具有雙面微結構之高準直光學膜片設計
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(2) 機國 電立 臺 科灣 技師 範 學大 系學. 碩 士 論 文 具 有 雙 面 微 結 構 之 高 準 直 光 學 膜 片 設 計 柯 兆 謙 撰 中 華 民 國 一. ○ 二 年.
(3) 摘要 本論文研究為製作高準直、高輝度的側入式背光模組增亮膜設計。此 設計可應用於平板電腦、筆記型電腦、數位相機…等具中小型尺寸液晶螢 幕的產品。 設計基礎來自具逆稜鏡陣列的增亮膜片，模擬結果顯示在相同光源下， 設計膜片之正面峰值強度約為逆稜鏡膜片的兩倍，而能量使用率約 98%。 設計之雙面微結構增亮膜可以自對位方式製造，且與模擬結果比較可 發現強度峰值皆位於膜片法線方向，水平出光張角的半高全寬也同約為 16 度，可見其模擬結果可靠性。. 關鍵字：增亮膜、自對位方法. I.
(4) Abstract This thesis is the design of a highly collimating optical film with microstructures on both sides in edge-type backlight module. The design can be used in tablet PCs, notebook computers, digital cameras ... etc. with small and medium-size LCD screen products. The concept is based on the inverse prism array brightness enhancement film, simulation results show that under the same light source, the peak intensity of the designed film is about twice the peak intensity of inverse prism film, and the energy utilization rate is about 98%. The designed highly collimating optical film can be manufactured by the self-alignment method, and the peak of the emitted light intensity can be found in the normal direction with the FWHM about 16 degrees. The Simulation results are similar to the measurement results, showing the reliability.. Keywords: BEF, self-alignment method. II.
(5) 致謝 感謝指導教授鄧敦建博士在我研究所的兩年期間給予的指導，在此 實驗室我習得許多做事的方法，解決問題的技巧，也較過去更了解自己。 同時感謝經常提供我物質與技術上協助的同學們：致容、阿邦、國威、宗 翰、顯傑，因你們的協助，很多困難總是能順利解決。還有實驗室的偉哲 與立偉學弟，謝謝你們常為我的研究提出不同的見解。 最後感謝我的家人及朋友一路上的支持，你們是我在孤身在異鄉，心 靈重要的後盾。. III.
(6) 目錄 摘要 ...................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................... II 致謝 ................................................................................................................... III 目錄 ................................................................................................................... IV 圖目錄 .............................................................................................................. VII 表目錄 ............................................................................................................... XI 第一章. 緒論 ..................................................................................................... 1. 1.1. 前言 .................................................................................................... 1. 1.2. 背光模組簡介 .................................................................................... 1. 1.3. 背光模組元件介紹 ............................................................................ 3. 1.4. 研究動機與目的 ................................................................................ 5. 1.5. 論文架構 ............................................................................................ 6. 第二章. 基本理論 ............................................................................................. 7. 2.1. 幾何光學簡介 .................................................................................... 7. 2.2. 介質表面的特性 ................................................................................ 8 2.2.1. 透射（Transmission） ............................................................ 8. 2.2.2. 吸收（Absorption） ................................................................ 8. 2.2.3. 擴散反射（Diffuse reflection） ............................................. 8. 2.3 光度學簡介 ........................................................................................ 10 （Illuminance/Irradiance） ............................................................... 10 2.3.1. 光通量（Luminous Flux） ................................................... 11. 2.3.2. 照度（Illuminance） ............................................................. 11. 2.3.3. 強度（Luminous Intensity）................................................. 11 IV.
(7) 2.4. 2.3.4. 輝度（Luminance） .............................................................. 12. 2.3.5. 朗伯光源 ................................................................................ 12. LightTools 軟體介紹 ...................................................................... 13 2.4.1. 接收器座標定義 .................................................................... 13. 2.4.2. 最佳化程式 ............................................................................ 16. 2.5. 增亮膜介紹 ...................................................................................... 17. 第三章. 增亮膜微結構設計 ........................................................................... 23. 3.1. 初步構想 .......................................................................................... 23. 3.2. 模擬模型設計 .................................................................................. 26 3.2.1. 光源 ........................................................................................ 26. 3.2.2. 反射片 .................................................................................... 27. 3.2.3. 逆稜鏡片模擬結果 ................................................................ 27. 3.3. 微結構幾何參數介紹 ...................................................................... 28. 3.4. 控制角錐結構參數 .......................................................................... 30. 3.5. 3.6. 3.4.1. 控制底寬 ................................................................................ 30. 3.4.2. 控制底角 ................................................................................ 32. 3.4.3. 控制高度 ................................................................................ 33. 設計角錐結構 .................................................................................. 35 3.5.1. 改善 V 方向偏折 ................................................................... 35. 3.5.2. 結構尺寸與基材厚度之影響 ................................................ 35. 3.5.3. ERA 高度縮放 ...................................................................... 39. 優化柱狀透鏡結構 .......................................................................... 43 3.6.1. 利用 LightTools 製作非球面柱狀聚焦透鏡 ........................ 44. 3.6.2. 設計 ERA 搭配聚焦透鏡 ...................................................... 45. 3.6.3. 配合膜厚調變 ........................................................................ 46 V.
(8) 3.7. 非對稱角錐結構 .............................................................................. 48. 第四章. 自對位方法製作增亮膜................................................................... 51. 4.1 製作流程 ............................................................................................. 51 4.2. 選擇膜仁與基材 .............................................................................. 54. 4.3. 曝光條件與微結構幾何參數之關聯 .............................................. 55. 4.4. 模擬與量測結果 .............................................................................. 60. 4.5. 成果檢討 .......................................................................................... 63. 第五章. 結論與未來展望 ............................................................................... 64. 參考文獻 ........................................................................................................... 65. VI.
(9) 圖目錄 圖 1-1. 側向式模組示意圖 .............................................................................. 1. 圖 1-2. 直下式模組 .......................................................................................... 2. 圖 1-3. 導光板利用微結構出光示意圖 .......................................................... 4. 圖 2-1. 折射定律 .............................................................................................. 7. 圖 2-2. 鏡面反射 .............................................................................................. 9. 圖 2-3. 擴散反射 .............................................................................................. 9. 圖 2-4. 強度定義示意圖 ................................................................................ 11. 圖 2-5 輝度定義示意圖 .................................................................................. 12 圖 2-6. Lambertian 光型隨角度的變化情形 ................................................ 13. 圖 2-7 接受器座標 .......................................................................................... 14 圖 2-8. V 方向角度解釋圖 ............................................................................ 15. 圖 2-9. H 方向角度解釋圖 ............................................................................ 15. 圖 2-10. 光線出射背光模組後的能量損耗示意圖 ...................................... 17. 圖 2-11. 稜鏡片作用原理示意圖 .................................................................. 18. 圖 2-12. 兩片稜鏡片正交疊放的正面亮度提升效果 .................................. 19. 圖 2-13. BEF III 的稜鏡組合示意圖 ............................................................ 19. 圖 2-14. RBEF 的稜鏡結構示意圖 ............................................................... 20. 圖 2-15. DBEF 的功能原理 ......................................................................... 21. 圖 2-16. 單一 DBEF 與 DBEF 搭配兩片正交稜鏡片光強度比較圖 .......... 21. 圖 2-17. 稜鏡膜與逆稜鏡膜的比較 .............................................................. 22. 圖 3-1. 過凸透鏡焦點的光線經過凸透鏡後改變方向而平行主軸 ............ 24. 圖 3-2. 圓柱結構的聚焦功能示意圖 ............................................................ 25. 圖 3-3. 單元柱狀結構、基材以及角錐結構的功能示意圖 ........................ 25 VII.
(10) 圖 3-4. 光源強度光柵圖 ................................................................................ 26. 圖 3-5. 出光強度剖線圖 ................................................................................ 26. 圖 3-6. 逆稜鏡片支出光強度光柵圖 ............................................................ 27. 圖 3-7. 角錐結構幾何參數對照圖 ................................................................ 28. 圖 3-8. 圓柱結構幾何參數對照圖 ................................................................ 29. 圖 3-9. 圓柱結構與角錐結構對齊示意圖 .................................................... 30. 圖 3-10. 底寬為 33 微米之強度光柵圖 ........................................................ 30. 圖 3-11. 底寬為 36 微米之強度光柵圖 ........................................................ 30. 圖 3-12. 底寬為 39 微米之強度光柵圖 ........................................................ 31. 圖 3-13. 底寬為 42 微米之強度光柵圖 ........................................................ 31. 圖 3-14. 底角為 72 度之強度光柵圖 ............................................................ 32. 圖 3-15. 底角為 76 度之強度光柵圖 ............................................................ 32. 圖 3-16. 底角為 80 度之強度光柵圖 ............................................................ 32. 圖 3-17. 底角為 84 度之強度光柵圖 ............................................................ 32. 圖 3-18. 高度為 34 微米之強度光柵圖 ........................................................ 33. 圖 3-19. 高度為 36 微米之強度光柵圖 ........................................................ 33. 圖 3-20. 高度為 38 微米之強度光柵圖 ........................................................ 34. 圖 3-21. 高度為 40 微米之強度光柵圖 ........................................................ 34. 圖 3-22. 角錐結構側面入射 .......................................................................... 36. 圖 3-23. 準直平行光由上方入射 .................................................................. 36. 圖 3-24. ERA I 之強度光柵圖 ....................................................................... 37. 圖 3-25. ERA II 之強度光柵圖 ...................................................................... 37. 圖 3-26. ERA III 之強度光柵圖 .................................................................... 38. 圖 3-27. ERA IV 之強度光柵圖 .................................................................... 38. 圖 3-28. ERA V 之強度光柵圖 ..................................................................... 38 VIII.
