臺灣博碩士論文加值系統

液晶顯示器（LCD）具有低耗電量、高亮度、高飽和度、厚度薄、重量輕等優點，而為了要達到這些優點，背光模組扮演了很重要的角色。在本研究中，首先針對冷陰極管上任意發光點所散發出的光線，到達任意幾何形狀的反射面後，光會反射回冷陰極管的角度範圍進行探討，進而運用反射罩的反射理論，做為背光模組反射罩的設計基準，使得反射罩中反射之光線必須適時的在欲照明處將光線導出，接下來針對所設計的反射罩進行光學模擬，探討反射罩幾何形狀對於整個出光亮度及光通量的影響。將設計後的各種背光模組反射罩，實際製作出模具以製作出各種幾何形狀的反射罩，並將反射罩組裝到背光模組後進行輝度量測，探討反射罩幾何形狀對背光模組的輝度及均齊度的影響。最後藉由光學模擬與輝度量測兩者互相比較，從中獲得較佳的反射罩設計方法，以有效提高冷陰極管的光源使用率。希望本論文之研究，能提供反射罩幾何形狀設計的概念，作為整體背光模組的光學機構設計上一個參考的方向。

The liquid-crystal display (LCD) has the merits of low consumption of electricity, high brightness, high degree of saturation, thin thickness, and lighter in weight, etc. But, in order to achieve these merits, the back light module plays the most important role in LCD. In this research, we first use cold-cathode-lamp tube as the source of light and analyzes the angle scopes for any geometric shapes of reflectors (holders) which reflects lights into the cold-cathode-lamp tube. We develop a reflector designing method to properly emit beams of light into the light-guide plate by referencing the mathematical algorithms of the reflecting angle scopes. Next, we simulate the luminous brightness and flux for ten different geometric shapes of reflectors. Then, we also make ten different geometric shapes of reflectors with stainless steel, and use BM-7 a brightness measuring machine to measure, respectively, the brightness and uniformity for the back-light module with each of the ten. Finally compare the results of simulation and the measured brightness and uniformity, and conclude the reflector with arc sink toward the tube has the optimal efficiency of brightness to cold-cathode-lamp tube. The results in the thesis to provide conception of geometric design of light-guide reflectors as the start point for the whole back-light module.

摘要…………………………………………………I
英文摘要………………………………………………………II
誌謝………………………………………………………III
目錄………………………………………………………IV
圖目錄………………………………………………………VII
表目錄………………………………………………………XII
第一章 緒論………………………………………………………1
1.1 研究背景…………………………………………………………1
1.2 文獻回顧…………………………………………………………2
1.3 研究動機與目的…………………………………………………5
1.3.1 研究動機…………………………………………5
1.3.2 研究目的…………………………………………6
1.4 研究方法…………………………………………………………8
1.5 內容簡介…………………………………………………………9
第二章 背光模組光學原理與結構介紹………………………11
2.1 光學基礎理論…………………………………………………11
2.1.1 反射定律…………………………………………………11
2.1.2 折射定律…………………………………………………13
2.1.3 發光強度…………………………………………………14
2.1.4 照度………………………………………………………16
2.1.5 亮度(輝度) ………………………………………………17
2.2 背光模組結構介紹……………………………………………19
第三章 反射罩幾何形狀設計與光學分析…………………26
3.1 幾何光學推導…………………………………………………26
3.1.1 平反射面燈罩理論推導……………………………… 28
3.1.2 凹向及凸向燈管圓弧反射面燈罩理論推導…………… 32
3.1.3 一段任意曲線反射面燈罩理論推導……………………38
3.1.4 橢圓弧反射面燈罩理論推導……………………………42
3.2 反射罩幾何形狀之設計………………………………………44
3.2.1 原始背光模組反射罩之介紹……………………………44
3.2.2 反射罩幾何形狀設計(一)………………………………45
3.2.3 反射罩幾何形狀設計(二)………………………………47
3.2.4 反射罩幾何形狀設計(三)………………………………49
3.3 反射罩在導光板入光側之照度分析………………………53
3.4反射罩在導光板入光側之照度分析…………………………55
3.5 結果與討論……………………………………………………58

