液晶顯示器 (LCDs) 作為一種顯示技術(shù)，在當(dāng)今社會(huì)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在商業(yè)領(lǐng)域中較為突出的應(yīng)用包括計(jì)算機(jī)顯示器、移動(dòng)電話、電視和手持?jǐn)?shù)字設(shè)備。

當(dāng)環(huán)境光照條件不足時(shí)，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(jìn)行建模，且邊緣照明方案中存在更復(fù)雜的設(shè)計(jì)問題，本文將重點(diǎn)對(duì)此進(jìn)行介紹。

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(hù)殼。

獲取更多參考信息：http://educypedia.karadimov.info/library/AN-007_Backlighting.pdf

本文的重點(diǎn)內(nèi)容是邊緣照明設(shè)計(jì)，使用楔形導(dǎo)光板對(duì)放置于LCD顯示器旁邊的光源發(fā)出的光進(jìn)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(shí)際的液晶層，只考慮背光源設(shè)計(jì)。

邊緣照明LCD的詳細(xì)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(dǎo)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(dǎo)，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(qiáng)度和偏振特性。

在此設(shè)計(jì)案例中假設(shè)一些約束條件：將基于標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)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(dǎo)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(gè)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) 。基本設(shè)計(jì)和參數(shù)在“Starting Point.zmx” 文件中定義。請(qǐng)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(dāng)被激發(fā)的電子撞擊陰極管表面的涂層材料時(shí)，冷陰極熒光燈管發(fā)光。使用“管光源”對(duì)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(dǎo)模型。該物體可以存在不同的端面尺寸和傾斜。請(qǐng)注意，只有傾斜物體才能保持光波導(dǎo)的上表面與X-Z平面平行。由于物體是圍繞光波導(dǎo)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(shè)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(fù)雜的元件。手動(dòng)復(fù)制父棱鏡將非常耗時(shí)，且在光線追跡時(shí)需要大量內(nèi)存?？梢杂藐嚵形矬w來替代復(fù)制棱鏡，因?yàn)樗恍枰c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(gè)陣列。同時(shí)，請(qǐng)注意存在陣列時(shí)的光線追跡速度，即使它內(nèi)部僅僅含有幾何物體。

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(shè)計(jì)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是能量傳遞效率和均勻性（照度和發(fā)光強(qiáng)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(gè)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(nèi)應(yīng)該均勻。請(qǐng)注意，此系統(tǒng)是為小型數(shù)字設(shè)備所設(shè)計(jì)的。如果此設(shè)計(jì)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(jìn)行光線追跡的相關(guān)設(shè)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(dá)探測器；由于蒙特卡羅?(Monte Carlo) 光線追跡的隨機(jī)性，這個(gè)值可能會(huì)變化幾個(gè)百分點(diǎn)。光線錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致一些能量損失，但在此應(yīng)用場景中這是無關(guān)緊要的。大部分的能量損失是由于光波導(dǎo)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，可以通過將極小相對(duì)光線強(qiáng)度降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)來消除這種能量損失，但它會(huì)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(qiáng)度的分布。光源對(duì)面的顯示屏照度極高，這是由于光波導(dǎo)造成入射角變大，使TIR更接近光源造成的。發(fā)光強(qiáng)度圖上顯示了幾個(gè)峰值，而不是在較小角度內(nèi)具有理想的均勻分布。可以看出，這種強(qiáng)度分布是楔形光波導(dǎo)和BEF的特點(diǎn)。

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(dǎo)中引入散射特性。并且，輸入面、頂面和底面對(duì)照度和發(fā)光強(qiáng)度分布的影響較大。

使用以下設(shè)置將朗伯散射配置文件應(yīng)用于光波導(dǎo)的輸入面。

進(jìn)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(duì)話框選中“散射光線?(Scatter Rays)”

該系統(tǒng)的效率提高了幾個(gè)百分點(diǎn)，照明均勻性得到了很大的改善。發(fā)光強(qiáng)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(dǎo)的前表面移除散射配置文件，并應(yīng)用到頂面。默認(rèn)情況下，使用三個(gè)面組定義矩形體，因此不能僅將頂面或底面設(shè)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(biāo) = 2

Z-坐標(biāo) = 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(rèn)值。運(yùn)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(qiáng)度的重點(diǎn)問題得到解決，效率也大大提高了。從結(jié)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(quán)衡；如果在底面使用相似的散射函數(shù)會(huì)使效率降低。

根據(jù)結(jié)果顯示，理想的散射配置文件應(yīng)該用于光波導(dǎo)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(jìn)行建模。

打開文件時(shí)，注意陣列物體12的畫圖極限參數(shù)設(shè)置得非常低，是因?yàn)殛嚵兄杏写罅康脑?，繪制所有元素需要大量時(shí)間。取而代之的是OpticStudio在整個(gè)陣列周圍繪制了包圍框。

通過優(yōu)化陣列參數(shù)以達(dá)到上述的理想性能標(biāo)準(zhǔn)。所需的優(yōu)化函數(shù)已經(jīng)在當(dāng)前文件中定義，打開評(píng)價(jià)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(qiáng)分布的質(zhì)心，用操作數(shù)13用來控制光強(qiáng)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(biāo)視角。結(jié)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(dāng)無邊界約束時(shí)，優(yōu)化會(huì)有產(chǎn)生極限解的趨勢。注意這些操作數(shù)的負(fù)數(shù)權(quán)重，它們就像拉格朗日乘數(shù)一樣工作，迫使目標(biāo)得以實(shí)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(duì)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(shí)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(shè)為變量。

如果給變量一個(gè)有限初始值，而不是從零開始，通常會(huì)使優(yōu)化更有效。為了確定二階y方向的起始點(diǎn)，查看通用繪圖并與評(píng)價(jià)函數(shù)中的值進(jìn)行對(duì)比。打開一維通用圖（分析 (Analysis) >通用繪圖 (Universal Plot)）并應(yīng)用以下設(shè)置。

點(diǎn)擊OK鍵，并進(jìn)行繪圖更新；這個(gè)過程可能需要幾分鐘，具體所需時(shí)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(shè)置為5E-3。

背光源設(shè)計(jì)形式是固定的，只需要優(yōu)化陣列參數(shù)?？紤]到這一事實(shí)，使用正交下降 (OD) 算法進(jìn)行錘形優(yōu)化對(duì)于達(dá)到目標(biāo)非常有效。錘形優(yōu)化在長時(shí)間運(yùn)行時(shí)性能比較理想，完成之后可以確定沒有與起點(diǎn)相似的更好的設(shè)計(jì)。在運(yùn)行錘形優(yōu)化約20小時(shí)后，OpticStudio得出了具有良好空間均勻性和可接受的發(fā)光強(qiáng)度的解。請(qǐng)注意，此種發(fā)光強(qiáng)度是此類光波導(dǎo)的特性，不可能在不大幅度改變設(shè)計(jì)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%。如果降低極小相對(duì)光線強(qiáng)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(jìn)一步提升其性能。

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