LED背光源亮度均匀性改善方法

本文由ｈｅｒａｎｇｐｉｎｇ贡献 ｐｄｆ文档可能在ＷＡＰ端浏览体验不佳。建议您优先选择ＴＸＴ，或下载源文件到本机 查看。 ＶＡＣＵＵＭ ＥＬ ＥＣＴＲＯＮＩＣＳ 真空电子技术 显示技术专题 ？ Ｌ ＥＤ 背光源亮度均匀性改善方法 刘钱飞１ ，张小宁１ ， ２ ，刘纯亮１ ，丁兴隆２ （１１ 西安交通大学 电子物理与器件教育部重点实验室 ，陕西 西安 ７１００ ４９ ； ２１ 彩虹集团技术中心 ，北京 １０００８５） Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｆ ｏｒ Ｌｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｕｎｉｆ ｏｒｍｉｔｙ ｏｆ Ｌ ＥＤ Ｂａｃｋｌｉｇｈｔ Ｌ ＩＵ Ｑｉａｎ２ｆｅｉ１ ， ＺＨＡＮ Ｇ Ｘｉａｏ２ｎｉｎｇ１ ， ２ ， Ｌ ＩＵ Ｃｈｕｎ２ｌｉａｎｇ１ ， Ｄ ＩＮ Ｇ Ｘｉ ｎｇ２ｌｏ ｎｇ２ （ １ ． Ｋｅｙ Ｌ ａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔ ｒｏｎｉｃｓ ａｎ ｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｏｆ ｔ ｈｅ Ｍ ｉ ｎｉｓｔ ｒｙ ｏｆ Ｅｄ ｕｃａｔｉｏｎ ， Ｘ ｉ’ Ｊ ｉ ａｏｔｏｎ ｇ Ｕ ｎｉ ｖｅｒｓｉｔ ｙ ， ａｎ Ｘ ｉ’ ７１００ ４９ ， Ｃｈｉ ｎａ； ２ ． Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ ｙ Ｃｅｎｔ ｒｅ ｏｆ Ｉ Ｒ Ｉ ＣＯ Ｇｒｏｕ ｐ ， Ｂ ｅｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １００ ０８５ ， Ｃｈｉ ｎａ） ａｎ ｌａｔｅｄ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔ ｈｅ ｌｉｇｈｔ ｎｅｓｓ ｕｎｉｆ ｏｒｍｉｔ ｙ ｆｏｒ ｎｏ ｎ２ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｌ ＥＤ ｓｈｏｗ ｓ ｔ ｈａｔ ｔ ｈｅ ｌｉｇｈｔ ｎｅｓｓ ｕｎｉｆｏｒｍｉ ｔ ｙ ｃａｎ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ａｂｏｖｅ ９０ ％． 列提高背光源亮度均匀性的方法 。在等间距排列的基础上 ，通过测量单颗 Ｌ Ｅ Ｄ 的亮度分布函数 ，计算出水平和垂直方向上的 屏亮度均匀性可达到 ９０ ％以上 。 Ｌ ＥＤ 不等间距排列距离 ，并对该距离进行优化调整 。非均匀排列的 Ｌ ＥＤ 背光 源亮度均匀性仿真计算结果表明 ， 背光源的全 列一般是等距离的 ， 但这样的排列会使背光源的亮 度均匀性比较差 ， 特别在 Ｌ ＥＤ 背光源的边缘 ， 亮度 会迅速下降 。Ｌ ＥＤ 等间距均匀排列时 ， 中间区域的 亮度是周围其它区域亮度的叠加 ， 虽然边缘区域也 会得到其它区域亮度的叠加 ， 但 由于 Ｌ ＥＤ 是点光 源 ，亮度分布随距离的增加衰减很快 ， 因此 ， 边缘区 域叠加的 亮度分量较小 ，从而使 Ｌ ＥＤ 背光源边缘的 亮度显著小于中间区域的亮度 ， 导致全 屏的亮度均 匀性变差 。采用动态调光或改善背光源光学系统的 特性对最终显示图像 的亮度均匀性会有一定改善 ， 但会增加背光系统的成本和复杂性 ［ １ － ３ ］ 。 