LED在大尺寸液晶顯示器里的應用

中國電子科技集團公司第五十五研究所平板事業部 昌永龍 荊建新

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LED在大尺寸液晶顯示器里的應用

中國電子科技集團公司第五十五研究所平板事業部 昌永龍 荊建新

【摘要】液晶顯示器（TFT-LCD）近年來已經成為顯示領域的主導產品，在傳統的TFT-LCD背光模組中，冷陰極燈管（CCFL）技術成熟且有成本優勢，目前仍是主流的光源。由于節能環保的要求，含汞成份的CCFL漸漸被具耗電少，效率高和壽命長以及色飽和度高的發光二極管（LED）取代。由于筆記型、桌上型和液晶電視LCD產品規格和要求不同，LED的選擇和遇到的技術問題以及解決方案也有所不同，其中成長最快也最具潛力的市場是液晶顯示屏（LCD）的背光應用，幾年間白色發光二極管已經隨著小型顯示屏的背光應用逐漸普遍。

【關鍵詞】LED；大尺寸液晶顯示器；應用

0.引言

過去幾年，發光二極管（LED，LightEmittingDiode）的應用領域進行了巨幅的擴展，目前幾乎所有移動電話中的彩色液晶面板都由發光二極管提供背光，最近白色發光二極管更開始邁入需要更高性能和更長工作時間的膝上型顯示屏背光應用，然而發光二極管在進入大尺寸顯示屏，如個人電腦顯示屏與電視應用的路途上并未順利，因為除了更佳性能和更長工作時間外，大型液晶面板需要使用如紅、綠、藍（RGB）這類發光二極管來創造更豐富的色彩范圍，才能提供比使用CCFL背光更好的采購誘因。

1.LED存在問題

盡管LED背光具CCFL無法比擬的優勢，但是目前還有一些因素阻礙著LED背光源技術的迅速普及:（1）其價格相當昂貴，同等尺寸的背光源，LED約為CCFL價格的4倍；（2）目前LED背光源的光效率還不夠高，同等尺寸顯示屏比CCFL耗電量高；（3）在散熱方面也是LED背光急待解決的難點之一，高功耗不符合目前環保理念，這需要LED在材料、工藝等方面進行改進。

2.LED在大尺寸液晶顯示器里的應用

2.1大功率LED背光模組設計

直下式LED背光模組的發展大概經歷了三個階段:

階段1:采用多顆小功率LED均勻陣列式排布。其優點是畫面亮度高，均勻性好，顯示效果細膩，且有利于實現區域調兄算法，進行區域控制LED調光；缺點是使用較多數量的LED，導致制造成本較高，散熱設計需求增大。該方式己基本退出市場；

階段2:采用二次透鏡光學設計，增大LED光源發光角度。其優點是LED顆數急劇少，成本也降低很多；缺點是背光模組厚度較大。由于液晶顯示器厚度和均勻性不高等問題，市場表現不如預期，正逐步退出市場；

階段3:進一步優化光學透鏡，增大發光角度。其優點是在不增加LED顆數一的情況下，進一步降低了混光高度；兼顧了外觀和成本，性價比較高；缺點是厚度相較于側入式產品，仍處于劣勢。但隨著技術的進步，繼續降低該背光結構的厚度也未嘗不可。

2.2即插即用

目前在大尺寸液晶顯示屏幕上業界通常還是使用CCFL，因此在安裝時不需回焊的程序，同時并面向不同尺寸的顯示屏提供各種不同長度的CCFL燈管，CCFL的亮度可以通過在背光模塊中加入更多的燈管來提高，也就是說，整個安裝程序是方便的即插即用方式，因此我們必須要能夠將背光模塊制造商由CCFL轉換到發光二極管所增加的額外付出減到最低才能夠讓這項選擇變得更具吸引力。COB發光二極管模塊在設計時采用長條型，目的是能夠依面板尺寸和亮度要求采水平或垂直方式堆棧組合，每個COB模塊都具備用來進行電氣連接的標準連接器，同時每個色彩信道都可以分別定址，帶來高彈性的驅動電路設計，安裝則可以使用M3螺絲，因此，可以免除發光二極管組裝程序中復雜的回焊過程。

