Outils de conception et d'analyse optiques pour l'affichage à rétroéclairage LED

Les rétroéclairages sont utilisés dans les petits écrans plats à cristaux liquides (LCD) légers et autres appareils électroniques nécessitant un rétroéclairage, y compris les appareils portables aussi petits que des paumes et les téléviseurs à grand écran. Les objectifs de la conception du rétroéclairage comprennent une faible consommation d'énergie, une luminosité ultra-mince, élevée, une luminosité uniforme, une grande surface et un contrôle de largeur et d'angle de vision étroit. Afin d'atteindre ces objectifs de conception difficiles, de contrôler les coûts et d'obtenir une mise en œuvre rapide, des outils de conception optique assistée par ordinateur doivent être utilisés pour la conception. ? Cet article présente les caractéristiques du logiciel de conception et d'analyse optique LightTools d'ORA aux États-Unis, qui peut être utilisé pour développer les applications de conception de rétroéclairage les plus avancées aujourd'hui.

Outils de conception et d'analyse optique pour le rétroéclairage

Le système de rétroéclairage doit convertir la lumière d'une ou plusieurs sources lumineuses pour produire la répartition lumineuse requise dans une zone ou à un angle fixe. Le logiciel de conception d'éclairage doit être capable de modéliser géométriquement, de définir des paramètres de caractéristiques optiques pour différents types de sources lumineuses et d'unités de conversion, et doit être capable d'utiliser des méthodes de traçage optique pour évaluer le chemin de la lumière traversant le modèle et calculer la distribution lumineuse finale . La distribution de la lumière utilise la simulation Monte Carlo pour calculer l'éclairement, la luminosité ou l'intensité lumineuse d'une zone et/ou d'un angle spécifique. ? La lumière est émise par la source lumineuse à des positions et des angles aléatoires, tracée à travers le système optique et reçue sur la surface de réception. L'éclairement peut être calculé à partir du récepteur de surface et l'intensité peut être obtenue à partir du récepteur de champ lointain. En définissant un luminancemètre sur la surface du récepteur, la distribution de la luminance avec l'espace et l'angle peut être calculée. Dans certains cas, il peut être important d'analyser la chromaticité de l'affichage. Spécifiez la distribution d'énergie spectrale de la source lumineuse (telle que les diodes électroluminescentes), les valeurs de coordonnées CIE de sortie et la température de couleur corrélée (CCT), quantifiez la chromaticité de l'écran et générez des graphiques de rendu de lumière réelle RVB sur l'écran. Ces analyses peuvent toutes être effectuées dans le logiciel LightTools.

Les caractéristiques de l'écran rétroéclairé ont des exigences particulières pour le logiciel d'analyse de l'éclairage. Comme cela sera expliqué, la lumière émise par le rétroéclairage dépend de la densité de distribution des points imprimés, ou du motif de distribution de la microstructure. Pour la modélisation d'un réseau de microstructures spécifique, si le modèle CAO est utilisé directement, il peut en résulter une très grande taille de modèle. Le logiciel LightTools fournit la fonction de définition de matrice de texture 3D, qui peut effectuer un lancer de rayons et un rendu précis. Comme aucun modèle géométrique directement construit n'est utilisé, le volume du modèle est plus petit et le lancer de rayons est plus rapide. Un autre aspect de l'analyse du rétroéclairage comprend la division et la diffusion de la lumière sur la surface de la plaque de guidage de lumière. Étant donné que la méthode de Monte Carlo est utilisée pour simuler des effets d'éclairage, il peut être nécessaire d'utiliser un grand nombre de tracés de rayons pour obtenir une conception avec une précision suffisante. ? La méthode la plus efficace consiste à tracer la lumière la plus énergétique. Traçage du trajet de rayon énergétique le plus élevé en utilisant la probabilité de division et en utilisant la zone cible ou l'angle de diffusion de la surface de diffusion pour diriger la lumière diffusée vers le"important" direction (par exemple vers le spectateur de l'écran).

Qu'est-ce que le rétroéclairage ? ?

