背光模组光学设计

背光模組光學設計摘要本文主要介紹邊光式背光模組之設計原理，其中包括所涉及之光學理論及常 用於導光板之設計方法，最後並以軟體模擬來說明這些方法之優劣點。這些方法 包括狹窄化方法、微結構法及加入擴散點方法用於導光板中，其中在微結構方法 中又分為上鋸齒微結構法及下鋸齒微結構。這些方法之所應用之原理在於幾何光 學中之全反射原理。在狹窄化方法、上鋸齒微結構及擴散點方法中主要是希望破 壞全反射條件而使光線導出，而在下鋸齒微結構中是利用全反射原理將光線由下 而上導出。在本文之軟體模擬實例中，我們發現狹窄化、上鋸齒微結構及擴散點 三種方法之最大表面透出功率大約在相同之範圍中。雖然，下鋸齒微結構之表面 透出功率最高，然而，在均勻度方面之表現非常的差。此外，由於光線之透出率 對微結構之角度具有極敏感之特性，如欲以角度來控制透出功率之均勻性是一件 不易達成之事，且加工不易。相較於微結構法，擴散點方法在控制均勻度方面及 製造加工上就較微結構法來的容易，是一簡單又亦達成均勻度控制之方法。一、背光模組介紹無自發光性質的液晶材料已被廣泛應用在如電視、電腦螢幕、行動電話及個 人數位助理(Personal Digital Assistant, PDA)等不同尺寸的液晶顯示器(Liquid Crystal Display, LCD)上，而為了達到顯像之目的，必須搭配光源照射液晶。由 於光源一般置於液晶面板之後，乃稱為背光，而此面板之後包含光源的所有 元件總成則稱為背光模組。背光模組包括光源和其他職司反射及折射的光學 裝置，其中光源主要分為兩種：一為適於較大尺寸LCD的冷陰極燈管，另一為 適用於較小尺寸如行動電話螢幕的發光二極體。雖然此兩種光源形式及其所使用 之光學裝置有所不同，但整個背光模組的光學原理則相類似。 依據光源位置的 不同，背光模組一般可分為邊光式(Edge Lighting )及直下式(Bottom Lighting) 兩 1,2。邊光式背光模組一般常用於中小型顯示器，如筆記型電腦螢幕、PDA及 手機螢幕等。顧名思義邊光式模組的光源是置於整個背光模組的邊緣，如圖 1 所 示，導光板之功能主要是將側邊的光線導向正面之視線方向，並達到亮度均勻之 效果。除了光源之外，邊光式背光模組的主要光學元件包含光源反射罩、導光板、 稜鏡片、反射板，如圖1(a)所示3,及位於稜鏡片上方之擴散片等光學元件。 光源反射罩的主要功能主要是將光線集中投射於導光板中，而位於導光板下方之 反射板功能是將投射至此之光線反射至上面,以增加光之利用率。擴散片之功能 在於將經由擴散點所散射的光線均勻化,使之無法由正視時察覺導光板下擴散點 的形狀與位置。最後,稜鏡片的主要功能是將均勻擴散之光線導正,使之射向視 線方向,提高螢幕亮度。 導光板為邊光式背光模組的關鍵零組件,其主要之功 用是將光線由邊緣導向視線方向,故得其名。為達到高亮度及亮度均勻之要求, 導光板之光學設計就顯的格外的重要，目的是希望藉由光學設計之手段將集中於 邊緣之光線藉由導光板均勻地導到整個視線所及之處。一般在導光板設計的專利 中，我們常可發現三種常使用之方法，分別為一、狹窄化方法，這是一般導光板 為何一般採用楔形形狀之原因，如圖1(a)所示，在不同燈管的配置下楔形的 形狀也有不同，如圖1(b)所示，為兩側擺置燈管時之雙楔形導光板設計5。二、 微結構方法，即在導光板上下表面加入一些鋸齒或半圓形之微結構，如圖 1(c) 所示6。在狹窄化及微結構方法中一般是是使用射出成型之方式來製作。三、 擴散點法，此即為一般導光板所使用之網點，網點的製作一般是利用網版印刷方 式來印製，這些擴散點是由高反射率且不吸收光之顏料所製成。一般而言，擴散 點不均勻地分布在導光板下緣，在靠近光源導光板較厚處之擴散點分佈密度較疏 而且網點較小，遠離光源導光板較薄處之擴散點分佈較密且網點較大，如圖1 (d) 所示。二、背光模組設計原理2.1 基礎理論 為瞭解上述之設計方法，以下介紹所使用之相關基礎理論。