LED在大尺寸液晶显示器里的应用

中国电子科技集团公司第五十五研究所平板事业部 昌永龙 荆建新



LED在大尺寸液晶显示器里的应用

中国电子科技集团公司第五十五研究所平板事业部 昌永龙 荆建新

【摘要】液晶显示器（TFT-LCD）近年来已经成为显示领域的主导产品，在传统的TFT-LCD背光模组中，冷阴极灯管（CCFL）技术成熟且有成本优势，目前仍是主流的光源。由于节能环保的要求，含汞成份的CCFL渐渐被具耗电少，效率高和寿命长以及色饱和度高的发光二极管（LED）取代。由于笔记型、桌上型和液晶电视LCD产品规格和要求不同，LED的选择和遇到的技术问题以及解决方案也有所不同，其中成长最快也最具潜力的市场是液晶显示屏（LCD）的背光应用，几年间白色发光二极管已经随着小型显示屏的背光应用逐渐普遍。

【关键词】LED；大尺寸液晶显示器；应用

0.引言

过去几年，发光二极管（LED，LightEmittingDiode）的应用领域进行了巨幅的扩展，目前几乎所有移动电话中的彩色液晶面板都由发光二极管提供背光，最近白色发光二极管更开始迈入需要更高性能和更长工作时间的膝上型显示屏背光应用，然而发光二极管在进入大尺寸显示屏，如个人电脑显示屏与电视应用的路途上并未顺利，因为除了更佳性能和更长工作时间外，大型液晶面板需要使用如红、绿、蓝（RGB）这类发光二极管来创造更丰富的色彩范围，才能提供比使用CCFL背光更好的采购诱因。

1.LED存在问题

尽管LED背光具CCFL无法比拟的优势，但是目前还有一些因素阻碍着LED背光源技术的迅速普及:（1）其价格相当昂贵，同等尺寸的背光源，LED约为CCFL价格的4倍；（2）目前LED背光源的光效率还不够高，同等尺寸显示屏比CCFL耗电量高；（3）在散热方面也是LED背光急待解决的难点之一，高功耗不符合目前环保理念，这需要LED在材料、工艺等方面进行改进。

2.LED在大尺寸液晶显示器里的应用

2.1大功率LED背光模组设计

直下式LED背光模组的发展大概经历了三个阶段:

阶段1:采用多颗小功率LED均匀阵列式排布。其优点是画面亮度高，均匀性好，显示效果细腻，且有利于实现区域调兄算法，进行区域控制LED调光；缺点是使用较多数量的LED，导致制造成本较高，散热设计需求增大。该方式己基本退出市场；

阶段2:采用二次透镜光学设计，增大LED光源发光角度。其优点是LED颗数急剧少，成本也降低很多；缺点是背光模组厚度较大。由于液晶显示器厚度和均匀性不高等问题，市场表现不如预期，正逐步退出市场；

阶段3:进一步优化光学透镜，增大发光角度。其优点是在不增加LED颗数一的情况下，进一步降低了混光高度；兼顾了外观和成本，性价比较高；缺点是厚度相较于侧入式产品，仍处于劣势。但随着技术的进步，继续降低该背光结构的厚度也未尝不可。

2.2即插即用

目前在大尺寸液晶显示屏幕上业界通常还是使用CCFL，因此在安装时不需回焊的程序，同时并面向不同尺寸的显示屏提供各种不同长度的CCFL灯管，CCFL的亮度可以通过在背光模块中加入更多的灯管来提高，也就是说，整个安装程序是方便的即插即用方式，因此我们必须要能够将背光模块制造商由CCFL转换到发光二极管所增加的额外付出减到最低才能够让这项选择变得更具吸引力。COB发光二极管模块在设计时采用长条型，目的是能够依面板尺寸和亮度要求采水平或垂直方式堆栈组合，每个COB模块都具备用来进行电气连接的标准连接器，同时每个色彩信道都可以分别定址，带来高弹性的驱动电路设计，安装则可以使用M3螺丝，因此，可以免除发光二极管组装程序中复杂的回焊过程。

