Màn hình LCD cỡ nhỏ và trung bình-Thiết kế quang học của màn hình có đèn nền

Đèn nền được sử dụng trong màn hình tinh thể lỏng (LCD) màn hình phẳng, nhỏ, nhẹ và các thiết bị điện tử khác yêu cầu đèn nền, bao gồm các thiết bị cầm tay nhỏ như lòng bàn tay và TV màn hình lớn. Mục tiêu của thiết kế đèn nền bao gồm tiêu thụ điện năng thấp, siêu mỏng, độ sáng cao, độ sáng đồng đều, diện tích lớn và kiểm soát các góc nhìn rộng và hẹp khác nhau. Để đạt được những mục tiêu thiết kế đầy thách thức này với chi phí được kiểm soát và triển khai nhanh chóng, phải sử dụng các công cụ thiết kế quang học có sự hỗ trợ của máy tính để thiết kế. Bài viết này giới thiệu các đặc điểm của phần mềm phân tích và thiết kế quang học LightTools của Công ty ORA của Hoa Kỳ, có thể sử dụng để phát triển các ứng dụng thiết kế đèn nền tiên tiến nhất hiện nay.
Công cụ phân tích và thiết kế quang học cho đèn nền
Hệ thống đèn nền yêu cầu một số chuyển đổi ánh sáng từ một hoặc nhiều nguồn sáng để tạo ra sự phân bổ ánh sáng cần thiết trong một khu vực hoặc ở một góc cố định. Phần mềm thiết kế chiếu sáng phải có khả năng mô hình hóa hình học, thiết lập các thông số đặc tính quang học cho các loại nguồn sáng và bộ chuyển đổi khác nhau, đồng thời phải có khả năng sử dụng các phương pháp dò quang học để đánh giá đường đi của ánh sáng qua mô hình và tính toán phân bổ ánh sáng cuối cùng. Phân bổ ánh sáng sử dụng mô phỏng Monte Carlo để tính toán độ rọi, độ chói hoặc cường độ sáng cho các khu vực và/hoặc góc cụ thể. Các tia sáng được phát ra từ nguồn sáng ở các vị trí và góc ngẫu nhiên, truyền qua hệ thống quang học và được nhận trên bề mặt tiếp nhận. Độ sáng có thể được tính toán từ các máy thu bề mặt và cường độ có thể thu được từ các máy thu trường xa. Bằng cách xác định máy đo độ chói trên bề mặt máy thu, có thể tính toán được sự phân bố độ chói theo không gian và góc. Trong một số trường hợp, việc phân tích màu sắc của màn hình có thể rất quan trọng. Chỉ định sự phân bố năng lượng quang phổ của các nguồn sáng (chẳng hạn như điốt phát sáng), tọa độ CIE đầu ra và nhiệt độ màu tương quan (CCT), định lượng sắc độ của màn hình và tạo đồ họa hiển thị ánh sáng thực RGB trên màn hình. Những phân tích này đều có thể được thực hiện trong phần mềm LightTools.
Đặc điểm của màn hình có đèn nền đặt ra yêu cầu đặc biệt đối với phần mềm phân tích ánh sáng. Như sẽ được giải thích, ánh sáng phát ra từ đèn nền phụ thuộc vào mật độ phân bố của các chấm in hoặc kiểu phân bố của các cấu trúc vi mô. Để mô hình hóa các mảng cấu trúc vi mô cụ thể, nếu sử dụng trực tiếp mô hình CAD thì kích thước mô hình có thể rất lớn. Phần mềm LightTools cung cấp các chức năng được xác định bởi mảng kết cấu 3D, có thể thực hiện dò tia và hiển thị chính xác. Vì không sử dụng mô hình hình học được xây dựng trực tiếp nên kích thước của mô hình nhỏ hơn và dò tia nhanh hơn. Một khía cạnh khác của phân tích đèn nền bao gồm sự phân tách và tán xạ ánh sáng trên bề mặt tấm dẫn ánh sáng. Vì hiệu ứng ánh sáng được mô phỏng bằng phương pháp Monte Carlo nên có thể phải sử dụng phương pháp dò tia mở rộng để có được thiết kế có đủ độ chính xác. Cách hiệu quả nhất là truy tìm tia năng lượng cao nhất. Bằng cách truy tìm đường đi của tia năng lượng cao nhất bằng cách sử dụng xác suất phân chia và sử dụng vùng mục tiêu hoặc góc tán xạ của bề mặt tán xạ để hướng ánh sáng tán xạ đến các hướng "quan trọng" (chẳng hạn như hướng tới người xem màn hình).
Công nghệ Hongjia Thâm Quyến chuyên về R&D và sản xuất màn hình LCD với nhiều độ sáng khác nhau. Độ sáng của đèn nền đồng đều. Độ sáng tổng thể của mô-đun có thể đạt tới 2000 lumens. Nó có thể đọc được rõ ràng dưới ánh sáng mặt trời. Nhiệt độ làm việc có thể đạt -35 đến 85 độ. Chống tĩnh điện với khung sắt Hiệu suất rơi vượt trội.
Đèn nền là gì?
