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提高液晶電視LED背光效率的技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2009-07-08 來源:EAW電子技術(shù)應(yīng)用

中心議題:
  • 怎樣提高液晶電視LED背光效率
解決方案:
  • 用場順序方法除去濾色片
  • 采用區(qū)域亮度控制
LED相對于CCFL的最大缺點(diǎn)是發(fā)光效率低,CCFL通常在80~100流明/瓦,而LED的發(fā)光效率只有60~80流明/瓦。但由于CCFL是圓柱形,它所發(fā)出的光是無方向性的。當(dāng)它放在LCD屏幕下方時(shí),盡管采用半圓形反光鏡,可以認(rèn)為仍然有相當(dāng)多的一部分光被浪費(fèi)掉了。而LED通常采用側(cè)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(fā)光效率還在逐年提高。

過去都是采用白色LED作為背光,為得到更好的色域表現(xiàn)能力,改為采用RGB三色的LED來混合成白色,但是這樣做需要更多的LED。而且由于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RGBLED背光技術(shù)。

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(shí)是不可能的。因?yàn)闉V色片是把每一個(gè)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,就必須采用小到和子像素尺寸一樣大的LED來照射每一個(gè)子像素,才不會使紅光照到綠光的子像素上。

這樣,LED的個(gè)數(shù)就要幾百萬個(gè)之多。為維持像素?cái)?shù)不變,唯一的方法是重復(fù)使用這些像素,也就是采用時(shí)分復(fù)用制。這樣只要順序地發(fā)射出紅光、綠光、藍(lán)光,同時(shí)控制每個(gè)像素的薄膜晶體管(TFT),使其相應(yīng)地按照該像素在這種顏色時(shí)所應(yīng)當(dāng)具有的的強(qiáng)度來開啟液晶光閥。但是,要順序地發(fā)出紅、綠、藍(lán)三種顏色,并能形成一個(gè)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復(fù)的周期小于人眼的視覺殘留時(shí)間,就可以在人們的大腦中形成一個(gè)彩色的圖象。視覺殘留時(shí)間實(shí)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(shí)間內(nèi)必須完成紅、綠、藍(lán)三個(gè)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(shí)序如圖1所示。
        
                                                             圖1:場順序的工作時(shí)序。
場順序?qū)嶋H上就是讓液晶屏順序地發(fā)出三種不同顏色的圖象,然后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。雖然在硬件實(shí)現(xiàn)上產(chǎn)生了極大的差異,但它卻帶來了很多優(yōu)點(diǎn)。
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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。圖2表明了光能從光源出發(fā)以后所受到的損失。
        
                                             圖2:從背光源出發(fā)的光能的損失。
拿掉濾色片以后,不但能免除了濾色片70%的光能損失,而且還可以節(jié)省濾色片的成本。濾色片的成本在總成本中占19%,是相當(dāng)可觀的一部分(見圖3)。實(shí)際上,省去濾色片以后,還可以提高成品率,減少生產(chǎn)時(shí)間,這些無形的改進(jìn)都十分重要。
                      
                                                        圖3:背光板的成本分析。
其中背光源的25%成本是基于CCFL的數(shù)據(jù),如果采用LED作為背光源,它所占的成本將大大超過這個(gè)比例,大約要占到50%的成本。采用場順序制以后,拿掉了濾色片就相當(dāng)于發(fā)光效率提高了70%,這是非??捎^的。這意味著LED的數(shù)量可以減少70%,LED的成本就可以減少70%。而且LED數(shù)量減少70%以后,其發(fā)熱量可以減少70%,耗電也可以減少70%。

不僅如此,采用場順序以后,由于不需要再把每一個(gè)像素分為三個(gè)子像素,薄膜晶體管TFT也可以減少三倍,因此相當(dāng)于像素面積加大了三倍;或者說,如果保持像素面積不變,在相同的屏幕尺寸下,可以將分辨率提高三倍.
                  
                                            圖4:場順序不需要把每個(gè)像素分成三個(gè)子像素。[page]

由此可見,采用場順序后所帶來的好處是不計(jì)其數(shù)的。

場順序的主要問題是要求液晶的響應(yīng)時(shí)間要快。尤其是如果采用了100Hz或120Hz的場頻,就要求其響應(yīng)時(shí)間小于3ms甚至更短。最近的研究成果表明,采用摻入金屬納米的方法,可以把液晶的響應(yīng)時(shí)間縮短到500微秒.
                
