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宽乜域白适腑l e d 背光源州究 宽色域自适应l e d 背光源研究 摘要 宽色域自适应l e d 背光源是国际国内刚刚起步研究的一种新技术，也是国 家8 6 3 重点攻关课题，它主要应用在中大尺寸的l c d t v ，以期望达到拓展色域、 提高动念对比度和节能的目的。 本文通过一个l c d t v 背光单元的建立，探索在研发中大尺寸l c d t v 的 l e d 自适应背光源过程中所遇到的问题和需要解决的关键技术，为课题的最终 完成做探索性和实验性的工作，为下一步的工作奠定基础。 论文阐述了宽色域自适应l e d 背光源在国际国内的发展现状，讨论了该项 技术的优势，给出了l e d 的发光机理和相关特性，论述了课题所必备的光，视 觉和色度学理论。 论文完成了2 6 英寸l c d t v 的光学计算和软件仿真，光学计算通过预设 l c d t v 白场光度指标，结合对l c d 屏、光学膜及温度等影响因素的研究分析， 准确的完成了l e d 背光设计中单色l e d 光通量及其功耗的理论计算；软件仿真 是在理论分析基础上确定背光模组阵列单元间距和混光距离对亮度均匀性的影 响。为了使背光源有准确稳定的光场输出，论文完成了驱动电路的设计和色彩控 制电路的设计，色彩控制电路有三路p w m 信号输出端口，能根据设定的色度坐 标输出相应占空比的p w m 信号到l e d 驱动电路。驱动电路和色彩控制电路的 结合不但能调节l c d t v 背光源的白平衡，而且使得背光源根据l c d 要显示的 画面动态调整r g b 色光的出光量也成为可能；电源管理电路的设计使得背光模 组供电系统比较简单，仅需要一路2 4 v 的输入即可，它能够完成2 4 v 到2 0 v ， 2 4 v 到5 v 和2 4 v 到2 9 v 的转换，并具有很高的电源转换效率；为了保证l e d 背光源的可靠性并尽量减小电磁干扰，论文还进行了散热设计和电磁兼容设计。 l e d 背光单元模型的建立是在理论指导下进行的，论文的实验结果验证了 软件仿真的准确性，说明了理论分析的重要性。本论文的理论推导和模型的建立 过程为中大尺寸l e d 背光源进一步研究丌发羽f 推广应用奠定了基础。 关键词：l e d 背光源；液晶显示器；驱动控制电路；散热；电磁兼容 宽也域臼适庸l e d 背光源研究 t h er e s e a r c ho fw i d ec o l o rg a m u t a n ds e l f - a d j u s t i n gl e d b a c k l i g h t a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fw i d ec o l o rg a m u ta n ds e l f - a d j u s t i n gl e db a c k l i g h ti su pt o t h em i n u t et ot h ew h o l ew o r l d ，w h i c ha l s ob e l o n g st ot h e 8 6 3 ”p r o j c o t t h e t e c h n o l o g yw i l lb em a i n l yu s e di nt h ef i e l do fl c d - t v w i t ht h ep u r p o s eo f w i d e n i n g t h ec o l o rg a m u ta n di m p r o v i n gt h ec o n t r a s tr a t i oo fl c d t v m e a n w h i l em i n i m i z i n g t h ee n e r g yi tw i l lc o l l g u n l e t h r o u g ht h ed e v i s i n go fo n eu n i to ft h el e db a c k l i g h t ，t h ei n t e n t i o no ft h i s t h e s i si st of i n dt h ep r o b l e m sa n dk e yt e c h n o l o g y i e s ，w h i c hm a yb ee n c o u n t e r e di n t h ep r o c e s so f t h ed e v i s i n go f t h el e db a c k l i g h tf o rl a r g el c d - t v w i t ht h eh o p eo f e s t a b l i s h i n gt h ef o u d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t t h ep r e s e n ts i t u a t i o ni