Ansys Zemax光学设计软件技术教程：如何建立LCD背光源模型
本文建立了楔形LCD背光源模型，并对其进行分析，并按照照明输出标准对其进行优化。作者 Akash Arora附件下载 文章附件简介液晶显示器 (LCDs) 作为一种显示技术，在当今社会中已经得到了广泛的应用。在商业领域中最突出的应用包括计算机显示器、移动电话、电视和手持数字设备。当环境光照条件不足时，大多数LCD都是接收后方照明以提供光照的。采用的两种照明方案为：底部照明和边缘照明，OpticStudio能够对这两种照明方案进行建模，且边缘照明方案中存在更复杂的设计问题，本文将重点对此进行介绍。点击此处 获取更多参考信息。本文的重点内容是边缘照明设计，使用楔形导光板对放置于LCD显示器旁边的光源发出的光进行分布。与底部照明方案相比，此方案消耗的能量更少，且封装更薄，但是均匀性和亮度较差。https://support.zemax.com/hc/article_attachments/1500007440742/KA-01387_2_edge-lit_design.gif 点击此处 获取更多参考信息。本文中忽略实际的液晶层，只考虑背光源设计。建立背光源模型边缘照明LCD的详细布局图如下图所示：https://support.zemax.com/hc/article_attachments/1500007440762/KA-01387_3_layout_of_the_edge-lit_LCD.gif光源通常是冷阴极荧光灯管 (CCFL) 或一系列发光二极管 (LED) ，且在光源的后面放置反射器可以提高系统的效率。楔形光波导利用全内反射 (TIR) 使光更均匀地分布在显示区域。用反射镜围绕光波导，也可以提高系统效率。使用不同增亮膜 (BEF) 的阵列模式，可用于控制****光的发光强度和偏振特性。在此设计案例中假设一些约束条件：将基于标准的移动电话选择显示屏的面积，并根据整体封装高度的限制选择光波导厚度。显示区域面积： 75 mm x 75 mm楔形板厚度：输入面 4 mm ，端面 1 mmBEF：Vikuiti™ T-BEF 90/24下载本文附件，将玻璃库放在{Zemax}\Glasscat目录中。这个材料库包含了改性丙烯酸和PMMA，可用来模拟这些塑料的内部近似传输值 (93%超过25毫米) 。基本设计和参数在“Starting Point.zmx” 文件中定义。请留意非序列元件编辑器 (Non-Sequential Component Editor，NSCE) 中用于建模不同背光元件的光源/物体类型。https://support.zemax.com/hc/article_attachments/1500007440782/KA-01387_4_Layout.gif当被激发的电子撞击阴极管表面的涂层材料时，冷阴极荧光灯管发光。使用“管光源”对此类光源****方式而言是非常理想。可以通过交替使用“二极管光源”来模拟一维二极管阵列作为光源。使用由丙烯酸材料制成的矩形体物体建立楔形光波导模型。该物体可以存在不同的端面尺寸和倾斜。请注意，只有倾斜物体才能保持光波导的上表面与X-Z平面平行。由于物体是围绕光波导输入面的中心旋转，而不是顶部边缘，所以Y的位置也需要略做改变。在物体倾斜的前后表面上都设置拾取 (Pickup) 求解以确保他们与Y-Z平面保持平行。https://support.zemax.com/hc/article_attachments/1500007440802/KA-01387_5_NSCE.pngBEF是系统中最复杂的元件。手动复制父棱镜将非常耗时，且在光线追迹时需要大量内存。可以用阵列物体来替代复制棱镜，因为它只需要与父物体相同的内存，并且可以通过调整父物体的参数来改变整个阵列。同时，请注意存在阵列时的光线追迹速度，即使它内部仅仅含有几何物体。确定初始性能现在已经搭建了基本系统，接下来查看其初始性能。通常用于确定设计优劣的标准是能量传递效率和均匀性（照度和发光强度）。能量传递效率的定义是显示器发出的能量与光源发出的能量之比。在空间位置中，期望整个显示器上的输出是均匀一致的（每像素最小通量的偏差）。在角度空间中，输出在（~30度）半锥角内应该均匀。请注意，此系统是为小型数字设备所设计的。如果此设计要用于电视或电脑显示器，则需要更大的半锥角（~90度）。使用下图所示的光线追迹控件 (Ray Trace Control) 进行光线追迹的相关设置，并注意阈值造成的能量损失。https://support.zemax.com/hc/article_attachments/1500007440822/KA-01387_6_Ray_trace_control.png查看探测器查看器，可以看到大约40%的光源能量到达探测器；由于蒙特卡罗 (Monte Carlo) 光线追迹的随机性，这个值可能会变化几个百分点。光线错误会导致一些能量损失，但在此应用场景中这是无关紧要的。大部分的能量损失是由于光波导中的体吸收造成的，且近10%的能量损失是由于阈值，这在光线要经过多次反射的系统中很常见。如果能量损失很大，可以通过将最小相对光线强度降低几个数量级来消除这种能量损失，但它会明显地减慢光线追迹的速度。将阈值降低到1E-6可以将能量损失降低到1%，并将效率提高到46%左右。https://support.zemax.com/hc/article_attachments/1500007603281/KA-01387_7_System_explorer.png查看照度和发光强度的分布。光源对面的显示屏照度最高，这是由于光波导造成入射角变大，使TIR更接近光源造成的。发光强度图上显示了几个峰值，而不是在较小角度内具有理想的均匀分布。可以看出，这种强度分布是楔形光波导和BEF的特点。https://support.zemax.com/hc/article_attachments/1500007603301/KA-01387_8_Detector_viewer.png根据目前的定义，系统中几乎没有几何参数可以修正这些分布。最有效的方法是在楔形光波导中引入散射特性。