KR102375683B1 - 고속 이미지 리프레시 시스템 - Google Patents

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Abstract

LED 픽셀 어레이를 위한 LED 컨트롤러는 이미지 데이터를 수신하기 위한 이미지 프레임 버퍼; 및 대기 이미지를 보유하기 위해 이미지 프레임 버퍼에 연결되는 대기 이미지 버퍼를 포함한다. 연결된 커맨드 및 제어 모듈은 이미지 데이터가 이용불가능할 때 이미지 프레임 버퍼 내의 이미지를 대기 이미지 버퍼 내의 대기 이미지로 대체하도록 구성된다.

Description

고속 이미지 리프레시 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 6월 28일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제16/456,858호, 2019년 6월 28일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제16/456,862호, 2018년 10월 30일자로 출원된 유럽 특허 출원 번호 제18203445.4호, 및 2018년 9월 10일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제62/729,257호에 대한 우선권의 혜택을 주장하며, 이들 각각의 전체 내용은 참조로서 본 명세서에 포함된다.
기술 분야
본 개시내용은 일반적으로 어드레싱가능한 LED 픽셀 어레이를 고속 이미지 리프레시 속도들에서 지원할 수 있는 외부 데이터 이미지 입력들을 갖는 마이크로컨트롤러에 관한 것이다.
지원하는 CMOS 회로를 갖는 LED들의 픽셀 어레이들이 사용되었지만, 상업적 사용에 적합한 실제 구현들은 심각한 제조, 전력 및 데이터 관리 문제에 직면할 수 있다. 수천 개의 발광 픽셀의 개별 광 강도는 30-60Hz의 리프레시 레이트로 제어될 필요가 있을 수 있다. 많은 응용들에 대해, 높은 데이터 리프레시 레이트들이 필요하며, 다양한 교정, 테스트 및 제어 방법을 지원하는 시스템들이 필요하다.
일 실시예에서, LED 픽셀 어레이를 위한 LED 컨트롤러는 외부 데이터 버스에 대한 직렬 인터페이스를, 직렬 인터페이스 및 LED 픽셀 어레이에 연결된 어드레스 생성기와 함께 포함한다. 이미지 프레임 버퍼는 이미지 데이터를 수신하기 위해 인터페이스에 연결되고, 이미지 프레임 버퍼 어드레스를 수신하기 위해 어드레스 생성기에 더 연결된다. 커맨드 및 제어 모듈은 직렬 인터페이스에 연결되고 이미지 프레임 버퍼 출력 신호들을 수정하도록 구성된다. 교정 데이터 저장 모듈은 LED 픽셀 어레이에 픽셀 전압 응답에 관련된 교정 데이터를 저장하기 위해 커맨드 및 제어 모듈에 연결된다.
일 실시예에서, 대기 이미지 버퍼는 디폴트 이미지를 보유하기 위해 이미지 프레임 버퍼에 연결된다. 다른 실시예에서, 펄스 폭 변조기는 이미지 프레임 버퍼와 LED 픽셀 어레이 사이에 연결된다.
일부 실시예들에서, 이미지 프레임 버퍼는 보유된 이미지들을 60Hz 이상의 속도로 리프레시할 수 있다. 이미지 리프레시 데이터는 직렬 인터페이스를 통해 외부적으로 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 커맨드 및 제어 모듈은 온도 데이터를 수신하는 ADC에 연결된다. 커맨드 및 제어 모듈은 Vf 데이터를 수신하는 ADC에 연결된다. 일부 실시예들에서, 커맨드 및 제어 모듈은 Vbias 데이터를 수신하는 DAC에 연결될 수 있다.
커맨드 및 제어 모듈은 외부 제어 신호들을 제공하는 제2 인터페이스에 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 커맨드 및 제어 모듈은 개별 픽셀 어드레싱을 허용하기 위해 LED 픽셀 어레이에 연결된 바이패스 라인을 포함한다.
일부 실시예들에서, 이미지 버퍼 내의 이미지들은 부분적으로 또는 차등적으로 리프레시될 수 있다.