nt h ew h o l ew o r l da n dt e c h n i c a ls u p e r i o r i t yo ft h ew i d e c o l o rg a m u ta n ds e l f - a d j u s t i n gl e db a c k l i g h ta r cd e s c r i b e d t h ep r i n c i p l ea n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h el e da r ei n t r o d u c e d t h et h e o r yo ft h ei i g h t , v i s i o na n dc h r o m a i sa l s op r e s e n t e d ，w h i c hi sv e r yi m p o r t a n ti nt h ep r o c e s so f d e v i s i n gl e db a c k l i g h t o p t i c a lc a l c u l a t i o na n ds o f t w a r ee m u l a t i o na r ea c c o m p l i s h e di n t h i sp a p e r ，t h e f o r m e ri st oc a l c u l a t et h ea m o u ro ff l u xa n de n e r g yf o re a c hc o l o rl e d ，c o n s i d e r i n g t h ei n f l u e n c eo ft h el c d - p a n e l ，o p t i c a lf i l m sa n dt e m p e r a t u r e ；t h el a t t e ri st o d e t e r m i n et h ei n f l u e n c eo ft h ed i s t a n c e ，w h i c hb e t w e e nl e d sa n do p t i c a lf i l m sa n d b e t w e e nt h el e d - a r r a yu n i t s ，t ot h eb r i g h t n e s su n i f o r m i t y i no r d e rt oo b t a i ns t a b l e a n de x a c ta m o u n tl i g h to u t p u t ，l e dd r i v e rc i r c u i ta n dc o l o rc o n t r o lc i r c u i ta r ea l s o d e v i s e d c o l o rc o n t r o lc i r c u i tc a np r o v i d et h r e ec h a n n e lp w ms i g n a l s ，w h o s ed u t y w i l lv a r ya c c o r d i n gt ot h eb r i g h t n e s sa n dc o l o rc o o r d i n a t e ，f o rl e dd r i v e rc i r c u i t t h ec o m b i n a t i o no fl e dd r i v e rc i r c u i ta n dc o l o rc o n t r o lc i r c u i tn o to n l yc a na d j u s t t h ew h i t ec o l o rp o i n t ，b u ta l s om a k e st h el e db a c k l i g h ts e l f - a d j u s t i n gb e c o m e f e a s i b l e p m um a k e st h ep o w e rs u p p l ys y s t e mb e c o m ev e r ye a s y ，j u s tn e e do n l yo n e 宽也域e l 适心l e d 背光源州究 c h a n n e lp o w e ri n p u t p m uc a l lc o n v e a2 4 vt o5 v ，2 0 va n d2 9 v ，w h i c ha r e i n d i s p e n s a b l ef o re n t i r es y s t e m i no r d e rt oe n h a n c et h er e l i a b i l i t ya n dr e d u c et h e e m io f t h es y s t e m ，h e a td i s s i p a t i o na n de m ca r ea l s