小電流LED屏白平衡色溫的控制

詹永波， 張健偉， 曾建雄， 陳 魯

(1. 廣東環(huán)凱微生物科技有限公司， 廣東 廣州 510663； 2. 廣東省微生物研究所， 廣東 廣州 510070)

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小電流LED屏白平衡色溫的控制

詹永波1， 張健偉1， 曾建雄1， 陳 魯2*

(1. 廣東環(huán)凱微生物科技有限公司， 廣東 廣州 510663； 2. 廣東省微生物研究所， 廣東 廣州 510070)

為了改善小電流LED屏的顯示效果，基于新型LED燈珠光學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)，采用變量控制法，首先，分析了單色RGB色坐標(biāo)及亮度分別對(duì)白平衡色溫的影響，接著，從單變量分析中找到影響色溫偏差較大的參數(shù)進(jìn)行雙偏分析，最后，進(jìn)行變量分析結(jié)論的數(shù)據(jù)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，紅光芯片亮度(Lr)、藍(lán)光芯片亮度(Lb)及藍(lán)光芯片坐標(biāo)(Yb)是影響LED屏白平衡色溫的主因，要使白平衡色溫偏差控制在±500 K范圍內(nèi)，單偏條件下，要求Lr偏差不超過(guò)11%，Lb偏差不超過(guò)14%，Yb偏差不超過(guò)0.006；同時(shí)，也給出了雙偏條件下相應(yīng)的控制指標(biāo)。該研究有望在LED分光機(jī)芯片分選，白光照明及小電流、小間距LED顯示屏色偏差調(diào)節(jié)等方面獲得相關(guān)的應(yīng)用。

變量控制法； 白平衡； 單偏； 雙偏； 色溫偏差

1 引 言

LED 作為一種主動(dòng)式發(fā)光光源，具有體積輕薄、色彩艷麗、天然無(wú)縫等優(yōu)點(diǎn)[1]，在大屏幕拼接顯示行業(yè)占有一席之地。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，LED顯示屏正往小間距、高密度方向發(fā)展，未來(lái)有望在大屏幕顯示領(lǐng)域完全取代DLP和LCD[2]。由于受現(xiàn)有工藝條件的限制，LED芯片個(gè)體之間會(huì)存在差異[3]。目前，LED顯示屏白平衡亮度、色度、色域均勻性等光色特性是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。重裝渭南光電科技的區(qū)大群[4]采用逐點(diǎn)校正的方法對(duì)白平衡色坐標(biāo)校準(zhǔn)進(jìn)行了探討。億科達(dá)科技的李熹霖[5]提出了LED色坐標(biāo)篩選的方法。趙梓權(quán)等[6]給出了一種色域校正方法，可在改善LED顯示屏亮度、色度的同時(shí)，確定顯示色域。王宇慶等[7]則提出了一種LED顯示屏亮度均勻性的評(píng)估方法。國(guó)外也有人報(bào)道了利用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)來(lái)提高LED的灰階數(shù)、刷新率[8]，以及維持色溫、顯示指數(shù)(CRI)的方法[9]。此外，也有人對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列技術(shù)(FPGA)[10-16]、白平衡算法[17]、LED芯片分選、視覺(jué)定標(biāo)[18]等進(jìn)行了相關(guān)的研究。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流恒定在亞毫安之后，由于LED工作在非線性區(qū)，芯片之間參量一致性波動(dòng)較大，影響到LED屏白平衡色溫，進(jìn)而影響到LED屏的顯示效果。

為了給芯片廠商分選芯片提供合適的參量指標(biāo)，用以改善LED屏的白平衡色溫，本文將RGB芯片封裝在新型的燈珠架構(gòu)中，然后進(jìn)行光譜測(cè)試，并基于燈珠測(cè)試數(shù)據(jù)及白平衡色坐標(biāo)的計(jì)算公式，采用變量控制法，對(duì)影響LED屏白平衡色溫的因素進(jìn)行了深入的探討。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 新型LED燈珠的制備

