光学LED-运用LightTools设计背光显示

运用LightTools设计背光显示2003年6月第一节背光设计简介本节介绍了如何运用LightTools来定义基本的背光。本文供LightTools的初学用户使用，所以运用了很多相关的简单的例子并且包括产品的基本特性。LightTools的高级用户可以跳过前半部分，直接到41页“高级背光设计”。本节主要内容如下：•先决条件•什么是背光•普通光线输出技术•运用LightTools的计算机辅助设计•设置模拟•分析照明数据•更多照明数据导出先决条件要完成第一节中的练习，你首先得正确安装：LightTools3.3版（或更高版本）。LightTools的系统（.lts）和库（.ent）文件确定可用，从光学研究协会网址上下载。下载这些文件，首先在你的浏览器中输入：/LTFileso在“DesigningBacklightDisplaysinLightTools”的栏目下点击BacklightFiles.zip。把文件保存到硬盘然后把压缩文件解压到一个目录下（比如：C:\LTUser）o什么是背光背光是指用于电子元件中的有一个要求背后出光的平面，其中可以包括小到PDA大到电视屏的电子设备。典型的背光包括光源，导光板或者是所谓的lightpipeo光源一般置于导光板的一侧，以减小导光板的厚度。侧光一般使用总的内反射来沿着演示器的长度方向来传播光，下边图表中所示就是典型的背光设计。16LightguideFigure1.Schematicofatypicalbacklightdesign设计的challengeLightguideFigure1.SchematicofatypicalbacklightdesignPrctcrrcddirectionotlightextraction—Directionoflightpi*opagationFigure2.Lightextractionfromalightguide主要的要求就是均衡的光通过LCD的表面，而且光通量足够高，以便和日光环境有很好的对比度（这样你就可以在一台小型电脑或者掌上电子元件上边看见显示，比如，在室光条件下）。如图2Prctcrrcddirectionotlightextraction—Directionoflightpi*opagationFigure2.Lightextractionfromalightguide主要的要求就是均衡的光通过LCD的表面，而且光通量足够高，以便和日光环境有很好的对比度（这样你就可以在一台小型电脑或者掌上电子元件上边看见显示，比如，在室光条件下）。如图2上方。从导光板以垂直于光传播方向输出光有好几种技术手段。最普通的就是Printedlightextraction和moldedlightextraction。PrintedLightExtraction（印刷式光输出）用于膝上电脑的背光的绝大多数冷阴极灯管（CCFL:ColdCathodeFluorescerntLamp）都运用印刷式光输出技术。白色网点的阵列被印刷在导光板的底表面。这些网点将入射光以散射的方式均匀地向各个方向反射出去。这些网点也可以被称为“Lambertianscatterers”，因为它具有平均光散射的特性。印刷式网点使光在导光板中的传播方向转向上表面，也就是LCD所在的平面。如图3所示。Bottomsurfaceoflightpi卩i■'：、iBottomsurfaceoflightpi卩i■'：、ithprmtuddotsFigure3.Printedlightextraction.Thev/hitedotsonthebo卄om汕卄ofthelightguideredirectlighttov/c；rdthetopsurfcce.EixlrLiulcdI12I1L:jel'lccttdli'^mthepiinleddots1—Directionoflightprcpagcihcn••••因为被印刷网点反射的光是散漫的，背光中的光线不是平行的（或者说是方向性的）。这就会降低了显示器可达到的输出亮度。为了达到足够的光亮度，以使在日光条件下可读，有必要添加增光片（BEFs）来减小视角。MoldedLightExtraction（模型化光输出）Moldedlightextraction是比印刷式光输出便宜的一种技术，这种技术中，光线通过添加模型结构从导光板中输出，而不是lightpipe的底面的印刷过程。输出光线可以保证良好的同向性，所以，更多的光可以转向LCD平面和观察者。通过添力口diffuser，可以在LCD平面达到平滑的统一光线的效果。模型技术包括化学蚀刻或者激光蚀刻，V型槽和微结构技术。推荐在导光板下面放置白色的漫反射片来提高效率，因为这样可以循环利用没有被模型构造改变方向的光。利用化学和激光蚀刻技术，创建蚀刻结构的过程是基于酸化原理的。并且有对于输出光结构在位置数目和外形上最小的控制。另外，输出光并不是严格校准的，而是有一个相关的很大的散射范围。V型槽技术可以产生很好的校准光，因为它是镜面反射。虽然校准的输入源有可行有效的方法，但要想通过改变槽深度或密度在导光板长度上达到同样的亮度却很难，因为/型槽定位于垂直于光传播的方向！微结构技术运用微型棱镜来改变传向LCD平面的光的方向，这种技术的优点是设计的灵活性，通过操作六个变量（大小深度形状数量和微型棱镜的方向），你可以更准确的控制均一性并且达到很高的亮度和对比度。Extractedlight(reflectedfromv-grooves)—DirectionoflightpropagationFigure4.Moldedlightextrciction,,usingv-groovesonthebottomsurface.Thegrooves

