導光板光學原理

導光板的作用機制是將背光源所發出的光以側邊照光方式進入導光板，大部份 的光利用全反射往另一端傳導，當光線在導光板的底面碰到由具高反射率且不吸光 的材料所製成的光反射網點時，被反射的光會往各個角度擴散，而自導光板正面射 出，並利用疏密、大小、形狀不同的光反射網點，讓光源均勻地由導光板面發出，

提高面板輝度並且使光線均勻散佈。

在導光板的原料方面常見的為壓克力(PMMA:Poly-methyl-methacrylate 聚甲基 丙烯酸甲酯)，其折射係數為1.497，所以依據全反射定律知其全反射臨界角約為

°

42 。故只要入射角大於42°時光線即會出現全反射現象，導光板的應用中會利用到 此觀念。以下介紹三種常見的導光板設計方式。[14]

在導光板底部會加入大小不一之擴散點，並以不同密度分佈在底面。擴散點的 材料一般為具有高反射率之油墨材料，並以網點印刷之方式印製在底面。擴散點之

所以能將光線導出乃是利用散射原理，將其入射光線散射後，而穿透出導光板表面，

如示意圖2.5.1 所示。在圖中黑色為入射光線，當此光線射至擴散點時，會將一條光 線散射為多條光線，如圖中藍色射線所示。這些被散射之光線，當其入射角皆小於 全反射臨界角度時，光線即透出導光板；而散射光線之入射角度仍大於全反射臨界 角之光線則繼續反射，直至遇到下一個擴散點，重複其散射過程。由於靠近燈管附 近之光強度較強，所以在靠近光源之底面導光板之網點密度較低，且網點較小，而 遠離光源之底面導光板之密度較高，且網點較大。此種分佈之主要目的是希望，將 光源強度較強部分之部分散射較少之光線；而光源強度較弱之部分散射較多之光 線，來達到亮度均勻之要求。[13]

圖2.11.1 擴散點方法中光之行進路線隨擴散點改變之情形

(二)狹窄化方法

楔形導光板為一般常見之導光板形狀，其採用楔形形狀之主要目的也是希望藉 由導光板形狀之改變，來破壞全反射之條件。其詳細的說明如圖2.5.2 所示，由此光 源導入導光板中之光線，在此稱之為入射光，如圖2.5.2 是以黑色射線所表示。假設 入射光與上下壓克力板之法線夾角大於42°，由前述之全反射原理可知，此光線會 在壓克力介質中來回的依照入射角等於反射角的定理作全反射，使光線在導光板中 傳遞。當光線遇到狹窄的上下表面時，入射角與上表面法線(或下表面)之間之夾角，

即入射角，會因逐漸狹窄之表面而變小。而當其入射角小於全反射臨界角時，光線 即從狹窄之表面透出，因其全反射條件被逐漸變小之入射角所破壞，而達到照明之 效果。由於遠離光源端之光線強度較弱，所以一般的導光板在遠端面之厚度較薄，

導出之光線較多，而近光源端之厚度較厚，導出之光線較少。此一邊厚一邊薄之形 狀稱之為楔形。

圖2.11.2 狹窄化方法中光之行進路線隨結構之改變情形 (三)加入微結構方法

在導光板之上下表面加入微結構為導光板中常用之方法，一般又分為上表面微 結構法及下表面微結構法兩種，其所應用之原理各不相同。在上表面微結構法中主 要應用之原理與前述狹窄化方法類似，利用導光板幾何形狀之改變而破壞全反射之 條件，如圖2.5.3 所示。在圖中黑色之射線為原本未加入微結構之光線行進方式，其 依然保持在導光板中作全反射，而無法在透出導光板；而紅色之射線則為當加入上 微結構後，光線之行進路線。由觀察紅色射線之行進方式可知光線路徑隨加入微結 構而改變其入射角，並使入射角變小，破壞全反射條件而使光線導出導光板。上微 結構法除應用在導光板之設計中外，也應用於背光模組稜鏡片之設計，因為其有限 制射出光線角度，提高正面亮度之功用。[12]

除在上表面加入微結構外，也會在導光板底部適時地加入微結構，達到增加光 線之穿透性。然而在底部加入微結構與上表面加入微結構所應用之原理並不相同。

在底部加入微結構主要構想是利用斜面之全反射性質，將入射至底面之光線反射至 視線方向，如圖2.5.4 所示。若以平行於底面之光線為例，若其射線與斜面法線方向 之夾角大於42°，光線即將被該斜面反射至視線方向，若無，則光線進入第二個斜 面繼續反射與折射的動作，如圖中紅色射線所示。若以平行光線為例，欲造成全反 射之鋸齒角度，如圖2.5.4 所示，該入射角(90−θ)應大於42°，即θ需小於48°時，

該斜面才具有全反射之能力。

圖2.11.3 上微結構中光之行進路線隨結構之改變情形

圖2.11.4 下微結構中光之行進路線隨結構之改變情形

2.12 發光二極體(LED)原理

發光二極體LED 是 Light Emitting Diode 之縮寫。LED 就是會”發光”的”二極 體”，一般整流二極體(Diode)以矽為材料，因為矽是間接能隙(indirect bandgap)材料 所以不會發光。發光二極體是一種化合物半導體元件，主要由Ⅲ族（鋁、鎵、銦）、

Ⅴ族元素（氮、磷 、砷）組成，屬直接能隙材料，當以微小電流(~20mA)通過二極 體之PN 介面，即可因電子與電洞之結合而放光，與一般白熱燈泡及日光燈之發光 原理不同。發射之光波長由能隙大小決定，而發射之光波長也決定了發光顏色。我 們可以依其亮度區分為一般亮度的傳統發光二極體，主要由GaP、GaAsP 等材料構 成，高亮度的發光二極體，主要由AlGaAs 材料構成及超高亮度發光二極體由 InGaAlP、InGaN 等材料構成 。

發光二極體的半導體材料以直接能隙之半導體為主，主要是因為在電子與電洞 結合時，所放出的光子只能滿足能量守恆，無法有效的提供在非直接能隙材料中所

需的動量移轉；因此對於非直接能隙之材料必須經過特殊處理才可有較大的發光效 率。

在固態材料內以電能產生光子發射的方法很多。發光二極體就是利用電流把少 數載子注入晶體的特定區域，和該區域內的多數載子復合，導致發光現象。發光二 極體發光之方向只受到結構設計的限制，其可分為面發射與邊發射；通常面發射型 的發光效率較佳。發光二極體的發光原理也就是半導體材料中的電子電洞對結合，

進而產生光子，此與雷射二極體相似；但在結構上發光二極體並沒有共振腔以供光 波產生振盪。在室溫下電子電洞對自然產生復合的機率不高，所以必須靠外力來促 使電子和電洞產生結合，以產生大量的自發性復合(Spontaneous Recombination) 輻 射發光，操作方式可分為交、直流兩種。

發光二極體是極小發光源，故可配合各應用設備的小型化、薄型化及輕量化，

光譜窄，顏色鮮明，具良好視覺效果。

+ _

P 型 N 型

電流 電子流

+ _

P 型 N 型

電流

電流 電子流 電子流

圖2.12.1 發光二極體發光原理