CN103918022B - 用于显示器的背光以及显示系统 - Google Patents

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Abstract

提供了对于可包括可单独寻址和控制的光发射器的背光的双调制器显示系统的实施例提供各种脉宽调制(PWM)方案的技术。背光对光调制器提供照射，该光调制器用于进一步调理将展现给观看者的光。可以对背光进行条带划分，并且对于每个条带分配有效地增加控制器的用于每个条带的位深的PWM方案。显示系统可以允许PWM周期与LCD帧率更好地匹配以减少视觉伪像。在另一实施例中，显示系统可在图像数据中检测将被呈现的小明亮特征，并且在预先将光发射器分配给不同分区的情况下，背光控制器可以根据分区来驱动光发射器的子集。

Description

用于显示器的背光以及显示系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年11月11日提交的美国临时申请No.61/558,654的优先权，该申请的全部内容通过引用被并入此。
技术领域
本发明总体上涉及显示系统，并且尤其涉及具有改进的功率分布图(profile)的显示系统。
背景技术
高动态范围(HDR)显示系统已经扩展图像呈现性能来适应人类眼睛的动态范围——导致对于观看者明显更好的视觉体验。然而，在这样的HDR显示系统的一些实施例中，这是由单独发光器(诸如LED)的阵列的有效局部调制带来的。这些显示器(例如，监视器、膝上型显示器、移动显示器、电视等)的功率使用已经引起关注。
结果，降低这样的显示器的总功率需求以及瞬时功率需求可能是所期望的。
发明内容
在本发明的几个实施例中，提供了如下技术，该技术对于双调制器显示系统的实施例提供各种脉宽调制(PWM)方案。双调制器显示系统包括可单独寻址和控制的光发射器的背光(backlight)。背光对诸如LCD的光调制器提供照射，以用于进一步调理(condition)将展现给观看者的光。在一个实施例中，对背光进行条带划分，并且给每个条带分配有效地增加控制器的用于每个条带的位深的PWM方案。在另一实施例中，显示系统可允许PWM周期与LCD帧率更好 地匹配以减少视觉伪像。在另一实施例中，显示系统可在图像数据中检测将被呈现的小明亮特征，并且在预先将光发射器分配给不同分区的情况下，与根据PWM方案驱动该子集成对比地，背光控制器可以根据这些分区来驱动光发射器的子集。
附图说明
在附图中，以示例的方式、而非限制的方式例示本发明，并且在附图中，相似的附图标记表示类似的元件，其中：
图1A示出实现高动态范围性能的显示系统的高级架构。
图1B示出包括背光和光调制器的分段的高动态范围显示系统的一个实施例。
图2示出涉及四组光发射器的一种常规PWM方案。
图3示出可以降低显示系统上的瞬时功率需求的PWM偏移方案的实施例。
图4A和4B示出可以降低显示系统上的瞬时功率需求的PWM偏移方案的实施例。
图5A和图5B示出实现光发射器的拼合(tiling)和/或分段的并且被单控制器或多控制器方案驱动的背光架构的两个实施例。
图6示出PWM驱动方案的一个实施例，其中可以允许有四个占空比，并且光发射器可以在一个循环内在不同时间开启。
图7示出PWM方案的一个实施例，其中可以对背光的光发射器进行条带划分，并且PWM波形根据需要被时间交错地应用于每个条带。
图8示出实现PWM控制器的有效的更大位深控制的PWM方案的一个实施例。
图9示出PWM方案的一个实施例，其示出用于交错的条带的更高位深处理可被绕回以产生期望的结果。
图10和图11示出具有可以处理图像内的偶发的小明亮特征的PWM方案的显示系统的实施例。
具体实施方式
本文中描述了与图像处理技术相关的可能的示例实施例。在以下的描述中，出于解释的目的，为了使得能够彻底理解本发明，阐述了大量的特定细节。但应理解，可以在没有这些特定细节的情况下实施本发明。在其它情况下，为了避免不必要地遮蔽、掩盖或混淆本发明，不以详尽的细节描述公知的结构和装置。
在一些这样的显示器中，背光包括用于照射空间光调制器的区域的多个光发射器件(诸如LED)。这样的光发射器件或这样的光发射器件的组可以被分别进行控制，从而可以使背光发射的光的强度在空间光调制器上以期望的方式变化。这样的显示器在本文中被称为双调制显示器。在下列共有的专利和专利申请中描述了双调制显示器的一些例子：(1)标题为“HIGH DYNAMIC RANGE DISPLAY DEVICES”的美国专利No.6891672(“‘672专利”)、(2)标题为“HIGH DYNAMIC RANGE DISPLAY DEVICES”的美国专利No.7403332(“‘332申请”)、以及(3)标题为“RAPID IMAGE RENDERING ON DUAL-MODULATOR DISPLAYS”的美国专利申请公开No.2008/0180466(“‘466”申请)，所有这些申请的全部内容均通过引用并入本文。