以光學原理來分類， 背光模組所使用到的光學基礎理論為幾何光學，是屬光學原理中最簡單的是最簡 單，最易理解的部分7。其中包括反射、折射原理，這些定理都是高中就學習 過之定理，其數學描述如下：0=0、(1)sin0. = n, sin0(2)其中0 ,0為入射角及反射角，而其所在介質之折射率為n ;而0為折射角， 而其所在之介質之折射率為在折射定理中當光線由疏介質進入至密介質時，入射 角會大於折射角；而當光線由密介質入射至疏介質折射角將會大於入射角,當折 射角大於 90 時,此時折射現象則發生於同一介質,這時稱之為全反射現象。而 當折射角等於 90 時之角度時所對應之入射角度則稱為全反射之臨界角。其數學 之表示式如下：門l sin 0.=門，sin0( = 90 .0. = 0(3)Oc =siii_L 竺-其中 込(4)由上式可知只要當入射角大於全反射臨界角時,全反射現象即會發生。而當入射角大於全反射臨界角時,全反射光線之行為會遵循反射定理,即發生於同介質之 全反射之反射角會等於入射角，如圖2(d)所示。以全反射原理作為光傳遞之最 顯著之應用即在光纖通訊，利用光之全反射原理讓光在光纖中傳遞8。此外， 導光板所應用之原理也為全反射原理，使光線在導光板中傳遞，但相較於光纖不 同之處為，為達到照明之目的，在導光板中傳遞之光線必須適時的在欲照明處將 光線導出，而不希望光線在導光板中做無止境之傳遞。而如何將光線由導光板導 出，以光學之術語來說即是破壞全反射之條件。以下之內容即說明如何破壞光線 之全反射條件而達到照明之目的。2.2 導光板光學原理 一般之導光板材料為壓克力，其折射係數大約為1.48，所以相對之全反射之臨界 角大約為42 ，此即意涵著只要入射角大於42 時光線即會發生全反射之現象， 即使入射之光線是打在一透明的面上，如圖2(e)所示，此為利用稜鏡面全反射 之例子。這是在全反射觀念中特別要注意的，縱使在一透明的面上，利用全反射 原理也能將光線反射，在導光板的應用中也常會利用到此觀念。以下介紹導光板 設計中常用的三種方法。2.2.1 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3(a)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3(a)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，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。2.2.2 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3(b)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。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3(c)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3(c)所示，該入射角(90-0)應大於42，即0 需小於 48 時，該斜面才具有全反射之能力。2.2.3 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 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3(d)所示。在圖3(d)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。三、設計實例以下實例為使用 ASAP 光學模擬軟體分別針對上述三種導光板中常用之方法， 來說明此三種方法之優劣點。圖4(a)為導光板之幾何模型，其中包含導光板本 體及光源部分，因本文僅真對導光板之常使用三種方法之優劣性作比較，所以忽 略燈管處反射罩之設計，並在燈管及擴散點之模型上採用藍伯遜模型(Lambertian model)，即發光強度(radiant intensity)在各方向是滿足餘弦分佈9,光源之總能 量為242 lm(流明)。