CN110970406A - Led显示屏幕 - Google Patents
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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；以及遮光架，其设置在所述LED芯片之间，并用于隔离每一所述LED芯片，其中，所述LED阵列层中发出的光由所述遮光架反射到观众侧。
Description
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。
然而，由于LED芯片本身的光强分布是朗伯分布，存在很多大角度的光线，如果不对该大角度光线进行遮蔽的话，就容易在相邻像素之间产生串扰，从而可能降低图像的清晰度。
发明内容
为解决上述所提到的在像素间产生串扰的问题，本发明公开了一种 LED显示屏幕，其由LED阵列层和遮光架构成，其中，遮光架用于使相邻的LED芯片彼此隔离，从而能够防止像素之间产生串扰。
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；以及遮光架，其设置在所述 LED芯片之间，并用于隔离每一所述LED芯片，其中，所述LED阵列层中发出的光由所述遮光架反射到观众侧。
根据本发明中的LED显示屏幕能够有效地防止像素之间产生串扰的问题。
另外，在本发明中，在所述LED显示屏幕的第一方向上，所述遮光架中用于反射来自所述LED芯片的发出的光的侧面的倾斜角度为2度到 50度之间。以此结构，能够将入射在遮光架上的光线以比较小的角度反射出去，更容易混光，从而更有利于改善颜色均匀性，并且能够提高光源的利用效率。
另外，在本发明中，在所述LED显示屏幕的第二方向上，所述遮光架中用于反射来自所述LED芯片的发出的光的侧面的倾斜角度为2度到 50度之间。以此结构，能够提高对比度。
另外，在本发明中，所述第一方向为垂直方向和水平方向中的一者，所述第二方向为垂直方向和水平方向中的另一者。
另外，在本发明中，所述遮光架的所述侧面上覆盖有镜面反射层、高斯扩散层或者白色朗伯反射层。
另外，在本发明中，用于支撑所述LED阵列层的基板表面为黑色。以此结构，能够更好地显示黑色并提高对比度。
另外，在本发明中，所述遮光架中用于反射来自所述LED芯片的光的侧面截面的相对侧边为抛物线、椭圆、圆形等二次曲线的形状。
另外，在本发明中，所述遮光架中用于反射来自所述LED芯片的发出的光的侧面截面的相对侧边为由多个连续线段组成的截面形状。
通过将遮光架侧面的截面的相对侧边设置为二次曲线或由多个连续线段组成的截面形状，针对侧面截面形状的设计参数更多，自由度更高，从而能够更好地改变色差，并且能够更容易加工和检测该遮光架。
另外，在本发明中的LED显示屏幕中还包括：光学扩散膜，其设置在所述LED阵列层的光出射侧，其中，经过所述遮光架反射的光朝向所述光学扩散膜出射，并透过所述光学扩散膜而扩散到观众侧。以此结构，能够有效地遮蔽LED芯片之间的空隙，从而提高LED芯片的像素填充率。
另外，在本发明中，所述光学扩散膜为体扩散膜或表面扩散膜。
另外，在本发明中，所述遮光架中靠近所述光学扩散膜的结构为圆弧形。以此结构，能够提高相应区域的照度，并能够更简单地制造加工遮光架。以此结构，能够提高相应区域的照度，并能够更简单地制造加工遮光架。
附图说明
图1为在一个LED芯片中设置RGB三色芯片和遮光架的结构。
图2a和2b为在显示屏幕的垂直方向上各颜色芯片的光强分布不均匀。
图3为本发明显示屏幕中遮光架的侧面倾斜的结构的剖视图。
图4为遮光架的倾斜角度与色差之间的关系曲线。
图5为遮光架倾斜角度与黑色占比之间的关系。
图6a-6b为遮光架侧面截面具有二次曲线形状的结构。
图7为遮光架侧面截面具有由多个连续线段组成的截面形状的结构。
图8a-8b为遮光架在水平方向和垂直方向上的倾斜方式。
图9为本发明中LED显示屏幕又一构造的剖视图。
图10为又一遮光架结构示例。
图11a示为在本发明中LED显示屏幕的剖视图中单个LED芯片的出光分布情况。
图11b为在本发明中LED显示屏幕的正视图中单个LED芯片的出光分布情况。
图12为透过光学扩散膜后的出射光与法线之间的角度θ。
图13是出射光强I(θ)与角度θ之间的关系曲线。
图14a-14d为相邻LED芯片在不同扩散角度下的亮度分布图。
图15a为光学扩散膜为各向同性扩散膜时的圆形光分布。
图15b为光学扩散膜为各向异性扩散膜时的椭圆形光分布。
