JP5653252B2

JP5653252B2 - 発光制御装置、表示装置、及び発光制御方法

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Publication number: JP5653252B2
Application number: JP2011035491A
Authority: JP
Inventors: 雅多田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2031-02-22
Also published as: JP2012174488A

Description

本発明は、複数の発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す）を用いた装置の発光制御技術に関するものである。

液晶表示装置等の透過型ディスプレイの光源装置として、ＬＥＤが広く用いられている。ＬＥＤの駆動方法には、ＬＥＤに流す順方向電流を調整する方法や、人が認識できない短周期でＬＥＤの点滅を繰り返すパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動法が一般的であった。特許文献１に開示のＬＥＤ駆動方法は、人が実質的に知覚不可能な充分に高い周波数で変調した光を用いる。
また、ＬＥＤは通電による内部温度の変化や環境温度の変化によって、発光輝度や色度が変化する。この発光特性の変化を補償するため、ＬＥＤに順方向電流が流れていない時に逆方向電流を流すことで、ＬＥＤの温度を制御する技術がある（特許文献２参照）。
近時、液晶表示装置ではコントラストの向上や節電性能の改善を目的としたローカルディミング制御が一般的になりつつある。本制御は、入力画像信号に応じて光源装置の光量を動的に調整するものであり、入力画像信号の特徴量に応じて複数の光源の発光輝度を制御ブロック毎に調整する。この為、明るく発光する制御ブロックや、暗く発光する制御ブロック、消灯する制御ブロックが存在する。

特開２００９−０４０４０４号公報特開２００５−２３６１９０号公報

ＬＥＤは発光時に内部温度が上昇するため、ＬＥＤを用いた光源装置でローカルディミング制御を行う場合、ＬＥＤの制御ブロック毎に発光輝度や発光時間が異なる。これにより、温度分布にムラが生じる可能性があった。
前記特許文献２の技術では、ＬＥＤに逆方向電圧を印加してその温度を制御することで、輝度や色度の変化を抑制できる。しかし、逆方向耐電圧を超える逆方向電圧がＬＥＤにかかった場合、劣化や破損のおそれがある。また、逆方向耐電圧以下の電圧印加の場合には、ＬＥＤに十分な電流が流れない。よって静止画表示などでローカルディミング制御を行う際に、発熱ムラの補正が不十分となって、輝度ムラや色度ムラが発生することが懸念される。また前記特許文献１に開示された高周波数での変調駆動技術は、照明と通信の両立化が目的であるため、温度ムラの改善は見込めない。
そこで、本発明の目的は、複数のＬＥＤを用いて制御エリア毎に発光輝度を制御する場合にＬＥＤの制御ブロック毎の温度ムラを抑制することである。

上記課題を解決するため、本発明に係る装置は、複数の発光ダイオードを用いて制御エリア毎に発光輝度を制御する発光制御装置であって、前記発光ダイオードの非点灯期間にてアノードとカソードの間に印加する駆動信号を、前記発光ダイオードの逆方向耐電圧以上であって、かつ、点灯時の順方向電圧未満の電圧範囲として前記発光ダイオードを高周波駆動する駆動回路を備える。

本発明によれば、複数のＬＥＤを用いて制御エリア毎に発光輝度を制御する場合にＬＥＤの制御ブロック毎の温度ムラを抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る装置の構成例を示すブロック図である。図１の増幅器の出力波形を例示する図である。ローカルディミング制御を行う際の入力画像と光源装置の発光状態を例示する説明図である。本発明の第１実施形態に係るＬＥＤの駆動信号波形を例示する図である。図６と併せて本発明の第２実施形態を説明するために、増幅器の出力波形を例示する図である。ＬＥＤの駆動信号波形を例示する図である。

本発明に係る発光制御装置を適用した各実施形態について説明する。

［第１実施形態］
図１は表示装置用のバックライト装置（光源装置）の構成例を示すブロック図である。なお、図１には複数のＬＥＤおよびその輝度制御に用いる高周波駆動回路だけを示し、液晶表示パネルなどの表示デバイスを用いた画像表示部の図示は省略する。
ローカルディミング制御では、表示装置に入力される画像信号の特徴量に応じて、局所的に光源装置の輝度を調整することで、コントラストを改善する。第１実施形態では、表示装置用のバックライト部の輝度を局所的に調整する為に、該バックライト部に配するＬＥＤの制御ブロックが、図３に示すように、横５×縦３に分割されている場合を説明する。

