在第二章中我們對導光板的設計原理已做過詳細的介紹，而在這一章中，首 先要藉由專利分析與模擬來說明一般側光式導光板設計對於光均勻度的表現，且 藉由專利分析，我們對於測光式導光板設計的將有更進一步的認識。在第二節 中，我們將以上一章所介紹導光板之原理為基礎，對側光式導光板建構一套最佳 化設計的方法。在第三節中，我們將對實際導光板樣本做分析以及光機模擬，並 以第二節中我們所建立的最佳化方法試著對此導光板樣本做優化。在第四節中我 們將以實驗方法量測此導光板樣本之光均勻度且與第三節中我們所做的光機模 擬結果做比較。
3-1 導光板之專利分析與模擬
在本節中所分析的專利來源來自美國專利局 USPTO 的專利資料庫[16]，因為 導光板的專利非常多，在此僅挑選兩種專利做分析模擬。
(1)專利號碼：US 6,435,687[17]
側光式導光板的設計需以特殊的設計以達到導光板出光面的光均勻分佈 性。此篇為 2002 年之日本 NEC 公司所通過之專利[圖 3.1]，且此種導光板為雙 邊側光式[圖 3.2] 。
圖 3.1：美國專利 US 6,435,687
圖 3.2：美國專利 US 6,435,687 導光板設計樣式
[圖 3.2]中，液晶面板置於導光板與反射板之間，因此此種設計為光(以黃 色線代表)自光源射出經過導光板上之楔形上微結構一次反射後入射 LCD 面板，
再經由底部的反射板二次反射最後出射整個背光模組，因此此種設計屬於第二章 第 2-2.3 節中所介紹的上微結構設計。
接下來以 Tracepro 建構此專利的光機模型並做模擬，由於本篇專利並未說 明此設計所應用之 LCD 尺寸,因此自己假設此為一 17 吋 LCD 之導光板，長寬各為
30 公分，燈源為具有 Lambertian 發光特性之 CCFL 光源。我們將其上微結構以 不同大小設計來做模擬結果比較。在[圖 3.3]中為我們以 Tracepro 建構出的模 型，尺寸大小以及模擬結果如圖所示。
(a)
(b)
(c)
圖 3.3：以 Tracepro 建構及模擬美國專利 US 6,435,687 之導光板(a)微結構高 0.5 公分，寬 1 公分 (b)微結構高 0.25 公分，寬 0.5 公分 (C)微結構高 0.125 公分，寬 0.25 公分。
要特別說明的是，[圖 3.3(a)]中楔形微結構的高為 0.5 公分，Pitch 的長度 為 1 公分。然而事實上，以一個 17 吋 LCD 所使用的導光板而言，其微結構應該
為非常的小，其大小的數量級可能只有幾個 mm，甚至可以精密加工的方法使最 小可以到 um 的等級。因此，此處之微結構尺寸假設是不合理的，但為方便與[圖 3.2]之原始專利模型對照，以及與[圖 3.3(b)、(c)]微結構尺寸很小的模型之模 擬結果能有明顯的對照，因此有此尺寸之假設。
比較上圖三種微結構大小情況之模擬結果，就 Illuminance map 來說，此三 種情況的均勻度看起來似乎都不錯，不過仍需要將其光均勻度作量化才能做精確 的比較。我們在導光板出光面上長與寬各選取 128 點並以 Tracepro 模擬計算出 此 128x128 個點之光照度值。由第 2-4 節所介紹光均勻度的計算方法，我們依據 [圖 2.38(b)]選取導光板上特定九點的光照度量值並計算此九點光照度之標準 差σ ，將之代入(2.20)式以求得 Nonuniformity。因此，我們應在此 128x128L 個點中所應選取的點如[圖 3.4]，而以 Matlab 計算出之 Nonuniforimity 如[表 3.1]。
128 點
P1 P2 P3 16
128 點 64
P4 P5 P6
P7 P8 P9 112
16 64 112
圖 3.4：對於 128x128 個點中所取之取九個測量點
由[表 3.1]所模擬出之結果我們得到此種導光板設計所得到的光均勻度 39.9%。
微結構高 0.5 公
分，寬 1 公分
