中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所平板事業(yè)部 昌永龍 荊建新

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LED在大尺寸液晶顯示器里的應(yīng)用

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所平板事業(yè)部 昌永龍 荊建新

【摘要】液晶顯示器（TFT-LCD）近年來(lái)已經(jīng)成為顯示領(lǐng)域的主導(dǎo)產(chǎn)品，在傳統(tǒng)的TFT-LCD背光模組中，冷陰極燈管（CCFL）技術(shù)成熟且有成本優(yōu)勢(shì)，目前仍是主流的光源。由于節(jié)能環(huán)保的要求，含汞成份的CCFL漸漸被具耗電少，效率高和壽命長(zhǎng)以及色飽和度高的發(fā)光二極管（LED）取代。由于筆記型、桌上型和液晶電視LCD產(chǎn)品規(guī)格和要求不同，LED的選擇和遇到的技術(shù)問(wèn)題以及解決方案也有所不同，其中成長(zhǎng)最快也最具潛力的市場(chǎng)是液晶顯示屏（LCD）的背光應(yīng)用，幾年間白色發(fā)光二極管已經(jīng)隨著小型顯示屏的背光應(yīng)用逐漸普遍。

【關(guān)鍵詞】LED；大尺寸液晶顯示器；應(yīng)用

0.引言

過(guò)去幾年，發(fā)光二極管（LED，LightEmittingDiode）的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了巨幅的擴(kuò)展，目前幾乎所有移動(dòng)電話中的彩色液晶面板都由發(fā)光二極管提供背光，最近白色發(fā)光二極管更開(kāi)始邁入需要更高性能和更長(zhǎng)工作時(shí)間的膝上型顯示屏背光應(yīng)用，然而發(fā)光二極管在進(jìn)入大尺寸顯示屏，如個(gè)人電腦顯示屏與電視應(yīng)用的路途上并未順利，因?yàn)槌烁研阅芎透L(zhǎng)工作時(shí)間外，大型液晶面板需要使用如紅、綠、藍(lán)（RGB）這類發(fā)光二極管來(lái)創(chuàng)造更豐富的色彩范圍，才能提供比使用CCFL背光更好的采購(gòu)誘因。

1.LED存在問(wèn)題

盡管LED背光具CCFL無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，但是目前還有一些因素阻礙著LED背光源技術(shù)的迅速普及:（1）其價(jià)格相當(dāng)昂貴，同等尺寸的背光源，LED約為CCFL價(jià)格的4倍；（2）目前LED背光源的光效率還不夠高，同等尺寸顯示屏比CCFL耗電量高；（3）在散熱方面也是LED背光急待解決的難點(diǎn)之一，高功耗不符合目前環(huán)保理念，這需要LED在材料、工藝等方面進(jìn)行改進(jìn)。

2.LED在大尺寸液晶顯示器里的應(yīng)用

2.1大功率LED背光模組設(shè)計(jì)

直下式LED背光模組的發(fā)展大概經(jīng)歷了三個(gè)階段:

階段1:采用多顆小功率LED均勻陣列式排布。其優(yōu)點(diǎn)是畫面亮度高，均勻性好，顯示效果細(xì)膩，且有利于實(shí)現(xiàn)區(qū)域調(diào)兄算法，進(jìn)行區(qū)域控制LED調(diào)光；缺點(diǎn)是使用較多數(shù)量的LED，導(dǎo)致制造成本較高，散熱設(shè)計(jì)需求增大。該方式己基本退出市場(chǎng)；

階段2:采用二次透鏡光學(xué)設(shè)計(jì)，增大LED光源發(fā)光角度。其優(yōu)點(diǎn)是LED顆數(shù)急劇少，成本也降低很多；缺點(diǎn)是背光模組厚度較大。由于液晶顯示器厚度和均勻性不高等問(wèn)題，市場(chǎng)表現(xiàn)不如預(yù)期，正逐步退出市場(chǎng)；

