CN100432790C - 一种液晶显示背光源系统及背光源混合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了混合型背光源系统及背光源混合方法。为了解决现有技术中作为大尺寸LCD背光源的CCFL色再现能力差，而纯LED光源成本过高，亮度、颜色不均匀的技术问题，所述混合型背光源系统包括冷阴极荧光管和导光板，还包括LED光源。本发明还提供了一种背光源混合方法，所述方法包括选择一定主波长的LED光源以及调节所述LED光源的光强或光通量的步骤。本发明适用于大尺寸液晶显示器件。
Description
技术领域
本发明涉及液晶显示背光源，特别涉及一种适用于大尺寸(大于26英寸)液晶显示器件的混合型背光源系统及背光源混合方法。
背景技术
在平面显示领域，传统的CRT(Cathode Ray Tube，阴极射线管)因为高辐射、高功耗、大体积、低分辨率、体积笨重，已逐步被越来越先进的LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示)所取代。液晶显示器自问世以来，就以轻薄时尚、环保节能、分辨率高、使用寿命长而著称。但由于产业处于发展初期，产品成品率低，市场销售规模小，所以价格一直高高在上。自去年以来，市场逐渐进入成长期，产业规模放量增长，大屏幕液晶电视(国际上一般把23英寸以上尺寸称作大屏幕液晶电视)在欧美、日本等发达地区已经成为高端彩电换代的主流产品，以每年400％的速度增长。目前TFT-LCD(Thin-Film Transistor LCD，薄膜晶体管液晶显示器)的市场规模已经成为新的经济的增长点。
目前LCD显示屏的背光源主要以CCFL(Cold-Cathode Florescent Lamps，冷阴极荧光管)为主，CCFL具有线型发光、高亮度、光源均匀、发光稳定等特点。亮度是背光源性能中的重要参数，只有高亮度的背光源才能使得画面色彩更鲜艳。目前作为LCD主要背光源的CCFL的放电管管径只有几毫米，且具有高亮度。但是CCFL的光在其峰值光谱之外，还有许多不需要的光成份。这会引起亮度恶化，并影响LCD的色再现；而在LCD中，由光源发出的光要通过由红、绿、蓝象素构成的LCD板。其高色再现的一个重要条件就是来自LCD象素的光只能有一窄的光谱成份围绕着主波长。
与CCFL相较之下，LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)是一种引人注目的LCD背光源选择，LED作为LCD背光源应用，具有寿命长、短小轻薄、色再现率高、无干扰、不怕低温、无汞污染问题等特点，在未来的LCD背光源领域中，是一种不可小视的新型背光源。随着超高亮LED的技术逐渐成熟，价格不断下降，它已逐渐取代CCFL背光源，在液晶显示领域显示出了巨大的潜力。尤其是在以红、绿、蓝LED构成白色时，能够改进显示屏前的颜色与亮度性能。因此，如果以三原色LED作为LCD背光源，可以通过设计得到有三个光谱成份围绕其主波长；并能通过LCD屏亚象素消除其在峰值光谱外的所有光谱，因而在扩大色再现率时，还能实现高亮度，因而在这方面比CCFL更优越。CCFL背光源的色域范围只有大约70％NTSC(NationalTelevision Standards Committee，美国国家电视标准委员会)，而使用红、绿、蓝LED做背光源，色域范围可以达到90％NTSC以上。
然而，由于亮度低，以往的LED作为背光源的使用只能限制在小型显示器上。LED应用于大尺寸的LCD背光源，技术方面面临着下列重要难题：亮度和颜色均匀分布；色彩的偏移；减小功率消耗；散热等。首要问题是它的亮度和颜色不均匀，LED的亮度偏差大约是CCFL的5倍，而颜色偏差为5~7倍。
