論文架構

(Cold Cathode Fluorescent Lamp，CCFL)背光模組。此外，若以 LED 光源配合上側

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放大率、MTF(Modulation Transfer Function)…等資訊。

不過，對於一個非成像光學系統而言，並不考慮物體和影像的問題，取而代 之的是光源和接收面，其中的影像之於成像光學系統，就如同非成像光學系統所 產生的輻照度分布。而最早的非成像光學系統是應用在收光器的設計上，如圖 1-1(a) [1]所示，藉由設計收光器的光學結構，使收光器的效率逼近理論最大的極 值(熱力學定律)，像複合式拋物面收光器(Compound Parabolic Concentrator)就是 第一個被設計出來的二維收光器，示意圖如圖 1-1(b) [2]， 隨著 CPC 成功地應用 在實務上後，非成像光學的發展才逐漸嶄露頭角!

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圖 1-1 (a)太陽能集光器示意圖[1] (b) CPC 架構示意圖[2]

而目前非成像曲面的設計發展已日趨成熟且繁複，從早期只能針對點光源和 軸對稱的光學系統來設計，到現在已有許多方法來解決面光源以及非軸對稱的光 學系統，其中較廣為運用的是自由形曲面的光學設計方法，主要是因為此光學設 計的方法有較大的設計維度和自由度，如圖 1-2 [3]所示，能廣泛應用在各式各樣 的光源和接收面的結構，不過，也由於設計的條件較不受限，故對設計者來說，

其數學模型的建立和解決的流程也相對困難。

圖 1-2 LED 自由形曲面設計[3]

自由形曲面的設計方法，通用於各種折射式或反射式光學界面的排列組合，

主 要 方 法 可 分 為 三 大 類 : 複 合 參 數 法 (Multi-parameter Optimization Design method)，偏微分方程法(Partial Differential Equations method) ，以及同步多曲面 法 (Simultaneous Multiple Surface method)。複合參數法是先將未知曲面表示成一

4 法是利用 Fermat’s principle 來預測光線從光源行進至接收面的路徑，藉以編織未 知曲面中各點的位置向量及其法向量，此方法放寬了光源的條件限制，使得點光

如圖 1-3 所示，有別於一般多觀測者(multiple users)在明亮的環境下觀賞顯示器 時，顯示器必頇提供一高亮度、廣視角之光場，才能提供每個觀測者最佳的視覺 感受，當顯示器只被單一觀測者(single user)所使用，或在環境亮度較低的情況 下，此時顯示器僅需提供一窄視角的光場，即能滿足單一觀測者的使用需求，而 對單一觀測者來說，視覺感受上雖然並沒有太大的差異，但視角之外的光卻因此 被大幅節省下來。

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圖 1-3 方向性背光與使用情境之示意圖

在目前相關文獻中，視角的調控主要分為兩種方式，一種是加一層視角變化 面板(Viewing Angle Switching，VAS)如：TRVL(Thermally Retardation Variable Layer) 液晶層，另一種則是利用多光源和多層幾何架構的光學機制；而利用液晶層來控 制視角又有兩大方向，其一是降低螢幕亮暗態對比度，但低對比度將造成灰階反 轉以及色彩偏移，使得顯示器影像難以辨識與閱讀。其二則是藉由降低非正向視 角的光穿透率(Outcome Transmittance)，來達到視角控制的目的，就現有技術而 言，降低非正向光強度較降低對比度更易達到窄視角的目的，但除了原有液晶層 外，必頇再增加一層以上的液晶層做灰階控制之用，如圖 1-4 [4]所示，而這卻會 造成顯示器整體亮度過暗的狀況。

圖 1-4 TRVL 液晶層方向性背光架構[4]

