背景

1. LCD與背光模組  

背光模組(Backlight)為泛指可提供產品一個背面光源的組件,目前運用在各種資訊、通訊、消費產品上,如:液晶顯示器、底片掃描器、幻燈片看片箱.等產品,不過以作為液晶顯示器的光源組件之市場較大。背光模組是液晶顯示器的光源提供者,液晶顯示器由於其厚度薄,質量輕且攜帶方便,近年來需求快速的增加,已能在顯示器的市場佔有一席之地。隨著液晶顯示器製造技術的提升,大尺寸及低價格的趨勢下,背光模組在考量輕量化、薄型化、低消費電力、高亮度及降低成本的市場要求,為保持在未來市場的競爭力,開發、設計新型的背光模組及射出成型的新製作技術[1-7],是努力的方向及重要課題。

  一般而言,背光模組依其規模的要求,發展出下列三大結構: (1)側光式結構:一般常用於14吋以下的背光模組,其側邊入射的光源設計,擁有注重輕量、薄型、窄框化、低消費電力的特色,亦是筆記型電腦的光源。(2)直下型結構:超大尺寸的背光模組,側光式結構已經無法在重量、消費電力及亮度上佔有優勢,因此不含導光板的直下型結構便被發展出來。光源由反射板反射後,向上經擴散板均勻分散後於正面射出,其優點為輕量化、高輝度、良好的出光視角、光利用效率高、結構簡易化等,常用作監視器(Monitor)的螢幕,但其高消費電力(使用冷陰極管),均一性不佳及造成LCD發熱等問題仍需要求改善。(3)中空型結構:隨著影像要求的尺寸增加,LCD也朝更大尺寸的方向發展,現在這類超大型的LCD被拿來當作監視器及璧掛式電視,不僅要求大畫面、高亮度及輕量化,在電氣上亦要求高功率下的低熱效應,近年來發展的中空型結構的背光模組,使用熱陰極管作為發光源。此結構以空氣作為光源傳遞的媒介,光源向下被稜鏡片與反射板對方向調整及反射後,一部分向上穿過導光板並出射於表面,另一部分因全反射再度進入中空腔直到經折反射作用後穿過導光板出射,而向上的光源或直接進入導光板出射,或經一連串折反射作用再出射;導光板的形狀為楔型結構,外觀圖形及顯微圖案如圖1所示,其目的在求均一化的效果。     

 

  

 

1 LCD背光板之外觀圖形及顯微圖案

 

就背光模組製造而言,降低成本的方法不外乎是將模組構造簡化,採所謂一體化導光板的設計,將擴散點、稜鏡片等的功能整合到導光板之中,將導光板的正面加工,使其具有稜鏡片的功能;或是除了將稜鏡片一體化之外,在製作導光板時同時將擴散點一體成型,省去網版印刷的手續;或是在導光板上、下兩面均做稜鏡片的加工,底面的稜鏡間距由疏到密,頂角的設計則讓光向上折射,因此光能均勻地自導光板表面射出,且具有適當程度的方向性,提高正面亮度。這些複合化導光板設計,不但能減少需要外購的昂貴零件(如稜鏡片),而且可縮短組裝時間,同時達到高亮度化及降低成本的目的。

一般光場的量測,包括有[8-10]:

(1)量測前的調整

由於投影顯示器的亮度(brightness)及對比(contrast)可作局部調整,因此為了避免不當的調整造成量測基準的偏差,在美國國家標準ANSIIT7.215-1992中,便設計一套調整投影顯示器亮度和對比的方法,使各個受測對象能夠在相近的基準上接受測試與評比。

對於顯示器亮度與對比的調校,是以一個標準影像作為參考,其輸入格式,以全白的影像為背景,前景由上下兩排各三個互相連接的方格所構成,每個方格的寬度為背景寬度的5%,有著和投影背景相同的長寬比,但在各個方格內有不同灰階的影像輸出:以全白訊號100%(如同背景訊號),全黑為0%,依著由右至左的順序,上排三方格內的灰階輸出分別設定為10%、5%、0%,下排三方格的輸出為100%、95%、90%。顯示器亮度的調整,應使5%的灰階訊號可以從0%和10%的訊號中辨識出來,而且對比的強弱,也應同時使95%的灰階訊號與100%和90%的有所不同;循序作亮度與對比的調整,必須測試影像的輸出不僅能夠符合上述要求,並在進行以下的測試時保持相同的狀態。

