注塑成型导光板资料汇总2.doc_第1页
注塑成型导光板资料汇总2.doc_第2页
注塑成型导光板资料汇总2.doc_第3页
注塑成型导光板资料汇总2.doc_第4页
注塑成型导光板资料汇总2.doc_第5页
已阅读5页,还剩38页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

注塑工艺资料大全注塑成型导光板资料汇总关于导光板产品及注塑生产的相关介绍,高水平的中文资料还是比较少见。下面是一些标题的汇总资料,是最近清理库存时挖出来的,曾经受益非浅。希望能对那些想在导光板产品及注塑方面一展拳脚的同道们有所启发。文章大多是由台湾同行所著。不同于当地政客,他们细致入微的专业操守,令人钦佩。目录 几种不同制作方法的导光板对比 导光板射出技术简单讨论 射出成型应用于导光板之制程研究 LCD用高亮度导光板与散乱型聚合体导光板 背光板扩散网点设计 背光板设计原理 手机背光板的组装几种不同制作方法的导光板对比 问题1:印刷式导光板和雕刻式导光板哪个亮度高?我都记不清有多少人向我提过这个问题了。其实,两者的亮度是一样的,印刷式导光板导光网点的材料的配方不但对光有折射作用,还有高反射作用。由于导光油墨具有对光的折射和高反射的双重作用,现在又从印刷工艺上进一步改良后,网点对光的折射效果已经和雕刻板没有什么差别了,而雕刻板的线槽或凹孔点阵只有单一的折射作用。广州的蔡先生从我这里学技术后,过了一个多月后给我打来电话说,他做了一块A3尺寸厚度4mm的导光板跟一块同样大小同样厚度的雕刻板对比,在相同功率的光源下,发现亮度比雕刻板还亮。问题2:印刷式导光板和非印刷式导光板谁寿命长?关于印刷式导光板和非印刷式导光板的寿命问题,目前在商业宣传上都没有一个统一的遵循科学根据说法,各说各的寿命长,公说公有理,婆说婆有理,其实,这不过是各商家商业竞争的宣传手法罢了。不管用何种方法生产的导光板的寿命主要取决于压克力板材的质量,容易黄化的压克力板做成的导光板寿命短,不容易黄化的压克力板做成的导光板寿命长,与其生产方式没有关系。有人说印刷导光板的导光油墨在使用过程中会老化造成导光效果失效,对于这个问题,大家想想,我们在日常生活中每天都离不开印刷的东西,电器面板的文字、手机按键的数字.等等,如果你不去碰它、摸它、刮它,五年、十年.都不会变,不会掉,印刷导光板的网点油墨也是同样的道理,并且导光油墨里所含的成分物质是一种性质很稳定无机物,不会与空气中的任何物质产生化学反应,也就是说,就算压克力板黄化了变质了,印刷导光板网点油墨的特性是依然保持不变的,所以说,印刷式导光板和非印刷式导光板的寿命是一样长的。导光板射出技术简单讨论 2006-7-27 -NOTEBOOK的导光板射出成型,是控制变形的最好方法。NB上的导光板现在主要是楔形板,入光处厚,出光处薄,常见的翘曲有正翘、逆翘、S形翘。其实翘曲最根本的原因是密度不均,有了这个思想,调整翘曲就不再是难事了。下面简简单说一两个:对于正翘和逆翘常用通过调节模温的方法来调解,也就是调整公母模的温度来调正,调节公母模的温度时要注意一点,通常不见议调解咬花面处的模具温度,究其原因是咬花面温度影响光学特性很大,如果通过调节镜面温度仍翘曲,也可以调节咬花面模具温度,但要注意光学特性。除了模温外,也可以通过成形条件来修改,可以试保压、身速、压缩。对于S形翘来说,主要是过充填或缩水造成的,要考虑射出各段距离、射速、保压时间、以仍压缩条件等。 射出成型应用于导光板之制程研究 -吴政宪*、苏义豊、吴世民、林忠志大叶大学机械与自动化工程研究所塑料工业技术发展中心 一、中文摘要 现代塑料成品加工所需求的是多样变化、精密度高、成型周期短等特性,为了达到这些特性,对于各制程参数控制实具有决定性的关键。因此本研究主要目的是运用CAE 模拟与田口实验的方法,以射出成型方式针对导光板制程参数作研究。 在传统射出成型之模具设计上,多以凭借着经验丰富的技师来设计,但因加工技术与成品少量多样的需求,若只由经验传承与试误法作模具修补,所需之时间与成本实为现阶段之发展所不能负荷,因此在研究上,我们运用模拟辅助作模流分析,以获得较佳之模具设计,降低设计成本。且经由研究中,我们获得各参数对成品质量之影响,同时也能经由分析达到最佳之质量控制,在相关的研究与业界对射出成型技术上具有相当程度之贡献。 二、简介 本研究主要是运用射出成型方式,对导光板之制程参数作研究。其研究方法是以田口实验的方法,同时对C-Mold之模拟与实验作比较,并求得最佳反应质量之制程参数。其研究主题包括二方面:(1)田口规划部分将27 组之直交组合分别以仿真与实验的方法进行比较,了解模拟与实验结果之差异 ; 并在模拟与实验两种方式下获得最佳参数组合,并探讨各成型参数对成品质量之影响。(2)模具设计与短射实验部分以C-Mold 来辅助模具设计;并利用短射实验比较模拟与实验两方法之注塑流动情形。