王振相
佛山市青松科技股份有限公司，广东省佛山市南海区528200
摘要：随着科学技术的发展，LED显示屏飞速发展。对比度是影响LED显示屏视觉效果的关键因素之一。本文通过对LED显示屏面罩、透镜单元组件以及发光组件进行结构设计，能够有效地提高了LED显示器屏幕对比度。
关键词： LED 显示屏、面罩、单元组件、发光组件、高对比度
0引言
二十一世纪是平板显示的时代，LED显示屏是平板显示的主流产品之一。LED显示屏是由LED点阵模块组成的一种现代平面显示屏幕，具有发光亮度高、使用寿命长、环境适应能力强等优点，广泛应用于金融、交通、广告宣传等领域。其中全彩LED显示屏将以其更生动、更丰富的显示内容、更大的创意空间，全面满足个性化需求，同时具备数字时代的传播概念，将逐步成为LED显示屏的主流产品[1]。
近年来，随着半导体材料合成技术的不断进展，LED显示屏已逐步从当初的单、双色主导产品过渡到现在性价比更高的全彩显示产品。具有高密度、高对比度、高清晰度、宽角度、智能控制、节能环保等多种技术优势的高端LED显示屏必将成为重点发展对象[2]。
全彩LED显示屏是含有许多小的LED灯，它的每个像素都是由三种颜色的发光二级管灯组成，分为红、绿、蓝三种颜色。由于制作工艺的因素，再加上光电参数不可避免的出现离散型，各种颜色的LED亮度、波长的一致性决定了所有显示屏的显示效果、白平衡以及色度的一致性。传统全彩显示系统，发光二极管灯都是直接裸露在外。由于发光二极管产生的灯光的发散性以及外界光线(如：太阳光、灯光、散射光等)的影响，利用LED显示屏进行集成立体成像重构时会出现随着视角的变化亮度和色彩的变化，容易使显示器产生眩晕、对比度低、看不清等不良影响。
1LED发光原理和光学特性
(1)LED发光原理
LED(Light Emitting Diode)即发光二极管。具有发光效率高、使用寿命长、不易破损、高可靠性等传统光源不及的优点。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管的相同点在于其核心也是P-N结，其具有正向导通、方向截止与击穿的特性；与普通二极管不同的是，在一定条件下，LED还具有发光特性，根据化合物的不同，其发光颜色也不同。在正向电压的驱使下，电子从区域N进入区域P，空穴从区域P进入区域N。在PN结附近与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光，空穴和电子在不同的半导体材料中所表现的能量状态不同，根据能量状态的不同，空穴与电子的结合所辐射出的荧光的能量也就不同，辐射出的能量越大，光的波长越短。光的颜色由波长决定，LED发出的光的波长是由形成PN结的材料决定的，采用不同的材料，LED可以发出从紫外到红外不同颜色的光线，常用的几种颜色的发光二极管为：红色、黄色和绿色[3]。
(2)LED光学特性
LED屏中使用的LED圆柱或者圆球封闭包装，由于其表面是凸透镜，导致其表现为较强的方向性。LED发光强度是LED发光元件发光大小的关键指标。LED随着观察者观看角度的改变发光强度也会相应地做出改变，视角的差异直接影响到了LED灯的发光大小和强弱。发光强度最大的方向即为LED光轴方向，在这一处的最大发光强度和发光强度之比为1.越远离中心轴方向光强度就会相应的下降。因此观看者从每个角度看的亮度都有差别。但是在LED显示屏的实际应用过程中，显示屏都会在一定角度范围内使用。加上LED本身就有视觉上的亮度差异，在LED集成立体成像的显示中也会出现视角问题，两者在经过微透镜进行放大，重构后的图像就会出现色散的现象[4]。
2 LED显示屏对比度的提高方法
对比度是影响LED显示屏视觉效果的关键因素之一。高对比度对于图像的清晰度、细节表现和层次感都有很大的帮助。最高对比度的定义为：在一定环境照度下，LED显示屏最大亮度和背景亮度的比[3]。公式如下：
最高对比度=
