LCD背光模组之光学最佳化设计.pdf

國立成功大學 工程科學系 碩士學位論文 LCD 背光模組之光學最佳化設計 The Optimization of Optical Design for LCD Backlight Module 研 究 生 方育斌 Yu Bin Fang 指導教授 黃吉川 Chi Chuan Hwang 中華民國九十三年七月 I 摘要 液晶顯示器本身擁有厚度薄 質量輕與高亮度等多項優點 如 何得到更好的顯示效果 開發高亮度 高均齊度 省電及輕薄的背 光模組系統是如何多麼重要 在背光模組中 導光板是成本較低 易自行開發的關鍵零組件 因此本文著重在導光板之網點設計上 由於電腦科學的發達 許多模擬軟體可解決現實上的問題 例 如光學軟體可設計背光模組 若學會使用軟體來設計導光板 可省 掉不必要的嘗試錯誤及經濟上的浪費 本論文裡 我們利用ASAP光學模擬軟體 開發出一套最佳化設 計準則 首先 將導光板分成數個區塊 用false position method調整 各區塊之網點密度比 使各區塊之光通亮達到初始的範圍內 其次 將各區塊網點密度比和其位置楔合成一條曲線函數 再將曲線函數 細切更多等份 將其對應的網點密度比用在更細小的區塊上 最後 做自動化的修正得到平均的輝度分布 將此方法應用在15吋邊光式 背光模組與1 8吋LED背光模組 得到90 以上的均齊度 關鍵字 背光模組 導光板 網點分布 最佳化 II Abstract Liquid crystal displays have a lot of excellences such as thin thickness slight weight and high brightness etc It is so important subject that developing the high brightness uniformity low power consumption and thin backlight module In backlight module light guide plate LGP is a key component of lower cost and easier self development Therefore we emphasize dot pattern of LGP in this thesis Much simulation software can solve actual problems due to development of computer science For example optical software designs and analyses backlight module If we learn how to design the LGP by optical software we can economize unnecessary try and error times and the waste of cost In this thesis we develop a design procedure of optimization by ASAP optical simulation software First we divide LGP into several blocks and adjust the Dot density ratio of each block by employing the false position method It purposes to achieve the flux of each block to the initial range Second we fit these flux of each block and its position to a curve function Then we divide curve function into more parts and use the dot density ratio of parts on smaller blocks Last the program executes automatic adjustment to get the average luminance distribution We apply this procedure to 15 inches side type backlight with a CCFL light source and 1 8 inches LEDs backlight The result shows that over 90 uniformity is achieved Keywords backlight module light guide plate dot pattern optimization III 誌謝 本論文能順利完成 首先感謝指導老師黃吉川教授與學長張自 恭博士 兩年來殷切的教導與啟發 使我在學習研究和待人處事上 受益良多 在此致上最誠摯的謝意 感謝實驗室諸多學長建銘 陳權 盈清 朝榮 宏昌 同學世 宏 鴻翰 鴻滄 以及學弟承泰 建豐 閩義 勗誠 哲嘉 煌停 在課業與生活上給予支持與鼓勵 