第四章 背光模組反射罩製作與輝度量測……………………62
4.1 背光模組反射罩之製作………………………………………62
4.1.1 反射罩製作流程…………………………………………61
4.1.2 製作設計之反射罩………………………………………74
4.2 輝度檢測介紹…………………………………………………77
4.2.1 輝度檢測…………………………………………………77
4.2.2 均齊度檢測………………………………………………83
4.2.3 色溫………………………………………………………85
4.2.4 色度………………………………………………………86
4.3 背光模組輝度量測…………………………………………88
4.4 結果與討論……………………………………………………93
第五章 總結與未來展望…………………………………………95
5.1 總結…………………………………………………………… 95
5.2 未來展望……………………………………………………… 96
參考文獻………………………………………………………………97
附錄一 反射罩照度分析數據………………………………………100
附錄二 背光模組輝度量測數據……………………………………101
附錄三 背光模組輝度量測數據……………………………………102

圖目錄
圖1-1 光線之傳播係經過反射、折射或直線的行進……………3
圖1-2 光反射消耗區………………………………………………7
圖1-3 消耗區光線導出導光板圖………………………………… 7
圗1-4 燈罩圓弧改變增加導光範圍……………………………… 8
圖2-1 光的反射……………………………………………………12
圖2-2 單向反射……………………………………………………13
圖2-3 光的漫射……………………………………………………13
圖2-4 光的折射………………………………………………………14圖2-5 I發光強、Φ光通量、Ω立體角相對關係圖…………………15
圖2-6 照度分佈圖……………………………………………………17
圖2-7 輝度與照度及觀察範圍圖……………………………………18
圖2-8 背光模組主要光學元件結構圖………………………………19
圖2-9 冷陰極管………………………………………………………20
圖2-10 燈罩………………………………………………………21
圖2-11 反射片………………………………………………………22
圖2-12 上擴散片……………………………………………………23
圖2-13 增光片功能示意圖…………………………………………24
圖2-14 增光片 ………………………………………………………24
圖2-15 下擴散片………………………………………………………25
圖3-1 反射罩幾何形狀之設計總圖形………………………………27
圖3-2 平反射面與燈管幾何位置……………………………………28
圖3-3 光線由平反射面反射回燈管之角度範圍……………………28
圖3-4 光線由平反射面反射回燈管圖形應用……………………… 30
圖3-5 凹向燈管圓弧反射面燈罩反射面與燈管幾何位置………… 31
圖3-6 凹向燈管圓弧反射面燈罩幾何圖形應用…………………… 33
圖3-7 凸向燈管圓弧反射面燈罩反射面與燈管幾何位置…………34
圖3-8 內凸圓弧反射罩圓弧反射面與燈管幾何圖形應用…………36
圖3-9 凹向及凸向燈管圓弧反射面燈罩光路行進比較……………37
圖 3-10 使反射光避開射回燈管的方法……………………………38
圖3-11 任意曲線反射面與燈管幾何位置圖形……………………39
圖 3-12 任意曲線反射面與燈管幾何圖形應用……………………41
圖3-13 橢圓弧反射面與燈管幾何位置……………………………42
圖3-14 光線由橢圓弧反射面反射回燈管之角度範圍……………43
圖 3-15 橢圓弧反射面圖形應用……………………………………44
圖 3-16 原始反射罩…………………………………………………45
圖3-17 Holder-1半圓球形反射罩…………………………………46
圖3-18 Holder-2拋物面形反射罩…………………………………46
圖3-19 Holder-3階梯式曲面反射罩………………………………47
圖3-20 Holder-4倒角特稱反射罩…………………………………48
圖3-21 Holder-5倒角特稱反射罩…………………………………48
圖3-22 Holder-6倒角特稱反射罩…………………………………49
圖3-23 Holder-7凹槽設計反射罩…………………………………50
圖3-24 Holder-8凹槽設計反射罩…………………………………51
圖3-25 Holder-9凹槽設計反射罩…………………………………52
圖3-26 Holder-10凹槽設計反射罩………………………………52
圖3-27 汽車外部照明………………………………………………54
圖3-28 反射罩側面圖………………………………………………56
圖3-29 光跡模擬圖…………………………………………………57
圖3-30 感應面分析結果…………………………………………58
圖3-31 光學分析照度值…………………………………………59
圖3-32 照度平均值………………………………………………60
圖3-33 光通量………………………………………………………61
圖3-34 標準差………………………………………………………61
圖4-1 反射罩形狀…………………………………………………63
圖4-2 反射罩下料佈局圖…………………………………………65
圖4-3 下料模具組立圖……………………………………………67
圖4-4 下料模具模仁移出圖…………………………………………68
圖4-5 毛邊產生狀況……………………………………………69
圖 4-6 倒角模具……………………………………………………70圖 4-7 反射罩折彎模具…………………………………………71
圖 4-8 反射罩成形圖………………………………………………71
圖4-9 反射罩成型模具…………………………………………73
圖4-10 複合材料受力時的變化……………………………………74
圖4-11 反射罩成形模具(一) ………………………………………75
圖4-12 反射罩成形模具(二) ………………………………………76
圖4-13 成形後反射罩……………………………………………77
圖4-14 五點輝度量測…………………………………………………79
圖4-15 九點輝度量測…………………………………………………81
圖4-16 十三點輝度量測………………………………………………82
圖4-17 電流值提高時，燈管中央部份輝度相對提昇………………83
圖4-18 導光板的pattern設計………………………………………84
圖4-19 C.I.E標準色度座標……………………………………………87
圖4-20量測點參考依據………………………………………………88
圖4-21 輝度量測儀器…………………………………………………91
圖4-22 十三點量測法………………………………………………90
圖4-23 各種背光模組平均輝度………………………………………93
圖4-24 各種背光模組均齊度…………………………………………94

