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背光显示的光学设计工具

导读: 本文介绍了美国ORA公司的LightTools光学设计和分析软件的特性,可用于开发当今最先进的背光设计应用。

  进行分析和显示的光线数据是从数据网格收集来的。用户可以交互控制数据网格的尺寸或数量。对于接收器上给定的光线数量,网格数越少,空间和角度分辨率就越低,但是相对精度越高(低出错率)。相反,网格数越多,空间和角度分辨率就越高,但是精度越低(高出错率)。估计的出错率显示在每个网格上,以帮助用户决定是否使用了足够的光线进行追迹仿真,以同时满足设计要求的分辨率和精度(Cassarly,W.J.,Fest,E.C.,andJenkins,D.G.,2002)。如果需要更多的光线,用户可以交互的继续进行模拟,直到达到目标。

  背光分析的一个重要方面是导光板表面的分光和散射。导光板的作用是光线能在内表面多次反射后被吸收或射出。如果光线在每个接触面都分光成透射和反射两部分,将造成非常大数量的分光光线,其中大多数并不携带多少能量,从而减慢了分析速度。这方面的一个例子如图12所示,显示了一条开始光线,由于分光造成的很多路径。

  下面的仿真使用2000条入射光线,由于分光,接收器收集到277948条光线(图13)。由于到达接收器的光线大多没有多少能量,结果误差为42%。相反,如果使用菲涅耳损耗系数和表面散射特性来决定光线的透射和反射的可能性,来评估光程路径的可能性,光线追迹的大部分时间将用于跟踪系统中的能量,从而加快分析。一个200,000入射光线的模拟结果如图14所示。在这种情况下,118969条光线到达接收器,计算误差为6%。使用概率模式光线追迹,减少了7倍的计算错误,同时减少了42%的计算时间。

  相反,如果使用菲涅耳损耗系数和表面散射特性来决定光线的透射和反射的可能性,来评估光程路径的可能性,光线追迹的大部分时间将用于跟踪系统中的能量,从而加快分析。一个200,000入射光线的模拟结果如图14所示。在这种情况下,118969条光线到达接收器,计算误差为6%。使用概率模式光线追迹,减少了7倍的计算错误,同时减少了42%的计算时间。

  最后,为了改善显示的均匀性,有时在导光板顶面使用扩散板。由于扩散板将光扩散到更广的角度上,散射到亮度计光圈的光就少了,而按照常规显示器亮度测试方法,需要非常大的光线数量作亮度计算。LightTools软件将目标区域或角度与散射表面对应,使用户可以指定哪些散射应该考虑。这是一个重要的采样形式,也是改进蒙特卡洛模拟收敛性的另外一种方法。图15显示了一个亮度计,和带有扩散板的背光,没有指定目标角度。追迹2000条光线,亮度计接收到40条光线,空间亮度的光栅如图所示。

  如图16显示了相同的例子,但是按重要值采样,在扩散板上指定了目标角度。目标角度匹配亮度计光圈的接受角度。当光线到达扩散板,LightTools软件将产生散射光(基于扩散模型的角分布推算的进入目标区域的光通量)进入目标角度,使亮度计收集的所有散射的光,从而改善了仿真的收敛。在这种情况下,2000条入射光线,1416条光线(71%)被亮度计接收。

  其他考虑

  背光广泛用于液晶显示器(LCD),这是一种偏振组件。给偏振组件建模,如线性偏振,四分之一波长片,极化光跟踪评估等是成功分析至关重要的因素。LightTools软件提供了简单的线性偏振和阻滞模型,以及偏振组件的Jones-Mueller矩阵规范。用户可以在需要时使用极化光线追踪功能,根据Stocks向量跟踪光的偏振态。

  经常在组件上有各种不同透明度,反射系数和偏振特性的光学涂层。涂层在LightTools软件中是根据其性能来定义的,这往往是用户唯一所知的信息。反射和透射的平均或单独S或P值可以由下列任何两个参数指定:发生角度,波长,X位置,或Y位置。系统提供了将涂覆叠层转换成LightTools软件涂层格式的工具。

  虽然大多数背光使用网点印刷或模压成型光线提取技术,其他方法也是可能的。一种是利用导光板中的粒子散射。如果粒子的大小和密度控制适当,从粒子的Mie散射可有效地从导光板中提取光线(Tagaya,etal.,2001:6274)。LightTools软件可以根据Mie理论批量仿真球形粒子的散射,或根据用户定义的角度分布仿真散射。

  导出完整的光学设计到CAD系统,往往是制造导光板的必要步骤,LightTools软件支持标准格式转换如STEP,SAT,orIGES来完成。由于数据转换标准仅支持外部几何数据,在模压成型设计提取的案件中,需要将三维纹理定义的造型转化为外部的几何数据输出。LightTools软件支持标准格式,可以有选择的将三维纹理转换成外部的几何数据,这样在转换文件中就包括了整个背光设计。

  小结

  背光设计技术一直在不断的进步和发展,以适市场的需求提供更好的性能和更低的成本。这种革新需要照明设计软件不断地增加新功能,尤其是对缩短背光设计周期的支持。LightTools软件的主要功能如模型创建和文件的大小,光线追迹和模拟时间,计算大量背光设计相关的光学参数的功能,均获得了业界的认可和验证。

  2004年发布的LightTools软件5.0版包括了噪声冗余的照度优化,这个在背光设计中非常实用。该功能可以自动定义光提取模板,达到最大化效率和均匀性。另外,LightTools软件的背光模板优化工具提供了针对背光和光导的输出分布优化的有效方法。

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