背光模组之光学原理与发展
一、背光模组常用光学原理
⼀、背光模组常⽤光学原理⼀、背光模組常⽤光學原理光學原理應⽤在背光板上，⼤致有反射(Reflection)、折射(Refraction)、全反射(Total Internal Reflection, TIR)、吸收(Absorption)幾項，均屬於幾何光學的光學領域。
(⼀)反射(Reflection)---反射⽚、導光板反射可分為三種形式，鏡⾯反射(Specular reflection)、擴散反射(Spread reflection)和漫射反射(Diffuse reflection)，鏡⾯反射是指光線的⼊射⾓度相等於反射的⾓度，如圖1-1；擴散反射發⽣當在不平坦的表⾯且反射的光線超過⼀個⾓度，所有的反射光的反射⾓或多或少會與⼊射⾓相同，如圖1-2；漫射型的反射，有時候⼜稱作“Lambertian scattering”或“Diffusion”，這種情形發⽣在粗糙或不光滑的表⾯，其反射光會有許多不同的⾓度，如圖1-3。
圖1-1. 鏡⾯反射圖1-2. 擴散反射圖1-3. 漫射反射當光線照在⼀個完美的光滑表⾯會發⽣鏡⾯反射，完全遵守「反射定律(Law of reflection)」，⼊射⾓（⼊射光線與垂直表⾯的法線所夾的⾓度，Incident angle ）會相等於反射⾓（反射光線與垂直表⾯的法線所夾的⾓度，Reflected angle ），如圖1-4。
當光線照在⼀個粗糙的表⾯，光線將會⽴刻以許多不同的⽅向反射或穿透，如圖1-5，在背光的材料中，擴散板、擴散⽚屬於穿透擴散(Diffuse transmission)的性質，底反射板、燈管固定框架屬於反射擴散(Diffuse reflectance)性質。
圖1-4. 反射定律圖1-5. 穿透及反射擴散(⼆)折射(Refraction, Snell ′s law)---導光板、擴散⽚、稜鏡⽚當光線從⼀種材料⾏進到另⼀種材料時，例如從空氣進到玻璃，此時光線會被折射，也就是光線會彎曲及改變速度。
背光模组的构造原理及应用
背光模组的构造原理及应用背光模组（Backlight Module），是一种广泛应用于液晶显示器（LCD）中的光源装置，其主要作用是提供均匀的背景光亮度，以使LCD显示更加清晰和易读。
背光模组的构造原理与应用十分重要，本文将对其进行详细阐述。
一、背光模组的构造原理1. 光源：背光模组的核心部件是光源，常见的光源有冷阴极灯（CCFL，Cold Cathode Fluorescent Lamp）和发光二极管（LED，Light Emitting Diode）。
CCFL是一种成熟的背光技术，其由外界电压激发汞蒸气发出紫外线，再经过荧光粉的转换，发出可见光。
而LED背光模组采用发光二极管作为光源，其工作原理是通过直接电流驱动，使LED产生可见光。
LED背光模组在节能、环保、厚度等方面具有明显优势，因此逐渐取代了CCFL背光模组。
2. 光导板：背光模组的光源辐射出来的光线不是均匀的，为了达到均匀的背光效果，需要光导板来进行光线的引导和分布。
光导板一般由有机玻璃或聚碳酸酯等材料制成，表面通常带有微结构（如棱镜、凹凸等），以增加光线的散射和扩散效果。
光源发出的光线经过光导板的引导和折射，均匀地分布到整个LCD显示区域。
3. 反射板：反射板位于光导板的底部，其主要作用是将光线从导光板底部反射回到导光板中，以提高光线的利用率。
反射板常使用高反射率的材料制成，如铝板或白色增白剂等。
4. 均光膜：均光膜一般位于反射板和液晶面板之间，用于进一步均匀光线。
均光膜通常由多层高透明度材料叠加而成，其表面也经过微结构处理，以增加光线的散射和扩散效果。
5. 目前，除了LED背光模组外，还有一种新型的背光模组技术，即直下式背光模组（BLU，Bottom Light Unit）。
直下式背光模组通过将光源直接放置在液晶显示器的底部，而不是侧面，以提供更加均匀的背光效果。
这种背光模组在大尺寸液晶显示器中得到广泛应用，如电视机、电脑显示器等。
背光模组
