概述

在今天設(shè)計(jì)案例中，我們將解釋優(yōu)化手機(jī)顯示的自動(dòng)化工作流程的步驟。該工作流程也適用于其他類型顯示屏的應(yīng)用，如汽車內(nèi)部顯示屏、電視、計(jì)算機(jī)顯示屏，甚至智能手表顯示屏。在本案例中我們將介紹三個(gè)部分，涉及Ansys的光學(xué)仿真產(chǎn)品Speos和Lumerical，聯(lián)合optiSLang進(jìn)行涉及優(yōu)化，Lumerical設(shè)計(jì)顯示屏的像素，用optislang自動(dòng)優(yōu)化，然后用Speos檢查顯示效果。

為了制作一個(gè)出色的顯示器，我們通常希望獲得出色的色彩覆蓋率、全角度的良好觀看效果以及在許多不同條件下的更低功耗。在Ansys顯示屏設(shè)計(jì)解決方案中，我們可以使用Lumerical STACK或FDTD構(gòu)建OLED或微型LED納米結(jié)構(gòu)，并在像素級(jí)模擬光提取效率、角發(fā)射和顏色，同時(shí)將OLED的結(jié)構(gòu)參數(shù)、光提取效率和顯示顏色等這些指標(biāo)輸入optiSLang優(yōu)化，最后我們可以使用Speos獲得消費(fèi)者對(duì)顯示屏的視覺(jué)感知，并了解這些指標(biāo)如何影響視覺(jué)感知。

設(shè)計(jì)流程

遵循顯示屏物理模擬工作流，將從Lumerical STACK設(shè)計(jì)像素的納米結(jié)構(gòu)，使用optiSLang實(shí)現(xiàn)工作流的自動(dòng)化，使用optiSLang的優(yōu)化器來(lái)改變像素層設(shè)計(jì)，優(yōu)化像素效率和具有復(fù)雜交互的光學(xué)性能，再到Speos中具有人眼視覺(jué)的感知仿真由這些像素制成的顯示產(chǎn)品。整個(gè)流程完全采用自動(dòng)化設(shè)計(jì)方式，仿真工具之間的數(shù)據(jù)傳輸無(wú)縫兼容。

1.OLED納米光子像素的設(shè)計(jì)，并在Ansys Lumerical中詳細(xì)介紹優(yōu)化指標(biāo)。

像素是顯示屏的基本組成部分，也是我們優(yōu)化的重點(diǎn)。在OLED或LED設(shè)備中，陽(yáng)極和陰極用于注入帶電載流子，帶正電的空穴由空穴注入層和傳輸層傳輸，電子則相反。它們?cè)诎l(fā)射層相遇，在那里可以重新組合形成光子。當(dāng)然光學(xué)材料的性能和層厚對(duì)整體光學(xué)性能起著關(guān)鍵作用，在不影響電性能的情況下改變這些層的厚度，以便最大化光學(xué)指標(biāo)。

Lumerical STACK多層結(jié)構(gòu)解析求解器，因?yàn)榭梢跃_地處理多層厚度，對(duì)于設(shè)計(jì)垂直發(fā)射的顯示設(shè)備，STACK計(jì)算速度非常高效，幾秒鐘直接就完成求解，非常適合用于優(yōu)化程序嘗試數(shù)十萬(wàn)種設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)顯示屏?xí)r，定量的方法描述顏色是非常重要的，可以通過(guò)顏色空間進(jìn)行幾何處理，展示在CIE 1976顏色空間中的色度圖，將光的實(shí)際狀態(tài)與視覺(jué)感知聯(lián)系起來(lái)。使用紅色、藍(lán)色和綠色作為原色，將它們混合在一起，可以在所謂的設(shè)備色域內(nèi)產(chǎn)生白色和任何其他顏色。因此我們希望RGB的盡可能接近色度圖邊界顏色，換言之完全單色，實(shí)現(xiàn)最寬的色域，色域覆蓋率CGC，同時(shí)我們需要高效的光提取，我們稱之為外部量子效率或EQE，并且從寬視角下也能清晰的顯示顏色的準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確描述顏色隨觀察角度的變化，我們稱之為最大顏色偏移MCS。因此在STACK設(shè)計(jì)改變發(fā)射腔不同層結(jié)構(gòu)的厚度，將會(huì)得到不同的色域和色偏結(jié)果，我們希望在色域和色偏之間找到合適的平衡，同時(shí)保證出光效率。

2.? optiSLang工作流自動(dòng)化和設(shè)計(jì)優(yōu)化

optiSLang是一個(gè)開(kāi)放平臺(tái)，用于連接來(lái)自不同來(lái)源的工具和數(shù)據(jù)，以自動(dòng)化的方式運(yùn)行分析，從而完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)優(yōu)化過(guò)程，生成元模型的敏感性分析，找到最佳設(shè)計(jì)和評(píng)估重要輸入?yún)?shù)的方法。對(duì)于顯示屏設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)光提取效率、色偏和色域覆蓋率的光譜指標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。因此optiSLang為數(shù)值模擬建立了一個(gè)工作流程，并運(yùn)行它進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