2.3LED动态背光的控制方法

2.3.1OD整体调光

OD整体调光，通过分析画面全局的亮度来确定整个背光的相交，同时适用于CCFL背光和LED背光系统。这种调光方法实现简单，但是这种调光方法由于采用全局画面亮度分布做调光依据，并且画面所有区域的背光降到同一的亮度，导致画面的亮景部分容易出现大面积的失真，功耗降低能力也不是很理想，实用性不高。

2.3.2ID分行调光

ID分行调光，就是将画面分作几行不同的背光块，每行的背光块根据自己行内对应的图像亮度分别调光，其中，每一行背光可以是一组CCFL灯管，也可以是一组LED阵列，因此，这种调光方法也同样适用于两种背光系统。ID分行调光，相较于OD整体调光细化了调光区域，调光准确性与降低功耗能力都有一定提局。

2.4球形端面光纤直接耦合

通常情况下，通过多种方式都可以获得球形光纤端面，比较典型的如：（1）在光纤端面上制造一个树脂的半球透镜，这种方案比较简单；（2）在光纤的端面烧制特殊形状的端球，一般可以采用电弧、气体火焰或者大功率激光器充当烧制的热源，这种方案比较实用。在热源的作用下，光纤端面熔化后经过自然冷却，在表面张力的作用下，进而在一定程度上就会形成各种不同弧度的圆球形端面，并且热源的温度、光纤与热源之间的距离等因素决定着圆球的曲率半径。在耦合过程中，采用球形光纤端面一方面可以提高半导体激光器与光纤的耦合效率，另一方面可以通过实验对光路进行调试。球形端面光纤的耦合实际上已经在前面组合透镜与光纤设计中阐述过。

2.5散斑抑制

以激光为光源照射屏幕时，由于激光的相干性及屏幕的粗糙，导致人眼看到被散斑覆盖的图像，严重影响图像显示质量，阻碍观察者从图像中提取有用信息。因此，如何消除散斑一直是以激光为光源的光学仪器领域和显示技术领域中的研发热点。而就目前的研究结果来看，为消除散斑所用的方法大致可以分为两大类：（1）通过控制激光光源的时间相干性来降低散斑，其原理是通过调整激光波长（或者频率）及多波长光源产生沸腾散斑，目前通过控制激光时间相干性成功消除散斑达到实用要求的技术方案以多光源叠加为主；（2）通过控制激光光束空间相干性消除散斑。基本原理是通过调整激光光束中基元光波的相位分布，从而改变散斑的空间分布，将多个散斑图像在人眼积分时间内相叠加，得到一个光能分布均勻的图像，进而实现消除散斑的目的。

2.6LED分区背光光扩散

应用区域动态调光技术的液晶显示器，在各分区背光确定之后，为了保证背光降低后显示图像的亮度和效果，还需要对液晶像素进行精确补偿。如不考虑光线的扩散，将分区背光值矩阵直接扩大至图片像素尺寸，可以看出，调光后的图像具有明显的分区，显示效果人眼根本无法接受。因此，在调光算法中也需要考虑光线在背光模组中传播时的扩散作用，然后再对液晶像素进行补偿。但LED发出的光线到达液晶思示器的亮度和均匀性通常和背光模组各组成部分结构及其性能息息相关，其中包括LED的发光功率、LED之间的间距、LED和扩散板之间的距离、扩散板和扩散膜的厚度及使用数量、扩散板和扩散膜的雾度和光线透过率性能及各膜系之间的空隙等。要精确得到不同亮度下LXK个背光分区经过背光模组各部分扩散后变为MXN个精密像素的亮度，必须知道上述所有的参数。而实际中，这些参数往往是很难全部精确获知的。从而会影响到区域调光算法的可行性。

3.结束语

从LED液晶电视问世W来，降低其能耗和提高其对比度的研巧工作就一直在进行。液晶作为一种非自主发光型显示器件，其本身无法主动发光，而是通过背光源LED发出的光线来照亮液晶面板，显示不同的画面。因而一直W来，降低液晶电视能耗的重点都放在背光源LED的发光效率的提升上。但对背光源LED的改善在不断进行，进一步提升效率的空间也就越来越小。

参考文献

［1］张志豪.LED用于背光模组之发展及散热问题［J］.工业材料.