LEDバックライトディスプレイ用の光学設計および分析ツール
Oct 26, 2021
バックライトは、小型で軽量のフラットパネル液晶ディスプレイ（LCD）や、手のひらほどの小型のハンドヘルドデバイスや大画面テレビなど、バックライトを必要とするその他の電子デバイスで使用されます。 バックライト設計の目標には、低消費電力、超薄型、高輝度、均一な輝度、大面積、さまざまな幅と狭い視野角の制御が含まれます。 これらの困難な設計目標を達成し、コストを管理し、迅速な実装を実現するには、コンピュータ支援の光学設計ツールを設計に使用する必要があります。 ？ この記事では、米国のORAのLightTools光学設計および分析ソフトウェアの特性を紹介します。これらのソフトウェアを使用して、今日の最先端のバックライト設計アプリケーションを開発できます。
バックライト用の光学設計および分析ツール
バックライトシステムは、1つまたは複数の光源からの光を変換して、ある領域または固定角度で必要な配光を生成する必要があります。 照明設計ソフトウェアは、幾何学的にモデル化し、さまざまなタイプの光源と変換ユニットの光学特性パラメータを設定でき、光学トレース方法を使用してモデルを通過する光の経路を評価し、最終的な配光を計算できる必要があります。 。 配光は、モンテカルロシミュレーションを使用して、特定の領域および/または角度の照度、明るさ、または光度を計算します。 ？ 光は、光源からランダムな位置と角度で放出され、光学システムを介してトレースされ、受信面で受信されます。 照度は表面受信機から計算でき、強度は遠方界受信機から取得できます。 受信機の表面に輝度計を定義することにより、空間と角度による輝度の分布を計算することができます。 場合によっては、ディスプレイの色度を分析することが重要になることがあります。 光源（発光ダイオードなど）のスペクトルエネルギー分布を指定し、CIE座標値と相関色温度（CCT）を出力し、ディスプレイの色度を定量化し、ディスプレイ上にRGB実光レンダリンググラフィックスを生成します。 これらの分析はすべてLightToolsソフトウェアで実行できます。
バックライト付きディスプレイの特性には、照明分析ソフトウェアに特別な要件があります。 説明するように、バックライトによって放出される光は、印刷されたドットの分布密度、または微細構造の分布パターンに依存する。 特定の微細構造アレイのモデリングでは、CADモデルを直接使用すると、モデルサイズが非常に大きくなる可能性があります。 LightToolsソフトウェアは、正確なレイトレーシングとレンダリングを実行できる3Dテクスチャアレイ定義の機能を提供します。 直接構築されたジオメトリックモデルが使用されていないため、モデルのボリュームが小さくなり、レイトレーシングが高速になります。 バックライト分析の別の側面には、ライトガイドプレートの表面での光の分割と散乱が含まれます。 モンテカルロ法は照明効果のシミュレーションに使用されるため、十分な精度の設計を取得するには、多数のレイトレーシングを使用する必要がある場合があります。 ？ 最も効果的な方法は、最高エネルギーの光を追跡することです。 分割確率を使用して最大エネルギー光線経路を追跡し、散乱面のターゲット領域または散乱角を使用して、散乱光を& quot;重要な& quot;に向けます。 方向（ディスプレイの視聴者に向かう方向など）。
バックライトとは何ですか？ ？
一般的なバックライトは、冷陰極蛍光灯（CCFL）や発光ダイオード（LED）などの光源と、長方形のライトガイドプレートで構成されています。 その他の利用可能なコンポーネントには、ディスプレイの均一性を向上させるために使用されるディフューザー、およびディスプレイの輝度を上げるために使用される輝度向上フィルム（BEF）が含まれます。 光源は通常、ディスプレイの厚みを減らすために、ライトガイドプレートの片側の端に配置されます。 サイドライト照明は通常、全反射（TIR）を使用してディスプレイ内の光を透過します。 ？
図1に、一般的なバックライト設計の概略図を示します。 ？
