LED背光源亮度均勻性改善方法

2010-02-21 劉錢飛西安交通大學電子物理與器件教育部重點實驗室

　　針對液晶顯示器中直下式LED (light emitting diode) 背光源邊緣亮度較低的問題,本文提出了一種LED 非均勻排列提高背光源亮度均勻性的方法。在等間距排列的基礎上,通過測量單顆L ED 的亮度分布函數,計算出水平和垂直方向上的LED不等間距排列距離,并對該距離進行優化調整。非均勻排列的LED 背光源亮度均勻性仿真計算結果表明,背光源的全屏亮度均勻性可達到90 %以上。

　　傳統LED 背光源中,LED 在橫向和縱向的排列一般是等距離的,但這樣的排列會使背光源的亮度均勻性比較差,特別在LED背光源的邊緣,亮度會迅速下降。LED 等間距均勻排列時,中間區域的亮度是周圍其它區域亮度的疊加,雖然邊緣區域也會得到其它區域亮度的疊加,但由于LED 是點光源,亮度分布隨距離的增加衰減很快,因此,邊緣區域疊加的亮度分量較小,從而使LED 背光源邊緣的亮度顯著小于中間區域的亮度,導致全屏的亮度均勻性變差。采用動態調光或改善背光源光學系統的特性對最終顯示圖像的亮度均勻性會有一定改善,但會增加背光系統的成本和復雜性。

　　本文從LED 的排列分布方式入手改善背光源亮度的均勻性,可提高LED 背光源邊緣亮度,從而改善全屏的亮度均勻性。在等間距排列的基礎上,通過測量單顆LED 的亮度分布函數,計算出在液晶電視水平和垂直方向上的LED 不等間距排列,然后對等間距排列進行調整,并且對這種LED 排列方式的亮度均勻性進行了仿真計算和分析,結果表明,背光源的全屏亮度均勻性達到90 %以上。

1、LED 亮度分布函數

　　LED 為點光源,它存在一定的發射角度和峰值波長,并且隨著擴散范圍的增大,其亮度值逐漸衰減,這些因素在非均勻性排列計算中都必須要考慮。要得到合理的L ED 排列方式,首先要知道L ED 點光源的亮度分布函數,然后根據點光源的亮度分布函數來計算非均勻性排列間距,以期望在全屏的范圍內能得到比較好的亮度均勻性。

1.1、LED 亮度分布測量

　　以32 英寸LED 背光源設計為例,在32 英寸的LED 背光源的中心放置一顆LED (以白色L ED 為例) ,保持原背光模組光學元件不變。試驗中LED在色溫9300 K下滿負荷工作,在全屏的范圍內均勻取25 ×15 共375 個點,采用色彩分析儀CA2000 測量LED 透過背光源光學系統后的亮度分布,從而得到375 個亮度值,具體測量裝置圖如圖1 所示。

圖1 　LED 亮度分布函數測量裝置圖　　圖2 　單個白色LED 的亮度分布曲線

　　采用MA TLAB 對測量所得的375 個亮度值進行曲線擬合,所得結果如圖2 所示。曲線以LED 的位置為中心建立坐標系, x 和y 軸為與LED 中心的間距, z 為對應的亮度值。

　　由圖2 可以看出,單個LED 的亮度分布大致是一個高斯曲面,而且亮度相對集中在d = 100 mm 的范圍內,超過100 mm 的區域,LED 對其的亮度影響就變得非常小。下面我們將對亮度的橫向和縱向兩個方向進行分析。

1.2、LED 亮度分布分析

　　以LED 的位置為中心,根據前面所測得的數據按橫向和縱向兩個方向分別對LED 亮度分布進行分析。以LED 的中心位置亮度為標準計算各測試點相對亮度,對數據進行洛倫茲擬合,所得擬合結果如下( L x 和L y 為相對亮度, x 和y 為距離) :橫向:

　　擬合的曲線如圖3 所示,可以看出,LED的亮度分布相對集中在以LED為中心半徑為50 mm 的范圍內;當距離超過100 mm 時,LED 的亮度衰減達到97 %左右,所以在考慮LED 對周圍區域的亮度影響時,可以只考慮其周圍半徑為100 mm 的區域內。這就為非均勻排列的設計提供了分析的依據,在非均勻性排列設計中,各LED 之間的亮度疊加是一個必須考慮的因素,以上分析結果體現在分析LED 亮度疊加時,可以只考慮一定范圍內的亮度數據。

水平和垂直方向的LED 亮度擬合曲線

圖3 　水平和垂直方向的LED 亮度擬合曲線

2、LED 均勻排列的亮度均勻性

　　試驗所用LED 背光源排列為: 橫向45 個LED ,間距為15 mm ; 縱向20 個LED ,間距為19mm ,均為等距離排列。根據亮度分布的擬合曲線方程(1) 和(2) ,可以從理論上計算出在現有的排列下橫向和縱向兩個方向的相對亮度分布,從而可以與實際測得的亮度分布進行對比。實際的亮度是在全屏點亮的情況下用取15 ×5 共75 個點測得的。圖4 和圖5 顯示了在橫向和縱向兩個方向上理論計算的亮度分布和實際測量的分布的對比圖,亮度值是以L ED 背光源中心位置亮度為標準計算所得相對亮度。

　　從圖4 可以看出,橫向方向上理論計算的相對亮度分布和實際測量得到的相對亮度分布曲線很接近。當距離中心位置200 mm 的范圍內時,兩者相對亮度的差別不大;超過250 mm 以后,相對亮度急劇下降,在300 mm 處,亮度衰減達到30 %左右。