(11) 圖 3-29. ERA VI 之強度光柵圖 .................................................................... 38. 圖 3-30. ERA VII 之強度光柵圖 ................................................................... 38. 圖 3-31. 基材厚度 50 微米搭配 ERA x0.9 ................................................... 40. 圖 3-32. 基材厚度 50 微米搭配 ERA x0.95 ................................................. 40. 圖 3-33. 基材厚度 50 微米搭配 ERA x 1 ..................................................... 41. 圖 3-34. 基材厚度 50 微米搭配 ERA x 1.05 ................................................ 41. 圖 3-35. 基材厚度 50 微米搭配 ERA x 1.1 .................................................. 41. 圖 3-36. 基材厚度 50 微米搭配 ERA x 1.15 ................................................ 41. 圖 3-37. 基材厚度 37.5 微米搭配 ERA x0.9 ................................................ 42. 圖 3-38. 基材厚度 37.5 微米搭配 ERA x0.95 .............................................. 42. 圖 3-39. 基材厚度 37.5 微米搭配 ERA x 1 .................................................. 42. 圖 3-40. 基材厚度 37.5 微米搭配 ERA x 1.05 ............................................. 42. 圖 3-41. 基材厚度 37.5 微米搭配 ERA x 1.1 ............................................... 42. 圖 3-42. 基材厚度 37.5 微米搭配 ERA x 1.15 ............................................. 42. 圖 3-43. 優化柱狀結構以消弭球面像差 ...................................................... 44. 圖 3-44. 圓柱球面配合 50 微米厚之基材 .................................................... 44. 圖 3-45. 橢圓面配合 50 微米厚之基材 ........................................................ 44. 圖 3-46. 以新方式設計之 ERA 與原 ERA 比較圖 ...................................... 46. 圖 3-47. New ERA I 之強度光柵圖 ............................................................. 47. 圖 3-48. New ERA II 之強度光柵圖 ............................................................ 47. 圖 3-49. New ERA III 之強度光柵圖 ......................................................... 47. 圖 3-50. 入射面垂直的非對稱 ERA 應用示意 ............................................ 48. 圖 3-51. 縮小間距以增加結構數量 .............................................................. 49. 圖 3-52. 雙斜率反射面 ERA 的強度光柵圖 ................................................ 49. 圖 4-1. 透鏡結構製作流程 ............................................................................ 51 IX.
(12) 圖 4-2. 圓柱微結構生成示意圖 .................................................................... 52. 圖 4-3. ERA 結構製作流程 ........................................................................... 52. 圖 4-4. ERA 生成示意圖 ............................................................................... 53. 圖 4-5. 清洗殘膠與檢查樣品 ........................................................................ 53. 圖 4-6. 雙面微結構光學膜 OM 拍攝照片 .................................................... 53. 圖 4-7. 三幾何參數定義示意圖 .................................................................... 55. 圖 4-8. 曝光時間 0.5 秒的結構生成情形 ..................................................... 56. 圖 4-9. 曝光時間 0.6 秒的結構生成情形 ..................................................... 57. 圖 4-10. 曝光時間 0.7 秒的結構生成情形 ................................................... 58. 圖 4-11. 曝光時間 0.8 秒的結構生成情形 ................................................... 59. 圖 4-12. 曝光固化時間 0.6 秒 ....................................................................... 60. 圖 4-13. 曝光固化時間 0.7 秒 ....................................................................... 60. 圖 4-14. 曝光固化時間 0.8 秒 ....................................................................... 61. 圖 4-15. 曝光固化時間 0.6 秒之量測與模擬結果比較 ............................... 61. 圖 4-16. 曝光固化時間 0.7 秒之量測與模擬結果比較 ............................... 62. 圖 4-17. 曝光固化時間 0.7 秒之量測與模擬結果比較 ............................... 62. X.
(13) 表目錄 表 2-1 光度計量與輻射計量單位對照表 ...................................................... 10 表 3-1. 控制角錐結構底寬在不同長度的出光表現比較 ............................ 31. 表 3-2. 控制角錐結構底角在不同大小的出光表現比較 ............................ 33. 表 3-3. 控制角錐結構在不同高度的出光表現比較 .................................... 34. 表 3-4. ERA 幾何參數與基材厚度對照表 ................................................... 37. 表 3-5. 不同厚度配合不同 ERA 的出光效果比較 ...................................... 39. 表 3-6. 基材厚度 50 微米與 ERA 尺寸縮放關係 ........................................ 40. 表 3-7. 基材厚度 37.5 微米與 ERA 尺寸縮放關係 ..................................... 40. 表 3-8. 基材厚度 50 微米配合不同 ERA 高度縮放比例的出光效果比較 41. 表 3-9. 基材厚度 37.5 微米配合不同 ERA 高度縮放的出光效果比較 ..... 43. 表 3-10. 相異基材厚度配合新 ERA 設計方法之尺寸參數對應表 ............ 46. 表 3-11. 相異基材厚度配合新 ERA 設計方法之出光表現比較 ................ 47. 表 4-1. 曝光時間 0.5 秒的結構生成幾何尺寸變化表 ................................. 56. 表 4-2. 曝光時間 0.6 秒的結構生成幾何尺寸變化表 ................................. 57. 表 4-3. 曝光時間 0.7 秒的結構生成幾何尺寸變化表 ................................. 58. 表 4-4. 曝光時間 0.8 秒的結構生成幾何尺寸變化表 ................................. 59. XI.
(14) 第一章. 緒論. 1.1 前言 液晶面板是目前最被廣泛使用的顯示裝置，但液晶不是自發光材料， 還需要搭配背光模組（Backlight Module； BLM）才能達到顯示目的， 可見背光模組在現今顯示科技中扮演角色的重要性。 其原理是讓一般常用來做為光源的發光二極體（Light emitting diode； LED）透過背光模組轉換成均勻的面光源供給液晶面板使用，近年隨著液 晶顯示器（Liquid Crystal Display；LCD）製造技術的提升，背光模組在考 慮輕量化、高效率以及市場價格要求下，為了保持競爭優勢，提高能量使 用效率及薄化是背光模組未來努力的重要課題。. 1.2 背光模組簡介 背光模組依照光源擺放的位置不同，可分為側向式（Side-Light Backlight Type）及直下式（Direct Backlight Type）兩種: 1 側向式模組： 光源位於面板側邊四周，一般常用於中小尺寸的背光模組，從螢幕邊 緣發射的光透過導光板傳送到螢幕前 。如圖 1-1 所示。. LCD. BEF Diffuser. REF. LGP LGP LGP 圖 1-1. Light Source. 側向式模組示意圖. 1.
(15) 側向式模組的主要優點有二。首先，是可以減少 LED 的使用，節省成 本；再者就是可以製作較輕薄的顯示器，因為 LED 放置的位置在側邊，不 需要再模組後方提供空間給 LED 擺放，所以會較採直下式模組的顯示器薄。 可是，由於光源都置於四周，所以螢幕四周亮度較中間大的情形也容易產 生，且螢幕邊緣區域的溫度會比畫面中間的還高。 2 直下式模組： 直下式模組適用於超大尺寸的背光模組，因此時側光式模組已經無法 在照度均勻及亮度上佔有優勢，因此不含導光板，光源放置於液晶面板正 下方的直下型模組便誕生了。常用於可攜性低，較大螢幕的 LCD 顯示器 與 LCD 電視。如圖 1-2 所示。. LCD BEF. Diffuser. REF 光源. 圖 1-2. 直下式模組. 直下式模組的出光較側向式的均勻，且可以做到區域控光，達到光對 比、廣色域的效果，因而色彩通常會比較鮮豔，受到熱愛高階影音設備的 消費者歡迎。缺點是在畫面變換過程中，當亮區域轉換成暗區域時，鄰近 區域的灰階層次會被影響，產生了些微模糊的現象；且價格較側光式模組 高出許多。 2.
