LED全彩顯示屏配光解決方案
編輯：流雨 [ 2009-7-29 9:07:57 ] 文章來源：LED大屏網
中心議題：LED配光方法
解決方案：
投產晶片的K-factor管理
封裝工藝的控制
白平衡的調配
LED Lens的光學設計
LED配光方法是一整套技術，它包括投產晶片的K-factor管理、封裝工藝的控制、白平衡的調配及LED Lens的光學設計等等�，F(xiàn)分別陳述如下：
晶片K-factor管理
雷曼光電對每一批量產產品的晶片都進行了嚴格地控制，我們?yōu)槊恳划a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令的投產晶片資料，而且會把所有的分級數(shù)據(jù)存檔并用科學的統(tǒng)計軟件進行分析，這樣我們就有了所有產品的K-factor明細，從而也從源頭開始就把產品列入控制，我們就能根據(jù)客戶的具體需求，精確地計算出我們所需要晶片的規(guī)格。特別是生產全彩顯示屏用的產品，我們對晶片的控制特別嚴格，不僅僅是達到客戶的亮度要求就夠了，我們要站在客戶的角度上，實實在在地為他們解決白平衡調節(jié)中所遇到的困難，除了要達到客戶的波長要求和亮度要求外，以下兩點細節(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一定要把所投晶片的波長平均值明細以及每板晶片的數(shù)量列出，要在電腦上分析一下，也可以作一個直方圖，以明確晶片的波長分布是否成正態(tài)分布。如果以上細節(jié)不注意，顯示屏制造商在調白平衡時，由于LED的亮度和波長不成正態(tài)分布，調整起來就特別不容易。
封裝工藝的控制
全彩顯示屏的封裝工藝有自己的特點，我們首先要做的是控制原物料，因為全彩屏的使用環(huán)境特別惡劣，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)瞎點的現(xiàn)象，所以我們很注意對原物料品質的控制，公司有一整套物料檢查的先進設備，可以幫助我們嚴格地控制原物料。我們投產全彩屏產品上，都是使用具有高導熱、導電性能的銅支架，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，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，這種烘烤工藝經我們大量的實驗，可以提高膠水的Tg點，而且最為關鍵的是它可以有效地降低膠水的內應力，這就大大地提高了產品的信賴性。
白平衡設計
根據(jù)客戶的需求，我們總結出一套自己的計算方式，客戶只要說明所需要的亮度和顯示屏的點間距，我們就可以做出一個完美顯示屏的配光方案，為方便下面的介紹，我先介紹幾個術語及定義給大家認識。
白平衡：將三種顏色調配到一種設想的白色過程，調配可分兩個內容：顏色和亮度。
設定固定條件：溫度、電壓、選用電源線。
設定顏色目標及范圍（公差），一般是指目標顏色的X，Y值。
進行白色亮度調節(jié)。
混合色的總亮度等于組成混合色的各種顏色的亮度總合稱為亮度相加定律，且兩顏色相加產生的第三種顏色總是位于連接此兩種顏色的直線上。
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）代表產生混合色的紅、綠、蘭三原色的單位，R、G、B、C分別代表紅、綠、蘭和被匹配顏色的數(shù)量，當達到匹配時：
C（C）≡R（R）≡G（G）≡B（B）
≡表示視覺上相等，R、G、B為代表量，可以為負值。
請參看下圖：
CIE 1931 色度圖
我們先介紹一個重心定律給大家，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，這其實就是一個白平衡的示意圖，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再合蘭色混合，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+Z1 C=X2+Y2+Z2
X1、Y1、Z1；X2、Y2、Z2為蘭光和混合色C的三刺激值（在顏色匹配實驗中，與待測色達到匹配時所需要的三原色的數(shù)量，稱為三刺激值）。
重心定律就是：
CW/BW=B/C=（X1+Y1+Z1）/（X2+Y2+Z2）
也就是CW的距離與C成反比，即混合色中C所占的比重越大，CW的距離越短，這就和白燈制作時大家的經驗一樣，熒光粉的量越多，光色越偏黃（即CW越短）。
這是需要明確的一點是，混合色的色品座標與已知色的色品座標之間沒有線性疊加的關系，而混合色的三刺激值與已知色之間存在著線性疊加的關系。因此，在顏色相加混合計算中總是先計算三刺激值，再求色品座標。
這里混合色W的三刺激值：
X=X1+Y1 Y=Y1+Y2 Z=Z1+Z2
此結論也可以推廣到更多種顏色相加混合，只要求出它們的三刺激值之和，便能求得混合色的三刺激值。
當已知顏色的色品座標為x，y及亮度L時可以用下式求得此顏色的三刺激值。
