Klein en middelgroot LCD-scherm - optisch ontwerp van achtergrondverlichting

Achtergrondverlichting wordt gebruikt in kleine, lichte flat-panel liquid crystal displays (LCD's) en andere elektronische apparaten die achtergrondverlichting vereisen, inclusief draagbare apparaten zo klein als de palm van je hand, en grote tv's. De doelstellingen van het ontwerp van de achtergrondverlichting zijn onder meer een laag energieverbruik, ultradun, hoge helderheid, uniforme helderheid, groot oppervlak en controle over verschillende breedtes en smalle kijkhoeken. Om deze uitdagende ontwerpdoelen te bereiken met gecontroleerde kosten en snelle implementatie, moeten voor het ontwerp computerondersteunde optische ontwerptools worden gebruikt. Dit artikel introduceert de kenmerken van LightTools optische ontwerp- en analysesoftware van ORA Company in de Verenigde Staten, die kan worden gebruikt om de meest geavanceerde backlight-ontwerptoepassingen van vandaag te ontwikkelen.
Optische ontwerp- en analysehulpmiddelen voor achtergrondverlichting
Een achtergrondverlichtingssysteem vereist enige conversie van licht van een of meer lichtbronnen om de vereiste lichtverdeling in een gebied of onder een vaste hoek te produceren. Lichtontwerpsoftware moet geometrisch kunnen modelleren, optische karakteristieke parameters kunnen instellen voor verschillende soorten lichtbronnen en conversie-eenheden, en moet optische traceringsmethoden kunnen gebruiken om het lichtpad door het model te evalueren en de uiteindelijke lichtverdeling te berekenen. Lichtverdeling maakt gebruik van Monte Carlo-simulaties om de verlichtingssterkte, luminantie of lichtsterkte voor specifieke gebieden en/of hoeken te berekenen. Lichtstralen worden op willekeurige posities en hoeken door de lichtbron uitgezonden, door het optische systeem getraceerd en op het ontvangende oppervlak ontvangen. De verlichtingssterkte kan worden berekend uit oppervlakteontvangers en de intensiteit kan worden verkregen uit verreveldontvangers. Door een luminantiemeter op het ontvangeroppervlak te definiëren, kan de ruimtelijke en hoekverdeling van de luminantie worden berekend. In sommige gevallen kan het belangrijk zijn om de kleurkwaliteit van een beeldscherm te analyseren. Specificeer de spectrale energieverdeling van lichtbronnen (zoals lichtgevende diodes), uitgangs-CIE-coördinaten en gecorreleerde kleurtemperatuur (CCT), kwantificeer de kleurkwaliteit van het scherm en genereer RGB-weergave van echt licht op het scherm. Deze analyses kunnen allemaal worden gedaan in LightTools-software.
De kenmerken van displays met achtergrondverlichting stellen speciale eisen aan lichtanalysesoftware. Zoals zal worden uitgelegd, hangt het door de achtergrondverlichting uitgezonden licht af van de distributiedichtheid van afgedrukte punten, of het distributiepatroon van microstructuren. Voor het modelleren van specifieke microstructuurarrays kan, als het CAD-model rechtstreeks wordt gebruikt, de modelomvang erg groot zijn. LightTools-software biedt functies die worden gedefinieerd door 3D-textuurarrays, die nauwkeurige ray tracing en rendering kunnen uitvoeren. Omdat er geen direct geconstrueerd geometrisch model wordt gebruikt, is de omvang van het model kleiner en is raytracing sneller. Een ander aspect van tegenlichtanalyse omvat het splitsen en verstrooien van licht op het oppervlak van de lichtgeleidingsplaat. Omdat lichteffecten worden gesimuleerd met behulp van Monte Carlo-methoden, is het mogelijk dat uitgebreide ray tracing moet worden gebruikt om een ​​ontwerp met voldoende nauwkeurigheid te verkrijgen. De meest efficiënte manier is om de straal met de hoogste energie te traceren. Door het pad van de straal met de hoogste energie te volgen met behulp van gesplitste waarschijnlijkheden en door het doelgebied of de verstrooiingshoek van het verstrooiende oppervlak te gebruiken om het verstrooide licht naar "belangrijke" richtingen te richten (zoals naar de kijker van het scherm).
Shenzhen Hongjia Technology is gespecialiseerd in R&D en productie van LCD-schermen met verschillende helderheid. De helderheid van de achtergrondverlichting is uniform. De totale helderheid van de module kan 2000 lumen bereiken. In zonlicht is het duidelijk leesbaar. De werktemperatuur kan -35 tot 85 graden bereiken. Antistatisch met ijzeren frame De valprestaties zijn superieur.
Wat is achtergrondverlichting?
