CN101617356A - 显示装置的照明构件的2d调光 - Google Patents

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Abstract

一种照明构件(4)，其与任何图像内容无关地包括中心区域(5)和包围区域(6)，其中所述包围区域(6)适于发射与由中心区域(5)发射的光相比更低质量的光。该照明构件适于照明显示装置的显示面板(2)。通过让包围区域发射更低亮度的光(调暗)，能够针对各种各样的典型图像实现功率的显著降低同时在很大程度上维持所感受到的图像质量。而且，通过将更低质量的发光元件用于包围区域，可以降低制造成本同时在很大程度上维持所感受到的图像质量。

Description

显示装置的照明构件的2D调光
技术领域
本发明涉及一种用于照明显示面板以产生图像的照明构件。
背景技术
目前，显示面板照明的调光(dimming)被广泛地应用于电子装置(比如MP3播放器、移动电话、便携式计算机以及TV)应用中。对于要求高性能的显示器而言，提高动态对比度和降低功耗能够通过将显示面板的照明分割成很多个分段以及对每个分段基于相应的图像内容来控制调光而实现。然而，这与相当大的成本代价相关联，因为每个分段需要其自己的驱动器电路并且此外必须安装额外的LED电源以便能够给LED升压从而补偿因邻近被调光的分段所失去的亮度(brightness)贡献。因而这种系统对于用于例如消费型TV来说通常太昂贵。
在EP 1 653 435中公开了一种更加成本有效的方式来降低背光显示器的功耗。所描述的技术预计用于诸如CD、MP3播放器和移动电话之类的电子设备中的背光显示器，并且将背光单元的区域划分成若干分段，其中从后面照亮每个这种分段的光的强度能够被单独地控制。因而，能够例如根据电子设备的模式或应用来调节显示器的各个分段的照明，从而整体上降低显示单元的能耗。
然而，EP 1 653 435中的方法倾向于对当前不工作(not currentlyactive)的显示器部分进行调光。对于对工作的显示器部分进行调光而言，使该调光典型地依赖于图像内容并且照明被分割成很多个分段以获得令人满意的图像质量，由此导致了相当大的附加成本。因而，具有用于调光的成本有效的方案将会是有价值的。
发明内容
鉴于以上所述，本发明的目的是解决或至少减少上面讨论的问题。
根据本发明的第一方面，公开了一种照明构件，其与任何图像内容无关地包括中心区域和包围所述中心区域的包围区域，所述包围区域适于发射与由中心区域发射的光相比更低质量的光。
措词“更低质量的光”意欲指示当用于照明显示面板时对于所显示图像的被感受到的高图像质量可能具有较小贡献的光，例如，举例来说具有更低亮度或更低颜色质量的光。
在高质量地显示图像和成本效率之间总是存在权衡。而且，观察者所感受的图像质量不是绝对的，而是感受到的。因为图像的主体通常位于图像的中心，所以例如观看TV节目的观看者典型地对图像的中心区域的图像质量降低更敏感。
因而，本发明基于如下认识：一种用于降低成本同时在很大程度上维持对各种各样的典型图像所感受到的图像质量的有效方式是将显示器分割成中心区域和包围区域，其中包围区域具有更低的图像质量。
包围区域适于独立于图像内容而发射更低质量的光的事实仅仅意欲指示包围区域所发射的光的质量平均来说低于中心区域的总体光质量，而与图像内容无关。然而，“调光”的细节并非必然与图像内容无关。
相反，中心区域和包围区域之间的光质量的比很可能与图像内容有关，并且实际上可以在工作期间被修改(这将在下面进一步解释)。而且，中心区域和/或包围区域内的光的质量还可以与图像内容有关。
通过让包围区域发射更低亮度的光(调暗)，能够为各种各样的典型图像实现显著的功率降低同时在很大程度上维持所感受到的图像质量。
而且，通过将更低质量的发光元件用于包围区域，可以降低制造成本同时在很大程度上维持所感受到的图像质量。
