lighttool在背光设计上的应用

先搞个序言
天气冷大家多穿点衣服。

今年气候比较异常，感冒病毒变种显著增多。

千万不要在这个时候感冒，
否则，你可能会是下一种猪流感的创始人。

如果别人家破人亡了，你要记得，那是你干的。

关于背光源
信息显示
如今这个社会有很多种信息显示技术，其中一些被用于照明显示。

我们今
天所广泛使用的平板显示是基于LCD显示技术的，它通常都需要一个叫
做背光源的照明系统。

这一章我们将通过一个简单的例子来介绍背光源设
计，这个过程中可能会占用一部分内存。

一个背光源系统的大体结构如下图所示：
·Light source（光源）。

正如这篇文章中的例子里，光源通常都是一个带有反射镜的冷阴极射线管（CCFL）。

而对于小型的显示器则一般使用
一个到多个LED。

·Rectangular light guide（矩形导光板）。

它通常被人们叫做导光管，
用来传输从边缘光源发出的用于照明液晶板的光线。

·Additional layers（增光板）。

许多背光系统利用显示器前面的散射或
者增光装置（BEF）来适当的改变光照的均匀性和角度。

这个设计的重点在于把光线传输到垂直于原来的传播方向，这样就可以更
好的为导光板上面的LCD液晶板提供照明。

这里有许多种传输方式，其
中一些将会在backlight tutorial（背光指南）中描述和示范。

其中最主要
的两种方式是印刷式输出（paint dots）和模型化输出（3D texture）。

不过
这两种输出方式都依赖于lighttools中的property zone。

设计一个数字图像显示器
在这篇文章的例子里，我们假定一个廉价的数字图像显示设备。

它由一个
照明范围为3.5×5 inch（88.9×127mm）组成，附带一个存储记忆卡槽，这
样你可以利用它来显示存储在一个数码相机里或个人电脑里的数字照片。

对于这些图片，控制操作等等，它具有充分的处理能力。

这个例子里不打
算介绍这个设备里的包装，电源，处理器等器件，只是尽量简洁的描述显
示器。

你可以设想现在有一个合适的荧光灯和反射面，并可以利用3D球面模型
来进行光线输出。

你将能够在有或者没有增光板这两种情况下来分析均匀
度（流明分布）和亮度随角度的变化情况（流明角度分布）。

最后这个模型如上图所示，它是一个位图形式，用于让上表面模拟一张显
示图片。

右边的特写镜头显示了这个模型里面的光源，反射面和3D网点
结构。

通过Lighttools里提供的背光源实用库，我们可以快速的定义和创
建这样规格的背光源模型，如果需要，我们还可以进行修改。

使用背光源实用库
运行背光源实用库的最基本过程是，启动Lighttools，创建一个3D Design
View，然后从Lighttools中的Utility Library运行Backlight Utility。

接着，
你可以指定导光板的任何特殊属性和尺寸，修改source/receiver和BEF标
题栏，如果有必要的话，你还可以从其他标题栏选择光线输出方式（paint
dots，3个3D texture选项，一个锯齿突出状立体）。

在这个例子里，请选
择3D Sphere texture。

创建导光板
从启动Lighttools和定义导光板尺寸大小开始。

注意：请确定你已经按照Chapter 2中描述的那样进行了默认设置。

1. 打开Lighttools。

2. 在3D视图窗口建立一个新模型（File>New Model>3D Design）
3. 点击工具条上的按钮One Pane：
4. 选择Tools>Utility Library。

5. 在Geometry旁边点击正号（+）来展开菜单。

6. 选择自己所要的目标背光源，然后点击Run Application，然后如下图
所示：
7. 点击Light Guide 小标题。

请注意，除了尺寸，三边无源板（其他三个边没有光源）的反射面还有其他一些设置，一对用来控制底面相对于顶面倾斜的选项。

在这个例子里，你可以定义那些尺寸大小而接收其他参量的默认值，其中包括高度（导光板的厚度，默认是5mm）。

长度和宽度使用的是3.5×5 inches 的传统照片大小，在这里用的是mm单位。

8．输入Width=88.9，Length=127。

高度就保持5mm不要变。

对于这个例子，你可以选择接收Source/Receiver和BEF的默认值，但是你需要修改导光板底面上的球冠阵列的默认值。

定义一个球面网点阵列
1. 点击Texture(3D)标题栏。

注意到，“Sphere”是下拉菜单里的默认选择。

我们假定我们需要的网点
的半径为0.05mm。

既然这样，那我们就把“Bump Height”改成0.05.
Backlight Utility可以为我们提供所有的元素：导光板，BEFs，反射面。

它还可以在导光板底面上添加3D网点，这些网点随后可以被修改。

2. 如果可以的话，移动Utility和Lighttools窗口，这样你就可以让Utility
窗口处在最前面的同时还可以看到Lighttools窗口（如果你的显示器大
小允许）。

