本文建立了楔形LCD背
光源模型,并对其进行分析,并按照
照明输出标准对其进行
优化。
Gi "941zVl G}FIjBE 简介
(;q\}u 液晶显示器 (LCDs) 作为一种显示技术,在当今社会中已经得到了广泛的应用。在商业领域中最突出的应用包括计算机显示器、移动电话、电视和手持数字设备。
L+CyQq Ti'}MC+0 当环境光照条件不足时,大多数LCD都是接收后方照明以提供光照的。采用的两种照明方案为:底部照明和边缘照明,OpticStudio能够对这两种照明方案进行建模,且边缘照明方案中存在更复杂的设计问题,本文将重点对此进行介绍。
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g ~ LCD 照明方案
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^%z !zPa_`P LCD底部照明方案使用阵列光源,如发光二极管,或均匀光源(如放置在LCD后面的电致发光面板)。此方案具有良好的均匀性和亮度,但需要更多的能量和更厚的保护壳。
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:L 本文的重点内容是边缘照明设计,使用楔形导光板对放置于LCD显示器旁边的光源发出的光进行分布。与底部照明方案相比,此方案消耗的能量更少,且封装更薄,但是均匀性和亮度较差。
:PtF+{N> 7{I h_.# lKlU-4 本文中忽略实际的液晶层,只考虑
背光源设计。
NMww>80 7c~u=U" 建立背光源模型
D5:{fWVsV/ Q" ,0F{' 边缘照明LCD的详细布局图如下图所示:
[+OnV& L5qwWvbT Oi:<~E[kz. 光源通常是冷阴极荧光灯管 (CCFL) 或一系列发光二极管 (
LED) ,且在光源的后面放置反射器可以提高
系统的效率。楔形光波导利用全内反射 (TIR) 使光更均匀地分布在显示区域。用反射镜围绕光波导,也可以提高系统效率。使用不同增亮膜 (BEF) 的阵列模式,可用于控制发射光的发光强度和偏振特性。
C&6IU8l\ i} N8(B( 在此设计案例中假设一些约束条件:将基于标准的移动电话选择显示屏的面积,并根据整体封装高度的限制选择光波导厚度。
e'=MQ,EWd 5vw{b? 显示区域面积:75 mm x 75 mm
<0S,Q+& MW PvR|Q 楔形板厚度:输入面 4 mm ,端面 1 mm
JB>b`W9 CYKr\DA BEF:Vikuiti™ T-BEF 90/24
A0Zt8>w Le*.*\ 下载本文附件,将
玻璃库放在{Zemax}\Glasscat目录中。这个
材料库包含了改性丙烯酸和PMMA,可用来
模拟这些塑料的内部近似传输值 (93%超过25毫米) 。基本设计和
参数在“Starting Point.zmx” 文件中定义。请留意非序列元件编辑器 (Non-Sequential Component Editor,NSCE) 中用于建模不同背光元件的光源/物体类型。
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>5j<4ShW 当被激发的电子撞击阴极管表面的涂层材料时,冷阴极荧光灯管发光。使用“管光源”对此类光源发射方式而言是非常理想。可以通过交替使用“二极管光源”来模拟一维二极管阵列作为光源。
v*9<c{a E=cwq" 使用由丙烯酸材料制成的矩形体物体建立楔形光波导模型。该物体可以存在不同的端面尺寸和倾斜。请注意,只有倾斜物体才能保持光波导的上表面与X-Z平面平行。由于物体是围绕光波导输入面的中心旋转,而不是顶部边缘,所以Y的位置也需要略做改变。在物体倾斜的前后表面上都设置拾取 (Pickup) 求解以确保他们与Y-Z平面保持平行。
h68]=KyK hAm`NJMSO 3;8!rNN BEF是系统中最复杂的元件。手动复制父棱镜将非常耗时,且在
光线追迹时需要大量内存。可以用阵列物体来替代复制棱镜,因为它只需要与父物体相同的内存,并且可以通过调整父物体的参数来改变整个阵列。同时,请注意存在阵列时的光线追迹速度,即使它内部仅仅含有几何物体。