od e s i g n e d t h ep r o c e s so fe s t a b l i s h i n gt h ed e m ou n i to ft h el e db a c k l i g h ti su n d e rt h e g u i d e n c eo ft h et h e o r y t h er e s u l to ft h i sp a p e rn o to n l yh a sp r o v e dt h ev e r a c i t yo f t h es o f t w a r ee m u l a t i o na n dt h ei m p o r t a n c eo ft h ea c a d e m i ca n a l y s i s , b u ta l s oh a s p r o v i d e daf o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fl a r g el c d - t v k e yw o r d s ：l e db a c k l i g h t ；l c d ；d r i v ea n dc o n t r o lc i r c u i t ；h e a td i s s i p a t i o n ；e m c 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼! 垫翌直墓丝盂蔓挂型童塑 曲：查拦豆窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：歌侄 朝签字同期：伽7 年f 月f 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：歌街朝 签字同期：硼年f 月f 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签字： 签字日期：年月日 电话： 邮编： 宽心域自适j hl e d 背光源埘究 l f l u 吾 1 1 课题提出的背景 液晶显示器件( l c d ) 本身不能发光，它靠调制外界光达到显示目的。现有 l c d 大多是透射型的，背光源是其不可或缺的组成部分。传统的液晶显示设备 大都采用冷阴极荧光灯( c c f l ) 作为背光源。随着发光二极管( l e d ) 芯片制 造技术和封装技术取得重大进展，亮度逐渐提高，色域不断拓展，它已成为小型 便携式液晶显示设备( 比如手机、m p 4 、p d a 等) 最重要的部件之一l e d 背 光源在中大尺寸液晶显示设备的应用量虽然不大，但也讵在悄悄的取代c c f l ， 可望在未来成为中大尺寸l c d 的主要背光源。 近几年来已经丌发出了能够制造白光l e d 的理化过程和工艺技术，为实现 各种颜色l e d 背光源产品提供了可靠保证。高亮度l e d 晶片、导光板成型技术、 光学薄膜( 反射膜、散射膜、增亮膜) 等制作技术的发展，加上不断创新的l e d 背光模组光学系统设计，以及l e d 背光市场的巨大需求大大推动了l e d 背光源 技术水平向前发展。日本的s o n y 公司2 0 0 4 年开始兜售世界上第一台4 6 英寸的 l e d 背光l c d t v ( q u a l i a 0 0 5 ) ，把液晶电视的色域范围扩展到1 0 5 n t s c ， 解决了l c d 色饱和度不够的致命缺点，打破l e d 在l c d 背光源发展上由小尺 寸循序发展的状况，使l e d 在背光源市场上有了更快速而且多元化的发展。在 美国波士顿召开s i d 2 0 0 5 ( 显示信息学会2 0 0 5 年会) 上，三星、l g 、飞利浦等公 司都发布了在l e d 背光领域的最新发展，加快了l e d 背光技术走上真正的实用 化。i l 】脚在国际消费电子博览会- 2 0 0 6s i n o c e s ，上，夏新展出了国内第一台l e d 背光液晶电视，将对未来中国液晶电视产业的技术发展和竞争格局产生深远的影 响。虽然如此，基于l e d 背光的液晶电视还未走上产业化的道路，这主要是苦 于背光模组的价格和动耗。为了降低l c d t v 的功耗，并同时拓展色域、提高 动态对比度，动态调整l e d 背光源色彩和亮度的技术提案应运而生。这种技术 在国际国内都处于刚刚起步的阶段，由于它广阔的技术优势和应用| ；i 景，也成为 我国“十血”期问8 6 3 重点攻关课题。 1 2l e d 背光源的技术优势 目自i 应用较普遍的背光源有c c f l 和近白光发光二极管，近白光发光二极管 宽也域白适内l e d 背光源埘宠 属p n 结半导体固体发光元件，利用i n g a n 发光元件发出的蓝光激发周围的黄 光荧光体涂层，从而产生黄光。由于黄光与蓝光互为补色，因而显示出接近白色 的光。近白光l e d 光源通过调整黄色荧光物质的涂层量来获得不同的色度，并 以此控制色度的范围。