另外，在下列共有的申请中：(1)标题为“REDUCED POWER DISPLAYS”的WO/2011/011548(“‘548申请”)、以及(2)标题为“CONTROL OF ARRAY OF TWO-DIMENSIONAL IMAGING ELEMENTS IN LIGHT MODULATING DISPLAYS”的WO/2011/011446(“‘446申请”)(这两篇申请的全部内容均通过引用并入本文)，描述了如下显示系统，该显示系统包括可独立控制的背光(例如，LED、OLED、电致发光面板(ELP)、CCFL、白炽灯、量子点和/或其他可控发射器等)的阵列以及光调制器(例如，LCD等)。与其他常用显示系统相比，这些显示系统具有明显更好的动态范围性能——这主要是通过以局部的方式单独地调制背光(典型地根据意在基本上实时地呈现的图像数据)和与光调制器进行卷积的组合效果而实现的。
由于这些显示系统的一些实施例可能在它们的背光中利用相当大数量的发射器，所以这些系统的总功率消耗是一个值得关注的问题。特别地，‘446申请描述了意在降低这样的独特的显示器配置的总功率消耗的若干技术、系统和方法。通过应用各种脉宽调制(PWM)方案，‘446申请的技术有助于降低总功率消耗。PWM典型地涉及控制背光上的光发射器的明亮度。可以通过接通和断开通过诸如LED的光发射器件的合适的固定电流来使该器件在100％明亮度的开启状态与0％明亮度的关断状态之间切换。PWM通过使每个光发射器对于重复时间段的一定百分比脉冲式地为开启状态来进行操作。如果该时间段足够短(例如，1毫秒)，则人类视觉系统不会检测到光发射器在开启与关断状态之间循环。观察者仅感知到平均发射光强度，其与PWM周期(PWM period)的器件处于开启状态的百分比成比例。该百分比被称为PWM信号的占空比。例如，由占空比为75％的PWM信号驱动的光发射器对于每个PWM周期的75％是开启的，并且对于观察者表现为就好像它正在稳定地发射明亮度为其最大明亮度的75％的光。对于这些PWM方案的进一步改进(如本文中所描述的)可以使得可以更大地改进总功率消耗。
图1A示出本申请中所使用的典型的显示系统10。系统10包括光源控制器12和光调制器控制器15——在一个实施例中——光源控制器12和光调制器控制器15可以输入时序和图像数据信号11。控制器12和15分别通过通信路径13和16来控制光源14和光调制器17。源14发射的光18照射调制器17，并沿着路径19传输到观看者。
图1B(在略微分解的视图中)示出显示系统20的一个实施例，其中图1的基本架构可被进行分区、分段或另外进行条带划分。显示系统20的光调制器27可被分段(例如，为所示的分段28—A、B、C、D—或者以任何其他方式进行分段)。另外，可以同样地对光源24进行分段或条带划分(例如，所示的分段26A、B、C、D—或者以任何其他方式)。每个光源条带可以包括发射器28的阵列(例如，20×4或任何其他条带划分，诸如16个LED×3行)。
对于PWM的一个常规例子，图2例示了用于驱动背光上的四个光发射器或四组光发射器的四个PWM驱动信号I1-I4。PWM信号I1-I4均具有周期T、以及为T的75％的开启时间或占空比。所有这些信号彼此都是同相的。它们均在时间t0一起上升至电流Ion，并且在时间t3一起下降。电流Ion对应于在光发射器的开启状态中驱动光发射器所需的电流。为了易于例示说明，在图2中将PWM驱动信号I1-I4示出为同样的；然而，在双调制显示器中，每个信号可被单独进行控制以具有特定的占空比。因此，不同光发射器可以不同明亮度水平进行操作。在如图2中所示的典型PWM中，通过改变PWM循环(PWM cycle)内每个光发射器关断的时间来控制明亮度水平；也就是说，占空比是从每个PWM循环的开头开始计时的。
图2中的波形Ptotal表示驱动由四个PWM驱动信号I1-I4控制的光发射器所需的总电功率。总功率Ptotal是如由P＝I V给出的每个这样的光发射器在给定时间消耗的功率的总和，其中，I是在该时间通过光发射器的驱动电流而V是在该时间在光发射器两端的相应压降。如图2中所见，在时间t0，Ptotal立即跳到最大值Pmax。例如，如果每个PWM信号I1-I4驱动当处于开启状态时消耗的功率为(Ion)(Von)的光发射器，则Pmax将等于4(Ion)(Von)。Ptotal从时间t0到t3保持为Pmax，然后随着每一个光发射器切换到关断状态，在每个PWM循环的最后四分之一内降至零。类似地，四个LED将从时间t0到t3汲取4(Ion)的总电流，然后在每个循环的最后四分之一内汲取的总电流为零。