バックライトデザイナには、LightToolsソフトウェアで光源をモデル化する多くの方法があります。 蛍光灯作成ツールを使用すると、さまざまな形状の蛍光灯（図2に示すように、直線、L字型、U字型、W字型など）をすばやく定義できます。 ランプの反射板は、円柱、楕円形の溝、押し出しポリゴンなど、LightToolsソフトウェアのさまざまな幾何学的プリミティブによって定義できます。 CADシステムで定義されたリフレクターは、標準のデータ交換形式（IGES、？STEP、？SAT ？、およびCATIA）を介してLightToolsソフトウェアにインポートすることもできます。 LEDを使用する場合、設計者は、LightToolsソフトウェアに事前に保存されているAgilent、Lumileds、Nichia、Osram、およびその他の企業の製品モデルから目的のLEDモデルを選択できます。 光がライトガイドプレートの片側に入ると、問題は、光ガイドプレートから伝搬方向に垂直な光を抽出することになる。
図3に示すように、最も明るい光ガイドプレートは光源に近い側にあります。 距離が遠くなるほど、ライトガイドプレートの明るさが暗くなります。 均一な光出力を得るためには、距離が長くなるにつれて光抽出効率を上げる必要があります。 バックライト設計の主なタスクの1つは、必要に応じて光の抽出効率を変更するライトガイドプレートを設計することです。 使用できる抽出手法は2つあります。 ドット印刷光抽出技術は、光ガイドプレートの底部にドットマトリックス構造を印刷して、光を上方に散乱させ、光ガイドプレートの表面から放出することです。 2番目の技術である圧縮成形光抽出技術は、底面の微細構造の全反射（TIR）に依存して、光ガイドプレートの表面から光を放出します。
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LightToolsソフトウェアは、ライトガイドプレートの設計を実現するためのバックライト設計ツールを提供します。 このツール（図4）は、ユーザーがバックライトのさまざまなコンポーネントを作成するのに役立ちます。 その他のオプションには、モデルへの光源/反射器コンポーネントの追加、BEFモデリング、明るさを分析するためのレシーバーの構築が含まれます。 バックライトツールのインターフェイスは、さまざまなタイプの光抽出メカニズムを設定および変更するために使用されるいくつかのタブです。
ドット印刷光抽出法を使用するバックライトの場合、バックライトツールは、印刷されるドットのサイズとアスペクト比の線形変化、およびライトガイドプレートの長さに沿ったドットピッチの線形変化を設定できます。 この直線的に変化する構造は、多くの場合、ディスプレイの均一性の良い出発点ですが、最終的な均一性の要件を満たすには十分ではありません。 均一性をさらに制御するために、非線形に変化する光抽出パラメータを使用することができます。 使用するパラメーターが最も少なく、非常に柔軟な方法は、2次ベジェ曲線のパラメトリック変数を定義することです。 ？ LightToolsソフトウェアの2次元領域ツールを使用して、非線形構造を設定できます。 図5は、印刷抽出の使用例を示しています。ここでは、3つのパラメーター（印刷ドットの幅、高さ、垂直方向の間隔）を変更して、さまざまな抽出動作を取得しています。 出力の均一性を図6に示します。右の図は、平均出力輝度が一定であることを示しています。 ？
2番目の抽出方法である圧縮成形抽出技術は、LightToolsソフトウェアの3次元テクスチャ機能を使用します。これにより、反復構造のレイトレーシングが非常に効果的になり、保存される情報が非常にコンパクトになります。 非3Dテクスチャ関数で作成されたモデルのレイトレーシングは、3Dテクスチャで作成されたモデルよりも30倍以上遅く、ファイルは100倍以上大きくなります。 3Dテクスチャには、球形、角錐形、ピラミッド形の3つの基本的な形状から選択できます（図7）。 バックライトツールは、線形に変化する微細構造を定義できます。 ただし、3Dテクスチャツールは、2次ベジェ曲線を使用してテクスチャパラメータを非線形に変更できます。 図8に示す例は、抽出メカニズムとしてのトラフ型の微細構造（プリズム3Dテクスチャモデリングを使用）です。 得られたライトガイドプレートとそのシミュレーション結果を図9に示します。
バックライトの光学計算
バックライト付きディスプレイの2つの最も重要な光学量は、ライトガイドプレートの表面でのディスプレイの明るさと照度の均一性です。 光度とさまざまな色メトリック（CIE座標と相関色温度CCT）を計算することも重要です。 LightToolsソフトウェアには、モンテカルロシミュレーションによって生成されたデータを理解するのに役立つ、これらの計算関数と他の多くの関数が組み込まれています。
