Методы снижения влияния краевых эффектов в световодах бокового подсвета жидкокристаллических модулей Текст научной статьи по специальности «Физика»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

УДК 628.932

Д. В. ХАРЬКИН, И. П. ЕФИМОВ, Д. Ш. АЛИМОВА

МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ВЛИЯНИЯ КРАЕВЫХ ЭФФЕКТОВ В СВЕТОВОДАХ БОКОВОГО ПОДСВЕТА ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ

Рассматриваются вопросы проектирования торцевого подсвета жидкокристаллического дисплея. Рассмотрены краевые эффекты, влияющие на равномерность яркости подсвета. Полученные методы позволяют значительно увеличить равномерность яркости и уменьшить габаритные размеры жидкокристаллического дисплея. Появляется возможность рассчитать параметры элементов подсвета на первоначальном этапе разработки.

Ключевые слова: светодиод, моделирование, источник света, световод, микроструктуры, рассеива-тель, боковой подсвет.

Введение

В настоящее время средства отображения информации, применяемые в авиации, специальной наземной технике и автоматизированных системах управления строятся на базе жидкокристаллических дисплеев (ЖК-дисплеев). Основной проблемой при разработке и изготовлении ЖК-дисплеев является обеспечение требуемых светотехнических параметров и характеристик [1].При этом ЖК-дисплеи не обладают способностью к свечению. Поэтому одной из важнейших задач при разработке и изготовлении ЖК-дисплеев является разработка узлов подсвета ЖК-дисплеев с высокими показателями яркости и её равномерности [2]. В настоящее время в качестве источника света в ЖК-дисплеях используются преимущественно светодиоды [3, 4]. При этом наиболее часто применяются белые светодиоды [5, 6] .Имеются различные варианты построения заднего подсвета ЖК-дисплеев.

Подсветы ЖК-дисплеев с использованием световодов называются боковыми подсветами из-за характерного расположения источника света относительно ЖК-дисплея. Типовая конструкция жидкокристаллического модуля (ЖК-модуля) с боковым светодиодным подсветом показана на рисунке 1 [2].

Моделирование световода, получение выходных характеристик

При моделировании целевой задачей будет увеличение световой эффективности и равно-

© Харькин Д. В., Ефимов И. П.. Алимова Д. Ш., 2019

мерности светового потока на выходе световода. Для моделирования и оптимизации конструкции заднего светодиодного подсвета необходимо использовать программу светотехнического моделирования. В данном случае использовалась программа TracePro Lambda Research Corp. Моделирование проводилось на световоде размерами 110 мм ширина, 140 мм длина, 0,7 мм толщина. Все стороны световода в модели были заданы полированными.

Схема модели подсвета показана на рисунке 2. В модели использовались в качестве источников света 4 SMD светодиода размером 0,6 мм х 3,0 мм, испускающих 500 000 лучей каждый в направлении оси X с ламбертовским распределением интенсивности светового потока.

Рис. 1. Типовая конструкция ЖК-модуля с боковым светодиодным подсветом: 1 - светодиоды; 2 - световод; 3 - отражатель; 4 - рассеиватель; 5 - ЖК-дисплей; 6 - корпус

Рис. 2. Схема модели подсвета

В непосредственной близости от всех боковых поверхностей световода, за исключением поверхности, обращенной к светодиодам, установлен отражатель со 100%-ным коэффициентом отражения для предотвращения выхода световых лучей из световода. Коэффициент преломления и коэффициент поглощения светового потока заданы для органического стекла ПММА со значениями 1,49 и 1,70^ 10-3 мм соответственно.

Необходимое условие идеального заднего подсвета - задний подсвет должен быть источником равномерного светового потока по всей выходной поверхности световода. Таким образом, падающий свет от светодиодов должен распространяться по всему внутреннему объёму световода, а затем равномерно излучаться через выходную поверхность. Однако, чем больше расстояние от светодиодов, тем сильнее уменьшается интенсивность светового потока, что типично для световода.

