Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общие принципы расчета светопроводящих осветительных систем 12
1.1. Принцип работы .12
1.2. Методы трассировки лучей и расчета фотометрических характеристик 13
1.3. Методика решения уравнения рендеринга 16
1.4. Идеи и алгоритмические решения метода «русской рулетки»..24
1.5. Модели приемников излучения .28
1.6. Методика оценки точности моделирования фотометрических характеристик на приемниках излучения .35
1.7. Метод моделирования цветового сдвига в светодиодах с флуоресцентным слоем .38
1.8. Выводы по главе 48
Глава 2. Методы построения пространственного распределения элементов рассеивающей микроструктуры 49
2.1. Особенности распределения светорассеивающих микроэлементов .49
2.2. Способы создания нерегулярных распределений 50
2.3. Гравитационный метод построения распределения 59
2.4. Способы формирования микроструктурных рассеивающих элементов светопроводящих осветительных систем 66
2.5. Методы проецирования микроэлементов на криволинейную поверхность .69
2.6. Метод учета особенностей технологии формирования микроструктурных рассеивающих элементов 71
2.7. Методика оптимизации распределения элементов светорассеивающей микроструктуры 79
2.8. Выводы по главе 83
Глава 3. Метод построения модели и определения параметров поляризационных фильтров двойного повышения яркости (DBEF).. 84
3.1. Метод построения аккуратной компьютерной модели DBEF фильтров .84
3.2. Метод восстановления светорассеивающих характеристик поляризационной пленки на базе прямых измерений .92
3.3. Выводы по главе .101
Глава 4. Расчет и моделирование светопроводящих осветительных систем различного назначения 102
4.1. Расчет светопроводящей осветительной системы автомобильного спидометра 102
4.2. Расчет и оптимизации осветительной системы с микроструктурой на искривленной поверхности 110
4.3. Моделирование освещения системы подсветки ЖК-дисплея с поляризационными DBEF пленками 114
4.4. Выводы по главе .11
Заключение .119
Список литературы .121
- Методика решения уравнения рендеринга
- Метод моделирования цветового сдвига в светодиодах с флуоресцентным слоем
- Гравитационный метод построения распределения
- Расчет и оптимизации осветительной системы с микроструктурой на искривленной поверхности
Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время осветительные приборы потребляют порядка 30%
всей вырабатываемой в мире электроэнергии, поэтому задача уменьшения
энергопотребления осветительных устройств и повышения их
эргономичности, при сохранении их эксплуатационных характеристик,
является актуальной и злободневной. Необходимо понимать, что
использование энергоэффективных источников света, например,
светодиодов, является только необходимым, но не достаточным условием создания энергоэффективного осветительного устройства. Достаточным условием является правильным образом спроектированная светопроводящая и светорассеивающая часть осветительного устройства, которая может обеспечить не только энергоэффективность, но и эргономичность освещения. Поэтому данная работа направлена на решение проблемы проектирования и производства энергоэффективных и эргономичных осветительных устройств для внутреннего и наружного освещения, включая осветительные системы для жидкокристаллических дисплеев и различных приборных панелей.
Об актуальности данной работы также свидетельствует большой интерес, который данное направление вызывает у ведущих производителей световых устройств (осветительных систем жидкокристаллических дисплеев, приборных панелей, рекламных щитов, устройств внутреннего и внешнего освещения и т.п.) в Японии (Asahi Kasei, Denso, Panasonic, Fiji-Film, Toshiba). Например, компания Denso занимается производством широкого спектра светопроводящих осветительных устройств, основанных на технологиях рассеивающих микроэлементов. В Корее (Samsung, LG), в Италии (GPG), в России (Квазар, ВОЛО), а также многочисленные патенты, ориентированные на специфику формирования геометрии и распределений рассеивающих микроструктурных элементов, и публикации в основных журналах (SPIE Optical Engineering, JOSA, Applied Optics, Optical Review и др., и обсуждения на конференциях SPIE, ACM SIGGRAPH, Eurographics, Графикон и Прикладная Оптика) по проблемам физически корректного моделирования и проектирования светопроводящих осветительных устройств.
Цель работы
Целью работы является исследование и разработка методов и алгоритмов для проектирования высокоэффективных осветительных систем, в основе работы которых лежит явление рассеяния света на поверхностных и объемных микрогеометрических рассеивателях.
