CN110942726A - Led显示屏幕 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种LED显示屏幕，其包括：LED阵列层，其由多个LED芯片组成，并用于发出光；以及光学扩散膜，其设置在所述LED阵列层的光出射侧，其中，所述LED阵列层中发出的光透过所述光学扩散膜而扩散到观众侧。

Description

LED显示屏幕

技术领域

本发明涉及LED显示技术领域，尤其涉及一种LED显示屏幕。

背景技术

传统的电影放映设备采用投影机和投影屏幕相结合的方式。由于投影机中镜头的设计缺陷和LED显示屏幕的反光特性，导致采用该方式的传统投影放映设备具有画面均匀性差、亮度低、画面对比度差和能耗高的缺点。

由于观众对电影视觉效果的要求不断提高，越来越多的影院放映采用4K分辨率的片源。为了降低成本并提高画面的对比度，采用LED芯片的LED显示屏幕一般采用一个像素对应一个LED芯片的方式进行显示，也可以如图1所示，采用红、绿、蓝三个LED芯片形成一个像素。

LED显示屏幕的尺寸通常在10米×5米至20米×10米的范围内或更大。当LED显示屏幕中画面的分辨率固定时，其包含的LED芯片的间距p也会相应地被调整。例如，当LED显示屏幕的宽度为10米时，相邻LED芯片之间的间距为2.5毫米，而当LED显示屏幕的宽度为20米时，相邻LED之间的间距为5毫米。LED芯片的间距和LED芯片的尺寸的比率通常大于5：1，使得LED芯片的像素填充率不高，从而带来LED显示屏幕上画面由于颗粒感强而不柔和的问题。虽然可以通过增加LED显示屏幕中所包含的LED芯片数量的方法来提高LED芯片的像素填充率，从而提高柔和度，但是这种方法会明显增加芯片数量和驱动功耗，从而使放映成本和放映功耗升高。

发明内容

为解决上述所提到的由于颗粒感强而不柔和的问题，本发明公开了一种LED显示屏幕，其由LED阵列层和光学扩散膜构成，能够在不显著提高成本和功耗的条件下显著提高LED芯片的像素填充率，从而在该LED显示屏幕上显示更加柔和的画面。

在本发明的第一方面提供一种LED显示屏幕，其包括：LED阵列层，其由多个LED芯片组成，并用于发出光；以及光学扩散膜，其设置在所述LED阵列层的光出射侧，其中，所述LED阵列层中发出的光透过所述光学扩散膜而扩散到观众侧。

根据本发明中的LED显示屏幕能够有效地提高采用了LED芯片和光学扩散膜的屏幕的应用范围，提高LED显示屏幕的显示效果，并提高观众的视觉享受和体验。

本发明中的LED显示屏幕不仅适用于电影屏幕，也适用于大型户外广告屏等情况。

附图说明

图1为现有技术的LED显示屏幕中像素与LED芯片的对应显示方式。

图2a示出了在本发明中LED显示屏幕的剖视图中单个LED芯片的出光分布情况。

图2b示出了在本发明中LED显示屏幕的正视图中单个LED芯片的出光分布情况。

图3为本发明中LED显示屏幕构造的剖视图。

图4a-4d说明LED芯片间距p与光学扩散膜和LED阵列层之间的距离h对交叠串扰区域的影响。

图5为透过光学扩散膜后的出射光与法线之间的角度θ的示意图。

图6为入射平行光光强I_平行经过光学扩散膜扩散之后的出射光强I(θ)与角度θ之间的关系曲线。

图7a-7d为相邻LED芯片在不同扩散角度下的亮度分布图。

图8a为光学扩散膜是各向同性扩散膜时的圆形光分布。

图8b为光学扩散膜是各向异性扩散膜时的椭圆形光分布。

图9为纵向邻接方式中拼接光学薄膜以形成LED显示屏幕的示意图。

图10为横向邻接方式中拼接光学薄膜以形成LED显示屏幕的示意图。

图11为使用胶带将两块相邻光学薄膜材料拼接在一起的拼接方式。

图12为使用热焊接或者超声焊接将两块相邻光学薄膜材料拼接在一起的拼接方式。

图13a为使薄膜材料的拼缝跟LED模组的拼缝进行对齐的拼接方式。

图13b为使薄膜材料的拼缝不跟LED模组的拼缝对齐的拼接方式。

图14为本发明LED显示屏幕中使用的机械突起定位结构。

具体实施方式

下面，将参照附图详细说明根据本发明的各具体实施例。需要强调的是，附图中的所有尺寸仅是示意性的并且不一定是按照真实比例图示的，因而不具有限定性。例如，应当理解，图示中的微结构、反射膜等组件的尺寸、比例等参数并不是按照实际的尺寸和比例示出的，仅是为了图示方便，但不是用于限定本发明的具体范围。

