Kleine und mittelgroße LCD-Bildschirme – optisches Design der Hintergrundbeleuchtung

Die Hintergrundbeleuchtung wird in kleinen, leichten Flüssigkristall-Flachbildschirmen (LCDs) und anderen elektronischen Geräten verwendet, die eine Hintergrundbeleuchtung benötigen, darunter tragbare Geräte, die so klein wie die Handfläche sind, und Großbildfernseher. Zu den Zielen des Hintergrundbeleuchtungsdesigns gehören geringer Stromverbrauch, ultradünn, hohe Helligkeit, gleichmäßige Helligkeit, große Fläche sowie die Steuerung unterschiedlicher Breiten und schmaler Betrachtungswinkel. Um diese anspruchsvollen Designziele mit kontrollierten Kosten und schneller Umsetzung zu erreichen, müssen für den Entwurf computergestützte optische Designwerkzeuge eingesetzt werden. In diesem Artikel werden die Eigenschaften der optischen Design- und Analysesoftware LightTools von ORA Company in den USA vorgestellt, mit der sich heute die fortschrittlichsten Anwendungen für das Design von Hintergrundbeleuchtungen entwickeln lassen.
Optische Design- und Analysetools für Hintergrundbeleuchtung
Ein Hintergrundbeleuchtungssystem erfordert eine gewisse Umwandlung des Lichts einer oder mehrerer Lichtquellen, um die erforderliche Lichtverteilung in einem Bereich oder in einem festen Winkel zu erzeugen. Lichtdesign-Software muss in der Lage sein, geometrische Modelle zu erstellen, optische charakteristische Parameter für verschiedene Arten von Lichtquellen und Konvertierungseinheiten festzulegen und optische Verfolgungsmethoden zu verwenden, um den Lichtweg durch das Modell zu bewerten und die endgültige Lichtverteilung zu berechnen. Die Lichtverteilung nutzt Monte-Carlo-Simulationen, um Beleuchtungsstärke, Leuchtdichte oder Lichtstärke für bestimmte Bereiche und/oder Winkel zu berechnen. Lichtstrahlen werden von der Lichtquelle in zufälligen Positionen und Winkeln ausgesendet, durch das optische System verfolgt und auf der Empfangsoberfläche empfangen. Die Beleuchtungsstärke kann aus Oberflächenempfängern berechnet werden und die Intensität kann aus Fernfeldempfängern ermittelt werden. Durch die Definition eines Leuchtdichtemessers auf der Empfängeroberfläche kann die räumliche und Winkelverteilung der Leuchtdichte berechnet werden. In manchen Fällen kann es wichtig sein, die Chromatizität einer Anzeige zu analysieren. Geben Sie die spektrale Energieverteilung von Lichtquellen (z. B. Leuchtdioden) an, geben Sie CIE-Koordinaten und die korrelierte Farbtemperatur (CCT) aus, quantifizieren Sie die Chromatizität der Anzeige und generieren Sie RGB-Grafiken für die Wiedergabe von echtem Licht auf der Anzeige. Diese Analysen können alle in der LightTools-Software durchgeführt werden.
Die Eigenschaften von hinterleuchteten Displays stellen besondere Anforderungen an die Beleuchtungsanalysesoftware. Wie noch erläutert wird, hängt das von der Hintergrundbeleuchtung emittierte Licht von der Verteilungsdichte gedruckter Punkte bzw. dem Verteilungsmuster von Mikrostrukturen ab. Bei der Modellierung spezifischer Mikrostrukturarrays kann die Modellgröße bei direkter Verwendung des CAD-Modells sehr groß sein. Die LightTools-Software bietet durch 3D-Textur-Arrays definierte Funktionen, die eine genaue Raytracing- und Rendering-Funktion durchführen können. Da kein direkt konstruiertes geometrisches Modell verwendet wird, ist die Größe des Modells kleiner und das Raytracing ist schneller. Ein weiterer Aspekt der Hintergrundbeleuchtungsanalyse umfasst die Aufteilung und Streuung von Licht auf der Oberfläche der Lichtleiterplatte. Da Lichteffekte mit Monte-Carlo-Methoden simuliert werden, kann es sein, dass umfangreiches Raytracing eingesetzt werden muss, um ein Design mit ausreichender Genauigkeit zu erhalten. Der effizienteste Weg besteht darin, den Strahl mit der höchsten Energie zu verfolgen. Durch Verfolgen des Strahlenpfads mit der höchsten Energie unter Verwendung von Teilungswahrscheinlichkeiten und unter Verwendung der Zielfläche oder des Streuwinkels der Streuoberfläche, um das Streulicht in „wichtige“ Richtungen zu lenken (z. B. in Richtung des Betrachters der Anzeige).
Shenzhen Hongjia Technology ist auf die Forschung und Entwicklung sowie die Produktion von LCD-Bildschirmen mit unterschiedlichen Helligkeiten spezialisiert. Die Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung ist gleichmäßig. Die Gesamthelligkeit des Moduls kann 2000 Lumen erreichen. Im Sonnenlicht ist es gut lesbar. Die Arbeitstemperatur kann -35 bis 85 Grad erreichen. Antistatisch mit Eisenrahmen. Nun, die Fallleistung ist überlegen.