Задачи
-
Анализ методов трассировки лучей и разработка методики решения уравнения рендеринга, обеспечивающей физически корректный результат моделирования светопроводящих осветительных систем, с использованием метода Монте-Карло;
-
Разработка методики оптимизации распределения элементов рассеивающей микроструктуры, позволяющей получить заданное пространственное распределение выходного излучения;
-
Разработка метода построения локально-эквидистантного распределения микроструктурных рассеивающих элементов заданной плотности, позволяющего исключить муаровый эффект, в светопроводящих осветительных системах;
-
Разработка метода проецирования микроструктурных рассеивающих элементов на криволинейную поверхность, обеспечивающего как сохранение формы, размеров и положения микроэлементов, так и взаимно-однозначное преобразование между координатами на плоскости и криволинейной поверхности;
-
Разработка метода, позволяющего учитывать технологический микрорельеф на элементах рассеивающей микроструктуры, позволяющего, в свою очередь, осуществлять учет особенностей технологии формирования микроструктурных рассеивающих элементов для достижения физически корректных результатов моделирования светопроводящих осветительных систем;
-
Разработка метода построения физически аккуратной модели поляризационных фильтров повышения яркости (DBEF) и восстановления светорассеивающих характеристик поляризационной пленки на базе прямых измерений;
-
Расчет светопроводящей осветительной системы автомобильного спидометра, подсветки и ЖК-дисплея с поляризационными DBEF пленками.
Научная новизна работы
Предложены новые эффективные методы проектирования
энергосберегающих осветительных систем с объемными и поверхностными микрогеометрическими рассеивателями:
- c учетом технологий изготовления;
- с учетом эффекта флюоресценции;
- с учетом формы и пространственного распределения микрогеометрических рассеивателей;
- с использованием современных поляризационных пленок, позволяющих увеличить эффективность подсветки ЖК-дисплеев.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Использование метода Монте-Карло для решения уравнения
рендеринга обеспечивает физически корректный результат моделирования
светопроводящих осветительных систем, в частности, пространственное
распределение яркости, освещенности или угловое распределение силы
света.
-
Стохастическое распределение микроструктурных рассеивающих элементов заданной плотности позволяет исключить муаровый эффект в светопроводящих осветительных системах.
-
Оригинальная методика оптимизации распределения элементов рассеивающей микроструктуры, опирающаяся на стохастические методы трассировки лучей, позволяет получить заданное пространственное распределение выходного излучения, при наличии зашумленной целевой функции.
4. Метод построения физически аккуратной модели рассеяния
поляризованного света, базирующейся на измерениях поляризационной
двунаправленной функции рассеяния фильтров повышения яркости (DBEF),
позволяет учитывать эффект от этих фильтров на этапе проектирования.
Практическая значимость
Разработанные уже в начале 90-х годов прошлого века методы дали
практическую возможность моделировать распространение света,
рассеянного в светопроводящей оптике различной степени сложности [1]. Практическая значимость этих решений была уменьшена ограничениями возможностей вычислительной техники того периода времени. Существенное увеличение производительности современных компьютеров подтвердило значимость разработанных методов и позволило осуществлять эффективный и физически аккуратный расчет сложных оптических устройств, таких как системы подсветки приборных панелей и ЖК-дисплеев.
Предложенная методика быстрого построения локально-
эквидистантного распределения микроструктурных элементов может найти
применение при проектировании осветительных систем
жидкокристаллических дисплеев и приборных панелей.
Разработанная методика автоматизированного проектирования
(оптимизации) распределения элементов рассеивающей микроструктуры с использованием комплекса программ Lumicept нашла широкое применение при проектировании светопроводящих оптических систем, в основе работы
которых лежит явление рассеяния света на поверхностных и объемных микрогеометрических рассеивателях.
Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертации были доложены на международных конференциях [11, 12, 13, 14, 15, 16] и опубликованы в рецензируемых журналах [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10], включенных в перечень ВАК. Основные результаты диссертационной работы были внедрены и широко используются в индустриальном программном комплексе Lumicept фирмы Integra Inc.
