一種RGB三原色背光實現廣色域的技術

周明 高偉 溫存

摘 要：色域為衡量顯示器色彩再現能力的物理量，通常顯示器的色域越廣，所能顯示的顏色范圍越廣。本文主要介紹了一種使用紅綠藍三種原色晶片的燈珠作為背光，實現廣色域的方法。由于燈珠的白光由紅綠藍三種晶片發出的單色光混合而成，因此半峰寬非常窄，通過液晶玻璃后可以達到很高的色域。

關鍵詞：液晶顯示器；廣色域；三原色

0 引言

隨著液晶顯示器的推廣及液晶背光模組技術的快速發展，液晶顯示器的市場需求，不僅體現在智能化、薄形化、大屏幕化，而且體現在液晶顯示最核心的顯示效果上。顯示效果包括亮度，可視角，色彩還原能力等。色域作為衡量色彩再現能力的物理量，不少廠家都推出了廣色域液晶顯示器。本文重點介紹的是使用RGB三原色燈珠作為背光的方法（以下簡稱RGB三原色背光）。

1 廣色域實現原理

色域通常用%NTSC表示，它是顯示器原色與NTSC 所定義的三原色在CIE 193l色度圖上所圍成的三角形面積之比，一般當數字大于80%時可稱為廣色域；

液晶顯示器構造中影響色域的關鍵因素是背光源和CF。CF實際由R、G、B三種濾光片組成，不同波段的光線有不同的通過率，只有與濾光片光譜相近的光源才能更好地透過濾光片，因此為實現廣色域，需要構成背光源的RGB三色峰值接近CF的RGB三色峰值，同時，白光的RGB三色半波寬需越窄越佳。

目前實現廣色域使用最多的兩種方法是：

①使用新紅粉LED：較多采用綠粉為β-SiAlON，紅粉為氟化物，峰值波長固定（630 nm），半波寬窄 （<30 nm）[1]，一般色域達到的80%～90%；

②藍光LED加量子點：較多采用藍光LED激發紅綠量子點材料，發出的紅光、綠光與LED自身的藍光復合產生白光。激發的紅光和綠光半峰寬非常窄（一般可達（25～30） nm），一般色域達到100%。

2 RGB三原色背光技術特點

2.1 RGB三原色背光工作方式

RGB三原色背光技術是本文重點介紹的一種實現高色域的方法，其主要結構包括使用了三種晶片的LED燈珠、燈條PCB，透鏡、普通光學膜材、液晶面板等。

LED是由R（紅）G（綠）B（藍）三顆芯片封裝到同一個EMC支架上，分別由不同電流單獨控制，可以單獨發出紅，綠，藍三種單色光；

紅綠藍三種顏色的光經透鏡、光學膜材后混合成白光面光源；為了得到混色均勻的白色面光源，三種晶片在LED內部成品字型排布，燈珠與燈珠間三種晶片同樣成品字型排布，同時需要搭配效果匹配的透鏡。

由于RGB燈珠的三種顏色的光分別由紅綠藍三種晶片發出，半峰寬非常窄，混成白光通過CF后可以達到很高的色域。

2.2 RGB三原色晶片選擇

當液晶面板及光學架構固定時，液晶顯示器的基礎紅色、綠色和藍色坐標分別由LED中的紅綠藍晶片波段決定；為了得到更廣的色域和最佳的純場色坐標點，LED三種晶片需要選擇與液晶玻璃濾光片對應的特定波段；為了保證三種晶片發出的紅綠藍光混成均勻的白光，各晶片電壓檔、亮度檔和色塊分布，均需要按需求提前設定在盡可能小的范圍內。考慮到藍光對人體的傷害，藍光晶片選擇時可選擇靠近460 nm左右的護眼藍光波段，遠離450 nm左右對人體較高傷害的波段。

2.3 RGB三原色背光電流確定

LED的RGB三種晶片的最大額定電流不同，使用時不能超過晶片的最大額定電流；

LED的RGB三種晶片需要不同的電流單獨控制，比例不同時，得到的液晶顯示器白場（基礎白色）的坐標和亮度不同。如想增大白場坐標X值可適當提高紅光電流的大小，如想增大白場坐標Y值可適當提高綠光電流的大小。考慮白色背光中綠光占比大，如想提高亮度，可適當提高綠光電流的占比。

2.4 RGB三原色背光色域

按給定的白場坐標調整好RGB三種顏色的電流后，經測試得到紅綠藍純場畫面下的色坐標值，按NTSC規定的標準和方法測試出色域范圍，色域達到112.9%NTSC。

2.5 RGB各晶片老化一致性

RGB三原色背光LED使用了三種不同的晶片，并在不同的電流下工作，如果三種晶片的衰減速度相差太多或某一種晶片壽命不合格時，會影響到混合成的白光的效果，因此有必要測試三種晶片的衰減速率和壽命的一致性；