□crlikemirrorstoredirectthelighttowardthetopsurface.使用LightTools的计算机辅助设计使用LightTools,可以创建背光模型的虚拟原型。LightTools照明模拟提供了精确和优化设计的所有的光度信息。比如光效率，均匀度和对比度等。这可以很有效的减少原型的材料和劳力消耗，并可以通过应用optimization提供最优化设计。通常设计的目的就是达到均一的照度和强度，在背光的上表面（特定开端上）。通常，在整个表面维持100％的均匀度是不可能的，所以，实际上，最好的设计就是达到最小的变化量。LightTools中设计背光做一个背光模型的第一步是完成零件的光学机械设计。LightTools的CAD构架允许创建和操作他们的实体和光学性质。另外，你也可以用LightTools中的数据交换构架导入一个已存在的模型（或它的一个零件）。设置了光学属性然后添加源和接收器，之后就可以运行模拟来分析背光的性能。以下是设计步骤的摘要：•创建（或者导入）一个导光板的光学机械模型。•改变表面属性。•创建其他光学部材（比如：扩散片）。•创建（或导入）光表面。•定义collectoutput的表面接收器•运行模拟并且运用各种工具（比如照度计和亮度计）分析输出。本教程举例说明如何用不同的光线技术创建背光模型，首先说印刷式光输出。所有的举例都用一个薄的矩形的导光板，用印刷式光输出设计背光设计这种类型的背光的步骤如下表，且如第六页细节开始部分描述。注意：完成的LightTools模型包含在BacklightFiles.zip文件中。若要跳过创建背光直接到模拟程序，则开始LightTools然后打开文件BacklightDesign.1.1」ts。运行模拟的步骤在第七页。•创建矩形导光板。-创建glass块。-在底面创建光学属性区，这种操作会创建一个白色印刷点的圆形阵列。-给表面属性赋值。•创建光源。-创建一个等效于CCFL的圆柱形光源。-创建光源的反射面。•在刚刚高于导光板上表面的地方创建一个dummyplane（虚拟的面）（比如一个并不和光学系统其他表面相互影响的平表面）。•在dummyplane上创建一个表面接收器来分析照度的均匀性，并且设置接收器属性。•创建一个亮度计来分析亮度比/平均亮度，并且设置亮度计的属性。创建Glass块开始新的3DDesign。设置系统单位为mm。画一个glassblock来创建举行的lightpipe，按如下步骤：a.在命令栏选择Elements>3DObjects>Block3Pt

0<$>1.etrents[0|:D|口3DCfoject.sQSpheresphere越EllipseI辭CvfinderSTorwYoucaiiclicktheleftmousebutton[Jeft-ciickj3timestospccil\the：i'caiiun.hciLih:.nndtheIcnglhi>ftheblock,asdescribedmill亡stt|^bc.'.iw.在右侧视窗，左键击origin（注意：移动鼠标指针时，相应点的X、Y、Z在命令行显示。）这用来定义块的左表面中心。左键击第二点，沿着Y轴负方向，垂直于第一个。这定义了块的半高度。不用考虑怎样指定精确尺寸。左键击Z轴上的第三点来完成块，这定义了块的长度。下面就可以出现了sample。你定义的块可以有不同的尺寸方向，这取决于你点击的地方。注意：也可以不用鼠标，而是在命令栏输入XYZ的值。4.也可以旋转块来看其他面。按压鼠标右键并且在3DDesignView（视窗）中移动指针。也可以恢复到初始方向。现在块已经创建完成，可以在信息对话框中修改属性。比如，你可以修改大小方向和块的材料注意：所有的LightTools对象都必须具有各自的属性（大小材料方向位置等），这些属

