吴 丽，沈 健，徐立国

（中航华东光电有限公司 安徽省现代显示技术重点实验室国家特种显示工程技术研究中心 特种显示国家工程实验室，安徽 芜湖 241002）

1 引 言

液晶显示器由背光和液晶屏组成。液晶屏内有多个像素，每个像素中包含了单独的RGB子像素。在高亮度彩色液晶显示器中，背光灯通常为LED白灯。LED白灯光效高，但是LED白灯的二波段光谱和液晶屏的3种色谱的匹配程度不够高，采用白灯的液晶显示器难以实现高色域。为了提升显示器的色域，可以采用合适的背光和液晶屏的光谱进行匹配，这种匹配的方法分为时序和空间上的色彩匹配。在时序上进行色彩匹配，Lin［1］提到，采用RGB三色LED背光，在需要显示某颜色的区域打开某颜色背光灯，再打开对应的像素单元，可以提升显示器的色域。这个方法存在两个问题：（1）现有的工业技术，难以让液晶的响应时间快到匹配此色彩的混合；（2）彩色LED背光的色彩控制非常困难。而进行空间上的色彩匹配，Ke［2］提到，可以增加液晶屏单个像素中子像素的个数，但现有工业档液晶屏的像素依旧为RGB像素。Chang［3］提到采用在背光中增加滤光片的方法，提升显示器的色域，但是这样在色域获得很大提升时，显示器亮度也会大大降低。

为了提升液晶显示器的色域，有以下两种途径：（1）调整白灯荧光粉的特性［4］。这种方法，需要针对特定谱线的液晶屏，因此对于液晶屏原屏生产厂家来说较容易实施，但是周期较长、需要反复试验，对于小厂家来说从时间和价格上都不可接受。（2）选择主波长合适的 RGB三色灯［5－7］，或者改变液晶屏透过谱，可以提升液晶显示模块的色域，但是，这种方法用于背光时，由于RGB三色灯光效较低，模块的功耗会较大，且RGB三色灯需要进行混光，模块厚度也较厚。Chen采用软件仿真，在背光腔中采用新的光学膜可以提高光线利用率，并且降低背光腔的厚度，但是仿真后的均匀性并不好［8］。采用二次光学元件器件进行导光，可以降低背光腔的混光比（混光距离／灯间距）。Chang采用仿真和实际加工技术，提出采用其设计的二次元件可以达到更好的匀光效果［9］。但是二次光学元件的加工会增加设计和成本上的压力。

针对以上这些问题，本文提出一种新的方法，主要目的是在提升窄色域液晶屏色域的同时，改善全彩灯直下式背光的显示品质，同时降低混光比。通过理论分析，得出采用合适光谱的背光灯，匹配液晶屏的透过光谱，可以提升液晶屏的色域。通过实验证明，在背光中采用RGB彩灯和白光LED灯混合搭配，能够在提升液晶显示器的色域同时改善显示品质。

2 理论分析

色域是指某种设备所能表达的所有颜色在色度图中所构成的区域。NTSC色域选取xy坐标系中的 R（0.67，0.33）、G（0.21，0.71）、B（0.14，0.08）三点围成的三角形面积作为基准，用待测显示器的R、G和B三色场色坐标围成的三角形面积与基准面积的百分比。

图1 HV104X01－212屏RGB彩色滤光片的透过率谱线Fig.1 Transmission spectra line of the RGB color filter for the LCD HV104X01－212

图1为BOE Hydis公司生产的HV104X01－212屏的透过率谱线。其中，R、G、B曲线分别代表了红、绿和蓝色滤光片在380～780nm范围内的透过谱线。

将背光灯的光谱和液晶屏RGB彩色滤光片的透过率谱线进行匹配时，显示器的色域可以采用以下方法进行计算。

式中：φ（λ）为LED的光谱功率分布，k为背光膜系的综合透过率，p（λ）为液晶屏的透过率谱线，（λ）、（λ）和（λ）分别代表人眼的视觉响应函数。

X、Y和Z分别代表三刺激值。通过三刺激值可以得到对应的色坐标：

液晶屏RGB三个单色场的色坐标（x，y）所围成的面积与基准面积的比值即为其NTSC色域。

图2为色温为6500K的典型白光LED灯在380～780nm内的光谱功率分布［10］。白光灯芯片为蓝光（InGaN）芯片，荧光粉为黄色荧光粉。其在～460nm和～570nm有两个峰。白灯在380nm～780nm的可见光范围内都有光谱，而液晶屏的RGB各色滤光片的透过光谱间都有很大的重叠部分，因此RGB像素的液晶屏匹配该白灯背光时，显示器各个色场的色饱和度都比较低，所以色域会比较低，仅为～40%。为了增加液晶显示器的色域，需要减少背光灯和液晶屏谱线的重叠部分［6］。

图2 色温为6500K的白光LED灯在380～780nm内的光谱功率分布Fig.2 Spectral power distribution in 380～780nm of the white LED with color temperature of 6500K

图3 RGB三基色灯在380～780nm内的光谱功率分布Fig.3 Spectral power distribution in 380～780 nm of the RGB three primaries LED

