LED燈串顯示屏的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

彭云

摘要：隨著科技技術(shù)的發(fā)展，LED 顯示屏的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前業(yè)界流行的LED 顯示屏存在成本高、現(xiàn)場(chǎng)施工復(fù)雜，產(chǎn)品維護(hù)保養(yǎng)困難、不能重復(fù)利用等問題。本文設(shè)計(jì)的LED燈串顯示屏，包括面罩、燈帶、與燈帶上的發(fā)光元件對(duì)應(yīng)的透鏡，還包括透鏡座。針對(duì)目前投射光線不均勻、定向不準(zhǔn)確等問題，本文設(shè)計(jì)了光線顏色均勻的LED透光鏡，使得顯示屏靈活、方便，出光效率高，成本低而且更節(jié)能。

關(guān)鍵詞： LED燈串顯示屏;燈帶;透光鏡

0引言

發(fā)光二極管（LED）是20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來的一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，但當(dāng)時(shí)由于發(fā)光效率低且價(jià)格高并沒有得到很好的推廣。20世紀(jì)70年代，隨著半導(dǎo)體材料合成技術(shù)、單晶制造技術(shù)和P-N結(jié)形成技術(shù)的研究進(jìn)展，發(fā)光二極管在發(fā)光顏色、亮度等性能得以提高并迅速進(jìn)入批量化和實(shí)用化，但大多數(shù)應(yīng)用僅限于文字點(diǎn)陣顯示屏。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，LED在發(fā)光波長(zhǎng)范圍和性能大大提高，并開始形成平板顯示器即LED顯示屏。

LED顯示屏，又叫電子顯示屏，是一種平板顯示器，是由LED點(diǎn)陣和led pc面板組成，通過紅色、藍(lán)色、白色、綠色LED燈的亮滅來顯示文字、圖像、視頻等各種信息，內(nèi)容可以隨時(shí)更換，各部分組件都是模塊化結(jié)構(gòu)的顯示器件。顯示模塊由LED燈組成的點(diǎn)陣構(gòu)成，負(fù)責(zé)發(fā)光顯示;控制集團(tuán)通過控制相應(yīng)區(qū)域的亮滅，可以讓屏幕顯示文字、圖片、視頻等內(nèi)容，單色、雙色屏主要用來播放文字，全彩屏主要是播放動(dòng)畫的;電源系統(tǒng)負(fù)責(zé)輸入電壓電流轉(zhuǎn)為顯示屏需要的電壓電流。

隨著科技技術(shù)的發(fā)展，LED 顯示屏的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。作為重要的現(xiàn)代信息發(fā)布媒介之一，LED顯示屏具有使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性和可靠性高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在交通、民航、金融、醫(yī)療、教育、體育、工業(yè)、銀行、證券、通訊、工業(yè)控制、傳媒廣告、勞動(dòng)力市場(chǎng)、工商稅務(wù)、技術(shù)監(jiān)督港口等領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用，為各行各業(yè)的信息發(fā)布和信息服務(wù)提供幫助。