由于没有独立的r g b 光源，近白光l e d 光源的颜色纯度 比c c f l 低，在低温时的发光效率虽高，但随着温度的上升发光效率会衰减。近 白光l e d 背光源虽然已广泛应用于小型便携式液晶显示设备，但其色域范围只 能达到3 0 n t s c ，即使调整液晶屏的色度，最高也只能达到n t s c 色域的5 5 ，无法满足液晶电视和视频手机的要求。r g b l e d 独立光源的背光源( 下文 称为“l e d 背光源”) 就弥补了这种不足。 l e d 背光源较传统的c c f l 背光源主要有以下技术优势1 1 【5 】【9 】【2 6 】【2 7 】： ( 1 ) c c f l 作为背光源，色还原性差，色域范围只有7 5 n t s c ，而l e d 可把色域范围扩展到1 0 5 n t s c ，基本可以重现观察到的自然场景。 ( 2 ) l e d 使用的是6 2 4 v 的低压电源，十分安全，供电模块的设计也颇 为简单。 ( 3 ) l e d 的使用寿命十万小时，既便每天使用1 0 小时，也可以连续使用 2 7 年，且在漫长的时间内可维持出色的亮度，而不会在几年以后就出现诸如屏 幕发黄、变暗的问题。 ( 4 ) 离亮度，而且可以在寿命范围内实现稳定的亮度和色彩表现。 ( 5 ) 可以调整的背光白平衡，同时保证整体反差。当用户的视频源在计算 机和d v d 机问切换时，可以轻松在9 6 0 0 k 和6 5 0 0 k 问调整白平衡，而且不会 牺牲亮度和反差。 ( 6 ) 实时色彩管理。由于红绿蓝3 色独立发光，很容易精确控制晷前的显 示色彩特性。 ( 7 ) 低动态场景的人工痕迹，不会牺牲亮度和寿命。因为传统c c f l 灯管 的闪烁发光频率较低，表现动态场景可能产生画面跳动。l e d 背光可以灵活调 整发光频率，而上上频率j ：i 高于c c f l 因此能完美地旱现运动i 哪而。 ( 8 ) i 复诚汜! ；1 匹 ，、。史j 地l e d 山二 - 、矧月f h 容 苈，不伢：c c f l 的 ：甑乞 度存n i 个门槛。l 六i 此，无论裨：叫亮的户外珏足全黑的室内，用户都锻容易把娃 示殴衔n 0 亮度凋整到最悦 的状态， 2 宽心域臼适心l e d 背光源埘究 ( 9 ) 使h j 温度范幽广、低电压、蜊冲。打。凼为采川了l 嗣念发光器f l ：，l e d 背光源没钉矫7c 的部件，对川：境的适应能力非常强。 ( 1 0 ) 低i u 磁辐射。l e d 觅源没订侄何射线 “尘，也没仃水锹之类的了丁i 母 物质町谓魁绿色环保光源。 ( 1 1 ) l c d 要4 ：断的j r ，关柬娃示影像存任漏光，而c c f l 光源永远足j i ： 着的，这就使得对比度比较筹，并且产q i 残影的问题：l e d 可以解决这个| 口j 题 在区域控制方面做的很好。 ( 1 2 ) 液晶显示器件可以通过瞬间背光闪烁和扫描技术【擒，消除普通液晶 显示在显示快速移动物体时出现的拖尾模糊现象，画面质量将显著提升，l e d 纳秒量级的响应速度为上述技术的实现提供了坚实的保证。 1 。3l e d 背光模组简介 l e d 背光源的工艺过程是将l e d 点光源转化为发光均匀的面光源，根据光 源分布位置的不同分为边光式和直下式两种。 1 3 1 边光式l e d 背光源 边光式背光源中r g bl e d 分布在导光板侧面，其结构较紧凑。其中一种结 构如图1 1 所示。 哟u m 割导光扳 图1 1 边光式l e d 背光源结构 副导光板的作用是将r g bl e d 入射光( t i r ) 进行耦合，形成的白光进入 主导光板。在主导光板光线射出面上有一层散射膜，主要作用为修币光行进的角 度，可使射出光线更加均匀。为了修f 出射光指向的一致性，可以在正面增加一 层增亮膜( b e f ) 。导光板是边光式l e d 背光模组的重要部件，入射光的损耗主 宽也域白适盹l e d 背光源埘究 要发生在导光板材料对光的吸收上。实验证明聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 是目 前最理想的导光板材料t i r 的损耗几乎为0 。导光板扩散点的设计一般距光源 距离从疏到密。边光式背光源由于发光区域受到限制，当模组尺寸超出一定范嗣 时，出射光均匀性将大大降低。另外，由于边光式背光模组主要采用光多次交叉 反射来达到混光的目的，也使得光利用率也比较低。 1 3 2 直下式l e d 背光源 边光式l e d 背光源应用在中大尺寸的l c d 上时，导光板重量和成本会随着 尺寸增加而增加，并且发光亮度和均匀性不很理想，而直下式l e d 背光源表现 则比较好。直下式背光源工艺相对简单，不需要导光板，是将光源( l e d 晶片 阵列) 及p c b 置于背光源底部，光线从l e d 射出后，通过底部的反射膜，再通 过表面的散射板、增亮膜均匀地射出。在底部光源有一层含有散射剂的导光胶， 导光胶厚度视腔体高度和导光胶特性而定，主要起两点作用：( 1 ) 提高亮度均匀 性；( 2 ) 保护l e d 晶片，提高可靠性。背光源的厚度主要由反射膜与敖射板之 间的腔体高度决定。