雷曼光电：全彩LED显示屏用非对称节能型 LAMP 器件的设计

文章来源：深圳雷曼光电科技股份有限公司

摘     要：全彩 LED 显示屏通常是仰视的应用环境，上视角范围内的亮度没有被有效利用。本论文提出了一种将 LAMP 器件上视角范围内的亮度，向下视角范 围转移的设计方法。通过设计得到透镜型面数据，制作透镜模具，封装成成品灯 珠并进行测试，非对称 LAMP 器件上视角 20°，下视角 40°。

下视角增大后，在同等条件下，非对称器件与常规器件相比，下视角可视范 围内亮度提升了 30%。同时，配光的一致性也获得了明显提升，降低了色偏差。 由于上视角减小，也减少了上视角范围内的亮度造成的光污染。

关 键 词：光强分布曲线，透镜，非对称，下倾角，光污染

1 引 言

LED 显示屏是一种有能耗的电子产品， LED 显示屏的能耗主要由 LED 器件 产生。LED 器件相关性能的提升，如亮度、角度的提升，对于显示屏降低能耗、 提升显示效果非常重要。

常规的 LAMP 器件的水平/垂直角度都是相对于法平面对称，水平/垂直角度通 常为 105°/50°，垂直角度相对于法平面对称，即±25°，垂直角度的上视角与 下视角相等。LED 显示屏一般是垂直于水平面安装，因此 LED 显示屏的最高亮度 点是在法平面的 0°视角。

显示屏通常会安装在一定的高度上，人们的观看视角为仰视。因此在法平面以下的亮度为有效可视亮度，法平面以上的亮度为无效亮度，造成上视角范围内的亮度浪费。为了提高下倾角范围内的显示屏亮度，部分显示屏厂商在 LED 插件安装的过程中，通过工装治具，使得 LED 法线向下偏 7°—10°，以增大 LED 的下半功率视角，将更多的能量从法平面以上转移到法平面以下。这种方法是需要 重新定制 LED 显示屏的模具，制造成本较高，并且通用性较差。

本论文提出了一种减小上半功率视角，增加下半功率视角的方法。采用 TracePro 光学软件，进行 LAMP 器件透镜的非对称光学设计，将上视角范围内的 能量减少，可以减少上视角的光污染；增大下视角范围内的能量，可以增加可视 范围内的亮度，达到节能的目的；同时由于下视角的增大，配光更优，不会出现 偏色。

2  非对称 LAMP 器件光学透镜的模拟设计
2.1  非对称 LED 的设计概念

如图 1 所示，常规的 346  LAMP 器件，上视角 θ1 与下视角θ2 相等，显 示屏通常安装于一定的高度，且垂直于水平面安装，人们通常是仰视观看显示屏， 下视角θ2 通常为可视范围，θ2 角度内的亮度有用。上视角θ1 通常为不可视 范围，θ1 角度内的亮度无用，而且会对周围的高层建筑造成严重的光污染。

为了更好的达到节能降耗的目的，依照 LED 显示屏通常仰视的应用环境和 观看习惯，提出了非对称 LAMP 器件的设想，如图 1 所示。

通过对 LAMP 器件透镜进行合理的光学设计，上视角 θ1 与下视角θ2 不 相等，并且θ2 >θ1 。将上视角的部分能量，转移到下视角的可视范围内，从 而到达增加下视角范围内亮度的目的，同时减少上视角的光污染。由于下视角的 增大，显示屏的配光会更加优异。


2.2  非对称透镜光学设计 为了实现将上视角的能量转移到下视角的概念，需要对透镜进行特殊的光学设计。本论文中采用 TracePro 光学模拟软件，对透镜型面进行光学设计。采用 透镜上下两侧不对称结构，使得芯片发出的光在透镜曲面发生全反射和折射，形 成非对称的光强分布曲线，增加了下视角度。通过对透镜做光学模拟，得到非对 称 LAMP 器件透镜曲面的模拟数据。

2.2.1 非对称椭圆横截面的模拟结果

从图 2 可以看到，常规 LAMP 器件的透镜截面是对称的椭圆，经过设计的非 对称 LAMP 器件的透镜截面是非对称的椭圆，可以实现上视角与下视角能量的 非对称分布。

