專利名稱：液晶顯示器背景燈的控制和驅(qū)動電路裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及顯示板的背景照明，包括液晶顯示器(LCD)板的背景照明。
背景燈一般用在液晶顯示器(LCD)顯示信息時的照明。典型的LCD，例如有源陣列LCD，它包括配置在兩塊基片之間的液晶體。緊貼著一塊基片的是薄膜公共電極，而緊貼另一塊基片的是薄膜電極陣列。陣列中的每個電極連接到一個或多個薄有源元件和地址線，用來調(diào)節(jié)加在電極上的電壓。配置在每個像素電極和公共電極之間的液晶包括所述LCD的像素。所述陣列中的關(guān)于給定的像素的電極以下被稱為“像素電極”。
通常情況下，與其他光元件一起工作時，因為液晶分子的螺旋取向特性，LCD的像素液晶會透過入射光。當(dāng)電壓，比如通過地址線和有源元件，加在像素電極和公共電極之間時，液晶的螺旋取向被消除或調(diào)整，光被阻擋或避免通過該像素。
液晶本身并不發(fā)光，而是如上所述的或者透過或者阻擋光線。因此，一般情況下LCD配備“背景燈”，它給LCD的像素提供照明。因為背景燈一般是白色光源，彩色LCD的每個“像素” 通常包括三個分開的像素或“子像素”，它包含一個紅色，一個綠色和一個藍(lán)色濾光片。這三個子像素中每個所發(fā)的光，隨每個子像素的像素電極(或者，所述“子像素電極”)之間的電壓而變，它控制每個像素的顯示顏色。
如上所述，提供給LCD的背景光一般是白光源。通常希望顯示板上光強(qiáng)度盡可能穩(wěn)定以便在顯示器上提供高度均衡的圖像。

圖1圖示一種背景燈10的基本設(shè)計，它采用一個帶熒光燈14的拋物面反射鏡12，所述熒光燈14放在該拋物面反射鏡12的焦點上。因此該燈發(fā)出的光經(jīng)反射鏡12反射而垂直于散射面16，它提供了由表面16散射的更均勻的光強(qiáng)度的分布。
圖1所示的背景燈裝置10，因為拋物面反射鏡12需要寬度，它在LCD的一些應(yīng)用中是不現(xiàn)實的。參見圖2，圖中示出一臺薄型個人電腦(PC)40的LCD顯示板42基本的背景照明裝置。LCD板42的背景光源由二根細(xì)熒光燈44a和44b提供，它們在PC40的薄顯示器部分46內(nèi)位于LCD板42的邊緣。正如本領(lǐng)域眾所周知的，燈絲和導(dǎo)光裝置用來分配熒光燈44a、44b發(fā)出的光進(jìn)入LCD板42的側(cè)面，以使其相對均衡地分布在LCD板42的像素上，并且照向圖2所示LCD板42的視域表面。
背景燈的熒光照明的技術(shù)應(yīng)用的狀況，其基礎(chǔ)是帶有高頻(HF)逆變器電路的冷陰極熒光燈(CCFL)技術(shù)。但是，由此帶來的限制是這類背景照明系統(tǒng)通常會產(chǎn)生帶有預(yù)置顏色點的白光。所述CCFL的不同顏色的組件(如紅、綠和籃色)的光輸出的相對量，不能通過電子驅(qū)動裝置或者任何其他已有的方法來調(diào)節(jié)。(所述不同顏色的光輸出的相對量，具體地說，紅、綠和藍(lán)色光輸出的相對量，以下將稱作“色調(diào)”。它也涉及背景光輸出的顏色點)。所述CCFL背景燈在以下方面潛力有限提供對視頻信號輸出的均勻的基本支持，如對顯示圖像提供可變的顏色。
此外，所述CCFL幾乎不會有潛力以幫助在LCD顯示器上顯示高質(zhì)量的圖像，比如提供活動對象的視頻信號。目前LCD(包括驅(qū)動電路系統(tǒng))的典型響應(yīng)時間在50毫秒數(shù)量級，然而圖像幀速是120赫茲數(shù)量級，或者說幀周期在8.3毫秒量級。因為幀周期比LCD響應(yīng)時間短得多，LCD板受害于顯示快速活動視頻圖像時肯定存在的假信號。減小或消除此假信號的一種辦法是以幀周期幾分之一的時間間隔，接通和斷開LCD背景燈。但是，現(xiàn)在的高頻變頻器和CCFL卻有多于5毫秒的開/關(guān)響應(yīng)時間。這樣，CCFL就不能足夠快地切換以消除LCD顯示器上顯示圖像的假信號。因此對高質(zhì)量LCD板的背景燈，CCFL技術(shù)具有的潛力有限。
本發(fā)明包括LCD顯示器的一種發(fā)光二極管(LED)背景燈。所述背景燈可以包括例如紅、綠和藍(lán)色(“RGB”)LED的陣列或組合，它們與有關(guān)的驅(qū)動電路系統(tǒng)(包括驅(qū)動電極)一起，緊貼在LCD的后基片上。所述背景燈也可以選擇包括RGB LED的陣列或組合，它們與有關(guān)的驅(qū)動電路系統(tǒng)一起，緊貼在LCD的一個或多個側(cè)面或邊緣上。正如本領(lǐng)域眾所周知的，光波導(dǎo)或其他光元件使紅、綠和藍(lán)色光射向LCD的每位像素。所述LED背景燈提供易于大規(guī)模制造薄屏的一種較為簡單的設(shè)計。它也可以減少或去除在側(cè)面或邊緣背景照明中肯定需要的光學(xué)元件，也即利于大規(guī)模的制造。
