专题:光学系统
使用仿真软件对各类光学系统进行仿真,帮助理解原理、排查问题、预测性能和优化设计。
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使用 Rayzen 软件仿真夜视兼容型液晶显示器背光模组

GMPT,2024/08/01

一、案例背景

  背光模组是液晶显示技术中的重要组件,其主要作用是为液晶显示屏提供均匀且足够照度的光源。而用于航空领域的液晶显示屏,不仅需要满足功耗小、亮度高、可靠性高、强光下可直视等特点,还需要与夜视成像系统兼容。飞机座舱内的普通照明和信息显示设备在近红外波段会释放较高的辐射能量,这些能量进入夜视仪会触发其自动增益控制系统,导致灵敏度下降,进而使飞行员难以看清外部环境,丧失夜视能力[1]^{[1]}
  为应对这一挑战,国内液晶显示器件普遍采用双模式背光源系统来增强夜视兼容功能。在非夜视环境下,使用高光效白光 LED 灯作为背光源,实现低功耗下的高亮显示;而在夜视环境下,则切换至橙绿蓝(OGB)彩色 LED 灯,这种多芯片复合型彩色 LED 灯由蓝色、绿色和主波长在 590-610nm 范围内的橙色发光芯片组成,能有效减少近红外波段的辐射,降低显示器的夜视辐亮度,从而确保夜视仪的正常工作。
  背光模组按照入光方式的不同分为直下式和侧入式。直下式背光模组具有均匀光输出和高光提取效率的优点,但结构厚重,适用于大尺寸产品。侧入式背光模组以轻薄结构为优势,光源放置在导光板侧面,更容易实现整体薄型化,而薄型化正是目前液晶显示技术的发展趋势。然而,侧入式背光模组的加工复杂度高、光线均匀性和利用率相对较低。对于中小型液晶显示模块而言,采用侧入式背光模组的方式技术比较成熟,外形更轻薄,使用更方便[2]^{[2]}
  为了进一步提高显示效果和夜视兼容性,本文对一种结合白灯和 OGB 彩灯的侧入式背光模组进行了仿真。利用 Rayzen 软件,构建了背光模组模型并对仿真现象结合理论进行分析,评估照度均匀性,以确保模型的实用性和高效性。

二、侧入式背光模组的结构

  在显示面板行业,评价其性能的重要指标包括照度、均匀性、色彩准确性以及视角等,这些指标直接关联到面板的视觉体验和整体性能。其中,照度和均匀性主要由背光模组决定。侧入式背光模组构成上主要包括光源、导光板以及一系列光学膜层。
  导光板作为背光模组中的核心部件,其关键作用在于将光源发出的光线导向设计人员所需的方向。这一过程基于全反射原理,并结合导光板底部的散射网点排布设计,使光线在出光面上实现均匀的照度分布。导光板的几何形状和材料选型直接影响出光的亮度、光提取效率以及光线分布的均匀性。
  为提升背光模组的光提取效率,需在导光板的非入光面与非出光面覆盖反射膜。反射膜的主要功能是将导光板中逸散的光线重新反射回导光板内部,实现光线的再利用。与镜面反射不同,反射膜对光线具有轻微的散射效应。
  导光板网点的尺寸、形状以及排布不当,会导致亮点、亮线及衍射条纹的形成。因此,需在光线进入液晶屏之前增设扩散膜,对光线进行散射处理,以消除亮点、亮线和衍射条纹,使光从扩散膜出射时的位置与方向分布更加均匀。如图 1 所示,该扩散膜具备漫射特性,在本文中使用高斯散射属性近似替代漫射特性。