Dc+'<" Zr-U&9.` 确定初始性能
4[BG# $DZHQH 现在已经搭建了基本系统,接下来查看其初始性能。通常用于确定设计优劣的标准是能量传递效率和均匀性(照度和发光强度)。能量传递效率的定义是显示器发出的能量与光源发出的能量之比。在空间位置中,期望整个显示器上的输出是均匀一致的(每像素最小通量的偏差)。在角度空间中,输出在(~30度)半锥角内应该均匀。请注意,此系统是为小型数字设备所设计的。如果此设计要用于电视或电脑显示器,则需要更大的半锥角(~90度)。
!H2QjW {O+Kw<d 使用下图所示的光线追迹控件 (Ray Trace Control) 进行光线追迹的相关设置,并注意阈值造成的能量损失。
y2+p1 =i(?deR o}<4*qlI 查看探测器查看器,可以看到大约40%的光源能量到达探测器;由于蒙特卡罗 (Monte Carlo) 光线追迹的随机性,这个值可能会变化几个百分点。光线错误会导致一些能量损失,但在此应用场景中这是无关紧要的。大部分的能量损失是由于光波导中的体吸收造成的,且近10%的能量损失是由于阈值,这在光线要经过多次反射的系统中很常见。如果能量损失很大,可以通过将最小相对光线强度降低几个数量级来消除这种能量损失,但它会明显地减慢光线追迹的速度。将阈值降低到1E-6可以将能量损失降低到1%,并将效率提高到46%左右。
XfKo A0 11,!XD*" ;/0 Q1- 查看照度和发光强度的分布。光源对面的显示屏照度最高,这是由于光波导造成入射角变大,使TIR更接近光源造成的。发光强度图上显示了几个峰值,而不是在较小角度内具有理想的均匀分布。可以看出,这种强度分布是楔形光波导和BEF的特点。
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/v6l }=v)Js sg8/#_S1i 根据目前的定义,系统中几乎没有几何参数可以修正这些分布。最有效的方法是在楔形光波导中引入散射特性。并且,输入面、顶面和底面对照度和发光强度分布的影响最大。
]I L;`>Gp LC})ciWa 使用以下设置将朗伯散射配置文件应用于光波导的输入面。
Z(ZiFPx2Z 7#~+@'Oe YOrrkbJ( 进行光线追迹并观察输出特性的差异。确保在光线追迹控件对话框选中“散射光线 (Scatter Rays)”!
(D
9Su^:1 OKHX)"j\\ {<5ybbhLV 该系统的效率提高了几个百分点,照明均匀性得到了很大的改善。发光强度略有改善,但仍存在一些重要问题有待解决。
<HRBMSR+ <BW[1h1k5_ 现在,从光波导的前表面移除散射配置文件,并应用到顶面。默认情况下,使用三个面组定义矩形体,因此不能仅将顶面或底面设置为漫反射板。取而代之,将放置与顶面一致的散射矩形体并为该表面添加散射配置文件。如果该物体与非序列元件编辑器中的矩形体相同,则嵌套规则将使界面中的新物体处于优先地位。在物体7处插入矩形体物体,该矩形体的参数如下:
;P;((2_X9 9m-)Xdoy Y-坐标 = 2
9<vWcq*4 TI !a )X Z-坐标 = 38.5
*-12VIG'H fl;s9:< X-倾斜 = -90
IQ!\w- `juLQH 材料:空白(空气)
rS0DSGDq x)UwV X1、 X2、Y1、 Y2 半宽 = 37.5
siTX_`0 Pub0IIs Z 长度 = 0.01
h!#:$|Q <jS~ WI@ 朗伯散射配置文件:只用于前表面
xP=/N!,# Z--@.IYoJ 保留其他参数的默认值。运行光线追迹并记录输出的变化。
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?P |8bq>01~ ~Xlrvb}LP 照度均匀性下降,但是影响光照强度的重点问题得到解决,效率也大大提高了。从结果中发现:需要在输出的空间分布和角分布的均匀性之间做出权衡;如果在底面使用相似的散射函数会使效率降低。
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