背光模组背光模组是一种用于液晶显示屏的关键组件，它为显示屏提供了背光照明，使得图像能够在暗环境下清晰可见。
背光模组在广泛的应用领域中发挥着重要的作用，包括电视、计算机显示器、手机、平板电脑等电子产品中。
背光模组的发展与技术的进步紧密相关，不断推动着显示技术的革新与提升。
背光模组的原理是利用光源照射到液晶屏后面，通过液晶屏的控制，调节光的透过程度，从而实现显示效果。
它通常由若干个发光二极管（LED）组成，被均匀地分布在显示屏背面，以提供均匀的照明。
背光模组的设计和制造需要考虑光线的分布均匀性、显示屏的大小与厚度、功耗以及可靠性等因素。
背光模组有多种类型，其中最常见的是直下式背光模组和边缘式背光模组。
直下式背光模组是将LED放置在液晶屏的后面，并通过反射板将光线反射到前面的液晶屏上。
这种模组可以提供较高的亮度和对比度，适用于大尺寸显示屏。
边缘式背光模组则是将LED安装在显示屏的边缘，通过导光板将光线导向全屏。
这种模组适用于较薄的显示屏，如手机和平板电脑。
随着技术的不断发展，背光模组的性能也在不断提高。
近年来，LED背光模组取代了传统的冷阴极荧光灯（CCFL）背光模组，成为主流。
LED背光模组具有高效节能、长寿命、亮度均匀等优点，成为显示屏行业的首选。
此外，LED背光模组可以根据需要调整亮度和颜色，实现更好的图像品质。
背光模组的发展也带动了显示屏技术的进步。
随着液晶屏技术的不断创新，显示屏的分辨率、色彩表现力和视角等方面都有了巨大的提升。
同时，背光模组的照明效果也得到了改善，使得显示屏在各种环境下都能够呈现出更加鲜艳、清晰的图像。
除了在消费电子产品中广泛应用外，背光模组还在其他领域有着重要的应用。
例如，在医疗设备中，高清的显示屏可以提供医生和患者更准确的图像信息，有助于诊断和治疗。
在工业控制领域，背光模组可以用于操作面板和仪表盘的显示。
在交通运输领域，背光模组可以用于车载显示屏，提供导航、娱乐和安全警示等功能。
背光模组构造及原理
• 导光板制造过程
导光板其最重要也是最原始的材料为光学级PMMA (POLY METHYL METHACRYL ATE)(聚甲基丙烯酸甲） 也就是俗称的亚克力 或有机玻璃，其分类又有PMMA颗粒和 PMMA平板。
PMMA由石油中提炼单体(MMA)再将单体(MMA)经过化学 加工后做出光学级PMMA颗粒，再将光学级PMMA颗粒用压铸 法(Casting:PMMA粒子流入模腔,上面模面压合至所需的高度)或压出法(Injection:制 做方法如上,但压力较大)来制作光学级PMMA平板。
比重 吸水率%
折射率 透光率% 熱雙形溫度 （℃ ）
1.2 ＜0.3
1.49 92 80~90℃
导光板光学性质
压克力的折射率 ：nt＝1.49 压克力临界角 θt=42.15°
• 导光板的功能和要求
导光板故名思义其最主要的的功能在于要将 光线导向设计者所需要的方向，而所有的导光板 的设计都是要配合下游产品LCD和背光模块的需 要，最重要的是要达到辉度和均匀度。
擴散層
三、导光板的构造＆特性
• 何谓导光板
导光板一词来自于英文译音(Light Guide）其产生为应用于LCD所产生的,LCD为一非 自发光性的产品为了要展现LCD的亮度就必需要 有背光模块来显现，在背光模块的发展过成中重 要关键的零组件导光板也随着下游产品的需求进 而开始有不同的改变。
項 目 PMMA
背光模组构造及原理
背光源的种类与应用
• • • • • • • 直下式 v.s 侧光式 单侧入光 v.s 对侧入光 v.s 多侧入光 平板LGP v.s 楔形LGP (Light Guide Panel – 导光板) Monitor / TV ─ 高辉度、广视角、大型化。 Notebook PC ─ 高效率/省电化、轻薄化。 卫星导航/车载装置 ─ 高辉度、坚固性、耐候性。 掌上型装置 ─ 小尺寸、轻薄化、省电化。
背光模组基础知识
16
基本结构图：
1、铁框 2、反射膜 3、导光板
4、冷阴极荧光管
5、扩散膜 6、胶框
7、保护膜
8、铁框
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彩屏背光源