PWM在与多个光发射器一起使用时的缺点是：在每个PWM循环开始期间光发射器全都同时开启某一持续时间(对于任何非零明亮度设置)。结果是，显示器的电源必须能够递送足以至少短时间完全驱动所有光发射器的功率并且能够几乎瞬间提供该功率，而不管显示器的有效明亮度水平如何。该要求增加了显示器的电源的成本和复杂度，对于具有大量光发射器的背光尤其如此。一些背光可能具有几十、几百或几千个单独的光发射器。在显示器具有显示非常明亮的图像的能力的情况(例如一些高动态范围(HDR)显示器中的情况)下，该 问题尤其严重。这样的显示器可能能够显示局部光强度为2000cd/m2或更大的图像。在这样的显示器中，发光元件可能是在它们的开启状态下消耗大量电功率的类型。
在一些实施例中，通过将背光的光发射器划分为数个组并且使得对于这些组中的不同组的PWM循环的起始时间随时间交错，来降低这样的瞬时功率要求。光发射器可被以任何方便的方式划分为多个组。
图3例示了根据其中将背光的光发射器划分为四个组的示例实施例的PWM驱动信号I1’-I4’。每组光发射器由PWM信号I1’-I4’之一控制。如图2中那样，每个PWM信号具有75％的占空比，使得光发射器以75％的有效明亮度进行操作。然而，与图2相对比，图3中的PWM信号I1’-I4’的相位彼此相差90度。可以看出，通过使每组的PWM循环的起始点交错，这四组光发射器所需的总功率Ptotal ’在第一PWM循环期间在时间t0、t1和t2逐步斜升到最大值Pmax'。如图所示，总功率Ptotal'然后在随后的PWM循环期间恒定地保持为最大值Pmax'。
在图3中用覆盖Ptotal'的点线示出图2的波形Ptotal，以更容易地看到功率要求的差异。可以看出，在Ptotal'中避免了与在每个PWM循环开始时所有光发射器同时开启相关联的Ptotal的重复功率浪涌(power surge)。相反，Ptotal'在第一PWM循环期间逐步斜升到水平Pmax'，它保持为Pmax'直到PWM信号被改变以显示后一图像为止。不但避免或减少了功率浪涌，而且光发射器的起始时间交错还可以导致对于给定的一组驱动信号的最大功率要求降低。在所示的实施例中，Pmax'比Pmax小ΔPmax的量。
例如，假定为了简单起见，每个PWM信号I1’-I4’驱动当处于开启状态时消耗的功率为(Ion)(Von)的光发射器，Ptotal'在时间t0、t1和t2按增量(Ion)(Von)逐步增大至为3(Ion)(Von)的最大Pmax'。因此，最大功率Pmax'是当PWM信号如图2中所示那样同相时所需的为4(Ion)(Von)的等效最大功率Pmax的75％。
该构思可以扩展到提供具有任何数量的组的光发射器的实施例，在这些组光发射器的PWM信号之间具有任何合适的相对相移。例如， 在一些实施例中，将光发射器划分为N个组，其中，每组的PWM信号相对于彼此相移360/N。背光的功率要求将根据若干因素而变化，所述若干因素包括光发射器的数量、以及应用于每个光发射器的PWM信号的占空比和相位偏移。如以上所提及的，光发射器的占空比(因此，明亮度水平)可被独立地进行控制。在一些实施例中，通过使PWM信号相移而获得的优点可以包括如下优点：总功率更加平缓地斜升，总功率更加均匀地分布，以及总功率被保持为比当相同的PWM信号被同相地应用时的最大值低的最大值。
在给定图像正被显示时，用于该给定图像的PWM信号可以没有变化地循环。当显示新图像时，可以更新PWM驱动信号以反映该新图像的图像数据。在每个新图像的第一PWM循环期间，可以要求总功率从零斜升到由更新后的PWM信号确定的最大值。如上所述，可以通过将多组PWM信号配置为彼此异相来延长该初始斜升时间。在同一图像的后续PWM循环期间，总功率可以恒定地保持为该最大值(如图3中所示的例子中那样)，或者相对于第一PWM循环的初始斜升在一定程度上波动。
对于视频图像，可以在每个视频帧开始时更新图像数据和相应的PWM驱动信号。PWM周期可以比视频帧周期短得多，使得在单个视频帧内发生多个PWM循环。例如，在一些实施例中，视频帧周期在3至16.7毫秒的范围内，而PWM周期在0.1至2毫秒的范围内。在图4A中例示了表示帧周期和PWM周期的示例波形。波形50表示周期为Tframe的示例视频帧循环。波形52表示周期为T的示例PWM循环。在该非限制性示例中，波形50的每个帧循环包含波形52的十二个PWM循环。
根据另一实施例，图像更新之后的第一PWM循环的持续时间在时间上相对于同一图像的后续PWM循环周期延长。图像可以是视频帧或静态图像。因为功率波动或浪涌趋向于在第一PWM循环期间达到最大(如图3中所示功率从零斜升到最大值)，所以延长第一PWM循环使得该初始功率以更多的时间进行斜升，并且相应地降低了对于电源的功率浪涌需求。如果只有图像更新之后的第一PWM循环被延长(但是相对于帧周期仍短)，则应该对于光发射器的明亮度没有可见的影响。更新之后的第一PWM循环周期可以在时间上延长到多达大约例如2毫秒。
根据本发明的示例实施例，除了每个帧循环的第一PWM循环的持续时间T1比该帧循环内的后续PWM循环的周期T2长之外，图4A的波形54类似于波形52。可以使周期T1比周期T2长任何合适的量。在一些实施例中，周期T1是周期T2的整数倍。在一些实施例中，T1/T2的比率例如在1.5至10的范围内。在所示的实施例中，作为非限制性示例，周期T1为周期T2的两倍长(其中，T2等于波形52的周期T)。