诸如LED的发光元件在光特性方面典型地具有大的变化。一个示例是在相同驱动条件下的光通量输出的变化。另一示例是存在于(远程)磷光体系统中的泵浦蓝色LED的波长变化，这会使总白色通量以及白光的精确色坐标发生变化。
出于这个原因，LED系统的制造商典型地利用对LED进行分类的先进生产装箱(binning)工艺来维持光质量(例如颜色和通量)一致性。通过在照明构件的不同区域中利用来自不同分类的发光元件，能够使用LED的全分布同时在很大程度上维持所感受到的图像质量。因而，限制了LED废弃(rejection)并且降低了制造成本。
将照明构件分割成少量区域具有额外的优点：能够获得成本有效的照明构件以及因而获得成本有效的显示器，因为限制了所需的额外照明驱动电路的数量并且避免了额外的成本增加。(这可被理解，因为用于TV应用的典型显示器具有50个以上的发光元件以及两个到四个照明驱动电路，对于未利用背景调光的显示器而言也是这样。)
少量区域对于某些类型的照明构件而言特别有益，比如具有分立的R封装件、G封装件和B封装件的RGB背光，其中不同颜色的LED被分开定位。为了更好地理解这一点，引入术语照明传递函数，其根据情况描述单个分段的照明图案或总背光的照明图案。在典型的背光中，光学元件表现为使得许多分段或发光元件的光在背光盒中进行混合。这就消除了小的颜色和光亮度(luminance)差别，并且当在驱动源本身中存在尖锐边界时还导致平滑的光亮度下降。这种平滑的光亮度下降被称为平滑的或宽的照明传递函数。对于分立的R封装件、G封装件和B封装件而言，典型地需要平滑的照明传递函数，其中颜色在背光单元中的空间内被分开且在它们从后面照明显示面板之前需要被很好地混合，因为照明需要是“白色”的。尽管平滑的照明传递函数易于与高分辨率的2D调光方案相冲突，但是其可与少量的区域高度兼容。平滑的传递函数实际上可能是有益的，因为其防止看见各区域之间的边界。
包围区域可以适于发射具有比由中心区域发射的光更低亮度的光。因为观看者典型地对中心区域的图像质量的降低比对包围区域的更加敏感，所以优选的是将包围区域的亮度比中心区域的亮度调暗得更多。这就允许功率显著降低，同时在很大程度上维持对各种各样的典型图像所感受到的图像质量。
中心区域的面积可以具有与包围区域的面积基本相同的大小。这将在成本效率和所感受到的图像质量之间提供合理的折衷，因为在这些情况下典型图像的主体通常在中心区域内被获得。
而且，当这两个区域就发光元件数目而言是同样大小时，相同驱动电压(所有发光元件串联)能被施加到这两个区域。因而，有助于将相同的照明驱动电路用于这两个区域。也非常合理的是具有三个照明驱动电路，一个用于中心区域而两个用于包围区域，其中包围区域的大小是中心区域的大小的两倍。
包围区域可以适于发射其亮度小于中心区域所发射的光的亮度的70％且优选约50％的光。这将在功率降低和所感受的图像质量之间提供合理的折衷。
中心区域和包围区域中的至少一个可以被进一步分割成下子区域和上子区域，每个子区域发射具有不同质量的光。这就实现了成本效率，比如功率降低和/或减少制造成本，同时在很大程度上维持所感受的图像质量，尤其当图像内容在图像的上半部和下半部中表现出不同亮度时(例如，对于具有明亮的天空和较暗的前景的自然景物一般是这种情况)。
照明构件可以设有控制器，该控制器调节由中心区域和/或包围区域所发射的光的质量。让控制器对调光进行调节具有如下优点：例如，中心区域和包围区域之间的调光比能够根据应用而适配。作为示例，当显示器用作PC监视器时分段的调光能够不被激活以得到(近似)平坦的亮度分布。可替换地，在这种情况下能够降低不同分段之间的亮度差别。
