Design ottico dello schermo LCD di piccole e medie dimensioni del display retroilluminato

La retroilluminazione viene utilizzata nei display a cristalli liquidi (LCD) piccoli e leggeri a schermo piatto e in altri dispositivi elettronici che richiedono la retroilluminazione, compresi i dispositivi portatili piccoli quanto il palmo di una mano e i televisori a grande schermo. Gli obiettivi del design della retroilluminazione includono basso consumo energetico, ultrasottile, alta luminosità, luminosità uniforme, ampia area e controllo di diverse larghezze e angoli di visione stretti. Per raggiungere questi obiettivi di progettazione impegnativi con costi controllati e implementazione rapida, è necessario utilizzare strumenti di progettazione ottica assistita da computer per la progettazione. Questo articolo presenta le caratteristiche del software di analisi e progettazione ottica LightTools della società ORA negli Stati Uniti, che può essere utilizzato per sviluppare le applicazioni di progettazione della retroilluminazione più avanzate oggi.
Strumenti di progettazione e analisi ottica per la retroilluminazione
Un sistema di retroilluminazione richiede una certa conversione della luce proveniente da una o più sorgenti luminose per produrre la distribuzione della luce richiesta in un'area o con un angolo fisso. Il software di progettazione illuminotecnica deve essere in grado di modellare geometricamente, impostare parametri caratteristici ottici per diversi tipi di sorgenti luminose e unità di conversione e deve essere in grado di utilizzare metodi di tracciamento ottico per valutare il percorso della luce attraverso il modello e calcolare la distribuzione della luce finale. La distribuzione della luce utilizza simulazioni Monte Carlo per calcolare l'illuminamento, la luminanza o l'intensità luminosa per aree e/o angoli specifici. I raggi luminosi vengono emessi dalla sorgente luminosa in posizioni e angoli casuali, tracciati attraverso il sistema ottico e ricevuti sulla superficie ricevente. L'illuminamento può essere calcolato da ricevitori di superficie e l'intensità può essere ottenuta da ricevitori in campo lontano. Definendo un misuratore di luminanza sulla superficie del ricevitore è possibile calcolare la distribuzione spaziale ed angolare della luminanza. In alcuni casi, potrebbe essere importante analizzare la cromaticità di un display. Specifica la distribuzione spettrale dell'energia delle sorgenti luminose (come i diodi emettitori di luce), le coordinate CIE di output e la temperatura di colore correlata (CCT), quantifica la cromaticità del display e genera grafica di rendering della luce reale RGB sul display. Tutte queste analisi possono essere eseguite nel software LightTools.
Le caratteristiche dei display retroilluminati pongono requisiti particolari ai software di analisi dell'illuminazione. Come verrà spiegato, la luce emessa dalla retroilluminazione dipende dalla densità di distribuzione dei punti stampati o dallo schema di distribuzione delle microstrutture. Per la modellazione di array di microstrutture specifiche, se viene utilizzato direttamente il modello CAD, la dimensione del modello potrebbe essere molto grande. Il software LightTools fornisce funzioni definite da array di texture 3D, che possono eseguire ray tracing e rendering accurati. Poiché non viene utilizzato alcun modello geometrico costruito direttamente, la dimensione del modello è inferiore e il ray tracing è più veloce. Un altro aspetto dell'analisi del controluce comprende la suddivisione e la diffusione della luce sulla superficie della piastra guida luce. Poiché gli effetti di luce vengono simulati utilizzando i metodi Monte Carlo, è possibile che sia necessario utilizzare un ray tracing esteso per ottenere un progetto con sufficiente precisione. Il modo più efficiente è tracciare il raggio energetico più alto. Tracciando il percorso del raggio di energia più alta utilizzando probabilità divise e utilizzando l'area target o l'angolo di diffusione della superficie di diffusione per dirigere la luce diffusa verso direzioni "importanti" (come verso lo spettatore del display).
Shenzhen Hongjia Technology è specializzata in ricerca e sviluppo e produzione di schermi LCD con varie luminosità. La luminosità della retroilluminazione è uniforme. La luminosità complessiva del modulo può raggiungere i 2000 lumen. È chiaramente leggibile alla luce del sole. La temperatura di lavoro può raggiungere da -35 a 85 gradi. Antistatico con telaio in ferro Bene, le prestazioni in caduta sono superiori.
