Ansys Zemax | 如何使用反射式偏光增亮膜建立模型

这篇文章将会说明如何在非序列模式（Non-Sequential mode）中利用「反射式偏光增亮表面（Dual Brightness Enhancement Film Surface）」的功能，在OpticStudio模拟「反射式偏光增亮膜（Dual Brightness Enhancement Film， DBEF）」。为了确认这种结构的效能，我们在范例档案中建立了一个经简化的LCD模型，结构包括光源、反光罩（reflective enclosure）、散射表面（diffusive surface）和偏振片（polarizer）。利用这个模型，我们可以比较DBEF的存在与否，会对系统的发光效能造成什么影响。

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简介

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。

「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。

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。

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。

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。

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。