LED波長一致性和溫度均勻性對背光源色差的影響

1、 收稿日期 :2009-04-24. 基金項(xiàng)目 :國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (60536020,60390074 ; 國 家“ 973”計(jì) 劃 項(xiàng) 目 (2006CB302801, 2006CB302804, 2006CB302806, 2006CB921106 ; 國 家“ 863” 計(jì) 劃 項(xiàng) 目 (2006AA03A105 ; 北 京 市 自 然 科 學(xué) 基 金 重 點(diǎn) 項(xiàng) 目 (4091001 ; 深 圳 市 產(chǎn) 學(xué) 研 和 公 共 科 技 專 項(xiàng) 資 助 項(xiàng) 目 (SY200806300244A . 材料 、 結(jié)構(gòu)及工藝L ED 波長一致性和溫度均勻性對背光源色差的影響劉煜原 1, 羅

2、毅 1,2, 韓彥軍 2, 錢可元 1(1. 清華大學(xué) 深圳研究生院 半導(dǎo)體照明實(shí)驗(yàn)室 , 廣東 深圳 518055; 2. 清華大學(xué) 電子工程系 , 集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 , 北京 100084摘 要 : 直下式動(dòng)態(tài)三基色 L ED 背光源具有色域廣 、 壽命長 、 節(jié)能環(huán)保 、 對比度高等優(yōu)勢 , 但 許多因素限制了其顏色的表現(xiàn)力 。 研究了 L ED 波長一致性 、 背光溫度均勻度兩個(gè)因素對色差的影 響 , 指出為使色差小于人眼所能分辨范圍 (CIE1976色坐標(biāo)體系 u v 小于 0. 005 ,L ED 的主波長 波動(dòng)范圍應(yīng)低于 5nm , 背光源不同位置的最大溫差應(yīng)低于 8

3、。關(guān)鍵詞 : 三基色 L ED ; 直下式動(dòng)態(tài)背光源 ; 色差 中圖分類號 :TN31218 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A 文章編號 :1001-5868(2010 01-0104-04E ffect of L ED W avelength andT emperature U niformity on Color L IU Yuyuan 1, L UO Yi 1,2Q 1(1. Semiconductor Lighting , , U , Shenzhen 518055, CHN;2. State K ey Lab. I of E ngineering , Tsinghu a U niversity ,

4、B eijing 100084, CHN backlight s based on t richromatic L EDs have significant advantages crystal display (L CD such as wide color gamut , long lifetime , energy saving , high cont rast and so on. However , it s color rendering capacity was influenced by several factors. The effect of L ED wavelengt

5、 h co nsistency and temperat ure uniformity of t he backlight on color difference of direct dynamic backlight s based on trichromatic L EDs is investigated. Experimental result s show t hat ,to keep t he color difference indecip herable for human eyes , t he fluct uation of L ED wavelengt h should b

6、e held wit hin 5nm and t he largest temperat ure difference among L EDs in t he whole backlight should be less t han 8 .K ey w ords : t richromatic L EDs ; direct dynamic backlight ; color difference0 引言對液晶顯示來說 , 與傳統(tǒng)的 CCFL 背光源相比 , 三基色 L ED 背光源具有色域廣 、 使用壽命長 、 發(fā) 光效率高 、 節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)勢 。 隨著 L ED 的迅速 發(fā)展 , 其成本

7、不斷降低 、 發(fā)光效率顯著提高 , 基于三色 L ED 背光源逐漸成為背光源發(fā)展的方向 123。基于 L ED 的背光源模塊主要分為邊發(fā)射式和 直下式 。 邊發(fā)射式背光源中 ,L ED 安裝在一塊導(dǎo)光 板的側(cè)邊 , 通過導(dǎo)光板的混光之后 , 形成均勻的白光 作為液晶面板的背光源 。 由于導(dǎo)光板混光結(jié)構(gòu)中光 線光程長 、 需經(jīng)過多次折射 、 反射 , 因而損耗較大 , 所 以邊發(fā)射式背光源整體效率不高 , 在大尺寸 L CD 背 光源領(lǐng)域 , 邊發(fā)射式背光源的發(fā)展受到一定限制 。 直下式背光源中 ,L ED 安裝在背光模塊底部 , 正對 液晶面板放置 , 直接照亮液晶面板 , 能量利用率較邊 發(fā)