Een typische achtergrondverlichting bestaat uit een lichtbron, zoals een fluorescentielamp met koude kathode (CCFL) of lichtemitterende diode (LED), en een rechthoekige lichtgeleider. Andere beschikbare componenten zijn diffusorplaten, die de uniformiteit van het scherm verbeteren, en helderheidsverbeterende films (BEF), die de helderheid van het scherm verhogen. De lichtbron bevindt zich meestal aan één zijrand van de lichtgeleidingsplaat om de dikte van het scherm te verminderen. Randverlichting maakt doorgaans gebruik van totale reflectie (TIR) ​​om het licht op het scherm te richten.
Ontwerpers van achtergrondverlichting hebben verschillende manieren om lichtbronnen te modelleren in LightTools-software. Verschillende vormen van fluorescentielichtbronnen (zoals recht, L-vormig, U-vormig of W-vormig, zoals weergegeven in Figuur 2) kunnen snel worden gedefinieerd met behulp van de tool voor het maken van fluorescentielampen. De lampreflector kan worden gedefinieerd met verschillende geometrische primitieven in LightTools-software, zoals cilinders, elliptische sleuven en geëxtrudeerde polygonen. Reflectoren die in CAD-systemen zijn gedefinieerd, kunnen ook in LightTools-software worden geïmporteerd via standaard gegevensuitwisselingsformaten (IGES, STEP, SAT en CATIA). Als er LED's worden gebruikt, kunnen ontwerpers de gewenste LED-modellen selecteren uit de vooraf opgeslagen productmodellen van Agilent, Lumileds, Nichia, Osram, etc. in de LightTools-software. Zodra het licht één kant van het LGP binnenkomt, wordt het probleem om het licht loodrecht op de voortplantingsrichting uit het LGP te extraheren.
Zoals getoond in FIG. 3, bevindt de helderste kant van de lichtgeleidingsplaat zich dichtbij de lichtbron en wordt de helderheid in de lichtgeleidingsplaat donkerder naarmate de afstand groter wordt. Voor een uniforme lichtopbrengst moet de efficiëntie van de lichtextractie toenemen met de afstand. Een van de belangrijkste taken bij het ontwerpen van achtergrondverlichting is het ontwerpen van een lichtgeleidingsplaat die de efficiëntie van de lichtextractie naar wens varieert. Er zijn twee extractietechnieken die kunnen worden gebruikt. De dot-printing-lichtextractietechnologie bestaat uit het printen van een dot-matrixstructuur op de onderkant van de lichtgeleidingsplaat om het licht naar boven te verspreiden en uit te zenden vanaf het oppervlak van de lichtgeleidingsplaat. De tweede technologie, Molded Light Extraction Technology, is gebaseerd op totale reflectie (TIR) ​​van de microstructuur van het onderoppervlak om ervoor te zorgen dat er licht uit het oppervlak van de LGP komt.
LightTools-software biedt ontwerptools voor achtergrondverlichting om het ontwerp van de lichtgeleidingsplaat te realiseren. Deze tool (Figuur 4) helpt de gebruiker bij het creëren van de verschillende componenten van de achtergrondverlichting. Andere opties zijn onder meer het toevoegen van een lichtbron/reflectorcomponent aan het model, BEF-modellering en het bouwen van een ontvanger om de helderheid te analyseren. De interface van de achtergrondverlichtingstool bestaat uit een verzameling tabbladen voor het instellen en wijzigen van verschillende soorten lichtextractiemechanismen.
Voor de achtergrondverlichting die gebruikmaakt van de dot-printing-lichtextractiemethode, kan het achtergrondverlichtingshulpmiddel de lineaire verandering van de grootte en beeldverhouding van de afgedrukte punten instellen, en de lineaire verandering van de puntafstand langs de lengte van de lichtgeleidingsplaat. Deze lineair variërende structuur is vaak een goed uitgangspunt voor het weergeven van uniformiteit, maar is niet voldoende voor de uiteindelijke uniformiteitseisen. Verdere controle over de uniformiteit kan worden bereikt met behulp van niet-lineair variërende straalextractieparameters. Een methode met het minste aantal parameters en een zeer flexibele regeling is het definiëren van parametrische variabelen van de kwadratische Bézier-curve. De 2D-regiotool van LightTools-software kan worden gebruikt om niet-lineaire structuren op te zetten. Figuur 5 toont een voorbeeld van het gebruik van afgedrukte extractie, waarbij 3 parameters (afgedrukte puntbreedte, hoogte en verticale afstand) worden gevarieerd om verschillend extractiegedrag te verkrijgen. De uitgangsuniformiteit wordt weergegeven in Figuur 6. De figuur rechts laat zien dat de gemiddelde uitgangshelderheid constant is.