일부 실시예들에서, LED 픽셀 어레이를 위한 LED 컨트롤러는 이미지 데이터를 수신하기 위한 이미지 프레임 버퍼; 및 대기 이미지를 보유하기 위해 이미지 프레임 버퍼에 연결되는 대기 이미지 버퍼를 포함한다. 커맨드 및 제어 모듈은 이미지 데이터가 이용불가능할 때 이미지 프레임 버퍼 내의 이미지를 대기 이미지 버퍼 내의 대기 이미지로 대체하도록 구성된다. 이미지 데이터는 이미지 내의 오류들로 인해, 또는 이미지를 적시에 수신하지 못한 것으로 인해 이용불가능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미지 프레임 버퍼에 보유된 이미지 데이터는 적어도 부분적으로 차량 또는 LED 컨트롤러에 의해 제공된다. 마찬가지로, 대기 이미지는 적어도 부분적으로 차량 또는 LED 컨트롤러에 의해 제공될 수 있다.
도 1은 액티브 헤드램프를 사용한 개별 섹터들에서의 도로의 조명을 도시하는 다이어그램이다.
도 2는 정적 조명 모듈에 인접하게 위치된 동적 픽셀 어드레싱가능한 조명 모듈을 도시한다.
도 3a는 액티브 헤드램프를 제어하기 위한 차량 헤드램프 시스템의 일 실시예이다.
도 3b는 차량 프로세싱 출력에의 연결을 갖는 액티브 헤드램프를 제어하기 위한 차량 헤드램프 시스템의 일 실시예이다.
도 4는 액티브 헤드램프 컨트롤러의 일 실시예의 개략도이다.
도 5는 LED 픽셀 어레이를 위한 마이크로컨트롤러 어셈블리의 도시이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 픽셀 제어 회로를 위한 LDO 바이패스 회로, 및 게이트 타이밍 다이어그램을 도시한다.
도 6c 및 도 6d는 각각 대안적인 픽셀 제어 회로 및 게이트 타이밍 다이어그램을 도시한다.
도 7은 LDO 바이패스를 지원하는 행 및 열 선택을 갖는 액티브 매트릭스 픽셀 어레이를 도시한다.
발광 픽셀 어레이들은 광 분포의 세밀한 강도, 공간적 및 시간적 제어로부터 이익을 얻는 응용들을 지원할 수 있다. 이것은 픽셀 블록들 또는 개별 픽셀들로부터 방출된 광의 정밀한 공간 패턴화를 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 응용에 따라, 방출된 광은 분광적으로 구별되고(spectrally distinct), 시간의 경과에 따라 적응적이고(adaptive over time), 및/또는 환경적으로 반응한다(environmentally responsive). 발광 픽셀 어레이들은 다양한 강도, 공간적 또는 시간적 패턴들로 미리 프로그래밍된 광 분포를 제공할 수 있다. 방출된 광은 수신된 센서 데이터에 적어도 부분적으로 기초할 수 있고, 광학 무선 통신들에 사용될 수 있다. 연관된 광학계들은 픽셀, 픽셀 블록, 또는 디바이스 레벨에서 구별될 수 있다. 예시적인 발광 픽셀 어레이는 연관된 공통 광학계를 갖는 고강도 픽셀들의 공통 제어되는 중앙 블록을 갖는 디바이스를 포함할 수 있는 반면, 에지 픽셀들은 개별 광학계들을 가질 수 있다. 발광 픽셀 어레이들에 의해 지원되는 공통적인 응용들은 비디오 조명, 자동차 헤드라이트, 건축 및 영역 조명, 가로등, 및 정보 디스플레이들을 포함한다.
발광 픽셀 어레이들은 개선된 시각적 디스플레이를 위해, 또는 조명 비용들을 감소시키기 위해, 건물들 또는 영역들을 선택적이고 적응적으로 조명하는 데 사용될 수 있다. 추가로, 발광 픽셀 어레이들은 장식적인 모션 또는 비디오 효과들을 위해 미디어 파사드들(media facades)을 투영하기 위해 사용될 수 있다. 추적 센서들 및/또는 카메라들과 함께, 보행자 주변 영역들의 선택적 조명이 가능할 수 있다. 분광적으로 구별되는 픽셀들은 조명의 색 온도를 조절하는 것은 물론, 파장별 원예 조명(horticultural illumination)을 지원하기 위해 사용될 수 있다.
