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産品知識

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LED全彩顯示屏配光解決方案
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日期:2014-01-17 19:50 信息來源:深德彩

中國大陸的LED顯示幕産業最早起步於1987年前後,經過十來年的共同發展,現已初具規模。目前,LED顯示幕的生産廠家越來越多,其中不乏一些優秀的企業,他們共同繁榮了這個新興的高科技産業。二十一世紀是個平板顯示的時代,LED顯示幕作爲平板顯示的主流産品之一,也必將會有更大的前景。


LED顯示幕是一種由電腦技術、資訊處理技術、電子技術、光學及色度學等高新技術相結合的電子顯示器,一般地說,LED顯示幕又分爲單色屏,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顔色的LED組成。把紅色和綠色LED作爲一個圖元的顯示幕叫雙色屏或彩色屏。把紅、綠、蘭三種LED放在一起作爲一個圖元的顯示幕叫三色屏或全彩屏。伴隨綠色晶片亮度不斷地提升,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爲誘人。


LED全彩屏又分爲室內屏(Indoor)和戶外屏(Outdoor),我們先介紹幾個全彩屏的常用術語。點(Pixel):圖元點的簡稱,一般由R/G/B三種顔色的LED組成。按組成的方式不同,又分爲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。


点间距(Pitch):显示幕各图元的中心点之间的距离,一般用mm表示,它决定了一个全彩屏的图元数量。灰度等级(Gray Scale):显示幕亮度调节的精细度就叫做显示幕的灰度等级,一般地说,灰度等级越高,显示颜色就越丰富。LED改变颜色的驱动方式一般有两种,一种是改变LED的电流。一般来说,LED 的工作电流最好设定在20mA以下,以保证LED的抗衰减性。另外一种是利用人眼的视觉惰性,用脉冲调制来实现灰度控制。人对图元平均亮度的感觉可取决於它的衰/灭(占空比),即周期性地改变占空比,只要这个周期足够短,人眼就感觉不出它的衰/灭。一般地说,室内屏的点间距(Pitch)为2-12mm,其中2-8mm的室内屏一般使用TOP型的贴片方式或现在发展起来的亚表贴方式。户外屏的点间距(Pitch)为14-26mm,以现在绿色LED亮度水平,Pitch为20mm的显示幕是其中最主流的产品。国内的显示幕制造商,经过这十几年的发展,进步非常快,但和欧美日等发达国家相比,还是有一定的差距,特别是其中最主要的显示器件LED的封装工艺及设计水平,还是有很多不足之处。深圳雷曼光电科技有限公司作为中国光学光电子行业协会LED显示幕分会的成员之一,长期专注於显示幕用LED的配光研究,公司汇集了一批长期致力於LED研究的精英,投入大量设备及人力对国外领先同行的产品进行深入研究,并结合自身的特点,总结出一套LED配光、配色的解决方法,现与大家分享,以共同提高各LED封装厂的工艺和配光水平,为中国LED全彩显示幕的技术提升尽一份自己的责任。LED配光方法是一整套技术,它包括投产晶片的K-factor管理、封装工艺的控制、白平衡的调配及LED Lens的光学设计等等。现分别陈述如下:


一、晶片的K-factor管理雷曼光電對每一批量産産品的晶片都進行了嚴格地控制。我們爲每一産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産令的投産晶片資料,而且會把所有的分級資料存檔分析,這樣我們就有了公司所有産品的K-factor明細,從而也從源頭開始就把産品列入控制,我們就能根據客戶的具體需求,精確地計算出我們所需要晶片的規格。特別是生産全彩顯示幕用的産品,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,實實在在地爲他們解決白平衡調節中所遇到的困難,除了要達到客戶的波長要求和亮度要求外,以下兩點細節要特別引起注意,一是成品的亮度要成正態分布,不能出現亮度不連續的現象,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分布。如果以上細節不注意,顯示幕制造商在調白平衡時,由於LED的亮度和波長不成正態分布,調整起來就特別不容易。


二、封裝工藝的控制全彩顯示幕用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,因爲戶外全彩屏的使用環境惡劣,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,很容易出現瞎點的現象,所以我們很注意對原物料品質的控制。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。我們全彩屏LED産品上,都是使用具有高導熱、導電性能的優質銅支架,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定,以保證我們的品質需求。爲了提高成品的亮度,我們還對支架碗杯作了亞光處理。在環氧樹脂的選擇上,我們針對顯示幕的工作特點,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,這種烘烤工藝經我們大量的實驗,可以提高膠水的Tg點,而且最爲關鍵的是它可以有效地降低膠水的內應力,這就大大地提高了産品的信賴性。