图1. 高斯散射匀光

  经过扩散膜处理后的光线发散角度变大,散乱的光线会降低液晶显示器的亮度。因此,需添加增亮膜来修正光线的出射方向,从而提高光线利用率。增亮膜的表面通常采用棱柱形微结构,利用全反射原理将从扩散板出射的角度较大的光线重新引导回增亮膜中,从而提升面板正面亮度且降低能量损耗。背光模组中通常使用两片棱镜网点相互正交的增亮膜搭配使用,以集中光线,增加亮度。图 2 直观地展示了增亮膜的结构以及光线传播原理[3]^{[3]}

  • 从扩散板射出的光线若以较大的角度进入增亮膜,则会发生全反射现象且光线重新返回入射面。
  • 光线以刚打破全反射现象的角度进入增亮膜,则经一次折射后大部分光线会聚集在正面 70° 的范围内,正面亮度会得到提升。
  • 继续降低光线与入射表面的角度,光线会经过两次或三次折射后重新进入下一个棱镜。

图2. 增亮膜原理示意图

三、背光模组的设计思想

3.1 背光模组设计概述

  背光模组作为 LCD 的唯一光源供给,其性能直接关联于液晶显示模块的光学效能与夜视兼容性。为了实现显示模块的高亮度显示与夜视兼容特性,需对背光模组进行精细且高效的光学设计。以 10.4 寸液晶显示模块为例,分别从背光灯(白灯+OGB 彩灯,满足夜视兼容)和导光板(核心光学元件)的选择来分析该背光模组的设计过程。

3.2 双模式光源策略

  为了满足 GJB 1394-1992 Ⅱ 型 B 类标准的夜视兼容要求,同时选用白灯与 OGB 彩灯作为光源。昼模式时,白灯及 OGB 彩灯都工作,用于增加亮度并提升色域;夜模式时,白灯全部关闭,彩灯全部工作,可消除近红外波段的光线干扰,以满足夜视兼容需求。光源采用导光板两长边入光的方式,共 98 颗 LED。白灯 50 颗,每颗光通量为 124lm,尺寸 3x3mm;彩灯 48 颗,每颗光通量为 3.8lm,尺寸 2.8x3.5mm。每边各有 25 颗白灯和 24 颗彩灯交替排列,各 LED 间距均为 4.4mm,白灯发光面到导光板入光面距离为 0.98mm,彩灯发光面到导光板入光面距离为 0.95mm[4]^{[4]}
  目前 Rayzen 中支持以辐射通量作为照明计算单位,使用以下公式将光通量转换为辐射功率进行仿真:

Φv=PeKmλ0λV(λ)dλ(1)\Phi_v=P_e\cdot{K_m}\cdot\int_{\lambda_0}^\lambda V(\lambda)d\lambda \qquad(1)

  其中:
  ΦvΦ_v 是光通量,单位为流明(lm)。
  KmK_m 是最大光效函数值,通常取 683 lm/W。
  PeP_e 是在波长λ处的辐射功率,单位为瓦(W)。
  V(λ)V(\lambda) 是光谱光视效能函数。

  在侧入式背光模组的设计中,LED 布局不当会造成导光板入光侧出现亮暗不均的现象,称为灯影(HotSpot)现象。通常采用 A/P 指标来评估 HotSpot 现象发生的可能性。如图 3 所示,A 为光源发光面到液晶显示屏有效显示区(Active Area)的距离,P 为光源之间的间距(Pitch)。表 1 显示了白灯和彩灯 A 值、 P 值以及灯影评估结果。本文中的 LED 布局不会产生肉眼可察觉的 HotSpot 现象。

  • A/P<0.5 会产生较重的 HotSpot 现象,网点设计可完善,但无法根除;
  • 0.5≤A/P≤0.7 会产生轻微的 HotSpot 现象,但可通过网点设计改善消除;
  • A/P>0.7 则不会产生肉眼可察觉的 HotSpot 现象。

图3. 背光设计中A值、P值示意图
表1 白灯、OGB 灯布局及灯影评估
类别 A 值(mm) P 值(mm) A/P 灯影
White Light 3.48 4.4 0.79
OGB Light 3.45 4.4 0.78