가로등은 발광 픽셀 어레이들의 사용으로부터 크게 이익을 얻을 수 있는 중요한 응용이다. 다양한 가로등 유형을 모방하여, 예를 들어 선택된 픽셀들의 적절한 활성화 또는 비활성화에 의해 유형 I 선형 가로등과 유형 IV 반원형 가로등 사이의 전환을 허용하기 위해 단일 유형의 발광 어레이가 사용될 수 있다. 추가로, 환경 조건들 또는 사용 시간에 따라 광 빔 강도 또는 분포를 조절함으로써 가로등 비용이 저감될 수 있다. 예를 들어, 보행자가 존재하지 않을 때는 광 강도와 분포 영역이 감소될 수 있다. 발광 픽셀 어레이의 픽셀들이 분광적으로 구별되는 경우, 광의 색 온도는 각각의 일광, 황혼, 또는 야간 조건에 따라 조절될 수 있다.
발광 어레이들은 또한 직접 또는 투영 디스플레이를 필요로 하는 응용들을 지원하는 데 매우 적합하다. 예를 들어, 경고, 비상 또는 정보 표시들은 모두 발광 어레이들을 사용하여 디스플레이되거나 투영될 수 있다. 이는 예를 들어 색상이 변하거나 점멸하는 출구 표지판이 투영되는 것을 허용한다. 발광 어레이가 많은 수의 픽셀로 구성된 경우, 텍스트 또는 숫자 정보가 제시될 수 있다. 방향 화살표들 또는 유사한 표시자들도 제공될 수 있다.
차량 헤드램프들은 많은 픽셀 수와 높은 데이터 리프레시 레이트를 요구하는 발광 어레이 응용이다. 도로의 선택된 섹션들만을 능동적으로 조명하는 자동차 헤드라이트들은 마주오는 운전자의 눈부심(glare) 또는 눈시림(dazzling)에 연관된 문제를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 적외선 카메라들을 센서로서 사용하면, 발광 픽셀 어레이들은 도로를 조명하는 데에 필요한 픽셀들만을 활성화하는 한편, 보행자 또는 마주오는 차량의 운전자의 눈을 시리게 할 수 있는 픽셀들은 비활성화한다. 추가로, 운전자의 환경 인식을 개선하기 위해, 오프로드 보행자들, 동물들 또는 표지판들이 선택적으로 조명될 수 있다. 발광 픽셀 어레이의 픽셀들이 분광적으로 구별되는 경우, 광의 색 온도는 각각의 일광, 황혼, 또는 야간 조건들에 따라 조절될 수 있다. 일부 픽셀들은 광학 무선 차량 대 차량 통신을 위해 사용될 수 있다.
발광 어레이들에 대한 하나의 고가치 응용이 도 1에 대해 도시되며, 이는 차량 전방의 영역(120)을 조명하는 차량 헤드램프 시스템에 대한 잠재적인 도로 조명 패턴(100)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 도로(110)는 좌측 가장자리(112), 우측 가장자리(114), 및 중앙선(116)을 포함한다. 이 예에서, 2개의 주요 영역 - 하향 정적 조명되는 영역(122) 및 동적 조명되는 영역(130) - 이 조명된다. 영역(130) 내의 광 강도는 동적으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 중앙선(116)과 좌측 가장자리(112) 사이를 이동하는 마주오는 차량(도시되지 않음)이 소영역(subregion)(132)으로 이동함에 따라, 광 강도가 감소되거나 완전히 차단될 수 있다. 마주오는 차량이 소영역(134)을 향해 이동함에 따라, 일련의 소영역들(도시되지 않음)은 또한 감소된 광 강도를 갖도록 정의될 수 있고, 그에 의해 안전하지 않은 눈시림 또는 눈부심의 가능성을 감소시킨다. 이해되는 바와 같이, 다른 실시예들에서, 광 강도는 도로 표지판들 또는 보행자들을 강조하도록 증가되거나, 예를 들어 곡선 도로의 동적 광 추적을 허용하도록 조절된 공간 조명 패턴들로 될 수 있다.
도 2는 도 1과 관련하여 논의된 바와 같은 조명 패턴을 제공할 수 있는 조명 모듈들(200)의 위치지정을 도시한다. LED 광 모듈(222)은 렌즈 또는 반사기들을 포함하는 1차 또는 2차 광학계와 함께 또는 단독으로 LED들을 포함할 수 있다. 전반적인 데이터 관리 요건들을 감소시키기 위해, 광 모듈(222)은 온/오프 기능, 또는 비교적 적은 광 강도 레벨들 사이의 전환으로 제한될 수 있다. 광 강도의 픽셀 레벨 제어가 반드시 지원되는 것은 아니다.