感謝虎門科技提供ASAP軟體及 課程訓練 學習光學設計時駕輕就熟 以及久禾光電提供背光模組 的實作經驗及相關訊息 解決我再研究上的疑難雜症 最後要感謝我的家人 有他們的鼓勵與支持 我才能順利完成 學業 僅以本文獻給家人及關懷我的人 IV 目錄 摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 圖目錄 VI 表目錄 IX 符號說明 X 第一章緒論 1 1 1 背光模組之產業趨勢 1 1 2 背光模組之結構介紹 2 1 3 背光模組之製造方法 4 1 4 背光模組之文獻回顧 5 1 4 1 導光板之光學設計準則 5 1 4 2 導光板之光學模擬設計 8 1 5 研究動機與目的 9 1 6 論文架構 10 第二章基礎理論 18 2 1 電磁波的推導 18 2 2 折射與反射 20 2 3 Fresnel Equations 22 2 4 Eikonal Equation 24 2 5 Ray Equation 25 2 6 色度檢測學 27 2 7 Lamertian scatter 28 2 8 背光模組之最佳化設計流程 29 第三章邊光式背光模組之最佳化設計 40 3 1 背光模組模型建立 40 3 2 設計流程 41 3 2 1 均一性網點分布與簡化模型 41 3 2 2 局部性網點設計 42 3 2 3 Curve fitting 43 3 2 4 整體性網點設計 43 3 3 結果與討論 44 3 3 1 固定間距 調整半徑 44 3 3 2 固定半徑 調整間距 45 V 第四章 LED 背光模組之最佳化設計 65 4 1 背光模組模型建立 65 4 2 設計流程 65 4 2 1 均一性網點分布 65 4 2 2 導光板之入射面的光學設計 66 4 2 3 局部性網點設計 67 4 2 4 Y 方向網點設計 68 4 3 結果與討論 69 第五章總結與未來展望 90 5 1 總結 90 5 2 未來展望 91 參考文獻 92 作者 95 VI 圖目錄 圖 1 1 LCD 材料元件成本結構分析 11 圖 1 2 背光模組材料成本比例 11 圖 1 2 LCD 構造圖 12 圖 1 4 直下式背光模組示意圖 13 圖 1 5 邊光式背光模組示意圖 14 圖 1 6 矩形與楔形導光板比較 15 圖 1 7 a 楔形與 b 弧形之導光板 US 5940571 15 圖 1 8 擴散點散射示意圖 16 圖 1 9 排列式與隨機式擴散點分布 US 6099134 16 圖 1 10 擴散點密度比分布情形 US 5093765 16 圖 1 11 下微結構與上微結構之光學性質 US 6328453 17 圖 1 12 一體化之導光板結構 US 6231200 17 圖 2 1 光線折射示意圖 32 圖 2 2 TE mode 示意圖 32 圖 2 3 TM mode 示意圖 33 圖 2 4 光從空氣進入玻璃時 入射角度與振幅反射 穿透係數之關 係式 33 圖 2 5 光從玻璃進入空氣時 入射角度與振幅反射係數之關係式 34 圖 2 6 光線之向量形式示意圖 34 圖 2 7 照度的定義 35 圖 2 8 立體角的定義 35 圖 2 9 發光強度的定義 36 圖 2 10 輝度的定義 36 圖 2 11 Lambertian Scatter 37 圖 2 12 背光模組之最佳化設計流程圖 37 圖 2 13 假位法求 ii D f 圖 38 圖 2 14 假位法設計局部性網點流程圖 38 圖 2 15 函數曲線之楔合與內插示意圖 39 圖 3 1 15 吋邊光式背光模組示意圖 48 圖 3 2 a CCFL 之發光強度示意圖 b CCFL 之發光強度在軸向與徑 向分布圖 49 圖 3 3 擴散點分布圖 49 圖 3 4 擴散點之散射模型 50 圖 3 5 在均一性網點分布 R 0 25mm 下之輝度分布 50 圖 3 6 原始模型與簡化模型之輝度分布比較 51 VII 圖 3 7 不同半徑之均一性網點分布之輝度分布的比較 51 圖 3 8 不同半徑之均一性網點分布之輝度分布 52 圖 3 9 局部性的網點分布 53 圖 3 10 局部性網點密度比曲線與光通量分布 53 圖 3 11 局部性與整體性網點曲線之輝度分布 54 圖 3 12 局部性與整體性之網點分布曲線及其輝度之分布 54 圖 3 13 在一個區塊內 網點分布及數量的計算 55 圖 3 14 固定間距 調整半徑之計算流程圖 55 圖 3 15 整體性與最佳化曲線之輝度分布 網點半徑 56 圖 3 16 整體性與最佳化曲線及其輝度之分布 網點半徑 56 圖 3 17 最佳化之網點半徑分布形貌圖 57 圖 3 18 最佳化之網點半徑分布及其輝度之分布 58 圖 3 19 最佳化網點半徑分布之輝度分布 58 圖 3 20 九點量測輝度示意圖 59 圖 3 21 固定半徑 調整間距之計算流程圖 60 圖 3 22 整體性與最佳化網點曲線之輝度分布 網點間距 61 圖 3 23 整體性與最佳化曲線及其輝度之分布 網點間距 61 圖 3 24 最佳化之網點半徑分布形貌圖 62 圖 3 25 最佳化之網點間距分布及其輝度之分布 63 圖 3 26 最佳化網點間距分布之輝度分布 63 圖 4 1 LED 背光模組之爆炸圖 