Introduction d'un pirate aux plaques de guidage de lumière DIY

L'année dernière, je me suis retrouvé obligé de faire une réplique à échelle réduite des panneaux emblématiques de la chambre de test du jeu vidéo Portal. Si vous avez joué au jeu, vous vous souviendrez de ces signes comme des monolithes illuminés qui marquaient le début de chaque chambre de test. À la manière des jeux vidéo hyperstylisés, ils étaient également extrêmement minces.

Fidèle à l'original, ma réplique aurait besoin d'être à la fois allégée et rétro-éclairée avec une lueur blanche uniforme et naturelle. Comme le destin l'aurait fait, l'essentiel de ce projet était de trouver un moyen de faire exactement cela : diffuser la lumière provenant des bords afin qu'elle soit émise uniformément par l'avant.

Ce que je pensais être un projet rapide a fini par être une plongée dans le terrier du lapin qui a donné des résultats satisfaisants. Aujourd'hui, j'aimerais partager mes découvertes et vous présenter les plaques de guidage de la lumière, l'un des éléments clés de la plupart des technologies d'écran rétroéclairées d'aujourd'hui. Je vais creuser dans certains des principes de travail, vous présenter mon approche homebrew et vous laisser avec un code source inspirant pour aller de l'avant et créer le vôtre.

S'attaquer à ce projet m'a amené à me demander : comment les fabricants de l'industrie électronique éclairent-ils ces écrans d'ordinateurs portables et ces écrans de télévision ultra-plats pour obtenir une lueur parfaitement uniforme ? Après quelques recherches sur Internet, j'ai découvert un trésor d'idées utiles.

Avant de plonger trop profondément dans la façon dont l'industrie de l'électronique grand public résout ce problème, je veux d'abord vous présenter un projet parallèle de hacker analogue : l'écran éclairé par les bords en acrylique découpé au laser. Nous avons présenté pas mal de projets comme ceux-ci sur Hackaday, et ils sont juste le bon niveau de complexité pour vous mouiller les pieds au Hackerspace local.

Le concept de base est que les feuilles d'acrylique transparent ont la capacité d'agir comme des fibres optiques, canalisant la lumière d'un bord à l'autre. Le trajet n'est cependant pas tout à fait rectiligne. Une grande partie de la lumière pénètre sous un angle, rebondissant entre les surfaces supérieure et inférieure avant de sortir par l'autre bord. En gravant un motif sur une surface de l'acrylique, nous créons un endroit où la lumière est absorbée et émise, plutôt que principalement réfléchie. Nous pouvons profiter de cette bizarrerie pour créer une signalisation assez chic.

Quelque chose que les observateurs attentifs pourraient souligner : les caractéristiques de l'image qui sont plus éloignées de la source lumineuse sont sensiblement plus sombres. Pour comprendre ce phénomène, nous avons besoin d'un peu de physique.

Une théorie optique assez simple derrière ce projet de hacker peut nous aider à comprendre ce qui se passe. Commençons par une vue latérale en coupe de ce projet où le côté gauche est éclairé par une barre de LED.

Dans cette configuration, une source de lumière brille à partir d'un bord de la plaque, envoyant des rayons lumineux dans la plaque à différents angles. Il s'avère qu'il existe un angle spécial Φc appelé angle critique. Les rayons lumineux frappant la limite de surface à moins de Φc sortiront immédiatement de la plaque à un angle de sortie légèrement différent selon la loi de Snell. Les rayons lumineux frappant la surface à des angles supérieurs ou égaux à Φc seront totalement réfléchis en interne. En d'autres termes, ils continueront à rebondir à l'intérieur de la plaque à un angle fixe pour toujours, à moins qu'ils ne soient interrompus. Pour le verre et le plastique, Φc ≈ 42°.

