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芯片級封裝大功率LED器件的二次光學設計及應用

作者:周忠偉,郭向茹,毛林山,方榮虎,喻召福時間:2019-10-29來源:電子產品世界收藏

  周忠偉,郭向茹,毛林山,方榮虎,喻召福(創維液晶器件(深圳)有限公司,深圳518108)

本文引用地址:http://www.crmfjg.tw/article/201910/406444.htm

  摘?要:針對當前直下式液晶顯示器存在的光度不均勻(Mura)及厚度偏大的現象,本文從原理上分析了該現象產生的原因,主要在于LED燈珠的較小。通過分析的出光原理并采用Lighttools光學模擬軟件設計出具有較大。采用分布式光度計系統測試該透鏡的實際為198.6°,相比普通透鏡提高了41.8%,將其應用在32寸超薄液晶顯示器中實現了良好的顯示效果。

  關鍵詞:;出光角度;

  目前,液晶顯示器有兩種主流的背光技術:一是側光式(Edge Type)LED背光技術,二是陣列直下式(Direct Type)LED背光技術 [1] 。側光式背光技術是通過導光板的網點破壞光線的全反射,并利用導光板及光學膜片使光線均勻化,但會降低光線利用率,增加整機的功耗及成本。而傳統陣列直下式LED背光技術雖然可以降低功耗及成本,但其采用LED器件搭配的二次光學透鏡出光角度較小,為了避免出現光度不均勻(Mura) [2] 現象,需要增加混光腔厚度,從而導致整機厚度偏大。因此,為了同時實現液晶顯示模組的薄型化、低功耗、高及高出光效率等特點,本文擬以陣列直下式LED背光技術為基礎,采用大功率LED器件 [3] ,設計并模擬具有更大出光角度的新型二次光學透鏡 [4] ,并將其應用在32寸超薄液晶顯示器中,從而實現了良好的顯示效果。

  1 新型二次光學透鏡的設計與模擬

  本文用點光源進行初始的計算設計,假設光的入射面為水平面,透鏡的側面為垂直面,則新型二次光學透鏡的設計原理如圖1所示,即光線通過透鏡的第一曲面后發生折射,然后在第二曲面發生全反射,從而改變光線的傳播方向,光線從透鏡的側面出射后,經過反射片的反射再入射到擴散板上,形成光斑。因此,相比較于傳統的折射式透鏡,其光線經過的光程增大,出光角度更大,在混光距離比較小的背光模組中可以形成更大的均勻光斑,從而采用較少數量的LED器件實現均勻混光的目的。

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  新型二次光學透鏡的設計關鍵在于光的第二曲面的建立,因此本文將在設計原理的基礎上建立模型,求出第二曲面斜面切線與光線入射角度之間的關系,根據對應關系迭代計算出復合曲面上其他點的空間坐標點,在CAD軟件里面輸入計算得到的坐標值,利用曲線重構獲得全反射復合曲面透鏡的三維實體模型。在CAD軟件中,使用迭代法,第二曲面的邊界條件最中心點為(0, b ),然后分別取α的值為5°、10°、15°等以5°為等差公項的等差數列,就可以算出 β 和 Φ 的值,兩線段分布為入射光線和全反射光線。根據上述邊界條件計算出5°的斜率 δ 曲線,從中心點做一初始線段,初始線段與斜率曲線相交,這樣就求出第一個相交點,然后再疊加計算依次計算出多個角度交點。最后將相交的點進行擬合得到整條曲面,再繞Z軸旋轉得到初步的透鏡外形,并在底部增加腳柱。透鏡斜面可以增加拔模角度和圓角,同時可以增加磨砂等工藝來優化光效。

  然后,將該二次光學透鏡模型連同LED的實體模型輸入到LIGHTTOOLS等光學模擬軟件,根據器件的發光角度與近場分布,進行光學系統設計、軟件模擬、試驗驗證,根據模擬結果逆向分析光線的光路,實際調整側面或斜面的微小面型的斜率,最終開發出了新型二次光學透鏡,如圖2所示。

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  2 實驗驗證與分析

  2.1 新型二次光學透鏡出光角度的驗證

  為驗證模擬的準確性,對以上設計的新型二次光學透鏡進行生產,搭配尺寸為38 mil×38 mil,單顆驅動電流在600 mA以上,功率為2W的大功率倒裝LED芯片。采用型號為GMS-3000分布式光度計系統對透鏡的出光角度進行測試,測試結果如圖3所示。

  本文設計的新型二次光學透鏡利用了光學擴散效應及反射效應,使發光角度提高到198.6°,相較于傳統透鏡(發光角度為140°),新型二次光學的發光角度提升了41.9%。

  2.2 液晶顯示器光學性能的驗證

  為了進一步驗證新型二次光學透鏡對光學性能的影響,本文采用新型二次光學透鏡搭配尺寸為38 mil×38 mil的大功率倒裝LED芯片作為背光源進行實驗。

  本文測試對象為32寸液晶顯示器,結合整機的亮度要求、單顆LED器件的亮度以及光學膜片的亮度增益等因素,確定LED器件的使用數量為14顆,LED的間距為86 mm,在橫向上設定為7顆LED器件,縱向上設定為2根燈條,其中單根燈條的結構如圖4所示。

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  為進一步滿足當前液晶顯示器 超薄、超輕的設計要求,本文將以上2根燈條組裝在32寸金屬背板上,并依次放上反射片、擴散板、擴散片、中框、液晶面板等,將前鐵框和整機的前框合二為一,將后背板作為整機的部分后殼;同時,在后蓋外部增加一腔體,將電源板和電視主板固定其中,電源采用二合一的電源,將液晶面板的時序控制器電路集成到主板上,最終設計出了一款32寸輕薄化直下式LED背光液晶顯示器。

  通過以上大功率LED器件、新型二次光學透鏡、模組整機一體化設計等技術,最終設計出了輕薄化的液晶顯示器,其達到了85%以上,滿足了終端產品的設計要求。

  3 結論

  本文深入研究了大功率LED器件的二次光學透鏡的原理,設計了新型的具有較大出光角度的二次光學透鏡,并利用Lighttools光學模擬軟件對透鏡進行了光學模擬。通過GMS-3000分布式光度計系統對該透鏡進行測試,得到出光角度為198.6°,相較于傳統透鏡出光率提高了41.8%;采用該LED器件及二次光學透鏡,通過模組整機一體化設計,設計了一款32寸大功率LED背光液晶顯示器,有效減少了LED的使用顆數,并縮小了混光距離,實現了液晶顯示器的輕薄化設計的目的。

  參考文獻

  [1] 秦宗. 大尺寸高性能LED背光模組關鍵技術研究[D]. 武漢:華中科技大學, 2013.

  [2] 李強國. TFT-LCD顯示屏Mura缺陷自動光學檢測算法研究[D].成都:電子科技大學, 2013.

  [3] 郭綿綿. 大功率白光LED結構設計和封裝技術研究[D]. 南昌:江西科技師范大學, 2015.

  [4] 楊杰杰, 謝志國, 余彬海,等. 液晶電視LED直下式背光系統的設計[J]. 光學與光電技術, 2014, 12(4):86-89.

  附一、基金項目名稱及批準編號

  廣東省戰略性新興產業集聚發展試點重點項目:新型封裝大功率LED背光源關鍵技術研發及產業化;批準編號:粵發改高技術【2014】791號

  深圳市技術攻關項目:功率型LED器件的散熱和光學結構設計關鍵技術的研發;批準編號:JSGG20170824085242651

  本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第11期第63頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。



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