LED全彩顯示屏配光解決方案

深圳雷曼光電科技有限公司總經(jīng)理 李漫鐵

摘要：本文主要介紹了LED全彩顯示屏基于最主要部件——LED的全套配光方案，包括投產(chǎn)晶片的K-factor管理、封裝工藝的控制、白平衡的調(diào)節(jié)以及LED 光學透鏡的設計，代表著業(yè)界先進的配光解決理念。
關(guān)鍵詞：LED顯示屏，白平衡，光學透鏡設計

中國大陸的LED顯示屏產(chǎn)業(yè)最早起步于1987年前后，經(jīng)過近二十年的共同發(fā)展，現(xiàn)已具相當規(guī)模。目前，LED顯示屏的生產(chǎn)廠家越來越多，其中不乏一些優(yōu)秀的企業(yè)，他們共同繁榮了這個新興的高科技產(chǎn)業(yè)，并促使全球LED顯示屏制造中心向中國轉(zhuǎn)移。二十一世紀是個平板顯示的時代，LED顯示屏作為平板顯示的主流產(chǎn)品之一，也必將會有更大的前景。

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)、光學及色度學等高新技術(shù)相結(jié)合的電子顯示器，一般地說，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，價格在不斷下降，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全彩屏的市場前景更為誘人。

LED全彩屏又分為室內(nèi)屏（Indoor）和戶外屏（Outdoor），我們先介紹幾個全彩屏的常用術(shù)語。

點(Pixel)：像素點的簡稱，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。

點間距（Pitch）：顯示屏各像素的中心點之間的距離，一般用mm表示,它決定了一個全彩屏的像素數(shù)量。

灰度等級(Gray Scale)：顯示屏亮度調(diào)節(jié)的精細度就叫做顯示屏的灰度等級,一般地說,灰度等級越高,顯示顏色就越豐富。

LED的驅(qū)動方式一般有兩種，一種是改變LED的電流。一般來說，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惰性，用脈沖調(diào)制來實現(xiàn)灰度控制。人對像素平均亮度的感覺可取決于它的衰/滅（占空比），即周期性地改變占空比，只要這個周期足夠短，人眼就感覺不出它的衰/滅。

一般地說，室內(nèi)屏的點間距（Pitch）為2-12mm，其中2-8mm的室內(nèi)屏一般使用TOP型的貼片方式或現(xiàn)在發(fā)展起來的亞表貼方式。戶外屏的點間距（Pitch）為10-30mm，以現(xiàn)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(nèi)的顯示屏制造商，經(jīng)過這十幾年的發(fā)展，進步非?？?，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，還是有不足之處。

深圳雷曼光電科技有限公司作為中國光學光電子行業(yè)協(xié)會LED顯示屏分會的成員之一，長期專注于顯示屏用LED的配光研究，公司匯集了一批長期致力于LED研究的精英，投入大量設備及人力對國外領先同行的產(chǎn)品進行深入研究，并結(jié)合自身的特點，總結(jié)出一套LED配光、配色的解決方法，現(xiàn)與大家分享，以共同提高各LED封裝廠的工藝和配光水平，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(diào)配及LED Lens的光學設計等等。現(xiàn)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，而且會把所有的分級數(shù)據(jù)存檔分析，這樣我們就有了公司所有產(chǎn)品的K-factor明細，從而也從源頭開始就把產(chǎn)品列入控制，我們就能根據(jù)客戶的具體需求，精確地計算出我們所需要晶片的規(guī)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，不僅僅是達到客戶的亮度要求就夠了，我們要站在客戶的角度上，實實在在地為他們解決白平衡調(diào)節(jié)中所遇到的困難，除了要達到客戶的波長要求和亮度要求外，以下兩點細節(jié)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(xiàn)亮度不連續(xù)的現(xiàn)象，對波長的要求也一樣，而且要特別注意晶片投料時一定要把所投晶片的波長平均值明細以及每板晶片的數(shù)量列出，要在電腦上進行分析，也可以作一個直方圖，以明確晶片的波長分布是否成正態(tài)分布。如果以上細節(jié)不注意，顯示屏制造商在調(diào)白平衡時，由于LED的亮度和波長不成正態(tài)分布，調(diào)整起來就特別不容易。

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。我們首先要做的是控制原物料，因為戶外全彩屏的使用環(huán)境惡劣，不是長期在高溫下工作就是長期在低溫下工作，而且長期受雨水的腐蝕，如LED的信賴度不是很好，很容易出現(xiàn)瞎點的現(xiàn)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設備，可以幫助我們嚴格地控制原物料。我們?nèi)势罫ED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(guī)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)氧樹脂的選擇上，我們針對顯示屏的工作特點，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)我們大量的實驗，可以提高膠水的Tg點，而且最為關(guān)鍵的是它可以有效地降低膠水的內(nèi)應力，這就大大地提高了產(chǎn)品的信賴性。

三、白平衡設計
我們根據(jù)客戶的需求，總結(jié)出一套自己的計算方式。客戶只要將你所需要的亮度和顯示屏的點間距告訴我們，我們就可以全方位地為客戶服務，為客戶的顯示屏作一個完美的配光方案。為方便下面的介紹，我先介紹幾個術(shù)語及定義。

白平衡：將三種顏色調(diào)配到一種設想的白色的過程。調(diào)配可分兩個內(nèi)容：顏色和亮度。
1：設定固定條件：溫度、電壓、選用電源線。
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：進行白色亮度調(diào)節(jié)。
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為亮度相加定律。

