מנחה האור שהתקבלה ותוצאות הסימולציה שלה מוצגות באיור 9.

חישוב אופטי של תאורה אחורית

שני הגדלים האופטיים החשובים ביותר של צג עם תאורה אחורית הם בהירות התצוגה ואחידות עוצמת ההארה על פני לוחית מנחה האור. חשוב גם לחשב את עוצמת האור ומדדי צבע שונים (קואורדינטות CIE וטמפרטורת צבע בקורלציה CCT). תוכנת LightTools כוללת פונקציות חישוב אלו ופונקציות רבות אחרות כדי לעזור להבין את הנתונים שנוצרו על ידי הדמיית מונטה קרלו.

?

הדמיית מונטה קרלו היא הבסיס לחישוב עוצמת ההארה בתוכנת LightTools. מחולל המספרים האקראיים משמש לבחירת מיקום ההתחלה, כיוון ואורך הגל של האור, ומשמש לדגימת התפלגות האור על המשטח הקולט. הבחירה של" אקראית" מספרים ישפיעו מאוד על ההתכנסות של הסימולציה. באמצעות רצף מספרים בשונות נמוכה (סובול) (הוא אינו אקראי לחלוטין), ניתן לצמצם את השגיאה ל-1/N, כאשר N הוא מספר הקרניים בקצה המקבל. אתה יכול לראות את תוצאת ההשוואה של שימוש ברצף מספרים אקראי (איור 10) ורצף מספרים של סובול (איור 11) כדי לחשב צבעוניות. בדוגמה זו, תוצאת הסימולציה באמצעות 128,000 קרניים אקראיות שוות ערך לדיוק של 16,000 קרניים של Sobol' הדבר החשוב הוא להשוות את מהירות התכנסות הסימולציה של תוכנות שונות. מה שמעניין אותנו הוא מהירות השגת דיוק סימולציה מסוים, לא המהירות של התחקות אחר כמות מסוימת של אור. בתוכנת LightTools, המקלט משמש לאיסוף נתוני אור לחישוב עוצמת ההארה.

נתוני האור לניתוח ותצוגה נאספים מרשת הנתונים. המשתמש יכול לשלוט באופן אינטראקטיבי בגודל או במספר של רשת הנתונים. ? עבור מספר נתון של קרניים על המקלט, ככל שמספר הרשתות קטן יותר, הרזולוציה המרחבית והזוויתית נמוכה יותר, אך כך הדיוק היחסי גבוה יותר (שיעור שגיאות נמוך). לעומת זאת, ככל שיותר רשתות, הרזולוציה המרחבית והזוויתית גבוהה יותר, אך הדיוק נמוך יותר (שיעור שגיאות גבוה). שיעור השגיאה המשוער מוצג בכל רשת כדי לעזור למשתמש להחליט אם נעשה שימוש באור מספיק לסימולציית מעקב כדי לעמוד ברזולוציה ובדיוק הנדרשים על ידי התכנון בו-זמנית (Cassarly,?WJ,?Fest,?EC,? ו ?Jenkins,?DG,?2002). אם יש צורך באור נוסף, המשתמש יכול להמשיך את הסימולציה באופן אינטראקטיבי עד להשגת המטרה. ?

היבט חשוב של ניתוח התאורה האחורית הוא פיצול האור ופיזור על פני השטח של לוחית מנחה האור. תפקידה של לוחית מנחה האור היא שאור יכול להיספג או לפלוט לאחר השתקפויות מרובות על פני השטח הפנימיים. אם האור יפוצל לשני חלקים של שידור והשתקפות על כל משטח מגע, זה יגרום למספר גדול מאוד של קרני אור מפוצלות, רובן אינן נושאות אנרגיה רבה, ובכך להאט את מהירות הניתוח. דוגמה לכך מוצגת באיור 12, המציגה קרן מתחילה עם נתיבים רבים עקב פיצול האור.

