一种基于量子点色彩转换的白平衡实现方法与流程

[0001]
本发明涉及平板显示领域，具体涉及一种基于量子点色彩转换的白平衡实现方法。


背景技术：

[0002]
在现有平板显示技术中，通过加性混色原理来实现各种色彩，而调整每个子像素的的输出强度可以进一步呈现逼真的色彩。而显示器通常通过对红、绿、蓝子像素进行调整来实现白光，也就是所谓的白平衡。因此，利用rgb滤色技术实现彩色再现，是平板显示不可缺少的关键技术。传统的吸收式滤色片就是其中的一种。然而，吸收型滤色片通常由光谱较宽的光刻胶(pr)组成，容易发生发射光谱重叠和色串扰。可以通过吸收不需要的波长来设计所需的光谱传输，但要以高能量损耗、低效率和窄色域为代价。然而，在传统的吸收式滤色片中，当其子像素面积相等时，由于蓝光泄漏，需要通过tft控制液晶面板的透过率来实现白平衡或者改变子像素的面积。但当器件用于光致发光色彩转换层，tft方法就不再适用，且tft方法电路复杂。同样，传统的oled三色显示器可以通过改变像素窗口大小来实现白平衡。常见的oled像素排列有几种，包括pentile排列、diamond排列、delta排列和boe屏幕排列。量子点色彩转换膜是一种替换传统吸收式滤光片的新型产品。近年来，量子点色彩转换膜已成为lcd、oled、mini-led和micro-led显示器的研究热点。而对于白平衡的实现，目前还没有研究过。综上，现有的技术都无法为量子点色彩转换的白平衡提出一种可靠的实现方法。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的在于提供一种基于量子点色彩转换的白平衡实现方法，该方法有利于准确、可靠地实现量子点色彩转换白平衡。
[0004]
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于量子点色彩转换的白平衡实现方法，采用激发光源为可见光蓝光波段内的led作为背光源，其发出的蓝光经过像素化的量子点色彩转换膜的吸收、色转换与散射，在空间混光实现出光白平衡；其中，所述量子点色彩转换膜的每个像素均由含红、绿、蓝三基色的子像素组成，且每个子像素底部均有至少一颗蓝光led背光源与之形成空间位置的对应关系，使所述量子点色彩转换膜中红、绿、蓝子像素的面积比满足以下面积比关系式，以实现出光白平衡：
[0005]
s
r
η
r
:s
g
η
g
:s
b
η
b
＝p
r
:p
g
:p
b
[0006]
式中，s
r
、s
g
、s
b
分别为量子点色彩转换膜中红、绿、蓝三种子像素的面积大小；η
r
、η
g
、η
b
分别为量子点色彩转换膜中红、绿、蓝三种颜色对背光源的转换效率；p
r
、p
g
、p
b
分别为量子点色彩转换膜中红、绿、蓝三种颜色的发光功率。
[0007]
进一步地，量子点色彩转换膜中红、绿、蓝三种颜色对背光源的转换效率η
r
、η
g
、η
b
，由下式定义：
[0008][0009]
式中，转换效率η为量子点色彩转换膜在背光源的激发下，量子点色彩转换膜发射的光子数photons
发射
与背光源发出且被转换膜吸收的光子数photons
吸收
之比；p
r
、p
g
、p
b
分别为量子点色彩转换膜中红、绿、蓝三种颜色的发光功率，由以下表达式定义：
[0010][0011][0012][0013]
式中，a
r
、a
g
、a
b
分别表示白平衡时光谱对应的红色峰值强度、绿色峰值强度、蓝色峰值强度；λ为光源光谱的波长，其区间范围和积分上下限为其发光波长波段；r(λ)、g(λ)、b(λ)分别表示不考虑峰值强度的红色量子点、绿色量子点、蓝色背光的归一化发光光谱；当量子点色彩转换膜受蓝光led背光源激发达到白平衡时，其光谱函数为：
