在TFT-LCD显示器面板的众多关键零组件中，背光模块由于生产技术的门槛不高，且进入障碍与资本投资规模相较彩色滤光片、玻璃基板、偏光板及驱动IC而言，明显低了许多，另外，背光模块的成本比重高居各零组件第二位，仅次于彩色滤光片。本文简述了液晶显示器技术，并重点介绍了背光模块的组成，各个元件的功能、原理及检测技术。
大尺寸LCD显示器是消费电子、通讯等产品的重要周边零组件。大尺寸TFT-LCD市场分为三方面：电视、显示器、笔记本电脑。目前中国经济持续健康发展，产业政策进一步倾斜，成本与市场导向加速了全球显示器产业链布局的转移，产业环境日益优化。并且，得益于新一轮显示器产业转移和产品升级，中国内地液晶显示器产业和市场将保持迅猛发展的态势，引领“显示”时代的到来。
在TFT-LCD显示器面板的众多关键零组件中，背光模块由于生产技术的门槛不高，且进入障碍与资本投资规模相较彩色滤光片、玻璃基板、偏光板及驱动IC而言，明显低了许多，另外，背光模块的成本比重高居各零组件第二位，仅次于彩色滤光片。特别是，在2005年TFT 面板价格大幅下滑的刺激下，LCD监视器市场发展迅猛，并带动了面板产业的发展。
1、背光模块简介
背光模块(Backlight)亦称为背光板，泛指可提供产品一个背面光源的组件，目前普遍运用在各种信息、通讯、消费产品上，如液晶显示器、底片扫描器、幻灯片看片箱、数码相机、个人数据助理(PDA)、卫星导航系统、医疗器材、监视器和笔记本电脑等，其中主要用途是作为液晶显示器的光源组件。
由于TFT面板本身不具发光特性，必须在TFT面板上外加一个发光源，方能达到显示功能，背光模块就是为液晶显示器产品提供背面光源的光学组件，简单来说，背光模块即为液晶显示器的一个关键光学组件，也是依附于下游液晶显示器的非标准化产品。
背光模块是液晶显示器的光源提供者，其主要由光源、灯罩、反射板(Reflector)、导光板(Light Guide Plate)、扩散片(Diffusion sheet光学用膜片1-2片)、增亮膜(Brightness Enhancement Film增光片1-2片)及外框等组件组装而成。其中，光源包括冷阴极荧光管(CCFL)、热阴极荧光管、发光二极管(LED)等；光学膜片与导光板为最主要的技术部件，所占成本比重也较高。
液晶显示器由于厚度薄、质量轻、携带方便，且相较于目前的CRT辐射更低的优点，近年来需求快速的增加，已能在显示器的市场占有一席之地。因此，随着液晶显示器制造技术的提升，在大尺寸及低价格的趋势下，背光模块将不断向轻量化、薄型化、低耗电、高亮度及降低成本方向发展，以满足未来市场竞争的要求。
一般而言，背光模块可分为前光式(front light)与背光式(back light)两种，而背光式可依其规模的要求，以灯管的位置发展出三大结构:
(1)侧光式(edge lighting)结构：发光源为摆在侧边之单支光源，导光板采射出成型无印刷式设计，一般常用于18吋以下中小尺寸的背光模块，其侧边入射的光源设计，拥有轻量、薄型、窄框化、低耗电的特色，亦为手机、个人数码助理（PDA）、笔记型电脑的光源，目前亦有大尺寸背光模块采用侧光式结构。
(2)直下型(bottom lighting)结构：超大尺寸的背光模块，侧光式结构已经无法在重量、消费电力及亮度上占有优势，因此不含导光板且光源放置于正下方的直下型结构便被发展出来。光源由自发性光源（例如灯管、发光二极体等）射出与反射板反射后，向上经扩散板均匀分散后于正面射出，因安置空间变大，灯管可依TFT面板大小使用2至多之灯管，但同时也增加了模块的厚度、重量、耗电量，其优点为高辉度、良好的出光视角、光利用效率高、结构简易化等，因而适用于对可携性及空间要求较不挑剔的LCD Monitor与LCD TV，其高消费电力(使用冷阴极管)，一体性不佳及造成LCD发热等问题仍需要求改善。
