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LED全彩显示屏配光解决方案

导读: 本文主要介绍了LED全彩显示屏基于最主要部件——LED的全套配光方案,包括投产晶片的K-factor管理、封装工艺的控制、白平衡的调节以及LED 光学透镜的设计,代表着业界先进的配光解决理念

深圳雷曼光电科技有限公司总经理  李漫铁

摘要:本文主要介绍了LED全彩显示屏基于最主要部件——LED的全套配光方案,包括投产晶片的K-factor管理、封装工艺的控制、白平衡的调节以及LED 光学透镜的设计,代表着业界先进的配光解决理念。
关键词:LED显示屏,白平衡,光学透镜设计

中国大陆的LED显示屏产业最早起步于1987年前后,经过近二十年的共同发展,现已具相当规模。目前,LED显示屏的生产厂家越来越多,其中不乏一些优秀的企业,他们共同繁荣了这个新兴的高科技产业,并促使全球LED显示屏制造中心向中国转移。二十一世纪是个平板显示的时代,LED显示屏作为平板显示的主流产品之一,也必将会有更大的前景。

LED显示屏是一种由计算机技术、信息处理技术、电子技术、光学及色度学等高新技术相结合的电子显示器,一般地说,LED显示屏又分为单色屏,双色屏及全彩屏。所谓单色屏,顾名思义,显示器是由单一的某种颜色的LED组成。把红色和绿色LED作为一个像素的显示屏叫双色屏或彩色屏。把红、绿、兰三种LED放在一起作为一个像素的显示屏叫三色屏或全彩屏。

伴随绿色晶片亮度不断地提升,价格在不断下降,全彩屏正以一种前所未有的速度在普及和推广。特别是北京申奥的成功,它提出“绿色奥运”的号召,使得LED全彩屏的市场前景更为诱人。

LED全彩屏又分为室内屏(Indoor)和户外屏(Outdoor),我们先介绍几个全彩屏的常用术语。

点(Pixel):像素点的简称,一般由R/G/B三种颜色的LED组成。按组成的方式不同,又分为1R/1G/1B、2R/1G/1B、2R/2G/1B等不同的组合方式,它是全彩屏的基本成像单位。

点间距(Pitch):显示屏各像素的中心点之间的距离,一般用mm表示,它决定了一个全彩屏的像素数量。

灰度等级(Gray Scale):显示屏亮度调节的精细度就叫做显示屏的灰度等级,一般地说,灰度等级越高,显示颜色就越丰富。

LED的驱动方式一般有两种,一种是改变LED的电流。一般来说,LED 的工作电流最好设定在20mA以下,以保证LED的抗衰减性。另外一种是利用人眼的视觉惰性,用脉冲调制来实现灰度控制。人对像素平均亮度的感觉可取决于它的衰/灭(占空比),即周期性地改变占空比,只要这个周期足够短,人眼就感觉不出它的衰/灭。

一般地说,室内屏的点间距(Pitch)为2-12mm,其中2-8mm的室内屏一般使用TOP型的贴片方式或现在发展起来的亚表贴方式。户外屏的点间距(Pitch)为10-30mm,以现在绿色LED亮度水平,Pitch为20mm的显示屏是其中最主流的产品。

国内的显示屏制造商,经过这十几年的发展,进步非常快,但和欧美日等发达国家相比,还是有一定的差距,特别是其中最主要的显示器件LED的封装工艺及设计水平,还是有不足之处。

深圳雷曼光电科技有限公司作为中国光学光电子行业协会LED显示屏分会的成员之一,长期专注于显示屏用LED的配光研究,公司汇集了一批长期致力于LED研究的精英,投入大量设备及人力对国外领先同行的产品进行深入研究,并结合自身的特点,总结出一套LED配光、配色的解决方法,现与大家分享,以共同提高各LED封装厂的工艺和配光水平,为中国LED全彩显示屏的技术提升尽一份自己的责任。

LED配光方法是一整套技术,它包括投产晶片的K-factor管理、封装工艺的控制、白平衡的调配及LED Lens的光学设计等等。现分别陈述如下:

一、晶片的K-factor管理
雷曼光电对每一批量产产品的晶片都进行了严格地控制。我们为每一产品都建立了自己的档案,从这份档案中我们可以清楚知道某一生产令的投产晶片资料,而且会把所有的分级数据存档分析,这样我们就有了公司所有产品的K-factor明细,从而也从源头开始就把产品列入控制,我们就能根据客户的具体需求,精确地计算出我们所需要晶片的规格。特别是生产全彩显示屏用的产品,我们对晶片的控制特别严格,不仅仅是达到客户的亮度要求就够了,我们要站在客户的角度上,实实在在地为他们解决白平衡调节中所遇到的困难,除了要达到客户的波长要求和亮度要求外,以下两点细节要特别引起注意,一是成品的亮度要成正态分布,不能出现亮度不连续的现象,对波长的要求也一样,而且要特别注意晶片投料时一定要把所投晶片的波长平均值明细以及每板晶片的数量列出,要在电脑上进行分析,也可以作一个直方图,以明确晶片的波长分布是否成正态分布。如果以上细节不注意,显示屏制造商在调白平衡时,由于LED的亮度和波长不成正态分布,调整起来就特别不容易。

