автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Проектирование светопроводящих осветительных систем с рассеивающими микроструктурами

На правах рукописи

Потемин Игорь Станиславович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЕТОПРОВОДЯЩИХ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С РАССЕИВАЮЩИМИ МИКРОСТРУКТУРАМИ

Специальность 05.11.07 - оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 ОКТ 2015

Санкт-Петербург - 2015 год

005563587

005563587

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина), кафедра лазерных измерительных и навигационных систем.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент

Венедиктов Владимир Юрьевич

Официальные оппоненты: Князьков Анатолий Викторович

доктор физико-математических наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Петра Великого;

Филатов Антон Александрович

кандидат технических наук, ООО Научно-Производственное Предприятие Волоконно-Оптического и Лазерного Оборудования (НПП ВОЛО), начальник лаборатории оптотехники.

Ведущая организация: Московский государственный технический

университет им. Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Защита состоится 08 декабря 2015 г. в 15ч. ЗОмин. на заседании диссертационного совета Д 212.238.08 в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, улица Профессора Попова, дом 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЭТУ и на сайте http://! ibrarv. el tech ,ги/ в разделе «Подготовка кадров высшей квалификации. Объявления о защитах».

Автореферат разослан «07» октября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.238.08, кандидат технических наук Е.А.Смирнов

Общая характеристика работы

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. Достаточньм 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, BOJIO), 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

1. Анализ методов трассировки лучей и разработка методики решения уравнения рендеринга, обеспечивающей физически корректный результат моделирования светопроводящих осветительных систем, с использованием метода Монте-Карло;

2. Разработка методики оптимизации распределения элементов рассеивающей микроструктуры, позволяющей получить заданное пространственное распределение выходного излучения;

3. Разработка метода построения локально-эквидистантного распределения микроструктурных рассеивающих элементов заданной плотности, позволяющего исключить муаровый эффект, в светопроводящих осветительных системах;

4. 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;

5. 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;

6. Разработка метода построения физически аккуратной модели поляризационных фильтров повышения яркости (ОВЕР) и восстановления светорассеивающих характеристик поляризационной пленки на базе прямых измерений;

7. Расчет светопроводящей осветительной системы автомобильного спидометра, подсветки и ЖК-дисплея с поляризационными БВЕР пленками.

Научная новизна работы

Предложены новые эффективные методы проектирования энергосберегающих осветительных систем с объемными и поверхностными микрогеометрическими рассеивателями:

- - с 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.

2. Стохастическое распределение микроструктурных рассеивающих элементов заданной плотности позволяет исключить муаровый эффект в светопроводящих осветительных системах.

3. 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 (БВЕР), 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 Ьшшсер! 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

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (87 наименований), изложенных на 130 страницах и содержит 65 рисунков.

Краткое содержание работы

Во введении приводится обоснование актуальности работы, определены цели и задачи выполненного исследования, приведены положения, раскрывающие его научную новизну и практическую ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются общие принципы расчета светопроводящих осветительных систем. Описан принцип работы и методы трассировки лучей в таких системах. Предложены алгоритмические решения использования метода "русской рулетки" в задачах моделирования фотометрических величин [2]. Установлено, что использование метода Монте-Карло для решения уравнения рендеринга обеспечивает физически корректный результат моделирования светопроводящих осветительных систем.

Принцип работы светопроводящих осветительных систем включает три последовательных этапа: ввод света от источника излучения в светопроводящее устройство; распространение света в светопроводящем устройстве, благодаря эффекту полного внутреннего отражения, и вывод света из светопроводящего устройства с помощью светорассеивающей микроструктуры. Результатом расчета такого типа осветительных систем является распределение яркости или освещенности в заданных областях системы, например, яркости экрана дисплея (рис. 1.1).