图4B例示了组合图3中所示的相移和图4A中所示的加长PWM循环的示例实施例。在图4B中，信号I1″-I4″的第一PWM循环的持续时间为后续PWM循环的两倍长。图4B中的PWM信号I1″-I4″另外与图3中所示的I1′-I4′相同。可以看出，在第一PWM循环的时间t0、t2和t4，总功率Ptotal ″从零逐步上升到最大值Pmax ″(等于图3中的Pmax ′)。初始功率斜升时间因此为图3的实施例的两倍。
如上所述那样降低背光的功率变化的斜升速率、幅度和频率可以继而降低给背光供电所需的电源的复杂度和成本。例如，在PWM信号如图3、图4A和图4B中那样偏移的情况下，可以放宽电源的各种参数(诸如浪涌容量、负载调节和瞬态响应)。浪涌能力是电源在给定时间段上以给定占空比能够供给的最大电流的度量。电源的浪涌容量可以远大于其平均输出功率容量。负载调节是电源响应于输出负载的变化而保持恒定输出电压的能力的度量。瞬态响应是在输出负载变化之后输出电压稳定到稳定输出电压所花费的时间的度量。通过使电源所需的输出电流的变化适中，根据本发明的实施例的背光允许电源具有更加适中的浪涌能力、负载调节和/或瞬态响应。此外，减小递送到背光的浪涌电流可以允许使用不具有复杂的浪涌保护电路的电源。
此外，在PWM信号如图3、图4A和图4B中所示那样偏移的情 况下，可以提高电源的效率和可靠性。当将电源操作为供给相对一致的电流时，电源趋向于更高效，而当电源在全负载与轻负载之间跳变时，电源趋向于低效。类似地，当在全负载与轻负载之间从电源汲取的电流不跳变时，电源的电组件趋向于受到更小的应力并且持续更长时间。
图5A例示了根据本发明的示例实施例的包括光发射器64的多个拼合部(tile)62的背光60的一部分。光发射器64可以是例如LED。在一些实施例中，背光60包括拼合部62的二维阵列，每个拼合部包括光发射器64的二维布置。在一些实施例中，每个拼合部62包括印刷电路板(PCB)，其包括LED或其他光发射器的阵列。
结合有背光60的显示器还可以包括控制器66，该控制器66根据输入图像数据70产生明亮度信号68。明亮度信号68可以是表示一个或多个光发射器64的期望明亮度水平的模拟或数字信号。背光60还可以包括一个或多个PWM控制器72，其用于将明亮度信号68转换为可以直接控制光发射器64的明亮度的PWM驱动信号74。在一些实施例中，背光60包括多个PWM控制器72，每个PWM控制器72控制多个光发射器64(诸如LED)。在一些实施例中，每个拼合部62包括用于控制该拼合部上的光发射器64的一个或多个PWM控制器72。例如，拼合部62包括PCB，在该PCB中集成有用于控制该PCB上的光发射器64的PWM控制器72。控制器66和PWM控制器72可以是分离的物理装置，或者可以组合在同一物理装置内。
PWM驱动信号74可以是包括具有给定的持续时间、占空比和相位偏移的一系列循环的波形。PWM驱动信号74可以操作以接通和断开通过光发射器64的固定电流。在一些实施例中，一个拼合部的PWM信号74相对于另一拼合部的PWM驱动信号74相移(例如图3中的例子所示)。在一些实施例中，所显示的图像的第一PWM循环的持续时间比同一图像的后续PWM循环的持续时间长(例如图4B中所示)。
在所示的实施例中，PWM控制器72输出多个PWM驱动信号74， 每个PWM驱动信号74控制单独的拼合部62。在一些实施例中，拼合部62上的所有光发射器64由对于该拼合部产生的共同PWM驱动信号74控制。在其他实施例中，用于每个光发射器64的PWM驱动信号74的占空比可以由一个或多个PWM控制器72独立控制。
在一些实施例中，控制器芯片或电路单独地控制多个光发射器。在一个实施例中，PWM控制器芯片或电路被配置为使得对于光发射器产生的PWM信号的起始时间彼此交错。在使用这样的PWM控制器芯片或电路被构建的背光中，自动地使开启不同组光发射器的时间交错。
背光60还包括电源76，其用于给背光上的光发射器64供电。电源76可以被配置为满足产生光发射器64的期望明亮度范围所必需的特定功率要求。这样的功率要求可包括例如负载调节、瞬态响应和/或浪涌容量。如果多组PWM信号的起始时间如图3、图4A或图4B中所示那样交错，则光发射器64不全部同时接通到100％明亮度，并且可以如上所述那样降低这样的功率要求。具体地，在一些实施例中，电源76具有比在所有光发射器64同时接通的情况下所需要的浪涌容量小的浪涌容量。电源76的浪涌容量的缩减率可以与具有相同相位偏移的PWM信号所驱动的光发射器的数量的缩减率成比例。在一些实施例中，电源76具有少于在所有光发射器64同时接通的情况下所需的浪涌容量的一半的最大浪涌容量。