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モンテカルロシミュレーションは、LightToolsソフトウェアの照度計算の基礎です。 乱数発生器は、光の開始位置、方向、および波長を選択するために使用され、受信面の配光をサンプリングするために使用されます。"ランダム& quot;の選択 数値はシミュレーションの収束に大きく影響します。 低分散（Sobol）数列（完全にランダムではない）を使用すると、エラーを1 / Nに減らすことができます。ここで、Nは受信側の光線の数です。 乱数シーケンス（図10）とSobol番号シーケンス（図11）を使用して色度を計算した場合の比較結果を確認できます。 この例では、128,000のランダム光線を使用したシミュレーション結果は、Sobol &＃39;の16,000の光線の精度に相当します。 重要なことは、さまざまなソフトウェアのシミュレーション収束速度を比較することです。 私たちが気にしているのは、特定の量の光をトレースする速度ではなく、特定のシミュレーション精度を達成する速度です。 LightToolsソフトウェアでは、レシーバーを使用して光データを収集し、照度を計算します。
分析と表示のための光データは、データグリッドから収集されます。 ユーザーは、データグリッドのサイズまたは数をインタラクティブに制御できます。 ？ レシーバー上の特定の光線数に対して、グリッドの数が少ないほど、空間分解能と角度分解能は低くなりますが、相対精度は高くなります（エラー率が低くなります）。 逆に、グリッドが多いほど、空間分解能と角度分解能は高くなりますが、精度は低くなります（エラー率が高くなります）。 推定エラー率は各グリッドに表示され、設計に必要な解像度と精度を同時に満たすのに十分な光がトレースシミュレーションに使用されているかどうかをユーザーが判断するのに役立ちます（Cassarly、？WJ、？Fest、？EC、？ ？Jenkins、？DG、？2002）。 より多くの光が必要な場合、ユーザーは目標に到達するまでインタラクティブにシミュレーションを続けることができます。 ？
バックライト分析の重要な側面は、ライトガイドプレートの表面での光の分割と散乱です。 ライトガイドプレートの機能は、内面で複数回反射した後、光を吸収または放出できることです。 光が各接触面で透過と反射の2つの部分に分割されると、非常に多くの分割光線が発生し、そのほとんどはあまりエネルギーを運ばないため、分析速度が低下します。 この例を図12に示します。これは、光の分割による多くのパスを持つ開始光線を示しています。
次のシミュレーションでは、2,000本の入射光線を使用しています。 光の分裂により、受信機は277,948本の光線を収集します（図13）。 受信機に到達する光のほとんどはあまりエネルギーを持っていないので、結果として生じる誤差は42％です。 逆に、フレネル損失係数と表面散乱特性を使用して光の透過と反射の可能性を判断し、光路経路の可能性を評価する場合、光線追跡のほとんどの時間は、システム、それによって分析をスピードアップします。 20万本の入射光線のシミュレーション結果を図14に示します。この場合、118,969本の光線が受信機に到達し、計算誤差は6％です。 確率モードのレイトレーシングを使用すると、計算エラーが7倍減少し、計算時間が42％短縮されます。
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逆に、フレネル損失係数と表面散乱特性を使用して光の透過と反射の可能性を判断し、光路経路の可能性を評価する場合、光線追跡のほとんどの時間は、システム、したがって分析をスピードアップします。 20万本の入射光線のシミュレーション結果を図14に示します。この場合、118,969本の光線が受信機に到達し、計算誤差は6％です。 確率モードのレイトレーシングを使用すると、計算エラーが7倍減少し、計算時間が42％短縮されます。
最後に、ディスプレイの均一性を向上させるために、ライトガイドプレートの上面にディフューザーが使用されることがあります。 ディフューザーは光をより広い角度に拡散するため、輝度計の開口部に散乱される光が少なくなります。 従来のディスプレイ輝度試験方法では、輝度計算に非常に多くの光が必要です。 LightToolsソフトウェアは、ターゲット領域または角度を散乱面にマッピングし、ユーザーがどの散乱を考慮するかを指定できるようにします。 これは重要なサンプリング形式であり、モンテカルロシミュレーションの収束を改善するための別の方法です。 図15は、目標角度を指定せずに、輝度計とディフューザー付きバックライトを示しています。 2000本の光線を追跡した後、輝度計は40本の光線を受け取り、空間輝度の格子が図に示されています。
