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近期在行动装置崛起下，在人机接口占有重要地位的屏幕起了大变化，轻薄化以及触控多样要求下，迫使面板厂开出更高ppi（Pixels Per Inch，每英寸像素点）的面板。一般计算机屏幕或是电视也在导入LED（Light Emitting Diode，发光二极管）背光后持续改良发光材料，或是因应CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp，冷阴极灯管）和LED发光的不同，修改导光板的结构。 不论是在新兴的行动市场，或是原有的计算机家电领域，LCD正一点一滴地改进，改进幅度已经超越你我想象，有必要如拨开洋葱般，一层一层拆解细细介绍。本文部分依然还是围绕在需要背光模块的LCD范畴内，其它如 AMOLED、E-Ink、Mirasal等，未来有机会笔者再逐一介绍。
从光线路径解析
想要了解LCD的构造，跟着光的路径走是最好的方法，那么在光之前又是什么呢？进入LCD屏幕的讯号可分为2种，其一负责供给背光源，另外就是控制讯号，决定薄膜晶体管TFT施加的电场强度为多少，透过不同的电场强度，液晶分子的旋转角度不同，决定背光要透出多少百分比，再经滤光片滤出红、绿、蓝3原色，不过部分面板制造厂还会额外滤出不同颜色的光，以便显示更大范围的颜色。
跟着光走，首先第一站来到就是背光源，LCD本身并不具有发光功能，只有决定光通量的功能，所以需要有个背光源发出光，交由LCD过滤之后，才可形成我们所看到的影像。由此可知，对于背光源有个要求，就是发出的光需要尽量覆盖到人眼可见的频谱范围，以便显示更多的颜色。可惜目前技术没有办法做出完全覆盖人眼所见频谱的背光，或至少消费级产品尚无法在一定成本下做出，幸好我们知道光能够分出三原色，如果我们能正确混合这3种颜色，理论上能够骗过眼睛，以为看到了许多不同的色彩。
行之有年的 CCFL
请读者抬头看看头上的天花板，是不是有看到不同形状的日光灯管（如果家中采用间接照明或是LED就看不到），彩色液晶屏幕长久以来的背光大宗就是荧光灯管（单色液晶屏幕会采用LED做为背光源），跟家中拿来照明的日光灯属于同一类型，但还可再细分为冷阴极灯管CCFL和热阴极灯管HCFL。CCFL和HCFL的发光原理都是电子撞击管内气体，而气体获得能量后为了要回复到稳定的状态，进而释放出紫外线，管壁的荧光物质再吸收这紫外线放出人类可见到的光，由这荧光物质放出的光就照亮了灯管四周的景物，也组成LCD屏幕的背光来源。管壁的荧光物质由不同种类的材料组合而成，才能够混出白光。
CCFL和HCFL的不同在于电子跑出的方式不同，CCFL直接利用灯管两端的电压促使内部气体离子撞击电极后释出电子，因此需要较高的电压驱动，大约是数百至上千伏特。HCFL在点亮之前则是先加热灯管两端电极，让电极受热后比较容易射出电子，因此只需一般的市电110V即可运作。除此之外，HCFL的发光效率较高，但需加热灯管内电极所以寿命较短，再加上HCFL电极构造不利于小型化，所以在LCD上比较容易见到采用CCFL的产品。采用HCFL灯管的屏幕也不是没有厂商推出，只不过很快的就被另一种后起之秀取代掉，那就是LED。
 ▲HCFL和CCFL内部的构造，HCFL启动时需要先加热电极使电子射出，CCFL则是直接利用两端电压差使内部离子撞击电极后释出电子。
明日之星 LED LED材料尚未进步之前，LED绝大部分用于指示用途，因为其发光效率虽然高，但要到达照明使用，其电压、电流必须增加到相当高的程度，发光效率变差又容易烧坏晶粒，发出来的电磁波频率也过于狭窄。直到近年LED内材料进步到足以发出类似于白光的光谱（主因是开发出可发出蓝光的材料），加上和CCFL相比只需较低驱动电压，体积也比较小，逐渐取代CCFL。近期LED的发光效率和亮度足以作为照明使用，加上节能减碳的环保风潮，一堆白牌厂商也向不同的供货商进料，自行找工厂装一装就出货了，让LED灯泡瞬间侵蚀各大卖场的货架。
LED发光原理比起荧光灯管更有效率，在于其可见光产生路径不像荧光灯管需多次转换，直接利用半导体的N-P接口发射出可见光，原理为当电子从N型半导体进入P型半导体时，电子的能阶会降低，而这些失去的能量就以光的形式放出。不同材料的N/P型半导体其电子与电洞的能阶并不相同，这中间的差异将导致发出的光波长不同。
