從(cóng)LED器(qì)件(jiàn)技(jì)術(shù)進步看(kàn)戶外顯示屏發展趨勢
2019-04-16 - 作者：石家莊小雲科技有限公司官網
摘要：進入二十一(yī)世紀，LED從(cóng)外延材料生(shēng)長(cháng)、芯片制作到(dào)器(qì)件(jiàn)封裝均取得了大幅度的技(jì)術(shù)進步，LED綜合光(guāng)效已提高(gāo)了3～4倍。因此采用壓縮視角而提高(gāo)光(guāng)軸方向亮度的技(jì)術(shù)方法已不應再成為(wèi)業(yè)界提高(gāo)亮度的唯一(yī)技(jì)術(shù)路(lù)線。
進入二十一(yī)世紀，LED從(cóng)外延材料生(shēng)長(cháng)、芯片制作到(dào)器(qì)件(jiàn)封裝均取得了大幅度的技(jì)術(shù)進步，LED綜合光(guāng)效已提高(gāo)了3～4倍。因此采用壓縮視角而提高(gāo)光(guāng)軸方向亮度的技(jì)術(shù)方法已不應再成為(wèi)業(yè)界提高(gāo)亮度的唯一(yī)技(jì)術(shù)路(lù)線。提高(gāo)顯示屏亮度的同時擴大受衆範圍并大幅改善亮度均勻性已成可行，戶外LED顯示屏進行技(jì)術(shù)變革的時代業(yè)已來臨。
1. LED配光(guāng)特性與顯示屏配光(guāng)特性關聯性分析
人們通(tōng)常會(huì)認為(wèi)“LED配光(guāng)特性就(jiù)等于顯示屏配光(guāng)特性” 。這是一(yī)個(gè)不準确的說法，準确的說 LED配光(guāng)特性(以下(xià)用I(θ)表示)與顯示屏配光(guāng)特性(以下(xià)用B(θ)表示)之間的數學關系與測試方法有關：
(a) 若我們測試顯示屏水(shuǐ)平方向的配光(guāng)特性，而測試圖像為(wèi)一(yī)列豎線時;或測試顯示屏垂直方向的配光(guāng)特性，而測試圖像為(wèi)一(yī)行橫線時，則：
B(θ)=I(θ) (1)
(b) 若我們測試顯示屏水(shuǐ)平或垂直方向配光(guāng)特性，而測試圖像為(wèi)大面積(大于測量儀器(qì)的取樣範圍)同一(yī)灰度圖像時，則：
B(θ)=I(θ)/Cosθ (2)
以上(shàng)兩種測試方法中，方法(b)因為(wèi)與顯示屏實際應用更為(wèi)貼近，因此被業(yè)界更多(duō)地采用。目前我國(guó)行業(yè)标準SJ/T11281即采用了該測試方法。
同時，從(cóng)公式(2)中我們可以得出結論：為(wèi)了使LED顯示屏的配光(guāng)特性B(θ)=1(即顯示屏的亮度不随觀察者的角度變化而變化)，則LED的配光(guāng)特性應滿足I(θ)=Cosθ。即顯示屏用LED的理想配光(guāng)特性應該為(wèi)餘弦函數(含水(shuǐ)平方向和垂直方向)。
2. LED配光(guāng)特性與顯示屏亮度及均勻性關聯性分析
通(tōng)常我們所說的某一(yī)特定規格LED的配光(guāng)特性是指該規格LED的平均配光(guāng)特性，而具體到(dào)該規格LED的個(gè)體(即使是同一(yī)規格、同一(yī)批次)，不同個(gè)體之間的配光(guāng)特性其實是有較大差異的。産生(shēng)這些差異的主要原因有：
(a) 芯片配光(guāng)特性的微小(xiǎo)差異;
(b) 封裝支架的形狀及反光(guāng)特性的微小(xiǎo)差異;
(c) 固晶過程中芯片與支架相(xiàng)對位置的微小(xiǎo)差異;
(d) 由于封膠設備的精度原因而造成的支架與模條之間的位置以及插深的微小(xiǎo)差異;
(e) 不同封膠模條的差異以及同一(yī)模條在使用不同次數之後所造成的差異。