[0014][0015]
同时，相应的量子点以及光源光谱对应的色坐标(x,y)为：
[0016][0017]
上述色坐标表达式中，x和y为未达到白平衡时的光谱所对应的色坐标，上述色坐标表达式中，x和y为未达到白平衡时的光谱所对应的色坐标，为cie1931标准色度观察者光谱三刺激值。
[0018]
进一步地，在已知红、绿量子点和蓝光led背光源参数的情况下，通过设定和制备不同面积大小的量子点色彩转换膜中红、绿、蓝子像素，实现出光白平衡，其流程包括如下步骤：
[0019]
s1：分别测得红、绿量子点以及蓝光led背光源的发射光谱，得到红、绿、蓝三种颜色的半峰宽、中心波长和转换效率η；进行归一化，构建出红色量子点、绿色量子点、蓝色背光的归一化光谱r(λ)、g(λ)、b(λ)；
[0020]
s2：在cie1931系统下，设定需达到的白平衡目标色坐标，即设定达到白平衡时的目标色坐标为(x
white
,y
white
)；
[0021]
s3：将得到的红、绿、蓝三种颜色的半峰宽和中心波长，以及目标白平衡参数(x
white
,y
white
)代入色坐标(x,y)表达式，得到白平衡时的光谱函数进一步计算得到红色峰值强度a
r
、绿色峰值强度a
g
、蓝色峰值强度值a
b
及其三者之间相对比值a
r
：a
g
：a
b
；
[0022]
s4：将计算得到的红色峰值强度a
r
、绿色峰值强度a
g
、蓝色峰值强度a
b
代入p
r
、p
g
、p
b
的表达式中，求出白平衡光谱下红、绿、蓝三种颜色的发光功率；
[0023]
s5：将步骤s1得到的三种颜色的转换效率η以及步骤s4得到的发光功率p代入子像素面积比关系式，求得红、绿、蓝三种颜色子像素的面积比s
r
：s
g
：s
b
，根据面积比和蓝光led背光源尺寸，先确定某一个颜色的子像素面积作为基准，进而计算出另外两个颜色子像素的面积。
[0024]
进一步地，所述蓝光led背光源也可以采用mini led或micro led组成的点阵阵列或线阵阵列，每个led上均有均匀膜厚的量子点色彩转换子像素单元与之对应，且子像素之间具有阻光黑矩阵；所述光源光谱、量子点材料的发射光谱波长λ属于可见光波段，波长范围在380nm到780nm之间。
[0025]
进一步地，所述色坐标表达式是仅与光谱有关的函数，当已知中心波长和半峰宽时，色坐标仅由发光峰的峰值强度唯一确定，即当白平衡色坐标值(x
white
,y
white
)确定时，红、绿、蓝三色光的峰值强度a
r
、a
g
、a
b
也唯一确定。
[0026]
进一步地，达成所述白平衡时，光致发光的发射光谱由红、绿、蓝三个独立发光峰组成，当三个峰的半峰宽和中心波长已知时，调节三个峰的峰值大小，即得到白平衡的色坐标与光致发光的发射光谱图的一一对应关系；所述步骤s2中，设定的白平衡目标色坐标求得的a
r
：a
g
：a
b
的值是唯一的，即量子点光致发光的发射光谱图唯一，最后得到的子像素面积也唯一确定。
[0027]
进一步地，所述量子点材料采用bas、agins
2
、nacl、fe
2
o
3
、in
2
o
3
、inas、inn、inp、cds、cdse、cdte、zns、znse、znte、gaas、gan、gas、gase、ingaas、mgs、mgse、mgte、pbs、pbse、pbte、cd(sxse
1-x
)、batio
3
、pbzro
3
、cspbcl
3
、cspbbr
3
、cspbi
3
中至少一种；所述量子点粒径为1nm到20nm。
[0028]
进一步地，所述步骤s4中，求解发光功率p的波长间隔取值为0.1nm～10nm之间，其取值越小，输出光谱的误差越小，精度越高，得到的发光功率越精确。
[0029]
