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液晶显示器用高光束R/G/B LED背光模块

导读: 由于液晶显示器(LCD:Liquid Crystal Display)的应用已经从笔记型计算机,扩展到行动电话、汽车导航仪、家用电视等领域,因此LCD的自然色再现性成为各界关注的焦点

由于液晶显示器(LCD:Liquid Crystal Display)的应用已经从笔记型计算机,扩展到行动电话、汽车导航仪、家用电视等领域,因此LCD的自然色再现性成为各界关注的焦点,某些特殊领域甚至要求LCD的色再现范围超过NTSC(National Television System Committee)的色彩规格,接着本文要介绍日本ライツ公司开发的23寸宽银幕高阶监视器,与电视用具备高光束R/G/B LED(Light Emitting Diode)背光模块的色再现性。

色再现性

事实上CRT(Cathode Ray Tubes)与冷阴极灯管(CCFL:Cold Cathode Fluorescent Lamp)都是应用荧光体激发发光动作原理,CRT监视器的色再现性领域受限于三原色的荧光体放射,虽然荧光体的放射频谱分布非常宽广,不过色再现性领域却比NTSC规定的范围窄,大约只能含盖NTSC的70%相当于EBU规范(European Broadcasting Union),换句话说CRT的辉度与色再现性领域属于trade off关系。

目前CRT大多以辉度为主要诉求,相较之下使用CCFL光源的背光模块(backlight module)的LCD,则是利用与LCD相性的彩色滤光膜片(Color Filter,以下简称为CF)决定色再现范围。图1(a)是CCFL的连续发光频谱分布与CF的穿透分布特性,前者主要特征是R(Red)、G(Green)、B(Blue)各原色的支配性(dominant)波长之间,490nm与590nm附近不纯辉线有sub peak极易因为混色造成色再现范围变窄,根本解决方法是改用窄频谱宽度、高光束R/G/B LED背光模块;图1(b)是LED背光模块的发光特性,由于R/G/B LED背光模块无造成不纯辉线的sub peak,所以可以提高各原色的色纯度,此外R的支配性波长在长波长侧,因此在红光领域可以获得非常宽广的色再现范围。
 

(a)CCFL背光模组的频谱分布                                                          (b)R/G/B LED背光模组的频谱分布
                                  图1 CCFL的连续发光频谱分布与CF的穿透分布特性
 
R/G/B LED背光模块

图2是日本ライツ公司开发的23吋宽银幕液晶显示器用R/G/B LED背光模块的构造,如图所示40个高功率R/G/B LED以9mm的间距,封装在长方形基板构成LED光源模块,LED背光模块左右两侧分别设置一个LED光源模块,各光源产生的光线经过空间混色后变成白光,再从背光模块中央部位朝LCD方向射出,LCD背面设有一片扩散板、两片扩散膜片、一片棱镜(prism)膜片与一片偏光膜片。表1是上述R/G/B LED背光模块使用的高功率R/G/B LED的光线与电气特性一览,根据测试结果显示它可以获得100% NTSC的色再现范围。 


                                   表1 高功率R/G/B LED的光线与电气特性一览
          
                  
                                         图2 R/G/B LED背光模块的构造
 
如众所周知由于LED的构成材料会有温度特性差异,上述R/G/B LED光源模块的G/B LED使用的化合物半导体材料与R LED不同,因此两者的温度变化系数也不同(图3),随着室温的变动与点灯后LED本身的温升,极易造成混色后的白光辉度与色度不断变化,有鉴于此R/G/B LED背光模块透过最佳化热设计抑制LED的温升,此外还利用模块内的彩色传感器(color sensor),分别检测R/G/B LED的输出计算传感器的输出之后回馈(feed back)至LED,由于内部演算器不会受到使用条件的变动影响,因此表面显示辉度与色度非常稳定。温度造成LED的输出产生变化,尤其是随着红光LED的温升输出的影响使得输出大幅降低,为了抑制LED本身的温升因此将高热传导性的铝质MCPCB(Meal Core Printed Circuit Board)设置在光源部的铝质筐体(frame)内,背面再利用散热鳍片(heat sink)进行散热。
                  
                                           图3 R/G/B LED的温度特性
 
图4是R/G/B LED背光模块的结构方块图,如图所示本背光模块透过最佳化热设计抑制LED的温升,同时利用彩色传感器(C9303)检测R/G/B LED的光量,针对室温变化与色度分布状况,以PWM控制技术管理LED的驱动电流,PWM控制电路主要特征除了可以改变R/G/B LED的输出之外,还可以在3000~9500K的范围内任意设定白光色温。

表2是使用R/G/B LED的LCD规格,该显示器使用23吋WUXGA(Wide Ultra Extended Graphic Array)等级的液晶面板,液晶显示器辉度为250cd/m2,色温6500K(偏光膜片上的辉度为4000cd/m2,CIE1391色度坐标x=0.325,y=0.303。
                  
                                          图4 R/G/B LED背光模块的结构方块图
 
                    
                                                      表2 使用R/G/B LED的LCD规格

如图5所示表2 使用R/G/B LED的LCD NTSC比超过100%,此外R/G/B LED各自拥有独立的频谱,所以可以调整白光的色度(图6)。如上所述彩色传感器与PWM回馈控制技术,可以使温度造成的色度变化低于CIE1976USC坐标ΔU‘V‘ =0.003,辉度变化则控制在5%范围内。
                    
                                     图5 LED背光模块与LCD的色再现范围


                                                    图6 色温调整过的LED背光模块频谱分布特性
 
 结语

以上介绍高光束R/G/B LED背光模块的色再现特性,使用R/G/B LED背光模块的液晶显示器适合应用在医疗、印刷、PC等领域,尤其是色温范围3000~9300K的家用液晶电视可以获得宽广的色再现范围。

由于LED背光模块的消费电力与制作成本还有很大的改善空间,因此今后除了LED背光模块的光学系统之外,还需抑制LED本身的发热问题。

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