3.3 侧入式背光模组中导光板结构设计

  液晶显示模块的薄型化设计具备十分重要的意义,尤其在特种显示应用场景下,其轻量化效应对于提升机载设备的续航能力具有显著的战略价值。背光模组,作为液晶显示模块中占据约 70% 厚度与重量的关键组件,其减薄策略自然成为实现液晶显示薄型化的核心攻坚方向。
  在本设计方案中,针对 OGB 彩灯发光面高度设定为 3.5mm 的情况,我们对厚度进行考量。采用厚度小于彩灯高度的导光板虽能实现更为紧凑的外形设计,但伴随而来的是光效的显著降低;而若选用厚度略高于彩灯高度的导光板,尽管会在一定程度上牺牲部分光效,但相较于更厚规格,其保持了较好的平衡,既未完全牺牲光效,也符合了薄型化的设计初衷。因此,选定导光板厚度为 4mm,以平衡轻薄与光效的需求。
  此外,导光板上的网点分布设计是优化背光模组性能的另一关键环节。Rayzen 支持对网点进行参数化设计的功能,包括设置网点的形状参数,如球帽形状的半径与矢高,以及排布参数,如均匀排布时,网点间的横纵间距等。我们需要了解光传输效率和出光均匀性随参数变化的趋势,并分析这些趋势的原因,以此对网点分布设计提供指导性的作用。


图4. 导光板网点间距增加,接收器接收功率(左)、对比度(中)以及平均偏差(右)趋势图

  首先分析网点间横纵间距大小与出射功率、对比度和平均偏差之间的关系,初步定性地,假设每个网点的横纵间距都是相同的。如图 4 所示,1. 随着间距增大,出射功率下降。由于网点数量减少,光线每次击中导光板底部时的全反射概率增大,从而导致没有被网点散射的光线在材料内传播过程中被吸收损耗的功率变多。2. 随着间距增大,对比度先降后增,即均匀度先增后降。每个网点对光的散射影响是相同的,由于光源位于导光板的两侧,靠近光源侧网点的减少会显著降低该区域的光提取概率,即峰值出射功率会减小,因此均匀度有所增加;随着排布间距进一步增大,各个网点散射带来的光提取逐渐分离,导致出射面出现明暗交替的区域,造成均匀度的降低,此外,出射光线数量减少会导致统计分析结果的收敛性降低,均匀性指标更易受到个别极值的随机影响。3. 随着间距增大,平均偏差先降后增。均匀性(对比度)指标偏向于关心极值间的差异,而平均偏差更多地关注偏差较大数据的相对比例,因此平均偏差初始下降的原因和均匀度增加的原因是相同的:靠近光源侧网点的减少会显著降低该区域的光提取概率,该区域原本偏高的出射功率会降低;而随后平均偏差变大则主要受统计分析结果收敛性降低的影响,即随着出射光线数量减少,该指标越来越不准,指导意义降低。根据以上分析和数据结果,网点的间距设定为 1mm 是一个比较合理的选择。


图5. 导光板网点半径及高度按比例增加,接收器接收功率(左)、对比度(中)以及平均偏差(右)趋势图

  接下来分析网点大小与以上指标的关系。同样初步定性地,保持网点半径与矢高同比例,每个网点的大小相同。如图 5 所示,随着形状增大,出射功率增加约 35%,均匀度下降约 70%,平均偏差增大约 330%. 这是因为网点尺寸增大会显著提升靠近光源处的光提取效率。结合数据不难看出,网点尺寸设定半径为 0.5mm 且高度为 0.1mm,可以在保持较好的收敛性和均匀度的同时,带来比较显著的光提取效率提升。


