Lumerical案例 | OLED显示中的反射式偏振片

摩尔芯创

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引言

反射式偏振片是一种应用于现代电视的光学层，用于提升亮度和能效。其工作原理是将未被利用的光线偏振态反射回背光单元，在那里这些光可以被回收，并以正确的偏振态重新投射到显示屏上。这一过程提高了整体光利用率，使显示屏看起来更亮，同时又不增加功耗。

概述

在此示例中，我们将仿真一种多层双折射聚合物反射偏振片，并将结果导出为JSON文件，该文件可用于Ansys Speos中的Lumerical Sub-Wavelength Model(LSWM)插件进行光学仿真。

下图所示为仿真的反射型偏振片。它由各向同性材料和双折射材料交替堆叠而成。

折射率根据以下公式呈现色散：

中𝐴_1,2，𝐵_1,2和𝐶_1,2是拟合参数。

材料1和2的厚度𝑑₁和𝑑₂可由以下公式推导得出：

在这个例子中我们考虑：

和

步骤1. 对具有均匀层的反射式偏振片运行仿真并导出计算结果

在此步骤中，通过扫描入射角（θ和φ）来评估反射偏振片的反射特性。结果将导出为JSON文件，以便在Speos中使用。

步骤2. 对具有不同厚度分布的反射式偏振片运行仿真并导出计算结果

为了获得宽带反射，可以使用厚度不同的层。在本步骤中，我们以上一步的层厚度为起点，并按照以下公式进行线性变化：

不同入射角（theta和phi）的计算结果将导出为JSON文件，以便在Speos中使用。

步骤3. 在Speos中验证和可视化结果

在这个步骤中，导出的JSON文件被导入到Speos中，并与使用Lumerical Sub-Wavelength Plugin定义的表面进行链接。然后使用不同波长的光源在指定入射角下进行一系列模拟，以量化反射偏振器引入的反射和透射能量。

此外，还进行了一项包含背反射器的仿真，展示了显示屏内部的能量回收行为。

运行和结果

步骤1. 对具有均匀层的反射式偏光器运行仿真并导出结果

1.打开并运行reflective_polarizer.lsf脚本文件。该脚本将针对所有入射θ角和φ角的组合以及所有指定的频率点运行STACK求解器。

注意：脚本运行时间可能需要几分钟，具体取决于波长数量和入射角。

以下是p偏振和s偏振正入射的反射结果。

步骤2. 对具有不同厚度分布的反射式偏光器运行仿真并导出结果

1.打开并运行reflective_polarizer_varying_thickness.lsf脚本文件。该脚本将针对所有入射θ角和φ角的组合以及所有指定的频率点运行STACK求解器。上述公式将用于改变各层的厚度。

注意：脚本运行时间可能需要几分钟，具体取决于波长数量和入射角。

下图展示了在垂直入射条件下，采用梯度厚度分布时p偏振光和s偏振光的反射率：

通过改变层厚度，对于正入射，p偏振的反射覆盖了大约430nm–860nm的波长范围。

步骤3. 在Speos中验证和可视化结果

1.打开项目reflective_polarizer.scdocx，并检查“reflective_polarizer”的材料定义设置。关于在Speos中使用LSWM插件的方法，也可参见参阅文末链接[1]。在提供的项目中，定义了三个准直面光源，其入射角分别为0°、30°和60°。

2.加载脚本Speos validation.py。

3.请修改第7行，根据STACK中计算的入射角选择合适的源（例如，在使用本文提供的JSON文件时，对于垂直入射应使用0°）。如有必要，请调整第9行以选择STACK中计算的采样数据。

4.执行脚本。

该脚本会输出反射偏振片在指定入射角下的反射率和透射率随波长变化的曲线。

当使用reflective_polarizer.json作为反射偏振器表面时，反射率结果应与Lumerical STACK 求解器的行为一致：在使用均匀层时，520–580nm波长范围内的反射率应接近100%。

如果将JSON文件更改为reflective_polarizer_gradient.json，总反射范围将扩展至400–700nm，这与Lumerical STACK 求解器得出的结果也一致。

从仿真中移除垂直偏振片表面并添加一个背反射器，或者直接使用名为“System”的预配置仿真。更新后的配置包括一个反射型偏振片、一个表面背光源以及一个定义为理想完美镜面的反射器。

在此配置中，一种偏振态会通过反射偏振片，而正交的偏振态则被反射。随后，被反射的光分量与背反射器发生相互作用，并被进一步重新导向至反射偏振片，从而实现系统内的能量回收。请核对仿真设置，确保“最大表面相互作用次数”设置为10,000，因为光会在反射偏振片与反射器之间发生多次反射。

最后，检查系统的总透射能量。它应为约99.9%，确认能量循环机制按预期工作。

重要模型设置

1. Lumerical模型设置——介电常数旋转

STACK求解器假设入射平面始终为xz平面（即φ=0）。要获得各向异性层对具有给定方位角φ的入射光的响应，必须将相应材料的光轴（即介电常数张量）旋转-φ度。

2. Speos模型设置——传感器色度和光谱采样

选择与STACK中仿真匹配的采样非常重要。

更新模型

1. 定制材料

在该模型中，色散材料是通过预定义的拟合参数实现的。用户可以定义其他色散或非色散材料。材料也可添加到材料数据库中，该数据库仅支持对角介电常数张量。更多信息请参阅文末链接[2]。

2. 定制层厚度

用户可以在反射偏振器模型中指定每层的厚度。厚度分布可以是均匀的，也可以按照线性或指数分布变化。

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