雷曼光電LED全彩顯示屏配光解決方案

中國大陸的LED顯示屏產(chǎn)業(yè)最早起步于1987年前后，經(jīng)過(guò)十來(lái)年的共同發(fā)展，現已初具規模。目前，LED顯示屏的生產(chǎn)廠(chǎng)家越來(lái)越多，其中不乏一些優(yōu)秀的企業(yè)，他們共同繁榮了這個(gè)新興的高科技產(chǎn)業(yè)。二十一世紀是個(gè)平板顯示的時(shí)代，LED顯示屏作為平板顯示的主流產(chǎn)品之一，也必將會(huì )有更大的前景。

LED顯示屏是一種由計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)、電子技術(shù)、光學(xué)及色度學(xué)等高新技術(shù)相結合的電子顯示器，一般地說(shuō)，LED顯示屏又分為單色屏，雙色屏及全彩屏。所謂單色屏，顧名思義，顯示器是由單一的某種顏色的LED組成。把紅色和綠色LED作為一個(gè)像素的顯示屏叫雙色屏或彩色屏。把紅、綠、蘭三種LED放在一起作為一個(gè)像素的顯示屏叫三色屏或全彩屏。伴隨綠色晶片亮度不斷地提升，全彩屏正以一種前所未有的速度在普及和推廣。特別是北京申奧的成功，它提出“綠色奧運”的號召，使得LED全彩屏的市場(chǎng)前景更為誘人。

LED全彩屏又分為室內屏（Indoor）和戶(hù)外屏（Outdoor），我們先介紹幾個(gè)全彩屏的常用術(shù)語(yǔ)。

點(diǎn)(Pixel)：像素點(diǎn)的簡(jiǎn)稱(chēng)，一般由R/G/B三種顏色的LED組成。按組成的方式不同，又分為1R/1G/1B、2R/1G/1B、2R/2G/1B等不同的組合方式，它是全彩屏的基本成像單位。

點(diǎn)間距（Pitch）：顯示屏各像素的中心點(diǎn)之間的距離，一般用mm表示,它決定了一個(gè)全彩屏的像素數量。

灰度等級(Gray Scale)：顯示屏亮度調節的精細度就叫做顯示屏的灰度等級,一般地說(shuō),灰度等級越高,顯示顏色就越豐富。LED改變顏色的驅動(dòng)方式一般有兩種，一種是改變LED的電流。一般來(lái)說(shuō)，LED 的工作電流最好設定在20mA以下，以保證LED的抗衰減性。另外一種是利用人眼的視覺(jué)惰性，用脈沖調制來(lái)實(shí)現灰度控制。人對像素平均亮度的感覺(jué)可取決于它的衰/滅（占空比），即周期性地改變占空比，只要這個(gè)周期足夠短，人眼就感覺(jué)不出它的衰/滅。

一般地說(shuō)，室內屏的點(diǎn)間距（Pitch）為2-12mm，其中2-8mm的室內屏一般使用TOP型的貼片方式或現在發(fā)展起來(lái)的亞表貼方式。戶(hù)外屏的點(diǎn)間距（Pitch）為14-26mm，以現在綠色LED亮度水平，Pitch為20mm的顯示屏是其中最主流的產(chǎn)品。

國內的顯示屏制造商，經(jīng)過(guò)這十幾年的發(fā)展，進(jìn)步非?？?，但和歐美日等發(fā)達國家相比，還是有一定的差距，特別是其中最主要的顯示器件LED的封裝工藝及設計水平，還是有很多不足之處。深圳雷曼光電科技有限公司作為中國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì )LED顯示屏分會(huì )的成員之一，長(cháng)期專(zhuān)注于顯示屏用LED的配光研究，公司匯集了一批長(cháng)期致力于LED研究的精英，投入大量設備及人力對國外領(lǐng)先同行的產(chǎn)品進(jìn)行深入研究，并結合自身的特點(diǎn)，總結出一套LED配光、配色的解決方法，現與大家分享，以共同提高各LED封裝廠(chǎng)的工藝和配光水平，為中國LED全彩顯示屏的技術(shù)提升盡一份自己的責任。

LED配光方法是一整套技術(shù)，它包括投產(chǎn)晶片的K-factor管理、封裝工藝的控制、白平衡的調配及LED Lens的光學(xué)設計等等?，F分別陳述如下：

一、 晶片的K-factor管理。

雷曼光電對每一批量產(chǎn)產(chǎn)品的晶片都進(jìn)行了嚴格地控制。我們?yōu)槊恳划a(chǎn)品都建立了自己的檔案，從這份檔案中我們可以清楚知道某一生產(chǎn)令的投產(chǎn)晶片資料，而且會(huì )把所有的分級數據存檔分析，這樣我們就有了公司所有產(chǎn)品的K-factor明細，從而也從源頭開(kāi)始就把產(chǎn)品列入控制，我們就能根據客戶(hù)的具體需求，精確地計算出我們所需要晶片的規格。

