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全彩LED显示屏用非对称节能型LAMP器件的设计

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  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


  Abstract: The LED Display is usually used in the situation of head-up watching. The luminous intensity distribution in the upward 50% power angle is wasted. This paper presents a new asymmetric LAMP design concept that part of the luminous intensity in the upward 50% power angle can be transformed to the downward. After implementing the new design, the upward 50% power angle is reduced to 20°and the downward 50% power angle is increased to 40°.


  The luminous intensity of asymmetric LAMP in the downward 50% power angle increase 30% than the common LAMP. At the same time, the consistency of the light-matching also improved significantly, and the color bias of the display can be decreased.


  Key words:RELative Luminous Intensity Distribution, Lens, Asymmetric, Declivitous Angle, Light pollution


  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


 


 


 


 


 


 


 

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