LED的原理、术语、性能及应用

刘全恩

（国家广播电视产品质量监督检验中心，北京 100015）

责任编辑:哈宏疆

在大力倡导低碳经济、节能、环保的形势下，LED以寿命长、发光效率高、能耗低以及环保、无辐射、无污染、应用灵活等诸多优点，在最近几年得到快速发展，各项性能得到很大提高，因此在显示、光源、照明等领域得到广泛应用，并渗透到人类生活的各个方面。为了使更多人更好地认识了解LED技术与产品，笔者结合工作经验和实际情况，搜集整理了LED的发光原理、有关术语解释和性能及在各领域的应用等内容，希望能进一步普及LED知识，为实现低碳经济、节能、环保做一些努力。

1 LED及其发光原理

LED是Light-Emitting Diode的英文缩写，中文名叫发光二极管，是一种半导体元件。其结构如图1所示[1]。

图1 LED结构图

发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。因此，发光二极管也即利用注入式电致发光原理制作的二极管，如图2所示。当在LED即两端加上正向电压，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线。光的强弱与电流有关，电流越大，发的光越强。

图2 LED注入式电致发光原理

通过对其中发光材料的研究，逐渐开发出各种不同光谱的LED产品，如红色、黄色、蓝色、绿色、橙色、琥珀色、蓝绿双色、红绿双色、黄绿色、纯绿色、翠绿色、白色等各种发光颜色的LED。目前，应用在显示领域的LED，主要是红光、绿光、蓝光和白光等产品。

2 不同光谱的LED（白光除外）

2.1 蓝光LED

蓝光LED是指蓝色发光二极管，发光的中心波长为470 nm，蓝光LED的材料使用氮化镓（GaN）类半导体，以前曾用硒化锌（ZnSe）类半导体开发蓝色LED。但自从1993年12月日亚化学工业研发出GaN类半导体亮度达1 cd/m2以上的蓝色LED以后，蓝光LED的主要采用GaN类半导体。

蓝光LED的构造是在蓝宝石或者碳化硅（SiC）底板的表面上，重叠层积氮化铝（AlN）半导体层和GaN类半导体层。在称为活性层、发蓝色光的部分设置了使用P型GaN类半导体层和N型GaN类半导体层重叠的构造，PN结是制作高亮度LED所必须采用的构造。在使用GaN以外材料的红色等LED中，PN结很早就是主流构造。而在1993年高亮度蓝色LED研发出之前，采用GaN类材料难以实现PN结，原因是制成N型GaN类半导体层虽较为简单，但P型GaN系半导体层的制作则较为困难。此后，通过对在P型GaN类半导体层和N型GaN类半导体层之间配置的GaN类半导体层采用多重量子阱构造，进一步改善了GaN类半导体层的质量，发光强度得到大幅提高。

目前，LED在液晶电视、个人电脑和液晶显示器及光源、照明等领域得到广泛应用和迅速普及，但大部分需求的是白光LED，而生产白光LED的基础是蓝色LED。预计随着LED应用的拓展，蓝色LED将得到更大的发展。

2.2 红光LED

红光LED也是应用半导体PN结发光原理制成的LED，问世于20世纪60年代初。当时所用的半导体材料是磷砷化镓（GaAsP），驱动电流为20 mA，光通量小，发光效率约0.11 lm/W。红色LED波长为650～700 nm。

到20世纪80年代初，研制出使用半导体材料为砷铝化镓（GaAlAs）的红光LED，光效率达到10 lm/W。90年代初，发红光、黄光的镓铝铟磷（GaAlInP）新材料的研制成功，使LED的光效率得到大幅度提高。在2000年，红光LED的光效率达到100 lm/W。最早研制的红光LED用于电子设备、仪器仪表的指示灯。随着LED技术性能的提高和各种颜色的LED问世，在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用。

2.3 绿光LED

绿光LED是发射绿光的二极管，绿光中心波长在560 nm左右。初期的绿光LED用于电子设备、仪器仪表的指示灯，LED显示器的光源以及液晶面板的背光源等。当前绿光LED器件的材料基础是III族氮化物半导体，也就是GaN为主，氮化铟（InN）、氮化铝（AlN）为辅的四元铝镓铟氮（AlGaInN）合金体系。