理论上在符合安装要求及发光亮度的前提下，腔体高度越大， 光线从散射板射出的均匀性越好。直下式l e d 背光源的结构如图1 2 所示。直 下式背光源技术关键是控制亮度均匀性，并提高光利用率。散射膜与l e d 光源 之间预留一定的空间，提高亮度均匀性，故直下式背光源的厚度较厚。因光源数 量、发光亮度和功耗均大于边光式背光源。l e d 管芯工作状态下释放出的热能 集中在腔体内，在大面积、高亮度的l e d 背光产品设计时，应考虑模块散热装 置。 幽1 2 直f 式l e d 背光游结构 1 4 本文的主要研究工作 4 宜也域自适hl i e d 背光源州究 本文通过建立2 6 英寸l c d - t v 背光单元模型对中大尺寸的宽色域自适应 l e d 背光源进行了较为深入细敛的研究主要包括：l e d 背光源的光学计算、 光学分析干f 软件仿真背光横组的驰动电路、色彩控制i u 路及电源管理屯路的设 计，l e d 背光源自适应亮度控制算法和亮度补偿算法设计电磁兼容设计和散 热设计。 本文内容分为五章安排如下： 第一章概述本课题提出的背景分析了宽色域自适应l e d 背光源的技术优 势并简要介绍了l e d 背光模组的结构。 第二章论述了l e d 发光机理和特性，包括了其发光特性和电学特性。 第三章是光、视觉和色度学理论，它是设计l e d 背光模组必不可少的光学 基础理论。 第四章是本文的核心部分，包括了l e d 背光模组的光学计算、光学分析和 软件仿真l e d 背光模组的驱动电路设计，色彩控制电路的硬件和软件设计， 电源管理电路设计，l e d 背光源自适应亮度控制算法和亮度补偿算法设计，电 磁兼容设计和散热设计。 第五章对全文进行总结并对下一步的工作进行展望。 宽心域自适盹l e d 背光i 耀m 究 2l e d 发光机理及特性 2 1l e d 发光机理 l e d 是一种固态的半导体发光器件，其实质性结构是半导体p n 结，在半 导体p n 结通以正向电流时注入少数载流子，少数载流子发光复合就是发光二 极管的发光机理。发光二极管的发光机理可以用p n 结的能带结构来做解释。 制作发光二极管的半导体材料是重掺杂的。热平衡状态下的n 区有很多迁移率 很高的电子，p 区有较多的迁移率较低的空穴，由于p n 结阻挡层的限制，在常 态下，二者不能发生自然复合；而当给p - n 结加以正向电压时，由于外加电场 方向与势垒区的自建电场方向相反，因此势垒高度降低，势垒区宽度变窄，破坏 了p - n 动态平衡，产生少数载流子的电注入。空穴从p 区注入n 区，同样电子 从n 区注入到p 区。注入的少数载流子将同该区的多数载流子复合，不断的将 多余的能量以光的形式辐射出去。所发出光的颜色是由形成p - n 结的材料决定。 2 2l e d 特性 2 2 1 光谱特性 p n 结辐射光的波长决定于材料的禁带宽度k ，即 五= 1 2 4 ，册乱炬f ( 公式2 1 ) 由于不同材料的禁带宽度不同，所以由不同材料制成的发光二极管可发出不 同波长的光，不同材料的l e d 发光光谱如图2 1 所示。发光二极管所发出的光 虽然不是纯单色光，但是它的谱线宽度都比其他光源所发出光的谱线窄。例如， 砷化镓发光二极管的谱线宽度只有2 5 r i m 。因此，可以认为是单色光。 o 1 o 0 8 0 6 0 4 ( 2 0 2 0j 9 0 i ：j1 ：j ，i ，? j7 ，1 0 w a v e l e n c l l l ii i r l t j 幽2 1l e d 发光光谱分布 6 kw誊。艮|e扫笛(jm莓芷 宽也域白适脚l e d 背光源州究 2 2 2 伏安特性 l e d 伏安特性与p n 结伏安特性相同，如图2 2 所示，包括乖向死区、工作 区、反向死区和击穿i 盖1 4 。 i 。 i ， 璩j 。 | 仁赢二 1 1 啦 r u 正冉魃j 。 开启电压 豳2 2 l e d 伏安特性 当外加正向电压小于丌启电压时，克服不了势垒电场，p - n 结呈现较大的电 阻，正向电流很小。发光二极管的开启电压随所用材料的不同而不同。g a a s 为 1 v ，红色g a a s p 为1 2 v ，g a p 为1 8 v ，g a n 为2 5 v 。当外加电压超过丌 启电压时，克服了势垒电场，使正向电流迅速增大，注入的空穴和电子大量复合 而发光，此时的电流与电压的关系可用下式表示： ，= l ( e x p 嘉_ 1 ) ( 公式2 2 ) 式中，v a 为施加在p - n 结上的正向电压；1 3 为系数，对于扩散电流其值为1 ，对 于空间电荷层内的复合电流其值为2 ；k 为玻尔兹曼常数，其值为1 3 8 x 1 0 - 2 3 焦 开；t 为绝对温度；i o 为反向饱和电流，与载流子的浓度、扩散情况、温度等因 素有关，当p - n 结制成以后，它是一个只与温度有关的系数，其单位为安培。 2 2 3l e d 光强度、光通量与电流的关系特性 l e d 属于电流控制型半导体器件，其发光亮度l ( 单位：c d m 2 ) 与f 向电 流b 近似成正比，即 l = k i ，( 公式2 3 ) 式中k 为比例系数。