8、射式背光源高 , 且可以進(jìn)行尺寸上的簡單擴(kuò)展 , 容401 SEMICON DUCT OR OPT OE LECTR ONICS V ol. 31No. 1Feb. 2010易實(shí)現(xiàn)超大尺寸背光源 。近年來 , 有研究機(jī)構(gòu)在直下式背光源的基礎(chǔ)上 , 提出動(dòng)態(tài)背光源技術(shù) , 一方面提高了顯示質(zhì)量 , 另一 方面大幅度降低了功耗 , 有利于節(jié)能環(huán)保 。其基本原理是改變傳統(tǒng)背光源所有點(diǎn)同時(shí)點(diǎn)亮的工作模 式 , 而根據(jù)需要顯示的圖像 , 使液晶面板上的不同區(qū) 域在需要的時(shí)候被分別點(diǎn)亮 。 單獨(dú)控制每一個(gè)像素 點(diǎn)的亮度是無法實(shí)現(xiàn)的 , 但是通過盡量細(xì)分對液晶 的照明區(qū)域 , 使單組三色 L ED 只負(fù)責(zé)為

9、液晶的部分 區(qū)域提供背光照明 , 即能最大程度地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制 。 動(dòng)態(tài)背光源概念以其獨(dú)特的優(yōu)勢 , 迅速成為背 光源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn) 。文獻(xiàn) 4通過設(shè)計(jì)特殊的光 學(xué)透鏡結(jié)構(gòu) , 實(shí)現(xiàn)了 L ED 與液晶面板上照明區(qū)域的 一一對應(yīng) , 并在理想狀態(tài)下完成了背光源設(shè)計(jì) , 除實(shí) 現(xiàn)亮度均勻之外 , 背光源的最大色差小于 0. 005, 低 于人眼分辨力 5, 具有很好的顏色均勻度 。然而在實(shí)際使用中 , 存在一些非理想因素 。首 先 ,L ED 本身的波長存在偏差 , 同一批次的不同個(gè) 體 L ED 之 間 , 主 波 長 存 在 一 定 的 波 動(dòng) 。三 基 色 L ED 主波長的波動(dòng) ,致 ,

10、即引起色偏差 , L 背光源中 ,尺寸非常大 , ,熱的情況 ;勻 , 所以難以實(shí)現(xiàn)整個(gè)背光源的溫度均勻分布 。背 光源溫度分布的不均勻性會(huì)使不同位置 L ED 發(fā)光特性的不同 。溫度越高 ,L ED 發(fā)光效率越低 , 且隨 著溫度的升高 , 紅 、 綠 、 藍(lán)三色 L ED 發(fā)光效率的下降 速度是不一致的 , 其中紅光 L ED 的下降比例最大 。 因此 , 不同位置溫度不同會(huì)導(dǎo)致三基色 L ED 的顏色 配比出現(xiàn)差異 , 因而也會(huì)引起色差 , 嚴(yán)重影響背光源 的顏色表現(xiàn)能力 。本文詳細(xì)分析了三基色 L ED 的 顏色特性 , 研究了 L ED 波長一致性 、 背光源溫度均 勻性對背光源色差

11、的影響 。1 L ED 光譜仿真與色差的量化表述L ED 的光譜特性通常用其輻射功率與波長的 關(guān)系函數(shù) S ( 來描述 。通常通過建立數(shù)學(xué)模型函 數(shù)來仿真實(shí)際 L ED 的光譜特性函數(shù) 。 Ohno 提出 了一種復(fù)合高斯函數(shù)來描述 L ED 的歸一化輻射功 率譜 , 很好地吻合了實(shí)際 L ED 光譜特性 6。 對于峰 值波長為 0, 半波全寬度為 0. 5的 L ED 光譜 , 其數(shù) 學(xué)模型函數(shù)表達(dá)式如下 :S L ED (, 0, 0. 5 =53(1 其中 , g (, 0, 0. 5 =exp -0. 5, 為高斯函 數(shù) 。在已知光譜特性的情況下 , 根據(jù)色度學(xué)的相關(guān) 規(guī)定 , 可以得出

