小电流LED屏白平衡色温的控制

詹永波， 张健伟， 曾建雄， 陈 鲁

(1. 广东环凯微生物科技有限公司， 广东 广州 510663； 2. 广东省微生物研究所， 广东 广州 510070)



小电流LED屏白平衡色温的控制

詹永波1， 张健伟1， 曾建雄1， 陈 鲁2*

(1. 广东环凯微生物科技有限公司， 广东 广州 510663； 2. 广东省微生物研究所， 广东 广州 510070)

为了改善小电流LED屏的显示效果，基于新型LED灯珠光学性能测试数据，采用变量控制法，首先，分析了单色RGB色坐标及亮度分别对白平衡色温的影响，接着，从单变量分析中找到影响色温偏差较大的参数进行双偏分析，最后，进行变量分析结论的数据验证。研究结果表明，红光芯片亮度(Lr)、蓝光芯片亮度(Lb)及蓝光芯片坐标(Yb)是影响LED屏白平衡色温的主因，要使白平衡色温偏差控制在±500 K范围内，单偏条件下，要求Lr偏差不超过11%，Lb偏差不超过14%，Yb偏差不超过0.006；同时，也给出了双偏条件下相应的控制指标。该研究有望在LED分光机芯片分选，白光照明及小电流、小间距LED显示屏色偏差调节等方面获得相关的应用。

变量控制法； 白平衡； 单偏； 双偏； 色温偏差

1 引 言

LED 作为一种主动式发光光源，具有体积轻薄、色彩艳丽、天然无缝等优点[1]，在大屏幕拼接显示行业占有一席之地。随着技术的不断创新，LED显示屏正往小间距、高密度方向发展，未来有望在大屏幕显示领域完全取代DLP和LCD[2]。由于受现有工艺条件的限制，LED芯片个体之间会存在差异[3]。目前，LED显示屏白平衡亮度、色度、色域均匀性等光色特性是国内外研究的热点。重装渭南光电科技的区大群[4]采用逐点校正的方法对白平衡色坐标校准进行了探讨。亿科达科技的李熹霖[5]提出了LED色坐标筛选的方法。赵梓权等[6]给出了一种色域校正方法，可在改善LED显示屏亮度、色度的同时，确定显示色域。王宇庆等[7]则提出了一种LED显示屏亮度均匀性的评估方法。国外也有人报道了利用脉宽调制技术(PWM)来提高LED的灰阶数、刷新率[8]，以及维持色温、显示指数(CRI)的方法[9]。此外，也有人对现场可编程门阵列技术(FPGA)[10-16]、白平衡算法[17]、LED芯片分选、视觉定标[18]等进行了相关的研究。当驱动电流恒定在亚毫安之后，由于LED工作在非线性区，芯片之间参量一致性波动较大，影响到LED屏白平衡色温，进而影响到LED屏的显示效果。

为了给芯片厂商分选芯片提供合适的参量指标，用以改善LED屏的白平衡色温，本文将RGB芯片封装在新型的灯珠架构中，然后进行光谱测试，并基于灯珠测试数据及白平衡色坐标的计算公式，采用变量控制法，对影响LED屏白平衡色温的因素进行了深入的探讨。

2 实 验

2.1 新型LED灯珠的制备

本实验采用华灿光电股份有限公司提供的蓝、绿光芯片及三安光电股份有限公司提供的红光芯片，焊在印刷有电路的PCB板上，形成1颗IC 4个像素的新型灯珠架构。驱动IC可独立控制灯珠各个像素，供电电流满足：红光芯片1 mA，蓝、绿光芯片0.3 mA。为方便后期LED显示屏亮度的逐点校正，驱动IC通过接收指令，能够保证供电电流的变化在±15%以内。以红光芯片中心为基准，灯珠像素点距为1.38 mm，灯珠外层封有0.6 mm厚的环氧树脂。灯珠结构示意图如图1所示。

2.2 光谱测试装置

图2 是用于新型LED灯珠光谱测试的试验装置示意图。所用的光谱测试系统是杭州远方光电信息股份有限公司型号为HASS-2000的高精度快速光谱辐射计，可测的波长范围为380～780 nm,波长和色坐标的准确度分别达到±0.3 nm及±0.001 5，光强的灵敏度和准确度分别为0.01 mcd和±1%。测试前，利用远方提供的标准灯和积分球，对光谱测试系统进行定标，新型LED灯珠采用外部电路供电，置于SMD LED灯珠的光学测试治具中(专利号：cn201510659095)，并嵌入积分球内特定位置，LED灯珠与光纤头位置保持恒定不变。测试时，依次点亮R、G、B芯片，该光谱辐射计能够准确地测出各芯片的光强、主波长、色坐标、色温等。