微結構高 0.25 公
分，寬 0.5 公分
微結構高 0.125 公
分，寬 0.25 公分
P1 1082 1022.9 1132.7
P2 1009.6 938.36 1059.2
P3 862.58 841.87 902.69
P4 2123.1 2082.1 2222.1
P5 2176.9 2135.7 2291.2
P6 1908.9 1867.1 1900.5
P7 948.84 904.16 1038.3
P8 957.32 967.17 1049.9
P9 860.03 883.65 929.66
標準差 534.26 525.94 540.53
均勻度 40.30% 40.66% 38.84%
平均均勻度 39.9%
微結構尺寸
測量點之光照度
(單位：w/m2)
表 3.1：三種大小不同微結構下導光板之光均勻度
(2)專利號碼：US 6,454,452
此篇專利為 2002 年日本 Mitsubishi 公司的專利[圖 3.5]，在第二章中第 2-2.4 節中已簡單的介紹過，此為一混合式的導光板設計，且光源配置為單邊側 光式[圖 3.6]。
圖 3.5：美國專利 US 6,454,452
圖 3.6：美國專利 US 6,454,452 導光板設計樣式
[圖 3.6]中，我們可發現楔形擴散點的在近光源處較小，在遠光源處較大，
符合在第二章中所介紹擴散點的大小趨勢設計。根據專利中所述，最小的擴散點 高僅 50um，而最大的擴散點高為 160um，且擴散點的的寬度也逐漸變大，但其排 列卻是以等密度排列的方式：擴散點之間間距為 200um；而非前面所介紹的由疏 至密的排列法，因此推測此種設計的光均勻度可能表現不佳。為了驗證此導光板 樣式對於光均勻度的表現，亦以 Tracepro 做光機模擬。我們假設此為一 15 吋 LCD 所使用之導光板，長為 32 公分，寬為 24 公分，高為 0.6 公分。附註一點，
在此我們自行假設的導光板尺寸為參照[圖 2.25]中實際拆解下 15 吋 LCD 之導光 板尺寸。此外，由於在原專利中所設計的擴散點尺寸太小，若佈於一 15 吋的 LCD 上則擴散點的數目太多，而要以 Tracepro 並建立並對如此物件數目龐大的模型 做光機模擬，其所需的計算量將十分的大，因此我們將自行假設較適合之擴散點 尺寸，在此我們將最小之擴散點之高假設為 0.01 公分。為了簡化建構大小不一 的擴散點的繁瑣步驟，以及方便將來可以更動其參數以做優化，因此以 Scheme Macro 撰寫此擴散點之佈點程式[附錄 A]。
[圖 3.7]為以 Tracepro 所建構出的的光機模型，其擴散點的分佈之上視圖 如[圖 3.8]，而與專利中所述擴散點的分佈上視圖[圖 3.9]比較，可確認我們所 建構的光機模型為遵循原專利中之設計。
(a)
(b)
(c)
圖 3.7：以 Tracepro 建構專利 US 6,454,452 導光板之模型(a)側視圖(b)斜視圖 (c)楔形擴散點放大側視圖
圖 3.8：以 Tracrpro 中 Scheme Macro 所建構之擴散點分佈
圖 3.9：專利 US 6,454,452 導光板之擴散點上視圖
在建構完導光板模型後，接下來將做光束線模擬，雖然和原專利中相比我們 所建構的光機模型已將擴散點數目減少許多，但仍然為一個很可觀的數目。因為 受限於電腦的規格，對於一個物件數目龐大的模型 Tracepro 並無法做光束線數 目太多的模擬，因此我們將光源發出光束線數目假設為 100000 條。[圖 3.10]為 模擬結果，程式執行時間大約為四小時。
圖 3.10：以 Tracepro 模擬美國專利 US 6,454,452 之導光板，光束線 100000 條
由[圖 3.10]中模擬結果之 Illuminance map 來看，在設計下導光板的光均 勻度並不是很好。而接著我們以 Matlab 將此導光板之光均勻度量化[表 3.2]，
