深入研究led器件的半導體特性，對高密度led矩陣顯示屏提出了實現(xiàn)灰度顯示的解決方案，并給出了測試電路對該方案進行驗證。實驗表明，通過這種方案實現(xiàn)的LED灰度顯示可以同時兼顧顯示屏的亮度和灰度。

 

　　信息顯示是信息科學技術(shù)的重要環(huán)節(jié)之一，光電綜合顯示作為人機聯(lián)系的橋梁得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在相當長的一段時間內(nèi)，信息顯示技術(shù)停留在陰極射線顯像管(CRT)時代，但CRT作為真空器件，其自身一些固有的缺點限制了它在某些領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。為了解決CRT顯示器帶來的這些問題，國內(nèi)外都在加緊進行平板顯示器(FDP)的研制與開發(fā)。在眾多的FDP中，發(fā)光二極管(LED)顯示器有其自身固有的一些優(yōu)點:工作電源低、響應(yīng)速度快、工作溫度范圍寬、全固體器件功耗低、體積小、抗沖擊、高可靠、壽命長等。同時它本身就是半導體器件，故可與IC電路完全兼容，控制和驅(qū)動電路易集成在平板顯示器中，進一步降低顯示器的體積，也可以方便實現(xiàn)信號的多路傳輸。在深入研究LED器件發(fā)光特性的基礎(chǔ)上，介紹了一種在高位高密度LED平板顯示器上實現(xiàn)灰度顯示的解決方案，并對該方案進行了實驗驗證，實驗表明，通過這種方案實現(xiàn)的LED灰度顯示可以同時兼顧顯示器的亮度和灰度。

 

　　1、LED點陣灰度級產(chǎn)生原理

 

　　LED點陣的每一個像素點由紅(R)、綠(G)、藍(B)三色LED組成，對應(yīng)著視頻圖像的一個像素點。在與計算機CRT同步顯示時，若LED點陣每一個像素的紅、綠、藍LED的發(fā)光亮度隨CRT對應(yīng)像素點R、G、B信號變化而變化，就能同步顯示出相應(yīng)的CRT圖像。若用灰度級來描述單色LED的亮度變化，則灰度級越多，圖像色彩就越多，層次越豐富。LED正向伏安特性與普通二極管大致相同，電壓的開啟點以前無電流，電壓一旦超過開啟點便顯示出導通特性，這時正向電流I與正向電壓U的關(guān)系式如下:

　　式中m為復合因子，I0為反向飽和電流，UT=kT/e稱為溫度電壓當量，在熱力學溫度T=300K時，UT=26mV1在寬禁帶半導體中，當I<0.1mA時，通過結(jié)內(nèi)深能級進行復合的空間復合電流起支配作用，這時m=2；電流增大后擴散電流占優(yōu)勢時m=1.U為外加電壓。

　　由圖1可以看出，LED從導通開始直到它不被燒毀的最大電流為止，其伏安特性一般是線性的。在這個線性區(qū)域內(nèi)，LED的發(fā)光強度基本正比于它的電流強度1有兩種方法實現(xiàn)LED的亮度控制:

 

　　(1)通過調(diào)節(jié)LED的正向電流，得到LED的亮度調(diào)制。如把LED的正向?qū)娏靼匆欢ú介L調(diào)節(jié)，其發(fā)光亮度就可以分為若干個灰度級。但這種方式所需的驅(qū)動電路太復雜，在實際應(yīng)用中并不可行，在此不予討論。

 

　　(2)控制單位時間內(nèi)LED的導通時間。LED具有快速時間響應(yīng)特性，最高可達數(shù)十兆赫茲，可以用脈沖方式驅(qū)動led發(fā)光，例如用1MHz，占空比為0.25%，峰值電流為1A的脈沖去驅(qū)動LED，與用25mA的直流驅(qū)動，其發(fā)光亮度是一致的。顯然，調(diào)節(jié)驅(qū)動脈沖的占空比，可獲得不同的灰度級，那么如果用CRT圖像信號各像素點的離散圖像數(shù)據(jù)去控制對應(yīng)LED的導通時間，即可獲得多灰度級顯示圖像1圖2表示周期時間T內(nèi)，占空比分別為1、4P7、2P7、1P7的脈沖去驅(qū)動LED，顯然獲得亮度比為7∶4∶2∶1，這樣最高灰度級為7，共可獲得8個灰度級。

