影响LED显示屏显示效果的因素及解决方法

2014-02-17

今在广告领域独树一帜的LED显示屏,是一种成本相对较高的电子产品,动辄几十万,有的甚至数百、上千万。面对投资如此巨大的设备,能否在生命周期内保持良好的显示效果与较低的故障率,是生产商和投资者都很关注的话题。

下面就从技术的角度,来分析一下影响显示屏显示质量的因素。


 

箱体模块之间的差异性

全彩色LED显示屏由无数个箱体组成,箱体由显示模块组成,而显示模块由绿三基色LED器件组成,箱体间的差异包括物理特性差异和发光特性差异


物理差异性

主要是指箱体之间的缝隙造成的显示屏不均匀,显示屏的缝隙来自两种因素:

第一种是设计加工过程产生的,这种缝隙具有重复性,现象明显,易定位,均匀度可以通过后期补偿彻底解决。

第二种是由于模块安装过程中工人操作力度、方法不同造成的缝隙,这种缝隙无规律,现象不明显,不仅会产生偏亮缝隙,也会产生偏暗缝隙,或者同一缝隙模块之间有亮暗程度不一致的现象,当像素间距小于2mm时,对于由塑料套件,PCB板,螺钉固定件等拼接成的显示屏无法满足拼装后的精度要求,因而箱体不平整,接缝处模组差异较大,并且显示屏经历运输过程中的震动或者春夏秋冬四季的热胀冷缩,箱体会发生变形,时间久了,箱体变形越来越多,箱体之间的缝隙越来越大,同一排灯管不在一条直线上,这些变化都会使整个屏幕上出现亮线或暗线,导致显示屏的亮度和色度不均匀,在满足一定拼装精度的前提下,这些缝隙可以通过逐点校正软件改善和修复。

 

发光特性差异

这里的发光特性差异指的是箱体之间的差异性,因显示屏幕面积较大,通常以箱体为单位批次生产安装,这样就会出现每个箱体LED批次相同但是箱体之间批次不同的情况,典型情况下,两个箱体之间2%的亮度差异和2nm的色度差异就能让人有明显的马赛克感觉,这样生产并拼接到一起的箱体之间因LED的各项参数不同在工作时颜色和亮度都有明显的差异,显示屏不均性十分明显, 也就是所谓的分块现象。

在后期的使用和维护过程中,经常需要更换故障模块,由于新模块与其余模块不匹配将导致明显差异,产生模块级马赛克现象,随着使用年限的增加和更换次数增多,这种不一致性越来越明显,最终导致显示屏严重的花屏现象,针对这个问题,许多LED显示屏生产商通过采用LED混合的方法来消除批次之间亮度和色度的差异,可以做到即使LED之间亮度差异达到10%,色度差异达到5nm也不容易被察觉,问题是,这种改善并不彻底。

彻底的改善方法应该是:首先采用“ 混灯&rdquo的方法将不同亮度色度的LED充分混合,消除大面积的亮度色度差异,然后采用逐点校正方法,进一步提高每个发光像素的亮色度均匀度。

 

LED个体间的差异性

由于生产工艺的限制,LED自身存在亮度色度差异,如下两组图片图1-图2

下图是红绿蓝LED的色度曲线CHROMATICITY DIAGRAM



图1.色度曲线图


光的颜色由LED出厂时的波长决定,从以上一组图可以知道,同一颜色的波长参数各不相同,红色的波长范围是620-640nm;绿色有两个批次,波长范围分别是518-525nm和525-533nm; 蓝色的波长范围465-470nm,在不做校正的情况下,蓝色波长之间差异需小于5nm,绿色波长小于10nm,红色波长小于8nm,但目前即使采用分档,波长差也在5nm-15nm,并不能达到所需要求。



下图是日亚公司同一批次芯片的光强分布直方图,红色驱动电流20mA, 蓝、绿色为10mA(统计数量是5500支):


图2.光强分布直方图


以上三种颜色的光强分布直方图表明,即使是同批次同颜色的LED灯管,在亮度上仍然存在10%-20%的差异。

从以上两组图可知LED个体间的亮度和色度存在较大的差异性,当大量LED混用时,这种差异会十分明显。



显示控制芯片

受工艺水平限制,同一恒流驱动芯片上电流并不相同,各引线间的电流差为4%-6%,芯片之间的电流差达到12%-15%,驱动电流的差异使得LED的光强和色调都产生差异,电流的大小直接对灯的亮度造成影响,电流大的亮度高,电流小的亮度低,而整个显示屏存在成千上万的发光二极管,这种差异性就造成了整屏的光色高度不均,并且长期超过工作电流工作,寿命会急剧下降。


 


图3.亮度关系分析实验图


图3左是NICHIA公司对于电流和LED灯的亮度关系的分析实验结果,结果分析如下:

         1F=20mA: 相对亮度(a.u)1.0         1F=40mA: 相对亮度(a.u)1.7

         1F=80mA: 相对亮度(a.u)3


研究结果表明电流大小对发光强度有直接的关系,电流越大,相对亮度越高,并且还可以看出,NSCW215(白色)与电流非线性相关,NSPR346BS(红色)与电流线性相关。

