发展多色LED背光模组的补色与调光课题.doc

发展多色LED背光模组的补色与调光课题 点击数： 102009-5-13 16:08:02前言 与所有的产品一样，在面对创新技术之后，接踵而来的是一连串的课题与困难需要去克服，尤其对于液晶面板用LED背光来说，在提供消费者享受高画质、高显示能力之前，需要解决的不仅仅是电路的问题，包括光学、散热，甚至于LED本身等等都是需要考虑的。当然这些问题都是众所周知的，也是长久以来被业界所经常讨论，以下将针对液晶面板用LED背光的色彩表现问题方面，进行一些讨论。 2007年年初，Sony在美国发表了一款耗功仅有200W的70吋LED背光液晶电视，在这款电视的背光模组中，Sony只使用了450颗的3原色LED，并且根据Sony的讯息，这款新产品经上市后，目前呈现供不应求的状态。回顾2004年，Sony曾经发表一样使用450颗的3原色LED，但是耗功高达450W的Qualia 005背光模组，在包括散热、电力消耗、色均匀度控制等等的整个技术上，都已经获的得突破性的发展。 图说：Sony在2007年发表了耗功仅有200W的70吋LED背光液晶电视，这款电视的背光模组，Sony只使用了450颗的3原色LED。 除了Sony之外，三菱电机更开发出了6色LED的背光模组，观看后的人士都表示，这样的显示品质已经可以媲美喷墨印表机了。三菱电机开发6色LED的构想是，虽然LED背光可以扩大液晶面板的色域表现，但是美中不足的是，因为3色LED在蓝绿（cyan）色系部分的表现还是有一些缺憾，因此三菱电机增加了三种波长相异的LED来满足红蓝绿3色的显示缺失。在色表现度方面，根据三菱电机的资料，这款6色LED背光模组所能表现的色域高达Munsell Color Cascade的80.62，这可以涵盖了绝大部分自然界的物体颜色。 图说：三菱电机增加了3种波长相异的LED来满足红蓝绿3色的显示缺失，根据三菱电机的资料，这款6色LED背光模组所能表现的色域高达Munsell Color Cascade的80.62，这可以涵盖了绝大部分自然界的物体颜色。取得一个最佳的点灯均衡机制 当然，就对于多色的LED背光模组来说，首先必须面对的就是点灯的问题，如何在点亮3色、4色甚至于6色的峰值波长之间，取得一个最佳状态，所以目前在迈入LED背光的时代之后，Field Sequence技术也就成了面板业者必须学习的课程。採用多色LED背光模组另一个问题是，彩色滤光片的匹配，在这方面虽然，多色LED背光模组可以提供相当宽广的色域，但是如果採用适合的彩色滤光片，那麽整体的表现将会更上层楼。就以三菱电机6色LED背光模组为例，如果能够搭配6色的彩色滤光片，那麽所能够补强所有波长的缺失，使得整体的色彩波长表现达到相当性。多色LED衍生出的面板背光调光需求 针对液晶显示面板调光来说，虽然是不算新的问题和技术，从使用冷阴极管开始，就经常被讨论，但是对于调光的技术，在面板跨入多色LED背光的时代之后，就更为複杂。市场对于各种大小尺寸的液晶萤幕与液晶电视，不断的要求高精细、高质感的影像表现，但是基于液晶面板的先天特性，由于无法独立产生光源，因此对于背光的控制来说更为辛苦。 目前液晶面板很难达到所使用的每一颗LED都是具有相同的特性，也就是说寿命、波长、效能等等都一样，所以在这样的情况下，色彩与亮度的均一性（Uniformity）也就成了首要解决的任务。基本上LED在担任背光照明角色时，其发光的状态，以及动作特性上并不是都能够随时维持均一的稳定性，再加上温度的高低变化，更会直接造成LED波长改变，也就是说LED背光模组的辉度所产生的变化，会经由液晶面板表现出来，让使用者的眼睛直接感受到，如果液晶面板是应用在医疗仪器上的话，将更会带来严重性的影响。 