图6. 导光板网点高度增加,接收器接收功率(左)、对比度(中)以及平均偏差(右)趋势图

  最后分析网点半径与矢高不同比例与以上指标的关系。初步定性地,保持网点半径为 0.5mm,网点均匀分布。如图 6 所示,随着网点矢高增加,出射功率先增后缓慢降低,均匀度持续下降约 110%,平均偏差增大约 750%. 矢高为 0.05mm 时,网点破坏全反射的效果并不强,大量的光线仍停留在导光板内,导光板的光提取效率较低。矢高由 0.05mm 增加至 0.1mm,网点破坏光线全反射的能力显著增强,光线在入光侧区域的出射比例显著增加。因此传输到导光板中间区域的光线数下降,导致对比度和平均偏差增加。结合数据可知:网点矢高设定为 0.1mm,可以在显著提高高出射功率的同时,也能保证均匀性和收敛性不会过多地降低[5]^{[5]}

3.4 网点间距排布理论分析

  光源从导光板的两侧进入导光板后发生全反射,当光线碰到网点时,发生散射,部分光线从导光板正面射出,光的总通量一直减少,为了保证导光板正面照度均匀,网点的排布越来越密集,即间距会适当减小。如图 7 所示,光源分布在 X 轴方向,网点沿 X 方向等距离排列且每一行网点个数都相等。导光板底部的长度为 L1L_1,宽度为 L2L_2。在 Y 轴方向上,沿着纵坐标 Y1Y_1Y2Y_2Y3Y_3 ··· YnY_n 将导光板分成 n 个矩形[6]^{[6]}


图7. 导光板网点分布模型

  假设无损耗且光源等光强射入导光板,单侧光源总通量为 Φ\Phi,每一行网点的散射系数为 kk,若只有单侧光源的出光面光照度为:

B=kΦS1=kΦY1L1(2)B = \frac{k \Phi}{S_1}=\frac{k\Phi}{Y_1L_1} \qquad(2)

区域(0Y10-Y_1)和(Y1Y2Y_1-Y_2)出射光的通量守恒公式为:

kΦY1L1=k(ΦkΦ)(Y2Y1)L1(3)\frac{k\Phi}{Y_1L_1}=\frac{k(\Phi-k\Phi)}{(Y_2-Y_1)L_1} \qquad(3)

区域(0Y10-Y_1)和(Y2Y3Y_2-Y_3)出射光的通量守恒公式为:

kΦY1L1=k(ΦkΦk(ΦkΦ))(Y3Y2)L1(4)\frac{k\Phi}{Y_1L_1}=\frac{k(\Phi-k\Phi-k(\Phi-k\Phi))}{(Y_3-Y_2)L_1} \qquad(4)

化解式(3)和(4)可得:

1Y1=1kY2Y1(5)\frac{1}{Y_1}=\frac{1-k}{Y_2-Y_1} \qquad(5)

1Y1=(1k)2Y3Y2(6)\frac{1}{Y_1}=\frac{(1-k)^2}{Y_3-Y_2} \qquad(6)

由式(5)和(6)可推出通式:

1Y1=(1k)n1YnYn1(7)\frac{1}{Y_1}=\frac{(1-k)^{n-1}}{Y_n-Y_{n-1}} \qquad(7)

YnYn1=Y1(1k)n1(8)Y_n-Y_{n-1}=Y_1(1-k)^{n-1} \qquad(8)

由式(8)可知:

Yn=Y1+Y1(1k)(1(1k)n1)k(9)Y_n=Y_1+\frac{Y_1(1-k)(1-(1-k)^{n-1})}{k} \qquad(9)

由上式可知,合理选择网点散射系数、网点行数和起始坐标,便可得出网点排列规律。

  在单侧光源照射下,通过理论分析的网点排布,确保了每一行出光面的光照度都是相等的。当在对侧再添加相同的光源时,导光板两侧入光,意味着每个 Y 坐标都有来自两侧的光线,那么每一行接收到的总光通量将是单侧的两倍。这并不改变光线在导光板内传播和散射的物理过程,因此基于单侧光源推导出的网点排布通式,在双侧光源情况下同样适用。