　　圖2a 只表示了7、4、2、1這四個灰度級LED的導通情況，這種直接調(diào)節(jié)驅(qū)動脈寬以獲得顯示圖像灰度的方法一般不易實現(xiàn)，只有用間接的方法使LED的驅(qū)動脈沖占空比受制于圖像數(shù)據(jù)，以獲得顯示圖像灰度級。

 

　　圖2b 表示在T時間內(nèi)用一個脈沖竄去驅(qū)動LED，控制時間內(nèi)脈沖個數(shù)就能控制LED的亮度，當各個T時間內(nèi)驅(qū)動脈沖個數(shù)為7、4、2、1時，獲得的亮度比為7∶4∶2∶1，同樣也會獲得8個灰度級。但是，不難看出，用這種方法，驅(qū)動脈沖的占空比要下降，這就意味著各灰度級的LED亮度要下降，圖2b是用對稱方法驅(qū)動的，那么與圖2a相比，導通時間縮短了一半，在同樣的正向?qū)ǚ逯惦娏飨铝炼缺厝幌陆狄话搿？赏ㄟ^提高峰值電流的方法來彌補亮度損失，但重要的是這種調(diào)制脈沖個數(shù)以獲得圖像灰度的方法在電路實現(xiàn)上也有較大困難。

 

　　圖2c 為另一種目前已在等離子體顯示中應(yīng)用的方法，當所攝圖像亮度化為八級時，可用三位二進制碼“a3 a2 a1”表示，最高亮度表示為“111”，最低亮度為“000”，那么，可以將周期T分為3個小的時間間隔t，在t時間內(nèi)分別用二進制碼a3，a2，a1來控制LED的導通狀態(tài)“，1”表示導通“，0”表示斷開，同時a3，a2，a1是有權(quán)碼，對應(yīng)的權(quán)值分別為4、2、1。如果a3，a2，a1不僅僅控制t時間內(nèi)LED的導通，而且還控制導通時間，其導通時間長短依據(jù)所對應(yīng)的權(quán)重，就可以有8個灰度級。如圖2c所示，第一個周期T表示最高亮度，其二進制碼為“111”，那么每一個t時間內(nèi)，LED都導通，其導通時間之比為4∶2∶1，第二個周期T表示4P7最高亮度，其二進制碼為“100”，顯然，其導通時間只有第一個t時間內(nèi)LED導通，與圖2a相比，不難發(fā)現(xiàn)，T時間內(nèi)，LED導通時間仍減少了，所以在同一峰值電流下每灰度級的亮度都下降了，因而這種犧牲顯示圖像亮度的辦法對LED點陣顯示是不利的。

 

　　圖2d 表示，如果將每一周期等分成7個小的時間間隔，每一時間間隔電平的高低決定著LED的亮滅，那么，可以獲得8個灰度級1例如，當7個時間間隔電平全為高，LED亮度為最高，有6個時間間隔電平為高，另一個為低時，獲得6P7最高亮度，依次類推，7個時間間隔電平全為低，為全黑1圖2d也表示的是亮度之比為7∶4∶2∶1，與2a圖相比對應(yīng)的導通時間是相等的，因而顯示圖像亮度沒有損失1在實驗中，作者采用的正是這種方法。具體實現(xiàn)如下。

 

　　2、LED灰度級實現(xiàn)

 

　　CRT圖像是按幀頻來刷新的，每一幀的圖像可由一個M行N列的矩陣來表示，對應(yīng)著一幀M×N像素點的視頻圖像。每一場圖像不一樣，矩陣元素的值也會發(fā)生相應(yīng)的變化，矩陣的表達式為