3. 点击Create Backlight按钮。

实用库产生命令请求，并将它们发送给Lighttools。

当程序在创建背光源
模型的时候你可以看见Lighttools窗口演示的一部分。

当需要插入CCFL
模型时，它将会提示你（通过一个对话框）选择库实体（.ent）文件，这
个文件由Utilities提供。

4.在打开的对话框里，将指向Lightools安装目录下的
folder\Utility\Backlights，选择文件LampRefirctorSystem.1.ent，然后点
击Open。

Backlight Utility将会在一定的时间内完成背光源模型的创建。

注意到在
Utility窗口的左下边角落里状态栏里显示着它的进展。

当提示Model
Complete信息后就表明这一过程已经完成了。

结构概要
下面是一个概要，其中包括了Backlight Utility利用你所提供的输入创建的
元件和其他参量的默认值。

尽管这个背光源的目的是为了照明LCD液晶显
示器，但是对于位在导光板顶面的LCD本身，我们并不需要去创建它的模
型。

Backlight Utility已经定义了这些元件的所有需要定义的属性，包括它
们的名称：
·Source。

一个附带有圆柱形反射面的CCFL荧光灯，它以一个预定库（.ent）
文件的形式输入。

我们假定这个灯为兰伯特圆柱面发射器，它的亮度（在
Utility里为一个默认量）被设为26000cd/m2，它可以转换为光通量，大
约68.4lumens。

这里使用的名称为默认的（CylinderSource）。

·Backing Film。

在导光板的下面有一层非常薄的片状，它是一个上表面反
射率为98%的兰伯特散射面，如同一张白纸一样。

它被用来收集和重新
散射没能够成功透射或从导光板底面漏出的光线。

它的名称是：
ReflectiveFilm。

·Ligh Guide。

在早些的章节里，我们已经描述和显示了导光板和在它底面
的的3D球面网点阵列。

它的名称是：LightGuide。

·Brightness Enhancement Film。

这是两层拥有棱镜面结构的薄片状，它在
导光板的上面。

名称是：PrimaryBEF和SecondryBEF。

·Dummy Surface。

它在两片BEF上面，是一个没有体积的矩形状物体。

它被用来放置和确定接收器的坐标。

名称是：ReceiverPlane。

·Surface Receiver。

对于接收器，我们使用实用库里的默认设置，为一个
10×10大小的网格。

名称为：SurfaceReceiver。

你的模型应当如下图所示（右键旋转，并在透明模式下查看）
你可以关闭Lighttools 的Utility窗口了，现在是时候该保存你的模型
（File>Save As….）。

