Lumerical案例 | 模拟像素级液晶变化以应用于显示领域 原创

引言

液晶（LC）因其分子取向可通过电控方式调节以调制光线，因此被广泛应用于液晶电视和显示器中。因此，对液晶行为进行精确模拟对于预测显示性能至关重要。

在本研究中，我们使用Lumerical STACK求解器对空间取向随位置变化的液晶（LC）进行仿真，并导出结果。这使得每个像素都能具有独特的液晶状态。随后将结果导入Speos进行光学响应验证。

概述

在本例中，我们将使用Lumerical Sub-Wavelength Model: How to Simulate a Grating with Spatial Variations – Ansys Optics(请参阅文末链接[1])来仿真像素级的液晶（LC）状态，具体方法是构建一个空间映射，其中每个像素都被分配了一个特定的液晶旋转角。该旋转角度直接控制透射亮度，其中0°对应黑色（无光透射），90°对应最大亮度，而中间角度则产生相应的亮度级别。

在此框架下，通过构建这样的二进制空间掩模，可以在120毫米×60毫米的显示屏上形成“LCD”标志。标志中的所有像素均设置为0°液晶旋转角度，从而确保无论其位置或像素颜色如何，这些像素均显示为黑色。

除了徽标外，该显示屏还具有水平方向的亮度渐变效果，不同颜色像素的亮度渐变方式也各不相同。从左向右，红色像素的亮度逐渐增加，左侧为黑色（液晶旋转角为0°），右侧达到最大亮度（液晶旋转角为90°）。绿色像素则呈现对称分布：其亮度从左侧的黑色开始逐渐增加，在屏幕中央达到最大值，然后向右侧逐渐减弱至黑色，这对应着液晶旋转角度在屏幕中部增至90°后又逐渐减小。蓝色像素的表现与红色相反，从左侧的最大亮度（液晶旋转90°）开始，线性减弱至右侧的黑色（液晶旋转0°）。

最终结果可以表示为一张二维图，如下图所示，其中每个像素都被赋予一个值，用于描述其液晶状态。在此图中，数值1对应液晶旋转0°（黑色），而最大值对应液晶旋转90°（最大亮度），而介于这两者之间的数值，则代表了液晶旋转状态的各种中间值。

步骤1：运行LC map并导出结果

在此步骤中，我们首先为每个像素生成描述不同液晶旋转状态的空间映射图。基于这些状态，我们使用STACK求解器进行仿真，以计算每种液晶配置对应的透射率和反射率。在计算过程中，我们会考虑多个波长点以及不同的入射角θ和φ。结果将导出为JSON文件格式，以便在Speos中使用。

步骤2：在Speos中验证并可视化结果

在此步骤中，将导出的JSON文件导入Speos，并使用Lumerical Sub-Wavelength插件将其映射到一个已定义的表面上。由于JSON文件仅用于控制显示面板下方液晶层的透光率，因此需要在液晶层之上再添加一层基于颜料的RGB显示层，从而实现全彩色显示效果。这样一来，当液晶像素以90°角度排列时，就能实现最大亮度，进而照亮上层显示层中对应的RGB像素。

运行和结果

步骤1：运行LC map并导出结果

打开并运行Generate_JSON_XY_map_gradual_LCD.lsf脚本文件。该脚本将生成LC映射，并针对所有入射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：根据所涉及的波长和入射角的不同，该脚本的运行时间可能需几分钟不等。

为说明偏振转换现象，我们分别以0°和90°的液晶旋转角度作为典型例子进行说明。该分析基于从STACK求解器获得的复透射系数。对于入射p偏振波，透射场由同偏振分量tpp和交叉偏振分量tps描述，其透射功率分别由|tpp|²和|tps|²给出。

对于0°液晶旋转的情况，|tps|²的值可以忽略不计。这表明未发生偏振转换，透射光在很大程度上保留了其初始的p偏振状态（|tpp|²≈1）。

相比之下，在90°的液晶旋转情况下，观察到显著的|tps|²分量，表明p偏振向s偏振的转换效率很高。这一结果清楚地表明了：在较大的旋转角度下，扭曲的液晶结构确实具有有效的偏振旋转效果。

LC数据和map被导出为JSON文件格式，以便在下一步中使用。

步骤2：在Speos中验证并可视化结果

打开LCD_Display.scdocx项目文件，创建一个材料，将其体积光学属性设置为“无”。启用纹理选项，并将表面光学属性设置为“插件”。然后，导入步骤1中生成的JSON文件，并将其链接到名为LC的表面实体。最后，运行直接仿真。

