引言

反射式偏振片是一種應(yīng)用于現(xiàn)代電視的光學(xué)層，用于提升亮度和能效。其工作原理是將未被利用的光線偏振態(tài)反射回背光單元，在那里這些光可以被回收，并以正確的偏振態(tài)重新投射到顯示屏上。這一過程提高了整體光利用率，使顯示屏看起來更亮，同時(shí)又不增加功耗。

概述

在此示例中，我們將仿真一種多層雙折射聚合物反射偏振片，并將結(jié)果導(dǎo)出為JSON文件，該文件可用于Ansys Speos中的Lumerical Sub-Wavelength Model(LSWM)插件進(jìn)行光學(xué)仿真。

下圖所示為仿真的反射型偏振片。它由各向同性材料和雙折射材料交替堆疊而成。

折射率根據(jù)以下公式呈現(xiàn)色散：

中??_1,2，??_1,2和??_1,2是擬合參數(shù)。

材料1和2的厚度??₁和??₂可由以下公式推導(dǎo)得出：

在這個(gè)例子中我們考慮：

和

步驟1. 對具有均勻?qū)拥姆瓷涫狡衿\(yùn)行仿真并導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果

在此步驟中，通過掃描入射角（θ和φ）來評估反射偏振片的反射特性。結(jié)果將導(dǎo)出為JSON文件，以便在Speos中使用。

步驟2. 對具有不同厚度分布的反射式偏振片運(yùn)行仿真并導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果

為了獲得寬帶反射，可以使用厚度不同的層。在本步驟中，我們以上一步的層厚度為起點(diǎn)，并按照以下公式進(jìn)行線性變化：

不同入射角（theta和phi）的計(jì)算結(jié)果將導(dǎo)出為JSON文件，以便在Speos中使用。

步驟3. 在Speos中驗(yàn)證和可視化結(jié)果

在這個(gè)步驟中，導(dǎo)出的JSON文件被導(dǎo)入到Speos中，并與使用Lumerical Sub-Wavelength Plugin定義的表面進(jìn)行鏈接。然后使用不同波長的光源在指定入射角下進(jìn)行一系列模擬，以量化反射偏振器引入的反射和透射能量。

此外，還進(jìn)行了一項(xiàng)包含背反射器的仿真，展示了顯示屏內(nèi)部的能量回收行為。

運(yùn)行和結(jié)果

步驟1. 對具有均勻?qū)拥姆瓷涫狡馄鬟\(yùn)行仿真并導(dǎo)出結(jié)果

1.打開并運(yùn)行reflective_polarizer.lsf腳本文件。該腳本將針對所有入射θ角和φ角的組合以及所有指定的頻率點(diǎn)運(yùn)行STACK求解器。

注意：腳本運(yùn)行時(shí)間可能需要幾分鐘，具體取決于波長數(shù)量和入射角。

以下是p偏振和s偏振正入射的反射結(jié)果。

步驟2. 對具有不同厚度分布的反射式偏光器運(yùn)行仿真并導(dǎo)出結(jié)果

1.打開并運(yùn)行reflective_polarizer_varying_thickness.lsf腳本文件。該腳本將針對所有入射θ角和φ角的組合以及所有指定的頻率點(diǎn)運(yùn)行STACK求解器。上述公式將用于改變各層的厚度。

注意：腳本運(yùn)行時(shí)間可能需要幾分鐘，具體取決于波長數(shù)量和入射角。

下圖展示了在垂直入射條件下，采用梯度厚度分布時(shí)p偏振光和s偏振光的反射率：

通過改變層厚度，對于正入射，p偏振的反射覆蓋了大約430nm–860nm的波長范圍。

步驟3. 在Speos中驗(yàn)證和可視化結(jié)果

1.打開項(xiàng)目reflective_polarizer.scdocx，并檢查“reflective_polarizer”的材料定義設(shè)置。關(guān)于在Speos中使用LSWM插件的方法，也可參見參閱文末鏈接[1]。在提供的項(xiàng)目中，定義了三個(gè)準(zhǔn)直面光源，其入射角分別為0°、30°和60°。