另外LED与传统CCFL较为不同的是，LED很容易因为散热不良造成光衰，有可能是原本芯片本身质量不良，长期使用下导致材料的接面出现问题，也有可能是白光LED使用的荧光物质的效能大不如前，或是在封装时使用比较便宜的胶水。但研究显示降低其热度能够推迟光衰现象的发生，因此能够承受较大功率输出的LED通常会用覆晶封装，除可让芯片本身与基板固定材质接触面积变大，散热较快之外，也可去除黄金打线遮蔽LED光源的问题。
 ▲LED的发光原理，电子由N型半导体移至P型半导体的时候，会在接面发出光亮。
关键词：LED Light Emitting Diode，发光二极管。  ▲左方图示为一般封装，右方为覆晶式封装。（图中的蓝宝石基板可能换成其它材料）
LED 背光的发展难题
自然界的白光由连续光谱组成，没有办法透过单一材料让LED发出这么宽的光谱，所谓的白光LED都是混色的，或者像荧光灯管一样，先发出较高能量、波长较短的光，再将这道光照射在荧光体上，荧光体吸收之后再以部分热能、部分波长较长的光释出。 混合出白色光
较常拿来拿当做例子就是日亚化学工业开发出的方法，首先让LED发出蓝色，再将此蓝光部分照射在荧光体上，使其发出黄光，由于黄光介于红光与绿光之间，人眼的红、绿光受体都会对其反应，之后加上原本的蓝光，便能够骗过人眼以为看到了白光。不过当这种白光和荧光灯管摆放在一起，人眼能够很快的辨识出其不同，部分敏感的人甚至不需荧光灯管比较即可查觉。 若要获得更好的混色效果，则是直接利用红光、绿光、蓝光LED混成白光，这种组合方式可达成比荧光灯管更好的显示效果，但是成本较高，同时也由于LED发出的明亮度与电流并不成线性，RGB 3色材料所需电流也不同，在控制电路上也是笔不小的成本，因此只有较为高阶的屏幕使用RGB 3色LED背光。
目前厂商制造白光LED大多也都是采用日亚化开发出的方法，只不过半导体和荧光体材料有着些许不同，求的是能够发出尽量宽广的光谱，以及规避它厂的专利问题。另外也可以采用紫外线照射在RGB荧光体上产生白光，不过紫外线对于材料的破坏性较大，RGB荧光粉的发光效率也没有单一黄色荧光粉好。  ▲数种以LED发出白光的方式，RGB混色有可能由个别的LED组合，也可能封装在一起。
关键词：荧光
1种冷发光现象，某种物质在常温下吸收某种波长的光，吸收之后物质进入激发态，而后物质为了回复到稳态，又以某种波长的光将能量发射出去。
PWM 调光
近期厂商推出号称不闪烁的屏幕，但从CRT演化成LCD的其中1项优点不就是不会闪烁吗？为何突然冷饭热炒重讲？其实这原因就出在LED配上PWM调光。
一般来说，我们要控制LED的亮度可以由简单的电压电流多寡调整，由于LED是二极管有着顺向偏压的特性，对于电压的变化比较敏感（不同电压下电流变化较为剧烈），通常会采用衡压变流的方式调整亮度。先前也说到，LED的亮度不呈线性，使用变电流的方式调整亮度，最终会导致LCD颜色色偏过大，而且采用此方法调光的明暗范围并不大。
于是乎好朋友PWM又跑出来了，脉宽调变PWM不像调整电压或是电流为线性调整，PWM只有2种状态，对于LED来说就是开跟关，藉由调整开关在时间内的占比，利用人眼的视觉暂留现象混出不同亮度。相对于利用电压或是电流调整LED，使用PWM调整LED亮度可以得到比较稳定的结果，调出来的亮度范围比较大，色偏比较小。
 ▲将LED通电的时间调整为50％，关闭的时间调整为50％，即可得出（1×0.5＋0×0.5）×100％＝50％亮度。
PWM 频率为关键 一般来说利用PWM调整LED亮度的频率约在数百Hz，已经远超过人类大脑的辨识范围，不过对于眼球来说还是能够感受到亮度的变化，长期注视会不舒服，部分PWM频率太低或是电路设计不良的屏幕，在较低亮度设定时甚至能够看到屏幕在闪。
厂商也了解到这个问题，把PWM频率再往上拉高，或是干脆推出直流调光的机种，将人眼感受到背光闪烁的问题降到最低。过去的CCFL荧光灯管，部分机种也会采用PWM调光，只不过CCFL的反应比LED迟钝，所以能够得到较为平顺的亮度输出。
 ▲同样是亮度50％，可藉由增加PWM频率的方式降低人眼感受到的闪烁感。
直下式、侧光式结构 LCD屏幕放置背光的位置大致上可分为2类，第一种放置在面板可视区域的边缘，发光后藉由反射板和扩散板将光均匀传导到整片面板，称之为侧光式。第二种就是直接把背光源放在面板正下方，称之为直下式。这2类分别有其优缺点，侧光式面板模块厚度较薄，但是相当依赖反射片、导光板和扩散膜的设计，设计或是组装质量不佳很容易造成面板亮度不均匀。
直下式面板模块厚度较厚，但可平面排列光源、整体亮度能够提高。直下式注重在该如何将单一点光源均匀分散至其负责的面板区域，反射片和扩散膜的表面加工比侧光式复杂。直下式背光源由CCFL转换为LED时由于发光面积的改变，使面板不同区域能够呈现不同背光亮度，在消费市场规格战中能够标出更好的对比数值。近年侧光式面板模块也开始能够做到区域背光亮度控制，但总体来说还是直下式较好。
