第三章 現有 LED 背光模組基本架構述
3.2 模擬結果討論
由模擬的結果可以發現這樣的背光模組架構相當有效，結構簡單容易 加工，但是有以下幾個缺點：
1.燈箱四壁周圍的照度低落，影響整體的均勻度。
在這邊嘗試改變燈箱四壁的傾斜角度，改變的幅度由 5 度~20 度，發現改變 燈箱壁的傾斜角度對於周圍非主要區要的照度提升並沒有明顯的幫助，這
個問題可以由使用較大的背光模組搭配略小的 LCD 面板來改善，故我們可 以忽略燈箱壁旁邊照度低落的現象，故評估方式以燈箱中 95%範圍為主。
2.光線主要集中在兩線列之間造成均勻度較低
在接下來背光模組的設計中，將兩線列間的距離拉大，即可解決。
3.邊射型 LED 封裝形狀複雜，不容易加工
爲了克服這個問題，我們設計了將 LED chip 直接鑲嵌在燈箱底面基板的 chip on board 結構，搭配外加在 LED chip 線列上方的長條狀混光用光罩，
達到與邊射型 LED 同樣的效果：將光線導往燈箱空腔，而不直接向上投射，
利用燈箱空腔為混光的媒介。
4.邊射型 LED 封裝造成大量的光損耗
封裝本身在模擬中大約造成 30%的損耗，燈箱結構再損耗約 25%。
5.各單色光的均勻度不足
若各單色光均勻度不佳，可能造成色彩不均勻。
第四章 LED 晶片植入底板架構背光模組
4.1 基本結構
設計一個 CHIP ON BOARD 的系統，以 LED 裸晶為陣列鑲嵌於燈箱底面 上，混光用光罩覆蓋在 LED 陣列上，使光線不直接向上投射，以達到如同 邊射形 LED 的空腔混光效果，如圖(4.1)所示；燈箱厚度 40mm，面積為 15”，
長寬比 4：3，且不加任何光平板幫助導光，期望以此結構即可達到一定的 均勻度。
40mm
圖(4.1)chip on board 結構示意圖
其中 LED 線列擺放在距離燈箱邊緣 1/4 寬度的位置，此擺放位置目的 在於利用燈箱的反射面箱壁的反射效果，使線列中央亮度與線列兩側亮度 相同，如圖(4.2)，LED 晶片排列方式如同 Lumileds 的綠-紅-藍-綠的排列 方式，間隔為 9mm，兩線列共 64 個 LED 晶片。
w
1/4w
1/4w 58mm 1/4w
1/4w
鏡面對LED線列的成相
圖(4.2)LED 線列擺放位置的光學原理說明 4.2 混光用光罩的設計結構(一)
爲設計混光用光罩，先觀察 LED 晶片線列在燈箱中的照度分布，如圖 (4.3)所示。
圖(4.3) LED 裸晶線列照度分布
由兩線列所在位置的峰值著手，將線列正上方張角 20 度左右的光線中 25%
部分的光線往側向導引。
圖(4.4) 裸晶線列照度分布導光對象示意圖 在這樣的目的與導光概念下，設計如圖(4.5)的結構。
圖(4.5)光罩結構(一)結構尺寸圖
利用底面的斜角將光線偏折，此斜角經由折射定律計算，可使 0~5 度 的入射光產生約 37 度的折射，側面的 10 度斜角目的在於避免側邊將光線 的偏折抵銷。在設計時，小尺寸的平底面可以避免光罩的過度導光帶來的 反效果而形成一條暗帶，光罩光線的偏折程度如圖(4.6)所示。
