LED全彩顯示屏配光解決方案
編輯：藍(lán)天 [ 2009-7-16 18:22:35 ] 文章來源：LED大屏網(wǎng)
摘要：本文主要介紹了LED全彩顯示屏的全套配光方案，包括投產(chǎn)晶片的K-factor管理、封裝工藝的控制、白平衡的調(diào)節(jié)以及LED 光學(xué)Lens的設(shè)計(jì)，代表著業(yè)界先進(jìn)的配光解決理念。關(guān)鍵詞：，白平衡，光學(xué)Lens設(shè)計(jì)中國大陸的產(chǎn)業(yè)最早起步于1987年前后，經(jīng)過十來年的共同發(fā)展，現(xiàn)已初具規(guī)模。目前，的生產(chǎn)廠家越來越多，其中不乏一些優(yōu)秀的企業(yè)，他們共同繁榮了這個(gè)新興的高科技產(chǎn)業(yè)。二十一世紀(jì)是個(gè)平板顯示的時(shí)代，作為平板顯示的主流產(chǎn)品之一，也必將會(huì)有更大的前景。是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、電子技術(shù)、光學(xué)及色度學(xué)等高新技術(shù)相結(jié)合的電子顯示器，一般地說，又分為單色屏，雙色屏及全彩屏。所謂單色屏，顧名思義，顯示器是由單一的某種顏色的LED組成。把紅色和綠色LED作為一個(gè)像素的顯示屏叫雙色屏或彩色屏。把紅、綠、蘭三種LED放在一起作為一個(gè)像素的顯示屏叫三色屏或全彩屏。伴隨綠色晶片亮度不斷地提升，全彩屏正以一種前所未有的速度在普及和推廣。特別是北京申奧的成功，它提出"綠色奧運(yùn)"的號(hào)召，使得LED全彩屏的市場前景更為誘人。LED全彩屏又分為室內(nèi)屏（Indoor）和戶外屏（Outdoor），我們先介紹幾個(gè)全彩屏的常用術(shù)語。點(diǎn)(Pixel)：像素點(diǎn)的簡稱，一般由R/G/B三種顏色的LED組成。按組成的方式不同，又分為1R/1G/1B、2R/1G/1B、2R/2G/1B等不同的組合方式，它是全彩屏的基本成像單位。點(diǎn)間距（Pitch）：顯示屏各像素的中心點(diǎn)之間的距離，一般用mm表示,它決定了一個(gè)全彩屏的像素?cái)?shù)量�；叶鹊燃�(Gray Scale)：顯示屏亮度調(diào)節(jié)的精細(xì)度就叫做顯示屏的灰度等級,一般地說,灰度等級越高,顯示顏色就越豐富。LED改變顏色的驅(qū)動(dòng)方式一般有兩種，一種是改變LED的電流。一般來說，LED 的工作電流最好設(shè)定在20mA以下，以保證LED的抗衰減性。另外一種是利用人眼的視覺惰性，用脈沖調(diào)制來實(shí)現(xiàn)灰度控制。人對像素平均亮度的感覺可取決于它的衰/滅（占空比），即周期性地改變占空比，只要這個(gè)周期足夠短，人眼就感覺不出它的衰/滅。一般地說，室內(nèi)屏的點(diǎn)間距（Pitch）為2-12mm，其中2-8mm的室內(nèi)屏一般使用TOP型的貼片方式或現(xiàn)在發(fā)展起來的亞表貼方式。戶外屏的點(diǎn)間距（Pitch）為14-26mm，以現(xiàn)在綠色LED亮度水平，Pitch為20mm的顯示屏是其中最主流的產(chǎn)品。國內(nèi)的顯示屏制造商，經(jīng)過這十幾年的發(fā)展，進(jìn)步非�？�，但和歐美日等發(fā)達(dá)國家相比，還是有一定的差距，特別是其中最主要的顯示器件LED的封裝工藝及設(shè)計(jì)水平，還是有很多不足之處。