一种用于LCD检测的大口径小角度光源结构的设计

牛文达（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春　130000）

一种用于LCD检测的大口径小角度光源结构的设计

牛文达
（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春130000）

论文提供了一种用于LCD检测的大口径小角度光源的结构设计方法，能够实现大口径小角度的设计需求，同时通过有限元分析验证散热设计的合理性，能够有效保证光源的寿命。该照明光源可以配合高分辨率相机应用于大型液晶屏幕的检测，有广泛的市场应用前景。

屏幕检测；LCD；光源

0　引言

随着近几年电子科技的发展，LCD在手机及电脑得到广泛应用。为了实现对手机及电脑屏幕的质量监控，开发出一款用于LCD检测的大口径小角度照明光源，可以配合高分辨率相机完成对液晶屏幕的检测。

1　原理

光源由发光模块及二次配光模块组成，考虑到光源小角度的要求，发光模块采用若干LED芯片均匀阵列排布而成。由文献可知，氮化镓（GaN）基LED具有耗能小、寿命长、体积小、环保无污染等优点，所以选取该LED芯片［1～4］。二次配光模块由二次配光透镜组和扩散膜组成，其中二次配光透镜组由若干透镜单元组成，每个透镜单元与LED芯片一一对应。每个透镜单元由配光透镜和光阑组成，配光透镜采用菲尼尔镜，具有准直度高的特点，能够将出射光线控制在所需求的小角度范围之内，光阑的作用是滤除没有参与照明的多余光线，有效抑制杂散光。配光透镜采用注塑加工，将若干透镜单元集合成一个模块，再将若干模块拼接形成配光透镜组。扩散膜的主要作用是进一步匀化光线，同时对阵列排布的LED芯片起到雾化作用，以保证足够的均匀性。同时，为保证LED出光的均匀性，有电脑控制的多通道电源控制器可以实现精确控制每一个LED的电流［5］，从而保证光源整体的均匀性。

2　结构设计

2.1光路结构设计

如图1、2所示，该光源分为上下两部分，下部分包括固定LED的铝基板、光阑、散热片、菲尼尔镜、散热风扇以及壳体组成，其中铝基板与菲尼尔镜分别以螺纹连接和胶接的方式固定于光阑上，散热片固定于铝基板背部，并在两者空气间隔处涂有导热硅胶。铝基板和散热片对应于光阑连接螺纹孔处开有通孔，以便光阑与底座利用螺柱进行连接，同时利于LED的顺利走线。光阑由整块平板组成，在对应菲尼尔镜处开有与之配合完好的通孔，考虑到耐高温和散热快，光阑采用硬铝合金做成，为了保证光阑整体的平行度，在加工过程中对其进行热处理，有效去除加工中产生的应力变形。为了保证LED芯片位于菲尼尔镜的焦点，在铝基板与光阑连接螺纹孔处对应布置有可以修磨的垫片，通过调校垫片有效保证LED芯片位于菲尼尔镜的焦点处，装调时每个单元都用照度计来检测光能量，在修磨垫片的同时观测照度计，使LED芯片调整到合适的位置。同时为了保证菲尼尔镜组的出光平行性，可以修磨螺柱的底面，使所有LED处于同一高度，以确保光源整机的均匀性。上部分由支撑壳体与扩散膜组成，为了保证扩散膜的平整度，使其铺平到玻璃板上，进而胶接，再把玻璃板固定于出光口处。通过修磨支撑壳体的底部平面来保证扩散膜的高度尺寸。为了保证整机的散热性能，在LED密集分布的下部箱体前端布置若干散热风扇，由于需要整体大面积散热，风扇采用吸风形式，同时为保证风道顺畅，散热片的翅片排布方向与风道方向相同，并在对应处开有长槽孔通风，为了消除侧壁的杂散光，长槽孔的高度应低于菲尼尔镜，并且所有箱体内壁都发黑氧化。考虑风扇与LED芯片的走线，在下部箱体的底座上开有槽孔，便于走线。