进一步地，所述led发光截面宽度不超过量子点色彩转换膜的子像素发光宽度与相邻黑矩阵宽度之和。
[0030]
进一步地，所述方法不仅适用于三基色量子点色彩转换膜，也适用n基色量子点色彩转换膜，n≥3，当达到白平衡时，n基色子像素的面积比满足：
[0031]
s
1
η
1
:s
2
η
2
:s
3
η
3
:......:s
n
η
n
＝p
1
:p
2
:p
3
:......:p
n
。
[0032]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种基于量子点色彩转换的白平衡实现方法，通过蓝色光源激发红色、绿色量子点来实现出射红、绿、蓝三色光，再通过改变子像素面积大小，调整出光效果来实现白平衡；本方法能够根据红、绿量子点以及蓝光led背光源光谱的发射光谱，推导出在白平衡情况下，基于量子点色彩转换的子像素面积、发光功率及转换效率的关系，进而准确和高效地计算出达到白平衡时，红、绿、蓝三种颜色子像素的面积比。因此，本发明对实现基于量子点色彩转换的白平衡提供了一种技术依据，在现代平板显示技术应用中具有重要意义。
附图说明
[0033]
图1为本发明实施例的方法实现流程图。
[0034]
图2为本发明实施例中用于量子点色彩转换膜的白平衡的结构模型图。
[0035]
图3为本发明实施例中基于量子点色彩转换的白平衡实现方法的白平衡光谱。
[0036]
图中，1为阻光黑矩阵，2为红色子像素，3为绿色子像素，4为蓝色子像素，5为集光反射罩，6为mini led。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0038]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0039]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0040]
本发明提供了一种基于量子点色彩转换的白平衡实现方法，采用激发光源为可见光蓝光波段内的led作为背光源，其发出的蓝光经过像素化的量子点色彩转换膜的吸收、色转换与散射，在空间混光实现出光白平衡；其中，所述量子点色彩转换膜的每个像素均由含红、绿、蓝三基色的子像素组成，且每个子像素底部均有至少一颗蓝光led背光源与之形成空间位置的对应关系，使所述量子点色彩转换膜中红、绿、蓝子像素的面积比满足以下面积比关系式，以实现出光白平衡：
[0041]
s
r
η
r
:s
g
η
g
:s
b
η
b
＝p
r
:p
g
:p
b
[0042]
式中，s
r
、s
g
、s
b
分别为量子点色彩转换膜中红、绿、蓝三种子像素的面积大小；η
r
、η
g
、η
b
分别为量子点色彩转换膜中红、绿、蓝三种颜色对背光源的转换效率；p
r
、p
g
、p
b
分别为量子点色彩转换膜中红、绿、蓝三种颜色的发光功率。
[0043]
量子点色彩转换膜中红、绿、蓝三种颜色对背光源的转换效率η
r
、η
g
、η
b
，由下式定义：
[0044][0045]
式中，转换效率η为量子点色彩转换膜在背光源的激发下，量子点色彩转换膜发射的光子数photons
发射
与背光源发出且被转换膜吸收的光子数photons
吸收
之比。对应于η
r
、η
g
、η
b
，η
r
、η
g
分别表示为红色量子点、绿色量子点色彩转换膜发射的光子数与背光源发出的总光子数中被红色量子点、绿色量子点色彩转换膜吸收的光子数之比，至于η
b
，由于蓝色子像素的位置是空的，所以蓝色led背光源的光可以直接通过，η
b
＝100％。
[0046]
p
r
、p
g
、p
b
分别为量子点色彩转换膜中红、绿、蓝三种颜色的发光功率，由以下表达式定义：