通过上述公式可以看出，提高对比度的方法有两种：（1）提高显示屏亮度。但提高显示屏亮度容易引起光污染，不符合节能减排。而且虚高的亮度刺眼，并不会带来更好的显示效果。（2）降低背景亮度。降低背景亮度，主要靠在面罩、壳体等结构设计来最大限度地降低背景亮度[5]。
目前常用的通过降低背景亮度来提高对比度的办法主要有三种[6]~ [7]：
(1)设计遮光罩组件。
设计原则：在保证视角的前提下对比读越高越好，也就是在对比度和视角之间寻找最佳平衡点。遮光罩组件是一种百叶窗式的集合体。它是大多数LED模组中最后安装的部分，在基本模组装配完成后才被固定安装上去,分布在每排LED或每排像素点之间。它能使LED面板免受阳光照射。通常显示屏直接反射的阳光越少，它的总对比对越高。大部分户外LED显示屏长时间都要受太阳照射，因此制造厂家必须严格设计遮阳板，从而保证户外LED显示屏正常工作。
（2）吸光设计
面罩表面的纹理结构处理，决定了最大范围的背景亮度。根据加工方法不同，表面的纹理结构分为毛糙面和半光滑面两种。与光滑表面不同，毛糙面以漫反射的方式更有效地反射环境光，这就为观众提供了一个更暗的背景，从而提高了显示屏各个视角对比度的均匀性。
（3）表面处理
面罩的表面纹理结构处理的最后一道工序是处理抛光涂层，即在单元组件的基架上覆盖一层颜色较深的对比层，形成较深的底色，以提高对比度。但大部分LED显示屏厂家都采用防反射、抗紫外线（UV）黑漆来处理LED模组遮阳罩的表面，用于减少LED模组表面对光线的反射。但显示屏长时间使用后，对比层中所含色素会因在长时间的强光的照射下分解、变色，最后颜色变浅，令LED显示设备的对比度下降。
为了解决以上技术问题，本文对LED显示屏面罩、透镜单元组件以及发光组件进行结构设计，进一步提高LED显示屏对比度。
3LED显示屏面罩的设计
用于提高对比度的LED显示屏面罩，包括面罩本体，面罩本体上设有供LED灯珠通过的通孔以及工作台上凸起的遮光部。遮光部用于遮挡外来的光线，使得LED灯珠能在阴影中，也即较暗的环境下发光，从而提高LED显示屏的对比度。
如图1所示，遮光部包括若干个并排排列的用于遮挡外来的光线的三种遮光筋，分别为第一遮光筋、末端遮光筋、以及位于两者之间的若干个中间遮光筋。
通过调整各种遮光筋的高度，可以适应不同的环境光。例如在户外时，太阳光是导致LED灯的对比度下降的主要因素，故将遮光筋沿水平方向延伸，以遮挡来自上方的太阳光。第一遮光筋的高度大于任意一个中间遮光筋，因此可以先制造大片的阴影，至少有部分中间遮光筋在该阴影下再制造小片的阴影，这样就可以更好的提高显示屏对比度。但由于高度较高的遮光筋并排设置，其制造难度高，而且高度过高的遮光筋会影响LED灯的显示效果。同时，考虑到太阳光斜向照射时，阴影也会斜向投射。因此本文设计的多个中间遮光筋的高度为自第一遮光筋向末端遮光筋的方向上整体逐渐递增。
遮光部的三种遮光筋均具有向外的上遮光面和下遮光面，上遮光面与下遮光面连接并形成一夹角，使得遮光部的三种遮光均具有呈三角形的横截面。三角形的横截面可让灯光的更好的射出，并且不会减少LED灯的可视面积。上遮光面与面罩本体的工作面的夹角大于下遮光面与面罩本体的工作面的夹角。这样使得上遮光面能很好遮挡从上方射入的外部光线，同时也能让灯具有较好的可视角度。
（1面罩本体；2通孔；31第一遮光筋；32末端遮光筋；33中间遮光筋）
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4 LED显示屏透镜单元组件的设计
LED透镜单元组件结构示意图如图2和图3所示。在基架的出光侧设有9个出光部。在基架的入光侧上，其在与出光部相对的区域上设有入光部，使入光部与出光部一一对应。入光部的形心和出光部的形心不共轴。入光部高于出光部，可令光线往下照射。出光侧上设有对比层，对比层的工作面上设有多个用于产生阴影的造影坑。入光部的外表面为弧形面，弧面部分露出对比层。造影坑为圆柱状，其横截面为圆形，脱模斜度不大于10°。由于出光部的凸起高度的限制，造影坑往往不能设置得太深，故本文采用多个、直径小、深度浅的造影坑，使得造影坑的数量大于出光部的数量。
