第二章 背光模組理論概述
2.5 發光二極體(LED)簡述
LED 為半導體材料製程的發光元件，具有兩個電極端子，在兩電極施加 電壓促成電子電洞對的結合，將能量以光的形式釋放出，隨著使用的半導 體材料不同、結構不同，而有各種不同發光波長的 LED，而發光強度在近幾 年也有大幅度的進展，如圖(2.3)發展趨勢所示。
圖(2.3)LED 亮度發展趨勢圖
LED 具有發光波段短，與液晶顯示器的色彩濾波片的頻率匹配良好，如 圖(2.4)，當使用紅、藍、綠三色 LED 為光源時，三色波長在色度圖上可以 拉開一個遠較冷陰極管更大的一個混光範圍，如圖(2.5)，所以在色彩飽和 度方面比冷陰極管表現更好。
而在接下來的設計中，採用紅、藍、綠三色 LED 分離的設計，因為 LED 具有隨著工作溫度改變發光頻譜，以及外加電壓與發光亮度呈線性正比的 兩大特點，所以在長時間的使用中工作環境溫度上升，而讓色彩產生偏差，
故需要使用回饋電路來微調三色 LED 的發光強度，使背光模組維持穩定的 白光。
圖(2.4)LED 與 CCFL 發光頻譜與色彩濾波片的色彩響應之比較
圖(2.5)LED 與 CCFL 混色範圍示意圖
LED 本身是一個<1mm2的晶片，發光形式為一個接近 Lambertian 發光 體，發光曲線如圖(2.6)。故在模擬中皆設定 LED chip 為一個微小的 Lambertian 發光體。
圖(2.6)LED chip 發光空間分佈曲線 2.6 色度學概論
國際照明委員會(CIE)在 1931 年定義以下的標準配色函數，紅、綠、
藍波長分別為 700nm、546nm、 435.8nm，以光度量為單位以 1：4.6：0.06 的比例混色，定為標準白光。
(2.7)所示。
明度定為 L=50，a*b*則為均等化座標，其值大約介於-200~150 之間，如圖 (2.8)、圖(2.9)。
圖(2.8) u'v'色度圖
圖(2.9)La*b*均等化色度圖
圖(2.9)中的橢圓形稱為麥克爾當橢圓，在一個均等化的色度圖中，此橢圓 的長軸應與短軸等長，也就是為一個圓形，表示長軸與短軸對應的色差相 等，由此可見 La*b*色度圖仍未完美均勻。
此時定義色差公式：
( ) ( ) ( )
{
2 * 2 * 2}
1/2*
*b L a b
Ea = ∆ + ∆ + ∆
∆ (2.13) 在 ASAP 中以此公式做為色彩均勻度評估的基準。
在上述的 NTSC 標準白光定義中，紅、綠、藍波長分別為 700nm、546nm、
435.8nm，與目前一般的 LED 中心波長(紅：630nm、綠：530nm、藍：470nm) 有誤差，所以在計算時必須先經過視能函數的修正，才可以計算出正確的 色座標。
2.7 色溫
當發光體是黑體時，其放射時的絕對溫度和頻譜分布屬於一對一的對
應關係，可由頻譜分布的情況來確定該顏色是唯一的，所以絕對溫度和色 彩之間也是一對一的對應關係。因此，這種顏色能夠用一個變數來決定，
此變數稱為色溫(color temperature)或是關聯色溫(correlated color temperature)。
嚴格來說，色溫視某一物體所放射的色度值和黑體輻射的色度值一致 時，才用黑體的溫度表示其輻射色度。關聯色溫則是當兩者的色度不完全 一致時，以最接近色度之輻射黑體溫度值來表示其輻射量。兩者的單位皆 為絕對溫度 K。當色溫為 T 時，指其輻射的色度和絕對溫度為 T 的黑體輻射 之色度相同，此時光源未必處於絕對溫度 T 的狀態之下。例如，當螢光燈 發光實際上無法達到非常高熱的程度，若其色溫為 6000K，表示其放射的顏 色與加熱至 6000K 的黑體所放射的光束顏色相同。
本論文中 ASAP 模擬分析使用色溫 6500K 的 NTSC 標準白光為參考，計 算燈箱出光面各點的色差(ΔEa*b*)，此色溫之白光約等於一般晴天無雲時 的日光，相當適用於評估顯示器光源的色度。
第三章 現有 LED 背光模組基本架構
3.1 直下式 LED 背光模組的架構與背景分析
3.1.1直下式 LED 背光模組的架構
以目前市面上的直下式 23 吋面板為例，背光模組規格厚度 25mm-30mm，
實際成品均勻度要求為 65%-75%，若均勻度達到 85%以上已屬於高均勻度的 背光模組。
目前市面上 LED 背光模組還未普遍出現，目前只有 Lumileds 公司設計 的 LED 背光模組，故先對該背光模組進行模擬分析。此背光模組架構使用 一種邊射型 LED 為光源(side emitter LED)，此 LED 光線在本身獨特的封 裝結構下，均勻的往燈箱空腔散射，藉由燈箱空腔的空間混光，在燈箱四 壁或是底面上未做任何的結構。
燈箱壁由四個反射面構成，底面加上一個擴散面(Diffuse film)，兩 列 LED 線列排列在其中，分布在三等份均分燈箱寬度的位置，如圖(3.1)所 示。尺寸為 503 × 282 ㎜，厚度為 50 ㎜，長寬比為 16：9 的 22 吋燈箱。
LED 用兩個線陣列以綠-紅-藍-綠的順序排列(用以使色彩均勻為白光設 計)，如圖(3.2)所示，一列為 48 個 LED 安裝在金屬核心印刷電路板(Metal Core Printed Circuit Board , MCPCB)上，共 96 個 LED。