研究结果显示,影响成品质量最重要的因素是保压压力,其次是保压时间,在考虑适当水平配置及排除其因子间之交互作用直交配置下实验,我们可获得25m 以下之收缩量与翘曲量,对成品之质量而言,此研究确实具有贡献。 三、研究方法1. 应用田口法的步骤(1)先选择影响成品相关之制程参数,并决定适当之水平(2)选取 L27 之直交表(3)对直交表所列之各组以C-Mold 进行模拟(4)对直交表所列之各组以射出机进行实验(5)进行27 组之模拟值与实验值比较(6)进行因子效果计算绘制响应图,选择最佳之参数组合(7)进行ANOVA 分析,获得各参数对成品质量反应之贡献度,同时依响应之最佳组合推定其最佳理论值(8)依最佳理论值作确认实验(9)对模拟与实验所得到之最佳理论值与最佳组合之实验值分别进行比较。(10)分析结果四、实验设备 本研究实验设备主要包含射出机、模具、量测设备和压力撷取系统四大部分,如图一所示。以下分别作介绍:1.射出机:如图一(a)所示为本实验向塑料技术发展中心所借用之TOSHIBA IS-220GN 射出成型机,此系统行程320mm260mm 螺杆直径为50mm,制程控制有射出速度、保压压力、射出行程、压缩单元、冷却时间等。2.模具系统:如图一(b)所示,本模具兼具射出与射压功能1,且依实验压力量测之需求,设计成两具镜面加工之模仁,并于模仁中设置冷却水道,且为求得完整之成品表面,故以整具模仁为顶料设计。3.量测系统:图一(c)所示,为CNC 铣床(精度0.1靘)、杠杆量表(精度0.2靘)与自制特殊夹具配合之量测系统,在量测的规划上为了防止成品因夹持之作用而致影响量测,故特别设计此付夹具。另外在量测取点上,我们以平均几何形状之方式,坐标值共取48 点,再将得到之数据经坐标曲面软件(矩阵形式之坐标转换)以最小平方面之原理,来获得正向、负向与平方面间之差距,即我们所求之翘曲量。 五、实验材料与量测条件1.实验材料:本实验所选用塑料材料是日本进口聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA 俗称压克力) 材料,其特性为非结晶树脂材料,具有无色透明的光学特性与良好之热加工性。2.量测条件:(1)于射出件外表呈稳定状态后,再持续进行射出50 件,这时才开始采用量测用射出件,并考虑射出件之周期性,因此以奇数编号为量测成品之取样。(2)成品射出后置放1 星期。(3)温度保持在 20-25之间。 六、模具设计 本模具设计,考虑到导光板之导光侧与厚度变化不均之限制条件,为了取得证明,于是在思考上,我们以等体积之原理来联想其最佳之充填位置为设计要件如图二(a)。 一般对于板件之浇口设计,都会采用薄板浇口2 3,主要是为了获得较均匀之充填,以减少翘曲之产生。浇口宽度约为6.4 至25%之模穴侧边长度。而本模具之浇口尺寸设计是以宽13.1mm、16 mm、20 mm 三种尺寸,入口厚度2mm 及1.5mm 两种尺寸来进行仿真,结果显示2mm 入口厚度及宽度20mm 对流动所造成之收缩翘曲为最小。 冷却水道设计主要是模具成形空间表面的温度分布,因水管的大小、配置、水温差异而改变,但若其模温变化在6.6(52.6569.25)温度差在某一成形条件上也许充分,但残留之内部应力,对尺寸精度高的成形品,可能造成成形应变4。本研究分析结果如图二(b)所示,经模拟得到A型设计收缩0.3613 mm、B 型设计收缩0.3609 mm、C型设计收缩0.3281 mm,显然以C 型的水道排放方式所得之收缩量为最小,故选择C 型之设计。 七、射出成型之短射实验 短射实验主要是确定实验中之融胶充填量,减少因过渡充填所造成的能量浪费与徒增之成型时间。另外我们可从每段时间之充填计量所得之短射成品如图三(c),了解到融胶流动之波前情形,尤其经由模拟与实验之波前图比对后,更能让我们了解两种方式之差异。且由图三(a)与图三(b)所示,模拟之融胶流动与实验所得之融胶流动相近,所需之充填时间亦相近。证明此短射实验提供我们了解于导光板厚度变化不均之模穴空间流动情形,且可准确的获得充填所需之计量值。八、结果与讨论1. 27 组之模拟值与实验值比较 经27 组模拟与实验所得之回应值比较,由图四得知,各组之反应以实验所得之变动较大,表示收缩量之量测包含量测与环境影响之误差,而于模拟时,则无法包括这些因素在内,但以两者之趋势比较,我们可获得各参数变动对成品收缩量之影响,同样具有参考之依据。2. 模拟与实验之制程参数优化比较 实验设计时,如果遗漏了影响质量特性极为显著的控制因子,均会产生再现性不佳的情形5,为了避免这种情形发生,必须进行确认实验。 由图五、图六之响应图可得到反应收缩量为最小的最佳组合是A1,B1,C3,D3,E3,F3。此结果可供我们进行反推算来得到推论值,并与最佳组合之实验值作比较,得到如表一之数值。此结果显示,推论与实验之翘曲量相差13.53%而收缩量相差17.81%,此差距表示模拟与实验优化得到之结果,且依现有制作同样尺寸之导光板所要求精度为0.05mm 相较,本研究之精度0.0224mm 是可供采用的。