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可提高液晶電視LED背光效率的技術(shù)

2011-02-17

                                              可提高液晶電視LED背光效率的技術(shù)

       全球紡織采購(gòu)供應(yīng)鏈色彩解決方案商——天友利，近幾年來(lái)，越來(lái)越多的頂尖零售商和服裝品牌廠家選擇天友利作為自己的優(yōu)選或共選色彩技術(shù)提供商。產(chǎn)品涉及行業(yè)：塑料、 涂料、 紡織、 汽車、 化妝品、 數(shù)碼影像、 印前 、印刷、 油墨、 色覺(jué)測(cè)試、 包裝等。
LED相對(duì)于CCFL的大缺點(diǎn)是發(fā)光效率低,CCFL通常在80~100流明/瓦,而LED的發(fā)光效率只有60～80流明/瓦。但由于CCFL是圓柱形,它所發(fā)出的光是無(wú)方向性的。當(dāng)它放在LCD屏幕下方時(shí),盡管采用半圓形反光鏡,可以認(rèn)為仍然有相當(dāng)多的一部分光被浪費(fèi)掉了。而LED通常采用側(cè)光輻射,它的光可以比較有效地利用。因此從總體來(lái)看,它的效率仍然比CCFL要高,而且LED的發(fā)光效率還在逐年提高。
 過(guò)去都是采用白色LED作為背光,為得到更好的色域表現(xiàn)能力,改為采用RGB三色的LED來(lái)混合成白色,但是這樣做需要更多的LED。而且由于本來(lái)就需要顯示彩色,完全沒(méi)有必要先將RGB的彩色混成白色,再用RGB濾色片濾出彩色。為此三星公司推出了一種無(wú)濾色片的RGB場(chǎng)順序 LED背光技術(shù)。
用場(chǎng)順序方法除去濾色片
    但是,想要直接用RGB的LED來(lái)取代濾色片看上去好像很簡(jiǎn)單,其實(shí)是不可能的。因?yàn)闉V色片是把每一個(gè)像素都分成三種不同顏色的子像素,如果直接用三種顏色的LED來(lái)取代濾色片,就必須采用小到和子像素尺寸一樣大的LED來(lái)照射每一個(gè)子像素,才不會(huì)使紅光照到綠光的子像素上。這樣,LED的個(gè)數(shù)就要幾百萬(wàn)個(gè)之多。為維持像素?cái)?shù)不變的方法是重復(fù)使用這些像素,也就是采用時(shí)分復(fù)用制。這樣只要順序地發(fā)射出紅光、綠光、藍(lán)光,同時(shí)控制每個(gè)像素的薄膜晶體管(TFT),使其相應(yīng)地按照該像素在這種顏色時(shí)所應(yīng)當(dāng)具有的的強(qiáng)度來(lái)開啟液晶光閥。但是,要順序地發(fā)出紅、綠、藍(lán)三種顏色,并能形成一個(gè)彩色的視頻圖象,就必須利用人眼的視覺(jué)殘留作用。只要這三種顏色順序重復(fù)的周期小于人眼的視覺(jué)殘留時(shí)間,就可以在人們的大腦中形成一個(gè)彩色的圖象。視覺(jué)殘留時(shí)間實(shí)際上就是電視的場(chǎng)頻周期,在PAL制中為五十分之一秒。這也就要求在五十分之一秒的時(shí)間內(nèi)必須完成紅、綠、藍(lán)三個(gè)圖象的顯示。因此,這種方式被稱為“場(chǎng)順序”體制,也有人稱之為“色順序”體制。它的工作時(shí)序如圖1所示。
 
       場(chǎng)順序?qū)嶋H上就是讓液晶屏順序地發(fā)出三種不同顏色的圖象,然后靠人腦來(lái)合成彩色圖象。從人眼感受到的效果來(lái)看是完全一樣的。雖然在硬件實(shí)現(xiàn)上產(chǎn)生了極大的差異,但它卻帶來(lái)了很多優(yōu)點(diǎn)。
 
首先,這種方法省去了彩色濾色片,而濾色片是光能的主要吸收者,它會(huì)損失光能70％以上。圖2表明了光能從光源出發(fā)以后所受到的損失。
 
拿掉濾色片以后,不但能免除了濾色片70％的光能損失,而且還可以節(jié)省濾色片的成本。濾色片的成本在總成本中占19％,是相當(dāng)可觀的一部分(見圖3)。實(shí)際上,省去濾色片以后,還可以提高成品率,減少生產(chǎn)時(shí)間,這些無(wú)形的改進(jìn)都十分重要。
 
