对话专家 | 释疑LED显示的几个基本问题

　　本文是欧司朗光电半导体资深应用工程师赵云和市场经理梁泽春对于LED显示行业几个常见技术问题作出的解答，以及欧司朗光电半导体针对不同技术方面，给出对应的产品解决方案。

　　户外显示屏亮度越高越好?

　　在国内LED显示屏行业，亮度一直是大家拿来评估显示效果的最只要指标，特别是针对户外使用的屏幕。久而久之就形成了亮度越高越好的误解，却忽略了另外一个对显示效果极为重要的指标——对比度。

　　根据行业标准SJ/T11281-2007《发光二极管(LED)显示屏测试方法》的定义，显示屏在一定的环境照度下，其最大亮度与背景亮度之比称为最高对比度(具体测试条件和方法见该标准)。例如一个屏幕在全白屏状态时候亮度为5000cd/m2，全黑屏状态亮度为1cd/m2，这样屏幕的对比度就是4999:1。对比度的定义其实强调了在使用环境中，显示画面的可辨识程度，相对于亮度指标，对比度指标增加对全黑屏状态下的亮度考察，而全黑屏状态下的亮度又与环境光和屏幕本体(LED和面罩)的反光属性密切相关。以下户外的对比实例可以看出，亮度高而对比度低的屏幕反而没有亮度相对低而对比度高的屏幕效果好。

图1 不同亮度和对比度屏幕的效果对比

　　为了提高LED显示屏的对比度，欧司朗光电半导体自从2007年推出全球第一款黑体表贴三合一LED (LRTB GFUG)以来，一直专注于降低LED表明的反光系数，目前主推的产品LRTB GRUG(图二)是市面上表面黑度最高的LED之一，它不但采用黑体外壳，而且芯片周边的支架也做了通体黑色处理。该产品配合特种的驱动和面罩设计，可以做到高达8000:1的最高对比度。

图2 欧司朗光电半导体产品LRTB GRUG

　　另外，即使在对比度一定的条件下，也不是亮度越高越好。亮度过高的屏幕可能带来以下3点问题：(1)高能耗;(2)光污染;(3)硬件寿命降低。

　　综上所述，我们认为LED显示屏的亮度并不是越高越好，对比度的指标比高度指标更能体现显示效果的好坏;并且在对比度一定的条件下，也不是亮度越高越好。

　　LED显示屏可视角度越大越好?

　　在讨论视角的大小之前，同样我们需要先理清一下视角的概念。行业内不少厂家对弈视角规格的设定不够准确，认为可以看到显示内容的角度都是视角范围，其实不然。根据行业标准SJ/T 11281-2007《发光二极管(LED)显示屏测试方法》的定义，假设显示屏法线方向的亮度为Lf，从显示屏中心法线左右两侧检测显示屏的亮度，当左右两侧亮度值下降到Lf/2时，两条观测线之间构成的夹角称为显示屏水平方向的视角。垂直方向视角同理。

　　LED本身的视角也是基于以上同样的定义。而由于显示屏上的亮度测试的定义，光探头至少需要包换16个LED像素点，会导致屏的视角会比所使用的LED的视角稍大的现象(假设面罩无挡光)。如图三所示的例子，由100度视角LED所做成的LED显示屏有134度的可视角。

图3 LED与LED显示屏的相对光强对比

　　那么LED显示屏的视角是不是越大越好?其实这取决于不同的应用需求。例如道路交通信息屏，由于显示内容的受众只为路面车辆，所以视角通常只需要30度左右，过大的视角反而会造成在其它角度的光污染，以及能效的降低;又例如户外大楼外墙的广告显示屏，显示内容的受众为街道上的路人，所以水平视角需要相对较大，而垂直视角应该尽量减小。

　　针对不同的应用需要，欧司朗光电半导体具有一系列不同视角规格的LED产品，图四所列为其中3种不同产品。

图4 不同视角规格的显示应用LED

　　LED波长范围越窄颜色一定越一致?