类似地，在一些实施例中，电源76能够具有比在所有光发射器64同时接通的情况下光发射器64所需要的总涌入电流少的最大输出浪涌电流(涌出电流)。例如，如果背光60包括N个光发射器并且每个光发射器在接通时需要Irush的涌入电流，则电源76可以在能够供给所需的平均电流的同时具有小于N(Irush)的最大涌出电流。在一些实施例中，电源76具有小于0.75(N)(Irush)的最大涌出电流。在一些实施例中，电源76具有小于0.5(N)(Irush)的最大涌出电流。
电源76可以被配置为具有供给足以维持背光60的期望平均明亮度的连续输出电流的容量。在一些实施例中，电源76能够在整个背光60上产生比它可在背光60的各部分上产生的局部光强度小的最大平均光强度。例如，电源76可能够在背光60的各部分上产生2000cd/m2或更大的局部光强度，而仅能够在整个背光60上产生400cd/m2的最大平均光强度。
在‘548申请中，描述了根据本发明的示例实施例产生驱动背光上的多组光发射器以显示图像的PWM信号的方法(在‘548申请的图6中被标记为方法100)。该方法可以在例如用于背光的一个或多个控制器中实现。
在方法100的方框102中，涉及基于表示将被显示的图像的图像数据来确定用于显示器的背光上的所有光发射器的明亮度值。在该方法中，将光发射器划分为多个组。可以对于每个单独的光发射器或者对于每个单独的组独立地确定明亮度值，以使得由背光发射的并且入射在空间光调制器上的光的强度可在空间光调制器上以期望的方式变化。明亮度值可以用例如电子模拟信号或数字信号表示。
在方法100的方框104，基于在方框102确定的明亮度值来确定每组光发射器的PWM占空比。占空比可例如被表达为每个PWM周期的光发射器应处于开启状态以生成期望的明亮度水平的百分比或比率。
在方法100的方框106，产生具有在方框104确定的占空比以及对于每个组确定的相位偏移的PWM驱动信号，并将这些PWM驱动信号应用于每个光发射器。对于每个组应用的相位偏移彼此不同，以便使不同组的PWM循环的起始时间交错(如图3中所示)。例如，可以按360/N的增量施加每个组的相位偏移，其中，N是组数。
在方框108，设定每个PWM循环的持续时间，以使得图像的第一PWM循环比用于该给定图像的后续PWM循环的持续时间长(如图4B中所示)。例如，可以使第一PWM循环为后续PWM循环的两倍长。延长第一循环的一个益处是延长光发射器汲取的功率和电流所需的斜升时间。
PWM循环总是包括连续开启时间部分和随后的连续关断时间部分并不是必需的。对于给定的占空比，可以改变开启时间和关断时间 的模式，只要保持循环内的开启时间与关断时间的总体比率即可。例如，可以将循环内的开启时间和关断时间的顺序反过来，以使得光发射器在该循环的某一第一部分内保持关断，然后在该周期的其余部分内开启。在这种情况下，具有不同明亮度水平的光发射器可以在同一PWM循环内在不同时间开启(并且在该循环结束时同时关断)。本申请的图6例示了四个波形80A-80D，其表示具有分别为25％、50％、75％和100％的占空比以及周期T的PWM信号，其中，每个周期的开启时间跟随在关断时间之后。如图6中所示，所得的总功率波形82在每个循环期间逐步上升到最大值84，而不是在每个循环开始时瞬间上升到最大值。
另举一例，还可以使开启时间在PWM循环内居中，以使得不同功率电平在不同时间上升和下降。可以以任何其他选定的方式在PWM循环内散置开启时间和关断时间，只要该循环内的开启时间与关断时间的总体比率保持相同即可。在对于显示器的光发射器定义离散数量的明亮度水平(例如，2n个明亮度水平，其中，n是定义明亮度的位数)的情况下，可以将每个循环划分为该数量的分段(例如，2n个分段)，在其期间可以将光发射器设为开启或关断。每个明亮度水平可以对应于PWM循环内的开启/关断分段的特定模式。不同组的光发射器可以对于每个明亮度水平采用不同的开启/关断模式集合，以使得即使被设为相同的明亮度水平，组之间的开启时间仍交错。总功率要求因此可以更均匀地分布在PWM循环上。
可以将PWM循环内的开启时间和关断时间的分布的变化与如上所述的多组PWM信号的相位偏移的变化进行组合。例如，可以通过从每个PWM循环的末端测量占空比来使具有共同相位偏移的组内的各个光发射器的起始时间交错。如果使每个新图像的第一循环的持续时间比默认PWM周期长，则也可以相应地延长所需的初始斜升时间。
图5B例示了根据另一实施例的背光120。在这个实施例中，多个PWM控制器122A-122D(统称为PWM控制器122)均由分离的时钟信号124A-124D(统称为时钟信号124)控制。PWM控制器122均 产生用于一组125一个或多个光发射器126的PWM驱动信号123。时钟信号124具有共同的周期T，但是彼此相移，使得由PWM控制器122产生的PWM循环的起始时间交错。可以通过使公共源时钟的输出相移不同的量来产生时钟信号124。例如，在所示的示出四个PWM控制器的例子中，可以使时钟信号124A相移0，可以使时钟信号124B的相移90，可以使时钟信号124C的相移180，并且可以使时钟信号124D的相移270。在另一示例实施例中，使一个或多个PWM控制器的时钟信号相对于一个或多个其他PWM控制器的时钟信号反相。
