JP2004516504A

JP2004516504A - Ｌｃｄバックライト用駆動制御回路

Info

Publication number: JP2004516504A
Application number: JP2002550628A
Authority: JP
Inventors: ウェーブルニングヘルト; チンチャン
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2004-06-03
Also published as: KR20020084125A; US20020070914A1; EP1350239A1; WO2002048994A8; US6888529B2; TW546990B; WO2002048994A1; CN1422423A

Abstract

ＬＥＤのアレイからなるＬＣＤディスプレイ用バックライトである。このバックライトは高速パルス電力コンバータにより駆動制御され、従ってバックライトに対しマイクロ秒程度の応答時間を提供する。従って、このバックライトは画像表示に使用することができ、例えばＬＣＤへのビデオ入力の画像表示に使用することができるとともに画像アーチファクトを除去することができる。

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、表示パネルのバックライト、特にＬＣＤパネルのバックライトに関するものである。
【０００２】
（背景技術）
バックライトは主として情報表示用ＬＣＤパネルの照明に使用されている。アクティブマトリクスＬＣＤのような代表的なＬＣＤは２つの基板の間に配置された液晶からなる。一方の基板に隣接して薄膜共通電極が設けられ、他方の基板に隣接して薄膜電極のアレイが設けられる。アレイ内の各電極は１以上の薄膜アクティブ素子とアドレスラインに接続され、これらの素子は電極に供給される電圧を調整する。各画素電極と共通電極との間に配置された液晶はＬＣＤの画素を構成する。所定の画素に対応するアレイの電極を以後「画素電極」という。
【０００３】
一般に、ＬＣＤの画素の液晶は、他の光学素子と協働し、液晶分子のヘリカル整列のために入射光を通す。画素電極と共通電極との間に、例えばアドレスライン及びアクティブ素子を介して、電圧を印加すると、液晶のヘリカル整列が除去もしくは変更され、画素の光通過が阻止又は妨害される。
【０００４】
液晶自体は光を発生せず、上述したように光を通すか光の通過を妨げるかである。従って、ＬＣＤには光をＬＣＤの画素に供給する「バックライト」を設けるのが代表的である。バックライトは代表的には白色光源であるため、カラーＬＣＤでは、各画素は一般に赤、緑及び青フィルタで覆われた３つの個別画素又は「サブ画素」で構成される。各画素により表示される色は３つのサブ画素の各々により放出される光により制御され、各サブ画素により放出される光は各サブ画素の画素電極（又は「サブ画素電極」）と共通電極との間の電圧の関数である。
【０００５】
ＬＣＤに設けられるバックライトは上述したように代表的には白色光源である。一般にＬＣＤパネル全面に亘ってできるだけ一定の強度にしてディスプレイ上に高度に均一なイメージを提示するのが望ましい。図１はパラボラ状反射器１２と反射器１２の焦点に位置する蛍光光源１４を使用するバックライト１０の基本的設計を示す。光源からの光は反射器１２により、拡散表面１６に垂直に反射され、拡散表面１６がより均一な光強度分布を与える。
【０００６】
図１のバックライトアセンブリは、パラボラ反射器１２により必要とされる幅のために、ＬＣＤパネルのいくつかの用途には実用し得ない。図２には、薄型ＰＣ４０のＬＣＤパネル４２の基本的なバックライト装置が示されている。このＬＣＤパネル４２のバックライトは、ＰＣ４０のディスプレイ部分４６内のＬＣＤパネル４２のエッジに存在する２つの細い蛍光光源４４ａ及び４４ｂにより与えられる。従来既知のように、光ホイル及びガイドを用いて、ＬＣＤパネル４２のエッジから入射する蛍光光源４４ａ，４４ｂからの光を、ＬＣＤパネル４２の画素に比較的均一に分布させるとともに、図２に示すＬＣＤパネル４２の観察表面に向けさせている。
【０００７】
バックライトとして蛍光照明を使用する従来の技術は、高周波数（ＨＦ）インバータ回路を用いる冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）技術に基づいている。しかし、これらのバックライトシステムは一般的に予め設定された色点（カラーポイント）を有する白色光を発生するという制限が生ずる。ＣＣＦＬによる種々の色成分（例えば赤、緑、青）の光出力の相対量は駆動電子回路や任意の他の方法で調整することはできない。種々の色の光出力の相対量、特に赤、緑及び青色光出力の相対量を以後「色含有量」という。同様に、バックライトの出力の色点も調整できない。ＣＣＦＬバックライトはビデオ出力の初歩的なサポート、例えば表示画像に対し可変の色を与えることさえできない。
【０００８】
更に、ＣＣＦＬは、移動物体を有するビデオソースのような高品質画像をＬＣＤディスプレイ上に表示するのを殆ど援助しない。現在のＬＣＤ（駆動回路を含む）の代表的な応答時間は５０ｍｓ程度であるが、ビデオフレームレートは１２０Ｈｚ程度であり、フレーム周期は８．３ｍｓ程度である。フレーム周期はＬＣＤの応答時間より遥かに短いので、ＬＣＤパネルは高速移動ビデオ画像の表示においてアーチファクトを受ける。このアーチファクトを軽減又は除去する一つの方法は、ＬＣＤバックライトをフレーム周期の一部分の時間インターバルの間にスイッチオン及びオフするものである。しかし、現在の高周波数インバータ及びＣＣＦＬは５ｍｓ以上のオン／オフ応答時間を有する。従って、ＣＣＦＬはＬＣＤディスプレイ上に表示されるビデオ画像からアーチファクトを除去するのに十分な速さでスイッチすることはできない。従って、ＣＣＦＬ技術は高品質ＬＣＤパネルバックライトとして限定された可能性を提供し得るのみである。
