摘要: 针对传统LED 显示屏光能利用率和图像画面填充比低的缺点,基于非成像光学理论,提出了一种提高光能利用率和画面填充比的全彩LED 显示模块结构系统和设计方法。利用复合抛物面集光器CPC 对LED管芯发出光线的发散角进行变换压缩,从而避免了外表面全反射损耗,大幅度提高了系统的光能利用率。利
用积分方腔匀光原理和散射元件对光能的二次分配,提高了显示屏的画面填充比、单位像素均匀度及基色复用面积。作为实例,根据上述方法设计了一个P10 mm 全彩LED 显示模块,利用光学设计软件LIGHTTOOLS对该显示模块系统进行了仿真建模和光线追迹,并对设计结果进行了分析。结果表明,系统光能利用率大于70%,画面填充比接近100%,单位像素区域内均匀度好于85%。显示模块具有能量利用率高、高画面填充比、显示效果均匀柔和、易于生产和装调的优点。
关摇键摇词: LED 显示屏; 画面填充比; 光能利用率; 非成像光学
1 引言
自上世纪80 年代起,发光二极管(LED)显示屏作为一种全新的显示媒介开始应用于大众生活。早期的LED 显示屏主要用于文字显示,随着制造工艺、电子技术、信息技术的进步,LED 显示系统的显示能力和应用水平有了长足发展[1鄄5] 。
全彩色LED 显示屏作为一种新型的平板显示器件,以其色域范围宽、亮度高、可实现大面积显示等优点受到业内的追捧,已经广泛应用于金融证券、机场、体育场、车站、公路交通、机场等诸多公众多媒体显示领域[6鄄8] 。
目前,市面上大多数LED 显示屏均采用“表贴三合一冶生产工艺,红、绿、蓝三基色管芯被封装于同一个发光管里,形成一个独立的像素点,然后再将许许多多个像素发光点分别焊接到主体屏幕上。由于像素点尺寸和位置的离散性,致使像素之间存在不发光的暗区,导致显示画面不连续,影响观看。另外,为了避免像素区亮度过高,造成炫目感,封装体内掺加了大量的光散射剂,使得亮度大幅降低。又由于封装胶体外表面的全反射效应,使很大一部分光受到光逃逸角所限,被困在发光管内,进一步降低了系统的光能利用率,大量的光能转化为热能,降低了系统的可靠性[9] 。
针对以上缺点,本文利用非成像光学理论,提出了一种提高全彩LED 显示模块光能利用率和画面填充比的结构系统和设计方法。利用光学仿真软件对该显示模块系统进行了模拟和分析。该系统具有能量利用率高、画面填充比大、显示效果均匀柔和等优点,同时避免了复杂的结构封装形式,易于批量化生产。
2 LED 显示屏高光效设计
2. 1 LED 显示屏光效分析
LED 管芯在使用过程中不能直接暴露于外界环境中,需要用透明灌封胶对其进行保护。灌封胶根据组成成分不同,折射率通常在1. 4 ~1. 7范围之间。高的折射率有利于提高管芯的光萃取率(外量子效率),增加管芯的出光率[10] 。但是,另一方面,由于灌封胶的折射率高于外界空气的折射率,光线会在空气与灌封胶体的交界面发生全反射现象,导致大于全反射角入射的光线被全部反射回去,造成屏幕亮度降低。如图1 所示,假设封装胶体与空气的折射率分别为n1 和n2(n2 =
1),S 为两种介质的交界面,设光线在空气中的波矢量模为k2 = n2 = 1,在胶体中的波矢量模为k1 = n1。根据非成像光学理论[11] ,任意入射到界面S 处的光线均可用四维相空间上的一组坐标(x,y,kx ,ky )表示。其中,x 和y 分别为光线与
界面交点处的横纵坐标,kx 和ky 分别为光波矢量k(kx ,ky ,kz )在空间三维坐标下的两个分量。设d赘为入射为角琢的光线所对应的立体角微元,则:dkx dky = n2cos琢d赘, (1)所以, 乙dkx dky 在相空间中对应为半径n 的圆形。令界面S 面积为: 乙dxdy = A, (2)则其光学扩展量为:Ephasespace = A仔n2, (3)这里取封装胶体的折射率n =1. 5,则:Ephasespace1 = A仔n21= 2. 25A仔, (4)对应图1 上方的虚线区域,其扩展量数值大于Ephasespace2 = A仔(对应图1 中的阴影区域)。因此,很大一部分能量(1. 25A仔)无法被有效利用,造成光能利用率降低。
2. 2 CPC 角度变换原理及设计方法
由以上分析可知,要充分提高系统的光能利用率,需要对LED 发出的光线发散角进行压缩,使其收敛到小于全反射临界角琢1 = arcsin 1n?è? ??÷1 。我们采用复合抛物面集光器(CPC)对光束进行变换。CPC 是利用边缘光线原理设计的一种非成像光学元件,因其高效的集能效率被广泛地应用于太阳能发电行业[12] 。这里按照光路可逆原理,反向利用CPC 进行角度压缩。
本文采用的CPC 变换腔主体部分由中心对称的4 片偏轴抛物反射面组成。假设CPC 集光器的入射端和出射端孔径尺寸分别为aI 和aO,入射端的光线最大发散角为兹IMAX
= 90毅,则根据边缘光线理论,CPC 集光器出口端最大光线发散角
符合:sin(兹OMAX) = aIaO·sin(兹IMAX) = aI / aO, (5)此时,构成CPC 集光器的抛物面焦距f 为:f = aI(1 + sin兹OMAX)2 , (6)CPC 集光器的长度为:L = aI + aO 2tan兹OMAX, (7)由此,可计算出CPC 变换腔的外形尺寸。
