用OpticStudio模擬微結構薄膜產生摩爾紋 (Moiré)


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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:



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:
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/c6e623c8-c4fc-426d-9dce-22a3.png

打開Shaded Model之後,確認結構如下:


接下來建立光源 (Source Rectangle)、理想透鏡 (Paraxial Len)、以及探測面 (Detector Rectangle):






下面是模擬結果 (兩玻璃平板相差5度):
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/a70a98a3-ef57-42db-96e3-371d.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。
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/96c5278f-8ce2-41ae-a6f7-6ef1.png

http://forum.zemax.com/Uploads/Images/fdd400db-7898-4c8d-8cdc-8019.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:



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:
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/4b9543a3-0b7f-4d4b-99a9-1ff1.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


接著加上光源、理想透鏡、以及探測器:






追跡光線後可以看到不同角度時,圖案會也會不規則變化:


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:




總結
* 透過Array加上適當的母物件,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。

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