目前工业界的技术水平通常做到绿光芯片的电光转换效率大约是蓝光的50%或更低；绿色LED与红色LED及蓝色LED相比，电光转换效率较低。因此用红色LED、绿色LED和蓝色LED构成LED显示器或液晶面板的背光源时，为了调制成亮度高且均匀的白色，同时考虑到人眼的视觉灵敏度，对绿光最为敏感，白光构成中有69%为绿光，因此，RGB三色LED光量的分配比例需为约3∶6∶1或者约3∶7∶1。因绿色LED的亮度不足，必须使用多个绿色LED来提高输出功率。

目前已研究出能将原绿光LED的光输出增加1倍的产品。将绿光LED芯片应用在白光RBG芯片上，可降低白光RGB芯片成本，可用2个绿光LED加上1个红光LED、1个蓝光LED来调制成高亮度均匀的白色的RGB像素，如图3所示。这样可减少RGB器件中LED的数量，同时改善光色性能、提高能源效率、散热和稳定性。

图3 2G+B+R构成一个白色的像素

2.4 红外LED

红外LED也称红外线发射二极管（Infrared Light Emitting Diode），它是可以将电能直接转换成红外光（不可见光）并能辐射出去的发光器件，发射红外光线光的中心波长超过700 nm，其结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导体材料不同。红外发光二极管通常使用砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。

红外LED的工作电压较低，仅为1.5 V，与红色LED的2 V以上和蓝色LED的3 V以上相比要低，因此用途比较广泛，应用于各种电子产品的遥控发射电路中，如电视机、DVD、机顶盒等产品的遥控发射器中发射管及红外线通信的光源、测距传感器光源、光电耦合器光源以及打印机机头的光源等。

2.5 紫外LED

紫外LED（UV-LED）是发射紫外光的二极管。一般指发光中心波长在400 nm以下的LED，但有时将发光波长大于380 nm时称为近紫外LED，而短于300 nm时称为深紫外LED。因短波长光线的杀菌效果高，因此紫外LED常用于冰箱和家电等的杀菌及除臭等用途，同时紫外LED可与荧光体组合发出可视光的LED，例如将红色、绿色和蓝色荧光体与紫外LED组合，可获得白色LED。紫外LED主要采用GaN类半导体。在产品方面，具有发光中心波长从365～385 nm不等的品种。

3 白光LED

白光LED是发射白光的二极管。白光是一种组合光，在目前市场上白光LED技术主要可以分为单芯片和多芯片。

3.1 单芯片白光LED

利用荧光粉将蓝光LED或紫外UV-LED所产生的蓝光或紫外光分别转换为双波长（Dichromatic）或三波长（Trichromatic）白光，一般把该技术称之为荧光粉转换白光LED（Phosphor Converted-LED）。有下列几种:

1）InGaN（蓝）LED/YAG（钇铝石榴石）荧光粉技术

该技术是将InGaN（蓝）LED和YAG荧光粉封装在一起做成。蓝光LED的芯片发出波长为450～455 nm的蓝光激发黄色YAG荧光粉（或红色、绿色荧光粉）形成白光，如图4所示。

图4 白光LED原理示意图

其中蓝光的波长越低，激发能力越强，通常LED波长出厂控制在500 nm之内。在白光LED中，LED的蓝光部分是靠芯片保证的，而其他光色是靠荧光粉保证的；在制作和使用中，可能出现因荧光粉衰减快，使荧光粉的发光能力变弱，而蓝光GaN衰减慢，芯片的保证能力强，因此使用时间越久蓝光的比例越高，LED发出的白光色温越高，演色性（指光源照射物体时呈现色彩的视觉效果质量高低的评价）越低。

