淺談利用非對(duì)稱節(jié)能型LAMP器件設(shè)計(jì)全彩LED顯示屏

　 OFweek光電顯示訊 全彩LED顯示屏通常是仰視的應(yīng)用環(huán)境，上視角范圍內(nèi)的亮度沒有被有效利用。本論文提出了一種將LAMP器件上視角范圍內(nèi)的亮度，向下視角范圍轉(zhuǎn)移的設(shè)計(jì)方法。通過設(shè)計(jì)得到透鏡型面數(shù)據(jù)，制作透鏡模具，封裝成成品燈珠并進(jìn)行測(cè)試，非對(duì)稱LAMP器件上視角20°，下視角40°。下視角增大后，在同等條件下，非對(duì)稱器件與常規(guī)器件相比，下視角可視范圍內(nèi)亮度提升了 30%。同時(shí)，配光的一致性也獲得了明顯提升，降低了色偏差。由于上視角減小，也減少了上視角范圍內(nèi)的亮度造成的光污染。

　1引言

LED顯示屏是一種有能耗的電子產(chǎn)品，LED顯示屏的能耗主要由LED器件產(chǎn)生。LED器件相關(guān)性能的提升，如亮度、角度的提升，對(duì)于顯示屏降低能耗、提升顯示效果非常重要。

常規(guī)的LAMP器件的水平/垂直角度都是相對(duì)于法平面對(duì)稱，水平/垂直角度通常為105°/50°，垂直角度相對(duì)于法平面對(duì)稱，即±25°，垂直角度的上視角與下視角相等。LED顯示屏一般是垂直于水平面安裝，因此LED顯示屏的最高亮度點(diǎn)是在法平面的0°視角。

顯示屏通常會(huì)安裝在一定的高度上，人們的觀看視角為仰視。因此在法平面以下的亮度為有效可視亮度，法平面以上的亮度為無效亮度，造成上視角范圍內(nèi)的亮度浪費(fèi)。為了提高下傾角范圍內(nèi)的顯示屏亮度，部分顯示屏廠商在LED插件安裝的過程中，通過工裝治具，使得LED法線向下偏7°—10°，以增大LED的下半功率視角，將更多的能量從法平面以上轉(zhuǎn)移到法平面以下。這種方法是需要重新定制LED顯示屏的模具，制造成本較高，并且通用性較差。

本論文提出了一種減小上半功率視角，增加下半功率視角的方法。采用TracePro光學(xué)軟件，進(jìn)行LAMP器件透鏡的非對(duì)稱光學(xué)設(shè)計(jì)，將上視角范圍內(nèi)的能量減少，可以減少上視角的光污染；增大下視角范圍內(nèi)的能量，可以增加可視范圍內(nèi)的亮度，達(dá)到節(jié)能的目的；同時(shí)由于下視角的增大，配光更優(yōu)，不會(huì)出現(xiàn)偏色。

2非對(duì)稱LAMP器件光學(xué)透鏡的模擬設(shè)計(jì)

2.1非對(duì)稱LED的設(shè)計(jì)概念

如圖1所示，常規(guī)的346LAMP器件，上視角θ1與下視角θ2相等，顯示屏通常安裝于一定的高度，且垂直于水平面安裝，人們通常是仰視觀看顯示屏，下視角θ2通常為可視范圍，θ2角度內(nèi)的亮度有用。上視角θ1通常為不可視范圍，θ1角度內(nèi)的亮度無用，而且會(huì)對(duì)周圍的高層建筑造成嚴(yán)重的光污染。

為了更好的達(dá)到節(jié)能降耗的目的，依照LED顯示屏通常仰視的應(yīng)用環(huán)境和觀看習(xí)慣，提出了非對(duì)稱LAMP器件的設(shè)想，如圖1所示。

通過對(duì)LAMP器件透鏡進(jìn)行合理的光學(xué)設(shè)計(jì)，上視角θ1與下視角θ2不相等，并且θ2>θ1。將上視角的部分能量，轉(zhuǎn)移到下視角的可視范圍內(nèi)，從而到達(dá)增加下視角范圍內(nèi)亮度的目的，同時(shí)減少上視角的光污染。由于下視角的增大，顯示屏的配光會(huì)更加優(yōu)異。

2.2非對(duì)稱透鏡光學(xué)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)將上視角的能量轉(zhuǎn)移到下視角的概念，需要對(duì)透鏡進(jìn)行特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)。本論文中采用TracePro光學(xué)模擬軟件，對(duì)透鏡型面進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)。采用透鏡上下兩側(cè)不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使得芯片發(fā)出的光在透鏡曲面發(fā)生全反射和折射，形成非對(duì)稱的光強(qiáng)分布曲線，增加了下視角度。通過對(duì)透鏡做光學(xué)模擬，得到非對(duì)稱LAMP器件透鏡曲面的模擬數(shù)據(jù)。

2.2.1非對(duì)稱橢圓橫截面的模擬結(jié)果

從圖2可以看到，常規(guī)LAMP器件的透鏡截面是對(duì)稱的橢圓，經(jīng)過設(shè)計(jì)的非對(duì)稱LAMP器件的透鏡截面是非對(duì)稱的橢圓，可以實(shí)現(xiàn)上視角與下視角能量的非對(duì)稱分布。

