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(深圳雷曼光电科技股份有限公司，深圳518108)
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
图1非对称LAMP器件在显示屏上应用示意图
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
a-常规椭圆 b-非对称椭圆
图2 TracePro模拟设计出来横截面图形
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
图3 TRACEPRO模拟光斑
a-常规椭圆 b-非对称椭圆
图3 TRACEPRO模拟设计的光斑
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
a-常规椭圆 b-非对称椭圆
图4 TracePro模拟光强分布曲线
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。
图5 非对称LAMP器件的实测光型图
表1：雷曼非对称LAMP 346器件参数
|
型号 |
IV(mcd) |
WD(nm) |
H-H |
50% H-H |
V-V |
50% V-V |
|
LL2407EYHR4-B02 |
1000 |
624 |
110° |
左=55° 右=55° |
60° |
上=20° 下=40° |
|
LL2407PUPG4-B02-01 |
2200 |
525 | ||||
|
LL2407PLBL4-B02-01 |
480 |
470 |
表2：雷曼正常LAMP346器件参数
|
型号 |
IV(mcd) |
WD(nm) |
H-H |
50% H-H |
V-V |
50% V-V |
|
LL2418EYHR4-A02-C |
1200 |
624 |
105° |
左=52.5° 右=52.5° |
50° |
上=25° 下=25° |
|
LL2418PUPG4-A02-C |
2400 |
525 | ||||
|
LL2418PLBL4-A02-C |
520 |
470 |
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：
表3 法平面0°时不同水平视角亮度分布对比
|
|
非对称机种 |
正常机种 |
非对称比正常机种亮度提升百分比 |
|
|
水平视角/° |
非对称垂直法向0度 亮度（nt） |
正常垂直法向0度 亮度（nt） |
||
|
75 |
4610 |
5600 |
-17.68% |
|
|
60 |
5000 |
6000 |
-16.67% |
|
|
45 |
5960 |
6420 |
-7.17% |
|
|
30 |
6350 |
6740 |
-5.79% |
|
|
15 |
7630 |
7780 |
-1.93% |
|
|
0 |
8260 |
8410 |
-1.78% |
|
|
-15 |
7510 |
7580 |
-0.92% |
|
|
-30 |
7050 |
7210 |
-2.22% |
|
|
-45 |
6460 |
6930 |
-6.78% |
|
|
-60 |
5120 |
5920 |
-13.51% |
|
|
-75 |
4160 |
5060 |
-17.79% |
表4：观众仰视10°时不同水平视角亮度分布对比
|
|
非对称机种 |
正常机种 |
非对称比正常提高百分比 |
|
|
水平视角/° |
非对称仰视10度 亮度（nt） |
正常仰视10度 亮度（nt） |
||
|
75 |
3310 |
3150 |
5.08% |
|
|
60 |
6150 |
5830 |
5.49% |
|
|
45 |
6630 |
6150 |
7.80% |
|
|
30 |
6850 |
6610 |
3.63% |
|
|
15 |
7630 |
6940 |
9.94% |
|
|
0 |
8210 |
7840 |
4.72% |
|
|
-15 |
7530 |
6940 |
8.50% |
|
|
-30 |
6940 |
6600 |
5.15% |
|
|
-45 |
6490 |
6210 |
4.51% |
|
|
-60 |
6250 |
6120 |
2.12% |
|
|
-75 |
3450 |
3110 |
10.93% |
表5：观众仰视20°时不同水平视角亮度分布对比
|
|
非对称机种 |
正常机种 |
非对称比正常提高百分比 |
|
|
水平视角/° |
非对称仰视20度 亮度（nt） |
正常仰视20度 亮度（nt） |
||
|
75 |
3010 |
2810 |
7.12% |
|
|
60 |
5500 |
4290 |
28.21% |
|
|
45 |
6280 |
4380 |
43.38% |
|
|
30 |
6420 |
4390 |
46.24% |
|
|
15 |
6530 |
4640 |
40.73% |
|
|
0 |
7450 |
5450 |
36.70% |
|
|
-15 |
6510 |
4640 |
40.30% |
|
|
-30 |
6480 |
4460 |
45.29% |
|
|
-45 |
6240 |
4380 |
42.47% |
|
|
-60 |
5610 |
4400 |
27.50% |
|
|
-75 |
2980 |
2790 |
6.81% |
表6：观众仰视30°时不同水平视角亮度分布对比
|
|
非对称机种 |
正常机种 |
非对称比正常提高百分比 |
|
|
水平视角/° |
非对称仰视30度 亮度（nt） |
正常仰视30度 亮度（nt） |
||
|
75 |
4120 |
4150 |
-0.72% |
|
|
60 |
6350 |
4640 |
36.85% |
|
|
45 |
6500 |
4700 |
38.30% |
|
|
30 |
6720 |
5030 |
33.60% |
|
|
15 |
6820 |
5140 |
32.68% |
|
|
0 |
7460 |
5780 |
29.07% |
|
|
-15 |
6890 |
5140 |
34.05% |
|
|
-30 |
6790 |
5030 |
34.99% |
|
|
-45 |
6400 |
4800 |
33.33% |
|
|
-60 |
6310 |
4640 |
35.99% |
|
|
-75 |
3920 |
4050 |
-3.21% |
表7：观众仰视45°时不同水平视角亮度分布对比
|
|
非对称机种 |
正常机种 |
非对称比正常提高百分比 |
|
|
水平视角/° |
非对称仰视45度 亮度（nt） |
正常仰视45度 亮度（nt） |
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|
75 |
3860 |
2930 |
31.74% |
|
|
60 |
4500 |
3300 |
36.36% |
|
|
45 |
5330 |
3540 |
50.56% |
|
|
30 |
5710 |
3750 |
52.27% |
|
|
15 |
6010 |
4180 |
43.78% |
|
|
0 |
6210 |
4330 |
43.42% |
|
|
-15 |
6030 |
4570 |
31.95% |
|
|
-30 |
5720 |
4010 |
42.64% |
|
|
-45 |
5490 |
3660 |
50.00% |
|
|
-60 |
4630 |
3250 |
42.46% |
|
|
-75 |
3120 |
1540 |
102.60% |
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