(3)中空型结构：随着影像要求的尺寸增加，LCD也朝更大尺寸的方向发展，现在这类超大型的LCD被拿来当作监视器及壁挂式电视，不仅要求大画面、高亮度及轻量化，在电气上亦要求高功率下的低热效应，近年来发展的中空型结构的背光模块，使用热阴极管作为发光源。此结构以空气作为光源传递的媒介，光源向下被棱镜片与反射板对方向调整及反射后，一部分向上穿过导光板并出射于表面，另一部分因全反射再度进入中空腔直到经折反射作用后穿过导光板出射，而向上的光源或直接进入导光板出射，或经一连串折反射作用再出射；导光板的形状为楔型结构，目的在求一体化的效果。
2、背光模块的组成
背光模块为穿透式液晶面板的主要组件，主要提供液晶面板一个均匀、高亮度的光源，基本原理系将常用的点或线型光源，透过简洁有效光机构转化成高亮度且均一辉度的面光源产品。一般结构为利用冷阴极管的线型光源经反射罩进入导光板，转化线光源分布成均匀的面光源，再经扩散片的均光作用与棱镜片的集光作用以提高光源的亮度与均匀度。以下介绍背光模块的几个基本组件。
(1)发光源(Light Source)
须具备亮度高及寿命长等特色，目前有冷阴极荧光管(Cold Cathode Fluorescent Lamp，CCFL)、热阴极荧光管、发光二极管及电激发光片(EL)等，其中冷阴极灯管具有高辉度、高效率、寿命长等特性，加上圆柱状外形因此很容易与光反射元件组合成薄板状照明装置，故目前以冷阴极荧光管为主流。业界普遍认为，未来背光模块的发光源将以白光发光二极管为方向，就其所放置的位置分为直下式背光模块与侧光式背光模块两种。
(2)导光板(Light Guide Plate)
应用于侧光型背光模块，是整体导光的效率重心，用射出成型的方法将丙烯压制成表面光滑的楔形板块，然后用具高反射率且不吸光的材料，在导光板底面用网版印刷印上圆形或方形的扩散点。导光板主要功能在于导引光线方向，以提高面板的辉度及控制亮度均匀。冷阴极管位于导光板厚侧的端面，冷阴极管所发的光以端照光(edge light)的方式进入导光板，大部份光利用全反射往薄的一端传导，当光线在底面碰到扩散点时，反射光会往各个角度扩散，破坏全反射条件与光的干涉现象而自导光板正面射出，利用疏密、大小不同的扩散点图案设计可使导光板面均匀发光。
按照外型上的不同，导光板可分为楔形板和平板。一般笔记本电脑因考虑空间关系均采用楔形板，而LCD Monitor与LCD TV则采用平板为主。
(3)反射板(Reflector)
一般侧光式背光模块的反射板放置于扩散板底部，将自底面漏出的光反射回导光板中，防止光源外漏，以增加光的使用效率；而直下式背光模块则是置于灯箱底部表面或粘贴于其上，将经扩散板反射的光束由灯箱底部再次反射回扩散板以被利用。
(4)扩散板(Diffuser)
扩散板和扩散片的功能是提供液晶显示器一个均匀的面光源，一般传统的扩散膜主要是在扩散膜的基材中，加入一颗颗的化学颗粒，作为散射粒子，而现有的扩散板构造微粒子分散在树脂层之间，所以光线在经过扩散层时会不断地在两个折射率相异的介质中穿过，在此同时光线就会发生许多折射、反射与散射现象，如此便造成了光学扩散的效果。或是使用全像技术，经由曝光显影等化学程序将毛玻璃的相位分布记录下来粗化扩散膜基材表面，以散射模糊导光板上的墨点或线条。但在如此的光路架构下，由于材料本身及化学颗粒的性质，将会造成无可避免的吸光，而且其对光的散射是散乱的，对于一个固定距离的观测者来说，将会有部分的光强被浪费，而造成光源无法有效的利用。再加上它的化学制程较费时，所需的生产成本相对的也较高。
