Eine Hacker-Einführung in DIY-Lichtleiterplatten

Letztes Jahr sah ich mich gezwungen, eine verkleinerte Nachbildung der ikonischen Prüfkammerschilder aus dem Videospiel Portal anzufertigen. Wenn Sie das Spiel gespielt haben, werden Sie sich an diese Schilder als die beleuchteten Monolithen erinnern, die den Beginn jeder Testkammer markierten. In hyperstilisierter Videospiel-Manier waren sie außerdem extrem dünn.

Meine originalgetreue Nachbildung müsste sowohl abgespeckt als auch mit einem gleichmäßigen, natürlichen weißen Schimmer hinterleuchtet werden. Wie das Schicksal es wollte, bestand der Kern dieses Projekts darin, einen Weg zu finden, genau das zu erreichen: das von den Rändern einfallende Licht so zu streuen, dass es gleichmäßig von vorne abgestrahlt wird.

Was ich für ein schnelles Projekt hielt, war am Ende ein Sprung in die Tiefe, der zu einigen zufriedenstellenden Ergebnissen führte. Heute möchte ich meine Erkenntnisse mit Ihnen teilen und Ihnen Lichtleiterplatten vorstellen, einen der Schlüsselbausteine ​​eines Großteils der heutigen Technologie für hintergrundbeleuchtete Bildschirme. Ich werde mich mit einigen Arbeitsprinzipien befassen, Ihnen meinen Homebrew-Ansatz vorstellen und Ihnen inspirierenden Quellcode hinterlassen, mit dem Sie Ihren eigenen erstellen können.

Als ich dieses Projekt in Angriff nahm, fragte ich mich: Wie beleuchten Hersteller in der Elektronikindustrie diese ultraflachen Laptop-Displays und Fernsehbildschirme, um ein perfekt gleichmäßiges Leuchten zu erzielen? Nach ein wenig Recherche im Internet entdeckte ich einen Schatz an nützlichen Erkenntnissen.

Bevor wir zu tief in die Lösung dieses Problems durch die Unterhaltungselektronikindustrie eintauchen, möchte ich Sie zunächst durch ein analoges Hacker-Nebenprojekt führen: das lasergeschnittene, kantenbeleuchtete Acryldisplay. Wir haben auf Hackaday schon einige Projekte wie diese vorgestellt, und sie haben genau das richtige Maß an Komplexität, um im örtlichen Hackerspace Fuß zu fassen.

Das Kernkonzept besteht darin, dass durchsichtige Acrylplatten die Fähigkeit haben, als Glasfaser zu fungieren und Licht von einer Kante zur anderen zu leiten. Die Reise ist jedoch nicht ganz gerade. Ein Großteil des Lichts tritt schräg ein und springt zwischen der Ober- und Unterseite hin und her, bevor es an der anderen Kante wieder austritt. Indem wir ein Muster auf eine Oberfläche des Acryls ätzen, schaffen wir einen Ort, an dem das Licht absorbiert und emittiert wird, anstatt es hauptsächlich zu reflektieren. Wir können uns diese Eigenart zunutze machen, um ziemlich schick aussehende Beschilderungen zu erstellen.

Etwas, das aufmerksamen Beobachtern vielleicht auffällt: Bildmerkmale, die weiter von der Lichtquelle entfernt sind, sind deutlich dunkler. Um dieses Phänomen zu verstehen, brauchen wir ein wenig Physik.

Eine ziemlich einfache optische Theorie hinter diesem Hackerprojekt kann uns helfen zu verstehen, was vor sich geht. Beginnen wir mit einer aufgeschnittenen Seitenansicht dieses Projekts, wobei die linke Seite von einer LED-Leiste beleuchtet wird.

Bei diesem Aufbau strahlt eine Lichtquelle von einer Kante der Platte und sendet Lichtstrahlen in verschiedenen Winkeln in die Platte. Es stellt sich heraus, dass es einen speziellen Winkel Φc gibt, der als kritischer Winkel bezeichnet wird. Lichtstrahlen, die mit weniger als Φc auf die Oberflächengrenze treffen, verlassen die Platte gemäß dem Snelliusschen Gesetz sofort in einem etwas anderen Austrittswinkel. Lichtstrahlen, die in einem Winkel größer oder gleich Φc auf die Oberfläche treffen, werden intern vollständig reflektiert. Mit anderen Worten: Sie springen für immer in einem festen Winkel innerhalb der Platte herum, sofern sie nicht unterbrochen werden. Für Glas und Kunststoff gilt Φc ≈ 42°.

