一种RGB三原色背光实现广色域的技术

0   引言

随着液晶显示器的推广及液晶背光模组技术的快速发展，液晶显示器的市场需求，不仅体现在智能化、薄形化、大屏幕化，而且体现在液晶显示最核心的显示效果上。显示效果包括亮度，可视角，色彩还原能力等。色域作为衡量色彩再现能力的物理量，不少厂家都推出了广色域液晶显示器。本文重点介绍的是使用RGB三原色灯珠作为背光的方法（以下简称RGB三原色背光）。

1   广色域实现原理

色域通常用%NTSC表示，它是显示器原色与NTSC所定义的三原色在CIE 193l色度图上所围成的三角形面积之比，一般当数字大于80%时可称为广色域；

液晶显示器构造中影响色域的关键因素是背光源和CF。CF实际由R、G、B三种滤光片组成，不同波段的光线有不同的通过率，只有与滤光片光谱相近的光源才能更好的透过滤光片，因此为实现广色域，需要构成背光源的RGB三色峰值接近CF的RGB三色峰值，同时，白光的RGB三色半波宽需越窄越佳。

目前实现广色域使用最多的两种方法是：

①使用新红粉LED：较多采用绿粉为β-SiAlON，红粉为氟化物，峰值波长固定（630 nm），半波宽窄（＜30 nm）[1]，一般色域达到的80%-90%；

②蓝光LED加量子点：较多采用蓝光LED激发红绿量子点材料，发出的红光、绿光与LED自身的蓝光复合产生白光。激发的红光和绿光半峰宽非常窄[一般可达(25~30) nm]，一般色域达到100%；

2   RGB三原色背光技术特点

2.1 RGB三原色背光工作方式

RGB三原色背光技术是本文重点介绍的一种实现高色域的方法，其主要结构包括使用了三种晶片的LED灯珠、灯条PCB，透镜、普通光学膜材、液晶面板等。

LED 是由R(红）G (绿） B (蓝）三颗芯片封装到同一个EMC支架上,分别由不同电流单独控制，可以单独发出红,绿,蓝三种单色光；

图1 RGB LED封装示意图

图2 RGB背光驱动示意图

图3 RGB背光架构示意图

红绿蓝三种颜色的光经透镜、光学膜材后混合成白光面光源；为了得到混色均匀的白色面光源，三种晶片在LED内部成品字型排布，灯珠与灯珠间三种晶片同样成品字型排布，同时需要搭配效果匹配的透镜。

由于RGB灯珠的三种颜色的光分别由红绿蓝三种晶片发出，半峰宽非常窄，混成白光通过CF后可以达到很高的色域。

2.2  RGB三原色晶片选择

当液晶面板及光学架构固定时，液晶显示器的基础红色、绿色和蓝色坐标分别由LED中的红绿蓝晶片波段决定；为了得到更广的色域和最佳的纯场色坐标点，LED三种晶片需要选择与液晶玻璃滤光片对应的特定波段；为了保证三种晶片发出的红绿蓝光混成均匀的白光，各晶片电压档、亮度档和色块分布，均需要按需求提前设定在尽可能小的范围内。考虑到蓝光对人体的伤害，蓝光晶片选择时可选择靠近460 nm左右的护眼蓝光波段，远离450 nm左右对人体较高伤害的波段。

2.3  RGB三原色背光电流确定

LED的RGB三种晶片的最大额定电流不同，使用时不能超过晶片的最大额定电流；

LED的RGB三种晶片需要不同的电流单独控制，比例不同时，得到的液晶显示器白场（基础白色）的坐标和亮度不同。如想增大白场坐标X值可适当提高红光电流的大小，如想增大白场坐标Y值可适当提高绿光电流的大小。如想提高亮度，可适当提高绿光电流的大小。

2.4  RGB三原色背光色域

按给定的白场坐标调整好RGB三种颜色的电流后，经测试得到红绿蓝纯场画面下的色坐标值，按NTSC规定的标准和方法测试出色域范围，色域达到112.9%NTSC。

图4 RGB背光色域

2.5 RGB各晶片老化一致性

RGB三原色背光LED使用了三种不同的晶片，并在不同的电流下工作，如果三种晶片的衰减速度相差太多或某一种晶片寿命不合格时，会影响到混合成的白光的效果，因此有必要测试三种晶片的衰减速率和寿命的一致性；

