一種用于LCD檢測的大口徑小角度光源結構的設計

牛文達（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春　130000）

一種用于LCD檢測的大口徑小角度光源結構的設計

牛文達
（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130000）

論文提供了一種用于LCD檢測的大口徑小角度光源的結構設計方法，能夠實現大口徑小角度的設計需求，同時通過有限元分析驗證散熱設計的合理性，能夠有效保證光源的壽命。該照明光源可以配合高分辨率相機應用于大型液晶屏幕的檢測，有廣泛的市場應用前景。

屏幕檢測；LCD；光源

0　引言

隨著近幾年電子科技的發展，LCD在手機及電腦得到廣泛應用。為了實現對手機及電腦屏幕的質量監控，開發出一款用于LCD檢測的大口徑小角度照明光源，可以配合高分辨率相機完成對液晶屏幕的檢測。

1　原理

光源由發光模塊及二次配光模塊組成，考慮到光源小角度的要求，發光模塊采用若干LED芯片均勻陣列排布而成。由文獻可知，氮化鎵（GaN）基LED具有耗能小、壽命長、體積小、環保無污染等優點，所以選取該LED芯片［1～4］。二次配光模塊由二次配光透鏡組和擴散膜組成，其中二次配光透鏡組由若干透鏡單元組成，每個透鏡單元與LED芯片一一對應。每個透鏡單元由配光透鏡和光闌組成，配光透鏡采用菲尼爾鏡，具有準直度高的特點，能夠將出射光線控制在所需求的小角度范圍之內，光闌的作用是濾除沒有參與照明的多余光線，有效抑制雜散光。配光透鏡采用注塑加工，將若干透鏡單元集合成一個模塊，再將若干模塊拼接形成配光透鏡組。擴散膜的主要作用是進一步勻化光線，同時對陣列排布的LED芯片起到霧化作用，以保證足夠的均勻性。同時，為保證LED出光的均勻性，有電腦控制的多通道電源控制器可以實現精確控制每一個LED的電流［5］，從而保證光源整體的均勻性。

2　結構設計

2.1光路結構設計

如圖1、2所示，該光源分為上下兩部分，下部分包括固定LED的鋁基板、光闌、散熱片、菲尼爾鏡、散熱風扇以及殼體組成，其中鋁基板與菲尼爾鏡分別以螺紋連接和膠接的方式固定于光闌上，散熱片固定于鋁基板背部，并在兩者空氣間隔處涂有導熱硅膠。鋁基板和散熱片對應于光闌連接螺紋孔處開有通孔，以便光闌與底座利用螺柱進行連接，同時利于LED的順利走線。光闌由整塊平板組成，在對應菲尼爾鏡處開有與之配合完好的通孔，考慮到耐高溫和散熱快，光闌采用硬鋁合金做成，為了保證光闌整體的平行度，在加工過程中對其進行熱處理，有效去除加工中產生的應力變形。為了保證LED芯片位于菲尼爾鏡的焦點，在鋁基板與光闌連接螺紋孔處對應布置有可以修磨的墊片，通過調校墊片有效保證LED芯片位于菲尼爾鏡的焦點處，裝調時每個單元都用照度計來檢測光能量，在修磨墊片的同時觀測照度計，使LED芯片調整到合適的位置。同時為了保證菲尼爾鏡組的出光平行性，可以修磨螺柱的底面，使所有LED處于同一高度，以確保光源整機的均勻性。上部分由支撐殼體與擴散膜組成，為了保證擴散膜的平整度，使其鋪平到玻璃板上，進而膠接，再把玻璃板固定于出光口處。通過修磨支撐殼體的底部平面來保證擴散膜的高度尺寸。為了保證整機的散熱性能，在LED密集分布的下部箱體前端布置若干散熱風扇，由于需要整體大面積散熱，風扇采用吸風形式，同時為保證風道順暢，散熱片的翅片排布方向與風道方向相同，并在對應處開有長槽孔通風，為了消除側壁的雜散光，長槽孔的高度應低于菲尼爾鏡，并且所有箱體內壁都發黑氧化。考慮風扇與LED芯片的走線，在下部箱體的底座上開有槽孔，便于走線。

圖1　光源結構圖Fig.1 Structure of light source

圖2　局部結構圖Fig.2 Local structure

2.2散熱設計

（1）散熱風扇計算。依據公式計算：

Q=0.05×P/ΔTc

式中：P—設備內部散熱量；ΔTc—設備內部溫升；Q—冷卻所需風量。經計算散熱風扇所需要風量為0.3m3/min。

（2）散熱片計算。估算散熱片表面積的計算公式：

S=0.86×W×L/（ΔT×Nu×λ）

其中：Nu=0.664×（V/V1）1/2×（Pr）1/3。式中：W—散熱器寬度；L—散熱器高度；ΔT—散熱器與周圍溫差；λ—熱電導率可以查表得到；V—動粘滯系數可以查表得到；V1為散熱器表面空氣流速；Pr可查表得到。經計算得到散熱器尺寸如下：長度U=90mm，寬度W=45mm，高度L= 45mm，翅片間距Y=6mm。

（3）有限元分析。LED燈具熱量的流動大概可以簡單歸結為如下過程：先經過焊接層將熱量傳給固定LED的鋁基板，然后鋁基板導熱膠將熱量傳給各個散熱片，再通過各個散熱片傳給燈具外殼，最后靠散熱片和燈具外殼與空氣間的對流將熱量散出［6］。據此，對光源建模，導入到ANSYS中進行有限元分析，將風扇散熱簡化為對流傳熱。

對該光源在UG中建模后導入到ANSYS Workbench12中，設置材料屬性，劃分網格如圖3所示。

加LED芯片加熱通量載荷100W/cm2，設置對流傳熱系數30w/m2℃和環境溫度22℃，分析結果如圖4所示。

圖中，LED光源中心溫度較高，最高溫度66.7℃，在允許范圍之內，表明了散熱設計的合理性。

圖3　網格劃分圖Fig.3 Mesh generation

圖4　分析云圖Fig.4 Cloud chart of FEM

4　結束語

本文敘述了一種用于LCD檢測的大口徑小角度光源的結構設計過程，保證大口徑小角度的需求。同時通過有限元分析驗證了散熱設計的合理性，合理的保證該照明光源的壽命。該照明光源可以配合高分辨率相機應用于大型液晶屏幕的檢測，具有廣泛的市場應用前景。

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［5］陳風，袁銀麟，鄭小兵，等.LED的光譜分布可調光源的設計［J］.光學精密工程，2008，11.

［6］唐順杰，鄭相周，宋天斌，等.大功率LED燈具散熱分析［J］.中國照明電器，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

牛文達，男，吉林長春人，碩士生，助理研究員。從事光學儀器研制。已發表論文六篇。