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引言
液晶显示技术作为继CRT显示技术后的第2代显示技术，在近年来获得了巨大的发展．液晶显示器(liquidcrystaldisplays，LCD)在成本、功耗、分辨率、对比度、视角和响应时间方面都得到很大的改善，已经成为了市场上最为成熟的主流显示设备．传统LCD的动态范围有限，其动态对比度一般低于103∶1，而自然界中的亮度范围约为10-6～108,cd/m2，人眼通过瞳孔的调节可以适应不同的亮度环境，从夜空下微弱的星光到夏日中耀眼的阳光，感知范围约为10-3～105,cd/m2．即使在同一时刻，人眼也可以感觉到大约5个数量级的亮度范围．因此传统LCD难以满足人眼视觉，观看效果缺乏真实感．为了提高显示设备的动态范围，国内外研究人员均开展了大量的研究工作．在高动态范围(highdy-namicrange，HDR)LCD的研究和开发工作中，基于双调制结构的显示技术是研究的热点．目前双调制结构主要有Projector-LCD、LED-LCD、FED-LCD以及LCD-LCD．其中LED-LCD结构具有实现简单灵活、可操作性强、成本低廉等特点，本文设计的显示系统亦采用这种结构．在色彩表现方面，大多LCD的色域都能达到或接近ITU-RBT.709中定义的色域，但相较于自然界中人眼可观察到的真实颜色，其范围还是很有限．为了更加真实地还原现实场景，除了动态范围的提高外，色域的扩展也很重要．目前色域扩展的方法主要有两类：①采用高饱和的三原色，其可以通过使用窄带LED或者激光作为背光源实现，这种拓宽色域的方法最为直接有效，但需要先进的发射、显示技术的支持；②使用多原色显示，可以在液晶面板上增加滤光片，或者使用多原色的背光单元，若选取的原色恰当，这种技术可以在很大程度上扩展色域，但在相同分辨率的情况下，使用的原色越多，系统复杂度越高．
1ＬＣＤｓ背光源的优化选择
1.1ＷＬＥＤ背光的ＬＣＤｓ色域
ＷＬＥＤ是通过蓝光ＬＥＤ芯片（波长４４５～４６０ｎｍ）激发黄色荧光粉制成的白光ＬＥＤ。由于荧光粉的黄色发光光谱较宽（＞１００ｎｍ的半高峰），导致ＬＣＤｓ的色域较窄。虽然以红绿蓝ＬＥＤｓ背光的ＬＣＤｓ就色域范围方面远好于ＷＬＥＤ背光源，但是绿光ＬＥＤ发光效率低，并且红绿蓝ＬＥＤｓ背光驱动电路复杂且成本高。从低成本的角度，ＷＬＥＤ依然是ＬＣＤｓ背光源的最好选择。目前以ＷＬＥＤ背光的ＬＣＤｓ大部分能满足ＢＴ．７０９标准，所以本文定义ＢＴ．７０９标准为ＬＣＤｓ的色域。不失一般性，本文分别在ＣＩＥ１９３１－ｘｙ和ＣＩＥ１９７６－ｕ′ｖ′颜色空间上表示以ＷＬＥＤ背光的ＬＣＤｓ色域。如图１所示。从图１（ａ）（ｂ）中可以看出大量的自然界真实颜色在ＬＣＤｓ色域范围之外，特别是纯绿色区域和青色区域，这是由于绿色滤光片与红色和蓝色滤光片有串扰的缘故。所以，在扩展ＬＣＤｓ色域时，应该尽可能地扩展青绿色区域。在不改变液晶面板的前提下，需要引入其他原色的扩展背光源。
1.2动态范围的提高
传统LCD的背光使用的是统一亮度背光，其动态范围主要取决于液晶面板透光率的动态范围，亦即显示器的对比度，而LCD的透光效率较低且存在漏光现象，这便限制了显示对比度，如高端LCD的对比度仅有103∶1．为保证黑色亮度能足够黑(＜1,cd/m2)，那么显示器能够达到的峰值亮度不可超过103,cd/m2．
2宽色域液晶显示系统
2.1显示系统的结构示意图