Durch das Ätzen der Oberfläche der Platte schaffen wir Stellen, an denen die intern reflektierten Lichtstrahlen gestreut und an einer bestimmten Stelle aus der Platte austreten können, anstatt intern zurückgeworfen zu werden. Dies ist das Phänomen, das die Schilder zum Leuchten bringt.

An diesem Punkt können Sie vielleicht erraten, warum die geätzten Merkmale des Schilds mit zunehmender Entfernung von der Lichtquelle schwächer werden. Dies liegt daran, dass ein größerer Teil der intern reflektierten Lichtstrahlen die Platte bereits früher verlassen hat.

Es stellt sich heraus, dass LCD-Hersteller ein Hintergrundbeleuchtungsschema implementieren, das einem ähnlichen Ansatz folgt wie dem, was wir bisher gesehen haben. Schält man das Innere einer Flüssigkristallanzeige ab, stellt man fest, dass sie tatsächlich aus einem Sandwich aus vielen Schichten besteht. Trennen Sie diese Schichten, um eine Polarisationsschicht, eine Flüssigkristallschicht, eine Diffusorschicht, eine klare Glasfaserfolie und schließlich eine dünne reflektierende Trägerschicht zu finden. Diese dünne Glasfaserplatte, Lichtleiterplatte genannt, wird vom Bildschirmrand aus mit einer LED-Leiste beleuchtet. Der Zweck dieser Platte besteht darin, intern reflektiertes Licht vom Rand aufzunehmen und es kontrolliert entlang der Oberfläche abzugeben, sodass die Vorderseite des Bildschirms gleichmäßig beleuchtet wird.

Ähnlich wie bei den Schilderprojekten von oben markieren die Hersteller die Oberfläche des Blechs mit einem Muster aus Punkten und schaffen so Austrittspunkte, an denen das Licht entlang des Weges austreten kann. Die Diffusorschicht nimmt das beleuchtete Licht dieses Musters auf und streut es weiter zu einer gleichmäßigen Lichtquelle, und die reflektierende Schicht verhindert, dass das Licht vorzeitig auf der falschen Seite austritt.

Über diese Grundlagen hinaus beginnen die Hersteller jedoch, sich in ihren eigenen Optimierungen dieses Rezepts zu unterscheiden. Zunächst einmal können Lichtleiterplatten entweder aus Acryl oder Polycarbonat hergestellt werden. Sie können entweder flach oder leicht „keilförmig“ sein, wobei der Winkel des Keils dazu beiträgt, das Licht gleichmäßiger zu verteilen. Sie können mit einem Laser (nur Acryl) oder mit einer Spritzgussform markiert werden, wobei die Form tatsächlich kleine Arretierungen aufweist, um das Muster zu übertragen. Schließlich kann die Dichte des Punktmusters gemäß einer Polynom- oder Exponentialfunktion variieren.

Aufgrund meiner Hintergrundlektüre war ich angenehm überrascht, dass zahlreiche Anbieter Ihnen auch eine Vielzahl von Artikeln verkaufen, die für die Herstellung von Displays relevant sind. Wenden Sie sich an 3M, und Sie werden wahrscheinlich eine Antwort mit einer Vielzahl von Polarisatoren und Folien zur „Helligkeitsverbesserung“ erhalten, die alle für diesen Zweck gedacht sind. Durchstöbern Sie Aliexpress und Sie werden Anbieter finden, die Ihnen eine Reihe von „Hintergrundbeleuchtungsleisten“ mit Komponenten-LEDs anbieten, die die in Laptop- und Fernsehbildschirmen verwendeten ersetzen sollen. Wenn Sie genauer hinschauen, werden Sie sogar Anbieter finden, die maßgeschneiderte Acrylplatten mit eingraviertem Diffusor-Gittermuster anbieten, obwohl die Musteroptionen etwas begrenzt sind.

Inspiriert durch meine Lektüre begann ich mit einem ersten Entwurf, bei dem ich mein eigenes Sandwich für mein Portal-Schild anfertigte. Obwohl sich herausstellt, dass man viele der echten Materialien, die in echten LCD-Panels verwendet werden, von 3M kaufen kann, sind sie in geringen Mengen zu einem hohen Preis erhältlich, sodass ich mich für einige günstigere reflektierende Ersatzmaterialien entschieden habe. Mein letzter Stapel bestand aus:

Die Sterne stehen wirklich gut dafür, dass dieses Projekt etwas ist, das jeder in Angriff nehmen kann, der einen CO2-Laserschneider in der Nähe hat. Erstens sind die meisten Rohstoffe entweder leicht verfügbar oder es gibt günstigere Ersatzstoffe. Zweitens erhält die Kante der Platte durch den Laserschnitt bei der Herstellung eine schöne Flammenpolitur. Dies ist entscheidend, um die Lichtmenge zu erhöhen, die in das Panel eindringt. Insgesamt war ich begeistert, den Großteil der Fertigung in der Heimwerkstatt erledigen zu können.