目前LED进军大尺寸LCD背光源的主要障碍还在于价格。一般LED背光源比传统的CCFL贵5倍左右。故而目前LED背光源主要是定位于高端的液晶电视产品上，要想取代传统CCFL背光源，至少还需5年的时间。
目前CCFL和LED背光源的结构主要有侧光式和直下式。侧光式的光源置于模块的侧面，利用导光板使光线经过次反射能均匀分布至整片屏幕，这种结构可以减少显示器的厚度，比较适合一些便携式产品，但是由于光在板中传播的过程中有损失，屏幕亮度也就比较低。直下式结构则是光源置于模块下方，在LCD屏幕后直接照明，如此可获得较大的亮度，不过由于需要充足的混色空间，背光系统的厚度需要加大不少。
从上述叙述中可知，CCFL光源的亮度高，发光稳定，性价比高；但是由于其光谱成分中红光的成分比较少，因此它对于红色的色彩表现能力不足；而单色LED光源的光谱成分比较纯，能够形成一窄的光谱成份围绕着其主波长，而无其他杂散光谱成分，但纯LED光源成本过高，亮度、颜色不均匀以及功率消耗大的问题。
大尺寸背LCD的背光源需要既有很高的亮度又具有很强的色再现能力或色域范围。
在现有技术中，专利03106671.2提供了一种背光源和前置光源以及液晶显示装置，所述的背光源设置在被照射体的背面侧，其光源由绿色、蓝绿色、蓝色、橙色、红色、黄绿色中的任一种颜色的发光二极管构成，并且其液晶显示装置是黑白显示型，其目的是为了解决现有技术中背光源消耗电能、辉度低、寿命短，并且产生噪声的技术问题；专利02152111.5提供了一种背光源及液晶显示装置，所述的背光源是使用多个发光二极管的侧光式背光源，但只解决了面光源辉度不均与亮度不足的问题。
现有技术中也有同时采用CCFL和LED的混合光源。例如，专利US6885360B2提供了一种用于移动设备的显示系统，该系统同时具有CCFL光源和LED光源，并根据需要的显示亮度和是否外接电源的情况，通过控制器选择更加省电和有效率的照明方式，其目的是为了延长使用时间，提高电池寿命；类似的，专利US6943770B2也是提供了一种用于移动设备的显示系统，根据显示信息所需的亮度等级和是否外接电源的情况，对CCFL和LED两种光源选择使用，其目的也是为了省电；专利TW595732提供了一种背光模组结构，其结构除了主光源CCFL外，再使用LED作为辅助光源，该背光模组结构仅适用于侧光式背光模组，LED辅助光源位于该导光板之该入射端面之两侧，其目的是为了解决液晶显示器的暗角以及辉度不足的问题。
上述专利均是仅针对液晶显示设备的亮度方面的改善，而未提及对光源的波长等光谱参数的要求，不涉及对光谱成分上的弥补改善，也就是说未对显示设备的色彩表现力和色域范围做改善。
发明内容
为了解决现有技术中作为大尺寸LCD背光源的CCFL色再现能力差，而纯LED光源成本过高，亮度、颜色不均匀的技术问题，本发明提供了一种背光源混合方法，所述方法包括：
以冷阴极荧光管作为主光源；
选择一定主波长的LED光源，调节所述主波长的LED光源，使其发出的波长范围内的光的成分占整个背光源总光强或光通量的5％-20％；
将所述冷阴极荧光管发出的光与所述LED光源发出的光进行混合，得到背光源。
所述一定主波长的LED光源包括：红色、绿色或蓝色的主波长的LED光源，或所述几种颜色的LED光源同时结合。
如有红色及绿色LED，调节所述LED光源，使其发出的绿光波长范围内的光的成分占其所述红光光强或光通量的5％-20％。
所述方法进一步包括：调节所述LED的亮度，以改变整个光源的光谱成分。
本发明的有益效果是：可以提高色域范围，从CCFL光源的70％提高到80％NTSC以上，提高了显示设备的色彩表现力。
附图说明
图1是CCFL背光源与CCFL+LED混合型背光源的色域比较图；
图2是采用混合型背光源系统的侧光式LCD背光系统的结构示意图；
图3是侧光式LCD背光系统的导光板的光线入射方视图；
图4是采用另一种LED排列方案的侧光式LCD背光系统的导光板的光线入射方视图；