图2a-2b为本发明LED显示屏幕中单个LED芯片的出光分布情况，其中，图2a为该单个LED芯片出光分布情况的剖视图，图2b为该单个LED芯片出光分布情况的俯视图。

在图2a中的上下方向为垂直于LED显示屏幕的方向，其中上方为观众侧。图2b为从观众侧观看的俯视图。

在图2a中，h为(图2a中未示出的)光学扩散膜与LED芯片之间在垂直于LED显示屏幕表面方向上的距离，D为该单个LED芯片在光学扩散膜上的光斑直径，θ_stop为该单个LED芯片所发出光线的发光角度。

在图2b中，p为LED阵列层中相邻LED芯片之间的间距，r为该单个LED芯片在光学扩散膜上的光斑直径，即r＝D/2。

根据图2a所示，可以通过对应的发光角度θ_stop来定义光斑的直径D。

光学扩散膜与LED阵列层之间的距离为h时，光学扩散膜的表面上光斑的照度分布E(θ_stop)可以根据下述公式(1)计算

当照度分布E(θ_stop)衰减到中心照度E(0)的一定比值a的时候(0<a<0.5)，对应的光线角度θ_stop为：

当a＝0.1的时候，θ_stop的取值大约是56度，对应的光斑直径D和距离h的比值D/h为2tan(θ_stop)≈3，即D＝2htan(θ_stop)。当a的值增大时，对应的光斑直径D会缩小，在实际应用中，可以将通过上述光线角度θ_stop所定义的光斑直径D作为LED芯片之间的间距p。

在实际应用中，在像素填充率一定的情况下，可将光斑直径D作为LED芯片之间的间距p，且D＝2h tan(θ_stop)，则可通过下述公式(3)来计算间距p

p＝2h tan(θ_stop) (3)

在下述表格1中列出了a、θ_stop和2tan(θ_stop)的不同对应值：

表格1

a	θ<sub>stop</sub>	2tan(θ<sub>stop</sub>)
			0.05	61.77	3.72
0.1	55.78	2.94
			0.2	48	2.22
0.3	42.3	1.82

通过上述表格可以看出，随着a值逐渐增大，对应的光斑直径D(即LED芯片之间的间距p)逐渐缩小。

单个LED芯片的出光分布可以近似为朗伯分布，其发出的光强I(θ_stop)可根据下述公式(4)计算

I(θ_stop)＝Icos(θ_stop) (4)

其中，θ_stop为单个LED芯片所发出光线的发光角度，且I是θ_stop为0时的出射光光强。

图3为本发明中LED显示屏幕构造的剖视图。同时说明了该LED显示屏幕中由LED形成的光斑的位置和大小。

如图3所示，本发明中LED显示屏幕包括LED阵列层和光学扩散膜。将光学扩散膜按照一定的距离h放置为比LED阵列层更靠近观众侧的位置处，即设置在LED阵列层的光出射侧。由此，从LED阵列层中发出的光通过光学扩散膜散射到观众侧。

虽然图3中以示例性的方式说明了LED阵列层包含有三个LED芯片，即LED1、LED2和LED3，但本领域技术人员应当能理解该LED阵列层可以根据需要包含任意数量的LED芯片。如图3所示，由芯片LED1、LED2和LED3形成的光斑分别为光斑光强度1(或光斑照度的空间分布1)、光斑光强度2(或光斑照度的空间分布2)和光斑光强度3(或光斑照度的空间分布3)。

