改善顯示品質的直下式LED背光技術

吳 麗，沈 健，徐立國

（中航華東光電有限公司 安徽省現代顯示技術重點實驗室國家特種顯示工程技術研究中心 特種顯示國家工程實驗室，安徽 蕪湖 241002）

1 引 言

液晶顯示器由背光和液晶屏組成。液晶屏內有多個像素，每個像素中包含了單獨的RGB子像素。在高亮度彩色液晶顯示器中，背光燈通常為LED白燈。LED白燈光效高，但是LED白燈的二波段光譜和液晶屏的3種色譜的匹配程度不夠高，采用白燈的液晶顯示器難以實現高色域。為了提升顯示器的色域，可以采用合適的背光和液晶屏的光譜進行匹配，這種匹配的方法分為時序和空間上的色彩匹配。在時序上進行色彩匹配，Lin［1］提到，采用RGB三色LED背光，在需要顯示某顏色的區域打開某顏色背光燈，再打開對應的像素單元，可以提升顯示器的色域。這個方法存在兩個問題：（1）現有的工業技術，難以讓液晶的響應時間快到匹配此色彩的混合；（2）彩色LED背光的色彩控制非常困難。而進行空間上的色彩匹配，Ke［2］提到，可以增加液晶屏單個像素中子像素的個數，但現有工業檔液晶屏的像素依舊為RGB像素。Chang［3］提到采用在背光中增加濾光片的方法，提升顯示器的色域，但是這樣在色域獲得很大提升時，顯示器亮度也會大大降低。

為了提升液晶顯示器的色域，有以下兩種途徑：（1）調整白燈熒光粉的特性［4］。這種方法，需要針對特定譜線的液晶屏，因此對于液晶屏原屏生產廠家來說較容易實施，但是周期較長、需要反復試驗，對于小廠家來說從時間和價格上都不可接受。（2）選擇主波長合適的 RGB三色燈［5－7］，或者改變液晶屏透過譜，可以提升液晶顯示模塊的色域，但是，這種方法用于背光時，由于RGB三色燈光效較低，模塊的功耗會較大，且RGB三色燈需要進行混光，模塊厚度也較厚。Chen采用軟件仿真，在背光腔中采用新的光學膜可以提高光線利用率，并且降低背光腔的厚度，但是仿真后的均勻性并不好［8］。采用二次光學元件器件進行導光，可以降低背光腔的混光比（混光距離／燈間距）。Chang采用仿真和實際加工技術，提出采用其設計的二次元件可以達到更好的勻光效果［9］。但是二次光學元件的加工會增加設計和成本上的壓力。

針對以上這些問題，本文提出一種新的方法，主要目的是在提升窄色域液晶屏色域的同時，改善全彩燈直下式背光的顯示品質，同時降低混光比。通過理論分析，得出采用合適光譜的背光燈，匹配液晶屏的透過光譜，可以提升液晶屏的色域。通過實驗證明，在背光中采用RGB彩燈和白光LED燈混合搭配，能夠在提升液晶顯示器的色域同時改善顯示品質。

2 理論分析

色域是指某種設備所能表達的所有顏色在色度圖中所構成的區域。NTSC色域選取xy坐標系中的 R（0.67，0.33）、G（0.21，0.71）、B（0.14，0.08）三點圍成的三角形面積作為基準，用待測顯示器的R、G和B三色場色坐標圍成的三角形面積與基準面積的百分比。

圖1 HV104X01－212屏RGB彩色濾光片的透過率譜線Fig.1 Transmission spectra line of the RGB color filter for the LCD HV104X01－212

圖1為BOE Hydis公司生產的HV104X01－212屏的透過率譜線。其中，R、G、B曲線分別代表了紅、綠和藍色濾光片在380～780nm范圍內的透過譜線。

將背光燈的光譜和液晶屏RGB彩色濾光片的透過率譜線進行匹配時，顯示器的色域可以采用以下方法進行計算。

式中：φ（λ）為LED的光譜功率分布，k為背光膜系的綜合透過率，p（λ）為液晶屏的透過率譜線，（λ）、（λ）和（λ）分別代表人眼的視覺響應函數。

X、Y和Z分別代表三刺激值。通過三刺激值可以得到對應的色坐標：

液晶屏RGB三個單色場的色坐標（x，y）所圍成的面積與基準面積的比值即為其NTSC色域。

圖2為色溫為6500K的典型白光LED燈在380～780nm內的光譜功率分布［10］。白光燈芯片為藍光（InGaN）芯片，熒光粉為黃色熒光粉。其在～460nm和～570nm有兩個峰。白燈在380nm～780nm的可見光范圍內都有光譜，而液晶屏的RGB各色濾光片的透過光譜間都有很大的重疊部分，因此RGB像素的液晶屏匹配該白燈背光時，顯示器各個色場的色飽和度都比較低，所以色域會比較低，僅為～40%。為了增加液晶顯示器的色域，需要減少背光燈和液晶屏譜線的重疊部分［6］。

圖2 色溫為6500K的白光LED燈在380～780nm內的光譜功率分布Fig.2 Spectral power distribution in 380～780nm of the white LED with color temperature of 6500K