如表1为45 ℃环境温度下RGB三原色LED老化1 200 h后光通量及色坐标数据。其中编号LB1 R 150代表红光灯条，工作电流为150 mA；LB2 G 150代表绿光灯条，工作电流为150 mA；LB3 B 120代表红光灯条，工作电流为120 mA；温度和电流的设定是为了加速老化实验进程。每隔240 h后测量各色晶片的光通量Φ(单位lm)及色坐标数据x和y值。

表1 RGB 晶片衰减

由表可知：三种晶片的光通量衰减大致趋势相同，1 200 h后红绿蓝衰减率分别为2.24%、2.61%和0.41%，衰减率大致相同；三种颜色色坐标衰减率最大为-0.31%，三种晶片的色坐标变化量均较小；总体来看RGB灯珠的三种晶片长时间工作时均能保持相对稳定的状态，同时混合成的白光也能保持在相对稳定的状态；

根据阿伦尼乌斯（Arrhenius）模型，LED器件衰减是随工作时间t变化，可表示成指数关系[2]： Φ(t)= exp(-λt)，其中，光衰减常数λ=Aexp[-Ea/(k×T)]

因此，Φ(t)= exp(-λt)=exp{-A×t× exp[-Ea/(k×T)] }

上述公式中，Φ(t)为某一温度下的加电工作时间t后的亮度；A为常数；Ea为激活能，单位eV；K为波耳兹曼常数（K=8.617×10-5 eV/°K）；T为LED结温，单位为°K（°K=℃+273）。在已知两组数据（LED结温T1时光衰常数λ1 ,LED结温T2时光衰常数λ2）的前提下，可得：

λ2=λ1exp[(Ea/K)×(1/T1-1/T1)]

Ea/k=[ln(-t2×lnΦ1)-ln(-t1×lnΦ2)]/(1/T2-1/T1)

A=-(ln Φ1)/{t1×exp[-Ea/(k×T1)]}

寿命 L(p)=-ln(p/100)/{A×exp[-Ea/(k×T)]}

通常将LED亮度衰减到初试亮度的50%时定义为失效，则p/100=50/100,若老化1 200 h时老化光衰n%，则亮度衰减50%时寿命方程:

t=1 200 × ln0.5/ln(1-n%）；

由表4老化1 200 h各晶片亮度衰减数据我们可以计算出： 

红光寿命(B1)= 36 715 h

绿光寿命(B1)= 31 451 h

蓝光寿命(B1)= 202 456 h

根据上述计算结果，三种晶片寿命均大于30 000 h的使用寿命，满足一般背光寿命要大于30 000 h的需求；考虑老化试验中样品数量偏少和老化时长不是足够长的原因，以上寿命仅作为参考来看。

3   效果对比

本文选择了和三种不同背光技术的液晶电视作为比较：常规LED（通常是YAG LED）背光、新红粉LED （KSF LED）背光和量子点液晶电视。

由广色域实现原理可知，背光源的光谱对色域有很大影响。YAG LED背光红绿段波长半波宽较大，KSF LED背光电视的灯珠红光波段半波宽较窄，绿光段半波宽较大；蓝光灯珠需要激发量子点膜后产生绿光和蓝光[3]；RGB三原色背光红绿蓝光三种波段半波宽都比较窄。波段易通过液晶玻璃CF后产生较高的色域。

表2 色域对比

图5 光谱对比

从色域测试数据表2来看：YAG LED为普通色域，色彩表现最普通；KSF LED色域可达到95%左右，色彩表现相较于普通色域有大幅提升；蓝光加量子点方案的电视，色域达到了100%NTSC以上，色彩表现绚丽；RGB三原色背光的色域是最出色的，色域面积最广超出110%，实现了更绚丽、更真实的色彩表现，颜色更有层次感。

4   综述

随着液晶显示技术的继续发展，实现广色域技术仍然是提升显示器性能的重要方面之一。目前已有各种各样的实现广色域的方法，但现有方法中不少存在这样那样的问题，探索新的实现广色域的方法，需要综合考虑可靠性、性能效果、综合成本等。RGB三原色背光技术，经过一系列测试比较，已可以实现甚至超过目前主流技术的广色域的效果，综合性价比存在很大优势，值得后续继续研究推广。

参考文献：

[1] 董春辉.LCD背光高色域显示原理与氟化物荧光粉解决方案[R/OL].(2016-11-09).https://www.docin.com/p-1988401601.html.

[2] 刘熙娟,温岩,朱绍龙.白光LED的使用寿命的定义和测试方法[J].光源与照明,2001(04):16-22.

[3] 周忠伟,孟长军,王磊,等.液晶显示器广色域技术的研究[J].发光学报,2015(09)1071-1075.