CN102645696A - 改善全彩led显示屏对比度的选择性滤光片设计方法 - Google Patents

Abstract

一种改善全彩LED显示屏对比度的选择性滤光片设计方法，所述滤光片采用法布里-珀罗干涉滤光片原理，其透过峰正好处在LED的R、G、B三个发射峰的位置，透过峰的宽度与LED的R、G、B三个发射峰的宽度相匹配；具体方法是：建立LED的R、G、B三个发射峰的三个数学模型，同时根据法布里-珀罗干涉滤光片的原理，建立其透过率的表达式，通过调节透过率表达式的参数，使其配合LED的R、G、B三个发射峰的位置和宽度；同时选用适当的LED使其R、G、B的主波长去主动“适应”干涉滤光片的透过谱峰，使两者配合而达到更好的效果。本发明设计方法能够有效提高全彩LED显示屏的对比度。

Description

改善全彩LED显示屏对比度的选择性滤光片设计方法

技术领域

本发明涉及LED显示屏领域，更具体的说，涉及一种改善全彩LED显示屏对比度的选择性滤光片设计方法。

背景技术

LED显示屏的对比度是显示屏的重要性能之一，提高显示屏的对比度是设计人员追求的目标。例如利用凸起的帽沿遮阳，利用毛面面罩等；室内LED显示屏，反光腔为白色，而边框为成黑色，但这样在关机时会看到很不均匀的屏幕，在开机时也会由于杂散光而显著降低其对比度；或将反光腔做成黑色的，甚至在面板上刻制特殊形状。这些做法可以提高一些对比度，但效果不大或对出光效率影响较大。而用提高LED显示屏等亮度的方法提高对比度则会由于亮度过高而造成光污染。

考虑到显示屏的背景亮度其实就是周围的杂散光由屏幕表面反射又被眼睛看到造成的，因此，可以通过在屏幕前放置一个滤光片使得透过三色光而反射杂散光的方式就可以提高对比度。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种改善全彩LED显示屏对比度的选择性滤光片设计方法，采用本发明的设计方法，在显示屏前加一个干涉滤光片(滤光膜)，它可使得R、G、B的三色光透过，但是却能够滤掉其他波长的光，从而有效提高全彩LED显示屏的对比度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种改善全彩LED显示屏对比度的选择性滤光片设计方法，其特征在于，所述滤光片采用一种干涉滤光片，该滤光片有一个平行的介质层，可以是空气或固体材料，滤光片两个表面有一定反射率，其光谱透过峰的位置正好处在LED的R、G、B三个发射峰处、宽度与LED的R、G、B三个发射峰的宽度相匹配；具体方法是：建立包含三个峰的LED的R、G、B发射谱的数学模型；同时根据法布里-珀罗干涉滤光片的原理，得到该滤光片的光谱透过率表达式；通过调节滤光片的参数，使其配合LED的R、G、B三个发射峰的位置和宽度，同时选用R、G、B三种LED使其主波长主动“适应”干涉滤光片的R、G、B透过谱峰。

本发明的技术方案是在全彩屏前增加一个干涉滤光片的方法，选择性地透过R、G、B三色光，杂散光却被反射，从而提高显示屏的对比度。并且给出了R、G、B发射峰的数学模型和滤光片设计的评价函数，给出了详尽的设计方法、步骤和一个例子的设计结果。这种滤光片实际上是一个法布里-珀罗干涉片，它有一个平行的介质层，可以是空气或固体材料，其两个表面有一定反射率。光线经过滤光片后由于干涉作用形成相干的透射光，其透过率曲线是一些干涉极大的峰。这样，在显示屏前加一个干涉滤光片(滤光膜)，只要设计得当，它可使得R、G、B的三色光透过，但是却能够滤掉其他波长的光，这就可以提高对比度。其原因是由于杂散光其成分与LED的光成分不同，它可以用等能白光来代替，也就是各种成分都有相同强度的光，这样滤光片就可以使杂散光被滤掉了一部分或大部分，从而不能进入屏幕，这就提高了屏幕的对比度。

附图说明

以下通过附图对本发明做进一步详细的描述：

图1是滤光片设计评价函数FD曲线图；

图2是滤光片在反射率R＝0.3，厚度d＝1600nm时的透过率函数T在400-700nm范围的曲线图；

图3是不同反射率R时透过率峰的曲线图；

图4是滤光片透过率以及RGB三个峰经过滤光片前后变化的曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做详细的描述：