ההדמיה הבאה משתמשת ב-2,000 קרני תקריות. עקב פיצול האור, המקלט אוסף 277,948 קרניים (איור 13). מכיוון שלרוב האור המגיע למקלט אין הרבה אנרגיה, השגיאה המתקבלת היא 42%. להיפך, אם נעשה שימוש במקדם אובדן Fresnel ומאפייני פיזור פני השטח כדי לקבוע את האפשרות של העברת אור והשתקפות, כדי להעריך את האפשרות של נתיב אופטי, רוב הזמן של מעקב אחר הקרניים ישמש למעקב אחר האנרגיה ב- מערכת, ובכך להאיץ את הניתוח. תוצאת סימולציה של 200,000 קרניים תקריות מוצגת באיור 14. במקרה זה, 118,969 קרניים מגיעות למקלט, ושגיאת החישוב היא 6%. השימוש במעקב אחר קרני מצב הסתברות מפחית את טעויות החישוב פי 7 ומפחית את זמן החישוב ב-42%.

?

להיפך, אם נעשה שימוש במקדם אובדן Fresnel ומאפייני פיזור פני השטח כדי לקבוע את האפשרות של העברת אור והשתקפות, כדי להעריך את האפשרות של נתיב אופטי, רוב הזמן של מעקב אחר הקרניים ישמש למעקב אחר האנרגיה ב- מערכת, ובכך להאיץ את הניתוח. תוצאת סימולציה של 200,000 קרניים תקריות מוצגת באיור 14. במקרה זה, 118,969 קרניים מגיעות למקלט, ושגיאת החישוב היא 6%. השימוש במעקב אחר קרני מצב הסתברות מפחית את טעויות החישוב פי 7 ומפחית את זמן החישוב ב-42%.

לבסוף, על מנת לשפר את אחידות התצוגה, לעתים נעשה שימוש במפזר על המשטח העליון של לוחית מנחה האור. מכיוון שהמפזר מפזר את האור לזווית רחבה יותר, פחות אור מתפזר לצמצם של מד הבהירות. על פי שיטת בדיקת בהירות התצוגה המקובלת, נדרשת כמות גדולה מאוד של אור לחישוב בהירות. תוכנת LightTools ממפה את אזור המטרה או הזווית למשטח הפיזור, ומאפשרת למשתמש לציין איזה פיזור יש לקחת בחשבון. זהו טופס דגימה חשוב ושיטה נוספת לשיפור ההתכנסות של סימולציות מונטה קרלו. איור 15 מציג מד בהירות, ותאורה אחורית עם מפזר, מבלי לציין זווית יעד. לאחר התחקות אחר 2000 קרניים, מד הבהירות קיבל 40 קרניים, וסריג הבהירות המרחבית מוצג באיור.

?

איור 16 מציג את אותה דוגמה, אך דגימה לפי ערך חשוב וציון זווית המטרה על המפזר. זווית המטרה מתאימה לזווית הקבלה של צמצם מד הבהירות. כאשר האור יגיע למפזר, תוכנת LightTools תייצר אור מפוזר (שטף האור הנכנס לאזור היעד המחושב על סמך הפיזור הזוויתי של מודל הדיפוזיה) לתוך זווית המטרה, כך שכל האור המפוזר ייאסף על ידי מד הבהירות. ישפר את ההתכנסות של הסימולציה. במקרה זה, מתוך 2000 קרניים תקפות, 1416 קרניים (71%) נקלטו במד הארה.

שיקולים אחרים?

תאורה אחורית נמצאת בשימוש נרחב בתצוגות גביש נוזלי (LCD), שהוא מרכיב קיטוב. מודלים של רכיבי קיטוב, כגון קיטוב ליניארי, לוחות באורך רבע גל, הערכת מעקב אור מקוטב וכו' הם גורמים קריטיים לניתוח מוצלח. תוכנת LightTools מספקת מודלים פשוטים של קיטוב ופיגור ליניארי, כמו גם מפרטי מטריצת ג'ונס-מולר עבור רכיבי קיטוב. משתמשים יכולים להשתמש בפונקציית מעקב קרני קיטוב בעת הצורך כדי להתחקות אחר מצב הקיטוב של האור על פי המניות? וֶקטוֹר.