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図16は同じ例を示していますが、重要な値でサンプリングし、ディフューザーでターゲット角度を指定しています。 目標角度は、輝度計の開口部の許容角度と一致します。 光がディフューザーに到達すると、LightToolsソフトウェアは散乱光（拡散モデルの角度分布に基づいて計算されたターゲット領域に入る光束）をターゲット角度に生成します。これにより、すべての散乱光が輝度計によって収集されます。シミュレーションの収束が改善されます。 この場合、2000本の入射光線のうち、1416本（71％）が輝度計で受信されました。
その他の考慮事項？
バックライトは、偏光成分である液晶ディスプレイ（LCD）に広く使用されています。 直線偏光、1/4波長プレート、偏光トラッキング評価などの偏光成分のモデリングは、分析を成功させるための重要な要素です。 LightToolsソフトウェアは、単純な直線偏光およびリターデーションモデル、および偏光成分のジョーンズ-ミュラー行列仕様を提供します。 ユーザーは、ストックに従って光の偏光状態を追跡するために必要なときに偏光光線追跡機能を使用できますか？ ベクター。
多くの場合、コンポーネントには、透明度、反射係数、偏光特性が異なるさまざまな光学コーティングがあります。 コーティングは、LightToolsソフトウェアでそのパフォーマンスに基づいて定義されます。これは、多くの場合、ユーザーが知っている唯一の情報です。 反射と透過の平均または個別のS値またはP値は、発生角度、波長、X位置、またはY位置のいずれか2つのパラメーターで指定できます。 このシステムは、コーティングスタックをLightToolsソフトウェアのコーティングフォーマットに変換するためのツールを提供します。
ほとんどのバックライトはドット印刷または圧縮成形光抽出技術を使用していますが、他の方法も可能です。 1つは、ライトガイドプレート内の粒子を使用して散乱させることです。 粒子のサイズと密度が適切に制御されている場合、粒子からのミー散乱は、光ガイドプレートから光を効果的に抽出することができます（Tagaya、et al。、2001：6274）。 LightToolsソフトウェアは、ミー理論またはユーザー定義の角度分布に従って、球形粒子の散乱をバッチでシミュレートできます。 ？
完全な光学設計をCADシステムにエクスポートすることは、多くの場合、ライトガイドプレートの製造に必要なステップです。 LightToolsソフトウェアは、STEP、SAT、IGESなどの標準フォーマット変換をサポートして完了します。 データ変換規格は外部形状データのみをサポートしているため、圧縮成形設計抽出の場合、3次元テクスチャで定義された形状を外部形状データに変換して出力する必要があります。 LightToolsソフトウェアは標準フォーマットをサポートし、3Dテクスチャを外部の幾何学的データに選択的に変換できるため、バックライトのデザイン全体が変換されたファイルに含まれます。
まとめ
バックライト設計技術は、市場のニーズを満たすために、より優れたパフォーマンスとより低いコストを提供するために、継続的に進歩および開発されてきました。 この種の革新には、照明設計ソフトウェアが新しい機能を継続的に追加する必要があります。特に、バックライトの設計サイクルを短縮するためのサポートが必要です。 モデルの作成とファイルサイズ、レイトレーシングとシミュレーション時間などのLightToolsソフトウェアの主な機能、およびバックライトの設計に関連する多数の光学パラメータを計算する機能はすべて、業界で認識および検証されています。
2004年にリリースされたLightToolsソフトウェアのバージョン5.0には、バックライト設計で非常に実用的なノイズ冗長性のための照度最適化が含まれています。 この関数は、効率と均一性を最大化するために、光抽出テンプレートを自動的に定義できます。 さらに、LightToolsソフトウェアのバックライトテンプレート最適化ツールは、バックライトとライトガイドの出力分布を最適化するための効果的な方法を提供します。
キーワード：LEDバックライトディスプレイ、光学設計、分析ツール