图5是采用混合型背光源系统的直下式LCD背光系统的结构侧面视图；
图6是采用混合型背光源系统的直下式LCD背光系统的结构俯视图；
图7是采用另一种LED排列方案的直下式LCD背光系统的结构俯视图。
具体实施方案
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供的第1种CCFL与LED的混合型液晶显示背光源系统的实施例如图2所示，CCFL与LED的混合型液晶显示背光源系统包括：反射板(1)、导光板(2)、光学膜(3)、反射罩(4)、冷阴极荧光管(CCFL)(5)和LED光源(6)。CCFL(5)光源位于导光板(2)的光线入射方，一组LED(6)光源位于CCFL光源(5)和导光板(2)之间，LED光源(6)的出光方向面对导光板(2)。如图3所示LED光源(6)排列成一条直线，并且间距均匀。反射罩(4)位于导光板(2)的光线入射方，并把CCFL光源(5)和LED(6)光源包在其中，其作用是将光源向各个方向发射的光线反射聚集，使光线大部分都能够进入导光板(2)；反射板(1)位于导光板(2)的下方，其作用是把导光板(2)内从下表面泄露的光线反射回去，再次进入导光板(2)。反射罩(4)和反射板(1)均是为减少光损失而设置的。一组光学膜(3)位于导光板(2)的上方即光线出射面，其作用是对光线的方向进行整理。CCFL光源(5)和LED光源(6)发出的光线共同进入导光板(2)，在其中进行充分反射混合，形成具有合适的光谱成分的光线，并从导光板(2)的上表面射出，再通过光学膜(3)等器件，照射到液晶面板的后表面，给LCD屏幕提供照明。LED光源的颜色为红色，其主波长可以选择的范围是：580~630nm。
本发明提供第2种CCFL与LED的混合型液晶显示背光源系统的实施例如图2所示，CCFL与LED的混合型液晶显示背光源系统包括：反射板(1)、导光板(2)、光学膜(3)、反射罩(4)、冷阴极荧光管(CCFL)光源(5)和LED光源(6)。CCFL光源(5)光源位于导光板(2)的光线入射方，一组LED光源(6)位于CCFL光源(5)和导光板(2)之间，LED光源(6)的出光方向面对导光板(2)。如图4所示LED光源(6)成交错锯齿状排列，并且间距均匀。反射罩(4)位于导光板(2)的光线入射方，并把CCFL光源(5)和LED光源(6)包在其中，其作用是将光源向各个方向发射的光线反射聚集，使光线大部分都能够进入导光板(2)；反射板(1)位于导光板(2)的下方，其作用是把导光板(2)内从下表面泄露的光线反射回去，再次进入导光板(2)。反射罩(4)和反射板(1)均是为减少光损失而设置的。一组光学膜(3)位于导光板(2)的上方即光线出射面，其作用是对光线的方向进行整理。CCFL光源(5)和LED光源(6)发出的光线共同进入导光板(2)，在其中进行充分反射混合，形成具有合适的光谱成分的光线，并从导光板(2)的上表面射出，再通过光学膜(3)等器件，照射到液晶面板的后表面，给LCD屏幕提供照明。
LED光源(6)的颜色为红色，其主波长可以选择的范围是：580~630nm。所用的红光LED的选用工作电流为350mA，功率1W的大功率高亮度LED，做比较稀疏的排列，也可选用工作电流为20mA的小功率LED，做比较密集的排列。
本发明提供第3种CCFL与LED的混合型液晶显示背光源系统的实施例如图5所示，CCFL与LED的混合型液晶显示背光源系统包括：反射板(1)、导光板(2)、光学膜(3)、PCB(Printed Circuit Board，印刷线路板)(4)、冷阴极荧光管(CCFL)(5)和LED光源(6)。CCFL光源(5)等间距平行排列于导光板(2)的下方；在每两根CCFL(5)之间，均排列着一组LED光源(6)，这些LED光源(6)的出光方向面对导光板(2)，形成一个光轴方向相互平行的发光点阵。反射板(1)位于CCFL光源(5)与LED光源(6)光源的下方，其作用是把光线向上反射回去，减少光损失。一组光学膜(3)位于导光板(2)的上方即光线出射面，其作用是对光线的方向进行整理。CCFL光源(5)和LED光源(6)发出的光线从导光板(2)的下表面共同进入导光板(2)，在其中进行充分反射混合，形成具有合适的光谱成分的光线，并从导光板(2)的上表面射出，再通过光学膜(3)等器件，照射到液晶面板的后表面，给LCD屏幕提供照明。
