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LED显示屏的技术及其市场和产业发展

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/1/29     浏览次数:    

  关积珍1,陆家和2 (1.北京四通智能交通系统集成有限公司,北京100081;2.华北光电技术研究所,北京100015)


摘要:
  文章介绍了LED显示屏的应用和目前LED显示屏的主要技术,回顾了我国LED显示屏产业的发展历程,总结分析了我国LED显示屏的市场现状和发展状况,提出了对LED显示屏及其产业发展的几点认识。

  关键词:LED显示屏;像素;光电器件显示屏从八十年代后期在全球迅速兴起,在短短的十几年中,技术、产业都取得了长足的进步,已发展成为重要的现代信息发布媒体手段,在证券交易、金融、交通、体育、广告等领域得到广泛应用,随着社会信息化的进程,LED显示屏在信息显示领域的应用愈加广阔。本文对LED显示屏的技术和产业的发展予以介绍和讨论。


1.LED显示屏主要技术
  LED显示屏是由像素模块拼装而成,对单个像素模块的引出线利用计算机进行控制输入脉冲电流,使发光二极管的亮度发生变化;改变占空比,使亮度出现灰度等级,就可以使一个像素点变化出五颜六色来。众多这样的像素组合就成为画面,如同电视机、监视器一样,播放各种文字和图象。
  LED显示屏产品系列很多,根据使用环境分为室内显示屏和室外显示屏,根据发光像素的大小分为φ3、φ3.75、φ5、φ8、φ15、φ19、φ26等,根据发光像素的颜色分为单色、红绿双基色、红绿蓝三基色(全彩色)等,根据显示控制方式分为通讯屏、视频显示屏,也有根据使用特点分类的,如条屏、点阵屏、点阵数码混合屏、道路交通可变情报板等等。不同类型和不同性能的LED显示屏,在材料构成、制作工艺、控制技术等方面区别比较大,技术内涵差异明显,即使同类型、同性能的产品,不同的生产厂家所采用的技术也有很大不同。
  总体上,LED显示屏的技术范围包括了半导体光电器件技术、电子电路技术、集成电路技术、信息图像处理传输技术、计算机网络技术以及电子产品制造和电子产品安装工程相关的技术。应该说,我国LED显示屏产业在规模发展的同时,产品技术推陈出新,一直保持了比较先进的水平。九十年代初即具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国际先进水平技术,近年在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无线控制、多级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现;LED显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。在LED显示屏的发展中,以下具体技术应用相对普遍,并在实践中有所发展。
  1.1LED显示屏的显示颜色、亮度和视角基础半导体工业的迅猛发展,带动了发光二极管制造材料以及制作工艺的改进,在颜色与亮度方面都有了质的飞跃,高亮度、蓝色及纯绿色发光二极管已产业化并得到应用。目前LED显示屏从颜色上能满足室内外不同环境下的单色、双基色、全彩色显示要求,四元素的红色LED器件及高亮度蓝色、纯绿色在室外显示屏中得到普遍应用。
  LED显示屏的亮度、视角等性能指标是高度相关的,同时又与显示屏的分辨率(点阵密度)有很大关系。单纯的以其中的某一项指标很难进行评价。
  一般的室外显示屏要求亮度高,但视角普遍不大,多为70~90°,亮度可达到5000~8000cd/m2,分辨率从1000~10000点/m2不等,特殊使用要求的显示屏如高速公路可变情报板视角要求较小(30°),其亮度在1000点/m2情况下也可达到6000cd/m2以上,甚至到10000cd/m2。有公司通过设计改进安装方式以及与之配套的生产工艺,在保证亮度满足户外使用的基础上,使全彩色显示屏的水平视角可达到120°,最大能将视角扩大到150°。室内显示屏的点阵密度通常在10000点/m2以上,视角一般在120°,亮度在1000cd/m2以上,完全满足室内环境使用要求。
