RGB LED 背光模組的色彩飽和度

色彩飽和度（Color Gamut），代表顯示器色彩的鮮豔程度，以及反映能夠還原色彩 的範圍。而色彩優劣之定義採用美國國家電視標準委員會(National Television System Committee, NTSC 規範)於 1953 年根據當時的映像管(CRT)的螢光粉技術定義了 RGB 三原 色的x,y 色度值，如表 2-2 所示。

圖14，CIE1931 色度圖與麥克爾當橢圓

圖15，CIE1976 色度圖與麥克爾當橢圓

圖16，高色彩飽和度顯示器的色度圖

圖17，高色彩飽和度示意圖 參考來源 : 奇美電子〔5〕

第三章 光學設計與模擬

由於傳統直下式 LED 背光模組問題在於 LED 矩陣排列方式，造成 LED 使用數量過多。所 以本章節將說明如何藉由 ASAP 光學模擬軟體，建立廣視角 LED 之光源模組和 32 吋直下 式背光模組以減少 LED 的使用數量的可行性。

3.1 光學模擬軟體說明

市面上有非常多種的光學設計軟體，如 CODEV、OSLO、ZEMAX、ASAP 和 TracePro 等 等，每一種程式皆有其所專精的工作領域，需要依照不同之設機或分析需求來搭配使

這一套軟體是在 1982 年問世，最早是由 Greynold 所撰寫。現在則由 Breault Research Organization 的研究群持續發展相關進階功能。目前最新版本是 2008，可以對光纖、

光電顯示器、投影機、照相機系統、望遠鏡系統和照明系統等各領域光電產品進行模擬

我們藉由將上述建立光學模型的四個步驟流程化，如圖 18 所示。以提醒在模型建立過 程，能謹慎確認所有的參數。

另，說明在 ASAP 語法中，三個使用的重要指令 「Immerse」 、 「Fresnel Average」

和「Split」。接下來的模擬，將使用 ASAP「Immerse」、「Fresnel Average」和「Split」

指令使得計算追跡光線時，自動依據 Fresnel 公式計算射光的光通量，並使得到的光照

「Fresnel Average」指令

ASAP在幾何光學中將反射率取在S極化和P極化的中間值，做為ASAP在計算反射光線的光 通量。

「Split」指令

在計算光均勻度時，我們會使用Split指令，由圖20，可以了解使用「Split」指令用來 控制ASAP 產生的子光線 (child rays) 的代的數目(number of generation)，假設一 條光線時(在此稱為父代光線 Parent Rays)，能夠連續的分裂無限多的次數，但是假如 SPLIT 設定為1，則子代光線child rays 不能再分裂。反射時，第一次反射光為Split 1，

第二次反射光為Split 2，以此類推。

圖18，軟體ASAP模擬流程架構圖

圖 19，軟體 ASAP 藉由全反射，正確的反射光線

圖20，父代，子代光線

圖21，直下式背光模組結構

3.2 R,G,B LED 直下背光模組光學模型 以選擇OSRAM 在 2005 年已經發售的廣視角 LED( Golden DRAGON ARGUS ; GD-Argus)。如 圖24 所示，此 LED 發光強度在空間的分佈有 160 度，相較傳統 LED 具有更廣的發光角

圖22，傳統 Lambertian LED 發光強度在空間的分佈

圖23，傳統 RGB 發光二極體矩陣式排列方式

圖24，廣視角 GD-Argues LED 發光強度在空間的分佈 資料來源 : 德商 OSRAM 光電半導體公司〔7〕

圖25， 廣視角 GD-Argus LED 在 ASAP 軟體內的光線追跡圖

圖26， 廣視角 GD-Argus LED 在 ASAP 軟體內的強度分佈 3.2.3 白反射片

白反射片的材質是PET (Polyethylene terephthalate，聚對苯二甲酸乙二脂)，且反射 率接近98%，吸收 2.5%。並給予面散射特性，使光線有不規則的反射效果。

3.2.4 觀測面

我們在直下式背光模組的出光面，亦即為整個模組的上方，擺放一個能夠百分之百 吸收的吸收面(Perfect absorption)。目的是於光線追跡完成後，我們可以利用這個觀測面 作光度學的分析。進而計算背光模組的輝度和色彩均勻度

