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中小尺寸液晶屏-背光顯示的光學(xué)設(shè)計(jì)

背光應(yīng)用于小型，輕便，要求從背后照明的平板液晶顯示器（LCD）等電子設(shè)備，包括小到如手掌大小的手持設(shè)備，大到大屏幕電視機(jī)。背光設(shè)計(jì)的目標(biāo)包括低功耗，超薄，高亮度，亮度均勻，大面積，不同寬窄的視角控制。為了實(shí)現(xiàn)這些挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并控制成本和快速實(shí)現(xiàn)，必須使用電腦輔助光學(xué)設(shè)計(jì)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)。 本文介紹了美國ORA公司的LightTools光學(xué)設(shè)計(jì)和分析軟件的特性，可用于開發(fā)當(dāng)今最先進(jìn)的背光設(shè)計(jì)應(yīng)用。

用于背光的光學(xué)設(shè)計(jì)和分析工具

背光照明系統(tǒng)需要將來自一個或多個光源的光進(jìn)行某種轉(zhuǎn)換，在一個區(qū)域或一個固定的角度；里產(chǎn)生需要的配光分布。照明設(shè)計(jì)軟件必須能夠幾何建模，對不同類型的光源和轉(zhuǎn)換單元設(shè)定光學(xué)特性參數(shù)，而且必須能夠使用光學(xué)追跡的方法來評價光線通過模型的路徑并計(jì)算最后的光分布。光分布采用蒙特卡羅模擬來計(jì)算特定區(qū)域和/或角度的照度，亮度，或發(fā)光強(qiáng)度。 光線從光源以隨機(jī)的位置和角度發(fā)出，通過光學(xué)系統(tǒng)追跡，并在接收面上接收。 照度可以從表面接收器計(jì)算出來，強(qiáng)度可以從遠(yuǎn)場接收器獲得。通過在接收器表面定義亮度計(jì)，可以計(jì)算出亮度隨空間和角度的分布。在某些情況下，分析顯示器的色度可能是很重要的。指定光源（如發(fā)光二極管）的光譜能量分布，輸出CIE坐標(biāo)值以及相關(guān)色溫（CCT），量化顯示器的色度，在顯示器上生成RGB真實(shí)光線渲染的圖形。這些分析在LightTools軟件中都可以做到。

背光顯示器的特點(diǎn)對照明分析軟件有特別的要求。正如將要說明的，背光發(fā)出的光線取決于印刷點(diǎn)的分布密度，或者微結(jié)構(gòu)的分布模式。對特定的微結(jié)構(gòu)陣列的建模，如果直接使用CAD模型可能會導(dǎo)致非常大的模型尺寸。LightTools軟件提供三維紋理陣列定義的功能，能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的光線追跡和渲染，由于沒有使用直接構(gòu)建的幾何模型，所以模型的體積更小，光線追跡更快。背光分析的另一個方面，包括光線在導(dǎo)光板表面的分光和散射。由于使用蒙特卡洛方法仿真照明效果，有可能必須使用大量光線追跡以獲得足夠精度的設(shè)計(jì)。 最有效的方法是追跡最高能量的光線。通過使用分光概率追跡最高能量的光線路徑，并使用散射表面的目標(biāo)區(qū)域或散射角度定向散射光到“重要”的方向（如朝向顯示器的觀察者）。

什么是背光？

典型的背光由一個光源，如冷陰極熒光燈（CCFL）或發(fā)光二極管（LED），和一個長方形導(dǎo)光板。其他可用組件包括擴(kuò)散板，用來提高顯示器的均勻性，以及增亮膜（BEF），用來提高了顯示器的亮度。光源通常位于導(dǎo)光板的一個側(cè)邊緣以減小顯示器的厚度。側(cè)光照明通常使用全反射（TIR）在顯示器中傳導(dǎo)光線。

背光設(shè)計(jì)師在LightTools軟件中有多種方法對光源建模。熒光燈光源的不同形狀（如直，L形，U形或W形，如圖2所示）可以迅速使用熒光燈創(chuàng)建工具定義。燈的反射器可以用LightTools軟件中的各種幾何原形定義，如圓柱，橢圓形槽，擠壓成型的多邊形。在CAD系統(tǒng)中定義的反射器也可以通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式（IGES, STEP, SAT 和CATIA）導(dǎo)入到LightTools軟件。如果使用LED，設(shè)計(jì)人員就可以從LightTools軟件中預(yù)存的安捷倫，Lumileds，日亞，歐司朗等公司的產(chǎn)品模型中選擇期望的LED模型。一旦光線進(jìn)入導(dǎo)光板的一邊，問題就變成從導(dǎo)光板中提取垂直于傳播方向的光線。

如圖3所示，導(dǎo)光板中最亮是靠近光源的一邊，隨著距離越遠(yuǎn)，導(dǎo)光板中的亮度越暗。為了獲得均勻的光線輸出，光線提取效率必須隨著距離增加而增加。背光設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一是設(shè)計(jì)按需要改變光線提取效率的導(dǎo)光板。有兩種提取技術(shù)可以使用。網(wǎng)點(diǎn)印刷光線提取技術(shù)是在導(dǎo)光板的底部印刷點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)將光向上散射，從導(dǎo)光板表面射出。第二種技術(shù)，　模壓成型光線提取技術(shù)，依靠底部表面微觀結(jié)構(gòu)的全反射（TIR），使光從導(dǎo)光板表面射出。

LightTools軟件提供背光設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光板的設(shè)計(jì)。此工具（圖4）協(xié)助用戶創(chuàng)建背光的各種組件。其他選項(xiàng)包括向模型添加光源/反射器組件，BEF建模，建立一個接收器來分析亮度。背光工具的界面是多個標(biāo)簽，用來設(shè)置和修改各種不同類型的光線提取機(jī)制。 

對于使用網(wǎng)點(diǎn)印刷光線提取方法的背光，背光工具可以設(shè)置印刷點(diǎn)的大小尺寸和長寬比的線性變化，　以及網(wǎng)點(diǎn)間距沿著導(dǎo)光板長度方向的線性變化。這種線性變化的結(jié)構(gòu)對顯示均勻性往往是一個良好的起點(diǎn)，但并不足以滿足最終的均勻性要求。進(jìn)一步控制均勻性可以使用非線性變化的光線提取參數(shù)。一種使用最少參數(shù)而且控制非常靈活的方法是定義二次貝塞爾曲線的參數(shù)變量。 LightTools軟件的二維區(qū)域工具可用來設(shè)置非線性結(jié)構(gòu)。圖5顯示了一個使用印刷提取的例子，其中3個參數(shù)（印刷點(diǎn)寬度，高度和垂直間距）的變化來獲得不同的提取行為。輸出均勻性如圖6所示。其中右圖顯示平均輸出亮度是一個常數(shù)。