Đèn nền thông thường bao gồm một nguồn sáng, chẳng hạn như đèn huỳnh quang cathode lạnh (CCFL) hoặc điốt phát sáng (LED) và một bộ dẫn ánh sáng hình chữ nhật. Các thành phần sẵn có khác bao gồm tấm khuếch tán giúp cải thiện tính đồng nhất của màn hình và phim tăng cường độ sáng (BEF) giúp tăng độ sáng của màn hình. Nguồn sáng thường được đặt ở một cạnh bên của tấm dẫn sáng để giảm độ dày của màn hình. Ánh sáng ở cạnh thường sử dụng phản xạ toàn phần (TIR) ​​để hướng ánh sáng vào màn hình.
Các nhà thiết kế đèn nền có một số cách để mô hình hóa nguồn sáng trong phần mềm LightTools. Các hình dạng khác nhau của nguồn sáng huỳnh quang (chẳng hạn như hình thẳng, hình chữ L, hình chữ U hoặc hình chữ W, như trong Hình 2) có thể được xác định nhanh chóng bằng cách sử dụng công cụ tạo đèn huỳnh quang. Bộ phản xạ đèn có thể được xác định bằng nhiều dạng hình học nguyên thủy khác nhau trong phần mềm LightTools, chẳng hạn như hình trụ, khe hình elip và đa giác ép đùn. Các bộ phản xạ được xác định trong hệ thống CAD cũng có thể được nhập vào phần mềm LightTools thông qua các định dạng trao đổi dữ liệu tiêu chuẩn (IGES, STEP, SAT và CATIA). Nếu sử dụng đèn LED, người thiết kế có thể chọn các mẫu đèn LED mong muốn từ các mẫu sản phẩm được lưu sẵn của Agilent, Lumileds, Nichia, Osram, v.v. trong phần mềm LightTools. Khi ánh sáng đi vào một phía của LGP, vấn đề sẽ trở thành trích xuất ánh sáng từ LGP vuông góc với hướng truyền.
Như thể hiện trên hình. 3, mặt sáng nhất của tấm dẫn sáng nằm gần nguồn sáng và độ sáng trong tấm dẫn sáng sẽ tối hơn khi khoảng cách tăng lên. Để ánh sáng phát ra đồng đều, hiệu suất khai thác ánh sáng phải tăng theo khoảng cách. Một trong những nhiệm vụ chính trong thiết kế đèn nền là thiết kế một tấm dẫn ánh sáng có thể thay đổi hiệu suất khai thác ánh sáng theo mong muốn. Có hai kỹ thuật khai thác có thể được sử dụng. Công nghệ khai thác ánh sáng in dấu chấm là in cấu trúc ma trận điểm ở dưới cùng của tấm dẫn sáng để phân tán ánh sáng lên trên và phát ra từ bề mặt của tấm dẫn sáng. Công nghệ thứ hai, Công nghệ khai thác ánh sáng khuôn, dựa vào sự phản xạ toàn phần (TIR) ​​của cấu trúc vi mô bề mặt đáy để khiến ánh sáng nổi lên từ bề mặt của LGP.
Phần mềm LightTools cung cấp các công cụ thiết kế đèn nền để hiện thực hóa thiết kế của tấm dẫn hướng ánh sáng. Công cụ này (Hình 4) hỗ trợ người dùng tạo các thành phần khác nhau của đèn nền. Các tùy chọn khác bao gồm thêm thành phần nguồn sáng/gương phản xạ vào mô hình, tạo mô hình BEF và xây dựng bộ thu để phân tích độ sáng. Giao diện của công cụ đèn nền là tập hợp các tab để thiết lập và sửa đổi các loại cơ chế trích xuất ánh sáng khác nhau.
Đối với đèn nền sử dụng phương pháp trích xuất ánh sáng in dấu chấm, công cụ đèn nền có thể thiết lập thay đổi tuyến tính về kích thước và tỷ lệ khung hình của các dấu chấm được in cũng như thay đổi tuyến tính của khoảng cách dấu chấm dọc theo chiều dài của tấm dẫn hướng ánh sáng. Cấu trúc thay đổi tuyến tính này thường là điểm khởi đầu tốt để hiển thị tính đồng nhất, nhưng nó không đủ cho các yêu cầu về tính đồng nhất cuối cùng. Có thể đạt được sự kiểm soát sâu hơn về tính đồng nhất bằng cách sử dụng các thông số trích xuất tia thay đổi phi tuyến tính. Một phương pháp có số lượng tham số ít nhất và điều khiển rất linh hoạt là xác định các biến tham số của đường cong Bézier bậc hai. Công cụ vùng 2D của phần mềm LightTools có thể được sử dụng để thiết lập các cấu trúc phi tuyến tính. Hình 5 cho thấy một ví dụ về việc sử dụng trích xuất được in, trong đó 3 tham số (chiều rộng, chiều cao và khoảng cách dọc của dấu chấm được in) được thay đổi để thu được các hành vi trích xuất khác nhau. Độ đồng đều đầu ra được thể hiện trong Hình 6. Hình bên phải cho thấy độ sáng đầu ra trung bình là một hằng số.