侧入式背光模组（Edge-Lit Backlight）
GMPT
1. 应用背景
由于液晶本身并不发光，为了供应充足的亮度与分布均匀的光源，背光模组成为液晶显示器面板的关键零组件之一。
背光模组主要由光源、反射板、导光板、扩散膜、增亮膜、塑胶框等部件组成，依光源分布位置不同分为侧光式和直下式，侧光式由于可以使背光模组设计得更薄，逐渐成为背光源发展的主流。
使用非序列光学仿真软件对保证背光模组提供满足要求的亮度分布至关重要，原因如下：
试错方法的局限性：传统的试错方法涉及到制造和物理测试实验，这种方法昂贵、耗时且不灵活。设计人员需要制造多个原型并进行实际测试，以了解其性能和效果。然而，这种方法存在局限性，因为每次修改或调整都需要重新制造和测试新的原型，增加了时间和成本。
仿真技术的优势和效率：Rayzen 提供了一种高度精确且便捷的方式来模拟和分析显示面板的光学行为。它可以在计算机上进行快速的光线追踪和光与材料的交互计算，无需实际制造和测试实验。这使得设计人员能够对显示面板进行多次虚拟实验，轻松尝试各种方案和参数设置，以优化性能和效果。
提前识别问题和优化设计：Rayzen 可以帮助设计人员在实际制造之前发现潜在的问题并进行改进。通过模拟光的传播、折射和反射等光学过程，可以预测和分析显示面板中的光线分布、颜色表现和其他光学特性。这让设计人员能够及早识别并解决可能的问题，减少修改和优化的成本和时间。
可视化和分析能力：Rayzen 可以提供可视化的结果，能够生成光线路径、光强分布和色彩显示等数据。这使得设计人员能够直观地观察和分析不同设计方案的光学效果，以便做出明智的决策。此外，软件还可以提供详细的数据输出和分析工具，以帮助进行更深入的性能评估和优化。
2. 原理介绍
在显示面板行业中，常用的评价指标包括均匀度、亮度、对比度、色彩准确性和视角等，这些指标直接影响着显示面板的视觉体验和性能，其中背光模组主要决定了均匀度和亮度。
导光板的作用是通过在导光板上排列特定分布的微结构，通过光线在薄板内部发生全反射和微结构导致的漫反射，改变点光源或线光源发出光线的方向，转换为从设计人员期望区域出射的面光源。
单独依靠导光板不足以满足行业上对均匀性的要求，导光板上微结构的形状会相应地影响出射光线的局部分布，形成特定的亮暗区、线条或光斑。因此需要扩散膜对光线进一步匀化，实现均匀分布的目的。
如果光线的角度分布过大，会极大地削弱显示亮度，因此，在满足特定视角的前提下，应尽量地使光线的角度分布集中。通过在透光材料上设计特定参数与排布的微结构，使大角度出射的光线由于全反射被拦回，只有符合期望角度范围的光线可以出射，从而提高出射光的亮度。
3. 软件功能支持
如上原理所述，在 Rayzen 中设计背光模组需要一些专业的几何工具，以支持数以万计的不同形状、位置微结构的建模和渲染；以及一些特定的照明分析方法和技巧，用于检查背光系统的性能。
我们将在后面的背光仿真案例中展示 Rayzen 的以下功能支持：
- 在导光板上使用三维纹理进行采光的实际建模方法和示例；
- 增亮膜 Brightness Enhancement Films (BEFs) 的建模方法；
- 设置材料与光学属性，以恰当地模拟反射板，扩散膜、塑胶框等对光线的散射行为；
- 使用照度、强度、亮度分析检查背光模组的性能。
4. 仿真设置
本案例中，所有光学元件都为长方体或长方形结构，具体参数如下表所示，长度单位为 mm
光学元件：
| Components | L | W | H | (x, y, z, α, β, γ) | Material(n, k) | Optical Properties |
|---|---|---|---|---|---|---|
| BEF_I_Prism | 100 | 100 | 0.012 | (50, 2.0330, 50, 0, 90, 0) | (1.590, 0) | Fresnel_Probabilistic |
| BEF_I_Substrate | 100 | 100 | 0.127 | (50, 1.9635, 50, 0,90, 0) | (1.667, 0) | Fresnel_Probabilistic |
| BEF_II_Prism | 100 | 100 | 0.012 | (50, 1.8330, 50, 0, 0, 0) | (1.590, 0) | Fresnel_Probabilistic |
| BEF_II_Substrate | 100 | 100 | 0.127 | (50, 1.7635, 50, 0, 0, 0) | (1.667, 0) | Fresnel_Probabilistic |
| Diffuser | 100 | 100 | 3 | (0, 1.6, 0, 0, 0, 0) | air | 100%Transmittance TopSurface:BSDF Data |
| Lightguide | 100 | 100 | 3 | (0, 0, 0, 0, 0, 0) | PMMA | Fresnel_Probabilistic |
| Reflector | 100 | 100 | 0.1 | (0, -1.7, 0, 0, 0, 0) | PMMA | 100%Reflectance |
| BLUFrame_Top | 1 | 100 | 3 | (0.00, 0, 100.05, 0, 0, 0) | PMMA | Gaussian_Scatter: Ray Treatment: Reflected Weighted Rays: No Energy Conservation: Yes Reflectance: 85% Radius: 15° |
| BLUFrame_Bottom | 1 | 100 | 3 | (0.00, 0,-1.75, 0, 0, 0) | PMMA | |
| BLUFrame_Left | 1 | 100 | 3 | (50.05, 0, 50.00, 0, -90, 0) | PMMA | |
| BLUFrame_Right | 1 | 100 | 3 | (-50.05, 0, 50.00, 0, 90, 0) | PMMA |
其中在导光板底部和左侧，以及两组增亮膜顶部有额外的微结构设置，具体参数如下表所示