70 圖 4 2 LED 背光模組之上視圖 a 實際照片 b 尺寸圖 71 圖 4 3 SMD LED 立體圖 a 實際照片 b 尺寸圖 72 圖 4 4 LED 之發光強度曲線圖 73 圖 4 5 均一性網點 R 0 1mm 之網點分布 74 圖 4 6 均一性網點 R 0 1mm 之輝度分布 74 圖 4 7 去除 LED 前處網點之網點分布 75 圖 4 8 去除 LED 前處網點之輝度分布 75 圖 4 9 觀察 LED 之發光強度示意圖 76 圖 4 10 不同的入射面形狀 76 圖 4 11 a 平面狀 b 含間隙鋸齒狀入射面 c 無間隙鋸齒狀入射面之 發光強度曲線 78 圖 4 12 不同入射面之輝度分布 79 圖 4 13 在 X 3mm 處之輝度分布 80 圖 4 14 從 X 軸上觀看局部性網點分布與概略性輝度分布 80 圖 4 15 從上方 Z 軸 觀看輝度分布 紅色剖面線表示圖 4 15 之 輝度分布 81 圖 4 16 在各區塊上切 Y 方向剖面之輝度分布 81 VIII 圖 4 17 各區塊之均齊度 82 圖 4 18 均齊度較差之區域切割成 F 區及 S 區 82 圖 4 19 Y 軸局部性網點分布 調整 F 區及 S 區之網點密度比 83 圖 4 20 Y 軸局部性網點之輝度分布 83 圖 4 21 在 X 1 8mm 處之輝度分布 84 圖 4 22 Y 軸整體性網點之輝度分布 84 圖 4 23 在 X 方向上之整體性網點之輝度分布 85 圖 4 24 在 Y 方向上之整體性網點之輝度分布 85 圖 4 25 最佳化網點分布 86 圖 4 26 最佳化網點之輝度分布 86 圖 4 27 X 方向上最佳化網點之輝度分布 87 圖 4 28 X 方向上最佳化網點之輝度分布 87 圖 4 29 網點半徑分布 88 圖 4 30 導光板上網點半徑之分布圖 89 IX 表目錄 表 1 1 2004Q1 台灣平面顯示器產值與成長率 12 表 3 1 九點量測輝度之結果 網點半徑 59 表 3 2 九點量測輝度之結果 網點間距 64 表 4 1 LED 背光模組之九點量測輝度之結果 89 X 符號說明 英文字母 A 面積 B磁場向量 c 光速 D 網點密度比 D電位移 E 照度 E電場向量 H磁場向量 I 發光強度 J電流密度 k 波數 k傳遞向量 L 輝度 l 導光板長度 N 網點數量 n 折射率 Q 光的能量 R 網點半徑 r位置向量 r 振幅反射係數 S 網點間距 Seikonal t 時間 t 振幅折射係數 u 方向向量 v 波速 w 導光板寬度 x 離光源之距離 希臘字母 介電常數 角度 本質阻抗 導磁率 導電率 XI 光通量 立體角 相位頻率 下標符號 平行 垂直 i第 i 個 p投影 ave平均 dot 網點 non dot 非網點 block area 區塊面積 x X 軸 y Y 軸 1 第一章 緒論 1 1 背光模組之產業趨勢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 有取代映像管顯示器的趨勢 在 LCD 的成本結構中 背光模組占有 16 次於彩色濾光片 及驅動 IC 占第三位 圖 1 1 由於背光模組的技術門檻低於其它 關鍵零組件 並且屬於勞力集中生產和製造管理要求高的產業 使 得國內廠商紛紛投入 在 2002 年時自給率達 80 90 此本土化 的生產可降低 LCD 的成本 1 4 再將背光模組材料細分 圖 1 2 為增亮膜 稜鏡片 導光板和冷陰極管最關鍵之三種零組件 合計 占背光模組總成本之 60 但大部分的材料來源及零組件技術都掌 握在美 日少數廠商手上 背光模組廠商只能侷限在零組件組裝和 技術較低的零組件 例如導光板 上得到利潤 在 2004 第一季國內平面顯示器產業 在面板及關鍵零組件的成 長推動下 高達 1711 2 億台幣 比去年第四季成長 29 1 比去年 第一季成長 115 其中面板產值 1284 8 億元 關鍵零組件為 426 5 億元 表 1 1 TFT LCD 的關鍵零組件之背光模組在國外廠商來台 2 設廠及國內廠商內製率提升的因素 產值高達 107 6 億台幣 比上 一季成長 53 7 5 1 2 背光模組之結構介紹背光模組之結構介紹 由於LCD為非自發光性的顯示裝置 必須藉住外部光源達到顯 示效果 圖1 3 光源可分為前光源和背光源 而一般的LCD幾乎 採用背光模組 背光模組是由光源 light source 導光板 light guide plate 擴散膜 diffuser 稜鏡片 prism sheet 反射板 reflector 等 6 8 根據光源在模組內的擺設位置可分為直下式 direct type 模組及邊光式 side edge 模組 圖1 4 1 5所示 直下式背光模組之光源置於液晶面板下方 光線直接進入或間接反 射到上方光學膜上 提升較高的亮度 此模組適用於大型面板 如 LCD TV LCD monitor等 邊光式之光源放置在背光模組側邊 光 從側面進入導光板後 經由反射板的反射將光線打入光學膜上 適 用於小型 輕薄的面板 如筆記型電腦 手機 數位個人助理 車 載面板等 光源主要以冷陰極螢光燈管 cold cathode fluorescent