(16) 1.3 背光模組元件介紹 1 光源 常見的背光模組光源有目前有熱陰極螢光管、冷陰極燈管（Cold Cathode Fluorescent Lamp；CCFL）、發光二極體（Light emitting diode； LED）及電激發光片（EL）以及有機發光二極體（OLED）…等。 CCFL 的圓柱外型容易與光反射元件組合成薄板狀照明裝置，2010 年 尚為使用大宗。而近年來的趨勢則是以 LED 為光源，因為 LED 皆可用於 側向式與直下式背光模組，且壽命長，具亮度高、色域廣、低耗能的優點。 漸漸取代驅動電壓較高，且調光不易的 CCFL 光源。 2 燈罩 一般燈罩的主要功能是將光源射入背光模組內，透過設計的形狀可以 有效控制光線行進的方向。 3 導光板（Light guide Plate） 導光板的主要功能為導引光線方向，並提高面板輝度及控制亮度均勻。 一般的導光板是以射出成型的方式將材料壓製成表面光滑的楔型板塊，再 以高反射率且不吸收光線的顏料，於導光板底面以光板印刷的方式，印上 圓形或方形的擴散點。設計不同大小網點的目的是要讓光線能夠均勻的射 出導光板。而網點大小的原則是靠近光源的較小，遠離光源的較大；若是 設計一樣大小的網點，則是距光源較近的網點密度較低，距光源遠的網點 密度高。 通常導光板的材料為 PC 與 PMMA，因為這些材質的折射率影響，幾 乎所有光線都只能以全反射的方式在導光板內傳播，然而，這會使光線無 法射出導光板，必須在導光板下設置微結構，破壞導光板內的全反射，才 能改變光線的行進方向，最終均勻地射出導光板。 圖 1-3 為導光板利用微結構出光的示意圖。 3.
(17) 圖 1-3. 導光板利用微結構出光示意圖. 4 反射片（Reflector) 反射片置於導光板下方，作用是將非依需求射出的光線反射回導光板 再利用，以此降低能量浪費，增加光線的使用效率。材質多為 PET （Polyethylene terephthalate），或是以 PET 作為基材再加工所形成其他更 高反射率的材料。通常反射片的反射率稍大於 95%。 5 擴散片（Diffuser） 擴散片的功能是提供 LCD 均勻的面光源。傳統擴散膜主要是在基材 中，加入許多化學顆粒作為散射粒子，這些散射粒子分散在樹脂層之間， 所以光線在經過擴散片時會不斷的在折射率相異的介質中穿過，此時光線 就會發生許多折射、反射與散射的現象，形成光學擴散的效果。新興的擴 散模則藉粗化擴散模的基材表面達到光學擴散。 6 增亮膜（Brightness Enhancement Film） 增亮膜一般又稱為聚光片，主要功能是藉由折射與全反射，將來自下 方的光線集中在需求的角度範圍內輸出，通常會集中在增亮片的法線方向， 以提高中心視角的輝度，將光線做最要效率的利用與回收。主要研發與製 造廠商為美國 3M 公司，目前擁有 80% 的全球市佔率。. 7 膠框（Frame） 膠框常用的材質為 PC，主要功能是將各零件固定。 4.
(18) 1.4 研究動機與目的 背光模組的主要功能是將光源光線依需求傳達至目標，其中，導光板 及增亮膜是最重要的部分。目前採用稜鏡片的增亮膜在應用上僅能收攏單 一維度光線至法線方向的中心，若要達到兩維度均可收攏的效果，則需再 加上一片稜鏡片以正交方式置放，但此作法不僅多耗費材料、佔用空間， 能量的利用率也會因材料吸收而下降，為符合中小尺寸之 3C 產品對於輝 度提升以及尺寸薄化的需求趨勢，本論文希望能運用特別設計的自對位方 式在 PET 基材上生成結構，設計一增亮膜，以提升背光模組的光線輸出效 率。. 5.
(19) 1.5 論文架構 本論文共分為五個章節，各章節內容分別如下： 第一章 緒論 介紹背光模組與背光模組各元件的應用，以此說明研究動機與論文架 構。 第二章 基本理論 介紹基本光學、光度學的概念，以及軟體 LightTools 的使用方式，最 後還有增亮膜的類型介紹，以此展開下一章節的設計基礎。 第三章 增亮膜微結構設計 介紹初步構想，分析微結構參數對出光效果可能造成的影響，利用 LightTools 模擬，以觀察結果並設計適當的微結構。 第四章 自對位方法製作增亮膜 說明除模擬外，在實驗室利用自對位方式製造設計之光學增亮膜，先 解釋自對位方法，再分析曝光參數對於微結構幾何參數的影響，並比較模 擬與實際量測結果之差異。 第五章 結論與未來展望 總結本研究過程所遇到的問題，及可能的解決方法，提出未來能繼續 努力的方向，或應用領域的可能性。. 6.
(20) 第二章. 基本理論. 2.1 幾何光學簡介 折射定律（Snell’s law） 如圖 2-1 所示，折射定律 n1sinθ1 = n2sinθ2，描述光線在不同介質間的 折射情形，n1、n2 為兩介質的折射率，θ1 為入射光線與界面法線的夾角， 稱為入射角；θ2 為出射光線與界面法線的夾角，稱為折射角。所在介質折 射率乘以入射角或折射角的正弦函數值為定值。當光線從折射率較大的光 密介質入射到折射率較小的光疏介質時，若入射角度大到讓折射角等於 90 度，此時的入射角便是臨界角 θc；當入射角度大於臨界角時，光線便不再 折射入光疏介質，這種現象我們稱為全反射。θc = sin-1(. 圖 2-1. )。. 折射定律. 反射定律：以一平滑鏡面之法線為基準，入射光與法線的夾角等於反 射光線與法線的夾角，即入射角等於反射角，為反射定律。 7.
(21) 2.2 介質表面的特性 2.2.1 透射（Transmission） 當光線進入物質後，不完全被此物質吸收，且可以穿透到此物質的另 一側，即稱為透射；若光線不會被此物質吸收，而全部穿透到此物質的另 一側，則稱為全透射。. 2.2.2 吸收（Absorption） 一個物體可以吸收部分或全部的入射光，轉換成熱能。物質對光能的 吸收分為一般吸收和選擇性吸收（Selective absorption）；選擇性吸收指物 質會吸收特定波長的光線。材料對光線的吸收可由 Lambert's law absorption 表示，其方程式為. ，I0 表入射光線強度，α 表示材料吸收係數，. x 表示材料厚度。. 2.2.3 擴散反射（Diffuse reflection） 當一束平行的入射光線射到粗糙的表面時，此粗糙表面會把光線往四 面八方反射，這是因為各點的法線方向不一致，造成反射光線向不同的方 向無規則地反射，這種現象稱之為擴散反射。只有如鏡面的光滑表面才能 使一道光束內的所有光都產生規律性反射，此類反射則稱為鏡面反射 （Specular reflection）。如圖 2-2。. 8.
(22) 圖 2-2. 鏡面反射. 擴散反射（Diffuse reflection）光散射到各個方向。圖 2-3。. 圖 2-3. 擴散反射. 9.
(23) 2.3 光度學簡介 光度學是根據人眼對於光線感知能力之物理量所發展的學問。一般從 儀器中可得有關光線的物理量是輻射量，如焦耳（Joule）、瓦特（Watt）， 但人眼所感受到的輻射總量，其實是單位時間內某一波段的輻射能量與該 波段的視見函數之乘積的總和。. 表 2-1 光度計量與輻射計量單位對照表 物理量. 光度計量. 輻射計量. Lumen (lm). Watt（W）. Lux(lx)＝lm/m2. W/m2. Candela(cd)＝lm/sr. W/sr. Nit＝lm/(m2．sr). W/(m2．sr). 通量 （Flux） 照度 （Illuminance/Irradiance） 強度 （Intensity） 輝度 (Luminance/Radiance). 10.
(24) 2.3.1 光通量（Luminous Flux） 光通量是用來表示輻射功率經過人眼的視見函數影響後的光譜輻射 功率大小的物理量，單位為流明，常用 Φ 來表示。光通量體現的是人眼感 受到的功率，在較明亮環境中人的視覺對波長為 555 奈米左右的綠色光最 敏感。. 2.3.2 照度（Illuminance） 照度是每單位面積所接收到的光通量，以 E 表示。照度的單位為勒克 斯（lux），. 2.3.3 強度（Luminous Intensity） 光源在某一方向立體角內光通量的大小稱為強度。通常以 I 表示。如 圖 2-4，假設一點光源沿某方向 r 展開的立體角為 則沿 r 方向的發光強度為. ，. 。單位為燭光（Candela, cd），1cd = 1. lumen/sr。. 圖 2-4. ， 內的光通量為. 強度定義示意圖. 11.
(25) 2.3.4 輝度（Luminance） 一光源或一被照面在某一方向上單位面積的光強度稱為輝度，常以Ｌ 表示，也可以說是人眼所感知此光源或被照面之明亮程度。如圖 2-5，r 方 向的輝度為. ，θ 為 r 方向面積 ds'與水平方向 ds 的夾角。單位為. 尼都（nit），1 nit＝1 cd/m². 圖 2-5 輝度定義示意圖. 2.3.5 朗伯光源 輝度一般隨觀察方向而變化，但有些光源如太陽、黑體、粗糙表面的 發光面，其輝度與方向無關，這類光源就叫做朗伯（Lambertian）光源。 如圖 2-6 所示，朗伯光源每方向的強度為 ＝. 。. 12. ，也就是說，.
