背光應(yīng)用于小型，輕便，要求從背后照明的平板液晶顯示器（LCD）等電子設(shè)備，包括小到如手掌大小的手持設(shè)備，大到大屏幕電視機(jī)。背光設(shè)計(jì)的目標(biāo)包括低功耗，超薄，高亮度，亮度均勻，大面積，不同寬窄的視角控制。為了實(shí)現(xiàn)這些挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并控制成本和快速實(shí)現(xiàn)，必須使用電腦輔助光學(xué)設(shè)計(jì)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)。?本文介紹了美國(guó)ORA公司的LightTools光學(xué)設(shè)計(jì)和分析軟件的特性，可用于開(kāi)發(fā)當(dāng)今最先進(jìn)的背光設(shè)計(jì)應(yīng)用。

用于背光的光學(xué)設(shè)計(jì)和分析工具

背光照明系統(tǒng)需要將來(lái)自一個(gè)或多個(gè)光源的光進(jìn)行某種轉(zhuǎn)換，在一個(gè)區(qū)域或一個(gè)固定的角度；里產(chǎn)生需要的配光分布。照明設(shè)計(jì)軟件必須能夠幾何建模，對(duì)不同類(lèi)型的光源和轉(zhuǎn)換單元設(shè)定光學(xué)特性參數(shù)，而且必須能夠使用光學(xué)追跡的方法來(lái)評(píng)價(jià)光線(xiàn)通過(guò)模型的路徑并計(jì)算最后的光分布。光分布采用蒙特卡羅模擬來(lái)計(jì)算特定區(qū)域和/或角度的照度，亮度，或發(fā)光強(qiáng)度。?光線(xiàn)從光源以隨機(jī)的位置和角度發(fā)出，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)追跡，并在接收面上接收。?照度可以從表面接收器計(jì)算出來(lái)，強(qiáng)度可以從遠(yuǎn)場(chǎng)接收器獲得。通過(guò)在接收器表面定義亮度計(jì)，可以計(jì)算出亮度隨空間和角度的分布。在某些情況下，分析顯示器的色度可能是很重要的。指定光源（如發(fā)光二極管）的光譜能量分布，輸出CIE坐標(biāo)值以及相關(guān)色溫（CCT），量化顯示器的色度，在顯示器上生成RGB真實(shí)光線(xiàn)渲染的圖形。這些分析在LightTools軟件中都可以做到。

背光顯示器的特點(diǎn)對(duì)照明分析軟件有特別的要求。正如將要說(shuō)明的，背光發(fā)出的光線(xiàn)取決于印刷點(diǎn)的分布密度，或者微結(jié)構(gòu)的分布模式。對(duì)特定的微結(jié)構(gòu)陣列的建模，如果直接使用CAD模型可能會(huì)導(dǎo)致非常大的模型尺寸。LightTools軟件提供三維紋理陣列定義的功能，能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的光線(xiàn)追跡和渲染，由于沒(méi)有使用直接構(gòu)建的幾何模型，所以模型的體積更小，光線(xiàn)追跡更快。背光分析的另一個(gè)方面，包括光線(xiàn)在導(dǎo)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，有可能必須使用大量光線(xiàn)追跡以獲得足夠精度的設(shè)計(jì)。?最有效的方法是追跡最高能量的光線(xiàn)。通過(guò)使用分光概率追跡最高能量的光線(xiàn)路徑，并使用散射表面的目標(biāo)區(qū)域或散射角度定向散射光到“重要”的方向（如朝向顯示器的觀察者）。

什么是背光？?

典型的背光由一個(gè)光源，如冷陰極熒光燈（CCFL）或發(fā)光二極管（LED），和一個(gè)長(zhǎng)方形導(dǎo)光板。其他可用組件包括擴(kuò)散板，用來(lái)提高顯示器的均勻性，以及增亮膜（BEF），用來(lái)提高了顯示器的亮度。光源通常位于導(dǎo)光板的一個(gè)側(cè)邊緣以減小顯示器的厚度。側(cè)光照明通常使用全反射（TIR）在顯示器中傳導(dǎo)光線(xiàn)。?

圖1顯示了一個(gè)典型的背光設(shè)計(jì)原理圖。?