这种白光效率最高可达44.3 lm/W，最高光通量为187 lm，产业化产品可达120 lm，显色指数Ra为75～80，是目前较为成熟的产品。

2）InGaN（蓝）LED/红荧光粉+绿荧光粉技术

该技术是采用460 nm蓝光LED配以SrGa2S4:Eu2+（绿色）和SrS:Eu2+（红色）荧光粉，色温可达到3000～6000 K，Ra达到82～87。

3）InGaN（紫外）LED/（红+绿+蓝）荧光粉

采用385～405 nm的紫外LED配以（红+绿+蓝）荧光粉，形成白光LED，其Ra大于90，但发光效率还不够理想。

3.2 多芯片LED

多芯片型白光LED，经由组合两种（或以上）不同色光的LED组合以形成白光。主要有如下几种产品:

1）双芯片LED

双芯片LED可由（蓝+黄）LED或（蓝+黄绿）LED或（蓝绿+黄）LED制成，此种器件成本比较便宜，但由于是两种颜色LED形成的白光，显色性较差。

2）三芯片（蓝+绿+红）LED

Philips公司用470 nm，540 nm和610 nm的LED芯片制成Ra大于80的器件，色温达3500 K。如用470 nm，525 nm和635 nm的LED芯片，则缺少黄色调，Ra只能达到20或30。采用波长补偿和光通量反馈方法可使色移动降到可接受程度。Norlux公司用90个三色芯片（红、绿、蓝）制成10 W的白光LED，每个器件光通量达130 lm，色温为5500 K。

3）四芯片（蓝+绿+红+黄）LED

采用465 nm，535 nm，590 nm和625 nm LED芯片可制成Ra大于90的白光LED。

白光LED的研制成功，是LED从标识功能向照明功能跨出的实质性一步。因白光LED最接近日光，更能较好反映照射物体的真实颜色。

白光LED的应用市场将非常广泛，它是取代白炽钨丝灯泡及荧光灯的最好的替代品。目前，白色LED已较成熟应用在照明、光源、显示等领域。

4 与LED相关的术语与性能指标

4.1 显色性

显色性（color rendition），又称为演色性，是指物体在某光源照射下，显示的颜色与标准光源照射下显示的颜色之间相对差异程度，用平均显色性指数（Ra）来表示。国际照明委员会CIE把太阳光定为标准光源，平均显色指数定为100。其他各类光源的显色指数各不相同，平均显色性指数越接近100的光源，越能再现与自然光照射时相同的颜色；反之平均显色性指数越低的光源对颜色表现较差，人眼所见到的颜色偏差也较大。

一般人工照明光源都用显色指数作为显色性的评价指标，同时也是衡量光源颜色特性的重要参数。但对于人工照明光源根据它的使用环境和用途不同，对Ra的要求也不同，因此把人工照明光源的显色分两种:

1）保真显色:能正确显示物质本来的颜色，要使用Ra高的光源，其数值接近100，显色的颜色越真实。如用来显示图像的LED显示屏、LCD电视的LED背光源、前投影机和背投影机的背光源；美术馆、物品检验以及店铺等要求光源的显色性在80以上。

2）效果显色:要鲜明地强调特定色彩，表现美的生活，可利用光源的显色性来加强显色效果。比如在荧光灯的照射下，红色变得不明朗，黄色被强调；而在白炽灯的照射之下，红色被强调，青色变得不明朗；在红色光源照射下，绿色物体显示得灰暗；在黄色光源的照射下，紫色物体失去鲜明；只有在一种高显色的荧光灯的照射下，物体才能正确地反映其本色。根据这一原理，可运用不同光色，照射室内不同陈设的物体，使之显现异样的光彩效果，可丰富人的视觉观感。对于这些效果显色的光源，要求光源的Ra可在50以下。

对用于照明的白色LED，也分为低Ra和高Ra不同品种。因显色性与LED发光效率有密切的关系，如果优先考虑显色性，发光效率会降低20%～30%。为此，出现了发光效率优先和显色性优先的品种。显色性高的光源，其光谱接近自然光的光谱，其发光强度相对于发光波长的变化较小；而发光效率高的光，在人眼视觉灵敏度（人眼对光的灵敏度）高的领域（550 nm附近的峰值），其发光峰值较大。

因白光LED是组合光，为获得高Ra和高发光效率的白光LED，目前一般采用组合蓝色LED芯片和黄色荧光体得到普通白色LED，其Ra达70以上，若在其中添加红色荧光体等即可将Ra提高到80以上；对近紫外LED组合使用红色、绿色和蓝色等多种荧光体，可获得Ra超过90的白光LED。

