液晶顯示器廣泛應用在電腦、可攜式電子裝置、電視等各種領域，目前幾乎成為平面顯示器的主流。隨著液晶顯示器的普及化，市場競爭也更加激烈，對液晶顯示器要求低成本、高效益、高性能的聲浪則日益高漲。接著本文要介紹液晶顯示器背光照明模組的光學膜片應用技巧。
基本結構
液晶顯示器屬於被動元件，必須利用背光照明模組才能夠讀取畫面上的影像資料，因此設計上要求背光照明模組具備高輝度、亮度均勻、結構單純、低耗電、耐溫度、濕度、振動等特性。
圖一是背光照明模組的基本結構，背光照明模組的光源大多使用冷陰極燈管，背光照明模組主要分成端緣入光與直下入光兩種型式，24吋以下的液晶顯示器，大多採用端緣入光方式。
端緣入光方式
如圖一（a）所示，端緣入光型背光照明模組側面的LED，或是冷陰極燈管出射的光線，透過導光板均勻擴散到顯示面，導光板下面的反射膜片會使朝下的光線再度折返導光板，導光板上面的擴散膜片可以減緩導光板上網點與畫素圖案互動（interaction）造成的紋縞（moire）。
端緣入光型使用楔型導光板只使用一個光源，因此可以抑制結構尺寸與消耗電力，端緣入光型背光照明模組主要應用在筆記型電腦等小型液晶顯示器。
圖一（b）同樣使用楔型導光板，不過它屬於大輝度、雙燈管、端緣入光型背光照明模組，這種背光照明模組主要應用在電腦監視器等領域。
直下入光方式
圖一（c）的直下入光型背光照明模組可以提供大面積、均勻輝度，如圖所示光源均勻設置在擴散板下方，擴散板上方設置具備收斂（collimate）光線的擴散膜片，藉此使顯示器前方輝度最大化，同時抑制燈管的消耗電力，直下入光型背光照明模組主要應用在液晶電視等領域。
圖一（a）的稜鏡膜片可以收斂縱橫向光線，獲得最大前方輝度與最小消耗電力
；圖一（b）與（b）的顯示器基於滿足使用者從正面方向以外的角度觀視畫面等要求，因此稜鏡膜片通常只收斂縱向光線，使橫向視角擴散。
此外擴散膜片的上方會設置可以弱化擴散膜片缺陷、瑕疵的擴散膜片，或是偏光再利用光學膜片。偏光再利用光學膜片可以反射原本被面板下方偏光板吸收的偏光方向光線，使面板背面偏光光線再度通過面板，提高顯示器正面輝度。
圖二是直下型背光模組的光學膜片與輝度的關係，由圖可知微鏡片型擴散膜片與單稜鏡膜片的組合，可以提高75％前方輝度。
圖中的輝度曲線非常細長，前方峰值很高聳，主要原因是稜鏡膜片削減前方逃逸的光線，使光線收斂至觀視者正面方向，加上第二片直角稜鏡膜片收斂橫向光線，因此前方輝度比單純擴散膜片提高100％，不過這種組合方式成本有暴增之虞，除特殊設計要求外，目前幾乎很少採用這方式。
| 《圖二 直下型背光模組的光學膜片與輝度的關係（微鏡片型擴散膜片）》 |
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光擴散技術
背光模組使用的光線控制膜片主要是以擴散膜片為主，如圖三所示擴散技術分成bulk擴散與表面凹凸擴散兩種。
bulk擴散
bulk擴散指收斂的光束通過擴散膜片，光束會被散發擴大，它是利用表面凹凸使光束折射、散亂，或是利用膜片內部分散的粒子使光線散亂。觀視物與觀視者之間挾持擴散膜片時，觀視者不易看到膜片微細缺陷、瑕疵，具有良好的模糊（blur）效果，換句話說良好的擴散膜片擁有強大的模糊效果，它可以遮蔽導光板表面網點，或是直下型背光模組燈管的人工性缺陷、瑕疵。