彩屏属于侧背光，但结构更精细，工艺要求更高。 彩屏背光亮度要求高，通常要求在2000cd/m2以上，随着技 术水平及品质要求的不断提升，特别是高端智能机的推广普 及，目前高端智能机一般亮度要求在4000cd/m2以上，固其 结构特点中，必须使用到上下增光膜 彩屏包括单屏和双屏两种： 单屏即只有一面发光。结构主要包括：胶框、导光板、 LED(SMD) 、FPC、反射膜、下扩散膜、下增光膜、上增光膜 、上扩散膜（有些产品可省略上扩散膜）、黑白双面胶等。 双屏即两面都发光，一面是主屏，与单屏类似，另一面是副 屏，发光区较小。双屏中副屏的下扩散膜既起到将导光板的 出射光扩散均匀的作用，同时也对主屏起到反射膜的作用。
应用范围：
广泛应用于手机、MP4、PDA等
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单屏
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双屏
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背光源加工工艺流程图
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背光源一般性要求
▶ Brightness (亮度) ▶ Uniformity (均一性) ▶ 颜色 (色坐标及波长均一性) ■ 要求 ▶ 信赖性(寿命, 振动, 冲击,高温高湿等) ▶ 画面品质 (MURA, 漏光, 白/黑点等) ▷ 轻薄性（更轻、更薄）
4
背光源应用
伴随着液晶显示屏的广泛使用，背光应用范围遍及工业设备 、银行终端、办公自动化、通讯、电子玩具及消费类产品， 如家电、电话机、手机、笔记本电脑、MP3、MP4、PDA、仪 表仪器、电子字典、电子记事本、学习机等
背光模组相关光学简介
背光模组相关光学简介内容大纲一.光度学的几个基本单位二. CIE XYZ 表色系統三. 散射与光谱四.色温的含义和相关色温五. 导光板中的光学现象六. 常用LED介绍一.光度学的几个基本单位❖1：光通量功率❖光通量Ø（lm、流明）：描述人眼视觉感受的光功率。
流明是均勻的点光源发出一个烛光（CD、坎德拉）的发光強度的光通量进入一个单位立体角的功率。
❖2：光照度每单位面积的功率❖照度EV(L X、勒克斯)：描述一个被光照射面上的照明强弱叫照度。
❖ 1 Lux(lx) = 1 lm/m2❖3：发光強度每单位立体角的功率发光强度I V(CD、坎德拉):描述点光源在某方向发光强弱。
物理学定义：在标准大气压下，处在铂凝固温度（2045K）的绝对黑体的1/600000平方米表面上的发光强度为1烛光。
❖4：亮度（辉度）每单位面积,每单位立体角的功率❖亮度LV(cd/m2)描述：单位投射面积的发光强度。
1 lm/m2-sr= 1 cd/m2= 1 nit二：CIE XYZ 表色系统❖CIE：Commission Internationale de l'Eclairage国际照明委员会❖1931 年标准：用XYZ三标准色刺激值(色量)來定义所有可见色，并使所有混色系数为正值。
X = 2.7689 R + 1.7517 G + 1.1302 BY = 1.0000 R + 4.5907 G + 0.0601 BZ = 0.0000 R + 0.0565 G + 5.5943 B❖(x, y) 座标系統＝色度❖标准白色点的座标为（0.3127 , 0.3291）二：CIE XYZ 表色系统1=++++=++=++=z y x Z Y X Zz ZY X Yy ZY X XxCIE 1931 以后的发展❖CIE 1931：以2°视野基础，可应用至4°视野。
❖CIE 1964 X10Y10Z10 輔助表色系统：10°视野。
LED背光模组的结构的发展
LED背光模组的结构的发展LED背光模组是一种将发光二极管(LED)用于背光显示装置中的技术。
