全彩LED显示屏用非对称节能型LAMP器件的设计

　　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