図１では、発光状態が異なる第１のＬＥＤ１１と第２のＬＥＤ１７だけを例示し、その発光制御装置を示している。本例のＬＥＤ１１、１７は白色ＬＥＤとする。ＬＥＤ１１、１７の各アノードは「＋３Ｖ」の電源端子に接続され、ＬＥＤ１１のカソードは、定電流源１３及びスイッチ素子１６に接続されている。ＬＥＤ１７のカソードは、定電流源１９及びスイッチ素子２１に接続されている。なお、図１にはスイッチ素子１６、２１をいずれもスイッチの記号で示している。本例ではＬＥＤ１１、１７の順方向電圧（ＶＦと記す）を３Ｖとし、逆方向電圧（ＶＲと記す）を、−４Ｖとする。なお、順方向電圧ＶＦ及び逆方向電圧ＶＲについては、ＬＥＤの発光色や個体差によってＶＦ特性及びＶＲ特性が異なるため、ＬＥＤの種別や個体毎に最適な値に設定すればよい。
パルス幅変調制御部（ＰＷＭ制御部）１２、１８は、定電流源１３、１９で決定される電流値をそれぞれ制御する回路部であり、ＬＥＤ１１、１７の発光輝度を変更する。これらのＰＷＭ制御部１２、１８のＰＷＭ値を最大値に設定すると、ＬＥＤ１１、１７が最大輝度で点灯する。また、ＰＷＭ制御部１２、１８のＰＷＭ値を最小値に設定すると、ＬＥＤ１１、１７は消灯する。ＰＷＭ制御部１２と１８は独立した回路であり、それぞれに異なるＰＷＭ値を設定可能である。

発振器１４は、１ＭＨｚ乃至１ＧＨｚの高周波信号を発生させて、増幅器１５、２０にそれぞれ出力する。増幅器１５、２０は、発振器１４からの高周波信号を所定の電圧に増幅する。スイッチ素子１６は、増幅器１５が増幅した高周波信号をＬＥＤ１１のカソードに供給するか否かを選択する。また、スイッチ素子２１は、増幅器２０が増幅した高周波信号をＬＥＤ１７のカソードに供給するか否かを選択する。発光制御にてＬＥＤ１１を点灯させる場合、図示のようにスイッチ素子１６を開く（オフ状態にする）ことで、ＬＥＤ１１のアノード−カソード間には、ＰＷＭ制御部１２で設定した駆動周波数で、かつ＋３Ｖ（波高値）の駆動信号が印加される。一方、ＬＥＤ１７を発熱させる場合、ＬＥＤ１７の非点灯期間において、図示のようにスイッチ素子２１を閉じる（オン状態にする）ことで、ＬＥＤ１７の発熱駆動に切り替わる。

図２は増幅器２０の出力波形を例示する。
ＬＥＤ１７の消灯期間において、不図示のスイッチング制御部によってスイッチ素子２１が閉じられると、ＬＥＤ１７のカソードには電圧振幅４Ｖ（３乃至７Ｖ）で１００ＭＨｚの駆動信号が印加される。

図３は、液晶表示装置等の透過型ディスプレイのバックライト部においてローカルディミング制御を行う場合の入力画像とバックライト部の発光状態を示す。バックライト部に配するＬＥＤの制御ブロックは横５×縦３の１５分割とし、各制御ブロックに付した数字１乃至１５はブロックを区別するための識別番号を示している。
例えば、ＬＥＤの制御エリア毎に発光輝度を変更するローカルディミング制御の場合、ＰＷＭ制御部１２のＰＷＭ値を最大に設定し、ＰＷＭ制御部１８のＰＷＭ値を最小に設定することで、図３で示す制御エリアの発光状態を実現できる。図３の入力画像を表示し続ける場合、表示画像の第８ブロックに対応するＬＥＤ１１は点灯し続け、第９ブロックに対応するＬＥＤ１７は消灯し続ける。表示装置の入力画像が変わった場合には、入力画像の特徴量に応じてＬＥＤ１１及び１７の各点灯状態が変化する。