【０００９】
（発明の開示）
本発明は、ＬＣＤディスプレイ用のＬＥＤバックライトを提供する。このバックライトは、ＬＣＤの背面基板に隣接して、関連する駆動回路（駆動電子回路を含む）と一緒に配置された例えば赤色、緑色及び青色（ＲＧＢ）ＬＥＤのアレイ又はバンクを具えることができる。このバックライトは、ＬＣＤの１つ以上の側面又はエッジに隣接して、関連する駆動回路と一緒に配置されたＲＧＢＬＥＤのアレイ又はバンクを具えることもできる。発生された赤色、緑色及び青色光は、既知のように、導波路や他の光学素子によりＬＣＤの各画素に向ける。このＬＣＤバックライトは薄いパネル製造を容易にする簡単な設計を提供する。また、サイド又はエッジバックライトで必要とされる光学素子の必要を軽減又は除去し、製造を容易にすることもできる。
【００１０】
ＲＧＢＬＥＤバックライトを駆動して白色光を提供することができる。これはＬＣＤに必要なバックライトを提供することもちろんである。更に、一つの色のＬＥＤを相対的に高いレベル又は低いレベルで一時的に（又は長時間に亘って）駆動して、発生する白色光の色点を変化させる、及び／又はバックライト（又はその一部分）の特定の色含有量を一時的に又は長時間に亘って増減することができる。また、３色のＬＥＤは種々のレベル及びレシオで同時に駆動して、種々の白色点を発生させることができる。従って、ＬＥＤバックライトの色点及び／又は色含有量を、例えばバックライトの強度変化中に維持制御することができる。ＬＥＤバックライトはビデオ画像信号ストリームにより発生される画像の表示にダイナミックに使用することもできる。ビデオ画像信号ストリームから、輝度信号Ｙの画素毎のヒストグラム処理により全画像光強度を得ることができる。ＬＥＤバックライトのドライバは増大したコントラスト比を得るためにヒストグラムデータを用いてバックライト強度を調整することができる。従って、より良好な色飽和及び色バランスを有する画像を発生させるために、各画素の色情報を用いてバックライトの色点を調整することができる。
【００１１】
ＲＧＢＬＥＤバックライトは駆動回路を含み、この駆動回路は電力調整コンバータを具えることができる。（例えば、ビデオ信号ストリーム用のバックライトとして使用するときは）ＲＧＢＬＥＤバックライトは、ＤＣバイアスを用いて又は用いずに、高速パルス電流モードで駆動することができる。ＬＥＤはナノ秒程度の極めて速い応答時間を有する。従って、ＬＥＤにより出力される光の応答時間は事実上ＬＥＤに供給される駆動電力の応答時間により制限される。ＬＥＤの出力をマイクロ秒範囲で応答する素子を有する電力回路で調整することにより、（例えば）赤色ＬＥＤから放出される赤色光をマイクロ秒の範囲内でダイナミックに制御することができる。例えば、駆動回路は赤色ＬＥＤにより出力される赤色光を数マイクロ秒でパルス変調することができる。観察者の目は赤色ＬＥＤの高速パルス出力を積分して平均赤色光出力とする。赤色、緑色及び青色ＬＥＤの平均光出力を個別に調整することにより，ＬＥＤバックライトの色点及び／又は色含有量を変化させることができる。赤色、緑色及び青色ＬＥＤの光出力は、例えばＬＥＤアレイの赤色、緑色及び青色画素に供給される電流に独立のパルス変調を加える個別のコントローラにより独立に制御することができる。多くの実際の用途において、ＬＥＤバックライトの駆動にミリ秒以下の応答時間を有する電力調整コンバータの使用で十分である。
【００１２】
このように、バックライトの色点及び／又は色含有量は、赤色、緑色及び青色ＬＥＤが駆動される時間及び強度の相対量により決まる。上述したように、赤色画素と緑色画素と青色画素に対しそれぞれ１つづつ、３つの独立コントローラを使用して相対光出力を発生させることができる。（赤色、緑色及び青色画素がＬＥＤバックライトにより順次に駆動される場合、目は順次の赤色、緑色及び青色光を積分して白色バックライト又は別の背景色として知覚する）。従って、ＬＥＤバックライトにより与えられるバックライトの色点及び／又は色含有量はＣＣＦＬバックライトより遥かに高速に（例えば高速パルスコンバータではマイクロ秒程度で）制御及び変化させることができる。従って、色点及び／又は色含有量を、（例えばＬＥＤバックライトの強度が変化したときや、ＬＥＤバックライトの温度が変化したときに）生じ得る変化を補償するようにそれぞれの色の相対光出力を調整することにより維持することができる。
【００１３】
ＬＥＤバックライトは、ＬＣＤ表示パネルによるビデオデータの表示に関する従来のＣＣＦＬバックライトの欠点も解消する。上述したように，ＬＥＤバックライトの光出力は、適切な駆動回路を使用すれば、マイクロ秒程度の応答時間を有する。従って、ＬＥＤバックライトはおよそ８．３ミリ秒（１２０Ｈｚフレームレート）のビデオフレーム周期の一部分の間に容易にスイッチオン及びオフすることができるので、現在のＬＣＤディスプレイの比較的遅い応答時間により生ずるアーチファクトを軽減又は除去することができる。更に、ＬＥＤバックライトの速い応答時間のために、ＬＥＤバックライトの色点及び／又は色含有量をビデオの色点及び／又は色含有量を反映するように調整することができる（ＣＣＦＬバックライトでは不可能）。上述したように、現在のＬＣＤは５０ｍｓ程度の応答時間を有するため、フレーム周期が８．３ｍｓ程度であるから、すべてのビデオフレームを表示することはできない。しかし、ＬＥＤバックライトの応答時間はマイクロ秒程度にできるため、ＬＥＤバックライトの出力を受信した各ビデオフレームに対し容易に調整することができる。従って、ＬＣＤが受信した全フレームを表示できなくても、ＬＥＤバックライトの色点及び／又は色含有量を受信した各ビデオフレームごとに画像の背景色又は色含有量を反映するように調整することができる。ＬＥＤバックライトは現在のＬＣＤディスプレイを用いる際に失われてしまうビデオデータの一部分を捕捉し利用する。