RGB LED背景燈能被驅(qū)動以提供白色光。這就必然提供給LCD必要的背景照明。另外，一種顏色的LED可以被以相對較高或較低的電平(或者較長的持續(xù)時間)瞬間驅(qū)動，因而改變所發(fā)白光的顏色點，和/或瞬間或持續(xù)較長時間、增強(qiáng)或減弱背景光(或其部分)具體顏色的色調(diào)。三色的LED也能被同步驅(qū)動在不同的電平或比率，從而產(chǎn)生不同的白光點。這樣，所述LED背景燈的顏色點和/或色調(diào)可以在比如背景燈的光強(qiáng)度變化時，得以保持或控制。所述LED背景燈也可以動態(tài)地用于由視頻圖像信號流產(chǎn)生的圖像顯示中。根據(jù)視頻圖像信號流對每個像素的輝度信號Y進(jìn)行分布運(yùn)算可以得到整個圖像的光強(qiáng)度。為了有增強(qiáng)的對比度，基于LED的背景燈驅(qū)動器運(yùn)用分布數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)對應(yīng)背景光的強(qiáng)度。相應(yīng)地，每個像素的顏色信息可以用來調(diào)節(jié)背景燈的顏色點，以產(chǎn)生更好的色彩飽和度和色彩均衡的圖像。
RGB LED背景燈包括驅(qū)動電路系統(tǒng)，它可以包括調(diào)節(jié)功率的變頻器。RGB LED背景燈最好(如被用作視頻信號流的背景燈時)可以用快速脈沖電流模式驅(qū)動，它或者帶或者不帶直流DC偏置。LED具有毫微秒量級的非?？斓捻憫?yīng)時間，因此，LED光輸出的響應(yīng)時間實際上受制于加給LED的驅(qū)動功率電源的響應(yīng)時間。通過借助于其部件的響應(yīng)時間在微秒范圍內(nèi)的電源電路來調(diào)節(jié)LED的輸出，可以在微秒范圍內(nèi)動態(tài)地控制比如發(fā)自于紅色LED的紅光。比如，驅(qū)動電路系統(tǒng)可以利用紅色LED在數(shù)微秒內(nèi)脈沖調(diào)制紅光輸出。觀眾的眼睛將紅色LED的快脈沖輸出綜合成平均的紅光輸出。通過分開調(diào)節(jié)紅、綠和藍(lán)色LED的平均光輸出，LED背景燈的色彩點和/或色調(diào)(color point and/or color content)可以變化。通過分開的控制器可以獨(dú)立控制紅、綠和藍(lán)色LED的光輸出；該控制器對提供給LED陣列的紅、綠和藍(lán)色像素的電流施以、比如獨(dú)立的脈沖調(diào)制。使用響應(yīng)時間小于1毫秒的功率調(diào)節(jié)變換器足以滿足許多實際的應(yīng)用。
因此，背景燈的色彩點和/或色調(diào)取決于所述紅、綠或藍(lán)色LED所受驅(qū)動的相對時間量以及相對強(qiáng)度。如上所述，可以采用三個獨(dú)立的控制器來產(chǎn)生相對的光輸出；所述控制器一個用于紅色像素、一個用于綠色像素以及一個用于藍(lán)色像素。(如果紅、綠和藍(lán)色像素由LED背景燈依次驅(qū)動，眼睛也會將紅、綠和藍(lán)色光的順序合成為白色背景照明，或者如上所述，成另一種背景色彩。)因此，由LED背景燈照明的色彩點和/或色調(diào)，可以比CCFL背景燈快得多地(如在快脈沖變換器的微秒量級)被控制和改變。因此，通過調(diào)節(jié)顏色的相對光輸出，可以保持色彩點和/或色調(diào)，以補(bǔ)償可能發(fā)生的改變(比如，當(dāng)LED背景燈的強(qiáng)度改變時，或者當(dāng)LED背景燈的溫度改變時)。
就LCD顯示板上視頻信息的顯示而言，LED背景燈也克服了以前裝置中CCFL背景燈的缺點。如上所述，采用合適的驅(qū)動電路系統(tǒng)，LED背景燈的光輸出具有微秒量級的響應(yīng)時間。因此，LED背景燈可以容易地在視頻幀周期的幾分之一時間內(nèi)接通和斷開，該視頻幀周期在8.3毫秒(120赫茲幀速率)的量級，從而減小或消除因現(xiàn)有LCD顯示器的相對慢的響應(yīng)時間而產(chǎn)生的假信號。另外，因為LED背景燈的快速響應(yīng)時間，LED背景燈的色彩點和/或色調(diào)可以調(diào)節(jié)以反映視頻圖像的色彩點和/或色調(diào)，而CCFL背景燈沒有這種能力。如上所述，目前的LCD有50毫秒量級的響應(yīng)時間，因此不能顯示每幀視頻圖像，因為幀周期是8.3毫秒量級。但是，因為LED背景燈的響應(yīng)時間可以在微秒量級，所以LED背景燈的輸出可以方便地調(diào)節(jié)接收到的每一視頻幀。因此，即使LCD不能顯示接收到的全部幀，LED背景燈的色彩點和/或色調(diào)也可以調(diào)節(jié)以反映接收到的每一視頻幀的像素的背景色彩或色調(diào)。這樣，LED背景燈捕獲以及使用一些視頻數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)在其他情況下的已有LCD顯示器中則會丟失。
