LED 백라이트 디스플레이용 광학 설계 및 분석 도구

백라이트는 작고 가벼운 평면 LCD(액정 디스플레이) 및 손바닥만큼 작은 핸드헬드 장치 및 대형 스크린 TV를 포함하여 백라이트가 필요한 기타 전자 장치에 사용됩니다. 백라이트 설계의 목표는 저전력 소비, 초박형, 고휘도, 균일한 밝기, 넓은 면적, 다양한 너비 및 좁은 시야각 제어를 포함합니다. 이러한 도전적인 설계 목표를 달성하고 비용을 제어하고 신속한 구현을 달성하려면 컴퓨터 지원 광학 설계 도구를 설계에 사용해야 합니다. ? 이 기사에서는 오늘날 가장 진보된 백라이트 설계 응용 프로그램을 개발하는 데 사용할 수 있는 미국 ORA의 LightTools 광학 설계 및 분석 소프트웨어의 특성을 소개합니다.

백라이트용 광학 설계 및 분석 도구

백라이팅 시스템은 하나 이상의 광원에서 나오는 빛을 변환하여 특정 영역이나 고정된 각도에서 필요한 배광을 생성해야 합니다. 조명 설계 소프트웨어는 기하학적으로 모델링할 수 있어야 하고, 다양한 유형의 광원 및 변환 장치에 대한 광학 특성 매개변수를 설정할 수 있어야 하며, 광학 추적 방법을 사용하여 모델을 통과하는 빛의 경로를 평가하고 최종 광 분포를 계산할 수 있어야 합니다. . 조명 분포는 Monte Carlo 시뮬레이션을 사용하여 특정 영역 및/또는 각도의 조도, 밝기 또는 광도를 계산합니다. ? 광원에서 임의의 위치와 각도로 빛이 방출되고 광학 시스템을 따라 추적되어 수신면에 수신됩니다. 조도는 표면 수신기에서 계산할 수 있고 강도는 원거리 수신기에서 얻을 수 있습니다. 수신기 표면에 휘도계를 정의하여 공간 및 각도에 따른 휘도 분포를 계산할 수 있습니다. 어떤 경우에는 디스플레이의 색도를 분석하는 것이 중요할 수 있습니다. 광원(예: 발광 다이오드)의 스펙트럼 에너지 분포를 지정하고, CIE 좌표 값과 상관 색온도(CCT)를 출력하고, 디스플레이의 색도를 정량화하고, 디스플레이에서 RGB 실제 조명 렌더링 그래픽을 생성합니다. 이러한 분석은 모두 LightTools 소프트웨어에서 수행할 수 있습니다.

백라이트 디스플레이의 특성에는 조명 분석 소프트웨어에 대한 특별한 요구 사항이 있습니다. 설명하겠지만 백라이트에서 방출되는 빛은 인쇄된 도트의 분포 밀도 또는 미세 구조의 분포 패턴에 따라 달라집니다. 특정 미세구조 배열의 모델링을 위해 CAD 모델을 직접 사용하면 모델 크기가 매우 커질 수 있습니다. LightTools 소프트웨어는 정확한 광선 추적 및 렌더링을 수행할 수 있는 3D 텍스처 배열 정의 기능을 제공합니다. 직접 구성된 기하학적 모델을 사용하지 않기 때문에 모델의 볼륨이 더 작고 광선 추적이 더 빠릅니다. 백라이트 분석의 또 다른 측면은 도광판 표면의 빛 분할 및 산란을 포함합니다. Monte Carlo 방법은 조명 효과를 시뮬레이션하는 데 사용되므로 충분한 정확도로 디자인을 얻으려면 많은 수의 광선 추적을 사용해야 할 수 있습니다. ? 가장 효과적인 방법은 가장 높은 에너지의 빛을 추적하는 것입니다. 분할 확률을 이용하여 가장 높은 에너지 광선 경로를 추적하고 산란 표면의 목표 영역 또는 산란 각도를 이용하여 산란된 빛을&'중요&'로 향하게 한다. 방향(예: 디스플레이 뷰어 방향).