(5)增亮膜(BEF棱镜片)
束从扩散板射出后的指向性非常差，因此必须利用棱镜片来修正光的方向，其原理是通过光的折射与反射来达到凝聚光线、提高正面辉度的目的，以增加光线自扩散板射出后的使用效益，使背光模块的整体辉度提高60-100%以上。增亮膜主要以多元脂(polyester)或聚碳酸脂(polycarbonate)为材料，其表面结构一般为棱形柱体(prism sheet亦称为棱形片)或半圆柱体(lenticular sheet)。目前跨国公司3M为全球独家供应商，拥有多项相关专利，通常一部背光模块会使用两片增亮膜，彼此方向垂直，将光集中增加辉度。
(6)偏光转换膜(P-S Converter)
在现有LCD液晶面板设计中，光源模块过滤掉了S-light平行光，允许P-light直行光源通过，并利用这个单一的偏极光驱动或照明LCD液晶面板产生所需要的功能。所以会在光线进入液晶面板前会先经过一个偏光板，该偏光板会吸收掉某一偏光方向的能量，而冷阴极管所产生的光为非偏极化光，在通过第一片偏光板时，有一半以上的光能量会被吸收掉，使得光的使用效率非常差。为了解决这个问题须采用偏光转换技术，以提高背光的使用率，降低LCD的耗电量。偏光转换膜为背光模块中一个非常关键的元件，它的功用是使光源进行偏极态转换。其方法是利用反射偏光板，将可以通过与不可以通过LCD偏光板的光束分离，然后利用反射板将反射回来的光转换成可用的偏光，达到提高亮度的目的。
一般偏光转换技术是通过特殊的光学涂布以及结构特殊的排列方式构成光分离板，将射出光分离成P偏光及S偏光，S偏光经反射后又成为P偏光，这样一来就可以通过LCD面板的偏光板；也有利用一片胆固醇型液晶片跟l/4波片构成偏光反射板，将导光板的射出光分离成左旋及右旋圆偏光，左旋圆偏光通过l/4波片后成为直线偏光，可直接通过LCD的第一面偏光板，而右旋圆偏光经反射板反射后，亦成为可用的左旋偏光而被利用。
利用偏光转换的技术来提高LCD的亮度，跟使用棱镜片的方法比较起来，除了正面亮度得到提升之外，大视角方向的亮度亦同时得到提升，这就是偏光转换技术的另一优点。
3、背光模块的光学性能检测
一般光学模块的光学性能包括：亮度(辉度)、均匀度、视角、色度、色温等。
(1)亮度(辉度)
辉度是一般显示器背光模块的光学检测中最重要的一个参数指标，常使用的测量仪器设备是使用BM7(亮度色度计)，一般常使用的检测方式有分为5点、9点、13点检测等。
(2)均匀度(Uniformity)
均匀度的定义是从光输出测量所得到的N个测量值中，取出最大与最小的照度值，将这两个数值与这N个点平均值的偏差以百分比表示，即为该投影设备的均匀度。
(3)色温
色温是指光源发射光的颜色可以用黑体的温度来表述，黑体的温度称为该光源的色温，即光波在不同的能量下，人类眼睛所感受的颜色变化。在色温的计算上，是以Kelvin为单位，黑体幅射的0Kelvin=摄氏-273°C作为计算的起点。将黑体加热，随着能量的提高，便会进入可见光的领域，例如，在2800K时，发出的色光和灯泡相同，我们便说灯泡的色温是2800K。可见光领域的色温变化，由低色温至高色温是由橙红-->白-->蓝。
因相关色温事实上是以黑体辐射接近光源光色时，对该光源光色表现的评价值，并非一种精确的颜色对比，故具相同色温值的两光源，可能在光色外观上仍有少许差异，因此仅凭色温无法了解光源对物体的显色能力，或在该光源下物体颜色的再现能力。
(4)色度(chromaticity)