3. 制程参数对产品质量之影响(1)模具温度 由响应图可知,模具温度以33对质量之反应较佳, 而模具温度过低或过高均不理想,原因是融胶在模具温度低时,凝固速度快凝固层厚融胶不易流动,而融胶在模具温度45则收缩大,尺寸精度亦不佳。(2)融胶温度 对射出而言,融胶温度不宜太高,由回应图中可获得其斜率为向下,故以230为佳。且在同一充填时间下,高的融胶温度比低的融胶温度有较薄的凝固层,相对地的也会增加成品的收缩(3)充填速度 此参数之响应值,是以11.4cm/sec 之速度为最佳,原因是高的充填速率有助于增加充填阶段的表面剪切率,换言之,充填速率的提升使得融胶与模壁间的摩擦热升高有助于应力的松弛。(4)保压压力 经ANOVA 之分析,愈大的保压压力有愈好的几何成型性。由图五可看出此曲线的斜率随着保压压力增加而加,故保压压力对成品之质量而言,其成型性影响为最大。(5)保压时间 适当的保压时间有助于减少成品之收缩,但太长的保压时间,则徒增成型周,以实验与模拟之响应图来看,保压时间取10 秒为最佳。(6)冷却时间 经分析得到冷却时间取35 秒为最佳,太短则收缩量较大,对本成品而言,其贡献度占2.6%,属影响性较小之因子。4. 重要制程参数对收缩与翘曲的影响 针对前述田口计算机仿真与实验所得的最佳制程参数,来进行更详细的参数研究,以验证先前所选定的制程参数是否最佳6。于每一次的实验中,仅改变对收缩、翘曲影响具较大贡献度之单一制程参数,收缩部分只考虑保压压力、模具温度、保压时间,翘曲部分只考虑保压压力、塑料温度,其他制程参数则维持在最佳值,用以观察仅变动单一制程参数对收缩、翘曲的影响。 由图七可知保压压力在4.5MPa 至7.5MPa 之间,于7.5MPa 时收缩降至最小,此趋势符合先前所做ANOVA 分析结果,故保压压力对成品成型性影响为最大,但需注意是否有过保压现象产生。模具温度与保压时间分别设在2540与4 秒10 秒之间,虽然此二个参数对收缩影响远不如保压压力来的明显,但是在成形过程中仍须适当的模温及保压时间。模温足够,有助于融胶料的充填,避免产生短射;保压时间足够,有助于减少产品收缩。 由图八可知融胶温度设在210250之间,于230时有最小翘曲,料温太高或太低都会使翘曲增加,制程中较高的料温有利于充填,虽有助于压力均匀分布,但不可超出厂商建议值,以防塑料裂解。保压压力设在4.5MPa至7.5MPa 之间,由曲线趋势得知保压越大,翘曲越小,产品质量越佳。 由研究结果,我们可以清楚了解制程参数于射出成型对导光板质量之影响,其中以保压压力与保压时间两成型因素影响最大,证明高保压压力与保压时间可降低成品之收缩量与翘曲量。另外,对于数值模拟及优化分析研究之结果,可供未来公司开发新技术时的参考。 九、参考文献1、E.Lindner, and P.Unger, lnjection Molds 108 Proven Designs1993,pp6-132、陈介聪,精密射出成形模具设计与制作技术,日刊工业社编3、张永彦,实用塑料模学具,全华科技图书股份有限公司4、张文华,塑料模具设计制图实务,全华科技图书股份有限公司5、Madhav S. PhadkeAT&Bell Lab.Holmdel,N.J.,稳健设计之质量工程。6、黄东鸿,2002,Study on Warpage & Residual Stress of Thin-walled Injection MoldingLCD用高亮度导光板与散乱型聚合体导光板 -文章作者:台湾工研院光电所 高弘毅 文章来源:EEDesign前言 液晶显示器(LCD:iquid Crystal Display)的背光照明单元(Back Light Unit;以下简称为BLU)是由冷阴极灯管(CCFL:Cold Cathode Fluorescernt Lamp)、CCFL反射膜片(reflector sheet)、导光板(LGP:Light Guide Plate)、LGP反射膜片、扩散(diffuser) 膜片等组件所构成(图1)。为了要提高LGP的光使用效率,通常会在LGP表面设计某些光学机制(device),或者是在LGP内添加材料等两种方法。背光照明单元使用的光源分别有EL(Electro Luminance)、LED(Light Emitted Diode)、CCFL(Cold Cathode Fluorescernt Lamp)等三种;EL与LED方式主要应用于PDA(Personal Digital Assistant)、移动电话等小型液晶显示器的背光照明单元;CCFL则是应用于NB-PC(Note Book Personal Computer)等大型可携式产品。 如图1所示冷阴极灯管外侧的CCFL反射膜片呈拋物线状(parabolic)将CCFL包围,由光源产生的白光透过该反射膜片反射至由压克力制成的导光板内。