深圳雷曼光電科技有限公司作為中國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì)分會(huì)的成員之一，長期專注于顯示屏用LED的配光研究，公司匯集了一批長期致力于LED研究的精英，投入大量設(shè)備及人力對國外領(lǐng)先同行的產(chǎn)品進(jìn)行深入研究，并結(jié)合自身的特點(diǎn)，總結(jié)出一套LED配光、配色的解決方法，現(xiàn)與大家分享，以共同提高各LED封裝廠的工藝和配光水平，為中國LED全彩顯示屏的技術(shù)提升盡一份自己的責(zé)任。LED配光方法是一整套技術(shù)，它包括投產(chǎn)晶片的K-factor管理、封裝工藝的控制、白平衡的調(diào)配及LED Lens的光學(xué)設(shè)計(jì)等等�，F(xiàn)分別陳述如下：一、晶片的K-factor管理雷曼光電對每一批量產(chǎn)產(chǎn)品的晶片都進(jìn)行了嚴(yán)格地控制。我們?yōu)槊恳划a(chǎn)品都建立了自己的檔案，從這份檔案中我們可以清楚知道某一生產(chǎn)令的投產(chǎn)晶片資料，而且會(huì)把所有的分級數(shù)據(jù)存檔分析，這樣我們就有了公司所有產(chǎn)品的K-factor明細(xì)，從而也從源頭開始就把產(chǎn)品列入控制，我們就能根據(jù)客戶的具體需求，精確地計(jì)算出我們所需要晶片的規(guī)格。特別是生產(chǎn)全彩顯示屏用的產(chǎn)品，我們對晶片的控制特別嚴(yán)格，不僅僅是達(dá)到客戶的亮度要求就夠了，我們要站在客戶的角度上，實(shí)實(shí)在在地為他們解決白平衡調(diào)節(jié)中所遇到的困難，除了要達(dá)到客戶的波長要求和亮度要求外，以下兩點(diǎn)細(xì)節(jié)要特別引起注意，一是成品的亮度要成正態(tài)分布，不能出現(xiàn)亮度不連續(xù)的現(xiàn)象，對波長的要求也一樣，而且要特別注意晶片投料時(shí)一定要把所投晶片的波長平均值明細(xì)以及每板晶片的數(shù)量列出，要在電腦上進(jìn)行分析，也可以作一個(gè)直方圖，以明確晶片的波長分布是否成正態(tài)分布。如果以上細(xì)節(jié)不注意，顯示屏制造商在調(diào)白平衡時(shí)，由于LED的亮度和波長不成正態(tài)分布，調(diào)整起來就特別不容易。二、封裝工藝的控制全彩顯示屏用LED的封裝工藝有自己的特點(diǎn)。我們首先要做的是控制原物料，因?yàn)閼敉馊势恋氖褂铆h(huán)境惡劣，不是長期在高溫下工作就是長期在低溫下工作，而且長期受雨水的腐蝕，如LED的信賴度不是很好，很容易出現(xiàn)瞎點(diǎn)的現(xiàn)象，所以我們很注意對原物料品質(zhì)的控制。公司有一整套物料檢查的先進(jìn)設(shè)備，可以幫助我們嚴(yán)格地控制原物料。我們?nèi)势罫ED產(chǎn)品上，都是使用具有高導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能的優(yōu)質(zhì)銅支架，這樣可以大大地降低LED的熱阻。另外，我們對支架的鍍層也作了特別規(guī)定，以保證我們的品質(zhì)需求。為了提高成品的亮度，我們還對支架碗杯作了亞光處理。在環(huán)氧樹脂的選擇上，我們針對顯示屏的工作特點(diǎn)，特別選用了能夠抗UV的高Tg膠水。在烘烤工藝上，我們使用的是緩冷緩熱的烘烤工藝，這種烘烤工藝經(jīng)我們大量的實(shí)驗(yàn)，可以提高膠水的Tg點(diǎn)，而且最為關(guān)鍵的是它可以有效地降低膠水的內(nèi)應(yīng)力，這就大大地提高了產(chǎn)品的信賴性。