【００１４】
更に、ＬＥＤバックライトを用いてＬＣＤアレイの各画素により要求される色を供給して、ＬＣＤの色フィルタやサブ画素を除去することができる。例えば、ＲＧＢＬＥＤバックライトをＬＣＤパネルの側面又はエッジに位置させる場合、赤色、緑色及び青色光は高速反復シーケンスで発生させ、（関連する導波路及び他の光学素子を介して）ＬＣＤの画素に供給することができる。ディスプレイの各ＬＣＤ画素をシーケンス内の各色に対しアドレスし、入射赤色光、緑色光及び青色光の出力を適切な量に調整して、各画素位置における画像の色を生成することができる。観察者の目は各ＬＣＤ画素により発生される赤色、緑色及び青色光のシーケンスを積分してスクリーン上の画像を知覚する。
【００１５】
ＬＥＤバックライトは、必要ならば、一つのプリセット色点及び／又は色含有量を発生させることもできる。この場合には、駆動回路の１つ以上のコントローラが１つの特定の色を出力するようにＬＥＤを制御する一組の所定の信号（例えばメモリに蓄積されている）を出力することができる。あるいは、特定の色点及び／又は色含有量を出力するよう調整された多数の赤色、緑色及び青色画素（及び／又は駆動回路）を有する特定用途のバックライトとして使用されるＬＥＤバックライトを製造することもできる。更に、プリセット色含有量を有するモジュラーＬＥＤチップを製造することもでき、エンドユーザは所望の色含有量を有するバックライトを作成するためにこのようなモジュラーＬＥＤチップを組み立てることができる。また、モジュラーＬＥＤチップを独立の制御端子を有するものとして、各モジュラーＬＥＤチップから発生される色点を制御できるようにすることもできる。
【００１６】
（発明を実施するための最良の形態）
図３は本発明のＬＥＤバックライト１００の一実施例を示し、関連する駆動回路の回路図も含んでいる。ＲＧＢＬＥＤのアレイ１１０は赤色ＬＥＤ１１０Ｒのサブアレイ、緑色ＬＥＤ１１０Ｇのサブアレイ及び青色ＬＥＤ１１０Ｂのサブアレイからなる。サブアレイ１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０ＢのＬＥＤは、例えばＬＥＤバックライトをＬＣＤパネルの背面に隣接して配置する場合には、二次元平面内に交互に配置することができる。サブアレイ１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０ＢのＬＥＤは他の適切な空間関係に配置することもできる。例えば、ＬＥＤバックライトをサイドバックライト又はエッジバックライトとし、発生した光を導波路及び／又は他の光学素子を用いてＬＣＤ画素の背後に導く場合には、サブアレイ１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂを、赤色、緑色及び青色ＬＥＤの隣接バンク又はストリップの１以上のシリーズで構成することができる。駆動電流Ｉｒｅｄ１０４Ｒ，Ｉｇｒｅｅｎ１０４Ｇ及びＩｂｌｕｅ１０４Ｂを電力コンバータ１１４により赤色、緑色及び青色サブアレイのＬＥＤ１１０Ｒ，１１０Ｇ及び１１０Ｂにそれぞれ供給する。
【００１７】
電力コンバータ１１４は一般に電力調整コンバータとすることができ、例えば複数の独立出力端子を有する短トランジェント（パルス電流）電力コンバータとすることができる。簡単のために、図３には駆動電流は赤色、緑色及び青色ＬＥＤサブアレイ１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂへの３つの独立電流入力１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂとして示されている。しかし、既知のように、ＬＥＤサブアレイの接続は一般にサブアレイ内の各ＬＥＤとの簡単な直列接続又は並列接続よりもっと複雑である。例えば、赤色サブアレイ１１０Ｒに供給される駆動電流１０４Ｒが各赤色ＬＥＤとの直列接続を含む場合には、サブアレイ内のＬＥＤの１つの故障がサブアレイの故障になる。また、赤色サブアレイ１１０Ｒに供給される駆動電流１０４Ｒが各赤色ＬＥＤとの並列接続を含む場合には、サブアレイ内のＬＥＤの１つの短絡が他のＬＥＤの短絡を生起し得る。従って、電流入力１０４Ｒ（並びに１０４Ｇ，１０４Ｂ）は、サブアレイ１１０Ｒ内の赤色ＬＥＤを種々のグループに分けて接続してなる複数の冗長接続を具え、１つの赤色ＬＥＤの故障や短絡が（多くとも）同一グループ内の他のＬＥＤのみに影響を与え、他のグループ内のＬＥＤには影響を与えないようにするのが普通である。
【００１８】