1.设计方法

本发明中滤光片采用法布里-珀罗干涉滤光片，其有一个平行的介质层，可以是空气或固体材料，滤光片两个表面有一定反射率。光线经过滤光片后由于干涉作用形成相干的透射光，其透过率曲线是一些干涉极大的峰。本发明设计方法是实现该滤光片的透过峰正好处在LED的R、G、B三个发射峰的位置，透过峰的宽度与LED的R、G、B三个发射峰的宽度相匹配。采用建立LED的R、G、B三个发射峰的三个数学模型，通过数学公式表示这三个峰，同时根据法布里-珀罗干涉滤光片的原理，建立其透过率的表达式，通过调节透过率表达式的参数，使其配合LED的R、G、B三个发射峰的位置和宽度。另一方面，由于干涉滤光片的透过谱峰不能单个调整，因此可以选用适当的LED使其R、G、B的主波长去主动“适应”干涉滤光片的透过谱峰，使其配合，从而达到更好的效果。

2.基本公式

根据多光束干涉原理，当一束光通过一个距离为d的平行平板时，会有多个光束透过，相邻的两个光束之间的位相差应该是：

$\mathrm{\δ}=\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right)2\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}$

其中λ为波长，n为介质折射率，d的为介质层厚度，θ为入射角。设介质两个表面反射率都是R，则滤光片的透过率可以看成是λ，n，d，R，θ的函数：

$T(\mathrm{\λ},n,d,R,\mathrm{\θ})=\frac{{(1-R)}^2}{1+R^2-2R\cos \left(\mathrm{\δ}\right)}=\frac{{(1-R)}^2}{1+R^2-2R\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}2\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}\right)}---\left(1\right)$

在θ＝0并n＝1的情况，λ的波长范围在400-700nm。此时，公式(1)变为： $T(\mathrm{\λ},d,R)=\frac{{(1-R)}^2}{1+R^2-2R\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}2d\right)}---\left(2\right)$

在反射率不同的情况，只要把R改成

就可以了。

在n≠1的情况，只要把厚度d改成d/n即可。

另一方面，位于λ₀处宽度为w的LED的单色光谱可以用下列高斯函数来表示： $\exp (-\frac{{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0)}^2}{2w^2})$

为了将LED的三个发射谱表示成一个统一的数学函数，构建了下列的一个函数来表示LED显示屏的发射函数，结果表明这是一个较好的近似。

$F1\left(\mathrm{\λ}\right)=\exp (-\frac{{(\mathrm{\λ}-\mathrm{\λr})}^2}{2w{r}^2})+\exp (-\frac{{(\mathrm{\λ}-\mathrm{\λg})}^2}{{2\mathrm{wg}}^2})+\exp (-\frac{{(\mathrm{\λ}-\mathrm{\λb})}^2}{{2\mathrm{wb}}^2})---\left(3\right)$

其中λr，λg，λb为三个峰的位置。以日亚346KS系列的LED为例实际测量了它们的发射峰的宽度，然后取wr＝7，wg＝14，wb＝8.4，计算后可知，(3)式表示的三个峰的与实测的峰吻合很好。

3.设计步骤

3.1求介质层厚度

在滤光片的透过率T的表达式(2)中，这说明T的极大值的位置与反射率R无关，仅仅与厚度d和折射率有关，这对设计带来很大方便，可以首先求得厚度d，然后求得R。

滤光片的厚度与干涉极大的位置关系很大，而按照多光束干涉理论，干涉极大的位置应该在位相函数δ是2π整数倍处，也就是光程2ndcos θ是λ的整数倍处。同时，为了三色光透过率高，希望极大值的位置与λr，λg，λb重合。为此，定义一个以厚度d为自变量的滤光片设计评价函数FD，它仅仅是厚度d的函数：

$\mathrm{FD}\left(d\right)={(\frac{2d}{\mathrm{round}\left(\frac{2d}{\mathrm{\λr}}\right)}-\mathrm{\λr})}^2+{(\frac{2d}{\mathrm{round}\left(\frac{2d}{\mathrm{\λg}}\right)}-\mathrm{\λg})}^2+{\left(\frac{2d}{\mathrm{round}\left(\frac{2d}{\mathrm{\λb}}\right)}\right)}^2---\left(4\right)$

其中round表示取整数。后面的分析计算证明，我们的上述评价函数是一个简单而有效的数学模型。

显然，FD的值越小，则T与F1的谱峰重合性越好。在给出初步λr，λg，λb的三个值后，可求得FD的最小值在d＝1600nm。由图1表示了函数FD在d在500-3000nm范围内的值。在后文中从新求得最佳RGB波长λr，λg，λb后又重新计算了(4)式，证明d＝1600基本上是最佳厚度。

