电子产品世界

　　周忠伟，郭向茹，毛林山，方荣虎，喻召福（创维液晶器件（深圳）有限公司，深圳518108）

　　摘 要：针对当前直下式液晶显示器存在的光度不均匀（Mura）及厚度偏大的现象，本文从原理上分析了该现象产生的原因，主要在于LED灯珠的出光角度较小。通过分析二次光学透镜的出光原理并采用Lighttools光学模拟软件设计出具有较大出光角度的二次光学透镜。采用分布式光度计系统测试该透镜的实际出光角度为198.6°，相比普通透镜提高了41.8%，将其应用在32寸超薄液晶显示器中实现了良好的显示效果。

　　关键词：芯片级封装；二次光学透镜；出光角度；亮度均匀性

　　目前，液晶显示器有两种主流的背光技术：一是侧光式（Edge Type）LED背光技术，二是阵列直下式（Direct Type）LED背光技术 ^[1] 。侧光式背光技术是通过导光板的网点破坏光线的全反射，并利用导光板及光学膜片使光线均匀化，但会降低光线利用率，增加整机的功耗及成本。而传统阵列直下式LED背光技术虽然可以降低功耗及成本，但其采用LED器件搭配的二次光学透镜出光角度较小，为了避免出现光度不均匀（Mura） ^[2] 现象，需要增加混光腔厚度，从而导致整机厚度偏大。因此，为了同时实现液晶显示模组的薄型化、低功耗、高亮度均匀性及高出光效率等特点，本文拟以阵列直下式LED背光技术为基础，采用芯片级封装大功率LED器件 ^[3] ，设计并模拟具有更大出光角度的新型二次光学透镜 ^[4] ，并将其应用在32寸超薄液晶显示器中，从而实现了良好的显示效果。

　　1 新型二次光学透镜的设计与模拟

　　本文用点光源进行初始的计算设计，假设光的入射面为水平面，透镜的侧面为垂直面，则新型二次光学透镜的设计原理如图1所示，即光线通过透镜的第一曲面后发生折射，然后在第二曲面发生全反射，从而改变光线的传播方向，光线从透镜的侧面出射后，经过反射片的反射再入射到扩散板上，形成光斑。因此，相比较于传统的折射式透镜，其光线经过的光程增大，出光角度更大，在混光距离比较小的背光模组中可以形成更大的均匀光斑，从而采用较少数量的LED器件实现均匀混光的目的。

　　新型二次光学透镜的设计关键在于光的第二曲面的建立，因此本文将在设计原理的基础上建立模型，求出第二曲面斜面切线与光线入射角度之间的关系，根据对应关系迭代计算出复合曲面上其他点的空间坐标点，在CAD软件里面输入计算得到的坐标值，利用曲线重构获得全反射复合曲面透镜的三维实体模型。在CAD软件中，使用迭代法，第二曲面的边界条件最中心点为（0， b ），然后分别取α的值为5°、10°、15°等以5°为等差公项的等差数列，就可以算出 β 和 Φ 的值，两线段分布为入射光线和全反射光线。根据上述边界条件计算出5°的斜率 δ 曲线，从中心点做一初始线段，初始线段与斜率曲线相交，这样就求出第一个相交点，然后再叠加计算依次计算出多个角度交点。最后将相交的点进行拟合得到整条曲面，再绕Z轴旋转得到初步的透镜外形，并在底部增加脚柱。透镜斜面可以增加拔模角度和圆角，同时可以增加磨砂等工艺来优化光效。

　　然后，将该二次光学透镜模型连同LED的实体模型输入到LIGHTTOOLS等光学模拟软件，根据器件的发光角度与近场分布，进行光学系统设计、软件模拟、试验验证，根据模拟结果逆向分析光线的光路，实际调整侧面或斜面的微小面型的斜率，最终开发出了新型二次光学透镜，如图2所示。

　　2 实验验证与分析

　　2.1 新型二次光学透镜出光角度的验证

　　为验证模拟的准确性，对以上设计的新型二次光学透镜进行生产，搭配尺寸为38 mil×38 mil，单颗驱动电流在600 mA以上，功率为2W的大功率倒装LED芯片。采用型号为GMS-3000分布式光度计系统对透镜的出光角度进行测试，测试结果如图3所示。

　　本文设计的新型二次光学透镜利用了光学扩散效应及反射效应，使发光角度提高到198.6°，相较于传统透镜（发光角度为140°），新型二次光学的发光角度提升了41.9%。

　　2.2 液晶显示器光学性能的验证

　　为了进一步验证新型二次光学透镜对光学性能的影响，本文采用新型二次光学透镜搭配尺寸为38 mil×38 mil的大功率倒装LED芯片作为背光源进行实验。

　　本文测试对象为32寸液晶显示器，结合整机的亮度要求、单颗LED器件的亮度以及光学膜片的亮度增益等因素，确定LED器件的使用数量为14颗，LED的间距为86 mm，在横向上设定为7颗LED器件，纵向上设定为2根灯条，其中单根灯条的结构如图4所示。

　　为进一步满足当前液晶显示器 超薄、超轻的设计要求，本文将以上2根灯条组装在32寸金属背板上，并依次放上反射片、扩散板、扩散片、中框、液晶面板等，将前铁框和整机的前框合二为一，将后背板作为整机的部分后壳；同时，在后盖外部增加一腔体，将电源板和电视主板固定其中，电源采用二合一的电源，将液晶面板的时序控制器电路集成到主板上，最终设计出了一款32寸轻薄化直下式LED背光液晶显示器。

　　通过以上大功率LED器件、新型二次光学透镜、模组整机一体化设计等技术，最终设计出了轻薄化的液晶显示器，其亮度均匀性达到了85%以上，满足了终端产品的设计要求。

　　3 结论

　　本文深入研究了芯片级封装大功率LED器件的二次光学透镜的原理，设计了新型的具有较大出光角度的二次光学透镜，并利用Lighttools光学模拟软件对透镜进行了光学模拟。通过GMS-3000分布式光度计系统对该透镜进行测试，得到出光角度为198.6°，相较于传统透镜出光率提高了41.8%；采用该LED器件及二次光学透镜，通过模组整机一体化设计，设计了一款32寸大功率LED背光液晶显示器，有效减少了LED的使用颗数，并缩小了混光距离，实现了液晶显示器的轻薄化设计的目的。

　　参考文献

　　[1] 秦宗. 大尺寸高性能LED背光模组关键技术研究[D]. 武汉：华中科技大学, 2013.

　　[2] 李强国. TFT-LCD显示屏Mura缺陷自动光学检测算法研究[D].成都：电子科技大学, 2013.

　　[3] 郭绵绵. 大功率白光LED结构设计和封装技术研究[D]. 南昌：江西科技师范大学, 2015.

　　[4] 杨杰杰, 谢志国, 余彬海,等. 液晶电视LED直下式背光系统的设计[J]. 光学与光电技术, 2014, 12(4):86-89.

　　附一、基金项目名称及批准编号

　　广东省战略性新兴产业集聚发展试点重点项目：新型封装大功率LED背光源关键技术研发及产业化；批准编号：粤发改高技术【2014】791号

　　深圳市技术攻关项目：功率型LED器件的散热和光学结构设计关键技术的研发；批准编号：JSGG20170824085242651

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第11期第63页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。

关键词： 201911 芯片级封装 二次光学透镜 出光角度 亮度均匀性