2.2.2 模拟的光斑

用 TracePro 模拟亮度的分布如图 3 所示。从图中可以看到，常规椭圆的亮 度分布，相对于法平面上下对称。特殊设计的非对称椭圆透镜的亮度分布，已经 将部分能量从上视角转移到下视角。

2.2.3 模拟的光强分布曲线

从图 4 可见，常规椭圆的光强分布曲线，水平曲线、垂直曲线均对称。而 非对称椭圆的光强分布曲线，水平曲线保持不变，还是左右对称。但是垂直曲线， 从图中可以看到相对于法平面已经不对称了，更多的光强分布在下视角。

3   非对称 LAMP 器件与模组实际测试

3.1  非对称 LAMP 器件的实测数据 通过上述的模拟设计后，得到相关的透镜尺寸数据，经过系列的机械加工，完成透镜的(模条)成型，封装成非对称 LAMP 346 成品灯珠，测试光型，如图 5 所示。采用 R/G/B 完全相同的芯片，封装出正常 LAMP 346 器件，在正常法平面 测试的非对称 LAMP 346 器件，与正常 LAMP 346 器件的光电参数见表 1、表 2。

从非对称 LAMP 器件的实测光型数据来看，与设计结果完全一致。水平曲 线左右对称，垂直曲线非对称，上视角光强分布减少，下视角光强分布增大。封 装出的非对称器件参数见表 1，相同芯片封装的常规器件参数见表 2。非对称器 件的上视角为+20°，下视角为-40°，实现了 2.1 中所述的设计概念。

3.2    非对称 LAMP 器件箱体实测数据
为了测试非对称 LAMP 器件与常规 LAMP 器件相比，节能效果与配光效果的差异， 将正常 LAMP 346 器件与非对称 LAMP 346 器件选取同一个亮度等级（1：1.1），做成两个 P12.5 的箱体进行对比。将两个箱体调试白平衡，在法平面上亮度调整到相同时，非对称箱体的电流与正常箱体的电流略有差异，也就是法平面亮度调整到相同时候，两个箱体的功耗略有差异。

为了更真实的对比两个箱体的节电效果，对两个箱体进行重新调节，让两个箱体的电流完全相同，也就是两个箱体功耗完全相同。测试在不同的仰视角度下两个箱体的亮度对比数据，如下表所示：

从上述数据对比可以看出，非对称箱体与正常箱体相比，在不同仰视角度观 看时，在不同水平角度的亮度都有不同程度提升，上半视角向下半视角的亮度转 移平均达 30%，节能效果明显。同时由于上视角的亮度降低，减少了显示屏对周 围高层建筑的光污染。

在配光方面，当在不同的仰视角下，亮度随水平角度的逐渐变大而减小，在 相同的角度变化范围内，非对称箱体的亮度变化要小于常规箱体的亮度变化，因 此非对称器件的配光一致性，优于同等条件下常规器件的配光一致性，非对称与 正常器件相比，降低了色偏差，非对称箱体的观看效果更好。

4结 论
本文提出了一种将 LAMP 器件的上视角亮度向下视角转移的设计概念，通 过 TracePro 光学软件，对 LAMP 器件透镜曲面进行非对称光学设计，将非对称 LAMP 器件的垂直方向上视角减少，下视角增大。

通过采用本论文提出的非对称透镜型面设计数据，得到非对称 LAMP 器件。 经过对成品的实际测试，水平角度为 110°，还是左右对称。垂直角度相对于法 平面非对称，为+20°/ —40°。采用 R/G/B 完全相同的芯片，封装为非对称 LAMP器件与常规 LAMP 器件，制作 P12.5 两个箱体进行亮度对比，发现非对称 LAMP 器件在下视角可视范围内，亮度比常规器件增加 30%以上，节电效果明显。上视 角范围亮度降低，减少了对附近高层建筑的光污染。同时，在水平大角度时未出 现偏色现象，配光明显优于常规 LAMP 器件。

参考文献
[1]  宋新丽，汪洋等，《LED视角亮度关系及其对显示屏亮度均匀性的影响分析》，现代显示
Advanced Display，Dec,2008,总第95期
[2]  安永生，《LED显示屏“马赛克”问题解决初步》，现代显示Advanced Display， May,2010,
总第112期.
[3]  《LED光学设计的现状与展望》，照明工程学报，Apr,2011，第22卷第2期