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LED芯片、光学扩散膜、遮光架等组件的尺寸、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。
本发明中的LED显示屏幕由LED阵列层和遮光架组成，其中LED 阵列层由多个用于发出光的LED芯片组成，且遮光架设置在LED芯片之间，用于隔离每一LED芯片。
该LED显示屏幕中所使用的LED芯片发出的光强分布是朗伯分布，因此存在很多大角度的光线。如果不对该大角度光线进行遮蔽的话，就容易在相邻像素之间产生串扰，从而可能降低图像的清晰度。
而在本发明的上述LED显示屏幕中，设置在LED芯片之间以用于隔离每一LED芯片的遮光架能够对大角度的光线进行遮蔽，从而防止相邻像素之间的串扰，并提高图像的清晰度。
另外，在本发明中，通过具体设置遮光架朝向LED芯片的侧面倾斜角度或侧面截面形状，能够进一步解决LED显示屏幕中混光、色差以及颜色不均匀的问题。
在下文中，结合图1-7来说明本发明中遮光架侧面的具体设置情况。
如图1所示，该遮光架设置在LED芯片之间，用于隔离每一LED 芯片。在每一LED芯片封装中，使RGB三色芯片线性排列。
此外，参见图1可以看出，在显示屏幕的第二方向(在下文中关于本实施例的描述中称为水平方向)上，RGB芯片中的每一颜色芯片与遮光架的距离都是相同的，因此在水平方向上具有对称的光强分布。
由于水平方向的光强分布具有对称性，并不具有颜色不均匀的问题，因此水平方向的遮光架倾斜角度可以采用比较小的角度来增加黑色面积。为了提高对比度，水平方向上遮光架的倾斜角度在2度到50度范围内，当水平方向倾斜角度设置成2度，在加工遮光架时，能够有助于注塑拔模。上述水平方向上遮光架的倾斜角度定义为，在沿水平方向的剖视图中，遮光架中用于反射光的侧面与用于设置LED芯片的基板之间的夹角。
然而，从图2a和2b可以看出，在该显示屏幕的第一方向(在下文中关于本实施例的描述中称为垂直方向)上，RGB芯片中各颜色芯片到遮光架的距离并不相同，这样会导致在垂直方向上的光强分布不均匀。而光强分布的不对称会引起大角度的颜色相对于中心颜色的偏差，即颜色均匀性变差。
为了改善具有上述遮光架的该结构的颜色均匀性，本发明的发明人基于仿真结果发现，通过增大遮光架用于反射光的侧面的倾斜角度θ1，能够将入射在遮光架上的光线以比较小的角度反射出去，更容易混光，从而更有利于改善颜色均匀性，并且能够提高光源的利用效率。
如图3所示，上述倾斜角度θ1定义为，在沿垂直方向上的剖视图中，遮光架中用于反射光的侧面与用于设置LED芯片的基板之间的夹角，也可认为是遮光架中用于反射光的侧面与LED阵列层之间的夹角。
此外，参见图4的曲线可以看出，随着遮光架的倾斜角度θ1增加，入射在遮光架上的光线以更小的角度反射出去，从而能够获得更好的混光效果，由此能够逐渐提高降低色差的技术效果。
遮光架的表面上可以覆盖镜面反射层或漫反射层，其中漫反射层可为高斯扩散层或白色朗伯反射层。
上述白色漫反射层由基材和添加在基材中的反射颗粒形成，基材为例如PMMA、PC、ABS、PP、PVC等有机塑料材料，反射颗粒例如为 TiO2、硫酸钡等无机材料。
此外，当在遮光架表面上形成镜面反射或高斯扩散层时，可通过电镀、磁控溅射、喷漆等方式将反射材料或扩散材料制备在工程塑料的表面。
此外，在本发明中，为了更好地显示黑色，将用于设置并支撑LED 芯片的基板表面涂成黑色。黑色面积在LED芯片面积中的比例越高，则对比度的效果越好。
图5说明遮光架倾斜角度θ1与黑色占比之间的关系。如图5所示，当遮光架侧面的倾斜角度θ1增大到50度的时候，黑色占比降低为中心的50％，因此为了同时兼顾颜色均匀性和黑色占比的性能，该遮光架在垂直方向上的倾斜角度θ1在2度到50度之间。
虽然在图3中说明了遮光架的侧面具有固定倾斜角度的情况，但遮光架的该侧面在沿着水平方向且垂直于基板方向上的截面(在下文中简称为侧面截面)的相对侧边还可以设计为诸如抛物线、椭圆、圆形等二次曲线的形状。例如，在图6a中示出了该侧面截面的相对侧边形成为抛物线的形状，图6b示出了该侧面相对侧边形成为椭圆的形状。
除了图3和图6a-6b所示的遮光架侧面截面的形状之外，该侧面截面的相对侧边还可以采用由多个连续线段组成的截面形状，如图7所示。通过使该侧面截面的形状形成连续分段线性的形状，由于可以针对每一线段来设计该线段的角度，可设计的参数更多，自由度更高，从而能够更好地改变色差，并且能够更容易加工和检测该遮光架。
