Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Оптический элемент и его интерфейс 19
1.1. Базовые концепции интерфейса взаимодействия оптического элемента с программой оптического моделирования 19
1.2, Интерфейс трассировки лучей 24
1.3, Описание оптического элемента 30
1.4. Интерфейс связи оптического элемента с оптической системой 34
1.5. Выводы и результаты 37
Глава 2. Реализация основных классов оптических элементов 41
2.1. Оптические элементы поверхностного рассеивания 42
2.1.1. Преобразование света на границе оптического элемента 45
Преобразование света на границе оптического элемента в случае «простых» оптических свойств 46
Преобразование света на границе оптического элемента в случае поляризованного рассеивания 50
2.1.2. Представление формы рассеивающей поверхности оптического элемента 62
Оптические элементы со статистическим описанием геометрии поверхности рассеивания 64
Оптические элементы с фиксированным описанием геометрии поверхности рассеивания 74
2.2. Оптические элементы с объемным рассеиванием 91
2.3. Выводы и результаты 99
Глава 3. Примеры практического применения, анализ точности и эффективности предлагаемого решения оптических элементов 104
3.1. Моделирование и проектирование системы торцевой подсветки жидкокристаллического дисплея 104
3.2. Моделирование и проектирование системы нижней подсветки жидкокристаллического дисплея 108
3.3. Оценка точности моделирования 110
3.3.1. Сравнение результатов измерения характеристик оптических элементов с результатами их моделирования 110
3.3.2. Сравнение результатов расчетов, полученных с помощью различных моделей 114
Оптические элементы поверхностного рассеивания и макро геометрическое представление поверхности 114
Оптический элемент объемного рассеивания и лучевая модель рассеивания на микрочастицах 119
3.4. Сравнительный анализ эффективности решения, предлагаемого оптическими элементами, с существующими решениями 120
3.5. Выводы и результаты 125
Заключение 129
Благодарности 3 30
Список литературы
- Описание оптического элемента
- Интерфейс связи оптического элемента с оптической системой
- Преобразование света на границе оптического элемента в случае поляризованного рассеивания
- Моделирование и проектирование системы нижней подсветки жидкокристаллического дисплея
Введение к работе
Актуальность работы
Рис. 1. Система подсветки монитора и ее элементы
Растущие требования, предъявляемые к эргономичности современной техники, заставляют производителей искать новые решения при проектировании жидкокристаллических (LCD) мониторов, приборных панелей и других аналогичных устройств. Для того, чтобы добиться наиболее равномерного и комфортного освещения экрана монитора или приборной панели, создаются сложные системы подсветки, в производстве которых используются светопроводящие элементы со сложными оптическими свойствами. На рис. 1 показаны пример конструкции системы подсветки монитора и элементы, из которых она состоит.
Свет, излучаемый источником света, отражается от рефлектора и поступает в светопроводящую пластину, которая содержит светорассеивающие микрочастицы. Распространяясь внутри пластины, свет претерпевает рассеивание на микрочастицах и многократное полное внутреннее отражение от поверхности пластины. Другие элементы устройства служат для усиления яркости и обеспечения ее равномерности на выходной поверхности.
На рис. 1 показана обобщенная схема подсветки жидкокристаллических дисплеев. Имеющиеся вариации этих схем отличаются использованием принципиально различных технологий для достижения требуемого распределения яркости. Существует два базовых типа схем подсветки жидкокристаллических дисплеев. Это схема с нижней подсветкой и схема с торцевой подсветкой.
Рис. 2. Принцип действия осветительной системы с торцевой подсветкой.
Основной принцип действия осветительной системы с торцевой подсветкой показан на рис. 2.
Свет от источников света (либо люминисцентные лампы, либо светодиоды) попадает в светопроводящую пластину и распространяется внутри этой пластины, испытывая полное внутреннее отражение на ее гранях. В обычных условиях свет никогда не покинет светопроводящей пластины и не достигнет экрана. Для того, чтобы заставить свет покинуть пластину, на ее грани наносится светорассеивающая микроструктура. Свет рассеивается на этой микроструктуре, выходит из зоны углов полного внутреннего отражения и покидает светопроводящую пластину. Выходное распределение яркости и графики сечений этого распределения яркости также показаны на рис. 2 (цвет сечения совпадает с цветом графика). Зоны вблизи источников света имеют, как правило, повышенную яркость, поэтому задача проектирования таких систем заключается в выборе оптимальных параметров и распределения элементов микрогеометрии.