Поскольку в осветительных системах используется некогерентное освещение и размеры элементов рассеивающих структур, как правило, значительно больше длины волны видимого излучения, то такие явления как интерференция и дифракция не оказывают практического эффекта на результирующее распределение яркости. Поэтому, для вычисления яркости

Рис.1.1. Принцип работы светопроводящей осветительной системы с торцевой подсветкой можно применить уравнение рендеринга, имеющее следующий вид:

V ^ 4л- У

где:

10(р,у,с) - собственная яркость объекта в точке наблюдения р , направлении наблюдения V и для компоненты цвета с;

т(р,у,с) — пропускание (прозрачность) среды между наблюдателем и точкой наблюдения;

ДО/)/7 с) — двунаправленная функция рассеивания (ДФР)

поверхности от источника освещения по направлению V и в направлении V

на наблюдателя, определяемая как

йЕ[рУ,с)

- яркость внешнего освещения в телесном угле направленная в точку наблюдения;

л - локальная нормаль в точке наблюдения.

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.

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, используемые в классической линзовой оптике, 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.

Для моделирования светопроводящих систем, как правило, применяется метод прямой стохастической трассировки лучей. 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, отражение и преломление на границах раздела сред и рассеивание 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.

Трассировка лучей методом «русской рулетки» базируется на следующих основных положениях:

Источники света, независимо от их спектрального состава, испускают лучи («фотоны») единичной энергии.

• В процессе распространения луча в оптической системе его энергия, независимо от изменения его спектрального состава, остается неизменной (в оптической системе всегда распространяется только один луч).

• Как следствие, при взаимодействии луча с объектами оптической системы, предполагающими множественный способ преобразования луча (одновременно отражение, преломление, рассеивание и поглощение), выбирается единственный способ его преобразования и единственные направление, координаты и спектральный состав луча.

Схематично трассировка луча состоит из трех основных элементов: испускание луча источником света, распространение луча в оптической системе и регистрация луча на приемнике излучения. Испускание луча источником света и преобразование луча на объектах оптической системы носят вероятностный характер. Метод «русской рулетки» предполагает однообразное решение для всех вероятностных событий. Во-первых, в случае многовариантного события выбирается единственное из возможных событий. Например, если оптическая система содержит более одного источника света, то необходимо выбрать конкретный источник света, который будет испускать луч; или, если оптическая поверхность предполагает более одного способа преобразования луча, например, зеркальное отражение/преломление, диффузное отражение/преломление, поглощение, то необходимо выбрать

единственный способ преобразования луча на поверхности. Рис. 1.2 демонстрирует процесс выбора события для случая преобразования луча на поверхности.

В соответствии с частными вероятностями событий строится функция интегральной вероятности выбора одного из событий. Затем генерируется псевдослучайное число равномерно распределенное в области функции интегральной вероятности, и определяется интервал функции (равный номеру выбираемого события), куда попадает С.

Г*Е\ета - ]) Ц — ^ЕуетО)

события

Рис.1.2. Выбор варианта преобразования света на поверхности среди множества возможных событий. Кс1 - коэффициент диффузного отражения, КЫ - коэффициент диффузного пропускания, Кб - коэффициент зеркального отражения, № - коэффициент зеркального пропускания.

На втором этапе реализуется собственно событие. В зависимости от типа события его реализация может быть как детерминистической (преломление света на поверхности), так и вероятностной.

По окончании расчета производится нормировка результата на количество трассированных лучей и общий поток всех источников света оптической системы. Кроме того, производится оценка точности выполненного расчета [8].

Во второй главе анализируются особенности распределения светорассеивающих микроэлементов и способы создания нерегулярных распределений на поверхности светопроводящих осветительных систем. Предложен быстрый метод построения локально-эквидистантных распределений микрогеометрических рассеивателей осветительных систем [3]. Установлено, что стохастическое распределение микроструктурных

рассеивающих элементов заданной плотности позволяет исключить муаровый эффект в светопроводящих осветительных системах.

Как правило, выходная и рассеивающая поверхности осветительного устройства находятся в непосредственной близости, поэтому характер распределения поверхностной яркости повторяет характер распределения микроэлементов. В результате, наличие муара на рассеивающей поверхности, вызванного регулярностью распределения микроэлементов, приводит к возникновению муара на выходной поверхности светопроводящего устройства и ухудшает общее качество восприятия освещаемого объекта. Рис. 2.1 демонстрирует муаровый эффект, который возникает на экране жидкокристаллического дисплея при использовании регулярного распределения микроэлементов. Левая часть рисунка иллюстрирует эффект муара на светопроводящей пластине, когда отдельные микроэлементы неразличимы, а правая часть - это увеличенное изображение выделенной области микроструктуры, в котором видны отдельные микроэлементы, расположенные регулярным образом.