階段3:進(jìn)一步優(yōu)化光學(xué)透鏡，增大發(fā)光角度。其優(yōu)點(diǎn)是在不增加LED顆數(shù)一的情況下，進(jìn)一步降低了混光高度；兼顧了外觀和成本，性價(jià)比較高；缺點(diǎn)是厚度相較于側(cè)入式產(chǎn)品，仍處于劣勢(shì)。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，繼續(xù)降低該背光結(jié)構(gòu)的厚度也未嘗不可。

2.2即插即用

目前在大尺寸液晶顯示屏幕上業(yè)界通常還是使用CCFL，因此在安裝時(shí)不需回焊的程序，同時(shí)并面向不同尺寸的顯示屏提供各種不同長(zhǎng)度的CCFL燈管，CCFL的亮度可以通過(guò)在背光模塊中加入更多的燈管來(lái)提高，也就是說(shuō)，整個(gè)安裝程序是方便的即插即用方式，因此我們必須要能夠?qū)⒈彻饽K制造商由CCFL轉(zhuǎn)換到發(fā)光二極管所增加的額外付出減到最低才能夠讓這項(xiàng)選擇變得更具吸引力。COB發(fā)光二極管模塊在設(shè)計(jì)時(shí)采用長(zhǎng)條型，目的是能夠依面板尺寸和亮度要求采水平或垂直方式堆棧組合，每個(gè)COB模塊都具備用來(lái)進(jìn)行電氣連接的標(biāo)準(zhǔn)連接器，同時(shí)每個(gè)色彩信道都可以分別定址，帶來(lái)高彈性的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，安裝則可以使用M3螺絲，因此，可以免除發(fā)光二極管組裝程序中復(fù)雜的回焊過(guò)程。

2.3LED動(dòng)態(tài)背光的控制方法

2.3.1OD整體調(diào)光

OD整體調(diào)光，通過(guò)分析畫面全局的亮度來(lái)確定整個(gè)背光的相交，同時(shí)適用于CCFL背光和LED背光系統(tǒng)。這種調(diào)光方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是這種調(diào)光方法由于采用全局畫面亮度分布做調(diào)光依據(jù)，并且畫面所有區(qū)域的背光降到同一的亮度，導(dǎo)致畫面的亮景部分容易出現(xiàn)大面積的失真，功耗降低能力也不是很理想，實(shí)用性不高。

2.3.2ID分行調(diào)光

ID分行調(diào)光，就是將畫面分作幾行不同的背光塊，每行的背光塊根據(jù)自己行內(nèi)對(duì)應(yīng)的圖像亮度分別調(diào)光，其中，每一行背光可以是一組CCFL燈管，也可以是一組LED陣列，因此，這種調(diào)光方法也同樣適用于兩種背光系統(tǒng)。ID分行調(diào)光，相較于OD整體調(diào)光細(xì)化了調(diào)光區(qū)域，調(diào)光準(zhǔn)確性與降低功耗能力都有一定提局。

2.4球形端面光纖直接耦合

通常情況下，通過(guò)多種方式都可以獲得球形光纖端面，比較典型的如：（1）在光纖端面上制造一個(gè)樹(shù)脂的半球透鏡，這種方案比較簡(jiǎn)單；（2）在光纖的端面燒制特殊形狀的端球，一般可以采用電弧、氣體火焰或者大功率激光器充當(dāng)燒制的熱源，這種方案比較實(shí)用。在熱源的作用下，光纖端面熔化后經(jīng)過(guò)自然冷卻，在表面張力的作用下，進(jìn)而在一定程度上就會(huì)形成各種不同弧度的圓球形端面，并且熱源的溫度、光纖與熱源之間的距離等因素決定著圓球的曲率半徑。在耦合過(guò)程中，采用球形光纖端面一方面可以提高半導(dǎo)體激光器與光纖的耦合效率，另一方面可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)光路進(jìn)行調(diào)試。球形端面光纖的耦合實(shí)際上已經(jīng)在前面組合透鏡與光纖設(shè)計(jì)中闡述過(guò)。

