LED波长一致性和温度均匀性对背光源色差的影响

1、 收稿日期 :2009-04-24. 基金项目 :国家自然科学基金项目 (60536020,60390074 ; 国 家“ 973”计 划 项 目 (2006CB302801, 2006CB302804, 2006CB302806, 2006CB921106 ; 国 家“ 863” 计 划 项 目 (2006AA03A105 ; 北 京 市 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目 (4091001 ; 深 圳 市 产 学 研 和 公 共 科 技 专 项 资 助 项 目 (SY200806300244A . 材料 、 结构及工艺L ED 波长一致性和温度均匀性对背光源色差的影响刘煜原 1, 罗

2、毅 1,2, 韩彦军 2, 钱可元 1(1. 清华大学 深圳研究生院 半导体照明实验室 , 广东 深圳 518055; 2. 清华大学 电子工程系 , 集成光电子学国家重点实验室 , 北京 100084摘 要 : 直下式动态三基色 L ED 背光源具有色域广 、 寿命长 、 节能环保 、 对比度高等优势 , 但 许多因素限制了其颜色的表现力 。 研究了 L ED 波长一致性 、 背光温度均匀度两个因素对色差的影 响 , 指出为使色差小于人眼所能分辨范围 (CIE1976色坐标体系 u v 小于 0. 005 ,L ED 的主波长 波动范围应低于 5nm , 背光源不同位置的最大温差应低于 8

3、。关键词 : 三基色 L ED ; 直下式动态背光源 ; 色差 中图分类号 :TN31218 文献标识码 :A 文章编号 :1001-5868(2010 01-0104-04E ffect of L ED W avelength andT emperature U niformity on Color L IU Yuyuan 1, L UO Yi 1,2Q 1(1. Semiconductor Lighting , , U , Shenzhen 518055, CHN;2. State K ey Lab. I of E ngineering , Tsinghu a U niversity ,

4、B eijing 100084, CHN backlight s based on t richromatic L EDs have significant advantages crystal display (L CD such as wide color gamut , long lifetime , energy saving , high cont rast and so on. However , it s color rendering capacity was influenced by several factors. The effect of L ED wavelengt

5、 h co nsistency and temperat ure uniformity of t he backlight on color difference of direct dynamic backlight s based on trichromatic L EDs is investigated. Experimental result s show t hat ,to keep t he color difference indecip herable for human eyes , t he fluct uation of L ED wavelengt h should b

6、e held wit hin 5nm and t he largest temperat ure difference among L EDs in t he whole backlight should be less t han 8 .K ey w ords : t richromatic L EDs ; direct dynamic backlight ; color difference0 引言对液晶显示来说 , 与传统的 CCFL 背光源相比 , 三基色 L ED 背光源具有色域广 、 使用寿命长 、 发 光效率高 、 节能环保等诸多优势 。 随着 L ED 的迅速 发展 , 其成本

7、不断降低 、 发光效率显著提高 , 基于三色 L ED 背光源逐渐成为背光源发展的方向 123。基于 L ED 的背光源模块主要分为边发射式和 直下式 。 边发射式背光源中 ,L ED 安装在一块导光 板的侧边 , 通过导光板的混光之后 , 形成均匀的白光 作为液晶面板的背光源 。 由于导光板混光结构中光 线光程长 、 需经过多次折射 、 反射 , 因而损耗较大 , 所 以边发射式背光源整体效率不高 , 在大尺寸 L CD 背 光源领域 , 边发射式背光源的发展受到一定限制 。 直下式背光源中 ,L ED 安装在背光模块底部 , 正对 液晶面板放置 , 直接照亮液晶面板 , 能量利用率较边 发

8、射式背光源高 , 且可以进行尺寸上的简单扩展 , 容401 SEMICON DUCT OR OPT OE LECTR ONICS V ol. 31No. 1Feb. 2010易实现超大尺寸背光源 。近年来 , 有研究机构在直下式背光源的基础上 , 提出动态背光源技术 , 一方面提高了显示质量 , 另一 方面大幅度降低了功耗 , 有利于节能环保 。其基本原理是改变传统背光源所有点同时点亮的工作模 式 , 而根据需要显示的图像 , 使液晶面板上的不同区 域在需要的时候被分别点亮 。 单独控制每一个像素 点的亮度是无法实现的 , 但是通过尽量细分对液晶 的照明区域 , 使单组三色 L ED 只负责为