三、白平衡設(shè)計(jì)我們根據(jù)客戶的需求，總結(jié)出一套自己的計(jì)算方式�？蛻糁灰獙⒛闼枰牧炼群惋@示屏的點(diǎn)間距告訴我們，我們就可以全方位地為客戶服務(wù)，為客戶的顯示屏作一個(gè)完美的配光方案。為方便下面的介紹，我先介紹幾個(gè)術(shù)語及定義。白平衡：將三種顏色調(diào)配到一種設(shè)想的白色的過程。調(diào)配可分兩個(gè)內(nèi)容：顏色和亮度。1：設(shè)定固定條件：溫度、電壓、選用電源線。2： 設(shè)定顏色目標(biāo)及范圍（公差），一般是指目標(biāo)顏色的X，Y值。 3：進(jìn)行白色亮度調(diào)節(jié)�；旌仙目偭炼鹊扔诮M成混合色的各種顏色的亮度總合稱為亮度相加定律。顏色外觀相同的光，不管它們的光譜成份是否一樣，在顏色混合中具有相同的效果，就是說，凡是在視覺上相同的顏色都是等效的，由此定律可導(dǎo)出顏色的代替律。顏色匹配方程若以（C）代表被匹配顏色的單位，（R）（G）（B）代表產(chǎn)生混合色的紅、綠、藍(lán)三原色的單位，R、G、B、C分別代表紅、綠、藍(lán)和被匹配顏色的數(shù)量，當(dāng)達(dá)到匹配時(shí)：
C（C）≡R（R）≡G（G）≡B（B）
≡表示視覺上相等，R、G、B為代表量，可以為負(fù)值。
請參看下圖：我們先介紹一個(gè)重心定律給大家，圖中B為顏色1，G為顏色2，R為顏色3，C為G+R的混合色，W為B+C的混合色，這其實(shí)就是一個(gè)白平衡的示意圖，我們可以把C作為綠色和紅色的混合色，從圖中可以看出，它大約位于黃色的區(qū)域，C再和藍(lán)色混合，它可以通過我們的白色區(qū)間，是可以混出白光的。 其中B=X1+Y1+Z1C=X2+Y2+Z2
X1、Y1、Z1；X2、Y2、Z2為藍(lán)光和混合色C的三刺激值。重心定律就是： CM/BM=B/C=（X1+Y1+Z1）/（X2+Y2+Z2）
也就是CM的距離與C成反比，即混合色中C所占的比重越大，CM的距離越短，這就和白燈制作時(shí)大家的經(jīng)驗(yàn)一樣，熒光粉的量越多，光色越偏黃（即CM越短）。下面給大家介紹我們的計(jì)算方法：1. 首先要將面光源轉(zhuǎn)為點(diǎn)光源，得出W點(diǎn)的亮度值，我們知道面光源的單位是Nit，即cd/m2，而我們LED的亮度是mcd，我們注意將單位轉(zhuǎn)mcd。用顯示屏的總亮度除以每平方米的點(diǎn)數(shù)即可。
2. 尋找R、G兩種顏色配色后的座標(biāo)（已知R、G、B、W四點(diǎn)座標(biāo)計(jì)算BW直線的延長線的交點(diǎn)可得出C點(diǎn)座標(biāo)）。
3. 根據(jù)重心定律可計(jì)算出C點(diǎn)的IV值（已知W點(diǎn)的IV值）。
4. 根據(jù)補(bǔ)色原理，可以得出B、G、R的IV值。
5. 根據(jù)所需的IV值計(jì)算所需用的電流值（前提是已知20mA的IV值，且近似認(rèn)為IV與電流成正比）。說明：1.該方法可計(jì)算R/G/B各需要的LED數(shù)。
2.可近似的計(jì)算在使用過程中R/G/B所需要的電流值，這里的電流只能是近似值，有以下原因：
① IV與電流不一定完全成正比關(guān)系。