lamp CCFL 及發光二極體 light emitting diode LED 為主 均具備高 亮度 省電量及壽命長等特色 冷陰極管管徑細長 管徑可達 3 1 8mm 長度達1000mm 形狀可凹曲成L型 U型等 LED是單色 小型的發光物 發光效率為30 lm W 由於冷陰極管內含有水銀 有 害於環境 因此LED有逐漸取代冷陰極管的趨勢 導光板的作用在於引導光的散射方向 用來提高面板的輝度 並確保面板亮度的均勻性 導光板可分為印刷式與非印刷式 印刷 式是利用射出成型的方法將壓克力壓製成表面光滑的板塊 然後用 具有高反射且不吸光的材料 在導光板的底面用網版印刷的方式印 上擴散點 非印刷式是在模具上產生凹凸不平的網點或紋路 再將 壓克力灌入 冷陰極螢光燈位於導光板側邊的厚端 冷陰極管所發 出的光利用反射往薄的一端傳導 當光碰到擴散點時 反射光會往 各個角度擴散 然後破壞全反射條件由導光板正面射出 利用各種 疏密 大小不一的擴散點 可使導光板均勻發光 反射板的用途在於將底面露出的光反射回導光板中 用來提昇 光的使用效率 擴散板及稜鏡片的主要用途 在於提昇正面的亮度 擴散板的作用在於讓光的分布更加均勻使從正面看不到擴散點或 光源的影子 由於光自擴散板射出後 然而光的指向性非常差 必 須藉由稜鏡片 prism film 來修正光的方向 達到聚光的效果及提高 正面的亮度 因此稜鏡片又稱增亮膜 brightness enhancement film BEF 4 1 3 背光模組之製造方法背光模組之製造方法 導光板在整體背光模組中是技術門檻最低的零組件 國內廠商 對此技術有一定程度的水準 例如瑞儀光電擁有 導光板之圖樣相 干方法 pattern correlation method 的專利權 9 科橋電子研發出 V cut 製程 10 導光板製程主要分為印刷式及非印刷式 其中非印刷式分為蝕 刻 LIGA 製程及微切削加工 下列分別敘述 1 印刷式 點印刷式導光板利用高發散光源物質 SiO2 及 TiO2 的印刷塗料 以網點印刷 screen printing 塗布在導光板底部 入射光進入網 點後產生散射的特性 可破壞導光板全反射光線傳遞 使光由正面 均勻分佈射出 11 2 蝕刻技術 早期的非印刷製程為蝕刻技術 此製程乃將網點分布圖樣以感 光性油墨或乾膜光阻轉印於鏡面處理之模具上 經曝光顯影後 以 蝕刻液進行化學蝕刻 12 其缺點為化學性蝕刻影響光學表面 其 光學散射性質無法完全表現出來 目前則採用雷射束蝕刻 可有效 控制網點之深寬比 5 3 LIGA 製程 將網點圖樣利用類似半導体之光罩曝光顯影方法轉印在光阻膜 上 利用熱迴流製程使光阻表面形成圓滑之半球狀或半圓柱結構 再以電鑄方式在光阻上沉積出模仁 此法所製得之導光板可依導光 板圖樣之設計對光源的射出作有效的調節 使發光區達到最佳均勻 度 此外 導光圖樣具光學鏡面及微小的特性 更可使光能的損失 達到最小 有助於輝度的提升 13 4 微切削加工 用鑽石在模具鋼上切削 slot cut 出V形長溝結構 溝兩側的反射 鏡面破壞原來全反射作用 使光源能由導光板正面射出 控制V形 長溝的寬度及深度的變化 反射鏡面大小角度改變 調整出光面的 光學分布 切削方式的優點在於輝度的提高及製造上的方便 若在 出光面使用切削方式製作與稜鏡片結構類似的鏡面設計 可省下稜 鏡片和擴散片 增加輝度的效果 1 4 文獻回顧文獻回顧 1 4 1 導光板之光學設計準則 導光板之折射率 約為1 5 大於外界空氣 光在導光板之運動 狀況以全反射的方式傳遞 有如在光纖裡的運動狀態 若要達到照 6 明目的 必須在平滑的導光板表面上做些變化 達成破壞全反射和 讓光射出表面 14 導光板之光學設計可分為形狀狹窄化 擴散點 分布 長溝型微結構和材料擴散方式 以下以國外期刊和專利來了 解導光板之設計趨勢 形狀狹窄化 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1 6所示 光線在矩形導光板傳遞時 若進入交界面的入射角大 於臨界角時 則光線無法完全射出導光板 而光線在楔形導光板傳 遞時 光線的入射角隨著反射次數增多而減少 直到入射角度小於 臨界角 光線就會射出導光板 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 而近光源端之厚度較厚 因此將形狀設計為楔形 除了簡單的楔形之外 亦有導光板底部為 弧形 都可達到光線射出的目的 15 圖1 7所示 擴散點分布 在導光板底部加入擴散點 並以不同密度分佈在底面 其製造 方法如同前面所提印刷式的油墨塗布 非印刷式的蝕刻和電鑄 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 在圖 1 8 中黑色為入射光線 當此光線射 7 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 綠色 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 擴散點密度較低 且擴散點較小 而遠離光源之底面導光板之密度 較高 且擴散點較大 希望藉此這種分布將光源強度較強之部分散 射較少之光線 而光源強度較弱之部分散射較多之光線 圖 1 