简介

移动设备如智能手机、电子阅读器和手表在当今世界正变得无处不在。这就需要准确的光学工程的来优化手机功能的性能，如相机系统、传感器和显示器。

手机显示的一个关键设计目标是在它的面积和视角范围内实现均匀的照明。另外，它应该具有高的光学效率，以减少功率损耗及提高电池寿命。通过使用紧凑和高效的LED灯耦合到一个透明波导中，侧入式LED屏幕完成了这一目标。元件如背面反射、微结构图案、亮度增量膜和扩散片可纳入在显示中，以提高效率和均匀性。在这个FRED模型中，侧入式LED智能手机显示上是一个虚拟原型。通过沿着波导加入渐变扩散片，可以实现均匀照明。

具有扩散片的侧入式LED显示屏
 

波导
 

系统中的第一个元件是一个矩形波导。尺寸[25 x 40 x 1 mm]半长、半宽和半高根据以下属性创建：

图1 波导材料、涂层和光线追迹控制属性

LED阵列
 

LED将会模拟为一个小的矩形朗伯发射体，具有[1.8 x 0.7 mm]x半孔径和y半孔径的尺寸，嵌入到波导的边缘来最大化光学效率。这可以由FRED详细光学光源类型描述。

通过右键点击创建完成的LED光源并选择“Edit/View Array Parameters…”，可以沿着波导的顶面创建5个相同的LED组成的阵列，LED之间的间隔设置为10mm。

图2 LED阵列设置

反射片
 

通过回收可能从显示器背面出射的光，后反射片将会提高显示器的光学效率。后反射片可以由一个[25 x 11 mm]半宽和半高的反射表面来模拟，该表面位于波导的背面，并垂直移动了1mm（远离LED阵列）。在波导前端面的前面LED末端上创建一个[25 x 1 mm]半宽和半高反射表面，一个小的前向反射镜也添加到了嵌入式LED阵列的前面。前反射片和截短的后反射片也减少了直接折射出显示器的底部的多余光，增加了均匀性。

脚本编写扩散片
 

没有扩散片，光线将折射出波导，或是经全内反射到显示器。扩散片的目的是逐渐散射开离开波导的光，用于均匀照明。为了抵消来自LED阵列的指数下降的辐照度，扩散片需要具有相等和相反的效果。在波导末端具有最大散射的指数型扩散片实现了这一效果。

使用“Scripted”选项可以创建一个新的散射模型，假设沿着扩散片的局部y位置范围是-40-40mm，基于下面的指数函数，我们创建了一个变量“p”（散射概率）。

参数“a”和“b”是可以调整的常数。在这个模型中，a=4，b=0.04。此外，只有对于y位置充分高于LED阵列（距离底部y>25mm）的光线，散射才会发生。这个渐变的散射“cut-on”抵消了光源附近区域的高辐照度。

为使仿真更加有效率，在散射表面上可以应用一个“Monte Carlo”光线追迹控制属性。这个功能保证了在每个散射事件中光线不会分裂。在FRED中创建如下的光线追迹控制属性，并且指定到散射表面。

图4 在表面的散射标签下指定脚本化散射函数（在本例中“Tailored Scatter”）指定到波导的前面或背面

评估显示器
 

在脚本化梯度扩散片之前和之后出射到手机显示屏上的辐照度图：

图5 来自手机显示屏的辐照度Log(10)分布，没有散射片（左），有指数扩散片（右）。对数尺度对于人眼的感知提供了一个更好的效果。在本次仿真中追迹了250000条光线。