JPWO2006006537A1 - バックライトユニットの駆動装置及びその駆動方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、日本国において2004年7月12日に出願された日本特許出願番号2004−205146及び2004年11月19日に出願された日本特許出願番号2004−336373を基礎として優先権を主張するものであり、これらの出願は参照することにより、本出願に援用される。
しかし、個々のLEDに対して駆動用の回路を組み込むと、LEDの数が多い場合には、回路構成が複雑になりコストが高くなってしまう。
その一方で、液晶表示用のバックライト光源としてLED素子を用いることが提案され検討されている、特に、赤(R)、緑(G)、青(B)の各原色のLED素子を個別に使用し、光学的に合成加法混色して白色を得る方法は、色のバランスがとりやすいため、テレビジョン受像機の表示装置用として盛んに検討されている。
ところで、LED素子は、個々に輝度のばらつきを持っており、その個々のばらつきを補正しようとすると、必然的に、1つ1つの素子を独立した駆動回路で駆動せねばならず、駆動の形態が、前述したLED素子を表示画素に用いたディスプレイに相当するマトリクス型駆動方式に酷似してくる。すなわち、LED素子の数が多い場合には、アドレッシングによる駆動回路が複雑になってしまう。
また、LED素子を光源として、例えば、液晶ディスプレイのバックライトとして用いる場合、赤(R)、緑(G)、青(B)の各原色のLED素子の発光効率が異なるため、各色のLED素子に印加する電流も色毎に調整する必要がある。また、LED素子は、各色毎に半導体組成が異なるため、各色毎に素子の電圧及び消費電力が異なる。
また、各々のLED素子の電力が大きく、照明用途のLED駆動に使用する実際の回路は、大電力駆動用のLSI等がいまだ作成されていないため、マトリクス型駆動方式では、コストが高くなり経済的に不利益となる。
そこで、回路規模を大規模にしないように、LED素子の接続形式を縦列接続形式として用いる方法が提案されている。縦列接続形式では、ある一連のLED接続グループ(群)、例えば、赤、緑、青のLED素子が各色毎に接続されたグループ(群)における電流をPWM調整することによって、赤、緑、青のLED素子から発せられる光の合成による色合いと輝度を調整している。
LED素子の接続形式として縦列接続形式を採用したバックライト装置では、縦列接続された赤、緑、青のLED素子群毎に所定の電圧を供給するDC−DCコンバータ電源部が備えられ、また、負荷側にLED−PWMコントロール部が備えられている。
ところで、上述したような構成では、各色系統の発光出力の温度依存性も異なり、温度特性が不揃いであるので、それぞれの色専用の駆動回路によって色毎にパルス幅の調整が必要になることである。
例えば、バックライトユニットの点灯直後のまだ、温度が温まりきらない状況下においては、発光効率の高い赤色のLED素子では、PWM信号の駆動パルス幅のON時間が50%程度で発光するのに対し、発光効率の悪い青では、PWM信号の駆動パルス幅のON時間が80〜90%程度で発光する。
このような性質のものであるので、赤、緑、青のLED素子から発せられる光の合成により得られる白色の色合い(色温度及び色度)と、輝度を一定に保つためには、赤、緑、青のLED素子それぞれから発せられる光を光センサで検出し、その値が一定になるようにフィードバックサーボを実施する必要がある。
このような、フィードバックシステムでは、例えば、PWM信号を実施するためのパルス幅の変化の分解能が粗い場合には、0%〜100%の間を何等分するのかによって、発光効率の良い赤のLED素子では変化幅が粗くなり、発光効率の悪い青のLED素子では変化幅が細かいといった、調整精度に差がでてしまう。
また、各色系統の分解能の相違により、LED素子から発せられる光の色が各色毎に不揃いな精度を持ってしまうので、RGBのバランスの調整や、白色光の調整が困難となってしまう。
また、上述の問題点を全て解消し得たとしても、各色のLED素子は、温度変化により、発光出力だけでなく、さらに各色のLED素子の発光スペクトル分布が変化し、各色の発光色度が変動する。したがって、光センサにより各色のLED素子の光量を検出しただけでは、色合いの変化を補正できず、バックライトユニットがその駆動にともない例えば上下方向に温度分布を有する場合は、その温度の違いによる色むらが発生する。このように光センサの性能や、LED素子の発光分布の温度特性により、色度制御偏差をΔx≒0.002、Δy≒0.002程度に精度を維持するのが限界となる。
本発明に係る駆動装置は、3原色毎にLED(Light Emission Diode)素子が複数個縦列接続されたLED素子群からなるバックライトユニットの駆動装置において、任意の振幅の信号を発生する信号発生手段と、信号発生手段により発生された信号に基づき、LED素子群の発光量を調整する調整手段と、LED素子群毎に所定の電圧を印加する電圧印加手段と、電圧印加手段により印加された電圧に応じて、LED素子群から発せられる光量を検出する発光量検出手段と、LED素子群の温度を検出する温度検出手段と、発光量検出手段により検出された発光量と、温度検出手段により検出された温度に基づき、信号発生手段を制御する制御手段を備える。