Структура и объем работы
Методика решения уравнения рендеринга
Основным и физически корректным методом решения уравнения рендеринга является метод трассировки лучей. В лучевом подходе интегрирование по сфере выполняется посредством трассировки лучей в направлении всех возможных источников излучения, и уравнение рендеринга принимает следующий вид:
В оптическом устройстве, предполагающем диффузные переотражения световых лучей, уравнение (1) перерастает в бесконечную рекурсивную сумму интегралов яркости по полной сфере. Причина такого усложнения заключается в том, что яркость, стоящая в подынтегральном выражении, сама вычисляется с помощью интеграла (1). Естественно, в общем случае, детерминистические методы не позволяют решить данное уравнение с бесконечной рекурсией. Поэтому для трассировки лучей в сложных осветительных устройствах используются методы Монте-Карло, а именно метод «русской рулетки». Особенность метода «русской рулетки» заключается в том, что он позволяет вероятностным образом корректно прервать бесконечное рекурсивное суммирование (3). Детали метода рассмотрены в следующем разделе.
Для решения уравнения рендеринга (3) применяются три основных метода стохастической трассировки лучей: прямая стохастическая трассировка лучей, обратная стохастическая трассировка лучей, двунаправленная стохастическая трассировка лучей.
Выбор метода трассировки лучей зависит от того, где наиболее эффективно осуществлять интегрирование, т.е. эффективная область интегрирования - максимальна. В свою очередь, эффективная область интегрирования определяется параметрами наблюдателя, источников света и оптическими свойствам элементов осветительного устройства. Рассмотрим методы трассировки более подробно.
Прямая стохастическая трассировка лучей моделирует распространение световых лучей от источника света до приемника излучения и физически корректно учитывает все эффекты распространения луча в оптических средах, отражения и преломление на границах раздела сред и рассеивания света (включая поляризационное рассеивание) на границах и внутри оптических материалов. Тем самым данный метод статистически воспроизводит распределение освещенности, интенсивности или яркости на приемнике излучения. Поскольку интегрирование яркости осуществляется на приемнике излучения, то этот метод наиболее эффективен в случае большого размера (пространственного и углового) приемника излучения. Если все лучи, испускаемые источниками света, имеют одну и ту же энергию (вероятность испускания луча с выбранной точки поверхности источника света в заданном направлении, пропорциональна поверхностной плотности интенсивности излучения), а преобразование луча на объектах сцены не меняет эту энергию (в этом случае событие поглощения прекращает трассировку луча), то уравнение яркости, полученное методом прямой стохастической трассировки лучей, имеет следующий вид:
Обратная стохастическая трассировка лучей моделирует процесс восприятия яркости наблюдателем. В отличие от прямой трассировки лучи, распространяемые методом обратной трассировки, не переносят никакой световой энергии, а являются спектральными фильтрами пропускания света от наблюдателя (элемента приемника излучения) до источника первичной яркости. Данный метод статистически воспроизводит видимость источников излучения с поверхности приемника. Поскольку в данном методе интегрирование осуществляется на источниках излучения, то этот метод наиболее эффективен в случае большого размера (пространственного и углового) источников излучения. Если все лучи, испускаемые приемниками излучения, имеют единичное спектральное пропускание, а преобразование луча на объектах сцены не меняет это пропускание (в этом случае событие поглощения прекращает трассировку луча), то уравнение яркости, полученное методом обратной стохастической трассировки лучей, имеет следующий вид:
Двунаправленная стохастическая трассировка — это последовательная стохастическая трассировка прямых и обратных лучей и специальная обработка сохраненных трасс. В результате обработки трасс лучей формируется четыре источника яркости: непосредственно видимая яркость источников света, т.е. яркость, сформированная трассами обратных лучей, не претерпевшими ни одного диффузного рассеивания, первичная яркость - яркость непосредственно видимых диффузных объектов (т.е. трассы обратных лучей не претерпели ни одного диффузного рассеивания), сформированная источниками света, непосредственно освещающими точку наблюдения, каустическая яркость - яркость непосредственно видимых диффузных объектов (т.е. трассы обратных лучей не претерпели ни одного диффузного рассеивания), сформированная источниками света, освещающими точку наблюдения сквозь нерассеивающие поверхности, вторичная яркость - яркость, сформированная лучами, претерпевшими диффузное рассеивание на трассах от наблюдателя или источника света до точки наблюдения.