本實(shí)驗(yàn)采用華燦光電股份有限公司提供的藍(lán)、綠光芯片及三安光電股份有限公司提供的紅光芯片，焊在印刷有電路的PCB板上，形成1顆IC 4個(gè)像素的新型燈珠架構(gòu)。驅(qū)動(dòng)IC可獨(dú)立控制燈珠各個(gè)像素，供電電流滿足：紅光芯片1 mA，藍(lán)、綠光芯片0.3 mA。為方便后期LED顯示屏亮度的逐點(diǎn)校正，驅(qū)動(dòng)IC通過(guò)接收指令，能夠保證供電電流的變化在±15%以內(nèi)。以紅光芯片中心為基準(zhǔn)，燈珠像素點(diǎn)距為1.38 mm，燈珠外層封有0.6 mm厚的環(huán)氧樹(shù)脂。燈珠結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.2 光譜測(cè)試裝置

圖2 是用于新型LED燈珠光譜測(cè)試的試驗(yàn)裝置示意圖。所用的光譜測(cè)試系統(tǒng)是杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司型號(hào)為HASS-2000的高精度快速光譜輻射計(jì)，可測(cè)的波長(zhǎng)范圍為380～780 nm,波長(zhǎng)和色坐標(biāo)的準(zhǔn)確度分別達(dá)到±0.3 nm及±0.001 5，光強(qiáng)的靈敏度和準(zhǔn)確度分別為0.01 mcd和±1%。測(cè)試前，利用遠(yuǎn)方提供的標(biāo)準(zhǔn)燈和積分球，對(duì)光譜測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，新型LED燈珠采用外部電路供電，置于SMD LED燈珠的光學(xué)測(cè)試治具中(專利號(hào)：cn201510659095)，并嵌入積分球內(nèi)特定位置，LED燈珠與光纖頭位置保持恒定不變。測(cè)試時(shí)，依次點(diǎn)亮R、G、B芯片，該光譜輻射計(jì)能夠準(zhǔn)確地測(cè)出各芯片的光強(qiáng)、主波長(zhǎng)、色坐標(biāo)、色溫等。

3 結(jié)果與討論

3.1 新型LED燈珠的RGB光學(xué)參數(shù)一致性測(cè)試

LED芯片之間的一致性關(guān)系到LED的顯示質(zhì)量，人眼對(duì)芯片亮度偏差的容忍值為5%，對(duì)主

波長(zhǎng)偏差的容忍值為1～2 nm[6]，小電流下LED白平衡色溫值偏差要求為±500 K左右，超過(guò)該值，顯示屏的均勻性和保真度等都會(huì)下降，影響到人眼的視覺(jué)感受。試驗(yàn)隨機(jī)選取了8個(gè)燈珠(單色R、G、B芯片各32顆)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)表明：(1)紅光芯片光強(qiáng)平均值為2.565 mcd，波長(zhǎng)平均值為622.7 nm；綠光芯片光強(qiáng)平均值為3.834 mcd，波長(zhǎng)平均值為533.2 nm；藍(lán)光芯片光強(qiáng)平均值為0.708 mcd，波長(zhǎng)平均值為469.6 nm；像素白平衡色溫平均值為5 019 K。(2) 3種芯片的光強(qiáng)偏差百分比幾乎都在15%以內(nèi)，波長(zhǎng)偏差都小于1.5 nm，而白平衡色溫正負(fù)偏差超過(guò)500 K的接近半數(shù)。芯片光強(qiáng)偏差百分比只要在15%以內(nèi)，后期可通過(guò)逐點(diǎn)校正將其校到低于容忍值5%。為了保證LED燈珠各芯片間的一致性，必須對(duì)LED白平衡色溫加以控制。

3.2 白平衡色溫理論

白平衡色溫是通過(guò)白平衡色坐標(biāo)換算得到，白平衡色坐標(biāo)是考量LED全彩顯示屏色彩還原度的重要指標(biāo)[4]，白平衡色坐標(biāo)(Xc，Yc)可表示為：

(1)

(2)

其中，R色坐標(biāo)為(Xr，Yr)，G色坐標(biāo)為(Xg，Yg)，B色坐標(biāo)為(Xb，Yb)，Lr、Lg、Lb分別表示R、G、B的亮度。從公式(1)、(2)可以看出，單色R、G、B的色坐標(biāo)及亮度決定了白平衡色溫值，因此要想控制白平衡色溫，必須從這些變量入手。

