背光模組-零組件

背光模組目前來說都是運用在LCD上為主，所以很多零組件的設計都必須符合LCD的要求，背光模組也是一樣。那背光模組為何叫背光呢?功能為何?有沒有前光或其它的呢?據榴槤所知，真的有前光模組，但其它的就不知道了；我們由圖大致可以知道背光模組為何叫背光了。

• LCM為非自發光材料，所以需要額外供應光源予達到顯示效果。
• 光源一般位於液晶裝置之後，又稱背光模組。
• 背光模組的設計目的在產生一個平面光予LCD使用。

依型式可分成邊光式及直下式兩種--

• 早期(2004年)因為LED的發光效率不高，較大尺寸的LCD(7吋以上)都是使用CCFL(冷陰極管)，來當光源，目前已經很難看到CCFL的LCD了。
• 直下式(光源陣列式)是比較早期的設計方式，其缺點為厚度無法薄型化，但由於發光效率高於邊光式，所以後來(約2012開始)許多廠商開始設計使用陣列LED加上一個光學鏡片(TV-LENS)來達成，近來(2013~)市面上很多電視LCD，已經使用這種設計了，當然，薄型化的優點仍不如邊光式。
• 邊光式(側光式)背光模組是目前最常用的設計方式，所有手機的背光模組都是這種設計。其優點能薄型化，但缺點也是有的。例如，結構比較脆弱、光學設計較不易。

由於榴槤所接觸的背光都是邊光式的，所以後續就只針對邊光式討論---

背光模組內部的零件有哪些呢?且先看圖再說明吧。

由圖做以下說明：

• LED：發光二極體(Light-Emitting Diode)，這個應該不用解釋太多了吧，但後續會介紹一下。
• 上(下)增亮片(BEF)：稜鏡片(Prism Sheet)一般都簡稱為BEF(Brightness Enhancement Film)，其功用是在控制出光角度，讓垂直於LCD平面方向的亮度增加，這片光學膜對於背光的亮度及光學外觀的修正非常重要。BEF的結構是一個陣列式的光學結構，就像連綿不絕的山峰山谷，一般而言，峰頂的夾角接近90度時其效果最佳。於視角與亮度圖的關係中，二片BEF能將0度視角的亮度增加約2.5倍左右。那麼三片呢?呵呵...三片的結果是降低亮度了，背光模組是一個平面光源，所以一個平面就是X軸與Y軸的關係吧，故一片BEF是收斂X軸方向的光，另一片BEF則是收斂Y軸方向的光，而這兩片BEF的光學結構會互成90度。然而，第三片到底要收斂哪個方向呢?所以，BEF二片是最佳的設計。

• 上(下)擴散片(膜)(Diffuser)：主要功能使光線柔合化、使導光板網點不易看到及保護增亮片。市面上的擴散片種類很多，就因人喜好搭配。一般，其規格以霧度(HAZE)及厚度制定。

• 遮光膠帶(Shading Tape)：為一種不透光的雙面膠，於背光模組最上層，主要功能是固定所有零件及防止不必要的雜光透出。
• FPC(Flexible Printed Circuit)：為一種軟性可撓曲的電路板，主要目的是貼合LED並提供導通LED的電路。
• 反射片(Reflector)：主要功能是在回收光線，讓光源有效的利用。一般是鍍鋁的薄膜，反射率約92%~95%，當然也有反射率更好的，例如3M的ESR。
• 框架(Frame)：一種射出成型品，主要功能是在承載導光板及讓FPC及反射片貼合固定。
• 導光板(Light Guide)：材質為高透光率的材料，當光在導光板內傳遞時，將產生全反射之效應；此時在導光板底面以網版印刷或附予擴散性質網點(Pattern)，以破壞全反射使光線投射出去。導光板是背光模組設計重點，其最主要是在設計如何分佈網點，讓背光出光時能夠均勻。

背光模組-照明光學-2

上篇說明了光的能量單位，不管如何，至少要了解這些單位是光單位的能量大小；而這篇榴槤要說明光的另一個特性---顏色。

1.光的波長：

事實上，所謂光顏色的定義，完全都來自於人類主觀的看法，把人類眼睛所能看到的光做一些說明。其實，太陽所發散出來的光，波長是很廣的如下圖。

人類所能看到的光僅僅在圖中彩色的部份，其波長約400nm~700nm。而我們又將這個區段波長的光區分成各種顏色，波長小於人類所看不到的波長稱之紫外光，一般小於360nm。反之，波長大於人類所看不到的波長稱之紅外光，一般大於780nm。在幾何光學裡，我們只對可見光感興趣。