Для равномерного распределения светового потока по объёму световода, для уменьшения неравномерности наносят микроструктуры. При этом основной принцип при распределении микроструктур: чем дальше от источника света точка световода, тем больше должна быть площадь микроструктур на единицу поверхности световода [7].

Кроме того, на световоде всегда присутствуют тёмная область между светодиодами и яркая область напротив светодиодов - локальная неравномерность в непосредственной близости от источника света (ЛНИС).

Для уменьшения ЛНИС приходится отодвигать светодиоды от боковой грани световода, что приводит к увеличению габаритных размеров ЖК-дисплея.

Методы повышения равномерности яркости

Вначале, чтобы проанализировать характеристики распределения интенсивности светового потока на выходе световода, были рассмотрены два краевых эффекта. Один из них светодиод в качестве источника света и распределение от него светового потока внутри объёма световода

за счёт полного внутреннего отражения. Второй - мнимый источник света — противоположная грань световода, которая отражает падающий световой поток, распространяющийся в противоположном направлении. Таким образом, в светотехнической модели есть два источника света: светодиод и противоположная грань отражателя (мнимый источник света). Световой поток, распространяемый от светодиода, уменьшается при прохождении через световод. В воздухе освещённость от точечного источника есть величина, обратная квадрату расстояния. Оценка освещённости в среде световода несколько усложняется из-за участия большего количества факторов: поглощения, отражения и преломления. В данной задаче не требуется учитывать каждый эффект отдельно, так как имеет значение уже суммарный световой поток.

Светодиоды в светотехнической модели были установлены по следующим координатам: по оси Ъ(+37,5) мм, (+12,5) мм, (-12,5) мм и (-37,5) мм, по оси Х(-0,2) мм.

При проведении моделирования и определения интенсивности светового потока от светодиодов приёмник светового потока устанавливался внутри объёма световода в плоскости У—Ъ поглощающей стороной в направлении оси минус X с интервалом 10 мм.

По результатам проведённого моделирования построен график, показанный на рисунке 3. Полученные при моделировании значения показаны точками, по ним построена аппроксимирующая линия, имеющая экспоненциальную зависимость, которая определяется следующей формулой:

Е = АГ

УО:

(1)

где Е - это интенсивность светового потока; А0 = 2,68537, ^ = 60,31511, у0 = 0,07079 - эмпирически подобранные коэффициенты.

Коэффициенты А0, ^ изменяются при изменении плотности микроструктур, коэффициент у0 зависит от интенсивности светового потока источника света.

Далее проводилось моделирование светового потока, отражённого от противоположной от источника света стороны световода (сторона-отражатель). При проведении моделирования и определения интенсивности светового потока от стороны световода приёмник светового потока устанавливался внутри объёма световода в плоскости У—Ъ, поглощающей стороной в направлении оси X с интервалом 10 мм.

Е, отн. ед.

Е, отн. ед.

-20 0

120

160

20 40 60 80 100 120 140 160

Рис. 3. Распределение светового потока в световоде Рис. 4. Распределение светового потока в световоде с учётом эффекта светодиода относительно оси X с учётом эффекта отражателя относительно оси X

□ □

□

□

□ .

□

□

а) б)

Рис. 5. Распределение светового потока на выходной поверхности световода: а) эквидистантное распределение микроструктур; б) откорректированное распределение микроструктур с помощью функции плотности

Сторона-отражатель является источником света с геометрическими размерами, равными размерам стороны-отражателя. По результатам проведённого моделирования построен график, показанный на рисунке 4. Полученные при моделировании значения показаны точками, по ним построена аппроксимирующая линия, имеющая экспоненциальную зависимость, которая соответствует формуле (1). При этом получены следующие коэффициенты: А0= 0,00683, 1;0=-36,90782, у0=0,02874. Отражатель имеет обратное влияние на распределение интенсивности светового потока.