Un rétroéclairage typique se compose d'une source lumineuse, telle qu'une lampe fluorescente à cathode froide (CCFL) ou une diode électroluminescente (LED), et une plaque guide de lumière rectangulaire. Les autres composants disponibles incluent des diffuseurs, utilisés pour améliorer l'uniformité de l'écran, et un film d'amélioration de la luminosité (BEF), utilisé pour augmenter la luminosité de l'écran. La source lumineuse est généralement située sur un bord latéral de la plaque de guidage de lumière pour réduire l'épaisseur de l'écran. L'éclairage latéral utilise généralement la réflexion totale (TIR) ​​pour transmettre la lumière à l'écran. ?

La figure 1 montre un diagramme schématique d'une conception de rétroéclairage typique. ?

Le concepteur de rétroéclairage dispose de plusieurs façons de modéliser la source lumineuse dans le logiciel LightTools. Différentes formes de sources de lumière fluorescente (telles que droites, en forme de L, en forme de U ou en forme de W, comme illustré à la figure 2) peuvent être rapidement définies à l'aide de l'outil de création de lumière fluorescente. Le réflecteur de la lampe peut être défini par diverses primitives géométriques dans le logiciel LightTools, telles que des cylindres, des rainures elliptiques et des polygones extrudés. Le réflecteur défini dans le système CAO peut également être importé dans le logiciel LightTools via des formats d'échange de données standard (IGES, ?STEP, ?SAT? et CATIA). Si des LED sont utilisées, les concepteurs peuvent sélectionner le modèle de LED souhaité parmi les modèles de produits Agilent, Lumileds, Nichia, Osram et d'autres sociétés préenregistrés dans le logiciel LightTools. Une fois que la lumière pénètre d'un côté de la plaque de guidage de lumière, le problème devient d'extraire la lumière perpendiculairement à la direction de propagation de la plaque de guidage de lumière.

Comme le montre la figure 3, la plus brillante des plaques de guidage de lumière se trouve du côté proche de la source lumineuse. Au fur et à mesure que la distance est plus grande, la luminosité dans la plaque de guidage de lumière devient plus sombre. Afin d'obtenir un rendement lumineux uniforme, l'efficacité d'extraction de la lumière doit augmenter à mesure que la distance augmente. L'une des tâches principales de la conception du rétroéclairage est de concevoir une plaque de guidage de lumière qui modifie l'efficacité d'extraction de la lumière selon les besoins. Deux techniques d'extraction peuvent être utilisées. La technologie d'extraction de lumière par impression par points consiste à imprimer une structure matricielle au bas de la plaque de guidage de lumière pour diffuser la lumière vers le haut et l'émettre à partir de la surface de la plaque de guidage de lumière. La deuxième technologie, la technologie d'extraction de la lumière par moulage par compression, repose sur la réflexion totale (TIR) ​​de la microstructure sur la surface inférieure pour faire émerger la lumière de la surface de la plaque guide de lumière.

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Le logiciel LightTools fournit des outils de conception de rétroéclairage pour réaliser la conception de plaques de guidage de lumière. Cet outil (Figure 4) aide l'utilisateur à créer divers composants du rétroéclairage. D'autres options incluent l'ajout de composants de source lumineuse/réflecteur au modèle, la modélisation BEF et la construction d'un récepteur pour analyser la luminosité. L'interface de l'outil de rétroéclairage est constituée d'un certain nombre d'onglets utilisés pour définir et modifier divers types de mécanismes d'extraction de lumière.

Pour le rétroéclairage à l'aide de la méthode d'extraction de la lumière par impression par points, l'outil de rétroéclairage peut définir le changement linéaire de la taille et du rapport hauteur/largeur des points imprimés, ainsi que le changement linéaire du pas de point sur la longueur de la plaque de guidage de lumière. Cette structure changeant linéairement est souvent un bon point de départ pour l'uniformité d'affichage, mais elle n'est pas suffisante pour répondre aux exigences d'uniformité finales. Pour contrôler davantage l'uniformité, des paramètres d'extraction de lumière variant de manière non linéaire peuvent être utilisés. Une méthode qui utilise le moins de paramètres et qui est très flexible consiste à définir les variables paramétriques de la courbe de Bézier quadratique. ? L'outil de zone bidimensionnelle du logiciel LightTools peut être utilisé pour définir la structure non linéaire. La figure 5 montre un exemple d'utilisation de l'extraction d'impression, où 3 paramètres (largeur de point d'impression, hauteur et espacement vertical) changent pour obtenir différents comportements d'extraction. L'uniformité de la sortie est illustrée à la figure 6. La figure de droite montre que la luminosité de sortie moyenne est une constante. ?