确定凸球的参数
Backlight Utility能够很快的帮助我们创建背光源模型。

接下来，为了得
到我们所需要的输出分布，这些凸球必须给予一定的参数数值。

1 .在System Navigator导航栏里，一步步展开Light Guide，
CubePrimitive-1，BottomSurface，Zones。

然后选择Texture，如下图
所示。

2. 右键点击并在小菜单里选择Properties。

3. 选择Geometry小标题。

4. 选择Placement一行的箭头，显示出下拉菜单，选择里面的Bezier。

点击Apply。

凸球的默认数量为100（10×10）。

你需要改变这些参量值来使之符合你的设计要求。

请注意，Lighttools有许多种Placement选项，但是在这个例子当中你将会使用Bezier模型。

5. 在X Placement和Y Placement标题栏，把Nunber of Bumps
这个参量的数值都改为300，如下图所示。

在你修改之后点击Apply。

6. 点击OK关闭该对话框。

请注意，凸球的数量现在是300X300，也就是说在这个面上大约有90000个凸球（~5143个/in2）。

这些凸球以Bezier参数规则的形式排列着。

如果需要更多的信息请参考Lighttools Core Module User’s Guide中的第5章。

在当前的参数数值下，Bezier操作重新设置了凸球沿导光板的间隔分布。

凸球与凸球之间的间隔在两个垂直方向上是恒量。

其中X和Y是参考这个面的全局坐标系而言的。

审核表面属性
在进行了前面所描述的操作和设置之后，你可能想要在运行模拟之前看
看你的模型是究竟怎样的。

点击3D设计视图中模型的各个不同部位。

或者利用System Navigator
来选择不同的面和查看它们的属性。

1. 在System Navigator栏目中，点击打开LightGuide，BottomSurface，
然后点击Zones，Texture。

2. 选择SphericalElement，然后右键点击并从小菜单里选择
Properties。

Shape标题栏将会为你展示在一个球冠的画面，这些
球冠位于导光板底部。

你可能会奇怪你为什么看不到你刚才定义的3D网点结构。

它们在默
认情况下是不可见的，因为显示数万个网点单元会造成你的显示器和
模型反应变得很慢。

如果你选择它们可见，即使在是在translucent模
式下，这些3D网点也只会显示wireframe模式。

Wireframe模式能
够让显示变得更快一些，还可以显示出更多的机械零件。

1. 旋转并放大这个模型，你将会看到一些类似于如下插图所显示的
细节：
2. 如果你需要展示这些Property Zones。

a. 右键点击设计视图中的任何空白部位然后选择View
Preference，然后显示出对话框。

b. 在Visibility标题栏中点击Show Property Zone将它打开
（打钩）。

c . 点击OK。

这样你就可以看见在底面上那些球冠的轮廓模型了，在上面有一些实体颜色。

这些实体颜色是实用库在创建BEFs上的3D 网点时自动的默认设置
3 . 放大这个模型直到你能看清楚这些网点单元为止。

这些等间距网点模型排列的很密集。

为了很好的可视效果，我们
选择了放大这一操作，但是这些网点太小了，我们并不是看得很
清楚。

我想把这些密集的网点隐藏起来可能会管用，但是对于目
前来说，只需把所有的property zones隐藏起来，尽管从视觉上
不可见了，但是我们只需要它确实在那里就够了。

4 . 重新返回到Visibility标题栏，选择关闭Show Property Zone，
然后点击Apply。

添加一个光度计
对于显示设备，有一点比较重要的是，我们需要知道从各个不同
的角度看上去它究竟有多亮。

正如Illumination Fundamentals这
本手册上描述的那样，“光度是指每单元立体角上的照度，单位为
lm/m2/sr。

换句话说，光度就是给定方向上的可见辐射的密度。

光度是一个可测量的物理量，它比较类似于人眼对亮度的感觉，
尽管它们不是一个概念的东西。

光度计是一个用来检测光度大小的物理仪器。

Lighttools为我们
提供模拟空间和角度的光度计，它被放置在面接收器上以便于分
析和显示光度大小。

在这个例子里，我们选择添加一个角度光度
计。

1 . 选定面接收器。

通过
System>Navigator>Components>ReceicerPlane>
Receicers>SurfaceReceiceer来完成这一步操作
2 . 如果需要的话，放大接收器，这样确保你能够将光度计放在正
确的物体上。

3 . 选择LumAngular按钮：
4 . 在设计视图中点击右键，然后选择Snap>Object。

5 . 将鼠标指针移到接收器上，点击，这样就确定了光度计的中心
位置。

鼠标指针是被锁定在接受面上了的。

如下图所示的一个矩形边框，当你移动鼠标时让你事先预览计量范围的位置和大小。

为了观察和设置计量区域的近似范围，通过鼠标右键放大和旋转来观察。

你之后会进行检查和调整，所以暂时只需要确定接受面的一个近似大小就可以了。

计量区域是一个矩形，当然它不会布满整个接受面。

6 . 点击确定光度计区域的大小。

7. 点击光度计上的那个半球模型，或者在SystemNavigator
中选择angularLumMeter。

右键点击并从小菜单中选择Properties。

8. 在对话框中，点击Controls标题栏，选择Meter
HalfSize=88.9/2。

9 . 将X和Y displayment数值都设置为0，然后点击OK。

注意：在数字栏，计算机自动算术（比如这里的除以2）
是允许的。

你所创建的光度计应该如下图所示：
照明分析
Lighttools允许你关闭任何被选中物体的光线追迹能力，而同时
它们仍然可以继续显示在模型里。

这样你就可以让那些纯粹的说
明性物体或图片继续显示在你的模型里，不过如果你指定它们不
能追迹，你得首先确定它们确实没有任何光学属性上的影响。

比
如，意义不大的机械部分会对偏离的光线产生散射作用，如果这
些机械部分被设置为可追迹的，那么Lighttools会准确的把它们
的影响包含进来，但是如果你关闭了一个物体的光线追迹属性而
它又实实在在的对光线产生了影响，那么你会得到不正确的结
果。

