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摘要：随着科技技术的发展，LED 显示屏的技术和产业都取得了长足的发展。目前业界流行的LED 显示屏存在成本高、现场施工复杂，产品维护保养困难、不能重复利用等问题。本文设计的LED灯串显示屏，包括面罩、灯带、与灯带上的发光元件对应的透镜，还包括透镜座。针对目前投射光线不均匀、定向不准确等问题，本文设计了光线颜色均匀的LED透光镜，使得显示屏灵活、方便，出光效率高，成本低而且更节能。
关键词： LED灯串显示屏;灯带;透光镜
0引言
发光二极管（LED）是20世纪60年代末发展起来的一种半导体发光器件，但当时由于发光效率低且价格高并没有得到很好的推广。20世纪70年代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和P-N结形成技术的研究进展，发光二极管在发光颜色、亮度等性能得以提高并迅速进入批量化和实用化，但大多数应用仅限于文字点阵显示屏。进入20世纪80年代后，LED在发光波长范围和性能大大提高，并开始形成平板显示器即LED显示屏。
LED显示屏，又叫电子显示屏，是一种平板显示器，是由LED点阵和led pc面板组成，通过红色、蓝色、白色、绿色LED灯的亮灭来显示文字、图像、视频等各种信息，内容可以随时更换，各部分组件都是模块化结构的显示器件。显示模块由LED灯组成的点阵构成，负责发光显示;控制集团通过控制相应区域的亮灭，可以让屏幕显示文字、图片、视频等内容，单色、双色屏主要用来播放文字，全彩屏主要是播放动画的;电源系统负责输入电压电流转为显示屏需要的电压电流。
随着科技技术的发展，LED 显示屏的技术和产业都取得了长足的发展。作为重要的现代信息发布媒介之一，LED显示屏具有使用寿命长、稳定性和可靠性高、环境适应能力强等特点，在交通、民航、金融、医疗、教育、体育、工业、银行、证券、通讯、工业控制、传媒广告、劳动力市场、工商税务、技术监督港口等领域被广泛地应用，为各行各业的信息发布和信息服务提供帮助。
目前，业界流行的LED 显示屏主要由多个箱体拼接而成，箱体又由各个模组组装而成，其中模组又基本上是由底壳、面罩、PCB 灯板及驱动板所组成，然后加上专用显示驱动电路、直流稳压电源、软件、框架以及外装饰构成整个显示屏。这类产品架构成本较高，现场施工复杂，产品维护保养困难，整体成本比较高;当针对使用小型条屏显示屏的客户（一般主要显示文字和简单微标），特别是用于交通管制的可变信息显示屏，现有的LED 显示屏在成本上没有优势。现有技术中，为了节约成本，通常是将多个灯珠串联组成图案的显示屏模式，但是由于灯珠均是固定安装在PCB板上，而该PCB板又要与图案的显示大小相匹配，不仅占用地方，而且当要更换图案的时候，必须更换相应的PCB板，而由于灯珠是焊接在PCB板上，不能重复利用，造成极大的不方便而且浪费。此外，由于要显示的内容简单，通常使用LED灯珠组成显示屏，在投射内容的时候，光线都是经LED灯珠发出，再通过透光镜对外投光。但由于现有的透光镜投射出去的光线不均匀，能明显看到光斑，同时光线输出光束角等不理想，定向不准确，在不需要照射的地方漏光严重。尤其是多色的LED灯珠，在每个灯珠上均设有两个或者多个不同颜色的LED芯片，现有的LED透光镜混光不理想，使得发射出去的光线仍能容易分别出灯珠内的发光芯片的原本颜色，但显示效果不明显。
为了克服上述技术的不足，本文设计出的LED灯串显示屏能够方便快捷地自由组合图案。同时，通过光线颜色均匀的LED透光镜的设计使得灯珠发出的多色光线混合并均匀地向期望的方向发出，该显示屏灵活、方便，出光效率高，成本低而且更节能。
1 LED灯串显示屏的构成
本文所设计的LED灯串显示屏组装示意图和侧视图如图1和图2所示，包括面罩、灯带、与灯带上的发光元件对应的透镜，还包括透镜座。
（1）透镜包括导光柱和与导光柱连接的凸透镜，导光柱靠近发光元件;
