LED顯示裝置的二次光學設計

王亞偉

摘 要：在LED顯示屏飛速發展的前提下，設計以改變光線投射區域作為二次光學設計的切入點。為了保證整個發光系統的出光質量、提高顯示效果，需要對LED顯示裝置進行二次光學設計。考慮到在實際點陣中擋板對上方向下照射光線的影響，將擋板沿45°斜面切開成三棱柱作為系統的導光部分，有效改善了擋板對向下光線的阻擋問題，從而使LED顯示裝置最大程度地滿足了設計要求。

關鍵詞：發光二極管；二次光學設計；LED顯示裝置

中圖分類號：TN312 文獻標識碼：A

隨著LED顯示時代的到來，LED顯示裝置也正向高發光均勻性和高亮度方向發展。為了保證整個發光系統的出光質量、提高顯示效果，需要對LED顯示裝置進行二次光學設計。針對LED顯示屏的不同要求，設計出包括擋板、透鏡等不同元件的二次光學系統。最終實現LED顯示裝置的光線投向指定區域的目的。

1 LED顯示裝置基礎單元優化

為了使LED顯示裝置的光線投向指定區域，首先要對其基礎單元進行優化，包括：加裝透鏡，擋板。最終通過光線模擬和照度圖的變化來決定哪種方案最能實現光線的向下偏置，從而使整個光學系統滿足設計要求。

1.1 單一模型結構

設計思路：利用擋板作為光線偏置的關鍵器件，通過對圓筒柱面反射出的光和光源直接發出的光進行導光，實現整個系統光線向下偏置。模型描述：

（1）在原點放置一個單向半球點光源。

（2）點光源右側放置圓柱面，將圓柱上下底面設置為穿透率100%，圓柱側面設置為反射率100%。

（3）在底面外側放置擋板。

（4）垂直Z軸一定距離放置平面，并將其設置為表面接收器。

擋板：0.2cm×0.2cm×1cm；圓柱面半徑：0.4cm，高0.8cm；平面接收器與原點距離：20cm。模塊和加入光線后仿真效果圖及接收面照度圖如圖1所示。

通過模擬軟件中的照度圖能明顯看出，光線在加入擋板之后發生了明顯的整體向下偏置現象。

1.2 棱鏡結構

設計思路：因為棱鏡對光線具有折射作用，所以考慮將其作為光線偏置的關鍵器件，通過對圓筒柱面反射出的光和光源直接發出的光進行整體折射，實現整個系統光線向下偏置。模型描述：

（1）在原點放置一個單向半球點光源。

（2）點光源右側放置圓柱面，將圓柱上下底面設置為穿透率100%，圓柱側面設置為反射率100%。

（3）在底面一側放置傾斜角為53°的棱鏡。

（4）垂直Z軸一定距離放置平面，并將其設置為表面接收器。棱鏡：傾斜角53°；圓柱面半徑：0.4cm，高0.8cm；平面接收器與原點距離：20cm。

更換模塊后的變化：加裝透鏡后，因為光線方向不可控性，在照度圖中不難看出，整體光線的方向改變十分微弱。最終決定將單一模型的作為目標模型，并將其作為最小單元應用于顯示裝置中。

2 LED顯示裝置的光學設計

設計思路：利用擋板作為光線偏置的關鍵器件，通過對圓筒柱面反射出的光和光源直接發出的光進行導光，實現整個系統光線向下偏置。為了盡可能減小擋板對其上部相鄰的模塊發出光線的阻擋，考慮增大光線向下的空間，最終決定將擋板沿45°角斜切。模型描述：

（1）在原點放置一個單向半球點光源。

（2）點光源右側放置圓柱面，將圓柱上下底面設置為穿透率100%，圓柱側面設置為反射率100%。

（3）在底面外側放置擋板，擋板沿對稱楞切開，成直角三棱柱。

（4）垂直Z軸一定距離放置平面，并將其設置為表面接收器。

（5）單個模型中點按3×3等距點陣排列。

模型尺寸：光源間距（點陣間距）：1cm；擋板：0.25cm×0.25cm× 1cm；斜面傾角45°；圓柱面半徑：0.4cm，高0.8cm；平面接收器與原點距離：20cm。模塊和加入光線后仿真效果如圖1所示。

從接收面照度圖中可以看到，將改進后的單一模塊方案應用于3×3點陣模型中是可行的，即點陣模型中的光線實現了偏置，并且有效改善了擋板對向下光線的阻擋問題。

綜上所述，通過光學設計軟件對二次光學系統進行模擬仿真。先是初步建立加載擋板的模型進行模擬仿真，然后通過更換透鏡和改為嵌入式定為最佳模型，再根據單一模型組成點陣時的注意事項對模型進行了進一步優化，最終將點陣模型建立并仿真完成。對比三種基本模型的效果后，最終選擇將擋板模型作為基本組成單元。考慮到在實際點陣中擋板對上方向下照射光線的影響，將擋板沿45°斜面切開成三棱柱作為系統的導光部分，有效改善了擋板對向下光線的阻擋問題，從而使LED顯示裝置最大程度地滿足了設計要求。

參考文獻

[1]王浩然，秦會斌.LED點陣屏顯示單元的設計與驅動控制[J].電子器件，2010（10）.

[2]高鐵成，艾艷錦，楊廣華.LED路燈的二次光學設計[J].光機電信息，2008（10）.