図４は、ＬＥＤ１１を点灯させ、ＬＥＤ１７を消灯させる際、各ＬＥＤのアノード−カソード間に印加される駆動信号波形を例示する。
図４（Ａ）は、ＬＥＤ１１のアノード−カソード間に印加される駆動信号波形を示し、その周波数は１２０Ｈｚである。順方向電圧ＶＦとして３Ｖが印加される期間において、図３の第８ブロックに配されたＬＥＤ１１が点灯する。
図４（Ｂ）は、ＬＥＤ１７の非点灯期間においてアノード−カソード間に印加される駆動信号波形を示しており、振幅４Ｖ（０Ｖから−４Ｖ）の逆方向電圧ＶＲが１００ＭＨｚの周波数で印加される。ＬＥＤは逆方向電圧ＶＲの大きさをその耐電圧以上に設定すると、劣化や破損の可能性があるが、本例では、ＬＥＤ１７がその耐電圧の範囲内で駆動されるため、劣化や破損の懸念はない。ＬＥＤ１７の非点灯期間では順方向電圧ＶＦを０Ｖとしているため、点灯しない。

ＬＥＤ１７のアノード−カソード間に０Ｖから−４Ｖの逆方向電圧が１００ＭＨｚの周波数で印加されると、ＬＥＤ１７のＰＮ接合部が発熱する。これは、ＬＥＤのＰＮ接合部には接合容量が存在するためである。つまりＬＥＤのＰＮ接合部に一定以上の高周波信号をかけて駆動すると自由放電が生じ、ＬＥＤのＰＮ接合部で電流が消費される。その結果、ＬＥＤ１７のＰＮ接合部が発熱する。
なお、ＬＥＤのアノード−カソード間に印加する逆方向電圧ＶＲを低く設定した場合には、ＬＥＤを十分に発熱することができなくなる。よって、ＬＥＤの点灯している制御エリアと非点灯の制御エリアとの間で温度分布にムラが生じるおそれがある。

第１実施形態では、発光ダイオードの発光輝度を制御エリア毎に変更する制御において、駆動回路はＬＥＤ１７の非点灯期間に印加する駆動信号電圧および周波数を規定する。すなわち、ＬＥＤ１７の逆方向耐電圧以上であって、点灯時の順方向電圧未満の電圧範囲で、かつ、１００ＭＨｚ以上の高周波数信号によりＬＥＤ１７が駆動される。よって、光源装置のローカルディミング制御を行った場合でも、制御ブロック毎の温度ムラを低減できる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。なお、第２実施形態に係る発光制御装置の構成は、図１に示す第１実施形態の場合と同様である為、既に使用した符号を用いることにより、それらの説明を省略する。以下では、図５及び６の波形図を用いてＬＥＤ１７の駆動方法を説明する。

図５は増幅器２０の出力波形を例示する。ＬＥＤ１７の非点灯期間には、これを発熱させる為の駆動電圧が増幅器２０からスイッチ素子２１を介してＬＥＤ１７のカソードに供給される。本例では振幅５Ｖ（２乃至７Ｖ）で、１００ＭＨｚの駆動信号波形を示す。

図６は、ＬＥＤ１１を点灯させ、ＬＥＤ１７を消灯させる場合の各ＬＥＤのアノード−カソード間にそれぞれ印加される駆動信号波形を示す。
第１実施形態との違いは、図６（Ｂ）に示す駆動信号の電圧値である。すなわち、図６（Ａ）は図４（Ａ）と同じ駆動信号波形を示しており、順方向電圧３Ｖの印加によりＬＥＤ１１が点灯する。また、図６（Ｂ）はＬＥＤ１７のアノード−カソード間に印加される駆動信号波形を示し、順方向電圧ＶＦが＋１Ｖ、逆方向電圧ＶＲが−４Ｖであり、５Ｖの電圧振幅をもって１００ＭＨｚの周波数信号がＬＥＤ１７に印加される。なお、ＬＥＤ１７のアノード−カソード間に順方向電圧を＋１Ｖで印加しているが、これは点灯時の順方向電圧未満であるため、ＬＥＤ１７が点灯することはない。