下面的计算更可直接说明电流对亮度的影响,对于rank S, 电流在20mA的时候发光强度是600mcd,按上述图3中分析结果可得

20mA 600mcd * 1 = 600mcd

40mA 600mcd * 1.7 = 1,020mcd

80mA 600mcd *3 = 1,800mcd

 

图三右表明色度坐标也会随着正向电流的不同而变化。所以综上所述,管脚电流的大小直接影响了LED的亮度和色度,并且呈线性相关走势。



 

灰尘

显示屏长时间暴露在户外,经历风吹和日晒,久而久之LED灯的灯罩表面会布满灰尘,随着时间的推移,灰尘会越积越厚并且灯罩颜色也会老化变黄,对显示效果产生严重的影响,无论是亮度还是色度都会下降,给人的感觉是屏幕不干净,也就是脏屏。当空气湿度较大时,灰尘还会吸收水分子,腐蚀电子线路,造成短路故障,此外,显示屏的印制板也会吸附灰尘,沉积的灰尘还会影响电子器件的热量散发,元件温度上升,热稳定下降甚至漏电,所以需要定期对屏幕进行擦拭。


电路和模块设计缺陷

显示屏驱动电路和模块的设计会影响亮度。由于驱动器输出电流在PCB板上传输距离过远,会使得传输路径压降过大,影响LED 的正常工作电压导致其亮度降低。我们常会发现显示屏模块四周的亮度比中间低一些,就是这个原因。还有一点就是因显示屏面积较大,耗电较多,所以由许多单独的开关电源供电,开关电源间的电压差也会造成亮度差,另外模组套件工整性不好,灯板面灌封胶深浅不一致,厂家组装工艺不好等会导致面罩不平整,模组中央的管子与处于边缘的管子相比,露出面罩的部分多一些(或少一些)产生亮度差,从而出现亮度从中心向边缘慢慢变暗(或变亮)的现象。

光衰

一般LED的平均寿命在十万个小时,光衰对其寿显示命也有很大影响,衰减速度与LED芯片辅助物料、封装工艺温度都有关系,引起LED光衰的主要原因是因为蓝光LED本身的光衰,它的光衰远比红光、绿光LED要快,小功率插件蓝光LED在20mA工作下,寿命在7000-10000小时左右,而红色LED甚至在50mA下工作8000小时还没有光衰。


Barco 公司曾经对S10XPFX型号的红绿蓝LED在黑暗的环境中做过亮度衰减测试实验,实验结果如下


1. The first brightness of Red is 1570 nit, and at 2874H, it is 1470 nit. About 6% decrease.





2.  For Green, it is about 10% decrease compared with the first data 3130 nit.


 



3. For Blue, it is about 15% decrease compare with the first data 475 nit.

 



最终结论如下

在使用2784个小时后,可以得出以下数据




所以,在使用时间相同的情况下,不同颜色的LED亮度衰减也不一样,其中蓝色衰减的最严重。并且由于LED发光时热能集中在单一点上,整个显示屏幕表面温度会不均匀,屏幕中心温度会因二极管数目较多而高一些,边缘数量少会低一些,这样中心衰减的比周围快,随时间推移,上述两个原因导致显示屏的红绿蓝三色亮度衰减的不一致性加剧,最终导致显示屏整体亮度不均匀,产生花屏。



温度

当温度升高时,红绿蓝三种基色的主波长会发生温漂,图4是AlInGaP材料制成的红色LED与InGaN制成的绿色和蓝色LED在不同的工作温度下,其主波长的漂移程度和漂移趋势。



图4.不同温度下行走趋势图


对于红色,当温度升高1°,其主波长将增加大约0.02-0.03nm,对于绿色和蓝色,增加0.03-0.05nm,基色主波长的漂移将直接影响LED的白平衡和色温,引起图像色彩的变化。工作温度的变化也会导致各基色色坐标的漂移,随着色坐标的移动,其各基色的色饱和度也会发生变化,向高饱和方向漂移,颜色的均匀性一致性和真实性变差。

温度对亮度也有影响,当LED的结温为25度时亮度为100cd/m2,当温度升高至75度时亮度减少至80cd/m2,到125度时剩余60cd/m2,很明显,结点温度与发光亮度成反比线性关系



LED的角度一致性

LED管发光特性决定其在沿光轴方向上光强最强,沿发光面向四周围光强逐渐减弱,因此,以LED管为基本像素构成的LED显示屏在法线方向上的亮度最高,当偏离法线方向时亮度会不同程度的降低,并且不同颜色的LED在同一角度观看时亮度也不相同,如图5-图6所示



    


 图5. 三色LED灯点的发光强度随垂直视角变化的示意图          图6. 采集视角偏离法线方向15度的LED发光强度变化


此外显示屏的工作环境和抗静电性能等因素也会对显示屏质量和寿命产生影响,如湿度和温度的影响,由于显示屏工作在不同的复杂环境下,LED以及IC的工作性能都会随温度湿度不同而变化,此外因为LED是半导体器件,对静电敏感,极易引致静电失效,抗静电能力对寿命也十分重要。另外,在生产过程中,环氧树酯与固化剂不匹配所致或外封胶烘烤时间过长会导致LED灯珠发黄,硅胶制成的LED的透镜也会随时间的变化化学特性有改变,对LED亮度的角度性产生影响,亮度下降,从而导致显示屏不均匀。