每个显示像素都由三个或更多子像素组成，通常为红、绿、蓝（RGB）三色。在生成的图像中，屏幕左侧的蓝色子像素比红色和绿色子像素更亮。这是因为蓝色子像素下方的液晶完全打开，而红色和绿色子像素下方的液晶则处于关闭状态。相比之下，在屏幕中央，这三个子像素的亮度相等，从而呈现出混合色。

重要的模型设置

Lumerical模型设置

LC层的数量

一个关键参数是STACK求解器中用于表示LC介质的层数。由于LC的排列方向会从层底部的某个方向（例如与x轴对齐）连续旋转到层顶部的另一个方向（例如与y轴对齐），因此需要足够多的层数才能准确近似介电常数张量的这种渐变旋转。如果层数过少，会导致近似结果粗糙且呈阶梯状，从而降低偏振与透射计算的精度。

像素精细化处理

一个需要考虑的关键因素在于，如何根据采样网格点构建有效的光栅区域。如果两个采样点之间的距离为D，则每个点代表一个以该点为中心、边长为D的矩形区域。然而，对于位于边界处的网格点，这些区域实际上会被截断，因为矩形的一部分会超出定义的区域范围。这样一来，边缘处的像素所覆盖的面积就只有原本的一半或更少，如下图所示。

为缓解这一问题，本文提出了一种细化方法。虽然LC map最初是根据实际显示像素分辨率定义的，但随后每个像素会被进一步细分为更小的子点（例如，采用50倍的细化因子）。所有子点均保留与原始像素相同的LC状态。这种细化的处理方式大大降低了边缘截断带来的影响，从而提升了LC表示的准确性。

注意：提高细化程度会导致导出的JSON文件大小增加。

介电常数旋转

STACK求解器假设入射平面固定在xz平面上（即φ=0）。为了计算光以非零方位角φ入射时各向异性层的响应，需要通过将材料的光轴（即介电常数张量）旋转一个角度−φ来进行等效变换。

Speos模型设置

传感器的颜色和光谱采样

必须确保传感器的颜色或光谱采样参数与STACK中规定的参数一致。只有保持采样参数的稳定性，才能获得准确的仿真结果。

材质属性的UV映射

必须先在应用了该插件的表面上启用UV映射功能。UV映射信息用于确定在应用JSON文件时，各个方向的定位。请注意，JSON数据的空间分布是由JSON文件本身来决定的。因此，Speos UV映射中应用的缩放因子不会影响JSON映射的空间分布。

显示颜色滤光片/颜料的布局

每个子像素的发光效果取决于液晶与彩色滤光片的配合，因此确保液晶与彩色滤光片在空间位置上的对齐至关重要。如果液晶与彩色滤光片的像素不对齐，就会导致颜色泄漏现象。

使用您的参数更新模型

定制材料

该模型默认使用非色散材料。用户可以定义具有色散或非色散特性的其他材料。此外，还可以将新材料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])

偏振片建模

尽管该模型采用了Speos的内置线性偏振片，但用户也可以使用Lumerical STACK求解器来模拟真实的线性偏振片。随后，得到的传输特性数据可以被导出并导入到Speos软件中，从而更准确地模拟偏振片的实际行为。

附加资源

相关出版物

• Polarization properties of twisted nematic liquid crystal – Ansys Optics
• https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/49648372943635-Polarization-properties-of-twisted-nematic-liquid-crystal
• STACK Optical Solver Overview
• https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360034914653-STACK-Optical-Solver-Overview
• stackrt - Script command
• https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360034406254-stackrt-Script-command
• Lumerical Sub-Wavelength Model: How to Simulate a Grating with Spatial Variations – Ansys Optics
• https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/34239784945299-Lumerical-Sub-Wavelength-Model-How-to-Simulate-a-Grating-with-Spatial-Variations
• 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

另见

• [1]Lumerical Sub-Wavelength Model: How to Simulate a Grating with Spatial Variations – Ansys Optics
• https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/34239784945299-Lumerical-Sub-Wavelength-Model-How-to-Simulate-a-Grating-with-Spatial-Variations
• [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

关注摩尔芯创，关注更多产品资讯

摩尔芯创——Ansys中国区授权代理商，专注于为硅基光电子、电力电子、高科技半导体等行业提供电子设计自动化(EDA)和计算机辅助工程(CAE)协同解决方案；涵盖光学、光电子学、电磁场、结构、流体、多物理场耦合等工业软件应用解决方案和咨询服务。