圖(4.6) 光罩結構(一)光路折射圖
本結構針對 chip 出光 20 度錐角的範圍，可造成 10 度以下入射光線產 生 32~37 度的偏折，10~20 度入射的光線產生 37~41 度的偏折，使得光線分 布的峰值範圍擴散兩倍，壓低了最大亮度的峰值也將光線導往線列兩旁亮 度較低的地方，ASAP 模擬結果如圖(4.7)。
圖(4.7) 混光用光罩結構(一)模擬結果 達到均勻度 70%，效率 83%。
可以發現光罩的確將光線往旁導開，但是導光效果方面卻造成了光線 的條狀分布，而這些不均勻的現象是無法被接受的，故針對如圖(4.8)的不 均勻部分進行光線的反向計算。
圖(4.8) 混光結果待改進部分
發現不均勻且亮度較低落的部分光線來自於 LED 晶片出光角度 20 度左右的 光線，這些光線被光照底面斜角過度折射導光，而形成相對較暗的情形，
故更改原架構為如圖(4.9)所示。
圖(4.9) 光罩結構(一)改良尺寸
底面斜角角度改為 40 度，對光線的偏折縮小為 29~37 度，其餘條件不變，
模擬結果如下圖所示。
圖(4.10) 光罩結構(一)改良後模擬結果
可看出原本不均勻的條狀亮帶較不明顯，整體均勻度提高到 82%，效率
不變為 83%。
接下來針對我們的結構與 LED 線列的排放方式來模擬是否紅、綠、藍 三色是否各自獨立均勻。
紅色：
圖(4.11) 結構(一)改良後紅光照度分布 綠色：
圖(4.12) 結構一(改良)綠光照度分布
藍色：
圖(4.13) 結構一藍光照度分布
由於當三色 LED 分別單獨點亮時，晶片之間的間距大的如同散布的許 多獨立點光源，與整條線列同時點亮時趨近於線光源不同，為了防止色彩 不均勻的情形發生必須達到三色 LED 各自點亮時皆達到 90%以上的均勻度。
由幾何光學可知要使不同角度的入射光折射一定的角度所需要的面不 會是一個單純的斜面，故接下來不對結構(一)更進一步優化，並設計另一 種混光用光罩。
4.3 混光用光罩的設計結構(二)
由於使用結構(一)時，光罩底面使用斜面來導光，但要使不同角度的 入射光折射一定的角度，所需要的面不會是一個單純的斜面。由幾何光學
的知識我們知道，需要一個拋物面使一個點光源的光擴束為均勻的光束，
接下來我們改變設計的方法。
假定混光用光罩底面為一個拋物面，以頂點為原點，假設其方程式為：
aX 2
Y = − (4.1) 而我們希望所有入射光線經過此拋物面後，都產生 20 度的偏折，故我們可 以求得當入射角趨近於 0 度與 20 度時，入射點所需的介面斜率 Y’。再將 (4.1)式微分，得到各區面位置斜率算式：
aX
Y'=−2 (4.2) 由我們預期希望的混光用光罩尺寸規格，來計算出 0 度與 20 度入射光的入 射位置 X，將所得的 Y’與 X 帶入(4.2)式即可求得所需的曲面方程式。
圖(4.14)光路計算方法
此時我們求得此曲面方程式Y ，如同結構一，我們將此混光用 光罩的側面設計一個小斜邊，避免光線的折射被抵銷，結構如圖(4.15)。
3 2
.