לרוב ישנם ציפויים אופטיים שונים עם מאפייני שקיפות, מקדם השתקפות וקיטוב שונים על הרכיבים. ציפוי מוגדר בתוכנת LightTools על סמך הביצועים שלו, שהם לרוב המידע היחיד שהמשתמש יודע. ניתן לציין את ערכי S או P הממוצעים או הנפרדים של השתקפות ושידור על ידי כל שניים מהפרמטרים הבאים: זווית התרחשות, אורך גל, מיקום X או מיקום Y. המערכת מספקת כלים להמרת ערימת הציפוי לפורמט הציפוי של תוכנת LightTools.

למרות שרוב התאורה האחורית משתמשת בטכנולוגיית מיצוי אור של הדפסת נקודות או דפוס דחיסה, אפשר גם שיטות אחרות. האחת היא להשתמש בחלקיקים בצלחת מנחה האור לפיזור. אם הגודל והצפיפות של החלקיקים נשלטים כראוי, פיזור Mie מהחלקיקים יכול לחלץ ביעילות אור מלוחית מנחה האור (Tagaya, et al., 2001:6274). תוכנת LightTools יכולה לדמות פיזור של חלקיקים כדוריים באצוות לפי תיאוריית Mie, או לפי התפלגות זוויתית המוגדרת על ידי המשתמש. ?

ייצוא עיצוב אופטי שלם למערכת CAD הוא לעתים קרובות שלב הכרחי בייצור לוחות מובילי אור. תוכנת LightTools תומכת בהמרת פורמטים סטנדרטיים כגון STEP, SAT או IGES להשלמתו. מכיוון שתקן המרת הנתונים תומך רק בנתונים גיאומטריים חיצוניים, במקרה של מיצוי עיצוב דפוס דחיסה, יש צורך להמיר את הצורה המוגדרת על ידי הטקסטורה התלת מימדית לנתונים גיאומטריים חיצוניים לצורך פלט. תוכנת LightTools תומכת בפורמטים סטנדרטיים ויכולה להמיר טקסטורות תלת מימד באופן סלקטיבי לנתונים גיאומטריים חיצוניים, כך שכל עיצוב התאורה האחורית נכלל בקובץ שהומר.

סיכום

טכנולוגיית עיצוב תאורה אחורית מתקדמת ומתפתחת ללא הרף, כדי לספק ביצועים טובים יותר ועלות נמוכה יותר כדי לענות על צרכי השוק. חידוש מסוג זה דורש תוכנת עיצוב תאורה כדי להוסיף תכונות חדשות ללא הרף, במיוחד תמיכה לקיצור מחזור עיצוב התאורה האחורית. הפונקציות העיקריות של תוכנת LightTools, כגון יצירת מודל וגודל קובץ, מעקב אחר קרניים וזמן סימולציה, והפונקציה של חישוב מספר רב של פרמטרים אופטיים הקשורים לתכנון תאורה אחורית, כולן הוכרו ואומתו על ידי התעשייה.

גרסה 5.0 של תוכנת LightTools שפורסמה בשנת 2004 כוללת אופטימיזציה של עוצמת הארה עבור יתירות רעש, שהיא מאוד פרקטית בעיצוב תאורה אחורית. פונקציה זו יכולה להגדיר באופן אוטומטי את תבנית חילוץ האור כדי למקסם את היעילות והאחידות. בנוסף, כלי אופטימיזציית תבנית התאורה האחורית של תוכנת LightTools מספק שיטה יעילה לאופטימיזציה של חלוקת הפלט של התאורה האחורית ומוביל האור.

מילות מפתח: תצוגת תאורת LED אחורית, עיצוב אופטי, כלי ניתוח