Écran LCD de petite et moyenne taille - Conception optique de l'affichage rétroéclairé

2023-07-02

Le rétroéclairage est utilisé dans les petits écrans plats à cristaux liquides (LCD) légers et dans d'autres appareils électroniques nécessitant un rétroéclairage, y compris les appareils portables aussi petits que la paume de votre main et les téléviseurs à grand écran. Les objectifs de la conception du rétroéclairage incluent une faible consommation d’énergie, une luminosité ultra-mince et élevée, une luminosité uniforme, une grande surface et le contrôle de différentes largeurs et angles de vision étroits. Pour atteindre ces objectifs de conception ambitieux avec un coût maîtrisé et une mise en œuvre rapide, des outils de conception optique assistée par ordinateur doivent être utilisés pour la conception. Cet article présente les caractéristiques du logiciel de conception et d'analyse optique LightTools de la société ORA aux États-Unis, qui peut être utilisé pour développer les applications de conception de rétroéclairage les plus avancées aujourd'hui.
Outils de conception et d'analyse optiques pour le rétroéclairage
Un système de rétroéclairage nécessite une certaine conversion de la lumière provenant d’une ou plusieurs sources lumineuses pour produire la distribution lumineuse requise dans une zone ou à un angle fixe. Le logiciel de conception d'éclairage doit être capable de modéliser géométriquement, de définir des paramètres de caractéristiques optiques pour différents types de sources lumineuses et d'unités de conversion, et doit être capable d'utiliser des méthodes de traçage optique pour évaluer le trajet de la lumière à travers le modèle et calculer la distribution lumineuse finale. La distribution de la lumière utilise des simulations de Monte Carlo pour calculer l'éclairement, la luminance ou l'intensité lumineuse pour des zones et/ou des angles spécifiques. Les rayons lumineux sont émis par la source lumineuse à des positions et des angles aléatoires, tracés à travers le système optique et reçus sur la surface réceptrice. L'éclairement peut être calculé à partir de récepteurs de surface et l'intensité peut être obtenue à partir de récepteurs en champ lointain. En définissant un luminancemètre sur la surface du récepteur, la distribution spatiale et angulaire de la luminance peut être calculée. Dans certains cas, il peut être important d'analyser la chromaticité d'un affichage. Spécifiez la distribution d'énergie spectrale des sources lumineuses (telles que les diodes électroluminescentes), produisez les coordonnées CIE et la température de couleur corrélée (CCT), quantifiez la chromaticité de l'écran et générez des graphiques de rendu de lumière réelle RVB sur l'écran. Ces analyses peuvent toutes être effectuées dans le logiciel LightTools.
Les caractéristiques des écrans rétroéclairés imposent des exigences particulières aux logiciels d'analyse de l'éclairage. Comme cela sera expliqué, la lumière émise par le rétroéclairage dépend de la densité de distribution des points imprimés, ou du modèle de distribution des microstructures. Pour la modélisation de réseaux de microstructures spécifiques, si le modèle CAO est utilisé directement, la taille du modèle peut être très grande. Le logiciel LightTools fournit des fonctions définies par des tableaux de textures 3D, qui peuvent effectuer un traçage et un rendu de rayons précis. Puisqu’aucun modèle géométrique directement construit n’est utilisé, la taille du modèle est plus petite et le lancer de rayons est plus rapide. Un autre aspect de l'analyse du rétroéclairage comprend la division et la diffusion de la lumière sur la surface de la plaque guide de lumière. Étant donné que les effets de lumière sont simulés à l'aide des méthodes de Monte Carlo, il est possible qu'il soit nécessaire d'utiliser un lancer de rayons approfondi pour obtenir une conception avec une précision suffisante. Le moyen le plus efficace consiste à tracer le rayon d’énergie le plus élevé. En traçant le trajet du rayon d'énergie la plus élevée en utilisant des probabilités divisées et en utilisant la zone cible ou l'angle de diffusion de la surface de diffusion pour diriger la lumière diffusée vers des directions « importantes » (telles que vers le spectateur de l'écran).
Shenzhen Hongjia Technology est spécialisée dans la R&D et la production d'écrans LCD avec différentes luminosités. La luminosité du rétroéclairage est uniforme. La luminosité globale du module peut atteindre 2000 lumens. Il est clairement lisible au soleil. La température de travail peut atteindre -35 à 85 degrés. Antistatique avec cadre en fer. Eh bien, les performances de chute sont supérieures.