另外，LED背景燈可以用來提供LCD陣列的每個像素需要的顏色，因此可以去掉LCD的顏色濾光片和子像素。比如，在RGB LED背景燈置于LCD板的側(cè)面或邊緣的地方，紅、綠和藍(lán)色光可以以高速重復(fù)的順序發(fā)出，(通過相關(guān)的光波導(dǎo)和其他光學(xué)部件)提供給LCD的像素。對序列中每一連續(xù)的顏色，顯示器的每一LCD像素可以各自被尋址，以調(diào)節(jié)入射的紅、綠和藍(lán)色光輸出合適的量，從而產(chǎn)生像素位置的圖像顏色。觀眾的眼睛綜合按照每個LCD像素計量的紅、綠和藍(lán)色光的序列，來感受屏幕上的圖像。
如果應(yīng)用中需要的話，所述LED背景燈也可以產(chǎn)生預(yù)置的色彩點和/或色調(diào)。因此，驅(qū)動電路中一個或多個控制器可以輸出一組預(yù)先確認(rèn)的(比如，存儲在存儲器中的)信號，以控制LED輸出一種特定的顏色。換句話說，LED背景燈可以大量制造成帶有許多調(diào)整過的紅、綠和藍(lán)色像素(和/或調(diào)整過的驅(qū)動電路系統(tǒng))；以及，LED背景燈可以在特殊應(yīng)用中用作背景燈。另外，也可以制造帶預(yù)置色調(diào)的模塊化的LED芯片，最終用戶可以組合這類模塊化的LED芯片來制作所需色調(diào)的背景燈。模塊化的LED芯片也可以有獨(dú)立的控制端口，使得每個模塊化的LED芯片產(chǎn)生的色彩點都能被控制。
圖1是先有技術(shù)的背景燈的典型圖；圖2是有背景燈的便攜式PC的典型圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的圖示；圖3A是顯示圖3實施例的電流輸入和光輸出的典型波形圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的圖示；圖4A顯示圖4電路的一些波形；圖4B-4C顯示圖4電路的等效部分；以及圖5是圖4電路的脈沖調(diào)制光輸出的波形圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的LED背景燈100的實施例，它包括有關(guān)的驅(qū)動電路系統(tǒng)的電路圖。RGB LED 100的陣列包括紅色LED 110R的子陣列、綠色LED 110G的子陣列以及藍(lán)色LED 110B的子陣列。當(dāng)(比如)LED燈被置于緊貼LCD板背面的時候，子陣列110R、110G、110B的LED可以交織在二維平面。子陣列110R、110G、110B的LED可以有其他合適的空間關(guān)系。比如，在以下情況時，子陣列110R、110G、110B可以包括一串或多串紅、綠和藍(lán)色LED的緊貼的組或條，這種情況是當(dāng)(比如)LED背景燈是側(cè)面或邊緣背景燈時，光波導(dǎo)和/或其他光元件用來引導(dǎo)光線射向LCD像素的背面。通過功率變換器114，驅(qū)動電流I紅104R、I綠104G以及I藍(lán)104B分別加給紅、綠、藍(lán)色LED子陣列110R、110G和110B。
功率變換器114通?？梢允钦{(diào)節(jié)功率的變換器，比如，它可能是帶有多級獨(dú)立輸出的快速暫態(tài)(脈沖電流)功率變換器。為簡單起見，圖3中驅(qū)動電流表示為加給紅、綠和藍(lán)色LED子陣列110R、110G、110B的三路獨(dú)立的電流輸入。但是，從先有技術(shù)可知，LED子陣列的連接通常比子陣列中每個LED的簡單串或并聯(lián)的情況復(fù)雜得多。比如，如果驅(qū)動電流104R加給包括由每個紅色LED串聯(lián)的紅色子陣列110R，那么子陣列中某個LED的故障會使子陣列出現(xiàn)故障。換句話說，如果加到紅色子陣列110R的驅(qū)動電流104R包含子陣列中每個LED的并聯(lián)，那么一個LED短路可能短路其他的LED。因此，電流輸入104R(104G、104B也一樣)常常包括子陣列中紅色LED的不同組合的許多冗余連接，使得一個紅色LED的故障或短路只會(最多)影響同組的其他紅色LED，而不會影響到其他組的紅色LED。