LED芯片的像素填充率定义为LED芯片的发光面积和像素面积的比例。当在LED芯片表面覆盖有光学扩散膜的时候，由于光学扩散膜表面的照射区域由光斑直径D(或光斑半径r)来定义，可以将像素填充率定义为光斑面积和像素面积的比率：

在图3中，水平方向表示光斑的位置，垂直方向上表示光斑光强度或光斑照度的空间分布。在图3中示出了由实线表示的光学扩散膜(称为光学扩散膜1)以及由虚线表示的光学扩散膜(称为光学扩散膜2)的位置。通过图3可以看出，当扩散膜设置到一定距离时，相邻LED芯片形成的光斑在扩散膜上交叠，便能填充相邻LED芯片之间的黑色区域，提高像素填充率，消除画面颗粒感，但当h减少时，在光学扩散膜2上形成的光斑变小，就不能完全填充相邻LED芯片之间的黑色区域，则就不能消除颗粒感。

基于上述比较结果可知，随着光学扩散膜和LED阵列层之间的距离h逐渐增加，LED芯片的光斑在光学扩散膜的表面逐渐增大，从而能够填充相邻LED芯片之间的黑色区域，并提高LED芯片的像素填充率。

因此，本发明中的LED显示屏幕能够通过光学扩散膜有效地遮蔽LED芯片之间的空隙，从而提高LED芯片的像素填充率，可以使LED芯片的像素填充率达到70％以上。

然而，当光学扩散膜和LED阵列层之间的距离h增加一定程度后，相邻LED芯片发出的光线会相互串扰，进而影响了画面的清晰度。

为解决上述由于光线串扰而导致画面不清晰的问题，同时提高像素填充率，在本发明中，使相邻LED芯片之间的间距p与光学扩散膜和LED阵列层之间的距离h之间的关系满足下述条件：h<p<5h，优选2h<p<4h。

图4a-4d说明LED芯片间距p与光学扩散膜和LED阵列层之间的距离h对交叠串扰区域的影响。结合图4a-4d可以看出，随着p与h之间的比值逐渐变小，交叠串扰区域之间变小。经过本发明的发明人反复研究得知，使相邻LED芯片之间的间距p与光学扩散膜和LED阵列层之间的距离h之间的关系满足h<p<5h、优选2h<p<4h的关系时，能够有效地避免光线串扰。

故在本发明中通过设置扩散膜邻LED芯片之间的间距p与光学扩散膜和LED阵列层之间的距离h之间的关系，能够提高LED芯片的像素填充率，能够消除屏幕上的颗粒感，同时防止由于光线串扰而导致画面不清晰。

在下文中参考图5-7d来说明光学扩散膜的扩散角度。

图5为透过光学扩散膜后的出射光与法线之间的角度θ的示意图，其中，平行光光强为I_平行，透过光学扩散膜之后发散的出射光光强为I(θ)，I₀是θ为0时的出射光光强。

图6为入射平行光光强I_平行经过光学扩散膜扩散之后的出射光强I(θ)与角度θ之间的关系曲线，并由此定义光学扩散膜的扩散角度。

在图6中，横轴表示角度θ，纵轴表示出射光光强I(θ)。由图6可知，平行光经过光学扩散膜后的出射光光强I(θ)随角度θ变化。

当θ＝0时，该光强I(θ)达到最大值I₀。当θ逐渐变大时光强I(θ)逐渐减弱。当光强I(θ)减弱到中心光强I₀(即θ值为0时的光强)一半的位置时，对应的全角2θ就定义为光学扩散膜的扩散角度。

在本发明中使用的光学扩散膜一般采用透明的PC或者PET作为基材，可以包括体扩散膜或表面扩散膜。

该体扩散膜中设置有体散射粒子，可以使用精密光学涂布设备得到有扩散粒子的体扩散膜。该体扩散粒子例如为二氧化硅、二氧化钛颗粒等无机颗粒或者丙烯酸树脂、环氧系树脂颗粒等有机颗粒。

该表面扩散膜的表面具有粗糙结构，可以通过卷对卷的压印工艺而获得。

图7a-7d说明了相邻LED芯片在不同扩散角度下的亮度分布图。其中，图7a中说明扩散角度为5度的扩散膜的亮度分布，图7b说明扩散角度为10度扩散膜的扩散膜的亮度分布，图7c说明扩散角度为40度扩散膜的扩散膜的亮度分布，图7d说明扩散角度为60度扩散膜的扩散膜的亮度分布。