(26) 圖 2-6. 2.4. Lambertian 光型隨角度的變化情形. LightTools 軟體介紹 本研究的模擬皆由軟體 LightTools 運算，為能理解光線空間與角度的. 對應關係，以及在設計為結構時，利用的最佳化程式運作方法，此部分將 做些基礎說明。. 2.4.1 接收器座標定義 在 LightTools 軟體中的接收器圖會顯示接受器的座標，如圖 2-7，並 以 x 方向與 y 方向表示，而在該軟體 type B 的接受器，強度圖表上則以 V 與 H 表示。. 13.
(27) 圖 2-7 接受器座標. 如圖 2-8，V 方向平躺在 平面上， 方向轉至 y 方向為正，範圍由 180 度到-180 度。如圖 2-9，H 方向躺在 平面上， 轉. 為正，從 90 度到-90. 度。由此包含以整個遠場的範圍，但此研究多關心單一表面的出光表現， 遂將 V 方向的範圍限縮至 90 度到-90 度。. 14.
(28) 圖 2-8. V 方向角度解釋圖. 圖 2-9. H 方向角度解釋圖. 15.
(29) 2.4.2 最佳化程式 LightTools 的最佳化功能可以幫助使用者在結構的幾何相應參數上做 調整以達到預期效果；如聚焦、準直，以及能量分布等不同需求。. 最佳化三大基本組成： 1 評價函數 Merit Function （Error Function）： 系統的一個目標函數，是單一的數值。若該數值為 0 表示已經達成目標。 2 變數 Variables： 系統中可以允許改變的特性，藉由特性改變可以降低誤差函數。 3 限制條件 Constraints： 在進行最佳化的過程中，系統無論如何都必須要達到的情況。. 最佳化的目的： 藉由改變系統的變數，在能夠滿足限制條件的情況下來降低目標函數。. 16.
(30) 2.5 增亮膜介紹 絕大部份的 LCD 液晶螢幕都具有背光模組，經背光模組傳導所發出 的面光源，透過偏光片、玻璃層、彩色濾光片…，等元件，最後才會經外 層的面板傳達到使用者的眼睛，這是使用者實際看到的螢幕亮度。從圖 2-10 可以看出來，原本 100% 從背光模組發出的光，在經過偏光片後，有 50% 的能量被偏光片吸收，此時亮度已經損失了一半，再加上一次僅讓三 分之一光線通過的彩色濾光片，最後射出面板的光線僅剩原有的 10% ， 即有九成的光源被虛耗，非常浪費也沒有效率；反之，如果想需要看見更 大量的光源，讓 LCD 螢幕看起來更明亮，那就需要有更大能源來驅動背 光模組，但這樣做會變得很耗電。為了改善此問題，稜鏡片在背光模組中 便扮演重要的角色。. 圖 2-10. 光線出射背光模組後的能量損耗示意圖. 17.
(31) 1 稜鏡片（BEF） 稜鏡膜（BEF）是 3M 設計製造的光學薄膜。在透明性極佳的 PET 表 面上，利用丙烯酸樹脂，精密成形一層均一稜鏡條紋的光學膜片。稜鏡膜 的增亮原理是將其組裝在背光源前方，利用特別設計的幾何尺寸配合材料 的折射率，可以將背光源發出較大視角的雜散光聚攏在約 70 度的範圍出 射，以增加正面的亮度；此外，未能如預期在張角 70 度內出射的光線， 也有一部份會因全反射回到模組內經反射片反射後再達到稜鏡片，直到出 射稜鏡片或被材料吸收。如圖 2-11。. 圖 2-11. 稜鏡片作用原理示意圖. 因單一稜鏡片僅能聚合單維度的光線，故將兩片稜鏡片以條紋正交的 方式疊放，則可聚攏兩維度的光線，使正面亮度再次提升。如圖 2-12 所示。. 18.
(32) 圖 2-12. 兩片稜鏡片正交疊放的正面亮度提升效果. 稜鏡片有許多不同的變異設計，分別用來減低稜鏡片可能會產生的光 耦合（Wet out）現象、疊紋效應，或 Cut off 現象…等問題。 (a). BEF III：與稜鏡片不同處為 BEF III 是一層分散隨機稜鏡組合的光學 薄膜。如圖 2-13 所示。此變化可以解決光耦合（Wet out）現象且抑 制疊紋效應（光照部與光擴散部分因顯示部均勻而形成條紋狀）。. 圖 2-13. BEF III 的稜鏡組合示意圖. 19.
(33) (b). 圓弧型增亮膜 (Rounded Brightness Enhancement Film； RBEF)：與 稜鏡片不同處為 RBEF 的稜鏡頂部被製成圓弧形，如圖 2-14 所示， 此設計可有效緩和 Cut-off 現象。. 圖 2-14. RBEF 的稜鏡結構示意圖. 2 反射式偏光增亮膜(DBEF) 與稜鏡片的作用原理不同，DBEF 是一種運用多層膜技術，將近千層 具特殊雙折射率特性的高分子層組合的光學薄膜。 一般來說，我們看到 LCD 螢幕的光源是由 P 光和 S 光所組成，但是 偏偏螢幕前面板會阻擋 S 光，便使能量少了一半；3M 的 DBEF 增亮膜有 效地解決了這個問題，透過 3M 光學增亮膜技術，可以讓 S 光被 DBEF 增 亮膜反射回來，並且回收再重新投射 P 光和 S 光。如圖 2-15 所示。整體而 言，3M 的 DBEF 增亮膜可以回收 60% 的 S 光，讓光源的使用效率可 以更大化。. 20.
(34) 圖 2-15. DBEF 的功能原理. 若 DBEF 與兩片正交擺放的稜鏡片疊放，則會因效果相互搭配，更能 達到增大亮度的效果，如圖 2-16 所示。. 圖 2-16. 單一 DBEF 與 DBEF 搭配兩片正交稜鏡片光強度比較圖 21.
(35) 3 具有逆稜鏡結構的增亮膜 稜鏡膜的工作原理為利用光線在結構中折射或反射，使分散光源在一 特定張角內從螢幕出射，但在此過程裡，由於無法在早期出射的光線會被 反射回反射片改變入射角度再重新出射，許多能量因而被材料吸收，造成 浪費。日本 Mitsubishi 公司設計的逆稜鏡膜則改善了此一問題，如圖 2-17 所示，逆稜鏡陣列會將下方光線直接往準直方向射出，減少因光線循環造 成的能量損失。. 圖 2-17. 稜鏡膜與逆稜鏡膜的比較. 隨著 LCD 的發展趨勢走向更薄更輕更省電；在市場的競爭下，面板 業者也無不企圖製造更低成本更低價位的產品，背光模組當然也要從設計 中跟上這趨勢。目前在輕量化的設計需求上多由輕材料、減少元件以及元 件整合的方向去前進，因此有愈來愈多複合式光學膜片誕生。本論文希望 利用製作光學複合片的概念，設計具雙面自對位結構的光學膜片，僅以單 片即能達到收攏兩維度光線的效果，達到減少膜片使用並且降低成本及高 輝度的目的。. 22.
(36) 第三章. 增亮膜微結構設計. 3.1 初步構想 設計微結構的初步構想來自於逆稜鏡片。由於逆稜鏡片不若稜鏡片， 會將無法在出射張角 70 度內的光線反射回反射片，等待另一次的出射， 因此也減少了多餘的能量浪費。本研究主旨既是為了追求輕量化以及低耗 能，遂選擇逆稜鏡結構為光學膜片設計的發展基礎。 需要克服的問題是：逆稜鏡與單一稜鏡片的效果相同，僅能使一個維 度的光線收攏由正面出射，若要繼續收攏另一正交維度的光線，勢必要在 膜片另一面設計可搭配的結構，而凸透鏡可能是不錯的選擇。 凸透鏡是一種常見的透鏡，中間厚、邊緣薄，至少有一個表面製成球 面，亦可兩面都製成球面。以下是關於凸透鏡的基本概念：. 主軸：通過凸透鏡兩個球面球心 C1、C2 的直線叫凸透鏡的主光軸，簡稱 主軸。 光心：凸透鏡的中心Ｏ點是透鏡的光心。 焦點：平行於主軸的光線經過凸透鏡後會聚於主光軸上一點 F，這一點是 凸透鏡的焦點；而因光線具有可逆性，所以反過來說，通過凸透鏡焦點的 光線經過凸透鏡後會改變行進方向而平行於主軸，如圖 3-1 所示。 焦距：焦點 F 到凸透鏡光心 O 的距離叫焦距，用 f 表示。 圖 3-1 為凸透鏡光的行進原則。. 23.
(37) 圖 3-1. 過凸透鏡焦點的光線經過凸透鏡後改變方向而平行主軸. 一有了初步的構想，複合式雙面膜片便得以開始設計。已知通過焦點 之光線射向凸透鏡後折射會與主軸平行，如圖 3-2 所示，當光線以特定角 度射入近焦點之凸透鏡聚焦範圍內，便有極大的機會經凸透鏡結構後聚攏 由正面方向平行出射。 如圖 3-3 所示，角錐結構的幾何條件以及此雙面膜片聚攏兩方向光線 的功能清晰可見，所以本研究的膜片結構便以一面凸透鏡結構配合角錐結 構出發。. 24.