二、封装工艺的控制
全彩显示屏用LED的封装工艺有自己的特点。我们首先要做的是控制原物料,因为户外全彩屏的使用环境恶劣,不是长期在高温下工作就是长期在低温下工作,而且长期受雨水的腐蚀,如LED的信赖度不是很好,很容易出现瞎点的现象,所以我们很注意对原物料品质的控制。公司有一整套物料检查的先进设备,可以帮助我们严格地控制原物料。我们全彩屏LED产品上,都是使用具有高导热、导电性能的优质铜支架,这样可以大大地降低LED的热阻。另外,我们对支架的镀层也作了特别规定,以保证我们的品质需求。为了提高成品的亮度,我们还对支架碗杯作了亚光处理。在环氧树脂的选择上,我们针对显示屏的工作特点,特别选用了能够抗UV的高Tg胶水。在烘烤工艺上,我们使用的是缓冷缓热的烘烤工艺,这种烘烤工艺经我们大量的实验,可以提高胶水的Tg点,而且最为关键的是它可以有效地降低胶水的内应力,这就大大地提高了产品的信赖性。

三、白平衡设计
我们根据客户的需求,总结出一套自己的计算方式。客户只要将你所需要的亮度和显示屏的点间距告诉我们,我们就可以全方位地为客户服务,为客户的显示屏作一个完美的配光方案。为方便下面的介绍,我先介绍几个术语及定义。

白平衡:将三种颜色调配到一种设想的白色的过程。调配可分两个内容:颜色和亮度。
1:设定固定条件:温度、电压、选用电源线。
2: 设定颜色目标及范围(公差),一般是指目标颜色的X,Y值。 
3:进行白色亮度调节。
混合色的总亮度等于组成混合色的各种颜色的亮度总合称为亮度相加定律。

颜色外观相同的光,不管它们的光谱成份是否一样,在颜色混合中具有相同的效果,就是说,凡是在视觉上相同的颜色都是等效的,由此定律可导出颜色的代替律。

颜色匹配方程
若以(C)代表被匹配颜色的单位,(R)(G)(B)代表产生混合色的红、绿、蓝三原色的单位,R、G、B、C分别代表红、绿、蓝和被匹配颜色的数量,当达到匹配时:
C(C)≡R(R)≡G(G)≡B(B)
≡表示视觉上相等,R、G、B为代表量,可以为负值。

请参看下图:

我们先介绍一个重心定律给大家,图中B为颜色1,G为颜色2,R为颜色3,C为G+R的混合色,W为B+C的混合色,这其实就是一个白平衡的示意图,我们可以把C作为绿色和红色的混合色,从图中可以看出,它大约位于黄色的区域,C再和蓝色混合,它可以通过我们的白色区间,是可以混出白光的。
其中B=X1+Y1+Z1      C=X2+Y2+Z2
X1、Y1、Z1;X2、Y2、Z2为蓝光和混合色C的三刺激值。

重心定律就是:
        CM/BM=B/C=(X1+Y1+Z1)/(X2+Y2+Z2)
也就是CM的距离与C成反比,即混合色中C所占的比重越大,CM的距离越短,这就和白灯制作时大家的经验一样,荧光粉的量越多,光色越偏黄(即CM越短)。

下面给大家介绍我们的计算方法:
1. 首先要将面光源转为点光源,得出W点的亮度值,我们知道面光源的单位是Nit,即cd/m2,而我们LED的亮度是mcd,我们注意将单位转mcd。用显示屏的总亮度除以每平方米的点数即可。
2.寻找R、G两种颜色配色后的座标(已知R、G、B、W四点座标计算BW直叩难映は叩慕坏憧傻贸鯟点座标)。
3. 根据重心定律可计算出C点的IV值(已知W点的IV值)。
4. 根据补色原理,可以得出B、G、R的IV值。
5. 根据所需的IV值计算所需用的电流值(前提是已知20mA的IV值,且近似认为IV与电流成正比)。

说明:
1.该方法可计算R/G/B各需要的LED数。
2.可近似的计算在使用过程中R/G/B所需要的电流值,这里的电流只能是近似值,有以下原因:
①IV与电流不一定完全成正比关系。
②所知道的LED的IV、WD为一平均值。

故在调白平衡时,还要根据实际情况,略作调整,不能完全照此数值来进行调节。

也许你认为上述方法过于专业和繁琐,那我们还有一种比较简便的方法供你参考,为解说方便,我们以举例的方式来介绍。

我们知道,混合一种白光的R/G/B大致比例为3:6:1,我们根据这个知识就很方便地计算出每种颜色LED所需的亮度值。

比如有一客户需要一块Pitch为16mm,亮度为5000Nit的户外全彩屏,那么我们应该怎样来计算我们的LED每种颜色到底需要多高亮度。
1.先计算每一平方米的Pixel数量=1 m2/(16mm X16mm X10-6)=3906 pcs/m2
2.每一Pixel的亮度=5000Nit/3906 pcs/m2=1.28cd/m2
3.如果像素组成方式为1:1:1时,则可按以下方法计算
  Red=1.28 X 30% X 1000=384mcd
 Green=1.28 X 60% X 1000=768mcd
 Blue=1.28 X 10% X 1000=128mcd