图说：LED背光模组的辉度所产生的变化，如果是应用在医疗仪器上的话，将更会带来严重性的影响。LED背光模组已开始加入感光感测机制 所以目前，在LED背光模组部分已经有业者开始加入感光感测器，来随时侦测背光模组的辉度，并且达到调整模组亮度的目标。例如当LED模组内建的辉度值为450烛光米的时候，当背光模组的辉度急遽上升或下降时，感测器就能够立即感测到辉度已经超过设定值，并且会将相关讯号传送至控制机制，让辉度迅速上升或下降恢复到原先的预定值。虽然从辉度上升或下降、到异常感测、讯号回传、控制机制发挥作用，最后完成正常辉度值，在数秒之内完成所有的动作，但是对于液晶面板来说，已经可以说是能够维持一定的显示品质。就目前的技术而言，感光的感测器能够在1秒钟之内，完成10次以上的感测作业，如果更高阶的机制，更有能力在1秒钟之内瞬间完成辉度异常管理。 不过，并非单单仅依靠感光感测器就能够高枕无忧，因为感光的感测器如果经过长时间的运作之后，还是会出现一定程度的误判，导致LED背光模组的辉度出现过高或过低的情况，所以已经有业者针对这项的缺失，展开自我诊断功能的技术开发工作。所谓的自我诊断功能，指的就是当背光模组辉度出现超过正负20时，控制机制能够自动启动，主动的命令背光模组调整LED电流量来导正异常的辉度表现。 图说：感光的感测器能够在1秒钟之内，完成10次以上的感测作业，如果更高阶的机制，更有能力在1秒钟之内瞬间完成辉度异常管理。强化因为绿光缺失而开发的LED背光模组补色技术 那怕是号称可达到色域最广的LED背光模组，对于所表现出来的颜色也难以确信能够100完美。举例来说，最容易说明的就是显示萤幕上的颜色，永远无法与印刷油墨的颜色完全一致，但是因为大多的排版或图像设计作业都是依赖电脑完成，所以也会经常发现，设计出来最后所确认的颜色往往会与印刷成品有着一些差异，所以基本上无论是电脑用液晶监视器，或者使液晶电视，最低的色再现能力必需要能够符合Adobe RGB的规范。 就如前述，因为液晶监视器并非拥有自发光的能力，需要透过各式各样的零组件通力合作才能够完成显示的作业，因此对于所表现的颜色来说，每个零组件也扮演着相当重要的角色。 针对背光的部分来说，目前在光源的部分已经由冷阴极管逐渐朝向改用LED发展，因此现今市场上主流的光源就是由冷阴极管与LED分庭抗礼，当然这两种光源的基础不同，因此对于扩大色再现的方式也不尽相同。 对于冷阴极管来说，如果扩大冷阴极管色域，虽然不至于需要大幅度的改变背光模组的设计，但是却会对冷阴极管的寿命以及辉度带来某种程度的伤害。基本上来说，虽然有其最大色域范围表现的限制性，但是要达到扩大色再现并不複杂。但是，对于LED说，本身就具备相当大范围的色再现能力，但是由于发光效率比冷阴极管低，因此背光模组的整体结构就相当複杂。 基本上Adobe RGB的色标被规范为，红色（0.64，0.33）、绿色（0.21，0.71） 、蓝色（0.15，0.06），而冷阴极管的单色座标为，红色（0.65，0.33） 、绿色（0.29，0.62） 、蓝色（0.45，0.08）。 两者相较之下，只有绿色的部分有较大的差异，如果要补足这方面的落差，只能从萤光粉与彩色滤光膜片方面着手，但是改变萤光粉的使用，这会关係到冷阴极管的寿命与辉度，因此在这方面的开发就显的较为缓慢。 而对于LED来说，只要把绿光LED的主波长发展成为接近533nm，基本上就可以扩大色再现性的目标，但是这样的方式如果使用传统滤光片的话，会因为受到绿光短波长尾端漏光的影响，使得整体影像蓝色的部分会比较偏向绿色，所以必须进行微调以及改善彩色滤光片蓝色的部分来克服，来达到比较完善的，红色（0.679，0.309） 、绿色（0.205，0.705） 、蓝色（0.147，0.064）的色作标值。 