燈箱頂端加上以下光學平板增加均勻度：亮度增強片 BEF(brightness enhance film)及雙重亮度增強片 DBEF(double brightness enhance film)
片，擴散板(Diffusor)。最後在加上稜鏡片(Grating film)導正散射光源、
提高燈箱正向出光的強度。
圖(3.1)Lumileds 22”直下式背光模組架構
圖(3.2) LED ARAY 排列方式與結構
表(3.1)為 LED 的發光中心波長與發光通量。
顏色 波長(NM) FLUX(lumens)
Red 625 40
Blue 470 9
Green 530 27
表(3.1) LED 發光特性
我們由該公司擁有的美國專利 (US Patent : 6607286 , 6679621)推算 邊射型 LED 結構，以利於接下來的模擬分析。
邊射型的封裝是一個圓柱對稱的結構，如圖(3.3)所示之側視剖面。頂 端如同一個漏斗凹陷的冠狀結構，光線經過全反射效應下，大部分的光往 旁邊導出而不往上直接射出，底部則是個半圓球狀，讓出射光線在側面自 由出射，
圖(3.3) 邊射型 LED 結構圖
發光強度的空間分布曲線示於圖(3.4)。
圖(3.4) 邊射型 LED 發光角度分布圖
為充分利用空腔混光並避免光線直接向 LED 正上方射出影響均勻度，
在 LED 上方加一圓片(divertor)，此圓片具有 5%的透射率與 95%的反射率，
使混光更加均勻。如圖(3.5)所示。
圖(3.5) 圓形 DIVERTOR 與光線能量分布圖
在冠狀結構以下部分為發光區域，在水平線±20 度的範圍內集中 80％
的光能量，說明此邊射型 LED 的發光形式大部分都是從邊緣向四周發光，
這可使光在空腔內能做到均勻擴散到整個屏幕上。
Lumileds 依此架構實際作出 prototype 的實驗結果，亮度均勻度如圖(3.6)。
圖(3.6) Lumileds 直下背光模組亮度均勻分布圖
均勻度達到 71%(不考慮燈箱周圍照度低落的區域)，亮度達到 7000nits。
其中紅光 LED 發光通量：1039lm、綠光 2436lm、藍光 109lm 的，在 350mA 的驅動電流下，達到 33.2lm/W 的效率，實驗結果光源的色溫達到 9000K。
色彩均勻度表現示於圖(3.7)。
圖(3.7) Lumileds 直下式背光模組色彩均勻度
此色彩均勻度的分析方法如下：以燈箱中心點的 CIE 色座標為基準，與燈 箱中各位置色彩的色座標作座標差的分析(|Δu’v’|)，發現座標差最大 值在 0.008 以下，相當的均勻。而色彩涵蓋範圍達到 NTSC 標準顯示器色彩 顯示範圍的 104 %，遠比冷陰極管的效果好，如圖(3.8)所示，接下來針對 此架構作重現與模擬。
圖(3.8) Lumileds 直下式背光模組與 CCFL 的 NTSC 評估
3.1.2照度均勻度與背光模組效率評估方法 效率與照度均勻度的評估方式如下：
效率：(偵測面偵測之光通量總和) / (光源射出總光通量)
均勻度：如圖(3.9)所示之燈箱內 5%不含燈箱邊緣之範圍內，(照度極小值)
/ (照度極大值)
圖(3.9)均勻度評估方法示意圖
3.1.3模擬與分析
為了對此架構進行更進一步的分析，我們以 ASAP8.0 作光學模擬及重 現，首先對邊射形 LED 作重建模擬，圖(3.10)為利用 ASAP 根據前述 Lumileds 邊射型 LED 所建立的立體模型。
圖(3.10)ASAP 建立之邊射型 LED 立體模型
此立體模型發光空間分佈曲線模擬結果如圖(3.11)。
圖(3.11) ASAP 模擬邊射型 LED 發光角度分布圖(虛線為光強度隨角度積分的總合)
所得的結果與邊射型 LED 實際的發光分佈相當接近，接著依 Lumileds 邊射型 LED 使用相同的條件(紅:40 lm、綠:27 lm、藍:9 lm) 進行更進一 步的系統分析。以 15 吋長寬比 4:3 背光模組進行模擬，LED 線列排列在距 離箱壁長邊距離為寬度 1/3，燈箱上方不加光學平板，進行照度與色彩的均 勻度分析，模型示意圖見圖(3.12)。
圖(3.12) ASAP 模擬示意圖(側面) 照度分佈模擬結果見圖(3.13)。
圖(3.13) ASAP 模擬亮度分布圖
單色光個別的亮度均勻情形如圖(3.14)、圖(3.15)，可以看出各單色光的 亮度分布相當不平均。
圖(3.14)ASAP 模擬綠光單獨點亮之亮度分布
圖(3.15)ASAP 模擬紅光單獨點亮之亮度分布
三色 LED 同時點亮照度的均勻度方面達到 89%；效率 74.6%，但可以看 出在燈箱周圍明顯較暗，兩線列之間照度較高。而色彩均勻度的表現，以 色溫 6500 度白光為參考基準，得到的色度差為 ΔEa*b*=21.6。本模擬並未 使用任何光學平板的修正，在使用標準的各種光學平板修正後，照度與色 彩均勻度都會更加提升。
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
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