2. 3设计实例
根据上文分析,需要使LED 管芯发出的光线发散角收敛到小于全反射临界角,即:兹OMAX < 琢1, (8)取兹OMAX = 40毅,aO = 9 mm,则由公式(5)、(6)、(7)计算得到CPC 集光器的入射端孔径aI = 5. 8mm,抛物面焦距f =4. 77 mm,CPC 集光器的长度L =8. 8 mm。
按照上述计算结果建立CPC 角度变换仿真模型并进行光线计算,如图2 所示。可以看到,出射光线的光束角被有效地压缩到全反射临界角以下。
3显示屏画面填充比的提高
3. 1LED 显示屏画面填充比分析
图像画面填充比是指屏幕上有效显示面积与总面积之比。在像素数(分辨率)相同的情况下,提高画面填充比可以改善图像显示美感,同时还有利于减小摩尔条纹对显示画面的影响。
全彩LED 显示屏是由许多个LED 小发光点,即像素,按照矩阵形式排布而成。常用符号Px 来表示相邻像素间的中心距离,如:P5 表示像素间隔为5 mm 的LED 显示屏。由于通常像素点本身的尺寸小于它们彼此之间的中心距离,会造成屏幕的画面填充比较低。上述问题可以通过增加像素密度(减小像素间隔)的方法来解决,但这会造成成本的大幅度增加。另外,单位像素点内,红、绿、蓝三基色管芯通常采用平铺形式安装,如图3 所示。在基色显示时,由于其他颜色芯片处于关闭状态,会导致屏幕的画面填充比进一步下降。
因此,要有效地提高LED 显示屏的画面填充比,需要尽可能扩大像素单元的发光面积,同时提高基色的复用面积。
3. 2方腔匀光理论及其应用
积分方腔通常用于投影显示系统光学引擎中的匀光[13] ,可以将其入口处不规则的光形分布转化为出口处的矩形光斑,同时提高系统的照度均匀性。其工作原理为:利用光线在方腔内多次反射,形成多个虚拟光源,各光源在方腔出口处积分叠加,形成均匀的矩形光照明。
3. 3设计实例
为了与前面设计实例中的CPC 光束变换腔体顺利衔接,取反光方腔的口径为5. 8 mm 伊5. 8mm,长度设为10 mm,红、绿、蓝三基色LED 芯片尺寸为0. 15 mm 伊0.
15 mm (6 mil 伊6 mil)。光学建模与模拟结果如图4 所示。
可以看到,反光方腔出口处的照度分布均匀,且受芯片位置变化影响很小。系统在增大单位像素发光面积的同时,也提高了像素的基色复用面积。由于芯片位置变化对照度的影响小,使系统对芯片固晶位置公差不敏感,有利于大批量生产。
4系统仿真验证及结果分析
综合以上分析和设计结果,我们在光学仿真软件LIGHTTOOLS 中对LED 显示模块系统进行了建模仿真,如图5 所示。模块采用“集成三合一冶技术结构,为了节省计算时间,将模块的像素数简化为5 伊5,像素间隔为10 mm。
系统包括25 个元素单元,每个像素单元由红、绿、蓝三基色LED 发光管芯,方棒反光腔,CPC 角度变换腔和灌封在腔中的透明环氧树脂胶组成。其中,方棒反光腔的尺寸为:5. 8 mm 伊5.
8 mm 伊10 mm,CPC 变换腔的尺寸为:8 mm 伊9mm 伊8. 8 mm,环氧树脂的折射率设为1. 5。整个模块最上端附有粗糙度为500 Grit 的光散射膜,厚度为0. 5 mm。采用光散射膜的目的是形成二次光源,掩盖其下的LED 发光管芯,使新生成的像素面积较原有的LED 发光点明显增大,同时散射元件对光线的角度进行了二次分配,降低了观看时产生的炫目感。
红、绿、蓝三基色管芯的亮、色度参数如表1所示。
利用蒙特鄄卡罗(Monte
Carlo)方法对系统进行仿真计算,散射膜上光照度的光线追迹结果如图7 所示,图中上、下部分分别为照度的分布三维和二维表示。
从图中可以看到,模块上表面(光散射膜)无暗区存在, 整体面积范围内照度均匀度好于80%,由此可以判定该模块的画面填充比接近100%。软件计算结果表明,系统光能利用率大于70%,单位像素区域内均匀度优于85%。
图8 为系统光强的空间角度分布图。可以看到显示模块发出的光在观看视角范围内接近于朗伯分布,有利于显示屏观查视角的扩大。另外,软件分析表明红、绿、蓝三基色的空间光强分布均与图8 类似,说明系统具有良好的亮、色度空间一致
性,从而避免了角度偏色现象的产生。
5结摇摇论
传统LED 显示屏存在光能利用率低、显示图像画存在大量暗区的缺点,需要进一步改进。本文基于非成像光学理论,分析了显示屏光能利用率和画面填充比低的成因,研究和设计了一种提高全彩LED 显示屏光能利用率和画面填充比的显示模块结构,不仅提高了系统的光能利用率和画面填充比,还起到了很好的混色作用。设计了一个P10 mm 的全彩LED 显示模块,利用光学设计软件LIGHTTOOLS 对该显示模块系统进行了仿真建模和光路模拟,并对设计结果进行了分析。结果表明,系统光能利用率大于70%,画面填充比接近100%,单位像素区域内均匀度好于85%。该显示模块具有能量利用率高、画面填充比大、显示效果均匀柔和等优点。系统结构简单,相关组件可通过模具注塑方式进行制造。由于采用了匀光方式,对元件的制造要求较低。同时系统降低了红、绿、蓝三色LED 管芯安装的位置敏感度,从而降低了生产工艺要求,有利于批量化生产和安装,减少生产成本。