导光板主要功能是藉由光散乱原理将入射的平行光转换成平面垂直光,之后再经过扩散膜片使导光板射出的光线扩散与偏向,最后再经由两片表面成连续锯齿沟槽状的集光棱镜膜片,使光线在xy方向集光并调整光线发散角度。 图1 背光单元的基本结构 导光板的种类 (a)散乱式印刷导光板 如图2所示传统的散乱式导光板底面印刷白色浓淡(gradation)网点使入射光散乱,散乱光的浓淡取决于网点的直径与分布密度。网点的材质是由UV胶、二氧化钛、硫化钡混合黏稠液所构成。如图3所示网点直径在灯源入射端为250m,远离灯源端亦即导光板的端缘的网点直径为1250m。利用网点散乱的光线由导光板表面射出,部份从导光板侧面与底面逃漏的光线则再度回到导光板内,被导光板周围的反射膜片反射至导光板。设于导光板正面的扩散膜片具有两种功能,分别是将入射光扩散至集光棱镜膜片;另一功能是减弱导光板表面的网点形状。扩散膜片上方之三角断面状第一片集光棱镜膜片与冷阴极灯管成直角方向(y方向)设置,第二片集光棱镜膜片再与第一片成直角铺设,藉此特殊设计收敛xy方向的光线,同时再次淡化导光板表面的网点形状与楔形导光板特有的横缟(灰色横纹)。 (b)散乱式射出成形导光板 具体方法是利用精密蚀刻技术将射出成形的模芯微细加工成上述网点形状,再利用塑料射出成形机制作导光板,图4与图5是利用射出成形法所制成的导光板散乱模式与散乱spot的直径、浓淡分布密度。 (c)反射式射出成形导光板 如图6所示它是利用超精密加工技术在导光板底面制作微细光学镜面,使导光板内的光线反射,这种方式会因制作方法使得散乱要因消失。具体制作步骤是将射出成形的模芯微细加工成圆状微形反射镜面(Micro Reflector;以下简称为MR device),之后再利用塑料射出成形机制作导光板,MR系设于导光板底面与导光板形成一体(图7)。 如图8所示具数组状MR device的导光板可将入射光全反射,主要原因是MR device的表面很平滑,因此入射光不会有反射散乱与能量损耗等问题,也不会发生波长分散现象,除此之外还可藉由导光板入射光与MR device的形状变化控制出射光的方向。图9是入射至导光板内的光线与MR device的反射机制概念图;图9是利用雷射显微镜所拍摄的MR device照片,MR device的直径为100m,高度为10m,spot的大小祇有传统散乱式印刷导光板的1/41/8。 换言之由于数组状MR device导光板的spot直径变小后,相对的可淡化spot形状的扩散膜片厚度亦随之变薄,光线穿透率则大幅提高。一般而言12.1吋大小的数组状MR型导光板底面的MR数量大约有100万个。为了检讨MR device的加工精度,因此将导光板的纵横向各分割成六等份,并在各线交点上直径10mm圆内作三点随机取样(random),量测各点的MR device直径与高度的平均值。总数27个MR device的平均直径为,平均高度为时,直径的误差分布如图11所示约为2m以下,高度的误差分布为1m以下。依此量测结果可确定制程的稳定性,同时还可推论部份变化的互动要因。(d)折射式射出成形导光板 折射式导光板是改良自反射式导光板,主要差异是MR device数组变成micro deflector数组(以下简称为MD device),也就是说导光板底面是由微小偏向device所构成,入射光被MD device的凸面折射。MD device的表面如图12所示为镜面曲线状,因此不具光散乱的要素,折射光的仰角被导光板法线以大角度方向射出。MD device的直径为30m,高度为5m。实际上MD device数组是先经过光学设计,再制成塑料射出成形模具的模芯(Optical Insertion;以下简称为OPI),之后再利用塑料射出成形机制作导光板。 折射式导光板可将入射光锁闭于导光板内,并转写于内侧可产生全反射之三角沟槽,进而达成提高光使用效率,与单棱镜构造之光学最高境界(图13)。 是图14 MD式导光板与内部全反射棱镜膜片(TIR:Total Internal Reflection)将导光板射出的光线方向变成导光板法线方向,亦即光线射出仰角变小的动作模型。 光学设计 导光板的几何外形与辉度分布是由各液晶显示器厂商决定,为了设计导光板的光分布通常是利用导光板内的光线追迹,与导光板的形状推测光线射出的强度。导光板内的导光是全反射所造成的,因此由导光板射出的光线并无法完全满足该条件。例如以平板状导光板为例,如果光线完全符合全反射的条件时,临界角出射光就不存在,类似这种型式的导光板就必需在它的底部与正面设置MR device。 导入冷阴极灯管的管径、长度与拋物线外形之灯管反射膜片等各项参数(parameter),有了这些参数便可假设推测背光单元表面的光强度分布。此外亦可利用LIGHT TOOL公司的背光单元用光学设计软件,针对光强度分布推测值决定MR或是MD的位置。MR与MD device的密度是二维浓淡图案(pattern),它是由如图15所示复数个一维浓淡图案所构成。