En gravant la surface de la plaque, nous créons des emplacements où les rayons lumineux réfléchis en interne peuvent se disperser et sortir de la plaque à un endroit spécifique, plutôt que de se refléter en interne. C'est le phénomène qui fait briller les panneaux.

À ce stade, vous pourrez peut-être deviner pourquoi les éléments gravés du panneau s'estompent à mesure qu'ils s'éloignent de la source lumineuse. C'est parce qu'une plus grande partie des rayons lumineux réfléchis en interne ont déjà quitté la plaque plus tôt.

Il s'avère que les fabricants d'écrans LCD mettent en œuvre un schéma de rétroéclairage qui utilise une approche similaire à ce que nous avons vu jusqu'à présent. Décollez l'intérieur d'un écran à cristaux liquides pour constater qu'il se compose en fait d'un sandwich de plusieurs couches. Séparez ces couches pour trouver une couche polarisante, une couche de cristaux liquides, une couche de diffuseur, une feuille de fibre optique transparente et enfin une fine couche de support réfléchissante. Cette fine feuille de fibre optique, appelée plaque guide de lumière, est éclairée depuis le bord de l'écran par une barre de LED. Le but de cette plaque est de prendre la lumière réfléchie en interne par le bord et de la libérer de manière contrôlée le long de la surface de sorte que l'avant de l'écran soit uniformément éclairé.

Semblable aux projets de signalisation d'en haut, les fabricants marquent la surface de la feuille avec un motif de points, créant des points d'échappement pour que la lumière sorte en cours de route. La couche de diffuseur prend la lumière éclairée de ce motif et la diffuse plus loin dans une source de lumière uniforme, et la couche réfléchissante empêche la lumière de s'échapper prématurément du mauvais côté.

Au-delà de ces bases, cependant, c'est là que les fabricants commencent à différer dans leurs propres ajustements à cette recette. Tout d'abord, les plaques de guidage de lumière peuvent être en acrylique ou en polycarbonate. Ils peuvent être plats ou légèrement "en forme de coin", où l'angle du coin aide à répartir la lumière plus uniformément. Ils peuvent être marqués au laser (acrylique uniquement) ou par moulage par injection où le moule porte en fait de petites détentes pour transférer le motif. Enfin, le motif de points peut varier en densité selon une fonction polynomiale ou exponentielle.

D'après mes lectures de fond, j'ai été agréablement surpris que de nombreux vendeurs vous vendent également une multitude d'articles pertinents pour la fabrication de présentoirs. Contactez 3M, et vous entendrez probablement une foule de polariseurs et de feuilles « d'amélioration de la luminosité », tous destinés à cet effet. Parcourez Aliexpress et vous trouverez des fournisseurs vous proposant une gamme de "barres de rétroéclairage" de composants LED conçus pour remplacer ceux que l'on trouve dans les écrans d'ordinateurs portables et de télévision. Creusez plus profondément et vous trouverez même des fournisseurs proposant des panneaux acryliques sur mesure avec un motif de grille de diffuseur gravé dessus, bien que les options de motifs soient quelque peu limitées.

Inspiré par mes lectures, j'ai commencé par une première ébauche en faisant mon propre sandwich pour mon panneau Portal. Bien qu'il s'avère que vous pouvez acheter de nombreux matériaux réels qui entrent dans les panneaux LCD réels de 3M, ils ont un prix élevé en petites quantités, alors j'ai opté pour des substituts réfléchissants moins chers. Ma pile finale consistait en :

Les étoiles se sont vraiment bien alignées pour que ce projet soit quelque chose que toute personne disposant d'un découpeur laser CO2 à proximité peut entreprendre. Premièrement, la plupart des matières premières sont soit facilement disponibles, soit des substituts moins chers existent. Deuxièmement, de par la nature de ces panneaux découpés au laser, le bord du panneau obtient un joli poli à la flamme en cours de fabrication. Ceci est essentiel pour augmenter la quantité de lumière entrant dans le panneau. Dans l'ensemble, j'étais ravi de faire la plupart de la fabrication dans l'atelier à domicile.