La deuxième méthode d'extraction, la technologie d'extraction par moulage par compression, utilise la fonction de texture tridimensionnelle du logiciel LightTools, ce qui rend le traçage de rayons de structures répétitives très efficace, et les informations stockées sont très compactes. Le lancer de rayons du modèle créé par la fonction de texture non 3D est plus de 30 fois plus lent que le modèle créé avec la texture 3D, et le fichier est plus de 100 fois plus volumineux. Vous avez le choix entre trois formes de base pour les textures 3D : sphérique, prismatique et pyramidale (Figure 7). L'outil de rétroéclairage peut définir des microstructures linéairement variables. Mais l'outil de texture 3D peut utiliser la courbe de Bézier quadratique pour modifier les paramètres de texture de manière non linéaire. L'exemple illustré à la figure 8 est une microstructure en forme de cuvette (utilisant une modélisation de texture 3D prismatique) comme mécanisme d'extraction. La plaque de guidage de lumière résultante et ses résultats de simulation sont illustrés à la figure 9.

Calcul optique de rétroéclairage

Les deux grandeurs optiques les plus importantes d'un écran rétroéclairé sont la luminosité de l'écran et l'uniformité de l'éclairement sur la surface de la plaque de guidage de lumière. Il est également important de calculer l'intensité lumineuse et diverses métriques de couleur (coordonnées CIE et température de couleur corrélée CCT). Le logiciel LightTools intègre ces fonctions de calcul et de nombreuses autres fonctions pour aider à comprendre les données générées par la simulation Monte Carlo.

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La simulation Monte Carlo est la base du calcul de l'éclairement dans le logiciel LightTools. Le générateur de nombres aléatoires est utilisé pour sélectionner la position de départ, la direction et la longueur d'onde de la lumière, et est utilisé pour échantillonner la distribution de la lumière sur la surface de réception. Le choix de"aléatoire" nombres affecteront grandement la convergence de la simulation. En utilisant une séquence de nombres à faible variance (Sobol) (elle n'est pas complètement aléatoire), l'erreur peut être réduite à 1/N, où N est le nombre de rayons à l'extrémité de réception. Vous pouvez voir le résultat de la comparaison en utilisant une séquence de nombres aléatoires (Figure 10) et une séquence de nombres Sobol (Figure 11) pour calculer la chromaticité. Dans cet exemple, le résultat de la simulation utilisant 128 000 rayons aléatoires est équivalent à la précision des 16 000 rayons de Sobol's. L'important est de comparer la vitesse de convergence de simulation de différents logiciels. Ce qui nous intéresse, c'est la vitesse d'obtention d'une certaine précision de simulation, pas la vitesse de traçage d'une certaine quantité de lumière. Dans le logiciel LightTools, le récepteur est utilisé pour collecter des données lumineuses pour calculer l'éclairement.

Les données lumineuses pour l'analyse et l'affichage sont collectées à partir de la grille de données. L'utilisateur peut contrôler de manière interactive la taille ou le nombre de la grille de données. ? Pour un nombre de rayons donné sur le récepteur, plus le nombre de grilles est petit, plus la résolution spatiale et angulaire est faible, mais plus la précision relative est élevée (faible taux d'erreur). A l'inverse, plus il y a de grilles, plus la résolution spatiale et angulaire est élevée, mais plus la précision est faible (taux d'erreur élevé). Le taux d'erreur estimé est affiché sur chaque grille pour aider l'utilisateur à décider si suffisamment de lumière est utilisée pour la simulation de traçage pour atteindre la résolution et la précision requises par la conception en même temps (Cassarly,?WJ,?Fest,?EC,? et ?Jenkins,?DG,?2002). Si plus de lumière est nécessaire, l'utilisateur peut continuer la simulation de manière interactive jusqu'à ce que l'objectif soit atteint. ?