三、白平衡設計我們根據客戶的需求,總結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幕的點間距告訴我們,我們就可以全方位地爲客戶服務,爲客戶的顯示幕作一個完美的配光方案。爲方便下面的介紹,我先介紹幾個術語及定義。白平衡:將三種顔色調配到一種設想的白色的過程。調配可分兩個內容:


顔色和亮度。

1:設定固定條件:溫度、電壓、選用電源線。

2: 设定颜色目标及范围(公差),一般是指目标颜色的X,Y值。 

3:進行白色亮度調節。混合色的總亮度等於組成混合色的各種顔色的亮度總合稱爲亮度相加定律。顔色外觀相同的光,不管它們的光譜成份是否一樣,在顔色混合中具有相同的效果,就是說,凡是在視覺上相同的顔色都是等效的,由此定律可導出顔色的代替律。顔色匹配方程若以(C)代表被匹配顔色的單位,(R)(G)(B)代表産生混合色的紅、綠、藍三原色的單位,R、G、B、C分別代表紅、綠、藍和被匹配顔色的數量,當達到匹配時:


C(C)≡R(R)≡G(G)≡B(B)

≡表示視覺上相等,R、G、B爲代表量,可以爲負值。


请参看下图:我们先介绍一个重心定律给大家,图中B为颜色1,G为颜色2,R为颜色3,C为G+R的混合色,W为B+C的混合色,这其实就是一个白平衡的示意图,我们可以把C作为绿色和红色的混合色,从图中可以看出,它大约位於黄色的区域,C再和蓝色混合,它可以通过我们的白色区间,是可以混出白光的。 其中B=X1+Y1+Z1C=X2+Y2+Z2


X1、Y1、Z1;X2、Y2、Z2为蓝光和混合色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的距离与C成反比,即混合色中C所占的比重越大,CM的距离越短,这就和白灯制作时大家的经验一样,萤光粉的量越多,光色越偏黄(即CM越短)。下面给大家介绍我们的计算方法:1. 首先要将面光源转为点光源,得出W点的亮度值,我们知道面光源的单位是Nit,即cd/m2,而我们LED的亮度是mcd,我们注意将单位转mcd。用显示幕的总亮度除以每平方米的点数即可。


2. 寻找R、G两种颜色配色後的座标(已知R、G、B、W四点座标计算BW直线的延长线的交点可得出C点座标)。


3. 根据重心定律可计算出C点的IV值(已知W点的IV值)。


4. 根据补色原理,可以得出B、G、R的IV值。


5. 根据所需的IV值计算所需用的电流值(前提是已知20mA的IV值,且近似认为IV与电流成正比)。说明:1.该方法可计算R/G/B各需要的LED数。


2.可近似的計算在使用過程中R/G/B所需要的電流值,這裏的電流只能是近似值,有以下原因:


① IV与电流不一定完全成正比关系。

② 所知道的LED的IV、WD为一平均值。故在调白平衡时,还要根据实际情况,略作调整,不能完全照此数值来进行调节。也许你认为上述方法过於专业和繁琐,那我们还有一种比较简便的方法供你参考,为解说方便,我们以举例的方式来介绍。我们知道,混合一种白光的R/G/B大致比例为3:6:1,我们根据这个知识就很方便地计算出每种颜色LED所需的亮度值。比如有一客户需要一块Pitch为16mm,亮度为5000Nit的户外全彩屏,那麽我们应该怎样来计算我们的LED每种颜色到底需要多高亮度。1.先计算每一平方米的Pixel数量=1 m2/(16mm X16mm X10-6)=3906 pcs/m2


2.每一Pixel的亮度=5000Nit/3906 pcs/m2=1.28cd/m2


3.如果圖元組成方式爲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,由於LED裝上屏後,要封上一層黑膠,這會降低LED的亮度,再加上各種不同的LED在老化後都有不同程度的衰減,根據我們多年的經驗,爲使顯示幕達到在陽光下圖像清晰所必需的5000Nit,最好將設計值提高30%,即爲6500Nit比較安全。四、Lens的光學設計LED是一個十分精密的光學系統,碗杯、晶片和Lens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,這也是我們的顯示幕技術趕不上歐美等發達國家的一個很重要的原因。我們經過大量的分析,發現紅色晶片和雙墊極的綠、藍色晶片,在晶片的材質、各結構層的厚薄、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三種顔色的LED亮度變化在左右各90度的範圍內保持高度一致,須使用不同的光學Lens。


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