Введём функцию плотности структуры [5, 6], учитывающую влияние светодиода и отражателя.

Р0 = {p.e-y|60+Q.ey|35)R, (2)

где Р и 0 — коэффициенты плотности микроструктур, примыкающих к ближней и противоположной сторонам световода соответственно.

Коэффициент Р обеспечивает низкую плотность микроструктур в непосредственной близости к источнику света и увеличивается при увеличении расстояния от источника света. Коэффициент 0 обеспечивает низкую плотность микроструктур в непосредственной близости у стороны, противоположной к источнику света, и увеличивается при увеличении расстояния от указанной стороны.

Я - эмпирический коэффициент, зависящий от размера световода и количества микроструктур.

На рисунке 5 показано распределение светового потока для эквидистантного распределения плотности микроструктур и откорректированной плотности с помощью формулы (2). Из рассмотрения рисунков видно, что равномерность светового потока на рисунке 5,6 выше, чем на рисунке 5,а. Для количественного сравнения используется формула расчёта равномерности:

N = 'тах 'т1п ■ 100%, (3)

^тах

где 1тах и 1тт— являются максимальным и минимальным значениями светового потока соответственно.

По результатам расчёта по формуле (3) для девяти точек, показанных на рисунках 5,а и 5,6, получены значения равномерности 60% и 10% соответственно. Результаты расчёта показывают, что равномерность светового потока для распределения плотности микроструктур улучшается по сравнению с распределением плотности эк-видистантностной модели.

В предыдущей части статьи была введена функция плотности микроструктур, чтобы улучшить однородность светового потока на выходе световода. При этом существует ещё один краевой фактор, влияющий на равномерность -это яркая засветка напротив светодиодов и тёмные области между светодиодами в непосредственной близости от них.

По результатам моделирования выявлена зависимость неравномерности светового потока в непосредственной близости от светодиода в зависимости от расстояния между линзой светодиода и стороной световода (Ь). На рисунке 6 показано распределение светового потока в световоде в непосредственной близости от светодиодов вдоль оси Ъ для расстояний Ь, равных 2, 10, 20 мм. Из рассмотрения зависимостей на рисунке 6 видно, что равномерность с увеличением расстояния между линзой светодиода и стороной световода значительно улучшается.

На рисунке 7 показана зависимость расстояния между светодиодом и точкой внутри световода по оси X от расстояния Ь между линзой светодиода и стороной световода, при котором равномерность, рассчитанная по формуле (2), равна 1%. Расстояние по оси X обратно пропорционально расстоянию Ь с коэффициентом пропорциональности —2,5. Таким образом, увеличение расстояния между линзой светодиода и стороной световода позволяет эффективно уменьшить тёмную область между светодиодами. При этом существенно увеличиваются размеры заднего подсвета ЖК-модуля.

Второй вариант увеличения равномерности в непосредственной близости от светодиодов — уменьшение расстояния между светодиодами. Количественные результаты распределения вдоль оси Ъ при X = 4 мм показаны на рисунке 8. Во всех трёх вариантах с расстоянием между светодиодами 36, 25, 18 мм между пиками (высокая яркость в световоде) имеются глубокие впадины (низкая яркость в световоде).

На рисунке 9 показано, что равномерность равна 1 при некоторых соотношениях расстоя-нияпо оси X с определёнными расстояниями Я между светодиодами 36, 25 и 18 мм. Когда зазор между светодиодами увеличивается, расстояние по оси X линейно увеличивается с коэффициентом 0,41. Поскольку коэффициент имеет небольшое значение, уменьшение зазора между светодиодами за счёт увеличения количества светодиодов не является эффективным способом уменьшения тёмной области.