性在任何时候（它们存在并且在模型中可见）都可以在对象的信息对话框中可得，我们可以在对象上击右键来获得。右键选中块然后在信息对话框中显示。改变块的方向和大小，如下所述：改变块的位置，使左表面处于初始位置。将值设在适当位置：X=0；Y=0；Z=0改变块的方向以使其和Z轴对齐，值为：Alpha=O；Beta=O；Gamma=O改变块的大小，值为：Length=50；Width=20;Height=5点击Apply执行所有的改变，来创建块。点击Dismiss关闭信息对话框。看整体图像，做下列操作之一：•如果有四面显示，则选择菜单中Display〉FitAllSame。如果只有一面显示，则单击FitAll工具按钮。则重置大小的块就显示在IsometricView中，如下图所示：

然后，你可以把块的材料改变为某种塑料。默认的材料是BK7_SCH0TT,—中普通的玻璃材料，由玻璃制造商Schott生产。从LightTools提供的材料中Load用户材料Acrylic。再次打开块的信息对话框，在此奥了文本框中输入材料名：acrylic，然后从下拉菜单中选择UserMaterial。LineUidLli□OOUO□.OODCdhLineUidLli□OOUO□.OODCdh□aoanoo:|l.uj.luAlptia:_.uuu__:|l.UJ.LUEe匚a；_.uuu__:[oToOOOOGarmtia:2.00022点击Apply来把块的材料改为Acrylic。点击Dismiss关闭信息对话框。这样，你可以得到一个塑料制的固体导光板了。最好现在就追踪以下散射的光线来演示一下光如何沿着导光板传播。创建一个2D的光学属性区下一步就是创建一个白色网点区（表现为白色印刷网点）来校正导光板中的光，在例子中，你可以将网点创建在导光板的底表面，这样，光就会被反射到上表面。创建网点，要利用LightTools.2Dopticalpropertyzoneso这种构架允许在给定表面不同的区（zones）定义不同的表面属性。这些zones隶属于裸表面，并且对以任何方向入射的光都有作用，任何表面都可以有任意多的区，每个区可以有一个元件或者一个阵列的元件，这个（些）元件有特定的外形（也就是：圆形，矩形，椭圆的，弓形的„„）。另外，这个区可以定义为黑白的图片BITMAP（*.bmp）在我们的例子中，用的以一个环形的阵列。选择表面，如下所述：将一种属性区域赋予一个表面，首先要选定这个表面。这种情况下，需要选择导光板的底表面，但是，在当前视图中，并不方便这么操作，所以需要调整导光板的方向。右击块来显示信息对话框改变Gamma角度为一90度，然后点击Apply。这样交导光板关于Z轴旋转90度（顺时针方向），也就是到了底表面的方向，这样就可以容易的选中它。在Isometric或者RightSideview中，点击表面并且核对控制窗口的信息来确认它就是底表面。（信息：Cube_lselectedatBottomSurface）。使属性可见。3.当底表面显示为高亮时，在棱镜面板上点击CircArray按钮。

设置下列参数备注：这些值不需要精确，因为之后还可以用信息对话框修改。记录X和Y参考点是相关的，依赖于表面的方向（竖直，水平或者倾斜）•属性区的中心（使用鼠标）：点击底面的中心来指定此区域的中心。•属性区的半高度：在LightTools命令行，输入9然后按空格。•属性区的半宽度：在命令行输入24按空格。•单个圆（或网点）的半径：在命令栏嵌入1然后按空格。•X—偏移（offset）在命令栏嵌入0然后按空格，这个偏移量是指圆和区域的边界在X方向的偏移。Y—偏移（offset）在命令栏嵌入0按空格，这个偏移量是指圆和区域边界在Y方向的偏移。X—间距（spacing）在命令栏中嵌入2.5按空格，这间距是指两个相邻圆在X轴方向的间距。

