模擬驗證與分析

因此，我們可以從上述光追跡的式子和圖中發現，為了利用此架構達到方向性背 光的目標，必頇先設計出一光學元件使 LED 傳遞至 LGP 的光線具有方向性，而這 正好運用了第三章準直背光元件的設計概念，配合上側光式機構的特性，即能藉 由軸上和離軸的多光源切換達到背光多視角切換的目的。

4.2 模擬驗證與分析

為了驗證此一想法的可行性，我們利用第三章算出來的 SMS 曲面，其參數 條件為T( , _{1 0}, )S T(2.5,50, 2.3)3.56(cm ，並用) Lighttools^TM模擬軟體建立一側 光式背光模組，示意圖如圖 4-6 所示，其 Lighttools^TM模擬實驗架構則如圖 4-7，

51

圖 4-6 側光式背光 LGP 出光角度示意 圖 4-7 模擬驗證的側光式背光模組 接著，先測試中間原始 LED 光源的出光狀況，理論上 LGP 出光發散角₂會受 SMS 透鏡₁的條件限制，亦即經過 V-cut 反射後，出光仍應要在正負 2.5 度內，其光 強分布的模擬結果如圖 4-8 所示，

圖 4-8 LGP 出光強度分布圖

可以發現 LGP 出光的發散角₂的確大部分都被控制在正負 2.5 內，接下來為了增 加 LGP 出光的發散角2，我們選擇用 LED 離軸排列的方式來增加出光角度1的 分布，分別以原始 LED 的光軸為原點，在光軸對稱的兩側陸陸續續放置了多顆 LED，藉此來測試此架構的分光可行性，其中，為了使分光效果得以凸顯出來，

每個分光的間距都設計在 10 度以上，而 LED 放置的位置則以逆向的光線追跡來 確認。

LED

Lens

LGP

Z Y X

52 4-11(a)，LGP 的光強度分布圖則分別如圖 4-10(b)和圖 4-11(b)所示，

53

圖 4-11 (a) 7 LEDs 側光式架構 (b) 7 LEDs 側光式之 LGP 光強分布圖

我們將多顆 LED 的出光測試強度比整理如下:

表 4-1 多角度光強比較表

出光角度(₂) 0^o 12.5^o 22.5 ^o 37.5 ^o 光強度比 1 0.981 0.762 0.584

可從表 4-1 及圖中觀察到這種離軸 LED 放置的設計，不僅能增加 LGP 出光的範圍 (0^o~40^o)，還可有效控制各個出光角度(-2.5^o~+2.5^o)，故很容易做到多角度分光的 控制，但是，隨著 LED 顆數變多、位置離光軸越遠或 LGP 出光角度₂越大時，LGP 出光的光場強度就會慢慢減弱，且邊界也會漸漸不受到條件限制，這主要跟一開 始 SMS 透鏡的設計條件有關係，亦即當初透鏡設計的限制條件是以中間那顆 LED 為主，故使得 LED 置放的位置會隨著離軸距離越遠而慧差的現象益發嚴重，此 外，這種排列的方式也易造成模組間的 Crosstalk，讓 LGP 的出光增添了許多雜訊。

7 LEDs

Lens

LGP

Z Y X

54

最後，為了使方向性背光更具實用價值，除了要了解背光的方向性之外，我 們還必頇知道該背光模組的出光均勻度，故設計一背光大小為 20 (cm)*12 (cm)，

示意圖如圖 4-12，背光上的輝度分布則分別如圖 4-13 (a)和圖 4-13 (b)所示，，

圖 4-12 方向性背光示意圖

圖 4-13 (a)背光輝度沿 X 軸方向分布圖 (b)背光輝度沿 Y 軸方向分布圖

可明顯發現到，在此架構下，雖然沿 Y 軸上的輝度分布可藉由 V-cut 分布密度來 改善均勻度，大約可到 70%左右，甚至能藉著不斷地疊代 V-cut 密度來達到更高 的值，但沿 X 軸方向上的輝度分布卻由於透鏡的體模過大，使得出光分布相當不 均勻，大約只能到 24%，故我們設計了另一個透鏡，希望藉由放寬出光角度(₁) 來縮小透鏡體模，進而增加背光沿 X 軸向的輝度均勻度，其透鏡架構示意圖如圖

55

4-14 所示，光強度分布則如圖 4-15，

圖 4-14 透鏡架構示意圖(10 度) 圖 4-15 光強度分布圖(10 度)

從圖中可知此透鏡設計的出光角度(₁)為正負 10 度，故透鏡大小比起前述的透 鏡(正負 2.5 度)小上許多，接著，在同樣的背光尺寸架構下，如圖 4-16 所示，也 對其 X 軸上的均勻度做了分析，如圖 4-17 所示，

圖 4-16 背光架構示意圖(10 度) 圖 4-17 背光輝度沿 X 軸方向分布圖(10 度)

可看出沿 X 軸向的均勻度已提升至 80%左右，但與前面的透鏡背光架構相比，這 樣放寬出光角度的做法不僅可選擇的出光角度較少，連方向性的控制也較差，故 可知在此種背光架構下，均勻度和方向性之間會有 trade-off，需隨設計目的而定!

LEDs lens

LGP

56 出光得以控制在特定角度內，接著，運用 Lighttools^TM模擬軟體來驗證演算流程 的正確性，並提出多種可控制 LED 光源出光的光學架構，包含了一般透鏡及介質