  在显示屏制作上采用SMD表贴技术的LED器件,可以获得更好的视角和亮度,目前已在高密度、全彩色室内显示屏中得到应用。但是成本比较高,近期尚难以市场广泛普及和推广。
  1.2灰度控制技术显示屏在显示视频图像等内容时,为取得良好的显示效果,普遍采用灰度控制技术。对同一基色采用级差间隔亮度,实现颜色的组合,一般可做到16级、64级、256级灰度。为使显示效果更符合人眼的视觉特性,出现了非线性级差调灰技术,即在低亮度区级差小,增加级数,逐步到高亮度区时增大级差,形成视觉效果上的“级差一致性”。目前LED显示屏灰度控制一般都在256级,通过采用非线性调灰技术,显示屏的显示效果比较理想。也有公司宣称灰度控制在1024、4096级甚至更高,但实际上,数据、图像的信号源所能提供的图像也就256级灰度,一昧追求大数量级的灰度控制,在使用中是没有实际价值的。
  1.3驱动电路显示屏驱动电路的主要作用是接受来自控制系统的数字信号,将发光二极管点亮,实现在LED显示屏上的信息的显示。LED显示屏广泛使用的驱动电路是基于通用型集成电路来设计的,如:74HCl64、CD4015、74HC595、6B595、ULN2803等等,大多为移位寄存器和达林顿驱动器。采用常规型驱动IC进行电路设计,原理比较简单,价格便宜,产品的技术开放性比较强。通用IC设计的驱动电路在室内外单色、双基色显示屏方面应用成熟,目前仍然是主流的驱动电路,近年随着恒流驱动IC的发展,根据LED器件的发光与驱动电流高度相关的特点,恒流驱动控制技术也得到应用,大大提高了LED显示的均匀性,同时,减少了显示驱动电路的阻容元件,降低了故障点,使LED显示屏更可靠、亮丽。
  由于通用驱动IC的集成度较低,电路板的布线设计庞杂,对于高密度的显示屏往往使用双层PCB板,在使用上存在一定的隐患,对于全彩色等显示屏问题更为突出。近年,LED显示屏专用的IC在国内外都有所发展,国外的IC制造商相继推出一些用于LED显示的专用IC驱动芯片,如TI公司推出的LEDDriver等,这类芯片对原来通用驱动IC的集成度进行了提高,使显示屏的驱动电路设计简捷方便,功能上也有所提高,但同时成本也相应增加。国内的中庆数字设备有限公司在1997年也推出了LED驱动专用集成电路ZQ9701。
  国内外LED显示屏制造商也纷纷投入力量,研制开发设计适合自己产品发展需要的大规模或超大规模集成的专用LED驱动集成电路,国外厂商在90年代即有使用,国内厂家近年在全彩色显示屏的制造上也有使用。这类LED专用的IC相对复杂,功能较强,一般至少可以同时驱动8个独立的发光像素,实现256级灰度显示。有些厂商开发的LED专用驱动IC还包括了显示屏的控制功能,如郑州中显公司开发的PW专用LED驱动IC采用0.35μmASIC工艺,具有多路并行数据输入接口、多路并行数据输出驱动接口、192路驱动输出(可控制64个像素,红、绿、蓝各64点),每路8位至10位并行输入接口,可实现256级至1024级灰度显示,并具有独立的脉冲调宽时钟接口,可以对红、绿、蓝三基色分别进行调色,该IC还具有同步和异步两种刷新方式,实现了整屏刷新,刷新频率可提高到100Hz或120Hz,减少、消除了高亮度下的屏幕闪烁。
  第6期激光与红外467LED专用驱动IC简化了显示屏系统设计的复杂程度,在一定程度上增强了显示屏的功能,提高了整体的稳定性,具有积极的意义。但是,也应该看到,各个LED制造商设计开发的LED专用驱动IC基本上是自用,批量规模不够,导致产品开放性差,另外,过分追求一些实际意义不大的功能的设计,应从价值成本方面综合考虑。
  1.4系统控制技术对显示屏所要显示的信息内容的接受、转换以及处理外部信号并将信号转化为具体的显示内容,是LED显示屏控制技术所要实现的。一般地说,显示屏的控制系统包括了输入接口电路、信号的控制、转换和数字化处理电路、输出接口电路等,涉及的具体技术很多,在此择要介绍。