因此可以通过调节流过l e d 的电流来控制l e d 的亮度。 宽也域白适心l e d 背光源究 图2 3 和图2 4 分别为l e d 光强度、光通量与电流的关系曲线。 王 茸 皇 r j = z n t a n s it yy f o r w a r dc u r r a n t 0 1 0 0 2 9 03 0 04 0 0 i l ) 幽2 3l e d 光强度与电流的关系曲线 t o t a l1 b u x y c , r w m - dc u r r e n t ， ， 0 1 0 0 2 0 0 3 0 04 0 0 i f ) 圈2 4l e d 光通量与电流的关系曲线 2 2 4l e d 温度特性 一般来讲，l e d 发光电流、发光效率、光输出量都与温度有重要的关系， 图2 5 是l e d 发光电流与温度的关系曲线，在偏置电压不变的情况下，p - n 结温 度升高到一定程度后，电流将变小，发光亮度也减弱。图2 6 是蓝光、绿光和白 光l e d 的光输出量和p - n 结温度的关系曲线。从g 中可以看到l e d j 光量会随 温度的升高而下降。另外l e d 温度的升高还会增加功耗，并且大大降低l e d 的 有效寿命，因此做好l e d 背光模组的散热设计是重要的。与p n 温度密切相关 鑫| 撇 薹毫 撕 舢 m 如 o 9 8 7 6 5 t 3 2 l 0 宓也域自适j 通l e d 背光源埘究 的因素主要有：环境温度、电流强度、l e d 内外的散热材料。 g 名 9 君 一 嚼 = f = - = 五 巧 t 5 “- c 幽2 5l e d 发光电流与温度的芙系曲线 吨0 02 0 如印1 0 0l y m ：t i t - t 口c c ) 一r e j c l b l u t 一w h i t e 图2 6l e d 光输出量与温度的关系曲线 2 2 5l e d 时间响应特性 l e d 的时间响应特性是指l e d 随电信号变化启亮和熄灭的延迟特性，由响 应时间来描述。响应时间包括上升时间和下降时间，上升时间是从接通电源使 l e d 的发光亮度达到正常的9 0 所经历的时间；下降时间取决于载流子寿命， 与流过管子的电流的大小无关。 在图2 7 中t o 为滞后时间，其值很小，可以忽略。不同种类的l e d 的响应 时间是不同的，即使是同类的l e d ，其响应时问也有差别，最短的仅有几个n s 。 9 ， h 釉 加 宽也域臼适心l e d 背光源州究 0 1 0 0 姒 i d l 0 幽2 7l e d 时间响应特性 o 宽也域白适应l e d 背光源圳究 3 光、视觉及色度学理论 3 1 可见光谱 光是一定波长范围的电磁辐射。电磁辐射的范围很广，最短的比如宇宙射线 只有千兆兆分之几米( 1 0 - 5 1 0 - 4 m ) ，晟长的比如交流电，其波长可达数千公罩。 在这么广的电磁辐射范围内，只有波长为3 8 0 n m 7 8 0 n m 的电磁辐射能引起人的 视觉，将这一部分称为可见光谱。在可见光谱中，不同的波长辐射引起人的不同 颜色感觉，波长最短的是紫光，稍长的是蓝光，以后的顺序是青光、绿光、黄光、 橙光和红光，红光的波长最长，光的颜色取决于进入人眼的可见光谱不同波长辐 射的相对功率分稚。图3 1 是电磁光谱大致的波长范卧4 】啊。表3 1 列出了不同色 觉的波长范围。在辐射能量相同的情况下，不同颜色的光给人的亮度感觉也不同， 也就是人眼对不同颜色的光的灵敏度不同，人眼的这种感觉特性可以用曲线表示 出来，如图3 2 所示，称为眼睛的光谱相对灵敏度曲线，通常叫它光谱效率函数 曲线，用v ( 九) 表示。 紫譬绿董红 l d l 口nl 口 1 0 1 旷l 矿l 泸1 01 0 2 1 0 卜 图3 1 电磁光谱 宽也域白适j 越l e d 背光源州究 表3 1 各种颜色光的波长范罔 光的颜色 人致波k 范甬( 1 l m ) 红光7 6 3 6 3 0 榜光 6 3 0 6 0 0 黄光6 0 0 5 7 0 绿光5 7 0 5 0 0 青光 5 0 0 4 5 0 监光4 5 0 4 3 0 紫光4 3 0 4 0 0 f、 ， | ， j ， | 。 曩 视觉 男视觉 | 。 l 、 ， 、 | i | ， ， 剐伽4 6 05 0 05 6 , 05 8 06 , 2 0 哺ut 0 0 4 0 6 脯) 图3 2 光谱光效率函数曲线 由于眼睛对强光和弱光的视觉过程是由两种不同的视觉细胞来完成的，这两 种感光细胞的光谱响应特性是不同的，因此光谱光效率函数曲线表现为两条曲 线。 3 2 视觉生理基础 眼球是最先接收到外界光信息的部位，图3 3 是眼球的截面图。眼球为2 4 m m 的球状体，光线通过瞳7 l 射入跟球内，再经过晶状体在位于限球后部内侧的视网 膜上成像。角膜、晶状体、玻璃体的作用就是使外界物体成像在视列膜上，对光 的强弱和颜色没有感知。视网膜是人眼的感光系统。