- 像點修正技術解決LED亮度差異問題
- 動態(tài)亮度調整
- 個別控制每一顆LED的亮度
像點修正技術解決LED亮度差異問題
體育館或廣告用的大型看板通常包含數十組顯示面板與數千顆LED。在每塊顯示區(qū)內，每顆LED（又稱為像素）所發(fā)出的亮度差異也會很大；通常最亮和最暗的LED相差可達15%至20%以上，這使廠商必須持續(xù)解決品質和管理等困難問題。雖然所有LED應用都會遇到這類問題，但在動態(tài)視頻顯示等需要均勻亮度的高品質應用上卻顯得特別嚴重。制造商大都采取兩種方法來彌補亮度差異，一種方法是向供應商購買亮度相近的LED；另一種方法則是采用內含「像點修正（dotcorrection）」能的高品質LED驅動元件。
亮度相近的LED有許多優(yōu)點，其價格通常也較高。供應商會先測量LED在特定電流下的亮度，然后把亮度相近的紅光、綠光和藍光LED組合在一起。這種方法可在最不影響設計的情形下為低階照明系統(tǒng)提供均勻亮度；其缺點則是每顆LED的亮度耗損速度都不同，因此經過一段時間后亮度又會變得不均勻。這項缺陷使它僅能做為短期解決方案，否則經過一兩年后，畫面又會變成一塊一塊。除此之外，若面板發(fā)生故障而需要更換，新面板與原有面板的亮度也會出現(xiàn)極大差異。
高階顯示器系統(tǒng)對于亮度匹配的要求更為嚴苛，單靠采用亮度相近的LED并無法滿足這類應用的要求。因此為了讓像素和面板在顯示器壽命週期內都能維持均勻亮度，制造商會選用內建像點修正功能的先進LED驅動元件。像點修正是藉由調整個別LED電流來管理像素亮點的一種方法：處理器只需控制送到整塊LED顯示區(qū)的總電流，再由LED驅動元件調整個別LED電流來產生均勻亮度；這表示處理器可將其運算效能用于其它工作，而不需為了均勻亮度而查詢表格或在每個更新週期針對每顆LED進行復雜的乘法運算。
為了提供像點修正功能，制造商會透過畫面擷取測量每顆LED的亮度，再將系統(tǒng)最暗的LED指定為基準LED，然后將其它像素的亮度調整成和基準LED相同；調整方式則是根據LED輸出亮度將每個像素的電流減少一定比例。德州儀器（TI）的TLC5940或其它類似元件都會將每顆LED的像點修正值儲存在晶片內建的EEPROM記憶體，或是在每個更新週期當中做動態(tài)修改。這種雙重像點修正方式很有彈性，它既能在外界照明條件改變時更新整個面板的亮度，又能提供長期保存像點修正資訊以確保面板亮度均勻。只要像素亮度隨時間出現(xiàn)變化，或是面板因為故障而需要調整和更換，工程人員隨時都能更新EEPROM資料。我們將用下列例子來說明這種做法。
實際操作案例
為簡單起見，此處只考慮同一種顏色的16顆LED，它們來自于多組面板和數千顆LED所組成的大型顯示系統(tǒng)。我們假設綠色像素的綠光LED必須發(fā)出80毫燭光才能達到面板對于綠色像素的亮度要求。設計人員選擇的LED則為OsramLPE675，它在50mA標準電流下的亮度可分為45-56、56-71、71-90以及90-112毫燭光等四個等級；這表示只要選擇亮度最高的一組LED，就能確保每顆亮度至少能達到80毫燭光。
TLC5940之類的元件最多能驅動16顆LED，每顆元件只需要一顆電阻來設定最大電流值。選擇此電阻時應確保其設定之電流足以讓最暗的LED發(fā)出80毫燭光，LPE675元件資料表顯示它需要43mA的驅動電流才能發(fā)出80毫燭光。設計人員可在安裝時先測量LED在43mA滿電流時所發(fā)出的亮度，然后產生類似圖1的亮度直方圖。圖中第一排資料是以mA為單位的LED電流值，第二排則是以毫燭光為單位的LED亮度值。從圖中可看出LED亮度在未采用像點修正功能時最多相差±10%，這種差異程度是高階顯示器無法接受的。驅動元件可以根據直方圖所示資料個別調整、或是「像素修正」每顆LED的電流，使它們最后得以產生均勻亮度；例如它必須將滿電流下的LED1亮度從83毫燭光調整至80毫燭光。TLC5940提供6位元（64階）像點修正功能，其中每一階都相當于滿刻度的1.56%。
下列公式可用來計算每顆LED的像點修正值：