由于上(shàng)述主要原因，所造成的同一(yī)規格、不同LED個(gè)體之間的配光(guāng)特性差異具體表現為(wèi)：
(a) 光(guāng)軸與機(jī)械軸的偏離差異;
(b) 半功率角大小(xiǎo)的差異;
(c) 配光(guāng)特性形狀的差異。
因此，當我們在某些敏感角度觀察某塊顯示屏時，由于LED器(qì)件(jiàn)本身因素而造成不同LED配光(guāng)特性在單方位的角度差異就(jiù)可達2～3° 左右，再加上(shàng)顯示屏制造商在顯示屏制作過程中産生(shēng)的不同LED之間垂直度的差異1～2° 左右。同一(yī)塊顯示屏中不同LED之間在單方位的角度累計差異大約在3～5° 左右。這樣的角度差異會(huì)帶來多(duō)大的亮度偏差?我們通(tōng)過圖一(yī)作如下(xià)分析：
從(cóng)LED器(qì)件(jiàn)技(jì)術(shù)進步看(kàn)戶外顯示屏發展趨勢 戶外顯示屏,技(jì)術(shù) 技(jì)術(shù)
圖一(yī)是某國(guó)際知名品牌用于全彩色顯示屏的直插式橢圓透鏡LED的配光(guāng)特性。其中，虛線是垂直方向配光(guāng)特性(角度較小(xiǎo))，實線為(wèi)水(shuǐ)平方向配光(guāng)特性(角度較大)。從(cóng)圖一(yī)可以看(kàn)出：
(a) 當角度較小(xiǎo)的垂直配光(guāng)特性從(cóng)11° 到(dào)15° 變化時(4° 的變化值)，LED的相(xiàng)對亮度值從(cóng)0.8降到(dào)了0.6，變化幅度高(gāo)達(0.8-0.6)/0.6=33%(該段配光(guāng)特性曲線的斜率極大);而當角度較大的水(shuǐ)平配光(guāng)特性同樣從(cóng)11° 到(dào)15° 變化時，LED的相(xiàng)對亮度值則僅從(cóng)0.93降到(dào)了0.89，變化幅度隻有(0.93-0.89)/0.89=4.5%(該段配光(guāng)特性曲線的斜率較小(xiǎo));
(b) 當觀察者的視線與顯示屏的光(guāng)軸有30° 的夾角時：在垂直方向LED的光(guāng)強僅為(wèi)LED光(guāng)軸方向亮度的27.5%;而在水(shuǐ)平方向LED的光(guāng)強則任然保有74% 。 由此可知：當觀察者的視線與LED光(guāng)軸在垂直方向存在一(yī)定角度時(大于10°)，通(tōng)過壓縮垂直方向的角度從(cóng)而提高(gāo)LED光(guāng)軸方向的亮度這一(yī)技(jì)術(shù)路(lù)線帶來了兩大弊端：
(a) LED顯示屏的亮度均勻性極度劣化;
(b) LED的亮度大幅下(xià)降。
3. 表貼LED的特性及在戶外顯示屏的應用
正是因為(wèi)采用直插式橢圓透鏡LED存在上(shàng)述難以克服的嚴重弊端，近年(nián)來伴随著(zhe)LED光(guāng)效的大幅提升，業(yè)内開(kāi)始逐步擯棄“壓縮垂直視角提高(gāo)光(guāng)軸亮度”的做法，而嘗試采用角度更大、配光(guāng)特性更為(wèi)平滑、裝配精度更高(gāo)的表貼LED。圖二給出了某國(guó)際知名品牌平面形PLCC表貼LED的配光(guāng)特性。從(cóng)圖中看(kàn)出：
(a) 該封裝形式的LED無論水(shuǐ)平方向還(hái)是垂直方向均具有較大的角度;
(b) 整個(gè)配光(guāng)特性曲線斜率變化小(xiǎo)，較為(wèi)平滑;
(c) 配光(guāng)特性曲線函數近似于餘弦函數(I(θ)=Cosθ)。
從(cóng)LED器(qì)件(jiàn)技(jì)術(shù)進步看(kàn)戶外顯示屏發展趨勢 戶外顯示屏,技(jì)術(shù) 技(jì)術(shù)