本文 从 Ｌ ＥＤ 的排列分布方式入手改善背光源 亮度的均匀性 ， 可提高 Ｌ ＥＤ 背光源边缘亮度 ， 从而 改善全屏的亮度均匀性 。在等间距排列的基础上 ， ｔ ｙ ｏｆ Ｌ ＥＤ ｂａｃｋｌｉｇｈｔ ｉｓ ｐ ｒｏｐｏ ｓｅｄ ｆｏｒ ｔ ｈｅ ｌｏｗ ｌｉｇｈｔ ｎｅｓｓ ｏ ｎ ｔ ｈｅ ｅｄｇｅ ｏｆ ｔ ｈｅ ｄｉｒｅｃｔ Ｌ ＥＤ ｂａｃｋｌｉｇｈｔ ｉｎ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓ２ ｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ． Ｂａｓｅｄ ｏ ｎ ｔ ｈｅ ｕｎｉｆｏｒｍ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ， ｔ ｈｅ ｌｉｇｈｔ ｎｅｓｓ ｄｉｓｔ ｒｉｂｕｔｉｏ ｎ ｆ ｕｎｃｔｉｏ ｎ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ Ｌ ＥＤ ｉｓ ｍｅａｓ２ ｕｒｅｄ． Ｔｈｅｎ ｔ ｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｌ ＥＤ ｉｎ ｈｏｒｉｚｏ ｎｔａｌ ａｎｄ ｖ ｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏ ｎ ｏｆ ｎｏ ｎ２ｕｎｉｆｏｒｍｉｔ ｙ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｉｓ ｃａｌｃｕ２ 传统 Ｌ ＥＤ 背光源中 ，Ｌ ＥＤ 在横向和纵向的排 摘要 ： 针对液晶显示器中直下式 Ｌ ＥＤ （ ｌｉｇｈｔ２ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ） 背光源边缘 亮度较低的问题 ，本文提出了一种 Ｌ ＥＤ 非均匀排 关键词 ： 液晶显示器 ；Ｌ ＥＤ 背光 源 ； 亮度均匀性 ； 非均匀排列 中图分类号 ： ＴＮ８７３ ＋ １ ９３ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１００２ － ８９３５（ ２００９） ０６ － ００１７ － ０４ Ａｂｓｔｒａｃｔ ：Ａ ｎｏ ｎ２ｕｎｉｆｏｒｍ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｌｉｇｈｔ２ｅｍｉｔ ｔｉｎｇ ｄｉｏ ｄｅ （Ｌ ＥＤ） ｔｏ ｉｍｐ ｒｏｖｅ ｔ ｈｅ ｌｉｇｈｔ ｎｅｓｓ ｕｎｉｆｏｒｍｉ２ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ： Ｌ ＣＤ ； Ｌ ＥＤ ｂａｃｋｌｉｇｈｔ ； Ｌｉｇｈｔ ｎｅｓｓ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔ ｙ ； Ｎｏ ｎ２ｕｎｉｆｏｒｍｉｔ ｙ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ 通过测量单颗 Ｌ ＥＤ 的亮度分布函数 ，计算出在液晶 电视水平和垂直方向上的 Ｌ ＥＤ 不等间距排列 ，然后 对等间距排列进行调整 ，并且对这种 Ｌ ＥＤ 排列方式 的 亮度均匀性进行了仿真计算和分析 ，结果表明 ，背 光源的全屏亮度均匀性达到 ９０ ％ 以上 。 １ ＥＤ 亮度分布函数［ ４ － ５］ Ｌ Ｌ ＥＤ 为点光源 ，它存在一定的发射角度和峰值