また、本発明に係る駆動方法は、3原色毎にLED(Light Emission Diode)素子が複数個縦列接続されたLED素子群からなるバックライトユニットの駆動方法において、LED素子群毎に所定の電圧を印加する電圧印加工程と、電圧印加工程により印加された電圧に応じて、LED素子群から発せられる光量を検出する発光量検出工程と、LED素子群の温度を検出する温度検出工程と、発光量検出工程により検出された発光量と、温度検出工程により検出された温度に基づき、任意の振幅の信号を発生する信号発生工程と、信号発生工程により発生された信号に基づき、LED素子群の発光量を調整する調整工程を備える。
本発明に係る駆動装置及び方法では、液晶バックライトとして使用するLED素子の駆動において、任意の色に関するフォトセンサの検出結果を基準とすることにより他の色を監視し、相対的な比率をフィードバックするとともに、温度センサの検出結果に基づき、フィードバックする比率の割合を変動させることにより、極めて均一な制御を可能とする。
本発明のさらに他の目的、本発明によって得られる利点は、以下において図面を参照して説明される実施に形態から一層明らかにされるであろう。
本発明は、例えば図1に示すような構成のバックライト方式のカラー液晶表示装置100に適用される。
図1に示すカラー液晶表示装置100は、透過型のカラー液晶表示パネル10と、このカラー液晶表示パネル10の背面側に設けられたバックライト装置20とを備える。
透過型のカラー液晶表示パネル10は、TFT基板11と対向電極基板12とを互いに対向配置し、その間隙に例えばツイステッドネマチック(TN)液晶を封入した液晶層13を設けた構成を備える。TFT基板11にはマトリクス状に配置された信号線14と走査線15及びこれらの交点に配置されたスイッチング素子としての薄膜トランジスタ16と画素電極17が形成されている。薄膜トランジスタ16は走査線15により順次選択されるとともに、信号線14から供給される映像信号を対応する画素電極17に書き込む。一方、対向電極基板12の内表面には対向電極18及びカラーフィルタ19が形成されている。
このカラー液晶表示装置100は、このような構成の透過型のカラー液晶表示パネル10を2枚の偏光板で挟み、バックライト装置20により背面側から白色光を照射した状態で、アクティブマトリクス方式で駆動することによって、所望のフルカラー 映像表示が得られる。
バックライト装置20は、光源21と波長選択フィルタ22とを備えている。バックライト装置20は、光源21から発光された光を、波長選択フィルタ22を介してカラー液晶表示パネル10を背面側から照明する。
本発明が適用されたカラー液晶表示装置100は、例えば図2に電気的なブロック構成を示す駆動回路200により駆動される。
駆動回路200は、カラー液晶表示パネル10やバックライト装置20の駆動電源を供給する電源部110、カラー液晶表示パネル10を駆動するXドライバ回路120及びYドライバ回路130、外部から映像信号が入力端子140を介して供給されるRGBプロセス処理部150、このRGBプロセス処理部150に接続された映像メモリ160及び制御部170、バックライト装置20の駆動制御するバックライト駆動制御部180等を備えている。
この駆動回路200において、入力端子140を介して入力された映像信号Viは、RGBプロセス処理部150によりクロマ処理等の信号処理がなされ、さらに、コンポジット信号からカラー液晶表示パネル10の駆動に適したRGBセパレート信号に変換されて、制御部170に供給されるとともに、画像メモリ160を介してXドライバ120に供給される。また、制御部170は、上記RGBセパレート信号に応じた所定のタイミングでXドライバ120及びYドライバ回路130を制御して、上記画像メモリ160を介してXドライバ120に供給されるRGBセパレート信号でカラー液晶表示パネル10を駆動することにより、上記RGBセパレート信号に応じた映像を表示する。
バックライト装置20は、透過型のカラー液晶表示パネル10を背面に配設され、カラー液晶表示パネル10の背面直下から照明する直下型タイプである。バックライト装置20の光源21は、複数の発光ダイオード(LED:light Emitting Diode)を有しており、これら複数の発光ダイオードを発光源としている。複数の発光ダイオードは、一群の発光ダイオードから構成されたグループに分割されており、そのグループ毎に駆動がされる。
次に、バックライト装置20の光源21における発光ダイオードの配置について説明する。
図3は、発光ダイオードの配置例として、単位セル4−1,4−2毎に、赤の発光ダイオード1、緑の発光ダイオード2及び青の発光ダイオード3をそれぞれ2個使用し、合計6個の発光ダイオードを一列に配列した様子を示している。
この配置例では、単位セル4に6個の発光ダイオードを備えているが、使用する発光ダイオードの定格、発光効率などにより、混合色をバランスの良い白色光とするために、光出力バランスを整える必要から、各色の個数配分は本例以外のバリエーションがあり得る。
図3に示した配置例において、単位セル4−1と単位セル4−2とは、全く同一の構成となっており、中央の両端矢印部分で接続されている。また、図4は、単位セル4−1及び単位セル4−2が接続された形を電気回路図記号のダイオードマークによって図示した例を示す。この例の場合、各発光ダイオード、すなわち、赤の発光ダイオード1、緑の発光ダイオード2、青の発光ダイオード3は左から右に電流が流れる方向に極性を合わせて直列接続されている。