表目錄
表4-1燈罩鈑金展開計算數據……………………………………64
表4-2量測項目及規格說明………………………………………… 89

摘要…………………………………………………I
英文摘要………………………………………………………II
誌謝………………………………………………………III
目錄………………………………………………………IV
圖目錄………………………………………………………VII
表目錄………………………………………………………XII
第一章 緒論………………………………………………………1
1.1 研究背景…………………………………………………………1
1.2 文獻回顧…………………………………………………………2
1.3 研究動機與目的…………………………………………………5
1.3.1 研究動機…………………………………………5
1.3.2 研究目的…………………………………………6
1.4 研究方法…………………………………………………………8
1.5 內容簡介…………………………………………………………9
第二章 背光模組光學原理與結構介紹………………………11
2.1 光學基礎理論…………………………………………………11
2.1.1 反射定律…………………………………………………11
2.1.2 折射定律…………………………………………………13
2.1.3 發光強度…………………………………………………14
2.1.4 照度………………………………………………………16
2.1.5 亮度(輝度) ………………………………………………17
2.2 背光模組結構介紹……………………………………………19
第三章 反射罩幾何形狀設計與光學分析…………………26
3.1 幾何光學推導…………………………………………………26
3.1.1 平反射面燈罩理論推導……………………………… 28
3.1.2 凹向及凸向燈管圓弧反射面燈罩理論推導…………… 32
3.1.3 一段任意曲線反射面燈罩理論推導……………………38
3.1.4 橢圓弧反射面燈罩理論推導……………………………42
3.2 反射罩幾何形狀之設計………………………………………44
3.2.1 原始背光模組反射罩之介紹……………………………44
3.2.2 反射罩幾何形狀設計(一)………………………………45
3.2.3 反射罩幾何形狀設計(二)………………………………47
3.2.4 反射罩幾何形狀設計(三)………………………………49
3.3 反射罩在導光板入光側之照度分析………………………53
3.4反射罩在導光板入光側之照度分析…………………………55
3.5 結果與討論……………………………………………………58