X=x/y × L Y=L Z=z/y × L=（1-x-y）/y × L
下面給大家介紹我們的計算方法：
1. 首先要將面光源轉為點光源，得出W點的亮度值，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mcd。用顯示屏的總亮度除以每平方米的點數(shù)即可。
2. 尋找R、G兩種顏色配色后的座標（已知R、G、B、W四點座標計算BW直線的延長線的交點可得出C點座標。
3. 根據(jù)重心定律可計算出C點的IV值（已知W點的IV值）。
4. 根據(jù)補色原理，可以得出B、G、R的IV值。
5. 根據(jù)所需的IV值計算所需用的電流值（前提是已知20mA的IV值，且近似認為IV與電流成正比）。
說明：
1. 該方法可計算R/G/B各需要的LED數(shù)。
2. 可近似的計算在使用過程中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。
2.1. IV與電流不一定完全成正比關系。
2.2. 所知道的LED的IV、WD為一平均值。
故在調白平衡時，還要根據(jù)實際情況，略作調整，不能完全照此數(shù)值來進行調節(jié)。
也許你認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)這個知識就很方便地計算出每種顏色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，那么我們應該怎樣來計算我們的LED每種顏色到底需要多高亮度。
1. 先計算每一平方米的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，則可按以下方法計算 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.但以上計算方法只能很粗略地計算，而且有一點要特別注意，由于LED裝上屏后，要封上一層黑膠，這會降低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)我們多年的經驗，為使顯示屏達到在陽光下圖像清晰所必需的5000Nit，最好將設計值提高30%，即為6500Nit比較安全。
Lens的光學設計
其實LED就是一個十分精密的光學系統(tǒng)，碗杯、晶片和Lens的搭配要十分得當才是一個好的光學設計，一般地說，我們原來大部份封裝廠都沒有很重視這一點，這也是我們的顯示屏技術落后的一個很重要的原因，我們經過大量的分析，發(fā)現(xiàn)紅色晶片和雙墊極的綠、蘭色晶片，在晶片的材質、各結構層的厚薄、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在左右各90度的范圍內保持高度一致，須使用不同的光學Lens，由此公司投入力量研制出了兩幅光學Lens（模條），一幅為RED晶片專用，另一幅為綠、蘭色專用，這樣我們就成功地解決了這個多年的難題，下面我們將這兩種方法的R/G/B三色配光圖作一比較，以便大家更明確。
前兩幅圖是雷曼光電自行研制產品的配光效果，后兩幅是以前用公模的產品的配光效果，從圖中可以看出，原來公模的產品在50度角度左右可能會偏紅，要調整到比較理想的效果比較困難。雷曼光電自行研制的產品考慮到了客戶的這種需求，在左右90度的三種顏色的配光都較為理想，這就為顯示屏的白平衡調節(jié)提供了強有力的支持。 在全彩顯示屏用橢圓燈的產品開發(fā)設計中，我們還必須考慮到一個實際應用的的問題，即做成模塊之后的整體配光效果，除了做成模塊實際觀察之外，我們還可以借助理論分析的方法來找出設計中的不足，現(xiàn)將我司的經驗提出與大家共享。同樣，下圖中的X軸為LED的發(fā)光角度，Y軸為LED的相對發(fā)光強度，對一個理想的配光方案來說，我們希望它的光強分布在（COSX+COS2X）/2上，考慮到實際上LED生產過程中的種種變異因素，它可以有一定的偏差，我們假定這個偏差是5度，那么我們所設計產品的光強分布須壓在（COS（X+5）+COX2（X+5））/2與（COS（X-5）+COX2（X-5））/2之間，這樣可以保證模塊在整個觀察角度都能保持高度的一致。
上圖中的標準線1，標準線2，標準線3的含義如下： 標準線1：（COSX+COS2X）/2 標準線2：（COS（X+5）+COX2（X+5））/2 標準線3：（COS（X-5）+COX2（X-5））/2
壓在三條標準線之間的是我們雷曼R/G/B的光強分布曲線，從圖中可以看出，我們的產品設計是能夠滿足高品質顯示屏需求的。
對于屏體來說，屏體的光強分布是用某一角度（X）的相對發(fā)光強度L比上此角度（X）的余弦值，即L/COSX，這樣，我們可以得到理論上屏體的光強分布，雷曼R/G/B屏體理論配光曲線如下左圖所示：
從上面兩幅分析圖我們可以清楚看到這兩種不同設計的區(qū)別，經過精心設計的配光方案在實際應用中的優(yōu)勢就充分體現(xiàn)出來了。
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