線路輸入或者直流電(DC)把功率提供給變換器和控制電子線路114，后者處理所加功率并把它變換成電流輸入104R、104G、104B。視頻處理輸入或者圖像控制算法也作為輸入加給功率變換器114的控制電子線路。如上所述，所述LED的光輸出具有快速響應(yīng)時間(在毫微秒量級)，因此常常受制于功率變換器和控制電子線路114的響應(yīng)時間，即以下時間接收到或者啟動控制信號后功率變換器和控制電子線路114能夠使LED子陣列110R、110G、110B的電流輸入104R、104G、104B引起變化的時間。對帶多路獨(dú)立輸出的典型的快速暫態(tài)(脈沖電流)功率變換器，電流輸出104R、104G、104B可以在微秒數(shù)量級變化。因此，如圖3A所示，電流輸出I_紅104R的幅值圖示成如功率變換器114調(diào)節(jié)的那樣，在微秒范圍的時間T內(nèi)在(歸一化)穩(wěn)態(tài)輸出1的上下變動。因為LED響應(yīng)時間是毫微秒范圍，紅色LED子陣列110R的對應(yīng)光輸出1m_紅圖示成與驅(qū)動電流I_紅104R基本上相同的方式而變化。(換句話說，光輸出圖可以表示子陣列110R中具體紅色LED的光輸出。)電流輸出I_紅104R、I_綠104G以及I_藍(lán)104B可以由功率變換器控制，以便使每個子陣列110R、110G、110B提供紅、綠、和藍(lán)色光的必要量，使得LED陣列110輸出受控的白光。此白光輸出的強(qiáng)度可以同樣通過電流輸出104R、104G、104B的電平而受控。
另外，LED背景燈100能用來發(fā)出彩色背景光。比如紅色背景光可以這樣產(chǎn)生由功率變換器提供驅(qū)動電流I_紅104R而不提供I_綠104G以及I_藍(lán)104B。通過提供電流I_紅104R、I_綠104G以及I_藍(lán)104B必要比例的量，比如基于由視頻處理或者圖像控制算法提供的輸入量，由功率變換器也可以產(chǎn)生其他的顏色、色調(diào)、和強(qiáng)度。在子陣列110R、110G、110B的紅、綠和藍(lán)色光連續(xù)發(fā)出的地方，因為微秒量級的功率變換器的速度，觀眾會感覺輸出是白光。
色彩點和/或色調(diào)可能隨著時間而漂移，或者可能因其他原因如強(qiáng)度上的變化而變化。驅(qū)動電流I_紅104R、I_綠104G以及I_藍(lán)104B可以由所述功率變換器和控制電子線路來調(diào)整以保持背景燈的最終光輸出的色彩點和/或色調(diào)。所述功率變換器也可以選擇由反映光輸出的色彩點和/或色調(diào)的光學(xué)傳感器來提供反饋。另外，快速響應(yīng)時間(在微秒量級)允許背景燈的輸出在平均視頻幀持續(xù)時間內(nèi)(120赫茲幀速度下8.3毫秒幀周期)接通和斷開。因此，LED背景燈可以用來消除現(xiàn)有LCD顯示器在顯示快速移動圖像時出現(xiàn)的假信號。
如前所述，圖3LED背景燈100的快速(微秒)輸出也可以與視頻處理或圖像控制算法一起運(yùn)用。如前所述，電流輸出I_紅104R、I_綠104G以及I_藍(lán)104B可以在微秒數(shù)量級變化，它們和來自于LED子陣列110R、110G、110B(或其部分)的光輸出具有同量級的暫態(tài)響應(yīng)。因此，視頻處理或圖像控制算法可以控制功率變換器114以及輸出104R、104G、104B(比如像背景照明的色調(diào)、強(qiáng)度等等)，可以提供或改善LCD顯示器的圖像輸出。一般情況下，色彩點和/或色調(diào)可以被調(diào)節(jié)以反映圖像的背景光或者與圖像有關(guān)的其他光照等級。對視頻顯示，比如，所述背景照明可以從淡藍(lán)色(比如對應(yīng)顯示在LCD上的室外圖像)到深褐色(比如對應(yīng)室內(nèi)場景)、在微秒量級的范圍內(nèi)變化，因此，所述背景照明可以方便地從一幅視頻幀到另一幅視頻幀的變化(120赫茲幀速率在8.3微秒量級)。這提供了顯示器上從一個場景到另一場景的較為平滑、直觀、局部的變換，這是不能由LCD自己捕捉的，后者有在50毫秒量級、較慢的響應(yīng)(刷新)速度。另一方面，對許多視頻幀或靜態(tài)或緩慢變化的圖像的顯示，背景燈可以設(shè)定在特別的色彩點和/或色調(diào)上。
雖然圖3A示出LED的電流及其產(chǎn)生的光輸出受控制而提供圍繞標(biāo)準(zhǔn)值的脈沖幅度變化、或者“脈沖幅度調(diào)制”，但是，所述電流及其產(chǎn)生的光輸出也可以被控制成提供不同寬度的脈沖(即是“脈沖寬度調(diào)制”)和/或每單位時間內(nèi)脈沖數(shù)的變化(即是“脈沖頻率調(diào)制”)。這些不同類型的調(diào)制，或者其組合，可以用于圖像的改善、對比度控制、色彩補(bǔ)償?shù)鹊取?br> 圖4圖示根據(jù)本發(fā)明的LED背景燈的第二典型實施例。本專業(yè)的技術(shù)人員容易看出，圖4的驅(qū)動電路系統(tǒng)包括多端輸出、限位式反饋功率變換器。交流AC電壓源以圖4方式連接到電感206a、206b和電容208，由此形成功率變換器的抑制電磁干擾EMI的濾波。二極管D1a、D1b、D1c、D1d形成全波整流橋電路，提供對交流源204輸入的全波整流。電容器C0進(jìn)一步將整流后的交流信號穩(wěn)定成一階直流電壓，提供給圖4的兩個端點X-Y。