光源的显色性影响人眼观察物体的颜色，对光源显色性进行定量评价是评价光源质量的一个重要方面。一般人工照明光源都是用一般显色指数作为显色性的评价指标，显色指数同时也是衡量光源颜色特性的重要参数。目前对于光源显色指数的计算方法主要还是CIE制定的“测色法”。“测色法”是CIE制定的一种评价光源显色性的方法，即用试验色评价显色指数，它与目视效果一致，是计算显色指数的标准方法，已正式推荐在国际上采用。

CIE规定显色指数分为特殊显色指数Ri和一般显色指数Ra。评价时采用一套14种试验颜色样品，其中1～8试验色用于一般显色指数的计算，代表性颜色为暗灰色、暗黄色、深黄绿色、黄绿色、淡蓝绿色、淡蓝色、淡紫色、红紫色。这8种颜色样品包含各种有代表性的色调，具有中等彩度和明度。CIE除规定了计算一般显色指数用的8种标准颜色样品外，还补充规定了6种计算特殊颜色显色指数的标准颜色样品，供检验光源的某种特殊显色性能选用，分别是彩度较高的红、黄、绿、蓝及叶绿色和欧美人的肤色。我国计算光源显色指数的方法还增加了中国人女性肤色的颜色样品。

但白光LED是照明业近几年开始发展起来的新型光源，用CIE显色指数来评价LED的显色性是否合适目前还在研究，因此CIE不推荐采用显色指数来评价LED。

4.2 发光效率[2]

发光效率（luminous efficacy）是指光源发出的光通量（lm）与光源所消耗的功率（W）之比，单位为lm/W。发光效率只表示光源的效率，与将光源安装到照明器具上的器具整体效率（综合效率）是不同的概念。因LED是用低压直流工作，所以它需要有一个电源，用来将交流变成低压直流，称为“驱动器”，或“电源”，它也将消耗功率，称为电源效率。照明器具上的整体效率（综合效率）将包括光源的发光效率和电源效率。

LED的发光效率，主要取决于LED芯片的技术（也是芯片的材料技术）和荧光体。

发光效率是将外部量子效率用视觉灵敏度（人眼对光的灵敏度）来表示的数值。外部量子效率是发射到LED芯片和封装外的光子个数相对于流经LED的电子个数（电流）所占的比例。如组合使用蓝色LED芯片和荧光体的白色LED的外部量子效率，是相对于内部量子效率（在LED芯片发光层内发生的光子个数占流经LED芯片的电子个数（电流）的比例）、芯片的光取出效率（将所发的光取出到LED芯片之外的比例）、荧光体的转换效率（芯片发出的光照到荧光体上转换为不同波长的比例）以及封装的光取出效率（由LED和荧光体发射到封装外的光线比例）的乘积决定。

在大力倡导低碳经济、节能环保的今天，LED厂商正在努力提高LED的发光效率。具有关资料报道，白光LED的发光效率现已达到150～200 lm/W，普遍认为:组合使用的蓝色LED和黄色荧光材料等的白色LED，最高发光效率可达260 lm/W左右。为挑战更高的发光效率，各LED厂商正在全面引入新的芯片技术、荧光粉技术以及封装技术。在芯片技术方面，将继续提高内部量子效率和光取出效率；在荧光体方面，除了提高变换效率外，还采取措施降低因荧光体散射造成的衰减；在封装技术方面，改善材料和构造，以提高光取出效率。

通过同时投入芯片、荧光体和封装等多种技术进行提高发光效率。使LED在照明、显示和背光源领域应用得到了更大发展，并有望继白炽灯和荧光灯之后成为新一代照明光源。

4.3 LED的光谱

光谱（spectrum）是表示相对于光的波长，光的强度的分布。一般用x-y平面坐标表示，横坐标为光的波长，纵坐标为光的强度，如图5所示。

图5 LED的光谱示意图

LED的光谱一般表示为单色LED，例如蓝色LED以波长470 nm时为峰值，呈山峰分布；以峰值波长较短的紫外领域和峰值波长较长的绿色领域为光的强度的测定极限。对于荧光灯，组合使用的荧光体的发光波长部分为光谱的峰值。白色LED的光谱可能会出现两个、三个甚至更多的峰值。这是因为，白色LED的白色光是组合了多个波长的光获得的。例如，组合蓝色LED和黄色荧光体时，峰值在蓝色领域和黄色领域出现。另外，基于蓝色LED的发光强度的峰值较尖，而基于荧光体的峰值较为平缓。