9 所 示 16 至於擴散點的排列方式 除了簡單的交叉排列之外 還有 隨機的方式排列 其密度分布方式以前述為主 17 圖 1 10 所示 長溝型微結構 微結構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 圖 1 11 所示 18 下微結構方法中 當入射光之角 度大於臨界角時 則光線反射到出光面 若小於臨界角時 光線穿 透微結構導下方反射片 由直接反彈往上 此過程不耗損能量 上 微結構方法中 從任何方向的入射光進入微結構後大部分都往上折 射 如同稜鏡般 此結構可取代增亮膜 若將上述的方法結合在一 起可稱之為 一體化 導光板設計 圖 1 12 所示 19 即導光板下 8 面是擴散點或微結構 上面是微結構 可減少成本和縮短組裝時間 內部擴散 導光板在進行射出成形時 在壓克力材料中加入不同折射率的 透明顆粒物質 如 MMA 光線打在顆粒上產生散射作用 灌入壓 克力時 顆粒的濃度分布如同上述擴散點的密度分布一樣 1 4 2 導光板之光學模擬設計 以上介紹了各種可破壞導光板之全反射效應 但如何運用這些 方法來設計出高輝度與高均齊度的背光模組 是相當重要的課題 光學計算科學尚未發達時 設計師以嘗試與錯誤方式來設計 來求 出擴散點或微結構的曲線分布 這是相當耗時間與成本 直到光學 計算推廣之後 才受到設計師們的注意 此節以光學模擬的方式來 設計背光模組 交大光電的施志柔發表 背光模組光學模擬技術 以數值模擬 方式來建立擴散點的散射模型及討論導光板的形狀 20 中華電機 的書紹安發表 非印刷式背光模組光學模擬分析 用以建立好的網 點分布函數 d function 來探討網點性質及導光板底面的傾斜角度 求得最佳化設計 21 中原機械的蔣宗樹發表 導光板導光設計 9 之研究 使用Trace Pro套裝軟體來設計前光模組及背光模組的V cut 紋路 22 2003年Mizuta等人以分子動力學理論來設計隨機的擴散點分布 此法是隨著擴散點發出的能量分布來調整擴散點間的距離 23 2001年koike等人模擬導光板的擴散顆粒性質 假設顆粒之散射性質 為Mie Scattering體散射性質 與傳統的導光板比較 得出較高的亮 度及均齊度 24 26 1 5 研究動機與目的研究動機與目的 由上述文章所分析的產業趨勢與技術上的發展得知 導光板是 在背光模組中材料成本最低及最容易開發設計的關鍵零件 因此本 文將著重在導光板之光學設計 近年來計算機科學的發達 迅速的電腦運算可以輕易地解決計 算繁雜的數學問題 而專業的光學軟體以數學方式來模擬光學的性 質 在設計導光板之光學時 若事先以電腦模擬的方式 可節省許 多不必要的嘗試錯誤次數 try and error 和時間 並得出最佳化 的結果 本文利用ASAP Advanced System Analysis Program 光學 模擬軟體來設計及分析網點分布 dot pattern 之導光板 以自動化 參數修正的方法得到最佳化的網點分布 再依據光度學 計算出導 10 光板上的光輝度 更進一步地求得高輝度和高均勻度的導光板 1 6 論文架構論文架構 本論文共分成五章 以下約略介紹 第一章序論 簡介背光模組之產業趨勢 結構介紹 製造方法 及光學設計之文獻回顧 根據前述得到本論文之研究動機及目的 第二章基礎理論 從馬克斯威爾方程式推導波動方程式 由波 動光學推論出幾何光學之折射 反射現象 Fresnel equation 推論折 射光與反射光的能量與入射角度之關係 Eikonal equation 將電磁波 代入到幾何光學 並推導到光線傳遞的形式 Ray equation 色度檢 測學用來了解光學的基本單位 並推導出 Lambertian Scatter 模式 最後說明背光模組之最佳化設計流程 第三章邊光式背光模組之最佳化設計 以 15 吋之邊光式背光模 組為例 以數值方法和參數自動化修正來最佳化背光模組 第四章 LED 背光模組之最佳化設計 以 LED 作為光源之 1 8 吋 背光模組為例 最佳化設計方法與前一章雷同 第五章總結與未來展望 將前述章節的內容作一總結 提出背 光模組之光學最佳化設計準則 11 Backlight 16 驅動IC 19 彩色濾光片 26 偏光板 補償膜 11 玻璃 4 其它Cell 材料 4 ACF 1 耗材 1 其他模組材料 18 圖 1 1 LCD 材料元件成本結構分析 菱鏡片 34 擴散膜 11 燈管 12 導光板 14 框架 5 其他 21 反射板 3 Source 工研院經資中心化材組 2002 10 80 20 0 100 3M日東電工 48 30 20 0 100 惠和Tsujiden SKC 42 22 15 21 0 100 TOSHIBASankan Westother 35 25 18 22 0 100 旭化成 三菱 kurarayother 圖 1 2 背光模組材料成本比例 12 我國平面顯 示器產業 單位 億台 幣 面板 合計 合計 玻璃基板 彩色濾光片 偏光板 驅動 零組件 背光模組 合計 合計 產業產值總計產業產值總計 註 面板產值不含 及其他 關鍵零組件 產品為主 提供 表 1 1 2004Q1 台灣平面顯示器產值與成長率 玻璃基板偏光板Black matrix彩色濾光片 Protective