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简介
液晶显示器 (LCDs) 作为一种显示技术#xff0c;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…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。
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简介
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。
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。
LCD 照明方案
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。 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。 本文中忽略实际的液晶层只考虑背光源设计。
建立背光源模型
边缘照明LCD的详细布局图如下图所示 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。
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。
显示区域面积75 mm x 75 mm
楔形板厚度输入面 4 mm 端面 1 mm
BEFVikuiti™ T-BEF 90/24
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 EditorNSCE) 中用于建模不同背光元件的光源/物体类型。 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。
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。 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。
确定初始性能
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。
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。 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。 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。 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。
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。 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)”! 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。
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
Y-坐标 2
Z-坐标 38.5
X-倾斜 -90
材料空白空气
X1、 X2、Y1、 Y2 半宽 37.5
Z 长度 0.01
朗伯散射配置文件只用于前表面
保留其他参数的默认值。运行光线追迹并记录输出的变化。 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。
根据结果显示理想的散射配置文件应该用于光波导的顶面上使得在光源附近的光线散射较少而在相反方向的光散射较多。阵列物体能够对非线性图样进行建模。
优化背光源
目前在楔形光波导中最常用的微观结构制造方式是模压拉伸/挤出其优点是不需要额外的处理步骤比如在光波导上打印散射点。本设计将每个微观结构都做成球形尽管其他任何物体本地、导入、布尔等物体也都可以使用。这是通过将球体阵列放置在光波导的上表面上实现的。通过在非序列元件编辑器中将这些物体放置在光波导之后并将它们的材料定义为空气其效果是在光波导上浮雕出球体注意嵌套规则。将父球体和阵列物体添加到“ Mid Point..zmx ”中此文件在本文的附件中。
打开文件时注意阵列物体12的画图极限参数设置得非常低是因为阵列中有大量的元素绘制所有元素需要大量时间。取而代之的是OpticStudio在整个阵列周围绘制了包围框。
通过优化阵列参数以达到上述的最佳性能标准。所需的优化函数已经在当前文件中定义打开评价函数编辑器如下图所示 用操作数5和8分别用于最大化空间均匀性和总光通量用操作数10和11来控制光强分布的质心用操作数13用来控制光强分布的均方根半径。希望输出光线不是完全平行的而是限制在一定的视角范围内因此指定了30°作为目标视角。最后一组操作数 (15-18) 是边界约束以防止阵列变得太大或太小当无边界约束时优化会有产生极限解的趋势。注意这些操作数的负数权重它们就像拉格朗日乘数一样工作迫使目标得以实现。
优化分配的变量如下
球面物体半径
阵列物体Number X’ Y’, Delta1 X’ Y’, Delta2 Y’
由于对称性的考虑阵列只需要在y方向上是非线性的。因此只在X方向上分配线性阵列的间距 (Delta1 X ) 。此外优化时很可能不需要阵列的三阶和四阶参数可变所以不将其设为变量。
如果给变量一个有限初始值而不是从零开始通常会使优化更有效。为了确定二阶y方向的起始点查看通用绘图并与评价函数中的值进行对比。打开一维通用图分析 (Analysis) 通用绘图 (Universal Plot)并应用以下设置。 点击OK键并进行绘图更新这个过程可能需要几分钟具体所需时长取决于电脑的速度。根据下图将阵列物体上的“ Delta2 Y ”参数设置为5E-3。 背光源设计形式是固定的只需要优化阵列参数。考虑到这一事实使用正交下降 (OD) 算法进行锤形优化对于达到目标非常有效。锤形优化在长时间运行时性能最好完成之后可以确定没有与起点相似的更好的设计。在运行锤形优化约20小时后OpticStudio得出了具有良好空间均匀性和可接受的发光强度的解。请注意此种发光强度是此类光波导的特性不可能在不大幅度改变设计参数的情况下产生显著变化。优化后的系统见附件“End Point.zmx”。 还要注意系统效率已经上升到大约60%。如果降低最小相对光线强度阈值得到的效率接近62%。有可能可以通过在系统中再添加散射和/或膜层属性进一步提升其性能。