Решения, которые применялись в недавнем прошлом, использовали диффузные отражающие точки для вывода света из светопроводящей пластины. Такое решение достаточно просто и удобно для систем оптического моделирования, однако на практике такое решение не используется, поскольку оно не обладает высокой эффективностью за счет поглощения света на диффузном красителе. С точки зрения эффективности системы подсветки наиболее выгодно использовать специальные рассеивающие микроэлементы (призматические канавки или неровности на поверхностях светопроводящей пластины с заданным распределением формы, размера и ориентации). При взаимодействии света с этими микроэлементами свет покидает светопроводящую пластину в заданном месте и направлении, и никакого поглощения света не происходит.
Резкий прогресс в развитии технологий позволяет уменьшать размеры рассеивающих микроэлементов и усложнять их форму. Все это, с одной стороны, приводит к повышению эффективности и равномерности
яркости систем подсветок, а с другой стороны - к значительному увеличению числа рассеивающих микроэлементов (до десятков миллионов независимых элементов). Такое усложнение геометрии оптических систем делает невозможным использование традиционных систем оптического моделирования для проектирования оптических систем данного типа.
Основной принцип действия осветительной системы с нижней подсветкой показан нарис. 3.
Рис. 3. Принцип действия осветительной системы с нижней подсветкой.
Свет от источников света (либо люминисцентные лампы, либо кластеры светодиодов) распространяется сквозь специальные рассеивающие пленки и пластины. Пластины обладают свойствами объемного рассеивания и поэтому размывают прямое освещение от источников света, что позволяет добиться равномерного распределения яркости на поверхности экрана. Выходное распределение яркости и графики сечений этого распределения яркости также показаны на рис. 3 (цвет сечения совпадает с цветом графика). Зоны, расположенные над источниками света, имеют, как правило, повышенную яркость, поэтому
задача проектирования таких систем заключается в выборе оптимальных параметров рассеивающих пленок и пластины с объемным рассеиванием.
Решения, которые использовались в прошлом (например, негатоскогты [11] - первые прототипы таких систем), отличала простота конструкции и низкая эффективность. Равномерность выходного излучения достигалась, как правило, за счет увеличения габаритов осветительной системы или введением дополнительных фильтров переменной плотности. В настоящее время высокая эффективность и равномерность выходного распределения света в таких системах, как правило, обеспечивается правильным выбором параметров рассеивающих частиц (концентрация, радиус, показатель преломления) в пластине и микрогеомстрии рассеивающих пленок. Размеры рассеивающих частиц в пластине очень малы (от десятков нанометров до единиц микрон), что делает неприемлемым использование решений геометрической оптики и затрудняет использование традиционных систем оптического моделирования. Кроме того, количество рассеивающих частиц в объеме настолько велико, что делает невозможным явное описание их геометрических и оптических параметров.
Более детально влияние параметров рассеивающих микроэлементов на выходное распределение яркости показано на рис. 4.
В случае системы торцевой подсветки равномерная плотность распределения микроэлементов на дне свето проводящей пластины создает неравномерную освещенность экрана над поверхностью светопроводящей пластины, при этом зоны вблизи источников света оказываются сильно засвеченными. Изменение плотности распределения микроэлементов (уменьшение под засвеченными зонами и увеличение в темных зонах) позволяет добиться равномерного распределения освещенности экрана.
*
Рис. 4. Влияние параметров рассеивающих микроэлементов на выходное
распределение яркости.
В случае системы с нижней подсветкой было показано влияние вариации концентрации частиц рассеивающей пластины. Низкая концентрация рассеивающих частиц приводит к ярко-выраженной неравномерности выходной яркости. Повышение концентрации частиц выравнивает пространственное распределение выходной яркости, но приводит к снижению среднего уровня выходной яркости.
Аналогичные системы подсветки применяются не только в производстве жидкокристаллических дисплеев, но и для подсветки приборных панелей (телефонные трубки, спидометры, автомагнитолы и т.п.). Примеры таких панелей показаны на рис. 5.
Рис. 5. Системы подсветки панелей приборов.
