背光顯示的光學設計工具 _知識百科

背光照明系統需要將來自一個或多個光源的光進行某種轉換，在一個區域或一個固定的角度；里產生需要的配光分布。照明設計軟件必須能夠幾何建模，對不同類型的光源和轉換單元設定光學特性參數，而且必須能夠使用光學追跡的方法來評價光線通過模型的路徑并計算最后的光分布。光分布采用蒙特卡羅模擬來計算特定區域和/或角度的照度，亮度，或發光強度。光線從光源以隨機的位置和角度發出，通過光學系統追跡，并在接收面上接收。照度可以從表面接收器計算出來，強度可以從遠場接收器獲得。通過在接收器表面定義亮度計，可以計算出亮度隨空間和角度的分布。在某些情況下，分析顯示器的色度可能是很重要的。指定光源（如發光二極管）的光譜能量分布，輸出CIE坐標值以及相關色溫（CCT），量化顯示器的色度，在顯示器上生成RGB真實光線渲染的圖形。這些分析在LightTools軟件中都可以做到。
背光顯示器的特點對照明分析軟件有特別的要求。正如將要說明的，背光發出的光線取決于印刷點的分布密度，或者微結構的分布模式。對特定的微結構陣列的建模，如果直接使用CAD模型可能會導致非常大的模型尺寸。 LightTools軟件提供三維紋理陣列定義的功能，能夠進行準確的光線追跡和渲染，由于沒有使用直接構建的幾何模型，所以模型的體積更小，光線追跡更快。背光分析的另一個方面，包括光線在導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，有可能必須使用大量光線追跡以獲得足夠精度的設計。最有效的方法是追跡最高能量的光線。通過使用分光概率追跡最高能量的光線路徑，并使用散射表面的目標區域或散射角度定向散射光到“重要”的方向（如朝向顯示器的觀察者）。
什么是背光？
典型的背光由一個光源，如冷陰極熒光燈（CCFL）或發光二極管（LED），和一個長方形導光板。其他可用組件包括擴散板，用來提高顯示器的均勻性，以及增亮膜（BEF），用來提高了顯示器的亮度。光源通常位于導光板的一個側邊緣以減小顯示器的厚度。側光照明通常使用全反射（TIR）在顯示器中傳導光線。

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背光設計師在LightTools軟件中有多種方法對光源建模。熒光燈光源的不同形狀（如直， L形， U形或W形，如圖2所示）可以迅速使用熒光燈創建工具定義。燈的反射器可以用LightTools軟件中的各種幾何原形定義，如圓柱，橢圓形槽，擠壓成型的多邊形。在CAD系統中定義的反射器也可以通過標準數據交換格式（IGES,STEP,SAT和CATIA）導入到LightTools軟件。如果使用LED ，設計人員就可以從LightTools軟件中預存的安捷倫， Lumileds ，日亞，歐司朗等公司的產品模型中選擇期望的LED模型。一旦光線進入導光板的一邊，問題就變成從導光板中提取垂直于傳播方向的光線。
如圖3所示，導光板中最亮是靠近光源的一邊，隨著距離越遠，導光板中的亮度越暗。為了獲得均勻的光線輸出，光線提取效率必須隨著距離增加而增加。背光設計的主要任務之一是設計按需要改變光線提取效率的導光板。有兩種提取技術可以使用。網點印刷光線提取技術是在導光板的底部印刷點陣結構將光向上散射，從導光板表面射出。第二種技術，模壓成型光線提取技術，依靠底部表面微觀結構的全反射（TIR），使光從導光板表面射出。

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LightTools軟件提供背光設計工具實現導光板的設計。此工具（圖4）協助用戶創建背光的各種組件。其他選項包括向模型添加光源/反射器組件， BEF建模，建立一個接收器來分析亮度。背光工具的界面是多個標簽，用來設置和修改各種不同類型的光線提取機制。