不過,也只有采用場順序以后才能使得LED背光實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,也才能夠真正和CCLF競爭。

三星公司在06年推出了幾款采用場順序的LED背光液晶電視機(jī)。其中一款為40寸的LE40M91,它的分辨率為1366×768,色域達(dá)到110%,對比度可達(dá)10,000:1,亮度可達(dá)450cd/m2,場頻為100Hz,背光系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)。它的售價(jià)為3,000美元。

區(qū)域亮度控制

采用LED背光時(shí),過去存在一個(gè)如何使屏幕的亮度均勻的問題,通過采用區(qū)域亮度控制不但能夠解決亮度均勻的問題,而且還可進(jìn)一步降低背光功耗。這是因?yàn)閷?shí)際的圖像在每個(gè)具體部位的亮度是不一樣的,可能有的區(qū)域較亮、有的區(qū)域較暗,所以完全沒有必要在整個(gè)屏幕采用均勻亮度的背光,可以采用根據(jù)圖象內(nèi)容決定的區(qū)域亮度控制。

實(shí)現(xiàn)方法是:將整個(gè)屏幕分隔為例如20個(gè)等份,根據(jù)圖象內(nèi)容測出其最高亮度,確決該區(qū)域所需的背光亮度,然后對該區(qū)域的背光LED亮度利用PWM技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。在采用背光的區(qū)域亮度控制以后,該區(qū)域的圖象信號也應(yīng)加以相應(yīng)的補(bǔ)償,以免產(chǎn)生亮度失真。

顯然,CCFL背光是不可能實(shí)現(xiàn)這種區(qū)域亮度控制的,一方面是因?yàn)镃CFL的形狀是長條形,根本無法按屏幕分成20個(gè)等份的區(qū)域;另一方面則是因?yàn)樗牧炼纫膊豢赡馨凑請D象的內(nèi)容進(jìn)行快速調(diào)整。不過,在采用LED作為區(qū)域亮度控制時(shí),只能采用直下式背光,而不能采用側(cè)射式。

在2006年SID會議上,臺灣交通大學(xué)提出了一種整體上是直下式,而單個(gè)來看卻是采用側(cè)射式的LED,從而提高了其光線利用率,減少了所需LED數(shù)目并提高了效率。這種技術(shù)主要是采用側(cè)射式LED搭配以六角形導(dǎo)光單元.
                
                     圖5:采用側(cè)射式LED和六角形導(dǎo)光單元的“直下式”LED導(dǎo)光系統(tǒng)。
對于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(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于一般的直下式背光系統(tǒng)。但因?yàn)椴捎昧切蔚慕Y(jié)構(gòu),所以只能采用RGB,而無法采用RGGB。這要求綠色的LED要有足夠大的光輸出。
                        
                                                    圖6:側(cè)射式LED的方向性圖。
最近三星公司推出了70英寸的LED背光液晶電視PAVVLED70(LA70F91BD),它實(shí)現(xiàn)了上下左右180度的視角,采用了120Hz驅(qū)動,使影像響應(yīng)時(shí)間提高到8ms。并且采用了三星公司的LED智能光源技術(shù)(SmartLighting),即區(qū)域亮度控制(LocalDimming)。

它把整個(gè)屏幕分為192個(gè)區(qū)域。根據(jù)輸入的圖象的內(nèi)容來分別調(diào)節(jié)各個(gè)區(qū)域的亮度,從而顯著地提高了畫面的對比度和色彩表現(xiàn)能力。其分辨率為1920×1080,亮度600cd/m2,對比度達(dá)到2,000:1,動態(tài)對比度達(dá)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?qū)崿F(xiàn)圖像無抖動無殘像的影像畫質(zhì)。產(chǎn)品厚度控制在149mm。

韓國LG公司稱這種技術(shù)為AFLC(AreaFocusedLuminanceControl,即區(qū)域聚焦亮度控制)技術(shù),而日本的NEC稱之為AGCPS(AutoGamaControlandPowerSaving,即自動伽碼控制和功耗控制),采用這種技術(shù)以后,功耗還可以減少一半。

因此,如果把場順序和區(qū)域背光相結(jié)合,就有可能把整個(gè)背光系統(tǒng)的功耗降低到CCFL的一半以下。這是非常驚人的功耗節(jié)省。

LED背光看上去好像沒有什么太復(fù)雜的技術(shù),只要把LED點(diǎn)亮就可以。但如果要應(yīng)用到液晶電視中就涉及很多非常復(fù)雜的技術(shù)。這種技術(shù)是生產(chǎn)背光板的企業(yè)所不能單獨(dú)完成的,而必須由生產(chǎn)液晶電視機(jī)的企業(yè)、生產(chǎn)背光板的企業(yè)和生產(chǎn)LED驅(qū)動芯片的企業(yè)三方緊密合作才有可能完成。

如果不盡早起步,我們又將遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于日本和韓國,甚至?xí)僖淮蚊媾R繳納巨額專利費(fèi)的困境。“中國是家電生產(chǎn)的大國,但是不是家電生產(chǎn)的強(qiáng)國。”我們必須徹底改變這個(gè)狀況!唯一的方法就是加大研發(fā)投入。美國的很多企業(yè)都將營業(yè)收入的20%以上用于研發(fā)。希望政府也要鼓勵(lì)和支持企業(yè)加大研發(fā)的投入,這才是中國企業(yè)的出路。
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