（2）透镜座结构示意图如图3所示，透镜座为两端中空的箱体，透镜固定安装在透镜座内，凸透镜的上端面高出于透镜座的上端面，透镜座下端面与灯带可拆连接，透镜座下端还设有与透镜座活动连接的盖板，盖板设有卡槽，透镜座的侧壁外端面设有与盖板卡槽配合的凸块，盖板盖住灯带并与透镜座侧壁连接;
（3）透镜座的侧壁的下端面设有凸点，灯带设有与凸点对应的圆孔。灯带示意图如图4所示，在灯带上设置圆孔，然后将透镜座的凸点对准圆孔，方便透镜座定位。此外，灯带有多条，通过多条灯带组成复杂的图形，可以使得组装更便捷。本文所设计的LED显示屏以7个灯珠为固定灯带长度，根据图案所需的燈珠数决定灯带的条数，使得灯带组装更灵活;
（4）面罩设有多个供透镜座固定安装的通孔，多个通孔可自由组成多种图案。
当LED灯串显示屏需要显示某个特定图案的时候，将灯带的发光元件通过装有透镜的透镜座安装在对应通孔的位置，发光元件通电时，光线通过透镜传递出去，由此点亮的透镜在面罩上组合出所需图案，当需要更换图案的时候，仅需将透镜单元拆下，按新的图案排列方式进行安装，由于灯带具有柔性，能随意的将发光元件按照面罩通孔的位置进行安装，从而避免PCB电路板结构所造成的不方便和浪费。
2 光线颜色均匀的LED透光镜的设计
LED透光镜示意图如图5和图6所示，LED透光镜从左到右一次包括出光部、光路和入光部，均自左往右延伸。出光部左表面为凸起的弧形，光路长度为1.5～45mm;光部的横截面为近矩形，即在矩形的四个直角进行倒圆而成。
入光部将LED灯珠的光线导入长度为1.5-45mm的光路中混合、散射，使得进入出光部的光线混合、散射充分，入光部横截面的面积自左而右逐渐变小，使入光部具有锥形的侧壁，侧壁的锥度为0.1～15?。由于光线具有反射角，同时光线在传播过程中会出现散射现象，故使入光部具有锥形的侧壁，大体呈锥台形状，使散射的光线在入光部的侧壁进行反射回来，减少光损，同时使不同颜色的光线进行混合。 混合后的光线通过出光部的具有弧形的表面聚拢射出，出光部横截面的形心与光路横截面的形心共轴，降低了对出光部的左表面的弧形设计难度。在大多数情况下，LED显示屏安装在高于人的地方，需要光线转比较大的角度进行聚拢射出。因此，本文设计的光路横截面的形心与入光部横截面的形心不共轴，形成一个位移，这样的设计实现了光线的大角度转向，也能降低光路的体积，兼有安装防错功能。
本文设计的另外一种LED透光镜如图7和图8所示。该透镜的出光部突出光路的部分，光路具有两层结构，可用于与外设的固定架连接。光线进入入光部，经过入光部的导向进入光路，光路横截面的长轴和入光部横截面的长轴同向，故可将入光部射出的光线均匀地在光路中散射和混合，同时光路的两层结构可将光线进行二次散射和混合，使得进入出光部的光线的强度和颜色非常均匀，再经过出光部左表面弧面进行定向射出。
通过以上两种LED透镜的设计，使得经过透镜的LED灯珠的光线颜色均匀、漏光少、定向准确。此外，把光线更聚焦到中心点，降低角度外的光线，从而获得更优的配光曲线，在光通量与角度不变的情况下，获得更高放大倍数的透镜，从而实现出光效率更高，更节能的效果。
常用的光学透镜材料有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，俗称亚克力）和PC等。尽管亚克力有更高的透光率（约92%），但是考虑到其抗冲击能力未能满足严苛的测试和严峻的使用环境，因此选用了同样有不错的透镜率而且抗冲击能力、耐候能力更强的PC作为透镜的材料。
3LED灯串显示屏的特点
本文所设计的LED灯串显示屏有主要有几下三个特点：
