如何提高LED背光的發光效率

如何提高LED背光的發光效率

國際led網 發表於 2019-09-18 16:16:10

LED相對於CCFL的最大缺點是發光效率低，CCFL通常在80~100流明/瓦，而LED的發光效率只有60～80流明/瓦。但由於CCFL是圓柱形，它所發出的光是無方向性的。當它放在LCD屏幕下方時，儘管採用半圓形反光鏡，可以認為仍然有相當多的一部分光被浪費掉了。而LED通常採用側光輻射，它的光可以比較有效地利用。因此從總體來看，它的效率仍然比CCFL要高，而且LED的發光效率還在逐年提高。

過去都是採用白色LED作為背光，為得到更好的色域表現能力，改為採用RGB三色的LED來混合成白色，但是這樣做需要更多的LED。而且由於本來就需要顯示彩色，完全沒有必要先將RGB的彩色混成白色，再用RGB濾色片濾出彩色。為此三星公司推出了一種無濾色片的場順序RGB LED背光技術。

用場順序方法除去濾色片

但是，想要直接用RGB的LED來取代濾色片看上去好像很簡單，其實是不可能的。因為濾色片是把每一個像素都分成三種不同顏色的子像素，如果直接用三種顏色的LED來取代濾色片，就必須採用小到和子像素尺寸一樣大的LED來照射每一個子像素，才不會使紅光照到綠光的子像素上。這樣，LED的個數就要幾百萬個之多。為維持像素數不變，唯一的方法是重複使用這些像素，也就是採用時分復用制。

這樣只要順序地發射出紅光、綠光、藍光，同時控制每個像素的薄膜電晶體（TFT），使其相應地按照該像素在這種顏色時所應當具有的的強度來開啟液晶光閥。但是，要順序地發出紅、綠、藍三種顏色，並能形成一個彩色的視頻圖象，就必須利用人眼的視覺殘留作用。

只要這三種顏色順序重複的周期小於人眼的視覺殘留時間，就可以在人們的大腦中形成一個彩色的圖象。視覺殘留時間實際上就是電視的場頻周期，在PAL制中為五十分之一秒。這也就要求在五十分之一秒的時間內必須完成紅、綠、藍三個圖象的顯示。因此，這種方式被稱為「場順序」體制，也有人稱之為「色順序」體制。它的工作時序如圖1所示。

場順序實際上就是讓液晶屏順序地發出三種不同顏色的圖象，然後靠人腦來合成彩色圖象。從人眼感受到的效果來看是完全一樣的。雖然在硬體實現上產生了極大的差異，但它卻帶來了很多優點。

首先，這種方法省去了彩色濾色片，而濾色片是光能的主要吸收者，它會損失光能70％以上。

拿掉濾色片以後，不但能免除了濾色片70％的光能損失，而且還可以節省濾色片的成本。濾色片的成本在總成本中佔19％，是相當可觀的一部分（見圖3）。實際上，省去濾色片以後，還可以提高成品率，減少生產時間，這些無形的改進都十分重要。

其中背光源的25％成本是基於CCFL的數據，如果採用LED作為背光源，它所佔的成本將大大超過這個比例，大約要佔到50％的成本。採用場順序制以後，拿掉了濾色片就相當於發光效率提高了70％，這是非常可觀的。這意味著LED的數量可以減少70％，LED的成本就可以減少70％。而且LED數量減少70％以後，其發熱量可以減少70％，耗電也可以減少70％。

不僅如此，採用場順序以後，由於不需要再把每一個像素分為三個子像素，薄膜電晶體TFT也可以減少三倍，因此相當於像素麵積加大了三倍；或者說，如果保持像素麵積不變，在相同的屏幕尺寸下，可以將解析度提高三倍。

由此可見，採用場順序後所帶來的好處是不計其數的。

場順序的主要問題是要求液晶的響應時間要快。尤其是如果採用了100Hz或120Hz的場頻，就要求其響應時間小於3ms甚至更短。最近的研究成果表明，採用摻入金屬納米的方法，可以把液晶的響應時間縮短到500微秒。

