由第一章的介紹當中，我們對 LCD 的背光模組已經有了一個初步的認識，且 已介紹了導光板在背光模組中的功能以及地位，因此在這邊就不再贅述。而在這 一章中，將詳細的對側光式背光模組當中導光板的部分之設計原理做說明。在做 導光板設計時，其設計方式最直接的受到光源的影響；例如光源的種類、配置位 置等。在第一節中，先對 CCFL 以及 LED 之特性以及其對於 LCD 之影響做介紹；
在第二節中，將對這兩種光源做簡單的光源分析。第三節中將藉由數學分析以及 簡單的物理概念說明各式側光式背光模組導光板之光學原理。為了驗證我們在第 三章所做導光板設計之優劣，必須考慮其光均勻度，因此在第四節中將說明光均 勻度之定義與量測方法。
2-1 不同背光光源的特性以及其對 LCD 之影響
目前來說，最常使用的背光光源有兩種：冷陰極螢光管(CCFL)以及發光二極 體(LED)。目前市面上大部分 LCD 所採用的光源，仍然是採用 CCFL，但已有被 LED 逐漸取代的趨勢，以下將對這兩種光源作詳細的介紹及比較。
CCFL 是線光源，LED 是點光源，而線光源與點光源的結構差異會造成導光板 光照度分佈設計上的不同。一般來說，CCFL 的發光強度較強，雖然其發光效率 佳，但是他所佔的空間相對較大，重量也較重；此外，在 CCFL 發光過程中，需 要利用汞蒸氣作為發光介質，在環保議題下，對環境會產生危害；而就單顆 LED 而言，其耗電量較單根 CCFL 低，且不含汞成分，沒有污染問題；但是就目前 LED 的封裝技術而言，就單一 LED 的光強度而言仍然低於單根 CCFL。我們以一台 42 吋的液晶電視而言，若背光光源使用 CCFL，可能只需要幾十根；但若改用 LED 作為背光光源，則需要使用上幾百顆。因此一個使用 LED 作為背光光源的 LCD 其總耗電量並不一定會小於使用 CCFL 作為背光光源的 LCD，但是就目前 LED 封 裝技術迅速發展而言，耗電量的問題在不久之後相信就可以解決。
此外，因為 LED 的發光頻譜很窄，所以可以提供 LCD 更好的畫質及色彩。由 下[圖 2.1]可以說明，我們由[圖 2.1(a)]可以看出 CCFL 的光譜經過 Color Filter 後，他的每一種顏色的光譜分佈會落在比較大的範圍內，也就是說在 CIE 色度座 標圖上 RGB 所圍出來了色彩表現區域較小。以白光 LED 光譜分佈而言，其 RGB 分佈相對窄很多，因此再經過 Color Filter 時，其每一種顏色的光譜分佈會落 在較小的範圍內[圖 2.1(b)]，因此在 CIE 色度座標圖上 RGB 所為出來的色彩表 現分佈較大。在[圖 2.2]中，為一個以 CCFL 作為光源，與以 LED 作為光源的 LCD 的畫質做比較，我們可以明顯看出，以 LED 作為光源的螢幕有較佳的色彩表現。
另外，在[表 2.1]中，我們將綜合以上 CCFL 與 LED 差異性作一個列表式的比較。
圖 2.1：CCFL 以及 LED 之光譜通過 Color Filter 後之 RGB 光譜分佈[7]
圖 2.2：分別以 CCFL 與 LED 作為背光光源之螢幕畫質表現比較[8]
CCFL LED
光源 線光源 點光源
重量 重 輕
耗電量 高(單根 CCFL) 低(單顆 LED) 輝度 高(單根 CCFL) 低(單顆 LED)
壽命 短 長
表 2.1：CCFL 與 LED 之特性比較
目前除了以白光 CCFL 以及白光 LED 作為背光源外，還有一種以 RGB 三原色 作為光源的背光模組，此技術稱為 FSC(Field Sequential Color method)背光 模組。其利用 RGB 三色 LED 高速切換，利用人類視覺暫留的效果來構成彩色畫面，