Pour savoir combien d'efforts j'aurais besoin de mettre pour créer un rétroéclairage uniforme, j'ai commencé par quelque chose de simple. J'ai commencé par créer une grille régulièrement espacée gravée sur la surface de l'acrylique transparent, recouvert le fond avec le film teinté pour fenêtre et l'ai éclairé des deux côtés avec deux barres de rétroéclairage à LED. Comme test rapide, j'ai recouvert le panneau avec la feuille blanche opaque et l'ai observé à distance.

Malheureusement, les résultats n'étaient pas convaincants, mais j'ai beaucoup appris de cette configuration.

Il était clair que l'empilement était sensiblement plus sombre au milieu, le point le plus éloigné des sources lumineuses, et l'effet était encore pire sur la caméra. Après un autre essai, j'ai également remarqué qu'il y avait une limite supérieure à la distance à laquelle je pouvais espacer les éléments du motif avant qu'ils ne commencent à apparaître à travers le diffuseur en tant que sources de lumière discrètes. J'espérais éviter d'écrire un logiciel personnalisé pour générer le motif du panneau, mais c'est parti.

À ce stade, j'ai réalisé que j'avais besoin d'un contrôle plus précis sur ces paramètres laser, j'ai donc concocté un cahier Python pour générer un panneau de dimensions XY spécifiées avec un motif de points personnalisé et écrire le résultat dans un fichier SVG. Pour les boutons de réglage, je voulais pouvoir manipuler la densité de points en fonction de la distance à la source lumineuse. Pour ce faire, j'ai créé un graphique 2D interactif où je pouvais faire glisser environ 5 points et les ajuster à une B-Spline de second ordre. Le résultat ressemblait à ça :

Ce script que j'ai écrit avait de belles contraintes. Tout d'abord, je pouvais appliquer un espacement maximal des points afin que le script ne génère jamais un motif si clairsemé qu'il apparaîtrait comme des sources de lumière discrètes. Ensuite, je pourrais refléter les résultats pour appliquer le motif à un panneau éclairé des deux côtés. Enfin, je pouvais réellement enregistrer les paramètres de mes éprouvettes.

Armé de nouveaux outils logiciels, j'ai commencé à générer des échantillons de plaques de guidage de lumière squatty, en les éclairant des deux côtés sous le diffuseur et en vérifiant les résultats. Après environ 6 essais, j'avais quelque chose d'assez bon pour me tromper - et mon appareil photo !

Me sentant à l'aise avec mes réglages, j'ai coupé une pièce pleine grandeur et assemblé mon dernier sandwich de plaque lumineuse.

Et, sans plus tarder : les résultats finaux après assemblage.

Ce n'est pas parfait à 100 %, mais c'est plus que convaincant pour mes yeux et pour les appareils photo des smartphones. C'est aussi des années-lumière d'avance sur mon approche naïve d'origine.

En ce qui concerne les logiciels, de nombreuses améliorations de la convivialité méritent d'être ajoutées. Ce serait également un exercice digne d'essayer de dériver la courbe de densité à partir d'une image d'étalonnage, une sorte de correction de champ plat. Mais je vais laisser ces éléments comme un exercice pour le lecteur.

C'est l'un de ces projets que j'espérais que quelqu'un avait déjà écrit afin que je puisse adopter leurs résultats (et les créditer, bien sûr !) et les utiliser dans mon projet. Dans ce cas, je devais retrousser mes manches et être ce quelqu'un. Mais je suis heureux de rendre compte du fruit de mon travail. Si vous êtes assez curieux pour suivre ce trou de lapin, vous êtes le bienvenu pour essayer mon bloc-notes de générateur de plaques de guidage de lumière brute. Qui sait? Peut-être qu'à l'avenir, ce type de fonctionnalité sera intégré à d'autres progiciels laser si nous le demandons gentiment.