ここで、赤の発光ダイオード1、緑の発光ダイオード2及び青の発光ダイオード3をそれぞれ2個使用し、合計6個の発光ダイオードを一列に配列した単位セル4を各色の発光ダイオードの個数でパターン表記すると図5に示すように(2G 2R 2B)となる。すなわち、(2G 2R 2B)は、緑と赤と青2個ずつ合計6個のパターンを基本単位としていることを示す。そして、図6に示すように、基本単位の単位セル4を3つ連続に繋げた場合、記号が3*(2G 2R 2B)で、発光ダイオードの個数でパターン表記すると(6G 6R 6B)で示される。
次に、バックライト装置20の光源21における発光ダイオードの接続関係を説明する。
光源21には、図7に示すように、前述した発光ダイオードの基本単位(2G 2R 2B)の3倍を1つの中単位(6G 6R 6B)とし、この中単位(6G 6R 6B)が画面に対して、水平5行、垂直4列のマトリクス状に配置されている。その結果、合計で360個の発光ダイオードが配置される。これらの中単位(6G 6R 6B)は、画面の水平方向に電気的に接続される。このように中単位(6G 6R 6B)が画面水平方向に電気的に接続されることにより、バックライト装置20の光源21には、図8に示すように、画面水平方向に並んだ発光ダイオードが直列接続され、水平方向に直列接続された複数の発光ダイオード群30が複数個形成される。
さらに、バックライト装置20には、水平方向に直列接続した発光ダイオード群30の一つ一つに独立したLED駆動回路31が設けられている。LED駆動回路31は、発光ダイオード群30に電流を流して発光させる回路である。
ここで、水平方向に直列接続した発光ダイオード群30の配置は、バックライト装置20の温度分布を測定したときに、略同一の温度となる領域に配置された発光ダイオード同士を接続した状態となっている。
図9に、バックライト装置20の動作時のカラー液晶表示装置100の画面上の温度分布例を示す。図9は、ハッチングの濃い部分が高い温度の領域であり、ハッチングが薄い部分が温度が低い領域を示している。この図9に示すように、カラー液晶表示装置100は、画面上部Suほど温度が高くなり、画面下部Sdは温度が低くなる。
図10は、図8の発光ダイオードの接続関係を示す図と、図9の温度分布図とを重ね合わせたものである。この図10に示すように、本例では画面の水平方向に並んだ発光ダイオードを接続すると、略同一の温度となる発光ダイオード同士が接続されることが分かる。
また、バックライト装置20には、図10に示すように、各発光ダイオード群30の温度を検出する温度センサ32が設けられている。
温度センサ32は、図10に示すように水平方向に直列接続された発光ダイオード群30に対応した各垂直位置に複数個設けられていてもよいし、1つのバックライト装置20に1つだけ設けられていてもよい。また、バックライト装置20に、例えば、図11に示すように、画面中央に1つの温度センサ32と、予め画面垂直方向の温度分布パターンを記憶したメモリ、例えば、後述するメモリ49とを設け、1つの温度センサ32の検出値からメモリの内容を参照して、画面垂直方向の各位置における温度を推定するようにしてもよい。温度センサ32により検出される温度値は、対応する発光ダイオード群30を駆動するLED駆動回路31に供給される。
また、バックライト装置20には、図10に示すように、例えば各発光ダイオード群30のR,G,Bの各色の光量若しくは色度を検出する光量又は色度センサ33(33R,33G,33B)が設けられている。
光量又は色度センサ33(33R,33G,33B)は、図10に示すように、水平方向に直列接続された発光ダイオード群30に対応した各垂直位置に、複数個設けられている。また、全体混色を均一にできる拡散板などを活用し、個々のLEDの発光を効果的に混色せしめる光学系を用いるなどすることにより、光量又は色度センサ33(33R,33G,33B)を1つにしてもよい。
なお、LEDを液晶用バックライト光源として使用する場合には、配置上及び形状の制約から、光量又は色度センサ33を発光ダイオード群30の近傍に配置できない場合がある。光量又は色度センサ33は、発光ダイオード群30から離れた場所に配置された場合には、発光ダイオード群30から発光される光を弱く検出し、発光ダイオード群30から近い場所に配置された場合には、発光ダイオード群30から発光される光を強く検出する。このような場合、光学シュミレーションや基準発光ダイオードによる実測等により光量又は色度センサ33の特性を算出し、その補正値データを予めメモリテーブルとして用意しておき、感知した光量データを補正値データに基づいて補正することで対応することができる。
次に、水平方向に直列接続された発光ダイオード群30を駆動するLED駆動回路31について説明をする。なお、LED駆動回路31は、バックライト駆動制御部180内に備えられている。
図12に、LED駆動回路31の回路構成例を示す。
LED駆動回路31は、DC-DCコンバータ41と、定抵抗(Rc)42と、FET43と、PWM制御回路44と、コンデンサ45と、サンプルホールド用FET46と、抵抗47と、ホールドタイミング回路48、メモリ49と、CPU(Central Processing Unit)50とを備えている。
LED駆動回路31には、温度センサ32及び光量又は色度センサ33(33R,33G,33B)の検出出力値が入力される。