此外在均一性的方面，当多色LED背光要获的白光时，就必须进行多色溷光的动作，如果溷色领域如果大于影像显示区域时，就必须增加背光模组的空间，这对于以轻薄为诉求的液晶面板来说，是一个考验性的问题。所以在这一方面，有些研发人员就善用了反射镜面，利用反射镜面将多色溷光后的白光反射到显示的区域。 图说：LED背光的绿光LED的主波长发展成为接近533nm，基本上就可以扩大色再现性的目标，但是这样的方式如果使用传统滤光片的话，会因为受到绿光短波长尾端漏光的影响，使得整体影像蓝色的部分会比较偏向绿色。ASF TFT液晶面板技术强化色补正能力 在色补正方面，目前新一代的ASF TFT液晶面板可以利用目标辉度与色度，可以针对LED光源进行调整，因此透过这些辉度与色度自动补正技术，达到画面能够稳定表现出辉度与色度。 就作法上，ASF TFT液晶面板是利用内建色彩感测器辉度与色度检测器，再将所获得的资料提供给控制电路，让控制电路判别预设值与实际值，并且改变RGB LED的发光强度。因为色彩感测器、色度检测器与控制电路，平均每秒都进行了数10次的修正，经过控制电路过程中的画面，由于对于色差或辉度的修正幅度都不至于太大，因此这些调整所出现的差异是使用者的眼睛所无法感受，因此对于使用者来说，整体的画面表现都是相当完美的。 当然，这样的色修补机制是需要相当度周边辅助电路与零组件来完成，虽然会因此增加了一些成本，但是对于画质的表现方面，却是有无价的成效。善用各项的散热机制来稳定LED波长表现 当然，如果採用LED做为背光源的话，那麽就不得不面对散热的问题。因为LED的发光波长，会因为温度的差异产生改变，再加上3色LED背光模组中的，蓝光和绿光LED使用的半导体材料，与红光LED并不相同，因此，所造成的温度变化係数也不一样，所以因为环境温度的变化，再加上点灯后LED本身温度的升高，会造成溷光后的白光，其辉度与色度不断出现变化，因此必须仰赖着最佳化热设计以及彩色感测器、温度感测器等机制，随时量测3色LED的温度和波长变化，并且将结果回传至控制电路，进行各项的散热机制，来达到稳定LED波长表现。 有关散热结构的设计，主要考量是LED的接点温度越低发光效率相对提高，辉度降低问题也变得比较缓和。目前LED的发光效率只有冷阴极灯管的一半左右，因此输入电力的8090变成热能，如何有效抑制LED的温升成为设计上重要的课题。此外再加上电路基板和其他相关组件佔去了模组的绝大空间，所以，散热问题与佈局的设计也就成了相当重要的一个课题。 虽然利用风扇可以达到均匀的散热效果，但是，因为随着面板尺寸的扩大，所使用的风扇数量也将随之增加，如此一来所数量庞大风扇所产生的噪音，将又会引发出现另外一个噪音。冷却风扇的取捨之间都是考量重点 液晶监视器如果设置冷却风扇进行强制空气冷却时，距离使用者50公分范围内冷却风扇的噪音非常吵杂，因此有些设计者採用传统自然空气冷却方式。设计概念是，首先利用热传导率非常优异的黏着剂，将LED固定在430mm X 310mm X 8mm铝质基板的中央部位上，铝质基板的背面设置高约35mm铝质散热鳍片，透过外壳（cabinet）与内部基座（chassis）通风孔的最佳化设计，使铝质基板与散热鳍片的热能可以迅速排放冷却。 此外，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）设置在光源的铝质模组（frame）内，背面再利用散热鳍片（heat sink）进行散热。 同样的，Sony也是利用