它逐渐取代了传统的冷阴极荧光灯(CCF)背光模组，成为各种显示器和照明设备的首选。
随着技术的不断发展，LED背光模组的结构也在不断创新与演变。
本文将对LED背光模组的结构发展进行详细介绍。
传统的LED背光模组结构主要分为侧发光结构和直下式结构。
侧发光结构是将LED装配在显示面板的边缘，通过导光板的导光作用，将光线均匀地分布到整个显示面板。
直下式结构是将LED模组直接安装在显示面板的背面，光线经过反射板的反射后达到整个显示面板。
然而，这些传统的结构存在一些问题。
侧发光结构在光线扩散和均匀性方面存在一定的局限性。
而直下式结构由于热量无法有效散发，会导致LED的寿命和亮度下降。
因此，为了解决这些问题，LED背光模组的结构经历了一系列的创新。
第一个重要的创新是悬浮结构。
这种结构将LED模组悬浮在显示面板的背面，通过光学透镜等器件将光线聚焦到显示面板上。
这种结构可以提高光线的利用率，并且能够有效降低热量。
悬浮结构还可以实现多区域亮度调节，提高显示效果。
第二个重要的创新是边缘型背光模组。
这种结构将LED模组安装在显示面板的边缘，通过导光板和反射器件将光线传输到整个显示面板上。
边缘型背光模组具有很好的均匀性和薄型化效果，适用于超薄显示器和液晶电视。
第三个重要的创新是直下式全局调光背光模组。
这种结构在直下式结构的基础上，引入了局部调光技术。
通过将背光模组划分为多个独立的区域，并在每个区域内添加光探测器和电路控制芯片，实现对不同区域的背光强度和亮度的精确控制。
这种结构可以提高显示效果，降低能耗，实现更高的对比度和更真实的色彩效果。
此外，还有一些其他的创新，如使用纳米材料，增加亮度和色彩饱和度；采用柔性基板，实现弯曲或可折叠的显示器；引入无影线技术，减少反射和折射等。
综上所述，随着技术的不断创新，LED背光模组的结构不断发展。
5TFT-LCD背光模组分析
5TFT-LCD背光模组分析TFT-LCD（Thin-Film Transistor Liquid Crystal Display）背光模组是一种广泛应用于电子产品中的显示技术。
本文将分析TFT-LCD背光模组的工作原理、组成结构、特点以及应用领域。
TFT-LCD背光模组是一种利用薄膜晶体管和液晶技术制作的显示器。
它的工作原理是利用电场来控制液晶材料的光学特性，从而实现图像的显示。
TFT-LCD背光模组由多个层次组成，包括液晶层、薄膜晶体管（TFT）层、色彩滤光层、透镜层等。
其中，液晶层是其中最重要的组成部分，通过控制信号来改变液晶分子的排列方式，从而改变通过液晶层的光的透过程度。
TFT-LCD背光模组有几个特点使其在电子产品中得到广泛应用。
首先，它具有较高的分辨率和画面质量，可以显示出细节丰富的图像。
其次，它具有较高的亮度和对比度，可以在各种环境下清晰可见。
此外，由于TFT-LCD背光模组采用蛋白质物质作为电场变化感受器，使其具有较低的功耗和较长的使用寿命。
另外，TFT-LCD背光模组具有较快的响应速度，适用于高动态场景的显示。
TFT-LCD背光模组在电子产品中有广泛的应用。
首先，它在智能手机、平板电脑、笔记本电脑等移动设备中被广泛采用。
其次，它也被用于电视机、显示器、汽车导航系统等消费电子产品中。
此外，TFT-LCD背光模组还被广泛应用于医疗设备、工业控制系统、航空航天领域等。
然而，TFT-LCD背光模组也存在一些局限性和挑战。
首先，它的生产过程相对复杂，需要高精度的制造技术和设备。
其次，TFT-LCD背光模组对观看角度的要求较高，当在较大角度下观看时，图像会出现颜色失真和对比度降低的问题。
此外，由于TFT-LCD背光模组需要背光源才能显示，因此存在一定的能耗和发热问题。
综上所述，TFT-LCD背光模组是一种广泛应用于电子产品中的显示技术。
它具有高分辨率、高亮度、高对比度、低功耗等特点，被广泛应用于移动设备、消费电子产品、医疗设备等领域。
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6
光學度量名稱及定義
Radiometry Radiant Power
