小電流LED屏白平衡色溫的控制

詹永波， 張健偉， 曾建雄， 陳 魯

(1. 廣東環凱微生物科技有限公司， 廣東 廣州 510663； 2. 廣東省微生物研究所， 廣東 廣州 510070)

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小電流LED屏白平衡色溫的控制

詹永波1， 張健偉1， 曾建雄1， 陳 魯2*

(1. 廣東環凱微生物科技有限公司， 廣東 廣州 510663； 2. 廣東省微生物研究所， 廣東 廣州 510070)

為了改善小電流LED屏的顯示效果，基于新型LED燈珠光學性能測試數據，采用變量控制法，首先，分析了單色RGB色坐標及亮度分別對白平衡色溫的影響，接著，從單變量分析中找到影響色溫偏差較大的參數進行雙偏分析，最后，進行變量分析結論的數據驗證。研究結果表明，紅光芯片亮度(Lr)、藍光芯片亮度(Lb)及藍光芯片坐標(Yb)是影響LED屏白平衡色溫的主因，要使白平衡色溫偏差控制在±500 K范圍內，單偏條件下，要求Lr偏差不超過11%，Lb偏差不超過14%，Yb偏差不超過0.006；同時，也給出了雙偏條件下相應的控制指標。該研究有望在LED分光機芯片分選，白光照明及小電流、小間距LED顯示屏色偏差調節等方面獲得相關的應用。

變量控制法； 白平衡； 單偏； 雙偏； 色溫偏差

1 引 言

LED 作為一種主動式發光光源，具有體積輕薄、色彩艷麗、天然無縫等優點[1]，在大屏幕拼接顯示行業占有一席之地。隨著技術的不斷創新，LED顯示屏正往小間距、高密度方向發展，未來有望在大屏幕顯示領域完全取代DLP和LCD[2]。由于受現有工藝條件的限制，LED芯片個體之間會存在差異[3]。目前，LED顯示屏白平衡亮度、色度、色域均勻性等光色特性是國內外研究的熱點。重裝渭南光電科技的區大群[4]采用逐點校正的方法對白平衡色坐標校準進行了探討。億科達科技的李熹霖[5]提出了LED色坐標篩選的方法。趙梓權等[6]給出了一種色域校正方法，可在改善LED顯示屏亮度、色度的同時，確定顯示色域。王宇慶等[7]則提出了一種LED顯示屏亮度均勻性的評估方法。國外也有人報道了利用脈寬調制技術(PWM)來提高LED的灰階數、刷新率[8]，以及維持色溫、顯示指數(CRI)的方法[9]。此外，也有人對現場可編程門陣列技術(FPGA)[10-16]、白平衡算法[17]、LED芯片分選、視覺定標[18]等進行了相關的研究。當驅動電流恒定在亞毫安之后，由于LED工作在非線性區，芯片之間參量一致性波動較大，影響到LED屏白平衡色溫，進而影響到LED屏的顯示效果。

為了給芯片廠商分選芯片提供合適的參量指標，用以改善LED屏的白平衡色溫，本文將RGB芯片封裝在新型的燈珠架構中，然后進行光譜測試，并基于燈珠測試數據及白平衡色坐標的計算公式，采用變量控制法，對影響LED屏白平衡色溫的因素進行了深入的探討。

2 實 驗

2.1 新型LED燈珠的制備

本實驗采用華燦光電股份有限公司提供的藍、綠光芯片及三安光電股份有限公司提供的紅光芯片，焊在印刷有電路的PCB板上，形成1顆IC 4個像素的新型燈珠架構。驅動IC可獨立控制燈珠各個像素，供電電流滿足：紅光芯片1 mA，藍、綠光芯片0.3 mA。為方便后期LED顯示屏亮度的逐點校正，驅動IC通過接收指令，能夠保證供電電流的變化在±15%以內。以紅光芯片中心為基準，燈珠像素點距為1.38 mm，燈珠外層封有0.6 mm厚的環氧樹脂。燈珠結構示意圖如圖1所示。

2.2 光譜測試裝置

圖2 是用于新型LED燈珠光譜測試的試驗裝置示意圖。所用的光譜測試系統是杭州遠方光電信息股份有限公司型號為HASS-2000的高精度快速光譜輻射計，可測的波長范圍為380～780 nm,波長和色坐標的準確度分別達到±0.3 nm及±0.001 5，光強的靈敏度和準確度分別為0.01 mcd和±1%。測試前，利用遠方提供的標準燈和積分球，對光譜測試系統進行定標，新型LED燈珠采用外部電路供電，置于SMD LED燈珠的光學測試治具中(專利號：cn201510659095)，并嵌入積分球內特定位置，LED燈珠與光纖頭位置保持恒定不變。測試時，依次點亮R、G、B芯片，該光譜輻射計能夠準確地測出各芯片的光強、主波長、色坐標、色溫等。

