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光学学报 2015年第11期35卷 291-299页

作者：冯奇斌李亚妮李其功吕国强合肥工业大学特种显示技术教育部重点实验室特种显示技术国家工程实验室现代显示技术省部共建国家重点实验室光电技术研究院安徽合肥230009

发光二极管(LED)已经成为头盔显示器液晶像源主流背光源。LED发散角较大,大量的光线无法得到有效利用而造成能量的浪费,故需要对LED进行二次光学设计以有效提高光效。背光包括由若干个LED组成的阵列。对单个LED设计了双曲面透镜,形成了8... 详细信息

发光二极管(LED)已经成为头盔显示器液晶像源主流背光源。LED发散角较大,大量的光线无法得到有效利用而造成能量的浪费,故需要对LED进行二次光学设计以有效提高光效。背光包括由若干个LED组成的阵列。对单个LED设计了双曲面透镜,形成了8 mm直径的均匀圆形光斑。对单个透镜进行切割,以形成矩形光斑。但由于切割面的全反射,矩形面积内存在亮斑。对透镜进行了优化设计,获得了亮度均匀的矩形光斑。4个矩形透镜拼接成透镜阵列。为消除杂散光斑,对透镜再次进行了优化设计。根据设计结果加工了透镜阵列并对背光进行了实际测试。测试结果表明:和传统背光结构相比,采用两层扩散膜和透镜阵列后,背光亮度提高了96.4%,非均匀性由23.8%略提高到23.1%,半亮度视角由39°降低到23°。满足头盔显示器液晶像源背光的要求。

关键词：光学器件液晶像源头盔显示发光二极管背光自由曲面

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液晶像源LED背光的高亮薄型化研究

液晶像源LED背光的高亮薄型化研究

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作者：李其功合肥工业大学

学位级别：硕士

液晶显示技术作为主流的平板显示技术之一,在平视显示器中成为了最常用的数字像源。随着液晶像源产品的应用环境越来越复杂,对其亮度、体积、重量都提出了越来越高的要求。作为液晶像源的关键组成部分,背光源对其显示质量和整机重量都... 详细信息

液晶显示技术作为主流的平板显示技术之一,在平视显示器中成为了最常用的数字像源。随着液晶像源产品的应用环境越来越复杂,对其亮度、体积、重量都提出了越来越高的要求。作为液晶像源的关键组成部分,背光源对其显示质量和整机重量都有着关键性的影响。因此,对液晶像源的背光模组进行高亮薄型化研究具有重要意义。本文首先对LED背光进行了二次光学设计,基于斯内尔定律以及能量守恒定律建立方程组得到双自由曲面透镜,并根据边缘光线理论对其做了基于扩展光源的优化设计,经过仿真得到均匀的圆形光斑。然后基于自由曲面各点的入射光线的矢量信息设计了相应的扁平化算法,将初始透镜的前后曲面分别进行了扁平化,得到双层高亮光学薄膜,且在3×3薄型化结构阵列的仿真中验证了增亮均光的效果。但是考虑到双层膜存在位置对准的问题,又设计了单自由曲面透镜,同样对其做了扁平化设计,得到单层高亮光学薄膜。根据设计结果,利用无掩模光刻直写设备对设计好的两款高亮光学薄膜进行了制备。针对制备过程出现的问题,进行了光刻工艺的优化,并最终得到了两款符合要求的高亮光学薄膜。将其置于LED背光中进行实际测试。为了保证一定的视角宽度和较好的视觉效果,在背光中放置了两层扩散膜。测试结果表明:与传统LED背光相比,加入双层高亮光学薄膜后背光的平均亮度提升了21.13%,非均匀性降低至13.35%;加入单层高亮光学薄膜后背光的平均亮度提升了17.53%,非均匀性降低至16.08%。前者亮度和均匀性相对更好,后者由于没有膜之间的对准问题,使用的稳定性更高。因此证明了本文的两种设计都有效地实现了LED背光高亮薄型化的目的。

关键词：液晶像源 LED背光自由曲面透镜扁平化无掩模光刻直写

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用于液晶像源LED背光的双自由曲面透镜阵列设计

用于液晶像源LED背光的双自由曲面透镜阵列设计

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作者：李亚妮合肥工业大学

学位级别：硕士

高亮度、低功耗、小体积和轻重量是液晶像源产品的主要发展趋势。现有的液晶像源产品存在光效和亮度不高的问题,无法满足平视显示器的特殊使用要求。发光二极管(LED)已经成为液晶像源中的主流背光源。使用LED作为液晶像源的背光光源时,... 详细信息

高亮度、低功耗、小体积和轻重量是液晶像源产品的主要发展趋势。现有的液晶像源产品存在光效和亮度不高的问题,无法满足平视显示器的特殊使用要求。发光二极管(LED)已经成为液晶像源中的主流背光源。使用LED作为液晶像源的背光光源时,必须对功率、亮度、体积等进行深入的研究。本文对这一问题进行研究,采用了一种计算简易的LED二次光学自由曲面透镜的设计方法,应用了能量守恒定律和Snell定理,建立方程组得到透镜两个自由曲面的面型数据。由此得到单个圆形自由曲面透镜,再经过切割,拼接为满足照明面积的自由曲面透镜阵列。根据仿真结果确定了透镜最优切割方式。针对扩展光源带来的均匀性劣化问题,根据边缘光线理论提出了可以改善均匀性的透镜优化设计方法。针对透镜拼接带来的均匀性问题,提出了基于仿真反馈优化的设计方法,通过修改目标面上的能量分布来改善目标面的均匀性。通过多次优化,获得了亮度和均匀性满足要求的自由曲面透镜阵列。根据设计结果加工了透镜阵列并对背光进行了实际测试。为解决杂散光斑问题设计了反射型光阑并加工了实际样品。测试结果表明:反射型光阑有效改善了斜视时的均匀性问题;和传统背光结构相比,采用两层扩散膜和透镜阵列以及光阑后,最高点亮度值可达到429360nit,背光平均亮度提高了179.7%,非均匀性由18.32%降为12.46%,半亮度视角由32°降低到18°。满足液晶像源背光的使用要求。采用本论文提出的设计及优化方法得到的双自由曲面透镜阵列用在LED背光模块时,在满足尺寸限制以及LED数量和功率限制的条件下,可达到超高的显示亮度和良好的均匀性。可为其他限制尺寸、需要提高中心亮度的光学系统提供设计思路。

关键词：液晶像源 LED背光二次光学自由曲面透镜阵列

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