(2)光輸出(light output)

依據美國國家標準(ASNI)的定義,數據級投影設備(data projection equipment)光輸出的測量方法,是將輸出的投影影像等分為3乘3的九個方格,量測每個方格中的光照度(illuminance)值,單位為勒克斯(lux=lumen/sequare meter),然後將九個量測值平均,再乘上影像的投影面積(單位為平方公尺),所得到的即為該投影設備的光輸出流明(ANSI lumen)值。

(3)均勻度(uniformity)

ANSI IT7.215-1992中對投影均勻度的定義,是從光輸出量測所得到的九點量測值中,取出最大與最小的照度值,將這兩個數值與九點平均值的偏差以百分表示,即為該投影設的均勻度。

(4)對比度(contrast ratio)

ANSI中對對比度的測量,是藉由輸入一個4乘4大小相同之黑白棋盤式的影像訊號,量測各塊中心部位的光照度來完成的。黑白棋盤中白塊部分為全白的顯示(即為100%輸出),黑塊的部分則為全黑(10%)的輸出,將棋盤中8個白塊中心之光照度平均值,與8個黑塊中心之光照度平均值的比值,即為ANSI之對比度,表示為(ratio):1。

(5)解析度(resolution)

投影設備的解析度由水平解析度及鉛直解析度的量測所構成。當投影等線寬的黑白條紋時,條紋越密,黑白部分之間的交連雜訊將會增加,使得白的部分變暗,成為亮灰,而黑的部分變亮,成為暗灰,降低黑白條紋的對比。根據ANSI IT7.215-1992的認定,這個變化可以用白線與黑線區域照度量測的差別、與全白全黑照度量測之差的比值來表示,這值稱為調變深度(Modulation depth)。

(6)色彩(chromaticity)

利用色度計(chroma meter)可以量測投影設備輸出影像色彩之色座標(chromaticity coordinate)值(? ,v)和照度,於是藉由檢測彩色投影設備所使用之三原色光,可以測量出投影影像各點上色彩之色座標值,瞭解該投影設備的色彩與NTSC規格的差別,並將其成色能力予以量化。對投影影像二維平面的掃描量測,則可進一步地得到投影影像色彩偏離的情形,對該投影設備的色彩特性作整體的評估。

 

2. 半導體雷射

近二十年來,半導體雷射(或稱雷射二極體)技術得以迅速的發展,由於雷射光束具有高度準直性、方向性之特點 ,因此在許多方面獲得了廣泛的應用,半導體雷射其體積小、操作容易、效率高、穩定度大以及能受調變之頻率快,優點甚多,在國防建設,工商業主產及科學實驗等各方面都有極為廣泛的應用[11-13],如雷射列表機、製版、讀碼、微像產生、品質控制和機器人視覺等。雷射二極體的應用正在日益擴大之中,由於雷射二極體都是成批生產,品質的要求顯得非常重要。在產品規格方面,半導體雷射通常援用發光二極體的光場定義,有所謂「一半最大能量值之全寬」Full Width at Half Maximum ( FWHM)來定義半導體雷射之光束直徑。首先讓我們來看看發光二極體:發光二極體的鏡片兩側鏡壁之反射光,會造成兩側光場形成無效的圓形突出部分。發光二極體的光場如橢圓形狀,其發光角度是根據光場中一半最大能量值所有個點形成的封包線,再找出對封包線中最長之剖線,再由中心點對封包線中最長之剖線端點作連線,由此求出其發光角度。

半導體雷射之光束直徑 FWHM是雷射光束中,二分之一最高亮度處至最高亮度處距離的兩倍,因此要求得FWHM必須先找出整個雷射光束中最亮的位置,然後往右掃描,直到找到二分之一亮度處並記錄此處的位置,使用相同的方法往左掃描,並記錄此處的位置,將此兩位置相減,再計算出水平向的FWHM。同樣的的方法往上下掃描,亦可找到垂直向的FWHM[14-15]。