Двунаправленная стохастическая трассировка лучей объединяет в себе все основные преимущества прямой и обратной трассировок лучей и, кроме того, позволяет найти наиболее подходящее место для интегрирования каустической и вторичной яркости. Если все лучи, испускаемые источниками света, имеют одну и ту же энергию и преобразование луча на объектах сцены не меняет эту энергию, а лучи, испускаемые приемниками излучения, имеют единичное спектральное пропускание и преобразование луча на объектах сцены не меняет это пропускание, то уравнение яркости, полученное методом двунаправленной стохастической трассировки лучей, имеет следующий вид:
Метод моделирования цветового сдвига в светодиодах с флуоресцентным слоем
Световое поле внутри микрочастицы подвержено явлению дифракции, а поле рассеяния описывается теорией Ми (взаимодействия электромагнитной волны со сферой [38]).
Таким образом, флуоресцентные свойства материала зависят от размера частиц и отличаются от свойств смеси молекул. Распространение света во флуоресцентной рассеивающей среде может быть описано как композиция волновой и лучевой теорий распространения света. В то время как рассеяние на частицах имеет волновую природу, распространение света между частицами может быть описано средствами лучевой оптики. Такое разделение позволяет использовать данную модель распространения света в рассеивающих флуоресцентных средах в программах моделирования распространения света основанных на трассировке лучей (решение уравнения переноса излучения методом Монте-Карло). В этом случае дифракция на частицах сводится к фазовой функции и сечениям рассеяния и поглощения приписанным среде в целом. Трассировщик луча оперирует только сечениями и фазовой функцией (ничего не зная о частицах как таковых).
В качестве базы для реализации эффекта флюоресценции в компьютерных расчетах был использован комплекс программ SPECTER [19]. Этот комплекс основан на физически аккуратной модели стохастической трассировки лучей. Он позволяет осуществлять моделирование и проектировать как компоненты светодиода (рефлекторы, линзы и материалы заливки светодиода) так и сложные оптические приборы, работа которых основана на светодиодных технологиях (например, различные типы приборов задней подсветки). Поэтому расширение комплекса программ SPECTER поддержкой явления флуоресцентного рассеяния выглядит совершенно естественно иллюстрирует процесс распространения стохастических лучей в прозрачной среде с рассеивающими флуоресцентными микрочастицами.
Фотоны света входят в среду с флуоресцентными рассеивающими частицами и распространяются в ней прямолинейно до тех пор, пока не рассеиваются на частицах. Преобразование луча осуществляется с вероятностью определяемой затуханием. Как и в обычных средах (без флуоресценции) луч может либо рассеяться, либо поглотиться. Такое поглощение не изменяет частоту и описывается теорией Ми. Если же луч поглощается, то с некоторой вероятностью он изотропно переизлучается с другой частотой. Это и есть флуоресценция. В противном случае луч прекращает существование (убивается). Вероятность переизлучения поглощенного луча (фотона) определяется так называемой эффективностью флюоресценции, а длина волны переизлученного фотона определяется спектром излучения флюоресценции.
Такой процесс прямолинейного распространения фотона и его рассеяния/переизлучения продолжается до тех пор, пока луч либо не будет убит, либо не выйдет из флуоресцентной среды.
Модель светодиода, используемая в моделировании В настоящей работе был исследован пример, в котором флуоресцентный слой преобразует изначально синее излучение светодиода в выходное излучение белого цвета. Светодиод моделировался как квадратный источник света с размером 1 х 1 мм с Ламбертовским угловым распределением. Спектрограмма излучения светодиода представлена на рис.1.7.2.
Флуоресцентный слой моделируется как цилиндр высотой (толщиной) 0.25 мм, и радиусом 1.25 мм, размещенный над светодиодом. Были рассмотрены два случая расположения флуоресцентного слоя над кристаллом светодиода:
Флуоресцентный слой и светодиод разделены пяти микронным воздушным зазором (Рис.1.7.3а). Соприкасающиеся поверхности флуоресцентного слоя и светодиода соединены оптическим контактом (Рис.1.7.3б). Материал флуоресцентного слоя состоит из пассивного связующего вещества (с показателем преломления 1.5) и распределенными в нем сферическим частицами диаметром 15 мкм. Частицы состоят из флуоресцентного вещества с показателем преломления 2.0.
Спектры первичного излучения светодиода, флуоресцентного излучения и коэффициента энергетического выхода флюоресценции, использованные в нашей модели, показаны на Рис.1.7.4. На этом же рисунке показана мнимая часть показателя преломления, которая определяет поглощенную энергию (часть которой затем переизлучается с изменением спектрального состава). Данное моделирование охватывает только оптическую часть. Другой областью представляющей интерес являются распространение тепловой энергии и распределение температур. В принципе, высокая температура может влиять на свойства флуоресцентного материала. И такое влияние может быть промоделировано в рамках нашей модели. Следующие шаги необходимы для того чтобы осуществить такое моделирование.
