//Logo Image
作者:王耀東(2004-06-02);推薦:徐業良(2004-06-07)
附註:本文為九十三學年度元智大學機械工程研究所王耀東碩士論文「液晶顯示器之直下型背光光學效能最佳化之研究」第三章。

第三章 Speos光學模擬軟體與光學原理簡介

本研究使用之光學模擬軟體為法國Optis公司所開發之Speos,主要用於處理光學上的模擬及運算。本文將不深入探討光學模擬工具軟體的內部演算法,僅先就此光學模擬軟體做簡單的說明及介紹。

3.1 Speos光學模擬軟體的運算流程

3-1Speos光學模擬軟體的運作模式。首先在前處理建立虛擬原型(virtual prototype)有三個步驟:

(1)    輸入幾何圖形

可從軟體內部的編輯器產生或以匯入的方式來建立幾何模型,可支援的匯入格式有:Pro/ECatiaUnigraphicsUnisurfCaddsParasolidAMDACISVDA

(2)    定義材料及表面性質

可從軟體內部的材質庫取得或以內部編輯的方式來設定,設定內容包含,折射率(Refractive index)、吸收(Absorption)、反射(Reflection)、漫射(Scattering)、光譜(Spectrum)等。

(3)    加入光源

可從軟體內部的燈源庫取得或以內部編輯的方式來設定,設定內容包含,光源幾何(Geometry)、能量(Power)、光譜(Spectrum)、發光模式等。

建立虛擬原型後,接著執行光度的模擬,再從輸出結果確認設計的可行性,輸出的結果可依模擬的種類不同,區分為照度(Illuminance)、強度(Intensity)、和輝度(Luminance),本研究將使用到照度(Illuminance)的模擬方式,來進行最佳化的求解。

3-1. Speos光學模擬軟體運算流程圖

3.2 光學原理

以下將針對本研究之直下型背光光學系統所利用到的基本光學原理稍做說明。光學原理應用在背光板上,大致有反射(Reflection)、折射(Refraction)、全反射(Total Internal Reflection, TIR)、吸收(Absorption)、燈源(Light Sources)幾項,均屬於幾何光學的光學領域。

(1)    反射(Reflection)

反射可分為三種形式,鏡面反射(Specular reflection)、擴散反射(Spread reflection)和漫射反射(Diffuse reflection),鏡面反射是指光線的入射角度相等於反射的角度,如圖3-2;擴散反射發生當在不平坦的表面且反射的光線超過一個角度,所有的反射光的反射角或多或少會與入射角相同,如圖3-3;漫射型的反射,有時候又稱作“Lambertian scattering”或“Diffusion”,這種情形發生在粗糙或不光滑的表面,其反射光會有許多不同的角度,如圖3-4

3-2. 鏡面反射(Illumination Fundamentals,p.9)

3-3. 擴散反射(Illumination Fundamentals,p.9)

3-4. 漫射反射(Illumination Fundamentals,p.9)

當光線照在一個完美的光滑表面會發生鏡面反射,完全遵守「反射定律(Law of reflection)」,入射角(入射光線與垂直表面的法線所夾的角度,Incident angle )會相等於反射角(反射光線與垂直表面的法線所夾的角度,Reflected angle ),如圖3-5。當光線照在一個粗糙的表面,光線將會立刻以許多不同的方向反射或穿透,如圖3-6,在背光的材料中,擴散板、擴散片屬於穿透擴散(Diffuse transmission)的性質,底反射板、燈管固定框架屬於反射擴散(Diffuse reflectance)性質。

3-5. 反射定律

3-6. 穿透及反射擴散(Illumination Fundamentals, p.16)

(2)    折射(Refraction, Snell’s law)

當光線從一種材料行進到另一種材料時,例如從空氣進到玻璃,此時光線會被折射,也就是光線會彎曲及改變速度。折射取決於二個因子:一個是入射角(Incident angle)以符號表示,另一個為材料的折射率(Refractive index),以字母表示,折射率等於真空中的光速(c)比上光在材料中的光速(v)

