白色LED背光技術分析

　　LED是LightEmittingDiode(發(fā)光二極管)的縮寫，它是由數(shù)層很薄的攙雜半導體材料制成，一層帶有過量的電子，另一層則缺乏電子而形成帶正電的“空穴”，工作時電流通過，電子和空穴相互結合，多余的能量則以光輻射的形式被釋放出來。LED背光燈板的形狀與尺寸因LCD顯示板燈的形狀及尺寸不同而各異。LED背光燈板基本上是長方形或長條形的。它有側部發(fā)光及底部發(fā)光兩種基本結構。側部發(fā)光的結構主要用于狹長條形的背光燈板(一般長度大于2倍的寬度)；而底部發(fā)光結構主要用于長度與寬度相差不多的背光燈板。發(fā)光二極管點亮時，光線射入透明有機玻璃，使整個發(fā)光面都可以看到亮光，這稱為邊光效應。有機玻璃頂部做成微珠粒狀，可使整個發(fā)光面的光線更均勻。有機玻璃的頂部有一層乳白色透明塑料膜，可使發(fā)出的光更為柔和。背光燈板兩側邊用銀色遮光膠帶封住。每個LED發(fā)光單元列有兩個串聯(lián)的二極管，若干列組成LED陣列(視背光燈板的長度而定)。

　　與現(xiàn)有的CCFT技術相比，發(fā)光二極管有大量的優(yōu)點。LED是一種平面的光源，最基本的LED發(fā)光單元是邊長3～5毫米的正方形，極容易組合在一起成為既定面積的面光源，如果作為液晶屏幕的背光源，所需的輔助光學組件可以做得非常簡單，屏幕亮度均勻性更為出色。而且LED背光有更好的色域，色彩表現(xiàn)力強于冷陰極熒光燈背光，可對顯示色彩數(shù)量不足的液晶技術起到很好的彌補作用。目前LED背光源的色域范圍甚至超過最高等級的AdobeRGB和NTSC色彩標準，可令LCD顯示器擁有極為出色的色彩表現(xiàn)(與NTSC規(guī)格相比，采用LED背光的LCD顯示器色域范圍可以達到它的105，而CCFT背光的LCD顯示器色域最大只有NTSC的78)。其次是LED使用的是6～24V的低壓電源，供電模塊的設計也頗為簡單，這種采用LED背光源的液晶屏比通常用的CCFT(冷陰極熒光管)類液晶屏省電48，同時不含對身體健康、環(huán)境有害的重金屬汞。

　　以東芝的LibrettoU100為例，它在7.2英寸液晶屏上，采用了32個LED的獨立控制機構來實現(xiàn)背照光系統(tǒng)，可以鮮明而清晰地顯示影像和文字，功耗僅有1.3W，而同等尺寸液晶屏需要的CCFT冷陰極熒光管功耗在2.5W以上。LED顯示器與LCD顯示器相比，更高的刷新頻率使得LED在視頻方面有更好的性能表現(xiàn)——LED顯示屏的單個元素反應速度是LCD液晶屏的1000倍，在強光下也可以照看不誤，并且適應零下40℃的低溫。除了功耗低、環(huán)保外，LED還有一大優(yōu)點，那就是使用壽命長達10萬小時，即便每天連續(xù)使用10個小時，也可以連續(xù)用上27年。

　　不過，LED也存在一些較嚴重的先天缺陷，其中最讓業(yè)界飽受困擾的應該是LED的發(fā)光效率問題。作為背光源的LED器件以白光類型居多，而白光LED器件在開始時發(fā)光效率不高，致使屏幕亮度普遍偏低。比如在當前的LED技術中，不論屏幕的制造商是誰，LED組件的亮度都各不相同。目前CCFT冷陰極熒光燈的發(fā)光效率可達到50～100lm/W(流明/瓦)，而白光LED器件在剛起步時發(fā)光效率僅為20lm/W甚至更低，這一問題導致了顏色偏移、不一致的色純度和質量低劣的真“白色”，這就注定LED在開始時并不適合作為LCD顯示器的背光源。為了消除這一問題，LED制造商們將芯片“分區(qū)”或分解成具有近似顏色和亮度的區(qū)塊。這種處理有一定的幫助，但仍有不足、亮度和顏色中仍然存在偏移。雖然后來廠商又研發(fā)了彩色校正電路，可以在一定程度糾正這一問題，但均勻性問題依然存在。幸運的是，該領域的技術進展非常迅速，白光LED的發(fā)光效率以每年提高60的幅度提升，到目前為止，白光LED器件的發(fā)光效率突破50lm/W，開始達到實用化水平。而業(yè)界希望在2007年之前，將白光LED的發(fā)光效率提高到75lm/W的高水平，而且最新的彩色校正系統(tǒng)也可以將顏色和亮度上的偏差控制在合理的范圍內。其中最具代表性的彩色校正系統(tǒng)是Lighthouse公司的M4系統(tǒng)，它允許對每個屏板中的每個像素(亮度和顏色)單獨進行控制，可以確保獲得純正的白色、達到較好的色平衡/色彩控制效果，各個像素之間顏色和亮度上的偏差被控制在不超過1的范圍之內。相比之下，絕大多數(shù)僅使用分級或分區(qū)塊LED的LED屏幕中，一般存在30的偏差。