ライン入力又はＤＣが電力コンバータ及び制御電子回路１１４に電力を供給し、これが供給された電力を電流入力１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂに変換する。ビデオ処理入力又は画像制御アルゴリズムも電力コンバータ１１４内の制御電子回路に入力として供給される。上述したように、ＬＥＤの光出力は速い応答時間（ナノ秒程度）を有し、従ってその応答は通常電力コンバータ及び制御電子回路１１４の応答時間、即ち電力コンバータ及び電子回路１１４が制御信号の受信後又は開始後にサブアレイ１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂへの電流入力１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂに変化を発生し得る時間に制限される。複数の独立出力端子を有する代表的な短トランジェント（パルス電流）電力コンバータの場合、電流出力１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂをマイクロ秒程度で変化させることができる。従って、図３ａに示すように、電流Ｉｒｅｄ１０４Ｒの振幅は電力コンバータ１１４により調整されて、マイクロ秒範囲内の時間Ｔの間に１の（正規化された）定常状態出力の上下に変化する。ＬＥＤの応答時間はナノ秒範囲であるため、赤色ＬＥＤサブアレイ１１０Ｒの対応する光出力Ｉｍ＿ｒｅｄは駆動電流Ｉｒｅｄ１０４Ｒとほぼ同一に変化する。（光出力グラフはサブアレイ１１０Ｒ内の特定の赤色ＬＥＤの光出力を表すものとすることもできる）。
【００１９】
電流出力Ｉｒｅｄ１０４Ｒ，Ｉｇｒｅｅｎ１０４Ｇ，Ｉｂｌｕｅ１０４Ｂは電力コンバータにより制御して、各サブアレイ１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂが必要量の赤色、緑色及び青色光を出力してＬＥＤアレイ１１０から制御された白色光を出力させることができる。白色光出力の強度も電流出力１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂのレベルにより制御することができる。
【００２０】
更に、ＬＥＤバックライト１００を用いてカラーバックライトを発生させることができる。例えば、電力コンバータにより駆動電流Ｉｒｅｄ１０４Ｒを供給するがＩｇｒｅｅｎ１０４Ｇ及びＩｂｌｕｅ１０４Ｂを供給しないことにより、赤色バックライトを生成することができる。他の色、色相及び強度も、電力コンバータにより、例えばビデオ処理又は画像制御アルゴリズムにより供給される入力に基づいて、所要比例量の電流Ｉｒｅｄ１０４Ｒ，Ｉｇｒｅｅｎ１０４Ｇ，Ｉｂｌｕｅ１０４Ｂを供給することにより生成することもできる。サブアレイ１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂの赤色、緑色及び青色光が順次に発生される場合、電力コンバータのマイクロ秒程度の応答速度のために観察者は出力を白色光として知覚する。
【００２１】
色点及び／又は色含有量は時間の経過とともに変化する可能性があり、また強度の変化のような他の事柄により変化する可能性がある。駆動電流Ｉｒｅｄ１０４Ｒ，Ｉｇｒｅｅｎ１０４Ｇ及びＩｂｌｕｅ１０４Ｂは電力コンバータ及び制御電子回路によって、バックライトにより得られる光出力の色点及び／又は色含有量を維持するように調整することができる。電力コンバータに、光センサにより出力される色点及び／又は色含有量を反映する帰還を与えることができる。更に、速い応答時間（マイクロ秒程度）のためにバックライトをビデオフレームの平均持続時間（１２０Ｈｚのフレームレートの場合８．３ｍｓのフレーム周期）中にスイッチオン及びオフさせることができる。従って、ＬＥＤバックライトは高速移動ビデオの表示時に現在のＬＣＤディスプレイに生ずるアーチファクトを除去することができる。
【００２２】
図３のＬＥＤバックライト１００の高速（マイクロ秒）出力は上述したようなビデオ処理又は画像制御アルゴリズムを使用することもできる。上述したように、電流出力Ｉｒｅｄ１０４Ｒ，Ｉｇｒｅｅｎ１０４Ｇ，Ｉｂｌｕｅ１０４Ｂはマイクロ秒程度で変化させることができ、ＬＥＤサブアレイ１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂ（又はその一部分）からの光出力の応答時間と釣り合っている。従って、ビデオ処理又は画像制御アルゴリズムにより電力コンバータ１１４及び出力１０４Ｒ，１０４Ｇ，１０４Ｂを、バックライトの色相、強度などがＬＣＤディスプレイの画像出力を補足するように制御することができる。一般に、色点及び／又は色含有量は画像のバックライト光又画像に関連する他の照明レベルを反映するように調整することができる。例えば、ビデオディスプレイの場合には、バックライトを（例えばＬＣＤに表示された屋外シーンに対応する）明るい青色から（例えば屋内シーンに対応する）暗い茶色へマイクロ秒程度のインターバルの間に変化させることができ、従って１ビデオフレームから他のビデオフレームの間に（１２０Ｈｚのフレームレートに対し８．３ｍｓ程度で）容易に変化させることができる。これは、５０ｍｓ程度の遅い応答（リフレッシュ）速度を有するＬＣＤ自体では得ることはできない、ディスプレイ上の１シーンから他のシーンへの滑らかな部分的な視覚的変化を提供する。また、バックライトを複数のビデオフレームの表示又は静止画像又はゆっくり変化する画像の表示用に特定の色点及び／又は色含有量に設定することもできる。
【００２３】
図３ａは、基準値を中心とするパルス振幅の変化、即ちパルス振幅変調により制御する電流及びその結果の光出力を示すが、電流及び光出力はパルス幅の変化（即ちパルス幅変調）及び／又は単位時間当たりのパルス数の変化（即ちパルス周波数変調）で制御することもできる。これらの種々のタイプの変調又はその組合せを画像強調、コントラスト制御、色補償などのために使用することができる。