特別是生產(chǎn)全彩顯示屏用的產(chǎn)品，我們對晶片的控制特別嚴格，不僅僅是達到客戶(hù)的亮度要求就夠了，我們要站在客戶(hù)的角度上，實(shí)實(shí)在在地為他們解決白平衡調節中所遇到的困難，除了要達到客戶(hù)的波長(cháng)要求和亮度要求外，以下兩點(diǎn)細節要特別引起注意，一是成品的亮度要成正態(tài)分布，不能出現亮度不連續的現象，對波長(cháng)的要求也一樣，而且要特別注意晶片投料時(shí)一定要把所投晶片的波長(cháng)平均值明細以及每板晶片的數量列出，要在電腦上進(jìn)行分析，也可以作一個(gè)直方圖，以明確晶片的波長(cháng)分布是否成正態(tài)分布。如果以上細節不注意，顯示屏制造商在調白平衡時(shí)，由于LED的亮度和波長(cháng)不成正態(tài)分布，調整起來(lái)就特別不容易。

二、 封裝工藝的控制：

全彩顯示屏用LED的封裝工藝有自己的特點(diǎn)。我們首先要做的是控制原物料，因為戶(hù)外全彩屏的使用環(huán)境惡劣，不是長(cháng)期在高溫下工作就是長(cháng)期在低溫下工作，而且長(cháng)期受雨水的腐蝕，如LED的信賴(lài)度不是很好，很容易出現瞎點(diǎn)的現象，所以我們很注意對原物料品質(zhì)的控制。公司有一整套物料檢查的先進(jìn)設備，可以幫助我們嚴格地控制原物料。

我們全彩屏LED產(chǎn)品上，都是使用具有高導熱、導電性能的優(yōu)質(zhì)銅支架，這樣可以大大地降低LED的熱阻。另外，我們對支架的鍍層也作了特別規定，以保證我們的品質(zhì)需求。為了提高成品的亮度，我們還對支架碗杯作了亞光處理。在環(huán)氧樹(shù)脂的選擇上，我們針對顯示屏的工作特點(diǎn)，特別選用了能夠抗UV的高Tg膠水。在烘烤工藝上，我們使用的是緩冷緩熱的烘烤工藝，這種烘烤工藝經(jīng)我們大量的實(shí)驗，可以提高膠水的Tg點(diǎn)，而且最為關(guān)鍵的是它可以有效地降低膠水的內應力，這就大大地提高了產(chǎn)品的信賴(lài)性。

三、 白平衡設計

我們根據客戶(hù)的需求，總結出一套自己的計算方式?？蛻?hù)只要將你所需要的亮度和顯示屏的點(diǎn)間距告訴我們，我們就可以全方位地為客戶(hù)服務(wù)，為客戶(hù)的顯示屏作一個(gè)完美的配光方案。為方便下面的介紹，我先介紹幾個(gè)術(shù)語(yǔ)及定義。

白平衡：將三種顏色調配到一種設想的白色的過(guò)程。調配可分兩個(gè)內容：顏色和亮度。
1：設定固定條件：溫度、電壓、選用電源線(xiàn)。
2： 設定顏色目標及范圍（公差），一般是指目標顏色的X，Y值。
3：進(jìn)行白色亮度調節。
混合色的總亮度等于組成混合色的各種顏色的亮度總合稱(chēng)為亮度相加定律。

顏色外觀(guān)相同的光，不管它們的光譜成份是否一樣，在顏色混合中具有相同的效果，就是說(shuō)，凡是在視覺(jué)上相同的顏色都是等效的，由此定律可導出顏色的代替律。

顏色匹配方程：若以（C）代表被匹配顏色的單位，（R）（G）（B）代表產(chǎn)生混合色的紅、綠、藍三原色的單位，R、G、B、C分別代表紅、綠、藍和被匹配顏色的數量，當達到匹配時(shí)：
C（C）≡R（R）≡G（G）≡B（B）
≡表示視覺(jué)上相等，R、G、B為代表量，可以為負值。請參看下圖

我們先介紹一個(gè)重心定律給大家，圖中B為顏色1，G為顏色2，R為顏色3，C為G+R的混合色，W為B+C的混合色，這其實(shí)就是一個(gè)白平衡的示意圖，我們可以把C作為綠色和紅色的混合色，從圖中可以看出，它大約位于黃色的區域，C再和藍色混合，它可以通過(guò)我們的白色區間，是可以混出白光的。
其中B=X1+Y1+Z1 C=X2+Y2+Z2
X1、Y1、Z1；X2、Y2、Z2為藍光和混合色C的三刺激值。

重心定律就是：
CM/BM=B/C=（X1+Y1+Z1）/（X2+Y2+Z2）
也就是CM的距離與C成反比，即混合色中C所占的比重越大，CM的距離越短，這就和白燈制作時(shí)大家的經(jīng)驗一樣，熒光粉的量越多，光色越偏黃（即CM越短）。