Un aspect important de l'analyse du rétroéclairage est la division et la diffusion de la lumière sur la surface de la plaque de guidage de la lumière. La fonction de la plaque guide de lumière est que la lumière peut être absorbée ou émise après de multiples réflexions sur la surface intérieure. Si la lumière est divisée en deux parties de transmission et de réflexion sur chaque surface de contact, cela provoquera un très grand nombre de rayons lumineux divisés, dont la plupart ne transportent pas beaucoup d'énergie, ralentissant ainsi la vitesse d'analyse. Un exemple de ceci est montré sur la figure 12, qui montre un rayon de départ avec de nombreux chemins dus à la division de la lumière.

La simulation suivante utilise 2 000 rayons incidents. En raison de la division de la lumière, le récepteur collecte 277 948 rayons (Figure 13). Étant donné que la plupart de la lumière atteignant le récepteur n'a pas beaucoup d'énergie, l'erreur résultante est de 42 %. Au contraire, si le coefficient de perte de Fresnel et les caractéristiques de diffusion de surface sont utilisés pour déterminer la possibilité de transmission et de réflexion de la lumière, pour évaluer la possibilité d'un chemin optique, la plupart du temps de traçage des rayons sera utilisé pour suivre l'énergie dans le système, accélérant ainsi l'analyse. Un résultat de simulation de 200 000 rayons incidents est illustré à la figure 14. Dans ce cas, 118 969 rayons atteignent le récepteur et l'erreur de calcul est de 6 %. L'utilisation du lancer de rayons en mode probabilité réduit les erreurs de calcul de 7 fois et le temps de calcul de 42 %.

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Au contraire, si le coefficient de perte de Fresnel et les caractéristiques de diffusion de surface sont utilisés pour déterminer la possibilité de transmission et de réflexion de la lumière, pour évaluer la possibilité d'un chemin optique, la plupart du temps de traçage des rayons sera utilisé pour suivre l'énergie dans le système, accélérant ainsi l'analyse. Un résultat de simulation de 200 000 rayons incidents est illustré à la figure 14. Dans ce cas, 118 969 rayons atteignent le récepteur et l'erreur de calcul est de 6 %. L'utilisation du lancer de rayons en mode probabilité réduit les erreurs de calcul de 7 fois et le temps de calcul de 42 %.

Enfin, afin d'améliorer l'uniformité de l'affichage, un diffuseur est parfois utilisé sur la surface supérieure de la plaque guide de lumière. Étant donné que le diffuseur diffuse la lumière à un angle plus large, moins de lumière est diffusée vers l'ouverture du mesureur de luminosité. Selon la méthode de test de luminosité d'affichage conventionnelle, une très grande quantité de lumière est requise pour le calcul de la luminosité. Le logiciel LightTools mappe la zone ou l'angle cible à la surface de diffusion, permettant à l'utilisateur de spécifier quelle diffusion doit être considérée. Il s'agit d'une forme d'échantillonnage importante et d'une autre méthode pour améliorer la convergence des simulations de Monte Carlo. La figure 15 montre un luminancemètre et un rétroéclairage avec un diffuseur, sans spécifier d'angle cible. Après avoir tracé 2 000 rayons, le luminomètre a reçu 40 rayons et le réseau de luminosité spatiale est illustré sur la figure.

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La figure 16 montre le même exemple, mais échantillonnant par valeur importante et spécifiant l'angle cible sur le diffuseur. L'angle cible correspond à l'angle d'acceptation de l'ouverture du mesureur de luminosité. Lorsque la lumière atteint le diffuseur, le logiciel LightTools génère de la lumière diffusée (le flux lumineux qui pénètre dans la zone cible calculé sur la base de la distribution angulaire du modèle de diffusion) dans l'angle cible, de sorte que toute la lumière diffusée collectée par le luminancemètre améliorera la convergence de la simulation. Dans ce cas, sur 2000 rayons incidents, 1416 rayons (71 %) ont été reçus par le luminancemètre.