（1）如上图1所示，通孔组成了字母“A”的图案，除此之外，还可通过通孔的点阵组合，排列出其图案。利用导光柱将发光元件的光引导到凸透镜上，然后再向外发射，这样不仅混光效果好，而且显示清晰，便于观看。此外，通过将透镜安装在透镜座内，不仅可以固定安装，而且透镜座不透光，消除了相邻透镜之间的相互影响，从而提高了显示屏的对比度。还有，通过透镜座的盖板，将灯带与透镜座固定安装，方便灯带与透镜座的安装。当需要更换显示内容时候，可以通过改变面罩上的灯珠的分布而实现，或者更换的显示内容在原有面罩上无法实现时候，亦可通过更换新的面罩，新的面罩上的通孔组成新的图案。这样的更换显示内容方式节能、环保，而且灵活方便。
（2）透镜座为塑料构件，盖板与透镜座一体成型，盖板与透镜座的其中一侧壁相连。盖板通过翻转的形式与透镜座进行固定安装，当不需要與灯带连接时候，盖板连接在透镜座上，方便下次使用。除此之外，盖板与透镜座还可以是独立的构件，当需要组装透镜座与灯带的时候，将盖板盖住灯带，再与透镜座卡接，当不需要固定透镜座与灯带时，将盖板拆下，放在一边待用。
（3）导光柱与凸透镜一体成型，透镜通过卡扣方式与透镜座固定连接，凸透镜与透镜座上端面之间还设有一密封圈。在透镜的下端设置有弹性钩边，在透镜座内表面设置有与弹性钩边对应的卡槽，当透镜安装在透镜座时候，弹性钩边与卡槽卡扣，固定好透镜。由于透镜暴露与空气中，为了更好的保护显示屏，在透镜与透镜座之间加设密封圈，可以有效防止水汽进入到显示屏内部。
（4）光学透镜入光部将LED灯珠的光线导入长度为1.5-45mm的导光部中混合、散射，使得进入出光部的光线混合、散射充分，使得经过透镜的LED灯珠的光线颜色均匀、漏光少、定向准确。全彩LED显示的复色光，经过透镜的混光处理，也能有着类似单色光的效果，极大地提高了显示效果。
4结论
本文所设计的LED灯串显示屏利用柔性的灯带将灯珠安装在面罩的对应位置上，由灯珠组成所需的图案，而且灯带通过可拆的透镜组进行安装，当需要更换图案的时候，将透镜与灯带拆离，然后将灯带的灯珠安装在新的位置上，组成新的图案。还设计了光线颜色均匀的LED透光镜，使得显示屏灵活、方便，出光效率高，成本低而且更节能。
参考文献
[1]方志烈.发光二极管材料与器件的历史、现状和展望[J].物理学和高新技术，2003，32（5）：295-301.
[2]吕岳敏. LED显示屏技术现状及发展分析[J].电子元器件与发展分析，2020（4）：107-108
[3]张坤. 关于LED显示屏集成控制技术的相关探讨[J].科学技术创新，2019（12）：93-94
关键词： LED灯串显示屏;灯带;透光镜
0引言
发光二极管（LED）是20世纪60年代末发展起来的一种半导体发光器件，但当时由于发光效率低且价格高并没有得到很好的推广。20世纪70年代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和P-N结形成技术的研究进展，发光二极管在发光颜色、亮度等性能得以提高并迅速进入批量化和实用化，但大多数应用仅限于文字点阵显示屏。进入20世纪80年代后，LED在发光波长范围和性能大大提高，并开始形成平板显示器即LED显示屏。
LED显示屏，又叫电子显示屏，是一种平板显示器，是由LED点阵和led pc面板组成，通过红色、蓝色、白色、绿色LED灯的亮灭来显示文字、图像、视频等各种信息，内容可以随时更换，各部分组件都是模块化结构的显示器件。显示模块由LED灯组成的点阵构成，负责发光显示;控制集团通过控制相应区域的亮灭，可以让屏幕显示文字、图片、视频等内容，单色、双色屏主要用来播放文字，全彩屏主要是播放动画的;电源系统负责输入电压电流转为显示屏需要的电压电流。
随着科技技术的发展，LED 显示屏的技术和产业都取得了长足的发展。作为重要的现代信息发布媒介之一，LED显示屏具有使用寿命长、稳定性和可靠性高、环境适应能力强等特点，在交通、民航、金融、医疗、教育、体育、工业、银行、证券、通讯、工业控制、传媒广告、劳动力市场、工商税务、技术监督港口等领域被广泛地应用，为各行各业的信息发布和信息服务提供帮助。
