液晶显示器广泛应用在电脑、可携式电子装置、电视等各种领域，目前几乎成为平面显示器的主流。随着液晶显示器的普及化，市场竞争也更加激烈，对液晶显示器要求低成本、高效益、高性能的声浪则日益高涨。接着本文要介绍液晶显示器背光照明模组的光学膜片应用技巧。
基本结构
液晶显示器属于被动元件，必须利用背光照明模组才能够读取画面上的影像资料，因此设计上要求背光照明模组具备高辉度、亮度均匀、结构单纯、低耗电、耐温度、湿度、振动等特性。
图一是背光照明模组的基本结构，背光照明模组的光源大多使用冷阴极灯管，背光照明模组主要分成端缘入光与直下入光两种型式，24吋以下的液晶显示器，大多采用端缘入光方式。
端缘入光方式
如图一（a）所示，端缘入光型背光照明模组侧面的LED，或是冷阴极灯管出射的光线，透过导光板均匀扩散到显示面，导光板下面的反射膜片会使朝下的光线再度折返导光板，导光板上面的扩散膜片可以减缓导光板上网点与画素图案互动（interaction）造成的纹缟（moire）。
端缘入光型使用楔型导光板只使用一个光源，因此可以抑制结构尺寸与消耗电力，端缘入光型背光照明模组主要应用在笔记型电脑等小型液晶显示器。
图一（b）同样使用楔型导光板，不过它属于大辉度、双灯管、端缘入光型背光照明模组，这种背光照明模组主要应用在电脑监视器等领域。
直下入光方式
图一（c）的直下入光型背光照明模组可以提供大面积、均匀辉度，如图所示光源均匀设置在扩散板下方，扩散板上方设置具备收敛（collimate）光线的扩散膜片，借此使显示器前方辉度最大化，同时抑制灯管的消耗电力，直下入光型背光照明模组主要应用在液晶电视等领域。
图一（a）的稜鏡膜片可以收敛纵横向光线，获得最大前方辉度与最小消耗电力
；图一（b）与（b）的显示器基于满足使用者从正面方向以外的角度观视画面等要求，因此稜鏡膜片通常只收敛纵向光线，使横向视角扩散。
此外扩散膜片的上方会设置可以弱化扩散膜片缺陷、瑕疵的扩散膜片，或是偏光再利用光学膜片。偏光再利用光学膜片可以反射原本被面板下方偏光板吸收的偏光方向光线，使面板背面偏光光线再度通过面板，提高显示器正面辉度。
图二是直下型背光模组的光学膜片与辉度的关系，由图可知微镜片型扩散膜片与单稜鏡膜片的组合，可以提高75％前方辉度。
图中的辉度曲线非常细长，前方峰值很高耸，主要原因是稜鏡膜片削减前方逃逸的光线，使光线收敛至观视者正面方向，加上第二片直角稜鏡膜片收敛横向光线，因此前方辉度比单纯扩散膜片提高100％，不过这种组合方式成本有暴增之虞，除特殊设计要求外，目前几乎很少采用这方式。
| 《图二 直下型背光模块的光学膜片与辉度的关系（微镜片型扩散膜片）》 |
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光扩散技术
背光模组使用的光线控制膜片主要是以扩散膜片为主，如图三所示扩散技术分成bulk扩散与表面凹凸扩散两种。
bulk扩散
bulk扩散指收敛的光束通过扩散膜片，光束会被散发扩大，它是利用表面凹凸使光束折射、散乱，或是利用膜片内部分散的粒子使光线散乱。观视物与观视者之间挟持扩散膜片时，观视者不易看到膜片微细缺陷、瑕疵，具有良好的模糊（blur）效果，换句话说良好的扩散膜片拥有强大的模糊效果，它可以遮蔽导光板表面网点，或是直下型背光模组灯管的人工性缺陷、瑕疵。
分散在图三（a）散膜膜片内部的粒子直径大约是2～8μm，折射率比周围素材大0.1单位，折射率可以依照散乱理论作均匀系统设计，类似这类任意（random）扩散膜片大多拥有强大的模糊效果。
表面凹凸扩散
第二种扩散技术是表面凹凸扩散方式，如图三（b）所示，表面本身会产生强大的模糊效果，类似这类的表面通常是以Ra表示表面粗糙度，以μm表示高度的平均偏差。如果仔细观察膜片可以发现，膜片表面是由具备某种倾斜角度，可以使光扩散的复数粗糙平面（facet）构成。
扩散膜片的扩散特性通常是以浊度（HAZE）表示，所谓HAZE是指穿透光线在前方弯曲2.5°以上的百分比而言，上述Ra与浊度都是管理模糊效果最有效的数据。
此外图三（c）的珠状覆膜扩散膜片是在均匀平面膜片上，包覆球状珠串与胶合树脂，胶合剂太多时珠串会凸出，膜片表面形成任意粗糙度，胶合剂不足时膜片表面会形成类似微镜片的起伏状，它可以减缓扩散效果，增加收光特性。
