中小型LCDスクリーン-バックライトディスプレイの光学設計

バックライトは、小型軽量のフラット パネル液晶ディスプレイ (LCD) や、手のひらほどのハンドヘルド デバイスや大画面テレビなど、バックライトを必要とするその他の電子デバイスで使用されます。バックライト設計の目標には、低消費電力、超薄型、高輝度、均一な輝度、大面積、さまざまな幅と狭い視野角の制御が含まれます。これらの困難な設計目標をコスト管理と迅速な実装で達成するには、設計にコンピュータ支援光学設計ツールを使用する必要があります。この記事では、現在最先端のバックライト設計アプリケーションの開発に使用できる、米国ORA社の光学設計・解析ソフトウェアLightToolsの特徴を紹介します。
バックライト用の光学設計および解析ツール
バックライト システムでは、領域内または固定角度で必要な配光を生成するために、1 つ以上の光源からの光を何らかの変換する必要があります。照明設計ソフトウェアは、幾何学的にモデル化でき、さまざまなタイプの光源と変換ユニットの光学特性パラメータを設定でき、光学トレース手法を使用してモデルを通る光の経路を評価し、最終的な配光を計算できなければなりません。配光では、モンテカルロ シミュレーションを使用して、特定の領域および/または角度の照度、輝度、または光度を計算します。光源からランダムな位置と角度で光線が発せられ、光学系を通って光線が受光面で受光されます。照度は表面受信機から計算でき、強度は遠距離受信機から取得できます。受光面上に輝度計を定義することにより、輝度の空間的および角度的分布を計算できます。場合によっては、ディスプレイの色度を分析することが重要になる場合があります。光源 (発光ダイオードなど) のスペクトル エネルギー分布を指定し、CIE 座標と相関色温度 (CCT) を出力し、ディスプレイの色度を定量化し、ディスプレイ上に RGB リアル ライト レンダリング グラフィックスを生成します。これらの分析はすべて LightTools ソフトウェアで実行できます。
バックライト付きディスプレイの特性により、照明分析ソフトウェアには特別な要求が課せられます。後述するように、バックライトによって放射される光は、印刷されたドットの分布密度、または微細構造の分布パターンに依存します。特定の微細構造アレイのモデリングの場合、CAD モデルを直接使用すると、モデルのサイズが非常に大きくなる可能性があります。 LightTools ソフトウェアは、正確なレイ トレーシングとレンダリングを実行できる 3D テクスチャ配列によって定義された関数を提供します。直接構築された幾何学モデルが使用されないため、モデルのサイズが小さくなり、レイ トレーシングが高速になります。バックライト解析の別の側面には、導光板の表面での光の分割と散乱が含まれます。照明効果はモンテカルロ法を使用してシミュレートされるため、十分な精度でデザインを取得するには広範なレイ トレーシングを使用する必要がある可能性があります。最も効率的な方法は、最も高いエネルギーの光線を追跡することです。分割確率を使用して最高エネルギーの光線経路を追跡し、散乱面のターゲット領域または散乱角を使用して、散乱光を「重要な」方向 (ディスプレイの観察者に向かうなど) に向けます。
Shenzhen Honjia Technology は、さまざまな明るさの LCD スクリーンの研究開発と生産を専門としています。バックライトの明るさが均一です。モジュール全体の明るさは 2000 ルーメンに達します。太陽光の下でもはっきりと読めます。動作温度は-35〜85度に達します。鉄フレームで帯電防止、落下性能も優れています。
バックライトとは何ですか?
一般的なバックライトは、冷陰極蛍光灯 (CCFL) や発光ダイオード (LED) などの光源と長方形のライト ガイドで構成されます。その他の利用可能なコンポーネントには、ディスプレイの均一性を向上させる拡散板や、ディスプレイの明るさを向上させる輝度向上フィルム (BEF) などがあります。ディスプレイの厚みを減らすために、光源は通常、導光板の一方の側端に配置されます。エッジ ライティングは通常、全反射 (TIR) を使用してディスプレイ内に光を導きます。
バックライト設計者は、LightTools ソフトウェアで光源をモデル化するいくつかの方法があります。蛍光灯作成ツールを使用すると、さまざまな形状の蛍光光源 (図 2 に示すように、直線、L 字型、U 字型、W 字型など) をすばやく定義できます。ランプリフレクターは、LightTools ソフトウェアで、円柱、楕円スロット、押し出された多角形などのさまざまな幾何学的プリミティブを使用して定義できます。 CAD システムで定義されたリフレクタは、標準のデータ交換フォーマット (IGES、STEP、SAT、CATIA) を介して LightTools ソフトウェアにインポートすることもできます。 LED を使用する場合、設計者は LightTools ソフトウェアに事前に保存されている Agilent、Lumileds、日亜化学工業、Osram などの製品モデルから希望の LED モデルを選択できます。光が導光板の片側に入ると、伝播方向に対して垂直に導光板から光を取り出すことが問題になります。
図１に示すように、図３に示すように、導光板の最も明るい側は光源に近く、距離が離れるにつれて導光板内の明るさは暗くなる。均一な光出力を得るには、光抽出効率が距離とともに増加する必要があります。バックライト設計における主なタスクの 1 つは、光取り出し効率を必要に応じて変化させる導光板を設計することです。使用できる抽出手法は 2 つあります。ドット印刷光抽出技術は、導光板の底面にドットマトリクス構造を印刷し、光を上方に散乱させて導光板の表面から放射する技術である。 2 番目の技術である成形光抽出技術は、底面微細構造の全反射 (TIR) を利用して、LGP の表面から光を出現させます。
LightTools ソフトウェアは、導光板の設計を実現するためのバックライト設計ツールを提供します。このツール (図 4) は、ユーザーがバックライトのさまざまなコンポーネントを作成するのに役立ちます。その他のオプションには、モデルへの光源/反射体コンポーネントの追加、BEF モデリング、明るさを分析するための受信機の構築などがあります。バックライト ツールのインターフェイスは、さまざまなタイプの光抽出メカニズムを設定および変更するためのタブの集合です。
ドット印刷光抽出方式を使用するバックライトの場合、バックライト ツールは印刷ドットのサイズとアスペクト比の線形変化、および導光板の長さに沿ったドット間隔の線形変化を設定できます。この直線的に変化する構造は、均一性を表示するための良い出発点となることがよくありますが、最終的な均一性要件には十分ではありません。非線形に変化する光線抽出パラメータを使用すると、均一性をさらに制御できます。パラメータの数が最も少なく、非常に柔軟な制御が可能な方法は、二次ベジェ曲線のパラメータ変数を定義することです。 LightTools ソフトウェアの 2D 領域ツールを使用して、非線形構造をセットアップできます。図 5 は、印刷抽出の使用例を示しています。ここでは、3 つのパラメーター (印刷ドットの幅、高さ、垂直間隔) を変更して、さまざまな抽出動作を実現しています。出力の均一性を図 6 に示します。右の図は、平均出力輝度が一定であることを示しています。