控制器可以基于所接收的图像数据来调节由中心区域和/或包围区域所发射的光的质量。这可以包括绝对值以及中心区域和包围区域之间的比。因为图像的主体往往位于图像的中心，所以当照明构件被分割成中心区域和包围区域时这种方法通常会非常有效。其可以帮助提高图像内的对比度，并且提高所感受的图像质量。其还可以提供进一步的功率降低。
中心区域和包围区域中的每个都可以包括多个发光元件。因而，发光元件的表面密度可以在各区域之间变化。
发光元件的表面密度可以在包围区域中比在中心区域中低。因为在这种情况下在包围区域中与在中心区域中相比每单位面积有更少的发光元件，所以即使每个单独发光元件被驱动为具有相同的光特性，也能够实现调光。这可以降低所需的发光元件的数量并且允许简化驱动电子器件，从而进一步降低成本。
发光元件可以基于光质量被分类，并且属于第一类的发光元件可以位于照明构件的第一区域中而属于第二类的发光元件可以位于照明构件的第二区域中。
通过在照明构件的不同区域中利用来自不同分类的发光元件，能够使用LED的全分布同时在很大程度上维持了所感受的图像质量。因而，限制了LED废弃并且降低了制造成本。不同类别之间的颜色差异甚至可以被用来增强所感受的图像质量。例如，更深的蓝色LED能够置于包围区域的上子区域中(对于天空的较高色温)，而较长波长的蓝色能够被放置在包围区域的下子区域中。
根据本发明的实施例的照明构件与显示面板一起被有利地装配以形成显示装置。照明构件能够是用于照明显示面板的任何装置，例如前光或背光。
显示器可以进一步设有连接到所述控制器的光传感器，该控制器基于环境光级来调节由中心区域和/或包围区域所发射的光的质量。这允许功率进一步降低同时在很大程度上维持所感受的图像质量，尤其在黑暗环境中更是如此。
根据本发明的另一方面，提供一种驱动照明构件的方法，该照明构件被布置成照明显示面板以产生图像。所述方法包括：控制中心区域以发射第一质量的光；和控制包围所述中心区域的包围区域以发射比所述第一质量更低质量的光，所述中心区域和所述包围区域与任何图像内容无关地被限定。
这种方法允许各种各样的典型图像的显著功率降低同时在很大程度上维持所感受的图像质量。
通过以下详细公开、所附的从属权利要求以及附图，其它目的、特征和优点将显而易见。
附图说明
通过以下参照附图对本发明的优选实施例的说明性而非限制性的详细描述，将更好地理解本发明的上述以及附加的目的、特征和优点，其中相同的附图标记将用于类似的元件，其中：
图1是根据本发明的实施例的显示装置的示意性分解图。
图2示出图1的显示装置的示意性框图。
图3示出将图2中的照明构件分割成若干区域和子区域的示例。
图4示出仿真中所用的背光的分割的示意图。
具体实施方式
图1-2是根据本发明的一个实施例的显示器1的示意图。显示器1包括照明构件4和显示面板2。在本示例中，照明构件4被布置在显示面板2的后面，并且因而被称为背光。背光4可以具有多个发光元件11。发光元件11能够是红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)发光二极管(LED)，而可替代的实施例可以利用磷光体转换的白光，其来自LED处(在管芯上或在透镜上)的磷光体转换或者来自远程定位的平板处的磷光体转换。背光4可以通过照明驱动电路8而连接到控制器9。
如图1所示，显示器1还可以包括位于背光4和显示面板2之间的光学系统3。光学系统3包括例如漫射板和/或亮度增强箔和/或其它光学板或片，其用来均匀地且高效地分布光。
关于图1所示的显示面板2，其由多个像素形成。显示面板2可以包括例如由彼此相对设置的透明基板与置于它们之间的液晶形成的容器。如图2所示，每个像素可以通过显示面板驱动电路7而连接到控制器9。在所示的示例中，显示面板和照明构件连接到相同的控制器9。当然，还可能具有用于面板和照明构件的独立的控制器。
参照图2，背光4被分割成中心区域5和包围区域6，每个区域都具有其自己的照明驱动电路8，、8”。
中心区域5可以具有与包围区域6基本相同大小的表面积。
