摘要:本範例將會示範如何在Zemax OpticStudio模擬微結構膜薄膜產生的圖案,包含以下部分:
* 背景簡介
* 範例1:柱狀透鏡陣列薄膜 (Lenticular Array Sheet) 交疊製造紋路
* 範例2:雙面微透鏡陣列結構塑膠片的紋路產生
作者:Michael Cheng
文章發布時間:February 14, 2017
背景簡介
隨著近代射出射出與滾輪押出技術的進步,許多產品開始可以在量產層面上,製造塑膠片或薄膜上微米級的週期性微結構。例如液晶螢幕中常見的增亮膜 (Brightness Enhancement Film,以下簡稱BEF),就是一個很好的例子。
當這些微結構片 (或貼膜) 相互交疊時,若是在適當的角度下,則會產生各種條紋圖案 (Moiré)。這些條紋,根據不同的應用,有時候是必須去除的,例如當BEF與V-cut導光板交疊時,如果同方向擺置,則微小的角度差,便有可能發生螢幕亮案變化的狀況。而在另一些應用中,有時候這些圖案則是故意設計、產生以製造表面質感的。例如Rowlux® (ROWLAND公司的註冊商標) 便是一種塑膠片,利用雙面微結構陣列製造出能隨不同角度變化圖案的立體質感。
本文章將用兩個不同的範例,來說明如何模擬這些效應。
範例1:柱狀透鏡陣列 (Lenticular Array) 薄膜交疊製造紋路
本範例中,我們模擬兩片N-BK7玻璃平板,上面各自貼上一片柱狀透鏡陣列的PMMA薄膜。然後我們把這兩片平板錯開一個角度後,建立一個遠方來的光源,照射在此結構上,最後使用Paraxial Lens與一個探測器,模擬眼睛所看到的條紋。
首先結構的部分,我們使用Toroidal Lens來製作柱狀透鏡單元,然後透過Array物件把此單元複製成微陣列結構。玻璃平板則透過Rectangular Volume這個物件完成。設定如下:
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/125890aa-381c-4d3f-8520-05099ddf91b0.png)
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注意我們給兩個Toroidal Lens都設定了 “Do Not Draw This Object” 以及 “Rays Ignore Object: Always”,這兩個設定都是經由Object Properties對話框完成的。
另外值得注意的是,物件5的Tilt About Z設定為5,表示兩個結構間相差5度,稍後我們會修改這個數值,觀察不同角度的變化。
此外,我們需要給物件1指定曲面部分反射光線,如下圖:
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/2464d6bb-9601-4f53-82e8-71872903736f.png)
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打開Shaded Model之後,確認結構如下:
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/d08b1e6b-4f12-4790-97c1-a44d05d9c408.png)
接下來建立光源 (Source Rectangle)、理想透鏡 (Paraxial Len)、以及探測面 (Detector Rectangle):
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/e6183946-8c19-4bc6-9d31-cf9de89827c5.png)
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/442c0ede-381f-4cdf-a143-86514310c6c5.png)
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![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/f83b4df1-51e9-47fc-a702-123fca3ba75e.png)
下面是模擬結果 (兩玻璃平板相差5度):
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/0ab19c9f-6fb7-4880-a411-f68c4ed79782.png)
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/8f7c4bdd-ad3a-4519-8da2-7531d86dc538.png)
下面分別是2度與10度的結果,可以看出隨角度增加,條紋會越來越密集。
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/a38065ec-dfe1-4e04-a8bb-29e7f1e73b0f.png)
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/622cc098-83c5-4562-bb82-20917ab7606a.png)
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/755cef2c-cbc5-4fd9-a68f-eb6020ec986b.png)
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/2cab8dfc-a16a-4447-874c-9bf133750134.png)
此類結構透過兩片薄玻璃加上微結構薄膜,可產生隨觀測或光線角度不同變化的亮暗條紋結果。若能改變薄膜條紋,則可以產生直線以外的圖樣。OpticStudio支援讓使用者匯入設計好的CAD檔,以進一步模擬更複雜的結構。
範例2:雙面微透鏡陣列結構塑膠片的紋路產生
在這個範例中,讓我們想像使用押出的製程,製作0.5mm薄的塑膠薄板的過程中,透過滾輪,在塑膠板兩側印上分佈不規則的微透鏡陣列。
首先是結構:
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/05fb3a23-7c3e-4e9b-99aa-67f15edfd685.png)
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/d5c20baa-bf36-4e68-9bb6-98a7a08b155a.png)
注意我們給兩個Standard Lens都設定了 “Do Not Draw This Object” 以及 “Rays Ignore Object: Always”,這兩個設定都是經由Object Properties對話框完成的。
另外值得注意的是,物件4的Tilt About Z設定為4,表示兩個結構間相差4度,稍後我們會修改這個數值,觀察不同角度的變化。
此外還有Array物件上,注意後方的係數,這代表此陣列物件在X與Y方向上分佈不均勻,由多項式控制,如下:
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/24173a47-3248-4685-a25c-f7ac82bb293e.png)
關於Array的詳細使用,請參考Help說明文件中的更多說明。
打開Shaded Model後可以看到如下
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/98379e2b-1282-4191-8699-96d33bb5c4bc.png)
接著加上光源、理想透鏡、以及探測器:
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/9c79b79a-681e-4a80-9319-1effddc5354c.png)
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/8eb5f655-f362-45b4-85c7-7cbc0f25ddc8.png)
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/f7c27e1c-3df2-4459-8852-1655bb7f2d27.png)
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/f2976df8-97df-4805-bb65-8d754abb9e02.png)
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/15ba5e42-d6f5-4c2b-9fd4-11ae55f605f7.png)
追跡光線後可以看到不同角度時,圖案會也會不規則變化:
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/47defb2c-4a48-45aa-857c-50b8dc50a01f.png)
此外如果我們試著改變多項式係數,也可以看到兩側微透鏡陣列分佈狀況改變後的結果:
![](https://uploads-us-west-2.insided.com/zemax-en/attachment/1ccc3382-c6c6-4715-ad37-2fdbc216d98a.png)
總結
* 透過Array加上適當的微單元設置,我們可以在OpticStudio中輕易的模擬微結構陣列。
* Array允許透過多項式來產生不均勻分布,進而製造不規則亮暗紋。
* 透過準直光源,以及Paraxial Lens,我們可以模擬不同角度下眼睛看到的條紋圖案。