将LED用于液晶面板背光源时，理想的情况是LED的光谱在红色、绿色和蓝色三个领域出现发光强度的峰值。这是因为LED的光最终将经由液晶面板的红色、绿色、蓝色彩色滤光片输出。获得三个发光强度的峰值时，有使用红色、绿色和蓝色三种LED的方法，以及通过改进荧光体材料、使用可获得三个峰值的白色LED的方法。

在图5中，给出了蓝色LED和YAG类荧光体、蓝色LED和ZnSe单结晶底板的发光、紫外LED和RGB荧光体等白色LED的发光光谱与荧光灯和自然光的比较示意图，为便于比较，将峰值亮度调为一致。从图中可以看出，虽然都是白色，但发光光谱大为不同。

另外，LED用于普通的照明器具时，光谱广泛分布在可视光领域，这是因为它更接近自然光，即与太阳光的光谱的光线照射物体时的颜色相接近的缘故。

4.4 LED照明综合效率

照明综合效率（lamp and auxiliary efficacy）是指照明光源发出的全部光通量与照明光源器具整体所消耗功率的比值。对于LED的照明综合效率是发光效率和电源效率之和。

一般情况下，由于LED照明会受到电源损失和温度上升的影响，因此照明器具整体的发光效率（综合效率）要比LED单体的发光效率低30%～50%。

以白色LED为例，LED照明器具的综合效率低于LED单体发光效率，其原因如下:因将白色LED用于照明器具时，发光效率多会降得比白色LED的额定值还要低。这是由于额定值为输入脉冲电流，LED的发光部分（活性层）的温度几乎不升高的比较理想状态下的发光效率。但照明器具多在向LED输入固定电流的状态下使用，实际上活性层的温度会上升。考虑到这种情况，发光效率会降低约20%。另外，在将交流电转换为直流电、向LED供电的电源转换电路上，功率会降低10%～15%左右。照明器具中设置有反射板和透镜，以使光线射向希望的方向，这一过程中会损失近10%的光线。将这些加在一起，照明器具整体的发光效率与只有光源的目录值相比会降低40%左右。

4.5 LED光效下降现象

光效下降现象是指:向LED芯片输入较大电力时，LED的发光效率不增大反而会降低的现象。为提高LED的发光效率，降低成本，节能环保，各LED厂商都在致力于抑制光效下降现象。如果能抑制该现象，使用相同的芯片，在输入较大的电力时会增加光通量，因此，可减少获得相同光通量的芯片数，可实现削减单位光通量的成本，从而降低了LED的成本。

光效下降现象的发生原因主要是LED芯片发热及电流集中等引起。因输入较大电力时，芯片的光发生量增大，同时产生的热量也增大。这种发热会使芯片内部的量子效率恶化，从而导致光效下降。为抑制光效下降现象，采用散热性较高的封装构造，当向LED芯片输入较大电力时，也不会使LED芯片温度上升，从而有效抑制光效下降现象。另外，如果LED芯片内的电流密度变大，也容易引发光效下降现象。图6是光效下降现象示意图。

图6 光效下降现象示意图

世界各大LED厂商，在照明用白色LED中，目前已经倾力研究如何抑制光效下降现象的技术。例如，德国欧司朗光电半导体采用“UX:3”技术抑制光效衰退现象。UX:3技术是将蓝色LED芯片表面设置的N型接触电极转移到芯片内部，使流经LED芯片的电流密度在面内均匀化，电流密度局部升高的情况消失，由此，可抑制电流密度增加引起的俄歇复合现象，有助于提高内部量子效率，进一步提高输入电流量增加时的发光强度。另外还有的公司提出改进发光层使用的量子阱构造以及提高结晶品质等来抑制衰退现象。