这个性质对于我们研究移除某些特定的物体后产生的影响是非
常方便的，我们不需要在实际生产过程中来移除它们进行分析。

注意：把物体隐藏在隐藏层里并不影响它们的光线追迹属
性。

可见性和光线追迹性是两个毫不相干的属性。

关闭BEFs
在背光源模型中，Backlight Utility定义了两个BEF，
PrimaryBEF和SecndaryBEF。

为了看看它们存在的必要性，你
可以先关闭它们的光线追迹属性，演示以此照明模拟，然后再打
开它们的光线追迹属性再演示以此，比较这两次的结果。

1. 在SystemNavigator中，右键点击PrimaryBEF，然后选择
Properties。

2. 选择Properties对话框中的Ray Trace 按钮。

3. 关闭Ray Traceable，如下图所示。

4. 点击OK。

5. 在SystemNavigator中选择SecondaryBEF，然后同样的
关闭它的光线追迹属性。

点击OK。

6. 保存你的工作。

选择File>Save As并给它命名。

注意：你想要隐藏BEFs么？通过关闭“Layer”控制来
实现这一操作。

当Utility创建BEFs时已经将它们指定
为Layer2了。

在Preferences对话框里，点击Layers
标题栏,为layer2输入一个名字（BEFs），关闭Visible，
点击Apply。

运行一个快速模拟
假如你对前面的几章已经熟悉了，你可能已经掌握了照明模拟
的基本步骤。

从一个预览开始运行。

1. 选择Illumination>Setup Simulation。

在显示面上将看不到
任何变化。

这一步骤仅仅是预设置了参量数值。

2. 选择Illumination>Simulation Info。

3. 将追迹光线改为100，打开Preview Rays，点击OK。

4. 选择Illumination>Start Simulation，或者点击工具条按
钮：
5. 选择Illumination>Illuminance Display>Scatter Chart。

如果结果看起来比较合理，你可以尝试追迹更多的光线来看
看照明效果。

运行更多光线的模拟
这个系统比前面那些例子要复杂的多，光线追迹时间可能会很
长。

这取决于你的CPU的速度，10000条光线的模拟可能要花
上几分钟的时间。

按照一般来说，在空间分辨率（更多接收单
元）和光度灵敏度（接收单元少，但是每个单元接收的光线多
—）之间存在着一个平衡。

增加更多的光线重新进行一次模拟
是比较简单易行的，所以我们从小数量开始，选择大约20000
条光线。

注意到，在默认设置下，Backlight Utility提供给接收
器的是一个10×10的网点阵列。

你可以在Backlight Utility或
者Lighttools里进行修改。

1. 选择Illumination>Simulation Info。

2. 将光线增加至20000，关闭Preview Rays选项，然后点击
OK。

3. 选择Illumination>Start Simulation，或者点击工具条按
钮：
如果你仔细观察过照明网点的属性（从SystemNavigator
里查看是最方便的），你会发现，对于20000条光线而言，
误差最高点大约为11%，整体的光通量大约为30流明。

这
一情况给我们提供了很多相关的信息。

观察照明结果
为了观看到照明结果如何，选定接受面
（SystemNavigator>SurfaceReceiver），并选择
Illumination>Illuminance Display>Lum Viewer 或者
Raster Chart（如下图所示）。

