一種RGB三原色背光實(shí)現(xiàn)廣色域的技術(shù)

0   引言

隨著液晶顯示器的推廣及液晶背光模組技術(shù)的快速發(fā)展，液晶顯示器的市場(chǎng)需求，不僅體現(xiàn)在智能化、薄形化、大屏幕化，而且體現(xiàn)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(xiàn)能力的物理量，不少?gòu)S家都推出了廣色域液晶顯示器。本文重點(diǎn)介紹的是使用RGB三原色燈珠作為背光的方法（以下簡(jiǎn)稱RGB三原色背光）。

1   廣色域實(shí)現(xiàn)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(dāng)數(shù)字大于80%時(shí)可稱為廣色域；

液晶顯示器構(gòu)造中影響色域的關(guān)鍵因素是背光源和CF。CF實(shí)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(guò)率，只有與濾光片光譜相近的光源才能更好的透過(guò)濾光片，因此為實(shí)現(xiàn)廣色域，需要構(gòu)成背光源的RGB三色峰值接近CF的RGB三色峰值，同時(shí)，白光的RGB三色半波寬需越窄越佳。

目前實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)固定（630 nm），半波寬窄（＜30 nm）[1]，一般色域達(dá)到的80%-90%；

②藍(lán)光LED加量子點(diǎn)：較多采用藍(lán)光LED激發(fā)紅綠量子點(diǎn)材料，發(fā)出的紅光、綠光與LED自身的藍(lán)光復(fù)合產(chǎn)生白光。激發(fā)的紅光和綠光半峰寬非常窄[一般可達(dá)(25~30) nm]，一般色域達(dá)到100%；

2   RGB三原色背光技術(shù)特點(diǎn)

2.1 RGB三原色背光工作方式

RGB三原色背光技術(shù)是本文重點(diǎn)介紹的一種實(shí)現(xiàn)高色域的方法，其主要結(jié)構(gòu)包括使用了三種晶片的LED燈珠、燈條PCB，透鏡、普通光學(xué)膜材、液晶面板等。

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

圖1 RGB LED封裝示意圖

圖2 RGB背光驅(qū)動(dòng)示意圖

圖3 RGB背光架構(gòu)示意圖

紅綠藍(lán)三種顏色的光經(jīng)透鏡、光學(xué)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(nèi)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(shí)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(lán)三種晶片發(fā)出，半峰寬非常窄，混成白光通過(guò)CF后可以達(dá)到很高的色域。

2.2  RGB三原色晶片選擇

當(dāng)液晶面板及光學(xué)架構(gòu)固定時(shí)，液晶顯示器的基礎(chǔ)紅色、綠色和藍(lán)色坐標(biāo)分別由LED中的紅綠藍(lán)晶片波段決定；為了得到更廣的色域和最佳的純場(chǎng)色坐標(biāo)點(diǎn)，LED三種晶片需要選擇與液晶玻璃濾光片對(duì)應(yīng)的特定波段；為了保證三種晶片發(fā)出的紅綠藍(lán)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(shè)定在盡可能小的范圍內(nèi)。考慮到藍(lán)光對(duì)人體的傷害，藍(lán)光晶片選擇時(shí)可選擇靠近460 nm左右的護(hù)眼藍(lán)光波段，遠(yuǎn)離450 nm左右對(duì)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(shí)不能超過(guò)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(dú)控制，比例不同時(shí)，得到的液晶顯示器白場(chǎng)（基礎(chǔ)白色）的坐標(biāo)和亮度不同。如想增大白場(chǎng)坐標(biāo)X值可適當(dāng)提高紅光電流的大小，如想增大白場(chǎng)坐標(biāo)Y值可適當(dāng)提高綠光電流的大小。如想提高亮度，可適當(dāng)提高綠光電流的大小。

2.4  RGB三原色背光色域

按給定的白場(chǎng)坐標(biāo)調(diào)整好RGB三種顏色的電流后，經(jīng)測(cè)試得到紅綠藍(lán)純場(chǎng)畫面下的色坐標(biāo)值，按NTSC規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)和方法測(cè)試出色域范圍，色域達(dá)到112.9%NTSC。

