ハッカーによる DIY 導光板入門

昨年、私はビデオ ゲーム「ポータル」の象徴的な試験室の標識の縮小レプリカを作らざるを得なくなった。 ゲームをプレイしたことがある方なら、これらの標識を、すべての試験室の開始時に消印が押された、照らされた一枚岩として覚えているでしょう。 過度に様式化されたビデオゲームのファッションでは、彼らはまた非常に痩せていました。

オリジナルに忠実に、私のレプリカはスリム化され、均一で自然な白色の輝きでバックライトが当たる必要があります。 運命の巡り合わせとして、このプロジェクトの核心は、まさにそれを実現する方法を見つけることでした。端から入ってくる光を拡散させ、正面から均等に放射するようにすることでした。

すぐに終わるだろうと思っていたプロジェクトは、最終的にウサギの穴に飛び込むことになり、満足のいく結果が得られました。 今日は、私の調査結果を共有し、今日のバックライト付きスクリーン技術の多くの内部の重要な構成要素の 1 つである導光板について紹介したいと思います。 いくつかの動作原理を掘り下げ、私の自作アプローチを紹介し、独自のコードを構築するためのインスピレーションを与えるソース コードをいくつか残しておきます。

このプロジェクトに取り組んで、私は疑問に思いました。エレクトロニクス業界のメーカーは、これらのウルトラフラット ラップトップ ディスプレイやテレビ画面をどのようにして完全に均一な輝きを得るために照明しているのでしょうか? インターネットで少し調べた結果、役立つ洞察の宝庫を発見しました。

家庭用電化製品業界がこの問題をどのように解決しているかについて詳しく説明する前に、まず、類似したハッカーのサイド プロジェクト、つまりレーザーカットされたアクリル エッジライト ディスプレイについて説明したいと思います。 Hackaday ではこのようなプロジェクトをかなりの数紹介してきましたが、それらは地元の Hackerspace で実際に足を運ぶのにちょうどよい複雑さのレベルです。

中心となるコンセプトは、透明なアクリル シートが光ファイバーとして機能し、一方の端からもう一方の端まで光を伝える機能があるということです。 ただし、その旅は完全に平坦ではありません。 光の多くは斜めに入射し、上面と下面の間で往復してからもう一方のエッジから出ます。 アクリルの片面にパターンをエッチングすることにより、光がほとんど反射されるのではなく、吸収および放出される場所が作成されます。 この特性を利用して、かなりおしゃれな看板を作成できます。

注意深い観察者であれば、光源から遠く離れた画像の特徴は著しく暗くなることを指摘するかもしれません。 その現象を理解するには、少し物理学の知識が必要です。

このハッカー プロジェクトの背後にある非常に単純な光学理論は、何が起こっているのかを理解するのに役立ちます。 このプロジェクトの側面断面図から始めましょう。左側が LED のバーによって照らされています。

この設定では、光源がプレートの一方の端から輝き、さまざまな角度でプレートに光線を送ります。 臨界角と呼ばれる特殊な角度Φcが存在することが分かりました。 Φc 未満で表面境界に当たる光線は、スネルの法則に従って、わずかに異なる出射角度でプレートから直ちに出射します。 Φc 以上の角度で表面に当たる光線は内部で全反射されます。 言い換えれば、中断されない限り、プレート内で一定の角度で永遠に跳ね返り続けることになります。 ガラスとプラスチックの場合、Φc ≈ 42°。

プレートの表面をエッチングすることにより、内部で反射した光線が内部で反射するのではなく、散乱してプレートの特定の場所から出ることができる場所を作成します。 これが標識が光る現象です。

この時点で、標識のエッチングされた特徴が光源から離れるにつれて暗くなる理由を推測できるかもしれません。 それは、内部反射光線の大部分がすでに早い段階でプレートから出ているためです。

LCD メーカーは、これまで見てきたものと同様のアプローチを使用するバックライト スキームを実装していることが判明しました。 液晶ディスプレイの内側を剥がすと、実際には何層ものサンドイッチ構造になっていることがわかります。 これらの層を分離して、偏光層、液晶層、ディフューザー層、透明な光ファイバーシート、そして最後に薄い反射性バッキング層を見つけます。 導光板と呼ばれるこの薄い光ファイバー シートは、LED のバーで画面の端から照明されます。 このプレートの目的は、エッジから内部反射光を取り込み、制御された方法で表面に沿って放出し、スクリーンの前面が均一に照らされるようにすることです。