1. Сначала выполняется моделирование при некоторой постоянной температуре. Представленный метод выдает пространственное распределение излучения внутри флуоресцентного слоя. Затем, умножением на локальное поглощение, получаем локальное тепловое рассеяние, т.е. локальный источник тепла.
2. После этого выполняется обычное моделирование переноса тепла, например как описано в [40]. Кроме выделения тепла в p/n переходе светодиода, мы также добавляем указанный выше источник тепла, вызванный локальным поглощением света.
3. Затем берем неравномерные свойства флюоресцирующего вещества, определяемые полем локальных температур, вводим их в нашу оптическую модель и повторяем расчет. Затем повторяем шаг 2 и т.д.
В данной работе не представлены результаты такого моделирования, поскольку нет достоверных данными зависимости флуоресцентных свойств от температуры. Но при наличии таких данных каждый мог бы провести описанный расчет, воспользовавшись представленным методом моделирования.
Результаты моделирования Был проведен ряд расчетов для различных концентраций частиц. При отсутствии частиц (нулевая концентрация) мы видим исходный цвет светодиодного излучения (синий). Видно, что при ненулевой концентрации флюоресцирующих частиц рассеяние (и флюоресценция) распределяет свет по всему слою, поэтому, его диск полностью освещен (см. серию изображений в нижней части Рис.1.7.5а и 1.7.5б).
Гравитационный метод построения распределения
Принципиальная схема осветительной системы показана в верхней части рисунка 1. Общий габарит светопроводящей пластины составляет 42мм в длину и 52мм в ширину. Толщина пластины изменяется от 2мм (грань со светодиодами) до 1мм. Размер области наблюдения: 36мм x 48мм. Входное освещение поступает в светопроводящую пластину от четырех светодиодов, каждый из которых излучает поток 24 люмена с площадки размером 1.2мм х 2.2мм. Специально рассчитанная плотность распределения светорассеивающей микроструктуры на нижней грани светопроводящей пластины обеспечивает требуемое пространственное и угловое распределение выходного излучения. Разработанный «гравитационный» метод использовался для быстрого построения нерегулярного распределения полусферических микроэлементов заданной плотности. Целью данного расчета являлось достижение равномерного пространственного распределения яркости по всей площади выходной грани светопроводящей пластины. Допустимое отклонение от равномерности допускалось не более 3%. В качестве параметра оптимизации была использована плотность распределения элементов рассеивающей микрогеометрии по площади нижней грани светопроводящей пластины.
В результате оптимизации, занявшей 1 час расчетного времени на рабочей станции Intel Xeon, было достигнуто оптимальное соотношение между равномерностью пространственного распределения яркости (±3%) и средним значением яркости выходящего света (8105 Cd/m2). Достигнутое распределение яркости представлено на рис. 2.3.4б. Пространственное распределение рассеивающих микроэлементов, обеспечивающее полученное распределение яркости, показано на рис. 4.
Поскольку разработанный гравитационный метод построения локально-эквидистантных распределений обладает очень высокой эффективностью (для построения распределения из нескольких миллионов рассеивающих микроэлементов требуется не более 10 секунд) и качеством распределения микроэлементов, то данный метод нашел широкое применение для проектирования широкого класса осветительных систем, использующих рассеивание на микроструктуре светопроводящей пластины, в том числе для таких осветительных систем, у которых наличие эффекта муара не имеет принципиального значения. Следующий пример иллюстрирует результат проектирования осветительной системы клавиатуры приборной панели, в которой эффект муара не имеет решающего значения. Принципиальная схема осветительной системы представлена на рис. 2.3.5а. Общий габарит светопроводящей пластины составляет 45мм в длину и 50мм в ширину. Толщина пластины – 0.8мм. Размер области наблюдения: 45мм x 45мм.