5 LED的应用

5.1 LED照明

主要指采用白色LED的照明。在早期，LED照明主要用于装饰性照明。但随着白色LED的技术、性能的提高和产品的多样性，尤其是发光效率大幅度提高达150～200 lm/W，可大幅度降低照明器具耗电而受到人们的广泛关注，全球逐步开始停止制造与销售寿命短，耗电量大的白炽灯和荧光灯，改为更高效率的LED照明。并已开始用于汽车灯，公路照明、室内的普通照明等用途，其势头将超过被誉为白炽灯最佳替代品的荧光灯。为适应人们习惯的白炽灯和荧光灯，许多厂商研制生产灯泡型LED和荧光灯型LED照明产品。

5.2 LED显示屏

LED作为光源不仅在照明领域得到广泛应用，在视频显示领域也得到广泛应用。其中有直接用LED显示屏显示视频信号的LED电视（显示器）、户外广告等，用LED作光源的LCD电视、背投影电视、前投影机等。

LED显示屏（LED display或LED screen）是指将LED作为像素纵横排列，使之可显示文字和图像的显示屏。他是由LED点阵和LED面板组成，通过红色，蓝色，绿色LED灯的亮灭来显示文字、图片、动画、视频等，内容可以随时更换，各部分组件都是模块化结构的显示器件。传统LED显示屏通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。显示模块由LED组成的点阵构成，进行发光显示；控制系统通过控制相应区域LED的亮灭，用来显示文字、图形、图像、动画、视频、录像信号等各种信息。

LED显示屏的主要分类:

1）LED显示屏按发光颜色的不同，可分为单色屏、双色屏和三色屏（全彩色）。单色屏是指显示屏只有一种颜色的发光材料的LED构成。在开发出蓝色LED之前的很长一段时间里，LED显示屏基本是单色屏，多为红色或绿色。双色屏一般由红色和黄绿色发光材料的LED构成。三色屏由红色、绿色、蓝色LED构成一组像素，则可实现全彩色显示。单色、双色屏主要用来显示文字，全彩屏主要是播放动画、图片和视频图像等。

2）LED显示屏从使用环境上可分为室外屏和室内屏，主要由LED像素点间距和发光亮度决定。

早期的LED因技术的不完善和落后，LED像素点间距在20 mm以上，随着技术的提高，到20世纪末期像素点间距达到10 mm左右，但在室内观看图像，因受观看距离的限制，一般观看距离在2～5 m之间，明显可看到LED像素点的颗粒，图像清晰度较低，使观看者感到不舒服；因此LED像素点间距达到10 mm以上的显示屏多用于室外。

进入21世纪以后，由于LED具有亮度高、工作电压低、功耗小、大型化、寿命长、耐冲击和性能稳定等一系列的优点，生产LED的各厂商，加大投资和研究力度，使生产LED的技术得到飞跃的发展，LED像素点间距明显减小，从2011年的像素间距为2.4 mm（P2.4）的高密度LED显示屏的面世，到2012年2月底在广州LED展会上，展出1.9 mm高密度LED显示单元；时隔2个多月，5月份又推出1.6 mm（P1.6）产品；6月份有公司宣布即将量产1.4 mm高密度LED显示单元。如以1.4 mm（P1.4）为例，只需要4 m2（2.7 m×1.5m）LED显示屏就可以实现1920×1080的高清晰度显示。可完全解决了LED显示屏作为室内显示产品所表现的清晰度不够、颗粒感太强等问题，图像质量可达到LCD，PDP显示屏的水平。

3）按控制或使用方式分同步和异步LED显示屏。

同步方式是指LED显示屏的工作方式基本等同于计算机的监视器，它以至少30场/s的更新速率点点对应地实监视器上的图时映射计算机图像，通常具有多灰度的颜色显示能力，可达到多媒体的宣传广告效果。

异步方式是指LED屏具有存储及自动播放的能力，在PC机上编辑好的文字及无灰度图片通过串口或其他网络接口传入LED屏，然后由LED屏脱机自动播放，一般没有多灰度显示能力，主要用于显示文字信息，可以多屏联网。