圖3 RGB三基色燈在380～780nm內的光譜功率分布Fig.3 Spectral power distribution in 380～780 nm of the RGB three primaries LED

當RGB三基色背光燈匹配液晶屏的透過光譜時，運用公式（1）、（2）、（3）和（4）進行計算，可以得出液晶屏三色場隨著背光燈顏色主波長的變化。圖3為典型RGB三基色LED燈在380～780nm內的光譜功率分布［10］。紅光（AlInGaP）的主波長為～630nm，半高寬為～22nm；綠光（InGaN）的主波長為～535nm，半高寬為～43 nm；綠光（InGaN）的主波長為～460nm，半高寬為24nm。

固定RGB三基色燈的半高寬和其中兩種光線的主波長，而改變另一種光線的主波長，配合HV104X01－212屏所能得到的色域變化如圖4所示。

圖4 三基色燈中一種光的主波長變化時的顯示器色域值變化。（1）改變藍光主波長；（2）改變綠光主波長；（3）改變紅光主波長.Fig.4 Change of color gamut in a display device when the dominant wavelength of one light in three primaries LED changes.（1）dominant wavelength of blue light changes；（2）dominant wavelength of green light changes；（3）dominant wavelength of red light changes.

曲線1代表了藍光主波長在445～470nm范圍內變化時的液晶屏色域值。其中，紅光的主波長為630nm，半高寬為22nm；綠光的主波長為535nm，半高寬為43nm；藍光的半高寬為24 nm。曲線2代表了綠光主波長在515～540nm范圍內變化時的液晶屏色域值。其中，紅光的主波長為630nm，半高寬為22nm；綠光的半高寬為43nm；藍光的主波長為460nm，半高寬為24nm。曲線3代表了紅光主波長在620～645 nm范圍內變化時的液晶屏色域值。其中，紅光的半高寬為22nm；綠光的主波長為535nm，半高寬為43nm；藍光的主波長為460nm，半高寬為24nm。

圖4顯示，減小藍光主波長、增加紅光主波長或者控制綠光主波長在特定范圍內，都能提升液晶屏的色域。

當紅光主波長為640nm，半高寬為24nm，綠光的主波長為530nm，半高寬為43nm，藍光主波長為450nm，半高寬為22nm時，液晶顯示器的色域可以達到～70%。理論分析采用特定譜線的RGB三基色LED燈作為背光燈，能夠將液晶顯示器的色域從～40%提升至～70%。

3 試驗結果與分析

圖5為 HV104X01－212屏采用典型白光LED燈、普通 RGB LED燈和特定譜線 RGB LED燈的色域。

圖5 HV104X01－212屏在3種不同背光下的紅綠藍單色場的色坐標圖Fig.5 Color coordinate map of the RGB single color field of LCD HV104X01－212in three different backlight

3種LED燈的光譜色坐標如表1所示。測試儀器為 CS－2000（Konica Minolta），色度測試精度為±0.001。

圖5中，正方形代表白光LED背光的顯示器的3個單色場的色坐標，圓形代表普通RGB燈背光的顯示器的3個單色場的色坐標，三角形代表特定譜線RGB燈背光的顯示器的3個單色場的色坐標。

從圖5中測試結果可以看出，相比白光LED，RGB背光能夠將顯示器的色域從39.4%提升至60.0%；而采用特定波長的RGB背光，色域可以增加至70.2%。這與理論分析一致。

但是，在顯示器的背光中，對于同樣的擴散材料和混光距離，全彩色背光與白色背光相比，容易產生色彩上的不均勻［11］。要想改善這種色彩不均勻性，可以增加背光的混光距離［12］。

表1 三種LED燈的光譜色坐標Tab.1 Spectral color coordinates of three kind of LEDs

圖6 顯示器色域和背光混光比隨著白光LED燈亮度比的變化值Fig.6 Change of the color gamut and mixing ratio with the luminance ratio of the white LED

在顯示器白場的亮度和色坐標保持一致的條件下，將白光加入到RGB光中，可以降低全彩燈背光的混光距離。圖6為白光LED燈亮度比依次增加時，顯示器色域和背光混光比的變化值。從圖6中可以看出，隨著白光LED燈的亮度比從0增加到30%，顯示器的色域也從70%減小到63%，混光比從1.3∶1減小到1.1∶1。顯示器色域的下降是由于白光的摻雜使得顯示器紅綠藍單色場飽和度下降造成的。

本文中白彩色光混合的方法，可以實現背光腔混光比的降低和顯示器色域的提升。和全白燈或者全彩燈背光腔的對比如表2。

表2 幾種背光腔的對比Tab.2 Comparison between some backlight modules

4 結 論

通過理論分析和試驗，采用RGB三色LED背光能夠將窄色域液晶屏的色域從～40%提升至～70%。本文提出了彩色和白光LED燈混合搭配的方式。通過試驗證明，在彩色背光燈中加入白燈，當白光燈亮度比從0增加到30%時，能夠將混光比從1.3∶1降低到1.1∶1，同時顯示器的色域會從70%下降到63%。

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