2.2.2模擬的光斑

用TracePro模擬亮度的分布如圖3所示。從圖中可以看到，常規(guī)橢圓的亮度分布，相對(duì)于法平面上下對(duì)稱。特殊設(shè)計(jì)的非對(duì)稱橢圓透鏡的亮度分布，已經(jīng)將部分能量從上視角轉(zhuǎn)移到下視角。

2.2.3模擬的光強(qiáng)分布曲線

從圖4可見，常規(guī)橢圓的光強(qiáng)分布曲線，水平曲線、垂直曲線均對(duì)稱。而非對(duì)稱橢圓的光強(qiáng)分布曲線，水平曲線保持不變，還是左右對(duì)稱。但是垂直曲線，從圖中可以看到相對(duì)于法平面已經(jīng)不對(duì)稱了，更多的光強(qiáng)分布在下視角。

　　3非對(duì)稱LAMP器件與模組實(shí)際測(cè)試

3.1非對(duì)稱LAMP器件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

通過上述的模擬設(shè)計(jì)后，得到相關(guān)的透鏡尺寸數(shù)據(jù)，經(jīng)過系列的機(jī)械加工，完成透鏡的(模條)成型，封裝成非對(duì)稱LAMP346成品燈珠，測(cè)試光型，如圖5所示。采用R/G/B完全相同的芯片，封裝出正常LAMP346器件，在正常法平面測(cè)試的非對(duì)稱LAMP346器件，與正常LAMP346器件的光電參數(shù)見表1、表2。

從非對(duì)稱LAMP器件的實(shí)測(cè)光型數(shù)據(jù)來看，與設(shè)計(jì)結(jié)果完全一致。水平曲線左右對(duì)稱，垂直曲線非對(duì)稱，上視角光強(qiáng)分布減少，下視角光強(qiáng)分布增大。封裝出的非對(duì)稱器件參數(shù)見表1，相同芯片封裝的常規(guī)器件參數(shù)見表2。非對(duì)稱器件的上視角為+20°，下視角為-40°，實(shí)現(xiàn)了2.1中所述的設(shè)計(jì)概念。[!--empirenews.page--]

3.2非對(duì)稱LAMP器件箱體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

為了測(cè)試非對(duì)稱LAMP器件與常規(guī)LAMP器件相比，節(jié)能效果與配光效果的差異，將正常LAMP346器件與非對(duì)稱LAMP346器件選取同一個(gè)亮度等級(jí)（1：1.1），做成兩個(gè)P12.5的箱體進(jìn)行對(duì)比。

將兩個(gè)箱體調(diào)試白平衡，在法平面上亮度調(diào)整到相同時(shí)，非對(duì)稱箱體的電流與正常箱體的電流略有差異，也就是法平面亮度調(diào)整到相同時(shí)候，兩個(gè)箱體的功耗略有差異。

為了更真實(shí)的對(duì)比兩個(gè)箱體的節(jié)電效果，對(duì)兩個(gè)箱體進(jìn)行重新調(diào)節(jié)，讓兩個(gè)箱體的電流完全相同，也就是兩個(gè)箱體功耗完全相同。測(cè)試在不同的仰視角度下兩個(gè)箱體的亮度對(duì)比數(shù)據(jù)，如下表所示：

從上述數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，非對(duì)稱箱體與正常箱體相比，在不同仰視角度觀看時(shí)，在不同水平角度的亮度都有不同程度提升，上半視角向下半視角的亮度轉(zhuǎn)移平均達(dá)30%，節(jié)能效果明顯。同時(shí)由于上視角的亮度降低，減少了顯示屏對(duì)周圍高層建筑的光污染。

在配光方面，當(dāng)在不同的仰視角下，亮度隨水平角度的逐漸變大而減小，在相同的角度變化范圍內(nèi)，非對(duì)稱箱體的亮度變化要小于常規(guī)箱體的亮度變化，因此非對(duì)稱器件的配光一致性，優(yōu)于同等條件下常規(guī)器件的配光一致性，非對(duì)稱與正常器件相比，降低了色偏差，非對(duì)稱箱體的觀看效果更好。

4結(jié)論

本文提出了一種將LAMP器件的上視角亮度向下視角轉(zhuǎn)移的設(shè)計(jì)概念，通過TracePro光學(xué)軟件，對(duì)LAMP器件透鏡曲面進(jìn)行非對(duì)稱光學(xué)設(shè)計(jì)，將非對(duì)稱LAMP器件的垂直方向上視角減少，下視角增大。

通過采用本論文提出的非對(duì)稱透鏡型面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，得到非對(duì)稱LAMP器件。經(jīng)過對(duì)成品的實(shí)際測(cè)試，水平角度為110°，還是左右對(duì)稱。垂直角度相對(duì)于法平面非對(duì)稱，為+20°/—40°。采用R/G/B完全相同的芯片，封裝為非對(duì)稱LAMP器件與常規(guī)LAMP器件，制作P12.5兩個(gè)箱體進(jìn)行亮度對(duì)比，發(fā)現(xiàn)非對(duì)稱LAMP器件在下視角可視范圍內(nèi)，亮度比常規(guī)器件增加30%以上，節(jié)電效果明顯。上視角范圍亮度降低，減少了對(duì)附近高層建筑的光污染。同時(shí)，在水平大角度時(shí)未出現(xiàn)偏色現(xiàn)象，配光明顯優(yōu)于常規(guī)LAMP器件。

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