第２実施形態では、ＬＥＤ１７が発光しない範囲で順方向電圧を１Ｖに設定することにより、そのアノード−カソード間の印加電圧が第１実施形態の場合よりも１Ｖ分だけ増加する。このため、ＬＥＤ１７のＰＮ接合部での発熱量がさらに増加する。
本例では増幅器２０の出力信号の駆動周波数を１００ＭＨｚとしているが、ＬＥＤの発光輝度に応じて駆動周波数を１ＭＨｚから１ＧＨｚの範囲で可変制御する構成を採用してもよい。なお、駆動周波数が１ＭＨｚ未満の場合には、ＬＥＤ１７のＰＮ接合部での発熱量が十分に得られないため、ＬＥＤの安定した輝度制御および温度ムラの抑制効果が低くなる。また、駆動周波数が１ＧＨｚを超えた場合には、アノード−カソード間に印加される駆動波形が減衰しまうため、ＬＥＤの安定した輝度制御および温度ムラの抑制効果が低くなる。よって、駆動周波数は１ＭＨｚ以上かつ１ＧＨｚ以下の範囲がより望ましい（ただし、ＬＥＤの材質や構造により特性が異なる場合もあり、この範囲に限定されるものではない）。

第２実施形態では、ＬＥＤの非点灯期間に印加する駆動信号が、当該ＬＥＤの逆方向耐電圧以上であって、かつ点灯時の順方向電圧未満（正電圧）の電圧範囲とされ、１ＭＨｚ以上１ＧＨｚ以下の高周波数でＬＥＤを駆動する。これにより、光源装置のローカルディミング制御を行った場合でも、ＬＥＤの制御ブロック毎の温度ムラを低減できる。つまり、ＬＥＤは通電による内部温度の変化や環境温度の変化により、発光輝度や色度が変化するが、ＬＥＤの非点灯期間にてＬＥＤのアノード−カソード間に逆方向電流を流すことで、制御ブロックの温度分布が均一化される。こうして、各ＬＥＤの温度ムラに起因する光源装置の輝度ムラ及び色度ムラを低減できる。

１１，１７ＬＥＤ
１２，１８ＰＷＭ制御部
１３，１９定電流源
１４発振器
１５，２０増幅器
１６，２１スイッチ素子

Claims

複数の発光ダイオードを用いて制御エリア毎に発光輝度を制御する発光制御装置であって、
前記発光ダイオードの非点灯期間にてアノードとカソードの間に印加する駆動信号を、前記発光ダイオードの逆方向耐電圧以上であって、かつ、点灯時の順方向電圧未満の電圧範囲として前記発光ダイオードを高周波駆動する駆動回路を備えることを特徴とする発光制御装置。
前記駆動回路は、
前記発光ダイオードのカソードに接続された定電流源と、
前記定電流源を制御するパルス幅変調制御部と、
周波数信号を発生させる発振器と、
前記発振器からの周波数信号を増幅して出力する増幅器と、
前記増幅器と前記発光ダイオードのカソードに接続されたスイッチ素子を備え、
前記スイッチ素子が開いた場合、前記パルス幅変調制御部が設定した輝度で前記発光ダイオードが点灯し、
前記発光ダイオードの非点灯期間にて前記スイッチ素子が閉じた場合、前記増幅器の出力する駆動信号が当該発光ダイオードのアノードとカソードの間に印加されて発熱することを特徴とする請求項１記載の発光制御装置。
前記駆動回路は、前記非点灯期間にて１ＭＨｚ以上で前記発光ダイオードの駆動周波数を制御することを特徴とする請求項１または請求項２記載の発光制御装置。
前記駆動回路は、前記非点灯期間にて１ＭＨｚ以上かつ１ＧＨｚ以下の範囲で前記発光ダイオードの駆動周波数を制御することを特徴とする請求項３記載の発光制御装置。
複数の発光ダイオードを用いて制御エリア毎に輝度制御されるバックライト部と、
前記バックライト部の光を用いて画像表示を行う画像表示部と、
前記バックライト部の発光ダイオードを制御エリア毎に制御する請求項１から４のいずれか１項記載の発光制御装置を備えることを特徴とする表示装置。
複数の発光ダイオードを用いて制御エリア毎に発光輝度を制御する発光制御方法であって、
前記発光ダイオードの非点灯期間にてアノードとカソードの間に印加する駆動信号を、前記発光ダイオードの逆方向耐電圧以上であって、かつ、点灯時の順方向電圧未満の電圧範囲として前記発光ダイオードを高周波駆動することを特徴とする発光制御方法。