如表1為45 ℃環境溫度下RGB三原色LED老化1 200 h后光通量及色坐標數據。其中編號LB1 R 150代表紅光燈條，工作電流為150 mA；LB2 G 150代表綠光燈條，工作電流為150 mA；LB3 B 120代表紅光燈條，工作電流為120 mA；溫度和電流的設定是為了加速老化實驗進程。每隔240 h后測量各色晶片的光通量Φ（單位l m）及色坐標數據x和y值。

由表可知：三種晶片的光通量衰減大致趨勢相同，1 200 h后紅綠藍衰減率分別為2.24%、2.61%和0.41%，衰減率大致相同；三種顏色色坐標衰減率最大為-0.31%，三種晶片的色坐標變化量均較小；總體來看RGB燈珠的三種晶片長時間工作時均能保持相對穩定的狀態，同時混合成的白光也能保持在相對穩定的狀態。

2.6 RGB各晶片壽命

根據阿倫尼烏斯（Arrhenius）模型，LED器件衰減是隨工作時間t變化，可表示成指數關系[2]：Φ（t）= exp（-λt），其中，光衰減常數λ=Aexp[-Ea/（k×T）]

因此，Φ（t）=exp（-λt）=exp{-A×t×exp[-Ea/（k×T）]}

上述公式中，Φ（t）為某一溫度下的加電工作時間t后的亮度；A為常數；Ea為激活能，單位eV；K為波耳茲曼常數（K=8.617×10-5 eV/°K）；T為LED結溫，單位為°K（°K=℃+273）。在已知兩組數據（LED結溫T1時光衰常數λ1，LED結溫T2時光衰常數λ2）的前提下，可得：

λ2=λ1exp[（Ea/K）×（1/T1-1/T1）]

Ea/k=[ln（-t2×lnΦ1）-ln（-t1×lnΦ2）]/（1/T2-1/T1） A=-（ln Φ1）/{t1×exp[-Ea/（k×T1）]}

壽命 L（p）=-ln（p/100）/{A×exp[-Ea/（k×T）]}

通常將LED亮度衰減到初試亮度的50%時定義為失效，則p/100=50/100，若老化1 200 h時老化光衰n%，則亮度衰減50%時壽命方程：

t=1 200×ln0.5/ln（1-n%）；

由表4老化1 200 h各晶片亮度衰減數據我們可以計算出：

紅光壽命（B1）=36 715 h

綠光壽命（B1）=31 451 h

藍光壽命（B1）=202 456 h

根據上述計算結果，三種晶片壽命均大于30 000 h的使用壽命，滿足一般背光壽命要大于30 000 h的需求；考慮老化試驗中樣品數量偏少和老化時長不是足夠長的原因，以上壽命僅作為參考來看。

3 效果對比

本文選擇了和三種不同背光技術的液晶電視作為比較：常規LED（通常是YAG LED）背光、新紅粉LED （KSF LED）背光和量子點液晶電視。

由廣色域實現原理可知，背光源的光譜對色域有很大影響。YAG LED背光紅綠段波長半波寬較大，KSF LED背光電視的燈珠紅光波段半波寬較窄，綠光段半波寬較大；藍光燈珠需要激發量子點膜后產生綠光和藍光[3]；RGB三原色背光紅綠藍光三種波段半波寬都比較窄。波段易通過液晶玻璃CF后產生較高的色域。

從色域測試數據表2來看：YAG LED為普通色域，色彩表現最普通；KSF LED色域可達到95%左右，色彩表現相較于普通色域有大幅提升；藍光加量子點方案的電視，色域達到了100%NTSC以上，色彩表現絢麗；RGB三原色背光的色域是最出色的，色域面積最廣超出110%，實現了更絢麗、更真實的色彩表現，顏色更有層次感。

4 綜述

隨著液晶顯示技術的繼續發展，實現廣色域技術仍然是提升顯示器性能的重要方面之一。目前已有各種各樣的實現廣色域的方法，但現有方法中不少存在這樣那樣的問題，探索新的實現廣色域的方法，需要綜合考慮可靠性、性能效果、綜合成本等。RGB三原色背光技術，經過一系列測試比較，已可以實現甚至超過目前主流技術的廣色域的效果，綜合性價比存在很大優勢，值得后續繼續研究推廣。

參考文獻：

[1] 董春輝.LCD背光高色域顯示原理與氟化物熒光粉解決方案[R/ OL].（2016-11-09）.https：//www.docin.com/p-1988401601. html.

[2] 劉熙娟，溫巖，朱紹龍.白光LED的使用壽命的定義和測試方法[J].光源與照明，2001（04）：16-22.

[3] 周忠偉，孟長軍，王磊，等.液晶顯示器廣色域技術的研究[J].發光學報，2015（09）1071-1075.