AnsysZemax光学设计软件技术教程：如何建立LCD背光源模型

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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

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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。

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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。

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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：

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 mm

BEF：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。

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。

BEF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。

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。

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。

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。

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)”!

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 = 2

Z-坐标 = 38.5

X-倾斜 = -90

材料：空白（空气）

X1、 X2、Y1、 Y2 半宽 = 37.5

Z 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。

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：

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。

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。

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”。

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。

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