3 結果與討論

3.1 新型LED燈珠的RGB光學參數一致性測試

LED芯片之間的一致性關系到LED的顯示質量，人眼對芯片亮度偏差的容忍值為5%，對主

波長偏差的容忍值為1～2 nm[6]，小電流下LED白平衡色溫值偏差要求為±500 K左右，超過該值，顯示屏的均勻性和保真度等都會下降，影響到人眼的視覺感受。試驗隨機選取了8個燈珠(單色R、G、B芯片各32顆)進行測試。測試數據表明：(1)紅光芯片光強平均值為2.565 mcd，波長平均值為622.7 nm；綠光芯片光強平均值為3.834 mcd，波長平均值為533.2 nm；藍光芯片光強平均值為0.708 mcd，波長平均值為469.6 nm；像素白平衡色溫平均值為5 019 K。(2) 3種芯片的光強偏差百分比幾乎都在15%以內，波長偏差都小于1.5 nm，而白平衡色溫正負偏差超過500 K的接近半數。芯片光強偏差百分比只要在15%以內，后期可通過逐點校正將其校到低于容忍值5%。為了保證LED燈珠各芯片間的一致性，必須對LED白平衡色溫加以控制。

3.2 白平衡色溫理論

白平衡色溫是通過白平衡色坐標換算得到，白平衡色坐標是考量LED全彩顯示屏色彩還原度的重要指標[4]，白平衡色坐標(Xc，Yc)可表示為：

(1)

(2)

其中，R色坐標為(Xr，Yr)，G色坐標為(Xg，Yg)，B色坐標為(Xb，Yb)，Lr、Lg、Lb分別表示R、G、B的亮度。從公式(1)、(2)可以看出，單色R、G、B的色坐標及亮度決定了白平衡色溫值，因此要想控制白平衡色溫，必須從這些變量入手。

3.3 白平衡色坐標的控制

借助于路明發光科技開發的色坐標換算色溫軟件，以燈珠測試數據中白平衡色坐標的平均值W(0.340 2,0.291 4)為基準，依次變更坐標值，得到表1(a)、(b)。表1(c)為Xc、Yc在端點處取值的情況，試驗數據中Xc的變化范圍為0.317 5～0.367 7，Yc的變化范圍為0.267 0～0.313 0。

從表1(a)、(b)的數據可以看出，Xc恒定，白平衡色溫隨Yc增加呈現遞增趨勢；而Yc恒定，白平衡色溫隨Xc呈遞減趨勢。在燈珠測試的數據范圍內，Yc對色溫的影響值很小，而Xc正負偏差超過0.01就已經使白平衡色溫偏差超過500 K。另外，從表1(c)也可以看出，Xc、Yc取端點值，色溫并未達到它的極限值(表1(b)中色溫最大為7 035 K)。原因是當Xc取其他固定值時，白平衡色溫可能會隨著Xc的增大而減小。例如，當Xc取0.310 2，0.320 2時，色溫值就隨著Yc的增大而減小。但不管Xc取何值，白平衡色溫隨Yc的偏差值都不大。綜上，要控制白平衡色溫偏差在±500 K以內，必須保證Xc坐標偏離平均值0.01以內，Yc可不作考慮。由于白平衡色坐標是由單色RGB的色坐標和亮度決定的，下面研究單色RGB色坐標及亮度對白平衡色坐標的影響。

表1(a) 固定Xc，變更Yc的色溫及色溫偏差

Tab.1(a) Color temperature and its deviation for fixedXcand changedYc

XcYc色溫/K色溫偏差/K0.26144665-2690.27144774-1600.28144862-720.34020.2914493400.30144994600.311450441100.32145088154

表1(b) 固定Yc，變更Xc的色溫及色溫偏差

Tab.1(b) Color temperature and its deviation of fixedYcand changedXc

YcXc色溫/K色溫偏差/K0.3102703521010.3202627013360.330255716370.29140.3402493400.35024354-5800.36023831-11030.37023363-1571