【００２４】
図４は本発明のＬＥＤバックライトの第２の実施例を示す。図４の駆動回路は、当業者であればマルチ出力クランプモードフライバック電力コンバータを備えるものと容易に認識されるであろう。ＡＣ電圧原２０４はインダクタ２０６ａ，２０６ｂ及びキャパシタ２０８と図４に示すように接続され、電力コンバータのＥＭＩ抑圧フィルタ作用を提供する。ダイオードＤ１ａ，Ｄ１ｂ，Ｄ１ｃ，Ｄ１ｄは全波整流ブリッジ回路を構成し、ＡＣ電圧原２０４のＡＣ入力の全波整流を出力する。キャパシタＣ０は整流交流信号を平滑化して図４の点Ｘ−Ｙ間に一次ＤＣ電圧を供給する。
【００２５】
図４のＸ及びＹ間のコンバータ回路はマルチ出力変成器２２０の一次巻線Ｎ１とスイッチＱ１と抵抗Ｒ１を含む。（抵抗Ｒ１はコントローラ２２４の電流感知素子として低い抵抗値を有する。低い抵抗値を有するために、回路の動作に与えるこの抵抗の影響は最小になり、以下の説明では無視する）。マルチ出力変成器２２０は３つの二次巻線Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４を有し、各二次巻線は一次巻線に磁気結合されている。二次巻線Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４は後述するＲＧＢＬＥＤアレイのＬＥＤサブアレイ回路２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂに含まれる。（図４に示す全回路と関連する電子回路素子及び回路はＬＥＤの駆動電子回路を提供する。しかし、ＬＥＤサブアレイ２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂは、説明を容易にするために、別々に名付けて以下に説明する）。既知のように、キャパシタＣ１及びスイッチＱ２は回路のクランプ回路を構成する。
【００２６】
既知のように、マルチ出力変成器２２０の一次巻線Ｎ１とスイッチＱ１は電力コンバータのフライバックコンバータ回路を構成する。スイッチＱ１は中央コントローラ２２４により周期的にオン及びオフされる。Ｑ１がオン（閉）のとき、Ｘ−Ｙ間に供給される整流電圧が一次巻線Ｎ１間に印加され、Ｑ１がオフ（開）のとき、整流電圧がスイッチＱ１間に印加される。図４ａにおいて、波形ｉはスイッチＱ１の２つのスイッチングサイクルを示し、各サイクルは１０マイクロ秒（μｓ）程度の周期を有する。サイクルのＱ１オン部分中の一次巻線Ｎ１の電圧ＶＮ１はＸ−Ｙ間に供給される整流交流電圧に等しい（上述したようにＲ１の電圧降下は無視する）。これを波形ｉｉに示し、ＶＮ１はＱ１がオンの半サイクル中ＶＸ−Ｙに等しく、約１７０Ｖの振幅を有する。Ｑ１オン部分中、波形ｉｉｉにｉＮ１として示す電流が一次巻線Ｎ１に流れ、この電流は点Ｘ及びＹ間の電流ｉＸ−Ｙでもある。
【００２７】
スイッチＱ１がオフのとき、点Ｘ及びＹ間の回路は開である。Ｑ１がオフのとき、二次巻線Ｎ２−Ｎ４により一次巻線Ｎ１に負電圧が誘起される（波形ｉｉ参照）。
スイッチＱ１のスイッチングサイクルのオン部分中、一次巻線Ｎ１を流れる電流ｉＮ１により二次巻線Ｎ２に誘起される電圧のために電圧ＶＸ’−Ｙ’がＬＥＤサブアレイ２１０Ｒの点Ｘ’−Ｙ’間に生起する。（同様の電圧が他の二次巻線Ｎ３，Ｎ４に生起するが、二次巻線Ｎ２とその関連サブアレイ回路２１０Ｒを中心に説明する）。Ｎ２の黒点で示すように、Ｑ１がオンのとき、電流ｉＮ１は負電圧ＶＸ’−Ｙ’を誘起する（波形ｉｖ参照）。Ｑ１がオンのとき、二次回路２１０Ｒに供給されるＶＸ’−Ｙ’が負であるために、図４ａの波形ｖに示すように、ダイオードＤ２はサブアレイ２１０Ｒに電流を流さない。しかし、Ｑ１がオンのとき、磁気エネルギーが変成器２２の磁化漏れインダクタンスに蓄積される。この磁気エネルギーがＱ１がオフする半サイクル中に開放され、波形ｉｖに示すように二次回路２１０Ｒに正電圧ＶＸ’−Ｙ’を供給する。Ｑ１がオフのときは、電圧ＶＸ’−Ｙ’は正であるため、図４ａの波形ｖに示すように、電流がダイオードＤ２を経て流れる。
【００２８】
図４の波形ｖに示すようにＱ１がオフの半サイクル中電流がダイオードＤ２を経て流れるとき、この電流はキャパシタＣ５を充電する。半サイクルのＱ１オフ部分中に、キャパシタＣ５に充電される電荷はＬＥＤサブアレイ２１０Ｒの点Ｘ”−Ｙ”間に相対的に一定の電圧ＶＲ０を維持する。従って、ＬＥＤ２１０Ｒに注目すれば、点Ｘ”−Ｙ”の左側の回路は、図４ｂに示すように、電圧ＶＲ０で代表することができる。（図４ｂに示す素子は電力コンバータの一部分、従って赤色ＬＥＤの駆動回路であるが、当業者であれば電力コンバータの負荷ともみなされる）。ＬＥＤサブアレイ２１０Ｒに供給される電圧ＶＲ０のレベルは（特に）スイッチＱ１のデューティサイクル（コントローラ２２４により制御し得る図４ａの波形ｉに示すスイッチングサイクルのオン部分とオフ部分の長さの比）及び一次巻線Ｎ１と二次巻線Ｎ２の巻数比の関数である。
【００２９】
緑色及び青色ＬＥＤサブアレイ２１０Ｇ，２１０Ｂは図４ｃおよび図４ｄに示すように同様に表され、これらの回路には上述した図４の回路により発生される電圧ＶＧ０及びＶＢ０が供給される。ＬＥＤサブアレイ２１０Ｇに供給される電圧ＶＧ０はスイッチＱ１のデューティサイクル及び一次巻線Ｎ１と二次巻線Ｎ３との巻数比の関数である。同様に、ＬＥＤサブアレイ２１０Ｂに供給される電圧ＶＢ０はスイッチＱ１のデューティサイクル及び一次巻線Ｎ１と二次巻線Ｎ４との巻数比の関数である。以下に更に詳細に記載するように、供給電圧ＶＲ０，ＶＧ０，ＶＢ０は各ＬＥＤサブアレイ２１０Ｒ，２１０Ｇ及び２１０Ｂにより出力される光の最大レベルを設定する。
