Introducción de un hacker a las placas de guía de luz de bricolaje

El año pasado, me vi obligado a hacer una réplica a escala reducida de los icónicos letreros de la cámara de prueba del videojuego Portal. Si ha jugado el juego, recordará estos letreros como los monolitos iluminados que marcaban el inicio de cada cámara de prueba. Al estilo hiperestilizado de los videojuegos, también eran extremadamente delgados.

Fiel al original, mi réplica tendría que reducirse y retroiluminarse con un brillo blanco uniforme y natural. Como el destino lo tendría, el quid de este proyecto fue encontrar una manera de hacer precisamente eso: difundir la luz que entra desde los bordes para que se emita uniformemente desde el frente.

Lo que pensé que sería un proyecto rápido terminó siendo una inmersión en la madriguera del conejo que arrojó algunos resultados satisfactorios. Hoy, me gustaría compartir mis hallazgos y presentarles las placas de guía de luz, uno de los bloques de construcción clave dentro de gran parte de la tecnología de pantalla retroiluminada de hoy. Profundizaré en algunos de los principios de trabajo, le presentaré mi enfoque casero y lo dejaré con un código fuente inspirador para seguir adelante y construir el suyo propio.

Abordar este proyecto me hizo preguntarme: ¿cómo iluminan los fabricantes de la industria electrónica esas pantallas ultraplanas de portátiles y televisores para obtener un brillo perfectamente uniforme? Después de investigar un poco en Internet, descubrí un tesoro de ideas útiles.

Antes de profundizar demasiado en cómo la industria de la electrónica de consumo resuelve este problema, primero quiero guiarlo a través de un proyecto paralelo de piratas informáticos análogo: la pantalla acrílica cortada con láser e iluminada por los bordes. Hemos presentado bastantes proyectos como estos en Hackaday, y tienen el nivel justo de complejidad para mojarse los pies en el Hackerspace local.

El concepto central es que las láminas acrílicas transparentes tienen la capacidad de actuar como fibra óptica, canalizando la luz de un borde al otro. Sin embargo, el viaje no es perfectamente directo. Gran parte de la luz entra en ángulo, rebotando de un lado a otro entre las superficies superior e inferior antes de salir por el otro borde. Al grabar un patrón en una superficie del acrílico, creamos un lugar donde la luz se absorbe y se emite, en lugar de reflejarse principalmente. Podemos aprovechar esta peculiaridad para crear una señalización bastante elegante.

Algo que los observadores atentos podrían señalar: las características de la imagen que están más alejadas de la fuente de luz son notablemente más tenues. Para entender ese fenómeno, necesitamos un poco de física.

Una teoría óptica bastante simple detrás de este proyecto hacker puede ayudarnos a entender lo que está pasando. Comencemos con una vista lateral recortada de este proyecto donde el lado izquierdo está iluminado por una barra de LED.

En esta configuración, una fuente de luz brilla desde un borde de la placa, enviando rayos de luz hacia la placa en una variedad de ángulos. Resulta que existe un ángulo especial Φc llamado ángulo crítico. Los rayos de luz que golpean el límite de la superficie a menos de Φc saldrán de la placa inmediatamente con un ángulo de salida ligeramente diferente según la ley de Snell. Los rayos de luz que golpean la superficie en ángulos mayores o iguales a Φc se reflejarán totalmente internamente. En otras palabras, continuarán rebotando dentro de la placa en un ángulo fijo para siempre, a menos que sean interrumpidos. Para vidrio y plástico, Φc ≈ 42°.

Al grabar la superficie de la placa, creamos ubicaciones donde los rayos de luz reflejados internamente pueden dispersarse y salir de la placa en un lugar específico, en lugar de reflejarse internamente. Este es el fenómeno que hace que los letreros brillen.

En este punto, es posible que pueda adivinar por qué las características grabadas del letrero se vuelven más tenues a medida que se alejan de la fuente de luz. Es porque una gran parte de los rayos de luz reflejados internamente ya han salido de la placa antes.

Resulta que los fabricantes de LCD implementan un esquema de retroiluminación que utiliza un enfoque similar al que hemos visto hasta ahora. Retire el interior de una pantalla de cristal líquido para descubrir que en realidad consiste en un sándwich de muchas capas. Separe esas capas para encontrar una capa polarizadora, una capa de cristal líquido, una capa difusora, una lámina de fibra óptica transparente y, finalmente, una capa de respaldo reflectante delgada. Esta lámina delgada de fibra óptica, llamada placa de guía de luz, se ilumina desde el borde de la pantalla con una barra de LED. El objetivo de esta placa es tomar la luz reflejada internamente desde el borde y liberarla de manera controlada a lo largo de la superficie de modo que el frente de la pantalla esté iluminado de manera uniforme.

Similar a los proyectos de letreros desde arriba, los fabricantes marcan la superficie de la hoja con un patrón de puntos, creando puntos de escape para que la luz salga a lo largo del camino. La capa difusora toma la luz iluminada de este patrón y la difunde aún más en una fuente de luz uniforme, y la capa reflectante evita que la luz se escape prematuramente por el lado equivocado.

