Ansys Zemax反射式偏光增亮膜建模技巧

这篇文章将讲述如何在OpticStudio中建立DBEF。注意,我们不会在档案中建立实际DBEF表面的每一层结构,而是根据需要的输出结果(例如一道已知偏振态(polarization)、且穿过DBEF的光的强度比例)建立模型。透过DBEF在系统中的成效,我们可以确定这种架构是否是可行的。

液晶显示器

在近年来的显示器发展中,液晶显示器(Liquid crystal display, LCD)占有举足轻重的地位。LCD结合了液晶分子和偏振片的光学特性,有效的控制了影像的显现。这种类型的显示器主要由背光板(backlight)、显示增益薄膜(display enhancement film)、液晶面板(LCD cell)以及前后两层的偏振片(polarizer)等组件构成。下图是一个典型的笔记本电脑显示器的架构图。

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「反射式偏光增亮膜(Dual Brightness Enhancement Film)」是一个时常用于建构LCD的结构。在显示器中,DBEF被用来当作反射式偏振片。在下方的示意图中,我们可以看到作为后偏振片的DBEF大幅的提升了显示的亮度,使原本会被吸收的光线可以有效的被利用。

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DBEF 表面属性

DBEF是一个长方形的表面,能将入射光线依据偏振态分为穿透光及反射光。模拟的设定上,我们可以输入穿透和反射光在x及y方向上的分量来定义这个表面。在这个范例中,我们建立了一个理想的DBEF,y方向偏振光可以100%穿透,而x方向偏振光则是100%反射。

测试DBEF

为了分析DBEF的表现,我们建立了一个简化的模型包括了光源、散射表面(diffusive surface)、偏振片(polarizer)、一个防止漏光的反射罩(reflective enclosure)以及侦测器(detector),并量测这个模型的输出光功率。示例文件可由私信方式获取。

在模拟软件中,我们分别利用两种物体'长方体光源(Source Rectangle)'及'长方体对象(Rectangular Volume) '代表背光板(backlight)及散射体(diffuser)。其中长方体对象(Rectangular Volume)是由面镜(MIRROR)所构成,包围所有组件使系统不会漏光。接着在对象特性(object properties)中,将这个物件的前表面(Front Surface)的散射分布(scatter distribution)类型设定为'Lambertian',赋予它散射表面(diffusive surface)的特性。这时,DBEF就可以成功的让被反射的能量变成具有随机偏振态(random polarization)的光线,并能再次被系统所利用。注意,这个范例中的光学系统并一个不是完整的显示器结构,但已足够让我们透过分析得到明确的结果。我们可以通过这个简化的系统,比较DBEF的有无对输出能量造成的影响。

此外,我们将'Jones Matrix对象'作为LCD面板的后偏振片。这种结构所产生的表面可供设计者自由输入Jones Matrix的实部及虚部参数,以明确定义表面的偏振态。下表列出一些较具代表性的Jones Matrix,不同的矩阵元素设定对入射光偏振态产生的影响各有所异。在这个范例中,为了产生一个Y检偏镜(Y Analyzer,只允许y方向的光分量通过),我们将D的实数部分设为1,其余元素均设为0。

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为了分析DBEF的成效,我们在光源(source)和偏振片(polarizer)间建立「反射式偏光增亮表面(Dual Brightness Enhancement Film Surface),DBEF」对象,并在偏振片后方增设了一个'长方体侦测器(Rectangle Detector)'。为了提高的光线追迹的效率,如下图我们可以在System Explorer中的Non-Sequential字段增加每道光线与物体的最大交点数(intersection)以及片段数(segment),并且降低最小相对光线强度(minimum relative ray intensity,可被追迹的光线的能量最小值)。透过以上的步骤,我们可以增加可追迹光线的能量范围,以避免无效追迹所造成的能量损耗。

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分析

我们会进行两次的光线追迹(ray trace),比较DBEF的有无对结果造成的影响。如下方第一组结果,由Type... Rays Ignore Object... Always的操作顺序,我们可以在对照组中摒除DBEF表面的效果,此时光线不会在入射此结构时发生任何变化。观察以下两组结果的输出功率,我们可以得知DBEF是否对系统的亮度有所增益。

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由第一组结果的Total Power,我们可以看到没有DBEF的系统中仅有约50%的能量可被侦测,而这个结果符合我们对于随机偏振(randomly polarized)光的预期。相对的,有DBEF的系统的输出功率(Total Power)可以达到82%,显示了此结构可以有效的增强显示亮度。而由以上两个数据得到的64%功率增益,也与现今实际的产品结果相当接近。

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