目前，業(yè)界流行的LED 顯示屏主要由多個(gè)箱體拼接而成，箱體又由各個(gè)模組組裝而成，其中模組又基本上是由底殼、面罩、PCB 燈板及驅(qū)動(dòng)板所組成，然后加上專用顯示驅(qū)動(dòng)電路、直流穩(wěn)壓電源、軟件、框架以及外裝飾構(gòu)成整個(gè)顯示屏。這類產(chǎn)品架構(gòu)成本較高，現(xiàn)場(chǎng)施工復(fù)雜，產(chǎn)品維護(hù)保養(yǎng)困難，整體成本比較高;當(dāng)針對(duì)使用小型條屏顯示屏的客戶（一般主要顯示文字和簡(jiǎn)單微標(biāo)），特別是用于交通管制的可變信息顯示屏，現(xiàn)有的LED 顯示屏在成本上沒有優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)有技術(shù)中，為了節(jié)約成本，通常是將多個(gè)燈珠串聯(lián)組成圖案的顯示屏模式，但是由于燈珠均是固定安裝在PCB板上，而該P(yáng)CB板又要與圖案的顯示大小相匹配，不僅占用地方，而且當(dāng)要更換圖案的時(shí)候，必須更換相應(yīng)的PCB板，而由于燈珠是焊接在PCB板上，不能重復(fù)利用，造成極大的不方便而且浪費(fèi)。此外，由于要顯示的內(nèi)容簡(jiǎn)單，通常使用LED燈珠組成顯示屏，在投射內(nèi)容的時(shí)候，光線都是經(jīng)LED燈珠發(fā)出，再通過透光鏡對(duì)外投光。但由于現(xiàn)有的透光鏡投射出去的光線不均勻，能明顯看到光斑，同時(shí)光線輸出光束角等不理想，定向不準(zhǔn)確，在不需要照射的地方漏光嚴(yán)重。尤其是多色的LED燈珠，在每個(gè)燈珠上均設(shè)有兩個(gè)或者多個(gè)不同顏色的LED芯片，現(xiàn)有的LED透光鏡混光不理想，使得發(fā)射出去的光線仍能容易分別出燈珠內(nèi)的發(fā)光芯片的原本顏色，但顯示效果不明顯。

為了克服上述技術(shù)的不足，本文設(shè)計(jì)出的LED燈串顯示屏能夠方便快捷地自由組合圖案。同時(shí)，通過光線顏色均勻的LED透光鏡的設(shè)計(jì)使得燈珠發(fā)出的多色光線混合并均勻地向期望的方向發(fā)出，該顯示屏靈活、方便，出光效率高，成本低而且更節(jié)能。

1 LED燈串顯示屏的構(gòu)成

本文所設(shè)計(jì)的LED燈串顯示屏組裝示意圖和側(cè)視圖如圖1和圖2所示，包括面罩、燈帶、與燈帶上的發(fā)光元件對(duì)應(yīng)的透鏡，還包括透鏡座。

（1）透鏡包括導(dǎo)光柱和與導(dǎo)光柱連接的凸透鏡，導(dǎo)光柱靠近發(fā)光元件;

（2）透鏡座結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，透鏡座為兩端中空的箱體，透鏡固定安裝在透鏡座內(nèi)，凸透鏡的上端面高出于透鏡座的上端面，透鏡座下端面與燈帶可拆連接，透鏡座下端還設(shè)有與透鏡座活動(dòng)連接的蓋板，蓋板設(shè)有卡槽，透鏡座的側(cè)壁外端面設(shè)有與蓋板卡槽配合的凸塊，蓋板蓋住燈帶并與透鏡座側(cè)壁連接;

（3）透鏡座的側(cè)壁的下端面設(shè)有凸點(diǎn)，燈帶設(shè)有與凸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圓孔。燈帶示意圖如圖4所示，在燈帶上設(shè)置圓孔，然后將透鏡座的凸點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)圓孔，方便透鏡座定位。此外，燈帶有多條，通過多條燈帶組成復(fù)雜的圖形，可以使得組裝更便捷。本文所設(shè)計(jì)的LED顯示屏以7個(gè)燈珠為固定燈帶長(zhǎng)度，根據(jù)圖案所需的燈珠數(shù)決定燈帶的條數(shù)，使得燈帶組裝更靈活;

（4）面罩設(shè)有多個(gè)供透鏡座固定安裝的通孔，多個(gè)通孔可自由組成多種圖案。

當(dāng)LED燈串顯示屏需要顯示某個(gè)特定圖案的時(shí)候，將燈帶的發(fā)光元件通過裝有透鏡的透鏡座安裝在對(duì)應(yīng)通孔的位置，發(fā)光元件通電時(shí)，光線通過透鏡傳遞出去，由此點(diǎn)亮的透鏡在面罩上組合出所需圖案，當(dāng)需要更換圖案的時(shí)候，僅需將透鏡單元拆下，按新的圖案排列方式進(jìn)行安裝，由于燈帶具有柔性，能隨意的將發(fā)光元件按照面罩通孔的位置進(jìn)行安裝，從而避免PCB電路板結(jié)構(gòu)所造成的不方便和浪費(fèi)。