В данных приборах свет распространяется от источников света через систему световодов и освещает требуемую часть приборной панели. Как и в светопроводящих пластинах, свет остается внутри световода за счет эффекта полного внутреннего отражения. Вывод света наружу в таких приборах обеспечивает, как правило, шероховатая поверхность. Попадая на эту поверхность, свет рассеивается, выходит из зоны углов полного внутреннего отражения и покидает световод. Равномерность распределения выходной яркости в таких приборах обеспечивается посредством вариации параметров шероховатости вдоль поверхности.
Существующие системы оптического моделирования, как правило, не могут производить аккуратное моделирование рассеивания света на таких поверхностях и используют упрощенные модели рассеивания, например, замену реального микрорельефа на вариацию нормалей. Естественно, такие решения не являются точными, что сказывается на общем результате моделирования.
Физически аккуратное моделирование распространения света в оптической системе
Новая элементная база, используемая при производстве современных оптических систем, таких как осветительные системы жидкокристаллических (ЖК) дисплеев или панелей приборов, основана на сложных физических эффектах. К таким эффектам можно отнести как рассеивание света на микронеровностях поверхностей, так и рассеивание света на микрочастицах внутри материала. Поэтому физически аккуратное моделирование должно основываться на физических законах распространения света и взаимодействия света с элементами оптической системы.
Для проектирования таких оптических систем широко применяются программные системы оптического моделирования, базирующиеся на законах лучевой оптики. Существует ряд принципиально различных подходов к лучевому моделированию. Наиболее известный и широко развитый подход - это метод лучевых трубок [16, 17, 18, 19, 20], который используется в программных комплексах линзового и зеркально-линзового расчета и проектирования [13, 21, 22, 23, 57]. Основной недостаток такого подхода и соответствующих программных систем - это исключительно детерминированный ход луча в оптической системе. Даже если программа допускает моделирование разделения пучка лучей на частично отражающей поверхности, то эффекты, связанные с рассеиванием света, в этом случае не могут быть промоделированы.
Детерминистический подход, основанный на методах обратной трассировки лучей [33, 34] (то есть лучи трассируются от наблюдателя сквозь оптическую систему к поверхностям, несущим ненулевую яркость), имеет ряд преимуществ. Во-первых, преломление, зеркальное отражение и разделение пучков лучей легко моделируются, во-вторых, эффекты сложного поверхностного рассеивания также могут быть учтены. Основной недостаток метода - это то, что яркость поверхности может
быть вычислена только в случае непосредственного освещения поверхности источником света [35, 36]. Принимая во внимание то, что в системах подсветки жидкокристаллических дисплеев возникают многократные диффузные переотражения, такой метод является неприемлемым.
В отличие от перечисленных выше подходов детерминистические подходы, основанные на методах прямой трассировки лучей (т.е. методах переноса лучистой энергии от источников света к приемникам изображения) [26, 27], позволяют учитывать перенос лучистой энергии от одной диффузной поверхности до другой. Такие методы использовались в системах оптического моделирования для анализа рассеянного света в оптических системах [24, 25]. Основной недостаток таких решений - это низкая точность, связанная с рекурсивным характером вычислений переноса лучистой энергии от поверхности к поверхности, и проблемы переноса лучистой энергии через сложные преломляющие или зеркально отражающие поверхности.
Наиболее эффективным методом лучевого моделирования, позволяющим решать сложные задачи распространения света в светопроводящих оптических системах с элементами поверхностного и объемного рассеивания, является прямая геометрическая трассировка лучей методом Монте-Карло [9, 28, 31 ]. Прямая трассировка лучей методом Монте-Карло моделирует распространение световых лучей от источника света до приемника излучения и тем самым статистически воспроизводит распределение освещенности, интенсивности или яркости на приемнике излучения. Сравнение методов прямой трассировки лучей [44, 45] (Монте-Карло и детерминистической) показывает преимущество подхода Монте-Карло в задачах, где сочетаются многократное преломление и отражение на гладких поверхностях и на поверхностях и средах со сложным рассеиванием. Метод Монте-Карло позволяет моделировать все физические эффекты распространения лучей
(диффузное рассеивание на поверхностях, зеркальное отражение, преломление). Кроме того, лучевой метод Монте-Карло позволяет моделировать такие сложные эффекты, как дифракционное рассеивание [29] и двойное лучепреломление [30].
Схематично процесс оптического моделирования и проектирования показан на рис. 6.