  1)、串行传输与并行传输LED显示屏上数据的传输方式主要有串行和并行两种,目前广为采用的主要为串行控制技术。这种控制方式的显示屏的每一个单元内部的不同驱动电路、各级联单元之间每个时钟仅传送一个位(具体实现时每种颜色各一位)的数据。采用这种方式,可采用的驱动IC种类较多,不同显示单元之间的联线较少,可减少显示单元上的数据传输驱动元件,从而提高整个系统的可靠性和具体工程实现的容易程度。
  2)、动态扫描与静态锁存从系统控制实现显示信息的刷新原理有动态扫描技术和静态锁存技术,一般室内显示屏多采用动态扫描技术,若干行发光二极管共用一行驱动寄存器,根据共用一行驱动寄存器的发光二极管像素数目,具体有1/4、1/16扫描等。室外显示屏基本上采用的是静态锁存技术,即每一个发光二极管都对应有一个驱动寄存器。相对于扫描而言,静态锁存控制的驱动寄存器无需时分工作,从而保证了每一个发光二极管的亮度占空比为100%。
  3)、Τ校正技术(GAMMACORRECTION)由于LED显示屏本身不具有CRT的T特性,因此,在全彩色显示屏的控制技术上,通常对输入的视频信号进行Τ校正处理。所谓Τ校正就是对色度曲线的选择,色度曲线的不同对图像颜色、亮度、对比及色度有极大影响。在不同情况下适度调整色度曲线可以达到最佳质量画面。Τ校正一般有模拟校正和数字校正两种处理方法。目前有些厂家在全彩屏的每一控制板内都嵌入了Τ校正功能,可以灵活选择所要的色度,其曲线数值在控制板上存储,且对红、绿、蓝每色的曲线数值分别单独存储。
  4)、输入接口技术目前显示屏在信号输入接口上可以满足全数字化信号输入、模拟信号输入、全数字化信号和模拟信号二者兼容的输入以及高清晰度电视信号输入等多种方式。
  全数字化信号输入方式接受外部全数字化输入信号,在使用多媒体卡的显示屏系统中,控制系统的输入接口即为全数字化信号输入方式。多媒体卡将视频模拟信号及计算机自身的信号转换成符合控制系统输入要求的数字信号,这种形式显示计算机信息时效果很好;在显示视频图像时,如果由于计算机本身及软件的性能不好,容易出现图像模糊以及玛赛克等现象。
  模拟信号输入方式只能接受外部模拟输入信号。这种输入方式的显示屏增加了模数转换电路,将视频信号或来自计算机显卡的模拟信号转换为全数字信号后进行处理。在显示视频图像时效果很好,但显示计算机信息有时会出现局部拖尾。
  全数字化信号和模拟信号二者兼容的输入方式是优势二种输入方式的有机结合,能接受模拟输入信号以及全数字化输入信号,在显示视频图像和计算机信息时均能达到理想的显示效果。在此基础上,增加部分转换电路,将高清晰度电视信号还原成红、绿、蓝三基色数字信号以及外同步信号,可显示高清晰度电视(HDTV)的图像。
  5)、自动检测、远程控制技术LED显示屏构成复杂,特别是室外显示屏,供电、环境亮度、环境温度条件等对显示屏的正常运行都直接影响,在LED显示屏的控制系统中可根据需要对温度、亮度、电源等进行自动检测控制。也可根据需要远程实现对显示屏的亮度调节、色度调节、图像水平和垂直位置的调节、工作方式的转换等等。
  1.5通讯传输和网络控制根据对信息传输显示的实时性,LED显示屏的通讯传输控制有通讯传输和视频传输。通讯传输采用标准的RS232或RS485计算机数据串行通讯方式,通过串口按一定的通讯协议接收来自计算机串口或其它设备串口的信号,经过处理后按一定的规律传送到显示屏上显示。这种控制方式的显示屏的功能比较单一,适用于简单文字、图形显示,主要是单色及双基色显示屏控制使用。一般情况下直接传输距离可达千米。视频传输方式则是把LED显示屏与多媒体技术结合起来,实现了在LED显示屏上实时显示计算机监视器上的内容,也可播放录像及电视节目,一般用于播放实时信息的显示屏都采用视频控制方式。具体传输是采用成对的专用长线传输468激光与红外第33卷接口电路。
  另外,随着计算机网络技术的发展,LED显示屏在网络环境下的使用情况越来越多,在多媒体、多种显示设备组成的信息显示系统中,采用智能化网络控制,联网控制多屏技术也在实际中得到应用。