백라이트란? ?

일반적인 백라이트는 CCFL(냉음극 형광등) 또는 LED(발광 다이오드)와 같은 광원과 직사각형 도광판으로 구성됩니다. 다른 사용 가능한 구성 요소에는 디스플레이의 균일성을 향상시키는 데 사용되는 디퓨저와 디스플레이의 밝기를 높이는 데 사용되는 BEF(Brightness Enhancement Film)가 있습니다. 광원은 일반적으로 디스플레이의 두께를 줄이기 위해 도광판의 한쪽 가장자리에 위치합니다. 측광 조명은 일반적으로 TIR(전반사)을 사용하여 디스플레이에 빛을 전달합니다. ?

그림 1은 일반적인 백라이트 설계의 개략도를 보여줍니다. ?

백라이트 디자이너는 LightTools 소프트웨어에서 광원을 모델링하는 여러 가지 방법이 있습니다. 형광등 생성 도구를 사용하여 다양한 모양의 형광등 광원(예: 직선, L자형, U자형 또는 W자형)을 빠르게 정의할 수 있습니다. 램프의 반사체는 실린더, 타원형 홈, 돌출된 다각형과 같은 LightTools 소프트웨어의 다양한 기하학적 기본 요소로 정의할 수 있습니다. CAD 시스템에 정의된 반사경은 표준 데이터 교환 형식(IGES, ?STEP, ?SAT? 및 CATIA)을 통해 LightTools 소프트웨어로 가져올 수도 있습니다. LED를 사용하는 경우 설계자는 LightTools 소프트웨어에 미리 저장된 Agilent, Lumileds, Nichia, Osram 및 기타 회사의 제품 모델에서 원하는 LED 모델을 선택할 수 있습니다. 빛이 도광판의 한쪽 면에 입사하면 도광판에서 진행 방향에 수직인 빛을 추출하는 것이 문제가 됩니다.

그림 3과 같이 가장 밝은 도광판은 광원에 가까운 쪽입니다. 거리가 멀수록 도광판의 밝기가 어두워집니다. 균일한 광출력을 얻기 위해서는 거리가 멀어질수록 광추출 효율이 높아져야 한다. 백라이트 설계의 주요 작업 중 하나는 필요에 따라 광 추출 효율을 변경하는 도광판을 설계하는 것입니다. 두 가지 추출 기술을 사용할 수 있습니다. 도트 프린팅 광추출 기술은 도광판 바닥에 도트 매트릭스 구조를 인쇄하여 빛을 위쪽으로 산란시켜 도광판 표면에서 방출하는 기술입니다. 두 번째 기술인 압축 성형 광 추출 기술은 바닥 표면의 미세 구조의 전반사(TIR)에 의존하여 도광판 표면에서 빛이 나오도록 합니다.

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LightTools 소프트웨어는 도광판 설계를 실현하기 위한 백라이트 설계 도구를 제공합니다. 이 도구(그림 4)는 사용자가 백라이트의 다양한 구성 요소를 만드는 데 도움을 줍니다. 다른 옵션에는 모델에 광원/반사기 구성 요소 추가, BEF 모델링 및 밝기 분석을 위한 수신기 구축이 포함됩니다. 백라이트 도구의 인터페이스는 다양한 유형의 광 추출 메커니즘을 설정하고 수정하는 데 사용되는 여러 탭입니다.

도트 인쇄 광 추출 방법을 사용하는 백라이트의 경우 백라이트 도구는 인쇄된 도트의 크기 및 종횡비의 선형 변화와 도광판의 길이에 따른 도트 피치의 선형 변화를 설정할 수 있습니다. 이 선형적으로 변화하는 구조는 종종 디스플레이 균일성을 위한 좋은 출발점이지만 최종 균일성 요구 사항을 충족시키기에는 충분하지 않습니다. 균일성을 추가로 제어하기 위해 비선형적으로 변하는 광 추출 매개변수를 사용할 수 있습니다. 가장 적은 수의 매개변수를 사용하고 매우 유연한 방법은 2차 베지어 곡선의 매개변수 변수를 정의하는 것입니다. ? LightTools 소프트웨어의 2차원 영역 도구를 사용하여 비선형 구조를 설정할 수 있습니다. 그림 5는 다른 추출 동작을 얻기 위해 3개의 매개변수(인쇄 도트 너비, 높이 및 수직 간격)가 변경되는 인쇄 추출을 사용하는 예를 보여줍니다. 출력 균일성은 그림 6에 나와 있습니다. 오른쪽 그림은 평균 출력 밝기가 일정함을 보여줍니다. ?