宽色域液晶显示系统（ＷｉｄｅｇａｍｕｔｃｏｌｏｒＬＣＤｓ，ＷＣＧＬＣＤｓ）的结构。显示系统面板是由红绿蓝三原色滤光片组成的液晶面板（ＬＣＰ），尺寸为５０ｉｎ（１ｉｎ＝２．５４ｃｍ），分辨率为４Ｋ（３８４０×２１６０）。ＬＥＤｓ背光由３６×６６个背光单元组成，每个背光单元包含一个ＷＬＥＤ和一个ＥＬＥＤ，其中每个ＬＥＤ通过恒流驱动电路独立控制。
2.2显示系统的电路实现及实物图
宽色域液晶显示系统按照功能可划分为５个模块：信号处理模块、数据转发模块、背光控制模块、ＷＥＬＥＤｓ背光以及液晶面板（ＬＣＰ）。如图2所示。其中，信号处理模块用于对输入的图像或视频数据进行预处理、特征提娶液晶补偿等处理操作，以系统能耗最低为最优化条件获取背光数据，并将获取的背光数据发送给数据转发模块，将液晶补偿后图像送至液晶面板。为了便于调试及测试多种算法，该模块由自主开发的调试平台完成；数据转发模块将接收到的背光数据打包，并采用总线低压差分（Ｂｕｓｌｏｗｖｏｌｔａｇｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｉｇｎａｌｉｎｇ，ＢＬＶＤＳ）传输技术进行数据传输；背光控制模块对传输的数据包解析，将背光数据转换脉冲调制信号（Ｐｕｌｓｅ－ｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＰＷＭ）输出，实现对ＷＥＬＥＤｓ背光阵列的控制；ＷＥＬＥＤｓ背光阵列由ＷＬＥＤ和ＥＬＥＤ背光单元组成，为液晶面板提供可靠的光源；液晶面板（ＬＣＰ）则主要由液晶及其驱动电路构成。
2.3背光控制模块
本设计将背光控制器件独立成模块，为使连接方便，背光控制模块采用了288脚的DDR4内存条结构，这些引脚中264个引脚用作LED驱动信号输出，20个引脚用于模块的供电，其余引脚为空．该模块使用Altera公司CycloneIV系列的EP4CE15F23C8N作为控制芯片，使用硬件描述语言实现了以下几个模块或功能的设计：BLVDS收发器、数据指令解析、PWM生成模块．
结语
本文实现了一种以白光ＬＥＤ（ＷＬＥＤ）和宝石蓝光ＬＥＤ（ＥＬＥＤ）为背光的宽色域液晶显示系统（ＷＣＧＬＣＤｓ）。以色域覆盖率最大化为准则，选择主波长为５０１ｎｍ的ＥＬＥＤ作为系统的背光源，扩展普通ＬＣＤｓ未能重现的青绿色区域。经实验测量和结果对比表明，本文设计的ＷＣＧＬＣＤｓ不仅能够重现更多的青绿色区域颜色，而且色域覆盖率可达到４５．６５％，比以ＷＬＥＤ为背光的普通ＬＣＤｓ的色域覆盖率提高１０．９％。与现有的多原色显示系统相比，在色域方面，本文设计的ＷＣＧＬＣＤｓ在青绿色区域表现方面高于其他多原色显示系统；在硬件实现方面，本文设计的ＷＣＧＬＣＤｓ以ＷＬＥＤ和ＥＬＥＤ为背光源，电路结构简单，可实现性强。
参考文献
［1］夏军建，郑艺扬，徐文卿.基于BLVDS的控制系统通讯总线的硬件设计与实现[J].工业控制计算机，2014，27(5)：4-9.
［2］彭宇，姜红兰，杨智明，等.基于DSP和FPGA的通用数字信号处理系统设计[J].国外电子测量技术，2013，32(1)：17-21.
论文作者:1刘德钰 2李杰 3吴建敏 4邵建挺
论文发表刊物:《科技尚品》2018年第11期
论文发表时间:2019/7/18
标签：色域论文; 模块论文; 原色论文; 系统论文; 液晶面板论文; 数据论文; 结构论文; 《科技尚品》2018年第11期论文;