可提高液晶电视LED背光效率的技术

2011-02-17

                                              可提高液晶电视LED背光效率的技术

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LED相对于CCFL的大缺点是发光效率低,CCFL通常在80~100流明/瓦,而LED的发光效率只有60～80流明/瓦。但由于CCFL是圆柱形,它所发出的光是无方向性的。当它放在LCD屏幕下方时,尽管采用半圆形反光镜,可以认为仍然有相当多的一部分光被浪费掉了。而LED通常采用侧光辐射,它的光可以比较有效地利用。因此从总体来看,它的效率仍然比CCFL要高,而且LED的发光效率还在逐年提高。
 过去都是采用白色LED作为背光,为得到更好的色域表现能力,改为采用RGB三色的LED来混合成白色,但是这样做需要更多的LED。而且由于本来就需要显示彩色,完全没有必要先将RGB的彩色混成白色,再用RGB滤色片滤出彩色。为此三星公司推出了一种无滤色片的RGB场顺序 LED背光技术。
用场顺序方法除去滤色片
    但是,想要直接用RGB的LED来取代滤色片看上去好像很简单,其实是不可能的。因为滤色片是把每一个像素都分成三种不同颜色的子像素,如果直接用三种颜色的LED来取代滤色片,就必须采用小到和子像素尺寸一样大的LED来照射每一个子像素,才不会使红光照到绿光的子像素上。这样,LED的个数就要几百万个之多。为维持像素数不变的方法是重复使用这些像素,也就是采用时分复用制。这样只要顺序地发射出红光、绿光、蓝光,同时控制每个像素的薄膜晶体管(TFT),使其相应地按照该像素在这种颜色时所应当具有的的强度来开启液晶光阀。但是,要顺序地发出红、绿、蓝三种颜色,并能形成一个彩色的视频图象,就必须利用人眼的视觉残留作用。只要这三种颜色顺序重复的周期小于人眼的视觉残留时间,就可以在人们的大脑中形成一个彩色的图象。视觉残留时间实际上就是电视的场频周期,在PAL制中为五十分之一秒。这也就要求在五十分之一秒的时间内必须完成红、绿、蓝三个图象的显示。因此,这种方式被称为“场顺序”体制,也有人称之为“色顺序”体制。它的工作时序如图1所示。
 
       场顺序实际上就是让液晶屏顺序地发出三种不同颜色的图象,然后靠人脑来合成彩色图象。从人眼感受到的效果来看是完全一样的。虽然在硬件实现上产生了极大的差异,但它却带来了很多优点。
 
首先,这种方法省去了彩色滤色片,而滤色片是光能的主要吸收者,它会损失光能70％以上。图2表明了光能从光源出发以后所受到的损失。
 
拿掉滤色片以后,不但能免除了滤色片70％的光能损失,而且还可以节省滤色片的成本。滤色片的成本在总成本中占19％,是相当可观的一部分(见图3)。实际上,省去滤色片以后,还可以提高成品率,减少生产时间,这些无形的改进都十分重要。
 
       其中背光源的25％成本是基于CCFL的数据,如果采用LED作为背光源,它所占的成本将大大超过这个比例,大约要占到50％的成本。采用场顺序制以后,拿掉了滤色片就相当于发光效率提高了70％,这是非常可观的。这意味着LED的数量可以减少70％,LED的成本就可以减少70％。而且LED数量减少70％以后,其发热量可以减少70％,耗电也可以减少70％。
  不仅如此,采用场顺序以后,由于不需要再把每一个像素分为三个子像素,薄膜晶体管TFT也可以减少三倍,因此相当于像素面积加大了三倍；或者说,如果保持像素面积不变,在相同的屏幕尺寸下,可以将分辨率提高三倍(见图4)。

       由此可见,采用场顺序后所带来的好处是不计其数的。
      场顺序的主要问题是要求液晶的响应时间要快。尤其是如果采用了100Hz或120Hz的场频,就要求其响应时间小于3ms甚至更短。近的研究成果表明,采用掺入金属纳米的方法,可以把液晶的响应时间缩短到500微秒。
 