두 번째 추출 방법인 압축 성형 추출 기술은 LightTools 소프트웨어의 3차원 텍스처 기능을 사용하여 반복 구조의 광선 추적을 매우 효과적으로 만들고 저장된 정보가 매우 컴팩트합니다. 비3D 텍스처 기능으로 생성된 모델의 광선 추적은 3D 텍스처로 생성된 모델보다 30배 이상 느리고 파일은 100배 이상 큽니다. 3D 텍스처에는 구형, 프리즘, 피라미드의 세 가지 기본 모양이 있습니다(그림 7). 백라이트 도구는 선형 가변 미세 구조를 정의할 수 있습니다. 그러나 3D 텍스처 도구는 2차 베지어 곡선을 사용하여 텍스처 매개변수를 비선형적으로 변경할 수 있습니다. 그림 8에 표시된 예는 추출 메커니즘으로 홈통 모양의 미세 구조(프리즘 3D 텍스처 모델링 사용)입니다. 결과 도광판과 시뮬레이션 결과는 그림 9에 나와 있습니다.

백라이트 광학 계산

백라이트 디스플레이의 가장 중요한 두 가지 광학량은 도광판 표면의 디스플레이 밝기와 조도 균일성입니다. 광도 및 다양한 색상 메트릭(CIE 좌표 및 상관 색온도 CCT)을 계산하는 것도 중요합니다. LightTools 소프트웨어에는 Monte Carlo 시뮬레이션에서 생성된 데이터를 이해하는 데 도움이 되는 이러한 계산 기능과 기타 여러 기능이 내장되어 있습니다.

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Monte Carlo 시뮬레이션은 LightTools 소프트웨어에서 조도 계산의 기초입니다. 난수 생성기는 빛의 시작 위치, 방향 및 파장을 선택하는 데 사용되며 수신면의 빛 분포를 샘플링하는 데 사용됩니다."무작위" 숫자는 시뮬레이션의 수렴에 큰 영향을 미칩니다. 낮은 분산(Sobol) 번호 시퀀스(완전히 무작위가 아님)를 사용하면 오류를 1/N으로 줄일 수 있습니다. 여기서 N은 수신단의 광선 수입니다. 난수열(그림 10)과 소볼수열(그림 11)을 이용하여 색도를 계산한 비교 결과를 볼 수 있다. 이 예에서 128,000개의 임의의 광선을 사용한 시뮬레이션 결과는 Sobol& #39;의 16,000개의 광선의 정확도와 같습니다. 중요한 것은 다른 소프트웨어의 시뮬레이션 수렴 속도를 비교하는 것입니다. 우리가 관심을 갖는 것은 특정 양의 빛을 추적하는 속도가 아니라 특정 시뮬레이션 정확도를 달성하는 속도입니다. LightTools 소프트웨어에서 수신기는 조명 데이터를 수집하여 조도를 계산하는 데 사용됩니다.

분석 및 표시를 위한 조명 데이터는 데이터 그리드에서 수집됩니다. 사용자는 데이터 그리드의 크기나 수를 대화식으로 제어할 수 있습니다. ? 수신기의 주어진 광선 수에 대해 그리드 수가 적을수록 공간 및 각도 분해능은 낮아지지만 상대 정확도는 높아집니다(낮은 오류율). 반대로 그리드가 많을수록 공간 및 각도 분해능은 높아지지만 정확도는 낮아집니다(높은 오류율). 추정된 오류율이 각 그리드에 표시되어 사용자가 추적 시뮬레이션에 충분한 빛이 사용되어 설계에서 요구하는 해상도와 정확도를 동시에 충족하는지 여부를 결정할 수 있습니다(Cassarly,?WJ,?Fest,?EC,?및 ?Jenkins,?DG,?2002). 더 많은 조명이 필요한 경우 사용자는 목표에 도달할 때까지 대화식으로 시뮬레이션을 계속할 수 있습니다. ?