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除了上述利用液晶層的方法以外，另一種構想為多光源配合多層幾何結構的 光學機制，利用不同光源對應到不同光路的方式，使得光源出光角度能有效控制 在特定範圍，像是疊加了兩個獨立供光的側光式背光系統，如圖 1-5 [5]所示，便 可藉由光路設計的不同來達到寬窄視角切換的目的，當單獨開啟上層具有微溝槽 的導光板時，背光會提供一窄視角光場以供正向觀賞，反之，若開啟下層一般網 點印刷導光板，則能供給一廣視角光場至各個觀賞方向。除了仍然是各方向無差 別供給光線外，可明顯看出這種多層光學架構的缺失，亦即多層導光板的設計容 易造成較下層的導光板出光效率過低(最高可達上層光學效率的 82%)的情況，而 這無疑造成了不必要的能源浪費。

圖 1-5 雙光源方向性背光[5]

1.3 研究動機

視角的可調性對於環保意識高漲的現今社會來說，是一項值得發展的綠色技 術，但目前針對此項需求所發展出來的技術有許多缺失仍待克服，以液晶架構來 說，雖然可藉由液晶排列方式的改變，達到漸變的多視角切換，但由於液晶分子 運動的特性，難以做到高速切換視角的設計，此外，通常這種液晶架構需配合直 下式背光模組，使得背光厚度無法有效降低，若以光學效率來看，多層的光學結 構設計不僅會讓整體出光效率降低，也會增加背光厚度，而寬視角的光場和窄視 角大幅重疊的部分，使得面板出光後的利用率亦無法有效提升。

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針對上述課題，為了使背光模組在高空間和高光學利用率下做到視角切換，

本研究提出一新型背光系統：結合非成像曲面設計與側光式背光架構，做出一光 軸對稱之發光源單元。對於從不同角度觀賞面板的人來說，利用軸上與離軸的 LED 切換，可提供面板適當角度的光場變化，觀賞區域之外將不會提供光線，可 避免無謂的能量浪費。如圖 1-6 所示：(a)觀賞者位於窄視角區域內，不需提供寬 角度的光場即可達到欣賞的目的，故背光系統僅需提供正向光場(Zone I)；(b)假 設觀賞者位於寬視角區，則不一定需要提供正向能量，故背光系統僅需提供寬視 角區域的光場(Zone II )；(c)在多觀賞者的情形下，若在不同的視角區域中皆有觀 賞者，此時背光系統就需要各方向的光場，故全區光場分布皆開啟，各個視角區 域均提供光線 (Zone I+II)。

圖 1-6 方向性光場與顯示器視角示意圖

這種背光模組的設計概念，主要是利用具有方向性的光源配合上側光式背光 架構，使得出光方向得以控制在特定區域，而本研究為了使 LED 光源具有方向性 的調變，先利用非成像曲面的方法設計一組二次光學，讓 LED 出光至導光板的角 度 隨 著 二 次 光 學 的 設 計 改 變 ， 此 二 次 光 學 的 架 構 可 經 由 同 步 多 曲 面 法 (Simultaneous Multiple Surface method)求得，如此一來便可將演算流程程式化，

8 介紹 Cartesian oval 的理論基礎、同步多曲面法的演算流程、複合式拋物面收光 器以及不變量守恆的基本概念，並引入一個多項式內插的數值方法 Hermite 的過程中，參數調變的結果皆以光學模擬軟體 Lighttools^TM驗證理論計算的正確 性，分析並比較兩者的差異性，最後再根據模擬結果找出符合限制條件的最佳光 學元件參數。

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第四章是將第三章所設計出來的準直性背光光源的二次光學機構加以利 用，運用第三章所提的同步多曲面演算流程及其光學機構的特性，考慮入多光源 和側光式背光的設計條件，使得設計出來的光學機構能藉由軸上與離軸的光源切 換，提供面板適當角度的光場變化，進而達到寬窄視角切換的目的，並同樣利用 光學模擬軟體 Lighttools^TM做理論計算上的驗證，分析比較理論值和模擬數據的 差異，在較佳的方向性光場分布和背光出光效率的條件下，找到側光式方向性背 光的最佳光學機構，第五章則為本研究的結論和未來展望。

10 2.2 Hermite interpolation

2.3 同步多曲面(Simultaneous Multiple Surface)

2.4 複合式拋物面收光器(Compound Parabolic Concentrator) 2.5 RR、RX、XR、XX、RXI 光學系統

2.1 不變量(Etendue)