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半导体

显示质量占优势 大尺寸LED背光逐步产业化


 




 



 
海信电器股份有限公司总工程师 刘卫东


 
目前作为液晶电视主要背光源的冷阴极灯管(CCFL)有一些明显的缺点:如低色域、含有汞、发光效率低等等。而LED(发光二极管)以其色域高、发光效率高、响应时间快、环保等特点,对液晶电视背光领域产生了重要的影响。
2004年,索尼率先将LED背光技术产品化,推出了采用LED背光的23英寸LCD(液晶)显示器和40英寸、46英寸的液晶电视。尽管这些产品都存在功耗高、发热量大和价格高的缺陷,但LED在显示质量方面的优势却得到了充分体现。索尼在2006年国际消费者电子产品展CES上公开展示了其82英寸液晶电视样机,使用的背光源都是LED而非传统CCFL。2007年索尼展示并向市场推出了采用LED背光技术的70英寸液晶电视,三星随后也向全球市场推出了70英寸的LED液晶电视。
在国内,2008年7月海信自主研发的42英寸超薄LED液晶电视TLM42T08GP批量上市,成为全球第三家实现LED背光电视批量上市的公司。
以LED为背光源的液晶电视正逐步走进人们的视线,并逐步产业化。LED作为液晶电视的新型背光源,其发展前景日益看好。

直下式与侧导光目前各具优势

目前两种主流的LED背光架构是直下式和侧导光。另外,还有一种试图结合两种方式特点的混合式,即将一个个侧导光小单元拼接成整个背光模组,从而兼具直下式和侧导光的特点。
比较三种方式,我们可以发现,直下式在节能、画质(由高对比度、区域控制、扫描背光来实现)等方面具有明显优势,但目前实现超薄设计较困难;而侧导光在超薄设计方面比较容易实现,但画质和节能方面的表现则较差一些;至于混合式,虽然节能、画质方面的性能与直下式相当,但结构、工艺复杂以及各单元之间亮度、色彩均匀性等问题的解决是很大的挑战。
有一种观点认为:侧导光方式的LED背光将取代所有其他方式,占据绝对统治地位,因为它可以做得很薄。这种看法是片面的。LED背光的发展趋势一定是节能、画质、美观、环保的统一,而不仅仅是轻薄化。从整机结构工业设计实现差异化需要一定的发挥空间,以及散热及结构强度设计的最优化要求来分析,LED背光电视整机的厚度在30毫米-40毫米是比较理想的。而直下式只要从技术上有效克服混光距离与超薄设计的矛盾就能达到这一厚度要求。
因此,分析直下式、侧导光LED背光以及CCFL之间的竞争格局演变,我们认为将呈现下面的趋势:首先是直下式占据LED高端,而侧导光占据LED低端,接着侧导光逐渐取代CCFL背光,而直下式又逐渐取代侧导光。