   2.我国LED显示屏产业发展现状及市场规模
   2.1LED显示屏在我国的发展历程我国LED显示屏产业的发展至今经历了以下阶段:
  (1)1990年以前是LED显示屏的成长形成时期。这一时期的LED显示屏在国外应用较广,国内很少,产品以红、绿双基色为主,控制方式为通讯控制,灰度等级为单点4级调灰,产品的成本比较高。
  (2)1990—1995年,这一阶段是LED显示屏迅速发展的时期。随着LED材料和控制技术方面不断出现的新成果,LED显示屏得到广泛应用,产业迅速发展。这一阶段,LED显示屏在我国从初期的几家企业、年产值几千万元发展到几十家企业、年产值几亿元,产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路车站、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域,LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。
  (3)1995年—2000年,LED显示屏的发展进入一个总体稳步提高、产业格局调整完善的时期。在LED显示屏产业内部竞争加剧,形成了许多中小企业,产品价格大幅回落,同时,产品的应用领域更为广阔,产品在质量、标准化等方面出现了一系列新的问题,有关部门对LED显示屏的发展予以重视并进行了适当的规范和引导。
  (4)进入新世纪,光电子产业得到广泛的重视,一些具有实力和影响的企业把LED显示屏作为经营战略发展的重要内容,涉足LED显示屏产业,中国加入WTO、北京申奥成功等,成为LED显示屏产业发展的契机,预计在近两年内,我国的LED显示屏产业将会有较大的调整和发展。
  2.2我国LED显示屏产业现状经过几年的发展,我国LED显示屏产业发展目前已初具规模,基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。据1998年底的不完全统计,全国LED行业年度销售总额在1000万元以上的企业有20多家,其销售总额达6亿元左右,占行业市场总额的85%以上;全国从事LED显示屏的各类企业有100余家,从业人员近6000人,行业年度销售总额8亿元人民币,此前的1996、1997年的增长速度均保持40%左右,1998年成立的中国光学光电子行业协会光电器件分会LED显示屏专业委员会,集中了全国有代表性和影响的LED显示屏主要生产企业,成立之初有55家成员单位,目前已发展80多家,基本上包括了全国LED显示屏行业的主导企业。
  全国LED显示屏行业的从业人数近9000人,其中专业技术人员约占全员的50%,具有中高级技术职称的有2400多人,约占全员的28%。这些人员大部分从事技术开发,就整个行业来说,具有较强的开发能力。
  据不完全统计,2000年度LED显示屏专业委员会成员单位的年产值已逾11亿元人民币,年度销售额超过了10亿元人民币。与1999年相比,全行业产销值的平均增长为10%以上,其中个别企业增长了近两倍,有几个企业增长了50%以上,大部分企业稳中有升,也有少数是下滑的,估计,这个产值占全国同行业的75%以上。目前国内主要LED显示屏制造厂商主要集中在华东、华北、华南区域,大型制造商的市场范围几乎覆盖整个国内市场。国内LED厂商数量也在逐年增加,目前比较上规模的(年产值在300万元以上)估计有150余家,其中年产值上千万的有20余家。而且由于国产LED显示屏的性价比比较高,市场占有率近100%,国外同类产品基本没有市场。
  从1998年1月原电子部正式发布实施《LED显示屏通用规范》作为电子行业标准至今,LED显示屏产业标准化工作也一直在积极开展。1998年初,中国光协光电器件分会正式成立了LED显示屏专业委员会,行业协会成立后,在引导规范行业发展、开展光电器件与LED显示屏产品技术及检测标准交流协调等方面积极开展工作,1999年在昆明召开了“LED器件与应用研讨会”,并组织起草了《LED显示屏检测方法》,在组织讨论修改后,于2000年8月正式印发,在LED显示屏专业委员会成员单位试行贯彻实施。2003年,《LED显示屏测试方法》作为信息产业部行业标准正式发布,同时,《LED显示屏通用规范》也进行了修改后重新发布。
  2003年初,中国光学光电子行业协会光电器件分会LED显示屏专业委员会经民政部批准升级更名为中国光学光电子行业协会发光二极管显示屏分会。
  2.3国内LED显示屏的市场从1993年至今,全国LED显示屏市场保持持续增长,年平均增长率为40%左右。因为缺乏统计的渠道,1996年以前的市场详细资料缺乏。1998年LED显示屏专业委员会成立后,对全国LED显示屏厂家的生产和市场销售情况进行了一次较全面的统计和估算。以LED显示屏专业委员会统计估算的1998年的8亿元人民币产值为基础,我们推测1996第6期激光与红外469年的LED显示屏市场产值应该是4亿多,实际统计1997年为6亿多,1999年为10亿多,2000年全国的LED显示屏市场产值为14~15亿。2001年实际统计的全国LED显示屏市场销售额约20亿元人民币,年增长率1996、1997、1999、2000、2001年均在40%左右,只有1998年为30%。在2001年全国LED显示屏市场销售额中,LED显示屏专业委员会成员单位占80%,有16亿多。
  根据中国光学光电子行业协会LED显示屏分会对80多个单位的调查,2002年全年销售额为19亿元人民币,比2001年的16亿元增长了18.75%,其中全彩色显示屏的增幅为33%。推算2002年全国LED显示屏销售额为24亿元,比2001年的20亿元增长了20%。2002年LED显示屏出口额为5亿元人民币,比2001年的3.5亿元增长了42%。规模较大、销售额在1000万元人民币以上的企业有40个左右,总销售额17亿元人民币,占全国的70%。
  我国近年LED显示屏市场增长率如下图所示:

  (单位:亿元人民币)目前在国内市场上,国产LED显示屏的市场占有率近100%,国外同类产品基本没有市场,四十三届世乒赛主会场天津体育中心、京九铁路、北京西客站、首都机场、浦东机场等,均由国内代表企业中标。

  根据LED显示屏专业委员会的统计,2001年成员单位的出口额约为4亿元人民币,其中全彩屏出口额3亿元,这是LED显示屏走向国际市场的良好迹象。据行业协会对80多个单位的统计,2002年的销售额19亿元中,出口额5亿元,其中全彩屏出口额4亿元。国产LED显示屏走出国门加入国际市场将使LED产业得到大的提升。

3.对我国LED显示屏产业发展的几点认识
(1)我国的LED显示屏产业基本上是在市场需求的引导下自主发展形成的,也是从事LED显示屏行业的广大科技工作者和经营管理队伍努力的结果,在我国LED显示屏市场的拓展中,不乏以技术和产品引导市场的典例。服从市场导向并积极引导市场仍将是未来LED显示屏产业发展的主要模式。
  (2)整个行业的总体规模趋势是业内企业总体数量逐年增加,国内外专业公司或部分上市企业纷纷加入,结构特点是以民营企业为主体,新兴企业占到其中的绝大多数,从业人员年龄结构比较轻,行业内企业规模参差不齐。实际上,虽然国内LED显示屏产品及市场发展迅速,厂家众多,但目前尚无任何一家企业取得10%以上的市场分额,处于群雄逐鹿的时代。
  (3)随着LED器件材料性能的不断提高,全彩色显示屏成为LED显示屏行业新的增长点,蕴含着极大的市场。据不完全统计,世界上目前至少有150家厂商生产全彩屏,其中产品齐全,规模较大的公司约有30家左右,主要分布在美国、欧洲、亚洲(日本、中国台湾、中国大陆)。国内从1994、1995年开始生产全彩色显示屏,到2001年底,全国范围内的全彩色LED显示屏达到300多块。就全彩色显示屏的综合水平来说,国内的全彩色LED显示屏除了价格和本地化服务的优势外,在技术深度、生产工艺等方面与国外产品有明显的差距。
  (4)我国加入WTO以及2008年北京奥运会的准备的进行,LED显示屏行业的竞争将更为激烈,但竞争将逐步变得有序,市场即将转入规模化、品牌化竞争,在未来三、五年中,会形成几家主导国内市场、与国际接轨的颇具实力的企业,显示屏市场将趋于成熟和相对稳定。同时,LED显示屏在户外广告、体育、交通和演出、展览、租赁、集会等领域的市场将有显著增加并逐步成为主导。

  (5)LED显示屏的标准化和规范化将成为LED显示屏发展的一个新趋势。LED显示屏行业是市场发展所形成,在市场经济环境下,质量和标准化是产业发展的重要保证。产品标准体系的形成,对企业及其产品和服务的要求趋于规范,基本生产条件不完善、技术深度不够、质量和售后服务体系不齐全的企业将受到市场的淘汰,预计今后几年内市场竞争中的不规范因素会减少。产品的标准化、规范化将成为产业健康发展的重要保证。


本文由合肥LED电子显示屏编辑整理。

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