백라이트 분석의 중요한 측면은 도광판 표면의 빛 분할 및 산란입니다. 도광판의 기능은 내부 표면에서 다중 반사 후에 빛을 흡수하거나 방출할 수 있다는 것입니다. 빛이 각 접촉면에서 투과와 반사의 두 부분으로 분할되면 매우 많은 수의 분할 광선이 발생하며 대부분은 많은 에너지를 전달하지 않아 분석 속도가 느려집니다. 이에 대한 예가 그림 12에 나와 있으며, 이는 빛 분할로 인해 많은 경로가 있는 시작 광선을 보여줍니다.

다음 시뮬레이션은 2,000개의 입사 광선을 사용합니다. 빛의 분할로 인해 수신기는 277,948개의 광선을 수집합니다(그림 13). 수신기에 도달하는 대부분의 빛은 에너지가 많지 않으므로 결과 오류는 42%입니다. 반대로, 프레넬 손실 계수와 표면 산란 특성을 사용하여 빛의 투과 및 반사 가능성을 결정하고 광로 경로의 가능성을 평가하는 경우 대부분의 광선 추적 시간은 에너지를 추적하는 데 사용됩니다. 시스템, 따라서 분석 속도를 높입니다. 200,000개의 입사 광선의 시뮬레이션 결과는 그림 14와 같습니다. 이 경우 118,969개의 광선이 수신기에 도달하고 계산 오차는 6%입니다. 확률 모드 광선 추적을 사용하면 계산 오류가 7배, 계산 시간이 42% 감소합니다.

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반대로, 프레넬 손실 계수와 표면 산란 특성을 사용하여 빛의 투과 및 반사 가능성을 결정하고 광로 경로의 가능성을 평가하는 경우 대부분의 광선 추적 시간은 에너지를 추적하는 데 사용됩니다. 따라서 분석 속도를 높입니다. 200,000개의 입사 광선의 시뮬레이션 결과는 그림 14와 같습니다. 이 경우 118,969개의 광선이 수신기에 도달하고 계산 오차는 6%입니다. 확률 모드 광선 추적을 사용하면 계산 오류가 7배, 계산 시간이 42% 감소합니다.

마지막으로 디스플레이의 균일성을 향상시키기 위해 도광판 상면에 디퓨저를 사용하는 경우가 있다. 디퓨저가 빛을 더 넓은 각도로 확산시키기 때문에 밝기 측정기의 조리개에 더 적은 빛이 산란됩니다. 기존의 디스플레이 밝기 테스트 방법에 따르면 밝기 계산을 위해 매우 많은 양의 빛이 필요합니다. LightTools 소프트웨어는 대상 영역 또는 각도를 산란 표면에 매핑하여 사용자가 어떤 산란을 고려해야 하는지 지정할 수 있도록 합니다. 이것은 중요한 샘플링 형식이며 Monte Carlo 시뮬레이션의 수렴을 향상시키는 또 다른 방법입니다. 그림 15는 목표 각도를 지정하지 않은 휘도계와 디퓨저가 있는 백라이트를 보여줍니다. 2000개의 광선을 추적한 후 밝기 측정기는 40개의 광선을 수신했으며 공간 밝기의 격자가 그림에 나와 있습니다.

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그림 16은 동일한 예를 보여주지만 중요한 값으로 샘플링하고 디퓨저에서 대상 각도를 지정합니다. 목표 각도는 밝기 측정기 조리개의 허용 각도와 일치합니다. 빛이 디퓨저에 도달하면 LightTools 소프트웨어는 산란광(확산 모델의 각도 분포를 기반으로 계산된 타겟 영역으로 들어가는 광속)을 타겟 각도로 생성하여 모든 산란된 빛이 휘도 측정기에 의해 수집되도록 합니다. 시뮬레이션의 수렴을 향상시킵니다. 이 경우 2000개의 입사 광선 중 1416 광선(71%)이 휘도계에 수신되었습니다.