【００３０】
変成器２２０の一次巻線Ｎ１と二次巻線Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４との巻数比は固定であるため、ＬＥＤサブアレイ２１０Ｒ，２１０Ｇ及び２１０Ｂに供給される電圧ＶＲ０，ＶＧ０，ＶＢ０はコントローラ２２４によりスイッチＱ１のディーティサイクルを制御することにより制御される。電圧ＶＲ０，ＶＧ０，ＶＢ０がＬＥＤサブアレイ２１０Ｒ，２１０Ｇ及び２１０Ｂの光出力の最大レベルを設定するため、ＬＥＤサブアレイ２１０Ｒ，２１０Ｇ及び２１０Ｂにより出力される光の最大レベルも同様にコントローラ２２４（図４）によりスイッチＱ１のディーティサイクルを制御することにより制御される。（例えばユーザにより又はビデオ入力などの他の入力により制御される）中央コントローラ２２４への「パネル光設定」入力によりＱ１のデューティサイクル、従ってＬＥＤサブアレイ２１０Ｒ，２１０Ｇ及び２１０Ｂの最大光出力を調整する。
【００３１】
光センサ２２６も光検知帰還信号を中央コントローラ２２４に供給し、この信号を用いてＱ１のデューティサイクル、従ってＬＥＤサブアレイ２１０Ｒ，２１０Ｇ及び２１０Ｂの光出力の最大レベルを調整することができる。同様に、温度センサ２２８も温度検知帰還信号を過大温度（Ｏ．Ｔ．）保護ユニット２３０を経て中央コントローラ２２４に供給し、この信号を用いてＱ１のデューティサイクルを調整することによりＬＥＤサブアレイ１０Ｒ，２１０Ｇ及び２１０Ｂの光出力の最大レベルを調整することができる。
【００３２】
上述したように、ＬＥＤサブアレイ２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂは、図４ｂ−４ｄに示すように、供給電圧ＶＲ０，ＶＧ０，ＶＢ０を用いてＬＥＤバックライト２００の光出力を発生する。各ＬＥＤサブアレイ２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂは図４ｂ−４ｄに同様の符号で示す同様の構成素子を有するため、説明を容易にするために、図４ｂに示すＬＥＤサブアレイ２１０Ｒについて再び詳細に説明する。緑色及び青色ＬＥＤサブアレイ２１０Ｇ，２１０Ｂにも同様の説明が適用される。図４ｂでは１つのＬＥＤ２３０Ｒを用いてサブアレイ２１０Ｒ内の全ＬＥＤを表している。従って、サブアレイ２１０Ｒ内の他の赤色ＬＥＤはＬＥＤ２３０Ｒと同様に電力供給され、調整される。図３の説明で述べたように、サブアレイ２１０Ｒ内の赤色ＬＥＤの実際の電気的構成は冗長回路などを有することができる。
【００３３】
図４ｂのスイッチＱ５がターンオンされ（且つ長時間に亘ってオンに維持される）ものとすると、供給電圧ＶＲ０は点Ｘ”から閉スイッチＱ５、赤色ＬＥＤ２３０Ｒ及び抵抗Ｒ２を経て点Ｙ”に流れる最大電流ＩＭＡＸを生成する。ＬＥＤ２３０Ｒを流れる電流ＩＭＡＸは、ＶＲ０のフル供給により発生され、赤色ＬＥＤ２３０Ｒにより出力される光の最大レベルを供給する。赤色ＬＥＤ２３０Ｒを流れる電流、従って赤色ＬＥＤ２３０Ｒの光出力はスイッチＱ５をスイッチオン及びオフすることにより変化させることができる。Ｑ５をオスイッチオフすると、供給電圧ＶＲ０により供給される電流が遮断され、電流は直ちに零に低下する。
【００３４】
従って、Ｑ５の周期的スイッチオン及びオフは赤色ＬＥＤ２３０Ｒを流れる電流を周期的に上昇及び下降させ、赤色ＬＥＤ２３０Ｒの光出力の周期的上昇及び下降を生ずる。コントローラ２３２ＲはスイッチＱ５のスイッチングを独立に制御する。コントローラ２３２Ｒにより設定されるデューティサイクルはＱ５をスイッチングサイクルにてターンオン及びオフする時間量を制御する。コントローラ２３２Ｒ及びスイッチＱ５はマクロ秒程度の応答時間を有するので、デューティサイクルのスイッチングもマイクロ秒程度にすることができる。周期的スイッチングにより赤色ＬＥＤ２３０Ｒを流れる平均電流をＩＭＡＸより低い点、従って最大レベルより低い平均光出力に設定することができる。高速スイッチングデューティサイクル（マイクロ秒程度）のために、目は赤色ＬＥＤ２３０Ｒの出力を積分して平均値とする。
【００３５】
Ｑ５のデューティサイクルを一定値にする場合には、赤色ＬＥＤ２３０の光出力をパルス振幅変調する。その一例を図５に示す。（図５の例では、スイッチＱ５は能動領域で動作するため、ＬＥＤを流れる電流は高値から低値へ変化するが、完全にはターンオフしない。従って、光出力は高値と低値の間で変化する）。他のスイッチングパターンにより他のタイプの光変調を提供することができる。例えば、デューティサイクルの周波数を変化させることによりパルス周波数変調を提供することができ、またデューティサイクルのオン及びオフ部分の相対値を変化させることによりパルス幅変調を提供することができる。スイッチＱ５を能動領域で動作させることにより、ＬＥＤを流れる電流の振幅を変調することができる。所望のバックライト効果を達成するために種々の変調を組み合わせることもできる。
【００３６】