DC-DCコンバータ41は、図2に示した電源110から発生された直流電圧VINが入力され、入力された直流電力をスイッチングして安定化した直流の出力電圧Vccを発生する。DC−DCコンバータ41は、フィードバック端子Vfから入力された電圧と出力電圧Vccとの電位差が基準電圧値(Vref)となるように安定化した出力電圧Vccを発生する。なお、基準電圧値(Vref)は、CPU50から供給される。
直列接続した発光ダイオード群30のアノード側は、定抵抗(Rc)を介してDC−DCコンバータ41の出力電圧Vccの出力端と接続されている。また、直列接続した発光ダイオード群30のアノード側は、サンプルホールド用FET46のソース-ドレインを介してDC-DCコンバータ41のフィードバック端に接続されている。また、直列接続した発光ダイオード群30のカソード側は、FET43のソース-ドレイン間を介してグランドに接続されている。
FET43のゲートには、PWM制御回路44から発生されたPWM信号が入力される。FET43は、PWM信号がオンのときにソース-ドレイン間がオンとなり、PWM信号がオフのときにソース-ドレイン間がオフとなる。したがって、FET43は、PWM信号がオンのときに発光ダイオード群30に電流を流し、PWM信号がオフのときには発光ダイオード群30に流れる電流を0とする。すなわち、FET43は、PWM信号がオンのときに発光ダイオード群30を発光させ、PWM信号がオフのときには発光ダイオード群30の発光を停止させる。
PWM制御回路44は、オン時間及びオフ時間のデューティ比を調整される2値信号であるPWM信号を発生する。PWM制御回路44は、CPU50からPWM制御値が供給され、このPWM制御値に応じてデューティ比を変更する。
コンデンサ45は、DC-DCコンバータ41の出力端とフィードバック端との間に設けられている。抵抗47は、DC-DCコンバータ41の出力端とサンプルホールド用FET46のゲートに接続されている。
ホールドタイミング回路48は、PWM信号が入力され、PWM信号の立ち上がりエッジで所定時間だけOFFとなり、その他の時間ではONとなるホールド信号を発生する。
サンプルホールド用FET46のゲートには、ホールドタイミング回路48から出力されたホールド信号が入力される。サンプルホールド用FET46は、ホールド信号がオフのときにソースードレイン間がオンとなり、ホールド信号がオンのときのソース-ドレイン間がオフとなる。
以上のようなLED駆動回路31では、PWM制御回路44から発生されたPWM信号がオンとなる時間のみ発光ダイオード群30に電流ILEDが流される。また、コンデンサ45、サンプルホールド用FET46及び抵抗47によりサンプルホールド回路を構成している。このサンプルホールド回路は、発光ダイオード群30のアノード、すなわち、出力電圧Vccが接続されていない方の定抵抗42の一端の電圧値を、PWM信号のオン時にサンプルし、DC−DCコンバータ41のフィードバック端に供給している。DC−DCコンバータ41は、フォードバック端に入力される電圧値に基づき、出力電圧Vccを安定化させるので、定抵抗Rc42及び発光ダイオード群30に流れる電流ILEDの波高値が一定となる。
したがって、LED駆動回路31では、発光ダイオード群30に流れる電流ILEDの波高値が一定とされた状態で、PWM信号に応じたパルス駆動される。
CPU50は、温度センサ32及び光量又は色度センサ33(33R,33G,33B)の両者の検出信号に基づき、バックライト装置20から発光される白色光の色合い(色温度及び色度)及び輝度が一定となるように、発光ダイオード群30に流れる電流量を調整する。
発光ダイオード群30に流れる電流量の調整は、PWM制御値を変化させることにより発光ダイオード群30に流れる電流のデューティを調整してもよいし、DC−DCコンバータ41に与える基準電圧値(Vref)を変化させることにより発光ダイオード群30に流れる電流の波高値を調整してもよいし、又は、これらの組み合わせによって調整してもよい。
このように温度センサ32及び光量又は色度センサ33(33R,33G,33B)の両者の検出信号に基づき、CPU50が発光ダイオード群30の発光の強度のフィードバック制御を行うことによって、画面内において均一な色度及び輝度の白色光を発生させることができるようになる。
ここで、発光ダイオードの発光の強度を制御するために、温度センサ32の検出出力値を用いる理由について説明をする。
まず、LED素子の温度特性について、図13〜図15の図を参照して説明をする。
図13は、赤(R)、緑(G)、青(B)の各LED素子の相対輝度を表した図である。図13のグラフは、x軸方向にLED素子温度を示し、y軸方向に相対輝度を示し、素子温度25℃の点を相対輝度100%としている。
赤(R)のLED素子は、AlInGaPの4元素系の半導体層状構造であり、バンドキャップエネルギーが低いため、高温時に、発光に寄与するキャリアが減少し、よって発光する光量が低下し、LED素子の運転温度として一般的な70℃程度の状態では、25℃を常温としたときの60%程度に輝度値が低下してしまう。また、赤(R)のLED素子は、他色に比較して温度に対する輝度値の変化が激しい。
一方、InGaNの3元素系の半導体層状構造を有する緑(G)のLED素子と青(B)のLED素子は、赤(R)のLED素子よりも短波長であり、紫色により近くなるのでバンドキャップエネルギーが大きく、温度の影響を受けにくくなる。
このように、LED素子の発光光量は、色毎に温度特性が異なることが分かる。
