Основных цветов

В настоящее время одной из самых передовых является конструкция светоизлучающего диода с применением овальных линз (рис. 11), формирующих пространственное распределение с существенной разницей в углах излучения в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

В некоторых случаях достижения такого эффекта и для обеспечения максимальной равномерности диаграммы в материал линзы локально или по всему объему вводится диспергатор.

В результате получается достаточно рациональная конструкция: с одной стороны, широкий

(как правило, 110 градусов по уровню 0,5) угол в горизонтальной плоскости дает возможность

построить экран, наблюдаемый под большими углами в этой плоскости без искажений, с другой стороны, небольшой вертикальный (30–50 градусов по уровню 0,5) ограничивает бесполезное распространение светового потока в пространство, где нет наблюдения. Таким образом, весь световой поток от кристалла равномерно направляется на наблюдателя.

Сложность в том, что распределение светового потока внутри диаграммы направленности светодиодов разного цвета свечения редко бывают одинаковыми.

Хотя угловые характеристики по уровню 0,5, указываемые в спецификациях, совпадают.

Рис.12. Относительная диаграмма пространственного распределения силы света клостера из 3-х светодиодов R,G,B фирмы Toyoda Gosie типа E1L4E –S с овальной оптикой и линейным расположением светодиодов в горизонтальной плоскости. Черным цветом обозначена диаграмма в режиме баланса белого, близкого к источнику D65, остальными цветами - соответствующие цвета светодиодов. Показаны расхождения в направленности излучения каждого светодиода относительно оптической оси клостера.

Это связано с особенностью конструкций кристаллов, их геометрическими размерами, правильно подобранной оптикой, процентным содержанием диспергатора в материале линзы и

т. д. Невыполнение этого условия и приводит к появлению описанных искажений изображения, сформированного кластером из таких светодиодов (рис. 12). Поэтому важно понимать, что построение качественного устройства воспроизведения полноцветного изображения, где имеет место смешение цветов и формирование оттенков, невозможно без учета характеристик распределения светового потока внутри диаграммы пространственного распределения излучения. Это условие касается также условия минимального разброса интенсивностей излучения (силы света) всех светодиодов одного цвета, невыполнение которого проявляется в виде неравномерной засветки поля светящегося полотна.

Глаз способен различить разницу яркостей двух элементов, находящихся в пределах его разрешения и отличающихся друг от друга всего на несколько процентов (при условии нахождения в пределах насыщения). Как показывает практика, выполнение этого условия в начале эксплуатации светодиодного устройства вовсе не означает, что оно сохранится в процессе работы. Этот факт будет обсужден в следующем разделе статьи.

Следующим важным параметром, идентичность которого должна быть соблюдена обязательно, является колориметрическая характеристика. Следствием невыполнения этого

требования будет появление различных неоднородностей воспроизведения цвета. Система управления формированием цвета будет настроена на определенное соотношение интенсивностей основных цветов по формуле (7), исходя из спектральных параметров,

F = rR + gG + bB, (6)

описанных в разделе 3 статьи, чтобы получить белый цвет с необходимыми координатами

цветности. Однако достаточно отличающиеся по цветовым параметрам светодиоды будут

выделяться и исказят цветопередачу. Этот дефект будет тем более заметен, чем меньше ширина спектрального распределения излучения светодиода. Стоит отметить, что глаз очень чувствителен к изменению цвета и способен различать квазимонохроматическое излучение с точностью до 1–2 nm.

Кроме идентичности параметров спектрального распределения необходимо остановиться на некоторых их значениях, требуемых для формирования правильной цветопередачи.

МКО 1931 г. рекомендует следующие координаты основных цветов (табл. 1).

Таблица 1

	X	Y
R	0,6 – 0,7	0,32 – 0,35
G	0,27 – 0,36	0,55 – 0,65
B	0,13 – 0,17	0,04 – 0,08

Следующим шагом в разработке конструкций светодиодов для систем отображения информации высокого качества стали многокристальные светодиоды с различным цветом излучения и полноцветный (RGB, Full сolor) прибор, содержащий три кристалла в одном корпусе (рис. 13), позволяющий формировать любой оттенок свечения (в том числе белый) как результат матрицирования трех цветов. Кристаллы расположены на одной общей подложке и находятся друг от друга на расстоянии, не превышающем 1–3 своих линейных размеров.

Рис.13. Полноцветные светодиоды для SDM-монтажа

Именно с использованием таких приборов стал возможен отказ от кластеров при изготовлении полноцветных экранов с высокой разрешающей способностью и яркостью до 2500 кд\м². Размер пикселя при этом получается равным размеру одного светодиода, а смешение цветов вообще происходит в точке с размером примерно 0,8×0,3 мм. Более того, будучи расположенными на одном основании, все три кристалла имеют одинаковую температуру в любой момент времени, поэтому все тепловые уходы их параметров происходят одновременно, независимо от большой разницы прямых токов, и не влияют на результирующий цвет и интенсивность, сформированные в этот момент системой управления (в отличие от кластеров на дискретных светодиодах, где нет единой термостабилизации). Максимальный эффект этого свойства проявляется при формировании и воспроизведении белого цвета с большой частотой смены полей.

