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背光显示的光学设计工具LightTools 背光显示的光学设计工具LightTools导言背光应用于小型轻便要求从背后照 明的平板液晶显示器LCD等电子设备包括小到如手掌大小的手持设备大到大屏幕电 视机。背光设计的目标包括低功耗超薄高亮度亮度均匀大面积不同宽窄的视角控 制。为了实现这些挑战性的设计目标并控制成本和快速实现必须使用电脑辅助光学 设计工具进行设计。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。用于背光的光学设计和分析工具背 光照明系统需要将来自一个或多个光源的光进行某种转换然后在一个区域或一个立 体角里产生需要的配光分布。照明设计软件必须能够几何建模对不同类型的光源和 转换单元设定光学特性参数而且必须能够使用光学追迹的方法来评价光线通过模型 的路径并计算最后的光分布。光分布采用蒙特卡罗模拟来计算特定区域和/或角度 的照度亮度或发光强度。光线从光源以随机的位置和角度发出通过光学系统追迹并 在接收面上接收。照度可以从表面接收器计算出来强度可以从远场接收器获得。通 过在接收器表面定义亮度计可以计算出亮度随空间和角度的分布。在某些情况下分 析显示器的色度可能是很重要的。指定光源如发光二极管的光谱能量分布输出CIE 坐标值以及相关色温CCT量化显示器的色度在显示器上生成RGB真实光线渲染的图 形。这些分析在LightTools软件中都可以做到。背光显示器的特点对照明分析软 件有特别的要求。正如将要说明的背光发出的光线取决于印刷点的分布密度或者微 结构的分布模式。对特定的微结构阵列的建模如果直接使用CAD模型可能会导致非 常大的模型尺寸。LightTools软件提供三维纹理阵列定义的功能能够进行准确的 光线追迹和渲染由于没有使用直接构建的几何模型所以模型的体积更小光线追迹更 快。背光分析的另一个方面包括光线在导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须使用大量光线追迹以获得足够精度的设计。最有效 的方法是追迹最高能量的光线。通过使用分光概率追迹最高能量的光线路径并使用 散射表面的目标区域或散射角度定向散射光到重要的方向如朝向显示器的观察者。 什么是背光典型的背光由一个光源如冷阴极荧光灯CCFL或发光二极管LED和一个 长方形导光板。其他可用组件包括扩散板用来提高显示器的均匀性以及增亮膜BEF 用来提高了显示器的亮度。光源通常位于导光板的一个侧边缘以减小显示器的厚 度。侧光照明通常使用全反射TIR在显示器中传导光线。图1显示了一个典型的背 光设计原理图。背光设计师在LightTools软件中有多种方法对光源建模。荧光灯 光源的不同形状如直L形U形或W形如图2所示可以迅速使用荧光灯创建工具定 义。灯的反射器可以用LightTools软件中的各种几何原形定义如圆柱椭圆形槽挤 压成型的多边形。在CAD系统中定义的反射器也可以通过标准数据交换格式 IGESSTEPSAT和CATIA导入到LightTools软件。如果使用LED设计人员就可以从 LightTools软件中预存的安捷伦Lumileds日亚欧司朗等公司的产品模型中选择期 望的LED模型。一旦光线进入导光板的一边问题就变成从导光板中提取垂直于传播 方向的光线。如图3所示导光板中最亮是靠近光源的一边随着距离越远导光板中的 亮度越暗。为了获得均匀的光线输出光线提取效率必须随着距离增加而增加。背光 设计的主要任务之一是设计按需要改变光线提取效率的导光板。有两种提取技术可 以使用。网点印刷光线提取技术是在导光板的底部印刷点阵结构将光向上散射从导 光板表面射出。第二种技术模压成型光线提取技术依靠底部表面微观结构的全反射 TIR使光从导光板表面射出。LightTools软件提供背光设计工具实现导光板的设 计。此工具图4协助用户创建背光的各种组件。其他选项包 括向模型添加光源/反射器组件BEF建模建立一个接收器来分析亮度。背光工 具的界面是多个标签用来设置和修改各种不同类型的光线提取机制。对于使用网点 印刷光线提取方法的背光背光工具可以设置印刷点的大小尺寸和长宽比的线性变化 以及网点间距沿着导光板长度方向的线性变化。这种线性变化的结构对显示均匀性 往往是一个良好的起点但并不足以满足最终的均匀性要求。进一步控制均匀性可以 使用非线性变化的光线提取参数。一种使用最少参数而且控制非常灵活的方法是定 义二次贝塞尔曲线的参数变量。LightTools软件的二维区域工具可用来设置非线 性结构。图5显示了一个使用印刷提取的例子其中3个参数印刷点宽度高度和垂直 间距的变化来获得不同的提取行为。输