Входное освещение поступает в светопроводящую пластину от четырех светодиодов, каждый из которых излучает поток 1.6 люмена с площадки размером 0.8мм х 2мм. Специально рассчитанная плотность распределения светорассеивающей микроструктуры на нижней грани светопроводящей пластины обеспечивает требуемое пространственное и угловое распределение выходного излучения. Разработанный «гравитационный» метод использовался для быстрого построения нерегулярного распределения полусферических микроэлементов заданной плотности. Целью данного расчета являлось достижение равномерного пространственного распределения яркости, но не по всей площади выходной грани светопроводящей пластины, как это было в первом примере, а только в зонах прозрачности пленки, расположенной над выходной гранью. Допустимое отклонение от равномерности яркости в прозрачных зонах допускалось не более 5%. Так же, как и в примере с равномерным распределением, в качестве параметра оптимизации была использована плотность распределения элементов рассеивающей микрогеометрии по площади нижней грани светопроводящей пластины.
В результате оптимизации, занявшей 50 минут расчетного времени на рабочей станции Intel Xeon, было достигнуто оптимальное соотношение между равномерностью пространственного распределения яркости (±5%) и средним значением яркости выходящего света (452 Cd/m2). Полученное распределение яркости представлено на рис. 2.3.5б. Пространственное распределение рассеивающих микроэлементов, обеспечивающее полученное распределение яркости, показано на рис. 2.3.5в.
Способы формирования микроструктурных рассеивающих элементов светопроводящих осветительных систем
Современные технологии позволяют производить микроэлементы для светотехнического оборудования с очень большой точностью и в больших объемах. Вернемся к рассмотрению светорассеивающих микроэлементов. Размеры микрогеометрических элементов, как правило, значительно больше длины волны и достигают десятков микрон. Необходимо рассмотреть способы формирования таких элементов, так как от этого зависит процесс проецирования при производстве криволинейных осветительных устройств. Существует четыре основных способа для производства микроэлементов: Штамповка
На рисунке 2 показаны фрагменты микрофотографии пластинки с получившимися конусами и цилиндрами. Трехмерная высокоточная микроструктура была получена методом глубокой рентгеновской литографии. Процесс литографии приводит к ухудшению поверхности пластинки. Это ухудшение может оказать влияние на светопроводящие свойства всей пластинки. В случае же конической структуры, при создании маски и поглощающего материала, его толщина снижается с увеличением радиуса. Конусные углы составляли около 80 градусов.
При штамповке возникают искажения на поверхности: когда штамп ударяет по заготовке, возникают механические волны, которые быстро застывают. Эти волнообразные искажения оказывают существенное влияние на работу микрогеометрических элементов.
Один из хороших способов изготовления заготовок для криволинейных осветительных поверхностей – фрезеровка. К данной технологии применяется ряд требований, таких как точность, поддержка чистоты поверхности и другие. Первым шагом будет фрезеровка на плоской поверхности в местах расположения микроэлементов, а вторым шагом будет придание поверхности по требуемой формы. В итоге получим криволинейную поверхность со светорассеивающими микроэлементами.
Методы проецирования микроэлементов на криволинейную поверхность Отличительной особенностью моделирования и оптимизации распределения элементов светорассеивающей микрогеометрии на искривленных поверхностях светопроводящей оптики является процедура проецирования геометрии рассеивающих элементов с плоской поверхности на заданную искривленную. Рис. 2.5.1 демонстрирует идею проецирования микроэлементов. На исходном шаге микроэлементы распределяются на плоской поверхности. Это может быть распределение любой сложности, от регулярного до произвольного, с равномерной или неравномерной плотностью, определяемой в результате автоматической или ручной оптимизации. Размер и форма элементов может также быть различной.
Расчет и оптимизации осветительной системы с микроструктурой на искривленной поверхности
Преимущество предложенного оптимизационного решения, по сравнению с другими методами оптимизации, состоит в более высокой скорости сходимости и более высоким качеством финального результата. К сожалению, в открытой печати отсутствует подробное описание подобных методов оптимизации, поэтому можно предположить, что причиной такой разницы является предоптимизационная фаза, дающая более точную оценку влияния изменения параметров на целевую функцию.
При проектировании светопроводящей панели спидометра было проведено исследование влияния формы рассеивающих элементов на выходные характеристики устройства. Расчеты проводились для рассеивателей сферической, цилиндрической и пирамидальной формы с френелевскими оптическими свойствами.