К достоинству описанной конструкции светодиода в части теплового режима стоит отнести и возможность использования его в импульсном режиме. Благодаря способности кристалла работать на больших (сотни МГц) частотах, возможно получение импульсной оптической мощности, равной десяти номинальным долговременным с сохранением фронтов до 10 нс (в зависимости от частоты повторения импульсов), при этом прямой ток через кристалл может достигать 100 мА.

Рис.14. Абсолютная (а) и относительная (б) диаграммы пространственного распределения силы света трехкристального RGB-SMD- cветодиода LM1-TPP1-01 TTQ фирмы СОТСО с дельтообразным расположением кристаллов внутри корпуса. Черным цветом обозначена диаграмма в режиме баланса белого, близкого к источнику D65, остальными цветами – соответствующие цвета свечения кристаллов.

Показаны расхождения в направленности излучения относительно оптической оси светодиода.

Как правило, такие светодиоды исполняются в виде безвыводных элементов для SMD-монтажа и практически не имеют оптической системы, формирующей специфическую диаграмму направленности, поэтому она приближается по форме к cosΘ. Однако взаимное геометрическое расположение кристаллов все же вносит искажения в равномерность смешения световых потоков (рис. 14).

Рис.15. а - светодиод с оптикой Френеля, б - светодиод с обычной цилиндрической линзой

Но по сравнению со светодиодами с овальной оптикой, качество равномерности распределения намного выше на отдаленных от оптической оси углах, соответственно, больше и угол наблюдения без искажений. Существуют и конструкции многокристальных светодиодов с различными оптическими системами, упорядочивающими смешение потоков кристаллов и формирующих подобие диаграммы направленности овальных светодиодов. Например светодиоды фирмы «Корвет-Лайтс» (рис. 15), позволяющие использовать кристалл при повышенных плотностях тока — до 80 А/сm², и обладающих увеличенной по сравнению с другими конструкциями светоотдачей.

Однако равномерного смешения световых потоков кристаллов при использовании оптической системы получить не удается, поэтому широкого распространения такие приборы не получили, несмотря на свои незаурядные энергетические характеристики, едва до сих пор кем-либо достигнутые.

Также в таких светодиодах существует проблема с упорядочением идентичности параметров кристаллов, о которой говорилось выше - ведь необходимо, чтобы все три кристалла были по параметрам очень близки к соответствующим в других светодиодах. Добиться такого

сочетания необходимо уже на уровне монтажа кристаллов в корпус, иначе выход приборов с близкими параметрами будет невысок относительно всей партии. Такое действие достаточно трудоемко с технологической точки зрения и приводит к удорожанию продукта. Как правило, за основу берут один параметр, который можно скорректировать уже в составе светодиода. Это сила света.

Цветовые характеристики кристаллов тестируются и разделяются еще до монтажа. Впоследствии интенсивность свечения каждого кристалла каждого светодиода в составе табло, например, доводится до одинакового значения программными средствами либо коррекцией питания. Таким образом реализуется идентичность характеристик в трех кристальных светодиодах, используемых группами.

Подавляющее большинство систем управления интенсивностями свечения светодиодов

реализовано на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с большим количеством дискретов. Достоинства этого принципа управления, кроме удобства цифровой обработки данных сигнала, с точки зрения режимов работы светодиодов в том, что прямой ток через светодиод остается постоянным всегда, а изменяется лишь длительность импульса этого тока.

Глаз интегрирует световой поток за период времени до следующего импульса, и получается, что время свечения светодиода, пропорциональное времени импульса, определяет интенсивность излучения. Это условие можно учесть программно и на самых малых уровнях

интенсивности при самых коротких импульсах, когда интеграционная характеристика глаза приобретает функцию е^х с большими значениями х, и на самых больших, когда наступает

насыщение, сохраняя тем самым линейность яркостной характеристики. Постоянство прямого тока через светодиод определяет соответствующее постоянство большинства ключевых

параметров светодиода, в основном зависящих прямо или косвенно только от тока (люмен-амперная характеристика, зависимость полуширины спектра излучения, вольт-амперная ха-

рактеристика и т. д.).

Таким образом, при использовании подобных систем управления устройством отображения информации проблемы уходов характеристик светодиодов сведены преимущественно только к температурным зависимостям. И хотя это также является

довольно серьезной темой для обсуждения, стоит говорить об этом отдельно, чтобы рассмотреть все подробности.