2 光線顏色均勻的LED透光鏡的設(shè)計(jì)

LED透光鏡示意圖如圖5和圖6所示，LED透光鏡從左到右一次包括出光部、光路和入光部，均自左往右延伸。出光部左表面為凸起的弧形，光路長(zhǎng)度為1.5～45mm;光部的橫截面為近矩形，即在矩形的四個(gè)直角進(jìn)行倒圓而成。

入光部將LED燈珠的光線導(dǎo)入長(zhǎng)度為1.5-45mm的光路中混合、散射，使得進(jìn)入出光部的光線混合、散射充分，入光部橫截面的面積自左而右逐漸變小，使入光部具有錐形的側(cè)壁，側(cè)壁的錐度為0.1～15o。由于光線具有反射角，同時(shí)光線在傳播過程中會(huì)出現(xiàn)散射現(xiàn)象，故使入光部具有錐形的側(cè)壁，大體呈錐臺(tái)形狀，使散射的光線在入光部的側(cè)壁進(jìn)行反射回來，減少光損，同時(shí)使不同顏色的光線進(jìn)行混合。

混合后的光線通過出光部的具有弧形的表面聚攏射出，出光部橫截面的形心與光路橫截面的形心共軸，降低了對(duì)出光部的左表面的弧形設(shè)計(jì)難度。在大多數(shù)情況下，LED顯示屏安裝在高于人的地方，需要光線轉(zhuǎn)比較大的角度進(jìn)行聚攏射出。因此，本文設(shè)計(jì)的光路橫截面的形心與入光部橫截面的形心不共軸，形成一個(gè)位移，這樣的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了光線的大角度轉(zhuǎn)向，也能降低光路的體積，兼有安裝防錯(cuò)功能。

本文設(shè)計(jì)的另外一種LED透光鏡如圖7和圖8所示。該透鏡的出光部突出光路的部分，光路具有兩層結(jié)構(gòu)，可用于與外設(shè)的固定架連接。光線進(jìn)入入光部，經(jīng)過入光部的導(dǎo)向進(jìn)入光路，光路橫截面的長(zhǎng)軸和入光部橫截面的長(zhǎng)軸同向，故可將入光部射出的光線均勻地在光路中散射和混合，同時(shí)光路的兩層結(jié)構(gòu)可將光線進(jìn)行二次散射和混合，使得進(jìn)入出光部的光線的強(qiáng)度和顏色非常均勻，再經(jīng)過出光部左表面弧面進(jìn)行定向射出。

通過以上兩種LED透鏡的設(shè)計(jì)，使得經(jīng)過透鏡的LED燈珠的光線顏色均勻、漏光少、定向準(zhǔn)確。此外，把光線更聚焦到中心點(diǎn)，降低角度外的光線，從而獲得更優(yōu)的配光曲線，在光通量與角度不變的情況下，獲得更高放大倍數(shù)的透鏡，從而實(shí)現(xiàn)出光效率更高，更節(jié)能的效果。

常用的光學(xué)透鏡材料有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，俗稱亞克力）和PC等。盡管亞克力有更高的透光率（約92%），但是考慮到其抗沖擊能力未能滿足嚴(yán)苛的測(cè)試和嚴(yán)峻的使用環(huán)境，因此選用了同樣有不錯(cuò)的透鏡率而且抗沖擊能力、耐候能力更強(qiáng)的PC作為透鏡的材料。

3LED燈串顯示屏的特點(diǎn)