Цифровое описание оптической системы
Моделирование
распространения
света
Результат расчета:
распределение
—
яркости,
освещенности или
интенсивности света
Визуализация результата
Представление результатов
в виде
изображений, графиков,
таблиц, изолиний, и т.п.
Анализ результата и модификация системы
Рис. 6. Процесс моделирования и проектирования оптических систем.
Системы оптического моделирования [7, 32, 10, 2], применяющие прямую трассировку лучей методом Монте-Карло, работают, как правило, с макрообъектами геометрии. Для построения модели оптической системы используются различные механизмы [39, 40, 41]. Однако, эти модели ограничиваются геометрическим представлением объектов и не несут информации о его внутреннем поведении, например, поверхностном или объемном рассеивании. Это делает невозможным учет таких «тонких» физических эффектов, как поверхностное и объемное рассеивание. С другой стороны, специализированные программы оптического моделирования, например, дифракционное рассеивание на периодических микроструктурах [37], могут достаточно точно воспроизводить поведение одного элемента (или его части) и не дают полной информации о поведении оптической системы в целом. Поэтому особо актуальной
является интеграция функциональн остей, учитывающих «тонкие» физические эффекты, в системы оптического моделирования, построенные на лучевых решениях. Такая интеграция позволяет производить сквозное моделирование от первичных источников света сквозь оптическую систему до конечного изображения.
В последнее время ряд программных комплексов оптического моделирования использует концепции, расширяющие стандартную функциональность с помощью специализированных модулей. Например, предлагаются автоматизированные системы проектирования систем подсветок жидкокристаллических дисплеев [1, 42, 43]. Так, традиционные системы оптического моделирования, использующие прямую трассировку лучей методом Монте-Карло (ТгасеРго [10], ASAP [2], LightTools [3] и SPEOS [4]), имеют специальные средства для моделирования поверхностного и объемного рассеивания света на микрочастицах. В случае поверхностного рассеивания эти программы имеют средства для построения модели рассеивающей микроструктуры на поверхности светопроводящей пластины [5, 38, 46] (как правило, такие модели называются трехмерными текстурами).
Однако решения, используемые данными программами, не лишены ряда недостатков [6, 14, 15]. К главным недостаткам таких решений можно отнести ограничение количества микроэлементов, допускаемых моделью (как правило, количество микроэлементов ограничивается единицами миллионов, в то время как в реальных системах подсветки их количество достигает десятков миллионов). Другой важный недостаток -это низкая эффективность (скорость) моделирования (скорость трассировки лучей). Для достижения высокой точности моделирования требуются десятки часов, что затрудняет использование таких программных продуктов в реальном оптическом проектировании. Кроме того, сами модели распределения микроэлементов весьма ограничены и
сводятся, как правило, к распределению микроэлементов в узлах регулярной решетки.
В случае объемного рассеивания эти программы также не лишены недостатков [6, 15]. Основные недостатки - это ограничение моделей рассеивания света на частицах. Эффекты поляризации света, как правило, не учитываются или учитываются на примитивном уровне, комбинации различных рассеивающих частиц в одной среде не допускаются. Кроме того, эффективность моделирования, как правило, оказывается низкой.
Поэтому, разрабатывая функциональность оптического
моделирования сложных элементов с поверхностным и объемным рассеиванием, особое внимание необходимо уделить устранению основных недостатков имеющихся решений; ограниченной возможности представления микрогеометрии и низкой скорости моделирования. Кроме того, решение должно быть универсальным, то есть допускать интеграцию в любые программные системы, использующие трассировку лучей методом Монте-Карло.
Цель и основные задачи работы
Цель работы - исследование и разработка методов, алгоритмов и программных средств для моделирования распространения света в микроструктурных рассеивающих объектах, что позволит применить полученные программные средства для эффективного проектирования сложных оптических светопроводящих систем.
Основные задачи:
Исследование и разработка программных интерфейсов для эффективного моделирования распространения света в оптически сложных светопроводящих системах и устройствах.
Разработка архитектурных и программных решений, обеспечивающих эффективный и точный расчет распространения света в рассеивающих объектах на основе законов геометрической оптики.
Разработка архитектурных и программных решений, обеспечивающих эффективный и точный расчет распространения света в рассеивающих объектах на основе законов волновой оптики.