圖4兩點X和Y之間的變換器電路系統(tǒng)包括多路輸出變壓器220的初級線圈N1、開關(guān)Q1和電阻R1。(電阻R1以低阻值為控制器224提供電流檢測，因為阻值低，它對電路運(yùn)行的影響最小，因此，將在描述中忽略不計。)多路輸出的變壓器220有三個次級線圈N2、N3和N4，他們每個都磁耦合到初級線圈。次級線圈N2、N3和N4包括在RGB LED陣列的LED子陣列電路210R、210G、210B中，將在下面進(jìn)一步描述。(與圖4所示整個電路有關(guān)的電子部件和電路系統(tǒng)提供所述LED的驅(qū)動電子線路。但是，為了敘述上簡單，LED子陣列210R、210G、210B將在下面分別標(biāo)示和涉及。)正如本領(lǐng)域眾所周知的，電容器C1和開關(guān)Q2形成所述電路的限位部件。
正如本領(lǐng)域眾所周知的，多路輸出變壓器220的初級線圈N1和開關(guān)Q1組合包括所述功率變換器的逆向變換器方面。中心控制器224使開關(guān)Q1周期性地接通和斷開。當(dāng)Q1接通(接通)時加在X-Y兩端的整流電壓降在初級線圈N1兩端，當(dāng)Q1斷開(開路)時，整流電壓降在開關(guān)Q1兩端。參見圖4A，波形i表示開關(guān)Q1的二個開關(guān)循環(huán)，每個循環(huán)周期在10微秒量級。在所述Q1循環(huán)的“接通”時段，初級線圈N1兩端的電壓VN1等于X-Y兩端所加的交流整流電壓(因為，如前所述，R1兩端的電壓降在本討論中忽略不計)。這表示在波形ii中，其中在Q1接通的半個循環(huán)時段，VN1等于VX′-Y′，并且有接近170伏的幅值。在Q1“接通”時段，初級線圈N1內(nèi)的電流(波形iii中用iN1表示)也是點X和Y之間的電流即ix-y。
當(dāng)開關(guān)Q1斷開時，點X和Y之間的電路斷開。在開關(guān)Q1斷開時，在初級線圈N1兩端有次級線圈N2-N4(見波形ii)產(chǎn)生的負(fù)電壓。
在開關(guān)Q1的開關(guān)周期的“接通”時段，由于初級線圈N1的電流iN1在次級線圈N2上建立的感應(yīng)電壓的緣故，在LED子陣列210R的點X′和Y′兩端產(chǎn)生電壓Vx′-Y′。(同樣的電壓產(chǎn)生在其他次級線圈N3、N4，但初級線圈N2及其有關(guān)的子陣列電路210R會被重點論述。)根據(jù)N2的極性點標(biāo)識習(xí)慣，當(dāng)Q1接通時，電流iN1感應(yīng)負(fù)電壓VX′-Y′，如圖4A波形iV所示。因為加到次級電路210R的VX′-Y′是負(fù)的，所以二極管D2阻止在Q1導(dǎo)通時子陣列210R內(nèi)該路電流的流動，如圖4A波形v所示。但是，當(dāng)Q1接通時，磁場能量存儲在變壓器22的磁化和漏磁電感中。這些磁場能量在Q1斷開的循環(huán)半周期被釋放，由此給次級電路210R加正電壓VX′-Y′，如波形iV所示。因為電壓VX′-Y′是正的，所以Q1斷開時電流流過二極管D2，如圖4a波形v所示。
如圖4A波形v所示，在Q1“斷開”的半周期，電流流過二極管D2，其作用是給電容器C5充電。在Q1“斷開”的半周期時段，電容器C5上的累積充電勢必會在LED子陣列210R的點X″-Y″兩端維持相對穩(wěn)定的電壓VR0。因此，如果把重點放在LED子陣列210R，點X″-Y″左側(cè)的全部電路可以用電壓VR0代替，如圖4B所示。(圖4B所示部件是部分功率變換器及其紅色LED的驅(qū)動電路系統(tǒng)，但是本專業(yè)的技術(shù)人員也把它看作功率交換器的負(fù)載)。加到LED子陣列210R的電壓VR0的電平隨下列因素(在其他對象中)而變，這些因素是開關(guān)Q1的占空比(開關(guān)周期的接通和斷開時段的長度的度量，如圖4A波形之所示，它由控制器224控制)，以及初級線圈N1和次級線圈N2之間的匝數(shù)比。
綠和藍(lán)色LED子陣列210G、210B可以同樣如圖4C和4B表示，它們分別加以由如前所述的圖4所示的電路系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓VG0和VB0。加給LED子陣列210G的電壓VG0是開關(guān)Q1的占空比以及次級線圈N1和次級線圈N3之間匝數(shù)比的函數(shù)。類似地，加給LED子陣列210B的電壓VB0是開關(guān)Q1的占空比以及初級線圈N1和次級線圈N4之間匝數(shù)比的函數(shù)。正如以下進(jìn)一步的細(xì)節(jié)所述，所加電壓VR0、VG0、VB0分別建立每個LED子陣列210R、210G、210B的光輸出的最高等級。
因為變壓器220的初級線圈N1和次級線圈N2、N3、N4之間的匝數(shù)比是固定不變的，所以加到LED子陣列210R、210G和210B的電壓VR0、VG0、VB0由控制器224通過控制開關(guān)Q1的占空比來分別控制。因為電壓VR0、VG0、VB0分別建立LED子陣列210R、210G和210B的光輸出的最大量，所以LED子陣列210R、210G和210B的光輸出的最大量同樣分別由控制器224(圖4)通過控制開關(guān)Q1的占空比來控制。(比如，由用戶或其他輸入包括視頻輸入控制的)輸入到中心控制器224的“屏幕光設(shè)定”調(diào)節(jié)Q1的占空比，并由此調(diào)節(jié)LED子陣列210R、210G、210B的最大光輸出量。