图中的参数W表示导光板的宽度与光搬运方向的长度。 图6是使用U型冷阴极灯管之背光照明单元的与光强度分布分析结果。设计时已经把压克力的折射率、塑料射出成形的收缩率等诸元值列入考虑,因此利用光学设计软件获得的结果可直接转用于生产单位,适用范围最大可达18吋导光板。根据实际作业统计数据显示,反射式导光板的MR device数量因导光板外形大小而不同,以10.4吋导光板而言,MR device数量约为100万个,MR device的直径为1002m,高度为101m。事实上12.1吋散乱式印刷导光板如果改成MR device导光板时辉度可提高310%。表1是13.3吋MR device导光板与散乱式印刷导光板的比较结果,表中的平均辉度以Lvave表示;辉度不均U则以(Lvmin/LvmaxX100)表示。量测时是把背光照明单元纵横分成6等份,量测背光照明单元周围六分之一残余辉度数据合计9点的资料,由表1的量测结果得知MR device导光板的辉度比散乱式印刷型导光板高11%。 表2是12.1吋背光照明单元更换不同导光板、扩散膜片、棱镜膜片的辉度差异比较。 假设: 1.散乱式印刷型导光板搭配PCM1扩散膜片与低收旋光性之H210棱镜膜片(xy方向)的背光照明单元辉度为100%时, 2.上述相同的光学膜片搭配 3.MR式导光板的辉度增加率为107%(表中的B1)。 R.MR式导光板搭配高穿透性扩散膜片时,辉度增加率为110%(表中的B2)。 3.散乱式印刷型导光板搭配PCM1扩散膜片与高收旋光性之BEF 棱镜膜片(y方向) 时,辉度增加率为116%(表中的C)。 4.散乱式印刷型导光板改为MR式导光板时,辉度增加率为125%(表中的D1)。 5.扩散膜片改为高性能之D117T时,辉度增加率为127%(表中的D2)。 由表2可知MR式导光板导光板各种高性能光学膜片时,可大幅提高背光照明单元的辉度。 表3是使用MR与MD式导光板之13.3吋背光照明单元的辉度量测结果,由表3可知MR式导光板导光板的辉度比印刷式导光板高10%,这意味着MD式导光板辉度是印刷式导光板的1.4倍。 有关背光照明单元的视角特性,它是利用坐标法量测各角度的特性分布。图17的角度是指方位角度,有效范围是003600 :角度是指仰角,有效范围是00900 。 图18是侧边入光(edge type)楔形(wedge)MR导光板所构成的背光照明单元视角特性,量测位置是13.3吋背光照明单元的中心。图18(a)是从导光板的射出光,在900 仰角附近的光学特性;图18(b)是导光板上粘贴扩散膜片时的偏向射出光,在450附近的光分布最大值特性;图18(c)是扩散膜片表面再粘贴一片集光棱镜膜片时的椭圆形视角特性;图18(d)是粘贴第二片集光棱镜膜片时,所获得的玉米颗粒状的视角特性。在该特性中存有side lob,也就是说光能量未从导光板表面法线方向射出。所谓的side lob能量通常被视为背光照明单元的光损耗。此外由图18可再次验证集光棱镜膜片具有支配玉米颗粒状的视角特性的效应。图19是MD式导光板视角特性与TIR集光棱镜膜片的视角特性。相对于MR式导光板,MD式导光板具有集光效应亦由图19获得证实,而且图中完全没有side lob的光损耗迹象,依此获得以下结论:设计高效率光照明单元时,必需考虑MD device的大小与TIR集光棱镜膜片的棱镜夹角。 图18 侧边入光式楔型MR导光板之背光照明单元的角度特性 光散乱聚合物导光板 所谓的光散乱聚合物(polymer)导光板是在聚合物矩阵(matrix)内形成微细(micro)不均一结构,使聚合物导光板具备光导波与扩散射出光线之机能,进而获得高辉度照明用光散乱效应。换言之光散乱聚合物导光板是控制可吸收光线之微细不均一结构的相对折射率与不均一结构的大小,获得多重光散乱效果,使光线在没有损耗的环境下均匀且朝特定方向扩散射出。图20(b)是光散乱聚合物导光板所构成的背光照明单元,一般而言它的辉度比传统背光照明单元高二倍左右。 在密度均匀的媒体中若存有折射率相异的两种材料时就会引发光散乱现象,如果能够控制材质相异之不均一结构时,就可控制散乱光的特性。光散乱聚合物就是根据光散乱理论与多重散乱分析法,精密控制这种不均一结构,进而达成液晶显示器的背光照明单元实用化的目标。 (a).光散乱理论 利用下式(1)(5)Mie散乱理论可求出真圆球状粒子的散乱光强度分布I(,)。 图21是由单一粒子求得的散乱光强度分布图,之后再利用Monte Carlo法进行光散乱聚合体导光板的多重散乱分析。 (b).多重散乱分析 三次元多重散乱仿真分析用程序是根据可导引光散乱聚合物导光板之光子(photon)行进方向以及测光路径长度,和决定反射、折射之Monte Carlo法制作撰选。接着要介绍计算步骤,所谓的光子是为分析光场的确率性,因此将假想性光粒子视为假设物,散乱光的方向以极坐标系的与两角度表示,散乱角是先根据Mie散乱理论求出光强度分布,再用累积分布关数F()(上述之式(6)算出,之后用随机数random 1(零到1之间的相同随机数)决定散乱点的光子行进方向。 