Одним из возможных способов устранения эффекта муара является формирование локально-эквидистантных распределений, в которых локальные свойства рассеивания достигаются за счет вариации локальной плотности повторяющихся рассеивающих микроэлементов, а периодичность распределения подавляется локальной микровариацией координат рассеивающих микроэлементов.

Для построения локально-эквидистантного распределения в данной работе предлагается использовать так называемый «гравитационный» подход. Суть метода состоит в следующем. В прямоугольную область один за другим «бросаются» объекты, которые, двигаясь вниз под действием силы тяжести, опускаются к точке равновесия.

Рис.2.1. Эффект муара на регулярном распределении

В случае одинаковых размеров объектов описанный подход формирует максимальную плотность распределения в виде гексагональной решетки. Однако, целью данного метода является не построение равномерного распределения объектов. Для построения распределения заданной плотности вводится понятие эффективного объекта. Эффективный объект - это объект, форма которого повторяет форму исходного объекта, а его площадь пропорциональна локальной плотности распределения.

Для придания более «стохастического» характера распределения объектов, их положение случайным образом варьируется внутри объемлющей эффективной оболочки. Рисунок 2.2а иллюстрирует этот процесс, а рис. 2.26 - качество полученного распределения.

Рис. 2.2. Вид финального распределения со случайной вариацией положения объектов: (а) случайная вариация внутри эффективной оболочки, (б) качество финального распределения, полученного гравитационным методом

Основным достоинством данного решения является высокое качество (эффект муара отсутствует) и эффективность формирования распределения. Все эти преимущества позволили применить данный алгоритм в программе автоматического проектирования систем подсветки жидкокристаллических дисплеев.

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.

Методы проецирования могут быть различными и определяются, как особенностями системы, в которой они используются, так и возможностями технологии производства. Рис 2.4 иллюстрирует наиболее оптимальную методику проецирования. Данный тип проецирования поддерживает два важных условия:

1. Сохранение исходной дистанции между микроэлементами: с!| = с1ш,;

2. Сохранение исходного размера микроэлементов: = в1",

Этот метод проекции наиболее удобен в моделировании и оптимизации и является наиболее используемым.

й, ' Чм

Рис.2.4. Оптимальное проецирование

Рис.2.5. Произвольная ориентация микроэлементов

При проецировании микроэлементов важным параметром является ориентация микроэлементов. Разработанная методика позволяет моделировать произвольную ориентацию микроэлементов, включая наиболее распространенные, показанные на Рис. 2.5.

Разработана эффективная методика оптимизации распределения элементов рассеивающей микроструктуры [5], позволяющая получить заданное пространственное распределение выходного излучения. Методика позволяет находить оптимальную конфигурацию схемы освещения, включая монтажный корпус.

Главной особенностью стохастических методов расчета является наличие белого шума в результирующем распределении. Для снижения уровня шума требуется увеличить число вычислений, а соответственно увеличить количество затраченного на расчеты времени. На современных высокопроизводительных компьютерах допустимый уровень шума может быть достигнут в течение нескольких часов. Это делает почти невозможной оценку влияния параметров микроструктуры (количество которых может составлять тысячи или даже миллионы) на финальное распределение яркости. Поэтому обычные методы оптимизации в данном случае практически бесполезны. С другой стороны, влияние параметров микроструктуры обычно является локальной, то есть определенный элемент оказывает влияние только на небольшую зону выходной поверхности дисплея. Кроме того, мы можем значительно уменьшить количество параметров оптимизации путем объединения элементов в группы с одинаковыми значениями параметра, например, с размером микронеровности. Это обстоятельство имеет ряд особенностей, позволяющих ускорить расчет и повысить его качество для различного рода узлов задней подсветки.