　　矩陣(2)中的每一元素代表著M×N點CRT圖像中對應(yīng)像素點的圖像亮度信息，而元素在矩陣中的位置恰恰是該像素點在CRT圖像中的位置。其中A、B、C代表著具有單位亮度的R、G、B三原色，系數(shù)aij、bij、cij為零和正整數(shù)，它決定著混成該像素點顏色所需R、G、B三色的亮度份額，如果將該圖像白電平亮度所含R、G、B三原色的亮度分別等分成N級，那么每份亮度就是A、B、C，即單位亮度，aij、bij、cij的取值分別為從0到N，表示用aij份的單元亮度紅色，bij份的單位亮度綠色和cij份的單位亮度藍色，可混成該元素所對應(yīng)像素點的顏色。根據(jù)矩陣運算法則，矩陣(2)又可表示為

　　它表示一場圖像可分解為R、G、B單色圖像，同樣，用R、G、B單色圖像在空間或時間上疊加，可恢復原來所對應(yīng)的彩色圖像。

 

　　式(3)中的各項分別代表紅、綠、藍單色圖像，是具有若干灰度級的，如果aij、bij、cij的取值分別從0到N，那么，每一單色圖像的灰度級為N+1。根據(jù)矩陣運算法則有

　　其中aij(n)=0或1，且aij=aij(1)+aij(2)+...+aij(n)。

 

　　從式(4)看出，一個單色圖像數(shù)據(jù)矩陣可分解為若干二值矩陣(矩陣中每一個元素均為0或1)的和，每一個二值矩陣代表著一具有單位亮度的單色二值圖像，那么式(4)的意義為:具有(N+1)灰度級的單色圖像可有若干N個具有單位亮度的單色二值圖像在時間上疊加而成，顯然，在空間疊加是不現(xiàn)實的1這意味著可將一電視場的單色視頻圖像分成若干個單色二值圖像，再將這些單色二值圖像順序顯示出來，根據(jù)人眼的積分效應(yīng)，又可復現(xiàn)出原來的單色視頻圖像1同樣的方法，同時恢復出R、G、B單色視頻圖像，再使它們在空間疊加就可以獲得彩色視頻顯示圖像。

 

　　具體來說，如果每一單色像素的灰度級數(shù)為N+1，灰度級由低到高分別為0，1，...，N，對每一級灰度規(guī)定一串N位‘0’、‘1’控制碼與其對應(yīng)，而在每一控制碼中，‘1’的總數(shù)與其對應(yīng)灰度級的編號相等，即灰度級越高，其控制碼中‘1’越多。

 

　　再將LED的每個顯示周期分為等間隔的N段，每一段用一位控制碼控制LED的通斷，‘1’是控制LED通‘，0’是控制LED斷1由于不同灰度級中‘1’的個數(shù)不同，故在一周期內(nèi)，LED導通的時間不同，通過人眼視覺的積分效應(yīng)，就產(chǎn)生了亮度的差別。

 

　　由此類推，把CRT顯示的一幀單色畫面分成N場在led點陣屏上顯示，每場顯示的時間為TPN，在各場中，各像素由其對應(yīng)的控制碼來控制LED的通斷，通過視覺的積分效應(yīng)，就產(chǎn)生了整個畫面的灰度效果。

 

　　3、LED控制板的硬件實現(xiàn)

 

　　led板的硬件設(shè)計框圖如圖3示

　　CRT的紅色信號經(jīng)采樣量化后形成紅色4位二進制數(shù)，因此經(jīng)量化的亮度有16級，如把CRT的一幀圖像在led點陣屏幕上分為15場來顯示，通過控制15場中LED像素點亮次數(shù)來形成不同的亮度等級1如15場中某一像素點全不點亮，即為黑點亮一次，表現(xiàn)為僅高于黑的圖像亮度；點亮兩次，亮度又高一級；全部點亮，即為最亮1在實際電路中，考慮到電路的復雜性，將led屏分成16場顯示，第一場始終不點亮，這樣當然會損失一些亮度，但簡化了設(shè)計。

 

　　4、結(jié)論

 

　　在完成其測試系統(tǒng)研制的基礎(chǔ)上，對高密度LED矩陣顯示屏進行了部分性能參數(shù)的測試，實驗表明，通過這種方案實現(xiàn)的LED灰度顯示可以同時兼顧顯示屏的亮度和灰度。