Научная новизна работы
Предложена оригинальная концепция моделирования
распространения света в сложных светопроводящих оптических системах и устройствах. Предложены и разработаны универсальные программные интерфейсы, позволяющие осуществлять оптическое моделирование как в лучевом, так и в волновом приближении. Разработаны и реализованы эффективные алгоритмы моделирования распространения света в сложных светопроводящих системах с рассеивающими элементами.
Практическая значимость
Разработанные алгоритмы позволили уже в середине 80-х годов прошлого века реализовать систему моделирования распространения рассеянного света в сложных светопроводящих оптических системах. Практическая значимость первоначальных решений была снижена техническими ограничениями вычислительной техники (персональными ЭВМ и БЭСМ-6). Повышение эффективности вычислительной техники доказало состоятельность предложенных ранее решений и позволило производить моделирование таких сложных оптических устройств, как системы подсветки жидкокристаллических дисплеев.
На базе концепций, технологий и алгоритмов, предложенных в диссертации, был построен индустриальный программный комплекс
оптического моделирования и проектирования, который практически используется в ряде компаний, предприятий и организаций.
Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертации были доложены на международных конференциях [6, ]2, 15] и опубликованы в рецензируемых журналах [13, 14, 23], в том числе одна публикация в издании из списка ВАК. Основные результаты диссертационной работы были внедрены и широко используются в индустриальном программном комплексе SPECTER [7] фирмы Integra Inc.
Структура диссертации
Диссертационная работа состоит из трех глав.
В первой главе производится анализ программного интерфейса, необходимого и достаточного для организации модуля, ответственного за преобразования света на поверхности и внутри сложного объекта. Предлагается универсальный интерфейс, который позволяет осуществить интеграцию данного модуля в основные системы оптического моделирования. Предлагаемый интерфейс базируется на трассировке лучей методом Монте-Карло, который используется в данных системах. Внутренняя реализация распространения луча внутри объекта при этом остается свободной и позволяет использовать как лучевые, так и волновые решения. Для описания данного модуля используется текстовое представление, управляемое внешними параметрами. Предлагаемый интерфейс позволяет системе оптического моделирования осуществлять интерактивную модификацию внешних параметров данного модуля.
Во второй главе рассмотрены вопросы реализации программных интерфейсов, разработанных в первой главе. Применительно к объектам с
поверхностным и объемным рассеиванием рассматриваются вопросы эффективности, точности моделирования, а также возможности поддержки наибольшего количества рассеивающих микроэлементов. Предлагаются два основных подхода для реализации данных интерфейсов - лучевой, который используется для моделирования объектов с поверхностным рассеиванием, включая эффект поляризационного рассеивания, и волновой, который используется для моделирования объектов с объемным рассеиванием.
В третьей главе представлены результаты интеграции предлагаемых решений в систему оптического моделирования SPECTER. Произведены анализ точности моделирования предлагаемых решений и сравнение этого решения с аналогичными разработками в других системах оптического моделирования. Кроме того, приведены результаты моделирования реальных осветительных систем жидкокристаллических дисплеев с торцевой и нижней подсветками.
В заключении формулируются основные результаты работы.
Описание оптического элемента
С точки зрения представления данных ОЭ представляет собой описатель, управляемый набором внешних параметров [14, 15]. Описатель ОЭ содержит всю информацию, необходимую для создания и автономного функционирования ОЭ. Описатель имеет текстовое представление и может быть сформирован любым текстовым редактором. Описатель состоит из двух основных частей:
1. Декларирование внешних параметров. Внешние параметры ОЭ - это такие параметры, которые могут быть определены извне ОЭ. Обычно внешние параметры ОЭ определяются в специальном файле параметров, который умеет читать ОЭ. Декларирование внешних параметров имеет фиксированный формат и содержит два обязательных поля - внутренние и внешние имена. Внешнее имя - это имя параметра, которое видит пользователь программы, например в пользовательском интерфейсе, а внутреннее имя - это имя, которое используется в описании модели ОЭ. Внешние параметры ОЭ могут быть заданы непосредственно, используя пользовательский интерфейс работы с параметрами. Организация интерфейсов подобного типа рассматривается в работах [51, 59]. Кроме того, интерфейс взаимодействия с параметрами ОЭ предполагает не только модификацию значений этих параметров, но и изменение их имен, типов и атрибутов (например, изменение области определения или типа интерполяции, если параметр - функция). ОЭ допускает использование следующих пяти типов параметров:
а) Простое вещественное число. Дополнительно может быть определен диапазон изменений числа (минимум и максимум) и значение по умолчанию.
