降低干扰的一体化二次光学透镜模组设计与优化

降低干扰的一体化二次光学透镜模组设计与优化

杨亚兴

江苏金晓电子信息股份有限公司

摘要：本文研究了一种降低干扰的一体化二次光学透镜模组的设计与优化。通过透镜聚光，减少LED显示模组的功耗，并将可视角优化至左右30°向下的专项角度；通过遮光罩隔离透镜，减少光干扰；通过一体化透镜减少工艺难度；通过杯碗结构的透镜实现轻薄。实验结果表明，该模组具有超薄、节能、可视角度优秀、光干扰低、生产工艺方便的特点。

关键词：LED显示模组，二次光学透镜，透镜优化，光干扰，生产工艺

1 研究背景

近年来，随着LED显示技术的快速发展，LED显示模组被广泛应用于户外广告牌、道路交通信号灯和建筑物立面装饰等领域【1】。然而，传统的LED显示模组存在着一些问题，如功耗高、可视化角度发散等，限制了其应用范围和推广速度。

1.1常规LED显示模组的问题

一方面，常规LED显示模组通常采用表贴灯管作为发光源，为了适配绝大多数使用场景，通产采用120°左右的发光角度。这种设计由于发光角度发散，不仅很难达到户外交通场景下国标要求的8000cd/㎡亮度，更易出现因为生产工艺误差导致的亮度差异问题，影响整体一致性显示效果。

1.2常规透镜模组的问题

另一方面，传统的透镜模组也存在着一些问题，主要表现为光干扰强、生产工艺复杂、棱柱型结构厚度增加等。由于传统透镜采用棱柱型的结构，光源通过棱柱多次折射从而实现优化光路、放大亮度的功能，但是受制于工艺影响，单个透镜必须经由超声波焊接等工艺和模组壳体进行粘合，工艺复杂且成本高昂；棱柱的长度也限制了模组的整体厚度无法做到轻薄；加之单个透镜间没有进行光源阻断，导致相邻两个光源出现相互干扰的现象，影响显示效果。

综上所述，传统的LED显示模组和透镜模组存在着一些问题，需要进行深入的研究和改进。为此，本研究旨在设计一种节能、可视角度优秀、光干扰低下、生产工艺方便、轻薄的一体化二次光学透镜模组，并优化其结构和性能，以期提高LED显示模组的整体性能和市场竞争力【2】。

2 研究目的

为了解决常规LED显示模组的功耗高和可视化角度发散的问题，以及常规透镜模组的光干扰强、生产工艺复杂和棱柱型结构厚度增加的问题，本研究旨在设计一款具有以下特点的模组：

（1）节能：通过采用透镜聚光来放大亮度，实现节能的目的；

（2）可视角度优秀：通过透镜光路优化，将120°的可视角优化为左右30°向下的专项角度，提高了可视性；

（3）光干扰低下：通过遮光罩实现透镜之间的隔离，减少光干扰；

（4）生产工艺方便：通过一体化透镜将复数透镜形成一个整体，减少了生产工艺的难度；

（5）轻薄：通过杯碗结构的透镜替换原先的棱柱型透镜，实现轻薄的目的。

这款设计新型模组将有效解决传统LED显示模组和透镜模组存在的问题，满足市场需求，提高用户的使用体验。

本研究的目的是促进LED显示技术的发展，推动LED显示行业的创新。通过设计出一款优秀的LED显示模组，本研究旨在为行业提供一种新型解决方案，使LED显示技术在更多的领域得到应用，并推动该领域的发展。同时，本研究还旨在提高LED显示模组的性能，实现节能降耗，为保护环境和可持续发展做出贡献。

图示1：常规LED显示模组和透镜模组的光路比较

3 研究方法

为了设计一款节能、可视角度优秀、光干扰低下、生产工艺方便、轻薄的LED显示模组，采用了一系列优化的研究方法。以下将分别介绍这些方法及其优势。

首先，为了实现节能的目标，采用了表贴灯管通过透镜聚光的方案，从而放大LED灯的亮度。传统的LED显示模组通常采用高功率LED芯片，而这些LED芯片的功率较高，因此会产生大量的热量【3】。当LED灯的温度超过了安全工作温度时，它们的寿命就会大大缩短，从而影响了整个LED显示模组的寿命和稳定性。通过透镜聚光可以将LED灯的亮度提高，使得可以使用功率较低的LED芯片来达到相同的亮度水平，从而实现了节能的目标。

其次，通过透镜光路的优化，将可视角从传统的120度优化至左右30度向下的专项角度。这样可以将透镜的发光方向控制在水平面以下，从而减少了光的散射和反射，进一步提高了LED显示模组的亮度和可视效果。同时，这种方案还可以减少LED灯与周围环境的干扰，提高LED显示模组的对比度和色彩还原度。

为了减少透镜之间的光干扰，采用了遮光罩的方案。遮光罩可以在透镜之间形成一层隔离层，避免了光从一个透镜跨越到另一个透镜的情况。这样可以有效减少透镜之间的光干扰，提高整个LED显示模组的稳定性和可靠性。