这样我们很快就知道了答案,很方便是吗?但以上计算方法只能很粗略地计算,而且有一点要特别注意,由于LED装上屏后,要封上一层黑胶,这会降低LED的亮度,再加上各种不同的LED在老化后都有不同程度的衰减,根据我们多年的经验,为使显示屏达到在阳光下图像清晰所必需的5000Nit,最好将设计值提高30%,即为6500Nit比较安全。

四、LED椭圆透镜的光学设计
LED是一个十分精密的光学系统,碗杯、晶片和透镜的搭配要十分得当才是一个好的光学设计。一般地说,我们原来大部份封装厂都没有很重视这一点,这也是我们的显示屏技术赶不上欧美等发达国家的一个很重要的原因。我们经过大量的分析,发现红色晶片和双垫极的绿、蓝色晶片,在晶片的材质、各结构层的厚薄、折射率以及它们裸晶光斑都有很大的差异,且它们的物理尺寸也相差太大,要想使R/G/B三种颜色的LED亮度变化在左右各90度的范围内保持高度一致,须使用不同的光学透镜。雷曼光电公司投入力量研制出了两幅光学椭圆透镜(模条),一幅为红色晶片专用,另一幅为绿、蓝色专用。这样我们就成功地解决了这个多年的难题。

下面我们将雷曼光电LED的R/G/B三色配光图与市面常见LED的R/G/B三色配光图作一比较,以便大家更明确。

上两幅图是使用雷曼光电自行研制光学椭圆透镜的LED产品的配光效果,分别为水平和垂直方向的亮度、角度变化曲线。下两幅图是目前市面常见LED产品的配光效果。从图中可以看出,市面LED产品在50度角度左右可能会偏红,要调整到比较理想的效果比较困难。雷曼光电自行研制的产品考虑到了客户的这种需求,在左右90度范围内的红绿蓝三种颜色的配光曲线平滑,一致性好,达到理想水平,这就为显示屏的不同角度白平衡调节的一致性提供了强有力的支持。

在全彩显示屏用椭圆灯的产品开发设计中,我们还必须考虑到一个实际应用的问题,即做成模块之后的整体配光效果。除了做成模块实际观察之外,我们还可以借助理论分析的方法来找出设计中的不足。现将我司的经验提出与大家共享。同样,下图中的X轴为LED的发光角度,Y轴为LED的相对发光强度,对一个理想的配光方案来说,我们希望它的光强分布在(COSX+COS2X)/2上,考虑到实际上LED生产过程中的种种可变因素,它可以有一定的偏差。我们假定这个偏差是5度,那么我们所设计产品的光强分布须在(COS(X+5)+COX2(X+5))/2与(COS(X-5)+COX2(X-5))/2之间,这样可以保证模块在整个观察角度都能保持高度的一致。

上图中的标准线1,标准线2,标准线3的含义如下:
            标准线1:(COSX+COS2X)/2
            标准线2:(COS(X+5)+COX2(X+5))/2
            标准线3:(COS(X-5)+COX2(X-5))/2
包在标准线2和标准线3之间的是我们雷曼R/G/B的光强分布曲线,从图中可以看出,我们的产品设计是能够满足高品质显示屏需求的。

对于屏体来说,屏体的光强分布是用某一角度(X)的相对发光强度L比上此角度(X)的余弦值,即L/COSX,这样,我们可以得到理论上屏体的光强分布,雷曼R/G/B屏体理论配光曲线如下左图所示:

从上面两幅分析图我们可以清楚看到这两种不同设计的区别,经过精心设计的雷曼配光方案在实际应用中的优势就充分体现出来了。

当然,理论的光强分布和实际的数据还是有一定差异的,具体的光强分布可以用测试仪器分析出来,但是,我们可以借助这些理论分析手段来指导我们的产品研发和品质的提升。

以上是雷曼光电在LED封装及配光、配色方面的一些经验,借此机会与大家分享。愿我们与各LED显示屏企业共同齐心协力,为提高我国LED显示屏的整体技术水平而共同努力,让中国成为LED显示屏制造强国。

参考文献
(1)刘曙光 LED电子显示屏真彩实现技术 〔J〕国际光电与显示, 2001.7
(2)关积珍 陆家和 中国LED显示屏产业发展概况 〔J〕国际光电与显示, 2000.11
(3)汤顺清 色度学〔M〕北京理工大学出版社出版, 1990.6
(4)董太和等 白度的定量评价 〔J〕光学仪器 , 3期 1985
(5)〔法〕G.阿格斯顿著.朱晓农等译,颜色理论及其在艺术和设计中的应用〔M〕纺织工业出版社,1987

作者简介:李漫铁(1968—),男(汉族),湖南人,硕士,现任深圳雷曼光电科技有限公司总经理。1990年本科毕业于华南理工大学无线电工程系,2005年毕业于上海交通大学安泰管理学院EMBA。

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