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從LED器件技術進步看戶外顯示屏發展趨勢

責任編輯:深圳市聯森光電有限公司  發布時間:2019-03-06
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   進入二十一世紀,LED從外延材料生長、芯片制作到器件封裝均取得了大幅度的技術進步,LED綜合光效已提高了3~4倍。因此采用壓縮視角而提高光軸方向亮度的技術方法已不應再成為業界提高亮度的唯一技術路線。提高顯示屏亮度的同時擴大受眾范圍并大幅改善亮度均勻性已成可行,戶外LED顯示屏進行技術變革的時代業已來臨。

   1. LED配光特性與顯示屏配光特性關聯性分析

   人們通常會認為“LED配光特性就等于顯示屏配光特性” 。這是一個不準確的說法,準確的說 LED配光特性(以下用I(θ)表示)與顯示屏配光特性(以下用B(θ)表示)之間的數學關系與測試方法有關:

   (a) 若我們測試顯示屏水平方向的配光特性,而測試圖像為一列豎線時;或測試顯示屏垂直方向的配光特性,而測試圖像為一行橫線時,則:

   B(θ)=I(θ) (1)

   (b) 若我們測試顯示屏水平或垂直方向配光特性,而測試圖像為大面積(大于測量儀器的取樣范圍)同一灰度圖像時,則:

   B(θ)=I(θ)/Cosθ (2)

   以上兩種測試方法中,方法(b)因為與顯示屏實際應用更為貼近,因此被業界更多地采用。目前我國行業標準SJ/T11281即采用了該測試方法。

   同時,從公式(2)中我們可以得出結論:為了使LED顯示屏的配光特性B(θ)=1(即顯示屏的亮度不隨觀察者的角度變化而變化),則LED的配光特性應滿足I(θ)=Cosθ。即顯示屏用LED的理想配光特性應該為余弦函數(含水平方向和垂直方向)。

   2. LED配光特性與顯示屏亮度及均勻性關聯性分析

   通常我們所說的某一特定規格LED的配光特性是指該規格LED的平均配光特性,而具體到該規格LED的個體(即使是同一規格、同一批次),不同個體之間的配光特性其實是有較大差異的。產生這些差異的主要原因有:

   (a) 芯片配光特性的微小差異;

   (b) 封裝支架的形狀及反光特性的微小差異;

   (c) 固晶過程中芯片與支架相對位置的微小差異;

   (d) 由于封膠設備的精度原因而造成的支架與模條之間的位置以及插深的微小差異;

   (e) 不同封膠模條的差異以及同一模條在使用不同次數之后所造成的差異。

   由于上述主要原因,所造成的同一規格、不同LED個體之間的配光特性差異具體表現為:

   (a) 光軸與機械軸的偏離差異;

   (b) 半功率角大小的差異;

   (c) 配光特性形狀的差異。

   因此,當我們在某些敏感角度觀察某塊顯示屏時,由于LED器件本身因素而造成不同LED配光特性在單方位的角度差異就可達2~3° 左右,再加上顯示屏制造商在顯示屏制作過程中產生的不同LED之間垂直度的差異1~2° 左右。同一塊顯示屏中不同LED之間在單方位的角度累計差異大約在3~5° 左右。這樣的角度差異會帶來多大的亮度偏差?我們通過圖一作如下分析:

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   圖一是某國際知名品牌用于全彩色顯示屏的直插式橢圓透鏡LED的配光特性。其中,虛線是垂直方向配光特性(角度較小),實線為水平方向配光特性(角度較大)。從圖一可以看出:

   (a) 當角度較小的垂直配光特性從11° 到15° 變化時(4° 的變化值),LED的相對亮度值從0.8降到了0.6,變化幅度高達(0.8-0.6)/0.6=33%(該段配光特性曲線的斜率極大);而當角度較大的水平配光特性同樣從11° 到15° 變化時,LED的相對亮度值則僅從0.93降到了0.89,變化幅度只有(0.93-0.89)/0.89=4.5%(該段配光特性曲線的斜率較小);

   (b) 當觀察者的視線與顯示屏的光軸有30° 的夾角時:在垂直方向LED的光強僅為LED光軸方向亮度的27.5%;而在水平方向LED的光強則任然保有74% 。 由此可知:當觀察者的視線與LED光軸在垂直方向存在一定角度時(大于10°),通過壓縮垂直方向的角度從而提高LED光軸方向的亮度這一技術路線帶來了兩大弊端:

   (a) LED顯示屏的亮度均勻性極度劣化;

   (b) LED的亮度大幅下降。

   3. 表貼LED的特性及在戶外顯示屏的應用

   正是因為采用直插式橢圓透鏡LED存在上述難以克服的嚴重弊端,近年來伴隨著LED光效的大幅提升,業內開始逐步擯棄“壓縮垂直視角提高光軸亮度”的做法,而嘗試采用角度更大、配光特性更為平滑、裝配精度更高的表貼LED。圖二給出了某國際知名品牌平面形PLCC表貼LED的配光特性。從圖中看出:

   (a) 該封裝形式的LED無論水平方向還是垂直方向均具有較大的角度;

   (b) 整個配光特性曲線斜率變化小,較為平滑;

   (c) 配光特性曲線函數近似于余弦函數(I(θ)=Cosθ)。

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   根據上述分析我們確認,采用平面形PLCC表貼LED制造的顯示屏具有如下特點:

   (a) 因為LED在水平和垂直方向均具有較大的角度(配光特性曲線斜率變化小,較為平滑),且表貼LED顯示屏的裝配精度高。所以顯示屏亮度均勻性極為優越;

   (b) LED配光特性近似余弦函數(I(θ)≈Cosθ),使得顯示屏配光特性B(θ) =I(θ)/Cosθ≈Cosθ/Cosθ≈1,即顯示屏的亮度不隨觀察者視角的變化而變化。

   當然,平面形PLCC工藝封裝的表貼LED雖然具有近似理想的配光特性,并會帶來極為卓越圖像質量(尤其是觀察者的視線在垂直方向與顯示屏光軸偏離較大時)。但是,表貼LED在戶外顯示屏的實際應用中我們還須解決好兩個重要環節:一是 “防水” 、二是“散熱” 。目前,一些業內知名品牌在這兩個重要技術環節業已取得了突破,并通過許多工程案例的實施使得該技術已步入成熟。

   4. 結論

   時代發展至今我們可以看出:始于上個世紀九十年代初通過壓縮LED垂直方向角度來提高顯示屏光軸方向亮度的技術路線經過了近二十年的發展及應用,由于存在隨著觀察視角的增大而亮度大幅下降以及均勻性的嚴重劣化的兩大弊端,在新材料、新技術、新工藝的成長及成熟過程中受到了質疑與挑戰。從追求更高的圖像質量與效果的角度看,該技術路線僅僅適合于觀察者的視線與顯示屏光軸在垂直方向的夾角較小時(筆者建議控制在10° 之內)。而當觀察者的視線與顯示屏光軸在垂直方向的夾角較大時(≥10°),選用角度更大、特性更平滑、配光曲線近似余弦函數的表貼LED制作的顯示屏不僅亮度不隨觀察者視角的變化而變化(近似理想的顯示屏配光特性),并擁有更大的受眾范圍。而且可使顯示屏具有優良的亮度均勻性,從而獲得極其卓越的圖像質量。

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