　　LED显示屏显示色彩的均匀一致性取决于以下三点：(1)LED个体之间颜色的一致性，(2)驱动芯片输出电流的一致性，(3)温度的一致性。而这其中LED个体之间的一致性最重要。虽然目前基于控制系统的逐点校正方法已经很成熟，但是校正是要以牺牲绝对亮度和三基色饱和度为代价的。是以，LED的出厂一致性对于显示色彩的均匀一致性还是至关重要的。

　　目前行业中的主流做法是，LED供应商通过主波长作颜色分Bin，通过不断缩小主波长的上下限范围来提高色彩一致性。但是，使用主波长作为限制颜色的唯一参数是完全不合理的方式。

　　图五所示为色度学领域定义的CIE1931色空间，所有可见光颜色位于该马蹄形图形以内，并且可以通过(x, y)坐标严格定义。每种颜色具有主波长和饱和度两个属性。主波长通过边界上的波长点和等能量点(0.333, 0.333)之前的连线定义，饱和度由该线段上的比例定义。例如在图五中，我们选取某一绿色点B，作连接E点和B点的直线并延长到边界A(540nm)点，那么该绿色的主波长就是540nm;而该点的饱和度为BE/AE = 50%。线段AE上的所有颜色点都具有540nm的主波长，而差异在于饱和度不一样。

图5 CIE1931色空间

　　所以，主波长的颜色分Bin方式并不科学，由于完全缺失了饱和度的规格限制，即使再窄的波长范围也无法精确限制颜色的一致性。

　　欧司朗光电半导体对于所有的LED显示屏用产品，采用基于CIE1931色空间的色坐标分Bin方式，对出货LED的主波长和饱和度两方面同时限定规格。和其他家主波长分Bin的直观对比如图六举例所示，图中黄色四边形是欧司朗LED LRTB GRUG 绿光第5号Bin(更多其它Bin区，请参加该产品规格书) 的颜色区域所在。而假设某家其他LED供应商以526nm到531nm的主波长范围为出货规格，那么该规格在图六中对应的颜色范围就是红色的三角区域，该区域几乎是黄色四边形的5倍大小。即使是把主波长范围缩小至527nm到529nm的2nm宽度，该颜色离散区域仍然是我们色指标四边形的2倍。

图6 欧司朗光电半导体色坐标分Bin和其他家主波长分Bin的对比

　　综上所述，由于通过主波长定义颜色本身的不合理性，并不能通过缩窄LED的主波长范围来有效提高颜色的一致性。而正确的做法是，通过色坐标分Bin的方式同时合理限制出货产品的主波长范围和饱和度范围。欧司朗光电半导体对于所有的LED显示屏用产品都采用色坐标分Bin方式，通过精准的在线分Bin设备和材料工艺精度控制，我们既能保证自身足够高的产率又能给LED显示屏应用提供颜色高度一致性的LED。

　　显示像素密度越大越好?

　　显示像素密度似乎永远是越大越好，因为这意味着理论上显示画面就会越细腻。然而像素密度到底要多大，我们认为需要从以下三方面来考虑。

　　第一，人眼的分辨能力(暂不考虑人眼以外的观测设备。根据《TCO Certified Displays 7.0》要求，人眼1度的视角内至少需要30个显示像素点，也就意味着单个点间距对于的视角要求是1/30

　　人眼能够分辨两个点光源的极限是这两个点光源和人眼形成1/60的弧度角，那么该两点的距离(Dpp)和观测距离(L)就有如下关系：

　　当观测距离(L)是10米时，点间距的极限(Dpp)就是5.8mm。更高的像素密度将是没有意义的。

图7 点间距和观测距离

　　第二，片源，视频处理器和驱动芯片的负载能力。片源的分辨率若远低于显示设备的分辨率，显示设备显然是能力过剩。对于视频处理器和驱动芯片，如果能力保持一定，那么负载像素的增多会造成刷新频率或者灰阶的降低。很多时候，低刷新或者低灰带来的显示效果比像素密度低还要差。

　　第三，成本。首先LED数量的增加会随着像素分辨率的平方倍增加。PCB板的成本也会因为单位面积更为负责的线路设计而增加。另外，如果不想牺牲行扫数、刷新率或灰度，驱动元器件的成本也会急剧增加。

　　相同点间距下，LED尺寸越大越好?

