背光照明系統(tǒng)需要將來自一個或多個光源的光進行某種轉(zhuǎn)換，在一個區(qū)域或一個固定的角度；里產(chǎn)生需要的配光分布。照明設(shè)計軟件必須能夠幾何建模，對不同類型的光源和轉(zhuǎn)換單元設(shè)定光學(xué)特性參數(shù)，而且必須能夠使用光學(xué)追跡的方法來評價光線通過模型的路徑并計算最后的光分布。光分布采用蒙特卡羅模擬來計算特定區(qū)域和/或角度的照度，亮度，或發(fā)光強度。光線從光源以隨機的位置和角度發(fā)出，通過光學(xué)系統(tǒng)追跡，并在接收面上接收。照度可以從表面接收器計算出來，強度可以從遠場接收器獲得。通過在接收器表面定義亮度計，可以計算出亮度隨空間和角度的分布。在某些情況下，分析顯示器的色度可能是很重要的。指定光源（如發(fā)光二極管）的光譜能量分布，輸出CIE坐標(biāo)值以及相關(guān)色溫（CCT），量化顯示器的色度，在顯示器上生成RGB真實光線渲染的圖形。這些分析在LightTools軟件中都可以做到。

　　背光顯示器的特點對照明分析軟件有特別的要求。正如將要說明的，背光發(fā)出的光線取決于印刷點的分布密度，或者微結(jié)構(gòu)的分布模式。對特定的微結(jié)構(gòu)陣列的建模，如果直接使用CAD模型可能會導(dǎo)致非常大的模型尺寸。LightTools軟件提供三維紋理陣列定義的功能，能夠進行準(zhǔn)確的光線追跡和渲染，由于沒有使用直接構(gòu)建的幾何模型，所以模型的體積更小，光線追跡更快。背光分析的另一個方面，包括光線在導(dǎo)光板表面的分光和散射。由于使用蒙特卡洛方法仿真照明效果，有可能必須使用大量光線追跡以獲得足夠精度的設(shè)計。最有效的方法是追跡最高能量的光線。通過使用分光概率追跡最高能量的光線路徑，并使用散射表面的目標(biāo)區(qū)域或散射角度定向散射光到“重要”的方向（如朝向顯示器的觀察者）。

　　什么是背光？

　　典型的背光由一個光源，如冷陰極熒光燈（CCFL）或發(fā)光二極管（LED），和一個長方形導(dǎo)光板。其他可用組件包括擴散板，用來提高顯示器的均勻性，以及增亮膜（BEF），用來提高了顯示器的亮度。光源通常位于導(dǎo)光板的一個側(cè)邊緣以減小顯示器的厚度。側(cè)光照明通常使用全反射（TIR）在顯示器中傳導(dǎo)光線。

　　背光設(shè)計師在LightTools軟件中有多種方法對光源建模。熒光燈光源的不同形狀（如直，L形，U形或W形，如圖2所示）可以迅速使用熒光燈創(chuàng)建工具定義。燈的反射器可以用LightTools軟件中的各種幾何原形定義，如圓柱，橢圓形槽，擠壓成型的多邊形。在CAD系統(tǒng)中定義的反射器也可以通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式（IGES,STEP,SAT和CATIA）導(dǎo)入到LightTools軟件。如果使用LED，設(shè)計人員就可以從LightTools軟件中預(yù)存的安捷倫，Lumileds，日亞，歐司朗等公司的產(chǎn)品模型中選擇期望的LED模型。一旦光線進入導(dǎo)光板的一邊，問題就變成從導(dǎo)光板中提取垂直于傳播方向的光線。

　　如圖3所示，導(dǎo)光板中最亮是靠近光源的一邊，隨著距離越遠，導(dǎo)光板中的亮度越暗。為了獲得均勻的光線輸出，光線提取效率必須隨著距離增加而增加。背光設(shè)計的主要任務(wù)之一是設(shè)計按需要改變光線提取效率的導(dǎo)光板。有兩種提取技術(shù)可以使用。網(wǎng)點印刷光線提取技術(shù)是在導(dǎo)光板的底部印刷點陣結(jié)構(gòu)將光向上散射，從導(dǎo)光板表面射出。第二種技術(shù)，模壓成型光線提取技術(shù)，依靠底部表面微觀結(jié)構(gòu)的全反射（TIR），使光從導(dǎo)光板表面射出。

　　LightTools軟件提供背光設(shè)計工具實現(xiàn)導(dǎo)光板的設(shè)計。此工具（圖4）協(xié)助用戶創(chuàng)建背光的各種組件。其他選項包括向模型添加光源/反射器組件，BEF建模，建立一個接收器來分析亮度。背光工具的界面是多個標(biāo)簽，用來設(shè)置和修改各種不同類型的光線提取機制。