分散在圖三（a）散膜膜片內部的粒子直徑大約是2～8μm，折射率比周圍素材大0.1單位，折射率可以依照散亂理論作均勻系統設計，類似這類任意（random）擴散膜片大多擁有強大的模糊效果。
表面凹凸擴散
第二種擴散技術是表面凹凸擴散方式，如圖三（b）所示，表面本身會產生強大的模糊效果，類似這類的表面通常是以Ra表示表面粗糙度，以μm表示高度的平均偏差。如果仔細觀察膜片可以發現，膜片表面是由具備某種傾斜角度，可以使光擴散的複數粗糙平面（facet）構成。
擴散膜片的擴散特性通常是以濁度（HAZE）表示，所謂HAZE是指穿透光線在前方彎曲2.5°以上的百分比而言，上述Ra與濁度都是管理模糊效果最有效的數據。
此外圖三（c）的珠狀覆膜擴散膜片是在均勻平面膜片上，包覆球狀珠串與膠合樹脂，膠合劑太多時珠串會凸出，膜片表面形成任意粗糙度，膠合劑不足時膜片表面會形成類似微鏡片的起伏狀，它可以減緩擴散效果，增加收光特性。
圖四是擴散板的前方輝度與遮蔽力之間的互動關係，由圖可知提高散亂粒子濃度，遮蔽力會提高，前方輝度則降低，此外擴散板表面的起伏，可以調整前方輝度與遮蔽力之間的互動關係，不要求強大遮蔽力的應用，大多透過上述精密控制手段達成預期目標。
| 《圖四 擴散輝度板與Hiding power的關係》 |
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上擴散膜片與筆記型電腦用下擴散膜片，大多利用任意表面起伏擴散技術製作，上擴散膜片低噪訊遮蔽效果較弱，它可以遮蔽低對比缺陷或是光學膜片下方元件造成的人工性瑕疵。
筆記型電腦用下擴散膜片，必須具備強大模糊效果遮蔽導光板網點圖案，因此濁度值非常高，如果上、下擴散膜片都是任意表面起伏狀時就無收光效果，尤其是電腦監視器與直下入光型背光照明模組使用的下擴散膜片，被設計成非任意粗糙度，如此才能夠發揮收光效果。
光收斂技術
光線收斂膜片的表面具備精密週期性結構。圖五是稜鏡膜片的光線準直化（光線收斂）動作原理，圖中三種稜鏡的頂點角度分別是70°、90°、110°，三種光線的入射角度分別是0°、89°，以及與出射光線呈垂直的選擇性角度。
根據以往的實際經驗顯示，過大的稜鏡頂點角度的收光效果反而非常低，主要原因是稜鏡表面如果太平面化時，不但無法發揮光學作用，反而會使膜片背面的光線折射。
角度超過39°以上光線幾乎無法入射，反過來說膜片背面很粗糙，或是光線在膜片內部散亂時，即使大角度光線也可以入射，不過光線會以大角度出射，因此表面粗糙或是膜片內部散亂，反而成為妨礙稜鏡膜片效果的主要原因。
圖五（b）的稜鏡頂點角度為90°，光線以低於10°以下的角度觸及稜鏡膜片時，光線會在稜鏡面進行39°以上轉換，接著在兩稜鏡面全反射再折返反射膜片。
由於散亂光本身具備大角度分佈，因此散亂光會朝光學膜層前進，類似這樣的集光膜片特徵稱為光循環。
使用單稜鏡膜片時大約只有42％的光線通過，各光線平均循環1.2次，其中10％的光線會通過光學膜層5次。
筆記型電腦用收光稜鏡，第一次只有30％的光線通過，雖然看起來似乎收光效率很差，不過它是發揮收光膜片不可欠缺的步驟。
相較於光線以接近90°入射至稜鏡膜片，再以35°出射的稜鏡膜片，上述筆記型電腦用收光稜鏡，光線以10°～90°入射再以35°出射，因此光線被集中在觀視者正面方向。
