文章來源：深圳雷曼光電科技股份有限公司

摘     要：全彩 LED 顯示屏通常是仰視的應用環境，上視角範圍內的亮度沒有被有效利用。本論文提出了一種將 LAMP 器件上視角範圍內的亮度，向下視角范 圍轉移的設計方法。通過設計得到透鏡型面數據，製作透鏡模具，封裝成成品燈 珠並進行測試，非對稱 LAMP 器件上視角 20°，下視角 40°。

下視角增大后，在同等條件下，非對稱器件與常規器件相比，下視角可視范 圍內亮度提升了 30%。同時，配光的一致性也獲得了明顯提升，降低了色偏差。 由於上視角減小，也減少了上視角範圍內的亮度造成的光污染。

關 鍵 詞：光強分佈曲線，透鏡，非對稱，下傾角，光污染

1 引 言

LED 顯示屏是一種有能耗的電子產品， LED 顯示屏的能耗主要由 LED 器件 產生。LED 器件相關性能的提升，如亮度、角度的提升，對於顯示屏降低能耗、 提升顯示效果非常重要。

常規的 LAMP 器件的水平/垂直角度都是相對於法平面對稱，水平/垂直角度通 常為 105°/50°，垂直角度相對於法平面對稱，即±25°，垂直角度的上視角與 下視角相等。LED 顯示屏一般是垂直於水平面安裝，因此 LED 顯示屏的最高亮度 點是在法平面的 0°視角。

顯示屏通常會安裝在一定的高度上，人們的觀看視角為仰視。因此在法平面以下的亮度為有效可視亮度，法平面以上的亮度為無效亮度，造成上視角範圍內的亮度浪費。為了提高下傾角範圍內的顯示屏亮度，部分顯示屏廠商在 LED 插件安裝的過程中，通過工裝治具，使得 LED 法線向下偏 7°—10°，以增大 LED 的下半功率視角，將更多的能量從法平面以上轉移到法平面以下。這種方法是需要 重新定製 LED 顯示屏的模具，製造成本較高，並且通用性較差。

本論文提出了一種減小上半功率視角，增加下半功率視角的方法。採用 TracePro 光學軟體，進行 LAMP 器件透鏡的非對稱光學設計，將上視角範圍內的 能量減少，可以減少上視角的光污染；增大下視角範圍內的能量，可以增加可視 範圍內的亮度，達到節能的目的；同時由於下視角的增大，配光更優，不會出現 偏色。

2  非對稱 LAMP 器件光學透鏡的模擬設計
2.1  非對稱 LED 的設計概念

如圖 1 所示，常規的 346  LAMP 器件，上視角 θ1 與下視角θ2 相等，顯 示屏通常安裝于一定的高度，且垂直於水平面安裝，人們通常是仰視觀看顯示屏， 下視角θ2 通常為可視範圍，θ2 角度內的亮度有用。上視角θ1 通常為不可視 範圍，θ1 角度內的亮度無用，而且會對周圍的高層建築造成嚴重的光污染。

為了更好的達到節能降耗的目的，依照 LED 顯示屏通常仰視的應用環境和 觀看習慣，提出了非對稱 LAMP 器件的設想，如圖 1 所示。

通過對 LAMP 器件透鏡進行合理的光學設計，上視角 θ1 與下視角θ2 不 相等，並且θ2 >θ1 。將上視角的部分能量，轉移到下視角的可視範圍內，從 而到達增加下視角範圍內亮度的目的，同時減少上視角的光污染。由於下視角的 增大，顯示屏的配光會更加優異。


2.2  非對稱透鏡光學設計 為了實現將上視角的能量轉移到下視角的概念，需要對透鏡進行特殊的光學設計。本論文中採用 TracePro 光學模擬軟體，對透鏡型面進行光學設計。採用 透鏡上下兩側不對稱結構，使得晶圆發出的光在透鏡曲面發生全反射和折射，形 成非對稱的光強分佈曲線，增加了下視角度。通過對透鏡做光學模擬，得到非對 稱 LAMP 器件透鏡曲面的模擬數據。

2.2.1 非對稱橢圓橫截面的模擬結果

從圖 2 可以看到，常規 LAMP 器件的透鏡截面是對稱的橢圓，經過設計的非 對稱 LAMP 器件的透鏡截面是非對稱的橢圓，可以實現上視角與下視角能量的 非對稱分佈。