達成全彩效果的顯示方法，此方法因為是直接採用 RGB 三色 LED 來混色，因此可 以省掉 Color Filter，可以節省成本以及扣除光通過 Color Filter 時所產生的 損耗，提高光的利用效率。
由以上敘述，我們可了解分別以 CCFL 以及 LED 作為背光光源各有其優缺點，
不過隨著環保意識的抬頭以及 LED 封裝技術、產能、良率提高，LED 勢必在未來 幾年內會成為背光光源的主流。
2-2 CCFL 及 LED 之光源分析
首先，先對這兩種光源做簡單的光源分析。LED 中 chip 所發出的光線為一 個 Lambertian 光源[9]，其光強度與光線出射角度的關係如下[圖 2.3]，公式如 下：
I
=I
0cosθ
(2.1)圖 2.3：Lambertian LED 光源
為了模擬以及計算方便，我們將 CCFL 所發出的光線亦假設為一個
Lambertian 光源，而其線光源上的的每一點均可視為一個點光源，光強度遵循 (2.1)式。
法線
θ
θ θ I Cos I
( )= 0I
0LED chip
2-3 側光式背光模組導光板的光學原理
由上知道壓 並以此觀念
由上可知，完全的矩形導光板設計對於側光式背光模組並非一個良好的設
圖 2.8：將光源分向上及向下出射兩部分做分析
接下來，要建立光在導光板中光程的等效模型。我們知道，光入射至某一平 面上若發生全反射，其光程 a 可等效於 b[圖 2.9]，我們以此概念來建立光在導 光板中光程的等效模型[圖 2.10]。
法線 a
θ
i θrθ
r反射面
b
圖 2.9：光在一平面發生全反射時之等效光程
在[圖 2.10]中，A線代表理想反射面，B線代表等效導光板出光面，C線代表 不同光出射角
θ
之光束線，且為了計算上的方便，所以將原本的楔形板簡化成三 角形板。我們假設三角形板上理想反射面之傾斜角為θ
s，而三角形板之頂點於座 標原點，並將Lambertian點光源置於座標(x0,y0)，因此可以寫出B線以及C線之一 般式：將(2.6)式解聯立可得 x、y 值：
圖 2.13：由光源向上出射的光在楔形導光板內全反射時之等效模型 以上的計算為對楔形導光板出光面上 X 與
θ
的關係式導證，接下來將以數學 運算軟體 Mathematica 對上述計算結果做繪圖分析。我們選定以 15 吋 LCD 之導光板為標準來做繪圖分析，根據我們實際拆解一 組 15 吋 LCD 導光板，其長約 32 公分，寬約 24 公分，厚度僅約 0.6 公分。一般 來說，為了滿足 LCD 輕量化的要求，導光板的厚度都非常的薄。如此一來導光板
A：理想反射面
X 軸
θ
sθ
s(x
0,y
0)
s i=3 B：等效導光板出光面
y 軸
i=3
i=2
i=1 c
的厚度與長度的比值非常小，因此tan
θ
s非常小，即θ
s很小，其最大值僅大約 1 度左右[圖 2.14]。而在以下的討論中，我們均將θ
s假設為 1 度，而楔形導光板 簡化為三角形導光板，因此長為 34.37 公分，寬度與厚度依然為 24 公分、0.6 公分，而點光源位置置於座標(-34.37，-0.3)處。32cm A
圖 2.14：楔形導光板之傾斜角
θ
s與長及高之關係我們先對(2.5)式中由光源向下出射的光與其欲出射導光板所需入射 A 面的 次數做圖[圖 2.15]，橫軸為光由光源出射的角度，縱軸為光欲出射導光板需經 過 A 面的次數。由圖我們可知光出射角度越小，若要破壞全反射出射導光板則在 導光板中反射的次數越多。
