新时代的LED背光元件发展趋势
来源:行业动态 发布时间:2024-06-27 19:39:09 浏览量:1由于液晶面板的应用已从笔记型电脑,扩展到行动电话、汽车导航、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的色彩再现范围超过NTSC的色彩规格。
由于CCFL的先天特性导致没办法突破某些色彩障碍,使得在色彩表现方面,无法令消费者享受到类似大自然丰富艳丽的影像,尤其无法完美表现出鲜艳的红彩。
然而,因为追求高演色的目标,取代CCFL光源的技术也就陆续的被提出,其中,在被看好的莫过于利用多色led来作为背光源,其宽广的色域,已经吸引诸多业者的注重,也纷纷的投入相关开发。
目前, 大多显示器业者都使用冷阴极灯管作为显示器的光源,以及搭配RGB三原色作为阵列分布的彩色滤光片,一般而言,CCFL的色温大约在4800K左右,反映到色域表后,不难发现仅有NTSC规范的80%左右。
图一是CCFL的光谱及彩色滤光片的分布特性,从图中不难发现, 利用CCFL加上RGB三色的彩色滤光片, 在波长490nm与590nm附近色彩的表现能力比较差, 而出现一些经过彩色滤光片混色后色域较窄的问题。
当然这对于一般显示画面或应用,并不可能会出现太大的色彩问题或视觉感受变差, 但是在面对仪器量测的情况与特定色彩表现的环境下, 就能明显的比较出不纯辉线有subpeak的现象。尤其CCFL在对红光的表现更为薄弱,这是CCFL在色彩的表现上最难以满足严格要求的一点。
然而,对于以CCFL作为背光灯源,是存在特定的因素,而影响到色域的表现,但是未必是完全没有办法可想。能够准确的通过传统的三色彩色滤光片加以改良,来弥补此一缺陷。
▲图:CCFL背光的液晶显示器-三星 931C也能够达到97%NTSC的高色域
同样是使用CCFL作为背光灯源的模组基础下,奇美电子开发出了3款采用4色以上多色滤光片来作为色彩表现,分别是在原有的R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)3色上,增加了追加了Y(黄色)和C(青色)的5色滤光片的面板。在RGB基础上多出Y色(黄色)的4色彩色滤光片的面板,和在RGB3色基础上增加W(白色)的4色彩色滤光片的面板。
事实上,这样的设计,同样的扩大了色彩表现范围,以增加Y(黄色)和C(青色),及增加Y(黄色)的面板为例,其色彩表现范围与NTSC范围相较, 分别为115%和109%。而增加白色的彩色滤光片的目的仅为提高面板整体的亮度。当然,这是在原有光源的基础下,利用彩色滤光片来达到提升色域的目的, 但是终究由于先天的限制,无法大幅度的让色彩表现范围扩大, 或许还要从背光源方面做改变,才得以达到扩大色彩范围的目标。
以目前的技术与元件来看,相当适合的方式是利用LED作为背光源, 由于LED具有多波长的特性,可依照需求生产出独特的波长,及利用电路设计来完成亮度控制。
相对的,利用三色或多色的LED作为背光源, 在混色的表现上,就不会出现上述的一些部分色域窄化的问题, 图二是以三原色的LED作为背光,所反映出来的就比以CCFL来的较好, 尤其在红光的部分,能够得到很宽广的色再现范围, 也不会造成类似CCFL所出现不纯辉线的subpeak, 并让各原色的色纯度大大的提高。
此外,在色域的表现,更能够获得更大范围的表现。 下表是日本LEIZ所发表的三色LED背光模组,从表中就不难发现,其所表现的色度, 经过测试后,LEIZ背光模组可达到NTSC的100%色域。日本LEIZ在这模组上使用了40颗高亮度的三色LED,并且在模组两边设置了Heatsink,让三色LED在模组内进行混光, 提供LCD所需要的光源。
而SONY在2004年底,推出由R、G、 B三色LED作为背光源的液晶电视,让多色LED背光模组达到实用化的阶段, RGB三色LED表现出的色域超过CCFL的150%, 对色彩的表现能力大幅超越传统电视机常用的sRGB。在过去使用传统的CRT做为显示元件的电视,在色彩表现上,无法显示的天蓝色系、 深绿色、深红色,及一些大自然中的鲜艳颜色,但在R、G、 B三色LED作为背光源的液晶电视都以经不是问题, 如果对照Pointer的768色高彩度色票上表现, 使用LED背光模组的液晶电视可以高达其涵盖颜色领域的82%, 尤其是在绿色与红色可以表现出很宽广色彩度, 黄色与橙色部分更超过sRGB的色域,然而相对于CCFL或传统CRT萤幕, 仅能达到约一半的色彩领域。
根据实验,人类眼睛对于光线颜色的感觉程度,最高的是绿光,红光约是绿光的1/3,而相对于蓝光,是蓝光的10倍。 基于如此的特性,在LED颜色搭配上,也有了一些变化,因为要满足视觉感度,所以大多是以红光×1、蓝光×1,以及绿光×2的比例来进行设计,但加上考量到红光的色温较低。所以SONY在背光LED的是以「绿-红-蓝-红-绿」作为排列结构, 来达到最佳的色彩输出。因为液晶萤幕的色域并不是仅仅靠背光源,前端的彩色滤光片更是重要决定因素之一, 所以整体而言,液晶萤幕的色域范围取决于背光模组的光源特性,与彩色滤光片的穿透率特性组合结果。当然,在面对可表现如此宽广色域的三色LED背光模组, SONY更在彩色滤光片上进行了相当的改良,由于LED的色度分布有一定的范围度,所以必需搭配可以使穿透光的波长范围变窄,还能够维持一定色纯度的彩色滤光片, 期望能在配合LED光源的特性下,充分的发挥相互配合的色彩效果。