在彩色视频影像中除了亮度与灰阶之外，尚有一个最重要的色彩信息，而在彩色的视频影像色彩信息描述方面，有各式各样的彩色坐标系统可供使用。C.I.E.(法文Commission International del'Eclairage国际照明委员会)为一个著名的国际性的组织，专门负责制订光度及彩色标准。色度学是一门研究彩色计量的科学，其任务在于研究人眼彩色视觉的定性和定量规律及应用。
值得注意的是，虽然不同波长的色光会引起不同的彩色感觉，但相同的彩色感觉却可来自不同的光谱成分。例如，适当比例的红光和绿光混合后，可产生与单色黄光相同的彩色视觉效果。事实上，自然界中所有彩色都可以由三种基本彩色(红、绿、蓝三色)混合而成，这就是三基色原理。
利用色度计可以测量投影设备输出影像色彩的色坐标(chromaticity coordinate)值(u ,v)和照度，因此检测彩色投影设备所使用的三原色光，就可以测量出投影影像各点上色彩的色坐标值，了解该投影设备的色彩与NTSC规格的差别，并将其成色能力予以量化。对投影影像二维平面的扫描测量，则可进一步地得到投影影像色彩偏离的情形，以对该投影设备的色彩特性作整体的评估。
4、背光模块零件
背光模块是一个光学微机电组件，其关键光学零件包括：灯箱结构(Light Box)；扩散板、扩散片(Diffusing)；增光片(Collecting)。
(1)灯箱结构
一般情况下，直下式背光模块的灯箱为一平滑的表面，而在灯箱内壁上贴一层（或是喷上一层）反射式的扩散膜，使得光线入射至灯箱内表面时可以产生不规则之散射或漫射，以便达到初步扩散的效果，该方法对直下式背光模块的扩散效果是极其有限的。因此，业界开始利用微结构优化设计，将微结构设计在原本平滑的灯箱内壁中，藉此加强灯箱内壁之扩散效果，减少上面扩散板以及扩散膜的负担，达到更均匀的效果，也可以利用一些突起物放在灯管与灯管之间，这样一来不仅达到了扩散效果，也实现了加强集中的效果。
(2)扩散板、扩散片
如果对市面上的20吋LCD-TV内的扩散板进行测量，就可以发现其扩散板（厚度为2mm）的光通过效率仅为35%左右！通常，扩散板的光通过效率30-70%都有，但是扩散率跟光通过效率是成反比的，扩散率和光通过效率无法同时兼顾。因此，设法改善传统扩散板成本偏高与光利用效率过低的缺点便成了一个刻不容缓的问题。为了解决这个问题，可以利用透明的塑胶光学材料（例如PC、PMMA等）来制作LCD-TV用扩散板，利用光学塑胶材料大大提高光通过效率，而且在材料的上下表面刻上所设计的微结构，利用微结构的几何形状，使的光线通过时产生所需要的折射、反射、全反射等效应，从而使光线可以有效扩散开来。这样一来，就可以兼顾光通过效率与扩散率，改善传统扩散板效率不高的缺点，而且，因为没有添加其他的化学扩散颗粒，就成本来说也会大幅度的减少，降低量产成本。
(3)增光片
目前增光片绝大部分由3M垄断，3M公司的BEF系列与DBEF系列，皆能达到增光的效果，上下两片BEF片以垂直交错方式压合于两片扩散膜中间，可让原已扩散开来的光线再度集中，减少光耗损率，因此可增加亮度。虽然不同板面间距设计的棱镜片会有不同的亮度增强效果，但估计至少可增加亮度超过60%（甚至1倍）。由于多数关键专利为3M所掌握，全球超过半数以上的棱镜片都是由3M供应，进入障碍很高，专利突破不易，目前也有许多公司生产类似的产品，有些效果并不如3M的产品好，有些虽然有不错的效果，但是碍于3M主宰了大半市场，一般的LCD面板厂或是背光模块厂并不敢轻易使用。
资料来源：
1、鲍友南、潘奕凯、姚柏宏等，TV用液晶显示器之背光模组技术，机械工业杂志245期158
2、LCD TV背光板发展趋势，王英夫博士，瑞仪光电(股)公司