Radiant Intensity Irradiance Radiance
Photometry Luminous Power/Flux
Luminous Intensity Illuminance Lumiance
瓦特 Watt
W/sr W/m2 W/sr· 2 m
流明 (Lumen, lm)
燭光 cd = lm/sr 勒克斯 Lux = lm/m2 cd/m2 = lm/sr· 2 m
7
光學度量名稱及定義
Luminous power/Flux (光通量) 單位: 流明(Lumen, lm) 人眼所能感覺到的輻射能量 = 單位時間內某一段的 輻射能量和該波段的光視效能k(λ) (luminous efficacy) 之乘績的總合 一流明等於一燭光之均勻點光源發射於一球面度之 單位立體角範圍內之光通量, 即1流明=1燭光˙球面度 ( 1 lm = 1cd· sr)
3
90%
多晶型
RGB三晶片 LED
AlInGaP+InGa N+AlGaAs
1
80%up
17
CCFL發光原理
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CCFL與LED的比較
CCFL 電壓 300V以上 LED 30V以下(以超高亮度 模組計) 輝度(20~40 cd/m2 ) 成本高 點光源 若採螢光粉封裝,則演色性 不佳 不需高壓點燈 壽命較長 可小型化,薄型化
內容
光學相關知識 背光模組
光源 導光板
發展與探討 結論
1
CIE RGB表色系統
三基色: 紅光(R) λ=700.0nm 1 lm 綠光(G) λ=546.1nm 4.5907lm 藍光(G) λ=435.8nm 0.0601lm 標準白光 混光 5.6508lm
r-g-b 色度空間: r=R/(R+G+B) g=B/(R+G+B) b=1-(r+g)
1. 2.
反射定律
入射角α=反射角β 入射線、反射線各在法線兩側, 且三線共平 面 法線
入射線 α β 反射線
21
光的反射(Reflection)源自單項反射:平行的入射光線, 照射在理想光滑平面後, 其反射光線亦為互相平行的現 象
漫射(diffusion):平行的入射光線,照射在粗糙表面後, 由於表面的法線不平行,造成其 反射光線四向分散的現象 漫射的每一條光線均遵守反射定律
生產
其他
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RoHS
Restriction of the use of certain Hazardous Substances 電機電子產品之危害物質限用指令 歐洲議會與歐盟理事會同意, 由2006年7月1日 起禁用4種重金屬(鉛,鎘,汞,六價鉻)以及溴化阻 燃劑PBB和PBDE。成員國對這些物質採取的 現有措施將可繼續實施,直到法令生效為止。 現時並無替代品的若干物質, 則可以獲得豁免, 但有關當局會定期進行檢驗,以減少可豁免的物 質。
33
13
演色性(Ra)
指物體在光源下的感受與在太陽光下的 感受的真實度百分比 演色性高的光源對顏色的表現較逼真 測量標準是以自然光(Ra-100)為100%真 實色彩
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LED發光原理
利用電子與電洞的結合使放出可見光能量, 不同的材質 會有不同波長的能量釋出
15
LED光源
16
白光LED 發光技術比較
2
CIE XYZ表色系統
CIE: Commission Internationale de I’Eclairage 1931年標準: 用XYZ三標準色刺激值(色量)來定義所有 可見色, 並使所有混色系數為正值 X= 2.7689R + 1.7517G + 1.1302B Y= 1.0000R + 4.5907G + 0.0601B Z= 0.0000R + 0.0565G + 5.5943B Y= 輝度(nit) X=Y=Z: 等量白光 (x,y)座標系統= 色度