光學(xué)傳感器226還提供光學(xué)檢測反饋信號給中心控制器224，這可以用來調(diào)節(jié)Q1的占空比以及LED子陣列210R、210G和210B的最大光輸出量。類似的，溫度傳感器228也通過過溫(O.T.)保護(hù)單元230提供溫度檢測反饋信號給中心控制器224，這可以用來通過調(diào)節(jié)Q1的占空比來調(diào)節(jié)LED子陣列210R、210G、210B的最大光輸出量(以及溫度)。
如上所述，如圖4B-4D所示，LED子陣列210R、210G、210B分別用所加電壓VR0、VG0、VB0產(chǎn)生LED背景燈200的光輸出。因為各個LED子陣列210R、210G、210B有相似的部件，他們相似的標(biāo)示在圖4B-4D中，為敘述上的簡單，會再更詳細(xì)地對圖4B中LED子陣列210R加以說明。類似的說明適用于綠色和藍(lán)色LED子陣列210G、210B。圖4B用的一個LED 230R代表子陣列210R的全部LED。因此，子陣列210R的其他紅色LED有與LED230相同的所加功率和調(diào)節(jié)方式。如說明圖3時所提到的，子陣列210R的紅色LED的實際電路構(gòu)成可以有冗余及其他結(jié)構(gòu)。
假定圖4的開關(guān)Q5變?yōu)榻油?并且持續(xù)保持一段時間)，所加電壓VR0產(chǎn)生通過LED 230R的最大電流IMAX；該電流從點X″流出，通過接通的開關(guān)Q5、紅色LED 230R以及電阻R2到Y(jié)″點。流過LED230R的電流IMAX由全加到電路的VR0產(chǎn)生，因此由紅色LED 230R提供最高等級的光輸出?？梢酝ㄟ^切換開關(guān)Q5的接通和開斷來改變流過LED 230R的電流以及紅色LED 230R的光輸出。當(dāng)Q5斷開時，由所加電壓VR0提供的電流被中斷，電流立即降至零。
因此，開關(guān)Q5周期性地接通和斷開，使得通過紅色LED 230R的電流周期性地出現(xiàn)和消失，因此導(dǎo)致紅色LED 230R的光輸出周期性地出現(xiàn)和消失?？刂破?32R獨(dú)立地控制開關(guān)Q5的接通和斷開。由控制器232R設(shè)定的占空比控制一個開關(guān)周期內(nèi)Q5轉(zhuǎn)換通和斷的時間量?？刂破?32R和開關(guān)Q5具有微秒量級的響應(yīng)時間，因此占空比可以在微秒量級。周期性切換形成紅色LED 230R上的平均電流低于IMAX，因此，平均光輸出低于最高等級。因為快速切換的占空比(在微秒量級)，所以，眼睛把紅色LED 230R的輸出綜合成平均值。
因此存在Q5的占空比恒定不變的情況下的紅色LED 230R的光輸出的脈沖幅度調(diào)制，這種情況的實例示于圖5中(在圖5所示例子中，開關(guān)Q5運(yùn)行在有源范圍，以致流過LED的電流是從高值到低值變化，但不是完全變成斷開。因此，光輸出在高值和低值間變化。)其他切換方式可以提供其他類型的光調(diào)制。比如，改變占空比的頻率可以提供脈沖頻率調(diào)制；當(dāng)改變占空比接通和斷開時段的相對值時，可以提供脈寬調(diào)制。通過使開關(guān)Q5工作在有源范圍，可以調(diào)制流過LED的電流的幅度，不同調(diào)制的組合也可能獲得所需要的背景照明效果。
以同樣的方式，綠色和藍(lán)色LED子陣列210G、210B的光輸出由獨(dú)立的控制器232G、232B獨(dú)立地控制。因此，獨(dú)立的控制器232R、232G、232B分別決定由LED子陣列210R、210G、210B對應(yīng)輸出的紅、綠和藍(lán)色光的相對輸出。因為每個控制器的占空比(以及形成的光輸出的周期變化)在微秒量級，所以，眼睛將分開的顏色輸出綜合成最終的顏色組合。因此，控制器232R、232G、232B可以用來調(diào)節(jié)所發(fā)白光的色彩點和/或色調(diào)。另外，它們可以生成具有色調(diào)(即非白光)的背景光。
Q5、Q3和Q4的切換時間是微秒量級。(前面提到過的Q1占空比的“斷開”時間可用于調(diào)節(jié)LED背景光的總強(qiáng)度，它同樣是在微秒量級。)因此，可以在微秒量級的時間內(nèi)改變(或者被保持)LED子陣列210R、210G、210B的背景光輸出的色彩點和/或色調(diào)。