图四是扩散板的前方辉度与遮蔽力之间的互动关系，由图可知提高散乱粒子浓度，遮蔽力会提高，前方辉度则降低，此外扩散板表面的起伏，可以调整前方辉度与遮蔽力之间的互动关系，不要求强大遮蔽力的应用，大多透过上述精密控制手段达成预期目标。
| 《图四 扩散辉度板与Hiding power的关系》 |
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上扩散膜片与笔记型电脑用下扩散膜片，大多利用任意表面起伏扩散技术制作，上扩散膜片低噪讯遮蔽效果较弱，它可以遮蔽低对比缺陷或是光学膜片下方元件造成的人工性瑕疵。
笔记型电脑用下扩散膜片，必须具备强大模糊效果遮蔽导光板网点图案，因此浊度值非常高，如果上、下扩散膜片都是任意表面起伏状时就无收光效果，尤其是电脑监视器与直下入光型背光照明模组使用的下扩散膜片，被设计成非任意粗糙度，如此才能够发挥收光效果。
光收敛技术
光线收敛膜片的表面具备精密周期性结构。图五是稜鏡膜片的光线准直化（光线收敛）动作原理，图中三种稜鏡的顶点角度分别是70°、90°、110°，三种光线的入射角度分别是0°、89° ，以及与出射光线呈垂直的选择性角度。
根据以往的实际经验显示，过大的稜鏡顶点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时，不但无法发挥光学作用，反而会使膜片背面的光线折射。
角度超过39°以上光线几乎无法入射，反过来说膜片背面很粗糙，或是光线在膜片内部散乱时，即使大角度光线也可以入射，不过光线会以大角度出射，因此表面粗糙或是膜片内部散乱，反而成为妨碍稜鏡膜片效果的主要原因。
图五（b）的稜鏡顶点角度为90°，光线以低于10°以下的角度触及稜鏡膜片时，光线会在稜鏡面进行39°以上转换，接着在两稜鏡面全反射再折返反射膜片。
由于散乱光本身具备大角度分布，因此散乱光会朝光学膜层前进，类似这样的集光膜片特征称为光循环。
使用单稜鏡膜片时大约只有42％的光线通过，各光线平均循环1.2次，其中10％的光线会通过光学膜层5次。
笔记型电脑用收光稜鏡，第一次只有30％的光线通过，虽然看起来似乎收光效率很差，不过它是发挥收光膜片不可欠缺的步骤。
相较于光线以接近90°入射至稜鏡膜片，再以35°出射的稜鏡膜片，上述笔记型电脑用收光稜鏡，光线以10°～90°入射再以35°出射，因此光线被集中在观视者正面方向。
如图五（c）所示110°大稜鏡顶点角的场合，接近垂直方向的光线未全反射，反而与垂直方向呈30°折返，这意味着光线循环集光效率极差。接近90°的光线同样与垂直方向呈41°折返，显示大稜鏡顶点角的效果非常低。
如图五（a）所示70°小稜鏡顶点角的场合，接近水平方向的入射光线以29°出射，虽然它的收光效果很高，不过接近垂直方向的入射光线会被全反射，接触稜鏡面之后再与垂直方向呈80°以上角度通过第二稜鏡面，因此整体集光效果大幅降低。
图六是上述三种情况对横向角度的光分布特性，由图可知稜鏡一旦超过90°时，它的收光效果就会变差，以急峻角度观察时辉度非常高，主要原因是观察角度接近90°时，人眼会从全银幕宽度取样，而且会有很小比率的光线触及图五描绘的对向侧的平面，其结果造成急峻角度观察时辉度非常高。
事实上有许多变数会影响稜鏡膜片的收光效果，一般而言高折射率素材的光线弯曲、收光效果比较高，例如提高折射率0.1单位，单稜鏡膜片层前方的辉度会增加10％，类似这样稍为改变稜鏡面曲度，或是使稜鏡顶点变圆等几何上变化，都会使稜鏡膜片的收光效果降低。
图七是微镜片型扩散膜片的结构与效益的互动特性，如图所示所有「下稜鏡膜片」的表面都包覆半球状凸出物，根据图中的资料显示，虽然它的收光效果受到半球状凸出物分布影响，动作原理与一般稜鏡膜片相同，不过收光效果并不好。
微镜片上方与凸出物之间的平面面积，等同于一般平面稜鏡膜片或是大顶点角稜鏡，角度很急峻的半球外围，等同于小顶点角稜鏡，因此只有具备适度倾斜部位会发挥收光效果，急峻角度与大角度分布则对扩散与遮蔽效果产生贡献。
以图六而言，微镜片型扩散膜片的收光效果，比顶点角度为70°稜鏡膜片好，比90°稜鏡膜片差，主要原因是扩散与遮蔽两者的互动关系所造成。
此处回顾图五（b）探讨扩散膜片与稜鏡膜片之间的互动关系时，可以发现稜鏡膜片具有独特的「接受角度」，单稜鏡膜片时光线以31°，集光稜鏡膜片（cross prism sheet）以48°入射的话，出射的光线刚好会朝前方。
