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中 華 大 學

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Academic year: 2022

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(1)

中 華 大 學 碩 士 論 文

發光二極體背光光源之光學與光機系統設計 The optical and opto-mechanical system design of

LED backlight source modular

系 所 別:機 械 工 程 學 系 碩 士 班 學號姓名:M09708019 劉祐丞 指導教授:陳振文 博士

中華民國 九十九 年 七 月

(2)

摘要

在本論文背光模組設計中,首先設定無網點的17吋背光模組為規格,改變其 參數,得知背光模組出光情形,然後在導光板底部增加網點來進行設計及模擬,

設計出以少量光學元件可達到高出光效果之背光模組。

在背光模組的架構上我們使用發光二極體光源來取代傳統的冷陰極管光源 作為液晶顯示器的背光源。我們使用了TracePro光學模擬軟體來建立架構、模擬 與分析設計結果。首先針對光源及入射角度二部份與導光板之間距離的照度圖,

作其模擬分析,得知背光模組出光情形後,接著再對導光板中網點高度及導光板 中網點分佈進行模擬分析,再藉由改變網點高度及網點半徑提升均勻度。

關鍵字: LED光源、背光模組、導光板、網點、光學設計、光機設計

(3)

Abstract

The optical and opto-mechanical system design of LED backlight source

modular for the typical medium size LCD were investigated in detail。 Our design by especially optimizing the dots pattern can have high output lux and good uniformity in the typical backlight system configuration。

We use the TracePro software to establish the basic configuration and simulate the results。The LED light source distance and the incident light angle were first investigated and optimized。The deployment and the optimization of the heights, the sizes,the allocations of the dots pattern dramatically increase the lighting uniformity。

Key words: LED light source、back-light、light conducting plate、dots pattern、

Optical design、opto-mechanical system design

(4)

誌謝

研究所的時光過的真快,想到不久前才進到實驗室開始學習研究生的生活,

如今,在轉眼之間自己也將要畢業而離開校園,回想起當年和現在,如今真的成 長了不少、見識也增廣了不少、同時思想也成熟多了,然而最重要的是以後不管 面對任何新的挑戰也擁有了不畏懼的精神、信心與勇氣,我想這些必須要歸功於 指導過我的每一位教授,給予我諸多的建議與指導。

首先要感謝指導教授陳振文老師,對我的栽培與照顧,在學業上陳教授指導 我在本論文上的研究、給予我寶貴的意見以及想法,並且在我研究的過程中對於 錯誤及盲點給予我指正以及解惑,使得本論文研究能夠更加的完備,同時在日常 生活上教授也時常的指導我做人處事、生涯規劃以及對於我們各種的關心與輔 導。

另外,感謝在這兩年來研究和生活上的良師益友:志新、峻生、凱鈞、書院、

榮釗、家豪、國恕、建智等同學在研究和生活上的鼓勵與協助,在研究的過程中 一點一滴的歡笑及淚水都已經深深的烙印在你我的心中。此外還要感謝學長榮 釗、書院在論文研究過程中的協助及經驗指點,及學弟逸咸及仕銳在生活上的互 相幫助與鼓勵,有他們幫忙分擔實驗室大小事情,使我能更加專心在我的論文研 究。

最後要感謝就是我的父母親,因為長久以來,不論歡笑或沮喪,他們總是給 予我最大的支持與鼓勵,讓我能專心研究無後顧之憂。

在此一併獻上我誠摯的感謝與祝福,以表達心中無限的感激。

(5)

目錄

摘要...i

Abstract...ii

誌謝...iii

目錄...iv

圖目錄...vi

表目錄...ix

第一章 序論...1

1.1 背景...1

1.2 背光模組之產業趨勢...3

1.3 背光模組之結構及功能介紹...4

1.3.1 發光源(Light source) ...4

1.3.2 導光板(light guide plate)...5

1.3.3 反射板(Reflector) ...6

1.3.4 擴散板(Diffuser)...7

1.3.5 增亮膜(BEF稜鏡片)...8

1.3.6 偏光轉換膜(P-S Converter)...9

1.4 發光二極體背光模組型式...11

1.4.1 擬似白光發光二極體...11

1.4.2 近紫外白光發光二極體...11

1.4.3 單體RGB 白光發光二極體...11

1.4.4 一體化RGB白光發光二極體...11

1.5 研究動機及目的...11

第二章 光學理論...13

2.1 反射定律...13

(6)

2.2 折射定律...16

2.3 全反射定律...17

2.4 餘弦定律LAMBERTIAN...18

2.5 費馬定理...19

2.6 發光強度...20

2.7 輝度...20

2.8 光通量...20

2.9 照度...21

2.10 光度學與輻射度學...21

2.11 導光板光學原理...22

2.12 發光二極體原理...25

第三章分析與設計...27

3.1 引言...27

3.2 光學模擬軟體工具TracePro...27

3.3 光源模型的建立...29

3.4 側照式背光模組架構設計...30

第四章 側照式背光模組模擬結果...35

4.1 參考論文側照式背光模組介紹...35

4.2 研究過程...38

4.3 研究結果...49

4.4 分析與比較...62

第五章 結論...64

參考文獻...65

(7)

圖目錄

圖1.1.1 液晶顯示器的結構...2

圖1.1.2 直下式背光模組結構圖...2

圖1.1.3 側照式背光模組結構圖...3

圖1.2.1 LED 背光模組市場趨勢--出貨量 (2006-2010)...4

圖1.3.1 LED Light Bar...5

圖1.3.2 反射板...7

圖1.3.3 擴散板...8

圖1.3.4 稜鏡片 BEF...9

圖1.3.5 各光學元件的效率...10

圖2.1.1 鏡面反射...14

圖2.1.2 擴散反射...14

圖2.1.3 漫射反射...15

圖2.1.4 反射...15

圖2.2.1 折射(Refraction) and Snell’s law...16

圖2.2.2 光的折射...17

圖2.3.1 全反射現象...18

圖2.4.1 Lambertian 平面擴散線...19

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...23

圖2.11.2 狹窄化方法中光之行進路線隨結構之改變情形...24

圖2.11.3 上微結構中光之行進路線隨結構之改變情形...25

圖2.11.4 下微結構中光之行進路線隨結構之改變情形... ...25

圖2.12.1 發光二極體發光原理...26

圖3.2.1 光學模擬流程圖...29

圖3.3.1 LED 光條...30

(8)

圖3.4.1 LED 燈條位址示意圖...32

圖3.4.2 導光板尺寸...33

圖3.4.3 LED 與導光板距離對背光模組輝度影響的模擬結果...33

圖3.4.4 LED 光軸與導光板的中心對背光板面輝度的模擬結果...34

圖4.1.1 參考論文設計架構...36

圖4.1.2 拋物面燈罩...36

圖4.1.3 等同於 CCFL 之線光源的半圓柱結構...37

圖4.1.4 光照度分佈圖及均勻度...38

圖4.2.1 LED 緊貼導光板之照度圖...39

圖4.2.2 LED 距導光板 2 mm 之照度圖...39

圖4.2.3 LED 距導光板 4 mm 之照度圖...40

圖4.2.4 光源往下 20 度(未加網點)...41

圖4.2.5 光源平行入射(未加網點)...41

圖4.2.6 光源往上 20 度(未加網點)...42

圖4.2.7 光源往下 20 度(加入網點)...43

圖4.2.8 光源平行入射(加入網點)...43

圖4.2.9 光源往上 20 度(加入網點)...43

圖4.2.10 網點尺寸 Radius 為 0.5 mm 及 Height 為 0.02 mm...45

圖4.2.11 網點尺寸 Radius 為 0.5 mm 及 Height 為 0.05 mm...45

圖4.2.12 網點尺寸 Radius 為 0.5 mm 及 Height 為 0.1 mm...46

圖4.2.13 網點尺寸 Radius 為 0.5 mm 及 Height 為 0.5 mm...46

圖4.2.14 光碰到交錯與平行網點的機會比較...48

圖4.2.15 平行網點模擬照度圖...49

圖4.2.16 交錯網點模擬照度圖...49

圖4.3.1 第一組數據照度圖...50

圖4.3.2 第二組數據照度圖...51

(9)