如圖五（c）所示110°大稜鏡頂點角的場合，接近垂直方向的光線未全反射，反而與垂直方向呈30°折返，這意味著光線循環集光效率極差。接近90°的光線同樣與垂直方向呈41°折返，顯示大稜鏡頂點角的效果非常低。
如圖五（a）所示70°小稜鏡頂點角的場合，接近水平方向的入射光線以29°出射，雖然它的收光效果很高，不過接近垂直方向的入射光線會被全反射，接觸稜鏡面之後再與垂直方向呈80°以上角度通過第二稜鏡面，因此整體集光效果大幅降低。
圖六是上述三種情況對橫向角度的光分佈特性，由圖可知稜鏡一旦超過90°時，它的收光效果就會變差，以急峻角度觀察時輝度非常高，主要原因是觀察角度接近90°時，人眼會從全銀幕寬度取樣，而且會有很小比率的光線觸及圖五描繪的對向側的平面，其結果造成急峻角度觀察時輝度非常高。
事實上有許多變數會影響稜鏡膜片的收光效果，一般而言高折射率素材的光線彎曲、收光效果比較高，例如提高折射率0.1單位，單稜鏡膜片層前方的輝度會增加10％，類似這樣稍為改變稜鏡面曲度，或是使稜鏡頂點變圓等幾何上變化，都會使稜鏡膜片的收光效果降低。
圖七是微鏡片型擴散膜片的結構與效益的互動特性，如圖所示所有「下稜鏡膜片」的表面都包覆半球狀凸出物，根據圖中的資料顯示，雖然它的收光效果受到半球狀凸出物分佈影響，動作原理與一般稜鏡膜片相同，不過收光效果並不好。
微鏡片上方與凸出物之間的平面面積，等同於一般平面稜鏡膜片或是大頂點角稜鏡，角度很急峻的半球外圍，等同於小頂點角稜鏡，因此只有具備適度傾斜部位會發揮收光效果，急峻角度與大角度分佈則對擴散與遮蔽效果產生貢獻。
以圖六而言，微鏡片型擴散膜片的收光效果，比頂點角度為70°稜鏡膜片好，比90°稜鏡膜片差，主要原因是擴散與遮蔽兩者的互動關係所造成。
此處回顧圖五（b）探討擴散膜片與稜鏡膜片之間的互動關係時，可以發現稜鏡膜片具有獨特的「接受角度」，單稜鏡膜片時光線以31°，集光稜鏡膜片（cross prism sheet）以48°入射的話，出射的光線剛好會朝前方。
端緣入光型背光照明模組的場合，從導光板出射的光線角度分佈，會與垂直方向呈50°擴散，接著再利用微鏡片型擴散膜片的收光效果，使光線方向呈35°曲折。
使用單片稜鏡膜片層的場合，下擴散膜片大多選擇微鏡片型擴散膜片；使用收斂稜鏡膜片的場合，大多選擇任意下擴散膜片，主要理由是從導光板出射的光線接近理想角度，因此稜鏡的頂點角度設計成35°就能夠使輝度降低。
橫紋縞的處理
以週期性結構獲得收光效果的膜片，與週期性設置的液晶畫素cell組合時，兩者互動會產生影響視覺的紋縞（moire），雖然上述兩元件的結構非常小，不過裸眼會清楚視認兩元件的干涉圖案。
液晶畫素cell排列（array）可以透過光學穿透圖案（pattern）以Mask關數表示，照射照度變化則以頻率範圍表示，此時若與Mask關數的Fourier變換進行合成時，週期性畫素cell排列的折返頻譜會產生許多空間頻率，由於空間頻率與紋縞的發生有直接關連，因此觀視者看到的紋縞模樣會出現折返效應。
如圖八所示LCD的畫素間距為150～500μm，稜鏡為25～50μm，即使如此兩者的互動關係，同樣會產生間距0.3～5mm橫紋縞。