圖4(b)至4(d)分別為上微結構、下微結構及導光板下面之 擴散點分佈之幾何模型示意圖。圖5(a)為當導光板無任何狹窄化、擴散點及微 結構時之透出照度(Luminous exitance)之結果，此計算結果主要是希望與下面三 種方法之結果作為比較之用。在光追蹤(ray tracing)計算時，我們發現，入射之光 線會在導光板中作來回之反射，光線並無法透出導光板。圖5(a)之透出照度結 果顯示，除了在靠近燈管邊緣處有些零星之光線透出其他部分皆無光線透出，而 這些入射於導光板之光線最後會由導光板另三個端面透出。值得一提的是，光源 並非百分之百進入導光板，在無反射罩設計時，光源進入之效率僅有 24.7%，而 有其他75.3%的光線都進入空氣之介質中。所以在實際LCD的設計中，反射罩 也是重要設計的一環。3.1 狹窄化方法圖5(b)至 5(d)為當楔形板角度由0.1變化至0.5時，表面之透出照度(Luminous exitance)分佈圖。由此三結果得知當楔形角度煎大時，在狹窄面處(遠端)所透出 之照度也愈多，強度也愈大。圖5(e)之結果為紀錄表面及右端端面透出之流明數，在楔形角度由0.1變化至 0.5 之結果。其中表面透出之流明值可為照明效率(將其除上燈管流明值)之依 據，而右端之透出流明值為功率之損失值，此二值可作為照明設計中之改進依 據。由圖 13 之結果可知，當楔形角度愈大，其表面功率透出愈高，右端面之功 率損失愈小。3.2 加入微結構方法o圖4(b)為上鋸齒微結構之示意圖，在此模擬中我們選取微結構之鋸齒角度為90 及齒寬度0.6 mm,其所相對應之幾何參數分別為圖3(b)所標示之0及w;而圖 6(a)為其透出照度分佈圖。由其透出照度分佈圖可知，表面之能量透出均集中於 靠近燈源附近,其集中之情形尚比狹窄化方法中之表面能量透出度更集中。 圖 6(b)為紀錄表面及右端端面透出之流明數，在此上微結構之條件下，楔形角度由 0.1 變化至 0.5 之結果。由圖中之表面透出之流明值並非為一隨楔形角度遞增之 關係,而為一二次函數增加之情形;其存在一最佳楔形角度。此處所獲得之二次 函數增加之關係,主要是來自入射光線之透出率對鋸齒角度變化之高敏感度所導 致,在下微結構的方法我們會針對光線透出率對微結構角度面化作一詳細之探 討。圖4(c)為下鋸齒微結構之示意圖，在此模擬中我們選取下微結構之角度為 可變化之角度，探討微結構角度變化對光線透出率之影響。圖7(a)至7(b)為當 下微結構角度由10變化至60時，其對應之幾何參數如圖3(c)中之0,透出照 度分佈之比較圖，圖中之照度曲線為記錄y方向對稱軸之x方向之照度變化。由圖中之分佈可知,高能量透出率仍是集中於靠近燈管的區域,且其透出率之高 低與微結構之角度變化息息相關。當角度由 10 變化至35 時,透出度逐漸增加, 而當角度由35變化至60時，透出率由最高點逐漸下降。圖7(c)為表面透出 之流明值隨下微結構角度變化之情形。由圖中之結果得知,光線由表面之透出率 是與微結構之角度息息相關,其中透出之功率隨著角度之漸增而增加,至 35 時,其透出率達到最高,而後隨著角度之增加,透出功率隨之下降。3.3 加入擴散點方法圖4(d)為導光板底面擴散網點之分佈圖，其中網點之個數在x方向上共有32 個，在y方向共有25個，而網點之半徑為4 mm。在此實例中我們首先以均勻 分佈之網點，來瞭解擴散網點對光線透出率之影響。圖8(a)為在此條件下之表 面透出照度分佈圖,由圖中可清晰的看到光點的影子,且在愈靠近光源部分之強 度越強,而遠離光源部分之強度越弱,整個 x 方向之強度分佈是呈現上下起伏, 非平滑之分佈。為了解網點大小對透出透出照度分佈之影響,我們將網點之個數 變為兩倍,但網點之面積變為半,保持網點總面積的不變,即 x 方向上共有 65 個，在y方向共有50個，而網點之半徑為2 mm。