LED背光源亮度均匀性改善方法

针对液晶显示器中直下式LED (light emitting diode) 背光源边缘亮度较低的问题,本文提出了一种LED 非均匀排列提高背光源亮度均匀性的方法。

在等间距排列的基础上,通过测量单颗L ED 的亮度分布函数,计算出水平和垂直方向上的LED不等间距排列距离,并对该距离进行优化调整。

非均匀排列的LED 背光源亮度均匀性仿真计算结果表明,背光源的全屏亮度均匀性可达到90 %以上。

传统LED 背光源中,LED 在横向和纵向的排列一般是等距离的,但这样的排列会使背光源的亮度均匀性比较差,特别在LED背光源的边缘,亮度会迅速下降。

LED 等间距均匀排列时,中间区域的亮度是周围其它区域亮度的叠加,虽然边缘区域也会得到其它区域亮度的叠加,但由于LED 是点光源,亮度分布随距离的增加衰减很快,因此,边缘区域叠加的亮度分量较小,从而使LED 背光源边缘的亮
度显著小于中间区域的亮度,导致全屏的亮度均匀性变差。

采用动态调光或改善背光源光学系统的特性对最终显示图像的亮度均匀性会有一定改善,但会增加背光系统的成本和复杂性。

本文从LED 的排列分布方式入手改善背光源亮度的均匀性,可提高LED 背光源边缘亮度,从而改善全屏的亮度均匀性。

在等间距排列的基础上,通过测量单颗LED 的亮度分布函数,计算出在液晶电视水平和垂直方向上的LED 不等间距排列,然后对等间距排列进行调整,并且对这种LED 排列方式的亮度均匀性进行了仿真计算和分析,结果表明,背光源的全屏亮度均匀性达到90 %以上。

1、LED 亮度分布函数
LED 为点光源,它存在一定的发射角度和峰值波长,并且随着扩散范围的增大,其亮度值逐渐衰减,这些因素在非均匀性排列计算中都必须要考虑。

要得到合理的L ED 排列方式,首先要知道L ED 点光源的亮度分布函数,然后根据点光源的亮度分布函数来计算非均匀性排列间距,以期望在全屏的范围内能得到比较好的亮度均匀性。

1.1、LED 亮度分布测量
以32 英寸LED 背光源设计为例,在32 英寸的LED 背光源的中心放置一颗LED (以白色L ED 为例) ,保持原背光模组光学元件不变。

试验中LED在色温9300 K下满负荷工作,在全屏的范围内均匀取25 ×15 共375 个点,采用色彩分析仪CA2000 测量LED 透过背光源光学系统后的亮度分布,从而得到375 个亮度值,具体测量装置图如图1 所示。

图1 LED 亮度分布函数测量装置图图2 单个白色LED 的亮度分布曲线
采用MA TLAB 对测量所得的375 个亮度值进行曲线拟合,所得结果如图2 所示。

曲线以LED 的位置为中心建立坐标系, x 和y 轴为与LED 中心的间距, z 为对应的亮度值。

由图2 可以看出,单个LED 的亮度分布大致是一个高斯曲面,而且亮度相对集中在d = 100 mm 的范围内,超过100 mm 的区域,LED 对其的亮度影响就变得非常小。

下面我们将对亮度的横向和纵向两个方向进行分析。

1.2、LED 亮度分布分析
以LED 的位置为中心,根据前面所测得的数据按横向和纵向两个方向分别
对LED 亮度分布进行分析。

以LED 的中心位置亮度为标准计算各测试点相对亮度,对数据进行洛伦兹拟合,所得拟合结果如下( L x 和L y 为相对亮度, x 和y 为距离) :横向:
拟合的曲线如图3 所示,可以看出,LED的亮度分布相对集中在以LED为中心半径为50 mm 的范围内;当距离超过100 mm 时,LED 的亮度衰减达到97 %左右,所以在考虑LED 对周围区域的亮度影响时,可以只考虑其周围半径为100 mm 的区域内。

这就为非均匀排列的设计提供了分析的依据,在非均匀性排列设计中,
各LED 之间的亮度叠加是一个必须考虑的因素,以上分析结果体现在分析LED 亮度叠加时,可以只考虑一定范围内的亮度数据。