LED光源(6)采用贴片安装(SMT)的形式，光的出射角度(FWMH)为120°。将若干个上述的LED光源(6)用贴片安装工艺焊接到一个PCB(4)上，该PCB(4)已按照LED光源(6)的排列设计好了相应的电路，并负责LED光源(6)驱动电源的输入和反馈信号(温度、颜色等)的输出。根据LCD屏幕的尺寸及光学需要设定LED光源(6)合适的排列方式和间距。将焊好LED光源(6)的PCB(4)安装于CCFL(5)的下方。如图6所示各组LED光源(6)的排列为一条直线，并且间距均匀。LED光源(6)的颜色为红色，在额定电流下工作时，主波长为615nm。所用的红光LED的可选用工作电流为350mA，功率1W的大功率高亮度LED，做比较稀疏的排列，也可选用工作电流为20mA的小功率LED，做比较密集的排列。
本发明提供第4种CCFL与LED的混合型液晶显示背光源系统的实施例如图5所示，CCFL与LED的混合型液晶显示背光源系统包括：反射板(1)、导光板(2)、光学膜(3)、PCB(4)、冷阴极荧光管(CCFL)(5)和LED光源(6)。CCFL光源(5)等间距平行排列于导光板(2)的下方；在每两根CCFL(5)之间，均排列着一组LED光源(6)，这些LED光源(6)的出光方向面对导光板(2)，形成一个光轴方向相互平行的发光点阵。反射板(1)位于CCFL光源(5)与LED光源(6)光源的下方，其作用是把光线向上反射回去，减少光损失。一组光学膜(3)位于导光板(2)的上方即光线出射面，其作用是对光线的方向进行整理。CCFL光源(5)和LED光源(6)发出的光线从导光板(2)的下表面共同进入导光板(2)，在其中进行充分反射混合，形成具有合适的光谱成分的光线，并从导光板(2)的上表面射出，再通过光学膜(3)等器件，照射到液晶面板的后表面，给LCD屏幕提供照明。LED光源(6)采用贴片安装(SMT)的形式，光的出射角度(FWMH)为120°。将若干个上述的LED光源(6)用贴片安装工艺焊接到一个PCB(4)上，该PCB(4)已按照LED光源(6)的排列设计好了相应的电路，并负责LED光源(6)驱动电源的输入和反馈信号(温度、颜色等)的输出。根据LCD屏幕的尺寸及光学需要设定LED光源(6)合适的排列方式和间距。将焊好LED光源(6)的PCB(4)安装于CCFL(5)的下方。如图7所示各组LED光源(6)成交错锯齿状排列，并且间距均匀。LED光源(6)的颜色为红色，在额定电流下工作时，主波长为615nm。所用的红光LED的可选用工作电流为350mA，功率1W的大功率高亮度LED，做比较稀疏的排列，也可选用工作电流为20mA的小功率LED，做比较密集的排列。
本发明提供第5种CCFL与LED的混合型液晶显示背光源系统的实施例如图5所示，CCFL与LED的混合型液晶显示背光源系统包括：反射板(1)、导光板(2)、光学膜(3)、PCB(4)、冷阴极荧光管(CCFL)(5)和LED光源(6)。CCFL光源(5)等间距平行排列于导光板(2)的下方；在每两根CCFL(5)之间，均排列着一组LED光源(6)，这些LED光源(6)的出光方向面对导光板(2)，形成一个光轴方向相互平行的发光点阵。反射板(1)位于CCFL光源(5)与LED光源(6)光源的下方，其作用是把光线向上反射回去，减少光损失。一组光学膜(3)位于导光板(2)的上方即光线出射面，其作用是对光线的方向进行整理。