9、液晶的部分 区域提供背光照明 , 即能最大程度地实现动态控制 。 动态背光源概念以其独特的优势 , 迅速成为背 光源领域的研究热点 。文献 4通过设计特殊的光 学透镜结构 , 实现了 L ED 与液晶面板上照明区域的 一一对应 , 并在理想状态下完成了背光源设计 , 除实 现亮度均匀之外 , 背光源的最大色差小于 0. 005, 低 于人眼分辨力 5, 具有很好的颜色均匀度 。然而在实际使用中 , 存在一些非理想因素 。首 先 ,L ED 本身的波长存在偏差 , 同一批次的不同个 体 L ED 之 间 , 主 波 长 存 在 一 定 的 波 动 。三 基 色 L ED 主波长的波动 ,致 ,

10、即引起色偏差 , L 背光源中 ,尺寸非常大 , ,热的情况 ;匀 , 所以难以实现整个背光源的温度均匀分布 。背 光源温度分布的不均匀性会使不同位置 L ED 发光特性的不同 。温度越高 ,L ED 发光效率越低 , 且随 着温度的升高 , 红 、 绿 、 蓝三色 L ED 发光效率的下降 速度是不一致的 , 其中红光 L ED 的下降比例最大 。 因此 , 不同位置温度不同会导致三基色 L ED 的颜色 配比出现差异 , 因而也会引起色差 , 严重影响背光源 的颜色表现能力 。本文详细分析了三基色 L ED 的 颜色特性 , 研究了 L ED 波长一致性 、 背光源温度均 匀性对背光源色差

11、的影响 。1 L ED 光谱仿真与色差的量化表述L ED 的光谱特性通常用其辐射功率与波长的 关系函数 S ( 来描述 。通常通过建立数学模型函 数来仿真实际 L ED 的光谱特性函数 。 Ohno 提出 了一种复合高斯函数来描述 L ED 的归一化辐射功 率谱 , 很好地吻合了实际 L ED 光谱特性 6。 对于峰 值波长为 0, 半波全宽度为 0. 5的 L ED 光谱 , 其数 学模型函数表达式如下 :S L ED (, 0, 0. 5 =53(1 其中 , g (, 0, 0. 5 =exp -0. 5, 为高斯函 数 。在已知光谱特性的情况下 , 根据色度学的相关 规定 , 可以得出

12、发光的颜色特性 。 在色度学中 , 通常 使用色坐标来描述颜色 。国际照明协会 (CIE 于 1931年建立了 CIE1931标准色度空间 , 其色坐标用 x 、 y 表示 。 在此基础上 , 为了使色度空间的相等间 距表示相同的颜色差别 ,1976年又提出了 CIE1976均匀色度空间 (UCS , 其色坐标用 u 、 v 表示 。 通过光谱求色坐标 , 首先可以求出三刺激值 X , Y , Z :X =k S ( x ( dY =S =k( z ( d (2, x , y , z 为 CIE 颜色响应函数 , k 为最大光视效 能 , 其值为 683lm/W 。CIE1931标准色度空间的

13、色坐标及 CIE1976均匀色度空间的色坐标分别由式 (3 和式 (4 给出 : x =X/(X +Y +Z y =Y/(X +Y +Z (3 u =4x/(-2x +12y +3v =4x/(-2x +12y +3(4 在 CIE1976色坐标体系中 , 颜色的偏差用色差 u v 来定量描述 。 色差 u v 的定义由式 (5 给出 :u v =u 1-u 2 2-(v 1-v 2 2(5 实验表明 , 人眼能够分辨的色差值为 0. 0055, 因此背光源的最大色差值应小于该值 。2 L ED 波长一致性引起的色差 以 CREE 公司的相关 L ED 芯片数据为例 , 选 取室温下 (25

14、三基色 L ED 的标称参数 , 如表 1。 表 1 三色 LE D 光谱特性参数颜色 0/nm 0. 5/nm红 62823绿 52738蓝 47028 5 0 1半导体光电 2010年 2月第 31卷第 1期 刘煜原 等 : L ED 波长一致性和温度均匀性对背光源色差的影响 在理想状况下 , 假定所有的 L ED 波长都等于以上标称值 , 不存在波长不一致 。则根据式 (1 , 三基色合成白光的光谱可以表示为S ( =k R S L ED (_R, 0_R, 0. 5_R +k G S L ED (_G , 0_G , 0. 5_G +k B S L ED (_B, 0_B, 0. 5_

