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這篇文章將會說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模擬「反射式偏光增亮膜(Dual Brightness Enhancement Film, DBEF)」。為了確認這種結構的效能，我們在範例檔案中建立了一個經簡化的LCD模型，結構包括光源、反光罩(reflective enclosure)、散射表面(diffusive surface)和偏振片(polarizer)。利用這個模型，我們可以比較DBEF的存在與否，會對系統的發光效能造成什麼影響。
作者 Jade Aiona
简介
這篇文章將講述如何在OpticStudio中建立DBEF。注意，我們不會在檔案中建立實際DBEF表面的每一層結構，而是根據需要的輸出結果(例如一道已知偏振態(polarization)、且穿過DBEF的光的強度比例)建立模型。透過DBEF在系統中的成效，我們可以確定這種架構是否是可行的。
液晶顯示器
在近年來的顯示器發展中，液晶顯示器(Liquid crystal display, LCD)佔有舉足輕重的地位。LCD結合了液晶分子和偏振片的光學特性，有效的控制了影像的顯現。這種類型的顯示器主要由背光板(backlight)、顯示增益薄膜(display enhancement film)、液晶面板(LCD cell)以及前後兩層的偏振片(polarizer)等元件構成。下圖是一個典型的筆記型電腦顯示器的架構圖。
「反射式偏光增亮膜(Dual Brightness Enhancement Film)」是一個時常用於建構LCD的結構。在顯示器中，DBEF被用來當作反射式偏振片。在下方的示意圖中，我們可以看到作為後偏振片的DBEF大幅的提升了顯示的亮度，使原本會被吸收的光線可以有效的被利用。
DBEF表面物件
DBEF是一個長方形的表面，能將入射光線依據偏振態分為穿透光及反射光。模擬的設定上，我們可以輸入穿透和反射光在x及y方向上的分量來定義這個表面。在這個範例中，我們建立了一個理想的DBEF，y方向偏振光可以100%穿透，而x方向偏振光則是100%反射。
測試DBEF
為了分析DBEF的表現，我們建立了一個簡化的模型包括了光源、散射表面(diffusive surface)、偏振片(polarizer)、一個防止漏光的反射罩(reflective enclosure)以及偵測器(detector)，並量測這個模型的輸出光功率。範例檔案可由文章頂端連結下載。
在模擬軟體中，我們分別利用兩種物體’長方體光源(Source Rectangle)’及’長方體物件(Rectangular Volume) ’代表背光板(backlight)及散射體(diffuser)。其中長方體物件(Rectangular Volume)是由面鏡(MIRROR)所構成，包圍所有元件使系統不會漏光。接著在物件特性(object properties)中，將這個物件的前表面(Front Surface)的散射分佈(scatter distribution)類型設定為’Lambertian’，賦予它散射表面(diffusive surface)的特性。這時，DBEF就可以成功的讓被反射的能量變成具有隨機偏振態(random polarization)的光線，並能再次被系統所利用。注意，這個範例中的光學系統並一個不是完整的顯示器結構，但已足夠讓我們透過分析得到明確的結果。我們可以透過這個簡化的系統，比較DBEF的有無對輸出能量造成的影響。如果想要了解更多關於如何建構完整LCD背光系統的資訊，你可以參考這篇文章。
此外，我們將’Jones Matrix物件’作為LCD面板的後偏振片。這種結構所產生的表面可供設計者自由輸入Jones Matrix的實部及虛部參數，以明確定義表面的偏振態。下表列出一些較具代表性的Jones Matrix，不同的矩陣元素設定對入射光偏振態產生的影響各有所異。在這個範例中，為了產生一個Y檢偏鏡(Y Analyzer，只允許y方向的光分量通過)，我們將D的實數部分設為1，其餘元素均設為0。如果想了解更多Jones Matrix的使用範例，你可以參考這篇文章。
為了分析DBEF的成效，我們在光源(source)和偏振片(polarizer)間建立「反射式偏光增亮表面(Dual Brightness Enhancement Film Surface)，DBEF」物件，並在偏振片後方增設了一個’長方體偵測器(Rectangle Detector)’。為了提高的光線追跡的效率，如下圖我們可以在System Explorer中的Non-Sequential欄位增加每道光線與物體的最大交點數(intersection)以及片段數(segment)，並且降低最小相對光線強度(minimum relative ray intensity，可被追跡的光線的能量最小值)。透過以上的步驟，我們可以增加可追跡光線的能量範圍，以避免無效追跡所造成的能量損耗。
分析
我們會進行兩次的光線追跡(ray trace)，比較DBEF的有無對結果造成的影響。如下方第一組結果，由Type...Rays Ignore Object...Always的操作順序，我們可以在對照組中摒除DBEF表面的效果，此時光線不會在入射此結構時發生任何變化。觀察以下兩組結果的輸出功率，我們可以得知DBEF是否對系統的亮度有所增益。
由第一組結果的Total Power，我們可以看到沒有DBEF的系統中僅有約50%的能量可被偵測，而這個結果符合我們對於隨機偏振(randomly polarized)光的預期。相對的，有DBEF的系統的輸出功率(Total Power)可以達到82%，顯示了此結構可以有效的增強顯示亮度。而由以上兩個數據得到的64%功率增益，也與現今實際的產品結果相當接近。
KA-01631