一旦决定角度,散乱光强度的角度同样使用random方式决定。光子的预测光路长度L根据式(8)定义的衰减系数,利用随机数random 2(由零到1之间的相同随机数) 式(9) 求得。 此处C表示浓度, Qsca表示利用Mie散乱理论求得的散乱效率。反射与折射则是将各反射率与各光线的入射角与导光板的折射率利用上述手法求得。以上的计算作业都是以105106 个光子为前提。 (c).光散乱聚合物的应用 为满足实际背光照明单元应用上的需要,因此利用以上介绍的分析法做优化设计。首先假设不均一结构为真圆状散乱粒子,之后量测被反射膜包覆之冷阴极灯管的出射光的特性与灯管的光线频谱,再利用这些数据加以计算。图22是四吋单灯管的光散乱聚合物导光板内部光子轨迹模拟结果,图中的符号表示光子的出射点,由图可知根据多重散乱之均一效益,由出射面整体所释出的光线非常的均分。图22(b)与(c)显示浓度计算结果出现比最佳值更高或更低的现象,依此结果可决定画面辉度均一性的优化设计方法。 图23(a)是图22画面中央部位的出射光profile,出射光profile的角度定义如图23(b)所示。由光散乱聚合物导光板射出的光线与法线方向呈600 倾斜,因此图24的集光棱镜膜片朝法线方向作角度粘贴。此外由于出射光的角度随着画面大小与形状改变,因此必需逐一解析出射光的profile,具体方法是先制作集光棱镜膜片分析用仿真程序,再将分析后的出射光的profile作棱镜膜片角度1,2 优化设计。根据计算结果所制成的背光板照明单元的辉度特性如图25所示,它的辉度是传统背光板照明单元的二倍左右,非常适合要求高辉度的新世代液晶显示器使用。 由图25可知光散乱式聚合物导光板具有很优良的视角特性;图25(b)是传统散乱式印刷型导光板的视角特性,它的视角超过400时几乎没有光线射出,这对液晶显示器而言意味着画面得辉度会急遽改变进而影响显示特性。 图26是光散乱式聚合物导光板所构成的背光照明单元实现高辉度化的动作原理;图26(a)是传统光散乱式印刷型导光板的结构,由冷阴极灯管射入导光板的光线被导光板底面的印刷网点散乱,因此散乱光几乎没有指向性,之后散乱光经由导光板正面不具直视性的扩散膜片朝广角方向扩散,最后再利用两片集光棱镜膜片将扩散光收敛提高辉度。相较之下光散乱式聚合物导光板则是使射入导光板的光线透过导光板的不均一结构散乱,由于控制不均一结构的大小与相对折射率,因此后方的光线散乱很少,这种特殊结构所引起指向性极强的前方散乱,导致适度的散乱与柔和的视觉效果。 实际上液晶显示器的画面色彩均一性取决于视角特性与法线方向的均一性,一旦发生明显的色彩不均时就不具商品实用价值,而Mie散乱理论却可控制不均一结构防止色彩不均现象弥补上述缺憾。 图27是利用Mie散乱理论计算的散乱效率,横轴为散乱效率,D(m)为粒径,n为矩阵(matrix)与散乱因子的折射率差。换句话说如果把散乱理论视为空气中的水份时,第一个散乱效率的峰值约为1m左右,该值随着粒径变大收敛成2m。由图27可知粒径较小的区域,短波长光的散乱效率较大,如果将该区域的粒子用于光散乱聚合物导光板时,距离冷阴极灯管越远的光线会偏黄,若选用特定粒径使红光产生强大散乱时,理论上就可完全消除色彩不均现象。如此一来不祇要考虑R、G、B三波长冷阴极灯管的散乱效率,还需顾及散乱光的强度分布。然而事实上背光照明单元的色彩不均问题,主要是来自于于散乱效率,有鉴于此使用散乱效率为0.9的散乱因子测试背光照明单元时,其结果如图28所示,横轴是冷阴极灯管垂直方向的距离,纵轴是色温。原本预测=0.5时距离灯管较远处会呈现蓝色基调,然而事实上色温却极为均匀,造成这种现象主要原因是大小不均一构造事实上祇是有限度的存在,因此即使被媒体吸收亦不会变为零。 最新光散乱式聚合物导光板的辉度特性 图28是新型光散乱式聚合物导光板所构成的背光板照明单元构造,它的最大特征是集光棱镜膜片是设于导光板下方,并与冷阴极灯管呈直交状,集光棱镜膜片可收敛由冷阴极灯管所射出的平行光,三维出射光角度分布相当均匀对称,因此可产生辉度提升的效应。图30是10.4吋新型光散乱式聚合物导光板与传统无印刷之透明导光板所构成的背光板照明单元特性比较,由图可知无印刷type不易收敛散乱光,广角的峰值使得表面辉度祇有光散乱type的60%,即使无印刷type追加网点印刷,表面辉度也祇能提高5%左右。如果再增设扩散、集光棱镜膜片时就可获得相同的出射光profile,不过却缺乏光散乱式聚合物导光板特有的强大指向性光线。 图30 10.4吋背光板照明单元内的三维辉度分布特性 图31是最新式光散乱式聚合物导光板与传统导光板所构成的板背光板照明单元厚度比较,由于光散乱式聚合物导光板可减少两片总厚度约0.3mm的光学膜片,这对厚度与辉度成正比的楔型导光板而言,为了顾及厚度太薄时的耐环境特性,传统的楔型导光厚度有其极限。