図14は、赤(R)、緑(G)、青(B)の各LED素子の発光波長に対する明るさを示したグラフである。図14には、温度が0℃、25℃、50℃のそれぞれの場合についてのグラフを示している。なお、図14のグラフは、x軸方向に発光波長を示し、y軸方向に発光出力(明るさ)を示している。
図14を参照して分かるように、各LED素子は、温度に対する発光量(曲線で囲まれた部分の面積)が変化するだけではなく、高温になるほど長波長側にシフトしている。特に、赤(R)のLED素子は、山形の頂点(ピーク)に相当する波長(ピーク波長)が、高温になるにしたがって大きく長波長側へのシフトしている。
以上の図13及び図14から、LED素子は、各色でその温度特性が大きく異なることが分かる。具体的には、青(B)のLED素子は、温度変化に対する輝度値にほとんど変化はなく、また、温度変化に対する波長の変動も少ない特性があり、一方で、赤(R)のLED素子は、温度変化に対する輝度値は大きく、また、温度変化に対する波長の変動も大きい特性であることが分かる。
図15は、上述した特性を有する赤(R)のLED素子、緑(G)のLED素子、青(B)のLED素子から発せられる光を組み合わせて、バックライト装置20において光学的に合成加法混色して白色光を得たときの、白色色度(CIE色度座標表示(x,y))の温度偏差を示したものである。なお、図15に示した特性は、温度及び色度センサに基づく光量のフィードバック制御は停止させて測定している。この図15に示すように、白色光の色度は、35℃から60℃へ温度の上昇をすると、Yの偏差(Δy値)が+0.0025となり、Xの偏差率(Δx値)が−0.015となる偏差を有しており、図14に示した、赤(R)のLED素子の温度変化に対する特性において、山形の頂点(ピーク)に相当する波長(ピーク波長)が、温度が高温になるに伴って長波長側へシフト(移動)している傾向と一致していることが分かる。
LED素子は、以上のような温度特性を有している。
このようにLED素子は、温度依存性が大きいとともに、色によってその特性が異なっている。このため、CPU50は、バックライト装置20から発光される白色光の色合い(色温度及び色度)を一定とするには、温度センサ32も用いて制御を行う必要がある。
さらに、CPU50は、バックライト装置20から発光される白色光の色合い(色温度及び色度)を一定とするためには、赤(R)、緑(G)、青(B)の各色の各発光光量を光量センサで検出し、赤(R)、緑(G)、青(B)の発光光量を総合的に制御をしなければならない。つまり、赤(R)の光量センサ出力のみを参照して赤(R)の発光光量をフィードバック制御するのではなく、他の色も含めた全色(赤(R)、緑(G)及び青(B))の光量センサ出力を参照して赤(R)の発光光量をフィードバック制御しなければならない。
このため、CPU50は、下記式(1)に示すような3行×3列の行列演算式に基づき演算を行い、各色(R、G、B)のLED素子の発光光量を総合的に調整している。
式(1)において、“X”、“Y”、“Z”はバックライト装置20から発光される光の色度座標を表す。また、式(1)において、“Lr”は 光量又は色度センサ33の赤色成分の検出出力値であり、“Lg”は 光量又は色度センサ33の緑色成分の検出出力値であり、“Lb”は 光量又は色度センサ33の青色成分の検出出力値である。
また、式(1)の左辺の前段の行列である3行×3列の係数mxyから構成される行列式Aは、光量又は色度センサ33の検出出力値(Lr,Lg,Lb)に乗算する係数の行列式である。(なお、mの下付け添え字のxは1、2、3でありその係数の行番号を示し、yは1、2又は3でありその係数の列番号を示している。)この行列式Aは、理想的には定数で表されるはずである。しかしながら、上述したように実際には各色のLED素子が温度特性を有するので、行列式Aは、下記式(2)に示すような、3行×3列の定数jxyで表された行列式Cと、温度特性を相殺するためのLED素子の温度Tを変数とした関数kxy(T)の行列式Bとを乗算したものとなる。
すなわち、CPU50では、光量又は色度センサ33の検出出力(Lr,Lg,Lb)とともに温度センサ32の検出出力(T)を用いて、上記式(1)に基づき白色光の色合い(色温度及び色度)を一定とするフィードバック制御を行っている。
なお、行列式Bの構成要素である関数kxy(T)及び行列式Cの構成要素である係数jxyは、工場出荷時前に予め実験や測定により算出され、不揮発性のメモリであるメモリ49に格納されている。
以上のような演算及び制御を行うCPU50の具体的な動作は、次のようになる。
CPU50は、バックライト装置20の動作中に、適宜(例えば一定期間毎、或いは、常時)、当該バックライト装置20の色度及び輝度の調整制御を行う。
CPU50は、バックライト装置20の色度及び輝度の調整制御を開始すると、温度センサ32及び光量又は色度センサ33の出力を読み出すとともに、メモリ49から関数kxy(T)及び係数jxyを呼び出す。
CPU50は、温度センサ32により検出された温度を上記式(1)及び式(2)のTに代入するとともに、光量又は色度センサ33の検出値を上記式(1)及び式(2)のLr,Lg,Lbに代入して、バックライト装置20の各色の色度(X,Y,Z)を算出する。
そして、CPU50は、この算出した色度(X,Y,Z)が、ある特定の設定値、例えば、工場出荷前に理想的な値を設定してメモリ49等に格納した値になるように各色のLED素子に流す電流量(PWMデューティ又は波高値)を調整する。