LED背光技术不断走向深入

随着LED器件技术及性能的不断提高,国内外针对电视应用的LED背光技术研发也全面开展起来,并不断走向深入。
LED为低电压工作器件,低电压启动;工作电流易控制,可操作性好;固态发光源,防震性好,寿命长;色域宽,在100%%NTSC左右;不含汞等有害环保物质;响应速度快,其响应速度远远高于液晶分子的响应速度。因此,LED是作为背光源的理想发光器件。随着LED技术的不断发展,LED的发光效率会进一步提高,散热问题也将大大改善。
各种LED背光技术可以不同的分类方式进行分类,如以背光源光学架构来划分,LED背光技术大体可分为直下式、侧导光以及混合(拼接)式等;若以采用LED芯片的种类来划分,又可分为单色(包括蓝光芯片+黄荧光粉、蓝光芯片+红绿双色荧光粉等)、双色和三色等几种;若考虑液晶面板的因素,采用无滤光片液晶面板,可进行时序色彩叠加调光方式等等。
另外在LED背光的动态控制技术方面,同样的硬件架构,因其调光机理完全不同,其完成的功能及实现的效果也不同。若仅仅从LED背光技术方面考虑,LED背光技术可完成的功能大体可分为:提高动态对比度、减小液晶显示的拖尾现象、节能、改善画质等。所以一个LED背光液晶电视系统的设计应该将LED背光技术所能完成的功能与所需的硬件架构(指LED背光排列驱动)统筹考虑,LED背光的排列、分区个数、分区阵列对LED背光液晶电视所能达到的显示效果以及节能等性能指标影响很大。
就LED液晶电视发展趋势而言,LED的技术革新是推动其发展的一个重要方面,光效更高、散热更好的LED器件的研发是大势所趋。
LED液晶电视发展的关键之一是LED背光控制技术的发展。LED背光控制功能的开发目标日益明朗,即克服或改善液晶显示固有的问题:如暗灰阶的漏光问题、液晶显示拖尾现象,以及改善画质、提高色域、节能环保等。在各种LED背光控制算法中,分区动态控制算法可以很好地解决上述液晶显示的两大缺点,因此是不二选择,大势所趋。
发光效率和色域对液晶电视背光源LED的选型有着重要的影响。红、绿、蓝LED混合出的白光色域最高,但光效很低,驱动电路需要颜色控制模块控制,增加了电路成本。蓝光芯片+红、绿荧光粉LED是目前液晶电视比较理想的白光LED背光源。
一般LED的封装比CCFL要小得多,由LED代替CCFL,LED的数量要远大于CCFL的数量。因此,LED的驱动方式,LED控制算法的复杂性、可靠性,以及如何排列LED有利于LCD显示质量的提高,是设计LED背光需要考虑的问题。
将LED进行分区排列、驱动是比较好的选择。然而,对于一个LCD的背光源,如何进行分区,分区大小、个数的确定,是提高LCD显示画质的一个重要问题。海信42英寸LED背光液晶电视的LED背光分区个数在100个左右时,整个LCD的对比度、显示效果、驱动成本、算法复杂性是最佳的。
LED背光采用均匀分区,也可应用背光扫描算法,改善或消除液晶显示动态画面拖尾问题。
LED分区的形状一般为矩形或正方形,分区内各个LED串联在一起。由于分区内流过每个LED的电流是相同的,因此分区内各个LED的光学性能差异主要依赖于LED性能的离散性。分区间光学性能的差异主要与外围电路有关,如外围电压浮动等。

