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。可以通過交替使用“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，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)中非常復雜的元件。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存，并且可以通過調整父物體的參數(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，即使它內部僅僅含有幾何物體。
現(xiàn)在已經搭建了基本系統(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（每像素極小通量的偏差）。在角度空間中，輸出在（~30度）半錐角內應該均勻。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，可以通過將極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極高，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。理想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)光強度分布的影響較大。
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。陣列物體能夠對非線性圖樣進行建模。
目前在楔形光波導中比較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)以達到上述的理想性能標準。所需的優(yōu)化函數(shù)已經在當前文件中定義，打開評價函數(shù)編輯器如下圖所示：
用操作數(shù)5和8分別用于極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，因此，指定了30°作為目標視角。結尾一組操作數(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比較理想，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)效率已經上升到大約60%。如果降低極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。
聯(lián)系我們
電話：15521163312(微信同號)
郵箱：wenye@mooreda.com.cn
相關閱讀
使用OpticStudio進行閃光激光雷達系統(tǒng)建模（下）
使用OpticStudio進行閃光激光雷達系統(tǒng)建模（中）
使用OpticStudio進行閃光激光雷達系統(tǒng)建模（上）
大功率激光系統(tǒng)的STOP分析5：OpticStudio STAR模塊工作流程
大功率激光系統(tǒng)的STOP分析4: 使用OpticStudio仿真激光吸收
大功率激光系統(tǒng)的STOP分析3：使用OpticsBuilder完成光機初始設計
大功率激光系統(tǒng)的STOP分析2：如何進行光機械設計準備
大功率激光系統(tǒng)的STOP分析1：如何使用OpticStudio優(yōu)化光學設置