图3 水平和垂直方向的LED 亮度拟合曲线
2、LED 均匀排列的亮度均匀性
试验所用LED 背光源排列为: 横向45 个LED ,间距为15 mm ; 纵向20 个LED ,间距为19mm ,均为等距离排列。

根据亮度分布的拟合曲线方程(1) 和(2) ,可以从理论上计算出在现有的排列下横向和纵向两个方向的相对亮度分布,从而可以与实际测得的亮度分布进行对比。

实际的亮度是在全屏点亮的情况下用取15 ×5 共75 个点测得的。

图4 和图5 显示了在横向和纵向两个方向上理论计算的亮度分布和实际测量的分布的对比图,亮度值是以L ED 背光源中心位置亮度为标准计算所得相对亮度。

从图4 可以看出,横向方向上理论计算的相对亮度分布和实际测量得到的相对亮度分布曲线很接近。

当距离中心位置200 mm 的范围内时,两者相对亮度的差别不大;超过250 mm 以后,相对亮度急剧下降,在300 mm 处,亮度衰减达到30 %左右。

图4 LED 横向实际相对亮度分布和理论相对亮度分布曲线图5 LED 纵向实际相对亮度分布和理论相对亮度分布曲线
从图5 可以看出,纵向方向上理论计算的相对亮度分布和实际测量得到的相对亮度分布曲线很接近。

当距离中心位置100 mm 的范围内时,相对亮度的差别不大;超过150 mm 以后,相对亮度急剧下降,在180 mm 处,亮度衰减达到40 %左右。

综合可知LED 背光源均匀排列时,位于中心区域的亮度相对较大,亮度的差别也比较小;但在周边区域的亮度就下降的很快,从而导致了边缘区域偏暗,影响了全屏亮度的均匀性。

因此我们有必要对L ED 的排列进行适当的改进,以提高周围的亮度,从而达到更好的亮度均匀性。

3、LED 非均匀排列的亮度均匀性
由前面的结果可知,当LED 均匀排列时,L ED背光源周边区域的亮度相对于中心位置会很小,从而影响了全屏的亮度均匀性。

为了提高全屏亮度的均匀性,可以采用LED 的非均匀排列。

这样可以降低中心区域的亮度,提高边缘区域的亮度,进而达到很好的全屏亮度均匀性
目前所用32 英寸液晶电视背光源的长度l =70171 cm ,宽w = 39178 cm ,所需的LED 数目横向为na = 45 个,纵向为nb = 20 个,已知单颗L ED 的尺寸为la (长) ×lb (宽) ,相邻两颗LED 中心的间距可能为la ( lb ) 和l/ 2 之间的任意值,根据实际应用要求,LED 排列间距变化的步长取△l , 即任意两颗L ED 排列间距的可能值为la , la + △l , la + 2 △l , la +3 △l ⋯,直到l/ 2 结束。

以水平方向间距计算为例,采用MA TLAB 对非均匀性排列间距进行仿真计算,流程图如图6 所示。

图6 LED 非均匀排列间距计算流程图
其中Di 为第i 颗L ED 和第i + 1 颗LED 的间距, f i ( j) 表示第j 个L ED 在i 点的亮度值。

垂直方向的间距计算公式与水平方向类似,只是任意两
颗LED 排列间距的可能值为lb , lb + △l , lb + 2 △l , lb+ 3 △l ⋯,直到l/ 2 结束。

对均匀性排列LED 进行非均匀调整之后的亮度分布如图7 所示,可以看出LED 的间距调整后亮度的均匀性有了很大的提高。

纵向的相对亮度达到了90 %以上,横向的相对亮度达到了95 %以上。

由此可见不等间距的排列对于提高亮度均匀性是非常有效的。

在仿真计算的基础上,根据水平和垂直两个方向的计算间距对均匀性排列进行调整,从而得到亮度均匀一致的LED 背光源。

图7 LED 间距调整后的亮度分布
4、结论
本文主要研究了LED 非均匀排列方法。

在等间距排列的基础上,通过LED 的亮度分布函数可以从理论上计算出在现有的等距离排列下的亮度分布,并与实际测得的亮度分布进行对比,从而证明我们可以从理论上计算出LED 的排列。

通过仿真计算得出非均匀性LED 排列方案,在这种排列方式下,LED 的亮度均匀性可以达到90 %以上,从而说明LED 的非均匀排列对于改善全屏的亮度均匀性是很有效的,也是可行的。