由模擬結果，此設計的均勻性並不高。歸納其原因為：專利中未提供足夠的資訊，
未明確的敘述導光板內的機構設計以及尺寸大小；此外，在執行 Scheme Macro 來做擴散點佈點時，受限於 Tracepro 對物件數目龐大的光機模型做模擬所需的 計算量亦龐大的緣故，因此無法做出如專利中所述大小數量級 um 的擴散點。但 此楔形擴散點設計理念並非不佳的，若能經由更詳細的優化過程則此概念仍十分 適合應用於導光板上。
P1 P2 P3 P4 P5 P6
光照度
(單位：W/m2)
1097 1024.2 854.49 2140.7 2196 1893.8
P7 P8 P9 標準差 517.93
光照度
(單位：W/m2)
971.66 1071.8 073.07 均勻度 38.14%
測量點編號
測量點光照度
測量點編號
測量點光照度
表 3.2：專利 US 6,454,452 導光板之光均勻度
關於上兩份專利的導光板設計，均與第二章中所述之基本概念有所不同，由 於專利中並未提供足夠的資訊，經由我們對其做光機模擬後所得到光均勻度不 佳，但若我們有足夠關於此兩款導光板設計的資訊，相信在做光機模擬後勢必會 有更好的光均勻度。
3-2 側光式導光板設計之最佳化流程
在側光式導光板的設計中，以光源配置位置及擴散點的設計對於導光板光均 勻度影響最巨，因此我們可以根據第二章的概念，建構一套側光式導光板設計之 最佳化流程[圖 3.11]。
第一部分： 訂定所使用之光源種類、配置位置並了解其發光特性。
擴散點尺寸設計
因為擴散點尺寸為漸大式的設計，首先訂定最小擴散點 之半徑，再訂定第二顆較大擴散點與第一顆較小擴散點 大小尺寸之比值或差值。
訂定擴散點與擴散點之間距，並先假設所有擴散點與擴 散點之間距相等。
以光源處為起始點做擴散點的配置起點，且根據導光 板大小訂定不同之最小之擴散點尺寸執行模擬。
由模擬結果計算不同擴散點大小設計下之光均勻度值 及導光板之光使用效率。
圖 3.11：導光板設計之最佳化流程
取出最佳光均勻度下之擴散點尺寸設計。
改變擴散點與擴散點之間距，訂定最大之擴散點間 距；且因為其間距會隨著遠離光源而縮小，因此再訂 定較大擴散點間距與較小擴散點間距之比值或差值。
取出最佳光均勻度下之擴散點間距設計。
此結果即為最佳之擴散點大小尺寸及間距。
由模擬結果計算此擴散點間距設計下之光均勻度值及 導光板之光使用效率。
第二部分：
擴散點間距設計
3-3 以實際導光板樣本為基礎做分析、模擬與優化
在上兩節中，我們已經對部分導光板的專利做了分析與模擬，並建構一套導 光板設計之最佳化流程。因此接下來我們將以實際導光板樣本為基礎來做模擬優 化並計算其均勻度，並且以實驗操作來量測導光板之均勻性，將其實驗量測結果 與模擬結果做比較及探討。
3-3.1 Panasonic GD93 手機之導光板介紹與分析
我們所採用的導光板樣本為 Panasonic 公司所發表的 GD93 手機中之導光 板。一般來說，因為我們對於手機的輕量化以及待機時間上有更嚴格的要求，因 此在對於光源的選擇及配置需格外注意。因此，手機的背光光源並不能使用體積 大又較耗電的 CCFL，而是採用體積小且低耗電的表面黏著型發光二極體
(Surface Mount Device LED；簡稱 SMD LED)。為了要達到螢幕光照度均勻的要 求，大部分手機之背光光源會採用對稱式的配置。[圖 3.12]為 Nokia 公司所發 表的 Nokia 6150 手機之背光模組，由上而下依序為：外框，液晶面板，導光板，
反射片[圖 3.12(a)]。其光源配置為一側有三顆 SMD LED，兩側對稱分佈總共六 顆 SMD LED[圖 3.12(b)]。如此的光源配置方法對於其螢幕之光照度均勻性的確
反射片[圖 3.12(a)]。其光源配置為一側有三顆 SMD LED，兩側對稱分佈總共六 顆 SMD LED[圖 3.12(b)]。如此的光源配置方法對於其螢幕之光照度均勻性的確