目前，业界流行的LED 显示屏主要由多个箱体拼接而成，箱体又由各个模组组装而成，其中模组又基本上是由底壳、面罩、PCB 灯板及驱动板所组成，然后加上专用显示驱动电路、直流稳压电源、软件、框架以及外装饰构成整个显示屏。这类产品架构成本较高，现场施工复杂，产品维护保养困难，整体成本比较高;当针对使用小型条屏显示屏的客户（一般主要显示文字和简单微标），特别是用于交通管制的可变信息显示屏，现有的LED 显示屏在成本上没有优势。现有技术中，为了节约成本，通常是将多个灯珠串联组成图案的显示屏模式，但是由于灯珠均是固定安装在PCB板上，而该PCB板又要与图案的显示大小相匹配，不仅占用地方，而且当要更换图案的时候，必须更换相应的PCB板，而由于灯珠是焊接在PCB板上，不能重复利用，造成极大的不方便而且浪费。此外，由于要显示的内容简单，通常使用LED灯珠组成显示屏，在投射内容的时候，光线都是经LED灯珠发出，再通过透光镜对外投光。但由于现有的透光镜投射出去的光线不均匀，能明显看到光斑，同时光线输出光束角等不理想，定向不准确，在不需要照射的地方漏光严重。尤其是多色的LED灯珠，在每个灯珠上均设有两个或者多个不同颜色的LED芯片，现有的LED透光镜混光不理想，使得发射出去的光线仍能容易分别出灯珠内的发光芯片的原本颜色，但显示效果不明显。
为了克服上述技术的不足，本文设计出的LED灯串显示屏能够方便快捷地自由组合图案。同时，通过光线颜色均匀的LED透光镜的设计使得灯珠发出的多色光线混合并均匀地向期望的方向发出，该显示屏灵活、方便，出光效率高，成本低而且更节能。
1 LED灯串显示屏的构成
本文所设计的LED灯串显示屏组装示意图和侧视图如图1和图2所示，包括面罩、灯带、与灯带上的发光元件对应的透镜，还包括透镜座。
（1）透镜包括导光柱和与导光柱连接的凸透镜，导光柱靠近发光元件;
（2）透镜座结构示意图如图3所示，透镜座为两端中空的箱体，透镜固定安装在透镜座内，凸透镜的上端面高出于透镜座的上端面，透镜座下端面与灯带可拆连接，透镜座下端还设有与透镜座活动连接的盖板，盖板设有卡槽，透镜座的侧壁外端面设有与盖板卡槽配合的凸块，盖板盖住灯带并与透镜座侧壁连接;
（3）透镜座的侧壁的下端面设有凸点，灯带设有与凸点对应的圆孔。灯带示意图如图4所示，在灯带上设置圆孔，然后将透镜座的凸点对准圆孔，方便透镜座定位。此外，灯带有多条，通过多条灯带组成复杂的图形，可以使得组装更便捷。本文所设计的LED显示屏以7个灯珠为固定灯带长度，根据图案所需的燈珠数决定灯带的条数，使得灯带组装更灵活;
（4）面罩设有多个供透镜座固定安装的通孔，多个通孔可自由组成多种图案。
当LED灯串显示屏需要显示某个特定图案的时候，将灯带的发光元件通过装有透镜的透镜座安装在对应通孔的位置，发光元件通电时，光线通过透镜传递出去，由此点亮的透镜在面罩上组合出所需图案，当需要更换图案的时候，仅需将透镜单元拆下，按新的图案排列方式进行安装，由于灯带具有柔性，能随意的将发光元件按照面罩通孔的位置进行安装，从而避免PCB电路板结构所造成的不方便和浪费。
2 光线颜色均匀的LED透光镜的设计
LED透光镜示意图如图5和图6所示，LED透光镜从左到右一次包括出光部、光路和入光部，均自左往右延伸。出光部左表面为凸起的弧形，光路长度为1.5～45mm;光部的横截面为近矩形，即在矩形的四个直角进行倒圆而成。
入光部将LED灯珠的光线导入长度为1.5-45mm的光路中混合、散射，使得进入出光部的光线混合、散射充分，入光部横截面的面积自左而右逐渐变小，使入光部具有锥形的侧壁，侧壁的锥度为0.1～15?。由于光线具有反射角，同时光线在传播过程中会出现散射现象，故使入光部具有锥形的侧壁，大体呈锥台形状，使散射的光线在入光部的侧壁进行反射回来，减少光损，同时使不同颜色的光线进行混合。 混合后的光线通过出光部的具有弧形的表面聚拢射出，出光部横截面的形心与光路横截面的形心共轴，降低了对出光部的左表面的弧形设计难度。在大多数情况下，LED显示屏安装在高于人的地方，需要光线转比较大的角度进行聚拢射出。因此，本文设计的光路横截面的形心与入光部横截面的形心不共轴，形成一个位移，这样的设计实现了光线的大角度转向，也能降低光路的体积，兼有安装防错功能。
