芯片級封裝大功率LED器件的二次光學(xué)設(shè)計及應(yīng)用

　　周忠偉，郭向茹，毛林山，方榮虎，喻召福（創(chuàng)維液晶器件（深圳）有限公司，深圳518108）

　　摘?要：針對當(dāng)前直下式液晶顯示器存在的光度不均勻（Mura）及厚度偏大的現(xiàn)象，本文從原理上分析了該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，主要在于LED燈珠的出光角度較小。通過分析二次光學(xué)透鏡的出光原理并采用Lighttools光學(xué)模擬軟件設(shè)計出具有較大出光角度的二次光學(xué)透鏡。采用分布式光度計系統(tǒng)測試該透鏡的實(shí)際出光角度為198.6°，相比普通透鏡提高了41.8%，將其應(yīng)用在32寸超薄液晶顯示器中實(shí)現(xiàn)了良好的顯示效果。

　　關(guān)鍵詞：芯片級封裝；二次光學(xué)透鏡；出光角度；亮度均勻性

　　目前，液晶顯示器有兩種主流的背光技術(shù)：一是側(cè)光式（Edge Type）LED背光技術(shù)，二是陣列直下式（Direct Type）LED背光技術(shù) ^[1] 。側(cè)光式背光技術(shù)是通過導(dǎo)光板的網(wǎng)點(diǎn)破壞光線的全反射，并利用導(dǎo)光板及光學(xué)膜片使光線均勻化，但會降低光線利用率，增加整機(jī)的功耗及成本。而傳統(tǒng)陣列直下式LED背光技術(shù)雖然可以降低功耗及成本，但其采用LED器件搭配的二次光學(xué)透鏡出光角度較小，為了避免出現(xiàn)光度不均勻（Mura） ^[2] 現(xiàn)象，需要增加混光腔厚度，從而導(dǎo)致整機(jī)厚度偏大。因此，為了同時實(shí)現(xiàn)液晶顯示模組的薄型化、低功耗、高亮度均勻性及高出光效率等特點(diǎn)，本文擬以陣列直下式LED背光技術(shù)為基礎(chǔ)，采用芯片級封裝大功率LED器件 ^[3] ，設(shè)計并模擬具有更大出光角度的新型二次光學(xué)透鏡 ^[4] ，并將其應(yīng)用在32寸超薄液晶顯示器中，從而實(shí)現(xiàn)了良好的顯示效果。

　　1 新型二次光學(xué)透鏡的設(shè)計與模擬

　　本文用點(diǎn)光源進(jìn)行初始的計算設(shè)計，假設(shè)光的入射面為水平面，透鏡的側(cè)面為垂直面，則新型二次光學(xué)透鏡的設(shè)計原理如圖1所示，即光線通過透鏡的第一曲面后發(fā)生折射，然后在第二曲面發(fā)生全反射，從而改變光線的傳播方向，光線從透鏡的側(cè)面出射后，經(jīng)過反射片的反射再入射到擴(kuò)散板上，形成光斑。因此，相比較于傳統(tǒng)的折射式透鏡，其光線經(jīng)過的光程增大，出光角度更大，在混光距離比較小的背光模組中可以形成更大的均勻光斑，從而采用較少數(shù)量的LED器件實(shí)現(xiàn)均勻混光的目的。

　　新型二次光學(xué)透鏡的設(shè)計關(guān)鍵在于光的第二曲面的建立，因此本文將在設(shè)計原理的基礎(chǔ)上建立模型，求出第二曲面斜面切線與光線入射角度之間的關(guān)系，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系迭代計算出復(fù)合曲面上其他點(diǎn)的空間坐標(biāo)點(diǎn)，在CAD軟件里面輸入計算得到的坐標(biāo)值，利用曲線重構(gòu)獲得全反射復(fù)合曲面透鏡的三維實(shí)體模型。在CAD軟件中，使用迭代法，第二曲面的邊界條件最中心點(diǎn)為（0， b ），然后分別取α的值為5°、10°、15°等以5°為等差公項(xiàng)的等差數(shù)列，就可以算出 β 和 Φ 的值，兩線段分布為入射光線和全反射光線。根據(jù)上述邊界條件計算出5°的斜率 δ 曲線，從中心點(diǎn)做一初始線段，初始線段與斜率曲線相交，這樣就求出第一個相交點(diǎn)，然后再疊加計算依次計算出多個角度交點(diǎn)。最后將相交的點(diǎn)進(jìn)行擬合得到整條曲面，再繞Z軸旋轉(zhuǎn)得到初步的透鏡外形，并在底部增加腳柱。透鏡斜面可以增加拔模角度和圓角，同時可以增加磨砂等工藝來優(yōu)化光效。