3.3 白平衡色坐標(biāo)的控制

借助于路明發(fā)光科技開(kāi)發(fā)的色坐標(biāo)換算色溫軟件，以燈珠測(cè)試數(shù)據(jù)中白平衡色坐標(biāo)的平均值W(0.340 2,0.291 4)為基準(zhǔn)，依次變更坐標(biāo)值，得到表1(a)、(b)。表1(c)為Xc、Yc在端點(diǎn)處取值的情況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)中Xc的變化范圍為0.317 5～0.367 7，Yc的變化范圍為0.267 0～0.313 0。

從表1(a)、(b)的數(shù)據(jù)可以看出，Xc恒定，白平衡色溫隨Yc增加呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)；而Yc恒定，白平衡色溫隨Xc呈遞減趨勢(shì)。在燈珠測(cè)試的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，Yc對(duì)色溫的影響值很小，而Xc正負(fù)偏差超過(guò)0.01就已經(jīng)使白平衡色溫偏差超過(guò)500 K。另外，從表1(c)也可以看出，Xc、Yc取端點(diǎn)值，色溫并未達(dá)到它的極限值(表1(b)中色溫最大為7 035 K)。原因是當(dāng)Xc取其他固定值時(shí)，白平衡色溫可能會(huì)隨著Xc的增大而減小。例如，當(dāng)Xc取0.310 2，0.320 2時(shí)，色溫值就隨著Yc的增大而減小。但不管Xc取何值，白平衡色溫隨Yc的偏差值都不大。綜上，要控制白平衡色溫偏差在±500 K以內(nèi)，必須保證Xc坐標(biāo)偏離平均值0.01以內(nèi)，Yc可不作考慮。由于白平衡色坐標(biāo)是由單色RGB的色坐標(biāo)和亮度決定的，下面研究單色RGB色坐標(biāo)及亮度對(duì)白平衡色坐標(biāo)的影響。

表1(a) 固定Xc，變更Yc的色溫及色溫偏差

Tab.1(a) Color temperature and its deviation for fixedXcand changedYc

XcYc色溫/K色溫偏差/K0.26144665-2690.27144774-1600.28144862-720.34020.2914493400.30144994600.311450441100.32145088154

表1(b) 固定Yc，變更Xc的色溫及色溫偏差

Tab.1(b) Color temperature and its deviation of fixedYcand changedXc

YcXc色溫/K色溫偏差/K0.3102703521010.3202627013360.330255716370.29140.3402493400.35024354-5800.36023831-11030.37023363-1571

表1(c)Xc、Yc取端點(diǎn)值的色溫及色溫偏差

Tab.1(c) Color temperature and its deviation forXcandYctaking endpoint value

XcYc色溫/K色溫偏差/K0.37020.26142711-39950.34020.2914493400.31020.32146706-1772

3.4 單偏條件下單色RGB亮度對(duì)白平衡色坐標(biāo)的影響

由公式(1)、(2)可知，影響白平衡色坐標(biāo)的變量較多，多變量偏離的情況較為復(fù)雜。我們先研究單一變量偏離的情況。表2(a)、(b)、(c)分別給出了單色RGB的亮度對(duì)白平衡色坐標(biāo)的影響。其中，燈珠試驗(yàn)數(shù)據(jù)(32顆芯片測(cè)量的實(shí)際值)中紅光光強(qiáng)Ir的變化范圍為2.125～3.156 mcd，綠光光強(qiáng)Ig的變化范圍為3.153～4.580 mcd，藍(lán)光光強(qiáng)Ib的變化范圍為0.570～0.795 mcd。

通過(guò)對(duì)表中數(shù)據(jù)的分析，我們得到如下的結(jié)論：紅光、藍(lán)光的亮度對(duì)白平衡色坐標(biāo)Xc的影響較大，綠光對(duì)Xc的影響很小。即紅光偏差超11%時(shí)，色坐標(biāo)Xc超過(guò)了0.01；藍(lán)光偏差超14%時(shí)，色坐標(biāo)Xc也超過(guò)了0.01；綠光偏差在測(cè)試的范圍內(nèi)都遠(yuǎn)小于0.01。另外，還可以看出，紅、綠、藍(lán)3種光的亮度偏差造成的色坐標(biāo)Yc的變化都能夠保證較小的色溫偏差。所以，為了控制白平衡色溫偏差在±500 K范圍內(nèi)，紅光芯片亮度必須控制在11%以內(nèi)，藍(lán)光芯片亮度必須控制在14%以內(nèi)。

