一种RGB三原色背光实现广色域的技术

  作者:周 明;高 伟;温 存(康佳集团股份有限公司,深圳 518053)

  :色域为衡量显示器色彩再现能力的物理量,通常显示器的色域越广,所能显示的颜色范围越广。本文主要介绍了一种使用红绿蓝三种原色晶片的灯珠作为背光,实现广色域的方法。由于灯珠的白光由红绿蓝三种晶片发出的单色光混合而成,因此半峰宽非常窄,通过液晶玻璃后可以达到很高的色域。

  随着液晶显示器的推广及液晶背光模组技术的快速发展,液晶显示器的市场需求,不仅体现在智能化、薄形化、大屏幕化,而且体现在液晶显示最核心的显示效果上。显示效果包括亮度,可视角,色彩还原能力等。色域作为衡量色彩再现能力的物理量,不少厂家都推出了。本文重点介绍的是使用RGB三原色灯珠作为背光的方法(以下简称RGB三原色背光)。

  色域通常用%NTSC表示,它是显示器原色与NTSC所定义的三原色在CIE 193l色度图上所围成的三角形面积之比,一般当数字大于80%时可称为广色域;

  液晶显示器构造中影响色域的关键因素是背光源和CF。CF实际由R、G、B三种滤光片组成,不同波段的光线有不同的通过率,只有与滤光片光谱相近的光源才能更好的透过滤光片,因此为实现广色域,需要构成背光源的RGB三色峰值接近CF的RGB三色峰值,同时,白光的RGB三色半波宽需越窄越佳。

  ①使用新红粉LED:较多采用绿粉为β-SiAlON,红粉为氟化物,峰值波长固定(630 nm),半波宽窄(<30 nm)[1],一般色域达到的80%-90%;

  ②蓝光LED加量子点:较多采用蓝光LED激发红绿量子点材料,发出的红光、绿光与LED自身的蓝光复合产生白光。激发的红光和绿光半峰宽非常窄[一般可达(25~30) nm],一般色域达到100%;

  RGB三原色背光技术是本文重点介绍的一种实现高色域的方法,其主要结构包括使用了三种晶片的LED灯珠、灯条PCB,透镜、普通光学膜材、液晶面板等。

  LED 是由R(红)G (绿) B (蓝)三颗芯片封装到同一个EMC支架上,分别由不同电流单独控制,可以单独发出红,绿,蓝三种单色光;

  红绿蓝三种颜色的光经透镜、光学膜材后混合成白光面光源;为了得到混色均匀的白色面光源,三种晶片在LED内部成品字型排布,灯珠与灯珠间三种晶片同样成品字型排布,同时需要搭配效果匹配的透镜。

  由于RGB灯珠的三种颜色的光分别由红绿蓝三种晶片发出,半峰宽非常窄,混成白光通过CF后可以达到很高的色域。

  当液晶面板及光学架构固定时,液晶显示器的基础红色、绿色和蓝色坐标分别由LED中的红绿蓝晶片波段决定;为了得到更广的色域和最佳的纯场色坐标点,LED三种晶片需要选择与液晶玻璃滤光片对应的特定波段;为了保证三种晶片发出的红绿蓝光混成均匀的白光,各晶片电压档、亮度档和色块分布,均需要按需求提前设定在尽可能小的范围内。考虑到蓝光对人体的伤害,蓝光晶片选择时可选择靠近460 nm左右的护眼蓝光波段,远离450 nm左右对人体较高伤害的波段。

  LED的RGB三种晶片的最大额定电流不同,使用时不能超过晶片的最大额定电流;

  LED的RGB三种晶片需要不同的电流单独控制,比例不同时,得到的液晶显示器白场(基础白色)的坐标和亮度不同。如想增大白场坐标X值可适当提高红光电流的大小,如想增大白场坐标Y值可适当提高绿光电流的大小。如想提高亮度,可适当提高绿光电流的大小。