　　對于使用網(wǎng)點印刷光線提取方法的背光，背光工具可以設(shè)置印刷點的大小尺寸和長寬比的線性變化，以及網(wǎng)點間距沿著導(dǎo)光板長度方向的線性變化。這種線性變化的結(jié)構(gòu)對顯示均勻性往往是一個良好的起點，但并不足以滿足最終的均勻性要求。進一步控制均勻性可以使用非線性變化的光線提取參數(shù)。一種使用最少參數(shù)而且控制非常靈活的方法是定義二次貝塞爾曲線的參數(shù)變量。LightTools軟件的二維區(qū)域工具可用來設(shè)置非線性結(jié)構(gòu)。圖5顯示了一個使用印刷提取的例子，其中3個參數(shù)（印刷點寬度，高度和垂直間距）的變化來獲得不同的提取行為。輸出均勻性如圖6所示。其中右圖顯示平均輸出亮度是一個常數(shù)。

　　第二種提取方法，模壓成型提取技術(shù)，使用了LightTools軟件的三維紋理功能，這使得對重復(fù)結(jié)構(gòu)的光線追跡非常有效，存儲信息非常緊湊。非三維紋理功能創(chuàng)建的模型，其光線追跡比用三維紋理創(chuàng)建的模型要慢30多倍，文件要大100多倍。三維紋理有三種基本形狀可供選擇：球形，棱形，和金字塔形（圖7）。背光工具可以定義線性可變的微結(jié)構(gòu)。但是三維紋理工具可以使用二次貝塞爾曲線非線性地改變紋理參數(shù)。圖8所示的例子是一個槽形微結(jié)構(gòu)（使用棱形3D紋理建模）作為提取機理。由此產(chǎn)生的導(dǎo)光板，及其仿真結(jié)果如圖9所示。

　　背光的光學(xué)計算

　　背光顯示屏最重要的兩個光學(xué)量是導(dǎo)光板上表面的顯示亮度和照度均勻性。計算發(fā)光強度和各種色度量（CIE坐標(biāo)和相關(guān)色溫CCT）也是重要的。LightTools軟件內(nèi)置了這些計算功能和許多其他功能，以幫助理解蒙特卡洛仿真生成的數(shù)據(jù)。

　　蒙特卡羅仿真是LightTools軟件計算照度的基礎(chǔ)。隨機數(shù)生成器用來選擇光線開始位置，方向和波長，用于取樣在接收面的光線分布。“隨機”數(shù)字的選擇會大大影響仿真的收斂。使用低差異（Sobol）數(shù)字序列（它不是完全隨機的），可以將錯誤減少到1/N，其中N是光線在接收端的數(shù)量。可以看到采用隨機數(shù)字序列（圖10）和Sobol數(shù)字序列（圖11）計算色度的比較結(jié)果。在這個例子中，采用隨機128,000條光線的仿真結(jié)果相當(dāng)于Sobol的16,000條光線的準(zhǔn)確性。重要的是比較不同軟件的仿真收斂速度，我們關(guān)心的是達到某種仿真精度的速度，而不是追跡一定數(shù)量光線的速度。在LightTools軟件中，接收器是用來收集光線數(shù)據(jù)計算照度的。

　　進行分析和顯示的光線數(shù)據(jù)是從數(shù)據(jù)網(wǎng)格收集來的。用戶可以交互控制數(shù)據(jù)網(wǎng)格的尺寸或數(shù)量。對于接收器上給定的光線數(shù)量，網(wǎng)格數(shù)越少，空間和角度分辨率就越低，但是相對精度越高（低出錯率）。相反，網(wǎng)格數(shù)越多，空間和角度分辨率就越高，但是精度越低（高出錯率）。估計的出錯率顯示在每個網(wǎng)格上，以幫助用戶決定是否使用了足夠的光線進行追跡仿真，以同時滿足設(shè)計要求的分辨率和精度（Cassarly,W.J.,Fest,E.C.,andJenkins,D.G.,2002）。如果需要更多的光線，用戶可以交互的繼續(xù)進行模擬，直到達到目標(biāo)。

　　背光分析的一個重要方面是導(dǎo)光板表面的分光和散射。導(dǎo)光板的作用是光線能在內(nèi)表面多次反射后被吸收或射出。如果光線在每個接觸面都分光成透射和反射兩部分，將造成非常大數(shù)量的分光光線，其中大多數(shù)并不攜帶多少能量，從而減慢了分析速度。這方面的一個例子如圖12所示，顯示了一條開始光線，由于分光造成的很多路徑。

　　下面的仿真使用2000條入射光線，由于分光，接收器收集到277948條光線（圖13）。由于到達接收器的光線大多沒有多少能量，結(jié)果誤差為42％。相反，如果使用菲涅耳損耗系數(shù)和表面散射特性來決定光線的透射和反射的可能性，來評估光程路徑的可能性，光線追跡的大部分時間將用于跟蹤系統(tǒng)中的能量，從而加快分析。一個200,000入射光線的模擬結(jié)果如圖14所示。在這種情況下，118969條光線到達接收器，計算誤差為6％。使用概率模式光線追跡，減少了7倍的計算錯誤，同時減少了42％的計算時間。

