直下式背光

新世代大尺寸直下式 LED背光模組之設計與模擬 1李季薇1韓斌2黃宏彥 1國立中興大學精密工程研究所 台中市南區國光路 250號 TEL：(04)22850405 E-mail：pin@dragon.nchu.edu.tw 2中州技術學院電子系 彰化縣員林鎮山腳路三段 2巷 6號 (NSC 94-2215-E-005-012) 摘要---本文乃利用光學模擬軟體，設計並模擬將高功率 LED應用於 42吋直下式背光模組中，並將 LED 光形及能量作有效的分配和利用，得到高亮度、高均勻性之背光模組。 關鍵字：高功率 LED、光學設計模擬、LED 直下式背光模組 一、前言 液晶顯示器(TFT-LCD)具有輕薄、大尺寸化、平面化及數位化等優點，近年來需求快速增加。在傳 統大尺寸 LCD背光模組中，光源多採用 CCFL燈管；由於近年來環保意識抬頭，LCD產品對高色彩品 質、產品壽命等特性的需求，含汞成份之 CCFL已逐漸被具省電、環保、體積小、色純度高、堅固及壽 命長之 LED所取代。高功率 LED技術快速發展， LED發光效率已提升至 30lm/W以上，未來預期可達 120lm/W以上。並且，因 LED具有高純度的色彩性，將可大幅提升影像色彩的鮮艷度，增加色域範圍， 顯示更多的色度和色調，以達到更細緻和更豐富之色彩表現。 二、設計理論 本文主要以幾何光學為理論基礎，包含了反射、折射、吸收、散射等。當光線從介質塑膠或玻璃入 射到空氣時，邊界處會產生因反射所造成的損失，稱為菲涅爾損失(Fresnel loss)，以圖 1表示。當光線 進入非光滑界面時，界面則會產生散射現象。其能量分佈本文以雙向反射分佈函數(Bidirectional Scattering Distribution Function,BSDF)表示，其中包含了雙向穿透分佈函數(Bidirectional Reflection Distribution Function, BTDF)及雙向反射分佈函數(Bidirectional Transmission Distribution Function, BRDF)。當一入射光 進入散射界面時，根據能量守恆定律可得：入射光 I = 反射光 R + 穿透光 T + BRDF + BTDF + 吸收 A。 如圖 2所示。 圖 1 光線在界面處所產生之反射及折射現象示意圖 圖 2 界面散射示意圖 三、模組設計步驟 在 42吋 LED直下式背光模組中，其光學品質的控制主要在於 LED數量(亮度)及擴散板(均勻性)設 定。首先，必須將直下式背光模組結構各別設計並模擬完成。 1、建立光源：參考 LUMILEDS公司 Luzeon Emitter LXHL-PW01白光 LED，其光通量為 45 lm，模擬並 得到相同光場分佈如圖 3 (a)、圖 3 (b)。 圖 3(a) LXHL-PW01型 LED及光場分佈 圖 3(b) 模擬之 LED及光場分佈 2、建立擴散板結構：建立一表面形態具擴散效果之薄板。表面吸收 0.1%，其餘 99%依照 Fresnel折射定 理，將 BRDF和 BTDF設為 100%Lambertian。模擬出具擴散效果之擴散板。如圖 4 (a)、圖 4 (b)。 ??? BRDF 100% Lambertian BTDF 100% Lambertian 經擴散板散射之光線 入射光方向 擴散板 圖 4(a) 擴散板表面設定 圖 4(b) 模擬結果 3、建立光學系統模組，建構螢幕長寬比 16:9之 42吋 LCD直下式背光模組結構，組合 LED、擴散片及 反射燈箱結構等，固定 LED光源至擴散片距離 50mm，並完成各部位特性設定。 