尽管看起来有些杂乱，但是还是比较均匀的了。

观察亮度结果
光度计的结果如何？选择Illumination>Angualr Luminace
Display>Line Chart，将产生一个极坐标图。

Line Chart在
一个给定的经度上显示出纬度；实线（0°）表示经度为0，
虚线表示纬度为90。

请注意，由于虚拟面上接收器方位的
原因，向上（大多数光线集中的方向）为180°。

那么最简单的结论就是，只有很少一部分光线在接近于垂直
方向上被重复利用了。

因此，我们需要将更多的光线校正到
这个正常的方位上来，以便增加这个方向上的亮度。

我们利
用BEFs来完成这一要求。

演示最终的分析
从上面我们可以看到，3D球冠有效的传输了光线，但是传输
的方向不够理想，原因在于光线的掠入射。

绝大多数光线是
沿着导光板长度方向传播的。

这种情况可以通过BEFs来改
善。

“brightness”这个词精确的阐明了这些设备能够巧妙的
处理光线的角度分布。

一般来讲，添加BEFs会造成效率的
下降，但是它能够增加亮度。

打开BEFs
前面进行照明分析的第一个步骤就是关闭BEFs的光线追迹
功能。

而现在我们已经观察了照明结果，我想是时候看看
BEFs能否在合适的角度上使光线增强。

1. 在SystemNavigator中，右键点击PrimaryBEF并选择
Properties。

2. 在Properties对话框中选择Ray trace标题栏
3. 打开Ray Traceable（打钩）然后点击OK。

定义更多的光线
为了得到最后的结果，试着追迹500000条光线。

这个过程可
能会花上20-50分钟（或者更多，取决于你的电脑的速度，
小霸王年代的就不要尝试了）
观察改进后的亮度
接收器单元Auto Size Mesh处于打开状态，500000条光线照
射在23×23范围的面积上，误差最高为5%，总的光通量为
大约27流明，如下图所示。

角通量图表显示了一定方向上比
较明显的改进。

评价空间亮度
上面Raster Chart中显示的是照度。

但是照度并不能描述
显示器对于人眼的性质。

为此，我们可以使用空间亮度（命
为LumSpatial）。

为了测量空间亮度，你可以在接收器上添
加一个空间亮度计。

在这个例子里，我们可以使用下面这个
更快的亮度分析方法来替代空间亮度计的分析。

你可以通过接收器角坐标来控制光线的接收角度，如下如所
示的那样。

这样可以得到一个和更大光线数量级一样的亮度分布。

对于
这个例子，你可以看到亮度结果和前面图表显示的照度结果
并没有太大的偏离。

但是，如果你增加这个图表的空间分辨
率，结果将会不一致了，这取决于在导光板上的方位。

这是
一个获得比较粗糙的亮度分布结果的好办法，在设计过程中
不需要额外添加一个亮度计。

这对于角度亮度分布同样是适
用的，而不需要靠密集排列的网点来得到其分布。

控制角坐标旋转
你可以利用这个操作来巧妙的控制接收器上的网点，极点将
会摆脱数据控制指向。

这将避免三角形单元靠极点太近，从
而使得图表变得更加平滑和连续。

在这个例子里，当你设置
Alpha=-90，Beta=0，Gamma=0之后，将会出现下列图表
结果。

注意到LumViewer图表数据更加集中而Line图表数
据更加连续。

改变这个块体的材料
你可以将默认设置里的材料换成Lighttools所提供的材料当
中的任何一种。

如果这种材料不合适，你还可以创建自己的
材料。

这样的材料称作User Material。

导光板通常是由塑料制成的（聚合体，丙烯酸树脂等等）。

Lighttools提供传统的塑料材料比如Acrylic丙烯酸树脂，
Polycarbonate（聚碳酸酯），Polystyrene(聚苯乙烯)。

为了能
够使用这些材料，你必须首先将它们导入当前的设计中。

这
些材料位于Lighttools安装目录下的一个叫做Materials的目
录下（比如，C：\Programm Files\Lighttools5.1\Materials）。

在这个例子里，你可以选择Acrylic作为导光板的材料。

为了导入和使用这种材料，按照下面的步骤操作。

1. 从主菜单栏选择Edit>User Material。

2. 在User Material对话框里点击Import。

3. 在Material目录下，选择acrylic.1.mat，然后点击Open。

这样这种材料就导入到当前的设计去了。

在User Material 对话框中显示了两种材料：air和acrylic。

下面这条信息将会显示在控制窗口用来确认导入过程：Material named acrylic loaded。

4. 点击OK，完成导入过程。

在你的模型里将会显示出你所使用的这种材料。

5. 选择Cube-1，然后右键点击并从小菜单中选择Properties。

6. 选择Material标题栏。

7. 点击Catalog旁边的箭头从下拉菜单栏里选择User
Material。

8. 从Material下拉菜单中选择acrylic。

9. 点击OK，这样就将实体材料改成了acrylic，然后关闭对
话框。

结论
Lighttools允许你创建和分析各种各样的背光源系统结构，
这归功于它的3D网点性能。

Backlight Utility是一个简单实
用的工具，它可以帮助你建立拥有有多种变化能力的背光源。

照明分析（包括使用了光度计的）功能让你能够在实际生产
出来之前预览背光显示器的质量。

尽管这个例子没有包含所
有背光设计当中可能的情况，但是它为我们使用Lighttools
进行设计和分析提供了一个良好的起始点。