根据图7a-7d的亮度分布图可知，当相邻LED芯片之间的间距p一定时，当该扩散角度越大时，相邻LED芯片亮度分布交叠的区域多，对应的在扩散膜形成的对应的LED光斑面积就大，能够填充的相邻LED芯片之间的黑色区域就越多，就能够使光学扩散膜对LED芯片之间空隙的遮蔽效果越好。故本发明中光学扩散膜的扩散角度应大于10度，更优选为大于40度。

根据不同需求，光学扩散膜可选择各向同性的扩散膜。如图8a所示，在采用各向同性的扩散膜时，从观众侧可以看出，该扩散膜在各个方向的扩散角度都是相同的。

但该光学扩散膜也可以选择各向异性的扩散膜，并且在实际应用的场景中，观众一般在比较大的水平视场和比较小的垂直视场中观看LED显示屏幕，因此一般采用水平和竖直方向扩散角度不同的椭圆高斯散射分布的扩散膜，例如，在采用如图8b所示的各向异性的扩散膜时，从观众侧可以看出，该扩散膜在水平方向的扩散角度大于在垂直方向的扩散角度，从而使得水平方向的视场得到增加。

当然，在其他实际的应用场景中，电影院分上下二层楼时，处于上层楼对于垂直方向的视场的视角要求比较大，那么各向异性的扩散膜设置为垂直方向的扩散角度大于水平方向的扩散角度，当然，根据其他具体的实际需求，可以设置成任一方向的扩散角度大于其他方向的扩散角度。

接着，在下文中描述本发明中LED显示屏幕的形成方法。

首先，将多个LED芯片集成到一个LED子模块中，该LED子模块具有独立的驱动单元。然后，将多个子模块以阵列形式拼接为具有中等尺寸的LED模块。如果LED显示屏幕的尺寸较大，则需要将多个中等尺寸的LED模块再次进行拼接。

通过上述拼接LED子模块或LED模块的方式形成上述LED阵列层。

通过使用该模块拼接的方式形成LED显示屏幕，当该LED显示屏幕中的一个或多个子模块区域中出现问题而导致画质降低或损坏，可以只替换出现问题的子模块或模块，而无需替换整个LED显示屏幕，由此能够节省维护的成本。

但是在上述模块拼接方式中，由于根据现有技术无法理想地控制各模块之间或子模块之间拼接边界的平整度和间隙，因此可能在该拼接边界处存在具有高低起伏的拼缝，甚至有的拼缝是肉眼可见的。该情况可能会影响产品的视觉效果，因此是不理想的。

然而在本发明中，由于在比LED显示屏幕中LED阵列层更靠近观众侧的上方形成有光学扩散膜，上述不理想的拼缝可以由光学扩散膜而遮盖，从而提高了产品的视觉效果，使LED显示屏幕表面看起来更平整美观。

光学薄膜通常形成为具有幅宽为1.5米-1.6米的卷材，光学扩散膜可以由多块光学薄膜拼接形成。例如，如图9所示的纵向邻接方式中，如果期望制造的LED显示屏幕的宽度为10米且高度为5米，则可以将该光学薄膜卷材裁剪成7块宽度为1.5米左右、高度为5米的长条。然后将这7块长条依次拼接，使拼接后的光学薄膜看起来形成为一个整体。

由于光学薄膜卷材的宽度较大，在形成如图9中所示的宽度为10米的屏幕时，只需要处理好薄膜1-7中的6条拼缝的外观即可，由此能够降低整个LED显示屏幕上形成光学扩散膜的拼接处理难度。

另外，在形成本发明中LED显示屏幕时，例如也可以采用横向拼接方式。例如，如图10所示的横向拼接方式中，可以将薄膜材料裁成4块高度1.25米、宽度为10米的长条，再将这4块长条依次拼接在一起。利用金属框架等框架结构，可以将拼接好的光学扩散膜以正面包裹或者反面包裹的方式施加一定的张力，从而绷紧为一个平面。