根據上(shàng)述分析我們确認，采用平面形PLCC表貼LED制造的顯示屏具有如下(xià)特點：
(a) 因為(wèi)LED在水(shuǐ)平和垂直方向均具有較大的角度(配光(guāng)特性曲線斜率變化小(xiǎo)，較為(wèi)平滑)，且表貼LED顯示屏的裝配精度高(gāo)。所以顯示屏亮度均勻性極為(wèi)優越;
(b) LED配光(guāng)特性近似餘弦函數(I(θ)≈Cosθ)，使得顯示屏配光(guāng)特性B(θ) =I(θ)/Cosθ≈Cosθ/Cosθ≈1，即顯示屏的亮度不随觀察者視角的變化而變化。
當然，平面形PLCC工(gōng)藝封裝的表貼LED雖然具有近似理想的配光(guāng)特性，并會(huì)帶來極為(wèi)卓越圖像質量(尤其是觀察者的視線在垂直方向與顯示屏光(guāng)軸偏離較大時)。但是，表貼LED在戶外顯示屏的實際應用中我們還(hái)須解決好兩個(gè)重要環節：一(yī)是 “防水(shuǐ)” 、二是“散熱” 。目前,一(yī)些業(yè)内知名品牌在這兩個(gè)重要技(jì)術(shù)環節業(yè)已取得了突破，并通(tōng)過許多(duō)工(gōng)程案例的實施使得該技(jì)術(shù)已步入成熟。
4. 結論
時代發展至今我們可以看(kàn)出：始于上(shàng)個(gè)世紀九十年(nián)代初通(tōng)過壓縮LED垂直方向角度來提高(gāo)顯示屏光(guāng)軸方向亮度的技(jì)術(shù)路(lù)線經過了近二十年(nián)的發展及應用，由于存在随著(zhe)觀察視角的增大而亮度大幅下(xià)降以及均勻性的嚴重劣化的兩大弊端，在新材料、新技(jì)術(shù)、新工(gōng)藝的成長(cháng)及成熟過程中受到(dào)了質疑與挑戰。從(cóng)追求更高(gāo)的圖像質量與效果的角度看(kàn)，該技(jì)術(shù)路(lù)線僅僅适合于觀察者的視線與顯示屏光(guāng)軸在垂直方向的夾角較小(xiǎo)時(筆者建議控制在10° 之内)。而當觀察者的視線與顯示屏光(guāng)軸在垂直方向的夾角較大時(≥10°)，選用角度更大、特性更平滑、配光(guāng)曲線近似餘弦函數的表貼LED制作的顯示屏不僅亮度不随觀察者視角的變化而變化(近似理想的顯示屏配光(guāng)特性)，并擁有更大的受衆範圍。而且可使顯示屏具有優良的亮度均勻性，從(cóng)而獲得極其卓越的圖像質量。
1. LED配光(guāng)特性與顯示屏配光(guāng)特性關聯性分析
人們通(tōng)常會(huì)認為(wèi)“LED配光(guāng)特性就(jiù)等于顯示屏配光(guāng)特性” 。這是一(yī)個(gè)不準确的說法，準确的說 LED配光(guāng)特性(以下(xià)用I(θ)表示)與顯示屏配光(guāng)特性(以下(xià)用B(θ)表示)之間的數學關系與測試方法有關：
(a) 若我們測試顯示屏水(shuǐ)平方向的配光(guāng)特性，而測試圖像為(wèi)一(yī)列豎線時;或測試顯示屏垂直方向的配光(guāng)特性，而測試圖像為(wèi)一(yī)行橫線時，則：
B(θ)=I(θ) (1)
(b) 若我們測試顯示屏水(shuǐ)平或垂直方向配光(guāng)特性，而測試圖像為(wèi)大面積(大于測量儀器(qì)的取樣範圍)同一(yī)灰度圖像時，則：
B(θ)=I(θ)/Cosθ (2)
以上(shàng)兩種測試方法中，方法(b)因為(wèi)與顯示屏實際應用更為(wèi)貼近，因此被業(yè)界更多(duō)地采用。目前我國(guó)行業(yè)标準SJ/T11281即采用了該測試方法。