不過，也只有採用場順序以後才能使得LED背光實現商業化，也才能夠真正和CCLF競爭。

三星公司在06年推出了幾款採用場順序的LED背光液晶電視機。其中一款為40寸的LE40M91，它的解析度為1366×768，色域達到110％，對比度可達10，000:1，亮度可達450cd/m2，場頻為100Hz，背光系統的功耗比CCFL降低了70％。背光板的壽命提高一倍以上，更重要的是不含汞，符合RoHS標準。它的售價為3，000美元。

區域亮度控制

採用LED背光時，過去存在一個如何使屏幕的亮度均勻的問題，通過採用區域亮度控制不但能夠解決亮度均勻的問題，而且還可進一步降低背光功耗。這是因為實際的圖像在每個具體部位的亮度是不一樣的，可能有的區域較亮、有的區域較暗，所以完全沒有必要在整個屏幕採用均勻亮度的背光，可以採用根據圖象內容決定的區域亮度控制。實現方法是：將整個屏幕分隔為例如20個等份，根據圖象內容測出其最高亮度，確決該區域所需的背光亮度，然後對該區域的背光LED亮度利用PWM技術進行實時控制，從而實現節能的目的。在採用背光的區域亮度控制以後，該區域的圖象信號也應加以相應的補償，以免產生亮度失真。

顯然，CCFL背光是不可能實現這種區域亮度控制的，一方面是因為CCFL的形狀是長條形，根本無法按屏幕分成20個等份的區域；另一方面則是因為它的亮度也不可能按照圖象的內容進行快速調整。不過，在採用LED作為區域亮度控制時，只能採用直下式背光，而不能採用側射式。

在2006年SID會議上，臺灣交通大學提出了一種整體上是直下式，而單個來看卻是採用側射式的LED，從而提高了其光線利用率，減少了所需LED數目並提高了效率。這種技術主要是採用側射式LED搭配以六角形導光單元。

對於32寸的屏幕，其面積比上述面積大2.22倍，所以大約需要93顆LED，這一數量遠遠少於一般的直下式背光系統。但因為採用六角形的結構，所以只能採用RGB，而無法採用RGGB。這要求綠色的LED要有足夠大的光輸出。

最近三星公司推出了70英寸的LED背光液晶電視PAVV LED 70（LA70F91BD），它實現了上下左右180度的視角，採用了120Hz驅動，使影像響應時間提高到8ms。並且採用了三星公司的LED智能光源技術（Smart Lighting），即區域亮度控制（Local Dimming）。它把整個屏幕分為192個區域。根據輸入的圖象的內容來分別調節各個區域的亮度，從而顯著地提高了畫面的對比度和色彩表現能力。其解析度為1920×1080，亮度600cd/m2，對比度達到2，000:1，動態對比度達到50萬：1，可以顯示10億7，000萬種顏色。而且耗電量也降低了50％，延長了液晶屏的壽命。而且，通過高速影像模式（LED掃描），能夠實現圖像無抖動無殘像的影像畫質。產品厚度控制在149mm。

韓國LG公司稱這種技術為AFLC（Area Focused Luminance Control，即區域聚焦亮度控制）技術，而日本的NEC稱之為AGCPS（Auto Gama Control and Power Saving， 即自動伽碼控制和功耗控制），採用這種技術以後，功耗還可以減少一半。

因此，如果把場順序和區域背光相結合，就有可能把整個背光系統的功耗降低到CCFL的一半以下。這是非常驚人的功耗節省。

本文小結

採用LED作為液晶電視的背光已經是不可逆轉的潮流。根據Insight Media 在2006年作出的估計，用LED背光的LCD TV將在2010年超過CCFL背光的液晶電視機。估計的絕對數字遠遠偏小，但是相對值還是可信的。

LED背光看上去好像沒有什麼太複雜的技術，只要把LED點亮就可以。但如果要應用到液晶電視中就涉及很多非常複雜的技術。這種技術是生產背光板的企業所不能單獨完成的，而必須由生產液晶電視機的企業、生產背光板的企業和生產LED驅動晶片的企業三方緊密合作才有可能完成。如果不儘早起步，我們又將遠遠落後於日本和韓國，甚至會再一次面臨繳納巨額專利費的困境。「中國是家電生產的大國，但是不是家電生產的強國。」我們必須徹底改變這個狀況！唯一的方法就是加大研發投入。美國的很多企業都將營業收入的20％以上用於研發。希望將來政府也要鼓勵和支持企業加大研發的投入，這才是中國企業的出路。

來源；國際led網

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