　　这个问题可以等价为LED发光面在总个显示面积中的占据比例，显示效果是不是越大越好。首先需要强调的一点是，要讨论显示效果，都要以在合适的观测距离为前提的。如果观测距离过近，导致图案像素离散，那就是像素密度设计不合适的问题，而不是LED占据比例不足的问题。

　　在观测距离足够大的情况下，LED发光面在总个显示面积中的占据比例将会影响屏幕的对比度。由于LED与LED之间的空间会由面罩占据，而即使是最黑的LED，表明反光率也会比面罩高，所以，LED发光面在总个显示面积中的占据比例越高，屏幕的对比度就越低。图八为相同点间距、不同LED尺寸的显示示意对比。

图8 相同点间距、不同LED尺寸的显示示意对比

　　针对这一理论，欧司朗光电半导体推出1010尺寸封装的高亮度LED (型号LRTB R48G)，适合点间距3-5mm的显示设计。相对于传统基于2020或相似尺寸LED的设计，LRTB R48G可以在保证亮度的前提下提供更高的显示对比度。

　　户外防护能力=防水性能?

　　针对户外使用的LED显示屏需要应对严酷的环境考验，对LED的可靠性要求很好。目前行业内不少做法是直接看防水性能。诚然，显示屏上LED因为受潮或进水而导致的失效在所有各种失效模式中占比很高。但是，LED的户外可靠性绝不简单等价于防水性能。我们认为对于LED除了防水性能的要求，还需至少考虑以下三点：(1)户外复杂气体成分对LED的影响;(2)太阳辐射对LED的影响;(3)户外更加严苛的高低温以及湿度用LED的影响。

　　欧司朗光电半导体对于户外LED显示屏应用的LED，严格规定以下7大类22项可靠性测试要求。在防水性能上，采用国际通用的IP等级测试规范。针对上面提到的另外三点，我们增加腐蚀性气体测试和盐雾测试可以保证产品应用于各种恶劣室外环境(如工业或汽车尾气环境，海边潮湿环境等);太阳/紫外辐射测试可以保证产品在户外阳光直接照射下的性能可靠性;更全的高低温含湿度的寿命测试、高低温冲击测试来应对户外温度湿度的剧烈变化。具体测试条件和结果请参阅欧司朗光电半导体不同产品的可靠性报告文件。

图9 欧司朗光电半导体对于户外显示屏应用的LED产品的测试规范

　　不“死灯”就是LED没失效?

　　业界通常使用“死灯”(LED短路或开路)来定义LED的失效与否，用“死灯”率ppm来评判LED质量的高低。诚然，LED的短路和开路会直接导致LED显示屏上的坏点、线状或者十字显示失效。然而我们认为，LED的失效不能只定义为开路或短路，而应该是任何关键规格参数的变化超过可接受范围。这样规格参数至少应该包含：(1)亮度——LED亮度的衰减会降低屏幕亮度，RGB之间的衰减不一致会造成屏幕的整体色飘，LED个体之间的衰减不一致会造成“花屏”;(2)色点——色点的变化通过会造成屏幕饱和度的下降，三基色以及白平衡的色飘，LED个体之间的色点偏移不一致会造成“花屏”;(3)电压值——LED的老化会造成电压值得升高，过高的LED电压可能会造成驱动芯片控制的问题;(4)反向漏电流——特别针对户内小间距应用，反向漏电流的变大正是LED短路的前兆。

　　欧司朗光电半导体所有LED显示屏应用的LED产品，都能提供详尽的可靠性测试报告。报告内容不只是提供“死灯”率，而是通过在每项测试中LED关键规格随时间变化的曲线(如图十所示，产品LRTB GRUG在高温高湿1000小时的测试中，亮度、电压和色点随时间的变化曲线)。