б) Одномерная функция. Функция позволяет линейную, параболическую и Безье интерполяции. Тип интерполяции и ее параметры определяются дополнительно,
в) Двумерная функция. Функция допускает билинейную интерполяцию.
г) Таблица вещественных чисел. Набор данных, сгруппированных по столбцам. Дополнительно могут быть определены диапазон изменения чисел в таблице (минимум и максимум), имена столбцов и т.п.
д) Текстовые строки. Текстовые строки могут быть использованы для задания имен файлов или каких-либо импортируемых объектов.
2. Собственно описание модели ОЭ. Формат описания модели ОЭ не фиксирован и зависит от типа ОЭ. Описание модели ОЭ имеет текстовое представление и поддерживает простой скрипт, который позволяет выполнять все основные арифметические и логические операции, стандартные функции, а также многострочные конструкции с использованием операций условного перехода и циклов. При формировании модели ОЭ допускается использование всех внешних параметров как константных объектов (их изменение не допускается внутри модели ОЭ). Однако допускается определение собственных (внутренних) переменных, массивов и функций, что значительно упрощает описание ОЭ. Как правило, описание модели состоит из секций, и каждая секция - это законченный компонент описания ОЭ. Например, описание формы микрогеометрии, описание распределения микроэлементов, описание оптических свойств поверхностей и материалов и т.п.
Схема на рис. 14 показывает процесе загрузки данных ОЭ. База данных оптической системы посылает запрос ОЭ на загрузку данных. Загрузчик оптического элемента опрашивает внешние параметры ОЭ, которые могут находиться либо в определенном формате в файле на диске, либо передаваться непосредственно (непосредственная передача данных удобна при организации графического пользовательского интерфейса). После того, как ОЭ определил все исходные данные, выполняется собственно процедура загрузки ОЭ, которая и формирует собственно ОЭ. Затем база данных оптической системы принимает созданный ОЭ и сохраняет его для дальнейшего использования в трассировке лучей.
Интерфейс связи оптического элемента с оптической системой
Процесс присоединения ОЭ к базе данных оптической системы состоит из двух основных частей:
1. Загрузка описания ОЭ и сохранение ее в базе данных оптической системы (описано в гл. 1.3).
2. Импорт параметров оптической системы, необходимый для нормального функционирования ОЭ.
Необходимо отметить, что, несмотря на свою независимость, ОЭ не могут существовать вне оптической системы. Например, чтобы осуществить преобразование луча на внешней границе, необходимо знать материал (показатель преломления) оптической системы, где данный элемент расположен. Поэтому ОЭ импортирует следующие объекты;
1. Импорт геометрии. Геометрия импортируется в виде треугольной сетки (массив вершин, массив треугольников как индексов трех вершин и массив нормалей в вершинах треугольников). Импорт геометрии необходим для ОЭ типа светорассеивающих сред, когда форма рассеивающей среды определена во внешней геометрии оптической системы. Пример ОЭ с объемным рассеиванием показан на рис. ] 6.
2. Импорт оптических свойств поверхности. Оптические свойства импортируются в виде соответствующего класса оптических свойств ОЭ. Алгоритм импорта оптических свойств показан на рис. 18. Импорт оптических свойств поверхности необходим, например, для ОЭ типа светорассеивающая среда, показанного на рис. 16, и ОЭ типа рассеивающая поверхность, показанного на рис. 17. Для этих ОЭ оптические свойства границ рассеивающих сред могут быть определены в базовой оптической системе.
Импорт оптических свойств материалов (сред). Оптические свойства импортируются в виде соответствующего класса оптических свойств ОЭ, аналогично свойствам поверхности. Алгоритм импорта оптических свойств среды показан на рис. 18. Импорт оптических свойств среды необходим, когда граница ОЭ является границей раздела двух сред, например, для ОЭ типа светорассеивающая среда, показанная на рис. 16, или ОЭ типа рассеивающая поверхность, показанная на рис. 17. Для этих ОЭ оптические свойства границ рассеивающих сред должны быть определены в базовой оптической системе.
