如何使用OpticStudio建立LCD背光源模型

簡介

液晶顯示器 (LCDs) 作為一種顯示技術，在當今社會中已經(jīng)得到了廣泛的應用。在商業(yè)領域中突出的應用包括計算機顯示器、移動電話、電視和手持數(shù)字設備。

當環(huán)境光照條件不足時，大多數(shù)LCD都是接收后方照明以提供光照的。采用的兩種照明方案為：底部照明和邊緣照明，OpticStudio能夠?qū)@兩種照明方案進行建模，且邊緣照明方案中存在更復雜的設計問題，本文將重點對此進行介紹。

LCD 照明方案

LCD底部照明方案使用陣列光源，如發(fā)光二極管，或均勻光源（如放置在LCD后面的電致發(fā)光面板）。此方案具有良好的均勻性和亮度，但需要更多的能量和更厚的保護殼。

本文的重點內(nèi)容是邊緣照明設計，使用楔形導光板對放置于LCD顯示器旁邊的光源發(fā)出的光進行分布。與底部照明方案相比，此方案消耗的能量更少，且封裝更薄，但是均勻性和亮度較差。

本文中忽略實際的液晶層，只考慮背光源設計。

建立背光源模型

邊緣照明LCD的詳細布局圖如下圖所示：

光源通常是冷陰極熒光燈管 (CCFL) 或一系列發(fā)光二極管 (LED) ，且在光源的后面放置反射器可以提高系統(tǒng)的效率。楔形光波導利用全內(nèi)反射 (TIR) 使光更均勻地分布在顯示區(qū)域。用反射鏡圍繞光波導，也可以提高系統(tǒng)效率。使用不同增亮膜 (BEF) 的陣列模式，可用于控制發(fā)射光的發(fā)光強度和偏振特性。

在此設計案例中假設一些約束條件：將基于標準的移動電話選擇顯示屏的面積，并根據(jù)整體封裝高度的限制選擇光波導厚度。

顯示區(qū)域面積：75 mm x 75 mm

楔形板厚度：輸入面 4 mm ，端面 1 mm

BEF：Vikuiti T-BEF 90/24

下載本文附件，將玻璃庫放在{Zemax}Glasscat目錄中。這個材料庫包含了改性丙烯酸和PMMA，可用來模擬這些塑料的內(nèi)部近似傳輸值 (93%超過25毫米) ?；驹O計和參數(shù)在“Starting Point.zmx” 文件中定義。請留意非序列元件編輯器(Non-Sequential Component Editor，NSCE) 中用于建模不同背光元件的光源/物體類型。

當被激發(fā)的電子撞擊陰極管表面的涂層材料時，冷陰極熒光燈管發(fā)光。使用“管光源”對此類光源發(fā)射方式而言是非常理想?？梢酝ㄟ^交替使用“二極管光源”來模擬一維二極管陣列作為光源。

使用由丙烯酸材料制成的矩形體物體建立楔形光波導模型。該物體可以存在不同的端面尺寸和傾斜。請注意，只有傾斜物體才能保持光波導的上表面與X-Z平面平行。由于物體是圍繞光波導輸入面的中心旋轉(zhuǎn)，而不是頂部邊緣，所以Y的位置也需要略做改變。在物體傾斜的前后表面上都設置拾取(Pickup) 求解以確保他們與Y-Z平面保持平行。

BEF是系統(tǒng)中復雜的元件。手動復制父棱鏡將非常耗時，且在光線追跡時需要大量內(nèi)存?？梢杂藐嚵形矬w來替代復制棱鏡，因為它只需要與父物體相同的內(nèi)存，并且可以通過調(diào)整父物體的參數(shù)來改變整個陣列。同時，請注意存在陣列時的光線追跡速度，即使它內(nèi)部僅僅含有幾何物體。

確定初始性能

現(xiàn)在已經(jīng)搭建了基本系統(tǒng)，接下來查看其初始性能。通常用于確定設計優(yōu)劣的標準是能量傳遞效率和均勻性（照度和發(fā)光強度）。能量傳遞效率的定義是顯示器發(fā)出的能量與光源發(fā)出的能量之比。在空間位置中，期望整個顯示器上的輸出是均勻一致的（每像素ZUI小通量的偏差）。在角度空間中，輸出在（~30度）半錐角內(nèi)應該均勻。請注意，此系統(tǒng)是為小型數(shù)字設備所設計的。如果此設計要用于電視或電腦顯示器，則需要更大的半錐角（~90度）。

使用下圖所示的光線追跡控件(Ray Trace Control) 進行光線追跡的相關設置，并注意閾值造成的能量損失。

查看探測器查看器，可以看到大約40%的光源能量到達探測器；由于蒙特卡羅(Monte Carlo) 光線追跡的隨機性，這個值可能會變化幾個百分點。光線錯誤會導致一些能量損失，但在此應用場景中這是無關緊要的。大部分的能量損失是由于光波導中的體吸收造成的，且近10%的能量損失是由于閾值，這在光線要經(jīng)過多次反射的系統(tǒng)中很常見。如果能量損失很大，可以通過將ZUI小相對光線強度降低幾個數(shù)量級來消除這種能量損失，但它會明顯地減慢光線追跡的速度。將閾值降低到1E-6可以將能量損失降低到1%，并將效率提高到46%左右。

查看照度和發(fā)光強度的分布。光源對面的顯示屏照度ZUI高，這是由于光波導造成入射角變大，使TIR更接近光源造成的。發(fā)光強度圖上顯示了幾個峰值，而不是在較小角度內(nèi)具有理想的均勻分布?？梢钥闯?，這種強度分布是楔形光波導和BEF的特點。