  理论分析中的散射系数 k,用于量化光线在导光板内部及通过网点结构时发生的散射现象。然而,散射系数与网点的尺寸、间距排布之间没有严格的映射关系,因此以散射系数为参数的理论分析模型,只是简化模型。
  由式(9)推导可得,另一侧光源的通式为:

Yn=Y1+Y1(1k)(1(1k)nmaxn)k(10)Y_n=Y_1+\frac{Y_1(1-k)(1-(1-k)^{n_{max}-n})}{k} \qquad(10)

  图 8 展示了调整散射系数 kk 后的网点 Y 坐标排布,导光板网点间距从两侧入光处至中间位置逐渐缩小。kk 值由 0.005 增加至 0.1 时,图像由二阶函数趋于平缓。理论上,多项式函数可以很好地拟合各种分布。通过调整多项式排布的高阶项系数,可以得到与理论分析近似的网点排布。


图8. 调整 k 参数的网点排布

  基于上述分析,确定了优化后的导光板设计参数组合:网点间距设定为 1mm,半径为 0.5mm 以及高度 0.1mm。相较于无网点的导光板,其中光线主要受限于全反射机制,在导光板内循环而无法有效透出;通过引入网点,破坏全反射条件,实现更为均匀的分布,显著提升了光线的利用效率。

四、背光模组的建模与仿真

4.1 模型结构参数设置

表2 背光模组结构参数设置
Components Length(mm) Width(mm) Height(mm) (x,y,z,α,β,γ) Material(n,k) Optical Properties
BEF_I_Prism 162 215 0.025 (0,3.16,2.5,0,0,0) (1.590,0) Fresnel_Probabilistic
BEF_I_Substrate 162 215 0.127 (0,3.084,2.5,0,0,0) (1.667,0) Fresnel_Probabilistic
BEF_II_Prism 162 215 0.025 (0,3.34,2.5,0,0,0) (1.590,0) Fresnel_Probabilistic
BEF_II_Substrate 162 215 0.127 (0,3.264,2.5,0,0,0) (1.667,0) Fresnel_Probabilistic
Diffuser 162 215 1 (0,2.51,2.5,0,0,0) PMMA Fresnel_Probabilistic
TopSurface:85% Scatter_Transmittance
Lightguide 167 222 4 (0,0,0,0,0,0) PMMA Fresnel_Probabilistic
BackSurface/FrontSurface:
99%Specular_Reflection
Reflector 162 215 0.23 (0,-2.12,2.5,0,0,0) PMMA 99% Specular_Reflection
Frame_Left 0.95 222 4 (0,0,-2.45,0,0,0) NBK7 85% Reflectance
Frame_Right 0.95 222 4 (0,0,168.5,0,0,0) NBK7 85% Reflectance

4.2 LED光源参数设置

表3 表面光源参数设置
Components Radiant Power(W) Length(mm) Width(mm) Angular Distribution Angle from(degree) Angle to(degree)
White Light 0.38103 3 3 Lambertian 0 60
OGB Light 0.01125 2.8 3.5 Lambertian 0 60

图9. LED光源光谱,白灯(左)、OGB彩灯(右)

  基于上述参数配置,构建了背光模组模型,其可视化呈现分别如图 10 和图 11 所示,展示了模型的结构及布局。


图10. 背光模组模型整体示意图

图11. 背光模组模型侧视图

4.3 仿真结果与分析

  根据结构分析得出的初始参数(包括导光板网点的尺寸和间距),采用 500 万条光线对背光模组模型进行仿真分析。经过光线追迹计算后,场景中光线分布的预览图像如图 12 所示,直观地呈现了光线在模型中的传播过程。


图12. 背光模组预览光线图(视图中预览光线数为 100 条)