　　盡管LED優(yōu)點多多，但短時間內還難以普及，比如LED背光源系統(tǒng)的成本要高于冷陰極熒光管。目前LED背光模組零組件的價格為CCFT的5倍左右，屏幕尺寸越大，采用LED背光技術的成本就越高。東芝U100之所以采用這種顯示技術，完全在于它只是東芝筆記本20周年紀念品才被應用。值得欣慰的是，LED產業(yè)也存在類似微處理器產業(yè)中的“摩爾定律”——Haitz定律，以安捷倫(LED領域領導廠商)的前任技術科學家Rola n dHaitz命名。其內容是LED的價格每10年將為原來的1/10，性能則提高20倍。如果這個定律能夠不斷應驗，而隨著產能的增加，LED背光源的成本將快速下滑。預計到未來一兩年LED背光的售價可降到CCFT背光的2倍左右，距離大規(guī)模普及僅有一步之遙。

　　筆記本電腦借助LCD液晶顯示器來顯示色彩和圖形，其無論是采用超扭曲向列(STN)技術還是薄膜晶體管(TFT)技術，都需要采用白背光源來照明。白光光譜包含了所有色彩的顏色，而顯示器的濾色鏡會從白光光譜中挑選所需表現(xiàn)出的顏色，最終形成我們眼睛所看到的絢麗多彩和逼真畫面。從其原理我們可知道，液晶亮度、對比度等指標很大程度上都取決于背光源的性能，而背光燈管因本身特性，壽命有限，屬于消耗品，這也直接決定著液晶顯示設備的使用壽命。無論是臺式LCD顯示器還是筆記本屏幕，幾乎所有的較大面積的LCD顯示器都使用CCFT(ColdCathodeFluorescentTube，冷陰極熒光燈)背光。

　　雖然從技術上來說CCFT已經(jīng)相當成熟，無論是性能還是穩(wěn)定性都久經(jīng)考驗。不過，冷陰極熒光燈屬于管狀光源，要將所發(fā)出的光均勻散布到面板的每一個區(qū)域就需要相當復雜的輔助組件，屏幕的厚度也難以控制。而且隨著面板的增大，必須使用多條光源，這就要求來自這些CCFT的光還必須匹配。更重要的是，冷陰極熒光燈色域較為狹窄，會嚴重影響在LCD顯示器上顯示的色譜，導致幾乎所有的LCD顯示器都無法達到平面印刷的AdobeRGB色域標準。CCFT背光使LCD顯示器最大只能再現(xiàn)不到80的NTSC信號所能傳輸?shù)纳省Ｍ瑫r，CCFT背光源的能量利用效率低下。在光能從背光到屏幕的傳輸過程中，光能量損耗情況非常嚴重，最終大約有6的光能可被真正利用。為了實現(xiàn)更高的亮度和對比度，廠商必須提高光源的輸出功率或增加燈管數(shù)目，而這樣帶來的后果就是整機功耗上揚。這對于桌面型LCD顯示器或液晶電視不會有多大的影響，但對筆記本LCD屏幕影響很大。特別是這些CCFT需要高壓交流電驅動，對電源變壓整流組的要求相對復雜。另外,冷陰極熒光燈的使用壽命并不算長，許多LCD產品在使用幾年后屏幕就會發(fā)黃、亮度明顯變暗。

　　LCD是筆記本電腦中功耗最高的部件，為了盡可能提高電池續(xù)航能力，業(yè)界積極發(fā)展低功耗的LCD屏，而CCFT背光源顯然與之背道而馳。