表1(c)Xc、Yc取端點值的色溫及色溫偏差

Tab.1(c) Color temperature and its deviation forXcandYctaking endpoint value

XcYc色溫/K色溫偏差/K0.37020.26142711-39950.34020.2914493400.31020.32146706-1772

3.4 單偏條件下單色RGB亮度對白平衡色坐標的影響

由公式(1)、(2)可知，影響白平衡色坐標的變量較多，多變量偏離的情況較為復雜。我們先研究單一變量偏離的情況。表2(a)、(b)、(c)分別給出了單色RGB的亮度對白平衡色坐標的影響。其中，燈珠試驗數據(32顆芯片測量的實際值)中紅光光強Ir的變化范圍為2.125～3.156 mcd，綠光光強Ig的變化范圍為3.153～4.580 mcd，藍光光強Ib的變化范圍為0.570～0.795 mcd。

通過對表中數據的分析，我們得到如下的結論：紅光、藍光的亮度對白平衡色坐標Xc的影響較大，綠光對Xc的影響很小。即紅光偏差超11%時，色坐標Xc超過了0.01；藍光偏差超14%時，色坐標Xc也超過了0.01；綠光偏差在測試的范圍內都遠小于0.01。另外，還可以看出，紅、綠、藍3種光的亮度偏差造成的色坐標Yc的變化都能夠保證較小的色溫偏差。所以，為了控制白平衡色溫偏差在±500 K范圍內，紅光芯片亮度必須控制在11%以內，藍光芯片亮度必須控制在14%以內。

表2(a) 紅光亮度對白平衡色坐標的影響

表2(b) 綠光亮度對白平衡色坐標的影響

表2(c) 藍光亮度對白平衡色坐標的影響

3.5 單偏條件下單色RGB色坐標對白平衡色坐標的影響

表3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)給出了單色RGB的色坐標對白平衡色坐標的影響。燈珠測試數據中，Xr的變化范圍為0.686 7～0.693 4，Yr的變化范圍為0.301 7～0.305 2；Xg的變化范圍為0.197 6～0.204 6，Yg的變化范圍為0.713 6～0.734 1；Xb的變化范圍為0.131 1～0.134 8，Yb的變化范圍為0.060 9～0.072 0。從表中可以得出結論：Xr、Yr、Xg、Yg、Xb這5個參量對白平衡色坐標Xc的影響很小，而Yb對白平衡色坐標Xc的影響較大，Yb正負偏差達到0.006時，白平衡色坐標Xc偏差就接近0.01；另外，還可以看出單色RGB色坐標變化引起白平衡色坐標Yc的變化，不足以引起較大的白平衡色溫偏差。故要控制白平衡色溫在允許的范圍內，要確保Yb的坐標值變化在±0.006范圍內。

表3(a) Xr對白平衡色坐標的影響

表3(b) Yr對白平衡色坐標的影響

表3(c) Xg對白平衡色坐標的影響

表3(d) Yg對白平衡色坐標的影響

表3(e) Xb對白平衡色坐標的影響

表3(f) Yb對白平衡色坐標的影響

3.6 雙偏條件下單色RGB亮度及色坐標對白平衡色坐標的影響

由上述單偏分析的結果可知，Lr、Lb及Yb是影響白平衡色坐標偏差的主因，且有Lr負偏白平衡色溫值增大，正偏白平衡色溫值減小；Lb負偏白平衡色溫值減小，正偏白平衡色溫值增大；色坐標Yb負偏白平衡色溫值增大，正偏白平衡色溫值減小。基于上述結論，下面進行雙偏分析，表4(a)、(b)、(c)示出了雙偏分析的結果。從表中可以看

出，為了保證Xc偏差控制在0.01以內，Lr、Lb同時偏時，Lr負偏Lb正偏，兩者可以控制在6%以內，Lr正偏Lb負偏，兩者可以控制在5%以內；Lr、Yb同時偏時，可以控制Lr負偏不超過6%，Yb負偏不超過0.003，或Lr正偏不超過5%，Yb正偏不超過0.003；Lb、Yb同時偏時，可以控制Lb正偏不超過6.5%，Yb負偏不超過0.003，或Lb負偏不超過6.5%，Yb正偏不超過0.003。至于雙偏使色溫反向偏離及三偏的情形較為復雜，這里不再繼續研究。