film 配向膜 Common electrode 液晶 儲存電容 玻璃基板 偏光板 Spacer 燈管 導光板 反射板菱鏡片擴散板TFT燈管 Sealant 面板 Panel 背光模組 Backlight 玻璃基板偏光板Black matrix彩色濾光片 Protective film 配向膜 Common electrode 液晶 儲存電容 玻璃基板 偏光板 Spacer 燈管 導光板 反射板菱鏡片擴散板TFT燈管 Sealant 面板 Panel 背光模組 Backlight 圖 1 3 LCD 構造圖 13 a b 圖 1 4 直下式背光模組示意圖 14 a b 圖 1 5 邊光式背光模組示意圖 15 1 2 3 1 2 3 4 5 321 54321 圖 1 6 矩形與楔形導光板比較 圖1 7 a 楔形與 b 弧形之導光板 US 5940571 16 圖 1 8 擴散點散射示意圖 圖1 9 排列式與隨機式擴散點分布 US 6099134 圖1 10 擴散點密度比分布情形 US 5093765 17 圖1 11 下微結構與上微結構之光學性質 US 6328453 圖1 12 一體化之導光板結構 US 6231200 18 第二章 基礎理論 2 1 電磁波的推導電磁波的推導 光是電磁波的一種 光在真空中任一點上的電場及磁場的變化 都符合馬克斯威爾方程式 Maxwell s Equations 27 t B E 2 1 t D JH 2 2 D 2 3 0 B 2 4 其中E是電場 electric field B是磁感 magnetic induction H是 磁場 magnetic field D是電位移 electric displacement J是電 流密度 electric current density 是電荷密度 charge density 而介質會依照自己的特質去決定這些物理量的關係 此關係稱之為 本構關係式 constitutive relations EJ 是導電率 conductivity ED 是介電常數 dielectric constant 2 5 HB 是導磁率 permeability 將此關係式代入 2 1 2 2 2 3 得出 t H E 2 7 19 t E H 2 8 0 E 2 9 聯立 2 7 2 8 得 2 2 t t t E H H E 又 EEE 2 2 2 2 t E EE 又因 2 9 2 2 2 t E E 2 10 同理可得 2 2 2 t H H 2 11 上兩式為波動方程式 而波速為 1 v 2 12 在 真 空 時 227 0 CNs104 2212 0 NmC10854 8 光 速 為 smc 10998 2 8 在介質中 大於 0 近似於 0 因此介質中傳 遞的光速低於在真空中的光速 在這裡我們定義折射率 index of refraction 為真空中光速與介質中光速的比值 20 000 v c n 2 13 2 2 反射與折射反射與折射 電場可寫成 27 tj et rErERe 2 14 將電場與磁場以上述算式的形式代入 2 1 2 4 得 HE j 2 15 EJH j 2 16 E 2 17 0 H 2 18 光 所 傳 遞 的 介 質 中 介 質 的0 0 J 0 在 代 入 2 15 2 18 推導出 0 22 EEk 2 19 0 22 HHk 2 20 其中k為波數 2 c k 2 21 解 2 19 式 得 rkEE tj exp 0 2 22 其中 是相位頻率 k是傳遞向量 r是位置向量 21 一道光束從n1介質斜射到n2介質 28 如圖2 1所示 入射光 反 射光與折射光分別表示 rkEE ii tj exp 0 2 23 rkEE rr tjr exp 0 2 24 rkEE tt tjt exp 0 2 25 這裡r t為振幅反射 折射係數 2 3節會詳細推導 在兩介質之交界面上的任何時間三條光線之相位必須相等 rkrkrk tri 2 26 在將它們投影在交界面上 得 ttrrii kkk sinsinsin 2 27 在第一個等號上 i k與 r k在同一介質上 即速度不變 所以 ri kk 得到反射定律 ri 2 28 在第二個等號上 二者介質不同 1 2 1 1 n n vc vc v v v v k k i t i t i t i t 2 29 在根據 2 26 t i i t n n k k sin sin 1 2 2 30 得到折射定律 ti nn sinsin 21 2 31 22 此式稱為司乃耳定律 Snell s law 2 3 Fresnel Equations 首先推論出電場與磁場大小之比值 27 將 2 22 代入 2 15 EE 0 jk 2 32 EE E H 00 0 0 0 1 k j jk 2 33 在 2 32 中 337 0 0 0 2 34 0 稱之為本質阻抗 圖2 1表示入射光進入到介面上的O點所產生的折射與反射光 xz平面稱為入射面 光的電場向量可分為平行與垂直入射面 若電 場向量垂直入射面稱之為TE transverse electric mode 圖2 2所示 反之電場平行入射面 即磁場垂直入射面 稱之為TM transverse magnetic