•Y—间距（spacing）在命令行嵌入2.5然后按空格，这个间距是指两个相邻的圆在Y轴方向的距离。至此，属性创建完成。现在，可以将区域属性的值改为精确值，使用导光板的信息对话框。右击导光板的任何一个地方显示信息对话框，中间部分如下所示|eDttoidSurfaceTopSurfaceFrontSureBottoitiSurfac|eDttoidSurfaceTopSurfaceFrontSureBottoitiSurfacK：|U.ULUJUF：|-Z.5UUULRiahtSur£eice在对话框的左侧，从表面菜单中选择BottomSurface。在对话框的右侧，点击OpticalProperties按钮。对话框显示如下：Zone_lispropertyzoneyoujustcreated。点击Zone_l来查看属性。改变下列参数，上图中红色圈内的。•X=0这是区域中心在X轴方向的偏移。・Y=0这是区域中心在Y周方向的偏移。10.点击Apply。然后改变特性区域的光学属性，这样这些圆就可以起白色印刷网点作用了。若要这样，需要将底表面的RayDirection改为LambertianScatterer。备注：默认所有的表面以及光学特性区域的折射模式都是TIR,也就是说所有的表面都表现为完全投射的。在RayDirection标题下，点击下拉菜单然后选择LambertianScatterer。点击Apply。默认LambertianScatterer设置是反射率为1的反射。将反射率的值改为0.85来表现典型的白色印刷网点。二50000口.00000LtghtToals:PlanairPolygcinDi-alagProbahiList;icRaySplit:Y"_LRe=口七ancfijJarof>C±rciilarZones;LamDcr!tlanScaXtererSpacingTeI?_n±1DeZeteTHE匚二50000口.00000LtghtToals:PlanairPolygcinDi-alagProbahiList;icRaySplit:Y"_LRe=口七ancfijJarof>C±rciilarZones;LamDcr!tlanScaXtererSpacingTeI?_n±1DeZeteTHE匚m:口«□□□口口goneWidth:'LU..LUUJX：|j.-UUU.Y：U.J.LUUY:|..UJ..UZoneHeiqrhi：:l--LUU--Rgf-asieLOi^jn-ge-sRayAnfliXituciBLeaiiljercIan3catceeer□■日5OO0JT工ansiDlttance:口.uudZi口口UnpolarLzeil^忖佔审|Nujitit'er口r：scarteraflrayss[1~Pi:口pagacIonDlreccionspjeilectedL|TFelgh匸旦ilRay~~V|Rddius:1■□口000UserPefined;|丫"ElementShape;|Arrets'MCi匸匚丄亡二二|dismissIconlXyAinpAy点击Apply然后Dismiss。特性区的颜色改变来演示它的光学属性。通过信息对话框将默认的块名Cube_1改为LightGuide,这样之后可以更容易地判别各个组成。将Gamma值再改回0度。点击Apply和Dismiss。再主工具栏点击FitAll按钮。保存LightTools文件(File>SaveAs)到LTUser文件夹，命名为BacklightDesign。追踪散射的光线如何在导光板中传播。可以看到：随机地，入射光线遇到网点，反射到上表面，如下图所示(用Wireframerender模式)。

21.选择然后删除NS光线。这就完成了用印刷式光输出技术创建导光板的过程。创建光源LightTools以不同的几何手段提供了许多类型的光源，若模拟一个CCFL，本例中使用了表面发光的圆柱体源。这是因为CCFL可以近似的看作一个均匀发光的圆柱体，具有Lambertian特性。1.在命令栏，选择Raytracing>LightSources>Surface。在模型中，如下述来设定光源的尺寸。第一点，在块外点击任一点。这点即设定了光源的位置。不用担心怎么确定它的具体定位。第二点，直接点击另外一点，在第一点的上方，第二点显示出半径信息。第三点，点击再一点来使光源大概平行于Z轴方向。这点表示长度。则一个圆柱形的光源就建立了，注意：光源周围的环是光源的AimSphere，表示发光的方向，默认值是光向各个方向均匀发射。重定位源，并将它移动到导光板的左表面：a.右击光源以显示信息对话框。

b.嵌入下列相关值：-X=10_Y=0-Z=—3Alpha=0Beta=90-Gamma=0-Radius=1-Units=/r