(38) 圖 3-2. 圖 3-3. 圓柱結構的聚焦功能示意圖. 單元柱狀結構、基材以及角錐結構的功能示意圖. 25.
(39) 3.2 模擬模型設計 3.2.1 光源 為確實模擬出光表現，本模組光源採實體 23 吋導光板射出之光源的 量測數據。該光源出射光強度峰值位於 V 方向離出光面法線方向約 77 度， H 方向則與法線平行的光源，將之置於增亮膜後方直接射入，以此做為 LED 經導光板轉換成的背光源。其 V 方向光強度張角的半高全寬約 18 度，H 方向張角的半高全寬則約為 45 度。圖 3-4 為出光強度光柵圖，圖 3-5 為光 強度剖面線圖，紅線表 V 方向剖線。. 圖 3-4. 光源強度光柵圖. 圖 3-5. 出光強度剖線圖 26.
(40) 3.2.2 反射片 背光模組模型採用型號 TorayE6SV 的反射片，此反射片之反射率為 0.981， 穿透率為 0.019。. 3.2.3 逆稜鏡片模擬結果 由於逆稜鏡片為此設計膜片之發展基礎，因此本研究也將逆稜鏡片置於同一 模擬環境下觀察結果，以作為量值之分析。圖 3-6 為逆稜鏡片於此模擬環境下. 之強度光柵圖，其峰值強度約為 1.13cd，H 方向出光張角的半高全寬約為 45 度，接續設計便是要收攏 H 方向之出光張角以達到提升正面峰值的目 標。. 圖 3-6. 逆稜鏡片支出光強度光柵圖. 27.
(41) 3.3 微結構幾何參數介紹 經初步研究後得知，角錐及凸透鏡微結構有以下參數對出光結果會造 成影響，這些參數均可輸入 LightTools 來製成結構，藉由控制這些簡單的 參數，得以大略了解結構形狀、尺寸對出光效果的變化：. 節距（Pitch），在此以 G 表示。 高度（Height）：在此以 B 表示。 正面底角（Base Angle）：在此以 d 表示。 底寬（Base Width）：在此以 W 表示。 側面底角（Side Base angle）：在此以 θ 表示。 如圖 3-7 所示。. 圖 3-7. 角錐結構幾何參數對照圖. 28.
(42) 曲率半徑（Curvature radius）、 圓柱高度（Generated height）、 圓柱長度（Column height）， 如圖 3-8 所示。. Generated height. Curvature radius. Column height. 圖 3-8. 圓柱結構幾何參數對照圖. 角錐結構中心必須對齊圓柱結構周心才有期望之聚攏效果，因此角錐 結構的生成位置中心必須平行排列於圓柱結構條紋正下方，如圖 3-9 所 示。. 29.
(43) 圖 3-9. 圓柱結構與角錐結構對齊示意圖. 3.4 控制角錐結構參數 增亮片預設材料為 PMMA，光學特性為具菲涅耳損耗並以或然率分 光的平滑光學。基材厚度 50 微米。圓柱透鏡結構幾何參數為曲率半徑 44 微米、高度 23 微米、間距 75 微米，長度 40 微米。角錐結構側面以逆稜 鏡模仁限制尺寸為高度 40 微米、間距 50 微米，底角 58 度。. 3.4.1 控制底寬 將角錐結構的高度及底角分別固定於 38 微米及 76 度，底寬長度為 W 微米，W=33, 36, 39, 42。 模擬結果如下：. 圖 3-10. 底寬為 33 微米之強度光柵圖. 圖 3-11. 30. 底寬為 36 微米之強度光柵圖.
(44) 圖 3-10 為底寬 33 微米之強度光柵圖，峰值強度為 1.43cd，H 方向的 光線張角為 17.25 度。圖 3-11 為底寬 36 微米之強度光柵圖，峰值強度為 1.42cd，H 方向的光線張角為 18.90 度。. 圖 3-12. 圖 3-13. 底寬為 39 微米之強度光柵圖. 底寬為 42 微米之強度光柵圖. 圖 3-12 為底寬 39 微米之強度光柵圖，峰值強度為 1.41cd，H 方向的 光線張角為 20.93 度。圖 3-13 為底寬 42 微米之強度光柵圖，峰值強度為 1.40cd，H 方向的光線張角為 23.00 度。. 表 3-1. 控制角錐結構底寬在不同長度的出光表現比較. Base width. 33μm. 36μm. 39μm. 42μm. Max Intensity. 1.43cd. 1.42cd. 1.41cd. 1.40cd. FWHM(H). 17.25°. 18.90°. 20.93°. 23.00°. 31.
(45) 3.4.2 控制底角 將角錐結構的高度及底寬分別固定於 38 微米及 36 微米，底角大小為 d 度，d=72, 76, 80, 84。 模擬結果如下：. 圖 3-14 底角為 72 度之強度光柵圖 圖 3-12 為底角 72 度之強度光柵. 圖 3-15. 底角為 76 度之強度光柵圖. 圖 3-14 為控制底角為 72 度之強度光柵圖，峰值強度為 1.41cd，H 方 向的光線張角為 15.89 度。圖 3-15 為底角 76 度之強度光柵圖，峰值強度 為 1.42cd，H 方向的光線張角為 18.90 度。. 圖 3-16. 底角為 80 度之強度光柵圖. 圖 3-17. 底角為 84 度之強度光柵圖. 圖 3-16 為底角 80 度之強度光柵圖，峰值強度為 1.44cd，H 方向的光 線張角為 20.09 度。圖 3-17 為底角 84 度之強度光柵圖，峰值強度為 1.45cd， H 方向的光線張角為 24.84 度。. 32.
(46) 表 3-2. 控制角錐結構底角在不同大小的出光表現比較. Base Angle. 72°. 76°. 80°. 84°. Max Intensity. 1.41cd. 1.42cd. 1.44cd. 1.45cd. FWHM（H）. 15.89°. 18.90°. 20.09°. 24.84°. 3.4.3 控制高度 將角錐結構的底寬及底角分別固定於 36 微米及 76 度，角錐高度為 B 微米，B=34, 36, 38, 40。 模擬結果如下：. 圖 3-18. 圖 3-19. 高度為 34 微米之強度光柵圖. 高度為 36 微米之強度光柵圖. 圖 3-18 為角錐高度 34 微米之強度光柵圖，峰值強度為 1.28cd，H 方 向的光線張角為 19.60 度。圖 3-19 為角錐高度 36 微米之強度光柵圖，峰 值強度為 1.35cd，H 方向的光線張角為 19.15 度。. 33.
(47) 圖 3-20. 高度為 38 微米之強度光柵圖. 圖 3-21. 高度為 40 微米之強度光柵圖. 圖 3-20 為角錐高度 38 微米之強度光柵圖，峰值強度為 1.42cd，H 方 向的光線張角為 18.90 度。圖 3-21 度 40 微米之強度光柵圖，峰值強度為 1.51cd，H 方向的光線張角為 18.66 度。. 表 3-3. 控制角錐結構在不同高度的出光表現比較. Height. 34μm. 36μm. 38μm. 40μm. Max Intensity. 1.28cd. 1.375cd. 1.4206cd. 1.5080cd. FWHM（H）. 19.61°. 19.15°. 18.90°. 18.66°. 由三組模擬得知角錐結構高度影響出光的強度峰值最為劇烈，在模仁 所限制範圍內，當高度愈高時，強度峰值愈大；反之愈小。 底寬與底角尺寸則是對出光張角的影響較大，底寬、底角愈大，帶來 的結果是光線在 H 方向的張角愈寬，繼而發散光線，降低強度峰值；相 反地，當底寬、底角愈小，雖光線在 H 方向的張角愈窄，但由於光線射. 34.
(48) 入聚光有效範圍的可能性也縮小了，強度峰值便跟著往下掉。本研究猜測 必有一組參數在出光效果互相拔河下可以達到設計需求。. 3.5 設計角錐結構 本論文之設計角錐結構以 ERA；Equivalent Reflective Aperture 表示。. 3.5.1 改善 V 方向偏折 由先前的模擬圖可以看出，光線並未在設計增亮片之法線方向射出， 這是因為 ERA 結構的幾何參數無法折射光線至需求位置，因此須從這方 面先行改善。 經計算優化後，修改 ERA 側面可由逆稜鏡結構模仁控制之幾何參數 為高度 38 微米、間距 54.29 微米，側面底角 55 度，便可使最強峰值由增 亮片法線方向射出，等比例縮放高度與間距亦然。. 3.5.2 結構尺寸與基材厚度之影響 解決了 V 方向出光偏折的問題後，接下來便要使出光的強度峰值提高、 張角縮小。在此要先探討基材厚度與結構尺寸的對應關係。以下是模擬參 數設定說明： 由於背光源出光射向角錐結構不可能平均射入整個結構的入射面，為 方便計算，我先將背光源約略簡化為 V 方向仰角 13 度的單向光源，也就 是只考慮背光源最強峰值的光線。 如圖 3-22 所示，在使光線最能有效打入結構的需求下，我令仰角 13 度光線從水平距離 1/2 間距入射間距 54.29 微米、角錐高度 38 微米與頂角 70 度的稜鏡，令該光線與角錐結構中線交點到頂點的距離為 Δh 紅線部分）。 35. （圖中.