第四章 背光模組反射罩製作與輝度量測……………………62
4.1 背光模組反射罩之製作………………………………………62
4.1.1 反射罩製作流程…………………………………………61
4.1.2 製作設計之反射罩………………………………………74
4.2 輝度檢測介紹…………………………………………………77
4.2.1 輝度檢測…………………………………………………77
4.2.2 均齊度檢測………………………………………………83
4.2.3 色溫………………………………………………………85
4.2.4 色度………………………………………………………86
4.3 背光模組輝度量測…………………………………………88
4.4 結果與討論……………………………………………………93
第五章 總結與未來展望…………………………………………95
5.1 總結…………………………………………………………… 95
5.2 未來展望……………………………………………………… 96
參考文獻………………………………………………………………97
附錄一 反射罩照度分析數據………………………………………100
附錄二 背光模組輝度量測數據……………………………………101
附錄三 背光模組輝度量測數據……………………………………102

圖目錄
圖1-1 光線之傳播係經過反射、折射或直線的行進……………3
圖1-2 光反射消耗區………………………………………………7
圖1-3 消耗區光線導出導光板圖………………………………… 7
圗1-4 燈罩圓弧改變增加導光範圍……………………………… 8
圖2-1 光的反射……………………………………………………12
圖2-2 單向反射……………………………………………………13
圖2-3 光的漫射……………………………………………………13
圖2-4 光的折射………………………………………………………14圖2-5 I發光強、Φ光通量、Ω立體角相對關係圖…………………15
圖2-6 照度分佈圖……………………………………………………17
圖2-7 輝度與照度及觀察範圍圖……………………………………18
圖2-8 背光模組主要光學元件結構圖………………………………19
圖2-9 冷陰極管………………………………………………………20
圖2-10 燈罩………………………………………………………21
圖2-11 反射片………………………………………………………22
圖2-12 上擴散片……………………………………………………23
圖2-13 增光片功能示意圖…………………………………………24
圖2-14 增光片 ………………………………………………………24
圖2-15 下擴散片………………………………………………………25
圖3-1 反射罩幾何形狀之設計總圖形………………………………27
圖3-2 平反射面與燈管幾何位置……………………………………28
圖3-3 光線由平反射面反射回燈管之角度範圍……………………28
圖3-4 光線由平反射面反射回燈管圖形應用……………………… 30
圖3-5 凹向燈管圓弧反射面燈罩反射面與燈管幾何位置………… 31
圖3-6 凹向燈管圓弧反射面燈罩幾何圖形應用…………………… 33
圖3-7 凸向燈管圓弧反射面燈罩反射面與燈管幾何位置…………34
圖3-8 內凸圓弧反射罩圓弧反射面與燈管幾何圖形應用…………36
圖3-9 凹向及凸向燈管圓弧反射面燈罩光路行進比較……………37
圖 3-10 使反射光避開射回燈管的方法……………………………38
圖3-11 任意曲線反射面與燈管幾何位置圖形……………………39
圖 3-12 任意曲線反射面與燈管幾何圖形應用……………………41
圖3-13 橢圓弧反射面與燈管幾何位置……………………………42
圖3-14 光線由橢圓弧反射面反射回燈管之角度範圍……………43
圖 3-15 橢圓弧反射面圖形應用……………………………………44
圖 3-16 原始反射罩…………………………………………………45
圖3-17 Holder-1半圓球形反射罩…………………………………46
圖3-18 Holder-2拋物面形反射罩…………………………………46
圖3-19 Holder-3階梯式曲面反射罩………………………………47
圖3-20 Holder-4倒角特稱反射罩…………………………………48
圖3-21 Holder-5倒角特稱反射罩…………………………………48
圖3-22 Holder-6倒角特稱反射罩…………………………………49
圖3-23 Holder-7凹槽設計反射罩…………………………………50
圖3-24 Holder-8凹槽設計反射罩…………………………………51
圖3-25 Holder-9凹槽設計反射罩…………………………………52
圖3-26 Holder-10凹槽設計反射罩………………………………52
圖3-27 汽車外部照明………………………………………………54
圖3-28 反射罩側面圖………………………………………………56
圖3-29 光跡模擬圖…………………………………………………57
圖3-30 感應面分析結果…………………………………………58
圖3-31 光學分析照度值…………………………………………59
圖3-32 照度平均值………………………………………………60
圖3-33 光通量………………………………………………………61
圖3-34 標準差………………………………………………………61
圖4-1 反射罩形狀…………………………………………………63
圖4-2 反射罩下料佈局圖…………………………………………65
圖4-3 下料模具組立圖……………………………………………67
圖4-4 下料模具模仁移出圖…………………………………………68
圖4-5 毛邊產生狀況……………………………………………69
圖 4-6 倒角模具……………………………………………………70圖 4-7 反射罩折彎模具…………………………………………71
圖 4-8 反射罩成形圖………………………………………………71
圖4-9 反射罩成型模具…………………………………………73
圖4-10 複合材料受力時的變化……………………………………74
圖4-11 反射罩成形模具(一) ………………………………………75
圖4-12 反射罩成形模具(二) ………………………………………76
圖4-13 成形後反射罩……………………………………………77
圖4-14 五點輝度量測…………………………………………………79
圖4-15 九點輝度量測…………………………………………………81
圖4-16 十三點輝度量測………………………………………………82
圖4-17 電流值提高時，燈管中央部份輝度相對提昇………………83
圖4-18 導光板的pattern設計………………………………………84
圖4-19 C.I.E標準色度座標……………………………………………87
圖4-20量測點參考依據………………………………………………88
圖4-21 輝度量測儀器…………………………………………………91
圖4-22 十三點量測法………………………………………………90
圖4-23 各種背光模組平均輝度………………………………………93
圖4-24 各種背光模組均齊度…………………………………………94