       其中背光源的25％成本是基于CCFL的數(shù)據(jù),如果采用LED作為背光源,它所占的成本將大大超過(guò)這個(gè)比例,大約要占到50％的成本。采用場(chǎng)順序制以后,拿掉了濾色片就相當(dāng)于發(fā)光效率提高了70％,這是非?？捎^的。這意味著LED的數(shù)量可以減少70％,LED的成本就可以減少70％。而且LED數(shù)量減少70％以后,其發(fā)熱量可以減少70％,耗電也可以減少70％。
  不僅如此,采用場(chǎng)順序以后,由于不需要再把每一個(gè)像素分為三個(gè)子像素,薄膜晶體管TFT也可以減少三倍,因此相當(dāng)于像素面積加大了三倍；或者說(shuō),如果保持像素面積不變,在相同的屏幕尺寸下,可以將分辨率提高三倍(見圖4)。

       由此可見,采用場(chǎng)順序后所帶來(lái)的好處是不計(jì)其數(shù)的。
      場(chǎng)順序的主要問(wèn)題是要求液晶的響應(yīng)時(shí)間要快。尤其是如果采用了100Hz或120Hz的場(chǎng)頻,就要求其響應(yīng)時(shí)間小于3ms甚至更短。近的研究成果表明,采用摻入金屬納米的方法,可以把液晶的響應(yīng)時(shí)間縮短到500微秒。
 
  不過(guò),也只有采用場(chǎng)順序以后才能使得LED背光實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,也才能夠真正和CCLF競(jìng)爭(zhēng)。
  三星公司在06年推出了幾款采用場(chǎng)順序的LED背光液晶電視機(jī)。其中一款為40寸的LE40M91,它的分辨率為1366×768,色域達(dá)到110％,對(duì)比度可達(dá)10,000:1,亮度可達(dá)450cd/m2,場(chǎng)頻為100Hz,背光系統(tǒng)的功耗比CCFL降低了70％。背光板的壽命提高一倍以上,更重要的是不含汞,符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。它的售價(jià)為3,000美元。
  區(qū)域亮度控制
  采用LED背光時(shí),過(guò)去存在一個(gè)如何使屏幕的亮度均勻的問(wèn)題,通過(guò)采用區(qū)域亮度控制不但能夠解決亮度均勻的問(wèn)題,而且還可進(jìn)一步降低背光功耗。這是因?yàn)閷?shí)際的圖像在每個(gè)具體部位的亮度是不一樣的,可能有的區(qū)域較亮、有的區(qū)域較暗,所以完全沒(méi)有必要在整個(gè)屏幕采用均勻亮度的背光,可以采用根據(jù)圖象內(nèi)容決定的區(qū)域亮度控制。實(shí)現(xiàn)方法是：將整個(gè)屏幕分隔為例如20個(gè)等份,根據(jù)圖象內(nèi)容測(cè)出其更高亮度,確決該區(qū)域所需的背光亮度,然后對(duì)該區(qū)域的背光LED亮度利用PWM技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。在采用背光的區(qū)域亮度控制以后,該區(qū)域的圖象信號(hào)也應(yīng)加以相應(yīng)的補(bǔ)償,以免產(chǎn)生亮度失真。
  顯然,CCFL背光是不可能實(shí)現(xiàn)這種區(qū)域亮度控制的,一方面是因?yàn)镃CFL的形狀是長(zhǎng)條形,根本無(wú)法按屏幕分成20個(gè)等份的區(qū)域；另一方面則是因?yàn)樗牧炼纫膊豢赡馨凑請(qǐng)D象的內(nèi)容進(jìn)行快速調(diào)整。不過(guò),在采用LED作為區(qū)域亮度控制時(shí),只能采用直下式背光,而不能采用側(cè)射式。
  在2006年SID會(huì)議上,臺(tái)灣交通大學(xué)提出了一種整體上是直下式,而單個(gè)來(lái)看卻是采用側(cè)射式的LED,從而提高了其光線利用率,減少了所需LED數(shù)目并提高了效率。這種技術(shù)主要是采用側(cè)射式LED搭配以六角形導(dǎo)光單元(見圖5)。
 。
由圖中可見,在270×480mm的面積里,一共需要R、G、B各14顆,總共42顆側(cè)射式LED(圖6)。
 