2.3LED動態背光的控制方法

2.3.1OD整體調光

OD整體調光，通過分析畫面全局的亮度來確定整個背光的相交，同時適用于CCFL背光和LED背光系統。這種調光方法實現簡單，但是這種調光方法由于采用全局畫面亮度分布做調光依據，并且畫面所有區域的背光降到同一的亮度，導致畫面的亮景部分容易出現大面積的失真，功耗降低能力也不是很理想，實用性不高。

2.3.2ID分行調光

ID分行調光，就是將畫面分作幾行不同的背光塊，每行的背光塊根據自己行內對應的圖像亮度分別調光，其中，每一行背光可以是一組CCFL燈管，也可以是一組LED陣列，因此，這種調光方法也同樣適用于兩種背光系統。ID分行調光，相較于OD整體調光細化了調光區域，調光準確性與降低功耗能力都有一定提局。

2.4球形端面光纖直接耦合

通常情況下，通過多種方式都可以獲得球形光纖端面，比較典型的如：（1）在光纖端面上制造一個樹脂的半球透鏡，這種方案比較簡單；（2）在光纖的端面燒制特殊形狀的端球，一般可以采用電弧、氣體火焰或者大功率激光器充當燒制的熱源，這種方案比較實用。在熱源的作用下，光纖端面熔化后經過自然冷卻，在表面張力的作用下，進而在一定程度上就會形成各種不同弧度的圓球形端面，并且熱源的溫度、光纖與熱源之間的距離等因素決定著圓球的曲率半徑。在耦合過程中，采用球形光纖端面一方面可以提高半導體激光器與光纖的耦合效率，另一方面可以通過實驗對光路進行調試。球形端面光纖的耦合實際上已經在前面組合透鏡與光纖設計中闡述過。

2.5散斑抑制

以激光為光源照射屏幕時，由于激光的相干性及屏幕的粗糙，導致人眼看到被散斑覆蓋的圖像，嚴重影響圖像顯示質量，阻礙觀察者從圖像中提取有用信息。因此，如何消除散斑一直是以激光為光源的光學儀器領域和顯示技術領域中的研發熱點。而就目前的研究結果來看，為消除散斑所用的方法大致可以分為兩大類：（1）通過控制激光光源的時間相干性來降低散斑，其原理是通過調整激光波長（或者頻率）及多波長光源產生沸騰散斑，目前通過控制激光時間相干性成功消除散斑達到實用要求的技術方案以多光源疊加為主；（2）通過控制激光光束空間相干性消除散斑。基本原理是通過調整激光光束中基元光波的相位分布，從而改變散斑的空間分布，將多個散斑圖像在人眼積分時間內相疊加，得到一個光能分布均勻的圖像，進而實現消除散斑的目的。

2.6LED分區背光光擴散

應用區域動態調光技術的液晶顯示器，在各分區背光確定之后，為了保證背光降低后顯示圖像的亮度和效果，還需要對液晶像素進行精確補償。如不考慮光線的擴散，將分區背光值矩陣直接擴大至圖片像素尺寸，可以看出，調光后的圖像具有明顯的分區，顯示效果人眼根本無法接受。因此，在調光算法中也需要考慮光線在背光模組中傳播時的擴散作用，然后再對液晶像素進行補償。但LED發出的光線到達液晶思示器的亮度和均勻性通常和背光模組各組成部分結構及其性能息息相關，其中包括LED的發光功率、LED之間的間距、LED和擴散板之間的距離、擴散板和擴散膜的厚度及使用數量、擴散板和擴散膜的霧度和光線透過率性能及各膜系之間的空隙等。要精確得到不同亮度下LXK個背光分區經過背光模組各部分擴散后變為MXN個精密像素的亮度，必須知道上述所有的參數。而實際中，這些參數往往是很難全部精確獲知的。從而會影響到區域調光算法的可行性。

3.結束語

從LED液晶電視問世W來，降低其能耗和提高其對比度的研巧工作就一直在進行。液晶作為一種非自主發光型顯示器件，其本身無法主動發光，而是通過背光源LED發出的光線來照亮液晶面板，顯示不同的畫面。因而一直W來，降低液晶電視能耗的重點都放在背光源LED的發光效率的提升上。但對背光源LED的改善在不斷進行，進一步提升效率的空間也就越來越小。

參考文獻

［1］張志豪.LED用于背光模組之發展及散熱問題［J］.工業材料.