如上所述，紅、綠和藍(lán)色LED子陣列210R、210G、210B的LED輸出是分別由控制器R232R、控制器G232G以及控制器B232B獨(dú)立控制的?？梢岳美缪b有控制算法的數(shù)字信號處理(DSP)控制板，來分別把電流參考信號IR、IG和IB提供給控制器R232R、、控制器G232G和控制器B232B。電流參考信號IR、IG和IB也可產(chǎn)生于例如利用一個或多個專用應(yīng)用程序編程的控制器或者視頻饋送裝置?？刂破?32R、232G、232B以上述方式、以由輸入電平IR、IG和IB確定的值分別控制LED子陣列210R、210G、210B的紅、綠和藍(lán)色光輸出。由背景燈200輸出的背景照明色調(diào)和頻譜以及顏色將取決于由輸入電平IR、IG和IB確定的紅、綠和藍(lán)光量的組合。加給控制器的反饋，例如LED 230R兩端的電壓(即V02-VR2)以及電阻R2兩端的電壓(即VR2-接地電平)，可以反饋到控制器232R以調(diào)節(jié)Q5的接通和斷開，使得LED 230R的電流與信號IR一致。類似的反饋信號用在其他控制器232G、232B中。電流信號IR、IG和IB的變化，它們可以在8.3毫秒量級，如果它們代表比如120赫茲幀速的視頻幀輸入的背景光等級，這種變化能夠通過改變LED 230R、230G、230B的光輸出由控制器232R、232G、232B來實施，因為后者具有如上所述的微秒量級的響應(yīng)時間。
圖4所述LED背景燈因此可以在視頻信號(一般視頻幀速120赫茲下為8.3毫秒幀周期)的幀周期的幾分之一時間內(nèi)接通和斷開。所述LED背景燈因此可以被用來消除目前LCD顯示器(一般有50毫秒量級的響應(yīng)時間)顯示的視頻圖像中出現(xiàn)的假信號。圖4所述LED背景燈的子陣列的光輸出也可以被調(diào)節(jié)，以便使色彩點和/或色調(diào)被長時間保持。(因此，如果因漂移、強(qiáng)度變化或其他因素發(fā)生色彩點或色調(diào)的變化，色彩點或色調(diào)可以在微秒量級被調(diào)節(jié)到所要求的點。)另外，快速響應(yīng)時間允許由LED顯示器輸出的色彩點和/或色調(diào)的隨每一視頻幀變化，以提供比如所需的背景光等級或組合。這就允許LED顯示器提供許多視頻顯示信息。另外，還可以為選擇視頻幀或者視頻幀片段而改變色彩點和/或色調(diào)。例如，冰鎮(zhèn)飲料廣告可以用“較冷”的顏色溫度(色彩點)作背景光。當(dāng)然對顯示在LCD上的靜態(tài)或緩慢變化的圖像(如互聯(lián)網(wǎng)頁面，或文字處理文件)，也可以調(diào)整色彩點以及色調(diào)。
如上所述，針對LCD顯示器所述的LED背景燈也可以不僅僅用于傳統(tǒng)的背景照明。LED背景燈還為由LCD顯示器的各單個像素顯示的圖像部分提供色調(diào)，因此不需要用于LCD顯示器的各個像素的顏色濾光片。也不需要用于LCD陣列的每個像素的分開的紅、綠和藍(lán)色“子像素”，因而提供更佳的分辨率。
比如，在LED背景燈是側(cè)面或邊緣背景燈的情況下，光波導(dǎo)和/或其他光學(xué)元件引導(dǎo)LED子陣列發(fā)出的紅、綠和藍(lán)色光到達(dá)LCD像素的背面。功率變換器的控制器(例如，圖4的控制器232R、232B、232C)可以被編程，以實現(xiàn)比如從對應(yīng)的子陣列到LCD顯示器的像素的、預(yù)定等級的紅、綠和藍(lán)色光的重復(fù)循環(huán)。在所述循環(huán)內(nèi)每種顏色由對應(yīng)的控制器保持一段時間，這段時間約等于LCD像素的響應(yīng)時間。因此，對每種入射顏色，顯示器上每個LCD像素可以被尋址以向該像素顯示的部分圖像傳輸色彩量。在LED背景燈的紅、綠和藍(lán)色光輸出的每個周期，每個LCD像素因此被尋址以向該像素要顯示的圖像傳輸所需要的紅、綠和藍(lán)光量。觀眾的眼睛綜合按照LCD像素計量的紅、綠和藍(lán)色光的序列，感覺圖像顏色。
作為工作概念的示范說明例子，LED背景燈的象為顯示的像素提供色調(diào)(因此不需要顏色濾光片)那樣的可以利用LCD來實現(xiàn)。如上所述，一般LCD響應(yīng)時間目前是50毫秒數(shù)量級。因此，LED背景燈可以對LCD像素提供紅、綠和藍(lán)色光，每個持續(xù)50毫秒(即，150毫秒重復(fù)周期)。(例如，當(dāng)紅色輸出在發(fā)光50毫秒時段時，圖3和4的功率變換器可以被控制來斷開綠和藍(lán)色子陣列，等等。因此，當(dāng)只針對這種應(yīng)用時，功率變換器的響應(yīng)時間只需在50毫秒量級，或者一般的LCD響應(yīng)時間。)在LED背景燈的紅光輸出的50毫秒時段，每個LCD像素被尋址以允許傳送對應(yīng)于該像素圖像的紅光色調(diào)的紅光比例。在隨后綠光的50毫秒時段，每個LCD像素被尋址以傳送對應(yīng)于該像素圖像的綠光色調(diào)的綠光比例。最后，在藍(lán)色光的50毫秒時段，每個LCD像素被尋址以傳送對應(yīng)于該像素圖像的藍(lán)光色調(diào)的藍(lán)光比例。因此，在150毫秒時間間隔的周期中，每個像素輸出對應(yīng)于要顯示的圖像的紅、綠和藍(lán)色光的必要部分，而眼睛將像素輸出綜合成像素的對應(yīng)顏色。如果LCD響應(yīng)時間更快，150毫秒間隔會減小，而眼睛的綜合會提供更醒目的像素。例如，每個LCD像素的尋址可以與視頻饋送的幀相關(guān)聯(lián)。