Um herauszufinden, wie viel Aufwand ich investieren müsste, um eine gleichmäßige Hintergrundbeleuchtung zu erzielen, habe ich mit etwas Einfachem begonnen. Ich begann damit, ein gleichmäßig verteiltes Gitter auf die Oberfläche des klaren Acryls zu ätzen, bedeckte die Unterseite mit der Fenstertönungsfolie und beleuchtete es von zwei Seiten mit zwei LED-Hintergrundbeleuchtungsleisten. Als Schnelltest habe ich die Platte mit der undurchsichtigen weißen Folie abgedeckt und sie aus der Ferne beobachtet.

Leider waren die Ergebnisse nicht überzeugend, aber ich habe aus diesem Setup viel gelernt.

Es war klar, dass der Aufbau in der Mitte, dem am weitesten von den Lichtquellen entfernten Punkt, merklich dunkler war, und der Effekt war vor der Kamera noch schlimmer. Nach einem weiteren Versuch fiel mir auch auf, dass es eine Obergrenze dafür gab, wie weit ich die Musterelemente voneinander entfernt platzieren konnte, bevor sie als diskrete Lichtquellen durch den Diffusor zu erscheinen begannen. Ich hatte gehofft, das Schreiben einer benutzerdefinierten Software zum Generieren des Panel-Musters vermeiden zu können, aber los geht's.

An diesem Punkt wurde mir klar, dass ich eine genauere Kontrolle dieser Laserparameter benötigte, also erstellte ich ein Python-Notizbuch, um ein Panel mit bestimmten XY-Abmessungen mit einem benutzerdefinierten Punktmuster zu generieren und das Ergebnis in eine SVG-Datei zu schreiben. Bei den Abstimmknöpfen wollte ich die Punktdichte als Funktion des Abstands von der Lichtquelle manipulieren können. Dazu habe ich ein interaktives 2D-Diagramm erstellt, in dem ich etwa fünf Punkte ziehen und sie an einen B-Spline zweiter Ordnung anpassen konnte. Das Ergebnis sah so aus:

Dieses Skript, das ich geschrieben habe, enthielt einige nette Einschränkungen. Erstens konnte ich einen maximalen Punktabstand erzwingen, damit das Skript niemals ein Muster erzeugt, das so spärlich ist, dass es als diskrete Lichtquellen erscheint. Als nächstes könnte ich die Ergebnisse spiegeln, um das Muster auf ein von zwei Seiten beleuchtetes Panel anzuwenden. Endlich konnte ich die Parameter meiner Teststücke tatsächlich aufzeichnen.

Ausgestattet mit einigen neuen Softwaretools begann ich, gedrungene Lichtleiterplattenproben zu erstellen, sie von beiden Seiten unter dem Diffusor zu beleuchten und die Ergebnisse zu überprüfen. Nach etwa sechs Versuchen hatte ich etwas Gutes, das mich – und meine Kamera – zum Narren halten konnte!

Nachdem ich mich mit meinen Einstellungen wohl gefühlt hatte, schnitt ich ein Stück in Originalgröße ab und baute mein endgültiges Sandwich mit hellen Platten zusammen.

Und ohne Umschweife: das Endergebnis nach der Montage.

Es ist nicht 100 % perfekt, aber sowohl für meine Augen als auch für Smartphone-Kameras mehr als überzeugend. Es ist auch meinem ursprünglichen naiven Ansatz Lichtjahre voraus.

Was die Software betrifft, gibt es zahlreiche Verbesserungen der Benutzerfreundlichkeit, die es wert sind, hinzugefügt zu werden. Es wäre auch eine lohnenswerte Übung, zu versuchen, die Dichtekurve aus einem Kalibrierungsbild abzuleiten, einer Art Flachfeldkorrektur. Aber ich überlasse diese Punkte als Übung für den Leser.

Dies ist eines dieser Projekte, von denen ich gehofft hatte, dass jemand sie bereits geschrieben hätte, damit ich ihre Ergebnisse übernehmen (und sie natürlich würdigen!) und in meinem Projekt verwenden könnte. In diesem Fall musste ich die Ärmel hochkrempeln und dieser Jemand sein. Aber ich melde mich gerne mit den Früchten meiner Arbeit zurück. Wenn Sie neugierig genug sind, diesem Kaninchenbau zu folgen, können Sie gerne einen Blick in mein grobes Notizbuch zum Lichtleiterplattengenerator werfen. Wer weiß? Vielleicht wird diese Art von Funktion in Zukunft in andere Lasersoftwarepakete integriert, wenn wir nett darum bitten.