同時，從(cóng)公式(2)中我們可以得出結論：為(wèi)了使LED顯示屏的配光(guāng)特性B(θ)=1(即顯示屏的亮度不随觀察者的角度變化而變化)，則LED的配光(guāng)特性應滿足I(θ)=Cosθ。即顯示屏用LED的理想配光(guāng)特性應該為(wèi)餘弦函數(含水(shuǐ)平方向和垂直方向)。
2. LED配光(guāng)特性與顯示屏亮度及均勻性關聯性分析
通(tōng)常我們所說的某一(yī)特定規格LED的配光(guāng)特性是指該規格LED的平均配光(guāng)特性，而具體到(dào)該規格LED的個(gè)體(即使是同一(yī)規格、同一(yī)批次)，不同個(gè)體之間的配光(guāng)特性其實是有較大差異的。産生(shēng)這些差異的主要原因有：
(a) 芯片配光(guāng)特性的微小(xiǎo)差異;
(b) 封裝支架的形狀及反光(guāng)特性的微小(xiǎo)差異;
(c) 固晶過程中芯片與支架相(xiàng)對位置的微小(xiǎo)差異;
(d) 由于封膠設備的精度原因而造成的支架與模條之間的位置以及插深的微小(xiǎo)差異;
(e) 不同封膠模條的差異以及同一(yī)模條在使用不同次數之後所造成的差異。
由于上(shàng)述主要原因，所造成的同一(yī)規格、不同LED個(gè)體之間的配光(guāng)特性差異具體表現為(wèi)：
(a) 光(guāng)軸與機(jī)械軸的偏離差異;
(b) 半功率角大小(xiǎo)的差異;
(c) 配光(guāng)特性形狀的差異。
因此，當我們在某些敏感角度觀察某塊顯示屏時，由于LED器(qì)件(jiàn)本身因素而造成不同LED配光(guāng)特性在單方位的角度差異就(jiù)可達2～3° 左右，再加上(shàng)顯示屏制造商在顯示屏制作過程中産生(shēng)的不同LED之間垂直度的差異1～2° 左右。同一(yī)塊顯示屏中不同LED之間在單方位的角度累計差異大約在3～5° 左右。這樣的角度差異會(huì)帶來多(duō)大的亮度偏差?我們通(tōng)過圖一(yī)作如下(xià)分析：
從(cóng)LED器(qì)件(jiàn)技(jì)術(shù)進步看(kàn)戶外顯示屏發展趨勢 戶外顯示屏,技(jì)術(shù) 技(jì)術(shù)
圖一(yī)是某國(guó)際知名品牌用于全彩色顯示屏的直插式橢圓透鏡LED的配光(guāng)特性。其中，虛線是垂直方向配光(guāng)特性(角度較小(xiǎo))，實線為(wèi)水(shuǐ)平方向配光(guāng)特性(角度較大)。從(cóng)圖一(yī)可以看(kàn)出：
(a) 當角度較小(xiǎo)的垂直配光(guāng)特性從(cóng)11° 到(dào)15° 變化時(4° 的變化值)，LED的相(xiàng)對亮度值從(cóng)0.8降到(dào)了0.6，變化幅度高(gāo)達(0.8-0.6)/0.6=33%(該段配光(guāng)特性曲線的斜率極大);而當角度較大的水(shuǐ)平配光(guāng)特性同樣從(cóng)11° 到(dào)15° 變化時，LED的相(xiàng)對亮度值則僅從(cóng)0.93降到(dào)了0.89，變化幅度隻有(0.93-0.89)/0.89=4.5%(該段配光(guāng)特性曲線的斜率較小(xiǎo));
(b) 當觀察者的視線與顯示屏的光(guāng)軸有30° 的夾角時：在垂直方向LED的光(guāng)強僅為(wèi)LED光(guāng)軸方向亮度的27.5%;而在水(shuǐ)平方向LED的光(guāng)強則任然保有74% 。 由此可知：當觀察者的視線與LED光(guāng)軸在垂直方向存在一(yī)定角度時(大于10°)，通(tōng)過壓縮垂直方向的角度從(cóng)而提高(gāo)LED光(guāng)軸方向的亮度這一(yī)技(jì)術(shù)路(lù)線帶來了兩大弊端：
