Un'introduzione da parte di un hacker alle piastre guida luce fai-da-te

L'anno scorso mi sono trovato costretto a realizzare una replica in scala ridotta degli iconici cartelli della camera di prova del videogioco Portal. Se hai giocato, ricorderai questi segni come i monoliti illuminati che segnavano l'inizio di ogni camera di prova. Nello stile iperstilizzato dei videogiochi, erano anche estremamente magri.

Fedele all'originale, la mia replica avrebbe bisogno di essere snellita e retroilluminata con un bagliore bianco naturale e uniforme. Come ha voluto il destino, il punto cruciale di questo progetto è stato trovare un modo per fare proprio questo: diffondere la luce proveniente dai bordi in modo che fosse emessa in modo uniforme dalla parte anteriore.

Quello che pensavo sarebbe stato un progetto veloce si è rivelato un tuffo nella tana del coniglio che ha prodotto risultati soddisfacenti. Oggi vorrei condividere le mie scoperte e presentarvi le piastre guida della luce, uno degli elementi chiave di gran parte dell'attuale tecnologia degli schermi retroilluminati. Approfondirò alcuni dei principi di funzionamento, ti presenterò il mio approccio homebrew e ti lascerò un codice sorgente stimolante per andare avanti e costruirne uno tuo.

Affrontare questo progetto mi ha portato a chiedermi: come fanno i produttori del settore elettronico a illuminare i display ultrapiatti dei laptop e gli schermi TV per ottenere una luce perfettamente uniforme? Facendo un po' di ricerca su internet, ho scoperto un tesoro di spunti utili.

Prima di immergerci troppo in profondità nel modo in cui l'industria dell'elettronica di consumo risolve questo problema, voglio guidarvi attraverso un analogo progetto parallelo di un hacker: il display acrilico con illuminazione laterale tagliato al laser. Abbiamo presentato parecchi progetti come questi su Hackaday e hanno il giusto livello di complessità per farti bagnare i piedi nell'Hackerspace locale.

Il concetto centrale è che le lastre acriliche trasparenti hanno la capacità di agire come fibre ottiche, convogliando la luce da un bordo all'altro. Il viaggio però non è perfettamente rettilineo. Gran parte della luce entra ad angolo, rimbalzando avanti e indietro tra le superfici superiore e inferiore prima di uscire dall'altro bordo. Incidendo un motivo su una superficie dell'acrilico, creiamo un luogo in cui la luce viene assorbita ed emessa, anziché principalmente riflessa. Possiamo sfruttare questa stranezza per creare una segnaletica dall'aspetto piuttosto elegante.

Qualcosa che gli osservatori attenti potrebbero notare: le caratteristiche dell'immagine più lontane dalla sorgente luminosa sono notevolmente più scure. Per comprendere questo fenomeno abbiamo bisogno di un po’ di fisica.

Alcune teorie ottiche abbastanza semplici dietro questo progetto hacker possono aiutarci a capire cosa sta succedendo. Iniziamo con una vista laterale in sezione di questo progetto dove il lato sinistro è illuminato da una barra di LED.

In questa configurazione, una sorgente luminosa esce da un bordo della piastra, inviando raggi luminosi nella piastra con diverse angolazioni. Si scopre che esiste un angolo speciale Φc chiamato angolo critico. I raggi luminosi che colpiscono il confine della superficie a meno di Φc usciranno immediatamente dalla piastra con un angolo di uscita leggermente diverso secondo la legge di Snell. I raggi luminosi che colpiscono la superficie ad angoli maggiori o uguali a Φc verranno riflessi totalmente all'interno. In altre parole, continueranno a rimbalzare all'interno della piastra con un angolo fisso per sempre, a meno che non vengano interrotti. Per vetro e plastica, Φc ≈ 42°.

Incidendo la superficie della lastra, creiamo punti in cui i raggi di luce riflessi internamente possono disperdersi ed uscire dalla lastra in una posizione specifica, anziché riflettersi all'interno. Questo è il fenomeno che fa brillare i segni.

A questo punto potresti essere in grado di indovinare perché le caratteristiche incise del segno diventano più deboli man mano che si allontanano dalla fonte di luce. Ciò avviene perché una porzione maggiore dei raggi luminosi riflessi internamente è già uscita dalla piastra in precedenza.

Si scopre che i produttori di LCD implementano uno schema di retroilluminazione che utilizza un approccio simile a quello visto finora. Stacca l'interno di un display a cristalli liquidi per scoprire che in realtà è costituito da un sandwich di molti strati. Separa questi strati per trovare uno strato polarizzante, uno strato di cristalli liquidi, uno strato diffusore, un foglio di fibra ottica trasparente e infine un sottile strato riflettente di supporto. Questo sottile foglio di fibra ottica, chiamato piastra guida luce, è illuminato dal bordo dello schermo con una barra di LED. L'obiettivo di questa piastra è quello di prendere la luce riflessa internamente dal bordo e rilasciarla in modo controllato lungo la superficie in modo tale che la parte anteriore dello schermo sia illuminata uniformemente.