四、模擬與分析 本研究是以高功率 LED做為 42吋背光模組之光源，由於 LED屬於點光源特性，因此，為要達到均 勻面光源形態，本文使用四顆 LED以菱形狀態排列，透過 LED上方擴散片將光線做散射處理，產生霧 化效果，而得到四顆 LED最適當均勻性之排列距離，再將所得到最適當排列之 LED拓展至整個背光模 組，達到亮度、均勻性最佳的狀態。如下表 1： 表 1 模擬結果 以四顆 LED尋找均勻性排列 菱形對角線距離 85mm 菱形對角線距離 95mm ? 度 ? (lx) ? 度 ? (lx) 拓展至 42吋背光模組中 116顆 LED 104顆 LED ? 度 ? (lx) ? 度 ? (lx) (a’) (a) 照度中心剖面圖 照度中心剖面圖 ? 度 ?? ? (cd) ? 度 ?? ? (cd) (b’) (b) 由表 時， 狀 象( 光線 1得知，當 性排列之結果，以四顆 LED為 85mm排列時(圖(a))，在整個背 光模組大部分出光面中 D數量得到最佳均勻性(圖(b))。相較之下，LED距離 95mm排 列 其照度剖面圖明顯可見於中心處產生照度不足現 圖(a’))，導致拓展至 42吋背光模組中造成較不 均勻之 態(圖(b’))。 一般背光模組中，常使用增亮膜來將四面八方散亂的 修正集中，提高正面輝度。如下表 2，本 文針 於本文所設計之大型 LED背光模組上。 四顆 LED尋找均勻 ，能以最適當之 LE 對增亮膜加以模擬，參考 3M ”BEFⅡ 90/50 Film”型號之增亮膜，在表 1所得最佳 LED排列之背光 模組中分別加入一片增亮膜及兩片方向相互垂直之增亮膜，將從擴散片散射出的光線透過增亮模使光集 中並提高輝度(圖(c)(c’))，經模擬後證實其角度分佈圖與 3M公司所提供之量測數據有相對之一致性，故 此規格之增亮膜可應用 表 2 加入增亮膜之模擬結果 3M BEFⅡ 90/50 (加入一片) Crossed 3M BEFⅡ 90/50 (加入兩片) ???? ? 度 ? ???? ? 度 ? (c) (c’) ?? (cd) ?? ) (cd 量 ? 數 ? 量 ? 數 ? LC 造成出光 直 ， 驟，在 3M 3M 五、結論 D產品隨著尺寸越大，背光模組所佔的成本越高， 下式背光模 備的 關鍵技術，以高功率 LED應用在大尺寸直下式背光模組中 首先面臨到的問題為 LED點光源發光特性， 容易 面無法均勻，在本文中，以有系統之模擬步 LED合適數量範圍下，便可清楚快速地 得到最適當的 LED陣列，透過模擬証實經由此設計步驟可得到均勻性良好之出光面。以高功率 LED做 為大尺寸背光模組之光源，現今已有許多討論 整個背光模組設計中，仍有許多值得探討與 改進 [1] p.23-p.102 90 [2] SPEOS 2005 User’s guide [3] mileds http://www.lumileds.com/ [4] 美商 3M公司，http://www.3m.com/。 [5] 鮑友南、潘奕凱、姚柏宏、林建憲，” 背光模組技術”，機械工業雜誌，第 245 化設計”，國立交通大學光電所，碩士論文，民國 92年。 (d) (d’) 組是大尺寸 LCD產品所必 與研究，但在 的地方，例如 LED散熱與高成本問題、擴散膜片的光線穿透率及各光學模片整合等，需要學術界與 產業界進一步研究開發，以得到品質更高、價格合理之平面顯示器產品。 (本研究之模擬結果是使用光學設計軟體 SPEOS，謹此誌謝！) 六、參考文獻 耿繼業、何建娃，＂幾何光學＂，臺北市、全華科技圖書， ，民國 年 。 Lu ， TV 用液晶顯示器之 期，p.158-p.169。 [6] 馮致華，”背光模組照度均勻