中心区域5的形状可以基于各种因素进行选择。如图2中的椭圆形易于更好地保持所感受到的图像质量(例如图像的颜色和亮度均匀性)，也为了陡峭的传递函数。然而，从制造角度来看，矩形可能是有利的。
在这个实施例中，发光元件11的数目优选地在中心区域5中和在包围区域6中相同。
在工作时，可以由背光4的发光元件11发射光，而诸如亮度或色点的光质量可以由控制器9依据希望的调光方案通过照明驱动电路8’、8”来调节。这样，能够实现在TV应用中找到的“暖”、“冷”和“中性”设置(典型地9000K或者甚至高达11000K CCT)以及在PC屏幕上的色温设置(典型地“D65”，即接近6500K黑体点的标准发光体D65)。
来自发光元件的光可以在到达光学系统3之前在背光4的背光盒(backlight casing)中进行混合，所述光学系统3用来均匀地且高效地分布光。当光透过液晶从而到达观察者的眼睛时，图像就出现在显示面板2上。当控制器9通过显示面板驱动电路7来控制显示面板2的各个像素的液晶的光透射时，这个图像能够被调节以反映所接收的图像数据(通过控制器9从显示器1外部接收的)。
尽管显示面板2的像素典型地基于图像内容被调节，但是由背光4所发射的光特性可以取决于调光方案，该调光方案能够与图像内容无关。例如，根据图2所示的实施例的一个调光方案，控制器9将中心区域5的亮度级设置为100％而包围区域6的亮度级被设置为50％，与图像内容无关。结果是(50％*100％+50％*50％)＝75％功率使用，即功率降低了25％。
如图3所示，中心区域5和/或包围区域6能够被进一步分割成子区域，每个子区域发射具有不同质量的光。这里，中心区域5和包围区域6均已被进一步分割成下子区域5a、6a和上子区域5b、6b，每个子区域5a、5b、6a、6b具有各自的照明驱动电路8a’、8b’、8a”、8b”。
显示器可以被设有连接到控制器9的光传感器10，如图2所示。光传感器10向控制器9提供关于环境光级的信息。因而，控制器9可以利用与环境光级相关的调光方案。典型地，在黑暗环境下中心区域的亮度从100％亮度降低到50％亮度，而中心区域5和包围区域6的亮度之间的比仍保持固定为50％。这就产生50％*(50％*100％+50％*50％)＝37.5％的功率使用，即与非调光显示相比功率降低了62.5％。
中心区域5和/或包围区域6的亮度还可以通过从图像内容确定的0D调光级来设置，在此通过参照N.Raman and G.Hekstra，DynamicContrast Enhancement of Liquid Crystal Displays with BacktightModulation，Digest of technical paper of ICCE 2005而将其引入。
所述思想是，以一个总因子来对背光进行调光，同时利用调光因子的倒数(inverse)来打开显示面板中的像素。这样就维持了屏幕前(front-of-screen)亮度。调光因子能够从应用于整个面板的Raman-Hekstra算法来获得，因为这保证了没有像素需要被驱动为超过其最大透射率。
因为0D调光在应用于整个面板时达到大约25％的功耗，因此这就导致75％*(50％*100％+50％*50％)＝56％的功率级，即功耗降低了44％，假设中心区域和包围区域的亮度之间的比仍然固定为典型的50％。因而，与0D调光相比有额外19％的节省而没有任何显著的额外成本。
注意，还能够在不维持这个光亮度的情况下使用0D调光或0D升压(0D-boosting)：例如，背光可以被升压而不减小像素透射率以生成短暂的闪光(以图像对比度为代价)。而且为了具有一些额外的的功率节约，减小的背光亮度可以仅在调光时被部分补偿。因而，通过接受例如10-20％的亮度损失，可以调光得比严格允许的更深一点。