[0047][0048][0049][0050]
式中，a
r
、a
g
、a
b
分别表示白平衡时光谱对应的红色峰值强度、绿色峰值强度、蓝色峰值强度；λ为光源光谱的波长，其区间范围和积分上下限为其发光波长波段，例如红色为λ
r1
到λ
r2
；r(λ)、g(λ)、b(λ)分别表示不考虑峰值强度的红色量子点、绿色量子点、蓝色背光的归一化发光光谱；当量子点色彩转换膜受蓝光led背光源激发达到白平衡时，其光谱函数为：
[0051][0052]
同时，相应的量子点以及光源光谱对应的色坐标(x,y)为：
[0053][0054]
上述色坐标表达式中，x和y为未达到白平衡时的光谱所对应的色坐标，上述色坐标表达式中，x和y为未达到白平衡时的光谱所对应的色坐标，为cie1931标准色度观察者光谱三刺激值。
[0055]
本发明方法在已知红、绿量子点和蓝光led背光源参数的情况下，通过设定和制备不同面积大小的量子点色彩转换膜中红、绿、蓝子像素，实现出光白平衡，其流程包括如下步骤：
[0056]
s1：分别测得红、绿量子点以及蓝光led背光源的发射光谱，得到红、绿、蓝三种颜色的半峰宽、中心波长和转换效率η；进行归一化，构建出红色量子点、绿色量子点、蓝色背光的归一化光谱r(λ)、g(λ)、b(λ)。
[0057]
s2：在cie1931系统下，设定需达到的白平衡目标色坐标，即设定达到白平衡时的目标色坐标为(x
white
,y
white
)。
[0058]
s3：将得到的红、绿、蓝三种颜色的半峰宽和中心波长，以及目标白平衡参数(x
white
,y
white
)代入色坐标(x,y)表达式，得到白平衡时的光谱函数进一步计算得到红色峰值强度a
r
、绿色峰值强度a
g
、蓝色峰值强度值a
b
及其三者之间相对比值a
r
：a
g
：a
b
。
[0059]
s4：将计算得到的红色峰值强度a
r
、绿色峰值强度a
g
、蓝色峰值强度a
b
代入p
r
、p
g
、p
b
的表达式中，求出白平衡光谱下红、绿、蓝三种颜色的发光功率p
r
、p
g
、p
b
。
[0060]
s5：将步骤s1得到的三种颜色的转换效率η以及步骤s4得到的发光功率p代入子像素面积比关系式，求得红、绿、蓝三种颜色子像素的面积比s
r
：s
g
：s
b
，根据面积比和蓝光led背光源尺寸，先确定某一个颜色的子像素面积作为基准，进而计算出另外两个颜色子像素的面积。
[0061]
在本实施例中，所述蓝光led背光源也可以采用mini led或micro led组成的点阵阵列或线阵阵列，每个led上均有均匀膜厚的量子点色彩转换子像素单元与之对应，且子像素之间具有阻光黑矩阵。这里的量子点色彩转换子像素单元是指量子点色彩转换膜中组成像素的子像素，即量子点色彩转换膜的红色子像素、量子点色彩转换膜的绿色子像素、量子点色彩转换膜的蓝色子像素。所述光源光谱、量子点材料的发射光谱波长λ属于可见光波段，波长范围在380nm到780nm之间。
[0062]
在本实施例中，所述色坐标表达式是仅与光谱有关的函数，当已知中心波长和半峰宽时，色坐标仅由发光峰的峰值强度唯一确定，即当白平衡色坐标值(x
white
,y
white
)确定时，红、绿、蓝三色光的峰值强度a
r
、a
g
、a
b
也唯一确定。
[0063]
在本实施例中，达成所述白平衡时，光致发光的发射光谱由红、绿、蓝三个独立发光峰组成，当三个峰的半峰宽和中心波长已知时，调节三个峰的峰值大小，即得到白平衡的色坐标与光致发光的发射光谱图的一一对应关系；所述步骤s2中，设定的白平衡目标色坐标求得的a
r
：a
g
：a
b
的值是唯一的，即量子点光致发光的发射光谱图唯一，最后得到的子像素面积也唯一确定。
[0064]