圖4.3.3 第三組數據照度圖...52

圖4.3.4 第四組數據照度圖...54

圖4.3.5 第五組數據照度圖...55

圖4.3.6 第六組數據照度圖...56

圖4.3.7 第七組數據照度圖...57

圖4.3.8 第八組數據照度圖...59

圖4.3.9 第九組數據照度圖...60

圖4.3.10 第十組數據照度圖...61

圖4.4.1 參考論文結果...63

圖4.4.2 我的結果...63

(10)

表目錄

表1.3.1 導光板材料物性及成本比較...6

表1.3.2. 各光學元件功能...10

表2.10.1 單位對應表...22

表3.3.1 LED chip 資料...30

表3.4.1 導光板模擬各項參數...32

表4.2.1 導光板與發光二極體之距離...40

表4.2.2 光源角度結果整理(未加網點)...42

表4.2.3 網點位置...42

表4.2.4 光源角度結果整理(加入網點)...44

表4.2.5 四種網點比較照度圖...47

表4.3.1 第一組網點位置...50

表4.3.2 佈點結果...50

表4.3.3 第二組網點位置...51

表4.3.4 佈點結果...51

表4.3.5 第三組網點位置...52

表4.3.6 佈點結果...53

表4.3.7 第四組網點位置...53

表4.3.8 佈點結果...54

表4.3.9 第五組網點位置...54

表4.3.10 佈點結果...55

表4.3.11 第六組網點位置...56

表4.3.12 佈點結果...56

表4.3.13 第七組網點位置...57

表4.3.14 佈點結果...58

(11)

表4.3.15 第八組網點位置...58

表4.3.16 佈點結果...59

表4.3.17 第九組網點位置...59

表4.3.18 佈點結果...60

表4.3.19 第十組網點位置...61

表4.3.20 佈點結果...61

表4.3.21 結果比較...62

表4.4.1 綜合比較...62 .

(12)

第一章 序論

1.1 背景

近年來由於液晶顯示器(Liquid-Crystal Display,LCD)普遍流行,廣泛應用在電 腦螢幕、個人數位助理(PDA)、數位相機、與手機等各式尺寸顯示面板上。液晶顯 示器也逐漸趨向於薄型化、低耗電、輕量化、高對比度及低成本的要求,而發光二 極體(LED)具有高亮度、高細膩度、高色彩再現性及無污染的優點。面板尺寸在 15 英吋以下的顯示器中,歷經時間考驗的液晶顯示器(LCD)的冷陰極螢光燈(CCFL)

背光系統正在迅速地被發光二極體(LED)所取代。由於發光二極體(LED)發展 技術越來越純熟,發光效率越來越高,價格也漸漸降低,更重要的是冷陰極螢光燈

(CCFL)有汞污染,發光二極體(LED)屬固態光源,不會對環境造成污染,使得 發光二極體(LED)將取代冷陰極螢光燈(CCFL)成為新一代的背光源。

由於液晶顯示器本身是非自發光性的顯示裝置,必須藉助背光源才能達到顯示 效果,因此背光源性能的好壞將直接影響液晶顯示器的顯示品質。而使液晶顯示器 發出光源的光學系統我們稱它為背光模組(backlight module ,BLM),即圖 1.1.1 的 光源模組依據光源放置的位置不同可以分為直下式(direct-light type)與側照式

(edge-light type)如圖 1.1.2 及圖 1.1.3 所示,由於直下式空間較大,自然擺放的 光源數目也較多,因此都應用在需要高亮度的大尺寸液晶電視,一般而言側照式重 量較輕,所佔的空間較小,所以應用在中小尺寸的面板,如筆記型電腦螢幕、手機、

個人數位助理(PDA) 及車用的導航螢幕。

由於電腦科學的發達,使用光學模擬軟體來設計背光模組以符合輕薄化、高輝 度、高均勻度、低耗電、低成本之市場需求。解決現實上的問題,可省掉不必要的 嘗試錯誤及經濟上的浪費。[3]

(13)

圖 1.1.1 液晶顯示器的結構圖

光行進方向

光源 稜鏡片

擴散板 擴散片

反射板

光行進方向

光源 稜鏡片

擴散板 擴散片

反射板 圖1.1.2 直下式背光模組結構圖

(14)

光源

光行進方向

稜鏡片

導光板

擴散片

反射板 網點

燈罩 光源

光行進方向

稜鏡片

導光板

擴散片

反射板 網點

燈罩

圖1.1.3 側照式背光模組結構圖

1.2 背光模組之產業趨勢

液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)是目前光電顯示器中產值最高,最普 及使用的平面顯示器。液晶顯示器的優勢在於低電量消耗、質量輕巧、厚度薄,取 代了映像管顯示器。

背光模組(Backlight Module)是薄膜液晶顯示器(TFT-LCD)面板中的重要零件,

依應用不同約佔面板材料成本19~26%,其主要功能在於提供面板足夠的光源。背 光模組是由許多零組件所組成,不同零組件的搭配將產生不同的產品效果以及成本 效益。目前背光模組的趨勢之一為嘗試新的發光源,以發光二極體或其他發光源來 取代冷陰極管;此外,利用不同的生產工法或是零組件以提高產品的亮度及均勻度,

或是減少光學膜的使用以達到成本下降的目的,都是廠商追求的目標。

根據研究機構DisplayBank 預測,至 2010 年全球大尺寸薄膜液晶顯示器面板用 的發光二極體背光模組市場,出貨量將達6,780 萬片,佔整體發光二極體背光模組 市場的比重可望達到 14.1%,如圖 1.2.1 所示。

(15)

Source : Displaybank, 科技政策研究與資訊中心 ( STPI )整理,March 2007 圖1.2.1 LED 背光模組市場趨勢--出貨量 (2006-2010)

1.3 背光模組之結構及功能介紹

背光模組(Back light module)為液晶顯示器面板(LCD panel)的關鍵零組件之 一,由於液晶本身不發光,背光模組之功能在於供應充足的亮度與分佈均勻的光源,

使其能正常顯示影像。背光模組的基本原理是將常用的點或線型光源,透過簡潔有 效光機構轉化成高亮度且發光均勻的面光源產品。

以側照式的背光模組為例,主要的構成元件有:發光源、燈罩、擴散膜片、反 射片及外框。各種組成的元件功能如下:

1.3.1 發光源(Light source)

須具備亮度高及壽命長等特色,目前有冷陰極螢光管(CCFL: Cold cathode fluorescent lamp)、熱陰極螢光管、發光二極體(LED:Light emitting diode)如圖 1.3.1

(16)

及電激發光片(EL)等,其中冷陰極燈管具有高輝度、高效率、壽命長等特性,加上 圓柱狀外形因此很容易與光反射元件組合成薄板狀照明裝置,故目前以冷陰極螢光 管為主流,但一般相信未來將以白光發光二極體為應用趨勢。