다른 고려 사항?

백라이트는 편광 성분인 액정 표시 장치(LCD)에 널리 사용됩니다. 선형 편광, 1/4 파장 판, 편광 추적 평가 등과 같은 편광 구성 요소 모델링은 성공적인 분석을 위한 중요한 요소입니다. LightTools 소프트웨어는 간단한 선형 편광 및 지연 모델과 편광 구성 요소에 대한 Jones-Mueller 매트릭스 사양을 제공합니다. 사용자는 Stocks?에 따라 빛의 편광 상태를 추적해야 할 때 편광 광선 추적 기능을 사용할 수 있습니다. 벡터.

부품에 투명도, 반사 계수 및 편광 특성이 다른 다양한 광학 코팅이 있는 경우가 많습니다. 코팅은 성능을 기반으로 LightTools 소프트웨어에서 정의되며, 이는 종종 사용자가 아는 유일한 정보입니다. 반사 및 투과의 평균 또는 개별 S 또는 P 값은 발생 각도, 파장, X 위치 또는 Y 위치 매개변수 중 두 가지 매개변수로 지정할 수 있습니다. 이 시스템은 코팅 스택을 LightTools 소프트웨어의 코팅 형식으로 변환하는 도구를 제공합니다.

대부분의 백라이트는 도트 인쇄 또는 압축 성형 광 추출 기술을 사용하지만 다른 방법도 가능합니다. 하나는 도광판의 입자를 사용하여 산란시키는 것입니다. 입자의 크기와 밀도를 적절히 조절하면 입자에서 산란되는 미에가 도광판에서 빛을 효과적으로 추출할 수 있다(Tagaya, et al., 2001:6274). LightTools 소프트웨어는 Mie 이론 또는 사용자 정의 각도 분포에 따라 배치로 구형 입자의 산란을 시뮬레이션할 수 있습니다. ?

완전한 광학 설계를 CAD 시스템으로 내보내는 것은 종종 도광판 제조에 필요한 단계입니다. LightTools 소프트웨어는 STEP, SAT 또는 IGES와 같은 표준 형식 변환을 지원하여 완료합니다. 데이터 변환 표준은 외부 기하 데이터만 지원하므로 압축 성형 설계 추출의 경우 3차원 텍스처로 정의된 형상을 외부 기하 데이터로 변환하여 출력해야 합니다. LightTools 소프트웨어는 표준 형식을 지원하며 3D 텍스처를 선택적으로 외부 기하학적 데이터로 변환할 수 있으므로 전체 백라이트 디자인이 변환된 파일에 포함됩니다.

요약

백라이트 디자인 기술은 시장의 요구를 충족시키기 위해 더 나은 성능과 더 낮은 비용을 제공하기 위해 지속적으로 발전하고 발전해 왔습니다. 이러한 종류의 혁신을 위해서는 조명 설계 소프트웨어가 새로운 기능, 특히 백라이트 설계 주기 단축 지원을 지속적으로 추가해야 합니다. 모델 생성 및 파일 크기, 광선 추적 및 시뮬레이션 시간과 같은 LightTools 소프트웨어의 주요 기능, 백라이트 설계와 관련된 수많은 광학 매개변수를 계산하는 기능은 모두 업계에서 인정 및 검증되었습니다.

2004년에 출시된 LightTools 소프트웨어 버전 5.0에는 백라이트 설계에 매우 실용적인 노이즈 중복을 위한 조도 최적화 기능이 포함되어 있습니다. 이 기능은 빛 추출 템플릿을 자동으로 정의하여 효율성과 균일성을 극대화할 수 있습니다. 또한 LightTools 소프트웨어의 백라이트 템플릿 최적화 도구는 백라이트 및 라이트 가이드의 출력 분포를 최적화하는 효과적인 방법을 제공합니다.

키워드: LED 백라이트 디스플레이, 광학 설계, 분석 도구