在本实施例中，所述量子点(包括红色量子点和绿色量子点)材料采用bas、agins
2
、nacl、fe
2
o
3
、in
2
o
3
、inas、inn、inp、cds、cdse、cdte、zns、znse、znte、gaas、gan、gas、gase、ingaas、mgs、mgse、mgte、pbs、pbse、pbte、cd(sxse
1-x
)、batio
3
、pbzro
3
、cspbcl
3
、cspbbr
3
、cspbi
3
中至少一种；所述量子点粒径为1nm到20nm。
[0065]
在本实施例中，所述步骤s4中，求解发光功率p的波长间隔取值为0.1nm～10nm之间，其取值越小，输出光谱的误差越小，精度越高，得到的发光功率越精确。
[0066]
在本实施例中，所述led发光截面宽度不超过量子点色彩转换膜的子像素发光宽度与相邻黑矩阵宽度之和。作为非必要可选地，可在每个led上可设置集光反射罩，该集光罩的下底面开口尺寸大于led发光面积，上端面开口尺寸应大于子像素开口尺寸且不覆盖相邻子像素，用于防止该led光源对其他子像素的激发形成串扰。
[0067]
所述方法不仅适用于三基色量子点色彩转换膜，也适用n基色量子点色彩转换膜，n≥3，当达到白平衡时，n基色子像素的面积比满足：
[0068]
s
1
η
1
:s
2
η
2
:s
3
η
3
:......:s
n
η
n
＝p
1
:p
2
:p
3
:......:p
n
。
[0069]
图1所示为本发明实施例中基于量子点色彩转换的白平衡实现方法的流程框图，其流程是：测得红、绿量子点、蓝光led背光源光谱的发射光谱，得到红、绿、蓝三种颜色的半峰宽、中心波长和转换效率η；进行归一化，构建归一化的红色量子点、绿色量子点、蓝色背光的三色发光光谱r(λ)、g(λ)、b(λ)；设定目标白平衡参数(x
white
,y
white
)；将目标白平衡参数代入色坐标表达式可以得到白平衡时的光谱a
r
、a
g
、a
b
及其比值；将a
r
、a
g
、a
b
代入求出白平衡光谱下的红、绿、蓝三种颜色的发光功率p
r
、p
g
、p
b
；将得到的三色的转换效率η、发光功率p带入表达式求得红、绿、蓝三种颜色子像素面积的比值s
r
：s
g
：s
b
；根据面积比和蓝
光led背光源尺寸，先确定某一个颜色的子像素面积作为基准，进而计算出另外两个颜色子像素的面积。
[0070]
图2所示为本发明实施例中所设计的用于量子点色彩转换膜的白平衡的结构模型图，采用激发光源为可见光蓝光波段内的mini led 6作为背光光源，其发出的蓝光经过像素化的量子点色彩转换膜的吸收、色转换与散射，最后在空间混光实现出射光白平衡。其中，该量子点色彩转换膜的每个像素均由含红2、绿3、蓝4三基色的子像素组成，并且每个子像素底部均有至少一颗背光mini led 6与之形成空间位置的对应关系，mini led 6发光截面宽度应不超过量子点色彩转换膜的子像素发光宽度与相邻黑矩阵1宽度之和；作为非必要可选地，可在每个led上可设置集光反射罩5，该集光罩5的下底面开口尺寸大于mini led 6发光面积，上端面开口尺寸应大于子像素开口尺寸且不覆盖相邻子像素，用于防止该mini led 6光源对其他子像素的激发形成串扰。
[0071]
具体实施过程如下：
[0072]
第一步，测得红、绿量子点、蓝光led背光源光谱的发射光谱，得到红、绿、蓝三种颜色的半峰宽、中心波长和转换效率η；
[0073]
红色量子点的中心波长为628纳米，半峰宽为21.4纳米，转换效率为18.0％；绿色量子点的中心波长为540.5纳米，半峰宽为27.9纳米，转换效率为24.3％；蓝光led背光源的中心波长为450纳米，半峰宽为21.2纳米，转换效率为100％。