  不过,也只有采用场顺序以后才能使得LED背光实现商业化,也才能够真正和CCLF竞争。
  三星公司在06年推出了几款采用场顺序的LED背光液晶电视机。其中一款为40寸的LE40M91,它的分辨率为1366×768,色域达到110％,对比度可达10,000:1,亮度可达450cd/m2,场频为100Hz,背光系统的功耗比CCFL降低了70％。背光板的寿命提高一倍以上,更重要的是不含汞,符合RoHS标准。它的售价为3,000美元。
  区域亮度控制
  采用LED背光时,过去存在一个如何使屏幕的亮度均匀的问题,通过采用区域亮度控制不但能够解决亮度均匀的问题,而且还可进一步降低背光功耗。这是因为实际的图像在每个具体部位的亮度是不一样的,可能有的区域较亮、有的区域较暗,所以完全没有必要在整个屏幕采用均匀亮度的背光,可以采用根据图象内容决定的区域亮度控制。实现方法是：将整个屏幕分隔为例如20个等份,根据图象内容测出其更高亮度,确决该区域所需的背光亮度,然后对该区域的背光LED亮度利用PWM技术进行实时控制,从而实现节能的目的。在采用背光的区域亮度控制以后,该区域的图象信号也应加以相应的补偿,以免产生亮度失真。
  显然,CCFL背光是不可能实现这种区域亮度控制的,一方面是因为CCFL的形状是长条形,根本无法按屏幕分成20个等份的区域；另一方面则是因为它的亮度也不可能按照图象的内容进行快速调整。不过,在采用LED作为区域亮度控制时,只能采用直下式背光,而不能采用侧射式。
  在2006年SID会议上,台湾交通大学提出了一种整体上是直下式,而单个来看却是采用侧射式的LED,从而提高了其光线利用率,减少了所需LED数目并提高了效率。这种技术主要是采用侧射式LED搭配以六角形导光单元(见图5)。
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由图中可见,在270×480mm的面积里,一共需要R、G、B各14颗,总共42颗侧射式LED(图6)。
 
       对于32寸的屏幕,其面积比上述面积大2.22倍,所以大约需要93颗LED,这一数量远远少于一般的直下式背光系统。但因为采用六角形的结构,所以只能采用RGB,而无法采用RGGB。这要求绿色的LED要有足够大的光输出。 
      近三星公司推出了70英寸的LED背光液晶电视PAVV LED 70(LA70F91BD),它实现了上下左右180度的视角,采用了120Hz驱动,使影像响应时间提高到8ms。并且采用了三星公司的LED智能光源技术(Smart Lighting),即区域亮度控制(Local Dimming)。它把整个屏幕分为192个区域。根据输入的图象的内容来分别调节各个区域的亮度,从而显著地提高了画面的对比度和色彩表现能力。其分辨率为1920×1080,亮度600cd/m2,对比度达到2,000:1,动态对比度达到50万:1,可以显示10亿7,000万种颜色。而且耗电量也降低了50％,延长了液晶屏的寿命。而且,通过高速影像模式(LED扫描),能够实现图像无抖动无残像的影像画质。产品厚度控制在149mm。
 
韩国LG公司称这种技术为AFLC(Area Focused Luminance Control,即区域聚焦亮度控制)技术,而日本的NEC称之为AGCPS(Auto Gama Control and Power Saving, 即自动伽码控制和功耗控制),采用这种技术以后,功耗还可以减少一半。
      因此,如果把场顺序和区域背光相结合,就有可能把整个背光系统的功耗降低到CCFL的一半以下。这是非常惊人的功耗节省。
  本文小结
       采用LED作为液晶电视的背光已经是不可逆转的潮流。根据Insight Media 在2006年作出的估计,用LED背光的LCD TV将在2010年超过CCFL背光的液晶电视机。估计的绝对数字远远偏小,但是相对值还是可信的。
 
      LED背光看上去好像没有什么太复杂的技术,只要把LED点亮就可以。但如果要应用到液晶电视中就涉及很多非常复杂的技术。这种技术是生产背光板的企业所不能单独完成的,而必须由生产液晶电视机的企业、生产背光板的企业和生产LED驱动芯片的企业三方紧密合作才有可能完成。如果不尽早起步,我们又将远远落后于日本和韩国,甚至会再一次面临缴纳巨额专利费的困境。“中国是家电生产的大国,但是不是家电生产的强国。”我们必须彻底改变这个状况！的方法就是加大研发投入。美国的很多企业都将营业收入的20％以上用于研发。希望将来政府也要鼓励和支持企业加大研发的投入,这才是中国企业的出路。
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