2.5散斑抑制

以激光為光源照射屏幕時(shí)，由于激光的相干性及屏幕的粗糙，導(dǎo)致人眼看到被散斑覆蓋的圖像，嚴(yán)重影響圖像顯示質(zhì)量，阻礙觀察者從圖像中提取有用信息。因此，如何消除散斑一直是以激光為光源的光學(xué)儀器領(lǐng)域和顯示技術(shù)領(lǐng)域中的研發(fā)熱點(diǎn)。而就目前的研究結(jié)果來(lái)看，為消除散斑所用的方法大致可以分為兩大類：（1）通過(guò)控制激光光源的時(shí)間相干性來(lái)降低散斑，其原理是通過(guò)調(diào)整激光波長(zhǎng)（或者頻率）及多波長(zhǎng)光源產(chǎn)生沸騰散斑，目前通過(guò)控制激光時(shí)間相干性成功消除散斑達(dá)到實(shí)用要求的技術(shù)方案以多光源疊加為主；（2）通過(guò)控制激光光束空間相干性消除散斑。基本原理是通過(guò)調(diào)整激光光束中基元光波的相位分布，從而改變散斑的空間分布，將多個(gè)散斑圖像在人眼積分時(shí)間內(nèi)相疊加，得到一個(gè)光能分布均勻的圖像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)消除散斑的目的。

2.6LED分區(qū)背光光擴(kuò)散

應(yīng)用區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)光技術(shù)的液晶顯示器，在各分區(qū)背光確定之后，為了保證背光降低后顯示圖像的亮度和效果，還需要對(duì)液晶像素進(jìn)行精確補(bǔ)償。如不考慮光線的擴(kuò)散，將分區(qū)背光值矩陣直接擴(kuò)大至圖片像素尺寸，可以看出，調(diào)光后的圖像具有明顯的分區(qū)，顯示效果人眼根本無(wú)法接受。因此，在調(diào)光算法中也需要考慮光線在背光模組中傳播時(shí)的擴(kuò)散作用，然后再對(duì)液晶像素進(jìn)行補(bǔ)償。但LED發(fā)出的光線到達(dá)液晶思示器的亮度和均勻性通常和背光模組各組成部分結(jié)構(gòu)及其性能息息相關(guān)，其中包括LED的發(fā)光功率、LED之間的間距、LED和擴(kuò)散板之間的距離、擴(kuò)散板和擴(kuò)散膜的厚度及使用數(shù)量、擴(kuò)散板和擴(kuò)散膜的霧度和光線透過(guò)率性能及各膜系之間的空隙等。要精確得到不同亮度下LXK個(gè)背光分區(qū)經(jīng)過(guò)背光模組各部分?jǐn)U散后變?yōu)镸XN個(gè)精密像素的亮度，必須知道上述所有的參數(shù)。而實(shí)際中，這些參數(shù)往往是很難全部精確獲知的。從而會(huì)影響到區(qū)域調(diào)光算法的可行性。

3.結(jié)束語(yǔ)

從LED液晶電視問(wèn)世W來(lái)，降低其能耗和提高其對(duì)比度的研巧工作就一直在進(jìn)行。液晶作為一種非自主發(fā)光型顯示器件，其本身無(wú)法主動(dòng)發(fā)光，而是通過(guò)背光源LED發(fā)出的光線來(lái)照亮液晶面板，顯示不同的畫面。因而一直W來(lái)，降低液晶電視能耗的重點(diǎn)都放在背光源LED的發(fā)光效率的提升上。但對(duì)背光源LED的改善在不斷進(jìn)行，進(jìn)一步提升效率的空間也就越來(lái)越小。

參考文獻(xiàn)

［1］張志豪.LED用于背光模組之發(fā)展及散熱問(wèn)題［J］.工業(yè)材料.