3 结果与讨论

3.1 新型LED灯珠的RGB光学参数一致性测试

LED芯片之间的一致性关系到LED的显示质量，人眼对芯片亮度偏差的容忍值为5%，对主

波长偏差的容忍值为1～2 nm[6]，小电流下LED白平衡色温值偏差要求为±500 K左右，超过该值，显示屏的均匀性和保真度等都会下降，影响到人眼的视觉感受。试验随机选取了8个灯珠(单色R、G、B芯片各32颗)进行测试。测试数据表明：(1)红光芯片光强平均值为2.565 mcd，波长平均值为622.7 nm；绿光芯片光强平均值为3.834 mcd，波长平均值为533.2 nm；蓝光芯片光强平均值为0.708 mcd，波长平均值为469.6 nm；像素白平衡色温平均值为5 019 K。(2) 3种芯片的光强偏差百分比几乎都在15%以内，波长偏差都小于1.5 nm，而白平衡色温正负偏差超过500 K的接近半数。芯片光强偏差百分比只要在15%以内，后期可通过逐点校正将其校到低于容忍值5%。为了保证LED灯珠各芯片间的一致性，必须对LED白平衡色温加以控制。

3.2 白平衡色温理论

白平衡色温是通过白平衡色坐标换算得到，白平衡色坐标是考量LED全彩显示屏色彩还原度的重要指标[4]，白平衡色坐标(Xc，Yc)可表示为：

(1)

(2)

其中，R色坐标为(Xr，Yr)，G色坐标为(Xg，Yg)，B色坐标为(Xb，Yb)，Lr、Lg、Lb分别表示R、G、B的亮度。从公式(1)、(2)可以看出，单色R、G、B的色坐标及亮度决定了白平衡色温值，因此要想控制白平衡色温，必须从这些变量入手。

3.3 白平衡色坐标的控制

借助于路明发光科技开发的色坐标换算色温软件，以灯珠测试数据中白平衡色坐标的平均值W(0.340 2,0.291 4)为基准，依次变更坐标值，得到表1(a)、(b)。表1(c)为Xc、Yc在端点处取值的情况，试验数据中Xc的变化范围为0.317 5～0.367 7，Yc的变化范围为0.267 0～0.313 0。

从表1(a)、(b)的数据可以看出，Xc恒定，白平衡色温随Yc增加呈现递增趋势；而Yc恒定，白平衡色温随Xc呈递减趋势。在灯珠测试的数据范围内，Yc对色温的影响值很小，而Xc正负偏差超过0.01就已经使白平衡色温偏差超过500 K。另外，从表1(c)也可以看出，Xc、Yc取端点值，色温并未达到它的极限值(表1(b)中色温最大为7 035 K)。原因是当Xc取其他固定值时，白平衡色温可能会随着Xc的增大而减小。例如，当Xc取0.310 2，0.320 2时，色温值就随着Yc的增大而减小。但不管Xc取何值，白平衡色温随Yc的偏差值都不大。综上，要控制白平衡色温偏差在±500 K以内，必须保证Xc坐标偏离平均值0.01以内，Yc可不作考虑。由于白平衡色坐标是由单色RGB的色坐标和亮度决定的，下面研究单色RGB色坐标及亮度对白平衡色坐标的影响。

表1(a) 固定Xc，变更Yc的色温及色温偏差

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

XcYc色温/K色温偏差/K0.26144665-2690.27144774-1600.28144862-720.34020.2914493400.30144994600.311450441100.32145088154

表1(b) 固定Yc，变更Xc的色温及色温偏差

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

YcXc色温/K色温偏差/K0.3102703521010.3202627013360.330255716370.29140.3402493400.35024354-5800.36023831-11030.37023363-1571

表1(c)Xc、Yc取端点值的色温及色温偏差

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

XcYc色温/K色温偏差/K0.37020.26142711-39950.34020.2914493400.31020.32146706-1772

3.4 单偏条件下单色RGB亮度对白平衡色坐标的影响

由公式(1)、(2)可知，影响白平衡色坐标的变量较多，多变量偏离的情况较为复杂。我们先研究单一变量偏离的情况。表2(a)、(b)、(c)分别给出了单色RGB的亮度对白平衡色坐标的影响。其中，灯珠试验数据(32颗芯片测量的实际值)中红光光强Ir的变化范围为2.125～3.156 mcd，绿光光强Ig的变化范围为3.153～4.580 mcd，蓝光光强Ib的变化范围为0.570～0.795 mcd。

通过对表中数据的分析，我们得到如下的结论：红光、蓝光的亮度对白平衡色坐标Xc的影响较大，绿光对Xc的影响很小。即红光偏差超11%时，色坐标Xc超过了0.01；蓝光偏差超14%时，色坐标Xc也超过了0.01；绿光偏差在测试的范围内都远小于0.01。另外，还可以看出，红、绿、蓝3种光的亮度偏差造成的色坐标Yc的变化都能够保证较小的色温偏差。所以，为了控制白平衡色温偏差在±500 K范围内，红光芯片亮度必须控制在11%以内，蓝光芯片亮度必须控制在14%以内。