12、發(fā)光的顏色特性 。 在色度學(xué)中 , 通常 使用色坐標(biāo)來描述顏色 。國際照明協(xié)會(huì) (CIE 于 1931年建立了 CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度空間 , 其色坐標(biāo)用 x 、 y 表示 。 在此基礎(chǔ)上 , 為了使色度空間的相等間 距表示相同的顏色差別 ,1976年又提出了 CIE1976均勻色度空間 (UCS , 其色坐標(biāo)用 u 、 v 表示 。 通過光譜求色坐標(biāo) , 首先可以求出三刺激值 X , Y , Z :X =k S ( x ( dY =S =k( z ( d (2, x , y , z 為 CIE 顏色響應(yīng)函數(shù) , k 為最大光視效 能 , 其值為 683lm/W 。CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度空間的

13、色坐標(biāo)及 CIE1976均勻色度空間的色坐標(biāo)分別由式 (3 和式 (4 給出 : x =X/(X +Y +Z y =Y/(X +Y +Z (3 u =4x/(-2x +12y +3v =4x/(-2x +12y +3(4 在 CIE1976色坐標(biāo)體系中 , 顏色的偏差用色差 u v 來定量描述 。 色差 u v 的定義由式 (5 給出 :u v =u 1-u 2 2-(v 1-v 2 2(5 實(shí)驗(yàn)表明 , 人眼能夠分辨的色差值為 0. 0055, 因此背光源的最大色差值應(yīng)小于該值 。2 L ED 波長一致性引起的色差 以 CREE 公司的相關(guān) L ED 芯片數(shù)據(jù)為例 , 選 取室溫下 (25

14、三基色 L ED 的標(biāo)稱參數(shù) , 如表 1。 表 1 三色 LE D 光譜特性參數(shù)顏色 0/nm 0. 5/nm紅 62823綠 52738藍(lán) 47028 5 0 1半導(dǎo)體光電 2010年 2月第 31卷第 1期 劉煜原 等 : L ED 波長一致性和溫度均勻性對背光源色差的影響 在理想狀況下 , 假定所有的 L ED 波長都等于以上標(biāo)稱值 , 不存在波長不一致 。則根據(jù)式 (1 , 三基色合成白光的光譜可以表示為S ( =k R S L ED (_R, 0_R, 0. 5_R +k G S L ED (_G , 0_G , 0. 5_G +k B S L ED (_B, 0_B, 0. 5_

15、B (6其中 , k R 、 k G 、 k B 分別為三基色光譜系數(shù) 。設(shè)合成白光是色坐標(biāo)為 x =y =0. 33的標(biāo)準(zhǔn)白光 , 則由式(2 、 (3 計(jì)算可得 , 三基色光譜系數(shù)比為 k R k G k B =1. 6 0. 79 1, 三基色的光通量比為 R G B =1 2. 01 0. 28。 光譜如圖 1所示 。圖 1 25,L ED 的波長會(huì)在一定程度上偏離標(biāo)稱值 。在三基色背光源中 ,由于三基色的驅(qū)動(dòng)電流保持穩(wěn)定 , 因而三基色光譜系數(shù)保持不變 。 波長的偏離 , 會(huì)導(dǎo)致直下式動(dòng)態(tài)背光源的不同位置處 , 三基色光的光通量配比發(fā)生變化 , 從而出現(xiàn)色坐標(biāo)偏離標(biāo)準(zhǔn)值的現(xiàn)象 。 記

16、 L ED 波長最大偏差值為 tolerance ,L ED 的波長值落在波長標(biāo)稱值的兩側(cè) , 波長變化范圍表示為 02。對于任一給定的波長偏差值 , 均勻取定有限波長值作為實(shí)際 L ED 的波長序列 , 并使波長序列充滿整個(gè)L ED 波長波動(dòng)范圍 。計(jì)算所有可能的三基色 L ED波長組合合成的白光色坐標(biāo) , 并在色品圖上繪出所有合成白光的坐標(biāo)點(diǎn) , 其最大距離即為最大可能色差 。 計(jì)算結(jié)果顯示 , 波長偏差與背光源的色差呈正相關(guān) 。 當(dāng)波長偏差值控制在 5nm 以內(nèi)時(shí) , 色差低于0. 005。 圖 2是波長偏差值為 4nm 時(shí) CIE1976色品圖上的所有可能白光色坐標(biāo)分布 , 其縱 、