圖 2.15：不同角度向下出射光源的光與出射導光版所需在 A 面反射次數關係
光源 導光板
θs
θ
sMax0.6cm
同理，我們對(2.10)式中光源向上出射的光與其欲出射導光板所需入射 A 面的次數做圖[圖 2.16]亦有同樣的結果。
圖 2.16：不同角度向上出射光源的光與出射導光版所需在 A 面反射次數關係 我們以上所做的數學推導是將每條光線均視為以單一直線在導光板中傳 遞，但事實上光並非以此形式行進，而是以光束的形式行進，且其必須遵循光通 量守恆定理[10][圖 2.17]：
I1A1 =I2A2 (2.13)
A2
A1
圖 2.17：光通量守恆
I1為通過面積A1之光照度，I2為通過面積A2之光照度。因此在計算導光板出光面上 的光照度時，必須考慮光通量。藉由(2.7)以及(2.12)式我們可求出導光板每一 區塊上的光照度，分析如下：
我們將光源向下發出的光分為六塊等光通量區域 A、B、C、D、E、F 來討論，
且我們可以由(2.14)式計算出將光分為六塊等光通量區域之五條光線之出光角
5 1~θ
θ [圖 2.18]，接著我們可以(2.7)式計算出此五條光線在導光板上的出光位
置及此六塊等光通量光束在導光板出光面上的分佈範圍[圖 2.19]，結果如下[表
部分僅導光板底部一次反射即出射導光板，因此在此兩部分，相同的光通量卻分
等光
首先，我們 60o、75o的光 做模
分別以由光源向下出射且出射角分別為 15o、45o、
擬[圖 2.23]。由模擬結果我們可驗證若光的出射角越小，則在導光板內會 經過越多次全反射而在離光源越遠處出射導光板。
圖 2.23：光由光源向下以 15o ~75o出射光在楔形導光板內之光跡 接下來，我們將對導光板上的光照度做模擬分析。光源假設為 Lambertian點光 源，光線數為 18000 條，模擬結果如[圖 2.24]。我們發現，導光板上進光源處 小部分的確有較強的光照度，而導光板大部分範圍上的光照度為均勻的；且將其 與[圖 2.20][圖 2.21]來比較可驗證我們上述以數學推導來說明導光板上光照度 分佈的方法是正確的。
圖 2.24：楔形導光板上出光面之光照度分佈
以上所述的數 方向導光板上
傳導
學計算及 Tracepro 模擬，事實上僅對光在二維
過程做討論；然而，在實際情況上，Lambertian 光源之光是在三維方向的 出射，在入射導光板後亦在三維方向傳導，但如此一來數學運算將會變的十分繁 雜。在未來的工作中，我們應可對光在導光板內三維方向的行為做更詳細的數學 理論推導，並以此為基礎發展出更完備的導光板設計理論。
2-3.2 加入擴散點方法
為全反射，如果要破壞此條光束線的全反射，則加擴散點可以達到此目的。但是，
並非所有入射到擴散點的光束線皆會被破壞全反射；有部分光線會因為入射擴散 點的入射角小於全反射所需的臨界角，所以會穿過擴散點，而遇到導光板底下的 反射板，再經由全反射回到導光板中，然後繼續在導光板內全反射或是直接出射 導光板[圖 2.27]。
圖 2.26：光入射擴散點產生全反射時之光跡
圖 2.27：光入射擴散點產生折射時之光跡 法線
反射板
導光板 空氣
未加擴散點 時光線路徑 加擴散點時之光
線路徑 法線
導光板 空氣
反射板
[圖 2.28]中有 點即全反射，B
光線
三條光線 A、B、C，A 光線在遇到第一個擴散
在遇到第一顆擴散點後產生折射而入射至空氣中，最後再經由一次折射射入 導光板內，C 光線則無法遇到第一顆擴散點；若此時第二顆擴散點大小與第一顆
在遇到第一顆擴散點後產生折射而入射至空氣中，最後再經由一次折射射入 導光板內，C 光線則無法遇到第一顆擴散點；若此時第二顆擴散點大小與第一顆