3
4
黑體輻射與色溫
黑體輻射出度: M =σT4 其中輻射常數σ= 5.67*108 色溫：當光源色與黑體在某溫度下的輻射顏色 相同時即稱為該光源的色溫 當光源之光譜分布與黑體輻射相去太遠時即不 適合用色溫來描述該光源顏色
5
光學度量名稱及定義
Radiometry 與能量相關的物理量 Photometry (光度學) 人眼所感受到的能量之相關物理量
缺點
需高壓點燈、較耗電 壽命:3~6萬小時 厚度大 含水銀(環保問題) 電磁干擾 高輝度(70~100cd/m2)
優點
應用
LCD TV, LCD monitor,NB, PDA, Video Camera, GPS
手機, DSC, PDA
19
導光板
幾何光學 材料 咬花設計
20
光的反射(Reflection)
9
光學度量名稱及定義
Illuminance (照度)
單位:勒克斯(Lux, lx) lux=lm/m2 落在受照射物體單位面積上的光通量
10
光學度量名稱及定義
Luminance (輝度)
單位: cd/m2, nit cd/m2=lm/sr˙m2 人眼所感知此光源或發光表面之明亮程度的 客觀量測值 每單位面積,每單位立體角在某一方向上,字 發光表面發射出的光通量
β
24
光的折射(Refraction)
折射定律(Snell’s Law): 入射線、折射線 各在法線的兩側, 且三線共平面
n1 sinα=n2sinβ
n1 n2
α β
25
全反射(Total Reflection)
當光線由密介質到疏介質時,光線入射的 角度大於臨界角時便會產生全反射現象 αc = sin-1(n2/n1)
22
光的反射(Reflection)
不同表面粗糙度R(roughness)的漫射效果
R1 R1< R2 < R3 < R4
R2
R3
R4
23
光的折射(Refraction)
(a) If n1 < n2:疏介質到密介質 α>β (b) If n1 < n2:密介質到疏介質 α<β
n1 n2
α β n1 n2 α
11
光源
LED
Light Emitting Diode 發光二極體 Cool Cathode Fluorescent Lamp 冷陰極螢光燈管
CCFL
12
發光效率 (lm/W)
每一消耗電力(Watt)所輸出的能量(lm) 每一消耗電力輸出的光源越多, 就表示光 源效率越高, 亦即越省電 發光效率一功率大小, 種類, 使用狀況而 異
高亮度, 高均勻性
破壞全反射 各區出光效率 平板, 楔型… 印刷, 蝕刻, 電鑄, 噴沙
29
外型
咬花
破壞全反射
30
提升均勻度
31
結論與討論
效能
光學性能 (光源, 導光板, 光學膜片) 架構簡化 多樣化 (形狀, 厚度) 工序簡化 (放電面處理, 模具一體成型) 縮短生產時間 (乾燥程序, 自動檢測, 自動組裝) 降低成本
8
光學度量名稱及定義
Luminous Intensity (發光強度) 單位: 燭光 (candela, cd) cd = lm/sr 光源在一定方向和範圍內發出的人眼感之強弱的物 理量 12 Hz) 單 一燭光等於波長為555.016nm(頻率540x10 色光之光強度, 在給定的方向上每球面度之輻射通 量為683分之一瓦特 即一單位立體角內發射一流明的光通量
晶片光源 單晶型 藍光LED 晶片與色發光 材料 InGaN晶片 +YAG螢光粉 InGaN晶片 +RGB螢光粉 白光產生原理 藍光激發黃光 螢光粉 UV激發RGB 三種螢光粉 藍光激發RG 兩種螢光粉 三原色互補原 理 發光效率 2 演色性 60~75%
UV LED
4
90%up
藍光LED
InGaN晶片 +RG螢光粉
n1 n2 α αc β
26
導光板的材質
PMMA COP MS PC
27
材質比較
COP MS PC PMMA
比重
吸水率 光透性 折射率
1.02
<0.01 92% 1.53
1.16
0.15 90% 1.53
1.2
0.2 89% 1.59
1.17~1.2
0.3 93% 1.49
28
導光板的設計