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：/LTFiles。

在“Designing Backlight Displays in LightTools”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）。

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light pipe。

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。

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，设计的challenge就是使输出光方向于光传播方向，LCD平面刚刚好在导光板上方。

普通光输出技术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Printed light extraction和molded light extraction。

Printed Light Extraction（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:Cold Cathode Fluorescernt Lamp)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“Lambertian scatterers”，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。

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。

Molded Light Extraction（模型化光输出）Molded light extraction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light pipe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。

通过添加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v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。

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collect output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.lts。

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dummy plane（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dummy plane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1.开始新的3D Design。

2.设置系统单位为mm。

3.画一个glass block来创建举行的light pipe，按如下步骤：a．在命令栏选择Elements > 3D Objects > Block3Pt.b．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。

c．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。

d．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3D Design View（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。

5.右键选中块然后在信息对话框中显示。

6.改变块的方向和大小，如下所述：a.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=0b.改变块的方向以使其和Z轴对齐，值为：Alpha=0；Beta=0；Gamma=0c.改变块的大小，值为：Length=50；Width=20;Height=57.点击Apply执行所有的改变，来创建块。

8.点击Dismiss关闭信息对话框。

9.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〉Fit All Same。

如果只有一面显示，则单击Fit All 工具按钮。

则重置大小的块就显示在Isometric View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_SCHOTT，一中普通的玻璃材料，由玻璃制造商Schott生产。

10.从LightTools提供的材料中Load用户材料Acrylic。

11.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User Material。

12.点击Apply来把块的材料改为Acrylic。

13.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. 2D optical property zones。

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。

1.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。

a.右击块来显示信息对话框b.改变Gamma角度为－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。

c.在Isometric或者Right Side view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_1 selected at BottomSurface）。

2.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。