Qu’est-ce que le rétroéclairage ?
Un rétroéclairage typique se compose d'une source de lumière, telle qu'une lampe fluorescente à cathode froide (CCFL) ou une diode électroluminescente (LED), et d'un guide de lumière rectangulaire. Les autres composants disponibles incluent des plaques de diffusion, qui améliorent l'uniformité de l'écran, et des films améliorant la luminosité (BEF), qui augmentent la luminosité de l'écran. La source de lumière est généralement située sur un bord latéral de la plaque de guidage de lumière pour réduire l'épaisseur de l'écran. L'éclairage de bord utilise généralement la réflexion totale (TIR) ​​pour diriger la lumière vers l'écran.
Les concepteurs de rétroéclairage disposent de plusieurs manières pour modéliser les sources lumineuses dans le logiciel LightTools. Différentes formes de sources de lumière fluorescente (telles que droites, en forme de L, en forme de U ou en forme de W, comme le montre la figure 2) peuvent être rapidement définies à l'aide de l'outil de création de lampes fluorescentes. Le réflecteur de lampe peut être défini avec diverses primitives géométriques dans le logiciel LightTools, telles que des cylindres, des fentes elliptiques et des polygones extrudés. Les réflecteurs définis dans les systèmes CAO peuvent également être importés dans le logiciel LightTools via des formats d'échange de données standards (IGES, STEP, SAT et CATIA). Si des LED sont utilisées, les concepteurs peuvent sélectionner les modèles de LED souhaités parmi les modèles de produits pré-stockés d'Agilent, Lumileds, Nichia, Osram, etc. dans le logiciel LightTools. Une fois que la lumière entre d’un côté du LGP, le problème devient d’extraire la lumière du LGP perpendiculairement à la direction de propagation.
Comme le montre la fig. 3, le côté le plus brillant de la plaque de guidage de lumière est proche de la source de lumière, et la luminosité dans la plaque de guidage de lumière devient plus sombre à mesure que la distance augmente. Pour un flux lumineux uniforme, l’efficacité de l’extraction de la lumière doit augmenter avec la distance. L’une des tâches principales de la conception du rétroéclairage consiste à concevoir une plaque de guidage de lumière qui fait varier l’efficacité de l’extraction de la lumière à volonté. Deux techniques d'extraction peuvent être utilisées. La technologie d'extraction de lumière par impression par points consiste à imprimer une structure matricielle sur le bas de la plaque de guidage de lumière pour diffuser la lumière vers le haut et l'émettre depuis la surface de la plaque de guidage de lumière. La deuxième technologie, Molded Light Extraction Technology, repose sur la réflexion totale (TIR) ​​de la microstructure de la surface inférieure pour faire émerger la lumière de la surface du LGP.
Le logiciel LightTools fournit des outils de conception de rétroéclairage pour réaliser la conception de la plaque de guidage de lumière. Cet outil (Figure 4) assiste l'utilisateur dans la création des différents composants du rétroéclairage. D'autres options incluent l'ajout d'un composant source de lumière/réflecteur au modèle, la modélisation BEF et la construction d'un récepteur pour analyser la luminosité. L'interface de l'outil de rétroéclairage est une collection d'onglets permettant de configurer et de modifier différents types de mécanismes d'extraction de lumière.
Pour le rétroéclairage utilisant la méthode d'extraction de lumière par impression de points, l'outil de rétroéclairage peut définir le changement linéaire de la taille et du rapport d'aspect des points imprimés, ainsi que le changement linéaire de l'espacement des points sur la longueur de la plaque de guidage de lumière. Cette structure à variation linéaire constitue souvent un bon point de départ pour afficher l'uniformité, mais elle n'est pas suffisante pour répondre aux exigences finales d'uniformité. Un contrôle supplémentaire de l'uniformité peut être obtenu en utilisant des paramètres d'extraction de rayons à variation non linéaire. Une méthode avec le moins de paramètres et un contrôle très flexible consiste à définir des variables paramétriques de la courbe quadratique de Bézier. L'outil de région 2D du logiciel LightTools peut être utilisé pour mettre en place des structures non linéaires. La figure 5 montre un exemple d'utilisation de l'extraction imprimée, où 3 paramètres (largeur du point imprimé, hauteur et espacement vertical) varient pour obtenir différents comportements d'extraction. L'uniformité de sortie est illustrée à la figure 6. La figure de droite montre que la luminosité de sortie moyenne est constante.