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對于使用網點印刷光線提取方法的背光，背光工具可以設置印刷點的大小尺寸和長寬比的線性變化，以及網點間距沿著導光板長度方向的線性變化。這種線性變化的結構對顯示均勻性往往是一個良好的起點，但并不足以滿足最終的均勻性要求。進一步控制均勻性可以使用非線性變化的光線提取參數。一種使用最少參數而且控制非常靈活的方法是定義二次貝塞爾曲線的參數變量。 LightTools軟件的二維區域工具可用來設置非線性結構。圖5顯示了一個使用印刷提取的例子，其中3個參數（印刷點寬度，高度和垂直間距）的變化來獲得不同的提取行為。輸出均勻性如圖6所示。其中右圖顯示平均輸出亮度是一個常數。

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第二種提取方法，模壓成型提取技術，使用了LightTools軟件的三維紋理功能，這使得對重復結構的光線追跡非常有效，存儲信息非常緊湊。非三維紋理功能創建的模型，其光線追跡比用三維紋理創建的模型要慢30多倍，文件要大100多倍。三維紋理有三種基本形狀可供選擇：球形，棱形，和金字塔形（圖7）。背光工具可以定義線性可變的微結構。但是三維紋理工具可以使用二次貝塞爾曲線非線性地改變紋理參數。圖8所示的例子是一個槽形微結構（使用棱形3D紋理建模）作為提取機理。由此產生的導光板，及其仿真結果如圖9所示。

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背光的光學計算
背光顯示屏最重要的兩個光學量是導光板上表面的顯示亮度和照度均勻性。計算發光強度和各種色度量（CIE坐標和相關色溫CCT）也是重要的。 LightTools軟件內置了這些計算功能和許多其他功能，以幫助理解蒙特卡洛仿真生成的數據。

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【背光顯示的光學設計工具】

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蒙特卡羅仿真是LightTools軟件計算照度的基礎。隨機數生成器用來選擇光線開始位置，方向和波長，用于取樣在接收面的光線分布。 “隨機”數字的選擇會大大影響仿真的收斂。使用低差異（Sobol）數字序列（它不是完全隨機的），可以將錯誤減少到1/N ，其中N是光線在接收端的數量。可以看到采用隨機數字序列（圖10）和Sobol數字序列（圖11）計算色度的比較結果。在這個例子中，采用隨機128,000條光線的仿真結果相當于Sobol的16,000條光線的準確性。重要的是比較不同軟件的仿真收斂速度，我們關心的是達到某種仿真精度的速度，而不是追跡一定數量光線的速度。在LightTools軟件中，接收器是用來收集光線數據計算照度的。
進行分析和顯示的光線數據是從數據網格收集來的。用戶可以交互控制數據網格的尺寸或數量。對于接收器上給定的光線數量，網格數越少，空間和角度分辨率就越低，但是相對精度越高（低出錯率）。相反，網格數越多，空間和角度分辨率就越高，但是精度越低（高出錯率）。估計的出錯率顯示在每個網格上，以幫助用戶決定是否使用了足夠的光線進行追跡仿真，以同時滿足設計要求的分辨率和精度（Cassarly,W.J.,Fest,E.C.,andJenkins,D.G.,2002）。如果需要更多的光線，用戶可以交互的繼續進行模擬，直到達到目標。
背光分析的一個重要方面是導光板表面的分光和散射。導光板的作用是光線能在內表面多次反射后被吸收或射出。如果光線在每個接觸面都分光成透射和反射兩部分，將造成非常大數量的分光光線，其中大多數并不攜帶多少能量，從而減慢了分析速度。這方面的一個例子如圖12所示，顯示了一條開始光線，由于分光造成的很多路徑。

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下面的仿真使用2000條入射光線，由于分光，接收器收集到277948條光線（圖13）。由于到達接收器的光線大多沒有多少能量，結果誤差為42％。相反，如果使用菲涅耳損耗系數和表面散射特性來決定光線的透射和反射的可能性，來評估光程路徑的可能性，光線追跡的大部分時間將用于跟蹤系統中的能量，從而加快分析。一個200,000入射光線的模擬結果如圖14所示。在這種情況下， 118969條光線到達接收器，計算誤差為6％。使用概率模式光線追跡，減少了7倍的計算錯誤，同時減少了42％的計算時間。