背光設(shè)計(jì)師在LightTools軟件中有多種方法對(duì)光源建模。熒光燈光源的不同形狀（如直，L形，U形或W形，如圖2所示）可以迅速使用熒光燈創(chuàng)建工具定義。燈的反射器可以用LightTools軟件中的各種幾何原形定義，如圓柱，橢圓形槽，擠壓成型的多邊形。在CAD系統(tǒng)中定義的反射器也可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式（IGES,?STEP,?SAT?和CATIA）導(dǎo)入到LightTools軟件。如果使用LED，設(shè)計(jì)人員就可以從LightTools軟件中預(yù)存的安捷倫，Lumileds，日亞，歐司朗等公司的產(chǎn)品模型中選擇期望的LED模型。一旦光線(xiàn)進(jìn)入導(dǎo)光板的一邊，問(wèn)題就變成從導(dǎo)光板中提取垂直于傳播方向的光線(xiàn)。

如圖3所示，導(dǎo)光板中最亮是靠近光源的一邊，隨著距離越遠(yuǎn)，導(dǎo)光板中的亮度越暗。為了獲得均勻的光線(xiàn)輸出，光線(xiàn)提取效率必須隨著距離增加而增加。背光設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一是設(shè)計(jì)按需要改變光線(xiàn)提取效率的導(dǎo)光板。有兩種提取技術(shù)可以使用。網(wǎng)點(diǎn)印刷光線(xiàn)提取技術(shù)是在導(dǎo)光板的底部印刷點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)將光向上散射，從導(dǎo)光板表面射出。第二種技術(shù)，　模壓成型光線(xiàn)提取技術(shù)，依靠底部表面微觀結(jié)構(gòu)的全反射（TIR），使光從導(dǎo)光板表面射出。

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LightTools軟件提供背光設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光板的設(shè)計(jì)。此工具（圖4）協(xié)助用戶(hù)創(chuàng)建背光的各種組件。其他選項(xiàng)包括向模型添加光源/反射器組件，BEF建模，建立一個(gè)接收器來(lái)分析亮度。背光工具的界面是多個(gè)標(biāo)簽，用來(lái)設(shè)置和修改各種不同類(lèi)型的光線(xiàn)提取機(jī)制。

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對(duì)于使用網(wǎng)點(diǎn)印刷光線(xiàn)提取方法的背光，背光工具可以設(shè)置印刷點(diǎn)的大小尺寸和長(zhǎng)寬比的線(xiàn)性變化，　以及網(wǎng)點(diǎn)間距沿著導(dǎo)光板長(zhǎng)度方向的線(xiàn)性變化。這種線(xiàn)性變化的結(jié)構(gòu)對(duì)顯示均勻性往往是一個(gè)良好的起點(diǎn)，但并不足以滿(mǎn)足最終的均勻性要求。進(jìn)一步控制均勻性可以使用非線(xiàn)性變化的光線(xiàn)提取參數(shù)。一種使用最少參數(shù)而且控制非常靈活的方法是定義二次貝塞爾曲線(xiàn)的參數(shù)變量。?LightTools軟件的二維區(qū)域工具可用來(lái)設(shè)置非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)。圖5顯示了一個(gè)使用印刷提取的例子，其中3個(gè)參數(shù)（印刷點(diǎn)寬度，高度和垂直間距）的變化來(lái)獲得不同的提取行為。輸出均勻性如圖6所示。其中右圖顯示平均輸出亮度是一個(gè)常數(shù)。?

第二種提取方法，模壓成型提取技術(shù)，使用了LightTools軟件的三維紋理功能，這使得對(duì)重復(fù)結(jié)構(gòu)的光線(xiàn)追跡非常有效，存儲(chǔ)信息非常緊湊。非三維紋理功能創(chuàng)建的模型，其光線(xiàn)追跡比用三維紋理創(chuàng)建的模型要慢30多倍，文件要大100多倍。三維紋理有三種基本形狀可供選擇：球形，棱形，和金字塔形（圖7）。背光工具可以定義線(xiàn)性可變的微結(jié)構(gòu)。但是三維紋理工具可以使用二次貝塞爾曲線(xiàn)非線(xiàn)性地改變紋理參數(shù)。圖8所示的例子是一個(gè)槽形微結(jié)構(gòu)（使用棱形3D紋理建模）作為提取機(jī)理。由此產(chǎn)生的導(dǎo)光板，及其仿真結(jié)果如圖9所示。

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背光的光學(xué)計(jì)算

背光顯示屏最重要的兩個(gè)光學(xué)量是導(dǎo)光板上表面的顯示亮度和照度均勻性。計(jì)算發(fā)光強(qiáng)度和各種色度量（CIE坐標(biāo)和相關(guān)色溫CCT）也是重要的。LightTools軟件內(nèi)置了這些計(jì)算功能和許多其他功能，以幫助理解蒙特卡洛仿真生成的數(shù)據(jù)。