并且，输入面、顶面和底面对照度和发光强度分布的影响最大。使用以下设置将朗伯散射配置文件应用于光波导的输入面。https://support.zemax.com/hc/article_attachments/1500007603321/KA-01387_9_NSCE_2.png进行光线追迹并观察输出特性的差异。确保在光线追迹控件对话框选中“散射光线 (Scatter Rays)”!https://support.zemax.com/hc/article_attachments/1500007440862/KA-01387_10_Detector_viewer_2.png该系统的效率提高了几个百分点，照明均匀性得到了很大的改善。发光强度略有改善，但仍存在一些重要问题有待解决。现在，从光波导的前表面移除散射配置文件，并应用到顶面。默认情况下，使用三个面组定义矩形体，因此不能仅将顶面或底面设置为漫反射板。取而代之，将放置与顶面一致的散射矩形体并为该表面添加散射配置文件。如果该物体与非序列元件编辑器中的矩形体相同，则嵌套规则将使界面中的新物体处于优先地位。在物体7处插入矩形体物体，该矩形体的参数如下：Y-坐标 = 2Z-坐标 = 38.5X-倾斜 = -90材料：空白（空气）X1、 X2、Y1、 Y2 半宽 = 37.5Z 长度 = 0.01朗伯散射配置文件：只用于前表面保留其他参数的默认值。运行光线追迹并记录输出的变化。https://support.zemax.com/hc/article_attachments/1500007440882/KA-01387_11_Detector_viewer_3.png照度均匀性下降，但是影响光照强度的重点问题得到解决，效率也大大提高了。从结果中发现：需要在输出的空间分布和角分布的均匀性之间做出权衡；如果在底面使用相似的散射函数会使效率降低。根据结果显示，理想的散射配置文件应该用于光波导的顶面上，使得在光源附近的光线散射较少，而在相反方向的光散射较多。阵列物体能够对非线性图样进行建模。优化背光源目前在楔形光波导中最常用的微观结构制造方式是模压拉伸/挤出，其优点是不需要额外的处理步骤，比如在光波导上打印散射点。本设计将每个微观结构都做成球形，尽管其他任何物体（本地、导入、布尔等物体）也都可以使用。这是通过将球体阵列放置在光波导的上表面上实现的。通过在非序列元件编辑器中将这些物体放置在光波导之后，并将它们的材料定义为空气，其效果是在光波导上浮雕出球体（注意嵌套规则）。将父球体和阵列物体添加到“ Mid Point..zmx ”中（此文件在本文的附件中）。打开文件时，注意阵列物体12的画图极限参数设置得非常低，是因为阵列中有大量的元素，绘制所有元素需要大量时间。取而代之的是OpticStudio在整个阵列周围绘制了包围框。通过优化阵列参数以达到上述的最佳性能标准。所需的优化函数已经在当前文件中定义，打开评价函数编辑器如下图所示：https://support.zemax.com/hc/article_attachments/1500007440902/KA-01387_12_Merit_function_editor.png用操作数5和8分别用于最大化空间均匀性和总光通量，用操作数10和11来控制光强分布的质心，用操作数13用来控制光强分布的均方根半径。希望输出光线不是完全平行的，而是限制在一定的视角范围内，因此，指定了30°作为目标视角。最后一组操作数 (15-18) 是边界约束，以防止阵列变得太大或太小，当无边界约束时，优化会有产生极限解的趋势。注意这些操作数的负数权重，它们就像拉格朗日乘数一样工作，迫使目标得以实现。优化分配的变量如下：球面物体：半径阵列物体： Number X’ & Y’, Delta1 X’ & Y’, Delta2 Y’由于对称性的考虑，阵列只需要在y方向上是非线性的。因此只在X方向上分配线性阵列的间距 (Delta1 X ') 。此外，优化时很可能不需要阵列的三阶和四阶参数可变，所以不将其设为变量。如果给变量一个有限初始值，而不是从零开始，通常会使优化更有效。为了确定二阶y方向的起始点，查看通用绘图并与评价函数中的值进行对比。打开一维通用图（分析 (Analysis) >通用绘图 (Universal Plot)）并应用以下设置。https://support.zemax.com/hc/article_attachments/1500007603341/KA-01387_13_Universal_Plot.png点击OK键，并进行绘图更新；这个过程可能需要几分钟，具体所需时长取决于电脑的速度。根据下图，将阵列物体上的“ Delta2 Y ”参数设置为5E-3。https://support.zemax.com/hc/article_attachments/1500007440922/KA-01387_14_Universal_Plot_2.png背光源设计形式是固定的，只需要优化阵列参数。考虑到这一事实，使用正交下降 (OD) 算法进行锤形优化对于达到目标非常有效。锤形优化在长时间运行时性能最好，完成之后可以确定没有与起点相似的更好的设计。在运行锤形优化约20小时后，OpticStudio得出了具有良好空间均匀性和可接受的发光强度的解。请注意，此种发光强度是此类光波导的特性，不可能在不大幅度改变设计参数的情况下产生显著变化。优化后的系统见附件：“End Point.zmx”。https://support.zemax.com/hc/article_attachments/1500007440942/KA-01387_15_Detector_viewer_4.png还要注意，系统效率已经上升到大约60%。如果降低最小相对光线强度阈值，得到的效率接近62%。有可能可以通过在系统中再添加散射和/或膜层属性进一步提升其性能。光研科技南京有限公司是国内可靠的Ansys Zemax光学设计软件代理商！公司已经为广大企业，研究所以及高校提供了很多优秀的相关产品和服务，在行业内建立了值得信任的口碑。
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