在形成如图10中所示的宽度为10米的屏幕时，只需要处理好薄膜1-4中的3条拼缝的外观即可，由此能够进一步降低整个LED显示屏幕上形成光学扩散膜的拼接处理难度。

需要说明的是，图9和10中仅给出了LED显示屏幕尺寸以及裁剪光学薄膜卷材的示例性说明。本领域技术人员应当很容易明白，LED显示屏幕可以采用任何期望尺寸，且光学薄膜卷材也可以根据实际需要进行适当地裁剪拼接，而不限于图9和10中提供的具体拼接方式。

为了使观众基本感受不到LED显示屏幕上光学扩散膜之间的拼缝，希望该拼缝即使在LED芯片光照的条件下也尽量不可见。具体来说，对于透明的光学扩散膜，期望相邻光学扩散膜之间的拼缝宽度小于100微米。

具体来说，可以使用如图11和图12中所示的方法拼接光学扩散膜。

如图11所示，可以通过胶带拼接的方法将两块光学薄膜材料拼接在一起。具体来说，将两块光学薄膜材料(薄膜材料1和薄膜材料2)沿着长边方向平行放置，通过可以移动的显微镜观测该光学薄膜材料的间距并进行调节，使得两条长边之间的间距在100微米以内。然后在背面用同样具有扩散功能的胶带与粘接胶水结合使用，将两块薄膜材料粘接在一起。

另外，也可以采用如图12所示的方法，将光学薄膜材料交叠在一起，通过热焊接或者超声焊接将两块薄膜材料连接在一起。

在本发明的LED显示屏幕中，可以如图13a中所示，使薄膜材料的拼缝跟LED模组的拼缝进行对齐，也可以如图13b中所示，使薄膜材料的拼缝不跟LED模组的拼缝对齐。

在通过模块拼接方式形成LED阵列层并拼接完成光学扩散膜之后，将拼接后的光学扩散膜通过弹簧或拉绳等方式固定在LED显示屏幕框架上，从而保证该光学扩散膜表面具有分布均匀的张力，从而使整块光学扩散膜以及LED阵列层被拉伸平整。

例如可以通过定位结构使LED子模块或LED模块与光学扩散膜之间保持一定的距离h。LED阵列层设置在定位结构上，该定位结构设置为针对每一LED子模块或LED模块，可以有多个，并具有给定高度，定位结构之间通过设置凹槽和凸起进行配合连接，以保证准确调节使LED子模块或LED模块与光学扩散膜之间保持一定的距离h。

或者针对整个LED阵列层设置一个定位结构，即定位结构为一体设置，整个LED阵列层设置在定位结构上，从而保持与光学扩散膜之间的距离h。该定位结构例如可以使用机械突起定位结构，光学扩散膜上设置凹槽，用于和定位结构之间进行配合定位，也可以在光学扩散膜上设置凸起，定位结构上设置凹槽用于和光学扩散膜配合。

如图14所示，LED子模块或LED模块设置在该机械突起定位结构中远离观众侧的表面上，且光学扩散膜设置在机械突起定位结构中与LED子模块或模块同侧但相距h的位置处，光学扩散膜比LED子模块或模块更靠近观众侧。

组装光学扩散膜和LED子模块或模块的时候，需要控制屏幕和LED模块的接触力，使该接触力足够小以防止造成屏幕外观的突起和不连续。

根据本发明中上述的LED显示屏幕，能够通过LED阵列层和光学扩散膜相结合的方式有效地提高LED显示屏幕的应用范围，提高LED芯片的像素填充率，从而减少由于画面上颗粒感带来不柔和的问题，提高LED显示屏幕的显示效果，从而提高观众的视觉享受和体验。

另外，由于利用了光学扩散膜的拼接技术，可以遮蔽LED子模块或LED模块之间的拼缝，提高了产品的视觉效果。例如，当形成宽度为10米且高度为5米的LED显示屏幕时，在纵向拼接方式中仅需要处理6条拼缝，而在横向拼接方式中可以仅需要处理3条拼缝。该横向或纵向的拼缝可以与LED子模块或模块之间的拼缝对齐，也可以不与LED子模块或模块的拼缝对齐，从而能够进一步遮蔽LED子模块或LED模块之间的拼缝。