视网膜中，把光变换为电信 号是出视细胞( 感光细胞) 来完成的，它又分为锥体( c o n e ) 细胞与十丁体( r o d ) m g 8 t 6 5 4 3 2 l o *簌鬟裂蛐装盔* 宽乜域臼适 遁l e d 背光源m 究 细胞两类被转换的信号通过双极细胞传达到神经节细胞，再经许多细长的视神 经集中n - 头出，由此引出眼球，向大脑延伸。 幽3 3 服球结构 因为人眼的两种感光细胞( 锥体细胞和杆体细胞) 具有不同的视觉功能，所 以在外界的光亮度变化时，有不同的视觉规律。在光亮条件下，人眼的锥体细胞 起主导作用，称为锥体细胞视觉，也叫明视觉。在明视觉条件下，锥体细胞能分 辨物体的颜色和细节。在光暗条件下，人限的杆体细胞起主导作用，也叫暗视觉。 在暗视觉条件下，杆体细胞能感受微光的刺激，但不能分辨颜色和细节。在明视 觉与暗视觉之间的亮度水平下，称为中间视觉，这时既有锥体细胞参加又有杆体 细胞参加共同起作用。正是由于人眼具有明视觉和暗视觉二重功能，使得光谱光 效率函数曲线也有两种，正如图2 2 所示。 3 3 颜色视觉 3 3 1 人眼的三原色响应理论 人眼色觉的确切机制还不得而知，但是，已经确定色觉的响应是受人眼和大 脑共同支配的。扬一赫姆霍尔兹三色学说是根据红、绿、蓝可以混合出各种不同 色彩颜色的混合规律，假设入眼视网膜上有三种神经纤维，每种神经纤维的兴奋 都引起一种原色的感觉。光作用于视网膜上虽然能同时引起三种纤维的兴奋，但 波长不同，引起三种纤维的兴奋程度不同，人眼就产生不同的颜色感觉。例如长 波段的光同时刺激“红”、“绿”、“蓝”三种纤维，但是“红”纤维的兴奋最强烈， 因此有红色感觉。光刺激同时引起三种纤维强烈兴奋，且兴奋程度相同就会产生 白色感觉。对光谱的每一波长，三种纤维都有其特有的兴奋水平，三种纤维不同 宽心域臼适心l e d 背光源州究 程度的同时活动就产生了相应的颜色感觉，总亮度感觉为三种纤维中每种纤维提 供的亮度感觉之和。 通过多年的研究证实人眼视列膜上确实含有三种不同类型的锥体细胞，这三 种锥体细胞中分别含有三种不同的视色素。通过不同的实验方法测得这三种不同 光谱敏感性的视色素的光谱吸收峰值分别约在4 4 0 4 5 0 n m 、5 3 0 5 4 0 n m 、5 6 0 5 7 0 n m 处，分别称这三种视色素为亲蓝、亲绿、亲红视色素。外界光辐射进入人 眼时被三种锥体细胞按它们各自的吸收特性所吸收，细胞色素吸收光子后引起光 化学反应，视色素被分解漂白，同时触发生物能，引起神经冲动，将视觉信息通 过双极细胞和神经节细胞传至神经中枢。视色素的漂白程度以及产生的生物能的 大小与此类锥体细胞吸收的光子数量有关，光子数越多，则漂白程度越高。人眼 对各种色彩的感觉，就是不同的光辐射对三种色素不同程度的漂白的综合结果。 人眼的明暗感觉则是三种锥体细胞提供的亮度之和。实验证明，杆体细胞只有一 种，它含有视紫红色素，人们已经将它提取出来，并测定其吸收曲线，吸收峰值 在5 0 0 r i m 左右。曲线形状与人的暗视觉光谱光视效率曲线十分一致。暗视觉条 件下只有杆体细胞起作用，仅有视紫红色素吸收光子，所以暗视觉时不能分辨颜 色，只有明亮感觉。三色学说很好地解释了各种颜色的混合现象。 3 3 2 颜色视觉 颜色可分为彩色和非彩色两类。非彩色指白色、黑色和各种深浅不同的灰色 组成的系列，称为白黑系列。当物体表面对可见光谱所有波长反射比都在8 0 9 0 以上时，该物体为白色；其反射比均在4 以下时，该物体为黑色；介于两 者之间的是不同程度的灰色。纯白色的反射比应为1 0 0 ，纯黑色的反射比应为 0 。在现实生活中没有纯白、纯黑的物体。对发光物体来说，白黑的变化相当于 白光的亮度变化，亮度高时人眼感到是白色，亮度低时感到是灰色，无光是黑色。 非彩色只有明亮度的差异。 彩色足指白黑系列以外的各种颜色。彩色有三种特性：明度、色调、饱和度。 明度是明度是人眼对物体的明暗的感觉。发光物体的亮度越高，则明度越高：非 发光物体的反射比越高，明度越高。色调为彩色彼此相互区分的特性，即红、黄、 绿、蓝等。不同波长的单色光具有不同的色调。发光物体的色调取决于它的光辐 射的光谱组成。非发光物体的色调取决于照明光源的光谱组成和物体本身的光谱 4 宽心域臼适i f , l e d 背光源研究 反射( 透射) 的特性。饱和度是指彩色的纯洁性。可见光谱中的各种单色光是最 饱和的彩色。物体颜色的饱和度取决于物体反射( 透射) 特性。如果物体发光或 者反射光的光谱比较窄，它的饱和度就高。 3 4 色度学基础理论 3 4 1 色度检测基础 色度检测学是光辐射的检测方法，其光辐射的波长介于3 8 0 n m 与7 8 0 n m 之 间，即在可见光范围内；辐射计量学也是一种光辐射测量方法，但其光波长范围 更广，包含了紫外线、可见光和红外线。下面仅介绍光度计量及其单位。 3 4 1 1 光通量与发光效率 辐射体在给定时自j 内所辐射的能量称为辐射能，其单位是焦耳。辐射体在单 位时间内发出或通过一定截面的辐射能量称为辐射通量，又被称为辐射功率，单 位为瓦( w ) ，用p 表示。辐射可能由各种波长组成，每种波长的辐射通量又可 能各不相同，是波长的函数，用p 。表示。