Естественно, интерфейсы классов оптических свойств внешней программы и ОЭ могут различаться. Поэтому, как и в случае луча и его контекста, для классов оптических свойств разрабатываются специальные производные классы, которые имеют специальные конструкторы. Эти конструкторы по элементарным параметрам оптических свойств могут построить соответствующий класс оптических свойств ОЭ. Для оптических сред элементарными параметрами являются: Спектральные показатели преломления. Спектральные показатели пропускания. Для оптических поверхностей элементарными параметрами являются: Спектральные коэффициенты зеркальной и диффузной составляющих пропускания и отражения. Доля «Френелевой» составляющей свойств поверхности (какая доля падающего света управляется законом Френеля).
Необходимо отметить, что экспорт оптических свойств ОЭ в базу данных оптической системы не предполагается, поэтому интерфейс несколько упрощается. Процедура импорта показана на рис. 18. ОЭ не запрашивает данные оптической системы самостоятельно. База данных оптической системы посылает запрос на ОЭ о необходимости данных соответствующего типа. Если данные нужны, то база данных строит объект соответствующего типа и передает его ОЭ.
Анализ задач, связанных с оптическим моделированием современных светопроводящих и светорассеивающих оптических устройств, выявил недостаточность существующих систем оптического моделирования для решения данных задач. Поэтому было введено понятие оптических элементов как объектов программно моделируемой оптической системы или устройства, которые позволяют использовать оптически более сложные модели взаимодействия света с объектами оптической системы, чем модели, предлагаемые традиционными программными комплексами оптического моделирования.
Сформулированы основные требования к ОЭ и его интерфейсу как: к программным элементам систем оптического моделирования: Высокая эффективность и точность оптического моделирования.
Преобразование света на границе оптического элемента в случае поляризованного рассеивания
Такие поляризационные фильтры очень эффективны для использования в системах подсветки жидкокристаллических дисплеев, поскольку поглощение в таких системах отсутствует, и свет, отраженный поляризационным фильтром, возвращается назад в систему подсветки.
Использование простых решений в задачах поляризационного рассеивания, когда одна и та же матрица Мюллера применяется к лучу, падающему под любым направлением к поверхности, и лучам, покидающим поверхность под любым направлением, становится неточным. Рис. 23 демонстрирует отличие поляризационного рассеивания от обычного рассеивания - каждое направление рассеивания характеризуется собственной матрицей изменения состояния поляризации.
Моделирование поляризационного рассеивания имеет самостоятельную значимость. Оно не ограничивается применением данного типа оптических свойств к элементам микрогеометрии ОЭ. Поляризационные пленки и фильтры могут быть самостоятельным ОЭ. Поэтому для случая поляризационного рассеивания был разработан специальный класс, чей интерфейс, с одной стороны, совместим с классом преобразования лучей на ОЭ (производный от соответствующего базового), а с другой стороны, является классом, производным от базового класса ОЭ. Такое решение дает возможность использовать объект поляризационного рассеивания, с одной стороны - как оптические свойства поверхностей ОЭ, а с другой стороны - как самостоятельный ОЭ (например, для моделирования сложных поляризационных фильтров и пленок).
Как правило, эффект поляризационного рассеивания не может моделироваться с достаточной точностью (в большинстве случаев информация по поляризационным пленкам вообще отсутствует). Поэтому единственный способ моделирования таких объектов - это измерения поляризационного рассеивания.
Измерение параметров рассеивания обычных (не поляризационных) поверхностей достаточно сложная процедура [64], а измерение поляризационного рассеивания процедура на порядок более сложная. Причина состоит в том, что вместо одного параметра, коэффициента пропускания / отражения, для выбранного направления освещения и наблюдения необходимо определить 16 коэффициентов матрицы Мюллера. Причем эти коэффициенты определяются неявным образом, посредством измерения реакции поверхности на разные состояния поляризаций освещения и разложение поляризационных состояний отраженного / прошедшего света с помощью специальных поляризационных фильтров [65, 66, 67]. Рис. 24 показывает, какие состояния поляризации используются для освещения измеряемого образца.
Где подпись типа [abed] обозначает 4 компоненты вектора Стокса или состояние поляризации падающего света. Например, L\\.\m\ - обозначает, что падающий свет имеет (1-100) вектор Стокса (или свет поляризован в плоскости падения). Таким образом, для измерения поляризационного рассеивания света могут использоваться следующие состояния поляризации падающего света: Неполяризованный свет - Ь)0оо] ? Свет, линейно поляризованный в плоскости падения - L[1.10o] ? Свет, линейно поляризованный в плоскости, ортогональной плоскости падения -LfHiiq. Свет, линейно поляризованный в плоскости, повернутой под углом 45 к плоскости падения - L[M+M]. Свет, линейно поляризованный в плоскости, повернутой под углом 135 к плоскости падения - Lfio-ioj. Свет с правой круговой поляризацией - L[ioo+i] ? Свет с левой круговой поляризацией - L[ioo-i].