Оптимизация состоит из двух фаз: предварительный расчет и собственно оптимизация. В отличие от традиционных систем оптимизации, рассматриваются три допущения: во-первых, мы предполагаем, что расчетная зона разбивается на конечное число подзон с постоянными значениями параметров оптимизации микроструктуры (более сильное разбиение дает лучший результат, но и более продолжительное время расчета); во-вторых, мы рассматриваем только зоны влияния нулевого порядка (области узла задней подсветки, находящиеся непосредственно над рассчитываемой ячейкой); в-третьих, в описываемом процессе оптимизации есть специальная предварительная фаза (в отличие от традиционного процесса автоматизированного проектирования). Во время предварительной фазы анализируется очень ограниченное число зон, чтобы определить функцию влияния. И только после этого начинается основной этап оптимизационного расчета. Процедура оценки коэффициентов влияния на предварительной фазе не слишком затратна как по времени, так и по машинным ресурсам и гораздо более эффективна, чем выполнение этой же операции во время основного процесса оптимизации. Контрольные зоны выбираются исходя из симметричности прибора и характеристик источника света. Предварительная фаза начинается с расчета реакции выбранных областей на изменение

параметров микроструктуры. Для этого, проверочные источники света размещаются вокруг зоны, освещая ее с различной интенсивностью и, таким образом, определяется функция влияния для контрольных зон. Значение функций влияния для других зон интерполируется. Схема типичного светодиодного экрана ноутбука с контрольными зонами представлена на рис.2.7.2.

оптимизируемая

Исследуемая зона Тестовые источники света

Рис. 2.7.2. Схема светодиодного дисплея с контрольными зонами

Из-за нелинейности системы и исходных предположений, а также того факта, что в реальных системах параметры каждой зоны влияют на яркость в соседних зонах дисплея, требуется несколько итераций. Разработанная методика была реализована в программном модуле автоматизированного проектирования, который, в свою очередь, был интегрирован в комплекс программ SPECTER. Такая интеграция очень полезна, поскольку это позволяет использовать все особенности комплекса программ SPECTER, таких как импорт конструкции узла задней подсветки, определенный в CAD формате, использование библиотек светодиодов (или других источников света), оптические свойства материалов и т.д. Все эти особенности делают результат оптимизации применимым для производства приборов торцевой подсветки.

В третьей главе представлен метод построения физически аккуратной модели специальных поляризационных пленок (DBEF - Dual Brightness Enhancement Film), позволяющих существенно поднять уровень яркости излучения в светопроводящих осветительных системах ЖК дисплеев [4]. Такая пленка практически не имеет поглощения. Вместо поглощения света, поляризация которого отличается от поляризации пропускания, эта пленка его отражает. В результате свет с состоянием поляризации не совпадающим с пропусканием DBEF возвращается в систему подсветки, и продолжает распространение в узле задней подсветки.

Основная проблема построения физически аккуратной вычислительной модели устройства задней подсветки - это очень сложная модель DBEF. Такая пленка не только поляризует свет, но также и рассеивает пропущенный и отраженный свет. Такое поведение DBEF фильтра удобно для выхода ЖК-дисплея, который, как правило, должен обеспечивать излучение в широком

угле зрения, но приводит к усложнению модели ОВЕР. Более того, производители скрывают внутреннюю структуру пленки, что делает практически невозможным разработку аккуратной математической модели. Поэтому, возможное решение заключается в построении полу-эмпирической модели рассеяния поляризованного света, базирующейся на измерениях поляризационной двунаправленной функции рассеяния (ДФР) ОВЕР фильтра.

Применяя различные поляризационные фильтры (линейной поляризации, круговой поляризации или без фильтров вообще) в каналах освещения и наблюдения можно выполнить 16 независимых измерений образца яркости и полностью реконструировать поляризационную ДФР. Проведенное исследование показало, что поляризация света рассеянного образцом ОВЕР фильтра имеет линейный характер. Данное обстоятельство позволило сократить число используемых измерений до четырех самостоятельных, проведенных при различных ориентациях линейного поляризационного фильтра только в канале освещения. В результате для ДФР фильтра получено следующее выражение:

ВБОР = -

(т +г тач тт со8(2<5)(гтт -ттш) 5т(28){ттт-ттт) 0 4

1 Г — Т тт тах сов(25)(ттт +гтах) $т{28)(тт,п+ттах) 0

2 0 -2ып(2 2СОБ(2 0

, 0 0 0

(2)

Параметры матрицы тт1п , гт„ и 8 вычисляются на основании измерений ДФР, сделанных для четырех ориентаций (0 90 45 ° и 135 °) линейного поляризационного фильтра в канале освещения. Следующая зависимость измеренных скалярных величин коэффициента яркости позволяет реконструировать коэффициенты гт|п, гтах и 8 :

(гтш + гтач) = +

(г

„)=~ У + - У

(3)

8 = — агссов

2

8 = — агсэт 2

ВЙЖ - ЙЯЖ„

- В5Щ, )2 + (ВБИГ^ - ЯЖ/^ )2

уЛыБЁ^ - ЯЖ^У + (ДХО^ - ЯЖ/^)2

-у

где 55DFo, ВЗиГ45, ВБОГ^ц и ВБОГ/з} это ДФР измеренные с фильтрами линейной поляризации в канале освещения, с ориентаций 0 90 45 ° и 135 ° по отношению к плоскости поляризации ОВЕР соответственно.

В работе представлен метод, позволяющий восстановить светорассеивающие характеристики таких поляризационных пленок на базе прямых измерений. Для измерения образца ОВЕР фильтра требуется

провести множество измерений коэффициентов яркости. Количество необходимых измерений при,мерно на два порядка больше, чем количество измерений, необходимых для изотропного образца. Поэтому, поляризационные измерения образца DBEF фильтра выполнялись с использованием передовой технологической базы - Integra's Spectral Scatterometer [9], разработанной с участием автора. Главное преимущество этой установки заключается в том, что она позволяет провести измерения полного ДФР для одного направления освещения и одного состояния поляризации падающего света за один шаг, что на порядок ускоряет процесс измерения.

С помощью выражений (2-3), все измеренные значения ДФР образца DBEF фильтра были пересчитаны в поляризационные ДФР этого образца. Чтобы проверить правильность измерений и реконструкции поляризационной ДФР проведен ряд измерений яркости образца DBEF при освещении его естественным светом, и светом с различным состоянием поляризации и сравнение измеренных значений с рассчитанными по реконструированной поляризационной ДФР.

Результаты измерений образцов DBEF и результаты расчета распространения света в компьютерной модели DBEF показывают хороший уровень совпадения расчетных данных с измеренными величинами. RMS относительных отклонений между моделируемыми и измеренными результатами составляют 4,6% для отражения света и 7,7% для пропускания.

Непрозрачная зона Прозрачная зона

Кольцеобразная пластина с рассеивающей микроструктурой

Светящаяся сторона ">• панели

Фиксаторы

1й элемент

В четвертой главе приводятся результаты использования разработанных методов расчета для проектирования светопроводящих осветительных систем различного назначения, в частности, устройства торцевой подсветки шкалы автомобильного спидометра с микроструктурой на плоской поверхности, узла освещения приборной панели с микроструктурой на искривленной поверхности и подсветки жидкокристаллического дисплея с использованием ОВЕР фильтров.

Схема освещения автомобильно спидометра представлена на рис. 4.1.

Рис.4.1. Схема панели спидометра

Система освещается двумя светодиодами. Свет от источников входит в светопроводящую пластину, распространяется в ней и выходит из нее, благодаря рассеянию на микроэлементах. Дисплей спидометра имеет сложный контур и требует высокий уровень равномерности распределения яркости для обеспечения хорошей видимости прибора при различных условиях окружающего освещения. В данном случае оптимизировалась плотность распределения рассеивающих элементов. Целью оптимизации являлось достижение равномерного распределения яркости (допустимые отклонения не должны превышать 10%) по всей освещенной площади и увеличение средней яркости спидометра. На Рис.4.2а показано исходное распределение плотности микроэлементов. На Рис.4.26 представлено распределение яркости, рассчитанное для исходного распределения плотности.