各个背光区域的调光能够与相应区域的对应图像内容有关。作为示例，图2中的控制器9可以接收并处理来自显示器1之外的图像数据。基于此处所包含的关于与中心区域5和包围区域6相对应的图像内容的信息，控制器9调节相应区域的照明。这可以包括每个区域的绝对值以及中心区域和包围区域之间的比。
在典型的应用中，中心区域5可以被调光到75％亮度而包围区域6可以被完全调暗。因而，功率减小到37.5％并且获得62.5％的功率减小。
还能够通过照明构件4的物理布置来实现调光。通过以比发光元件11在中心区域5中更低的表面密度(即每单位面积更少的发光元件)将发光元件11布置在包围区域6中，来自包围区域6的照明能够实现比来自中心区域5的照明更低的亮度。因而，使包围区域被调暗并且降低了功耗。
由生产装箱产生的发光元件的分类能例如如下被利用。参照图3，具有最低通量的发光元件11被典型地放置在包围区域6中，特别是在包围区域的下子区域6a中。具有最高通量的发光元件11被典型地放置在中心区域5中。可选地，具有平均效率的发光元件可以被放置在包围区域的上子区域6b中。
对作为(远程)磷光体系统的LED背光而言，该分类能够如下加以利用。参照图3，较深蓝色LED能够被放置在包围区域的上子区域6b中(对于天空的较高色温)，而较长波长的蓝色能够被放置在包围区域的下子区域6a中。
在仿真中，背光被划分成九个相同大小的矩形分段12、13，如图4所示。假设背光的目标光亮度(luminance)能够被估计为图像的最大光亮度的平方根。知道背光的目标光亮度，也就知道了用于照明驱动电路的驱动值。因而，对于每个分段12、13中的所有像素，获取光亮度的最大值的平方根。对于周围的分段13，这些值被平均使得它们所有都得到相同的驱动值。中心分段12还可以用下式进行滤波以使中心LED达到峰值：
1 1 1 1 2 1 1 1 1 / 10
在仿真中，所有分段12、13的驱动值的最终结果是：
D Seg = 0.6050 0.6050 0.6050 0.6050 0.9111 0.6050 0.6050 0.6050 0.6050
在系统带有中心区域和包围区域(其中中心分段12形成中心区域而八个其余周围分段13形成包围区域)的情况下，驱动值为：
中心区域＝0.9111
包围区域＝0.6050
注意，在实际应用中，中心区域的表面优选地等于包围区域的表面(在仿真中，中心区域∶包围区域的比＝1∶8)。
如下执行对比度改善的第一仿真。该仿真使用矩形中心分段12和很陡峭的传递函数以清楚地示出效果。中心分段12仅被调光一点点，而周围分段13被显著调光。结果，改善了对比度并且降低了功耗。因为任何LCD泄露得以减小，所以周围暗区域变得更暗，而中心光亮度基本得以维持。
当使过渡平滑得如同在具有更宽传递函数的真实背光中那样时，所述分割将不可见而很大程度上维持了对比度的改善和功率的减小。在这需要100％屏幕前亮度且周围分段13被完全调暗的情况下，将会存在中心分段12亮度的很小损失，这是因为缺乏来自周围分段13的光对于中心分段12的贡献。然而，这不会干扰这种高动态范围的图像，并且一旦所需的中心屏幕前亮度稍低一点就能够被完全恢复：中心分段12然后以全亮度被驱动以补偿周围分段13的这一损失。
此前所描述的调光策略和实施例覆盖了控制器对调光进行调节的方法以及调光涉及照明构件的物理布置的方法。如本领域技术人员会理解的，这些方法能够被组合。而且，还要理解的是，本文所描述的针对中心区域和/或包围区域的技术和调光策略同样可以应用于可能的子区域。
已经主要参照几个实施例对本发明进行了描述。然而，如本领域技术人员容易明白的，除了上面公开的实施例之外的其它实施例同样可能属于如所附专利权利要求所限定的本发明的范围内。例如，照明构件可以是前光(frontlight)、被布置成发射远离观察者的光以通过显示单元并且被反射回到观察者。