本文所設(shè)計(jì)的LED燈串顯示屏有主要有幾下三個(gè)特點(diǎn)：

（1）如上圖1所示，通孔組成了字母“A”的圖案，除此之外，還可通過通孔的點(diǎn)陣組合，排列出其圖案。利用導(dǎo)光柱將發(fā)光元件的光引導(dǎo)到凸透鏡上，然后再向外發(fā)射，這樣不僅混光效果好，而且顯示清晰，便于觀看。此外，通過將透鏡安裝在透鏡座內(nèi)，不僅可以固定安裝，而且透鏡座不透光，消除了相鄰?fù)哥R之間的相互影響，從而提高了顯示屏的對(duì)比度。還有，通過透鏡座的蓋板，將燈帶與透鏡座固定安裝，方便燈帶與透鏡座的安裝。當(dāng)需要更換顯示內(nèi)容時(shí)候，可以通過改變面罩上的燈珠的分布而實(shí)現(xiàn)，或者更換的顯示內(nèi)容在原有面罩上無法實(shí)現(xiàn)時(shí)候，亦可通過更換新的面罩，新的面罩上的通孔組成新的圖案。這樣的更換顯示內(nèi)容方式節(jié)能、環(huán)保，而且靈活方便。

（2）透鏡座為塑料構(gòu)件，蓋板與透鏡座一體成型，蓋板與透鏡座的其中一側(cè)壁相連。蓋板通過翻轉(zhuǎn)的形式與透鏡座進(jìn)行固定安裝，當(dāng)不需要與燈帶連接時(shí)候，蓋板連接在透鏡座上，方便下次使用。除此之外，蓋板與透鏡座還可以是獨(dú)立的構(gòu)件，當(dāng)需要組裝透鏡座與燈帶的時(shí)候，將蓋板蓋住燈帶，再與透鏡座卡接，當(dāng)不需要固定透鏡座與燈帶時(shí)，將蓋板拆下，放在一邊待用。

（3）導(dǎo)光柱與凸透鏡一體成型，透鏡通過卡扣方式與透鏡座固定連接，凸透鏡與透鏡座上端面之間還設(shè)有一密封圈。在透鏡的下端設(shè)置有彈性鉤邊，在透鏡座內(nèi)表面設(shè)置有與彈性鉤邊對(duì)應(yīng)的卡槽，當(dāng)透鏡安裝在透鏡座時(shí)候，彈性鉤邊與卡槽卡扣，固定好透鏡。由于透鏡暴露與空氣中，為了更好的保護(hù)顯示屏，在透鏡與透鏡座之間加設(shè)密封圈，可以有效防止水汽進(jìn)入到顯示屏內(nèi)部。

（4）光學(xué)透鏡入光部將LED燈珠的光線導(dǎo)入長(zhǎng)度為1.5-45mm的導(dǎo)光部中混合、散射，使得進(jìn)入出光部的光線混合、散射充分，使得經(jīng)過透鏡的LED燈珠的光線顏色均勻、漏光少、定向準(zhǔn)確。全彩LED顯示的復(fù)色光，經(jīng)過透鏡的混光處理，也能有著類似單色光的效果，極大地提高了顯示效果。

4結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的LED燈串顯示屏利用柔性的燈帶將燈珠安裝在面罩的對(duì)應(yīng)位置上，由燈珠組成所需的圖案，而且燈帶通過可拆的透鏡組進(jìn)行安裝，當(dāng)需要更換圖案的時(shí)候，將透鏡與燈帶拆離，然后將燈帶的燈珠安裝在新的位置上，組成新的圖案。還設(shè)計(jì)了光線顏色均勻的LED透光鏡，使得顯示屏靈活、方便，出光效率高，成本低而且更節(jié)能。

參考文獻(xiàn)

[1]方志烈.發(fā)光二極管材料與器件的歷史、現(xiàn)狀和展望[J].物理學(xué)和高新技術(shù)，2003，32（5）：295-301.

[2]呂岳敏. LED顯示屏技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展分析[J].電子元器件與發(fā)展分析，2020（4）：107-108

[3]張坤. 關(guān)于LED顯示屏集成控制技術(shù)的相關(guān)探討[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（12）：93-94