2.加載腳本Speos validation.py。

3.請修改第7行，根據(jù)STACK中計(jì)算的入射角選擇合適的源（例如，在使用本文提供的JSON文件時(shí)，對于垂直入射應(yīng)使用0°）。如有必要，請調(diào)整第9行以選擇STACK中計(jì)算的采樣數(shù)據(jù)。

4.執(zhí)行腳本。

該腳本會輸出反射偏振片在指定入射角下的反射率和透射率隨波長變化的曲線。

當(dāng)使用reflective_polarizer.json作為反射偏振器表面時(shí)，反射率結(jié)果應(yīng)與Lumerical STACK 求解器的行為一致：在使用均勻?qū)訒r(shí)，520–580nm波長范圍內(nèi)的反射率應(yīng)接近100%。

如果將JSON文件更改為reflective_polarizer_gradient.json，總反射范圍將擴(kuò)展至400–700nm，這與Lumerical STACK 求解器得出的結(jié)果也一致。

從仿真中移除垂直偏振片表面并添加一個(gè)背反射器，或者直接使用名為“System”的預(yù)配置仿真。更新后的配置包括一個(gè)反射型偏振片、一個(gè)表面背光源以及一個(gè)定義為理想完美鏡面的反射器。

在此配置中，一種偏振態(tài)會通過反射偏振片，而正交的偏振態(tài)則被反射。隨后，被反射的光分量與背反射器發(fā)生相互作用，并被進(jìn)一步重新導(dǎo)向至反射偏振片，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的能量回收。請核對仿真設(shè)置，確保“最大表面相互作用次數(shù)”設(shè)置為10,000，因?yàn)楣鈺诜瓷淦衿c反射器之間發(fā)生多次反射。

最后，檢查系統(tǒng)的總透射能量。它應(yīng)為約99.9%，確認(rèn)能量循環(huán)機(jī)制按預(yù)期工作。

重要模型設(shè)置

1. Lumerical模型設(shè)置——介電常數(shù)旋轉(zhuǎn)

STACK求解器假設(shè)入射平面始終為xz平面（即φ=0）。要獲得各向異性層對具有給定方位角φ的入射光的響應(yīng)，必須將相應(yīng)材料的光軸（即介電常數(shù)張量）旋轉(zhuǎn)-φ度。

2. Speos模型設(shè)置——傳感器色度和光譜采樣

選擇與STACK中仿真匹配的采樣非常重要。

更新模型

1. 定制材料

在該模型中，色散材料是通過預(yù)定義的擬合參數(shù)實(shí)現(xiàn)的。用戶可以定義其他色散或非色散材料。材料也可添加到材料數(shù)據(jù)庫中，該數(shù)據(jù)庫僅支持對角介電常數(shù)張量。更多信息請參閱文末鏈接[2]。

2. 定制層厚度

用戶可以在反射偏振器模型中指定每層的厚度。厚度分布可以是均勻的，也可以按照線性或指數(shù)分布變化。

附加資源

相關(guān)出版物

1.Y. Li, T. X. Wu and S. -T. Wu, "Design Optimization of Reflective Polarizers for LCD Backlight Recycling," in Journal of Display Technology, vol. 5, no. 8, pp. 335-340, Aug. 2009, doi: 10.1109/JDT.2009.2027033

另見

• [1]article
• https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/13240235894035-Lumerical-Sub-Wavelength-Model-plugin-Usage-in-Speos
• [2]Creating anisotropic optical materials in FDTD and MODE – Ansys Optics
• https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360034394694-Creating-anisotropic-optical-materials-in-FDTD-and-MODE
• [3]Antireflective circular polarizers in OLED display
• https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/5845197523731-Antireflective-circular-polarizers-in-OLED-display
• [4]STACK Optical Solver Overview
• https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360034914653-STACK-Optical-Solver-Overview
• [5]stackrt - Script command
• https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360034406254-stackrt-Script-command
• [6]Lumerical Sub-Wavelength Model plugin: Introduction and Data Generation
• https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/8597760630163-Lumerical-Sub-Wavelength-Model-plugin-Introduction-and-Data-Generation
• [7]High-Resolution OLED Modeling with 2D Spatially Varying RGB Intensity
• https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/42149437466643-High-Resolution-OLED-Modeling-with-2D-Spatially-Varying-RGB-Intensity