应当注意，上面提到的实施例说明了本发明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多替代性实施例而不偏离所附权利要求的范围。在权利要求中，置于括号之内的任何附图标记不应当解释为限制该权利要求。词“包括”不排除存在除权利要求中所列举的之外的元件或步骤。元件之前的词“一”(“a”或“an”)不排除存在多个这样的元件。在列举若干装置的设备权利要求中，若干这些装置能够由同一个硬件实施。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的纯粹事实不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims (16)

1、一种照明构件(4)，用于照明显示面板(2)以产生图像，其特征在于，所述照明构件包括中心区域(5)和包围所述中心区域的包围区域(6)而与任何图像内容无关，所述包围区域(6)适于发射比由所述中心区域(5)发射的光更低质量的光。
2、根据权利要求1所述的照明构件(4)，其中所述包围区域(6)适于发射具有比所述中心区域(5)发射的光更低亮度的光。
3、根据权利要求1或2所述的照明构件(4)，其中所述中心区域(5)的面积具有与所述包围区域(6)的面积基本相同的大小。
4、根据前述权利要求中任一项所述的照明构件(4)，其中所述包围区域(6)适于发射具有小于所述中心区域(5)发射的光的亮度的70％且优选约50％的亮度的光。
5、根据前述权利要求中任一项所述的照明构件(4)，其中所述中心区域(5)和所述包围区域(6)中的至少一个被进一步分割成下子区域(5a，6a)和上子区域(5b，6b)，每个子区域发射不同质量的光。
6、根据前述权利要求中任一项所述的照明构件(4)，其中所述照明构件(4)设有控制器(9)，该控制器(9)调节由所述中心区域(5)和/或所述包围区域(6)所发射的光的质量。
7、根据权利要求6所述的照明构件(4)，其中所述控制器(9)基于所接收的图像数据来调节由所述中心区域(5)和/或所述包围区域(6)所发射的光的质量。
8、根据前述权利要求中任一项所述的照明构件(4)，其中所述中心区域(5)和所述包围区域(6)中每个都包括多个发光元件(11)。
9、根据权利要求8所述的照明构件(4)，其中在所述包围区域(6)中发光元件(11)的表面密度比在所述中心区域(5)中低。
10、根据权利要求8或9所述的照明构件(4)，其中所述发光元件(11)基于光质量被分类，并且属于第一类的发光元件(11)位于所述照明构件的第一区域中而属于第二类的发光元件位于所述照明构件的第二区域中。
11、一种显示器(1)，包括显示面板(2)和根据前述权利要求中任一项所述的照明构件(4)。
12、根据权利要求11所述的显示器(1)，其中该显示器(1)设有连接到所述控制器(9)的光传感器(10)，该控制器(9)基于环境光级来调节由所述中心区域(5)和/或所述包围区域(6)所发射的光的质量。
13、一种驱动照明构件(4)的方法，该照明构件(4)被布置成照明显示面板(2)以产生图像，其特征在于，所述方法包括：
-控制中心区域以发射第一质量的光；和
-控制包围所述中心区域的包围区域(6)，以发射比所述第一质量更低质量的光，
所述中心区域和所述包围区域与任何图像内容无关地被限定。
14、根据权利要求13所述的方法，其中所述包围区域(6)被控制为发射具有比由所述中心区域(5)所发射的光更低亮度的光。
15、根据权利要求13或14中任一项所述的方法，其中由所述中心区域(5)和/或所述包围区域(6)发射的光的质量基于所接收的图像数据而被调节。
16、根据权利要求13到15中任一项所述的方法，其中由所述中心区域(5)和/或所述包围区域(6)发射的光的质量基于环境光级而被调节。
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