此外，在上述内容中分别记载了遮光架在水平方向和垂直方向上的倾斜角度。在本发明中，可以如图8a所示，同时使水平方向和垂直方向上的倾斜角度设置为具有较大倾斜角度，也可以如图8b所示，使得遮光架在水平方向上的倾斜角度小于在垂直方向上的倾斜角度。
在上述图1-图8b的说明中，在每一LED芯片封装中，RGB三色芯片在显示屏幕的水平方向上与遮光架的距离都是相同的，即RGB芯片沿着垂直方向布置。然而，本发明并不限于此，RGB三色芯片也可以在显示屏幕的垂直方向上与遮光架的距离都是相同的。
在RGB三色芯片在显示屏幕的垂直方向上与遮光架的距离相同的情况下，则在对于遮光架倾斜角度的上述说明中，第一方向是水平方向，且第二方向是垂直方向。例如，该遮光架在水平方向(该情况下的第一方向)上的倾斜角度在2度到50度之间。其他说明内容与上述图1-图 8b的说明相同，在此不再赘述。
图9说明了本发明中LED显示屏幕另一构造的剖视图。在图9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9中还示出了该LED显示屏幕中由LED形成的光斑的位置和大小。
如图9所示，该LED显示屏幕还包括有光学扩散膜，其中，p为LED 阵列层中相邻LED芯片之间的间距，h为光学扩散膜与LED阵列层之间在垂直于光学扩散膜表面方向上的距离。将光学扩散膜按照一定的距离放置为比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，能够有效地遮蔽LED芯片间的空隙，提高像素填充率。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。
图10示出了不同于图7所示的遮光架结构示例。在图10中，遮光架中靠近光学扩散膜的结构1101为圆弧形。通过该结构，遮光架出光侧的尺寸可小于0.05mm，从而有利于LED芯片发出的光线入射到遮光架上方扩散膜，提高相应区域的照度。另外，圆弧形结构1101也有利于实现注塑拔模工艺，从而能够更简单地制造加工遮光架。
需要说明的是，图3和图10中所示的结构可以针对遮光架单独设置或组合设置。即可以使显示屏幕中的遮光架分别具有倾斜侧面截面和圆弧形结构，也可以使遮光架同时具有倾斜侧面截面和圆弧形结构。
再参考图9进行说明，虽然图9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1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)。
在下文中，结合图11a-11b来说明在本发明中对于像素填充率的定义。
如图11a所示，当光学扩散膜与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(θstop)可以根据下述公式(1)计算：
其中，I为θstop为0时的光强。
图11a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11b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。
根据图11a所示，可以通过对应的光线角度θstop来定义光斑的直径 D。当照度分布E(θstop)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θstop可根据下述公式(2)计算：
当a＝0.1的时候，θstop的取值大约是56度，对应的光斑直径D和高度h的比值为2tan(θstop)≈3。当a的值增大时，对应的光斑直径D 会缩小，在实际应用中，像素填充率一定的情况下，此时可以将通过上述光线角度θstop所定义的光斑直径D作为LED芯片之间的间距p。
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：
在下文中参考图12-14d来说明光学扩散膜的扩散角度。
图12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13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13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。
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。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好。
通过上述结构，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。