　　然后，將該二次光學(xué)透鏡模型連同LED的實(shí)體模型輸入到LIGHTTOOLS等光學(xué)模擬軟件，根據(jù)器件的發(fā)光角度與近場分布，進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、軟件模擬、試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)模擬結(jié)果逆向分析光線的光路，實(shí)際調(diào)整側(cè)面或斜面的微小面型的斜率，最終開發(fā)出了新型二次光學(xué)透鏡，如圖2所示。

　　2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

　　2.1 新型二次光學(xué)透鏡出光角度的驗(yàn)證

　　為驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性，對以上設(shè)計的新型二次光學(xué)透鏡進(jìn)行生產(chǎn)，搭配尺寸為38 mil×38 mil，單顆驅(qū)動電流在600 mA以上，功率為2W的大功率倒裝LED芯片。采用型號為GMS-3000分布式光度計系統(tǒng)對透鏡的出光角度進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖3所示。

　　本文設(shè)計的新型二次光學(xué)透鏡利用了光學(xué)擴(kuò)散效應(yīng)及反射效應(yīng)，使發(fā)光角度提高到198.6°，相較于傳統(tǒng)透鏡（發(fā)光角度為140°），新型二次光學(xué)的發(fā)光角度提升了41.9%。

　　2.2 液晶顯示器光學(xué)性能的驗(yàn)證

　　為了進(jìn)一步驗(yàn)證新型二次光學(xué)透鏡對光學(xué)性能的影響，本文采用新型二次光學(xué)透鏡搭配尺寸為38 mil×38 mil的大功率倒裝LED芯片作為背光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

　　本文測試對象為32寸液晶顯示器，結(jié)合整機(jī)的亮度要求、單顆LED器件的亮度以及光學(xué)膜片的亮度增益等因素，確定LED器件的使用數(shù)量為14顆，LED的間距為86 mm，在橫向上設(shè)定為7顆LED器件，縱向上設(shè)定為2根燈條，其中單根燈條的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　為進(jìn)一步滿足當(dāng)前液晶顯示器 超薄、超輕的設(shè)計要求，本文將以上2根燈條組裝在32寸金屬背板上，并依次放上反射片、擴(kuò)散板、擴(kuò)散片、中框、液晶面板等，將前鐵框和整機(jī)的前框合二為一，將后背板作為整機(jī)的部分后殼；同時，在后蓋外部增加一腔體，將電源板和電視主板固定其中，電源采用二合一的電源，將液晶面板的時序控制器電路集成到主板上，最終設(shè)計出了一款32寸輕薄化直下式LED背光液晶顯示器。

　　通過以上大功率LED器件、新型二次光學(xué)透鏡、模組整機(jī)一體化設(shè)計等技術(shù)，最終設(shè)計出了輕薄化的液晶顯示器，其亮度均勻性達(dá)到了85%以上，滿足了終端產(chǎn)品的設(shè)計要求。

　　3 結(jié)論

　　本文深入研究了芯片級封裝大功率LED器件的二次光學(xué)透鏡的原理，設(shè)計了新型的具有較大出光角度的二次光學(xué)透鏡，并利用Lighttools光學(xué)模擬軟件對透鏡進(jìn)行了光學(xué)模擬。通過GMS-3000分布式光度計系統(tǒng)對該透鏡進(jìn)行測試，得到出光角度為198.6°，相較于傳統(tǒng)透鏡出光率提高了41.8%；采用該LED器件及二次光學(xué)透鏡，通過模組整機(jī)一體化設(shè)計，設(shè)計了一款32寸大功率LED背光液晶顯示器，有效減少了LED的使用顆數(shù)，并縮小了混光距離，實(shí)現(xiàn)了液晶顯示器的輕薄化設(shè)計的目的。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[3] 郭綿綿. 大功率白光LED結(jié)構(gòu)設(shè)計和封裝技術(shù)研究[D]. 南昌：江西科技師范大學(xué), 2015.

　　[4] 楊杰杰, 謝志國, 余彬海,等. 液晶電視LED直下式背光系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 光學(xué)與光電技術(shù), 2014, 12(4):86-89.

　　附一、基金項(xiàng)目名稱及批準(zhǔn)編號

　　廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展試點(diǎn)重點(diǎn)項(xiàng)目：新型封裝大功率LED背光源關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化；批準(zhǔn)編號：粵發(fā)改高技術(shù)【2014】791號

　　深圳市技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目：功率型LED器件的散熱和光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)；批準(zhǔn)編號：JSGG20170824085242651

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第11期第63頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。