当RGB三基色背光灯匹配液晶屏的透过光谱时，运用公式（1）、（2）、（3）和（4）进行计算，可以得出液晶屏三色场随着背光灯颜色主波长的变化。图3为典型RGB三基色LED灯在380～780nm内的光谱功率分布［10］。红光（AlInGaP）的主波长为～630nm，半高宽为～22nm；绿光（InGaN）的主波长为～535nm，半高宽为～43 nm；绿光（InGaN）的主波长为～460nm，半高宽为24nm。

固定RGB三基色灯的半高宽和其中两种光线的主波长，而改变另一种光线的主波长，配合HV104X01－212屏所能得到的色域变化如图4所示。

图4 三基色灯中一种光的主波长变化时的显示器色域值变化。（1）改变蓝光主波长；（2）改变绿光主波长；（3）改变红光主波长.Fig.4 Change of color gamut in a display device when the dominant wavelength of one light in three primaries LED changes.（1）dominant wavelength of blue light changes；（2）dominant wavelength of green light changes；（3）dominant wavelength of red light changes.

曲线1代表了蓝光主波长在445～470nm范围内变化时的液晶屏色域值。其中，红光的主波长为630nm，半高宽为22nm；绿光的主波长为535nm，半高宽为43nm；蓝光的半高宽为24 nm。曲线2代表了绿光主波长在515～540nm范围内变化时的液晶屏色域值。其中，红光的主波长为630nm，半高宽为22nm；绿光的半高宽为43nm；蓝光的主波长为460nm，半高宽为24nm。曲线3代表了红光主波长在620～645 nm范围内变化时的液晶屏色域值。其中，红光的半高宽为22nm；绿光的主波长为535nm，半高宽为43nm；蓝光的主波长为460nm，半高宽为24nm。

图4显示，减小蓝光主波长、增加红光主波长或者控制绿光主波长在特定范围内，都能提升液晶屏的色域。

当红光主波长为640nm，半高宽为24nm，绿光的主波长为530nm，半高宽为43nm，蓝光主波长为450nm，半高宽为22nm时，液晶显示器的色域可以达到～70%。理论分析采用特定谱线的RGB三基色LED灯作为背光灯，能够将液晶显示器的色域从～40%提升至～70%。

3 试验结果与分析

图5为 HV104X01－212屏采用典型白光LED灯、普通 RGB LED灯和特定谱线 RGB LED灯的色域。

图5 HV104X01－212屏在3种不同背光下的红绿蓝单色场的色坐标图Fig.5 Color coordinate map of the RGB single color field of LCD HV104X01－212in three different backlight

3种LED灯的光谱色坐标如表1所示。测试仪器为 CS－2000（Konica Minolta），色度测试精度为±0.001。

图5中，正方形代表白光LED背光的显示器的3个单色场的色坐标，圆形代表普通RGB灯背光的显示器的3个单色场的色坐标，三角形代表特定谱线RGB灯背光的显示器的3个单色场的色坐标。

从图5中测试结果可以看出，相比白光LED，RGB背光能够将显示器的色域从39.4%提升至60.0%；而采用特定波长的RGB背光，色域可以增加至70.2%。这与理论分析一致。

但是，在显示器的背光中，对于同样的扩散材料和混光距离，全彩色背光与白色背光相比，容易产生色彩上的不均匀［11］。要想改善这种色彩不均匀性，可以增加背光的混光距离［12］。

表1 三种LED灯的光谱色坐标Tab.1 Spectral color coordinates of three kind of LEDs

图6 显示器色域和背光混光比随着白光LED灯亮度比的变化值Fig.6 Change of the color gamut and mixing ratio with the luminance ratio of the white LED

在显示器白场的亮度和色坐标保持一致的条件下，将白光加入到RGB光中，可以降低全彩灯背光的混光距离。图6为白光LED灯亮度比依次增加时，显示器色域和背光混光比的变化值。从图6中可以看出，随着白光LED灯的亮度比从0增加到30%，显示器的色域也从70%减小到63%，混光比从1.3∶1减小到1.1∶1。显示器色域的下降是由于白光的掺杂使得显示器红绿蓝单色场饱和度下降造成的。

本文中白彩色光混合的方法，可以实现背光腔混光比的降低和显示器色域的提升。和全白灯或者全彩灯背光腔的对比如表2。

表2 几种背光腔的对比Tab.2 Comparison between some backlight modules

4 结 论

通过理论分析和试验，采用RGB三色LED背光能够将窄色域液晶屏的色域从～40%提升至～70%。本文提出了彩色和白光LED灯混合搭配的方式。通过试验证明，在彩色背光灯中加入白灯，当白光灯亮度比从0增加到30%时，能够将混光比从1.3∶1降低到1.1∶1，同时显示器的色域会从70%下降到63%。

［1］Lin W P，Yang T H，Sun C C.Method of increasing color gamut of a color display ：American，7995014 ［P］.2011－08－09.

［2］Ke H C，Chan C C，Uei G F.Multi－primary color display：American，7771098［P］.2010－08－10.

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