在一些实施例中，每个时钟信号124可在用于被显示图像的第一PWM循环的第一时钟信号与用于同一图像的后续PWM循环的第二时钟信号之间切换。第一时钟信号可以具有比相应的第二时钟信号长的周期(例如，与T相比，周期为2T)，但是具有相同的相位偏移。因此可以使用第一时钟信号来使每个被显示图像的第一PWM循环的持续时间相对于同一图像的后续PWM循环的持续时间延长。在替代实施例中，可以改变时钟信号的频率，以使得第一PWM循环的周期比后续PWM循环的周期长。
改进的定相关系(phasing relationship)
现在将描述定相关系和显示系统的另外的实施例。本文中所描述的一些实施例可以实现：(1)降低瞬时功率需求、(2)通过增加PWM驱动器和/或控制器的位深来提高背光精度、(3)使背光与正被呈现的图像更好地匹配、以及(4)通过在期望时间提供背光消隐来提供更好的文本可读性。
现在将特别参照说明书来描述具有这样的定相关系的显示系统的一个实施例。应理解，本文中所描述的说明书是示例性的，而非限制本发明的范围。
在一个实施例中，系统可以获取单个帧，并将它划分为多个PWM循环。这些PWM循环可被单独进行控制，并且可以每一PWM周期 重新加载，从而使得系统可以在用于该帧的单个深位PWM值被给定的情况下重新加载值。系统然后可以进一步对此进行优化以在相位上分布起始时间。这可以通过将PWM周期分为相位并且将该PWM周期的值分发给该相位来实现。这样的系统可能不需要这么多的瞬时功率，因为在低值PWM LED在稍后相位关闭时，其他LED可以开始开启。这使得可以有效地分布LED PWM开启的重叠——因此同时提高电源的寿命并且放宽电源的要求。
当PWM控制器以相对较快的帧率(例如，3.6Khz)工作、然后可以将该PWM帧率与操作光调制器的视频帧(例如，60-120hz)进行比较时，可以在给定视频帧内具有大约60个PWM帧。另外，就12位PWM控制器而言，可能存在对于给定占空比将采用的4096个步长。
为了降低基于PWM的LED驱动系统中的最大峰值电流负载，可以设定定相构思，其对可以在任何一个时间开启的LED的数量设定限制。举例来说，可以将该数量定义为系统中的LED的总数的一小部分。例如，如果该系统针对n个相位设计，则在任何一个时间可以开启不多于N/n个的LED，其中，N是LED的总数。在这种情况下，不存在相位重叠。因此，在一个实施例中，可以对显示系统的背光进行条带划分以节省总功率需求。图7是其中对背光进行条带划分(如所示，条带0、1、2和3)的显示系统的一个例子。可以如所示那样使这些条带的开启-关断状态交错以降低显示系统的瞬时功率需求。
除了其中限制可以在任何一个时间开启的LED的数量的峰值电流限制之外，可通过添加可以重叠的附加相位来进行进一步的改善。通过使每个LED的PWM循环的启动交错，电流负载脉冲随时间扩展(如以上图3中所示)，从而降低di/dt。将此与峰值电流限制构思组合，可以得到限制峰值电流并且降低功率子系统上的di/dt脉冲负载的益处。这通过保持峰值电流限制规则来简单地完成，所述峰值电流限制规则即为在任何一个时间可以开启不多于N/n个的LED——这意味着可存在至少n个相位。现在，如果将这两个构思组合，则通过允 许相位重叠来修改相位不可以重叠的规则，但是在任何一个时间可以开启不多于N/n个的LED，可以降低di/dt以及限制峰值电流。
在另一实施例中，如果LED相对于PWM循环的开头有时间偏移地开启并且LED可以不跨越PWM循环边界，则系统可以设计PWM限制，由此PWM(max)＝100％－PWM(偏移)。作为替代方法，可以将由偏移导致的任何重叠移回PWM循环的开头内。例如，如果LED时间PWM偏移为PWM循环内的25％并且PWM值为80％，则LED开启时间可以分为两片——(1)来自PWM循环的0％偏移的5％开启时间，(2)来自25％偏移的75％开启时间。
扩展位深
本系统的一个实施例包括这样的设计：其采用较低位深PWM LED驱动器控制器，并且增加每一视频帧的位深以使得可以对在该帧期间发射的光进行更多控制。目前，一些商用驱动器仅使用12位PWM控制。就这些商用驱动器而言，一个问题是随着以越来越低的亮度控制LED，LED可能具有控制颜色混合的问题，这是因为在底端可能没有足够的控制。然而，人类视觉系统对于处于这些较低水平的光是敏感的。
举例来说，如果期望产生非常低的白光(其是非常轻微地调整的冷蓝色)——并且可以开始以PWM值1进行PWM控制——那么如果可以通过PWM＝1使蓝色LED开启，而对于红色和绿色为PWM＝0，则系统可以仅得到蓝色，而不是这个更低水平的白色。可替代地，对于所有三个R、G、B，系统可以具有PWM＝1；但是那么系统必须呈现在该水平这三个颜色所给予的任何混合。