mode 圖2 3所示 入射光源的形式為 2 23 反射光是 2 24 穿透光是 2 25 其中r t分別為振幅反射 穿透係數 在 TE mode上 在邊界上可得到 tri EEE tr1 2 35 在X軸上 ttrrii HHH coscoscos 2 36 23 從 2 34 得 ncn v 0 2 37 E Z n H 0 2 38 代入 2 36 得 ti tnrn coscos1 21 2 39 聯立 2 35 2 39 式 得出 ti ti ti tir nn nn E E r sin sin coscos coscos 21 21 2 40 ti tit E E t sin sincos2 2 41 r t分別為在TE mode上振幅反射 穿透係數 在TM mode上 圖2 3所示得出 tri HHH 2 1 1ntnr 2 42 ttrrii EEE coscoscos ti tr coscos1 2 43 聯立 2 42 2 43 式 得出 ti ti it it it it i r nn nn E E r tan tan 2sin2sin 2sin2sin coscos coscos 21 21 2 44 titi ti i t E E t cossin sincos2 2 45 r t分別為在TM mode上振幅反射 穿透係數 將 上 述 2 40 2 41 2 44 2 45 四 式 稱 之 為 Fresnel 24 Equations 已知入射角度就可求出振幅係數 Fresnel Equations關係 可用圖2 4 圖2 5表示 圖2 4說明光從折射率低介質傳遞到折射率 高介質時 此現象稱為external reflection 例如空氣到玻璃 光入 射角度從0度到90度之振幅係數分別在TE TM mode上的分布 縱 座標之負值代表反射的電場或磁場的相位改變180度 當 r為0時 p 定義為polarizing angle或Brewster s angle 圖2 5為光從折射率高介 質傳遞到折射率低介質時 此現象稱為internal reflection 例如玻璃 到空氣 振幅反射係數與入射角度的關係 當入射角度到達41 8o r和 r為1 亦即無光線穿透且光完全反射 因此稱此角為臨界角 超過臨界角的入射角之反射現象稱為全反射 total internal reflection 2 4 Eikonal Equation 我們將電場與磁場寫成下列形式 29 在真空中 r reE Sjk e 0 0 r rhH Sjk e 0 0 2 46 其中 rS是光程 是位置的純量函數 re rh是向量函數 依據 向量的定義 將 2 15 2 18 改寫成 heh 0 1 jk S 2 47 ehe 0 1 jk S 2 48 25 eee ln 1 0 jk S 2 49 hhh ln 1 0 jk S 2 50 在幾何光學的觀點 波長被視為趨近0 根據 2 21 即 0 k 此四 式有右邊可被忽略 0 eh S 2 47 0 he S 2 48 0 Se 2 49 0 Sh 2 50 從 2 47 2 48 中消除h得 0 1 2 eee SSS 又根據 2 49 因此 22 nS 2 51a 又可寫成 zyxn z S y S x S 2 2 2 2 2 51b 其中n為折射率 S函數稱為eikonal 2 51b 式稱為eikonal equation 乃幾何光學中重要的方程式 而表面 constant rS 2 52 稱為幾何波前 geometrical wave fronts 2 5 Ray Equation 26 在圖2 6中 藉由向量的疊加得出射線的關係式 urrs 0 2 53 因此 ds dr u 2 54 又 ds d nn r uS 2 55 這裡我們先推導向量場A的變化率 k r j r i r i kji A zyx xxx z y x A ds d A ds d A ds d ds dz dz dA ds dy dy dA ds dx dx dA ds dA ds dA ds dA ds d A r ds d 2 56 將此式應用在下面計算 2 2 2 1 2 1 2 1 1 n n S n SS n SS n S ds dr S ds d ds d n ds d r n 2 57 27 此式稱之為Ray Equation 當n為常數時 2 57 改寫為 0 ds dr 2 58 bar s 2 59 2 6 色度檢測學色度檢測學 色度檢測學 photometry 是光輻射的測量方法 其光輻射的波 長介在360nm到770nm 在可見光的範圍內 輻射計量學 radiometry 也是一種光輻射測量法 但光波長範圍更廣 包含紫外 線 可見光 紅外線 以下介紹光度計量與單位 30 光通量 Luminous flux 光通量是最基本的光學計量 光源在單位時間內所放出光的能 量Q 單位是流明 lm 類似力學 電學之功率 Power W J t dt dQ 2 60 照度 Illuminance E 照度定義為每單位面積所接收的光通量 單位是lx lm m2 圖2 7所示 dA d E 2 61 發光強度 Luminous intensity I 28 發光強度定義為每單位立體角所包含的光通量 