根據(jù)目前的定義，系統(tǒng)中幾乎沒有幾何參數(shù)可以修正這些分布。ZUI有效的方法是在楔形光波導中引入散射特性。并且，輸入面、頂面和底面對照度和發(fā)光強度分布的影響ZUI大。

使用以下設置將朗伯散射配置文件應用于光波導的輸入面。

進行光線追跡并觀察輸出特性的差異。確保在光線追跡控件對話框選中“散射光線(Scatter Rays)”

該系統(tǒng)的效率提高了幾個百分點，照明均勻性得到了很大的改善。發(fā)光強度略有改善，但仍存在一些重要問題有待解決。

現(xiàn)在，從光波導的前表面移除散射配置文件，并應用到頂面。默認情況下，使用三個面組定義矩形體，因此不能僅將頂面或底面設置為漫反射板。取而代之，將放置與頂面一致的散射矩形體并為該表面添加散射配置文件。如果該物體與非序列元件編輯器中的矩形體相同，則嵌套規(guī)則將使界面中的新物體處于優(yōu)先地位。在物體7處插入矩形體物體，該矩形體的參數(shù)如下：

Y-坐標 = 2

Z-坐標 = 38.5

X-傾斜 = -90

材料：空白（空氣）

X1、 X2、Y1、 Y2 半寬 = 37.5

Z 長度 = 0.01

朗伯散射配置文件：只用于前表面

保留其他參數(shù)的默認值。運行光線追跡并記錄輸出的變化。

照度均勻性下降，但是影響光照強度的重點問題得到解決，效率也大大提高了。從結果中發(fā)現(xiàn)：需要在輸出的空間分布和角分布的均勻性之間做出權衡；如果在底面使用相似的散射函數(shù)會使效率降低。

根據(jù)結果顯示，理想的散射配置文件應該用于光波導的頂面上，使得在光源附近的光線散射較少，而在相反方向的光散射較多。陣列物體能夠?qū)Ψ蔷€性圖樣進行建模。

優(yōu)化背光源

目前在楔形光波導中ZUI常用的微觀結構制造方式是模壓拉伸/擠出，其優(yōu)點是不需要額外的處理步驟，比如在光波導上打印散射點。本設計將每個微觀結構都做成球形，盡管其他任何物體（本地、導入、布爾等物體）也都可以使用。這是通過將球體陣列放置在光波導的上表面上實現(xiàn)的。通過在非序列元件編輯器中將這些物體放置在光波導之后，并將它們的材料定義為空氣，其效果是在光波導上浮雕出球體（注意嵌套規(guī)則）。將父球體和陣列物體添加到“ Mid Point..zmx ”中（此文件在本文的附件中）。

打開文件時，注意陣列物體12的畫圖極限參數(shù)設置得非常低，是因為陣列中有大量的元素，繪制所有元素需要大量時間。取而代之的是OpticStudio在整個陣列周圍繪制了包圍框。

通過優(yōu)化陣列參數(shù)以達到上述的ZUI佳性能標準。所需的優(yōu)化函數(shù)已經(jīng)在當前文件中定義，打開評價函數(shù)編輯器如下圖所示：

用操作數(shù)5和8分別用于ZUI大化空間均勻性和總光通量，用操作數(shù)10和11來控制光強分布的質(zhì)心，用操作數(shù)13用來控制光強分布的均方根半徑。希望輸出光線不是完全平行的，而是限制在一定的視角范圍內(nèi)，因此，指定了30°作為目標視角。ZUI后一組操作數(shù) (15-18) 是邊界約束，以防止陣列變得太大或太小，當無邊界約束時，優(yōu)化會有產(chǎn)生極限解的趨勢。注意這些操作數(shù)的負數(shù)權重，它們就像拉格朗日乘數(shù)一樣工作，迫使目標得以實現(xiàn)。

優(yōu)化分配的變量如下：

球面物體：半徑

陣列物體：Number X’ & Y’, Delta1 X’ & Y’, Delta2 Y’

由于對稱性的考慮，陣列只需要在y方向上是非線性的。因此只在X方向上分配線性陣列的間距 (Delta1 X ') 。此外，優(yōu)化時很可能不需要陣列的三階和四階參數(shù)可變，所以不將其設為變量。

如果給變量一個有限初始值，而不是從零開始，通常會使優(yōu)化更有效。為了確定二階y方向的起始點，查看通用繪圖并與評價函數(shù)中的值進行對比。打開一維通用圖（分析 (Analysis) >通用繪圖 (Universal Plot)）并應用以下設置。

點擊OK鍵，并進行繪圖更新；這個過程可能需要幾分鐘，具體所需時長取決于電腦的速度。根據(jù)下圖，將陣列物體上的“ Delta2 Y ”參數(shù)設置為5E-3。

背光源設計形式是固定的，只需要優(yōu)化陣列參數(shù)。考慮到這一事實，使用正交下降 (OD) 算法進行錘形優(yōu)化對于達到目標非常有效。錘形優(yōu)化在長時間運行時性能ZUI好，完成之后可以確定沒有與起點相似的更好的設計。在運行錘形優(yōu)化約20小時后，OpticStudio得出了具有良好空間均勻性和可接受的發(fā)光強度的解。請注意，此種發(fā)光強度是此類光波導的特性，不可能在不大幅度改變設計參數(shù)的情況下產(chǎn)生顯著變化。優(yōu)化后的系統(tǒng)見附件：“End Point.zmx”。

還要注意，系統(tǒng)效率已經(jīng)上升到大約60%。如果降低ZUI小相對光線強度閾值，得到的效率接近62%。有可能可以通過在系統(tǒng)中再添加散射和/或膜層屬性進一步提升其性能。

審核編輯：湯梓紅