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相反，如果使用菲涅耳損耗系數和表面散射特性來決定光線的透射和反射的可能性，來評估光程路徑的可能性，光線追跡的大部分時間將用于跟蹤系統中的能量，從而加快分析。一個200,000入射光線的模擬結果如圖14所示。在這種情況下， 118969條光線到達接收器，計算誤差為6％。使用概率模式光線追跡，減少了7倍的計算錯誤，同時減少了42％的計算時間。
最后，為了改善顯示的均勻性，有時在導光板頂面使用擴散板。由于擴散板將光擴散到更廣的角度上，散射到亮度計光圈的光就少了，而按照常規顯示器亮度測試方法，需要非常大的光線數量作亮度計算。 LightTools軟件將目標區域或角度與散射表面對應，使用戶可以指定哪些散射應該考慮。這是一個重要的采樣形式，也是改進蒙特卡洛模擬收斂性的另外一種方法。圖15顯示了一個亮度計，和帶有擴散板的背光，沒有指定目標角度。追跡2000條光線，亮度計接收到40條光線，空間亮度的光柵如圖所示。

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如圖16顯示了相同的例子，但是按重要值采樣，在擴散板上指定了目標角度。目標角度匹配亮度計光圈的接受角度。當光線到達擴散板， LightTools軟件將產生散射光（基于擴散模型的角分布推算的進入目標區域的光通量）進入目標角度，使亮度計收集的所有散射的光，從而改善了仿真的收斂。在這種情況下， 2000條入射光線， 1416條光線（71％）被亮度計接收。
其他考慮
背光廣泛用于液晶顯示器（LCD），這是一種偏振組件。給偏振組件建模，如線性偏振，四分之一波長片，極化光跟蹤評估等是成功分析至關重要的因素。 LightTools軟件提供了簡單的線性偏振和阻滯模型，以及偏振組件的Jones-Mueller矩陣規范。用戶可以在需要時使用極化光線追蹤功能，根據Stocks向量跟蹤光的偏振態。
經常在組件上有各種不同透明度，反射系數和偏振特性的光學涂層。涂層在LightTools軟件中是根據其性能來定義的，這往往是用戶唯一所知的信息。反射和透射的平均或單獨S或P值可以由下列任何兩個參數指定：發生角度，波長， X位置，或Y位置。系統提供了將涂覆疊層轉換成LightTools軟件涂層格式的工具。
雖然大多數背光使用網點印刷或模壓成型光線提取技術，其他方法也是可能的。一種是利用導光板中的粒子散射。如果粒子的大小和密度控制適當，從粒子的Mie散射可有效地從導光板中提取光線（Tagaya,etal. ， 2001:6274）。 LightTools軟件可以根據Mie理論批量仿真球形粒子的散射，或根據用戶定義的角度分布仿真散射。
導出完整的光學設計到CAD系統，往往是制造導光板的必要步驟， LightTools軟件支持標準格式轉換如STEP,SAT,orIGES來完成。由于數據轉換標準僅支持外部幾何數據，在模壓成型設計提取的案件中，需要將三維紋理定義的造型轉化為外部的幾何數據輸出。 LightTools軟件支持標準格式，可以有選擇的將三維紋理轉換成外部的幾何數據，這樣在轉換文件中就包括了整個背光設計。
小結
背光設計技術一直在不斷的進步和發展，以適市場的需求提供更好的性能和更低的成本。這種革新需要照明設計軟件不斷地增加新功能，尤其是對縮短背光設計周期的支持。 LightTools軟件的主要功能如模型創建和文件的大小，光線追跡和模擬時間，計算大量背光設計相關的光學參數的功能，均獲得了業界的認可和驗證。
2004年發布的LightTools軟件5.0版包括了噪聲冗余的照度優化，這個在背光設計中非常實用。該功能可以自動定義光提取模板，達到最大化效率和均勻性。另外， LightTools軟件的背光模板優化工具提供了針對背光和光導的輸出分布優化的有效方法。