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背光显示的光学设计工具

【提要】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。

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，在一个区域或一个固定的
角度；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（IGES,STEP,SAT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