(49) 圖 3-22. 圖 3-23. 角錐結構側面入射. 準直平行光由上方入射. 如圖 3-23 所示，本研究定義上方垂直入射的光線經圓柱結構聚焦後匯 聚一點，令此點到基材上表面的距離為 F，基材厚度為 T，角錐結構高度 高度定義為 B、底寬為 W 、前後節距 G 與角錐兩側底角 d。可得到下式 關係：. 節距（G）依 ERA 高度（B）變化，由於側面頂角固定為 70 度，知節距與 高度之對應關係為：. 36.
(50) 根部寬（W）與兩側底角（d）兩者相關，故較有變化空間。 僅考慮平行射入凸透鏡聚焦範圍的最外側光線，可得兩側傾角約 66 度，根部寬（W）則因基材厚度而異，加上 Δh 的影響，計算後將根部寬 僅限制在最外側光線通過之範圍，兩側底角一律以 72.5 °進行模擬。得尺 寸規格，表 3-4。 表 3-4. ERA 幾何參數與基材厚度對照表 T. B. Δh. W. ERA I. 25µm. 68.61µm. 11.06µm. 51.0µm. 96.08µm. ERA II. 31µm. 61µm. 9.5µm. 45.78µm. 85.43µm. ERA III. 37.5µm. 53.70µm. 8.7µm. 40.0µm. 75.20µm. ERA IV. 44µm. 45.92µm. 8.42µm. 33.33µm. ERA V. 50µm. 38.77µm. 5.47µm. 29.2µm. 54.29µm. ERA VI. 62.5µm. 23.87µm. 3.87µm. 18.1µm. 33.43µm. ERA VII. 75µm. 8.95µm. 1.45µm. 7.0µm. 12.53µm. d. 72.5°. G. 64.3µm. 模擬結果如下：. 圖 3-24. ERA I 之強度光柵圖. 圖 3-25 37. ERA II 之強度光柵圖.
(51) 圖 3-26. ERA III 之強度光柵圖. 圖 3-27. ERA IV 之強度光柵圖. 圖 3-28. ERA V 之強度光柵圖. 圖 3-29. ERA VI 之強度光柵圖. 圖 3-30. ERA VII 之強度光柵圖. 38.
(52) 表 3-5. 不同厚度配合不同 ERA 的出光效果比較 ERA. ERA. ERA. ERA. ERA. ERA. ERA. I. II. III. IV. V. VI. VII. 1.73cd. 1.82cd. 1.80cd. 1.79cd. 1.72cd. 1.29cd. 1.01cd. 15.12°. 13.89°. 13.06°. 10.00°. 10.43°. 9.34°. 3.29°. Model. Max Intensity FWHM （H）. 由圖表可得知利用此設計方法所能得到之 ERA 與基材厚度的最佳組 合應會落在基材厚度 37.5 至 50 微米之間，H 方向初出光張角的半高全寬 較逆稜鏡片的結果皆有大幅下降，以此收攏光線使峰值提升，再次證實此 設計概念之可行性。 若基材增厚，ERA 縮小，不僅峰值強度減小，也無法貫徹輕量化的需 求，背離了設計的目的。. 3.5.3. ERA 高度縮放. 依前次模擬分析之結果挑選兩基材厚度 37.5 微米與 50 微米與其對應 之 ERA 幾何尺寸，此兩參數分別代表模擬最佳效果與實際較易取得之基 材尺寸。因之前模擬結果得知 ERA 高度為影響出光峰值大小最劇烈之參 數，此部分便以控制 ERA 高度縮放的方式觀察出光的改變；而 ERA 高度 正洽可由側邊底寬調整，僅需注意控制折射角度需固定即可。下方為尺寸 對應表格。. 39.
(53) 表 3-6. 基材厚度 50 微米與 ERA 尺寸縮放關係 T. B. W. d. G. x0.9. 34.89µm. 48.86µm. x0.95. 36.83µm. 51.58µm. x1. 38.77µm. 54.29µm. 50µm. 29.2µm. 72.5°. x1.05. 40.70µm. 57µm. x1.1. 42.65µm. 59.72µm. x1.15. 44.58µm. 62.43µm. 表 3-7. 基材厚度 37.5 微米與 ERA 尺寸縮放關係 T. B. W. d. G. x0.9. 48.33µm. 67.68µm. x0.95. 51.01µm. 71.44µm. x1. 53.70µm. 75.20µm. 37.5µm. 40.0µm. 72.5°. x1.05. 56.38µm. 78.96µm. x1.1. 59.07µm. 82.72µm. x1.15. 61.75µm. 86.48µm. 模擬結果如下：. 圖 3-31. 圖 3-28 基材厚度 微米搭配 ERA基材厚度 x0.9（左） 基材厚度 50 微米搭配 ERA50 x0.9 圖 3-32 50 微米搭配 ERA x0.95. 40.
(54) 圖 3-33. 圖 3-35. 基材厚度 50 微米搭配 ERA x 1. 圖 3-34. 基材厚度 50 微米搭配 ERA x 1.05. 基材厚度 50 微米搭配配 ERA x 1.1 圖 3-36 ERA x 1.1（左）. 基材厚度 50 微米搭配 ERA x 1.15. 表 3-8. 基材厚度 50 微米配合不同 ERA 高度縮放比例的出光效果比較 ERA. ERA. ERA. ERA. ERA. ERA. x0.9. x0.95. x1. x1.05. x1.1. x1.15. 1.55cd. 1.60cd. 1.72cd. 1.74cd. 1.69cd. 1.83cd. 13.66°. 11.73°. 10.43°. 8.579°. 8.89°. 6.13°. Model. Max Intensity. FWHM(H). 41.
(55) 圖 3-37. 基材厚度 37.5 微米搭配 ERA x0.9. 圖 3-38. 基材厚度 37.5 微米搭配 ERA x0.95. 圖 3-39. 基材厚度 37.5 微米搭配 ERA x 1. 圖 3-40. 基材厚度 37.5 微米搭配 ERA x 1.05. 圖 3-41. 基材厚度 37.5 微米搭配 ERA x 1.1. 圖 3-42. 42. 基材厚度 37.5 微米搭配 ERA x 1.15.
(56) 表 3-9. 基材厚度 37.5 微米配合不同 ERA 高度縮放的出光效果比較 ERA. ERA. ERA. ERA. ERA. ERA. x0.9. x0.95. x1. x1.05. x1.1. x1.15. 1.58cd. 1.64cd. 1.80cd. 1.88cd. 1.8840cd. 1.92cd. 16.31°. 14.50°. 13.06°. 10.37°. 9.56°. 9.02°. Model. Max Intensity. FWHM(H). 由圖表得知，ERA 高度仍為影響峰值強度大小最劇烈之參數，ERA 高度愈高，則強度愈強；且不僅提高正面光強，拉高 ERA 高度連帶地也 縮小了出光視角，使光線更為集中。. 3.6 優化柱狀透鏡結構 先前所設計之 ERA 結構皆建立在基材另一面為圓柱結構的基礎下進 行模擬，但如此設計會有一缺點：因球面像差的關係，圓柱結構由近軸到 離軸處會產生不同的焦距，若以圓柱結構的焦距設計為角錐結構的高度將 降低出光表現。即使偏要以此作為角錐結構高度，也要在高度與入光面兩 邊進光的幾何尺寸上做設計取捨。 最簡單的解決方法是設計非球面柱狀結構，藉由更改柱狀結構的方式 使焦點固定，令光線匯聚在相同距離處，以改善先前圓柱結構下光線匯聚 加人為取捨所設計的角錐結構。. 43.
(57) 3.6.1 利用 LightTools 製作非球面柱狀聚焦透鏡 配合 LightTools 的最佳化程式得以製作可聚焦的橢圓面透鏡結構。將 橢圓的曲面係數與取率半徑設為變數，評價函數目標為光線透過透鏡可聚 焦在離鏡心 38 微米的一點上，則可得到一橢圓面柱狀聚焦透鏡。如圖 3-43 所示。. 圖 3-43. 優化柱狀結構以消弭球面像差. 模擬結果：. 圖 3-44. 圖 3-4150 微米厚之基材 圓柱球面配合 50圖 微米厚之基材（左） 3-45 橢圓面配合 50 微米厚之基材 圓柱球面配合. 44.