相较之下光散乱式聚合物导光厚度却可减少0.3mm,仍不会影响背光板照明单元的光学特性。图31 最新光散乱式聚合物导光板与无印刷之透明导光板所构成之板背光板照明单元厚度比较 结语 今后液晶显示器用板背光板照明单元势必朝向薄型化、高辉度化、低组件数等方向发展,因此将射入导光板内的冷阴极灯管光线变成具体强大指向性散乱光,且又可减少系统厚度与组件数量的散乱式聚合物导光板照明技术,似乎已成为可达成以上要求的唯一方法,因此它的未来发展成为相关业者注目的焦点之一。背光板扩散网点设计 -前言除了monitor的液晶显示器背光照明单元使用直下式灯管配置之外,几乎所有液晶显示器背光照明单元都是采取端缘入光(edge light)设计。图1(a)是典型的光照明单元结构,其中又以导光板(LG: Light guide)扮演决定性的角色,如图1(b)所示从冷阴极灯管(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp)射出的光线反复在导光板上方与下方全反射与散乱,当上方全反射条件受到破坏时,光线就从导光板内部射出。为了引发散乱或是扩散反射,因此利用网版印刷设备在导光板下方涂布由二氧化钛(TiO2) 、硫化钡与UV胶所构成的白色网点(dot pattern),网点的密度与大小一般而言靠近灯管的网点密度越疏,直径越小,随着距离的增加网点密度逐渐变密,网点的大小越来越大,藉此设计使光线能均匀分布在导光板表面。背光照明单元是笔记本电脑中最耗电的device,因此提高背光照明单元的光线利用效率成为重要的课题。虽然端缘入光方式具有极佳的光线收敛特性,不过基本上背光照明单元属于透明组件,也就是说白色微小构造体(以下统称为网点pattern或是光线散乱体)与液晶cell产生的干涉pattern,随着液晶显示器大型化越来越明显,几乎已到达无法忽视的程度。虽然微小构造体可透过优化设计获得适宜的形状,不过整体而言如何有效排列微小构造体却是设计者最困扰的问题,因此接着要介绍有关不规则网点pattern的理论设计技术(以下通称为网点生成法)。图1 典型的端缘入光背光板结构网点生成法的现况避免液晶cell的data line、gate line两个规则性pattern与导光板的网点产生干涉,理论上最有效的方法是使网点pattern作不规则排列,不过实际上不规则排列如果造成网点相互重迭时,该部位就会变成辉点或是暗点,此外网点pattern的充填率分布若是有非均匀性时,就会发生目视上的辉度不均现象,换句话说理想的网点pattern必需具备下列三项条件:网点pattern呈极不规则排列时,亦不会造成液晶cell与液晶cell之间不会产生moir条纹。网点pattern不规则排列时,肉眼亦无法辨识辉度不均。具备高度度对应性可满足任意连续性的充填率分布。事实上以上三条件与影像浓淡二值化面临的条件极为类似。有关影像浓淡二值化理论,曾经有出现许多可以满足上述条件的不规则网点pattern生成法提案,其中以蓝色noise mask方法与其改良方案最具代表性,不过这些网点pattern生成法提案多少都有假设性的疑虑,因此到目前为止实际导光板scale尚无法获得另人满意的网点pattern质量。在LCD领域中所谓的网点pattern生成手法大都是依循拟似随机数理论设计,它的具体设计步骤是将网点设置于规则性格子内,再依此根据拟似随机数理论赋与摄动,如果网点发生重迭时再用拟似随机数理论补正摄动,一般称此方法为拟似随机数摄动法,然而在高充填率领域拟似随机数摄动法却无法有效回避网点重迭与拟似随机数特有的粗略特性,尤其是任意连续充填率的场合,就无法轻易产生规则性格子,所以拟似随机数摄动法并不适用于高辉度背光板扩散网点的设计。超均匀分布列理论如上所述拟似随机数无法有效回避网点重迭与拟似随机数特有的粗糙特性,因此有关导光板的网点pattern设计必需利用所谓的超均匀分布列理论(LDS: Low Discrepancy Sequences)的数列方式克服上述困扰。所谓的超均匀分布列是指有关该分布所属的最初N点中Discrepancy DN的量可以满足下式条件:式中的C是不会与网点数N产生相关性的某个定数,DN则是由0x,y1定义的矩形领域,如此一来DN便可由下式表示:式中的#E(x,y)是将线分(0,0)-(x,y) 作成对角线,使线分能进入矩形领域的点的数量,N则是全体点的个数,式中绝对值的内容是从点的数量百分比减掉面积百分比所获得的结果,当点集合稠密分布一样时就变成0,因此直觉上可将它视为是表示点集合分布偏异,依此可知所谓超均匀点集合,事实上是指大小一样的点集合。以往影像浓淡二值化理论使用动径分布关数进行网点分布评鉴,不过这种方法却无法直接决定动径分布关数偏异的上限,相较之下超一样分布列则具有非常实用的特质。从Discrepancy角度观之,若将超均匀点集合与拟似随机数两者作比较的时,拟似随机数的Discrepancy一般评价便可用下式表示:若将式(1)与式(3)比较时,随着 逐渐变大相对于超均匀点集合,拟似随机数的Discrepancy比会散发 。