微结构：
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
|---|---|---|---|---|
| Location | Lightguide->BottomSurface | Lightguide->LeftSurface | BEF_II_Prism->TopSurface | BEF_I_Prism->TopSurface |
| Region | ||||
| Placement | Rectangular | Rectangular | Rectangular | Rectangular |
| Length | 100 | 100 | 100 | 100 |
| Width | 100 | 3 | 100 | 100 |
| Origin X | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Origin Y | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Rotation Angle | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Texture | ||||
| Shape | Spherical Cap | Prism | Prism | Prism |
| Concavity | Convex | Convex | Convex | Convex |
| Radius | 0.5 | ---- | ---- | ---- |
| X_Width | ---- | 0.05 | 0.024 | 0.024 |
| Y_Width | ---- | 2.99 | 100 | 100 |
| Height | 0.1 | 0.025 | 0.012 | 0.012 |
| Angle_1 | ---- | 45 | 45 | 45 |
| Angle_2 | ---- | 45 | 45 | 45 |
| Theta | ---- | 0 | 0 | 0 |
| Arrangement | ||||
| Type | Rectangular | Rectangular | Rectangular | Rectangular |
| Spacing X | 1.5 | 0.05 | 0.024 | 0.024 |
| Spacing Y | 1.5 | 100 | 100 | 100 |
| Offset X | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Offset Y | 0 | 0 | 0 | 0 |
光源与接收器：
| Components | L | W | (x, y, z, α, β, γ) | Additional Settings |
|---|---|---|---|---|
| SurfaceSource_1 | 2 | 2 | (-40, 0, -0.1, 0, 0, 0) | Angular Distribution: Uniform Angle From:0 Angle to:90 Spectrum: Spectrum Data |
| SurfaceSource_2 | 2 | 2 | (-20, 0, -0.1, 0, 0, 0) | |
| SurfaceSource_3 | 2 | 2 | (0, 0, -0.1, 0, 0, 0) | |
| SurfaceSource_4 | 2 | 2 | (20, 0, -0.1, 0, 0, 0) | |
| SurfaceSource_5 | 2 | 2 | (40, 0, -0.1, 0, 0, 0) | |
| PlaneReceiver | 95 | 95 | (0, 2.1, 50, 90, 0, 0) | ---- |
Tips: 在以上仿真设置中，我们可以借助 Rayzen 内置的 CAD 快捷操作简化建模流程
增亮膜由微结构层 (Prism) 和基底层 (Substrate) 通过设置胶合 
实现两个面的紧密接触，且两组增亮膜的几何及微结构参数设置除整体的偏移和旋转外无任何其他不同。在完成 BEF_I 的材料，光学属性与几何设置后，可使用 CAD 工具栏中的 Copy to 
功能，将整个 BEF_I 胶合组复制到 BEF_II 的位置上。同理可实现外胶框 Top, Bottom, Left, Right 四壁及五个光源的快速创建。
5. 结果分析
我们设置仿真光线数量为 1,000,000 条，追迹后场景中光线预览如下图所示
在后处理中，我们根据打到接收器上的光线数量调整网格密度，一般来说，网格数量越多分辨率越高，相应地网格数量越少，分到每个网格中的光线数量变多，可以提供更高的精度。蒙特卡洛模拟的结果评估需要在分辨率和精度之间进行权衡。根据统计学理论，单个网格中的光线数量为 N 时，其蒙特卡洛结果的准确程度收敛于 1/sqrt(N)。在背光模组的光线仿真中，最重要的分析指标为接收器上照度、强度及亮度分布的均匀性。因此，对于本案例，分析结果中的 **平均误差 (Mean Error) ** 及 **对比度 (Contrast Ratio, CR=(max-min)/(max+min)) ** 越小，说明仿真结果的越好，我们根据平均误差不超过 10% 的要求对照度网格进行划分，得到的照度分布与统计分析结果如下图所示：
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由于接收器尺寸 (95mm*95mm) 略小于面板 (100mm*100mm)，即我们忽略光源与导光板间缝隙导致的漏光。可以看到由于导光板底部网点初始设置是均匀分布的，采光在靠近光源处效率较高，在远离光源处，采光效率有所减弱。相应地，我们尝试改用 Beizer 排布，减少靠近光源的微结构，重新运行仿真，得到的照度分布与统计分析结果如下图所示：
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平均误差和对比度均有所下降，证明采光效果得到了一定程度的改善。