(58) 圖 3-44 為圓柱球面配合 50 微米厚之基材的強度光柵圖，峰值強度為 1.72cd，H 方向的光線張角為 10.43 度；圖 3-45 為橢圓聚焦透鏡球面配合 50 微米厚之基材的強度光柵圖，峰值強度為 1.90cd，H 方向的光線張角為 8.38 度。增長約一成的峰值強度說明了橢圓聚焦透鏡結構的效果顯著。. 3.6.2 設計 ERA 搭配聚焦透鏡 在前段設計中，我以角錐結構高度與圓柱結構的寬度做為非曲面結構 在最佳化時的限制條件。優化的結果是高度可聚焦在距圓柱結構平面約的 一點 88 微米，但之前因球面像差而只好以「聚焦高度與入光面兩側角力」 的折衷結構不符合這個設計條件。因此，我以非球面柱狀結構聚焦的光線 範圍做為角錐結構成形的尺寸依據，希望能帶來更棒的出光表現。 如圖 3-46 所示，兩邊的角錐結構因設計方式不同，產生了不同樣貌。 左邊依椭圓柱狀透鏡聚焦範圍做為 ERA 幾何參數的新設計洽精準地涵蓋 了所有光線行經的範圍。原設計方式的結構則會有多餘的部分，使光線無 法聚攏更多。. 45.
(59) 圖 3-46. 以新方式設計之 ERA 與原 ERA 比較圖. 3.6.3 配合膜厚調變 設計新 ERA 後，控制基材厚度以觀察其變化情形，配對結構尺寸如表 3-10。 表 3-10. 相異基材厚度配合新 ERA 設計方法之尺寸參數對應表 Model. T. B. W. New ERA I. 25µm. 63µm. 54µm. New ERA II. 37.5µm. 50.5µm. 43µm. New ERA III. 50µm. 38µm. 32µm. 46. d. G 88.23µm. 67°. 70.72µm 54.29µm.
(60) 模擬結果如下：. 圖 3-47. 圖 3-49. 表 3-11. 圖 3-48. New ERA I 之強度光柵圖. New ERA II 之強度光柵圖. New ERA III 之強度光柵圖. 相異基材厚度配合新 ERA 設計方法之出光表現比較. Model. New ERA I. New ERA II. New ERA III. Max Intensity. 1.84cd. 1.89cd. 1.91cd. FWHM（H）. 11.75°. 8.98°. 5.92°. 47.
(61) 此節的結論為確定了橢圓聚焦透鏡結構的優點，再加上以此無像差之 聚焦範圍所設計搭配的結構，得到的出光效果皆能超越使用圓柱結構的增 亮膜。. 3.7 非對稱角錐結構 經觀察發現，光線入射於 ERA 尖端接近焦點處，於此進行折反射的 光線較易藉由透鏡結構準直射出平面，猜想若能增加光線打入此一尖端處 的機會，應能大幅增加峰值強度，於是本研究於此開始設計非對稱的 ERA 結構，希望藉此再次提升強度峰值。 設計方法為將 ERA 前後做為不對稱的兩面，一為光源發出的光線入 射面，一為反射光線以法線方向出射的反射面。為大幅縮小間距，我直接 將入射面之設置為垂直於基材面。如圖 3-50 所示。. 圖 3-50. 入射面垂直的非對稱 ERA 應用示意圖. 如圖 3-51，生成結構的膜片面積不變，縮小間距便意味著結構的數量 增多，如此，光線射入 ERA 近焦點處甜蜜點的機會便大大增加。 48.
(62) 圖 3-51. 縮小間距以增加結構數量. 另外，由於下方面光源 V 方向峰值強度位在偏移法線 77 度，且上下 張角約有 20 度的發光範圍，我也計畫將反射面從單一斜率的平面改為雙 斜率、甚至是平滑曲面，來針對這些來自不同角度的光線作個別反射，以 期讓更多光線由發現方向射出，達到更大的強度峰值。 目前達到的最佳成果來自頂角約為 42.2 度，第二傾角約為 41.2 度的 雙斜率反射面 ERA，當此 ERA 在普通間距 33.9 微米時，所能產生的最大 峰值有 2.2614 cd，是設計基礎逆稜鏡片出光峰值的兩倍，H 方向張角縮小 至 6.85 度，能量利用率仍保有 98%之水準，是成功的設計，如圖 3-52。. 圖 3-52. 雙斜率反射面 ERA 的強度光柵圖. 49.
(63) 由此可確定以垂直入射面，設置反射面為多斜率面是可能使峰值強度 增強的做法，將來希望能接續以貝茲曲面運算或佈點的方式找出對應此光 源的最佳曲面，創造更好的出光表現。. 50.
(64) 第四章. 自對位方法製作增亮膜. 4.1 製作流程 製作此雙面微結構光學膜片為避免 UV 固化樹脂因在一般環境下會曝 射到 UV 光而提前固化，製作必須在黃光環境下進行。 製作步驟： 1. 如圖 4-1，平放可翻製圓柱結構的板狀凹槽模仁，在其上均勻塗佈 UV 固化膠後，將經特殊處理的 PET 片疊放在上方，再由正上方以能提供 準直的 UV 光機進行曝光。因 PET 片可透光，UV 光便能穿透，使下方 的 UV 固化膠固化成形，即為設計所需的圓柱透鏡結構。如圖 4-2。. 圖 4-1. 透鏡結構製作流程 51.
(65) 圖 4-2. 2. 圓柱微結構生成示意圖. 如圖 4-3，平放可翻製稜鏡結構的板狀凹槽膜仁，在其上均勻塗佈 UV 固化膠後，將方才已經生成圓柱微結構的 PET 片疊放於上方。以未生 成結構的那面緊貼膜仁，模仁條紋必須與圓柱結構條紋正交，才能產 生自對位的效果。再由正上方以能提供準直的 UV 光機進行曝光，由於 PET 片與固化後的 UV 樹脂皆可透光，光線便可經圓柱結構後聚焦在 指定範圍內，使下方的 UV 固化膠固化成形，生成為設計所需的角錐結 構。如圖 4-4 所示。. 圖 4-3. ERA 結構製作流程 52.
(66) 圖 4-4. 3. ERA 生成示意圖. 如圖 4-5，製作完成的膜片可能仍有 UV 殘膠附著在上方或卡在結構間 隙裡，可以以異丙醇（Isopropyl alcohol；IPA）將多餘的殘膠洗去。再 以顯微鏡觀察有無瑕疵。. 圖 4-5. 清洗殘膠與檢查樣品. 53.
(67) 製作完成的雙面微結構膜片如圖 4-6：. 圖 4-6. 雙面微結構光學膜 OM 拍攝照片. 4.2 選擇膜仁與基材 就先前的模擬得知，最佳的結構組合為橢圓聚焦透鏡與其對應的設計 ERA，並且搭配厚度 37.5 的基材，但實際上橢圓的聚焦透鏡模仁製作較為 困難，價錢也昂貴，於是我退一步選了圓柱膜仁動手製作膜片。 該模仁所翻出之圓柱結構幾何參數為： 曲率半徑：44 微米 高度：23 微米 間距： 75 微米 基材部分則是選擇了 50 微米的 PET 片，理由為這種尺寸的 PET 片量 大且方便取得，先前的模擬中也常以此尺寸做觀察，故以此做為與圓柱膜 仁的搭配材料。 54.
(68) 4.3 曝光條件與微結構幾何參數之關聯 圓柱結構的成型因賴於實體膜仁，故生成可靠度與粗糙度皆能簡單預 測，但角錐結構在其一維度上，利用光線聚焦的方式限制結構生長範圍自 由度大上許多，我猜測控制曝光條件對角錐的幾何參數將有影響，便設計 以下實驗： 假設準直 UV 曝光機的曝光劑量穩定隨時間呈線性變化，則控制曝光 時間即表示控制了曝光劑量，為了解在不同的曝光條件下，角錐微結構之 幾何參數的變化情形，將曝光時間分別以 0.5 秒、0.6 秒、0.7 秒及 0.8 秒 四個程度進行控制，並觀察其幾何參數的變化。 本研究欲觀察的幾何參數有： (a). 角錐高度：即角錐結構頂端到基材之間的距離。. (b) 角錐根寬：即角錐結構在正視圖上與基材貼合的長度。 (c). 角錐底角：即角錐結構在正視圖上所呈現之對稱梯形的底角。. 幾何參數定義如圖 4-7 表示。. 圖 4-7. 三幾何參數定義示意圖 55.
(69) 不同曝光劑量下的膜片拍攝照片正視圖與幾何參數表：. 圖 4-8. 表 4-1. Height. 曝光時間 0.5 秒的結構生成情形. 曝光時間 0.5 秒的結構生成幾何尺寸變化表 P1. P2. P3. P4. P5. Average. 35µm. 35µm. 38µm. 30µm. 30µm. 33.6µm. 84.2°. 82.4°. 83°. 84.1°. 82.0°. 83.14°. 31µm. 32µm. 32µm. 32µm. 31µm. 31.6µm. Base Angle Base width. 56.
(70) 圖 4-9. 表 4-2. Height. 曝光時間 0.6 秒的結構生成情形. 曝光時間 0.6 秒的結構生成幾何尺寸變化表 P1. P2. P3. P4. P5. Average. 38µm. 38µm. 38µm. 38µm. 38µm. 38µm. 80.2°. 79.1°. 76.8°. 78.0°. 76.4°. 78.1°. 35µm. 32µm. 32µm. 32µm. 33µm. 32.8µm. Base Angle Base width. 57.