 ▲直下式背光的剖面结构，反射板可能有多种形状。若未在反射板上下功夫，则可加大背光源与扩散板的距离让背光均匀射出。
反射板与导光板 除了部分特殊的展示用途之外，我们大多数时候只从屏幕的某一边进行观赏，因此利用反射板将背光反射至一侧，增加背光的利用效率。在LED直下式背光的面板模块中，反射板可说是最重要的部分，决定了LED这种点光源能不能够将光线均匀的分布在面板上。一般来说LED会放在反射板的凹槽正中央，而这凹槽有多种形式，有可能是类似金字塔或是倒金字塔的形状，也有可能是半球面或是具有不同曲率的弧面，这就像是可调整焦距的手电筒一样，只不过将LED光源永久摆在光形最散的位置，将多个反射面和LED光源装成1个平面就可形成LCD的背光。
除了利用反射板的形状之外，反射板的表面并非光滑表面，而是会另外加工处理，有可能是直接雾面处理，也有可能比较费工，使用额外的制程在表面制作出类似透镜的结构，这些都是希望当光线从LED照射在反射板上时并不是直接反射出去，还可以有散射的效果让亮度更为平均。读者会发现此段用了许多「有可能」描述，是因为受到专利保护影响，各厂设计略有差异，但大致上实作方式大同小异。
侧光式背光面板模块则是较为注重导光板的设计，其成败决定侧光式背光面板的亮度均匀性，直下式则是透过此导光板再次将反射板传来的光均匀化。侧光式导光板的横切面为楔形，面向面板的那侧为平面，另一侧为则是斜面，越靠近光源处越宽，此种形状方便将光从单一侧导向整个面板（也有2侧皆为平面的导光板）。基本上在此导光板中光的路径为全反射，但是于斜边（靠近反射板的那边）有着许多印刷网点或是光学结构，用来破坏全反射，使得光能够远离导光板。
 ▲测光式背光的剖面结构，注重导光板背部的网点结构，才能够将光均匀的导出。
侧光式导光板设计 在LED背光刚出现的那几年，消费者很容易买到亮度不均匀的产品，特别是在靠近LED背光的一侧特别容易发生，这是因为原本CCFL背光为线光源，转换至LED后为点光源，原本给CCFL的导光板若没有重新设计，很容易造成亮度不均的现象（笔者在那时期的乐趣就是计算面板用了几颗LED）。因LED有其发光角度限制，因此在2颗LED 的中间很容易产生亮度骤减的情况。
导光板在接近反射板的那一侧，会印有破坏全反射的网点结构，此结构依据其网点类型，分为AM（调幅）和FM（调频）2种。AM构造的网点密度相同，但是网点大小不同，距离测光式背光源较近的地方网点较小，距离较远时网点较大，所以能够将整片面板的亮度均匀化（距离近、亮度高、网点小；距离远、亮度低、网点大）。FM构造刚好与AM相反，FM每个网点的大小相同，但是网点密度却不同，藉由网点密度的不同制造出与AM结构相同的结果。网点可由油墨印刷产生，也可由雷射直接在导光板上打出。
至于侧光式LED背光前期的亮度不均现象，可藉由加强2个 LED之间的导光板网点构造解决，也可在LED和导光板中间放入菱形或是圆柱型或是其他形状的透镜，将LED发出的光线，从较小的角度折射到较大的角度。  ▲左方为采用AM布点的导光板，中间为FM布点，右方为FM布点针对侧光式LED背光的补强。  ▲在LED光源和导光板之间可加入菱镜或透镜结构，让LED发出的光线角度增大。
扩散板（膜）与增亮膜 背光经反射板、导光板之后，还会有个扩散板用以加强光线的出光角度，使得光线无论从何种角度跑出扩散板，其亮度能够尽量维持一致。扩散板为树脂和许多微小粒子的混合物，光通过后可产生许多的绕射、散射、反射，所以其光线亮度虽然能够被均匀化，但我们还会利用另一种光学膜拘束光的行进方向，加强对背光的利用率。
背光从扩散板逃出之后，碰到称作增亮膜的东西（或称集光片、菱镜片），其向着前方面板的表面布有半圆柱状或是菱形柱状，用以将光线角度分类，部分角度正确的光线将会穿出，进入前方面板的配向膜，如果光线角度不正确，则会被反射回背光模块，再次参与旅程，直到角度正确可从增亮膜穿出。增亮膜在大部分的情况下会有2层，其上的柱状纹路相互成90度夹角，用以控制X轴和Y轴的光。
从背光源算来，其上依序为扩散板、扩散膜、增亮膜、扩散膜；扩散板和扩散膜的功能相同，只不过在最下层的扩散板厚度较厚，硬度较高，提供较软的扩散膜和增亮膜支撑力。以上所述背光、反射板、导光板、扩散板、增亮膜共同称为「背光模块」，负责供应给前方的液晶面板1个均匀的面光源。
 ▲增亮膜的运作原理，导出的光夹角约70度，其余会反射回背光结构里再次利用。 |
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