       對(duì)于32寸的屏幕,其面積比上述面積大2.22倍,所以大約需要93顆LED,這一數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于一般的直下式背光系統(tǒng)。但因?yàn)椴捎昧切蔚慕Y(jié)構(gòu),所以只能采用RGB,而無(wú)法采用RGGB。這要求綠色的LED要有足夠大的光輸出。 
      近三星公司推出了70英寸的LED背光液晶電視PAVV LED 70(LA70F91BD),它實(shí)現(xiàn)了上下左右180度的視角,采用了120Hz驅(qū)動(dòng),使影像響應(yīng)時(shí)間提高到8ms。并且采用了三星公司的LED智能光源技術(shù)(Smart Lighting),即區(qū)域亮度控制(Local Dimming)。它把整個(gè)屏幕分為192個(gè)區(qū)域。根據(jù)輸入的圖象的內(nèi)容來(lái)分別調(diào)節(jié)各個(gè)區(qū)域的亮度,從而顯著地提高了畫面的對(duì)比度和色彩表現(xiàn)能力。其分辨率為1920×1080,亮度600cd/m2,對(duì)比度達(dá)到2,000:1,動(dòng)態(tài)對(duì)比度達(dá)到50萬(wàn):1,可以顯示10億7,000萬(wàn)種顏色。而且耗電量也降低了50％,延長(zhǎng)了液晶屏的壽命。而且,通過(guò)高速影像模式(LED掃描),能夠?qū)崿F(xiàn)圖像無(wú)抖動(dòng)無(wú)殘像的影像畫質(zhì)。產(chǎn)品厚度控制在149mm。
 
韓國(guó)LG公司稱這種技術(shù)為AFLC(Area Focused Luminance Control,即區(qū)域聚焦亮度控制)技術(shù),而日本的NEC稱之為AGCPS(Auto Gama Control and Power Saving, 即自動(dòng)伽碼控制和功耗控制),采用這種技術(shù)以后,功耗還可以減少一半。
      因此,如果把場(chǎng)順序和區(qū)域背光相結(jié)合,就有可能把整個(gè)背光系統(tǒng)的功耗降低到CCFL的一半以下。這是非常驚人的功耗節(jié)省。
  本文小結(jié)
       采用LED作為液晶電視的背光已經(jīng)是不可逆轉(zhuǎn)的潮流。根據(jù)Insight Media 在2006年作出的估計(jì),用LED背光的LCD TV將在2010年超過(guò)CCFL背光的液晶電視機(jī)。估計(jì)的絕對(duì)數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏小,但是相對(duì)值還是可信的。
 
      LED背光看上去好像沒(méi)有什么太復(fù)雜的技術(shù),只要把LED點(diǎn)亮就可以。但如果要應(yīng)用到液晶電視中就涉及很多非常復(fù)雜的技術(shù)。這種技術(shù)是生產(chǎn)背光板的企業(yè)所不能單獨(dú)完成的,而必須由生產(chǎn)液晶電視機(jī)的企業(yè)、生產(chǎn)背光板的企業(yè)和生產(chǎn)LED驅(qū)動(dòng)芯片的企業(yè)三方緊密合作才有可能完成。如果不盡早起步,我們又將遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于日本和韓國(guó),甚至?xí)僖淮蚊媾R繳納巨額專利費(fèi)的困境。“中國(guó)是家電生產(chǎn)的大國(guó),但是不是家電生產(chǎn)的強(qiáng)國(guó)?！蔽覀儽仨殢氐赘淖冞@個(gè)狀況！的方法就是加大研發(fā)投入。美國(guó)的很多企業(yè)都將營(yíng)業(yè)收入的20％以上用于研發(fā)。希望將來(lái)政府也要鼓勵(lì)和支持企業(yè)加大研發(fā)的投入,這才是中國(guó)企業(yè)的出路。
      深圳市天友利標(biāo)準(zhǔn)光源有限公司主營(yíng)產(chǎn)品：標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)色燈箱、英國(guó)-美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)光源箱、汽車檢測(cè)光源、鏡頭攝像頭測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)光源、印刷行業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)光源、電腦測(cè)色儀、分光密度儀、色卡、分辨率卡、色溫照度計(jì)等光學(xué)儀器。