表2(a) 紅光亮度對(duì)白平衡色坐標(biāo)的影響

表2(b) 綠光亮度對(duì)白平衡色坐標(biāo)的影響

表2(c) 藍(lán)光亮度對(duì)白平衡色坐標(biāo)的影響

3.5 單偏條件下單色RGB色坐標(biāo)對(duì)白平衡色坐標(biāo)的影響

表3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)給出了單色RGB的色坐標(biāo)對(duì)白平衡色坐標(biāo)的影響。燈珠測(cè)試數(shù)據(jù)中，Xr的變化范圍為0.686 7～0.693 4，Yr的變化范圍為0.301 7～0.305 2；Xg的變化范圍為0.197 6～0.204 6，Yg的變化范圍為0.713 6～0.734 1；Xb的變化范圍為0.131 1～0.134 8，Yb的變化范圍為0.060 9～0.072 0。從表中可以得出結(jié)論：Xr、Yr、Xg、Yg、Xb這5個(gè)參量對(duì)白平衡色坐標(biāo)Xc的影響很小，而Yb對(duì)白平衡色坐標(biāo)Xc的影響較大，Yb正負(fù)偏差達(dá)到0.006時(shí)，白平衡色坐標(biāo)Xc偏差就接近0.01；另外，還可以看出單色RGB色坐標(biāo)變化引起白平衡色坐標(biāo)Yc的變化，不足以引起較大的白平衡色溫偏差。故要控制白平衡色溫在允許的范圍內(nèi)，要確保Yb的坐標(biāo)值變化在±0.006范圍內(nèi)。

表3(a) Xr對(duì)白平衡色坐標(biāo)的影響

表3(b) Yr對(duì)白平衡色坐標(biāo)的影響

表3(c) Xg對(duì)白平衡色坐標(biāo)的影響

表3(d) Yg對(duì)白平衡色坐標(biāo)的影響

表3(e) Xb對(duì)白平衡色坐標(biāo)的影響

表3(f) Yb對(duì)白平衡色坐標(biāo)的影響

3.6 雙偏條件下單色RGB亮度及色坐標(biāo)對(duì)白平衡色坐標(biāo)的影響

由上述單偏分析的結(jié)果可知，Lr、Lb及Yb是影響白平衡色坐標(biāo)偏差的主因，且有Lr負(fù)偏白平衡色溫值增大，正偏白平衡色溫值減??；Lb負(fù)偏白平衡色溫值減小，正偏白平衡色溫值增大；色坐標(biāo)Yb負(fù)偏白平衡色溫值增大，正偏白平衡色溫值減小?；谏鲜鼋Y(jié)論，下面進(jìn)行雙偏分析，表4(a)、(b)、(c)示出了雙偏分析的結(jié)果。從表中可以看

出，為了保證Xc偏差控制在0.01以內(nèi)，Lr、Lb同時(shí)偏時(shí)，Lr負(fù)偏Lb正偏，兩者可以控制在6%以內(nèi)，Lr正偏Lb負(fù)偏，兩者可以控制在5%以內(nèi)；Lr、Yb同時(shí)偏時(shí)，可以控制Lr負(fù)偏不超過(guò)6%，Yb負(fù)偏不超過(guò)0.003，或Lr正偏不超過(guò)5%，Yb正偏不超過(guò)0.003；Lb、Yb同時(shí)偏時(shí)，可以控制Lb正偏不超過(guò)6.5%，Yb負(fù)偏不超過(guò)0.003，或Lb負(fù)偏不超過(guò)6.5%，Yb正偏不超過(guò)0.003。至于雙偏使色溫反向偏離及三偏的情形較為復(fù)雜，這里不再繼續(xù)研究。

表4(a) Lr、Lb同時(shí)偏對(duì)白平衡色坐標(biāo)的影響

表4(b) Lr、Yb同時(shí)偏對(duì)白平衡色坐標(biāo)的影響

表4(c) Lb、Yb同時(shí)偏對(duì)白平衡色坐標(biāo)的影響

3.7 單偏、雙偏分析結(jié)論數(shù)據(jù)驗(yàn)證

表5 是燈珠測(cè)試部分?jǐn)?shù)據(jù)。很明顯，編號(hào)2左下位置芯片色溫偏差達(dá)到了-1 411 K，主要是因?yàn)長(zhǎng)r偏差了22.8269%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)11%；編號(hào)3左上位置芯片色溫偏差為-988 K，主要是因?yàn)長(zhǎng)b偏差了-19.2204%，超過(guò)了14%；編號(hào)為5右上位置芯片色溫偏差為711 K，主要是因?yàn)殡p偏，Lb正偏了9.3899%，Yb負(fù)偏了0.005 3，即Lb正偏超過(guò)了6.5%，Yb負(fù)偏超過(guò)了0.003。