其中DCproduction是產品制造時所使用的像點修正值，Lbaseline是所要求的亮度，Linitial則是最大電流下所產生的亮度量測值。
圖1：像點修正前的LED亮度和順向電流直方圖
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其中DCproduction是產品制造時所使用的像點修正值，Lbaseline是所要求的亮度，Linitial則是最大電流下所產生的亮度量測值。
計算和儲存每顆LED的像點修正資料后，再將LED驅動元件設定為最大電流，以便單獨調整每顆LED的電流，如圖2的直方圖所示。只要將像點修正資料存入TLC5940晶片內建的EEPROM記憶體，系統(tǒng)就能在每次開機時取出這些像點修正資料，直到下一次重新校準為止。
圖2：像點修正后的LED亮度和順向電流直方圖
動態(tài)亮度調整成為LED背光源TV必備功能
廣告看板、或大型顯示器等室內/室外工業(yè)用顯示器只需「靜態(tài)」調整就已足夠（校準值維持固定不變，直到工程人員重新調整這些校準值為止)；此時面板亮度的調整會與系統(tǒng)例行維護作業(yè)一起進行。然而新出現(xiàn)的各種市場應用卻需要更先進的調整方法，尤其當這項技術逐漸融入消費性產品和家庭生活后，設計人員必須針對LED亮度隨時間而改變的現(xiàn)象進行控制和調整。
雖然這個轉變過程仍在起步階段，其所需的技術卻已經存在。新力（40吋Qualia005）以及三星（46吋LNR460D）都已推出采用LED背光源的液晶電視；但它們并非我們想像般使用白光LED，而是將紅光、藍光和綠光LED組合在一起并進行控制，以產生亮度可調整的白色光源。LED背光源有許多勝過傳統(tǒng)燈泡的優(yōu)點，像是電源效率更高、移動畫面殘影更少、色譜范圍更廣（某些場合大于105%NTSC)、壽命更長、以及色溫可調整等；其畫質更是傳統(tǒng)光源無法比擬。
另一方面，採用LED背光源的電視工程師不僅會面臨傳統(tǒng)面板制造商所遇到的亮度差異困擾，更會遇到溫度帶來的挑戰(zhàn)；這是因為LED亮度隨溫度改變的特性會對電視背光應用造成極大影響。另外，這類電視若要提供最佳畫質，就必須針對消費者家里不斷變動的照明狀況調整背光源的各項屬性。這些技術考量，加上電視是一種消費應用的事實，讓動態(tài)亮度調整成為LED背光源不可或缺的功能。
要提供這類動態(tài)控制回路，電視內部必須安裝感測器來測量LED溫度和亮度變動，外部也要用感測器測量電視周圍的亮度。最基本的控制回路會利用感測器搜集這些資料，再將測量結果送給處理器，處理器就會評估這些資料，并且指揮TLC5940之類的LED驅動元件進行調整。處理器會根據工廠設定的原始像點修正資料和新搜集的動態(tài)資料來產生新的像點修正值。
在前面的例子里，若環(huán)境光源感測器發(fā)現(xiàn)周圍亮度很低，使LED只需達到最大亮度的七成或56毫燭光就已足夠，處理器就會計算出新的「環(huán)境光源」像點修正值為44.8。在這同時，如果溫度上升導致LED亮度輸出減少一成，處理器則會計算出「溫度」像點修正值為71.1。綜合這三個像點修正值即可計算出新的像點修正資料，以補償這三種亮度變異所造成的誤差：
如上所示，將像點修正總值設為48即可產生我們所需的56毫燭光亮度。由于受到溫度升高造成LED亮度減少的影響，此計算過程已將初始電流設為產品制造過程時所使用電流的90%。
從以上分析可知，唯有能夠提供和結合靜態(tài)與動態(tài)像點修正方法的先進LED驅動元件，才能針對消費者觀賞環(huán)境提供最理想的照明解決方案。
走向智能型電視背光源
新力和三星的原型設計都是將LED串聯(lián)以減少所需控制的LED數量，但要真正提供全動態(tài)的背光照明控制，我們仍須個別控制每一顆LED的亮度。為達到此目標，LED供應商正在發(fā)展新技術以提供更有彈性的LED連接方式。
智能型電視背光源是推動家庭娛樂轉型的另一項重要創(chuàng)新技術。初期產品的杰出表現(xiàn)更證明了在LED技術協(xié)助下，顯示器畫質會在未來幾年內達到過去無法想像的境界，進而為消費者帶來無比震撼的視覺饗宴。
