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。
DRm`y>. H 0+-$s;f 简介
a&JY x 液晶显示器 (LCDs) 作为一种显示技术,在当今社会中已经得到了广泛的应用。在商业领域中最突出的应用包括计算机显示器、移动电话、电视和手持数字设备。
V7U*09
0*5 _0$>LWO~ 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。
`0ym3} (O Pi"?l[T0 LCD 照明方案
k9*UBx Zo2+{a 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。
}+m4(lpl 9 RDs`>v z&H.fs 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。
nZi&`HjQ Zocuc"j WwsNAJ 本文中忽略实际的液晶层,只考虑
背光源设计。
<6-73LsHcP I<RARB-j 建立背光源模型
#"-_ ~ <VD7(j]'^ 边缘照明LCD的详细布局图如下图所示:
U<&=pv _5S0A0 =b*GV6b 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。
})]
iN" 1y:fH4V 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。
"Q+wO+}6 @#hQ0F8 显示区域面积:75 mm x 75 mm
]R\L~Kr EE]xZz>o 楔形板厚度:输入面 4 mm ,端面 1 mm
1p~ORQ B ZU@W%E BEF:Vikuiti™ T-BEF 90/24
XE_Lz2H` Q0"?TSY 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。
%Y0lMNP Z{vc6oj (L4llZ;q 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。
YSxr(\~j l@SV!keQ 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。
`EgX# QaLaw-lx 9LPXhxNwB 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。
zf)*W#+ q1xSylE 确定初始性能
}=f\WWJf0 y(<{e~ 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)。
<;#gcF[7> fr`#s\JKw 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。
<LH6my $W}:,]hoj e}5x6t 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。
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