表5 LED燈珠測(cè)試部分?jǐn)?shù)據(jù)

芯片位置說(shuō)明：例如，編號(hào)5右上芯片，指的是第5顆燈珠右上角R/G/B芯片(圖1)。

4 結(jié) 論

小電流、小間距是未來(lái)LED顯示屏發(fā)展的方向。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，本文將RGB芯片封裝在新型燈珠架構(gòu)中，并對(duì)燈珠的光學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試?；跍y(cè)試的數(shù)據(jù)分析和白平衡色坐標(biāo)公式，采用變量控制法發(fā)現(xiàn)紅光芯片亮度、藍(lán)光芯片亮度、藍(lán)光芯片Yb坐標(biāo)是

影響LED屏白平衡色溫偏差大的主因。通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到，要使白平衡色溫偏差控制在±500 K范圍內(nèi)，單偏要求紅光亮度偏差不超過(guò)11%，藍(lán)光亮度偏差不超過(guò)14%，藍(lán)光Yb坐標(biāo)偏差不超過(guò)0.006；同時(shí)，也得到了雙偏條件下的變量控制指標(biāo)。本研究結(jié)果在分光機(jī)芯片分選、白光照明及LED顯示屏白平衡色溫調(diào)控等領(lǐng)域具有一定的參考價(jià)值。

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[18] 朱欣昱,郝安民,張宏昌. LED芯片自動(dòng)分選系統(tǒng)中的視覺(jué)定標(biāo)問(wèn)題研究 [J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2008, 24(13):270-271. ZHU X Y, HAO A M, ZHANG H C. Study of vision calibration in LED chip auto-sorting system [J].Microcomput.Inf., 2008, 24(13):270-271. (in Chinese)

詹永波(1986-)，男，廣東廣州人，碩士，工程師，2014年于華南理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事光譜類實(shí)驗(yàn)儀器的開(kāi)發(fā)工作。

E-mail: 564003364@qq.com陳魯(1977-)，男，廣東海豐人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，2003年于美國(guó)布朗大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的研究和設(shè)備的研發(fā)。

E-mail: luchen898@163.com

Control of White Balance Color Temperature for Low Current LED Screen

ZHAN Yong-bo1, ZHANG Jian-wei1, ZENG Jian-xiong1, CHEN Lu2*

(1.GuangdongHuankaiMicrobialSci.&Tech.Co.,Ltd.,Guangzhou510663,China；2.GuangdongInstituteofMicrobiology,Guangzhou510070,China)

To improve the display effect of LED screen, the variable control method was adopted to analyze what to cause the large deviation of white balance color temperature of LED screen based on new type of LED testing data of optical property. Firstly, the effect of the color coordinates and brightness of monochrome RGB on the white balance color temperature was analyzed. Then, the parameters that mainly affected the color temperature deviation were found from univariate analysis, and double partial analysis was conducted. Finally, the data validation of variable analysis was performed. The results show that the red chip brightness (Lr), blue chip brightness (Lb) and blue chip coordinates (Yb) are the main causes to influence white balance color temperature of LED screen. To confine the deviation of white balance color temperature to range ±500 K,Lrdeviation must be less than 11%,Lbdeviation must be less than 14% andYbdeviation must be less than 0.006 under the condition of single partial. Moreover, the corresponding control indexes were given under the condition of double partial. This study is expected to be applied in many related fields including LED spectral chip sorting, white light illumination and color deviation adjustment of LED screen with low current or small interval.

variable control method; white balance; single deviation; double deviation; color deviation adjustment

1000-7032(2016)11-1390-09

2016-05-10；

2016-06-16

廣州市科技計(jì)劃(2015050411544485)資助項(xiàng)目

TN27

A

10.3788/fgxb20163711.1390

*CorrespondingAuthor,E-mail:luchen898@163.com