因此，在一个实施例中，系统可以确定系统在保持忠实于比率的同时在不跳转到PWM＝0的情况下可以达到的最低——即，如果红色需要直至PWM＝1并且绿色和蓝色是更高值以保持白色混合，则这样的设置有助于定义系统的背光的最低亮度水平。因此，可以使得在较低水平进行更多控制，这继而使得系统可以呈现更好的黑色以及更精 确的灰阶跟踪。
当特定PWM帧率大于视频帧率时，匹配这些速率可以允许能够增加PWM控制的位深。例如，在一个实施例中，如图8中所示，12位PWM控制器可以使其有效位深扩展2位——变为有效的14位控制器。如所示，可以将扩展位((0,0)、(0,1)、(1,0)和(1,1))用于一个条带以添加附加的开启状态。在例子中，以步长值4096示出附加的开启状态——但是应理解，在占空比内可以采取其他步长值以采取不同有效亮度水平。图9示出在条带划分方案中可如何绕回扩展位。例如，图9示出可如何用条带1的扩展位来驱动条带1——并且扩展位(1,1)被示为卷绕以提供期望结果。
在一个实施例中，利用通过重复驱动器循环多次以得到更多位来增加PWM位的能力，可以具有更多用于R、G、B的位——从而使得系统可以具有低得多的黑色水平。这是可能的，因为黑色可能不用全都为零的所有RGB值表示。其原因是下一水平提高在光中将是一个巨大的跳跃，因为为了使得它为白色，RGB混合将不为1,1,1、而是更像是1,3,5。因而，通过扩展位PWM方案，任何LED的1表示比具有1表示的较低位PWM方案暗淡得多。因此，当通过使用这些扩展位PWM方案来控制显示系统时，可以呈现附加水平的低亮度白光——或更真实的、更黑的黑色水平。
改进的图片质量
通过改进的定相方案，还可以通过使LCD响应时间与LED定相方案匹配来改进图片质量。
对于一个实施例，可以具有滚动背光以匹配分段LCD的时序的能力——特别是在背光的条带在空间上与LCD分段匹配(如图1B中那样)的情况下。这是可能的，因为用于LCD帧的分段可能不同时更新——相反，帧可被偏移地更新。因此，LED图像可以在与LCD相同的分段中匹配。例如，LED图像可以在与LCD相同的分段(例如，从上到下的4到8个分段)中更新。
另外，在响应时间给定的情况下，可以有利地使每个LED条带变黑(black out)(例如，关断)。在一个实施例中，LED条带可以在帧的时间的一小部分上变黑以避免观看到LCD的更新-扭曲时间。该方案将有助于避免明显的LCD模糊。
在一个实施例中，因为PWM控制器(包括第一更新时间段)可以在视频帧中更新多次，所以该PWM更新可以有利地与LCD响应时间(第一响应时间段)匹配。例如，当LCD从一个帧到另一个帧从黑切换到白时，这花费一些时间，并且它可能是帧的大部分时间。该时间部分可以与LED驱动器的PWM循环匹配。例如，如果显示器从LCD值0变为LCD值255(例如，从全关断到全开启)，则帧中的PWM可以按0、64、256、512、2048、4095、4095、4095进行——与仅重复地显示4095、4095、4095、4095、4095、4095截然相反。因此，可以在几个更新时间段期间逐渐地提高PWM信号。
小明亮特征(small bright features)
在另一实施例中，可以不同地定义显示系统的最大明亮度。事实上，可以以几种方式定义最大明亮度：(1)整个画面上的最大明亮度、以及(2)小明亮特征的最大明亮度。在第一种情况下，可以将最大明亮度定义为在LED上的100％PWM的全开LED。在这样的情况下，可以设置驱动电流，使得仅需要一个相位并且仍然可以实现di/dt改进。
然而，可以用小明亮特征(SBF)的构思来改进显示系统的有效动态范围。SBF可能在图像中不时地出现——并且如果在显示系统中设计一定的净空间以增大LED动态范围，则可以被适应。可以在图像帧缓冲器中检测到SBF——因为图像数据被读取到缓冲器中。这样的缓冲器可以在图1A的光源控制器12和/或光调制器控制器15中实施。如本领域中已知的，可以在显示系统的图像管线的其他部分中实现这样的缓冲器。
图10示出了SBF的出现，因为它可以在LED背光的一个实施例中显现。如所示，可以进一步将LED背光分配给若干分区之一。例如， 可以将图10中的LED分配给四个分区——I、II、III和IV之一。在这种情况下，分区实际上可以是背光本身的区域的物理划分。然而，应理解，许多其他划分是可能的，并且本申请的范围包含它们。例如，在其他实施例中，然而，可以使基本上任何两个相邻的LED被分配到不同分区。
SBF由可有时忽略定相规则的并且可对于PWM循环的100％开启的LED的任意组限定。例如，晚上的烟花可能需要大部分黑暗的画面，其中具有小的明亮区域(例如，画面的整个区域的20％)。只要不超过最大总电流限制，从背后照射烟花的LED就可以被给予由定相限制设置的规则的例外。