同様に、緑色及び青色ＬＥＤサブアレイ２１０Ｇ，２１０Ｂの光出力も独立のコントローラ２３２Ｇ，２３２Ｂにより独立に制御される。従って、独立のコントローラ２３２Ｒ，２３２Ｇ，２３２ＢはＬＥＤサブアレイ２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂによりそれぞれ出力される赤色、緑色及び青色光の相対出力を決定する。各コントローラのデューティサイクル（及び得られる光出力の周期的変化）はマイクロ秒程度であるため、目はそれぞれの色の出力を積分して合成色を得る。従って、コントローラ２３２Ｒ，２３２Ｇ，２３２Ｂを用いて発生する白色光の色点及び／又は色含有量を調整することができる。更に、色相を有する（即ち非白色の）バックライトを発生させることもできる。
【００３７】
Ｑ５，Ｑ３．Ｑ４のスイッチング時間はマイクロ秒程度である。（前述したように、ＬＥＤバックライトの総合強度を調整するのに使用することができるＱ１のデューティサイクルのオフ部分も同様にマイクロ秒程度である）。従って，ＬＥＤサブアレイ２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂにより出力されるバックライトの色点及び／又は色含有量をマイクロ秒程度で変化（又は維持）させることができる。
【００３８】
上述したように、赤色、緑色及び青色サブアレイ２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０ＢのＬＥＤ出力はそれぞれのコントローラＲ２３２Ｒ，コントローラＧ２３２Ｇ及びコントローラＢ２３２Ｂにより独立に制御される。電流基準信号ＩＲ，ＩＧ及びＩＢを、例えば制御アルゴリズムが搭載されたＤＳＰ制御盤によりコントローラＲ２３２Ｒ，コントローラＧ２３２Ｇ及びコントローラＢ２３２Ｂにそれぞれ供給することができる。電流基準信号ＩＲ，ＩＧ及びＩＢは、例えば１以上の特定の用途に対しプログラムされたマイクロコントローラ又はビデオフィーダにより発生させることもできる。コントローラ２３２Ｒ，２３２Ｇ，２３２ＢはＬＥＤサブアレイ２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂの赤色、緑色及び青色光出力を上述したように入力レベルＩＲ，ＩＧ及びＩＢにより決まるレベルに制御する。バックライト２００により出力されるバックライト色相及び混合及び色は入力レベルＩＲ，ＩＧ及びＩＢにより決まる赤色光、緑色光及び青色光レベルの混合に依存する。ＬＥＤ２３０Ｒの両端間の電圧（即ちＶ０２−ＶＲ２）及び抵抗Ｒ２の両端間の電圧（即ちＶＲ２−接地）をコントローラ２３２Ｒに帰還してＱ５のスイッチングを調整して、ＬＥＤ２３０Ｒを流れる電流を信号ＩＲに依存させることができる。同様の帰還制御を他のコントローラ２３２Ｇ，２３２Ｂで使用することができる。電流ＩＲ，ＩＧ及びＩＢの変化は、例えば、これらの電流が１２０Ｈｚのフレームレートのビデオフレーム入力の背景光レベルを表す場合には８．３ｍｓ程度とすることができ、このような電流の変化に応じて、コントローラ２３２Ｒ，２３２Ｇ，２３２ＢによりＬＥＤ２３０Ｒ，２３０Ｇ，２３０Ｂの光出力を変化させることができる。その理由は、これらのＬＥＤは上述したようにマイクロ秒程度の応答時間を有するためである。
【００３９】
従って、図４のＬＥＤバックライトはビデオ信号のフレーム周期（代表的には１２０Ｈｚのビデオフレームレートに対し８．３ｍｓのフレーム周期）の一部分内でスイッチオン及びオフさせることができる。従って、ＬＥＤバックライトは、ビデオを現在のＬＣＤディスプレイ（代表的には５０ｍｓ程度の応答時間を有する）により表示するときに生ずるアーチファクトを除去するのに使用することができる。図４のＬＥＤバックライトのサブアレイの光出力は、色点及び／又は色含有量を長時間に亘って維持するように調整することもできる。（従って、色点及び／又は色含有量がドリフト、強度変化又は他の要因により変化する場合、色点及び／又は色含有量をマイクロ秒程度で調整して所望の色点及び／又は色含有量に戻すことができる）。更に、速い応答時間のために、ＬＥＤディスプレイにより出力される色点及び／又は色含有量をビデオフレームごとに変化させて、例えば所望の背景光レベル又は配合を提供することができる。これはＬＥＤディスプレイにより若干のビデオ情報表示を与えることを可能にする。更に、色点及び／又は色含有量を選択したビデオフレーム又はビデオフレームのセグメントに対し変化させることができる。例えば、冷飲料のコマーシャルにはバックライトとして「冷たい」色温度（色点）を使用することができる。色含有量及び／又は色点をＬＣＤ上に表示される静止画像又はゆっくり変化する画像（例えばインターネットページ又はワードプロセッシング文書）に対し調整することもできる。
【００４０】
上述したように、ＬＥＤバックライトはＬＣＤディスプレイ用の伝統的なバックライト用以外の用途にも使用することができる。ＬＥＤバックライトはＬＣＤディスプレイの個々の画素により表示される画像部分に対する色含有量を供給し、ＬＣＤのこれらの画素に対するカラーフィルタを不要にすることができる。更に、ＬＣＤアレイ内の各画素に対し個別の赤色、緑色及び青色「サブ画素」を設ける必要をなくし、一層良好な解像度を提供することができる。
【００４１】
