LED显示装置的二次光学设计
中图分类号：TN312 文献标识码：A
随着LED显示时代的到来，LED显示装置也正向高发光均匀性和高亮度方向发展。为了保证整个发光系统的出光质量、提高显示效果，需要对LED显示装置进行二次光学设计。针对LED显示屏的不同要求，设计出包括挡板、透镜等不同元件的二次光学系统。最终实现LED显示装置的光线投向指定区域的目的。
1 LED显示装置基础单元优化
为了使LED显示装置的光线投向指定区域，首先要对其基础单元进行优化，包括：加装透镜，挡板。最终通过光线模拟和照度图的变化来决定哪种方案最能实现光线的向下偏置，从而使整个光学系统满足设计要求。
1.1 单一模型结构
设计思路：利用挡板作为光线偏置的关键器件，通过对圆筒柱面反射出的光和光源直接发出的光进行导光，实现整个系统光线向下偏置。模型描述：
（1）在原点放置一个单向半球点光源。
（2）点光源右侧放置圆柱面，将圆柱上下底面设置为穿透率100%，圆柱侧面设置为反射率100%。
（3）在底面外侧放置挡板。
（4）垂直Z轴一定距离放置平面，并将其设置为表面接收器。
挡板：0.2cm×0.2cm×1cm；圆柱面半径：0.4cm，高0.8cm；平面接收器与原点距离：20cm。模块和加入光线后仿真效果图及接收面照度图如图1所示。
通过模拟软件中的照度图能明显看出，光线在加入挡板之后发生了明显的整体向下偏置现象。
1.2 棱镜结构
设计思路：因为棱镜对光线具有折射作用，所以考虑将其作为光线偏置的关键器件，通过对圆筒柱面反射出的光和光源直接发出的光进行整体折射，实现整个系统光线向下偏置。模型描述：
（1）在原点放置一个单向半球点光源。
（2）点光源右侧放置圆柱面，将圆柱上下底面设置为穿透率100%，圆柱侧面设置为反射率100%。
（3）在底面一侧放置倾斜角为53°的棱镜。
（4）垂直Z轴一定距离放置平面，并将其设置为表面接收器。棱镜：倾斜角53°；圆柱面半径：0.4cm，高0.8cm；平面接收器与原点距离：20cm。
更换模块后的变化：加装透镜后，因为光线方向不可控性，在照度图中不难看出，整体光线的方向改变十分微弱。最终决定将单一模型的作为目标模型，并将其作为最小单元应用于显示装置中。
2 LED显示装置的光学设计
设计思路：利用挡板作为光线偏置的关键器件，通过对圆筒柱面反射出的光和光源直接发出的光进行导光，实现整个系统光线向下偏置。为了尽可能减小挡板对其上部相邻的模块发出光线的阻挡，考虑增大光线向下的空间，最终决定将挡板沿45°角斜切。模型描述：
（1）在原点放置一个单向半球点光源。
（2）点光源右侧放置圆柱面，将圆柱上下底面设置为穿透率100%，圆柱侧面设置为反射率100%。
（3）在底面外侧放置挡板，挡板沿对称楞切开，成直角三棱柱。
（4）垂直Z轴一定距离放置平面，并将其设置为表面接收器。
（5）单个模型中点按3×3等距点阵排列。
模型尺寸：光源间距（点阵间距）：1cm；挡板：0.25cm×0.25cm× 1cm；斜面倾角45°；圆柱面半径：0.4cm，高0.8cm；平面接收器与原点距离：20cm。模块和加入光线后仿真效果如图1所示。
从接收面照度图中可以看到，将改进后的单一模块方案应用于3×3点阵模型中是可行的，即点阵模型中的光线实现了偏置，并且有效改善了挡板对向下光线的阻挡问题。
综上所述，通过光学设计软件对二次光学系统进行模拟仿真。先是初步建立加载挡板的模型进行模拟仿真，然后通过更换透镜和改为嵌入式定为最佳模型，再根据单一模型组成点阵时的注意事项对模型进行了进一步优化，最终将点阵模型建立并仿真完成。对比三种基本模型的效果后，最终选择将挡板模型作为基本组成单元。考虑到在实际点阵中挡板对上方向下照射光线的影响，将挡板沿45°斜面切开成三棱柱作为系统的导光部分，有效改善了挡板对向下光线的阻挡问题，从而使LED显示装置最大程度地满足了设计要求。
