背光模組常用光學原理

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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(TotalInternal 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(Diffusereflection)，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(Diffusereflectance)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。折射取決於二個因子：一個是入射角(Incident angle)以符號表示，另一個為材料的折射率(Refractive index)，以字母表示，折射率等於真空中的光速(c)比上光在材料中的光速(v)：

                      (1-1)

                                                                                                              

   空氣中的光速幾乎相同於真空中的光速，因此空氣的折射率可視為1，幾乎所有其他物質的折射率都是大於1，因為光通過這些物質，其速度會降低。如圖1-6，光通過折射率不同的介質時，入射角和折射角的關係可由Snell´s law表示：

 

            (1-2)

 

其中：n1為介質1的折射率，

n2為介質2的折射率，

θ1為光線的入射角，

θ2為光線的折射角。

圖1-6. 折射(Refraction)and Snell´s law.

 

   (三)全反射(TotalInternal Reflection, TIR)---導光板、擴散片、稜鏡片

   根據折射定律，當光由一個較高折射率的材料行進到一個較低折射率的材料時，隨著入射角的增大，折射光會愈偏離法線，當入射角達到一個臨界角度(Critical Angle, )，折射光線將會通過兩種材料的邊界，若入射角再增大，所有的光線將被反射回材料的內部。圖1-7在說明幾條不同入射角的光線，光線1、光線2和光線3的入射角小於；光線4的入射角正好等於；光線5的入射角大於。背光的材料中如PMMA其TIR = 42.2°、Typical glass其TIR = 41.8°，Polycarbonate其TIR = 35.7°。

圖1-7. 全反射示意圖

   (四)吸收(Absorption)---反射片、導光板、擴散片、稜鏡片

   一個物體可以吸收部分或全部的入射光轉換成熱，許多材料會吸收特定波長的光線，稱之為選擇性吸收(Selective absorption)。材料對光線的吸收性可由「Lambert´slaw of absorption」表示：

                          (1-3)

其中I0為入射光線強度，I為穿透光線強度，α為材料吸收係數，x為材料厚度。

   由式(3-3)可知相同厚度的同質材料對於光的吸收率相同，例如有一個厚度1公分的材料會將進來的光線吸收一半，剩下的一半光線再經過另外一塊厚度1公分的相同材料，又會再將光束吸收一半，如圖1-8，因此只有的原始光線穿過這個總厚度為2公分的材料。

 

圖1-8材料吸收光線示意圖

 

    (五)幹涉

 

    ※牛頓環(Newton’s Rings)

當光進入一如下面圖片所示的系統，由於此二物體之間的間隙隨著距離中心接觸點位置變化而改變，所以考慮反射光時，其OPD隨r的增加而增加，所以會觀測到同心圓圖案的幹涉現象。

根據破壞性幹涉的條件，暗紋應發生在

疊紋現象(Moire)

因為前光板都是使用V-Cut 的紋路式樣，而V-Cut 的紋路在光學理論上可以視為一種光柵，而在紋路間距與反射面的距離與光的波長成為相差整數個波長時，V-Cut 紋路會造成一條條的亮帶及暗帶在螢幕上，稱之為疊紋（Moire）（圖4-7）。為了不使人們看見此一現象，通常我們會將V-Cut 紋路傾斜防止疊紋的產生。在Trace Pro 中因為

其運算的基礎為幾何光學，對於疊紋的現象無法與以展現，因此本論文的光學模擬將不探討疊紋的現象。

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