芯片級封裝大功率LED器件的二次光學設計及應用

　　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。通過分析二次光學透鏡的出光原理并采用Lighttools光學模擬軟件設計出具有較大出光角度的二次光學透鏡。采用分布式光度計系統(tǒng)測試該透鏡的實際出光角度為198.6°，相比普通透鏡提高了41.8%，將其應用在32寸超薄液晶顯示器中實現(xiàn)了良好的顯示效果。

　　關鍵詞：芯片級封裝；二次光學透鏡；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：一是側光式（Edge Type）LED背光技術，二是陣列直下式（Direct Type）LED背光技術 ^[1] 。側光式背光技術是通過導光板的網(wǎng)點破壞光線的全反射，并利用導光板及光學膜片使光線均勻化，但會降低光線利用率，增加整機的功耗及成本。而傳統(tǒng)陣列直下式LED背光技術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，從而導致整機厚度偏大。因此，為了同時實現(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，本文擬以陣列直下式LED背光技術為基礎，采用芯片級封裝大功率LED器件 ^[3] ，設計并模擬具有更大出光角度的新型二次光學透鏡 ^[4] ，并將其應用在32寸超薄液晶顯示器中，從而實現(xiàn)了良好的顯示效果。

　　1 新型二次光學透鏡的設計與模擬

　　本文用點光源進行初始的計算設計，假設光的入射面為水平面，透鏡的側面為垂直面，則新型二次光學透鏡的設計原理如圖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，光線從透鏡的側面出射后，經(jīng)過反射片的反射再入射到擴散板上，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器件實現(xiàn)均勻混光的目的。

　　新型二次光學透鏡的設計關鍵在于光的第二曲面的建立，因此本文將在設計原理的基礎上建立模型，求出第二曲面斜面切線與光線入射角度之間的關系，根據(jù)對應關系迭代計算出復合曲面上其他點的空間坐標點，在CAD軟件里面輸入計算得到的坐標值，利用曲線重構獲得全反射復合曲面透鏡的三維實體模型。在CAD軟件中，使用迭代法，第二曲面的邊界條件最中心點為（0， b ），然后分別取α的值為5°、10°、15°等以5°為等差公項的等差數(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，然后再疊加計算依次計算出多個角度交點。最后將相交的點進行擬合得到整條曲面，再繞Z軸旋轉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，將該二次光學透鏡模型連同LED的實體模型輸入到LIGHTTOOLS等光學模擬軟件，根據(jù)器件的發(fā)光角度與近場分布，進行光學系統(tǒng)設計、軟件模擬、試驗驗證，根據(jù)模擬結果逆向分析光線的光路，實際調(diào)整側面或斜面的微小面型的斜率，最終開發(fā)出了新型二次光學透鏡，如圖2所示。

　　2 實驗驗證與分析

　　2.1 新型二次光學透鏡出光角度的驗證

　　為驗證模擬的準確性，對以上設計的新型二次光學透鏡進行生產(chǎn)，搭配尺寸為38 mil×38 mil，單顆驅動電流在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行測試，測試結果如圖3所示。

　　本文設計的新型二次光學透鏡利用了光學擴散效應及反射效應，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°），新型二次光學的發(fā)光角度提升了41.9%。

　　2.2 液晶顯示器光學性能的驗證

　　為了進一步驗證新型二次光學透鏡對光學性能的影響，本文采用新型二次光學透鏡搭配尺寸為38 mil×38 mil的大功率倒裝LED芯片作為背光源進行實驗。

　　本文測試對象為32寸液晶顯示器，結合整機的亮度要求、單顆LED器件的亮度以及光學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，在橫向上設定為7顆LED器件，縱向上設定為2根燈條，其中單根燈條的結構如圖4所示。

　　為進一步滿足當前液晶顯示器 超薄、超輕的設計要求，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、擴散板、擴散片、中框、液晶面板等，將前鐵框和整機的前框合二為一，將后背板作為整機的部分后殼；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、新型二次光學透鏡、模組整機一體化設計等技術，最終設計出了輕薄化的液晶顯示器，其亮度均勻性達到了85%以上，滿足了終端產(chǎn)品的設計要求。

　　3 結論

　　本文深入研究了芯片級封裝大功率LED器件的二次光學透鏡的原理，設計了新型的具有較大出光角度的二次光學透鏡，并利用Lighttools光學模擬軟件對透鏡進行了光學模擬。通過GMS-3000分布式光度計系統(tǒng)對該透鏡進行測試，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器件及二次光學透鏡，通過模組整機一體化設計，設計了一款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，實現(xiàn)了液晶顯示器的輕薄化設計的目的。

　　參考文獻

　　[1] 秦宗. 大尺寸高性能LED背光模組關鍵技術研究[D]. 武漢：華中科技大學, 2013.

　　[2] 李強國. TFT-LCD顯示屏Mura缺陷自動光學檢測算法研究[D].成都：電子科技大學, 2013.

　　[3] 郭綿綿. 大功率白光LED結構設計和封裝技術研究[D]. 南昌：江西科技師范大學, 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)的設計[J]. 光學與光電技術, 2014, 12(4):86-89.

　　附一、基金項目名稱及批準編號

　　廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展試點重點項目：新型封裝大功率LED背光源關鍵技術研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化；批準編號：粵發(fā)改高技術【2014】791號

　　深圳市技術攻關項目：功率型LED器件的散熱和光學結構設計關鍵技術的研發(fā)；批準編號：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。