那麼人既然能將可見光區分成各種顏色，那眼睛對顏色的感覺又是如何呢?下圖是顏色對眼睛的敏感度對照。

好吧我們來讀一下上圖，橫軸代表波長即顏色，縱軸代表眼睛感受度(感受最強時，值為1)。藍線表示在比較暗的環境下觀察各種顏色波長，紅線則反之。以上的圖並無所謂的計算方式，純粹是實驗得到的，當然不是榴槤做的實驗。一般我們都會取明視覺做為討探。由這個圖可以知道，人的眼睛是對黃綠色(波長約555nm)最敏感為峰值，再由兩側遞減。
舉個例子吧--例如一個波長555nm的黃綠色LED，打在一個照物上面，其照度為100lux；另一方面，一個波長600nm的橙紅色LED打在同一個照物上，其照度一樣為100lux。那麼對儀器而言，其光能量是一樣的照度，但人的眼睛而言橙紅光却只有黃綠光的60%的亮度。

2.光的混合--CIE 1931

光的三顏色是R(紅)G(綠)B(藍)，只要有這三種顏色的光，即可任意混合出想要的顏色。LCD液晶螢幕裡面有一個叫彩色濾光片(Color Filter)的東西，這個零件就是在製造各種顏色的元件，樣子就像下圖。

一對RGB稱為一個Cell，事實上只要拿放大鏡往手機螢幕一看，就可以看到這個元件了。
那麼，顏色的混光要怎麼混呢?這個時候就必須介紹一下CIE 1931，他是評估顏色的一張圖，也是一種標準，只要Google一下，也是一堆有關它的資料。由想而知，這張圖的重要吧。

稍為解讀一下，橫座標表示色座標X，緃座標表示色座標Y，外緣藍色字由380~700代表波長，中間黑色線代表黑體輻射溫度線。大致看過之後，榴槤來一一解釋吧~~

A.座標(x,y,z)

在圖中，好像只看到x,y却沒有z，其實真實的狀況下是有z的，z代表的是明亮程度。舉個例子說吧：把同一張紅色的紙，用一個白色的燈(假設10 lm)距離紙10cm照在紙上，此時照度假設為10 lux其座標為x1,y1；再將燈拉高到20cm照在紙上，此時照度假設為5 lux其座標為x2,y2。比較紅色紙的顏色變化，事實上會不一樣的，即(x1,xy)並不等於(x2,y2)。原因是雖然是同一個照物及被照物在不同的明亮程度下，x,y的值是不會一樣的。理論上，z值愈大，x,y的區域會愈小。
如果你想做這個實驗，其實很簡單；如果你的相機可以調整曝光時間，只要調整曝光時間的長短，你就可以看到同一物體的顏色則會有所變化。當你把時間拉到很長，拍出來的照片則是一張什麼都沒有的白白相片；確實的，當z很大的時候，x,y會收㪘到一點，即白色。
x,y,z都可由波長來計算得到，但如果再介紹這個，你一定會覺得受不了了，這個留到後續再介紹吧。等不及的人，可以Google下吧。

B.混光：

我們可以我到外圍的波長曲線，如果要榴槤解釋如何混合光顏色，還不知如何說起，這樣吧來舉個例或許比較好說明---

首先，假設我們有兩個光源，一個470nm，另一個580nm，那麼就先將這兩個波長點畫成一線如下圖。

那在這條暗紅色的線上的所有顏色，都是我們可以借由各自光源的大小來混合而成。

以上是兩點的混色，而我們知道如果三個顏色(一般是RGB)，這樣就可以混成所有的顏色了；我們常常看到很多用LED做的廣告招牌，可以變化出多種顏色，只要我就近一看，一定是兩個以上的LED。另外，只要看到可以變化到白色的，則一定是三種顏色，即RGB。

C.黑體輻射溫度：

這一條曲線對於後續的背光模組沒有太大的用處，但也是稍微解釋一下吧。如果大家有看過燒鐵或打鐵的朋友，一定會發覺鐵在遇熱後會變顏色，而工匠也會用鐵的顏色來判段目前鐵的溫度。即鐵受熱後，顏色變化會隨溫度改變。而顏色與度的變化就是依照這條色溫曲線囉。