(71) 圖 4-10. 曝光時間 0.7 秒的結構生成情形. 表 4-3 曝光時間 0.7 秒的結構生成幾何尺寸變化表. Height. P1. P2. P3. P4. P5. Average. 38µm. 38µm. 38µm. 38µm. 38µm. 38µm. 73.8°. 72.6°. 75°. 72.1°. 77.1°. 74.12°. 44µm. 39µm. 40µm. 40µm. 39µm. 40.4µm. Base Angle Base width. 58.
(72) 圖 4-11. 表 4-4. Height. 曝光時間 0.8 秒的結構生成情形. 曝光時間 0.8 秒的結構生成幾何尺寸變化表 P1. P2. P3. P4. P5. Average. 38µm. 38µm. 38µm. 38µm. 38µm. 38µm. 71°. 72°. 71.6°. 72.3°. 71.7°. 71.7°. 42µm. 42µm. 40µm. 45µm. 45µm. 43.9µm. Base Angle Base width. 由以上結果得知曝光時間的長短的確會影響 ERA 結構的幾何尺寸， 推估 UV 膠於曝光機下的固化部分順序應為：直接照射到 UV 光的近基材 處最先固化，再來便漸漸往底部增長，以加長 ERA 的高度，至於兩邊的 59.
(73) 部分則固化較慢，要等到 ERA 長度已達膜仁所限制尺寸之高度極限時才 會成長，且一旦成長，固化速率便非常大，因為這些能量在垂直高度上已 無位置供它固化 UV 膠，只得往側向發展。. 4.4 模擬與量測結果 現已取得在不同曝光劑量下的幾何參數變化情形了，將之輸入軟體 LightTools 後取得以下結果：. (a) 角錐結構曝光固化時間 0.6 秒的光學膜模擬結果. 圖 4-12. 曝光固化時間 0.6 秒. (b) 角錐結構曝光固化時間 0.7 秒的光學膜模擬結果. 圖 4-13. 曝光固化時間 0.7 秒. 60.
(74) (c) 角錐結構曝光固化時間 0.8 秒的光學膜模擬結果. 圖 4-14. 曝光固化時間 0.8 秒. 以上模擬結果，光線主要出射膜片的張角皆在 30 度的範圍內，光線 也於法線方向射出。接著要來比較膜片在相同光源強度分布下的量測情 形。 圖 4-15、圖 4-16、圖 4-17 三幅比較結果圖隨題目為 A novel optical film to provide a highly collimated planar light source 的論文於六月投稿至 Optics Express 。. Intensity (normalized). 1. I-V-sim. 0.8. I-H-sim I-V. 0.6. I-H 0.4 0.2 0 -90. 圖 4-15. -60. -30. 0. degree. 30. 60. 曝光固化時間 0.6 秒之量測與模擬結果比較 61. 90.
(75) 1. II-V-sim. Intensity (normalized). 0.8. II-H-sim II-V. 0.6. II-H 0.4 0.2 0 -90. -60. -30. 0. 30. 60. 90. degree 圖 4-16. 曝光固化時間 0.7 秒之量測與模擬結果比較. 如圖 4-15 所示，將兩數據歸一化後比較光型，會發現模擬與實際量測 的結果相似，尤其在 V 方向的部分，兩剖線的峰值位置皆顯示他們出射角 度平行於法線。 1. III-V-sim Intensity (normalized). 0.8. III-H-sim III-V. 0.6. III-H 0.4 0.2 0 -90. -60. -30. 0. 30. 60. degree 圖 4-17. 曝光固化時間 0.7 秒之量測與模擬結果比較. 62. 90.
(76) 至於 H 方向的部分，則因曝光時間長短而導致的尺寸變化有了較為不 同的表現：曝光時間愈長 ESR 結構底寬較寬，所以光線較容易發散，無法 聚攏在法線方向，而會形成在法線附近的雙峰現象，模擬與量測的數據都 顯示此情形，但此現象在量測結果中較不易看出，模擬的數據則能明顯看 出其分岔。 依此結果，我認為此增亮膜的應用及其模擬內容是值得相信的。. 4.5 成果檢討 雖然量測與模擬的光型相似，但事實上，以自對位方式至做為結構 仍有需要解決的問題，這些問題很可能是造成在量測與模擬比較圖上，模 擬結果無法確實聚攏，會在法線方向附近出現峰值的原因。 首先是正交的問題，由於手工翻模時，條紋在正交重疊時有極大可能 會產生誤差，無法剛好使透鏡結構條紋與逆稜鏡膜仁條紋垂直，此會造成 結構無法以設計需求生成，即便使用顯微鏡查看剖面，也難以看出其差 異。 再者是擴散反射的問題，若單純僅以逆稜鏡膜仁翻模，因實體膜仁的 空間限制，結構的邊緣較容易接近平滑表面，光線打射其上會產生鏡面反 射，與模擬的結構相近；然而，ERA 這樣以紫外光匯聚能量固化的角錐結 構因缺乏實體膜仁的空間限制，側面常會顯得粗糙，因而產生擴散反射， 便與模擬的結構有差距。此兩缺失可能為造成模擬與量測結果略有差異。. 63.
(77) 第五章. 結論與未來展望. 經過先前章節的探討，知本論文的研究可在只需一片雙面佈有微結構 之膜片下，達到目前兩片增亮膜條紋正交疊放的高準直效果，出光強度峰 值為其設計基礎之逆稜鏡增亮膜的兩倍。不僅大量提高能量使用效率，也 符合顯示科技未來更輕薄、節能的趨勢。雖然犧牲了可視角，但對中小型 液晶螢幕而言已非常足夠。 可惜的是，相較於可穩定限制 UV 膠塗佈範圍實體膜仁，以光線聚焦 方式固化 UV 膠的作法將提高微結構表面粗糙度，使出光表現與模擬結果 有些許差異。若製程方面能在曝光的缺點做改善，想必此增亮膜的表現會 更加優異，希望對於背光模組設計這塊領域也能有所貢獻。. 64.
(78) 參考文獻 [1] National Science Council Website http://web1.nsc.gov.tw. [2] 3M Company Website http://www.3m.com. [3] Seung Ryong Park, Oh Jang Kwon, Dongho Shin, Seok-Ho Song, Hong-Seok Lee and Hwan Young Choi, “Grating micro-dot patterned light guide plates for LED backlights,” OPTICS EXPRESS Vol. 15, No. 6, pp. 2888-2899, March 2007. [4] Adrian Travis, Tim Large, Neil Emerton, and Steven Bathiche, “Collimated light from a waveguide for a display backlight,” OPTICS EXPRESS Vol. 17, No. 22, pp. 19714-19719, October 2009. [5] S. I. Ochiai, “Light guide plate and light guide plate assembly utilizing diffraction grating,” US Patent 5703667, 1997. [6] Frank L Pedrotti, Leno M Pedrotti, ans Leno S Pedrotti, Introduction to Optics (3rd Edition), April 2006. [7] CYBERNET SYSTEMS TAIWAN Co. Website, cybernet-ap.com.tw. [8] Lorne A. Whitehead, “ Lighting panel with opposed 45,” US Patent 4542449, 1985. [9] K. Käläntär, “ Modified functional light-guide plate for backlighting transmissive LCDs,” Journal of the SID 11/4, pp. 641-645, 2003. [10] B. A. Jacobson, R. Winston, and P. L. Gleckman, “Flat-panel fluorescentlamp backlights with reduced illumination angle: Backlighting optics at the thermodynamic limit,” SID Intl Symp Digest Tech Papers, pp. 423–426, 1992. [11] D. Feng, Y. Yan, X. Yang, G. Jin, and S. Fan, “Novel integrated light-guide plates for liquid crystal display backlight,” J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 7, pp. 111-117 ,2005. [12] Jui-Wen Pan, Chen-Wei Fan, “ High luminance hybrid light guide plate for backlight module application ,” OPTICS EXPRESS Vol. 19, No. 21, pp. 20079-20087, October 2011. 65.
(79) [13] W. Zhang, H. Wang, L. Ji, and C. Liu, “Design and Simulation of the LGP Structure for LED Backlight,” Proc. SPIE 7655, 765537 ,2010. [14] J. Gourlay and I. Miller, “High Efficiency Hybrid Backlight for Large-area LCD TV, Digest of Technical Paper,” J. Soc. Inf. Disp. 74, pp. 1097–1099 2010. [15] J. C. Miñano, P. Benítez, J. Chaves, M. Hernández, O. Dross, and A. Santamaría, “High-efficiency LED backlight optics designed with the flow-line method,” Proc. SPIE 5942 pp. 594202-594212,2005. [16] D. Feng, G. Jin, Y. Yan, and S. Fan, “High quality light guide plates that can control the illumination angle based on microprism structures,” Appl. Phys. Lett. 85, pp. 6016–6018 2004. [17] W. J. Cassarly, “Backlight pattern optimization,” Proc. SPIE 6834, pp. 683407-683412 ,2007.. 66.
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