虽然超均匀点集合的定义并未直接包含不规则性,不过祇要配合适度的数学性操作,直觉上就可以获得不规则性的应用空间,之后还可用Montana法加以计算。图2是根据Niederreiter数列,将不规则化的超均匀点集合,与拟似随机数均匀性进行比较的结果,由图可知超一样点集合的一样性比拟似随机数更好。有关超一样点集合的实际计算方法,可参考Society for Information Displ ay,1998 p157-160的说明。图2 超均匀点集合与拟似随机数均匀性两者的差异比斥力缓和法虽然利用超均匀点集合所产生的网点pattern具备很高的一样性,然而实际上网点直径有一定限度,所以网点之间经常会出现重迭网现象,换言之超均匀点集合还是无法直接应用于导光板的网点pattern设计。为了使网点能保持适当的间隔,所以将网点的集合视为相互具有斥力性动作的粒子,进行网点pattern动力学的优化设计。图3是网点pattern动力学的动作模式图,若以数学模式而言它是假设i网点与j网点之间具有斥力,同时将LDS所生成的初期位置当作初期条件,藉此解开运动方程式,亦即相对于i网点的运动方程式可用下式表示:式中的m与c为定数。假设t0为初期时刻时,它的一般解对tt0而言可用下式表示:虽然上述积分方程式的解,包含相互作用力无限次项,不过此处是使c/m跨越无限大,甚至考虑直到相互作用的1次项为止,在该近似之下粒子的位置可用下列差分方程式描述:以上力学模式的特征之一是即使任意两个网点更换时仍可维持不变,虽然浓淡影像二值化计算值很高时这种对称性对会消失,不过这也是产生不规则网点pattern不可欠缺的条件,因为基本上不规则网点pattern是获得高画质影像要件之一。此外二值化理论为了明确表现影像端缘特性,虽然实际计算时必需付出很大的代价,然而LCD导光板的网点pattern却无此束缚。图3 斥力缓和法的动作模式图4是利用斥力生成法产生的网点pattern,具体而言它是利用拟似随机数将初期位置产生的结果,与利用LDS(LDS: Low Discrepancy Sequences)产生的结果,作相同缓和模型与缓和时间的比较。虽然斥力关数形则是将最邻近网点之间的平均order视为一定,然而除此之外的计算是采用指数关数性的衰减值。由图4(a)可知相对于拟似随机数特有的不均,利用LDS产生的pattern非常的均质,虽然利用拟似随机数设定初期位置的不均现象,会随着缓和出现减轻的倾向,不过即使缓和过程非常的漫长,仍然无法大范围使不均现象完全消失,这意味着可在初期状态实现高均匀性的超一样点集合具有极高的实用价值,因此这种网点pattern生成方法被称为DLDS法(DL DS: Dynamical Low Discrepancy Sequences)。为了能满足连续性充填率变化,必需使初期位置能达成预期的充填率分布要求,而且缓和过程中却不允许与充填率发生矛盾现象,因此计算过程中需先将产生网点pattern的领域适度分割成小区块,接着针对小区块的网点数反复进行下列过程,如此一来便可完全符合上述要求,也就是说先产生(0,1)规格化三次元超均匀点集合,当区块i 的充填率为di时,再从下列方程式选取区块k。必需注意的是式中的U表示超均匀点集合的某个位数。接着在该区块内选择残余超均匀点集合的位数使用的位置,之后缓和依此产生的初期位置,再针对充填率使斥力到达范围D能scaling成下式状态:如此便可从网点单位面积与a的关系推测指数b。根据Ulichney可知网点pattern具备预期性的频率特性,因此网点间隔的分布必需在principal length附近维持峰值,而上述的scaling法则正符合如此的需求,也就是说Ulichney本身就具备可以产生预期网点pattern的运算(algorithm)机制。图5是具有极大充填率的网点pattern设计实例,由图可知图中的网点除了维持均匀性与不规则性之外,同时还可实现赋与的充填率分布特性。图4 斥力缓和法对初期位置影响图5 具有极大充填率的网点pattern设计 实际运用图6是IPS(In Panel Switching)LCD用压克力导光板的外观,导光板上方的棱镜(prism)是利用模具一体射出成形制成,导光板下方的光线散乱体为 矩形凹槽,光线扩散网点是根据预设的充填率分布值以DLDS法产生坐标数据,再用光阻加工方式制成矩形凹槽。图7是拟似随机数与传统拟似随机数慑动法产生的凹槽的分布比较结果,由图可知传统拟似随机数慑动法产生的凹槽分布,亦即网点pattern间隔非常不均匀,而且随着充填率的增高,网点pattern出现整齐排列的倾向,基于防止波纹(moir)的考虑,整齐排网点pattern对影像质量非常不利,相较之下DLDS法产生的网点pattern

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论