このことによって、CPU50は、バックライト装置20から発光される白色光の色合い(色温度及び色度)を、常時一定とすることができる。
図16Aは、温度センサ32によるフィードバック制御を行わずに光量又は色度センサ33のみで色度制御を行った場合(従来方法の場合)のバックライト装置20から発光される白色色度(CIE色度座標表示(x,y))の温度偏差を示した図である。また、図16Bは、温度センサ32及び光量又は色度センサ33の両者によるフィードバック制御を行って色度制御を行った場合(本発明の方法の場合)のバックライト装置20から発光される白色色度(CIE色度座標表示(x,y))の温度偏差を示した図である。
図16Aに示すように、光量又は色度センサ33のみで色度制御を行った場合には、25℃から50℃の偏差は、Δy値が+0.0010であり、Δx値が−0.0015となり、図15に示した特性よりもΔy値で1/5、Δx値で1/10の改善されていることが分かる。
さらに、図16Bに示すように、温度センサ32及び光量又は色度センサ33の両者によるフィードバック制御を行って色度制御を行った場合には、25℃から50℃の偏差は、Δy値が+0.0005であり、Δx値が−0.0005となり、図15に示した特性よりもΔy値で1/2、Δx値で1/3の特性が改善され、さらなる特性改善がされていることが分かる。
以上のように本発明が適用されたバックライト装置20によれば、温度センサ32及び光量又は色度センサ33(33R,33G,33B)の両者の検出信号に基づき、発光する白色光の色合い(色温度及び色度)及び輝度を一定としているので、非常に精度よく安定した色合いの光を発光することができる。
次に、バックライト駆動制御部180の構成について説明する。バックライト駆動制御部180は、図17に示すように、交流電圧を直流電圧に変換する電源110から電圧が供給され、発光ダイオード群30を駆動する上述した複数のLED駆動回路31を備えている。
なお、図17において、g1のグループは、赤(R1)の発光ダイオード群30と、緑(G1)の発光ダイオード群30と、青(B1)の発光ダイオード群30からなる最上段一行のグループを示している。g2のグループは、赤(R2)の発光ダイオード群30と、緑(G2)の発光ダイオード群30と、青(B2)の発光ダイオード群30からなるg1の一つ下の行のグループを示す。また、図14は、各行の発光ダイオード群30にPWM信号を供給するときの駆動幅の相違を模式的に示したものである。
ここで、バックライト駆動制御部180により行われる発光ダイオード群30に対するPWM駆動動作について説明する。
まず、青(B)のLED素子に着目する。青(B)のLED素子は、発光効率に難点があるため、PWM信号のON期間を赤(R)のLED素子及び緑(G)のLED素子よりも長くして不足している光量を補っている。また、g1行のB1pのPWM信号とg2行のB2pのPWM信号の駆動幅の相違は殆どない。これは、g1行とg2行は、g1行の方がg2行よりもディスプレイの上方に位置しており温度が高いが、着目したのが温度依存による発光量変化の少ない青(B)のLED素子であるため、駆動幅に変化を持たせる必要はないためである。
次に、赤(R)のLED素子に着目する。赤(R)のLED素子は、発光効率が良いので、PWM信号のON期間を青(B)のLED素子に比べて短くしている。また、g1行のR1pのPWM信号とg2行のR2pのPWM信号の駆動幅の相違kは大きくなっている。これは、g1行とg2行は、g1行の方がg2行よりもディスプレイの上方に位置しており温度が高く、着目したのが温度依存による発光量変化の大きい赤(R)のLED素子であるため、駆動幅に変化を持たせる必要があるためである。バックライト駆動制御部180は、温度が高いg1行において、他行のグループとの光量バランスを図るために、PWM信号のパルス幅が大きくなるように駆動している。
バックライト駆動制御部180は、ディスプレイの温度分布を均一にするために発光量を変化させるための手法として、PWM信号のON期間の差を用いることにより、ディスプレイ内の温度特性の均一性を確保することができる。
次に、各色の調整分解能を揃えるための動作について以下に説明する。
図18は、PWM信号の分解能について示す波形図である。図18Aは、赤(R)の発光ダイオード群30に供給するPWM信号の波形図を示し、図18Bは、緑(G)の発光ダイオード群30に供給するPWM信号の波形図を示し、図18(C)は、青(B)の発光ダイオード群30に供給するPWM信号の波形図を示す。
所定の白色光を得るために赤(R)のLED素子から発せられる光と、緑(G)のLED素子から発せられる光と、青(B)のLED素子から発せられる光の混合比を調整した結果、図18に示すように、青(B)発光ダイオード群30に供給するPWM信号のパルス幅が256(100%)、緑(G)の発光ダイオード群30に供給するPWM信号のパルス幅が191(約75%)、赤(R)の発光ダイオード群30のPWM信号のパルス幅が126(50%)の混合比のときに、所定の白色光を得ることができた。