Autres considérations?

Le rétroéclairage est largement utilisé dans les écrans à cristaux liquides (LCD), qui est un composant de polarisation. La modélisation des composants de polarisation, tels que la polarisation linéaire, les plaques quart d'onde, l'évaluation du suivi de la lumière polarisée, etc. sont des facteurs critiques pour une analyse réussie. Le logiciel LightTools fournit des modèles linéaires simples de polarisation et de retard, ainsi que des spécifications de matrice Jones-Mueller pour les composants de polarisation. Les utilisateurs peuvent utiliser la fonction de traçage des rayons de polarisation en cas de besoin pour tracer l'état de polarisation de la lumière en fonction des stocks ? vecteur.

Il existe souvent divers revêtements optiques avec différentes caractéristiques de transparence, de coefficient de réflexion et de polarisation sur les composants. Le revêtement est défini dans le logiciel LightTools en fonction de ses performances, qui sont souvent la seule information connue de l'utilisateur. Les valeurs S ou P moyennes ou séparées de la réflexion et de la transmission peuvent être spécifiées par deux des paramètres suivants : angle d'occurrence, longueur d'onde, position X ou position Y. Le système fournit des outils pour convertir la pile de revêtements au format de revêtement du logiciel LightTools.

Bien que la plupart des rétroéclairages utilisent la technologie d'impression par points ou d'extraction de la lumière par moulage par compression, d'autres méthodes sont également possibles. L'une consiste à utiliser les particules dans la plaque de guidage de lumière pour se disperser. Si la taille et la densité des particules sont correctement contrôlées, la diffusion Mie des particules peut efficacement extraire la lumière de la plaque de guidage de lumière (Tagaya, et al., 2001:6274). Le logiciel LightTools peut simuler la diffusion de particules sphériques par lots selon la théorie de Mie, ou selon une distribution angulaire définie par l'utilisateur. ?

L'exportation d'une conception optique complète vers un système de CAO est souvent une étape nécessaire dans la fabrication de plaques de guidage de lumière. Le logiciel LightTools prend en charge la conversion de format standard telle que STEP, SAT ou IGES. Étant donné que la norme de conversion de données ne prend en charge que les données géométriques externes, dans le cas de l'extraction de conception de moulage par compression, il est nécessaire de convertir la forme définie par la texture tridimensionnelle en données géométriques externes pour la sortie. Le logiciel LightTools prend en charge les formats standard et peut convertir de manière sélective les textures 3D en données géométriques externes, de sorte que l'intégralité de la conception du rétroéclairage soit incluse dans le fichier converti.

sommaire

La technologie de conception de rétroéclairage a continuellement progressé et développé, pour offrir de meilleures performances et un coût inférieur pour répondre aux besoins du marché. Ce type d'innovation nécessite que le logiciel de conception d'éclairage ajoute en permanence de nouvelles fonctionnalités, en particulier la prise en charge du raccourcissement du cycle de conception du rétroéclairage. Les principales fonctions du logiciel LightTools, telles que la création de modèles et la taille du fichier, le lancer de rayons et le temps de simulation, ainsi que la fonction de calcul d'un grand nombre de paramètres optiques liés à la conception du rétroéclairage, ont toutes été reconnues et vérifiées par l'industrie.

La version 5.0 du logiciel LightTools publiée en 2004 inclut une optimisation de l'éclairement pour la redondance du bruit, ce qui est très pratique dans la conception du rétroéclairage. Cette fonction peut définir automatiquement le modèle d'extraction de lumière pour maximiser l'efficacité et l'uniformité. De plus, l'outil d'optimisation de modèle de rétroéclairage du logiciel LightTools fournit une méthode efficace pour optimiser la distribution de sortie du rétroéclairage et du guide de lumière.

Mots-clés : affichage à rétroéclairage LED, conception optique, outil d'analyse