3.2求最佳RGB波长

因为现有生产厂家的LED，其主波长可以有一个选择范围，本发明根据目前市场上的情况给出波长选择范围为：λr＝615-635nm；λg＝520-540nm；λb＝460-475nm。可以选择最佳的λr，λg，λb使得T和F匹配的最好。

注意式(1)或(2)中R不在三角函数之内，因此R的大小并不影响峰的位置。因此我们可以用任意R求最佳LED峰值。图2是干涉滤光片在反射率R＝0.3，厚度d＝1600nm时的透过率函数T在400-700nm范围的曲线图。图中三个长方形的宽度表示现有LED的波长范围，根据LED波长尽量靠近滤光片透过率峰的原则，容易确定λr＝635nm，λg＝535nm，λb＝460nm，图2中用长方形中的竖细线表示其位置。

3.3选择表面透过率

表面反射率虽然不影响滤光片透过率峰的位置，但是不同的表面反射率有不同的透过率峰的形状。图3表示不同R时的透过率峰形状，反射率越高，峰宽越小。

而经过滤光片后的LED的发射函数应该是T和F1这两个函数的乘积。

F2(λ)＝F1(λ)*T(λ，n，d，R，θ)                (5)

图4是函数F1(λ)和F2(λ)作图，表示滤光片透过率以及滤光前后LED光谱的变化，可见对RGB三色来说，滤光片影响不大。R的选择可以结合下面对比度的计算来进行。

现在可以计算不同R时的对比度。有理由假定杂散光是等能白光，即它在可见光范围内是常数1。由于滤光作用，杂散光两次经过滤光片后才成为计算对比度时候的背景亮度。因此计算滤光后的透过率函数F2(λ)在400-700nm范围内的积分与常数1的积分之比，这代表了由于滤光片使得杂散光减少的倍数α：

$\mathrm{\α}=\frac{\underset{400}{\overset{700}{\∫}}1\mathrm{d\λ}}{\underset{400}{\overset{700}{\∫}}{\left(\mathrm{Te}\left(\mathrm{\λ}\right)\right)}^2\mathrm{d\λ}}=\frac{400}{\underset{400}{\overset{700}{\∫}}{\left(\mathrm{Te}\left(\mathrm{\λ}\right)\right)}^2\mathrm{d\λ}}---\left(6\right)$

但另一方面，还要考虑滤光片对R、G、B的有用光的损失。因此要计算有用光的利用率η，可以由下式求得：

$\mathrm{\η}=\frac{\underset{400}{\overset{700}{\∫}}F2\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\underset{400}{\overset{700}{\∫}}F1\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}---\left(7\right)$

对比度提高的倍数γ就应该是γ＝αη。

由于三色光差别过大会导致显示屏彩色还原的困难和效率的降低，我们分别计算了三色光在经过滤光片以后的效率ηr，ηg，ηb，还是用类似(7)式的方法，但是积分范围要改成分别在610-660nm、490-585nm和430-490nm进行。

这样就得到了各种反射率时的结果，见表1。此表虽然是在d＝1600nm情况下得到的，但由于表面反射率不影响滤光片透过率峰的位置，因此表1的结果仍具有代表意义。

表1各种反射率时干涉滤光片的效果

由此得出结论，R变大时，虽然有用光利用率变低，但杂散光拦截的效果变好，对比度却变高了，但此时三色光的差别也有所变大。因此，在用滤光片提高对比度时必须综合考虑。如可以选择R＝0.5，此时虽然RGB三色光降低为66％，但杂散光减少了5.3倍，对比度提高了3.5倍多。

4设计实例

LED波长λr＝635nm，λg＝535nm，λb＝465nm。则厚度d＝1600nm。表面反射率R＝0.5。注意，在不使用空气而是用折射率为n的其他介质时，其厚度只需简单地由d除以n变为d/n即可

本发明不但给出了一个设计结果，还给出了设计的详细步骤，这样使得设计方法有较大的灵活性和普遍性，可以在不同场合下选择不同的参数，把决定权交给了设计者。例如，可以选择R更大得到更大的对比度，当然此时三色光也有相应的较多损失。

由上面分析知道经过滤光片后RGB三色光的损失略有不同，因此，若将该滤光片应用在三色显示屏上，则应调整RGB的比例，也就是对三色光重新“配白”。

随着技术进步，现有LED的波长可选择范围将会扩大，从上述分析可知，T(λ)和F1(λ)的配合程度会更高，这将产生更高的光线利用率和更大的对比度提高。

上述实施例限定的是在θ＝0的情况，当θ不为零时会有偏差。经过计算，当θ在±20度时均是适用的。

Claims (11)