Распределение яркости на панели спидометра становится равномерной (Рис.4.36) уже после семи шагов оптимизации (расчетное время 1.5 часа на рабочей станции Intel Xeon). При этом не только равномерность, но и общая эффективность системы улучшается. Причина такого улучшения видна из Рис.4.За: финальное распределение микронеровностей соответствует прозрачной зоне спидометра. Это значит, что освещение максимально сконцентрировано на шкале и цифрах спидометра, что, в свою очередь, позволило поднять среднюю яркость спидометра примерно в 2 раза.

б)

Рис. 4.2. Распределение плотности микронеровностей (а) и яркости (6) на исходном шаге оптимизации

б)

Рис. 4.3. Оптимальное распределение плотности микронеровностей (а) и яркости (6) на финальном шаге

Рис.4.4 показывает сходимость процесса оптимизации. Видно, что хороший результат достигается после четвертого шага оптимизации, тогда

как после седьмого шага требуемое качество достигнуто, и последующие шаги уже не приводят к улучшению результата.

012Э45€78 Номер шага оптимизации

Рис.4.4. Сходимость процесса оптимизации панели спидометра

В заключении формулируются основные результаты работы, которые состоят в следующем:

1. Выполнен анализ методов трассировки лучей и разработана методика решения уравнения рендеринга, обеспечивающая физически корректный результат моделирования светопроводящих осветительных систем, с использованием метода Монте-Карло.

2. Разработана эффективная методика оптимизации распределения элементов рассеивающей микроструктуры, позволяющая получить заданное пространственное распределение выходного излучения.

3. Разработан метод построения локально-эквидистантного распределения микроструктурных рассеивающих элементов заданной плотности, позволяющий исключить муаровый эффект в светопроводящих осветительных системах.

4. Разработан метод проецирования микроструктурных рассеивающих элементов на криволинейную поверхность, обеспечивающий как сохранение формы, размеров и положения микроэлементов, так и взаимно-однозначное преобразование между координатами на плоскости и криволинейной поверхности.

5. Разработан метод, позволяющий учитывать технологический микрорельеф на элементах рассеивающей микроструктуры.

6. Разработан метод построения физически аккуратной модели поляризационных фильтров двойного повышения яркости (ОВЕР) и

восстановления светорассеивающих характеристик поляризационной пленки на базе прямых измерений.

7. Произведен расчет осветительных систем торцевой подсветки шкалы спидометра (с микроструктурой на плоской и искривленной поверхностях) и ЖК-дисплея с поляризационными DBEF пленками.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В журналах из перечня ВАК и иностранных журналов, включенных в международные базы цитирования

1. Gan, Michael A.; Zhdanov, Dmitriy D.; Novoselskiy, Vadim V. Ustinov, Sergey I.; Fedorov, Alexander O.; Potyemin, Igor S. DEMOS: state-of-the-art application software for design, evaluation, and modeling of optical systems // Optical Engineering, April 1992, Vol. 31(04), pp.696-700, 1992.

2. Д.Д. Жданов, A.A. Гарбуль, B.A. Майоров, И.С. Потемин, В.Г. Соколов. Недетерминированная трассировка лучей в задачах анализа светорассеивания и проектирования осветительных систем // Оптический журнал, Т. 81, № 6,2014, с.27-33.

3. В.Ю. Венедиктов, В.А. Галактионов, Д.Д. Жданов, А.Д. Жданов; И.С. Потемин. Быстрый метод построения локально-эквидистантных распределений микрогеометрических рассеивателей осветительных систем. //Оптика и спектроскопия, т. 119, № 2, с. 329-336,2015.

4. Dmitry D. Zhdanov, Vadim G. Sokolov, Igor S. Potemin, Alexey G. Voloboy, Vladimir A. Galaktionov, and Nikolay Kirilov. Modeling and Computer Design of Liquid Crystal Display Backlight with Light Polarization Film // Optical Review, vol. 21, no.5,2014, p.642-650.

5. D.Zhdanov, A. Garbul, V. Mayorov, V. Sokolov, I.Potemin, T.Hyodo, A.Voloboy, V.Galaktionov. Automatic Design of Illumination Systems // Optical Review, vol. 20, no.2,2013, p.155-159.