CCFL光源(5)和LED光源(6)发出的光线从导光板(2)的下表面共同进入导光板(2)，在其中进行充分反射混合，形成具有合适的光谱成分的光线，并从导光板(2)的上表面射出，再通过光学膜(3)等器件，照射到液晶面板的后表面，给LCD屏幕提供照明。LED光源(6)采用贴片安装(SMT)的形式，光的出射角度(FWMH)为120°。将若干个上述的LED光源(6)用贴片安装工艺焊接到一个印刷线路板(PCB)(4)上，该PCB(4)已按照LED光源(6)的排列设计好了相应的电路，并负责LED光源(6)驱动电源的输入和反馈信号(温度、颜色等)的输出。根据LCD屏幕的尺寸及光学需要设定LED光源(6)合适的排列方式和间距。将焊好LED的PCB安装于CCFL的下方。如图7所示各组LED光源(6)成交错锯齿状排列，并且间距均匀。每一组LED光源(6)是由红、绿两种颜色的LED组成，红色LED在额定电流下工作时，主波长为615nm，绿色LED在额定电流下工作时，主波长为525nm，红、绿两色LED的数量比例是4∶1，均匀排列，排列次序为红、红、红、红、绿。所用的红光和绿光LED的可选用工作电流为350mA，功率1W的大功率高亮度LED，做比较稀疏的排列，也可选用工作电流为20mA的小功率LED，做比较密集的排列。
在上述几种结构中，所述LED排列的一定规律和间距是指按照用户要求来选择的，实际上是没有严格限制的，排列方式的设计是以液晶屏幕上的亮度、色彩的均匀分布为最终目标。
本发明还提供一种CCFL与LED的混合型液晶显示背光源的方法。根据对光源的要求，可按一定的光强或光通量比例，单独结合红色、绿色、蓝色等颜色的适当主波长的LED光源，也可几种颜色的LED光源同时结合。据计算并验证，在CCFL与LED混合使用的光源中，本发明优选的比例是：对于红色主波长的LED，其发出的红光波长范围内的光成分占整个背光源总光强或光通量的5％~20％，如有绿色LED，则其发出的绿光波长范围内的光成分占上述红光总光强或光通量5％~20％；但并不仅限于上述比例。
在以CCFL作为主光源情况下混合以恰当比例的纯LED红光，还可选的加上恰当比例的绿光，所形成的由CCFL与LED所形成的混合光谱，其色坐标X、Y在标准白场的±2.5％之内，其色温为6500K±2.5％之内，更适合于不同人种对其色域与色温的适应性，更适合于现代媒体TV的标准摄影与传输的默契的规范。
本发明提供第1种CCFL与LED的混合型液晶显示背光源的方法的实施例：
步骤101：根据对光源的色温要求，选择主波长为620nm的红色大功率高亮度LED光源，每个LED的额定工作电流为350mA，功率为1W。工作时，红色LED在额定电流下所发出的总光通量占整个背光源总光通量的22％。
步骤102：这组红色LED的电路具有调节功能，调整通过每个LED的电流来调节亮度，改变整个光源的光谱成分，产生不同的色温。
例如，将通过每个LED的电流为调节为325mA，使其发出的总光通量占整个背光源总光通量的18％，此时屏幕上显示标准白场的色温为6300K；再将通过每个LED的电流为调节为315mA，使其发出的总光通量占整个背光源总光通量的14％，此时屏幕上显示标准白场的色温为8000K。上述电路可以由PWM电路实现。
步骤103：CCFL和LED发出的光线共同进入导光板，经过充分反射混合，形成具有合适的光谱成分的光线，再通过光学膜等器件，给LCD屏幕提供照明。
本发明提供第2种CCFL与LED的混合型液晶显示背光源的方法的实施例：
步骤101：根据对光源的色温要求，选择红、绿两色LED光源，红色LED的主波长是620nm，绿色LED的主波长是525nm，两种颜色的LED均为大功率高亮度LED光源，每个LED的额定工作电流为350mA，功率为1W。红、绿两色LED的数量比例是4∶1，均匀排列，排列次序为红、红、红、红、绿。工作时，两色LED在额定电流下，红色LED所发出的红光的光通量占整个背光源总光通量的22％，绿色LED发出的绿光的光通量占上述红光光通量的15％。