表4(a) Lr、Lb同時偏對白平衡色坐標的影響

表4(b) Lr、Yb同時偏對白平衡色坐標的影響

表4(c) Lb、Yb同時偏對白平衡色坐標的影響

3.7 單偏、雙偏分析結論數據驗證

表5 是燈珠測試部分數據。很明顯，編號2左下位置芯片色溫偏差達到了-1 411 K，主要是因為Lr偏差了22.8269%，遠遠超過11%；編號3左上位置芯片色溫偏差為-988 K，主要是因為Lb偏差了-19.2204%，超過了14%；編號為5右上位置芯片色溫偏差為711 K，主要是因為雙偏，Lb正偏了9.3899%，Yb負偏了0.005 3，即Lb正偏超過了6.5%，Yb負偏超過了0.003。

表5 LED燈珠測試部分數據

芯片位置說明：例如，編號5右上芯片，指的是第5顆燈珠右上角R/G/B芯片(圖1)。

4 結 論

小電流、小間距是未來LED顯示屏發展的方向。通過技術創新，本文將RGB芯片封裝在新型燈珠架構中，并對燈珠的光學性能參數進行測試。基于測試的數據分析和白平衡色坐標公式，采用變量控制法發現紅光芯片亮度、藍光芯片亮度、藍光芯片Yb坐標是

影響LED屏白平衡色溫偏差大的主因。通過數據分析得到，要使白平衡色溫偏差控制在±500 K范圍內，單偏要求紅光亮度偏差不超過11%，藍光亮度偏差不超過14%，藍光Yb坐標偏差不超過0.006；同時，也得到了雙偏條件下的變量控制指標。本研究結果在分光機芯片分選、白光照明及LED顯示屏白平衡色溫調控等領域具有一定的參考價值。

[1] 孫錚. 淺談小間距LED顯示屏的拼接處理技術 [J]. 電子科學技術, 2014, 1(3):396-398. SUN Z. Introduction to the splicing processing technology of small pitch LED display [J].Electron.Sci.Technol., 2014, 1(3):396-398. (in Chinese)

[2] 董彬忠,張威,冉思涵,等. 淺談高密度LED顯示屏應用對芯片的要求 [J]. 電子科學技術, 2014, 1(3):350-353. DONG B Z, ZHANG W, RAN S H,etal.. Requirements on chips for high pixel-density LED display application [J].Electron.Sci.Technol., 2014, 1(3):350-353. (in Chinese)

[3] 唐德榮,楊紅雨. LED顯示屏燈點逐點校正系統 [J]. 計算機技術與發展, 2015, 25(12):138-142. TANG D R, YANG H Y. LED point-to-point correction system for all lambs [J].Comput.Technol.Dev., 2015, 25(12):138-142. (in Chinese)

[4] 區大群. LED屏白平衡的調制與校準 [J]. 現代顯示, 2012(9):253-257. OU D Q. White-balance modulation and correction of LED display [J].Adv.Disp., 2012(9):253-257. (in Chinese)

[5] 李熹霖. LED全彩色顯示屏的白平衡和色均勻問題 [J]. 現代顯示, 2004(2):15-18. LI X L. White balance and color uniform of full color LED display screen [J].Adv.Disp., 2004(2):15-18. (in Chinese)

[6] 趙梓權,王瑞光,鄭喜鳳,等. LED顯示屏的色域校正 [J]. 液晶與顯示, 2013, 28(1):92-98. ZHAO Z Q, WANG R G, ZHENG X F,etal.. Color gamut correction of LED displays [J].Chin.J.Liq.Cryst.Disp., 2013, 28(1):92-98. (in Chinese)

[7] 王宇慶,劉維亞,丁鐵夫,等. 基于CCD圖像的LED顯示屏亮度均勻性評估方法 [J]. 液晶與顯示, 2014, 29(1):137-145. WANG Y Q, LIU W Y, DING T F,etal.. Assessment method for luminance uniformity of LED display based on CCD image [J].Chin.J.Liq.Cryst.Disp., 2014, 29(1):137-145. (in Chinese)

[8] SVILAINIS L. LED brightness control for video display application [J].Displays, 2008, 29(5):506-511.

[9] WU C C, HU N C, CHEN J N,etal.. Parameterised LED current regulator for pulse width modulation switch delay for accurate colour mixing in multi-LED light [J].LightingRes.Technol., 2014, 46(2):171-186.

[10] 王俞,王丹,彭周華,等. 全彩LED顯示屏的色溫修正及IP核實現方案 [J]. 現代顯示, 2009(11):34-38. WANG Y, WANG D, PENG Z H,etal.. Color temperature correction of full color LED display and its implementation with IP core [J].Adv.Disp., 2009(11):34-38. (in Chinese)

[11] YANG B L, YANG S L. Design of full-color LED display-screen system based on ARM and FPGA [J].Appl.Mech.Mater., 2013, 263-266:1246-1251.