假设在极窄的波长范围d 内所辐射 的通量为办则 只= 鲁 总的辐射通量为 p = h d x ( 公式3 1 ) ( 公式3 2 ) 光通量( l u m i n o u sf l u x ) 是最基本的光学计量，它是辐射体在单位时间内 发出的并为人的视觉系统所感受到的那部分光辐射能，用巾表示，单位为流明 ( h n ) 。对于波长为九的单色光，其光通量为 妒= 尸，吖a ，( 公式3 3 ) 对于极窄波长范围的光，其光通量为 d 庐- _ - - p ；吖_ j d ( 公式3 4 ) 总的光通量为 巾= 只v ( x ) d x 总光通量和总辐射通量的关系为 宽也域臼适心l e d 背光源州究 中 k = i = 尸 ( 公式3 6 ) k 称为辐射体光视教能，或称为发光效率，单位为1 1 1 1 w ，表示辐射体消耗i w 功率所发出的光通量。 3 4 1 2 光照度 照度( 1 l l u m i n a n c e ) e 定义为每单位面积所接收的光通量，单位是i x ( 1 m m z ) 。 e ：塑( 公式3 7 ) 删 3 4 1 3 发光强度 与测试距离相比，光源的大小可以忽略不计时，把某个点光源所发出的光， 通过单位立体角的光通量称为发光强度( 1 u m i n o u si n t e n s i t y ) ，其中立体角( s o l i d a n g l e ) q 定义为一面积a 投影在半径为r 的球面上的面积a p 除以r 的平方( 如 图3 4 所示) ，单位是s r ，若面积为整个球面廿寸，立体角为4 s r 。 q ：生： n 2a r c 0 2 s 0 发光强度的单位为坎 德拉】( e d - - - - l m s r ) j ：业 d q ( 公式3 8 ) ( 公式3 9 ) 幽3 4 立体角的定义 3 4 1 4 亮度 把单位面积光源的发光强度称为亮度( l u m i n a n c e ) ，即把从光源面向某方向 的发光强度i 除以在该方向光源面的币投影面积的值( 如图3 5 所示) 。 埘一 董i 弦 宽也域臼适应l e d 背光源研究 幽 削3 5 亮度的定义 硼) = 盎，濮中d a p = d g 咖。 ( 公乱l o ) 0 是观察方向与发光面方向的央角。亮度的单位是1 1 i t ( c a m 2 ) 。 3 4 2 混色理论 3 4 2 1 混色 在混色系中，以最单纯的形式表示颜色。对于任意的色光，均可以通过三种 刺激光的混和而得到与其完全相同的等色，那时它就能够利用三种光刺激的混和 量去表示。在由若干个光源发出的光进行混色的场合，有两种混色方法。其一是 加色混和( a d d i t i v ec o l o rm i x t u r e ) ，即当参与混和的光成分增加时，混和后的颜 色亮度也随之按加法计算得到增加。另一种为减色混和( s u b j e c t i v ec o l o r m i x t u r e ) ，即通过滤色器把色素等重复进行混色的场合，由于滤色器和色素的重 合而使光减少。这里仅就作为c i e 的x y z 表色体系基础的加色混和做一些介绍。 任意色的光都可以由三种颜色的光刺激经混和得到。若设某种色光为c l ， 它是由三种色刺激r 、g 、b 经适当混和后得到相等的颜色，可把这种关系写成 下式： ( c r ) = ( 月) + ( g ) + ( 占) f 公式3 11 ) 该式称为等色式。式中，括号( ) 代表色刺激。把适当调节三种色刺激的强度从 而得到与某种色彩相等的颜色的过程，称为等色。 在加色混和的场合，已经知道下述的比例法则、加法法则、结合法则均成立， 宽也域 j 适j ql e d 背光源圳究 将它们通称为格拉斯曼的第3 法则。 比例法则当色光( c 1 ) ，( c 2 ) 为等色时，将两种色光的强度a 倍后。 依然足等色。即有 若( c j ) = ( c 2 ) ，则口( c 1 ) = 口( c 2 ) ( 公式3 1 2 ) 加法法则若色光( c i ) ，( c 2 ) 与色光( c 3 ) ，( c 4 ) 分别为等色时，则 它们各自相加所得的色光也为等色。即 若( c i ) = ( c 2 ) ，( g ) = ( c 4 ) 时，则有( c i ) + ( g ) = ( c 2 ) + ( c 4 ) ( 公式3 1 3 ) 结合法则把互为等色的两种色光的一方，用与该色光相等的其他色光 代替后的等色式仍成立。即 当( c o - - ( c ：) ，( c 2 ) = ( g ) 时，则有( c j ) = ( g ) ( 公式3 1 4 ) 在等色式中，对色光的数量进行增减，追加或减少新的色光，和一般的代数 式运算方法相同，是非常方便的。 假如对某色光( c i ) ，是由三种色刺激( r ) ，( g ) ，( b ) 混和等色而成，这 时可将三种色刺激( r ) ，( g ) ，( b ) 的混和量分别设为r ，g ，b ，在等色式如 下： ( g ) = r ( 足) + g ( g ) 十b ( 曰) ( 公式3 1 5 ) 在混色系的表色体系中，可以利用这些混和量( r ，g ，b ) 来表示某种色光。 但是，混和量r ，g ，b