  按给定的白场坐标调整好RGB三种颜色的电流后,经测试得到红绿蓝纯场画面下的色坐标值,按NTSC规定的标准和方法测试出色域范围,色域达到112.9%NTSC。

  RGB三原色背光LED使用了三种不同的晶片,并在不同的电流下工作,如果三种晶片的衰减速度相差太多或某一种晶片寿命不合格时,会影响到混合成的白光的效果,因此有必要测试三种晶片的衰减速率和寿命的一致性;

  如表1为45 ℃环境温度下RGB三原色LED老化1 200 h后光通量及色坐标数据。其中编号LB1 R 150代表红光灯条,工作电流为150 mA;LB2 G 150代表绿光灯条,工作电流为150 mA;LB3 B 120代表红光灯条,工作电流为120 mA;温度和电流的设定是为了加速老化实验进程。每隔240 h后测量各色晶片的光通量Φ(单位lm)及色坐标数据x和y值。

  由表可知:三种晶片的光通量衰减大致趋势相同,1 200 h后红绿蓝衰减率分别为2.24%、2.61%和0.41%,衰减率大致相同;三种颜坐标衰减率最大为-0.31%,三种晶片的色坐标变化量均较小;总体来看RGB灯珠的三种晶片长时间工作时均能保持相对稳定的状态,同时混合成的白光也能保持在相对稳定的状态;

  根据阿伦尼乌斯(Arrhenius)模型,LED器件衰减是随工作时间t变化,可表示成指数关系[2]: Φ(t)= exp(-λt),其中,光衰减常数λ=Aexp[-Ea/(k×T)]

  上述公式中,Φ(t)为某一温度下的加电工作时间t后的亮度;A为常数;Ea为激活能,单位eV;K为波耳兹曼常数(K=8.617×10-5 eV/°K);T为LED结温,单位为°K(°K=℃+273)。在已知两组数据(LED结温T1时光衰常数λ1 ,LED结温T2时光衰常数λ2)的前提下,可得:

  通常将LED亮度衰减到初试亮度的50%时定义为失效,则p/100=50/100,若老化1 200 h时老化光衰n%,则亮度衰减50%时寿命方程:

  根据上述计算结果,三种晶片寿命均大于30 000 h的使用寿命,满足一般背光寿命要大于30 000 h的需求;考虑老化试验中样品数量偏少和老化时长不是足够长的原因,以上寿命仅作为参考来看。

  本文选择了和三种不同背光技术的液晶电视作为比较:常规LED(通常是YAG LED)背光、新红粉LED (KSF LED)背光和量子点液晶电视。

  由广色域实现原理可知,背光源的光谱对色域有很大影响。YAG LED背光红绿段波长半波宽较大,KSF LED背光电视的灯珠红光波段半波宽较窄,绿光段半波宽较大;蓝光灯珠需要激发量子点膜后产生绿光和蓝光[3];RGB三原色背光红绿蓝光三种波段半波宽都比较窄。波段易通过液晶玻璃CF后产生较高的色域。

  从色域测试数据表2来看:YAG LED为普通色域,色彩表现最普通;KSF LED色域可达到95%左右,色彩表现相较于普通色域有大幅提升;蓝光加量子点方案的电视,色域达到了100%NTSC以上,色彩表现绚丽;RGB三原色背光的色域是最出色的,色域面积最广超出110%,实现了更绚丽、更真实的色彩表现,颜色更有层次感。

  随着液晶显示技术的继续发展,实现广色域技术仍然是提升显示器性能的重要方面之一。目前已有各种各样的实现广色域的方法,但现有方法中不少存在这样那样的问题,探索新的实现广色域的方法,需要综合考虑可靠性、性能效果、综合成本等。RGB三原色背光技术,经过一系列测试比较,已可以实现甚至超过目前主流技术的广色域的效果,综合性价比存在很大优势,值得后续继续研究推广。