圖4 RGB背光色域

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(shí)，會(huì)影響到混合成的白光的效果，因此有必要測(cè)試三種晶片的衰減速率和壽命的一致性；

如表1為45 ℃環(huán)境溫度下RGB三原色LED老化1 200 h后光通量及色坐標(biāo)數(shù)據(jù)。其中編號(hào)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(shè)定是為了加速老化實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。每隔240 h后測(cè)量各色晶片的光通量Φ(單位lm)及色坐標(biāo)數(shù)據(jù)x和y值。

表1 RGB 晶片衰減

由表可知：三種晶片的光通量衰減大致趨勢(shì)相同，1 200 h后紅綠藍(lán)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(biāo)衰減率最大為-0.31%，三種晶片的色坐標(biāo)變化量均較??；總體來(lái)看RGB燈珠的三種晶片長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)均能保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)混合成的白光也能保持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)；

根據(jù)阿倫尼烏斯（Arrhenius）模型，LED器件衰減是隨工作時(shí)間t變化，可表示成指數(shù)關(guān)系[2]： Φ(t)= exp(-λt)，其中，光衰減常數(shù)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(shí)間t后的亮度；A為常數(shù)；Ea為激活能，單位eV；K為波耳茲曼常數(shù)（K=8.617×10-5 eV/°K）；T為L(zhǎng)ED結(jié)溫，單位為°K（°K=℃+273）。在已知兩組數(shù)據(jù)（LED結(jié)溫T1時(shí)光衰常數(shù)λ1 ,LED結(jié)溫T2時(shí)光衰常數(shù)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(shí)定義為失效，則p/100=50/100,若老化1 200 h時(shí)老化光衰n%，則亮度衰減50%時(shí)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(shù)據(jù)我們可以計(jì)算出： 

紅光壽命(B1)= 36 715 h

綠光壽命(B1)= 31 451 h

藍(lán)光壽命(B1)= 202 456 h

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)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(yàn)中樣品數(shù)量偏少和老化時(shí)長(zhǎng)不是足夠長(zhǎng)的原因，以上壽命僅作為參考來(lái)看。

3   效果對(duì)比

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

由廣色域?qū)崿F(xiàn)原理可知，背光源的光譜對(duì)色域有很大影響。YAG LED背光紅綠段波長(zhǎng)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(lán)光燈珠需要激發(fā)量子點(diǎn)膜后產(chǎn)生綠光和藍(lán)光[3]；RGB三原色背光紅綠藍(lán)光三種波段半波寬都比較窄。波段易通過(guò)液晶玻璃CF后產(chǎn)生較高的色域。

表2 色域?qū)Ρ?/strong>

圖5 光譜對(duì)比

從色域測(cè)試數(shù)據(jù)表2來(lái)看：YAG LED為普通色域，色彩表現(xiàn)最普通；KSF LED色域可達(dá)到95%左右，色彩表現(xiàn)相較于普通色域有大幅提升；藍(lán)光加量子點(diǎn)方案的電視，色域達(dá)到了100%NTSC以上，色彩表現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了更絢麗、更真實(shí)的色彩表現(xiàn)，顏色更有層次感。

4   綜述

隨著液晶顯示技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)廣色域技術(shù)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(shí)現(xiàn)廣色域的方法，但現(xiàn)有方法中不少存在這樣那樣的問(wèn)題，探索新的實(shí)現(xiàn)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(shù)，經(jīng)過(guò)一系列測(cè)試比較，已可以實(shí)現(xiàn)甚至超過(guò)目前主流技術(shù)的廣色域的效果，綜合性價(jià)比存在很大優(yōu)勢(shì)，值得后續(xù)繼續(xù)研究推廣。

參考文獻(xiàn)：

[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(cè)試方法[J].光源與照明,2001(04):16-22.

[3] 周忠偉,孟長(zhǎng)軍,王磊,等.液晶顯示器廣色域技術(shù)的研究[J].發(fā)光學(xué)報(bào),2015(09)1071-1075.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年2月期）