董琦飛 耿向陽 周斌 張國(guó)華

（東風(fēng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有限公司，襄陽 441001）

主題詞：直下式分體液晶 混光均勻性 混光距離 LED間距

1 前言

目前，國(guó)產(chǎn)汽車組合儀表大多采用液晶模組[1-5]，液晶成本較高，部分企業(yè)嘗試采用成本較低的分體式液晶方案，但由于未掌握分體液晶背光的設(shè)計(jì)方法，液晶屏仍存在顯示照度不均勻、光斑明顯的問題，不能達(dá)到預(yù)期效果。

本文設(shè)計(jì)一種用于組合儀表的直下式分體液晶，并建立一種混光均勻度計(jì)算模型，以獲得發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）矩陣最佳排列方案，從而解決分體式液晶顯示不均勻的問題。

2 混光均勻度數(shù)學(xué)模型的建立

本文設(shè)計(jì)的直下式分體液晶如圖1 所示，光線從LED 矩陣射出，經(jīng)一定距離的混光，并經(jīng)液晶支架和散光片多次反射后，由LED點(diǎn)光源形成面光源，其均勻度直接取決于混光距離H和LED間距P。

液晶屏混光均勻度測(cè)試主要采用取點(diǎn)測(cè)量法，常用9 點(diǎn)測(cè)量法，如圖2a 所示，測(cè)量選定區(qū)域的最大照度和最小照度。根據(jù)分體式液晶的測(cè)量結(jié)果（如圖2b 所示），測(cè)量區(qū)域的最大照度一般出現(xiàn)在LED 正上方，最小照度通常出現(xiàn)在相鄰4顆LED矩陣的對(duì)角線中心。

圖1 分體式液晶結(jié)構(gòu)

圖2 測(cè)量方法及測(cè)量結(jié)果

測(cè)量區(qū)域的均勻度U為：

式中，Lmin、Lmax分別為測(cè)量區(qū)域的最小照度和最大照度。

根據(jù)上述測(cè)試原理，歸納均勻度的數(shù)值計(jì)算方法如下：

通常，LED 發(fā)光角度呈朗伯分布，如圖3 所示，其中，I0為L(zhǎng)ED 發(fā)光強(qiáng)度中的最大值，輻射光線呈余弦分布，D為光線照射面的測(cè)量點(diǎn)，該處光強(qiáng)Iθ為：

式中，θ為測(cè)量光線與中心法線的夾角；r為L(zhǎng)ED發(fā)光中心點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)D之間的距離。

圖3 LED發(fā)光強(qiáng)度分布

LED 排列呈m行n列的矩陣排布，如圖4 所示。定義第i行第j列的LED 為L(zhǎng)ij，定義L11的坐標(biāo)(x1,y1)為坐標(biāo)原點(diǎn)。X、Y方向LED 間距分別為Px、Py，則Lij的坐標(biāo)為[x1+(i-1)Px,y1+(j-1)Py]，測(cè)量點(diǎn)D與Lij的距離rij為：

式中，xd、yd分別為測(cè)量點(diǎn)D的X、Y坐標(biāo)。

圖4 LED矩陣排布

由式（2）、式（3）可得到所有LED在測(cè)量點(diǎn)D處的光強(qiáng)I為：

照度定義為被照射面單位立體角內(nèi)的光強(qiáng)，則測(cè)量點(diǎn)D處的照度L為：

式中，dΩ為極小立體角；dS為接收點(diǎn)D處的極小球面面積。

由圖3可知，照射面上最大照度通常為L(zhǎng)ED中心法線方向的最大光強(qiáng)。當(dāng)Px=Py=P時(shí)，照射面上的最大照度、最小照度通常分別按照?qǐng)D5、圖6所示的方式近似計(jì)算。

圖5 最大照度近似計(jì)算示意

圖6 最小照度近似計(jì)算示意

當(dāng)Px=Py=P時(shí)，任意行數(shù)、列數(shù)LED 矩陣照射面上的最大照度Lmax均為矩陣中的任一LED 及與之相鄰距離最近的4顆LED發(fā)光貢獻(xiàn)所得，見圖5。

根據(jù)式（5）近似計(jì)算可得：

當(dāng)Px=Py=P時(shí)，任意行數(shù)、列數(shù)LED 矩陣照射面上的最小照度Lmin均為矩陣中的相鄰4 顆LED（2×2 的矩陣）發(fā)光貢獻(xiàn)所得，如圖6所示。

根據(jù)式（5）近似計(jì)算得出：

將式（6）、式（7）代入式（1）可得均勻度計(jì)算公式為：

式中，t=H/P為混光因子。

由式（8）可得到均勻度U與混光因子t的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 均勻度U與混光因子t的關(guān)系

3 均勻度數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用

根據(jù)式（8）計(jì)算，當(dāng)U=70%時(shí)，t=0.72。由于組合儀表受支架高度的影響，混光距離H=8 mm，則P=11.1 mm。根據(jù)某液晶可視區(qū)大小（79 mm×30 mm），大致得出LED矩陣排列最多可為3行7列，即最多排列21顆LED。

考慮到實(shí)際生產(chǎn)中工藝等因素可能對(duì)結(jié)果有影響，故利用CAE 技術(shù)模擬分析LED 間距P=11～12 mm 時(shí)的照度均勻度，部分仿真結(jié)果如表1所示。

表1 仿真結(jié)果

結(jié)合數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與CAE 仿真結(jié)果，選定LED 數(shù)量為20 顆，LED 間距為11 mm，t=0.73 的方案為最終設(shè)計(jì)方案，仿真結(jié)果如圖8所示，并以此設(shè)計(jì)了“平底+碗狀反光面”的蜂巢結(jié)構(gòu)照明系統(tǒng)，采用CA-2000二維色彩照度分析儀對(duì)樣件進(jìn)行照度測(cè)量，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖8 光學(xué)CAE軟件LightTools仿真結(jié)果

圖9 樣件照度實(shí)測(cè)結(jié)果

對(duì)比數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果、CAE仿真結(jié)果以及樣件實(shí)測(cè)結(jié)果，如表2所示。

表2 結(jié)果對(duì)比

由上表分析結(jié)果可知，數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與樣件實(shí)測(cè)結(jié)果誤差率為4%，所以本文數(shù)學(xué)模型可以作為直下式分體液晶背光設(shè)計(jì)依據(jù)。

4 結(jié)論

a.影響直下式分體液晶照度均勻度的參數(shù)為混光距離和LED間距；

b.本文建立的混光均勻度數(shù)學(xué)模型誤差率為4%，可以作為直下式分體液晶背光設(shè)計(jì)依據(jù)。