为了降低生产成本，还采用了一体化透镜的方案。传统的LED显示模组需要使用复数透镜来达到所需的光学效果，这种方式会增加生产难度和成本。而使用一体化透镜的方式，将复数透镜形成一个整体，大大降低了生产成本和生产难度，提高了生产效率。

最后，为了实现轻薄的目标，采用了杯碗结构的透镜替换原先棱柱形态的透镜。杯碗结构透镜的制作工艺相对简单，成型后的厚度更加均匀，在重量方面也比传统的棱柱型透镜更轻

【4】。相比之下，棱柱形透镜需要对不同折射面做分别程度的表面处理，工艺复杂成品率低，这些问题在杯碗结构的透镜中都可以得到有效地解决。

同时，杯碗结构的透镜设计可以有效减少透镜组件的高度，从而实现整个模组的轻薄化。采用这种结构可以避免传统透镜组件因为棱柱折射次数限制继而对棱柱高度进行调整，变相降低了对于安装空间的要求，同时也使得模组更加轻盈。通过使用杯碗结构的透镜，可以将透镜的数量和厚度控制在最小范围内，从而实现更加轻薄的设计。

除了杯碗结构的透镜之外，还采用了一体化透镜的设计，将多个透镜形成一个整体，从而减少了工艺难度。传统的透镜组件需要将多个透镜分别加工，然后借由超声波焊接工艺将每个单独的透镜与模组套件进行粘合，工艺复杂耗时费力。而一体化透镜则可以将多个透镜形成一个整体，从而减少了制作过程中的组装和调试难度，同时也能够提高整体的稳定性和可靠性。

综上所述，通过采用多种优化手段，包括透镜光路优化、遮光罩设计、一体化透镜和杯碗结构透镜的采用，成功设计并制造出一款高效、节能、可视角度优秀、光干扰低下、生产工艺方便、轻薄的LED显示模组【5】。这种设计不仅可以应用于户外LED显示，也可以在各种其他需要高效、可靠、轻薄的显示设备中广泛应用。

4 研究结果

经过设计和优化的一体化二次光学透镜模组，在实验中取得了一系列可喜的结果。本部分将详细介绍这些结果，包括采用杯碗透镜的超薄设计、光路优化设计的光干扰减少、生产工艺的改进等方面的成果。

首先，采用了杯碗结构的透镜来替换传统的棱柱型透镜，以实现模组的轻薄目标。杯碗结构透镜由于采用了曲面设计，能够将导光柱的长度减少，从而使得整个模组更加紧凑和轻薄。实验结果表明，相较于传统的棱柱型透镜，采用杯碗透镜的设计在减小了导光柱长度的同时，也不会对透镜的聚光效果造成不良影响，使得整个模组更加的紧凑、美观。

其次，通过透镜光路的优化，将可视角从传统的120度优化至左右30度向下的专项角度，从而实现了更加清晰的视觉效果【6】。在设计过程中，结合了套件和光路两个方面的设计，使得光路更加独立且清晰，光源与光源之间没有光干扰。实验结果表明，经过优化的透镜模组整体一致性和对比度都高于同类产品，同时视觉角度更加优秀，可以大大提升用户的使用体验。

最后，还针对生产工艺进行了改进，以进一步提高生产效率。与传统户外模组相比，透镜模组不需要采用灌胶的工艺，大大减少了生产周期和难度。同时，透镜之间通过遮光罩的设计进行隔离，也减少了生产过程中的光干扰，降低了生产成本和制造难度。

综上所述，经过设计和优化的一体化二次光学透镜模组取得了一系列可喜的成果，包括超薄设计、光路优化设计的光干扰减少、生产工艺的改进等方面。这些成果不仅可以提高户外显示设备的使用效果和使用寿命，同时也为户外显示设备的设计和制造提供了新的思路和方法。

表格二：采用杯碗透镜和传统透镜的比较

5 结语

综上所述，本研究设计了一款采用杯碗结构透镜的LED显示模组，旨在解决常规LED显示模组功耗高、可视角度发散等问题，同时兼顾节能、可视角度优秀、光干扰低下、生产工艺方便和轻薄等多重要素。研究中采用了透镜聚光、透镜光路优化、遮光罩、一体化透镜等多种方法来优化设计，达到了预期的目标。同时，本研究还通过套件和光路两个方面的设计，提高了整体一致性和对比度，避免了光干扰问题，从而在同类产品中具有更高的性能表现。

参考文献：

[1]唐先柱，钟德镇，简廷宪，等.低压驱动液晶透镜设计的研究[J].物理学报，2013，62(16):164212.

[2]刘永军，孙伟民，刘晓颀，等.丝状相液晶染料可调谐激光器的研究[J].物理学报，2012，61(11):114211.

[3]岱钦，李勇，乌日娜，等.楔形盒染料掺杂胆甾相液晶激光器研究[J].物理学报，2013，62(4): 044219.

[4] 尹向宝,刘永军,张伶莉,等.大变焦范围电调谐液晶变焦透镜的研究[J].物理学报，2015, 64(18): 184212.

[5]王迪，李芳转，王琼华，等.一种基于液体透镜的全息色差补偿方法[J].中国激光，2015, 42(5): 0509001.

[6]蒋路帆，郭娟.裸眼3D液晶透镜技术专利分析[J].电视技术，2012, 36(s2): s14-29.