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

El año pasado, me vi obligado a hacer una réplica reducida de los icónicos carteles de la cámara de pruebas del videojuego Portal. Si has jugado, recordarás estos carteles 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 ser adelgazada y retroiluminada con un brillo blanco uniforme y natural. Quiso el destino que el quid de este proyecto fuera encontrar una manera de hacer precisamente eso: difundir la luz que entraba por los bordes para que se emitiera 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 guía de luz, uno de los componentes clave de gran parte de la tecnología de pantallas retroiluminadas actual. Profundizaré en algunos de los principios de funcionamiento, les presentaré mi enfoque casero y les dejaré un código fuente inspirador para que sigan adelante y construyan el suyo propio.

Abordar este proyecto me hizo preguntarme: ¿cómo iluminan los fabricantes de la industria electrónica esas pantallas de portátiles y televisores ultraplanas 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 explicarles un proyecto paralelo de hackers análogo: la pantalla acrílica con bordes iluminados y cortada con láser. Hemos presentado bastantes proyectos como estos en La-Tecnologia, 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 completamente recto. Gran parte de la luz entra en ángulo, rebotando hacia adelante y hacia atrás 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 emite, en lugar de reflejarse principalmente. Podemos aprovechar esta peculiaridad para crear carteles de aspecto 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.

Alguna teoría óptica bastante simple detrás de este proyecto hacker puede ayudarnos a comprender lo que está pasando. Comencemos con una vista lateral en corte 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 inciden en 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 inciden en la superficie en ángulos mayores o iguales a Φc se reflejarán totalmente internamente. En otras palabras, seguirán 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 una ubicación específica, en lugar de reflejarse internamente. Este es el fenómeno que hace que los carteles brillen.

En este punto, es posible que puedas adivinar por qué las características grabadas del letrero se vuelven más tenues a medida que se alejan de la fuente de luz. Esto se debe a que una mayor 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 y descubra 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 fina capa de respaldo reflectante. Esta delgada lámina de fibra óptica, llamada placa 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 uniformemente.

De manera 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 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 mediante molde de inyección, donde el molde lleva pequeños retenes para transferir el patrón. Finalmente, el patrón de puntos puede variar en densidad según una función polinómica o exponencial.

Según mis lecturas previas, me sorprendió gratamente que muchos proveedores también le vendan una gran cantidad de artículos relevantes para la fabricación de exhibidores. Comuníquese con 3M y probablemente recibirá una respuesta con una gran cantidad de polarizadores y hojas de "mejora de brillo", todos diseñados para este propósito. Explore Aliexpress y encontrará proveedores que le ofrecen una variedad de "barras de retroiluminación" de componentes LED fabricados para reemplazar los que se encuentran en las pantallas de computadoras portátiles y televisores. Profundice más e incluso encontrará proveedores que ofrecen paneles acrílicos hechos a pedido con un patrón de rejilla difusora grabado en ellos, aunque las opciones de patrones son algo limitadas.

Inspirándome en mi lectura, comencé con un primer borrador haciendo mi propio sándwich para mi letrero del Portal. Si bien resulta que puedes comprar muchos de los materiales reales que se utilizan en los paneles LCD reales de 3M, tienen un precio elevado en cantidades bajas, 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 fuera algo que cualquiera que tuviera un cortador láser de CO2 cerca pudiera abordar. En primer lugar, la mayoría de las materias primas están fácilmente disponibles o existen sustitutos más baratos. En segundo lugar, debido a que estos paneles se cortan con láser, el borde del panel obtiene un bonito pulido con llama durante el proceso de fabricación. Esto es fundamental para aumentar la cantidad de luz que ingresa al panel. En general, estaba encantado de realizar la mayor parte de la fabricación en el taller de mi casa.

Para saber cuánto esfuerzo necesitaría poner para lograr una luz de fondo uniforme, comencé con algo simple. Comencé haciendo una cuadrícula espaciada uniformemente grabada en la superficie del acrílico transparente, cubrí el fondo con la película opaca para ventanas y la iluminé desde dos lados con dos barras de retroiluminación 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 qué tan lejos podía espaciar los elementos del patrón antes de que comenzaran a aparecer a través del difusor como fuentes de luz discretas. Esperaba evitar escribir algún software personalizado para generar el patrón del panel, pero allá vamos.

En este punto, me di cuenta de que necesitaba un control más preciso sobre estos parámetros del láser, así que preparé un cuaderno Python para generar un panel de dimensiones XY específicas con un patrón de puntos personalizado y escribí el resultado en un archivo SVG. Para los mandos de sintonización, quería poder manipular la densidad de puntos en función de la distancia a 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 quedó así:

Este guión que escribí tenía algunas limitaciones interesantes. En primer lugar, podía imponer un espacio máximo entre puntos para que el guión nunca generara un patrón tan escaso 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 guía de luz achaparradas, iluminándolas desde ambos lados debajo del difusor y verificando los resultados. Después de unos 6 intentos, encontré algo lo suficientemente bueno como para engañarme a mí y a mi cámara.

Sintiéndome cómodo con mi configuración, corté una pieza de tamaño completo y monté mi sándwich de placa ligera final.

Y, sin más: 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 ejercicio valioso intentar derivar la curva de densidad a partir de una imagen de calibración, una especie de corrección de campo plano. Pero dejaré esos puntos como ejercicio para el lector.

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