建立參數(shù)化系統(tǒng)后，進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。在敏感性分析中，通過(guò)COP矩陣預(yù)測(cè)輸出變化，COP的數(shù)值告訴我們模型質(zhì)量，此外可以看到參數(shù)對(duì)輸出的影響。所以我們會(huì)得到在OLED設(shè)計(jì)的堆層中有哪幾層的厚度參數(shù)是影響設(shè)計(jì)目標(biāo)光提取率、色偏和色域的關(guān)鍵，可以直接了解光學(xué)行為。

通過(guò)敏感性分析，以了解設(shè)計(jì)參數(shù)各結(jié)構(gòu)厚度參數(shù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)的設(shè)計(jì)行為，并使用結(jié)果支持我們的優(yōu)化算法，即進(jìn)化算法，自動(dòng)運(yùn)行數(shù)千種靈敏度和優(yōu)化設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化，可以得到了一組最佳設(shè)計(jì)，稱為帕累托前展面，從帕累托前展面沿獲取設(shè)計(jì)，并將優(yōu)化后的Lumerical數(shù)據(jù)以RGB強(qiáng)度分布數(shù)據(jù)形式導(dǎo)入Speos。

3. Speos人眼視覺(jué)仿真，在照明環(huán)境下，顯示屏視覺(jué)感知質(zhì)量。

現(xiàn)在，我們需要了解數(shù)據(jù)將如何從Lumerical傳輸?shù)絊peos，在Lumerical的堆層設(shè)計(jì)中的到的是像素的納米結(jié)構(gòu)，即RGB像素的光角度分布和顏色信息，然后，由于optiSLang自動(dòng)化功能，RGB像素輸出數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)復(fù)制，在經(jīng)過(guò)處理腳本將整個(gè)顯示屏RGB像素?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Speos格式，即光譜發(fā)光強(qiáng)度分布數(shù)據(jù)，將使用強(qiáng)度分布數(shù)據(jù)作為輸入光源來(lái)定義手機(jī)顯示屏。

在轉(zhuǎn)換后的RGB堆層數(shù)據(jù)，在Speos中以光強(qiáng)分布的形式定義，在Speos中需要做的就是使用紅色、綠色和藍(lán)色的強(qiáng)度分布來(lái)定義顯示的RGB白色源，屬于整個(gè)系統(tǒng)的降階模型，因?yàn)椴辉傩枰唧w的堆層信息，因?yàn)镽GB光強(qiáng)數(shù)據(jù)已經(jīng)包含正確顏色和正確光分布信息，再通過(guò)Speos的texture功能在顯示器上生成圖像，以獲得更好的人眼視覺(jué)體驗(yàn)。

在Speos中設(shè)置RGB光源之后，將手機(jī)顯示屏放置在環(huán)境場(chǎng)景中，并用人眼視覺(jué)仿真從不同的角度觀察顯示屏的顯示效果。Speos可以通過(guò)調(diào)整RGB的比例校準(zhǔn)顯示器，以便進(jìn)行逼真的模擬，將平均亮度調(diào)整為當(dāng)前市場(chǎng)上手機(jī)的亮度設(shè)置975cd/m2，調(diào)整RGB獲取與白色光源D65相同的色度坐標(biāo)?，F(xiàn)視覺(jué)仿真設(shè)計(jì)結(jié)果，選取Lumerical的初始設(shè)計(jì)和通過(guò)optiSLang優(yōu)化后帕累托延展面的優(yōu)化點(diǎn)。

第一排是初始設(shè)計(jì)，第一列是正入射角度，第二列是25度入射角度，第三列是50度入射角度。可以看到當(dāng)增加入射角時(shí)，最初的設(shè)計(jì)變成了綠色。

在第二排是從optiSLang獲得的第一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在正常入射時(shí)開(kāi)始呈白色，當(dāng)增大入射角時(shí)，它看起來(lái)像暖白色，幾乎是紅色，同樣的另外兩個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)。可以看到類似的趨勢(shì)，但不同的顏色外觀。

選擇第一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并獲得一些顏色變化的指標(biāo)，將顯示光源表面使用texture顯示具體圖像，在顯示器上顯示圖像時(shí)，不同事先角度顏色變化。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)Speos和Lumerical聯(lián)合optiSLang的顯示屏優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)Lumerical STACK可以設(shè)計(jì)和模擬一個(gè)參數(shù)化的微型LED或OLED像素設(shè)計(jì)，然后通過(guò)optiSLang完成多目標(biāo)優(yōu)化，最后將優(yōu)化后的多組優(yōu)化方案，在Speos真是的環(huán)境場(chǎng)景中，以人眼視覺(jué)方式比較這些設(shè)計(jì)方案。同樣的這個(gè)顯示優(yōu)化工作流程也適用于其他應(yīng)用，如汽車顯示器、電視、電腦顯示器和智能手表顯示器。