[0074]
第二步，进行归一化，构建归一化的红色量子点、绿色量子点、蓝色背光的三色发光光谱。
[0075]
为了得到白平衡时的红色量子点、绿色量子点、蓝色背光的三色发光光谱的峰值强度，将红色量子点、绿色量子点、蓝色背光的三色发光光谱系数都归一化，即设为1。
[0076]
第三步，设定目标白平衡参数(x
white
,y
white
)。
[0077]
设定基于量子点色彩转换的白平衡色坐标(0.313,0.329)，即x
white
＝0.313，y
white
＝0.329。
[0078]
第四步，将目标白平衡参数代入色坐标表达式可以得到白平衡时的光谱a
r
、a
g
、a
b
。
[0079]
将目标白平衡色坐标带入表达式可以得到白平衡光谱数据，表达式为：
[0080][0081]
其中满足表达式为：
[0082]
[0083]
式中，是cie1931标准色度观察者光谱三刺激值；λ为光源光谱的波长，其区间范围和积分上下限为其发光波长波段，例如红色为380nm到780nm；r(λ)、g(λ)、b(λ)分别表示不考虑峰值强度的红色量子点、绿色量子点、蓝色背光的归一化的发光光谱；a
r
、a
g
、a
b
分别表示白平衡时光谱对应的红色峰值强度、绿色峰值强度、蓝色峰值强度,得到a
r
：a
g
：a
b
＝1.04：1：1。
[0084]
第五步，将a
r
、a
g
、a
b
代入p
r
、p
g
、p
b
的表达式中，求出白平衡光谱下的红、绿、蓝三种颜色的发光功率p
r
、p
g
、p
b
。
[0085]
将a
r
、a
g
、a
b
代入到发光功率的表达式中，表达式为：
[0086][0087][0088][0089]
式中，p
r
、p
g
、p
b
分别是量子点色彩转换膜中红、绿、蓝三种颜色的发光功率，即p
r
：p
g
：p
b
＝1.05：1.32：1。
[0090]
第六步，将得到的三色的转换效率η、发光功率p带入表达式求得红、绿、蓝三种颜色子像素面积的比值s
r
：s
g
：s
b
。
[0091]
该量子点色彩转换膜上的红绿蓝子像素的面积比满足下述表达式时可实现出光白平衡：
[0092]
s
r
η
r
:s
g
η
g
:s
b
η
b
＝p
r
:p
g
:p
b
[0093]
式中，s
r
、s
g
、s
b
分别为量子点色彩转换膜中红、绿、蓝三种子像素的面积大小；η
r
、η
g
、η
b
分别是量子点色彩转换膜中红、绿、蓝三种颜色对背光源的转换效率，可以由下式定义：
[0094][0095]
式中，转换效率η为量子点色彩转换膜在背光源的激发下，量子点色彩转换膜发射的光子数与背光源发出且被转换膜吸收的光子数之比，得到s
r
：s
g
：s
b
＝5.83：5.48：1。
[0096]
第七步，根据面积比和蓝光led背光源尺寸，先确定某一个颜色的子像素面积作为基准，进而计算出另外两个颜色子像素的面积。
[0097]
如图2所示，该量子点色彩转换膜的每个像素均由含红绿蓝三基色的子像素组成，并且每个子像素底部均有至少一颗蓝光led背光源与之形成空间位置的一一对应关系，先确定量子点色彩转换膜中蓝色子像素面积作为基准，进而计算出红、绿子像素的面积。蓝色子像素面积大小为200μm
×
30μm，红色子像素面积大小为200μm
×
175μm，绿色子像素面积大小为200μm
×
165μm。
[0098]
在本实施例中，在量子点色彩转换的白平衡色坐标(0.313,0.329)下，得到三个发
光峰的相对强度比值，并绘制光谱的函数图像，绘制出的白平衡光谱如图3所示。
[0099]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。