表2(a) 红光亮度对白平衡色坐标的影响

表2(b) 绿光亮度对白平衡色坐标的影响

表2(c) 蓝光亮度对白平衡色坐标的影响

3.5 单偏条件下单色RGB色坐标对白平衡色坐标的影响

表3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)给出了单色RGB的色坐标对白平衡色坐标的影响。灯珠测试数据中，Xr的变化范围为0.686 7～0.693 4，Yr的变化范围为0.301 7～0.305 2；Xg的变化范围为0.197 6～0.204 6，Yg的变化范围为0.713 6～0.734 1；Xb的变化范围为0.131 1～0.134 8，Yb的变化范围为0.060 9～0.072 0。从表中可以得出结论：Xr、Yr、Xg、Yg、Xb这5个参量对白平衡色坐标Xc的影响很小，而Yb对白平衡色坐标Xc的影响较大，Yb正负偏差达到0.006时，白平衡色坐标Xc偏差就接近0.01；另外，还可以看出单色RGB色坐标变化引起白平衡色坐标Yc的变化，不足以引起较大的白平衡色温偏差。故要控制白平衡色温在允许的范围内，要确保Yb的坐标值变化在±0.006范围内。

表3(a) Xr对白平衡色坐标的影响

表3(b) Yr对白平衡色坐标的影响

表3(c) Xg对白平衡色坐标的影响

表3(d) Yg对白平衡色坐标的影响

表3(e) Xb对白平衡色坐标的影响

表3(f) Yb对白平衡色坐标的影响

3.6 双偏条件下单色RGB亮度及色坐标对白平衡色坐标的影响

由上述单偏分析的结果可知，Lr、Lb及Yb是影响白平衡色坐标偏差的主因，且有Lr负偏白平衡色温值增大，正偏白平衡色温值减小；Lb负偏白平衡色温值减小，正偏白平衡色温值增大；色坐标Yb负偏白平衡色温值增大，正偏白平衡色温值减小。基于上述结论，下面进行双偏分析，表4(a)、(b)、(c)示出了双偏分析的结果。从表中可以看

出，为了保证Xc偏差控制在0.01以内，Lr、Lb同时偏时，Lr负偏Lb正偏，两者可以控制在6%以内，Lr正偏Lb负偏，两者可以控制在5%以内；Lr、Yb同时偏时，可以控制Lr负偏不超过6%，Yb负偏不超过0.003，或Lr正偏不超过5%，Yb正偏不超过0.003；Lb、Yb同时偏时，可以控制Lb正偏不超过6.5%，Yb负偏不超过0.003，或Lb负偏不超过6.5%，Yb正偏不超过0.003。至于双偏使色温反向偏离及三偏的情形较为复杂，这里不再继续研究。

表4(a) Lr、Lb同时偏对白平衡色坐标的影响

表4(b) Lr、Yb同时偏对白平衡色坐标的影响

表4(c) Lb、Yb同时偏对白平衡色坐标的影响

3.7 单偏、双偏分析结论数据验证

表5 是灯珠测试部分数据。很明显，编号2左下位置芯片色温偏差达到了-1 411 K，主要是因为Lr偏差了22.8269%，远远超过11%；编号3左上位置芯片色温偏差为-988 K，主要是因为Lb偏差了-19.2204%，超过了14%；编号为5右上位置芯片色温偏差为711 K，主要是因为双偏，Lb正偏了9.3899%，Yb负偏了0.005 3，即Lb正偏超过了6.5%，Yb负偏超过了0.003。

表5 LED灯珠测试部分数据

芯片位置说明：例如，编号5右上芯片，指的是第5颗灯珠右上角R/G/B芯片(图1)。

4 结 论

小电流、小间距是未来LED显示屏发展的方向。通过技术创新，本文将RGB芯片封装在新型灯珠架构中，并对灯珠的光学性能参数进行测试。基于测试的数据分析和白平衡色坐标公式，采用变量控制法发现红光芯片亮度、蓝光芯片亮度、蓝光芯片Yb坐标是

影响LED屏白平衡色温偏差大的主因。通过数据分析得到，要使白平衡色温偏差控制在±500 K范围内，单偏要求红光亮度偏差不超过11%，蓝光亮度偏差不超过14%，蓝光Yb坐标偏差不超过0.006；同时，也得到了双偏条件下的变量控制指标。本研究结果在分光机芯片分选、白光照明及LED显示屏白平衡色温调控等领域具有一定的参考价值。

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詹永波(1986-)，男，广东广州人，硕士，工程师，2014年于华南理工大学获得硕士学位，主要从事光谱类实验仪器的开发工作。

E-mail: 564003364@qq.com陈鲁(1977-)，男，广东海丰人，博士，研究员，博士生导师，2003年于美国布朗大学获得博士学位，主要从事光学检测技术的研究和设备的研发。

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

广州市科技计划(2015050411544485)资助项目

TN27

A

10.3788/fgxb20163711.1390

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