また、上述の例において、各発光ダイオード群30に供給するPWM信号のパルス幅の調整幅を8bitとした場合、図18に示すように、青(B)の発光ダイオード群30に供給するPWM信号のパルス幅の調整幅の自由度は、1/256Stepで調整できるが、赤(R)の発光ダイオード群30に供給するPWM信号のパルス幅の調整幅の自由度は、約半分の1/126Stepでしか調整することができない。また、青(B)の発光ダイオード群30に供給するPWM信号のパルス幅の1Stepは、赤(R)の発光ダイオード群30に供給するPWM信号のパルス幅の1Stepの倍になってしまうという不都合が生じてしまい、調整精度確保の点から不都合である。
これを避けるためには、調整幅の分解能をあげる必要がある。例えば、青(B)の発光ダイオード群30に供給するPWM信号のパルス幅の調整幅を10bitにするという手法があるが、各発光ダイオード群30毎の調整ステップに差があり、原理的に改善されていないため、PWM信号のON期間の差が50%に達すると、赤(R)の発光ダイオード群30に共有するPWM信号のパルス幅の調整幅は、1bit相当悪化してしまう。また、調整分解能が10bit以上になると、処理を行うコンバータ等が高価なものとなってしまい、装置自体の価格が上昇してしまう。
そこで、バックライト駆動制御部180は、図19に示すように、各発光ダイオード群30に供給されるPWM信号の調整幅がほぼ均一(例えば、8bit)になるように、DC−DCコンバータから各発光ダイオード群30に供給される信号(定電流値ILED)の波高値を調整する。なお、図19Aに赤(R)の発光ダイオード群30に供給されるPWM信号の波形図を示し、図19Bに緑(G)の発光ダイオード群30に供給されるPWM信号の波形図を示し、図19Cに青(B)の発光ダイオード群30に供給されるPWM信号の波形図を示す。
バックライト駆動制御部180は、例えば、DC−DCコンバータから各発光ダイオード群30に供給される信号をPAM(Pulse Amplitude Modulation)変調することにより、各発光ダイオード群30に供給される定電流値ILEDの波高値を調整する。したがって、バックライト駆動制御部180は、各発光ダイオード群30に供給する信号に対して、時間方向と、波高値の方向で調整を行うことにより、調整時の精度を確保し、各発光ダイオード群30の調整精度のバランスを維持することができる。
ここで、発光ダイオード群30に供給されている信号を調整したときの信号波形の具体例を以下に示す。図20Aは、時間方向を変調(PWM変調)し、振幅方向は不変(固定)、すなわちLED素子のピーク電流は変化させない場合の信号波形を示す。また、図20Cは、時間方向(PWM方向)を固定し、振幅方向のみ変調させた場合の信号波形を示す。また、図20Bは、時間方向を変調し、かつ、振幅方向も変調した場合の信号波形を示す。
なお、バックライト駆動制御部180は、例えば、意図的にホワイトバランスなどで輝度を調整する場合には、時間方向の変調(PWM)を行い、また、ディスプレイの温度分布による発光出力バランスの矯正には、振幅方向の変調(PAM)を行ってもよい。
このように構成された本願発明に係るバックライト駆動制御部180は、バックライト部2を構成している発光ダイオード群30の発光動作を調整する際、調整の分解能を各色の発光ダイオード群30全てにおいて均一になるように、振幅方向及び時間方向に調整を行うので、精度の高い調整を行うことができる。
また、本願発明に係るバックライト駆動制御部180は、ディスプレイの上部から下部へかけての温度分布を適切に検出し、当該検出結果に基づいて振幅方向の調整を行い、発光ダイオード群30に供給されている電流値のピークコントロールをするので、ディスプレイの温度分布による表示ムラを解消することができる。
なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施例に限定されるものではなく、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な変更、置換又はその同等のものを行うことができることは当業者にとって明らかである。
Claims (16)
- 1.3原色毎にLED(Light Emission Diode)素子が複数個縦列接続されたLED素子群からなるバックライトユニットの駆動装置において、
任意の振幅の信号を発生する信号発生手段と、
上記信号発生手段により発生された信号に基づき、上記LED素子群の発光量を調整する調整手段と、
上記LED素子群毎に所定の電圧を印加する電圧印加手段と、
上記電圧印加手段により印加された電圧に応じて、上記LED素子群から発せられる光量を検出する発光量検出手段と、
上記LED素子群の温度を検出する温度検出手段と、
上記発光量検出手段により検出された発光量と上記温度検出手段により検出された温度に基づき上記信号発生手段を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする駆動装置。 - 2.上記信号発生手段は、PWM(Pulse Width Modulation)信号を発生することを特徴とする請求の範囲第1項記載の駆動装置。
- 3.上記発光量検出手段は、任意の原色のLED素子から構成される上記LED素子群から発せられた光量を検出することを特徴とする請求の範囲第1項記載の駆動装置。
- 4.さらに、上記温度検出手段により検出された温度に応じて、定電流値の振幅を調整する振幅調整手段を備え、
上記電圧印加手段は、上記調整手段から供給された定電流値に基づき、上記LED素子群毎に印加する電圧を可変することを特徴とする請求の範囲第1項記載の駆動装置。 - 5.さらに、上記温度検出手段により検出された温度に応じて、上記バックライトユニットを構成しているLED素子群を選択する選択手段を備え、