盡管這里已經(jīng)參考附圖描述了本發(fā)明說明性的實施例，但是，顯然，本發(fā)明并不受這些明確的實施例的限制，而應(yīng)該是，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書所定義。
權(quán)利要求
1.一種用于液晶顯示器(LCD)的發(fā)光二極管(LED)背景燈100，所述背景燈包括LED子陣列(110、210R、210G、210B)以及LED驅(qū)動和控制電路系統(tǒng)(114)。
2.如權(quán)利要求1所述的背景燈，其特征在于所述LED陣列(110、210R、210G、210B)為所述LED的顯示圖像的像素提供色彩輸出。
3.如權(quán)利要求2所述的背景燈，其特征在于不對所述LCD的像素進(jìn)行顏色濾光。
4.如權(quán)利要求3所述的背景燈，其特征在于所述LED背景燈(100)在重復(fù)的周期中向LCD顯示器提供紅、綠和藍(lán)色光，所述顯示器的LCD像素被尋址以便在對應(yīng)于所述像素的圖像部分發(fā)射紅、綠和藍(lán)光量。
5.如權(quán)利要求1所述的背景燈，其特征在于所述驅(qū)動和控制電路系統(tǒng)(114、232R、232G、232B、224)調(diào)節(jié)LED背景燈的光輸出的色彩點和色調(diào)中的至少一種。
6.如權(quán)利要求1所述的背景燈，其特征在于所述驅(qū)動和控制電路系統(tǒng)(114)包括帶有控制電子線路的功率調(diào)節(jié)變換器。
7.如權(quán)利要求1所述的背景燈，其特征在于所述LED子陣列(110、210R、210B、2l0G)包括紅、綠和藍(lán)色LED的子陣列(110R、110G、110B、210R、210B、210G)，所述驅(qū)動電路系統(tǒng)與其他子陣列無關(guān)地調(diào)節(jié)每個子陣列的光輸出。
8.如權(quán)利要求7所述的背景燈，其特征在于所述子陣列的各像素間置在二維平面中。
9.如權(quán)利要求7所述的背景燈，其特征在于所述驅(qū)動電路系統(tǒng)接收對應(yīng)于所述背景燈的紅、綠和藍(lán)色光輸出的參考信號(IR、IG、IB)作為輸入信號，所述參考信號(IR、IG、IB)被驅(qū)動電路系統(tǒng)(232R、232G、232B)用來驅(qū)動相應(yīng)的紅、綠和藍(lán)色陣列(210R、210G、210B)，以便輸出對應(yīng)于所述相應(yīng)的輸入?yún)⒖夹盘柕募t、綠和藍(lán)色光。
10.如權(quán)利要求7所述的背景燈，其特征在于所述驅(qū)動電路系統(tǒng)獨(dú)立地調(diào)節(jié)每個子陣列的光輸出以便產(chǎn)生這樣的背景光該背景光具有色彩點和色溫中的至少一種，后者隨所述LCD顯示器顯示的圖像而變化。
11.如權(quán)利要求10所述的背景燈，其特征在于所述圖像是顯示在所述LCD顯示器上的視頻圖像的至少一幀。
12.如權(quán)利要求7所述背景燈，其特征在于所述驅(qū)動電路系統(tǒng)包括至少一個控制器(232R、232G、232B)，它為每個子陣列的LED提供獨(dú)立的控制信號。
13.如權(quán)利要求12所述的背景燈，其特征在于至少一個控制器(232R、232G、232B)提供控制至少一個開關(guān)的控制信號，所述開關(guān)調(diào)節(jié)所述子陣列(210R、2l0G、210B)的一個或多個LED的電流。
14.如權(quán)利要求7所述的背景燈，其特征在于所述驅(qū)動電路系統(tǒng)以下各種調(diào)制方式中的至少一種調(diào)制方式輸入到所述各子陣列中的LED的電流的脈沖幅度調(diào)制、輸入到所述各子陣列中的LED的電流的脈沖寬度調(diào)制，以及輸入到所述各子陣列中的LED的電流的脈沖頻率調(diào)制。
全文摘要
一種用于液晶顯示器LCD的背景燈，所述顯示器包括發(fā)光二極管LED的陣列。所述背景燈可以由快速脈沖功率變換器來驅(qū)動和控制，因而可以提供響應(yīng)時間在微秒量級的背景光。所述背景燈因此可以用于圖像顯示，比如，用于描繪輸入到LCD的視頻圖像并且用于消除圖像假信號。
文檔編號G02F1/133GK1422423SQ01807744
公開日2003年6月4日 申請日期2001年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月12日
發(fā)明者G·W·布魯寧, 張勁 申請人:皇家菲利浦電子有限公司