3.2.5 LED 模組外觀尺寸

如圖27 所示，在此次的模擬中我們採用四顆 LED 一組(1R/2G/1B)的排列方式。如圖 28 所示，在 ASAP 光學模擬軟體內顯示，各色 LED 在模組上的排列的方式和相對位置。

3.2.6 背光模組外觀尺寸

表格 3.1 所示，在此次的模擬中，我們預設直下式背光模組尺寸為 32”，其外觀尺 寸為695x370x30mm( W x L x H )，LED 間距分別在 X/Y 方向為 77mm 和 78mm。燈箱的 四週和底部都設定為高反射的PET 材質特性，以進行輝度和色彩模擬分析。如圖 29，30 所示，R/G/B LED 在背光模組內的排列方式和在 ASAP 光學模擬軟體內顯示，LED 在背光

表3，背光模組外觀尺寸幾何參數 外觀尺寸

(Outline)

間距 (Pitch)

光學腔高度 (Cavity High)

695x395 mm Pitch_X: 77 mm

Pitch_Y: 78 mm 30 mm

圖27， 發光二極體模組實體圖及各色 LED 排列相對位置

圖28，模擬軟體 ASAP 內，R/G/B LED 排列的方式和相對位置

圖29，三色發光二極體在 R/G/B LED 在背光模組內排列的方式和相對位置示意圖

圖30，模擬軟體內，R/G/B LED 排列的方式和相對位置

3.2.7 LED 特性參數

利用 ASAP 建立出背光模組的 3D 立體外型，並依照 LED 的發光特性(如表格 3.2)，

依序輸入各個波長的參數特性及發光能量，模擬時我們亦設定每個波長的 LED 光線追跡 數目為十萬條。

表4，發光二極體參數

中心波長 CIE_Cx CIE_Cy Lumen RED 640 0.704 0.295 31.0 GREEN 525 0.150 0.720 42.0

BLUE 450 0.150 0.044 8

第四章 實驗結果

圖31，模擬觀測面的輝度均勻度分佈圖

圖32，模擬觀測面的色度均勻度分佈圖

圖33，觀察面的混色模擬結果

4.1.2 量測架構介紹

背光模組測試設備示意，如圖 34 所示。測試點一般來說最常用分為量測螢幕上特 定9 點及 81 點的輝度，在 9 個量測點的定義方法，將所卻量平面範圍畫分，依序 將長(L)寬(W)各分為 1/10L、1/10W、1/2L、1/2W、9/10L、9/10W，取其連線交點即 為測量點。81 個測試點的定義方法，將其發光面發區分為 9×9 等份，形成 81 點量 測點。對於大尺寸顯示器均勻度的規範大致上是以均勻度>70%，此為人眼可接受的 光均勻度。

量測背光模組的的條件 1:環境溫度:25°±3°。

2:環境濕度:50±25RH。

3:環境照度 10lux 無風。

4:背光模組點燈 10 分鐘以後測試

5:輝度計量測背光模組時，須距離背光模組高度 50cm。

6:9pt.和 81pt.輝度均勻度: ( Lmin/Lmax )*100%

圖34，背光模組測試設備暨9個和81個量測點示意

4-2 量測結果

如圖 35 所示，我們對實作成品進行各色點燈測試。在小電流驅動下，我們發現部 分導通電壓較高的綠色發光二極體無法點亮，這說明了發光二極體先期篩選的重要 性。此次實作成品量測，如圖36 採用 Konica Minolta CS-2000〔8〕分光放射輝度計 儀器，因為此設備可以擷取背光模組光源的光譜資料，進而推估出色彩飽和度。