圖1.3.1 LED Light Bar

1.3.2 導光板(light guide plate)

應用於側邊入光型背光模組,是影響光效率的主要元件,用射出成型的方法將 丙烯壓製成表面光滑的板塊,然後用具有高反射率且不吸光的材料,在導光板底面 用網版印刷印上方形或是圓形的網點。導光板主要功能在於引導光線方向,以提高 面板光輝度及控制亮度的均勻。發光二極體光條位於導光板側邊的端面,發光二極 體光條以導光板側邊的端面照光方式進入導光板,光線在底面碰到網點微結構從正 面射出,利用疏密、大小不同的網點微結構圖案設計可使導光板板面均勻發光。

現行之製作方法主要有印刷式、內部散射式、噴砂式、切削式、微反(折)射器 式、蝕刻式。其中以蝕刻式為最具產業競爭力,因為它比印刷式之成本低,比內部

(17)

散射式之良率高,比噴砂式、切削式、微反(折)射器式之表面結構厚度薄、結構細,

在降低生產成本和增強性能上極具優勢。導光板主要功能在於導引光線方向,出射 光主要靠反射、折射、散射、繞射等方式將原本被全反射條件鎖在導光板內之光線 釋放出去,以提高面板光輝度及控制亮度均勻,而出光的均勻度決定於其微結構或 網點的設計來改善。目前壓克力(PMMA:Poly-methyl-methacrylate 聚甲基丙烯酸甲酯) 材料的成本較其它的材料來的低,所以一般產品還是以壓克力作為導光板的主要材 料,折射率為1.497。[13]

表 1.3.1 導光板材料物性及成本比較

物 性 PMMA PC Zeonor Arton

比 重 1.2 1.2 1.0 1.1

吸 水 率 % 0.3 0.2 0.01 0.24

全 光 線 透 過 率 3 mm 厚 % 93 90 92 92

折 射 率 1.49 1.59 1.53 1.51

熱 變 形 溫 度 Tg (℃) 90~105 145 105 171

成本 - 低 中 中高 高

資料來源:PIDA

1.3.3 反射板(Reflector)

其目的在於將漏出的光反射回導光板中,防止光源外漏,以增加光的使用效率。

(18)

一般側光式背光模組的反射板放置於導光板底部,將自底面漏出的光反射回導光板 中,防止光源外漏,以增加光的使用效率:而直下式背光模組則是置於燈箱底部表 面或黏貼於其上,將經擴散板反射之光束由燈箱底部再次反射回擴散板以被利用。

[11]

反射片的材質通常為PET(Poly-ethylene Terephthalate 聚對苯二甲酸乙二酯) , 反射效果良好。由於反射是屬於漫射,故其反射具有良好的擴散性,對混光也有極 大的幫助。

圖1.3.2 反射板

1.3.4 擴散板(Diffuser)

從導光板所出來的光,雖經過導光板及網點的作用仍不夠均勻,還需透過擴散 板讓光形成漫射,使其分佈更加均勻,使正面看不到反射網點的影子。擴散板多使 用毛玻璃類的物體,而毛玻璃類的物體對光線的散射機構可概分為兩類:表面式和 體積式。

表面式毛玻璃大多在透明玻璃表面噴砂或將玻璃表面加工成微觀凹凸表面而 得,其散射光的效果較差,散射光的亮度分布和入射光的入射角度關係密切,散射 角度和入射角度較接近的散射光強度比起角度相差稍大者明顯亮許多,也就是散射 度不均勻。

(19)

體積式毛玻璃則是在透明玻璃表面加上相當厚度之散射層,其散射光的效果較 佳,也就是散射度較均勻而現有之擴散板其微粒子分散在樹脂層之間,所以光線在 經過擴散層時會不斷的在兩個折射率相異的介質中穿過,在此同時光線就會發生許 多折射、反射與散射的現象,如此便造成了光學擴散的效果。但是散射度較均勻所 付出的代價是整體散射亮度變暗。

一般傳統的擴散膜主要是在擴散膜的基材中,加入一顆顆的化學顆粒,作為散 射粒子。或是使用全像技術,經由曝光顯影等化學程序將毛玻璃的相位分部紀錄下 來粗化擴散膜基材表面,以散射模糊導光板上的墨點或線條。擴散角太小會使液晶 顯示器之適用觀看角度太小但看到之影像較亮,而擴散角太大則會使液晶顯示器上 顯現的影像變暗。[2]

基材

擴散層 Organic Filler

Binder 基材

擴散層 Organic Filler

Binder

圖1.3.3 擴散板

1.3.5 增亮膜(BEF 稜鏡片)

由於光自擴散板射出後其光的指向性較差,因此必須利用稜鏡片來修正光的方 向,其原理藉由光的折射與反射來達到凝聚光線、提高正面輝度的目的,以增加光 線自擴散板射出後的使用效益,使能整體的背光模組的輝度提高60%-100%以上。

稜鏡片以折射與反射方式轉折光線方向,一般之做法是模仿Fresnel 透鏡取代球面透 鏡的原理,將原本應有大厚度之稜鏡,以等厚度差切片的方式留下殘餘之傾斜表面

(20)

高度差為外型,如此厚度可降許多倍,光線轉折功能則損失不大。而一般之稜鏡片 也都是以射出成型方式加工,先在其原型板上以精密機械加工出周期性之傾斜表 面,即可以射出成型方式大量複製出稜鏡片。主要以多元酯(polyester)或聚碳酸酯 (polycarbonate)為材料,其表面結構一般為稜形柱體或半圓柱體。通常一部背光模組 會使用兩片增亮膜,彼此方向垂直,將光集中增加面板的輝度。[9]

Diffusely recycled 重複反射-大約50%的入射光

會被反射回去而重新再利用

折射-可利用的折射光增

加40%-70% 再反射/再折射

低比例損失

重新進入 下一個稜鏡

*Total Internal Reflection

擴散片

70°

BEF TIR

Diffusely recycled 重複反射-大約50%的入射光

會被反射回去而重新再利用

折射-可利用的折射光增

加40%-70% 再反射/再折射

低比例損失

重新進入 下一個稜鏡

*Total Internal Reflection

擴散片

70°

BEF TIR

圖1.3.4 稜鏡片 BEF

1.3.6 偏光轉換膜(P-S Converter)

因在現有液晶顯示器面板設計中,對光源模組給予過濾掉S-ray 平行光,允許 P-ray 光源通過,並利用這單一的偏極態光來驅動或照明液晶顯示器面板,產生所 要的功能。所以會在光線進入液晶面板前會先經過一偏光板,此一偏光板會有吸收 掉某一偏光方向的能量,而冷陰極管所產生的光為非偏極化光,在通過第一片偏光 板時,有一半以上的光能量會被吸收掉,使得光的使用效率非常差,為解決這個問 題須採用偏光轉換技術使光源做偏極態轉換。其方法是利用反射偏光板將可通過與

(21)

不可通過液晶顯示器偏光板的光分離,然後利用反射板將反射回來的光轉換成可用 的偏光,達到亮度提高的目的。利用偏光轉換的技術來提高液晶顯示器的亮度,跟 使用稜鏡片的方法比起來,除了正面亮度得到提升之外,大視角方向的亮度亦同時 得到提升,此為偏光轉換技術的另一優點。[10]