Was ist Hintergrundbeleuchtung?
Eine typische Hintergrundbeleuchtung besteht aus einer Lichtquelle, beispielsweise einer Kaltkathoden-Leuchtstofflampe (CCFL) oder einer Leuchtdiode (LED), und einem rechteckigen Lichtleiter. Zu den weiteren verfügbaren Komponenten gehören Diffusorplatten, die die Gleichmäßigkeit der Anzeige verbessern, und Helligkeitsverstärkerfolien (BEF), die die Helligkeit der Anzeige erhöhen. Die Lichtquelle befindet sich normalerweise an einer Seitenkante der Lichtleiterplatte, um die Dicke des Displays zu verringern. Kantenbeleuchtung nutzt typischerweise Totalreflexion (TIR), um Licht in die Anzeige zu lenken.
Hintergrundbeleuchtungsdesigner haben mehrere Möglichkeiten, Lichtquellen in der LightTools-Software zu modellieren. Verschiedene Formen fluoreszierender Lichtquellen (z. B. gerade, L-förmig, U-förmig oder W-förmig, wie in Abbildung 2 dargestellt) können mit dem Tool zur Erstellung von Leuchtstofflampen schnell definiert werden. Der Lampenreflektor kann mit verschiedenen geometrischen Grundelementen in der LightTools-Software definiert werden, beispielsweise Zylindern, elliptischen Schlitzen und extrudierten Polygonen. In CAD-Systemen definierte Reflektoren können auch über Standard-Datenaustauschformate (IGES, STEP, SAT und CATIA) in die LightTools-Software importiert werden. Bei Verwendung von LEDs können Designer in der LightTools-Software die gewünschten LED-Modelle aus den vorgespeicherten Produktmodellen von Agilent, Lumileds, Nichia, Osram usw. auswählen. Sobald das Licht auf einer Seite des LGP eintritt, besteht das Problem darin, das Licht senkrecht zur Ausbreitungsrichtung aus dem LGP zu extrahieren.
Wie in FIG. In 3 befindet sich die hellste Seite der Lichtleiterplatte in der Nähe der Lichtquelle und die Helligkeit in der Lichtleiterplatte wird mit zunehmendem Abstand dunkler. Für eine gleichmäßige Lichtausbeute muss die Lichtextraktionseffizienz mit zunehmender Entfernung zunehmen. Eine der Hauptaufgaben beim Design von Hintergrundbeleuchtungen besteht darin, eine Lichtleiterplatte zu entwerfen, die die Effizienz der Lichtauskopplung nach Wunsch variiert. Es gibt zwei Extraktionstechniken, die verwendet werden können. Bei der Punktdruck-Lichtextraktionstechnologie wird eine Punktmatrixstruktur auf die Unterseite der Lichtleiterplatte gedruckt, um das Licht nach oben zu streuen und von der Oberfläche der Lichtleiterplatte abzustrahlen. Die zweite Technologie, die Molded Light Extraction Technology, basiert auf der Totalreflexion (TIR) ​​der Mikrostruktur der Bodenoberfläche, um zu bewirken, dass Licht aus der Oberfläche des LGP austritt.
Die LightTools-Software bietet Hintergrundbeleuchtungs-Designtools, um das Design der Lichtleiterplatte zu realisieren. Dieses Tool (Abbildung 4) unterstützt den Benutzer bei der Erstellung der verschiedenen Komponenten der Hintergrundbeleuchtung. Weitere Optionen umfassen das Hinzufügen einer Lichtquelle/Reflektorkomponente zum Modell, die BEF-Modellierung und den Aufbau eines Empfängers zur Analyse der Helligkeit. Die Benutzeroberfläche des Hintergrundbeleuchtungstools besteht aus einer Sammlung von Registerkarten zum Einrichten und Ändern verschiedener Arten von Lichtextraktionsmechanismen.
Für die Hintergrundbeleuchtung mit der Punktdruck-Lichtextraktionsmethode kann das Hintergrundbeleuchtungstool die lineare Änderung der Größe und des Seitenverhältnisses der gedruckten Punkte sowie die lineare Änderung des Punktabstands entlang der Länge der Lichtleiterplatte festlegen. Diese linear variierende Struktur ist oft ein guter Ausgangspunkt für die Darstellung der Gleichmäßigkeit, reicht jedoch nicht für die endgültigen Gleichmäßigkeitsanforderungen aus. Eine weitere Kontrolle der Gleichmäßigkeit kann durch nichtlinear variierende Strahlextraktionsparameter erreicht werden. Eine Methode mit der geringsten Parameteranzahl und sehr flexibler Steuerung besteht darin, parametrische Variablen der quadratischen Bézier-Kurve zu definieren. Mit dem 2D-Regionen-Tool der LightTools-Software können nichtlineare Strukturen erstellt werden. Abbildung 5 zeigt ein Beispiel für die Verwendung der gedruckten Extraktion, bei der drei Parameter (Breite, Höhe und vertikaler Abstand des gedruckten Punkts) variiert werden, um unterschiedliche Extraktionsverhalten zu erhalten. Die Gleichmäßigkeit der Ausgabe ist in Abbildung 6 dargestellt. Die Abbildung rechts zeigt, dass die durchschnittliche Ausgabehelligkeit konstant ist.