中小尺寸液晶屏-背光显示的光学设计

背光应用于小型，轻便，要求从背后照明的平板液晶显示器（LCD）等电子设备，包括小到如手掌大小的手持设备，大到大屏幕电视机。背光设计的目标包括低功耗，超薄，高亮度，亮度均匀，大面积，不同宽窄的视角控制。为了实现这些挑战性的设计目标，并控制成本和快速实现，必须使用电脑辅助光学设计工具进行设计。 本文介绍了美国ORA公司的LightTools光学设计和分析软件的特性，可用于开发当今最先进的背光设计应用。

用于背光的光学设计和分析工具

背光照明系统需要将来自一个或多个光源的光进行某种转换，在一个区域或一个固定的角度；里产生需要的配光分布。照明设计软件必须能够几何建模，对不同类型的光源和转换单元设定光学特性参数，而且必须能够使用光学追迹的方法来评价光线通过模型的路径并计算最后的光分布。光分布采用蒙特卡罗模拟来计算特定区域和/或角度的照度，亮度，或发光强度。 光线从光源以随机的位置和角度发出，通过光学系统追迹，并在接收面上接收。 照度可以从表面接收器计算出来，强度可以从远场接收器获得。通过在接收器表面定义亮度计，可以计算出亮度随空间和角度的分布。在某些情况下，分析显示器的色度可能是很重要的。指定光源（如发光二极管）的光谱能量分布，输出CIE坐标值以及相关色温（CCT），量化显示器的色度，在显示器上生成RGB真实光线渲染的图形。这些分析在LightTools软件中都可以做到。

背光显示器的特点对照明分析软件有特别的要求。正如将要说明的，背光发出的光线取决于印刷点的分布密度，或者微结构的分布模式。对特定的微结构阵列的建模，如果直接使用CAD模型可能会导致非常大的模型尺寸。LightTools软件提供三维纹理阵列定义的功能，能够进行准确的光线追迹和渲染，由于没有使用直接构建的几何模型，所以模型的体积更小，光线追迹更快。背光分析的另一个方面，包括光线在导光板表面的分光和散射。由于使用蒙特卡洛方法仿真照明效果，有可能必须使用大量光线追迹以获得足够精度的设计。 最有效的方法是追迹最高能量的光线。通过使用分光概率追迹最高能量的光线路径，并使用散射表面的目标区域或散射角度定向散射光到“重要”的方向（如朝向显示器的观察者）。

什么是背光？

典型的背光由一个光源，如冷阴极荧光灯（CCFL）或发光二极管（LED），和一个长方形导光板。其他可用组件包括扩散板，用来提高显示器的均匀性，以及增亮膜（BEF），用来提高了显示器的亮度。光源通常位于导光板的一个侧边缘以减小显示器的厚度。侧光照明通常使用全反射（TIR）在显示器中传导光线。

背光设计师在LightTools软件中有多种方法对光源建模。荧光灯光源的不同形状（如直，L形，U形或W形，如图2所示）可以迅速使用荧光灯创建工具定义。灯的反射器可以用LightTools软件中的各种几何原形定义，如圆柱，椭圆形槽，挤压成型的多边形。在CAD系统中定义的反射器也可以通过标准数据交换格式（IGES, STEP, SAT 和CATIA）导入到LightTools软件。如果使用LED，设计人员就可以从LightTools软件中预存的安捷伦，Lumileds，日亚，欧司朗等公司的产品模型中选择期望的LED模型。一旦光线进入导光板的一边，问题就变成从导光板中提取垂直于传播方向的光线。

如图3所示，导光板中最亮是靠近光源的一边，随着距离越远，导光板中的亮度越暗。为了获得均匀的光线输出，光线提取效率必须随着距离增加而增加。背光设计的主要任务之一是设计按需要改变光线提取效率的导光板。有两种提取技术可以使用。网点印刷光线提取技术是在导光板的底部印刷点阵结构将光向上散射，从导光板表面射出。第二种技术，　模压成型光线提取技术，依靠底部表面微观结构的全反射（TIR），使光从导光板表面射出。

LightTools软件提供背光设计工具实现导光板的设计。此工具（图4）协助用户创建背光的各种组件。其他选项包括向模型添加光源/反射器组件，BEF建模，建立一个接收器来分析亮度。背光工具的界面是多个标签，用来设置和修改各种不同类型的光线提取机制。 

对于使用网点印刷光线提取方法的背光，背光工具可以设置印刷点的大小尺寸和长宽比的线性变化，　以及网点间距沿着导光板长度方向的线性变化。这种线性变化的结构对显示均匀性往往是一个良好的起点，但并不足以满足最终的均匀性要求。进一步控制均匀性可以使用非线性变化的光线提取参数。一种使用最少参数而且控制非常灵活的方法是定义二次贝塞尔曲线的参数变量。 LightTools软件的二维区域工具可用来设置非线性结构。图5显示了一个使用印刷提取的例子，其中3个参数（印刷点宽度，高度和垂直间距）的变化来获得不同的提取行为。输出均匀性如图6所示。其中右图显示平均输出亮度是一个常数。