表1.3.2. 各光學元件功能

組件 功能

導光板 側光式面板的光源媒介。

反射片 將未被利用之光源反射再利用。

BEF & DBEF 集中光源,使面板亮度提高。

擴散片 使光線均勻。

LED 入射光源,使用壽命長,耗電量低。

Lamp Lamp Lamp Lamp

圖1.3.5 各光學元件的效率

(22)

1.4 發光二極體背光模組型式

以白光發光二極體來看,由於單一發光二極體晶片的發光頻譜很窄,因此本身 無法發出白光,需要藉由一些技巧來達到白光的目的。發光二極體背光模組的光源 可分為下列四種:

1.4.1 擬似白光發光二極體

是由藍光發光二極體與黃色螢光體所構成,利用互補原理產生白光,這種型式 的發光二極體結構非常單純,而且發光效率很高,因此被當作小型液晶顯示器的背 光光源,能廣泛應用在行動電話,缺點是紅色成份的強度較弱。

1.4.2 近紫外白光發光二極體

利用可產生近紫外光的發光二極體,與可產生RGB 三種顏色的螢光體兩者組 合而成,由於它是利用 RGB 三種顏色混合變成白光所以色再現性很高,不過這種 白光發光二極體基於紫外光會使封裝樹脂與螢光體劣化等考量,因此必須另外開發 抗紫外光的樹脂與螢光體。

1.4.3 單體 RGB 白光發光二極體

由於單體 RGB 白光發光二極體可針對各單體發光二極體設計散熱結構,因此 較容易獲得高輸出效果,不過RGB 單體發光二極體的晶片物理上彼此相隔,所以 必須設計專用的導光路,使RGB 單體 發光二極體的光線能均勻混色變成白光,才 能避免背光模組變厚。

1.4.4 一體化 RGB 白光發光二極體

一體化 RGB 可直接混色變成白光,所以沒有專用導光路與背光照明模組厚度 限制等困擾,不過施加的電流量受到限制,不易獲得高輸出效果。

1.5 研究動機及目的

輕薄的液晶顯示器,儼然成為一股潮流,從筆記型電腦、手機搭載 之中、小尺

(23)

寸應用,漫延至大尺寸的電視面板。在液晶顯示器薄型化技術中,關鍵在於背光模 組的厚度,發光二極體因元件尺寸可做的較冷陰極管小,所以採用發光二極體為背 光源,在模組厚度方面,相對有較大的壓縮空間,尤其以側邊照光式發光二極體模 組結構為最佳,主要受限於目前導光板光學結構設計、製程技術與良率及組裝與產 品應用可靠度等問題,這也是未來液晶顯示器面板與背光模組在輕薄型液晶顯示器 背光模組產品應用開發上,最需克服的技術瓶頸。

利用光學模擬軟體來計算,可以使設計者在設計開發階段減少時間及金錢的浪 費。因此,本篇論文我們利用TracePro 光學模擬軟體的輔助,來提升我們對背光模 組的設計能力。進而達成光學設計優化的目的。

(24)

第二章 光學理論

在各向同性的均勻介質中,光線按直線傳播,這就是光的直線傳播定律。 一 種普遍存在的現象,但當光路中放置很小的不透明的障礙物或是微小孔洞時,光 的傳播將偏離直線,這就是物理光學中所描述的光的繞射現象。

從不同光源發出的光線,以不同的方向通過空間某一點時,彼此互不影響,

各光線獨立傳播,這就是光的獨立傳播定律

以下將針對本研究之側邊照光型背光光學系統所利用到的基本光學原理稍 做說明。

2.1 反射定律

反射為一種物理現象,是指光線或波從一介質入射到另一介質時,其傳播方 向突然改變,而又回到原來的介質。反射可分為三種形式,鏡面反射(Specular reflection)、擴散反射(Spread reflection)和漫射反射(Diffuse reflection),鏡面反射 是指光線的入射角度相等於反射的角度,鏡射時平滑的表面會出現清晰的影像,

如圖2.1.1;擴散反射發生當在不平坦的表面且反射的光線超過一個角度,所有的 反射光的反射角或多或少會與入射角相同,如圖2.1.2;漫射型的反射,有時候又 稱作”Lambertian scattering”或“Diffusion”,這種情形發生在粗糙或不光滑的表 面,其反射光會有許多不同的角度,各條光線的反射角會混亂,而出現較模糊的 影像,如圖2.1.3。

(25)

圖 2.1.1 鏡面反射

圖 2.1.2 擴散反射

(26)

圖 2.1.3 漫射反射

當光線照在一個完美的光滑表面會發生鏡面反射,完全遵守”反射定律(Law of reflection)”,入射角(入射光線與垂直表面的法線所夾的角度,Incident angle θi) 會相等於反射角(反射光線與垂直表面的法線所夾的角度,Reflected angle θr),

如圖2.1.4

圖2.1.4 反射

(27)

當光在任何表面發生反射時.會遵守反射定律:

1.光反射時,其入射線和反射線分別在法線的兩側且此三線在同一平面上。

2.入射角等於反射角。

2.2 折射定律

光線在連續(均勻)介質中為直線傳播,當光線從一種材料行進到另一種材料 時,例如從空氣進到玻璃,此時光線會被折射,也就是光線會彎曲及改變速度,

反射光與折射光的比率視介質或其表面之物性而變。折射取決於二個因子:一個 是入射角(Incident angle)以符號θ1以表示,另一個為材料的折射率(Refractive index),以字母n表示,折射率等於真空中的光速(c)比上光在材料中的光速(v):

v

n

=

c

(2.1.1) 空氣中的光速幾乎相同於真空中的光速,因此空氣的折射率可視為

1(

n

air =1.000293),幾乎所有其他物質的折射率都是大於1,因為光通過這些物 質,其速度會降低。如圖2.1.5,光通過折射率不同的介質時,入射角和折射角的 關係可由Senll’s law表示:

n1sinθ1 =n2sinθ2

(2.2.1) 其中n1為介質1的折射率,n2為介質2的折射率,θ1為光線的入射角,θ2為 光線的折射角。

 

圖2.2.1 折射(Refraction) and Snell’s law.

(28)

當光在任何表面發生折射時,入射角與折射角之正弦函數的比值為一常數,並 與入射角度無關,因介質不同而改變

圖2.2.2 光的折射

2.3 全反射定律

全反射是一種光學現象,優於一切鏡面反射,因鏡面的金屬鍍層對光有吸收作 用。一般情況下,光線入射至透明介質的分介面時,將同時發生反射和折射現象。

但在特定條件下,介面可將入射光線全部反射回去,而無折射現象,這就是光的全 反射。當光線經過兩個不同折射率的介質時,部份的光線會於介質的界面被折射,

其餘的則被反射。但是,當入射角比臨界角大時(光線遠離法線),光線會停止進入 另一介面,反之會全部向內面反射。

這只會發生在當光線從較高折射率的介質進入到較低折射率的介質,及入射角 大於臨界角時。因為沒有折射而都是反射,故稱之為全反射,如圖2.2.1 所示,全反 射在理論上可使入射光的全部能量反射回原介質。

所謂臨界角是指產生全反射的最小入射角,由於折射角度為90 ,根據折射定o 律,當光由一個較高折射率的材料行進到一個較低折射率的材料時,隨著入射角的 增大,折射光會愈偏離法線,當入射角達到一個臨界角度(Critical Angle θc),折射 光線將會通過兩種材料的邊界,若入射角再增大,所有的光線將被反射回材料的內

(29)