圖8(b)為表面透出照度分佈 圖，將此結果與圖8(a)比較可知較小面積之網點可以得到較平滑的透出照度分 佈。最後，兩者所透出之總流明值分別為14.215 lm與14.309 lm,由此可知表面 透出之總功率是與網點總面積與非網點之面積比相關。圖8(c)為表面透出之功率(流明)及右端端面光線之損失率，在不同之楔形角之情 況。由圖之結果可知，當楔形角度越大，表面之透出功率越高，及右端之透出損 失越小。3.4 最佳化結果以下之結果為針對擴散點方法及下鋸齒狀微結構方法作最佳化設計，圖9(a)為 透出照度最佳分佈圖及所對應之擴散點分佈，如圖9(b)。在此最佳化的研究中 我們將整個導光板底面之區域分成八等分，在每個八等分之區域內調整其擴散點 密度；定義為擴散點面積比上非擴散點面積，及擴散點半徑，一共 16 個參數， 其最佳化所得之結果列於表一。圖中最後一個區域之透出照度有較明顯之下降趨 勢，乃因進入導光板之光線較小，此乃因忽略光源部分之反射罩設計所致，光線 較不易傳達到遠端。而其中在每個區域中之上下起伏之照度，乃因在單一區域中 是考慮擴散點之相同大小均勻排列所致。圖9(c)為下鋸齒微結構之最佳化透出 照度圖，其所對應之鋸齒角度分佈如表二所示。在此角度之設計中我們是以在單 一區域中以線性遞增之角度來找尋最佳化角度分佈。在此實例中我們將導光板底 面之區域分成四個區域，在每個區域中設定每個區域中線性遞增角度之起 始值及最終值，如表二中所列。由表二中所列之交度分佈可發現各區域之角度範 圍非常之小，這樣分佈狹小之角度，會提高實際加工上之困難度。此外，最佳化 之角度分佈，如表二，與前述下鋸齒微結構之最大透出率之角度35 ，相差甚遠。 主要是考慮均勻性之考量所致。四、結果與討論 由上述之研究結果得知狹窄化、上鋸齒微結構及擴散點三種方法之最大表面透出 功率大約都在201m左右。雖然，下鋸齒微結構之表面透出功率最高，然而由於 透出功率之分佈完全集中在靠近燈管之附近，在均勻度方面之表現非常的差。此 外，由最佳化之下鋸齒微結構之角度分佈，可知微結構之角度對光線之透出率有 著非常敏感之特性，如欲以角度來控制透出功率之均勻性是一件不易達成之事， 其在加工製造方面也難達成如此精確之控制。相較於加入擴散點方法，其在控制 均勻度方面及製造加工上就較微結構法來的容易，這也就是為何在背光模組之產 業中大多偏好以擴散點方式來控制透光之均勻性。參考文獻1 美國專利 6447136 號2 美國專利 5253151 號3 美國專利 6011601號4 美國專利 6328453 號5 美國專利5673128號6 美國專利5854872號7 Eugene Hecht, Optics, 1987.8 Ajoy Ghatak and K. Thyagarajan., An introduction to fiber optics, 1998.表一擴散點分布之最佳化設計區域數n由左向右排列）區域數口第一區第一區第三區第四區第五區第六區第七區第八區0.050.060.080.100.130.150.250.3R#(J.20.250.30.50.550.700.901.00“擴散點面積與非擴散點面積之比値擴散點半徑表二下微結構之最佳化設計（區域數n由左向右排列）區域數口第一區*第二區第三區第匹區初始角度1.21.2。1.52C最終角度1.21.572.5每個區域之角度分佈爲線性成長100卜偿結櫛11且t * * *4:) Efl刷式網點導光板(US-5093765)圖 2 全反射及透明面全反射原理示意圖eWidioul groovesW illi erooves 上微結搆中光之行進路線隨結構之改窿情形(:汨狹窄化方法中光之行進路線隨結搆之改變惰形0心卜-微結搆中光之行進路線隨結搆之改變惰形擴散點方法中光之行進路線隨擴散點改嚏之惰形90-圖 3 各種導光板設計方法原理導光板之幾何尺及幾何模型(d)導光板底面擴散網點之分佈圖(N X 32. N_Y 25.DOT_RAD 4)圖4模擬所使用之導光板尺寸及各種設計方法之幾何示意圖(a)WII：!W inw j弄种 w