−0 X
=
圖(4.15)結構二尺寸示意圖 模擬結果示於圖(4.16)。
圖(4.16)結構二模擬結果 燈箱主要區域均勻度可達到 88%。
下面模擬三色 LED 單獨點亮時的情形：
藍色：(與紅色分布大致相同)
圖(4.17)結構二藍光照度分布 綠色：
圖(4.18) 結構二綠光照度分布 藍(紅)光均勻度只有 82%，綠光均勻度 85%。
可以看出結構(二)均勻度有相當大的改善，但對於非主要區域(兩線列 間以外的區域)均勻度表現仍不理想，且單色光均勻度表現也不夠均勻，原
因在兩線列的光線較為集中，涵蓋範圍小，故接下來改變基本結構，將兩 線列拆成三線列，以改進均勻度的表現。
4.4 混光用光罩的設計結構(三)
爲了提高均勻度，接下來我們將兩線列拆成三線列，排列位置如圖 (4.19)所示。
圖(4.19)三線列結構圖
而三線列排放位置也如同兩線列時，考慮鏡面的反射，使得線列之間 的間距相等。拆成三線列時，考慮 LED 晶片以兩綠一紅一藍四個晶片為一 組，故減少晶片數為 60 個，並拉長各晶片間距至 15mm，並且為了色彩均勻
度的表現，將 LED 排列方式改為綠-紅-綠-藍的方式，LED 線列位置圖(4.20) 所示。
圖(4.20)三線列排放位置
此時三線列間的間距與兩線列時不同，故混光用光罩的曲面方程式必 須重新計算。考慮三線列在燈箱中的原始發光分布如圖(4.21)。
圖(4.21)三線列原始發光分布
其中我們一樣針對光能量集中的 20 度發光角內來做光路計算，將線列
正上方張角 20 度左右光通量 25%部分側向導往燈箱空腔中，見圖(4.22)。
圖(4.22)三線列光源導光目標分析圖
接下來我們利用前述設計結構(二)同樣方法來計算出我們需要的曲面 方程式，最後我們得到此曲面方程式：Y =0.27X 2，結構尺寸如下圖。
圖(4.23)結構(三)
三色同時點亮的照度分布模擬結果如圖(4.24)。
圖(4.24)結構(三)照度分布模擬結果 度達到 96%，並且擴大了有效均勻亮區的範圍。
藍色單獨點亮的照度分布：
圖(4.25) 結構(三)藍光照度分布
均勻度低落至 58%，因為單獨點亮藍色 LED 各 LED 晶片間距放大，使得不再 具有線列光源的性質。而本結構是針對趨近於線光源的密集 LED 線列來設
計，故在單色光的表現仍有待加強。
單獨點亮綠色的照度分布如圖(4.26)
圖(4.26) 結構三綠光照度分布
由於綠光 LED 的數目是紅、欄的兩倍，故依然保有相當良好的線光源特性，
故均勻度仍保持在 96%。
由以上模擬可以發現，由於三線列每個晶片之間距離放大至 15mm，故 數量較少的紅、藍光 LED 不再具有線光源的特性，而此結構的設計是針對 趨近於線光源的 LED 線列所設計，故紅、藍單色光均勻度表現不佳，在下 面的結構(四)嘗試在混光用光罩的頂面，紅、藍 LED 的正上方多加了與底 面垂直的另外一維的折射曲面，進一步改善單色光的均勻度。
4.5 混光用光罩的設計結構(四)
由於結構的設計是針對趨近於線光源的 LED 線列所設計，故導光的效 果僅限於往燈箱短邊方向，當 LED 晶片間距放大時，數量較少的紅、藍光 邊失去線光源特性，而需要在紅、藍光 LED 上方光罩頂面加一結構，導光 方向與光罩底面垂直，來進一步增進均勻度。
光罩頂部曲面與底部曲面不同，光線由介質進入空氣，要使光線產生 擴散，曲面方程式假設為Y ，此時所需的導光範圍及幅度較小，在經 過計算後可得到其方程式： ，其尺寸結構如圖(4.27)。
aX 2
= . 0
Y = 11X 2
圖(4.27)結構四頂部曲面圖 結構四立體圖如圖(4.28)所示。
圖(4.28)結構四立體圖
三色同時點亮的照度分布模擬結果如圖(4.29)。
圖(4.29)結構四照度分布 效果佳，均勻度達 96%。
單獨點亮綠色的照度分布如圖(4.30)。
圖(4.30) 結構四綠光照度分布 綠光效果依然十分良好，均勻度 98%。
單獨點亮紅光的照度分布示於圖(4.31)。
圖(4.31) 結構(四)紅光照度分布 在雙重結構下大幅改善均勻度，達到 93%。
單獨點亮藍光的分布如圖(4.32)。
圖(4.32) 結構四藍光照度分布 均勻度大幅改善達到 95%。
由以上模擬可以看出雙重結構具有相當好的效果。且紅、藍、綠三色
在四種結構中，可以發現使用結構(四)得到的效果最好，缺點是二維
在四種結構中，可以發現使用結構(四)得到的效果最好，缺點是二維