图13. 昼模式下照度分布图

  图 13 呈现了昼模式下的照度分布图,其中接收器入光侧区域的照度显著高于中心区域,这一现象归因于导光板底部网点采用矩阵均匀化排列策略。当光线入射导光板后,经过网点的反射,破坏了全反射传播路径,进入接收器中,这一过程减少了因多次全反射导致的能量损耗,因此入光侧接收的光线携带较高功率。为进一步提升接收器照度分布的均匀性,我们将导光板网点从矩阵均匀化排列调整为多项式排列策略。通过增加入光侧网点的纹理间距,同时缩短中心区域的网点间距,旨在实现接收器接收到的光线均匀分布。

P(i)=A+sgn(i)[BiNi+C(iNi)2+D(iNi)3+E(iNi)4](11)P(i)=A+sgn(i)*[B\frac{|i|}{N_i}+C(\frac{|i|}{N_i})^2+D(\frac{|i|}{N_i})^3+E(\frac{|i|}{N_i})^4] \qquad(11)

  以 X 方向为例,其中,P(i)P(i) 表示网点在 X 轴的位置,NiN_i 表示 X 的归一化索引,A 表示 X 方向第一个网点偏离原点的坐标值;B 表示 X 方向均匀排列网点;C、D、E 分别代表高阶项系数,反映了网点间距从导光板边缘至中心的渐密变化趋势。由 C 至 E,中心区域密度显著增加,边缘密度更为稀疏。特别地,当固定系数 B 的值为 81,其余系数均为 0 时,纹理的排布模式与矩阵均匀化排列一致。
  为了探究多项式系数调整对照度分布的影响,我们将系数 C 的数值从 0 逐步增加至 25。图 14 直观展示了系数 C 调整前后的照度分布图。随着系数 C 从 0 逐步提升至 20,照度分布显示较为均匀状态,当 C 值达到 25 时,照度分布发生显著变化,具体表现为中间区域照度偏高,而入光侧则相对偏低。系数 C 从 0 增加至 15,背光模组的照度均匀性值显著提升,照度分布与照度均匀性的变化趋势相符


图14. 昼模式下,调整多项式系数 C 后的照度分布图

  对比度(非均匀性)计算公式如下:

Contrast Ratio=(maxmin)/(max+min)(12)Contrast\text{ Ratio} = (max-min) / (max+min) \qquad(12)

  上式中,Contrast Ratio 表示背光模组的照度非均匀性;max 表示背光模组的最大照度;min 表示背光模组的最小照度。

  图 15 进一步展示了通过非均匀性公式计算的照度均匀性趋势图以及平均偏差趋势图。当系数 C 设定为 15 时,背光模组的照度均匀性提升至 87.40%(满足实际对均匀性的要求),平均偏差值达到最小值 4.29%,这些数据说明了调整系数对优化背光模组照度均匀度的有效性。


图15. 昼模式下照度均匀性趋势图(左)和平均偏差趋势图(右)

  使用上述导光板网点的调整参数,得到夜模式下背光模组仿真结果(图 16)。夜模式下,照度对比度结果为 16.574%,则照度均匀性为 83.426%,平均偏差值为 4.946%,同样满足实际对均匀性的需求。


图16. 夜模式下 2D 照度分布图(左)和统计信息(右)

五、总结

  本文首先介绍了夜视兼容型液晶显示器背光模组的背景和结构组成。随后,基于双模式光源策略和导光板网点优化的思路,初步确定了背光模组的模型结构参数。然后结合简化模型计算网点最优分布,通过分析仿真结果中照度分布的不均匀趋势,将网点的矩阵均匀排列调整为多项式排列策略。最后,利用这些结构数据重新进行了昼夜模式下的照度均匀性仿真,验证结果表明其满足实际应用的均匀性要求。
  后续工作将聚焦于网点排列模式的精细化调整,具体策略包括 AI 调整多项式系数和采用列表排布方式,精确调控导光板网点的间距,以期通过此类优化手段,全面提升背光模组整体的照度均匀性,从而实现更为均衡且高效的照明效果。

参考文献

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