例えば、ＬＥＤバックライトをサイドバックライト又はエッジバックライトとする場合には、導波路及び／又は他の光学素子によりＬＥＤサブアレイから発生される赤色、緑色及び青色光をＬＣＤ画素の背後に案内する。電力コンバータのコントローラ（例えば図４のコントローラ２３２Ｒ，２３２Ｇ，２３２Ｂ）は、それぞれのサブアレイからＬＣＤディスプレイの画素に、例えば予め決められたレベルの赤色、緑色及び青色光の繰り返しサイクルを供給するようにプログラムすることができる。サイクル内の各色はそれぞれのコントローラによりＬＣＤ画素の応答時間にほぼ等しい時間に亘って維持する。従って、各入射色に対し、ディスプレイの各ＬＣＤ画素をアドレスして該画素に表示すべき画像部分の該色の量を透過させることができる。ＬＥＤバックライトにより出力される赤色、緑色及び青色の各サイクルに亘って、各ＬＣＤ画素をアドレスして該画素に表示すべき画像の赤色、緑色及び青色の光の必要量を透過させることができる。観察者の目はＬＣＤ画素により発生される赤色、緑色及び青色の光のシーケンスを積分して画像色を知覚する。
【００４２】
実用的原則の代表的な例である、表示画像の色含有量を与える（従ってカラーフィルタが不要になる）バックライトの使用がＬＣＤを用いて達成可能である。上述したように、代用的なＬＣＤ応答時間は現在のところ５０ミリ秒程度である。従って、ＬＥＤバックライトは５０ミリ秒の持続時間中に、赤色光、緑色光及び青色光の各々をＬＣＤ画素に供給することができる（即ち１５０ｍｓの反復サイクル）。（図３及び図４の電力コンバータは、例えば、赤色出力が５０ミリ秒間発生する間に緑色及び青色サブアレイをターンのオフするよう制御することができる。このように、この単独制御のために、電力コンバータの応答時間は５０ミリ秒程度、即ち一般にＬＣＤの応答時間でよい）。ＬＥＤバックライトにより出力される赤色光の５０ｍｓインターバルの間、各ＬＣＤ画素がアドレスされて各画素における画像の赤色含有量に対応する赤色光の比例分を透過する。次の緑色光の５０ｍｓインターバルの間、各ＬＣＤ画素がアドレスされて各画素における画像の緑色含有量に対応する緑色光の比例分を透過する。最後に、青色光の５０ｍｓインターバルの間、各ＬＣＤ画素がアドレスされて各画素における画像の青色含有量に対応する青色光の比例分を透過する。こうして、１５０ｍｓインターバルのサイクルで、表示すべき画像に対応する赤色、緑色及び青色光の比例分が各画素により出力され、目はこの画素出力を積分して画像の対応する色を知覚する。もっと速いＬＣＤ応答時間に対しては、１５０ｍｓインターバルが減少し、目の積分作用によりもっと鮮明な画像が得られる。各ＬＣＤ画素のアドレッシングは、例えばビデオソースのフレームに相関させることができる。
【００４３】
本発明のいくつかの実施例を図面を参照して説明したが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されず、本発明の範囲は請求の範囲により限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は従来のバックライトを示す図である。
【図２】図２はバックライトを有する携帯型ＰＣを示す図である。
【図３】図３は本発明の第１の実施例を示す図であり、図３ａは図３の実施例の電流入力及び光出力の一例を示すグラフである。
【図４】図４は本発明の第２の実施例を示す図であり、図４ａは図４の回路におけるいくつかの信号の波形図であり、図４ｂ−４ｄは図４の回路の等価部分を示す図である。
【図５】図５は図４の回路のパルス変調光出力の波形図である。

Claims

ＬＥＤのアレイとＬＥＤ駆動制御回路とからなることを特徴とするＬＣＤディスプレイ用ＬＥＤバックライト。
前記ＬＥＤのアレイはＬＣＤの表示画像のために画素に色出力を提供することを特徴とする請求項１記載のバックライト。
ＬＣＤの画素がカラーフィルタを持たないことを特徴とする請求項２記載のバックライト。
前記ＬＥＤバックライトが反復サイクル中に赤色、緑色及び青色光をＬＣＤディスプレイに供給し、ディスプレイの各ＬＣＤ画素がアドレスされて各画素に対応する画像の部分における赤色、緑色及び青色光の量を透過することを特徴とする請求項３記載のバックライト。
前記駆動制御回路が前記ＬＥＤバックライトの光出力の色点及び色含有量の少なくとも１つを調整することを特徴とする請求項１記載のバックライト。
前記駆動制御回路は制御電子回路を具えた電力調整コンバータを具えることを特徴とする請求項１記載のバックライト。
前記ＬＥＤのアレイは赤色、緑色及び青色ＬＥＤのサブアレイからなり、前記駆動回路は各サブアレイの光出力を他のサブアレイと独立に調整することを特徴とする請求項１記載のバックライト。
前記サブアレイの画素が二次元平面内に配置されていることを特徴とする請求項７記載のバックライト。
前記駆動回路が入力としてバックライトの赤色、緑色及び青色光出力に対応する基準信号を受信し、これらの基準信号を用いて赤色、緑色及び青色サブアレイを、それぞれの入力基準信号に対応する赤色、緑色及び青色光を出力するように駆動することを特徴とする請求項７記載のバックライト。
前記駆動回路が各サブアレイの光出力を調整してＬＣＤディスプレイにより表示される画像の関数である色点及び色温度の少なくとも１つを有するバックライトを生成することを特徴とする請求項７記載のバックライト。
前記画像がＬＣＤディスプレイ上に表示されるビデオの少なくとも１フレームであることを特徴とする請求項１０記載のバックライト。
前記駆動回路は各サブアレイのＬＥＤに対する独立の制御信号を供給する少なくとも１つのコントローラからなることを特徴とする請求項７記載のバックライト。
前記少なくとも１つのコントローラはサブアレイの１以上のＬＥＤの電流を調整する少なくとも１つのスイッチを制御する制御信号を供給することを特徴とする請求項１２記載のバックライト。
前記駆動回路はサブアレイ内のＬＥＤに入力する電流のパルス振幅変調、パルス幅変調及びパルス周波数変調の少なくとも１つを実行することを特徴とする請求項７記載のバックライト。