图11示出可以如何相应地处理SBF的两个例子。顶部时序图示出对于一个给定的SBF，分区II的LED可以被照射其循环的15％。下面的三个图例示了分区II和III LED可如何照射以生成50％循环、分区LED II、III和IV可如何照射以生成75％循环、以及部分分区LED I可如何与分区LED II、III和IV一起被照射以生成90％循环。通过该方案，其他照射模式当然是可能的。
为了允许该例外，系统可以监视对于任何给定场景的预测功率，并且通过允许100％的期望PWM值或者缩小它以便满足系统峰值电流和/或di/dt限制来相应地允许(或部分允许)SBF。
现在已经给出了随同例示本发明的原理的附图一起阅读的本发明的一个或多个实施例的详细描述。要理解结合这样的实施例对本发明进行了描述，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求书限制，并且本发明包含许多替代、修改和等同。在本描述中已经阐述了许多特定细节以便提供本发明的透彻理解。这些细节是出于示例的目的而提供的，并且可以根据权利要求书在没有这些特定细节中的一些或全部的情况下实施本发明。出于清楚的目的，没有详细描述与本发明相关的技术领域中已知的技术资料，从而不会不必要地模糊本发明。

Claims (10)

1.一种用于显示器的背光，包括：
多个可独立控制光发射器条带；
一个或多个背光控制器，所述控制器被配置为通过将脉宽调制驱动信号应用于每个光发射器来控制条带内的所述光发射器的明亮度水平，所述脉宽调制驱动信号具有周期T、与明亮度水平成比例的占空比、以及在条带之间变化的相位偏移，
其中，用于光发射器的所述脉宽调制驱动信号的脉宽调制周期被分为相位，并且所述脉宽调制周期的值被分发给该相位，从而光发射器的起始时间可以在相位中被分布；
其中，所述背光控制器包括在单个周期T内与所述背光控制器的第一位深相对应的第一组脉宽调制驱动值；并且
其中进一步，在多个周期T’上通过脉宽调制驱动信号来控制所述光发射器条带，以使得通过与第二位深相应的第二组脉宽调制驱动值来控制所述光发射器，其中，所述第二位深大于所述第一位深。
2.根据权利要求1所述的背光，其中，所述背光控制器包括单个脉宽调制周期上的与12位的第一位深相对应的第一组脉宽调制驱动值，并且进一步其中，在四个脉宽调制周期上与14位的第二位深相对应地控制用于给定光发射器条带的所述驱动信号。
3.根据权利要求1所述的背光，其中，在所述多个周期T’上的用于第一条带的所述驱动信号能够绕回以在至少从第二条带开始的单个时间点驱动所述条带。
4.根据权利要求1所述的背光，其中，当通过所述第二组脉宽调制驱动值来控制背光时，能够用所述背光呈现附加水平的低亮度白光。
5.一种显示系统，包括：
光调制器；
光调制器控制器，所述光调制器控制器控制透射通过所述光调制器的光量，所述光调制器控制器能够按分段更新所述光调制器，每个分段更新包括第一响应时间段；
背光，所述背光包括多个可独立控制光发射器条带；
一个或多个背光控制器，所述背光控制器被配置为通过将脉宽调制驱动信号应用于每个条带来控制条带内的所述光发射器的明亮度水平，用于每个条带的每个脉宽调制驱动信号具有第一更新时间段；
其中，用于光发射器的所述脉宽调制驱动信号的脉宽调制周期被分为相位，并且所述脉宽调制周期的值被分发给该相位，从而光发射器的起始时间可以在相位中被分布，并且
其中，所述光调制器分段在空间上与所述背光条带匹配，并且进一步其中，所述第一更新时间段小于所述第一响应时间段。
6.根据权利要求5所述的显示系统，其中，所述光发射器条带在所述第一响应时间段开始时变黑。
7.根据权利要求5所述的显示系统，其中，当光调制器信号从全关转变为全开时，脉宽调制信号在多个第一更新时间段上逐渐地增加。
8.一种显示系统，包括：
光调制器；
光调制器控制器，所述光调制器控制器控制透射通过所述光调制器的光量，所述光调制器控制器能够按分段更新所述光调制器，每个分段更新包括第一响应时间段；
背光，所述背光包括多个条带，每个所述条带包括多个可独立控制光发射器；其中进一步，每个光发射器被分配给多个分区之一；
一个或多个背光控制器，所述背光控制器被配置为通过以下组之一来控制所述光发射器的明亮度水平，所述组包括：(1)通过将脉宽调制驱动信号应用于每个条带来控制条带内的光发射器，以及(2)控制多个分区内的光发射器；
其中，用于光发射器的所述脉宽调制驱动信号的脉宽调制周期被分为相位，并且所述脉宽调制周期的值被分发给该相位，从而光发射器的起始时间可以在相位中被分布，
其中进一步，当在图像帧中检测到小明亮特征时，所述背光控制器控制所述分区中的一个或多个内的光发射器的子集，其中，所述小明亮特征由能够有时忽略定相规则并且对于脉宽调制循环的100％开启的光发射器的任意组限定。
9.根据权利要求8所述的显示系统，其中，所述光发射器的所述分区将所述背光分为被分配给同一分区的光发射器的多个区域。
10.根据权利要求8所述的显示系统，其中，任何两个相邻的光发射器被分配给不同分区。
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