[12] LIANG K Y, YANG B L, YANG S L. Design of intelligent full-color LED display-screen system base on ARM and FPGA [J].Appl.Mech.Mater., 2013, 336-338:647-652.

[13] ZHANG C, WU X G, ZHANG C J. Design and implementation of LED display screen controller based on STM32 and FPGA [J].Appl.Mech.Mater., 2012, 268-270:1578-1582.

[14] 張齊,鄭金輝,李登紅,等. 基于FPGA的LED顯示屏逐點檢測系統的設計與實現 [J]. 液晶與顯示, 2008, 23(5):605-610. ZHANG Q, ZHENG J H, LI D H,etal.. Design and implementation of LED screen point by point detection system based on FPGA [J].Chin.J.Liq.Cryst.Disp., 2008, 23(5):605-610. (in Chinese)

[15] 張公禮,任健錢. LED顯示屏256級灰度控制芯片的FPGA設計 [J]. 電視技術, 2008, 32(8):36-37. ZHANG G L, REN J Q. Design of 256 level gray scale in LED display screen based on FPGA [J].VedioEng., 2008, 32(8):36-37. (in Chinese)

[16] 郝亞茹,丁鐵夫,王瑞光. 基于FPGA和SDR Sdram的LED顯示[J]. 電子器件, 2008, 31(2):403-405. HAO Y R, DING T F, WANG R G. LED display based on FPGA and SDR Sdram [J].Chin.J.ElectronDev., 2008, 31(2):403-405. (in Chinese)

[17] 王敏,李斌橋,徐江濤. 基于色溫估計的自動白平衡算法研究[J]. 光電子·激光, 2011, 22(12):1872-1875. WANG M, LI B Q, XU J T. Auto white balance algorithm based on color-temperature estimation [J].J.Optoelectron·Laser, 2011, 22(12):1872-1875. (in Chinese)

[18] 朱欣昱,郝安民,張宏昌. LED芯片自動分選系統中的視覺定標問題研究 [J]. 微計算機信息, 2008, 24(13):270-271. ZHU X Y, HAO A M, ZHANG H C. Study of vision calibration in LED chip auto-sorting system [J].Microcomput.Inf., 2008, 24(13):270-271. (in Chinese)

詹永波(1986-)，男，廣東廣州人，碩士，工程師，2014年于華南理工大學獲得碩士學位，主要從事光譜類實驗儀器的開發工作。

E-mail: 564003364@qq.com陳魯(1977-)，男，廣東海豐人，博士，研究員，博士生導師，2003年于美國布朗大學獲得博士學位，主要從事光學檢測技術的研究和設備的研發。

E-mail: luchen898@163.com

Control of White Balance Color Temperature for Low Current LED Screen

ZHAN Yong-bo1, ZHANG Jian-wei1, ZENG Jian-xiong1, CHEN Lu2*

(1.GuangdongHuankaiMicrobialSci.&Tech.Co.,Ltd.,Guangzhou510663,China；2.GuangdongInstituteofMicrobiology,Guangzhou510070,China)

To improve the display effect of LED screen, the variable control method was adopted to analyze what to cause the large deviation of white balance color temperature of LED screen based on new type of LED testing data of optical property. Firstly, the effect of the color coordinates and brightness of monochrome RGB on the white balance color temperature was analyzed. Then, the parameters that mainly affected the color temperature deviation were found from univariate analysis, and double partial analysis was conducted. Finally, the data validation of variable analysis was performed. The results show that the red chip brightness (Lr), blue chip brightness (Lb) and blue chip coordinates (Yb) are the main causes to influence white balance color temperature of LED screen. To confine the deviation of white balance color temperature to range ±500 K,Lrdeviation must be less than 11%,Lbdeviation must be less than 14% andYbdeviation must be less than 0.006 under the condition of single partial. Moreover, the corresponding control indexes were given under the condition of double partial. This study is expected to be applied in many related fields including LED spectral chip sorting, white light illumination and color deviation adjustment of LED screen with low current or small interval.

variable control method; white balance; single deviation; double deviation; color deviation adjustment

1000-7032(2016)11-1390-09

2016-05-10；

2016-06-16

廣州市科技計劃(2015050411544485)資助項目

TN27

A

10.3788/fgxb20163711.1390

*CorrespondingAuthor,E-mail:luchen898@163.com