王亞偉

摘 要：在LED顯示屏飛速發(fā)展的前提下，設(shè)計(jì)以改變光線投射區(qū)域作為二次光學(xué)設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)。為了保證整個(gè)發(fā)光系統(tǒng)的出光質(zhì)量、提高顯示效果，需要對(duì)LED顯示裝置進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)?？紤]到在實(shí)際點(diǎn)陣中擋板對(duì)上方向下照射光線的影響，將擋板沿45°斜面切開成三棱柱作為系統(tǒng)的導(dǎo)光部分，有效改善了擋板對(duì)向下光線的阻擋問題，從而使LED顯示裝置最大程度地滿足了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：發(fā)光二極管；二次光學(xué)設(shè)計(jì)；LED顯示裝置

中圖分類號(hào)：TN312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著LED顯示時(shí)代的到來，LED顯示裝置也正向高發(fā)光均勻性和高亮度方向發(fā)展。為了保證整個(gè)發(fā)光系統(tǒng)的出光質(zhì)量、提高顯示效果，需要對(duì)LED顯示裝置進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)。針對(duì)LED顯示屏的不同要求，設(shè)計(jì)出包括擋板、透鏡等不同元件的二次光學(xué)系統(tǒng)。最終實(shí)現(xiàn)LED顯示裝置的光線投向指定區(qū)域的目的。

1 LED顯示裝置基礎(chǔ)單元優(yōu)化

為了使LED顯示裝置的光線投向指定區(qū)域，首先要對(duì)其基礎(chǔ)單元進(jìn)行優(yōu)化，包括：加裝透鏡，擋板。最終通過光線模擬和照度圖的變化來決定哪種方案最能實(shí)現(xiàn)光線的向下偏置，從而使整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

1.1 單一模型結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)思路：利用擋板作為光線偏置的關(guān)鍵器件，通過對(duì)圓筒柱面反射出的光和光源直接發(fā)出的光進(jìn)行導(dǎo)光，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)光線向下偏置。模型描述：

（1）在原點(diǎn)放置一個(gè)單向半球點(diǎn)光源。

（2）點(diǎn)光源右側(cè)放置圓柱面，將圓柱上下底面設(shè)置為穿透率100%，圓柱側(cè)面設(shè)置為反射率100%。

（3）在底面外側(cè)放置擋板。

（4）垂直Z軸一定距離放置平面，并將其設(shè)置為表面接收器。

擋板：0.2cm×0.2cm×1cm；圓柱面半徑：0.4cm，高0.8cm；平面接收器與原點(diǎn)距離：20cm。模塊和加入光線后仿真效果圖及接收面照度圖如圖1所示。

通過模擬軟件中的照度圖能明顯看出，光線在加入擋板之后發(fā)生了明顯的整體向下偏置現(xiàn)象。

1.2 棱鏡結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)思路：因?yàn)槔忡R對(duì)光線具有折射作用，所以考慮將其作為光線偏置的關(guān)鍵器件，通過對(duì)圓筒柱面反射出的光和光源直接發(fā)出的光進(jìn)行整體折射，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)光線向下偏置。模型描述：

（1）在原點(diǎn)放置一個(gè)單向半球點(diǎn)光源。

（2）點(diǎn)光源右側(cè)放置圓柱面，將圓柱上下底面設(shè)置為穿透率100%，圓柱側(cè)面設(shè)置為反射率100%。

（3）在底面一側(cè)放置傾斜角為53°的棱鏡。

（4）垂直Z軸一定距離放置平面，并將其設(shè)置為表面接收器。棱鏡：傾斜角53°；圓柱面半徑：0.4cm，高0.8cm；平面接收器與原點(diǎn)距離：20cm。

更換模塊后的變化：加裝透鏡后，因?yàn)楣饩€方向不可控性，在照度圖中不難看出，整體光線的方向改變十分微弱。最終決定將單一模型的作為目標(biāo)模型，并將其作為最小單元應(yīng)用于顯示裝置中。

2 LED顯示裝置的光學(xué)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)思路：利用擋板作為光線偏置的關(guān)鍵器件，通過對(duì)圓筒柱面反射出的光和光源直接發(fā)出的光進(jìn)行導(dǎo)光，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)光線向下偏置。為了盡可能減小擋板對(duì)其上部相鄰的模塊發(fā)出光線的阻擋，考慮增大光線向下的空間，最終決定將擋板沿45°角斜切。模型描述：

（1）在原點(diǎn)放置一個(gè)單向半球點(diǎn)光源。

（2）點(diǎn)光源右側(cè)放置圓柱面，將圓柱上下底面設(shè)置為穿透率100%，圓柱側(cè)面設(shè)置為反射率100%。

（3）在底面外側(cè)放置擋板，擋板沿對(duì)稱楞切開，成直角三棱柱。

（4）垂直Z軸一定距離放置平面，并將其設(shè)置為表面接收器。

（5）單個(gè)模型中點(diǎn)按3×3等距點(diǎn)陣排列。

模型尺寸：光源間距（點(diǎn)陣間距）：1cm；擋板：0.25cm×0.25cm× 1cm；斜面傾角45°；圓柱面半徑：0.4cm，高0.8cm；平面接收器與原點(diǎn)距離：20cm。模塊和加入光線后仿真效果如圖1所示。

從接收面照度圖中可以看到，將改進(jìn)后的單一模塊方案應(yīng)用于3×3點(diǎn)陣模型中是可行的，即點(diǎn)陣模型中的光線實(shí)現(xiàn)了偏置，并且有效改善了擋板對(duì)向下光線的阻擋問題。

綜上所述，通過光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)二次光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。先是初步建立加載擋板的模型進(jìn)行模擬仿真，然后通過更換透鏡和改為嵌入式定為最佳模型，再根據(jù)單一模型組成點(diǎn)陣時(shí)的注意事項(xiàng)對(duì)模型進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，最終將點(diǎn)陣模型建立并仿真完成。對(duì)比三種基本模型的效果后，最終選擇將擋板模型作為基本組成單元。考慮到在實(shí)際點(diǎn)陣中擋板對(duì)上方向下照射光線的影響，將擋板沿45°斜面切開成三棱柱作為系統(tǒng)的導(dǎo)光部分，有效改善了擋板對(duì)向下光線的阻擋問題，從而使LED顯示裝置最大程度地滿足了設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

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