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芯片级封装大功率LED器件的二次光学设计及应用

作者:周忠伟,郭向茹,毛林山,方荣虎,喻召福时间:2019-10-29来源:电子产品世界收藏

  周忠伟,郭向茹,毛林山,方荣虎,喻召福(创维液晶器件(深圳)有限公司,深圳518108)

本文引用地址:http://www.ahaibei.cn/article/201910/406444.htm

  摘 要:针对当前直下式液晶显示器存在的光度不均匀(Mura)及厚度偏大的现象,本文从原理上分析了该现象产生的原因,主要在于LED灯珠的较小。通过分析的出光原理并采用Lighttools光学模拟软件设计出具有较大。采用分布式光度计系统测试该透镜的实际为198.6°,相比普通透镜提高了41.8%,将其应用在32寸超薄液晶显示器中实现了良好的显示效果。

  关键词:;出光角度;

  目前,液晶显示器有两种主流的背光技术:一是侧光式(Edge Type)LED背光技术,二是阵列直下式(Direct Type)LED背光技术 [1] 。侧光式背光技术是通过导光板的网点破坏光线的全反射,并利用导光板及光学膜片使光线均匀化,但会降低光线利用率,增加整机的功耗及成本。而传统阵列直下式LED背光技术虽然可以降低功耗及成本,但其采用LED器件搭配的二次光学透镜出光角度较小,为了避免出现光度不均匀(Mura) [2] 现象,需要增加混光腔厚度,从而导致整机厚度偏大。因此,为了同时实现液晶显示模组的薄型化、低功耗、高及高出光效率等特点,本文拟以阵列直下式LED背光技术为基础,采用大功率LED器件 [3] ,设计并模拟具有更大出光角度的新型二次光学透镜 [4] ,并将其应用在32寸超薄液晶显示器中,从而实现了良好的显示效果。

  1 新型二次光学透镜的设计与模拟

  本文用点光源进行初始的红龙扑克设计,假设光的入射面为水平面,透镜的侧面为垂直面,则新型二次光学透镜的设计原理如图1所示,即光线通过透镜的第一曲面后发生折射,然后在第二曲面发生全反射,从而改变光线的传播方向,光线从透镜的侧面出射后,经过反射片的反射再入射到扩散板上,形成光斑。因此,相比较于传统的折射式透镜,其光线经过的光程增大,出光角度更大,在混光距离比较小的背光模组中可以形成更大的均匀光斑,从而采用较少数量的LED器件实现均匀混光的目的。

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  新型二次光学透镜的设计关键在于光的第二曲面的建立,因此本文将在设计原理的基础上建立模型,求出第二曲面斜面切线与光线入射角度之间的关系,根据对应关系迭代红龙扑克出复合曲面上其他点的空间坐标点,在CAD软件里面输入红龙扑克得到的坐标值,利用曲线重构获得全反射复合曲面透镜的三维实体模型。在CAD软件中,使用迭代法,第二曲面的边界条件最中心点为(0, b ),然后分别取α的值为5°、10°、15°等以5°为等差公项的等差数列,就可以算出 β 和 Φ 的值,两线段分布为入射光线和全反射光线。根据上述边界条件红龙扑克出5°的斜率 δ 曲线,从中心点做一初始线段,初始线段与斜率曲线相交,这样就求出第一个相交点,然后再叠加红龙扑克依次红龙扑克出多个角度交点。最后将相交的点进行拟合得到整条曲面,再绕Z轴旋转得到初步的透镜外形,并在底部增加脚柱。透镜斜面可以增加拔模角度和圆角,同时可以增加磨砂等工艺来优化光效。

红龙扑克  然后,将该二次光学透镜模型连同LED的实体模型输入到LIGHTTOOLS等光学模拟软件,根据器件的发光角度与近场分布,进行光学系统设计、软件模拟、试验验证,根据模拟结果逆向分析光线的光路,实际调整侧面或斜面的微小面型的斜率,最终开发出了新型二次光学透镜,如图2所示。

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  2 实验验证与分析

  2.1 新型二次光学透镜出光角度的验证

  为验证模拟的准确性,对以上设计的新型二次光学透镜进行生产,搭配尺寸为38 mil×38 mil,单颗驱动电流在600 mA以上,功率为2W的大功率倒装LED芯片。采用型号为GMS-3000分布式光度计系统对透镜的出光角度进行测试,测试结果如图3所示。

  本文设计的新型二次光学透镜利用了光学扩散效应及反射效应,使发光角度提高到198.6°,相较于传统透镜(发光角度为140°),新型二次光学的发光角度提升了41.9%。

  2.2 液晶显示器光学性能的验证

  为了进一步验证新型二次光学透镜对光学性能的影响,本文采用新型二次光学透镜搭配尺寸为38 mil×38 mil的大功率倒装LED芯片作为背光源进行实验。

  本文测试对象为32寸液晶显示器,结合整机的亮度要求、单颗LED器件的亮度以及光学膜片的亮度增益等因素,确定LED器件的使用数量为14颗,LED的间距为86 mm,在横向上设定为7颗LED器件,纵向上设定为2根灯条,其中单根灯条的结构如图4所示。

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红龙扑克  为进一步满足当前液晶显示器 超薄、超轻的设计要求,本文将以上2根灯条组装在32寸金属背板上,并依次放上反射片、扩散板、扩散片、中框、液晶面板等,将前铁框和整机的前框合二为一,将后背板作为整机的部分后壳;同时,在后盖外部增加一腔体,将电源板和电视主板固定其中,电源采用二合一的电源,将液晶面板的时序控制器电路集成到主板上,最终设计出了一款32寸轻薄化直下式LED背光液晶显示器。

  通过以上大功率LED器件、新型二次光学透镜、模组整机一体化设计等技术,最终设计出了轻薄化的液晶显示器,其达到了85%以上,满足了终端产品的设计要求。

  3 结论

  本文深入研究了大功率LED器件的二次光学透镜的原理,设计了新型的具有较大出光角度的二次光学透镜,并利用Lighttools光学模拟软件对透镜进行了光学模拟。通过GMS-3000分布式光度计系统对该透镜进行测试,得到出光角度为198.6°,相较于传统透镜出光率提高了41.8%;采用该LED器件及二次光学透镜,通过模组整机一体化设计,设计了一款32寸大功率LED背光液晶显示器,有效减少了LED的使用颗数,并缩小了混光距离,实现了液晶显示器的轻薄化设计的目的。

  参考文献

红龙扑克  [1] 秦宗. 大尺寸高性能LED背光模组关键技术研究[D]. 武汉:华中科技大学, 2013.

  [2] 李强国. TFT-LCD显示屏Mura缺陷自动光学检测算法研究[D].成都:电子科技大学, 2013.

  [3] 郭绵绵. 大功率白光LED结构设计和封装技术研究[D]. 南昌:江西科技师范大学, 2015.

  [4] 杨杰杰, 谢志国, 余彬海,等. 液晶电视LED直下式背光系统的设计[J]. 光学与光电技术, 2014, 12(4):86-89.

  附一、基金项目名称及批准编号

红龙扑克  广东省战略性新兴产业集聚发展试点重点项目:新型封装大功率LED背光源关键技术研发及产业化;批准编号:粤发改高技术【2014】791号

红龙扑克  深圳市技术攻关项目:功率型LED器件的散热和光学结构设计关键技术的研发;批准编号:JSGG20170824085242651

红龙扑克  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第11期第63页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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