中心議題：
- LED 溫度特性分析
- 基于反Gamma 校正的LED 亮度補償技術
通過對RGB 三基色發光二極管(LED)溫度特性的測試和分析發現,隨著環境溫度的變化，每種基色的LED 亮度與常溫時的亮度相比都會發生一定程度的偏移，且其偏移量不相同，導致了圖像白場平衡的失真。為了校正失真，針對每個基色LED 提出一種不同環境溫度下的Gamma 補償曲線，使RGB 三基色LED 在環境溫度變化時具有相同的亮度偏移值，以保證白場平衡。本文提出的Gamma 補償技術克服了L ED 的溫度特性引起顯示屏圖像的色彩失真和白場平衡的破壞，使圖像的色彩不會受環境溫度的變化而失真。
LED 溫度特性分析
在全彩色LED 顯示屏中,RGB 三基色的亮度平衡決定了白場的平衡。若RGB 三基色中的一個基色的亮度發生飄移將會嚴重影響圖像的質量,破壞白場平衡,使顯示的圖像色彩發生畸變。
圖1 和圖2 反映了一組R、G、B 3 種LED 的正向電壓VF與正向電流IF 以及IF 與亮度L 間的關系。可以看出,超過門限電壓后,隨著VF 的增加, IF 先是緩慢增加而后便急劇增加。
圖1 電壓與電流的關系曲線 圖2 亮度與電流的關系曲線
也就是說,VF 稍有波動, IF 便會大幅變化。從圖2 可知, IF 超過閥值后,隨著IF 的增加,L 快速增加。
從圖2 的IF 與L 曲線可知, IF 的大小直接影響了L 。當IF 達到一定值以后,L 基本趨于飽和。根據圖1 和圖2 的VF 、IF 和L 特性,在實際中通常用VF 的方式驅動LED ,用串連電阻值的大小調整LED 的RGB 三基色的IF 使其L 一致。而系統對RGB 三基色的IF 的調整,是以常溫為基本的標準。
但從LED 的亮度特性圖3 可知,隨著環境溫度TC 的變化,L ED 的RGB 三基色的顯示亮度偏移狀況各不相同,B 的飄移較小,而R 的飄移較大,當溫度超過80 ℃時,R 相對亮度的變化幾乎是常溫時的2 倍。這種變化完全破壞了常溫時設置的白平衡,使整個顯示屏的色度發生嚴重漂移,圖像質量變差。RGB 三基色的相對亮度的偏移如圖4 示,可明顯看出,常溫時三基色的亮度狀態和在85 ℃及- 20 ℃時的相對亮度值,正是L ED 的溫度特性導致冬季和夏季顯示屏的圖像質量變差。
圖3 LED 的亮度特性
圖4 RGB 三基色的相對亮度的偏移[page]
基于反Gamma 校正的LED 亮度補償技術
LED 系統通常用統一的反Gamma 校正曲線來校正視頻的亮度信息。由于溫度的變化影響了LED 的亮度特性,使全彩色LED 常溫下的配色比例在溫度變化的情況下嚴重失調,圖像質量嚴重降低。通常情況下,對LED 顯示屏亮度的調整時,一般采用輸入亮度值與權值相乘來降低LED 的顯示亮度。
但此方法將損失低灰度級的亮度,降低了圖像的灰度級,即降低了圖像顯示色彩。為了不減少低級灰度且保證對亮度的調整,提出一種針對每個溫度段采用不同的Gamma 參數來調整相關色彩亮度的技術,以補償環境溫度對器件的影響。系統針對不同的RGB 的基色設置其獨立的Gamma 反校正參數。
如圖5 ,以B2LED 的特性為例,提出了適合溫度變化的Gamma 校正曲線。在相同的輸入值的前提下,低溫采用γ1 曲線時,輸出的理論亮度值高于常溫,以校正低溫時LED 溫度特性導致的亮度損失。同樣,在高溫情況下采用γ3 曲線,使校正后的亮度與常溫時亮度相當。從LED 的溫度特性分析可知,每個基色在環境溫度作用下亮度變化的幅度都不相同。為此,系統針對不同的RGB 的三基色設置各不同的反Gamma 校正參數,使系統在不同的環境溫度情況下,保證系統色度匹配比例以達到白場平衡目的。
圖5 BLED在不同溫度下Gamma 校正曲線
為了補償LED 因溫度引起的亮度變化,LED 顯示系統增加了亮度檢測電路。實驗發現,以20 ℃溫度間隔對色彩進行溫度補償時,能基本上滿足圖像的觀看質量。為此,系統以常溫為基礎,每隔20 ℃給出相應基色的Gamma 校正參數。對于- 20 ℃～ + 80 ℃范圍,每個基色給出供5 種不同的Gamma 參數以補償亮度的變化。圖6 給出系統的溫度檢測電路和相應的控制Gamma 參數的電路框圖。利用溫度傳感器DS18B20檢測環境溫度的變化,當環境溫度到達設定溫度值時,通過微處理器的ARC 3 個I/ O 線輸出5 個溫度狀態中的某一狀態值給CPLD。在CPLD 內部設有RGB 三基色(3 ×4 + 1 = 13)13 個(常溫時采用一個標準的Gamma 參數校正,在其他溫度下,每個基色一個校正參數) Gamma 值的參數表,從表查出分別對應RGB 的3 個Gamma 值提供給亮度控制電路和顯示控制電路。
顯示控制電路針對每個基色的Gamma 參數不同產生對應的控制信號,以控制相對應基色的亮度顯示數據。即三基色的亮度數據輸入相同的情況下,通過顯示電路的控制信號控制RGB三基色LED 的導通時間,使RGB 三基色LED 上產生不同的理想亮度,以補償環境溫度變化導致LED亮度特性變化的問題。
系統通過圖6 所示的電路完成了LED 顯示屏RGB 三基色的亮度補償,實現了圖像色度的調整。表1 為LED 的RGB三色的亮度在常溫、- 20 ℃及60 ℃時的情況。
圖6 系統溫度補償電路框圖[page]
表1 中,常溫的白場配色比例為1. 92 ∶6. 57 ∶1. 51。而當溫度發生變化時,由于LED 的特性,使RGB 的亮度特性發生了嚴重的偏移,使白場的比例已完全偏離了常溫下的比例,使圖像在色彩發生了畸變。而采用本文的校正技術后,結果如表2 所示。
從表2 中可觀察到,雖然在常溫時LED 的亮度有一些損失,但通過校正,使整個顯示屏亮度基本不受外界環境溫度的影響,更重要的是補償了色度的偏差,恢復了白場的平衡,保證了圖像的質量。
結論
提出了解決全彩色LED 顯示屏在環境溫度變化較大時圖像色彩失真的問題,從根本上解決了由于LED 本身的特性造成的顯示屏色度和亮度的失真。本技術不僅可用于全彩色LED顯示屏中,而且可應用于以LED 的RGB 三基色作為背光源的液晶顯示器的技術之中。