液晶电视LED背光控制算法多种多样

LCD采用的LED背光源(白色LED背光、R/G/B三色LED背光、其他组合LED背光),对LED背光控制算法有重要影响,对最终LCD的显示方式、显示效果、节能效果,色域等方面也有重要的影响。
按LED背光控制算法所完成的功能划分可以有以下几种:
第一,提高对比度的LED背光控制算法。此种算法一般是基于LED分区控制,首先根据输入图像画面,分析、统计、提取分区对应的典型背光值,然后进行一定的背光值处理,对图像进行一定的亮度补偿,最后将背光值转换为LED驱动电路的控制信号,完成背光控制。其中,在分析、统计、提取分区背光值时,存在很多不同的方法。如将图像数据的亮度最大值与平均值分别统计,通过一定的决策条件,决定分区的点的亮度是采用最大值还是平均值;根据主观评价(其依据是在处理图像低灰阶漏光时存在图像高灰阶失真问题,在进行补偿时存在图像高灰阶溢出问题)建立了一种数学模型,从而决策分区背光值。此外,还有很多统计方法,不同的考虑有着不同的背光值统计。在调节背光时,可能引入一些图像失真,一般可通过一定的图像补偿办法消除或改善图像失真问题。如分区调整可能带来光晕及颜色漂移问题,可通过邻域平均或背光选择决策方法来改善。
第二,改善运动拖尾的LED背光控制算法。改善LCD显示拖尾的方法一般是参照CRT(阴极射线管)显示脉冲发光原理提出的。此种算法一般采用LED背光一维(1-D)扫描,即:在液晶分子进行灰度切换时将LED背光一行或多行LED分区同时关闭或调整到比较暗的亮度,使液晶分子的翻转动作被屏蔽掉,从而达到改善液晶显示拖尾的目的。另外,由于人眼的视觉存在图像滞留问题,对于改善液晶显示拖尾,考虑人眼视觉系统的影响是必要的。
第三,其他目的的LED背光控制算法。由于LED本身特性优越,应用LED作为LCD的背光源,其初衷(除上述提高对比度、改善拖尾外)可能是多方面的,如节能、环保、高色域、给人舒适的观看效果等,从而衍生出很多不同的LED背光控制算法。下面介绍采用LED背光进行高色域、给人舒适观看效果的动态控制算法:
LED背光的高色域算法。白光LED色域一般在80%%~90%%NTSC,一般不用进行色域匹配。若采用R/G/B三色LED背光源,或采用其他高色域LED背光源,背光源色域在100%%NTSC左右,采用色域匹配算法是必要的。色域匹配及色域提高可根据LCD彩色滤光膜的光学性能参数进行计算。若采用R/G/BLED背光,进行3D分区背光控制,可能出现颜色漂移问题。另外,若采用无彩色滤光膜(colorfilter)TFTLCD和R/G/BLED背光,实施R/G/BLED时序扫描算法也可达到带有colorfilter的LCD彩色显示效果,其可提高液晶透过率和LCD色域。
给人舒适观看效果的LED动态控制算法。根据环境光的变化,动态调整LED背光和适当调整LCD的gamma曲线,使背光亮度适合人眼舒适需要,避免长时间地观看LCD对人眼的伤害。尽管彩色图像在环境光比较暗的境况下,更容易得到比较高的对比度和色彩艳丽的效果,然而观看高对比度图像更容易让眼睛产生疲劳,长时间观看对眼睛极为不利。因此,从保护眼睛提倡健康电视方面考虑,将环境光因素添加到背光控制算法中,也是LED动态控制算法的一个发展方向。
按背光采用的LED种类及驱动方式划分可以有以下几种:
第一,白光LED背光分区动态控制算法。主要采用蓝光芯片+红、绿荧光粉LED,其光效、色域比较适合。白光LED背光采用分区驱动方式。此种算法可能带来一些问题,如分区光晕、闪烁等问题,可通过一定的算法得到改善。
第二,R/G/B三色LED背光分区动态控制算法。LED背光一般采用三芯片或多芯片封装的LED或分离R/G/BLED,采用分区驱动方式。三色LED背光可进行3D背光控制算法,可提高LCD对比度和饱和度。其缺点是可引起白点颜色漂移问题,可在算法中考虑分区内图像色调等因素得到解决。另外若液晶面板采用无彩色滤光膜TFTLCD,背光采用R/G/BLED分区驱动,实施R/G/BLED时序扫描算法,可让LCD达到彩色显示,背光利用效率更高,节能效果更加明显,色彩纯度更高,色域更宽。
第三,其他组合LED背光动态控制算法。所采用的LED经过一定的特殊处理,如在白光LED或其他颜色LED上添加特殊材料,使色域提高。LED背光一般采用色域匹配算法,在饱和度和色调不失真的情况下,可提高色域,提高画质。

LED背光控制技术发展潜力巨大

未来显示技术的发展趋势是高清晰、大画面、高画质(快速响应、高对比度等)、节能环保、高色域、超轻薄、智能化、廉价等,简单地说,就是“节能、画质、美观、环保”的统一,LED背光液晶显示技术符合这一发展趋势。
LED背光的响应速度远快于液晶分子偏转速度。LED背光可在液晶分子偏转的过程中,快速通断。LED背光控制技术可通过时序点亮熄灭背光解决运动拖尾问题,达到高画质的显示效果。因此改善运动拖尾是LED背光控制技术的一大发展方向。
LED背光的色域要高于CCFL背光,R/G/BLED背光可达100%%NSTC以上,从而在饱和度、鲜艳度等显示方面,LED背光液晶电视性能更加突出。因此,色域匹配也成为LED背光控制技术的一个发展方向。
LED背光是低电压恒流驱动,电压更易于控制,响应驱动更加迅速,背光的控制更加灵活,可根据环境光及液晶电视遥控指令灵活调整背光,使人眼观看电视更加舒适,从而改善人眼长时间观看电视带来的疲劳问题。因此,灵活互动的背光控制也是LED背光控制技术的一个发展方向。
总之,LED背光控制技术在液晶电视显示方面发展潜力巨大。相信不久的将来,高对比度、无运动拖尾、高色域、高画质、低功耗的LED背光液晶电视将迅速进入人们的生活。



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