-60 -40

кХ, мм

X. ММ 4

1=2 мм

■ — 1_= 10 мм х х |_=20 мм Рис. 6. Распределение светового потока вдоль оси Ъ от расстояния между линзой светодиода и стороной световода (Ь)

1_, мм

1-'-I-™1-1---1---1-' I

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Рис. 7. Зависимость расстояния по оси X от расстояния Ь при равномерности светового потока, равного 1

2, мм

-60 -40

20 ' 40 60

ММ

а) для расстояния между светодиодами 36 мм

-60 -40 -20 0 20 40 60 б) для расстояния между светодиодами 25 мм

I, ММ

-60 -40 -20 0 20 40 60

в) для расстояния между светодиодами 18 мм

Рис. 8. Распределение светового потока по оси Ъ

X, мм

Рис. 9. Зависимость расстояния по оси X от расстояния между светодиодами И при равномерности светового потока, равного 1

Для увеличения равномерности светового потока в непосредственной близости от свето-диодов предлагается использовать эллиптический светодиодный отражатель, расположенный за светодиодами. Отражатель рассеивает свет от светодиода под большим углом, а затем рассеянный свет попадает в световод. На рисунке 10 показана схема рассеяния света с помощью выпуклого эллиптического отражателя. В результате дополнительного рассеивания света с помощью отражателя тёмные области в непосредственной близости от светодиодов уменьшаются. При этом становится возможным использовать меньшее количество свето-

диодов. На рисунке 11 показано распределение интенсивности выходного светового потока выпуклым эллиптическим отражателем. Средние значения светового потока для прямоугольной области на рисунке 5,6 и рисунке 11 составляют 7,510^ 102 лк и 7,81102 лк соответственно. Таким образом, световой поток при использовании светодиодов без отражателя и с применением отражателя существенно не отличается, при этом отличие светового потока между яркими и тёмными участками значительно ниже 3,435^102 лк и 2,315^102 лк для рисунков 5,6 и 11 соответственно.

Рис. 10. Принципиальная схема эллиптического светодиодного отражателя 1 - светодиодный отражатель; 2 - световод;

3 - светодиод

Следовательно, выпуклый эллиптический светодиодный отражатель эффективен для увеличения равномерности на выходной поверхности световода в непосредственной близости от светодиодов.

Заключение

В статье изложены результаты исследования влияния краевых эффектов - у стороны световода, ближайшей к светодиодам и противоположной стороны. Получена функция расчёта плотности микроструктур в данных областях, обеспечивающая уменьшение краевых эффектов. Проведены исследования влияния на локальную неравномерность яркости на выходе световода от расстояния между светодиодами и стороной световода. Предложено использование выпуклого эллиптического светодиодного отражателя для уменьшения габаритных размеров ЖК-модуля. При этом проведено сравнительное моделирование светодиодного подсвета без отражателя и с отражателем. Равномерность светового потока в ярких и тёмных областях световода была увеличена на 32,6 %. Следовательно, применение при проектировании функции расчёта плотности микроструктур в краевых областях и выпуклого отражателя значительно улучшает равномерность яркости и уменьшает габаритные размеры ЖК-модуля.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Харькин Д. В., Ефимов И. П. Математическая модель и метод построения модуля подсвета жидкокристаллических панелей на базе

Р?

^||||Щ|№1М111|П"1ИИ1||№Г1Г'РГ Ч1 \9 МИ

Рис. 11. Распределение светового потока на выходе световода с применением эллиптического светодиодного отражателя

цветных светодиодов // Автоматизация процессов управления. - 2017. - №3(49). - С. 36-42.

2. Харькин Д. В., Ефимов И. П., Алимова Д. Ш., Цыганов Д. А. Математическая модель и светотехническое моделирование модуля светодиодного подсвета // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. — 2018. - Т.20, №4. - С. 128-135.

2. Khar'kin V. D., Efimov, I. P., Alimov D. S., Tsyganov D. A. Mathematical model and the lighting simulation module of the led illumination // proceedings of the Samara scientific center, Russian Academy of Sciences. - 2018. - T. 20, No 4. - S. 128-135.