端缘入光型背光照明模组的场合，从导光板出射的光线角度分布，会与垂直方向呈50°扩散，接着再利用微镜片型扩散膜片的收光效果，使光线方向呈35°曲折。
使用单片稜鏡膜片层的场合，下扩散膜片大多选择微镜片型扩散膜片；使用收敛稜鏡膜片的场合，大多选择任意下扩散膜片，主要理由是从导光板出射的光线接近理想角度，因此稜鏡的顶点角度设计成35°就能够使辉度降低。
横纹缟的处理
以周期性结构获得收光效果的膜片，与周期性设置的液晶画素cell组合时，两者互动会产生影响视觉的纹缟（moire），虽然上述两元件的结构非常小，不过裸眼会清楚视认两元件的干涉图案。
液晶画素cell排列（array）可以透过光学穿透图案（pattern）以Mask关数表示，照射照度变化则以频率范围表示，此时若与Mask关数的Fourier变换进行合成时，周期性画素cell排列的折返频谱会产生许多空间频率，由于空间频率与纹缟的发生有直接关连，因此观视者看到的纹缟模样会出现折返效应。
如图八所示LCD的画素间距为150～500μm，稜鏡为25～50μm，即使如此两者的互动关系，同样会产生间距0.3～5mm横纹缟。
图中的次画素（sub pixel）以RGB顺序，在画素间距内横向排列，虽然LCD面板下方有间距为的稜鏡膜片，不过显示器若设置两个集光稜鏡膜片时，可能会产生两种横纹缟，主要原因是与横轴呈平行设置的稜鏡膜片，会与LCD纵向间距方向的互动产生灰色纹缟，与纵轴呈平行设置的稜鏡膜片，会与LCD横向间距方向的互动产生有色纹缟。
消除纹缟的手段之一是在产生互动元件之间设置扩散膜片使纹缟模糊，具备周期性结构的稜鏡膜片与画素之间的互动造成的频率，可用以下公式表示:
根据上式可知 时，纹缟的周期会变成无限大，亦即画素间距是稜鏡间距的倍数时可以淡化纹缟。
对稜鏡间距而言，它意味着要求将纹缟的折返周期抑制在最小范围，此处所谓的最佳纹缟周期是指 的条件完全获得满足，至于纹缟的最小周期是指 而言。
| 《图八 一般液晶面板的画素与棱镜膜片相互关系造成的纹缟》 |
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图九是最大折返周期与稜鏡膜片周期的互动关系。它是利用画素间距为153μm的显示器测试获得的结果。
由图可知公式二可以精确预估折返周期，纹缟周期最小时（ ），即使未使用上扩散膜片也完全无纹缟现象，随着纹缟周期的变长，纹缟越来越明显。
使画素结构（亦即液晶显示器）对稜鏡膜片旋转的场合，纹缟会跟着旋转，有效周期则随着改变，换句话说旋转稜鏡膜片确实可以避免长周期的纹缟。
如图十所示旋转13°时效果最好，此时如果正负微调旋转角度，视觉上会出现非常怪异的纹缟。
然而实际上旋转除了会造成集光性能略为下降之外，量产时稜鏡膜片斜向裁切会产生巨额的材料损失，因此消除纹缟最佳对策，是消除稜鏡膜片精密结构造成的周期性。
图十一是非线形变调稜鏡膜片结构，它是左右单独任意调整稜鏡膜片的顶点动迹，利用纵向变调影响稜鏡膜片的图案外形。
此处将顶点曲率构成的模糊度定义成弓扩散，虽然一般动迹曲率的模糊度不会大幅增加，不过GE公司的「Illuminex ADF」的结构，却能够同时提供集光与扩散效果。
变调棱顶点的平均位置几乎与未变调直线型稜鏡完全相同，顶点位置的变动则利用标准偏差（σ）表示，此时就可以决定对应各棱顶点的平均位置的变动。
变调度主要是表示是否影响可视性的数据，因此必须先定义相对纹缟的关数（RM：Relative Moire）。 RM是利用具备相同几何性图案变数（间距与平面形状）的直线型稜鏡样品纹缟强度变动，除以变调稜鏡样品的纹缟强度变动获得的结果，RM是变调稜鏡与相同间距的直线型稜鏡比较时，表示纹缟降低的程度，未变调稜鏡（σ=0）的场合，RM被定义成1。
图十二是表示RM表面结构的稜鏡与稜鏡变调互动关系的关数实验结果，图下方的照片是变调稜鏡与直线型稜鏡的比较。由图可知以X轴的标准偏差（Standard Deviation）/间距表示的 ，如比0.3更低时RM会低于0.1，此时纹缟几乎消失。
结语
以上介绍液晶显示器背光照明模组的光学膜片应用技巧，扩散、集光膜片对液晶显示器的光学性能具有绝对性影响。在此同时市场对液晶显示器要求低成本、高效益、高性能的压力却不断增加，因此未来相关业者必需持续开发各种新型光学膜片才能够满足市场的需求。
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