图1　光源结构图Fig.1 Structure of light source

图2　局部结构图Fig.2 Local structure

2.2散热设计

（1）散热风扇计算。依据公式计算：

Q=0.05×P/ΔTc

式中：P—设备内部散热量；ΔTc—设备内部温升；Q—冷却所需风量。经计算散热风扇所需要风量为0.3m3/min。

（2）散热片计算。估算散热片表面积的计算公式：

S=0.86×W×L/（ΔT×Nu×λ）

其中：Nu=0.664×（V/V1）1/2×（Pr）1/3。式中：W—散热器宽度；L—散热器高度；ΔT—散热器与周围温差；λ—热电导率可以查表得到；V—动粘滞系数可以查表得到；V1为散热器表面空气流速；Pr可查表得到。经计算得到散热器尺寸如下：长度U=90mm，宽度W=45mm，高度L= 45mm，翅片间距Y=6mm。

（3）有限元分析。LED灯具热量的流动大概可以简单归结为如下过程：先经过焊接层将热量传给固定LED的铝基板，然后铝基板导热胶将热量传给各个散热片，再通过各个散热片传给灯具外壳，最后靠散热片和灯具外壳与空气间的对流将热量散出［6］。据此，对光源建模，导入到ANSYS中进行有限元分析，将风扇散热简化为对流传热。

对该光源在UG中建模后导入到ANSYS Workbench12中，设置材料属性，划分网格如图3所示。

加LED芯片加热通量载荷100W/cm2，设置对流传热系数30w/m2℃和环境温度22℃，分析结果如图4所示。

图中，LED光源中心温度较高，最高温度66.7℃，在允许范围之内，表明了散热设计的合理性。

图3　网格划分图Fig.3 Mesh generation

图4　分析云图Fig.4 Cloud chart of FEM

4　结束语

本文叙述了一种用于LCD检测的大口径小角度光源的结构设计过程，保证大口径小角度的需求。同时通过有限元分析验证了散热设计的合理性，合理的保证该照明光源的寿命。该照明光源可以配合高分辨率相机应用于大型液晶屏幕的检测，具有广泛的市场应用前景。

［1］F.M.S teranka，J.Bhat，D.Collins et a l..High power LEDs-technology status and market applications［J］.Physical Status Solid（A）App lied Research，2002，2.

［2］Daniel A.Steigerwald，Jerome C.Bhat，Dave Collins et al..Illuminati on with solid state lightin g technology［J］.IEEE J.Sel.Top.Quan tum Electron.，2002，2.

［3］Regina Mueller-Mach，Gerd O.Mu ell er.White light emittingdiodes for illuminati on［C］.SPIE，2000，3938.

［4］T.Mukai，M.Yamada，S.Nakamura.Characteristics ofInGaN-based UV/blue/green/amber/red light-emit ting diodes［J］. Japanese Journa l o f Applied Physics Part 1-RegularPapers Short Notes&Eoleol Review Papers，1999，38（7A）：3976-3981.

［5］陈风，袁银麟，郑小兵，等.LED的光谱分布可调光源的设计［J］.光学精密工程，2008，11.

［6］唐顺杰，郑相周，宋天斌，等.大功率LED灯具散热分析［J］.中国照明电器，2010，2.

Design on the Light Source with Heavy Caliber and Small Angle Applied in Testing LCD Screen

NIU Wen-Da
（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Science，Changchun Jilin 130000，China）

This article supplies the method to design a light source with heavy caliber and small angle，which satisfy the design requirement，meanwhile，testify that thermal design is reasonable by finite element so that the light source，life is ensured.The light source can be applied to test large-scale LCD screen with high resolution camera，and the market future is very considerable.

screen test；LCD；light source

TH122

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.037

1002-6673（2015）05-100-02

2015-08-17

牛文达，男，吉林长春人，硕士生，助理研究员。从事光学仪器研制。已发表论文六篇。