可提高液晶電視LED背光效率的技術(shù)

LED相對(duì)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(wú)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(lái)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(guò)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(lái)混合成白色，但是這樣做需要更多的LED。而且由于本來(lái)就需要顯示彩色，完全沒(méi)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(wú)濾色片的場(chǎng)順序RGB LED背光技術(shù)。

     用場(chǎng)順序方法除去濾色片

     但是，想要直接用RGB的LED來(lái)取代濾色片看上去好像很簡(jiǎn)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(lái)取代濾色片，就必須采用小到和子像素尺寸一樣大的LED來(lái)照射每一個(gè)子像素，才不會(huì)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(wàn)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(lái)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(jué)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(jué)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(jué)殘留時(shí)間實(shí)際上就是電視的場(chǎng)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(chǎng)順序”體制，也有人稱之為“色順序”體制。

    場(chǎng)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(lái)合成彩色圖象。從人眼感受到的效果來(lái)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(lái)了很多優(yōu)點(diǎn)。

    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(huì)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。

     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(wú)形的改進(jìn)都十分重要。

     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(guò)這個(gè)比例，大約要占到50％的成本。采用場(chǎng)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(chǎng)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(shuō)，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.

    由此可見，采用場(chǎng)順序后所帶來(lái)的好處是不計(jì)其數(shù)的。

    場(chǎng)順序的主要問(wèn)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(chǎng)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(guò)，也只有采用場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)。

     三星公司在06年推出了幾款采用場(chǎng)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(duì)比度可達(dá)10,000:1，亮度可達(dá)450cd/m2，場(chǎng)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(guò)去存在一個(gè)如何使屏幕的亮度均勻的問(wèn)題，通過(guò)采用區(qū)域亮度控制不但能夠解決亮度均勻的問(wèn)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(méi)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(cè)出其最高亮度，確決該區(qū)域所需的背光亮度，然后對(duì)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(hào)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(zhǎng)條形，根本無(wú)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(qǐng)D象的內(nèi)容進(jìn)行快速調(diào)整。不過(guò)，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(huì)議上，臺(tái)灣交通大學(xué)提出了一種整體上是直下式，而單個(gè)來(lái)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.

    對(duì)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(wú)法采用RGGB。這要求綠色的LED要有足夠大的光輸出。

    最近三星公司推出了70英寸的LED背光液晶電視PAVV LED 70(LA70F91BD)，它實(shí)現(xiàn)了上下左右180度的視角，采用了120Hz驅(qū)動(dòng)，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)(Smart Lighting)，即區(qū)域亮度控制(Local Dimming)。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(lái)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(duì)比度和色彩表現(xiàn)能力。其分辨率為1920×1080，亮度600cd/m2，對(duì)比度達(dá)到2,000:1，動(dòng)態(tài)對(duì)比度達(dá)到50萬(wàn):1，可以顯示10億7,000萬(wàn)種顏色。而且耗電量也降低了50％，延長(zhǎng)了液晶屏的壽命。而且，通過(guò)高速影像模式(LED掃描)，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像無(wú)抖動(dòng)無(wú)殘像的影像畫質(zhì)。產(chǎn)品厚度控制在149mm。

    韓國(guó)LG公司稱這種技術(shù)為AFLC(Area Focused Luminance Control，即區(qū)域聚焦亮度控制)技術(shù)，而日本的NEC稱之為AGCPS(Auto Gama Control and Power Saving， 即自動(dòng)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(chǎng)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。