　　相反，如果使用菲涅耳損耗系數(shù)和表面散射特性來決定光線的透射和反射的可能性，來評估光程路徑的可能性，光線追跡的大部分時間將用于跟蹤系統(tǒng)中的能量，從而加快分析。一個200,000入射光線的模擬結(jié)果如圖14所示。在這種情況下，118969條光線到達接收器，計算誤差為6％。使用概率模式光線追跡，減少了7倍的計算錯誤，同時減少了42％的計算時間。

　　最后，為了改善顯示的均勻性，有時在導(dǎo)光板頂面使用擴散板。由于擴散板將光擴散到更廣的角度上，散射到亮度計光圈的光就少了，而按照常規(guī)顯示器亮度測試方法，需要非常大的光線數(shù)量作亮度計算。LightTools軟件將目標(biāo)區(qū)域或角度與散射表面對應(yīng)，使用戶可以指定哪些散射應(yīng)該考慮。這是一個重要的采樣形式，也是改進蒙特卡洛模擬收斂性的另外一種方法。圖15顯示了一個亮度計，和帶有擴散板的背光，沒有指定目標(biāo)角度。追跡2000條光線，亮度計接收到40條光線，空間亮度的光柵如圖所示。

　　如圖16顯示了相同的例子，但是按重要值采樣，在擴散板上指定了目標(biāo)角度。目標(biāo)角度匹配亮度計光圈的接受角度。當(dāng)光線到達擴散板，LightTools軟件將產(chǎn)生散射光（基于擴散模型的角分布推算的進入目標(biāo)區(qū)域的光通量）進入目標(biāo)角度，使亮度計收集的所有散射的光，從而改善了仿真的收斂。在這種情況下，2000條入射光線，1416條光線（71％）被亮度計接收。

　　其他考慮

　　背光廣泛用于液晶顯示器（LCD），這是一種偏振組件。給偏振組件建模，如線性偏振，四分之一波長片，極化光跟蹤評估等是成功分析至關(guān)重要的因素。LightTools軟件提供了簡單的線性偏振和阻滯模型，以及偏振組件的Jones-Mueller矩陣規(guī)范。用戶可以在需要時使用極化光線追蹤功能，根據(jù)Stocks向量跟蹤光的偏振態(tài)。

　　經(jīng)常在組件上有各種不同透明度，反射系數(shù)和偏振特性的光學(xué)涂層。涂層在LightTools軟件中是根據(jù)其性能來定義的，這往往是用戶唯一所知的信息。反射和透射的平均或單獨S或P值可以由下列任何兩個參數(shù)指定：發(fā)生角度，波長，X位置，或Y位置。系統(tǒng)提供了將涂覆疊層轉(zhuǎn)換成LightTools軟件涂層格式的工具。

　　雖然大多數(shù)背光使用網(wǎng)點印刷或模壓成型光線提取技術(shù)，其他方法也是可能的。一種是利用導(dǎo)光板中的粒子散射。如果粒子的大小和密度控制適當(dāng)，從粒子的Mie散射可有效地從導(dǎo)光板中提取光線（Tagaya,etal.，2001:6274）。LightTools軟件可以根據(jù)Mie理論批量仿真球形粒子的散射，或根據(jù)用戶定義的角度分布仿真散射。

　　導(dǎo)出完整的光學(xué)設(shè)計到CAD系統(tǒng)，往往是制造導(dǎo)光板的必要步驟，LightTools軟件支持標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)換如STEP,SAT,orIGES來完成。由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)僅支持外部幾何數(shù)據(jù)，在模壓成型設(shè)計提取的案件中，需要將三維紋理定義的造型轉(zhuǎn)化為外部的幾何數(shù)據(jù)輸出。LightTools軟件支持標(biāo)準(zhǔn)格式，可以有選擇的將三維紋理轉(zhuǎn)換成外部的幾何數(shù)據(jù)，這樣在轉(zhuǎn)換文件中就包括了整個背光設(shè)計。

　　小結(jié)

　　背光設(shè)計技術(shù)一直在不斷的進步和發(fā)展，以適市場的需求提供更好的性能和更低的成本。這種革新需要照明設(shè)計軟件不斷地增加新功能，尤其是對縮短背光設(shè)計周期的支持。LightTools軟件的主要功能如模型創(chuàng)建和文件的大小，光線追跡和模擬時間，計算大量背光設(shè)計相關(guān)的光學(xué)參數(shù)的功能，均獲得了業(yè)界的認可和驗證。

　　2004年發(fā)布的LightTools軟件5.0版包括了噪聲冗余的照度優(yōu)化，這個在背光設(shè)計中非常實用。該功能可以自動定義光提取模板，達到最大化效率和均勻性。另外，LightTools軟件的背光模板優(yōu)化工具提供了針對背光和光導(dǎo)的輸出分布優(yōu)化的有效方法。