Для анализа состояний поляризации света, отраженного от / прошедшего сквозь измеряемый образец, используются наборы поляризационных фильтров, которые позволяют выделить одну ненулевую компоненту вектора Стокса, равную нулевой компоненте (нулевая составляющая вектора Стокса - это измеряемая световая энергия света). Таким образом, измеряя энергию света, преобразованного поверхностью, мы можем измерить энергию света для соответствующих состояний поляризации. Рис. 25 показывает, какие поляризационные фильтры должны использоваться, чтобы выделить необходимые состояния поляризации света.
Моделирование и проектирование системы нижней подсветки жидкокристаллического дисплея
Точность моделирования ОЭ с поверхностным и объемным рассеиванием оценивалась на специально разработанной и построенной в ИПМ им. М.В.Келдыша РАН установке измерения светорассеивающих свойств поверхностей. Установка имеет вид, показанный на рис. 63, и обеспечивает точность измерения гониометрических диаграмм отражения и пропускания исследуемых образцов порядка 5-10%. Подробное описание измерительной установки приводится в работах [64, 82].
Для сравнения результатов измерения с результатами расчета использовалась модель освещения и наблюдения, аналогичная реальным условиям освещения и наблюдения измерительной установки. Схема модели измерения показана на рис. 64.
Аналогично реальной измерительной установке в качестве источника света модель использует тонкий параллельный пучок лучей диаметром 5 мм (реальная расходимость светового пучка, вызванная аберрациями осветительного канала, мала и не принимается во внимание). В качестве приемника излучения используется гониометрическая сфера, которая накапливает лучи, попадающие в ячейку (каждая ячейка обладает угловым размером и координатами, как показано на рис. 64). В соответствии с подходом, принятым в измерительной установке, результат, накопленный в ячейках, переводится в единицы яркости, а затем нормируется на яркость абсолютного диффузора при данных условиях освещения. Данная модель полностью совпадает с решением, используемым в реальной измерительной установке, где на местах ячеек располагаются волноводы, которые переводят свет из ячеек в соответствующие области CCD камеры. Для получения коэффициента яркости (отношения яркости измеряемого образца к яркости идеального диффузора) для каждого направления освещения измерения производятся дважды - один раз для образца, а другой раз для эталона (идеального диффузора). Таким образом, мы вправе сравнивать результаты измерений с результатами моделирования.
Ниже приводятся результаты сравнений для двух основных типов образцов: Шероховатая поверхность. Толщина пленки = 250 мкм и ее показатель преломления =1.492 были известны, форма микрорельефа - измерена с помощью 3D сканера. Результаты сравнения показаны на рис. 65.
Очевидно, что расхождение результатов моделирования и измерения находится в пределах 5-10%, что соизмеримо с точностью самих измерений.
Полномасштабное сравнение результатов расчетов, базирующееся на моделях ОЭ с одной стороны и их аналогов с другой стороны, невозможно. Основная причина скрывается в концепции самих ОЭ -сделать возможным моделирование таких объектов, которое раньше не было возможным вообще. Однако, принимая определенные упрощения, можно произвести сравнение для ряда частных случаев. Ниже рассматриваются два типа ОЭ и соответствующие им упрощенные модели - модель с поверхностным и объемным рассеиванием.
Оптические элементы поверхностного рассеивания и макро геометрическое представление поверхности
Сравнение производилось для двух основных групп ОЭ поверхностного рассеивания: ОЭ с фиксированным и ОЭ со статистическим описанием геометрии поверхности рассеивания.
Для моделирования ОЭ с фиксированным описанием геометрии поверхности рассеивания использовался ОЭ, содержащий 100 пирамидальных элементов, распределенных на дне светопроводящей пластины. Распределение микроэлементов показано на рис. 67. Светопроводящая пластина подсвечивалась прямоугольным источником света. Пространствениое распределение яркости фиксировалось на выходной поверхности светопроводящей пластины.