1.一种改善全彩LED显示屏对比度的选择性滤光片设计方法，其特征在于，所述滤光片采用一种干涉滤光片，该滤光片有一个平行的介质层，可以是空气或固体材料，滤光片两个表面有一定反射率，其光谱透过峰的位置正好处在LED的R、G、B三个发射峰处、宽度与LED的R、G、B三个发射峰的宽度相匹配；具体方法是：建立包含三个峰的LED的R、G、B发射谱的数学模型；同时根据法布里-珀罗干涉滤光片的原理，得到该滤光片的光谱透过率表达式；通过调节滤光片的参数，使其配合LED的R、G、B三个发射峰的位置和宽度，同时选用R、G、B三种LED使其主波长主动“适应”干涉滤光片的R、G、B透过谱峰。

2. 根据权利要求1所述的改善全彩LED显示屏对比度的选择性滤光片设计方法，其特征在于，所述滤光片的透过率表达式是：                                                              

         （1）

其中λ为波长，n为介质折射率，d为介质层厚度，θ为入射角，R是介质两

个表面相同的反射率；

若θ＝0并n＝1时，公式（1）所表示的滤光片的透过率表达式变为：

               （2） 

若n≠1时，则上式中的厚度d改成d/n即可； 

若介质两个表面反射率不同且分别为R1和R2时，则将R改成即可；

若θ∈〔-20，+20〕时，公式（2）均可适用。

3. 根据权利要求1所述的改善全彩LED显示屏对比度的选择性滤光片设计方法，其特征在于，所述LED的发射光谱的数学模型是一个基于高斯函数的表达式：

      （3）

其中λr，λg，λb为R、G、B三个主波长的值，wr，wg，wb分别对应于R、G、B的三个峰的宽度。

4. 根据权利要求1所述的改善全彩LED显示屏对比度的选择性滤光片设计方法，其特征在于，所述滤光片介质层厚度d的计算方法如下：

定义一个以厚度d为自变量的滤光片设计评价函数FD，它仅是厚度d的函数：

   （4）

其中λr，λg，λb为LED的三个峰的位置，

表示取整数；可知，FD的值越小，则表示匹配越好，在给定λr，λg，λb的标称值后，可由FD取最小值这一条件确定一个初步的d值。

5. 根据权利要求4所述的改善全彩LED显示屏对比度的选择性滤光片设计方法，其特征在于，根据LED波长尽量靠近滤光片透过率峰的原则，确定所使用的LED的最佳λr，λg，λb的三个精确值，然后用（4）式可求得精确的厚度d值。

6. 根据权利要求2所述的改善全彩LED显示屏对比度的选择性滤光片设计方法，其特征在于，所述LED的发射光谱的数学模型是一个基于高斯函数的表达式：

      （3）

其中λr，λg，λb为R、G、B三个主波长的值，wr，wg，wb分别对应于R、G、B的三个峰的宽度。

7. 根据权利要求6所述的改善全彩LED显示屏对比度的选择性滤光片设计方法，其特征在于，所述LED显示屏在经过滤光后的发射函数是：

                           （5）。

8. 根据权利要求7所述的改善全彩LED显示屏对比度的选择性滤光片设计方法，其特征在于，所述滤光片介质层厚度d的计算方法如下：

定义一个以厚度d为自变量的滤光片设计的评价函数FD，它仅是厚度d的函数：

   （4）

其中

表示取整数，可知，FD的值越小，则表示匹配越好，在给定λr，λg，λb的标称值后，可由FD取最小值这一条件确定一个初步的d值。

9. 根据权利要求8所述的改善全彩LED显示屏对比度的选择性滤光片设计方法，其特征在于，根据LED波长尽量靠近滤光片透过率峰的原则，确定所使用的LED的最佳λr，λg，λb的三个精确值，然后用（4）式可求得精确的厚度d值。

10.根据权利要求9所述的改善全彩LED显示屏对比度的选择性滤光片设计方法，其特征在于，所述全彩LED显示屏对比度提高的倍数

的计算方法如下：

在计算不同R时的对比度时，假定杂散光是等能白光，它在可见光范围内是始终为1的常数，但由于滤光作用，杂散光两次经过滤光片后才成为显示屏的背景亮度，因此计算滤光后的透过率函数F2(λ)在400-700nm范围内的积分与常数1的积分之比，就代表了由于滤光片使得杂散光减少的倍数α：

                                 （6）

但另一方面，还要考虑滤光片对RGB的有用光的损失，因此要计算有用光的利用率η，可以由下式求得：

                                   （7）

对比度提高的倍数γ就应该是

。

11.根据权利要求9所述的改善全彩LED显示屏对比度的选择性滤光片设计方法，其特征在于，R、G、B三色光在经过滤光片以后的有用光利用率

、、

的计算公式如下：

    

   

    。

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