部。

sin 1( ')

n

n

c

=

θ

(2.3.1)

對於側照式背光模組的導光板,材質為壓克力,折射率約為1.49,由 2.1.3 可算 出臨界角約為42 o

 

圖2.3.1 全反射現象

2.4 餘弦定律Lambertian

Lambertian 平面輝度是個定值且與看過去的方向無關,Lambertian 平面是一個 理想的擴散發散平面或是擴散反射平面,它無關於入射光線的角度而將入射光以相 同方式擴散出去,實際上大部分情況都可視為Lambertian 擴散面。Lambertian 餘弦 定律表示如

I

θ =

I

ncosθ。例如在背光模組中,在導光板的底部還會在加一層PET 反射片,其目的在於從導光板漏出來的光反射回導光板之中,以增加光的使用效率。

(30)

圖2.4.1 Lambertian 平面擴散線

2.5 費馬原理

費馬原理是由法國科學家費馬(Pierre de Fermat)在 1660 年所提出,光在任意介 質中從一點傳播到另一點時,沿所需時間最短的路徑傳播,又稱最小時間原理或極 短光程原理,他是幾何光學的基本原理,描述光在介質中傳播的基本原理。我們假 設介質折射率為n 在空間做連續變化,從 A 點傳播到 B 點,沿光路之線素為 ds,

則光程長為

= B

A nds

AB

(2.5.1) 假設介質中的光速為v,真空中的光速為 c,則 v 與 c 之間的關係為v=c/n, 假設光在介質中通過ds 所需的時間為 dt,我們可以把 2.1.4 改寫為

=

AB =

t t

dt v ds

AB c

2

1

(2.5.2) AB 是表示同一時間內,光於真空中行進的距離,稱之為光程長。費馬原理是 幾何光學中的普遍原理,由此原理可證明光在均勻介質中傳播時遵從的直線傳播定 律、反射和折射定律。

(31)

2.6 發光強度

為了表現點光源發出之光通量的空間分佈,我們定義點光源在某方向上單位立 體角內發出的光通量為該方向的發光強度。發光強度的國際單位為燭光(candela) , 符號為cd,又稱為坎德拉。

發光強度是用以表示光源發光強弱程度的物理量,與測量輻射強度或測量能量 強度的單位(瓦)相比較,發光強度的定義考慮了人的視覺因素和光學特點,是在人 的視覺基礎上建立起來的。

2.7 輝度

前述引入的發光強度表明點光源在某方向上單位立體角內發出的光通量,不能

描述面光源上各小面積所發出的總光通量之空間分佈,為此需要引入一個新的物理量 -輝度,即發光表面某方向的光亮度等於該方向上單位投影面積在單位立體角內發出 的光通量。在國際單位制中,光亮度的單位為Nit(nt)

1 2

1

m

nt

=

cd

(2.7.1)

2.8 光通量

在光線充足的條件下,人眼對555nm 左右的黃綠色光最為敏感,假設波長 555nm 和 λ 兩種光引起相同的明亮感覺,分別需要輻射能通量Φ555和Φ 瓦特,我λ

們將它們的比值稱為視見函數(luminosity function)

λ

λ Φ

= Φ555 )

(

V

(2.8.1) 視見函數是用來表示人眼對各種波長光的相對敏感度。對於波長為λ 的單色 光,其輻射能通量Φ(λ)和視見函數 V(λ)的乘積稱為光通量

F

(λ)= V(λ)Φ(λ)

(2.8.2)

光通量和輻射通量有相同的量級,但在國際單位制中,輻射能通量的單位為

Watt(W) ,光通量的單位則為 Lumen(lm) ,兩者的關係為 1W=683 lm 或 1lm=0.00146 W。應當注意的是,lm 與 W 之間的換算關係隨著波長的不同而異,因此對於波長

(32)

為λ 的單色光 1W=683‧V(λ)lm。

2.9 照度

尺寸無限小的點光源只在相對意義上存在,實際的發光源都具有一定的面積。

為了表現面光源上各點的發射能力,我們定義面光源上單位面積接收到的總光通量 為該面積所在點的光照度(illuminance) ,單位為 Lux(lx) ,1

lx

=lmm2 ,平常所說 的桌面夠不夠亮,就是指照度,一般居家的照度建議在100~300lux,閱讀時大約需 600lux。

2.10 輻射度學與光度學

對電磁輻射能量進行客觀計量的學科稱輻射度學;在可見光波段內,考慮到人 眼的主觀因素後的相應計量學科稱為光度學。輻射度學是量測電磁波的一種科學,

光是一種能量,輻射能量會經由介質轉變為其他能量,在SI 單位中所使用的基本單 位為焦耳(joule) 。光度學是量測可見光的一種科學,它是根據人眼對於光感知能力 的一種物理量,基本單位為流明(lumen),與輻射物理量有一加權函數的對應,如表 2.10.1 所示。

(33)

表2.10.1 單位對應表

輻射量 SI 單位 光度量

輻射能量 J J 光能量

輻射通量 W lm或是cd*sr 光通量

輻射通亮密度 Wm2

m2

lux或是lm 光通亮密度

輻射輝度 Wm2*sr cdm2 光輝度

輻射強度 W sr cd 光強度

2.11 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]

(一)加入擴散點方法

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

(34)

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,

(35)

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,

(36)

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

(37)

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

(38)

第三章 分析與設計

3.1 引言

在本章節中我們討論背光模組設計的架構,第一,我們將簡單的介紹論文中所 使用的TracePro 光學模擬軟體,它可以精確且快速的分析我們的背光模組架構,我 們將應用該軟體,將我們的光源、材質特性、尺寸得到最佳化的結果,便可以確定 背光模組的架構。第二,我們將建立發光二極體的光源模型,模擬的參數將被設定 在光學軟體裡。第三,介紹我們17 吋側照式背光模組設計的參數,它包含各種物件 尺寸大小及材質特性,這些參數也都會設定在TracePro 光學模擬軟體中,模擬的目 的就是要得到最佳化結果。

3.2 光學模擬軟體介紹

使用光學模擬軟體來開發及設計背光模組不失為一個節省時間以及金錢的 好方 法,就設計背光模組的光學軟體而言,TracePro 是一套功能強大的分析及設計的光學 軟體。它是以光線追跡的方式來模擬輻射度學及光度學的分析,所謂的光線追跡,即是發 光平面輻射出去的光線,光線從哪裡發射出去以及方向都將被考慮進去,TracePro的光 線追跡的運算核心屬於非序列性光線追跡(Non-Sequential Ray Tracing),除了可以自行 建立光源與幾何物體的材料屬性外,亦可使用內建的光源及材料資料庫來執行光學材料 的設定。

TracePro可以同時或個別考慮反射、折射、吸收、雙向散射(BSDF)、體散射(bulk scatter)、漸變折射(gradient index)、光學薄膜(thin film stack)、螢光粉(Fluorescence)及偏 光膜(polarization)等光學材料行為。搭配Monte Carlo的亂數表列統計採樣計算方式去運 算管理光線,能夠準確地預測光學行為。TracePro 更結合了三維立體模組、多種格式 的資料庫轉換、光學報表圖表的分析、微小結構(RepTile)的重覆建立以及簡單的繪圖介 面,我們在進行光學模擬時,有一套標準的作業程序,關於 TracePro 模擬流程依序如

(39)

下:

(一)建立光學模組架構

首先設計整體的光學架構模組,包含了各種光學膜片的建立,在設計出我們想要的 架構後,接著輸入各種物件的材質特性以及面特性,它包含了折射、反射、散射、穿透、

吸收、溫度、等特性,以及網點大小參數的設計。

(二)建立光源模組

建立背光模組的發光源,TracePro的光源定義有三種可供選擇,分別是grid、surface、

file source,在本論文中採用的是以發光二極體為發光源,我們依據它的波長、發光角度、

光通量、來建立背光模組的光源模型,在實際的發光二極體表面,它包含點膠的散射特 性,但在建立發光源時,我們並沒有建立塗膠的散射特性,原因在於這樣會使我們模擬 時間增加,而且它並不影響最後的結果。

(三)數據分析

上述的作業完成後,我們便可執行光線追跡,模擬動作結束便可得到我們想要的數 據,它包含了:照度圖、燭光圖、亮度圖、CIE 混色圖,以及光線追跡歷史報表,由以 上的分析結果,我們便可判斷架構混色好不好、出光均勻度均不均勻、出光效率以及亮 度是不是符合我們的需要,如此便可判斷是否要再進行下一步的優化動作,全部的流程 如圖3.2.1所示。[5][6]

(40)

圖3.2.1 光學模擬流程圖

3.3 光源模型的建立

本章節中,我們將要介紹我們所使用的光學系統發光二極體的各項規格及參 數,我們參考中華大學的發光二極體光源背光模組設計論文中的發光二極體規格參 數,來建立我們的光學模型。

發光二極體光條的外型如圖3.3.1,它是個長條型的基座,基座表面尺寸為 mm

1mm 1× ,發光晶片(chip)設定黏貼在基座的正中央,chip 發光面積設定為 mm

mm 0.8 8

.

0 × ,發光形式設定為Lambertian。

(41)

圖3.3.1 LED 光條

背光模組的發光二極體光源設定為白光類型,設定紅光波長640nm、綠光 525nm、藍光 450nm 權重各為 1,光條上總共為 78 粒發光晶片,在光條上以直線排 列方式,總共約900 流明,滿足了 17 吋顯示器的流明數。總光線追跡總為 10000 條光線。

表3.3.1 LED chip 資料

R(紅光) 640nm G(綠光) 525nm chip

B(藍光) 450nm

Lm 12

3.4 側照式背光模組架構設計

我們論文中模擬17 吋面板之背光模組大小,導光板的材質為壓克力,尺寸大小 為346mm x 278mm x 1mm,發光二極體光源放置在導光板長邊兩側,採用無燈罩設

(42)

計,盡量將發光二極體發光晶片貼近導光板側邊,如圖3.4.1 所示。

導光板側邊、底部裝上反射片,反射片的內部表面設定為完美反射(Perfect Mirror),因為它具有良好的反射特性,在出光面上方建立一個觀察面,觀察發光二 極體混光圖、照度圖,觀察面距出光面上方1mm,設定為一個完全吸收面。

圖3.4.3 是發光二極體與導光板相隔距離對背光模組輝度影響的模擬分析結 果,由圖3.4.3 可知發光二極體與導光板之間的距離越近,背光模組的輝度越高,構 造上當兩者距離等於零,亦即發光二極體緊貼於導光板時,發光二極體光線的利用 效率最高。圖3.4.4 是有關發光二極體光軸與導光板的中心不一致時,對背光板面照 度的影響經過模擬分析後的結果,若導光板厚度為(t),發光二極體光軸偏移量為 (d),發光二極體光軸與導光板的中心不整合率單位為%。由圖 3.4.4 可知不整合率越 高時,背光板的面輝度衰減越大。設計時應盡可能選用厚度與導光板相同的發光二 極體,以防止面輝度的損耗衰減。

實際上射入導光板的發光二極體光線,在導光板內反覆反射,光線反射時部分 的光線被導光板表面的微小凸狀網點擴散,再從導光板表面射出成為液晶面板的照 明光源,導光板的厚度越薄,導光板內光線的反射次數越多,從導光板表面射出的 光線也越強。導光板的厚度越薄除了容易獲得高輝度化效果之外,對可攜式商品的 輕巧化具有很好的效果。[8]

光源由導光板兩邊照光,光使用效率及均勻度較佳,而且也避免了發光二極體 過度集中造成的過熱問題。

(43)

表3.4.1 導光板模擬各項參數

折射率 1.497

吸收率(1/mm) 0

厚度(mm) 1

寬度(mm) 278

長度(mm) 346

材質 PMMA

圖3.4.1 LED 燈條位址示意圖

(44)

圖3.4.2 導光板尺寸

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 距離:l

相對輝度

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 距離:l

相對輝度

資料來源:NCKU

圖3.4.3 LED 與導光板距離對背光模組輝度影響的模擬結果。

(45)

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0% 10% 20% 30%

光軸不整合率

相對輝度值

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0% 10% 20% 30%

光軸不整合率

相對輝度值

資料來源:NCKU

圖3.4.4 LED 光軸與導光板的中心對背光板面輝度的模擬結果。

(46)

第四章 側照式背光模組設計結果

我們將參考中華大學的發光二極體光源背光模組光學及機構設計論文來設計我 們的論文背光模組架構,首先光源部份將採取第三章介紹的發光二極體光條,我們參 考其論文的發光二極體光源規格及架構,建立白光發光二極體光條作為我們論文的背 光源,我們也依照其建立17吋大小的導光板,在導光板短邊處與底部貼上反光板,表 面設定為完美鏡面,並在導光板底部佈上網點,最後在導光板的出光面上方1 mm處 設立觀測面。

4.1 參考論文側照式背光模組介紹

清大其論文設計架構,設計成上下兩層的燈罩結構如圖4.1.1、圖4.1.2及圖4.1.3 所示,來達到所需之發光二極體混光效果。就以單顆RGB LED作為光源的背光模組,

混光是首先要解決的問題。

實務操作上發光二極體的晶片發光面積很小,所以假設其為一點光源,便可滿足 點光源位於拋物面焦點上,設計這樣的燈罩結構,使光源射出後,能使光線朝同一方 向前進,拋物面能滿足這類的需求。拋物面方程式為:

y

2 = 81. ×

x

(4.1.1) 方程式的割線一半的長度能滿足導光板一半高度(3mm)的需求,導光板是很好的 混光機制,利用導光板作混光使光線穿過導光板而不打到底部網點,進而達到混光的 效果,設計拋物面的燈罩結構,使光路能達到這樣的需求。

當光線沒打到底部網點出光,進而穿過導光板到另一端的半圓柱型燈罩結構,會 使光因此散射效果。散射回導光板此幾何結構表面等同於冷陰極管之線光源將光打入 導光板。[1]

在背光模組上方設定一觀測面,模擬得一照度圖,如圖4.1.4所示,圖中藍色為水 平軸線,綠色為鉛直軸線,而均勻度定義為:

(47)

Max

=

Min

η(%) (4.1.2) 所以我們可以估算出光均勻度73.55%,平均x、y方向;而軟體會算出出光效率 35% ,此結果將與我們研究結果進行比較。[16]

圖4.1.1 參考論文設計架構

圖4.1.2 拋物面燈罩

(48)

圖4.1.3 等同於CCFL之線光源的半圓柱結構

(49)

圖4.1.4 光照度分佈圖及均勻度

4.2 研究過程

影響照度的變因有幾個原因:發光二極體光源與導光板之間的距離、入射光源 角度、導光板網點大小

(一) 發光二極體光源與導光板之間的距離

LED 與導光板相隔距離對背光模組出光面輝度的影響,由 LED 與導光板 之間的距離越近,背光模組的輝度越高,LED 緊貼於導光板時,LED 的光線利用 效率最高。設計上採取以下幾項重點:

1. 選用發光面為扁平狀之 LED。

2. 設法使 LED 貼近導光板端面。

3. 發光二極體貼近導光板端面時不可施加額外的外力。

以下是發光二極體與導光板之間的距離模擬結果,模擬設定為:

導光板不鋪設網點、發光二極體緊貼導光板與發光二極體離導光板2 mm 及發光二 極體離導光板4 mm。加入網點分析會不同,加入網點後以平行入射效果最好。

(50)

圖4.2.1 LED 緊貼導光板之照度圖

圖4.2.2 LED 距導光板 2 mm 之照度圖

(51)

圖4.2.3 LED 距導光板 4 mm 之照度圖

表4.2.1 導光板與發光二極體之距離

LED 距導光板 Max lux 出光效率

0mm 21.6 13.5%

2mm 16.6 10.1%

4mm 10.4 5.8%

由表4.2.1 我們可以得知 LED 光源在距離導光板愈遠時,出光效率及 Max lux 都會漸漸降低,因此我們在設計上LED 光源最好能緊貼著導光板,達到最高的效率。

(二) 入射光源角度

液晶顯示器本身不會發光,所以必須給定一發光源,發光二極體背光源主要是 提供均勻輝度的面光源,強調的是面光源的均勻性。

光線入射角度會影響導光板出光的均勻度,角度太傾斜會使大量光線提早離開 導光板,造成導光板側邊亮中間暗,出光的均勻度不佳。

(52)

以下做幾個模擬來觀看改變入射光源角度,對導光板出光情形的模擬如圖4.2.4 到圖4.2.6 所示。

圖4.2.4 光源往下 20 度(未加網點)

圖4.2.5 光源平行入射(未加網點)

(53)

圖4.2.6 光源往上 20 度(未加網點)

表4.2.2 光源角度結果整理(未加網點)

角度調整 出光效率 Max lux

往上20 17.7% 23.9

平行入射 13.3% 22.9

往下20 5.4% 10.4

由表 4.2.1 可得知在未加入網點的情況下,光源入射角度的效率以往上 20 度為最佳。但在加入網點後,光源入射角度的效率是否依舊為往上20 度為最佳,在 此我加入第一組網點尺寸,如表4.2.3 所示。

表4.2.3 網點位置

佈點位置 R(mm) Height(mm) 0~68 0.5 0.02 69~124 0.5 0.05 125~153 0.7 0.1 154~207 0.5 0.05 208~277 0.5 0.02

(54)

圖4.2.7 光源往下 20 度(加入網點)

圖4.2.8 光源平行入射(加入網點)

圖4.2.9 光源往上 20 度(加入網點)

(55)

表4.2.4 光源角度結果整理(加入網點)

角度調整 出光效率 Max lux

往上20 81.5% 39.4

平行入射 90.7% 48.5

往下20 85.2% 39.1

由表4.2.3 可得知原本的架構在加入網點,光源入射角度變成平行入射為最

佳。我們在設計上都會加入導光板網點,因此光源入射角度最後選擇平行入射。

(一) 導光板網點的大小

在無網點的導光板中絕大部分的光通量都集中在兩邊燈管的入光側,為了將光 線導引出導光板的出光面,本研究將在導光板的底面加上網點,以破壞光源在導光 板內的全反射,並將光源均勻的引導出來。

本研究將導光板模型底面網點採等距離分佈網點,將網點與網點間的中心距離設為 固定值,藉此設計分佈網點,由改變網點半徑的大小,當網點半徑越大,破壞光線 在導光板內全反射的能力越強,如果靠近燈管的網點越大,能量就會集中在靠近燈 管處,遠離燈管處只剩少許的能量,所以在進行網點分布設計時,靠近燈管的網點 必須比較小,越遠離燈管則網點漸漸變大,依據此設計概念讓光源均勻輸出導光板 出光面。

以下為模擬導光板的網點大小影響照度的結果

(56)

圖4.2.10 網點尺寸 Radius 為 0.5 mm 及 Height 為 0.02 mm

圖4.2.11 網點尺寸 Radius 為 0.5 mm 及 Height 為 0.05 mm

(57)

圖4.2.12 網點尺寸 Radius 為 0.5 mm 及 Height 為 0.1 mm

圖4.2.13 網點尺寸 Radius 為 0.5 mm 及 Height 為 0.5 mm

(58)

表4.2.5 四種網點比較照度圖

網點高度 均勻度 Max lux

0.02 mm 32.2% 29.9

0.05 mm 11.0% 38.7

0.1 mm 3.1% 52.6

0.5 mm 0.1% 60.5

(一) 網點分布排列

網點patten 不規則排列會形成局部亮點或是暗點的出現,但可 以避免和cell 的 data line 與 gate line 所形成的規則 patten 分佈。

理想的網點須具備以下三點

1.patten 分佈極不規則,避免出現 moire 條紋。

2.patten 不規則分佈,使肉眼無法辨識輝度不均勻。

3.高度對應性可滿足連續填充分佈。

(59)

光 源 光 源 光 源 光 源

圖4.2.14 光碰到交錯與平行網點的機會比較

(60)

圖4.2.15 平行網點

圖4.2.16 交錯網點

4.3 研究結果

我們參考清大黃信誠側照式LED 背光模組之研究此篇的論文,採用其網點尺 寸,網點高度分別由外至內漸漸變大,以半徑大小為0.5~0.7mm 變化來作模擬分析。

[15]

(61)

表4.3.1 第一組網點位置

佈點位置 R(mm) Height(mm)

0~68 0.5 0.02 69~124 0.5 0.05

125~153 0.7 0.1

154~207 0.5 0.05 208~277 0.5 0.02

圖4.3.1 第一組數據照度圖 表4.3.2 佈點結果

尺寸 346x278x1(mm)

混光效果(光源) 白光

出光效率 73.7%

均勻度 28.7%

Max lux 30.6

我們從表4.3.2,得知出光效率為 73.7% ,均勻度為 28.7%。出光效率還在業

界廠商容許的範圍內,所以重點著重於提升均勻度。由圖4.3.1 可得知要增加中間部

(62)

份被光照到的機率,有兩種方法一是改變網點半徑大小,二是改變網點高度。

表4.3.3 第二組網點位置

佈點位置 R(mm) Height(mm)

0~68 0.4 0.02 69~124 0.5 0.05

125~153 0.7 0.1

154~207 0.5 0.05

208~277 0.4 0.02

圖4.3.2 第二組數據照度圖 表4.3.4 佈點結果

尺寸 346x278x1(mm)

混光效果(光源) 白光

出光效率 73.1%

均勻度 34.4%

Max lux 27.0

(63)

我們先由改變網點半徑大小下手,從表4.3.3 及表 4.3.4 得知降低最外側(0~68 及208~277)的網點半徑,由 0.5mm 改為 0.4mm,增加內側網點被光打到的機率,均 勻度由28.7%提升至 34.4%,而出光效率還維持在 73.1%。

表4.3.5 第三組網點位置

佈點位置 R(mm) Height(mm)

0~68 0.5 0.02 69~124 0.5 0.05

125~153 0.6 0.1

154~207 0.5 0.05

208~277 0.5 0.02

圖4.3.3 第三組數據照度圖

(64)

表4.3.6 佈點結果

尺寸 346x278x1(mm)