② 所知道的LED的IV、WD為一平均值。故在調(diào)白平衡時(shí)，還要根據(jù)實(shí)際情況，略作調(diào)整，不能完全照此數(shù)值來進(jìn)行調(diào)節(jié)。也許你認(rèn)為上述方法過于專業(yè)和繁瑣，那我們還有一種比較簡便的方法供你參考，為解說方便，我們以舉例的方式來介紹。我們知道，混合一種白光的R/G/B大致比例為3：6：1，我們根據(jù)這個(gè)知識(shí)就很方便地計(jì)算出每種顏色LED所需的亮度值。比如有一客戶需要一塊Pitch為16mm，亮度為5000Nit的戶外全彩屏，那么我們應(yīng)該怎樣來計(jì)算我們的LED每種顏色到底需要多高亮度。1.先計(jì)算每一平方米的Pixel數(shù)量=1 m2/（16mm X16mm X10-6）=3906 pcs/m2
2.每一Pixel的亮度=5000Nit/3906 pcs/m2=1.28cd/m2
3.如果像素組成方式為1：1：1時(shí)，則可按以下方法計(jì)算
Red=1.28 X 30% X 1000=384mcd
Green=1.28 X 60% X 1000=768mcd
Blue=1.28 X 10% X 1000=128mcd
這樣我們很快就知道了答案，很方便是嗎？但以上計(jì)算方法只能很粗略地計(jì)算，而且有一點(diǎn)要特別注意，由于LED裝上屏后，要封上一層黑膠，這會(huì)降低LED的亮度，再加上各種不同的LED在老化后都有不同程度的衰減，根據(jù)我們多年的經(jīng)驗(yàn)，為使顯示屏達(dá)到在陽光下圖像清晰所必需的5000Nit，最好將設(shè)計(jì)值提高30%，即為6500Nit比較安全。四、Lens的光學(xué)設(shè)計(jì)LED是一個(gè)十分精密的光學(xué)系統(tǒng)，碗杯、晶片和Lens的搭配要十分得當(dāng)才是一個(gè)好的光學(xué)設(shè)計(jì)。一般地說，我們原來大部份封裝廠都沒有很重視這一點(diǎn)，這也是我們的顯示屏技術(shù)趕不上歐美等發(fā)達(dá)國家的一個(gè)很重要的原因。我們經(jīng)過大量的分析，發(fā)現(xiàn)紅色晶片和雙墊極的綠、藍(lán)色晶片，在晶片的材質(zhì)、各結(jié)構(gòu)層的厚薄、折射率以及它們裸晶光斑都有很大的差異，且它們的物理尺寸也相差太大，要想使R/G/B三種顏色的LED亮度變化在左右各90度的范圍內(nèi)保持高度一致，須使用不同的光學(xué)Lens。雷曼光電公司投入力量研制出了兩幅光學(xué)Lens（模條），一幅為紅色晶片專用，另一幅為綠、藍(lán)色專用。這樣我們就成功地解決了這個(gè)多年的難題。下面我們將雷曼光電LED的R/G/B三色配光圖與市面常見LED的R/G/B三色配光圖作一比較，以便大家更明確。上兩幅圖是使用雷曼光電自行研制光學(xué)透鏡的LED產(chǎn)品的配光效果，分別為水平和垂直方向的亮度、角度變化曲線。下兩幅圖是目前市面常見LED產(chǎn)品的配光效果。從圖中可以看出，市面LED產(chǎn)品在50度角度左右可能會(huì)偏紅，要調(diào)整到比較理想的效果比較困難。雷曼光電自行研制的產(chǎn)品考慮到了客戶的這種需求，在左右90度范圍內(nèi)的紅綠藍(lán)三種顏色的配光曲線平滑，一致性好，達(dá)到理想水平，這就為顯示屏的白平衡調(diào)節(jié)提供了強(qiáng)有力的支持。以上是雷曼光電在LED封裝及配光、配色方面的一些經(jīng)驗(yàn)，借此機(jī)會(huì)與大家分享。愿我們與各企業(yè)共同齊心協(xié)力，為提高我國的整體技術(shù)水平而共同努力。
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