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蒙特卡羅仿真是LightTools軟件計(jì)算照度的基礎(chǔ)。隨機(jī)數(shù)生成器用來(lái)選擇光線(xiàn)開(kāi)始位置，方向和波長(zhǎng)，用于取樣在接收面的光線(xiàn)分布。“隨機(jī)”數(shù)字的選擇會(huì)大大影響仿真的收斂。使用低差異（Sobol）數(shù)字序列（它不是完全隨機(jī)的），可以將錯(cuò)誤減少到1/N，其中N是光線(xiàn)在接收端的數(shù)量。可以看到采用隨機(jī)數(shù)字序列（圖10）和Sobol數(shù)字序列（圖11）計(jì)算色度的比較結(jié)果。在這個(gè)例子中，采用隨機(jī)128,000條光線(xiàn)的仿真結(jié)果相當(dāng)于Sobol的16,000條光線(xiàn)的準(zhǔn)確性。重要的是比較不同軟件的仿真收斂速度，我們關(guān)心的是達(dá)到某種仿真精度的速度，而不是追跡一定數(shù)量光線(xiàn)的速度。在LightTools軟件中，接收器是用來(lái)收集光線(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算照度的。??

進(jìn)行分析和顯示的光線(xiàn)數(shù)據(jù)是從數(shù)據(jù)網(wǎng)格收集來(lái)的。用戶(hù)可以交互控制數(shù)據(jù)網(wǎng)格的尺寸或數(shù)量。?對(duì)于接收器上給定的光線(xiàn)數(shù)量，網(wǎng)格數(shù)越少，空間和角度分辨率就越低，但是相對(duì)精度越高（低出錯(cuò)率）。相反，網(wǎng)格數(shù)越多，空間和角度分辨率就越高，但是精度越低（高出錯(cuò)率）。估計(jì)的出錯(cuò)率顯示在每個(gè)網(wǎng)格上，以幫助用戶(hù)決定是否使用了足夠的光線(xiàn)進(jìn)行追跡仿真，以同時(shí)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的分辨率和精度（Cassarly,?W.J.,?Fest,?E.C.,?and?Jenkins,?D.G.,?2002）。如果需要更多的光線(xiàn)，用戶(hù)可以交互的繼續(xù)進(jìn)行模擬，直到達(dá)到目標(biāo)。?

背光分析的一個(gè)重要方面是導(dǎo)光板表面的分光和散射。導(dǎo)光板的作用是光線(xiàn)能在內(nèi)表面多次反射后被吸收或射出。如果光線(xiàn)在每個(gè)接觸面都分光成透射和反射兩部分，將造成非常大數(shù)量的分光光線(xiàn)，其中大多數(shù)并不攜帶多少能量，從而減慢了分析速度。這方面的一個(gè)例子如圖12所示，顯示了一條開(kāi)始光線(xiàn)，由于分光造成的很多路徑。

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下面的仿真使用?2000條入射光線(xiàn)，由于分光，接收器收集到277948條光線(xiàn)（圖13）。由于到達(dá)接收器的光線(xiàn)大多沒(méi)有多少能量，結(jié)果誤差為42％。?相反，如果使用菲涅耳損耗系數(shù)和表面散射特性來(lái)決定光線(xiàn)的透射和反射的可能性，來(lái)評(píng)估光程路徑的可能性，光線(xiàn)追跡的大部分時(shí)間將用于跟蹤系統(tǒng)中的能量，從而加快分析。一個(gè)200,000入射光線(xiàn)的模擬結(jié)果如圖14所示。在這種情況下，118969條光線(xiàn)到達(dá)接收器，計(jì)算誤差為6％。使用概率模式光線(xiàn)追跡，減少了7倍的計(jì)算錯(cuò)誤，同時(shí)減少了42％的計(jì)算時(shí)間。

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相反，如果使用菲涅耳損耗系數(shù)和表面散射特性來(lái)決定光線(xiàn)的透射和反射的可能性，來(lái)評(píng)估光程路徑的可能性，光線(xiàn)追跡的大部分時(shí)間將用于跟蹤系統(tǒng)中的能量，從而加快分析。一個(gè)200,000入射光線(xiàn)的模擬結(jié)果如圖14所示。在這種情況下，118969條光線(xiàn)到達(dá)接收器，計(jì)算誤差為6％。使用概率模式光線(xiàn)追跡，減少了7倍的計(jì)算錯(cuò)誤，同時(shí)減少了42％的計(jì)算時(shí)間。