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。
图14a-14d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14a中说明扩散角度为5度的扩散膜的亮度分布，图14b说明扩散角度为10度扩散膜的扩散膜的亮度分布，图14c说明扩散角度为40 度扩散膜的扩散膜的亮度分布，图14d说明扩散角度为60度扩散膜的扩散膜的亮度分布。
根据图14a-14d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。故在本发明中，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。
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。
光学扩散膜可选择各向同性的扩散膜。如图15a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15b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。
在本发明中，通过在LED芯片之间设置用于隔离每一LED芯片的遮光架，能够对大角度的光线进行屏蔽，从而防止相邻像素之间的串扰，从而提高像素的清晰度。
另外，在本发明中，通过将遮光架侧面在水平方向或垂直方向的倾斜角度设置在2度到50度范围内，能够有助于加工遮光架时的注塑拔模。
此外，在本发明中，通过增大遮光架侧面在垂直方向或水平方向上的倾斜角度，有利于使入射到遮光架上的角度以小角度反射，从而获得更好的混光效果，改善颜色均匀性，降低色差，并且能够提高光源的利用效率。
此外，在本发明中，可以在遮光架侧面表面上覆盖镜面反射层或漫反射层。
在本发明中，为了更好地显示，将用于设置并支撑LED芯片的基板表面涂成黑色。黑色面积在LED芯片面积中的比例越高，则对比度的效果越好。
另外，本发明中遮光架侧面截面的相对侧边可以采用二次曲线或由多个连续线段组成的截面形状。由此针对侧面截面的相对侧边形状的设计参数更多，自由度更高，从而能够更好地改变色差，并且能够更容易加工和检测该遮光架。
此外，通过使遮光架中靠近扩散膜的结构为圆弧形，能够提高相应区域的照度，并能够更简单地制造加工遮光架。
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 (11)
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
遮光架，其设置在所述LED芯片之间，并用于隔离每一所述LED芯片，
其中，所述LED阵列层中发出的光由所述遮光架反射到观众侧。
2.根据权利要求1所述的LED显示屏幕，其中，在所述LED显示屏幕的第一方向上，所述遮光架中用于反射来自所述LED芯片的发出的光的侧面的倾斜角度为2度到50度之间。
3.根据权利要求1或2所述的LED显示屏幕，其中，在所述LED显示屏幕的第二方向上，所述遮光架中用于反射来自所述LED芯片的发出的光的侧面的倾斜角度为2度到50度之间。
4.根据权利要求3所述的LED显示屏幕，其中，所述第一方向为垂直方向和水平方向中的一者，所述第二方向为垂直方向和水平方向中的另一者。
5.根据权利要求1或2所述的LED显示屏幕，其中，所述遮光架的所述侧面上覆盖有镜面反射层、高斯扩散层或者白色朗伯反射层。
6.根据权利要求1或2所述的LED显示屏幕，其中，用于支撑所述LED阵列层的基板表面为黑色。
7.根据权利要求1所述的LED显示屏幕，其中，所述遮光架中用于反射来自所述LED芯片的光的侧面截面的相对侧边为抛物线、椭圆、圆形等二次曲线的形状。
8.根据权利要求1所述的LED显示屏幕，其中，所述遮光架中用于反射来自所述LED芯片的发出的光的侧面截面的相对侧边为由多个连续线段组成的截面形状。
9.根据权利要求1所述的LED显示屏幕，其还包括：光学扩散膜，其设置在所述LED阵列层的光出射侧，其中，经过所述遮光架反射的光朝向所述光学扩散膜出射，并透过所述光学扩散膜而扩散到观众侧。
10.根据权利要求9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9所述的LED显示屏幕，其中，所述遮光架中靠近所述光学扩散膜的结构为圆弧形。
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