上記調整手段は、上記信号発生手段により発生された信号に基づき、上記選択手段により選択されたLED素子群の発光量を調整することを特徴とする請求の範囲第1項記載の駆動装置。 - 6.さらに、上記LED素子が配置された場所に対応して上記発光量検出手段により検出された当該LED素子から発せられる光量を補正する補正データを記憶するメモリを有し、
上記制御手段は、上記メモリに記憶されている上記補正データにより補正された上記発光量と、上記温度検出手段により検出された温度に基づき、上記信号発生手段を制御することを特徴とする請求の範囲第1項記載の駆動装置。 - 7.さらに、上記発光量検出手段が、LED素子群から離れた場所に配置された場合には、LED素子群から発光される光を弱く検出し、LED素子群から近い場所に配置された場合には、LED素子群から発光される光を強く検出するように、所定の実測方法によって得られた補正値データが記憶されているメモリテーブルを備え、
上記制御手段は、上記発光量検出手段により検出された発光量を上記メモリテーブルに記憶されている補正値データに基づき補正し、補正後の発光量と、上記温度検出手段により検出された温度に基づき、上記信号発生手段を制御することを特徴とする請求の範囲第1項記載の駆動装置。 - 8.さらに、各LED素子の光量比を適宜調整する調整手段と、上記調整手段により白色光を得る際に、任意の一色を基準として、その一色の温度情報と、所定の実測方法によって得られた補正値データが記憶されているメモリテーブルを備え、
上記制御手段は、上記発光量検出手段により検出された発光量を上記メモリテーブルに記憶されている補正値データに基づき補正し、補正後の発光量と、上記温度検出手段により検出された温度に基づき、上記信号発生手段を制御することを特徴とする請求の範囲第1項記載の駆動装置。 - 9.3原色毎にLED(Light Emission Diode)素子が複数個縦列接続されたLED素子群からなるバックライトユニットの駆動方法において、
上記LED素子群毎に所定の電圧を印加する電圧印加工程と、
上記電圧印加工程により印加された電圧に応じて、上記LED素子群から発せられる光量を検出する発光量検出工程と、
上記LED素子群の温度を検出する温度検出工程と、
上記発光量検出工程により検出された発光量と、上記温度検出工程により検出された温度に基づき、任意の振幅の信号を発生する信号発生工程と、
上記信号発生工程により発生された信号に基づき、上記LED素子群の発光量を調整する調整工程と
を備えることを特徴とするバックライトユニットの駆動方法。 - 10.上記信号発生工程は、PWM(Pulse Width Modulation)信号を発生することを特徴とする請求の範囲第9項記載の駆動方法。
- 11.上記発光量検出工程は、任意の原色のLED素子から構成される上記LED素子群から発せられた光量を検出することを特徴とする請求の範囲第9項記載の駆動方法。
- 12.さらに、上記温度検出工程により検出された温度に応じて、定電流値の振幅を調整する振幅調整工程を備え、
上記電圧印加工程は、上記調整工程から供給された定電流値に基づき、上記LED素子群毎に印加する電圧を可変することを特徴とする請求の範囲第9項記載の駆動方法。 - 13.さらに、上記温度検出工程により検出された温度に応じて、上記バックライトユニットを構成しているLED素子群を選択する選択工程を備え、
上記調整工程は、上記信号発生工程により発生された信号に基づき、上記選択工程により選択されたLED素子群の発光量を調整することを特徴とする請求の範囲第9項記載の駆動方法。 - 14.さらに、上記LED素子が配置された場所に対応して上記発光量検出工程により検出された当該LED素子の上記発光量を補正する補正工程を備え、
上記信号発生工程は、上記補正工程により補正された発光量と、上記温度検出工程により検出された温度に基づき、任意の振幅の信号を発生することを特徴とする請求の範囲第9項記載の駆動方法。 - 15.さらに、上記発光量検出工程でLED素子群から発せられる光量を検出するセンサが、LED素子群から離れた場所に配置された場合には、LED素子群から発光される光を弱く検出し、LED素子群から近い場所に配置された場合には、LED素子群から発光される光を強く検出するように、所定の実測方法によって得られた補正値データが記憶されているメモリテーブルの補正値データに基づき、上記センサから得られる発光量を補正する補正工程を備え、
上記信号発生工程は、上記補正工程により補正された発光量と、上記温度検出工程により検出された温度に基づき、任意の振幅の信号を発生することを特徴とする請求の範囲第9項記載の駆動方法。 - 16.さらに、各色のLED素子の光量比を適宜調整する調整工程と、上記調整工程により白色光を得る際に、任意の一色を基準として、その一色の温度情報と、所定の実測方法によって得られた補正値データが記憶されているメモリテーブルの補正値に基づき、上記発光量検出工程により検出された発光量を補正する補正工程を備え、
上記信号発生工程は、上記補正工程により補正された発光量と、上記温度検出工程により検出された温度に基づき、任意の振幅の信号を発生することを特徴とする請求の範囲第9項記載の駆動方法。
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