Sin embargo, más allá de estos conceptos básicos, es donde los fabricantes comienzan a diferir en sus propios ajustes a esta receta. En primer lugar, las placas de guía de luz pueden estar hechas de acrílico o policarbonato. Pueden ser planos o ligeramente "en forma de cuña", donde el ángulo de la cuña ayuda a distribuir la luz de manera más uniforme. Se pueden marcar con láser (solo acrílico) o con molde de inyección, donde el molde en realidad lleva pequeños retenes para transferir el patrón. Finalmente, el patrón de puntos puede variar en densidad según una función polinomial o exponencial.

De mi lectura de antecedentes, me sorprendió gratamente que muchos proveedores también le venderán una gran cantidad de artículos relevantes para hacer exhibiciones. Comuníquese con 3M y es probable que reciba una respuesta con una gran cantidad de polarizadores y hojas de "mejora del brillo", todas diseñadas para este propósito. Explore Aliexpress y encontrará proveedores que le ofrecen una gama de "barras de retroiluminación" de componentes LED hechos para reemplazar los que se encuentran en las pantallas de computadoras portátiles y televisores. Profundice e incluso encontrará proveedores que ofrecen paneles acrílicos hechos a pedido con un patrón de rejilla difusor grabado en ellos, aunque las opciones de patrones son algo limitadas.

Inspirado por mi lectura, comencé con un primer borrador haciendo mi propio sándwich para mi letrero Portal. Si bien resulta que puede comprar muchos de los materiales reales que se utilizan en los paneles LCD reales de 3M, tienen un precio elevado en cantidades pequeñas, por lo que me conformé con algunos sustitutos reflectantes más baratos. Mi pila final consistió en:

Las estrellas realmente se alinearon bien para que este proyecto sea algo que cualquier persona con un cortador láser de CO2 cerca pueda abordar. Primero, la mayoría de las materias primas están fácilmente disponibles o existen sustitutos más baratos. En segundo lugar, debido a la naturaleza de estos paneles cortados con láser, el borde del panel obtiene un buen pulido a la llama en el proceso de fabricación. Esto es fundamental para aumentar la cantidad de luz que ingresa al panel. En general, estaba encantado de hacer la mayor parte de la fabricación en el taller de la casa.

Para saber cuánto esfuerzo necesitaría hacer para hacer una luz de fondo uniforme, comencé con algo simple. Empecé haciendo una cuadrícula espaciada uniformemente grabada en la superficie del acrílico transparente, cubrí la parte inferior con la película polarizada de la ventana y la iluminé desde dos lados con dos barras de luz de fondo LED. Como prueba rápida, cubrí el panel con la sábana blanca opaca y lo observé desde la distancia.

Desafortunadamente, los resultados no fueron convincentes, pero aprendí mucho de esta configuración.

Estaba claro que la acumulación era notablemente más tenue en el medio, el punto más alejado de las fuentes de luz, y el efecto era aún peor en la cámara. Después de otra prueba, también noté que había un límite superior en cuanto a la separación entre los elementos del patrón antes de que comenzaran a aparecer a través del difusor como fuentes de luz discretas. Tenía la esperanza de evitar escribir algún software personalizado para generar el patrón del panel, pero aquí vamos.

En este punto, me di cuenta de que necesitaba un control más preciso de estos parámetros láser, así que preparé un cuaderno de Python para generar un panel de dimensiones XY específicas con un patrón de puntos personalizado y escribí el resultado en un archivo SVG. Para las perillas de ajuste, quería poder manipular la densidad de puntos en función de la distancia desde la fuente de luz. Para hacerlo, creé un gráfico 2D interactivo donde podía arrastrar alrededor de 5 puntos y ajustarlos a un B-Spline de segundo orden. El resultado se veía así:

Este guión que escribí tenía algunas buenas limitaciones. En primer lugar, podía imponer un espacio máximo entre puntos para que el script nunca generara un patrón que fuera tan disperso que apareciera como fuentes de luz discretas. A continuación, podría reflejar los resultados para aplicar el patrón a un panel iluminado desde dos lados. Finalmente, pude registrar los parámetros de mis piezas de prueba.

Armado con algunas herramientas de software nuevas, comencé a generar muestras de placas de guía de luz achaparradas, iluminándolas desde ambos lados debajo del difusor y verificando los resultados. Después de unos 6 intentos, tenía algo lo suficientemente bueno como para engañarme, ¡y mi cámara!

Sintiéndome cómodo con mi configuración, corté una pieza de tamaño completo y ensamblé mi último sándwich de plato ligero.

Y, sin más preámbulos: los resultados finales tras el montaje.

No es 100% perfecto, pero es más que convincente tanto para mis ojos como para las cámaras de los teléfonos inteligentes. También está a años luz de mi enfoque ingenuo original.

En lo que respecta al software, hay muchas mejoras de usabilidad que vale la pena agregar. También sería un buen ejercicio tratar de derivar la curva de densidad de una imagen de calibración, una especie de corrección de campo plano. Pero dejaré esos elementos como ejercicio para el lector.

Este es uno de esos proyectos que esperaba que alguien ya hubiera escrito para poder adoptar sus resultados (¡y acreditarlos, por supuesto!) y usarlos en mi proyecto. En este caso, tuve que arremangarme y ser ese alguien. Pero estoy feliz de informar con los frutos de mi trabajo. Si tienes la curiosidad de seguir esta madriguera de conejo, te invitamos a probar mi tosco cuaderno generador de placas de guía de luz. ¿Quién sabe? Tal vez en el futuro, este tipo de función se integre en otros paquetes de software láser si se lo pedimos amablemente.