                                                                                                              (3-1)

空氣中的光速幾乎相同於真空中的光速,因此空氣的折射率可視為1(),幾乎所有其他物質的折射率都是大於1,因為光通過這些物質,其速度會降低。如圖3-7,光通過折射率不同的介質時,入射角和折射角的關係可由Snell’s law表示:

                                                                                         (3-2)

其中n1為介質1的折射率,n2為介質2的折射率,q1為光線的入射角,q2為光線的折射角。

3-7. 折射(Refraction) and Snell’s law.

(3)    全反射(Total Internal Reflection, TIR)

根據折射定律,當光由一個較高折射率的材料行進到一個較低折射率的材料時,隨著入射角的增大,折射光會愈偏離法線,當入射角達到一個臨界角度(Critical Angle, ),折射光線將會通過兩種材料的邊界,若入射角再增大,所有的光線將被反射回材料的內部。圖3-8在說明幾條不同入射角的光線,光線1、光線2和光線3的入射角小於;光線4的入射角正好等於;光線5的入射角大於。背光的材料中如PMMATIR = 42.2°Typical glassTIR = 41.8°PolycarbonateTIR = 35.7°

3-8. 全反射示意圖(Illumination Fundamentals, p.13)

(4)    吸收(Absorption)

一個物體可以吸收部分或全部的入射光轉換成熱,許多材料會吸收特定波長的光線,稱之為選擇性吸收(Selective absorption)。材料對光線的吸收性可由“Lambert’s law of absorption”表示:

                                                                                                       (3-3)

其中I0為入射光線強度,I為穿透光線強度,a為材料吸收係數,x為材料厚度。

由式(3-3)可知相同厚度的同質材料對於光的吸收率相同,例如有一個厚度1公分的材料會將進來的光線吸收一半,剩下的一半光線再經過另外一塊厚度1公分的相同材料,又會再將光束吸收一半,如圖3-9,因此只有的原始光線穿過這個總厚度為2公分的材料。

3-9. Lambert’s law of absorption. (Illumination Fundamentals,p.14)

(5)    光源Light Sources

本研究將採用直線型之冷陰極燈管作為直下型背光的光源,在Speos光學模擬軟體的設定上將輸入光源的能量(Power)及光譜(Spectrum)來進行模擬。

3.3 Speos光學模擬誤差定義

Speos模擬軟體之精確度(precision)與模擬的畫素(pixel)所接收的光線數有關,誤差定義如式(3-4)

                                                                                                  (3-4)

Error介於01之間,N表示每一個畫素內的光線數。因此,在1個畫素內只有1條光線時,其Error1(100%),所以畫素內的光線數量不同代表著誤差值也不同,如表3-1

3-1. 光線數與誤差的關係

Error

Rays

100.0%

1

31.5%

10

10.0%

100

3.2%

1000

1.0%

10,000

所以當光學量測設備感測器(sensor)的畫素為100×100時,光線數與誤差的關係就就需在乘上畫素數。以上所述為平均光線數,因為每個畫素不會都接收相同的光線數,會有小部分被吸收,所以正確的名稱應定義為平均精確度。因此在進行模擬時,需考慮模擬適度的精確度,因為愈高的精確度需要更多的運算時間。一般使用此類型的模擬軟體,初步先求得趨勢,取出較佳的組合再進行更精確的模擬。

參考資料

Alexander D. Ryer, “Light Measurement Handbook,” International Light Inc., 1998.

Alma E. F. Taylor “Illumination Fundamentals,” Lighting Research Center, 1990.

“Optics Training,” Optis Corporation, 2001.

“Speos 2004 Reference Manual,” Optis Corporation, 2003.

“Speos 2004 Tutorial,” Optis Corporation, 2003.

“Speos 2004 User’s Guide,” Optis Corporation, 2003.