为了方便单元透镜单元组件方便地安装到外设的设备上，在基架的入光侧设有安装部。为防止侧向光源的影响，在基架的四周立壁上设有遮光层。为方便生产制造，对比层和遮光层为同一构件，在生产时同时成型。
（1基架；11入光部；12出光部；13安装部；2对比层；21造影坑、22遮光层）
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通过在基架上的对比层设计造影坑，在侧向的光线射向对比层时，造影坑的边缘会遮挡光线进入造影坑的内部空间，使造影坑内产生阴影，令对比层总体颜色变深，从而提高了LED显示屏的对比度。
5LED显示屏发光组件的设计
发光组件结构示意图如图4所示，包括光源、透镜结构和吸光层。
（100发光组件；10光源；20透镜结构；22导光棒；24透镜；240出光口；30吸光层）
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（1）光源
光源为LED发光二极管，是LED的核心组成部分。二极管是化合物，是由镓、砷和磷的化合而成，电子和空穴结合后，会在其中发出一定的辐射，从而发出可见光，通过控制二极管的种类使其控制不同种类的光以达到其显示器的显示效果，通过显示屏幕以显示各种信息让观看者收集信息。而显示器的发光材料是由若干个可组合拼接的二极管所构成屏幕的主体。
（2）透镜结构
透镜结构包括导光棒和透镜，透镜结构图图5~7所示。导光棒从透镜延伸而出。导光棒远离透镜一侧为一矩形，设有一个凹面。矩形的长度a在1-20mm之间，宽度b在1-20mm之间，长度a与宽度b之比为0.2-5。凹面为一曲面，弧面最大深度为s，最大深度s与长度a之比为0.05-0.5。导光棒的截面大致呈梯形，导光棒截面的上底为a，导光棒的截面高度为h，截面下底为n，高度h与长度 a之比为1-15。梯形腰的夹角为30°-90°。透镜靠近导光棒一侧为圆柱形，圆柱形直径为m，下底n与直径m之比为0.1-0.8。导光棒及透镜一体成型。
（3）吸光层
吸光层由黑色吸光材料制成。吸光层包覆透镜表面并使透镜表面形成一出光口。出光口位于透镜远离导光棒一侧。吸光层由黑色材料喷涂或吸附于透镜表面形成。吸光层为透镜表面经化学反应形成的黑色涂层。
光源位于导光棒远离透镜一侧。光源发出的光经凹面折射后进入导光棒及透镜聚光，从出光口射出时更加聚集。从出光口进入透镜的外部光线被吸光层吸收，不会产生干扰，使显示器屏幕对比度提高。
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6结论
LED全彩显示屏是一种新型的可用于室内和室外的一种大尺寸电子传播媒体，其具有大尺寸、亮度高、播放灵活等优点，广泛应用于交通、广告和金融等领域。为了提高LED显示屏的对比度，本文对LED显示屏面罩、透镜单元组件以及发光组件进行结构设计。
（1）LED显示屏面罩，面罩本体的工作面上设有凸起的遮光部，用于遮挡外来的光线，使得LED灯珠在阴影下发光，令LED显示屏拥有较高的对比度。
（2）LED显示屏透镜单元组件，其基架上的对比层上设有造影坑，在阳光照射时，造影坑内产生阴影，令对比层总体颜色变深，最终使LED透光镜拥有较高的对比度。即使在强烈阳光的直射、低角度斜射环境下，很少光反射现象，依然保持高清晰的显示性能。
（3）LED显示屏发光组件包括光源、透镜结构和吸光层。通过结构设计使光源发出的光经从出光口射出时更加聚集。而从出光口进入透镜的外部光线被吸光层吸收，不会产生干扰，使LED显示屏的对比度提高。
参考文献
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