ｐａｇｅ １
波长 ，并且随着扩散范围的增大 ， 其亮度值逐渐衰 减 ，这些因素在非均匀性排 列计算中都必须要考虑 。 要得到合理的 Ｌ ＥＤ 排列方式 ， 首先要知道 Ｌ ＥＤ 点 光 源的亮度分布函数 ， 然后根据点光源的亮度分布 函数来计算非均匀性排列间距 ， 以 期望在全屏的范 围内能得到比较好的亮度均匀性 。 １１ １ ＥＤ 亮度分布测量 Ｌ 以 ３２ 英寸 Ｌ ＥＤ 背光源设计为例 ，在 ３２ 英寸的 １７ ２００９ － ０６ 真空电子技术 ＶＡＣＵＵＭ ＥＬ ＥＣＴＲＯＮＩＣＳ Ｌ ＥＤ 背光源的中心放置一颗 Ｌ ＥＤ （ 以白色 Ｌ ＥＤ 为 例） ，保持原背光模组光 学元件不变 。试验中 Ｌ ＥＤ 在色温 ９３００ Ｋ 下满负荷工作 ，在全屏的范围内均匀 取 ２５ × 共 ３７５ 个点 ， 采用色彩分析仪 ＣＡ２０００ 测 １５ 量 Ｌ ＥＤ 透过背光源光学系统后的亮度分布 ，从而得 到 ３７５ 个亮度值 ，具体测量装置图如图 １ 所示 。 度分布相对集中在以 Ｌ ＥＤ 为中心半径为 ５０ ｍｍ 的 范围内 ； 当距离超过 １００ ｍｍ 时 ，Ｌ ＥＤ 的亮度衰减 达到 ９７ ％左右 ， 所以在考虑 Ｌ ＥＤ 对周围区域的亮 度影 响时 ，可以只考虑其周围半径为 １００ ｍｍ 的区 域内 。这就为非均匀排列的设计提供 了分析的依 据 ，在非均匀性排列设计中 ， 各 Ｌ ＥＤ 之间的亮度叠 加是一个必须考虑 的因素 ， 以上分析结果体现在分 析 Ｌ ＥＤ 亮度叠加时 ，可以只考虑一定范围内的亮 度 数据 。 图 １ ＥＤ 亮度分布函数测量装置图 Ｌ 采用 ＭＡ ＴＬ ＡＢ 对测量所得的 ３７５ 个亮度值进 行曲线拟合 ，所得结果如图 ２ 所示 。曲线以 Ｌ ＥＤ 的 位置为中心建立坐标系 ， ｘ 和 ｙ 轴为与 Ｌ ＥＤ 中心的 间距 ， ｚ 为对应的亮度值 。 ２ ＥＤ 均匀排列的亮度均匀性 Ｌ 图２ 单个白色 Ｌ ＥＤ 的亮度分布曲线 由图 ２ 可以看出 ，单个 Ｌ ＥＤ 的亮度分布大致是 一个高斯曲面 ，而且亮度相对 集中在 ｄ ＝ １００ ｍｍ 的 范围内 ， 超过 １００ ｍｍ 的区域 ，Ｌ ＥＤ 对其的亮度影 响就变 得非常小 。下面我们将对亮度的横向和纵向 两个方向进行分析 。 １１ ２ ＥＤ 亮度 分布分析 Ｌ 以 Ｌ ＥＤ 的位置为中心 ，根据前面所测得的数据 按横向和纵向两个方向 分别对 Ｌ ＥＤ 亮度分布进行 分析 。以 Ｌ ＥＤ 的中心位置亮度为标准计算各测试 点相 对亮度 ，对数据进行洛伦兹拟合 ，所得拟合结果 如下 （ Ｌ ｘ 和 Ｌ ｙ 为相对亮度 ， ｘ 和 ｙ 为距离） ： 横向 ： 试验 所 用 Ｌ ＥＤ 背 光 源 排 列 为 ： 横 向 ４５ 个 Ｌ ＥＤ ，间距为 １５ ｍｍ ； 纵向 ２０ 个 Ｌ ＥＤ ， 间距为 １９ ｍｍ ，均为等距离排列 。根据亮度分布的拟合曲线 方 程 （ １） 和 （ ２） ， 可以从理论上计算出在现有的排列 下横向和纵向两个方向的相对 亮度分布 ， 从而可以 与实际测得的亮度分布进行对比 。实际的亮度是在 全屏点亮 的情况下用取 １５ × 共 ７５ 个点测得的 。 ５ 图 ４ 和图 ５ 显示了在横向和纵向两个 方向上理 论计算的亮度分布和实际测量的分布的对比图 ， 亮 度值是以 Ｌ ＥＤ 背光源 中心位置亮度为标准计算所 得相对亮度 。 从图 ４ 可以看出 ， 横向方向上理论计算 的相对 亮度分布和实际测量得到的相对亮度分布曲线很接 近 。