圖35，背光模組實品點燈

圖36，光放射輝度計 (CS-2000) 資料來源 :日商 Konica Minolta 公司〔8〕

圖37，實作成品 觀測面混色結果

圖38，白光、紅光、綠光、藍光 畫面色差結果

4-3. 改善觀測面混色結果：

在上述的結果得知，實作成品上混色結果並不理想。可以知道這是因為模組內 45 組R/G/G/B LED 在同樣的電流下，都會有不同的色彩表現。另外在熱平衡後，每個 LED 的波長紅移現象亦不均一。為了改善畫面色不均的現象，重新對 45 組的 LED 進行量測，並將色彩表現相若的LED 模組依序放由模組中心向外排列。如圖 39 所 示，將LED 模組重新排列後，在觀察面上的色不均現象較 LED 模組隨機排列的好上 許多。

圖39，模組重新排列後，實作成品觀測面混色結果

在上面的幾個實驗中，我們比對背光模組的光學模組和實作成品的結果。藉由 ASAP 光 學模擬軟體，是可以快速且正確的得到和實作成品相若的結果。

4-4. 色彩飽和度評價：

透過分光放射輝度計(CS-2000)，進行實作樣品測試。同時我們得到如圖 40, R/G/B 背光模組的光譜。並搭配一彩色濾光片光譜(如圖 41 所示)進行評估色彩飽和度，相 較於 NTSC 的規範，其色彩再現的範圍可達 106.8%，如表 6 所示。觀察圖 42，我 們可以發現RGB 發光二極體背光模組在藍色和紅色的色彩上有較好的表現。但是在 綠色的色彩表現上，還無法滿足的NTSC 規範。

表6，實作成品色彩飽和度

CX_RED Cy_RED CX_Green Cy_Green CX_BLUE Cy_BLUE Color Gamut NTSC 0.67 0.33 0.21 0.71 0.14 0.08 100%

試作品 0.6582 0.3036 0.2273 0.7151 0.1518 0.0447 106.8%

圖40，背光模組光譜

圖41，液晶顯示器彩色濾光片穿透光譜

圖42，實作品色彩飽和度範圍

第五章 總結

5-1 結論

在本文中，我們探討廣視角(Wide View Angle) R/G/B LED 應用在大型直下背光模組的 設計，除了得知透過軟體的模擬可以先期評出背光模組的光學特性，並大幅縮短設計時 間，且輝度均勻度的模擬和實測結果相若。進而發現若LED 排列為週期性結構時，四個 角落的色差會和位置最接近的LED 顏色相關。更進一步的瞭解到目前軟體內部對 LED 光 源的波長設定大都為單一值和實際樣品的波長分佈不同，所以在畫面的色均度評估上會 有較大的落差。這是使用軟體模擬時需注意的地方。

5-2 未來工作

因應目前TV 薄型化趨勢，光源選用皆為白光 LED，其 NTSC Color gamut 僅能滿足 72%。所以可以預期直下式背光模組以及 R/G/B LED 的組合，在未來大尺寸面板應用上 將會更加寬廣。然而，如何減少LED 使用的數量將會是直下式背光模組的一項大挑戰，

故無論廣視角透鏡在一次或是二次光學的設計，將會是各家LED 封裝廠的重要課題之 一。

參考文獻

〔1〕 美商3M 公司, http://www.3m.com/

〔2〕 耿繼業、何建娃，幾何光學，全華科技圖書公司, 民國九十三年

〔3〕 TCO’03 Displays Flat Panel Display Ver. 3.0, TCO development, 2005

〔4〕 Sabine Süsstrunk，Robert Buckley，Steve Swen，Standard RGB Color Spaces，

Laboratory of audio-visual Communication (EPFL), Xerox Architecture Center, Apple Computer Lausanne, Switzerland; Webster, NY; Cupertino, CA

〔5〕 台灣奇美電子公司,http://www.chimei-innolux.com/

〔6〕 Rob Hubbard，林世穆，林群益，ASAP^TM Primer 入門指南，Breault Research Organization, 2005

〔7〕 德商OSRAM 光電半導體公司,http://www.osram-os.com/osram_os/EN/

〔8〕 日商Konika Minolta 公司, http://www.konicaminolta.com/instruments/index.html

自傳

姓名 :王維志

籍貫 :台灣省台中縣 出生年月 :1977 年 5 月

學歷 台中高工

聯合大學光電系

交通大學-電機學院-電子與光電碩士班