下面給大家介紹我們的計算方法：

1. 首先要將面光源轉為點(diǎn)光源，得出W點(diǎn)的亮度值，我們知道面光源的單位是Nit，即cd/m2，而我們LED的亮度是mcd，我們注意將單位轉mcd。用顯示屏的總亮度除以每平方米的點(diǎn)數即可。

2. 尋找R、G兩種顏色配色后的座標（已知R、G、B、W四點(diǎn)座標計算BW直線(xiàn)的延長(cháng)線(xiàn)的交點(diǎn)可得出C點(diǎn)座標）。

3. 根據重心定律可計算出C點(diǎn)的IV值（已知W點(diǎn)的IV值）。

4. 根據補色原理，可以得出B、G、R的IV值。

5. 根據所需的IV值計算所需用的電流值（前提是已知20mA的IV值，且近似認為IV與電流成正比）。

說(shuō)明：
1. 該方法可計算R/G/B各需要的LED數。
2. 可近似的計算在使用過(guò)程中R/G/B所需要的電流值，這里的電流只能是近似值，有以下原因：
① IV與電流不一定完全成正比關(guān)系。
② 所知道的LED的IV、WD為一平均值。
故在調白平衡時(shí)，還要根據實(shí)際情況，略作調整，不能完全照此數值來(lái)進(jìn)行調節。

也許你認為上述方法過(guò)于專(zhuān)業(yè)和繁瑣，那我們還有一種比較簡(jiǎn)便的方法供你參考，為解說(shuō)方便，我們以舉例的方式來(lái)介紹。

我們知道，混合一種白光的R/G/B大致比例為3：6：1，我們根據這個(gè)知識就很方便地計算出每種顏色LED所需的亮度值。

比如有一客戶(hù)需要一塊Pitch為16mm，亮度為5000Nit的戶(hù)外全彩屏，那么我們應該怎樣來(lái)計算我們的LED每種顏色到底需要多高亮度。
1. 先計算每一平方米的Pixel數量=1 m2/（16mm X16mm X10-6）=3906 pcs/m2
2. 每一Pixel的亮度=5000Nit/3906 pcs/m2=1.28cd/m2
3. 如果像素組成方式為1：1：1時(shí)，則可按以下方法計算
Red=1.28 X 30% X 1000=384mcd
Green=1.28 X 60% X 1000=768mcd
Blue=1.28 X 10% X 1000=128mcd，

這樣我們很快就知道了答案，很方便是嗎？但以上計算方法只能很粗略地計算，而且有一點(diǎn)要特別注意，由于LED裝上屏后，要封上一層黑膠，這會(huì )降低LED的亮度，再加上各種不同的LED在老化后都有不同程度的衰減，根據我們多年的經(jīng)驗，為使顯示屏達到在陽(yáng)光下圖像清晰所必需的5000Nit，最好將設計值提高30%，即為6500Nit比較安全。

四、 LeNS的光學(xué)設計

LED是一個(gè)十分精密的光學(xué)系統，碗杯、晶片和Lens的搭配要十分得當才是一個(gè)好的光學(xué)設計。一般地說(shuō)，我們原來(lái)大部份封裝廠(chǎng)都沒(méi)有很重視這一點(diǎn)，這也是我們的顯示屏技術(shù)趕不上歐美等發(fā)達國家的一個(gè)很重要的原因。

我們經(jīng)過(guò)大量的分析，發(fā)現紅色晶片和雙墊極的綠、藍色晶片，在晶片的材質(zhì)、各結構層的厚薄、折射率以及它們裸晶光斑都有很大的差異，且它們的物理尺寸也相差太大，要想使R/G/B三種顏色的LED亮度變化在左右各90度的范圍內保持高度一致，須使用不同的光學(xué)Lens。雷曼光電公司投入力量研制出了兩幅光學(xué)Lens（模條），一幅為紅色晶片專(zhuān)用，另一幅為綠、藍色專(zhuān)用。這樣我們就成功地解決了這個(gè)多年的難題。

下面我們將雷曼光電LED的R/G/B三色配光圖與市面常見(jiàn)LED的R/G/B三色配光圖作一比較，以便大家更明確。

上兩幅圖是使用雷曼光電自行研制光學(xué)透鏡的LED產(chǎn)品的配光效果，分別為水平和垂直方向的亮度、角度變化曲線(xiàn)。下兩幅圖是目前市面常見(jiàn)LED產(chǎn)品的配光效果。從圖中可以看出，市面LED產(chǎn)品在50度角度左右可能會(huì )偏紅，要調整到比較理想的效果比較困難。雷曼光電自行研制的產(chǎn)品考慮到了客戶(hù)的這種需求，在左右90度范圍內的紅綠藍三種顏色的配光曲線(xiàn)平滑，一致性好，達到理想水平，這就為顯示屏的白平衡調節提供了強有力的支持。以上是雷曼光電在LED封裝及配光、配色方面的一些經(jīng)驗，借此機會(huì )與大家分享。愿我們與各LED顯示屏企業(yè)共同齊心協(xié)力，為提高我國LED顯示屏的整體技術(shù)水平而共同努力。