当距离中心位置 ２０ ０ ｍｍ 的范围内时 ， 两者相 对亮度的差别不大 ； 超过 ２５０ ｍｍ 以后 ，相对亮度急 剧 下降 ，在 ３００ ｍｍ 处 ，亮度衰减达到 ３０ ％左右 。 １８ ２００９ － ０６ Ｌ ｘ ＝ － ０１ ００９６９ ＋ 纵向 ： Ｌ ｙ ＝ － ０１ ０２６７６ ＋ 拟合的曲线如图 ３ 所示 ， 可以看出 ，Ｌ ＥＤ 的亮 图３ 水平和垂直方向的 Ｌ ＥＤ 亮度拟合曲线 ２８５５１ １０６９ ４ （ ｙ ＋ ０１ ３３３９８） ２ ＋ ２７５７１ ８７５６ ２３３４１ ３３９２ ４ （ ｘ － ０１ ４２４２７ ） ２ ＋ ２３０４１ ６３８４ （ １） （ ２） ＶＡＣＵＵＭ ＥＬ ＥＣＴＲＯＮＩＣＳ 真空电子技术
ｐａｇｅ ２
为 ｎａ ＝ ４５ 个 ， 纵向为 ｎｂ ＝ ２０ 个 ， 已知单颗 Ｌ ＥＤ 的 尺寸为 ｌａ （ 长） ×ｌｂ （ 宽） ，相邻两颗 Ｌ ＥＤ 中心的间距 可能为 ｌａ （ ｌｂ ） 和 ｌ／ ２ 之间的任意值 ，根据实际应用要 求 ，Ｌ ＥＤ 排列间距变化的步长取 △ｌ ， 即任意两颗 Ｌ ＥＤ 排列间 距的可能值为 ｌａ ， ｌａ ＋ △ｌ ， ｌａ ＋ ２ △ｌ ， ｌａ ＋ ３ △ｌ …， 直到 ｌ／ ２ 结束 。以水平方向间距计算为例 ， 采用 ＭＡ ＴＬ ＡＢ 对非 均匀性排列间距进行仿真计 算 ，流程图如图 ６ 所示 。 图 ４ ＥＤ 横向实际相对亮度分布和理论 Ｌ 相对亮度分布曲线 图 ５ ＥＤ 纵向实际相对亮度分布和理论 Ｌ 相对亮度分布曲线 从图 ５ 可以看出相 对亮度分布曲线很接 近 。当距离中心位置 １００ ｍｍ 的范围内时 ， 相对亮 度的差别 不大 ； 超过 １５０ ｍｍ 以后 ，相对亮度急剧下 降 ，在 １８０ ｍｍ 处 ，亮度衰减达到 ４０ ％左右 。 综合可知 Ｌ ＥＤ 背光源均匀排列时 ，位于中心区 域的亮度相对较大 ，亮度 的差别也比较小 ； 但在周边 区域的亮度就下降的很快 ， 从而导致了边缘区域偏 暗 ，影响了全屏亮度的均匀性 。因此我们有必要对 Ｌ ＥＤ 的排列进行适当的改进 ， 以提高周围的亮度 ， 图 ６ ＥＤ 非均匀排列间距计算流程图 Ｌ 其中 Ｄ ｉ 为第 ｉ 颗 Ｌ ＥＤ 和第 ｉ ＋ １ 颗 Ｌ ＥＤ 的间 距 ， ｆ ｉ （ ｊ ） 表示第 ｊ 个 Ｌ ＥＤ 在 ｉ 点的亮度值 。垂直方 向的间距计算公式与水平方向类似 ， 只是任 意两颗 Ｌ ＥＤ 排列间距的可能值为 ｌｂ ， ｌｂ ＋ △ｌ ， ｌｂ ＋ ２ △ｌ ， ｌｂ ＋ ３ △ｌ …， 直到 ｌ／ ２ 结束 。 对均匀性排列 Ｌ ＥＤ 进行非均匀调整之后的亮 度分布如图 ７ 所 示 ，可以看出 Ｌ ＥＤ 的间距调整后亮 度的均匀性有了很大的提高 。纵向的相对亮度 达到 了 ９０ ％以上 ，横向的相对亮度达到了 ９５ ％以上 。由 此可见不等间距的排列对 于提高亮度均匀性是非常 有效的 。在仿真计算的基础上 ， 根据水平和垂直两 个方 向的计算间距对均匀性排列进行调整 ， 从而得 到亮度均匀一致的 Ｌ ＥＤ 背光源 。 从而达到更好的亮度均匀性 。 ３ ＥＤ 非均匀排列的亮度均匀性 Ｌ 由前面的结果可知 ， 当 Ｌ ＥＤ 均匀排列时 ，Ｌ ＥＤ 背光源周边区域的亮度相对于 中心位置会很小 ， 从 而影响了全屏的亮度均匀性 。为了提高全屏亮度的 均匀性 ， 可以采用 Ｌ ＥＤ 的非均匀排列 。这样可以降 低中心区域的亮度 ，提高边缘区域的亮 度 ，进而达到 很好的全屏亮度均匀性 目前所用 ３２ 英寸液晶电视背光源的长度 ｌ ＝