如果是使用RGB三色或不同波长的多色LED作为背光源,在彩色滤光片上就不一定非用RGB三色,还可以使用紫色跟菊色双色的彩色滤光片,来搭配出更高的色域显示能力,呈现出更多的色彩。三菱电机与三星都已经发表出,利用6色LED作为背光模组的技术。三星是利用6色光源加上6色彩色滤光片面板新技术, 采用在具有RGBCYM6色(红、绿、蓝、青色、黄色、 洋红)波长的光源上配合使用具有RGBCYM分光特性的6色滤光片的方式。LED点灯方式是以场序交互点灯将显示时间错开,依次打开R(红)、G(绿)、 B(蓝)LED,解析度为1366×768、亮度为500cd/㎡,1000: 1的对比度。 由于能够直接看到LED光线,因此色彩表现达到了NTSC规格的110%。 82W耗电量,相当于同样亮度老式液晶面板耗能的60%。而根据资料,三菱电机所发表的这一款6色LED背光模组, 除了能达到色再现范围扩大之外,另一项特色是在生产所带来的成本上不会因此突然增多。
在技术上,三菱电机是利用LED不同的波长,来达到6种不同的颜色,分别是第一组的410nm(蓝)、540nm(绿)、615nm(红),以及第二组的430nm(蓝)、510nm(绿)、625nm(红)。在色度座标上分别能够达到,第一组:615nm(红1)的(0.664、0.321)、 540nm(绿1)的(0.291、0.666)、410nm(蓝1)的(0.154、 0.060)。
在LED电路驱动设计部分,多色LED背光大多是利用场序交互点灯方式形成「FieldSequence」,这样的线色LED与液晶面板的Sub-Pixel, 及3色彩色滤光片同步动作。
过去,液晶面板大多是利用三个Sub-Pixel组合而成一个画素,但利用这样的方式,除可得到更广的色彩表现范围外,还可获得更高细腻度的影像。但这样又会造成一些整体开发上的问题,因为这样的结构变化,使得无法延续使用部分零组件,包括部分的背光膜片、整体模组结构、色变换电路等等, 这些都是必须重新开发。
不过,因为这样的改革能够大幅度的改善色彩表现,及加上三菱电机宣称,并不会造成太大成本的增加,所以或许采用这样光源的设计,仅在初期必须投入较大的开发费用,而整体而言,材料成本结构并没有太大的变动。
此外,在这次三菱电机所发表的6色LED背光模组,在辉度的表现上只有80cd/㎡, 这样的结果,或许关键点还是整体背光模组设计的问题,因为, 虽然目前LED在亮度上面已经有不错的表现,但受限于模组材料的关系, 因此未来在模组整体亮度上必须多加以克服,才可以做到商用化接受的程度。
以目前LED亮度技术来看,在这一方面, 提高亮度并不是太大的困难,但是因为伴随而来的高耗电量以及散热的问题, 却是困扰着所有的工程师,再者,一味的朝这一方面发展, 而期望得到问题的解决也是不切实际。 因为亮度的提升总是会有到达瓶颈的时候, 如果因为在这一方面努力却造成常规使用的寿命的减短,似乎有点得不偿失。 所以就整体而言,还是必须从改善背光模组的透光率开始做,才是解决的根本之道。
由于背光光源一定要使用Reflector、Diffuser等等的光学薄膜, 来达到光源平均投射的目的,但是往往光耗损的现象就会因此而产生,根据研究, 从传统背光光源所发射出来的光是100%的话,经过Reflector、 Diffuser等等的光学薄膜之后,只会有约60%的光通过背光模组进入到偏光膜,最后经过LC、Surface出来只剩下4%的光(图三)。
也就是说,如果背光光源是1万nits,那么, 最后投射出来的光只会有400nits,假设LCD面板规格需要500nits, 那么背光光源的亮度就一定要能提供1.2~1.3万nits的亮度。
从2004年SONY发表LED背光模组后, 液晶显示器用背光模组应可说是郑重进入LED的时代, 虽然LED本身还有许多技术问题有待克服,不过, 未来传统冷阴极灯管的部分市场将逐渐被LED光源取代, 相信未来液晶显示器的影像画质与颜色会更加艳丽与细腻。
LED背光模组的色再现特性,使用R/G/BLED背光模组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的家用液晶电视能够得到宽广的色再现范围。 由于LED背光模组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背光模组的光学系统外,还需抑制LED本身的发热问题。(参考资料:光电科技杂志、日本NE杂志、三菱电机、SONY、日本LIEIZ有关的资料)