6. Dmitry Zhdanov, Sergey Ershov, Sergey Pozdnyakov, Igor Potemin, Takashi Hyodo , Alexey Voloboy, Vladimir Galaktionov. Simulation of Color Shift in Fluorescent LED Cap // Optical Review, vol. 20, no.2,2013, p.132-136.

7. Д.Д.Жданов, И.С.Потемин, В.А.Галактионов, Б.Х.Барладян, К.А.Востряков, Л.З.Шапиро. Спектральная трассировка лучей в задачах построения фотореалистичных изображений // "Программирование", № 5, 2011, с. 13-26.

8. А.Г. Водобой, В.А. Галактионов, С.В. Ершов, Д.Д. Жданов, И.С. Потемин, Л.З. Шапиро. Анализ точности компьютерного моделирования освещения сложных сцен // "Информационные технологии в проектировании и производстве", № 2,2010, с. 83-94

9. Волобой А.Г., Галактионов В.А., Ершов С.В., Летунов А.А., Потемин И.С. Аппаратно-программный комплекс для измерения светорассеивающих свойств поверхностей // "Информационные технологии и вычислительные системы", № 4,2006, с.24-39.

10. Д.Д. Жданов, А.А. Гарбуль, И.С. Потемин, А.Г. Волобой, В.А. Галактионов, С.В. Ершов, В.Г. Соколов. Фотореалистичная модель объемного рассеивания в задаче двунаправленной стохастической трассировки лучей // Программирование, т.41, №5,2015, с.295-301.

В сборниках трудов международных конференций

11. Жданов Д.Д., Жданов А.Д., Потемин НС. Быстрый метод построения локально-эквидистантных распределений микрогеометрических объектов осветительных систем // Труды XI Международной конференции "Прикладная оптика 2014", Санкт-Петербург, 21-24 октября 2014, Т.2, с.92-96.

12. Гарбуль А.А., Жданов Д.Д., Потемин И.С., Соколов В.Г. Применение методов двунаправленной стохастической трассировки лучей для задач анализа рассеянного света и проектирования осветительных систем // Труды XI Международной конференции "Прикладная оптика 2014", Санкт-Петербург, 21-24 октября 2014, Т.2, с.97-101.

13. Гарбуль А.А., Жданов Д.Д., Потемин И.С., Соколов В.Г. Моделирование и оптимизация осветительных систем с рассеивающими микроструктурами на кривой поверхности // Труды XI Международной конференции "Прикладная оптика 2014", Санкт-Петербург, 21-24 октября 2014, Т.2, с.106-110.

14. D.D. Zhdanov, V.G. Sokolov, I.S. Potemin, A.G. Voloboy, V.A. Galaktionov, N. Kirilov. Simulation model of light polarization films for LCD backlight design // Conference proceedings of 9-th International Conference on Optics-photonics Design & Fabrication, Itabashi, Tokyo, February 12-14, 2014, pp. 145-146.

15. Жданов Д.Д., Гарбуль А.А., Волобой А.Г., Галактионов В.А., Ершов С.В., Потемин И.С., Соколов В.Г. Фотореалистичная модель объемного рассеивания в задаче двунаправленной стохастической трассировки лучей // Труды 24-й Международной Конференции по Компьютерной Графике и Машинному Зрению ГрафиКон'2014, Ростов-на-Дону, 30 сентября - 3 октября, с. 38-42.

16. D.Zhdanov, S.Ershov, S.Pozdnyakov, I.Potemin, T.Hyodo, A.Voloboy, V.Galaktionov. Simulation of Color Shift in Fluorescent LED Cap // Conference proceedings of 8-th International Conference on Optics-photonics Design & Fabrication, St. Petersburg, July 2-5,2012, p.29-30.

Подписано в печать 05.10.2015. Формат 60x84/16 Отпечатано о готового оригинал-макета в типографии ООО «КопиСервис». Печать ризографическая. Заказ № 1/1006. П. л. 1.0. Уч.-изд. л. 1.0. Тираж 100 экз.

ООО «КопиСервис» Адрес: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5, литер А Тел.:(812)327 5098