ハッカーによるDIY導光板の紹介

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、拡散層、透明な光ファイバーシート、そして最後に薄い反射性裏打ち層を見つけます。 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。

上から投影するサインと同様に、メーカーはシートの表面にドットのパターンを付け、途中で光が抜けるための脱出ポイントを作成します。 ディフューザー層は、このパターンから照射された光を取り込み、それを均一な光源にさらに拡散し、反射層は、光が時期尚早に間違った側に漏れるのを防ぎます。

ただし、これらの基本を超えて、メーカーはこのレシピに独自の調整を加えて違いを出し始めます。 まず、導光板はアクリルまたはポリカーボネートで作ることができます。 それらは平らであるか、わずかに「くさび形」のいずれかであり、くさびの角度が光をより均一に分散するのに役立ちます。 レーザー (アクリルのみ) または射出成形金型によってマーキングできます。この場合、金型には実際にパターンを転写するための小さな戻り止めが付いています。 最後に、ドット パターンは多項式または指数関数に従って密度を変えることができます。

背景を読んだところ、多くのベンダーがディスプレイの作成に関連するアイテムも多数販売していることに嬉しい驚きを感じました。 3M に問い合わせれば、この目的に向けた偏光板や「輝度向上」シートを多数提供してくれるでしょう。 Aliexpress を調べてみると、ラップトップやテレビの画面に使用されているものと交換するために作られたコンポーネント LED のさまざまな「バックライト バー」を提供しているベンダーが見つかります。 さらに深く掘り下げると、パターンのオプションが多少制限されていますが、ディフューザーのグリッド パターンがエッチングされたアクリル パネルをオーダーメイドで提供しているベンダーも見つかります。

読書に触発されて、私は Portal の看板用に自分でサンドイッチを作る初稿から始めました。 実際の LCD パネルに使用されている本物の材料の多くは 3M から購入できることがわかりましたが、少量の場合は高額なので、より安価な反射材の代替品を購入することにしました。 私の最終的なスタックは次のもので構成されていました。

このプロジェクトは、近くに CO2 レーザー カッターがあれば誰でも取り組めるプロジェクトとして、まさに星が揃っています。 まず、ほとんどの原材料は容易に入手できるか、より安価な代替品が存在します。 第二に、これらのパネルはレーザーカットされる性質上、製造過程でパネルのエッジが見事な火炎研磨されます。 これは、パネルに入る光の量を増やすために重要です。 全体として、ほとんどの製作を自宅の作業場で行うことができてとてもうれしく思いました。

均一なバックライトを作るためにどれだけの労力を費やす必要があるかを知るために、私は簡単なことから始めました。 まず、透明なアクリルの表面に等間隔のグリッドをエッチングし、底部を窓用色合いフィルムで覆い、2 つの LED バックライト バーで 2 つの側面から照らします。 簡単なテストとして、パネルを不透明な白いシートで覆い、遠くから観察してみました。

残念ながら、結果は納得のいくものではありませんでしたが、この設定から多くのことを学びました。

スタックアップの中央、つまり光源から最も遠い点が著しく暗くなり、カメラで見るとその影響はさらに悪かったことは明らかでした。 別の試行の後、パターン要素が拡散板を通して個別の光源として現れ始める前に、パターン要素の間隔をどれだけ離すことができるかには上限があることにも気づきました。 パネル パターンを生成するためのカスタム ソフトウェアを作成することは避けたいと思っていましたが、ここでやってみます。

この時点で、これらのレーザー パラメーターをさらに細かく制御する必要があることに気づき、Python ノートブックを作成して、カスタム ドット パターンを使用して指定された XY 寸法のパネルを生成し、結果を SVG ファイルに書き込みました。 調整ノブについては、光源からの距離の関数としてドット密度を操作できるようにしたいと考えていました。 そのために、5 つのポイントをドラッグして 2 次 B スプラインにフィットできるインタラクティブな 2D グラフを作成しました。 結果は次のようになりました。

私が書いたこのスクリプトには、いくつかの優れた制約がありました。 まず、スクリプトが離散光源のように見えるほどまばらなパターンを生成しないように、最大​​ドット間隔を強制することができました。 次に、結果をミラーリングして、2 つの側面から照らされたパネルにパターンを適用できます。 最後に、実際にテストピースのパラメータを記録することができました。

新しいソフトウェア ツールをいくつか用意して、ずんぐりした導光板のサンプルを生成し、ディフューザーの下の両側から照明して結果を確認し始めました。 6 回ほど試した後、私とカメラをだますのに十分な何かを見つけました。

自分の設定に満足したので、フルサイズのピースを切り出し、最終的なライト プレート サンドイッチを組み立てました。

そして、さっそく組み立て後の最終結果です。

100%完璧というわけではありませんが、私の目にとっても、スマートフォンのカメラにとっても、十分以上に納得できるものです。 それは私の当初の素朴なアプローチよりも何光年も先を行っています。

ソフトウェアに関する限り、追加する価値のある使いやすさの改善がたくさんあります。 また、ある種のフラット フィールド補正であるキャリブレーション イメージから濃度曲線を導き出すことも価値のある練習になります。 ただし、これらの項目は読者のための演習として残しておきます。

これは、誰かがすでに書いていて、その結果を採用して (もちろんクレジットします!)、自分のプロジェクトで使用できることを期待していたプロジェクトの 1 つです。 この場合、私は袖をまくり上げて、その人にならなければなりませんでした。 しかし、自分の努力の成果を報告できることを嬉しく思います。 このウサギの穴を追跡するのに十分な好奇心があれば、私の粗末な導光板生成ノートを試してみるのも大歓迎です。 知るか？ おそらく将来的には、うまくいけば、この種の機能は他のレーザー ソフトウェア パッケージに統合されるでしょう。