15、B (6其中 , k R 、 k G 、 k B 分别为三基色光谱系数 。设合成白光是色坐标为 x =y =0. 33的标准白光 , 则由式(2 、 (3 计算可得 , 三基色光谱系数比为 k R k G k B =1. 6 0. 79 1, 三基色的光通量比为 R G B =1 2. 01 0. 28。 光谱如图 1所示 。图 1 25,L ED 的波长会在一定程度上偏离标称值 。在三基色背光源中 ,由于三基色的驱动电流保持稳定 , 因而三基色光谱系数保持不变 。 波长的偏离 , 会导致直下式动态背光源的不同位置处 , 三基色光的光通量配比发生变化 , 从而出现色坐标偏离标准值的现象 。 记

16、 L ED 波长最大偏差值为 tolerance ,L ED 的波长值落在波长标称值的两侧 , 波长变化范围表示为 02。对于任一给定的波长偏差值 , 均匀取定有限波长值作为实际 L ED 的波长序列 , 并使波长序列充满整个L ED 波长波动范围 。计算所有可能的三基色 L ED波长组合合成的白光色坐标 , 并在色品图上绘出所有合成白光的坐标点 , 其最大距离即为最大可能色差 。 计算结果显示 , 波长偏差与背光源的色差呈正相关 。 当波长偏差值控制在 5nm 以内时 , 色差低于0. 005。 图 2是波长偏差值为 4nm 时 CIE1976色品图上的所有可能白光色坐标分布 , 其纵 、

17、横坐标分别为 CIE1976色坐标 v 、 u , 色坐标图上两点之间的距离即为色差值 。 波长偏差值为 5nm 时 , 色差略小于 0. 005。 因此 , 在选取用于直下式动态背光源的三基色 L ED 时 , 应使波长偏差值低于 5nm 。 (a 坐标分布(b 局部放大图 2 波长偏差为 4nm 时的白光坐标分布3 背光源温度均匀性引起的色差 在超大尺寸直下式背光源中 , 不同区域的温度 通常相差较大 。随着温度的升高 , 红 、 绿 、 蓝三色 L ED 的光能量衰减率 、 波长漂移 、 半高全宽度变化 都是不一样的 。 大量实验表明 , 三色 L ED 的峰值波 长 、 半高全宽度 、

18、 峰值辐射功率随温度变化的情况如 式 (7 所示 7:0, T =0, 25+k 1(T -25015, T =0. 5, 25+k 2(T -25T =I 25 k 3(T -25 +I 25(7 其中的相关参数见下表 2。表 2 三色 LE D 随温度变化特性参数颜色 k 1/(nm/ k 2/(nm/ k 3/红 0. 15220. 0325-0. 0058绿 0. 04460. 0561-0. 0048蓝 0. 05030. 09-0. 0035仍以 CREE 公司的相关 L ED 芯片数据为例 , 红 、 绿 、 蓝三色 L ED 在 25 时的光谱特性参数如表 1。 以室温 (25

19、 为参考温度 , 根据式 (7 , 不同温 61SEMICON DUCT OR OPT OE LECTR ONICS V ol. 31No. 1Feb. 2010 度下三基色 L ED 光谱会发生强度衰减和波长漂移 , 光谱曲线变化如图 3 。图 3 不同温度下的三色 L ED 光谱特性从图 3看出 , 随着温度的不同 , 三基色 L ED 光源的光谱谱线发生了很大变化 , 其合成白光的色坐 标相应会出现较大的偏移 。由式 (2 (5 , 可计算 得到不同温度下合成白光的 CIE1976色坐标值 , 进 而计算得到色差 u v 值与温差的关系 。图 4给出 了不同温度下的合成白光在 CIE19

20、76色品图中的 色坐标 。图 4以 25 环境下 L ED 参考点 , 光的色差值 示 , 。要使色差值低 于 0. 005, 温度差需低于 8 。(a 色坐标(b 局部放大图图 4 不同温度下合成白光的色坐标图 5 色差 u v 与温度的关系 (以 25 合成白光为参考点 4 结论直下式动态背光源是液晶显示器背光源的发展 方向 。 本文提出了直下式动态背光源中 , 由于 L ED 波长一致性和温度均匀性所引起的色差问题 , 详细 分析并研究了两者对背光源色差的影响 。 研究结果 显示 , 为使色差控制在人眼不能识别的范围内 ,L ED 波长的偏差不能大于 5nm , 过 8(L ED L 。 :1 Daniel den Engelsen , 童林夙 . 背光源的发展趋势 J.光电子技术 ,2006,26(3 :1452153.2 黄杨程 . 大尺寸液晶电视 L ED 背光源的研制 J.半导体光电 ,2007,28(5 :6422644.3 Chang Che 2Ming. A new design with mixing R G BL ED (red , green , blue lig