另外，光学薄膜的拼接技术可以大幅降低整个屏幕表面的拼缝面积，通过胶带粘接或者焊接的方法可以将拼缝控制在100微米以内，从而使得在LED芯片光照条件下观众不会看到拼缝。

另外，由于相邻LED芯片之间的间距p与光学扩散膜和LED阵列层之间的距离h之间的关系满足下述条件：h<p<5h，优选2h<p<4h，从而能够防止相邻LED芯片发出的光线会相互串扰，从而能够提高画面的清晰度。

另外，本发明中光学扩散膜的扩散角度应大于10度，优选为大于40度，当该扩散角度越大时，光学扩散膜对LED芯片之间空隙的遮蔽效果越较好。

另外，随着LED芯片尺寸的减少和像素填充率的降低，单位像素的发光面积越来越小。在LED芯片发光区域亮度值很高，而非LED芯片发光区域亮度值很低，评价单位像素的亮度需要测试设备对整个像素区域进行一个后期的加权平均，测试得到的亮度值并不准确；当加入扩散膜后，LED芯片光斑具有跟像素接近的尺寸，也就是具有更高的像素填充率，单位像素的亮度更加均匀，采用测试设备不需要校准和平均有光和没光的区域，整体的测试准确性会更高。

本领域技术人员应当理解，依据设计要求和其他因素，可以在本发明随附的权利要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合以及改变。

Claims (16)

1.一种LED显示屏幕，其包括：

LED阵列层，其由多个LED芯片组成，并用于发出光；以及

光学扩散膜，其设置在所述LED阵列层的光出射侧，其中，所述LED阵列层中发出的光透过所述光学扩散膜而扩散到观众侧。

2.根据权利要求1所述的LED显示屏幕，其中，所述LED阵列层与所述光学扩散膜在垂直于所述光学扩散膜的方向上的距离为h，所述LED阵列层中相邻所述LED芯片之间的距离为p，且p和h的值满足下述条件：h<p<5h，优选2h<p<4h。

3.根据权利要求1或2所述的LED显示屏幕，其中，所述LED阵列层由多个LED子模块或LED模块拼接而成，每一所述LED子模块中集成有多个所述LED芯片，且每一所述LED模块中集成有多个所述LED子模块。

4.根据权利要求3所述的LED显示屏幕，其中，所述光学扩散膜遮蔽多个所述LED子模块或所述LED模块之间的拼缝。

5.根据权利要求3所述的LED显示屏幕，其中，所述光学扩散膜由多块光学薄膜拼接组成，相邻的所述光学薄膜之间的拼缝宽度小于100微米。

6.根据权利要求5所述的LED显示屏幕，其中，通过使所述多块光学薄膜以纵向拼接方式或横向拼接方式进行拼接。

7.根据权利要求5所述的LED显示屏幕，其中，所述多块光学薄膜之间的拼缝与多个所述LED子模块或所述LED模块之间的拼缝对齐，或不与多个所述LED子模块或所述LED模块之间的拼缝对齐。

8.根据权利要求5所述的LED显示屏幕，其包括：具有扩散功能的胶带，所述胶带通过设置粘接胶水拼接相邻的所述光学薄膜。

9.根据权利要求5所述的LED显示屏幕，其中，通过热焊接或者超声焊接拼接相邻的所述光学薄膜。

10.根据权利要求1或2所述的LED显示屏幕，其中，所述光学扩散膜为体扩散膜或表面扩散膜。

11.根据权利要求10所述的LED显示屏幕，其中，所述表面扩散膜的表面具有粗糙结构。

12.根据权利要求1或2所述的LED显示屏幕，其中，所述光学扩散膜的扩散角度大于10度，且优选大于40度。

13.根据权利要求1或2所述的LED显示屏幕，其中，所述光学扩散膜为各向同性的扩散膜或各向异性的扩散膜。

14.根据权利要求1或2所述的LED显示屏幕，其还包括：定位结构，所述LED阵列层设置在所述定位结构上，其使得所述LED阵列层与所述光学扩散膜之间保持所述距离h。

15.根据权利要求14所述的LED显示屏幕，所述定位结构为一体设置。

16.根据权利要求14所述的LED显示屏幕，包括多个定位结构，所述多个定位结构之间通过设置凹槽与凸起进行配合连接。

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