2.2.2 模擬的光斑

用 TracePro 模擬亮度的分佈如圖 3 所示。從圖中可以看到，常規橢圓的亮 度分佈，相對於法平面上下對稱。特殊設計的非對稱橢圓透鏡的亮度分佈，已經 將部分能量從上視角轉移到下視角。

2.2.3 模擬的光強分佈曲線

從圖 4 可見，常規橢圓的光強分佈曲線，水平曲線、垂直曲線均對稱。而 非對稱橢圓的光強分佈曲線，水平曲線保持不變，還是左右對稱。但是垂直曲線， 從圖中可以看到相對於法平面已經不對稱了，更多的光強分佈在下視角。

3   非對稱 LAMP 器件與模組實際測試

3.1  非對稱 LAMP 器件的實測數據 通過上述的模擬設計后，得到相關的透鏡尺寸數據，經過系列的機械加工，完成透鏡的(模條)成型，封裝成非對稱 LAMP 346 成品燈珠，測試光型，如圖 5 所示。採用 R/G/B 完全相同的晶圆，封裝出正常 LAMP 346 器件，在正常法平面 測試的非對稱 LAMP 346 器件，與正常 LAMP 346 器件的光電參數見表 1、表 2。

從非對稱 LAMP 器件的實測光型數據來看，與設計結果完全一致。水平曲 線左右對稱，垂直曲線非對稱，上視角光強分佈減少，下視角光強分佈增大。封 裝出的非對稱器件參數見表 1，相同晶圆封裝的常規器件參數見表 2。非對稱器 件的上視角為+20°，下視角為-40°，實現了 2.1 中所述的設計概念。

3.2    非對稱 LAMP 器件箱體實測數據
為了測試非對稱 LAMP 器件與常規 LAMP 器件相比，節能效果與配光效果的差異， 將正常 LAMP 346 器件與非對稱 LAMP 346 器件選取同一個亮度等級（1：1.1），做成兩個 P12.5 的箱體進行對比。將兩個箱體調試白平衡，在法平面上亮度調整到相同時，非對稱箱體的電流與正常箱體的電流略有差異，也就是法平面亮度調整到相同時候，兩個箱體的功耗略有差異。

為了更真實的對比兩個箱體的節電效果，對兩個箱體進行重新調節，讓兩個箱體的電流完全相同，也就是兩個箱體功耗完全相同。測試在不同的仰視角度下兩個箱體的亮度對比數據，如下表所示：

從上述數據對比可以看出，非對稱箱體與正常箱體相比，在不同仰視角度觀 看時，在不同水平角度的亮度都有不同程度提升，上半視角向下半視角的亮度轉 移平均達 30%，節能效果明顯。同時由於上視角的亮度降低，減少了顯示屏對周 圍高層建築的光污染。

在配光方面，當在不同的仰視角下，亮度隨水平角度的逐漸變大而減小，在 相同的角度變化範圍內，非對稱箱體的亮度變化要小於常規箱體的亮度變化，因 此非對稱器件的配光一致性，優於同等條件下常規器件的配光一致性，非對稱與 正常器件相比，降低了色偏差，非對稱箱體的觀看效果更好。

4結 論
本文提出了一種將 LAMP 器件的上視角亮度向下視角轉移的設計概念，通 過 TracePro 光學軟體，對 LAMP 器件透鏡曲面進行非對稱光學設計，將非對稱 LAMP 器件的垂直方向上視角減少，下視角增大。

通過採用本論文提出的非對稱透鏡型面設計數據，得到非對稱 LAMP 器件。 經過對成品的實際測試，水平角度為 110°，還是左右對稱。垂直角度相對於法 平面非對稱，為+20°/ —40°。採用 R/G/B 完全相同的晶圆，封裝為非對稱 LAMP器件與常規 LAMP 器件，製作 P12.5 兩個箱體進行亮度對比，發現非對稱 LAMP 器件在下視角可視範圍內，亮度比常規器件增加 30%以上，節電效果明顯。上視 角範圍亮度降低，減少了對附近高層建築的光污染。同時，在水平大角度時未出 現偏色現象，配光明顯優於常規 LAMP 器件。

參考文獻
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