液晶電視LED背光效率的提高技術

LED相對于CCFL的最大缺點是發(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)出的光是無方向性的。當它放在LCD屏幕下方時，盡管采用半圓形反光鏡，可以認為仍然有相當多的一部分光被浪費掉了。而LED通常采用側光輻射，它的光可以比較有效地利用。因此從總體來看，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來混合成白色，但是這樣做需要更多的LED。而且由于本來就需要顯示彩色，完全沒有必要先將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濾色片的場順序RGB LED背光技術。
　
用場順序方法除去濾色片　

但是，想要直接用RGB的LED來取代濾色片看上去好像很簡單，其實是不可能的。因為濾色片是把每一個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來取代濾色片，就必須采用小到和子像素尺寸一樣大的LED來照射每一個子像素，才不會使紅光照到綠光的子像素上。這樣，LED的個數(shù)就要幾百萬個之多。為維持像素數(shù)不變，唯一的方法是重復使用這些像素，也就是采用時分復用制。

這樣只要順序地發(fā)射出紅光、綠光、藍光，同時控制每個像素的薄膜晶體管(TFT)，使其相應地按照該像素在這種顏色時所應當具有的的強度來開啟液晶光閥。但是，要順序地發(fā)出紅、綠、藍三種顏色，并能形成一個彩色的視頻圖象，就必須利用人眼的視覺殘留作用。

只要這三種顏色順序重復的周期小于人眼的視覺殘留時間，就可以在人們的大腦中形成一個彩色的圖象。視覺殘留時間實際上就是電視的場頻周期，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間內(nèi)必須完成紅、綠、藍三個圖象的顯示。因此，這種方式被稱為“場順序”體制，也有人稱之為“色順序”體制。它的工作時序如圖1所示。

圖1：場順序的工作時序。　
　　
場順序?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，然后靠人腦來合成彩色圖象。從人眼感受到的效果來看是完全一樣的。雖然在硬件實現(xiàn)上產(chǎn)生了極大的差異，但它卻帶來了很多優(yōu)點。

表1：相對于CCFL背光，在液晶電視中采用LED背光具有很多優(yōu)點

　　
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。

圖2：從背光源出發(fā)的光能的損失。

　　
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％，是相當可觀的一部分(見圖3)。實際上，省去濾色片以后，還可以提高成品率，減少生產(chǎn)時間，這些無形的改進都十分重要。

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這個比例，大約要占到50％的成本。采用場順序制以后，拿掉了濾色片就相當于發(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，采用場順序以后，由于不需要再把每一個像素分為三個子像素，薄膜晶體管TFT也可以減少三倍，因此相當于像素面積加大了三倍；或者說，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(見圖4)。

圖4：場順序不需要把每個像素分成三個子像素。

　　
由此可見，采用場順序后所帶來的好處是不計其數(shù)的。

　　
場順序的主要問題是要求液晶的響應時間要快。尤其是如果采用了100Hz或120Hz的場頻，就要求其響應時間小于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，可以把液晶的響應時間縮短到500微秒。

　　
不過，也只有采用場順序以后才能使得LED背光實現(xiàn)商業(yè)化，也才能夠真正和CCLF競爭。

　　
三星公司在06年推出了幾款采用場順序的LED背光液晶電視機。其中一款為40寸的LE40M91，它的分辨率為1366×768，色域達到110％，對比度可達10,000:1，亮度可達450cd/m2，場頻為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標準。它的售價為3,000美元。

區(qū)域亮度控制

　　
采用LED背光時，過去存在一個如何使屏幕的亮度均勻的問題，通過采用區(qū)域亮度控制不但能夠解決亮度均勻的問題，而且還可進一步降低背光功耗。這是因為實際的圖像在每個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，所以完全沒有必要在整個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。實現(xiàn)方法是：將整個屏幕分隔為例如20個等份，根據(jù)圖象內(nèi)容測出其最高亮度，確決該區(qū)域所需的背光亮度，然后對該區(qū)域的背光LED亮度利用PWM技術進行實時控制，從而實現(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)域的圖象信號也應加以相應的補償，以免產(chǎn)生亮度失真。

顯然，CCFL背光是不可能實現(xiàn)這種區(qū)域亮度控制的，一方面是因為CCFL的形狀是長條形，根本無法按屏幕分成20個等份的區(qū)域；另一方面則是因為它的亮度也不可能按照圖象的內(nèi)容進行快速調(diào)整。不過，在采用LED作為區(qū)域亮度控制時，只能采用直下式背光，而不能采用側射式。

在2006年SID會議上，臺灣交通大學提出了一種整體上是直下式，而單個來看卻是采用側射式的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。這種技術主要是采用側射式LED搭配以六角形導光單元(見圖5)。