其中立體角 Solid angle 定義為一面積A投影在半徑R的球面上的面積Ap 此 Ap Acos Ap除以R的平方就是立體角 圖2 8所示 單位是sr 若面積為整個球面時 立體角為4 sr 22 cos R A R Ap 2 62 發光強度單位為燭光 cd lm sr 圖2 9所示 d d I 2 63 輝度 Luminance L 輝度被定義在單位發光面積之投影量Ap 在立體角上所量測的光通 量 圖2 10所示 ddA d L p 2 其中 cosdAdAp 2 64 是觀察方向與發光面方向的夾角 輝度的單位是nit cd m2 輝 度的強弱如同肉眼所感應發光物亮度 brightness 強弱是一樣的 2 7 Lamertian scatter Lamertian表面可發出均勻散射的光線 使輝度在各個方向是相 等的 圖2 11所示 30 推導公式如下 由 2 62 及 2 63 式可得出 2 cosRdAId 代入 2 61 得 29 2 cos R I dA d E 2 65 此方程式為藍伯遜餘弦定理 Lambert s cosine law 在將此式套入 2 9 得 0 cos cos cos 2 2 2 L dAd d dR I ddA d L 2 66 此發光源 表面稱為藍勃遜光源 表面 Lamertian source surface 一些光源 如LED 和擴散面並非完全以藍勃遜分布作散射 但在 計算上都用藍勃遜來作輻射計算 2 8背光模組之最佳化設計流程背光模組之最佳化設計流程 本文建立一套背光模組之最佳化設計流程 如圖2 12所示 首 先 建立背光模組之幾何模型與光學性質 以均一性網點分布觀察 光從光源入射到導光板時之輝度分布 依照此分布將導光板切成n1 等份的區塊 改變網點密度比 D 反映出該區塊之光通量 大小 即 11nii DDDf 2 67 其中 1 D是第一區塊之網點密度比 i D是第i區塊之網點密度比 i 是 第i區塊之光通亮 每個區塊的網點密度比會影響到第i區塊的光通亮 但第i區塊網點密度比會直接影響光通量 其它區塊的網點密度比 影響遠低於但第i區塊 可忽略掉 因此可改寫為 30 ii Df 2 68 我們調整網點密度比的用意在於使各區塊射出的光通量能達到 平均光通量 整塊導光板之光通量除以塊數 之正負10 的誤差 調整的疊代方法採用假位法 false position method 圖2 13所示 31 假設平均光通量為零 區塊的光通量為原始的光通亮減去平均光 通量如下式 iaveii D f 2 69 找出Da Db滿足於 0 ba DfDf 將這兩點連成一直線 成 ab a ab a DD DD DfDf Df ab ab a a DfDf DD DD Df 2 70 當0 時 則 a ab ab ac Df DfDf DD DD 2 71 將D c代入程式得出 c D f 判斷是否在誤差範圍內 若在誤差範圍 內則結束 若超出則要判斷值在哪一邊 caca DDDfDf 0 cbcb DDDfDf 0 2 72 再重新作下一次的計算和判斷 流程如圖2 14所示 調整出來的網點分布稱為局部性網點分布 將n1組x 區塊到光 源之距離 與網點密度比的資料求出一近似函數D f x 此函數稱 31 為整體性網點分布曲線 再將函數內插n1 n 2 n 1 等份 把每筆資 料 網點密度比 用在更小的區塊上 31 如圖2 15所示 最後將整 體性網點分布作自動化修正 以輝度作為輸出值 使輝度在平均平 均輝度之誤差5 內 即完成最佳化設計 32 Interface Plane of incidence x y z i r t i E i E r E r E t E t E O i r t 1 n 2 n 圖2 1光線折射示意圖 Interface y i r t i E i H i r E i r r H r t t E t H t x 圖2 2 TE mode示意圖 33 Interface y i r t i E i H i r E i r r H r t t E t H t x 圖2 3 TM mode示意圖 t t r r i 3 56 p 圖2 4光從空氣進入玻璃時 入射角度 與振幅反射 穿透係數之關係式 34 i r r p c 7 33 8 41 圖2 5光從玻璃進入空氣時 入射角度與振幅反射係數之關係式 圖2 6光線之向量形式示意圖 35 d Ad 圖2 7照度的定義 Ad p Ad R 圖2 8立體角的定義 36 d d 圖2 9發光強度的定義 dA p dA d 圖2 10輝度的定義 37 cos 0 II 圖2 11 Lambertian Scatter 圖2 12背光模組之最佳化設計流程圖 38 D f b D f c D f a D f c D a D b D D D f 圖2 13假位法求 ii D f 圖 0 ba DfDf a D b D a D b D c D c D c D f c D f ca DD cb DD c D f 圖2 14假位法設計局部性網點流程圖 39 圖2 15函數曲線之楔合與內插示意圖 40 第三章 邊光式背光模組之最佳化設計 3 1 背光模組模型建立背光模組模型建立 建立一15吋邊光式背光模組 包含導光板 光源 擴散點 光