混光效果(光源) 白光

出光效率 73.5%

均勻度 33.5%

Max lux 29.6

我們再由表4.3.1,外側網點半徑維持不動,降低最中間網點高度(網點位置 125~153)的網點半徑,由 0.7mm 改為 0.6mm,從表 4.3.6 得知均勻度也是提升至 33.5%,但是比表 4.3.4 所得到的 34.4%結果差了一點。

表4.3.7 第四組網點位置

佈點位置 R(mm) Height(mm)

0~68 0.4 0.02 69~124 0.5 0.05

125~153 0.6 0.1

154~207 0.5 0.05

208~277 0.4 0.02

(65)

圖4.3.4 第四組數據照度圖 表4.3.8 佈點結果

尺寸 346x278x1(mm)

混光效果(光源) 白光

出光效率 73%

均勻度 31.2%

Max lux 28.0

我們結合前 2 個佈點位置的優點,降低最外側(0~68 及 208~277)及最中間網點 高度(網點位置 125~153)的網點半徑,由表 4.3.8 得知均勻度為 31.2%,均勻度沒提 升反而下降,可能是靠近光源處網點高度太高以至於光入射時照不到中間的佈點,

針對這項缺點下去做改善。

表4.3.9 第五組網點位置

佈點位置 R(mm) Height(mm)

0~68 0.3 0.02 69~124 0.5 0.05

125~153 0.6 0.1

154~207 0.5 0.05

208~277 0.3 0.02

(66)

圖4.3.5 第五組數據照度圖 表4.3.10 佈點結果

尺寸 346x278x1(mm)

混光效果(光源) 白光

出光效率 72%

均勻度 37.0%

Max lux 26.4

我們再降低最外側(0~68 及 208~277)的網點半徑,由 0.4mm 降為 0.3mm。由表 4.3.10 得知出光效率維持在 72%,均勻度提升至 37%,由此結果得知我們所研究的 方向可行。

(67)

表4.3.11 第六組網點位置

佈點位置 R(mm) Height(mm)

0~19 0.3 0.02 20~68 0.4 0.02 69~124 0.5 0.05

125~153 0.6 0.1

154~207 0.5 0.05

208~257 0.4 0.02

258~277 0.3 0.02

圖4.3.6 第六組數據照度圖 表4.3.12 佈點結果

尺寸 346x278x1(mm)

混光效果(光源) 白光

出光效率 72.3%

均勻度 38.0%

Max lux 26.6

(68)

在所做的第六組數據中,我們嘗試細分最外側網點半徑大小的佈點位置,原先 X 方向 0~68 的位置細分為第一部份(0~19),網點半徑和高度分別為 0.3mm 及 0.02mm,第二部份(20~68) ,網點半徑和高度分別為 0.4mm 及 0.02mm,另一端靠 近光源處X 方向 208~277 也改為相同佈點。由表 4.3.12 得知出光效率為 72.3%,均 勻度為38%,出光效率還是維持沒降下去,均勻度提升的效果也沒很明顯,因此我 們考慮網點半徑以第六組數據為基準,嘗試修改網點高度,以提升其均勻度。

表4.3.13 第七組網點位置

佈點位置 R(mm) Height(mm)

0~10 0.3 0.01 11~68 0.4 0.02 69~124 0.5 0.05

125~153 0.6 0.1

154~207 0.5 0.05 208~267 0.4 0.02 268~277 0.3 0.01

圖4.3.7 第七組數據照度圖

(69)

表4.3.14 佈點結果

尺寸 346x278x1(mm)

混光效果(光源) 白光

出光效率 71.8%

均勻度 38.8%

Max lux 22.8

在所做的第七組數據中,我們改變最外側網點高度, 由 0.02mm 降低為 0.01mm,雖然均勻度提升不大,但由圖 4.3.6 及圖 4.3.7 做比較,發現圖 4.3.7 的起 伏較大。

表4.3.15 第八組網點位置

佈點位置 R(mm) Height(mm)

0~19 0.3 0.01 20~68 0.4 0.02 69~124 0.5 0.05

125~153 0.6 0.1

154~207 0.5 0.05

208~257 0.4 0.02

258~277 0.3 0.01

(70)

圖4.3.8 第八組數據照度圖 表4.3.16 佈點結果

尺寸 346x278x1(mm)

混光效果(光源) 白光

出光效率 72.3%

均勻度 40.3%

Max lux 21.7

第八組數據中,我們改變最外側(0~19)網點高度, 由 0.02mm 降低為 0.01mm,

由表4.3.16 得知均勻度提升突破 40%。

表4.3.17 第九組網點位置

佈點位置 R(mm) Height(mm)

0~19 0.3 0.01 20~68 0.4 0.02 69~124 0.5 0.04

125~153 0.6 0.1

154~207 0.5 0.04

208~257 0.4 0.02

258~277 0.3 0.01

(71)

圖4.3.9 第九組數據照度圖 表4.3.18 佈點結果

尺寸 346x278x1(mm)

混光效果(光源) 白光

出光效率 71.9%

均勻度 41.7%

Max lux 23.1

第九組數據中,我們改變(69~124)及(154~207)網點高度, 由 0.05mm 降低為 0.04mm,結果均勻度提升至 41.7%。

由上面幾組數據來看,均勻度不能大幅提升,原先未加入燈罩這部份的設計

,因此我們嘗試加入燈罩再模擬

(72)

表4.3.19 第十組網點位置

佈點位置 R(mm) Height(mm)

0~19 0.3 0.01 20~68 0.4 0.02 69~124 0.5 0.04

125~153 0.6 0.1

154~207 0.5 0.04

208~257 0.4 0.02

258~277 0.3 0.01

圖4.3.10 第十組數據照度圖 表4.3.20 佈點結果

尺寸 346x278x1(mm)

混光效果(光源) 白光

出光效率 76.5%

均勻度 49.1%

Max lux 19.7

(73)

加入燈罩後,均勻度明顯的從41.7%提升至 49.1%,證明加入燈罩這部份對導 光板的均勻度提升有很大的幫助。

表4.3.21 結果比較 結果

1

結果 2

結果 3

結果 4

結果 5

結果 6

結果 7

結果 8

結果 9

結果 10 出光

效率 73.7% 73.1% 73.5% 73% 72% 72.3% 71.8% 72.3% 71.9% 76.5%

均勻

度 28.7% 34.4% 33.5% 31.2% 37% 38% 38.8% 40.3% 41.7% 49.1%

Max

lux 30.6 27 29.6 28 26.4 26.6 22.8 21.7 23.1 19.7

4.4 分析與比較

我們比較參考中華的論文其架構(以下簡稱 A)以及我們論文的架構(以下簡稱 B),我們以光學模擬的結果,比較 A、B 架構出光效率、均勻度、成本效益。

出光效率A 為 73.55% 及 B 為 76.5%,均勻度 A 為 35% 及 B 為 49.1%,B 的 出光效率及均勻度都優於A。

至於製造成本上,雖然B 的架構比 A 架構多加了一層燈罩設計,成本會比 A 架構高出一些,但整體液晶顯示器的厚度不會改變,一樣符合我們往輕薄設計發展 的方向,我們將以上比較結果整理,如表4.4.1 所示。

表4.4.1 綜合比較

參考論文 本篇論文

混光效果 白光 白光

出光效率 73.55% 76.5%

均勻度 35% 49.1%

(74)

圖4.4.1 參考論文結果

圖4.4.2 我的結果

參考文獻

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