Результаты расчета представлены на рис.4.1.7. Максимальный уровень средней яркости выходного излучения 1350 кд/м2 достигнут в случае пирамидальной формы рассеивающего элемента. Однако эффективность устройства оказалась ниже, чем в случае использования микроструктурных элементов сферической формы. Дальнейшие исследования показали, что причиной такого соотношения является характер углового распределения выходного излучения. В случае элемента пирамидальной формы, имеет место локальное повышение интенсивности излучения в пределах конуса интегрирования, в то время как в случае сферических элементов диаграмма рассеяния близка к ламбертовской. Уровень средней яркости, достигнутый в случае рассеивающих элементов цилиндрической формы, оказался существенно ниже, чем в варианте с диффузными точками. Такое падение яркости вызвано перераспределением выходящего светового потока за пределы конуса интегрирования. При этом общая эффективность устройства немного увеличилась за счет того, что в отличие от диффузных точек, на поверхности этих элементов поглощение отсутствует.
В качестве примера использования разработанной методики представлены результаты расчета осветительного устройства с выпуклой светящейся поверхностью с заданным распределением яркости. Рис. 4.2.1а представляет принципиальную оптическую схему моделируемого устройства. а б Рис.4.2.1. Принципиальная схема моделируемого устройства Модель состоит из четырех основных частей: 1 - светопроводящей пластины; 2 - отражателя; 3 - четырех светодиодов расположенных вдоль граней квадратного отверстия, вырезанного в центре светопроводящей пластины; 4 - (Рис. 5б) - нижняя поверхность светопроводящей пластины состоит из нескольких криволинейных частей. Микроэлементы спроецированы на эту сложную поверхность. 5 - выходная поверхность системы разделена на две кольцевые зоны, внешнюю и внутреннюю, в которых должны быть достигнуты различные уровни яркости.
Светопроводящая пластина (рис.4.2.2) имеет сложную не осесимметричную форму. Материал пластины имеет показатель преломления Внешняя и внутренняя кольцевые зоны подсветки имеют ширину 15мм и 20мм соответственно. Каждая грань квадратного отверстия в центре пластины освещается светодиодом размером 18мм х 2мм и выходным потоком 1 люмен.
В качестве параметра оптимизации использовалось двумерное распределение плотности микроэлементов. Оптимизация стартовала с равномерного распределения микроэлементов средней плотности. На Рис. 4.2.5 представлены данные исходного шага оптимизации.
Здесь (а) - выходное двухмерное распределение яркости в формате оттенков серого; (б) - график распределения яркости вдоль центрального сечения; (в) - выходное двумерное распределение яркости в псевдоцветах;
Очевидно, что исходное распределение яркости достаточно неравномерное. Кроме того, целевая функция требует дискретного распределения яркости на внешнем и внутреннем кольцах (см. Рис. 4.2.3).
Проведенная, затем, автоматическая оптимизация позволила достичь целевое распределение яркости. На Рис. 4.2.6 представлено распределение яркости, полученное на конечном шаге оптимизации.
Финальные результаты оптимизации хорошо согласуются с целевой функцией. Распределение яркости внутри колец достаточно равномерное, также обеспечен дискретный скачек яркости между кольцами. Распределение плотности микроэлементов на криволинейной поверхности светопроводящей пластины на исходном шаге и, полученное в результате оптимизации, представлено на Рис. 4.2.7а и 4.2.7б соответственно. Характер финального распределения достаточно сложный, но вполне закономерный. Максимальная плотность микроэлементов сосредоточена в удаленных зонах внешнего кольца, во внутреннем кольце плотность дискретно снижена вследствие требуемого снижения яркости.
Моделирование освещения системы подсветки ЖК-дисплея с поляризационными DBEF пленками
Чтобы проверить правильность предложенного подхода и показать преимущества применения DBEF в системах подсветки ЖК-дисплеев рассмотрим работу двух похожих схемы узлов подсветки (с DBEF фильтром и без него). Общая схема устройства подсветки показана на рисунке 4.3.1. Для моделирования использовался программный комплекс Lumicept [19], расширенный разработанной моделью поляризационной ДФР.
Типичное устройство подсветки ЖК дисплеев содержит стандартные элементы: светопроводящую пластину с микроструктурой на нижней поверхности, светодиодную линейку, рефлекторы и пленки повышения яркости (BEF - Brightness Enhancement Films). В первой схеме простой фильтр линейной поляризации (ФЛП) производит линейно поляризованное излучение на выходе светопроводящей пластины. Во второй схеме для той же цели используется DBEF. Моделирование ЖК системы требует передовых методов расчета с поддержкой всех эффектов поляризации света.