4）LED显示屏的分类还可按显示性能、按显示器件等分类。

由于LED显示屏是由若干LED显示模块拼接而成，因此LED显示屏的尺寸（或显示面积）可远大于LCD、PDP显示屏，并可根据用户需要的屏体大小进行拼接和调整，并且整屏无拼缝，不存在各单元亮度衰减不一致、颜色漂移不一致的问题，并逐点可调、可校正，动态刷新频率高，寿命长等优势，这样给LED显示屏的应用拓展了广阔前景。

在LED业界，把像素点间距一般小于3 mm（P3.0）的LED显示屏称为高密度LED显示屏多用于室内，称为室内屏。与LCD、PDP相比，LED显示屏还具有以下主要特点:1）高亮度:户外LED显示屏的亮度大于8000 cd/m2，能够在户外全天候使用；户内LED显示屏的亮度大于2000 cd/m2。2）寿命长:LED寿命长达100000 h（十年）以上，（一般指设计寿命）。3）视角大:室内视角可大于160°，户外视角可大于120°。4）屏幕面积可大可小，小至不到一平方米，大则可达几百、上千平方米。如2010年上海世博会开幕式场馆外安装的9500 m2巨型LED显示屏，迄今为止，是世界最大LED显示屏，无拼缝，同时可拼接成不同形状，如圆形、桶形、多边形等，其他大屏幕显示终端，如LCD或PDP前投影机或拼接墙是无法做到的。

5.3 LED电视

LED电视是指在LED显示屏上加视频信号后直接显示图像的电视（或叫显示器）。在目前我国家电市场上的“LED电视”是用LED作为背光源的液晶电视，单独叫LED电视是不正确的，是一种概念忽悠，不是真正意义上的LED电视，其本质还是液晶电视。在欧洲，如果生产电视厂家或商家把作光源的背光源液晶电视叫做LED电视是要受到处罚的。

LED电视的分类和主要技术性能见LED显示屏。

5.4 LED背光源[3]

自2008年以来，LED背光源的液晶电视逐渐进入产业化，市场份额不断扩大。从开始应用于笔记本电脑，到现在应用于显示器、液晶电视，LED背光产品不断涌现，市场占有率不断增加。到2012年家电市场上的液晶电视90%以上都采用LED背光源。取代了传统的液晶显示设备的冷阴极荧光灯CCFL（cold cathode fluorescent lamp）的背光源。

目前LED电视按照背光源的种类可分为白光LED和RGB-LED。白光LED背光源的LCD TV目前又分为直下式、侧光式两种。液晶电视导光板的透光方向与液晶屏幕垂直、导光板平行于液晶屏幕。发光体的光输入方向位于导光板一面与导光板平行的为直下式光源。

发光体的光输入方向在导光板的侧面的称为侧边式光源，侧边式LED光源是一个由点阵组成的不均匀线光源，直下式LED光源是由点阵组成的不均匀面光源。

LED背光源主要由光源、导光板、光学膜片、驱动电路、塑胶框等组成。如图7所示。

1）直下式LED背光源

直下式LED背光源可以用白光LED或RGB-LED做光源，置于屏幕的下方，与CCFL背光源在结构上基本是一致，如图8所示，其中主要的区别在于CCFL是线光源，而LED是点光源，如图9和图10所示。

图7 LED背光源的LCD模块结构示意图

图8 LCD的成像原理示意图

图10 白光LED背光源灯的分布

2）侧边式白光LED

侧边式白光LED是将LED光源放置在电视的边框位置，大都紧挨液晶面板排列一层，因此非常节省空间。图11给出了侧边式发光LED背光源示意图。

图11 侧边式白光LED背光源示意图

由于侧边式白光LED背光源位于机身一侧，因此具有不占用电视机机体厚度的特点，易于开发超薄的电视机结构，使机身厚度大幅度下降，可把液晶电视做的很薄，电视机的厚度可做到10 mm以下。目前市场上销售的超薄液晶电视基本上都是采用侧边式LED背光源。