Cos'è la retroilluminazione?
Una tipica retroilluminazione è costituita da una sorgente luminosa, come una lampada fluorescente a catodo freddo (CCFL) o un diodo a emissione di luce (LED), e una guida luminosa rettangolare. Altri componenti disponibili includono piastre diffusori, che migliorano l'uniformità del display, e pellicole per il miglioramento della luminosità (BEF), che aumentano la luminosità del display. La sorgente luminosa è solitamente posizionata su un bordo laterale della piastra di guida della luce per ridurre lo spessore del display. L'illuminazione dei bordi utilizza in genere la riflessione totale (TIR) ​​per dirigere la luce nel display.
   Backlight designers have several ways to model light sources in LightTools software. Different shapes of fluorescent light sources (such as straight, L-shaped, U-shaped or W-shaped, as shown in Figure 2) can be quickly defined using the fluorescent lamp creation tool. The lamp reflector can be defined with various geometric primitives in LightTools software, such as cylinders, elliptical slots, and extruded polygons. Reflectors defined in CAD systems can also be imported into LightTools software via standard data exchange formats (IGES, STEP, SAT and CATIA). If LEDs are used, designers can select desired LED models from the pre-stored product models of Agilent, Lumileds, Nichia, Osram, etc. in the LightTools software. Once the light enters one side of the LGP, the problem becomes to extract the light from the LGP perpendicular to the direction of propagation.
Come mostrato nella FIG. 3, il lato più luminoso della piastra di guida della luce è vicino alla sorgente luminosa e la luminosità nella piastra di guida della luce diventa più scura all'aumentare della distanza. Per un'emissione luminosa uniforme, l'efficienza di estrazione della luce deve aumentare con la distanza. Uno dei compiti principali nella progettazione della retroilluminazione è progettare una piastra guida della luce che vari l'efficienza di estrazione della luce come desiderato. Esistono due tecniche di estrazione che possono essere utilizzate. La tecnologia di estrazione della luce con stampa a punti consiste nel stampare una struttura a matrice di punti sul fondo della piastra di guida della luce per diffondere la luce verso l'alto ed emetterla dalla superficie della piastra di guida della luce. La seconda tecnologia, Molded Light Extraction Technology, si basa sulla riflessione totale (TIR) ​​della microstruttura della superficie inferiore per far emergere la luce dalla superficie dell'LGP.
Il software LightTools fornisce strumenti di progettazione della retroilluminazione per realizzare il design della piastra guida luce. Questo strumento (Figura 4) assiste l'utente nella creazione dei vari componenti della retroilluminazione. Altre opzioni includono l'aggiunta di un componente sorgente luminosa/riflettore al modello, la modellazione BEF e la costruzione di un ricevitore per analizzare la luminosità. L'interfaccia dello strumento di retroilluminazione è una raccolta di schede per impostare e modificare vari tipi di meccanismi di estrazione della luce.
Per la retroilluminazione che utilizza il metodo di estrazione della luce di stampa dei punti, lo strumento di retroilluminazione può impostare la modifica lineare delle dimensioni e delle proporzioni dei punti stampati e la modifica lineare della spaziatura dei punti lungo la lunghezza della piastra di guida della luce. Questa struttura linearmente variabile è spesso un buon punto di partenza per mostrare l'uniformità, ma non è sufficiente per i requisiti finali di uniformità. Un ulteriore controllo sull'uniformità può essere ottenuto utilizzando parametri di estrazione dei raggi che variano in modo non lineare. Un metodo con il minor numero di parametri e un controllo molto flessibile consiste nel definire variabili parametriche della curva quadratica di Bézier. Lo strumento regione 2D del software LightTools può essere utilizzato per impostare strutture non lineari. La Figura 5 mostra un esempio di utilizzo dell'estrazione stampata, in cui 3 parametri (larghezza del punto stampato, altezza e spaziatura verticale) vengono variati per ottenere diversi comportamenti di estrazione. L'uniformità dell'uscita è mostrata nella Figura 6. La figura a destra mostra che la luminosità media dell'uscita è costante.