本文设计的另外一种LED透光镜如图7和图8所示。该透镜的出光部突出光路的部分，光路具有两层结构，可用于与外设的固定架连接。光线进入入光部，经过入光部的导向进入光路，光路横截面的长轴和入光部横截面的长轴同向，故可将入光部射出的光线均匀地在光路中散射和混合，同时光路的两层结构可将光线进行二次散射和混合，使得进入出光部的光线的强度和颜色非常均匀，再经过出光部左表面弧面进行定向射出。
通过以上两种LED透镜的设计，使得经过透镜的LED灯珠的光线颜色均匀、漏光少、定向准确。此外，把光线更聚焦到中心点，降低角度外的光线，从而获得更优的配光曲线，在光通量与角度不变的情况下，获得更高放大倍数的透镜，从而实现出光效率更高，更节能的效果。
常用的光学透镜材料有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，俗称亚克力）和PC等。尽管亚克力有更高的透光率（约92%），但是考虑到其抗冲击能力未能满足严苛的测试和严峻的使用环境，因此选用了同样有不错的透镜率而且抗冲击能力、耐候能力更强的PC作为透镜的材料。
3LED灯串显示屏的特点
本文所设计的LED灯串显示屏有主要有几下三个特点：
（1）如上图1所示，通孔组成了字母“A”的图案，除此之外，还可通过通孔的点阵组合，排列出其图案。利用导光柱将发光元件的光引导到凸透镜上，然后再向外发射，这样不仅混光效果好，而且显示清晰，便于观看。此外，通过将透镜安装在透镜座内，不仅可以固定安装，而且透镜座不透光，消除了相邻透镜之间的相互影响，从而提高了显示屏的对比度。还有，通过透镜座的盖板，将灯带与透镜座固定安装，方便灯带与透镜座的安装。当需要更换显示内容时候，可以通过改变面罩上的灯珠的分布而实现，或者更换的显示内容在原有面罩上无法实现时候，亦可通过更换新的面罩，新的面罩上的通孔组成新的图案。这样的更换显示内容方式节能、环保，而且灵活方便。
（2）透镜座为塑料构件，盖板与透镜座一体成型，盖板与透镜座的其中一侧壁相连。盖板通过翻转的形式与透镜座进行固定安装，当不需要與灯带连接时候，盖板连接在透镜座上，方便下次使用。除此之外，盖板与透镜座还可以是独立的构件，当需要组装透镜座与灯带的时候，将盖板盖住灯带，再与透镜座卡接，当不需要固定透镜座与灯带时，将盖板拆下，放在一边待用。
（3）导光柱与凸透镜一体成型，透镜通过卡扣方式与透镜座固定连接，凸透镜与透镜座上端面之间还设有一密封圈。在透镜的下端设置有弹性钩边，在透镜座内表面设置有与弹性钩边对应的卡槽，当透镜安装在透镜座时候，弹性钩边与卡槽卡扣，固定好透镜。由于透镜暴露与空气中，为了更好的保护显示屏，在透镜与透镜座之间加设密封圈，可以有效防止水汽进入到显示屏内部。
（4）光学透镜入光部将LED灯珠的光线导入长度为1.5-45mm的导光部中混合、散射，使得进入出光部的光线混合、散射充分，使得经过透镜的LED灯珠的光线颜色均匀、漏光少、定向准确。全彩LED显示的复色光，经过透镜的混光处理，也能有着类似单色光的效果，极大地提高了显示效果。
4结论
本文所设计的LED灯串显示屏利用柔性的灯带将灯珠安装在面罩的对应位置上，由灯珠组成所需的图案，而且灯带通过可拆的透镜组进行安装，当需要更换图案的时候，将透镜与灯带拆离，然后将灯带的灯珠安装在新的位置上，组成新的图案。还设计了光线颜色均匀的LED透光镜，使得显示屏灵活、方便，出光效率高，成本低而且更节能。
参考文献
[1]方志烈.发光二极管材料与器件的历史、现状和展望[J].物理学和高新技术，2003，32（5）：295-301.
[2]吕岳敏. LED显示屏技术现状及发展分析[J].电子元器件与发展分析，2020（4）：107-108
[3]张坤. 关于LED显示屏集成控制技术的相关探讨[J].科学技术创新，2019（12）：93-94