LED全彩顯示幕配光解決方案??

摘要：本文主要介紹了LED全彩顯示幕的全套配光方案，包括投產晶片的K-factor管理、封裝工藝的控制、白平衡的調節以及LED 光學Lens的設計，代表著業界先進的配光解決理念。

中國大陸的LED顯示幕產業最早起步於1987年前後，經過十來年的共同發展，現已初具規模。目前，LED顯示幕的生產廠家越來越多，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產業。二十一世紀是個平板顯示的時代，LED顯示幕作為平板顯示的主流產品之一，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放在一起作為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為誘人。

LED全彩屏又分為室內屏（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）：顯示幕各圖元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圖元數量。灰度等級(Gray Scale)：顯示幕亮度調節的精細度就叫做顯示幕的灰度等級,一般地說,灰度等級越高,顯示顏色就越豐富。LED改變顏色的驅動方式一般有兩種，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，用脈沖調制來實現灰度控制。人對圖元平均亮度的感覺可取決於它的衰/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，室內屏的點間距（Pitch）為2-12mm，其中2-8mm的室內屏一般使用TOP型的貼片方式或現在發展起來的亞表貼方式。戶外屏的點間距（Pitch）為14-26mm，以現在綠色LED亮度水平，Pitch為20mm的顯示幕是其中最主流的產品。國內的顯示幕制造商，經過這十幾年的發展，進步非常快，但和歐美日等發達國家相比，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，還是有很多不足之處。深圳雷曼光電科技有限公司作為中國光學光電子行業協會LED顯示幕分會的成員之一，長期專注於顯示幕用LED的配光研究，公司匯集了一批長期致力於LED研究的精英，投入大量設備及人力對國外領先同行的產品進行深入研究，并結合自身的特點，總結出一套LED配光、配色的解決方法，現與大家分享，以共同提高各LED封裝廠的工藝和配光水平，為中國LED全彩顯示幕的技術提升盡一份自己的責任。LED配光方法是一整套技術，它包括投產晶片的K-factor管理、封裝工藝的控制、白平衡的調配及LED Lens的光學設計等等。現分別陳述如下：

一、晶片的K-factor管理雷曼光電對每一批量產產品的晶片都進行了嚴格地控制。我們為每一產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令的投產晶片資料，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產品的K-factor明細，從而也從源頭開始就把產品列入控制，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。特別是生產全彩顯示幕用的產品，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，因為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產品上，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。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，而且最為關鍵的是它可以有效地降低膠水的內應力，這就大大地提高了產品的信賴性。

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為客戶服務，為客戶的顯示幕作一個完美的配光方案。為方便下面的介紹，我先介紹幾個術語及定義。白平衡：將三種顏色調配到一種設想的白色的過程。調配可分兩個內容：

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：進行白色亮度調節。混合色的總亮度等於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。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，它大約位於黃色的區域，C再和藍色混合，它可以通過我們的白色區間，是可以混出白光的。 其中B=X1+Y1+Z1C=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驗一樣，螢光粉的量越多，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mcd。用顯示幕的總亮度除以每平方米的點數即可。

2. 尋找R、G兩種顏色配色後的座標（已知R、G、B、W四點座標計算BW直線的延長線的交點可得出C點座標）。

3. 根據重心定律可計算出C點的IV值（已知W點的IV值）。

4. 根據補色原理，可以得出B、G、R的IV值。

5. 根據所需的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。

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：

① IV與電流不一定完全成正比關系。
② 所知道的LED的IV、WD為一平均值。故在調白平衡時，還要根據實際情況，略作調整，不能完全照此數值來進行調節。也許你認為上述方法過於專業和繁瑣，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，那麼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，為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%，即為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三種顏色的LED亮度變化在左右各90度的范圍內保持高度一致，須使用不同的光學Lens。

雷曼光電公司投入力量研制出了兩幅光學Lens（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透鏡的LED產品的配光效果，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產品的配光效果。從圖中可以看出，市面LED產品在50度角度左右可能會偏紅，要調整到比較理想的效果比較困難。雷曼光電自行研制的產品考慮到了客戶的這種需求，在左右90度范圍內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，這就為顯示幕的白平衡調節提供了強有力的支援。以上是雷曼光電在LED封裝及配光、配色方面的一些經驗，借此機會與大家分享。愿我們與各LED顯示幕企業共同齊心協力，為提高我國LED顯示幕的整體技術水平而共同努力。