表目錄
表4-1燈罩鈑金展開計算數據……………………………………64
表4-2量測項目及規格說明………………………………………… 89

1.郁佳錚，“中光電大陸廠產能營運成長動能”，中光電-內部週刊94.12.14。
2.邱正茂 “LCD-TV背光源的發展現況” 工業材料, 94.05
3.黃登英，“我國TFT-LCD產業經營與競爭優勢之探討”,機械工業雜
誌,92.7。
4.鍾慶宇，“背光模組產業展望”，工業技術研究院產業經濟與趨勢研
究中心，94.12。
5. Yoshitaka Koyama, “Ray-Tracing Simulation in LCD Development”,May 18(2001).
6. University of Chicago “ Commercialization of Solar Collectors”Department of
Physics - 5640 S. Ellis Ave., Chicago, IL 60637uchicago - ©2001 The University of
Chicago Department of Physics
7. Yerkes Observatory “Why are most research telescopes
reflectors” Content originally generated in March
1995.U.S.Department of Energy ”Published: January 2000
8. W.T. Welford and R. Winston “NONIMAGING OPTICS”,
Burlington, MA : :Elsevier Academic Press,, c2005
9. Yerkes Observatory “Definitions of Reflector and Refractor” Content
originally generated in March 1995.
10. 6. The Royal Astronomical Society of Canada“Light Pollution
Abatement Site。
11. R. Winston and H. Ries, “Nonimaging reflectors as
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12.楊宗長，“液晶顯示器背光系統光學設計研究”清雲科大電機研究所 93。
13. 蔡耀葳, “LCD背光模組中稜鏡片之結構設計”, 國立中山大學機械機電工程學系研究所93
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15.方育斌 “LCD背光模組之光學最佳化設計” 國立成功大學國立成功大學工程科學系碩士班92
16.胡雁程 “液晶電視背光模組之光學設計”,國立清華大學光電工程研究所93
17.張耀祖, “使用發光二極體為光源的背光板設計”,中華大學電機工程學系碩士班 92
18.陳永坤, “雙面微溝槽之薄件射出成形研究”國立台灣科技大學機械工程系碩士93
19.林明德, “利用半圓柱透鏡與溝槽結構來增進前光模組LCD的亮度與均勻度”國立台灣科技大學電子工程系博士91
20.工業技術研究院奈米科技研發中心網站首頁,95.6
21.台灣歐司朗股份有限公司網站,95.6
22.台灣歐司朗股份有限公司網站,95.6
23. 詹誌銘，“背光模組結構認識” 瑞儀光電 內部教育訓練文件。
24. Vanguard Information Co., Ltd. “OPTISWORKS ” 。
25.黃錦煌，“Notes of Elasticity第四章應變”，逢甲大學機電系 教
授。