步骤102：红、绿两色LED的电路具有调节功能，调整通过每个LED的电流来调节亮度，改变整个光源的光谱成分，产生不同的色温。
例如，将通过每个红色LED的电流为调节为320mA，通过每个绿色LED的电流为调节为320mA，使红色LED发出的红光的总光通量占整个背光源总光通量的15％，绿色LED发出的绿光的总光通量占上述红光光通量的10％；此时屏幕上显示标准白场的色温为7500K；
再将通过每个红色LED的电流为调节为330mA，通过每个绿色LED的电流为调节为325mA，使红色LED发出的红光的总光通量占整个背光源总光通量的20％，绿色LED发出的绿光的总光通量占上述红光光通量的15％；此时屏幕上显示标准白场的色温为7000K。
步骤103：CCFL和LED发出的光线共同进入导光板，经过充分反射混合，形成具有合适的光谱成分的光线，再通过光学膜等器件，给LCD屏幕提供照明。
上述方法的实施例中，调节LED发光的电路可采用现有技术中的电路。
上述所述的比例可将相关色域提高约30％，当然人们对该标准相关色域的1931坐标系与1976坐标系所争论的相关各国标准的与不同人种与基因对色域的敏感性与时代的进步以及人们对色域的感知与理解有关，我们只作一个数学比例的论述；对上述有关1931与1976坐标色域之讨论与引述，谨对不同人种之爱好所限，不应该也不谨此为由，为此而针对本发明引起不必要的在标准之上的争议。
本发明的内容不受所谓其五、六、七或N代液晶生产线的限制。本发明所涉及的LCD的透光为可见光，LCD彩色滤光片(RGB)对可见光有良好和足够透光率，其波长范围为186nm~800nm。
所用的LED的数量、类型、功率、亮度以及排列方式等特性均可根据需要做不同的选择。若所用的LED的功率较高，发光强度大，则在混合型背光系统中使用的数量较少，其排列比较稀疏；若选用的LED的功率较低，则在混合型背光系统中使用的数量较多，其排列比较密集。
当使用本发明混合型光源系统作为LCD的背光源时，可以提高色域范围，从CCFL光源的70％提高到80％NTSC以上，如图1所示。
以上只是本发明的优选实施方式进行了描述，本领域的技术人员在本发明技术的方案范围内，进行的通常变化和替换，都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种背光源混合方法，其特征在于，所述方法包括：
以冷阴极荧光管作为主光源；
选择一定主波长的LED光源，调节所述主波长的LED光源，使其发出的波长范围内的光的成分占整个背光源总光强或光通量的5％-20％；
将所述冷阴极荧光管发出的光与所述LED光源发出的光进行混合，得到背光源。
2.根据权利要求1所述的背光源混合方法，其特征在于，所述一定主波长的LED光源包括：红色、绿色或蓝色的主波长的LED光源，或所述几种颜色的LED光源同时结合。
3.根据权利要求2所述的背光源混合方法，其特征在于，对于红色主波长的LED光源，调节所述LED光源，使其发出的红光波长范围内的光的成分占整个背光源总光强或光通量的5％-20％。
4.根据权利要求3所述的背光源混合方法，其特征在于，对于绿色主波长的LED光源，调节所述绿色主波长的LED光源，使其发出的绿光波长范围内的光的成分占所述红色主波长的LED光源发出的红光总光强或光通量的5％-20％。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的背光源混合方法，其特征在于，所述方法进一步包括：调节所述LED的亮度，以改变整个光源的光谱成分。
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