顏色外觀相同的光，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，凡是在視覺上相同的顏色都是等效的，由此定律可導出顏色的代替律。[!--empirenews.page--]

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(shù)量，當達到匹配時：
C（C）≡R（R）≡G（G）≡B（B）
≡表示視覺上相等，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，這其實就是一個白平衡的示意圖，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(qū)域，C再和藍色混合，它可以通過我們的白色區(qū)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(zhuǎn)為點光源，得出W點的亮度值，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(zhuǎn)mcd。用顯示屏的總亮度除以每平方米的點數(shù)即可。
2.尋找R、G兩種顏色配色后的座標（已知R、G、B、W四點座標計算BW直叩難映は叩慕壞憧傻貿(mào)鯟點座標）。
3. 根據(jù)重心定律可計算出C點的IV值（已知W點的IV值）。
4. 根據(jù)補色原理，可以得出B、G、R的IV值。
5. 根據(jù)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）。

說明：
1.該方法可計算R/G/B各需要的LED數(shù)。
2.可近似的計算在使用過程中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：
①IV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(diào)白平衡時，還要根據(jù)實際情況，略作調(diào)整，不能完全照此數(shù)值來進行調(diào)節(jié)。

也許你認為上述方法過于專業(yè)和繁瑣，那我們還有一種比較簡便的方法供你參考，為解說方便，我們以舉例的方式來介紹。

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(jù)這個知識就很方便地計算出每種顏色LED所需的亮度值。

比如有一客戶需要一塊Pitch為16mm，亮度為5000Nit的戶外全彩屏，那么我們應該怎樣來計算我們的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(shù)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，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，而且有一點要特別注意，由于LED裝上屏后，要封上一層黑膠，這會降低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(jù)我們多年的經(jīng)驗，為使顯示屏達到在陽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、LED橢圓透鏡的光學設計
LED是一個十分精密的光學系統(tǒng)，碗杯、晶片和透鏡的搭配要十分得當才是一個好的光學設計。一般地說，我們原來大部份封裝廠都沒有很重視這一點，這也是我們的顯示屏技術(shù)趕不上歐美等發(fā)達國家的一個很重要的原因。我們經(jīng)過大量的分析，發(fā)現(xiàn)紅色晶片和雙墊極的綠、藍色晶片，在晶片的材質(zhì)、各結(jié)構(gòu)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(nèi)保持高度一致，須使用不同的光學透鏡。雷曼光電公司投入力量研制出了兩幅光學橢圓透鏡（模條），一幅為紅色晶片專用，另一幅為綠、藍色專用。這樣我們就成功地解決了這個多年的難題。

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橢圓透鏡的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。下兩幅圖是目前市面常見LED產(chǎn)品的配光效果。從圖中可以看出，市面LED產(chǎn)品在50度角度左右可能會偏紅，要調(diào)整到比較理想的效果比較困難。雷曼光電自行研制的產(chǎn)品考慮到了客戶的這種需求，在左右90度范圍內(nèi)的紅綠藍三種顏色的配光曲線平滑，一致性好，達到理想水平，這就為顯示屏的不同角度白平衡調(diào)節(jié)的一致性提供了強有力的支持。

在全彩顯示屏用橢圓燈的產(chǎn)品開發(fā)設計中，我們還必須考慮到一個實際應用的問題，即做成模塊之后的整體配光效果。除了做成模塊實際觀察之外，我們還可以借助理論分析的方法來找出設計中的不足?，F(xiàn)將我司的經(jīng)驗提出與大家共享。同樣，下圖中的X軸為LED的發(fā)光角度，Y軸為LED的相對發(fā)光強度，對一個理想的配光方案來說，我們希望它的光強分布在（COSX+COS2X）/2上，考慮到實際上LED生產(chǎn)過程中的種種可變因素，它可以有一定的偏差。我們假定這個偏差是5度，那么我們所設計產(chǎn)品的光強分布須在（COS（X+5）+COX2（X+5））/2與（COS（X-5）+COX2（X-5））/2之間，這樣可以保證模塊在整個觀察角度都能保持高度的一致。

上圖中的標準線1，標準線2，標準線3的含義如下：
標準線1：（COSX+COS2X）/2
標準線2：（COS（X+5）+COX2（X+5））/2
標準線3：（COS（X-5）+COX2（X-5））/2
包在標準線2和標準線3之間的是我們雷曼R/G/B的光強分布曲線，從圖中可以看出，我們的產(chǎn)品設計是能夠滿足高品質(zhì)顯示屏需求的。

對于屏體來說，屏體的光強分布是用某一角度（X）的相對發(fā)光強度L比上此角度（X）的余弦值，即L/COSX，這樣，我們可以得到理論上屏體的光強分布，雷曼R/G/B屏體理論配光曲線如下左圖所示：[!--empirenews.page--]

從上面兩幅分析圖我們可以清楚看到這兩種不同設計的區(qū)別，經(jīng)過精心設計的雷曼配光方案在實際應用中的優(yōu)勢就充分體現(xiàn)出來了。

當然，理論的光強分布和實際的數(shù)據(jù)還是有一定差異的，具體的光強分布可以用測試儀器分析出來，但是，我們可以借助這些理論分析手段來指導我們的產(chǎn)品研發(fā)和品質(zhì)的提升。

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，讓中國成為LED顯示屏制造強國。

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作者簡介：李漫鐵（1968—），男（漢族），湖南人，碩士，現(xiàn)任深圳雷曼光電科技有限公司總經(jīng)理。1990年本科畢業(yè)于華南理工大學無線電工程系，2005年畢業(yè)于上海交通大學安泰管理學院EMBA。