1500k接近橙色，6500k則接近白色，所以白色的溫度比橙色高囉。

背光模組-照明光學-1

榴槤不是光學本科系畢業的，所以很艱深的理論我也不會，但不知理論並不代表不能把產品開發出來；這個道理就有點像，沒有駕照並不代表不會開車的道理一樣，因為開發產品跟在學校寫論文是兩回事，所以千萬別大鑽牛角尖，否則還真的會為老闆賣掉性命~~~
背光模組光學的工作起始點，就是要搞清楚照明光學的單位，否則自己在做什麼量什麼都不知道，到目前為止很多廠商很會做背光模組，但廠內還是很多人不知道量到的單位代表什麼意義~~~~國父說的『知難行易』就是如此。
一般而言(說一般而言，就是代表我會的就只有這些，但都足夠了啦~)，照明光學的單位分成 『輻度光學(Radiometry)』、『照度光學(Phtometric)』兩種，其中各自的基礎單位輻度光學為--瓦(W)，照度光學為--流明(lm)，以下是各自的單位運用。圖B1-1所示。

圖B1-1

如果是我，在都不說明的狀況下，看到上面的單位表，一定是霧煞煞的。所以，還是得解釋一下囉~~

首先，輻度的瓦(W)是光的基本單位，接下來的照度、光強度及輝度都與照度光學的單位做對應(後續說明)；輻度與照度在照明上的運用，都各自有其使用者，一般而言，輻度光學的計算是在較大功率(泛指LED以外)的發光體及發光效益的計算。例如：電功率轉光功率(功率換算)，日光灯管。

說到這個瓦(W)，說真的榴槤不太喜歡它拿來標示發光的商品，例如日光灯、LED甚至車灯，因為商品所標示的一般都是耗費電功的瓦數，而非真正發光的光瓦數，其中光瓦數=電功瓦數*發光效益，所以重點是在發光效益的高低，但廠商絕對不會告訴你發光效益是多少囉~~

幸好，目前LED灯泡的製造商，除了標示瓦數外，也用了照度光學的流明(lm)來標示。所以，我們就能很明確的知道1W產生了多少流明的光通量，也就是說花錢是要花在買流明數，而不是瓦數。而背光模組使用的單位是照度光學的單位。


延續圖B1-1的其它單位算法--
1.光通量(Flux (Φ))： 發光體所發出的光通量，這個量的計算即是將每個角度的光強度積分，怎麼積?如何積呢?等單位都介紹完了再說明吧。

2.照度(Irradiance & Illuminance (E))：單位面積上的光通量（Φ），即E=dΦ/dA。同面積下的被照物的照度值，會與發光體的距離成反比。 

3.立體角(Solid Angle (sr))：在解釋光強度與輝度前必須先說明立體角是啥東西，這個很重要，榴槤花了至少三個月的時間才明白立體角的意義。

過去我們都知道直角座標系（x,y,z）（此三個值都是距離），進階一點可能會學到圓柱座標系(r,θ,z)（r,z代表距離，θ代表角度），再進一階的則是球座標系(r,θ,ω)(r代表距離，θ,ω代表角度)，而這裡的立體角指的是更進一階的座標系(φ,θ,ω)（此三個值都是角度值）。故一個單位的立體角(φ=1,θ＝1,ω＝1)即為1sr，這個很重要，學照明光學的一定要會。

榴槤也不想把事情搞到這麼複雜，但我想這會是背光模組裡最難的部份了吧~~如果你還是不會的，請好好Google一下立體角囉。


４.光強度（Intensity ( I )）：由發光體某一方向的光能量，理論一點的說，即是一個立體角的光流量。一般背光模組的LED都是使用這個單位。

５.輝度(Luminance ( L ))：單位面積內的光強度(I)，請看清楚喔，是光強(I)而不是光通量(Φ)，所以照度與輝度之間差了輝度多除了一個立體角的單位。輝度單位即是背光模組所使用的單位。

一般而言，背光模組使用的單位，就只有照度光學的這幾個，換句話說，如果你搞懂了照度光學這幾個單位，應該就非常足夠了。
不過說真的，除非你是有天份的人，要不然沒上過照明單位的人，一下子要了解上面幾個單位，真的不簡單~~~但榴槤也是過來人，知道光這些積分式就暈了，還要學什麼呢?這樣吧，榴槤就用一個淺顯方式來解釋上述的光通量、照度、光強度及輝度吧。

由上圖，電燈泡所發出的光總量即光通量(Φ)， 單位流明lm。這個燈泡某一個方向所發出來的光能量即為光強度(I)，單位cd或lm/sr。燈泡所發出的光能量，照在足球上，足球接受光通量後被照亮的程度即為照度(E)，單位lux或lm/m2。被照亮後的足球，在任一角度被觀察到的照度大小，即為光度(L)，單位為cd/m2。
我想這樣的解釋表示，大家應該比較能接受吧。