17、橫坐標(biāo)分別為 CIE1976色坐標(biāo) v 、 u , 色坐標(biāo)圖上兩點(diǎn)之間的距離即為色差值 。 波長偏差值為 5nm 時(shí) , 色差略小于 0. 005。 因此 , 在選取用于直下式動(dòng)態(tài)背光源的三基色 L ED 時(shí) , 應(yīng)使波長偏差值低于 5nm 。 (a 坐標(biāo)分布(b 局部放大圖 2 波長偏差為 4nm 時(shí)的白光坐標(biāo)分布3 背光源溫度均勻性引起的色差 在超大尺寸直下式背光源中 , 不同區(qū)域的溫度 通常相差較大 。隨著溫度的升高 , 紅 、 綠 、 藍(lán)三色 L ED 的光能量衰減率 、 波長漂移 、 半高全寬度變化 都是不一樣的 。 大量實(shí)驗(yàn)表明 , 三色 L ED 的峰值波 長 、 半高全寬度 、

18、 峰值輻射功率隨溫度變化的情況如 式 (7 所示 7:0, T =0, 25+k 1(T -25015, T =0. 5, 25+k 2(T -25T =I 25 k 3(T -25 +I 25(7 其中的相關(guān)參數(shù)見下表 2。表 2 三色 LE D 隨溫度變化特性參數(shù)顏色 k 1/(nm/ k 2/(nm/ k 3/紅 0. 15220. 0325-0. 0058綠 0. 04460. 0561-0. 0048藍(lán) 0. 05030. 09-0. 0035仍以 CREE 公司的相關(guān) L ED 芯片數(shù)據(jù)為例 , 紅 、 綠 、 藍(lán)三色 L ED 在 25 時(shí)的光譜特性參數(shù)如表 1。 以室溫 (25

19、 為參考溫度 , 根據(jù)式 (7 , 不同溫 61SEMICON DUCT OR OPT OE LECTR ONICS V ol. 31No. 1Feb. 2010 度下三基色 L ED 光譜會(huì)發(fā)生強(qiáng)度衰減和波長漂移 , 光譜曲線變化如圖 3 。圖 3 不同溫度下的三色 L ED 光譜特性從圖 3看出 , 隨著溫度的不同 , 三基色 L ED 光源的光譜譜線發(fā)生了很大變化 , 其合成白光的色坐 標(biāo)相應(yīng)會(huì)出現(xiàn)較大的偏移 。由式 (2 (5 , 可計(jì)算 得到不同溫度下合成白光的 CIE1976色坐標(biāo)值 , 進(jìn) 而計(jì)算得到色差 u v 值與溫差的關(guān)系 。圖 4給出 了不同溫度下的合成白光在 CIE19

20、76色品圖中的 色坐標(biāo) 。圖 4以 25 環(huán)境下 L ED 參考點(diǎn) , 光的色差值 示 , 。要使色差值低 于 0. 005, 溫度差需低于 8 。(a 色坐標(biāo)(b 局部放大圖圖 4 不同溫度下合成白光的色坐標(biāo)圖 5 色差 u v 與溫度的關(guān)系 (以 25 合成白光為參考點(diǎn) 4 結(jié)論直下式動(dòng)態(tài)背光源是液晶顯示器背光源的發(fā)展 方向 。 本文提出了直下式動(dòng)態(tài)背光源中 , 由于 L ED 波長一致性和溫度均勻性所引起的色差問題 , 詳細(xì) 分析并研究了兩者對背光源色差的影響 。 研究結(jié)果 顯示 , 為使色差控制在人眼不能識別的范圍內(nèi) ,L ED 波長的偏差不能大于 5nm , 過 8(L ED L 。 :1 Daniel den Engelsen , 童林夙 . 背光源的發(fā)展趨勢 J.光電子技術(shù) ,2006,26(3 :1452153.2 黃楊程 . 大尺寸液晶電視 L ED 背光源的研制 J.半導(dǎo)體光電 ,2007,28(5 :6422644.3 Chang Che 2Ming. A new design with mixing R G BL ED (red , green , blue lig