(a) LED顯示屏的亮度均勻性極度劣化;
(b) LED的亮度大幅下(xià)降。
3. 表貼LED的特性及在戶外顯示屏的應用
正是因為(wèi)采用直插式橢圓透鏡LED存在上(shàng)述難以克服的嚴重弊端，近年(nián)來伴随著(zhe)LED光(guāng)效的大幅提升，業(yè)内開(kāi)始逐步擯棄“壓縮垂直視角提高(gāo)光(guāng)軸亮度”的做法，而嘗試采用角度更大、配光(guāng)特性更為(wèi)平滑、裝配精度更高(gāo)的表貼LED。圖二給出了某國(guó)際知名品牌平面形PLCC表貼LED的配光(guāng)特性。從(cóng)圖中看(kàn)出：
(a) 該封裝形式的LED無論水(shuǐ)平方向還(hái)是垂直方向均具有較大的角度;
(b) 整個(gè)配光(guāng)特性曲線斜率變化小(xiǎo)，較為(wèi)平滑;
(c) 配光(guāng)特性曲線函數近似于餘弦函數(I(θ)=Cosθ)。
從(cóng)LED器(qì)件(jiàn)技(jì)術(shù)進步看(kàn)戶外顯示屏發展趨勢 戶外顯示屏,技(jì)術(shù) 技(jì)術(shù)
根據上(shàng)述分析我們确認，采用平面形PLCC表貼LED制造的顯示屏具有如下(xià)特點：
(a) 因為(wèi)LED在水(shuǐ)平和垂直方向均具有較大的角度(配光(guāng)特性曲線斜率變化小(xiǎo)，較為(wèi)平滑)，且表貼LED顯示屏的裝配精度高(gāo)。所以顯示屏亮度均勻性極為(wèi)優越;
(b) LED配光(guāng)特性近似餘弦函數(I(θ)≈Cosθ)，使得顯示屏配光(guāng)特性B(θ) =I(θ)/Cosθ≈Cosθ/Cosθ≈1，即顯示屏的亮度不随觀察者視角的變化而變化。
當然，平面形PLCC工(gōng)藝封裝的表貼LED雖然具有近似理想的配光(guāng)特性，并會(huì)帶來極為(wèi)卓越圖像質量(尤其是觀察者的視線在垂直方向與顯示屏光(guāng)軸偏離較大時)。但是，表貼LED在戶外顯示屏的實際應用中我們還(hái)須解決好兩個(gè)重要環節：一(yī)是 “防水(shuǐ)” 、二是“散熱” 。目前,一(yī)些業(yè)内知名品牌在這兩個(gè)重要技(jì)術(shù)環節業(yè)已取得了突破，并通(tōng)過許多(duō)工(gōng)程案例的實施使得該技(jì)術(shù)已步入成熟。
4. 結論
時代發展至今我們可以看(kàn)出：始于上(shàng)個(gè)世紀九十年(nián)代初通(tōng)過壓縮LED垂直方向角度來提高(gāo)顯示屏光(guāng)軸方向亮度的技(jì)術(shù)路(lù)線經過了近二十年(nián)的發展及應用，由于存在随著(zhe)觀察視角的增大而亮度大幅下(xià)降以及均勻性的嚴重劣化的兩大弊端，在新材料、新技(jì)術(shù)、新工(gōng)藝的成長(cháng)及成熟過程中受到(dào)了質疑與挑戰。從(cóng)追求更高(gāo)的圖像質量與效果的角度看(kàn)，該技(jì)術(shù)路(lù)線僅僅适合于觀察者的視線與顯示屏光(guāng)軸在垂直方向的夾角較小(xiǎo)時(筆者建議控制在10° 之内)。而當觀察者的視線與顯示屏光(guāng)軸在垂直方向的夾角較大時(≥10°)，選用角度更大、特性更平滑、配光(guāng)曲線近似餘弦函數的表貼LED制作的顯示屏不僅亮度不随觀察者視角的變化而變化(近似理想的顯示屏配光(guāng)特性)，并擁有更大的受衆範圍。而且可使顯示屏具有優良的亮度均勻性，從(cóng)而獲得極其卓越的圖像質量。
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