LED背光源具有以下优点:1）亮度均匀性好；2）色域宽、彩色还原性好；3）实时色彩管理；4）清晰稳定图像，画质好；5）寿命长；6）无高压，安全可靠；7）抗震、环保性能好；8）环境适应性强；9）用RGB-LED背光源，与场序技术结合，可以实现无滤色膜的LCD显示；10）利用LED快速点灭的特性，减小液晶电视的图像拖尾等优点。

与CCFL相比，用LED作为背光源存在白光一致性差的问题。使用RGB-LED背光源时间长以后，由于RGB不同颜色衰减的不一致会产生彩色漂移，波长会随温度变化，使电视机的白平衡变坏，亮度和色度均匀性变差，出现屏幕的“花脸”现象等缺点。

由于LED背光源有诸多的优点，已取代CCFL光源，成为LCD的主流光源。

5.5 LED投影机

LED 投影机（LED projector）是用R（红色），G（绿色），B（蓝色）LED，或白色LED作为光源的投影机。通过采用LED取代传统的光源——高压汞灯（UHP）光源；简称LED投影机。LED光源可分为RGB-LED与白光LED。RGB-LED光源是通过红、绿、蓝三原色处理图像色彩，具有最好的光学特性，色彩表现优异，可替代DLP投影机中的色轮与投影灯泡；而白光LED相对RGB-LED而言，简化了光学引擎结构，将彩色滤光片内建在微型显示芯片上，以实现各种色彩，具备低成本、易量产等特性。图12是RGB-LED光源的DLP芯片的光学引擎结构示意图。

与UHP灯光源相比，LED光源有许多优点:

1）体积小，便于投影机微型化。因LED可以做的体积很小，便于投影机的设计，与DLP与LCOS微型投影芯片搭配，可以制造出各种微型投影机产品，可嵌入手机、数码相机、笔记本式计算机等随身携带的消费电子设备中。图13是嵌入在手机中的微型投影机。

2）亮度衰减小。LED的发光指向性非常强，亮度衰减比传统光源低很多，在使用2000 h之后，其衰退率不超过5%。

3）寿命长。LED是固体发光元件，寿命长，理论上可达到50000 h，约是UHP投影灯泡的10倍，而且频繁开关也不会影响使用寿命；并且耐冲击和性能稳定可靠。

图12 RGB-LED光源的DLP芯片光学引擎结构示意图

4）色域宽、色彩纯度高，能达到110%～120%的NTSC色域，彩色还原性好；对于DLP投影机，因LED响应时间快，可减小和杜绝图像的彩虹现象。

5）节能环保。因LED在生产过程中不要添加汞，符合环保要求；并且LED工作电压低，可用电池驱动无需高电压，电源电路和散热构造简单，还省去了以前用来将光源的白色光分离为RGB三色的色轮等，在发光过程中发热量小、功耗低、节能。

6）操作简单。由于没有投影灯泡的高热量问题，LED投影机即开即关，可以瞬时点亮/熄灭，不需要预热与冷却，像操作普通家电产品一样。

7）LED光源的应用。在投影机方面，由于LED光源体积小，且具有很多显示技术优点，为机身小型化开辟了新的道路。更适于研发小巧的投影机，使用户的投影更加“随身化”和“自由化”。

虽然LED光源的发展仍有广阔前景，现正朝着高亮度、高耐气候性、高发光密度、高发光均匀性、高可靠性、宽色域方向发展。不过，LED光源投影机依然面临着最大的“难以逾越”的困境，就是亮度不足的问题。目前，LED光源投影机的光通量最高可达1000 lm，远达不到高端投影机10000 lm，甚至更高亮度的需求。但现在正在研制的激光光源、LED＋激光混合光源可达到高端投影机的高光输出的需求，有望替代LED光源成为新一代的光源。

[1]LED显示与背光源技术全面解析[EB/OL].(2007-12-20)[2012-05-01]。http://www.cnpdb.com/doc/2007-12/1198080944d2925.shtml.

[2]解析LED发光效率68%电能转化为热量[EB/OL].[2012-05-01].[http://article.gg-led.com/asdisp-6280672f8d446599-13899.html.

[3]刘全恩.液晶电视:LED背光源向主流迈进[J].中国数字电视，2010（4）:70-72.