3. Шуберт Ф. E. Светодиоды / пер. с англ. под ред. А. Э. Юновича. - 2-е изд. - Москва : ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 496 с.

4. Коган Л.М. Полупроводниковые светоиз-лучающие диоды. - Москва : Энергоатомиздат. 1983. - 208 с.

5. Kobayashi S., Mikoshiba S., Lim S. LCDBacklights // JohnWiley&Sons, Ltd, 2009. 279 c.

6. Дадонов В. A., Бондарь A. A. Анализ развития и современного состояния рынка светотехники // Инженерный журнал: наука и инновации: электронное научно-техническое издание. - 2014. - № 5(29).

7. Yu J. C., Hsu P. K. Integration of Stamper Fabrication and Design Optimization of LCD Light Guides Using Silicon-based Microfeatures // Microsyst Technol электронное научно-техническое издание. 2010. №16.

REFERENCES

1. Har'kin D. V., Efimov I. P. Matemati-cheskaya model' i metod postroeniya modulya podsveta zhidkokristalhcheskih panelej na baze cvetnyh svetodiodov [Mathematical model and the lighting simulation module of the led illumination] // Avtomatizaciya processov upravleniya [Automation of control processes]. 2017, no 3(49), pp. 36-42.

2. Har'kin D. V., Efimov I. P., Alimova D. SH., Cyganov D. A. Matematicheskaya model' i svetotekhnicheskoe modelirovanie modulya svetodiodnogo podsveta [Mathematical model and the lighting simulation module of the led illumination] // Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii nauk [Proceedings of the Samara scientific center, Russian Academy of Sciences]. 2018, T. 20, no 4, pp. 128-135.

3. SHubert F. E. Svetodiody / per. s angl. pod red [LEDs / per. from English. ed. by A. E. YUnovich . 2-nd ed.]. Moskow, FIZMATLIT, 2008, 496 p.

4. Kogan L. M. Poluprovodnikovye svetoizluchayushchie diody [Semiconductor light-emitting diodes]. Moskow, Energoatomizdat, 1983, 208 p.

5. Kobayashi S., Mikoshiba S., Lim S. LCD Backlights // JohnWiley&Sons, Ltd, 2009, 279 p.

6. Dadonov V. A., Bondar' A. A. Analiz razvitiya i sovremennogo sostoyaniya rynka svetotekhniki [Analysis of the development and current state of the lighting market] // Inzhenernyj zhurnal: nauka i innovacii: elektronnoe nauchno-tekhnicheskoe izdanie [Engineering journal: science and innovation: electronic scientific and technical publication], 2014, no 5(29).

7. Yu J. C., Hsu P. K. Integration of Stamper Fabrication and Design Optimization of LCD Light Guides Using Silicon-based Microfeatures // Microsyst Technol elektronnoe nauchno-tekhnicheskoe izdanie [electronic scientific and technical publication ], 2010, no 16.

Харькин Дмитрий Владимирович, окончил факультет информационных систем и технологий Ульяновского государственного технического университета. Аспирант кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Начальник научно-исследовательского отдела АО «УКБП». Имеет статьи по светотехнической тематике [e-mail: hardim@mail.ru]. Ефимов Иван Петрович, кандидат технических наук, окончил Ульяновский политехнический институт по специальности «Авиаприборостроение». Доцент кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Имеет статьи, изобретения в области первичных преобразователей давления аэрометрических систем летательных аппаратов [e-mail: eip@ulstu.ru].

Алимова Динара Шаукатовна, окончила факультет информационных систем и технологий Ульяновского государственного технического университета. Аспирант кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Начальник комплексной тематической бригады научно-исследовательского отдела АО «УКБП» [e-mail: dinalimova@icloud.com ].

Поступила 27.06.2019 г.