Введение хакера в светопроводящие пластины, сделанные своими руками

В прошлом году мне пришлось сделать уменьшенную копию знаковых знаков испытательной камеры из видеоигры Portal. Если вы играли в эту игру, вы помните эти знаки как освещенные монолиты, которые отмечали начало каждой испытательной камеры. В стиле гиперстилизованных видеоигр они также были чрезвычайно тонкими.

В соответствии с оригиналом, мою копию нужно будет уменьшить в размерах и подсветить равномерным естественным белым свечением. По воле судьбы, суть этого проекта заключалась в том, чтобы найти способ сделать именно это: рассеять свет, приходящий с краев, чтобы он равномерно излучал спереди.

То, что я думал, будет быстрым проектом, в конечном итоге оказалось погружением в кроличью нору, которое дало некоторые удовлетворительные результаты. Сегодня я хотел бы поделиться своими выводами и познакомить вас со световодными пластинами, одним из ключевых строительных блоков большей части современной технологии экранов с подсветкой. Я расскажу о некоторых принципах работы, познакомлю вас с моим доморощенным подходом и оставлю вам вдохновляющий исходный код, чтобы вы могли создать свой собственный.

Работа над этим проектом заставила меня задуматься: как производители электронной промышленности освещают эти ультраплоские дисплеи ноутбуков и экраны телевизоров, чтобы получить идеально равномерное свечение? После небольшого исследования в Интернете я обнаружил кладезь полезных идей.

Прежде чем мы углубимся в то, как индустрия бытовой электроники решает эту проблему, я хочу сначала познакомить вас с аналогичным побочным хакерским проектом: вырезанным лазером акриловым дисплеем с боковой подсветкой. Мы представили довольно много подобных проектов на Hackaday, и они имеют тот уровень сложности, который позволяет вам замочить ноги в местном Hackerspace.

Основная концепция заключается в том, что прозрачные акриловые листы способны действовать как оптоволокно, пропуская свет от одного края к другому. Однако путь не совсем прямой. Большая часть света проникает под углом, отражаясь вперед и назад между верхней и нижней поверхностями, прежде чем выйти за другой край. Вытравливая узор на одной поверхности акрила, мы создаем место, где свет поглощается и излучается, а не в основном отражается. Мы можем воспользоваться этой причудой, чтобы создать довольно шикарные вывески.

На что могут обратить внимание внимательные наблюдатели: детали изображения, находящиеся дальше от источника света, заметно тускнеют. Чтобы понять это явление, нам нужно немного физики.

Некоторая довольно простая оптическая теория, лежащая в основе этого хакерского проекта, может помочь нам понять, что происходит. Начнем с вида сбоку этого проекта в разрезе, где левая сторона освещена полосой светодиодов.

В этой установке источник света светит с одного края пластины, посылая лучи света внутрь пластины под разными углами. Оказывается, существует особый угол Φc, называемый критическим углом. Лучи света, попадающие на границу поверхности под углом менее Φc, сразу же покинут пластину под немного другим углом выхода в соответствии с законом Снеллиуса. Лучи света, падающие на поверхность под углами, большими или равными Φc, будут полностью отражаться внутрь. Другими словами, они будут продолжать подпрыгивать внутри пластины под фиксированным углом вечно, если их не прервать. Для стекла и пластика Φc ≈ 42°.

Травя поверхность пластины, мы создаем места, где внутренне отраженные лучи света могут рассеиваться и выходить из пластины в определенном месте, а не отражаться обратно внутрь. Это явление, которое заставляет знаки светиться.

На этом этапе вы, возможно, сможете догадаться, почему выгравированные детали знака становятся более тусклыми по мере удаления от источника света. Это потому, что большая часть внутренне отраженных световых лучей уже покинула пластину раньше.

Оказывается, производители ЖК-дисплеев реализуют схему подсветки, аналогичную той, которую мы видели до сих пор. Откиньте внутреннюю часть жидкокристаллического дисплея и обнаружите, что он на самом деле состоит из множества слоев. Разделите эти слои, чтобы найти поляризационный слой, слой жидких кристаллов, слой рассеивателя, прозрачный оптоволоконный лист и, наконец, тонкий отражающий слой подложки. Этот тонкий оптоволоконный лист, называемый световодной пластиной, освещается с края экрана полосой светодиодов. Цель этой пластины — улавливать внутренне отраженный свет от края и контролируемым образом выпускать его вдоль поверхности так, чтобы передняя часть экрана была равномерно освещена.