圖中的次畫素（sub pixel）以RGB順序，在畫素間距 內橫向排列，雖然LCD面板下方有間距為 的稜鏡膜片，不過顯示器若設置兩個集光稜鏡膜片時，可能會產生兩種橫紋縞，主要原因是與橫軸呈平行設置的稜鏡膜片，會與LCD縱向間距方向的互動產生灰色紋縞，與縱軸呈平行設置的稜鏡膜片，會與LCD橫向間距方向的互動產生有色紋縞。
消除紋縞的手段之一是在產生互動元件之間設置擴散膜片使紋縞模糊，具備週期性結構的稜鏡膜片與畫素之間的互動造成的頻率，可用以下公式表示:
根據上式可知 時，紋縞的週期會變成無限大，亦即畫素間距是稜鏡間距的倍數時可以淡化紋縞。
對稜鏡間距而言，它意味著要求將紋縞的折返週期抑制在最小範圍，此處所謂的最佳紋縞週期是指 的條件完全獲得滿足，至於紋縞的最小週期是指 而言。
| 《圖八 一般液晶面板的畫素與稜鏡膜片相互關係造成的紋縞》 |
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圖九是最大折返週期與稜鏡膜片週期的互動關係。它是利用畫素間距為153μm的顯示器測試獲得的結果。
由圖可知公式二可以精確預估折返週期，紋縞週期最小時（ ），即使未使用上擴散膜片也完全無紋縞現象，隨著紋縞週期的變長，紋縞越來越明顯。
使畫素結構（亦即液晶顯示器）對稜鏡膜片旋轉的場合，紋縞會跟著旋轉，有效週期則隨著改變，換句話說旋轉稜鏡膜片確實可以避免長週期的紋縞。
如圖十所示旋轉13°時效果最好，此時如果正負微調旋轉角度，視覺上會出現非常怪異的紋縞。
然而實際上旋轉除了會造成集光性能略為下降之外，量產時稜鏡膜片斜向裁切會產生巨額的材料損失，因此消除紋縞最佳對策，是消除稜鏡膜片精密結構造成的週期性。
圖十一是非線形變調稜鏡膜片結構，它是左右單獨任意調整稜鏡膜片的頂點動跡，利用縱向變調影響稜鏡膜片的圖案外形。
此處將頂點曲率構成的模糊度定義成弓擴散，雖然一般動跡曲率的模糊度不會大幅增加，不過GE公司的「Illuminex ADF」的結構，卻能夠同時提供集光與擴散效果。
變調稜頂點的平均位置幾乎與未變調直線型稜鏡完全相同，頂點位置的變動則利用標準偏差（σ）表示，此時就可以決定對應各稜頂點的平均位置的變動。
變調度主要是表示是否影響可視性的數據，因此必須先定義相對紋縞的關數（RM：Relative Moire）。RM是利用具備相同幾何性圖案變數（間距與平面形狀）的直線型稜鏡樣品紋縞強度變動，除以變調稜鏡樣品的紋縞強度變動獲得的結果，RM是變調稜鏡與相同間距的直線型稜鏡比較時，表示紋縞降低的程度，未變調稜鏡（σ=0）的場合，RM被定義成1。
圖十二是表示RM表面結構的稜鏡與稜鏡變調互動關係的關數實驗結果，圖下方的照片是變調稜鏡與直線型稜鏡的比較。由圖可知以X軸的標準偏差（Standard Deviation）/間距表示的 ，如比0.3更低時RM會低於0.1，此時紋縞幾乎消失。
結語
以上介紹液晶顯示器背光照明模組的光學膜片應用技巧，擴散、集光膜片對液晶顯示器的光學性能具有絕對性影響。在此同時市場對液晶顯示器要求低成本、高效益、高性能的壓力卻不斷增加，因此未來相關業者必需持續開發各種新型光學膜片才能夠滿足市場的需求。
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