液晶显示器用高光束R/G/B LED背光模块

由于液晶显示器(LCD:Liquid Crystal Display)的应用已经从笔记型计算机，扩展到行动电话、汽车导航仪、家用电视等领域，因此LCD的自然色再现性成为各界关注的焦点，某些特殊领域甚至要求LCD的色再现范围超过NTSC(National Television System Committee)的色彩规格，接着本文要介绍日本ライツ公司开发的23寸宽银幕高阶监视器，与电视用具备高光束R/G/B LED(Light Emitting Diode)背光模块的色再现性。

色再现性

事实上CRT(Cathode Ray Tubes)与冷阴极灯管(CCFL:Cold Cathode Fluorescent Lamp)都是应用荧光体激发发光动作原理，CRT监视器的色再现性领域受限于三原色的荧光体放射，虽然荧光体的放射频谱分布非常宽广，不过色再现性领域却比NTSC规定的范围窄，大约只能含盖NTSC的70%相当于EBU规范(European Broadcasting Union)，换句话说CRT的辉度与色再现性领域属于trade off关系。

目前CRT大多以辉度为主要诉求，相较之下使用CCFL光源的背光模块(backlight module)的LCD，则是利用与LCD相性的彩色滤光膜片(Color Filter，以下简称为CF)决定色再现范围。图1(a)是CCFL的连续发光频谱分布与CF的穿透分布特性，前者主要特征是R(Red)、G(Green)、B(Blue)各原色的支配性(dominant)波长之间，490nm与590nm附近不纯辉线有sub peak极易因为混色造成色再现范围变窄，根本解决方法是改用窄频谱宽度、高光束R/G/B LED背光模块；图1(b)是LED背光模块的发光特性，由于R/G/B LED背光模块无造成不纯辉线的sub peak，所以可以提高各原色的色纯度，此外R的支配性波长在长波长侧，因此在红光领域可以获得非常宽广的色再现范围。


(a)CCFL背光模组的频谱分布 (b)R/G/B LED背光模组的频谱分布
图1 CCFL的连续发光频谱分布与CF的穿透分布特性
　
R/G/B LED背光模块

图2是日本ライツ公司开发的23吋宽银幕液晶显示器用R/G/B LED背光模块的构造，如图所示40个高功率R/G/B LED以9mm的间距，封装在长方形基板构成LED光源模块，LED背光模块左右两侧分别设置一个LED光源模块，各光源产生的光线经过空间混色后变成白光，再从背光模块中央部位朝LCD方向射出，LCD背面设有一片扩散板、两片扩散膜片、一片棱镜(prism)膜片与一片偏光膜片。表1是上述R/G/B LED背光模块使用的高功率R/G/B LED的光线与电气特性一览，根据测试结果显示它可以获得100% NTSC的色再现范围。


表1 高功率R/G/B LED的光线与电气特性一览


　 图2 R/G/B LED背光模块的构造
　
如众所周知由于LED的构成材料会有温度特性差异，上述R/G/B LED光源模块的G/B LED使用的化合物半导体材料与R LED不同，因此两者的温度变化系数也不同(图3)，随着室温的变动与点灯后LED本身的温升，极易造成混色后的白光辉度与色度不断变化，有鉴于此R/G/B LED背光模块透过最佳化热设计抑制LED的温升，此外还利用模块内的彩色传感器(color sensor)，分别检测R/G/B LED的输出计算传感器的输出之后回馈(feed back)至LED，由于内部演算器不会受到使用条件的变动影响，因此表面显示辉度与色度非常稳定。温度造成LED的输出产生变化，尤其是随着红光LED的温升输出的影响使得输出大幅降低，为了抑制LED本身的温升因此将高热传导性的铝质MCPCB(Meal Core Printed Circuit Board)设置在光源部的铝质筐体(frame)内，背面再利用散热鳍片(heat sink)进行散热。

　 图3 R/G/B LED的温度特性
　
图4是R/G/B LED背光模块的结构方块图，如图所示本背光模块透过最佳化热设计抑制LED的温升，同时利用彩色传感器(C9303)检测R/G/B LED的光量，针对室温变化与色度分布状况，以PWM控制技术管理LED的驱动电流，PWM控制电路主要特征除了可以改变R/G/B LED的输出之外，还可以在3000～9500K的范围内任意设定白光色温。

表2是使用R/G/B LED的LCD规格，该显示器使用23吋WUXGA(Wide Ultra Extended Graphic Array)等级的液晶面板，液晶显示器辉度为250cd/m2，色温6500K(偏光膜片上的辉度为4000cd/m2，CIE1391色度坐标x=0.325,y=0.303。

图4 R/G/B LED背光模块的结构方块图
　
　
表2 使用R/G/B LED的LCD规格

如图5所示表2 使用R/G/B LED的LCD NTSC比超过100%，此外R/G/B LED各自拥有独立的频谱，所以可以调整白光的色度(图6)。如上所述彩色传感器与PWM回馈控制技术，可以使温度造成的色度变化低于CIE1976USC坐标ΔU‘V‘ =0.003，辉度变化则控制在5%范围内。

图5 LED背光模块与LCD的色再现范围


　 图6 色温调整过的LED背光模块频谱分布特性
　
结语

以上介绍高光束R/G/B LED背光模块的色再现特性，使用R/G/B LED背光模块的液晶显示器适合应用在医疗、印刷、PC等领域，尤其是色温范围3000～9300K的家用液晶电视可以获得宽广的色再现范围。

由于LED背光模块的消费电力与制作成本还有很大的改善空间，因此今后除了LED背光模块的光学系统之外，还需抑制LED本身的发热问题。