LED 광 모듈(222)에 인접하여 위치된 것은 액티브 LED 어레이(230)이다. LED 어레이는 픽셀 영역(204) 및 대안적으로 선택가능한 LED 영역들(206 및 208)을 갖는 CMOS 다이(202)를 포함한다. 픽셀 영역(204)은 104개의 행 및 304개의 열을 가질 수 있고, 12.2 밀리미터×4.16 밀리미터의 면적에 걸쳐 총 31,616개의 픽셀이 분산된다. 선택가능한 LED 영역들(206 및 208)은 선택될 상이한 차량 헤드램프들 또는 응용들에 적합한 상이한 종횡비들을 허용한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 선택가능한 LED 영역(206)은 82개의 행 및 246개의 열을 갖는 1:3 종횡비를 가질 수 있고, 10.6 밀리미터×4 밀리미터의 면적에 걸쳐 총 20,172개의 픽셀이 분산된다. 대안적으로, 선택가능한 LED 영역(208)은 71개의 행 및 284개의 열을 갖는 1:4 종횡비를 가질 수 있고, 12.1 밀리미터×3.2 밀리미터의 면적에 총 20,164개의 픽셀이 분산된다. 일 실시예에서, 픽셀들은 10-비트 강도 범위, 및 30 내지 100Hz의 리프레시 레이트를 갖도록 능동적으로 관리될 수 있으며, 일반적인 동작 리프레시 레이트는 60Hz 이상이다.
도 3a는 차량 지원 전력(302), 및 데이터 버스(304)를 포함하는 제어 시스템을 포함하는 차량 헤드램프 시스템(300)의 실시예를 도시한다. 센서 모듈(306)은 환경 조건들(예를 들어, 하루 중 시각, 비, 안개, 주변 광 레벨 등), 차량 조건(주차, 이동 중, 속도, 방향), 또는 다른 차량이나 보행자의 존재/위치에 관련된 데이터를 제공하기 위해 데이터 버스(304)에 연결될 수 있다. 별도의 헤드램프 컨트롤러(330)가 차량 지원 전력 및 제어 시스템에 연결될 수 있다.
차량 헤드램프 시스템(300)은 전력 입력 필터 및 제어 보호 모듈(310)을 포함할 수 있다. 모듈(310)은 전도 방출(conducted emissions)을 감소시키고 전력 내성(power immunity)을 제공하기 위해 다양한 필터들을 지원할 수 있다. 정전기 방전(ESD) 보호, 로드 덤프(load-dump) 보호, 교류 발전기 필드 감쇠 보호 및 역 극성 보호도 모듈(310)에 의해 제공될 수 있다.
필터링된 전력은 LED DC/DC 모듈(312)에 제공될 수 있다. 모듈(312)은 LED들에 전력을 공급하기 위해서만 사용될 수 있으며, 전형적으로 공칭 13.2 볼트의 7 볼트 내지 18 볼트 사이의 입력 전압을 갖는다. 출력 전압은 공장 또는 현지 교정, 및 부하, 온도 또는 다른 요인들로 인한 동작 조건 조절들에 의해 결정된 LED 어레이 최대 전압보다 약간 더 높게(예를 들어, 0.3 볼트) 설정될 수 있다.
필터링된 전력은 또한 액티브 헤드램프(324)의 마이크로컨트롤러(322) 또는 CMOS 로직에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있는 로직 LDO 모듈(314)에 제공된다.
차량 헤드램프 시스템(300)은 또한 마이크로컨트롤러(322)에 연결된 버스 송수신기(320)(예를 들어, UART 또는 SPI 인터페이스를 가짐)를 포함할 수 있다. 마이크로컨트롤러(322)는 센서 모듈(306)로부터의 데이터에 기초하거나 이를 포함하는 차량 입력을 해석할 수 있다. 해석된 차량 입력은 액티브 헤드램프 모듈(324)의 이미지 버퍼에 전송가능한 비디오 신호를 포함할 수 있다. 추가로, 마이크로컨트롤러(322)는 스타트업 동안 디폴트 이미지 프레임을 로드하고 개방/단락 픽셀에 관해 테스트할 수 있다. 일 실시예에서, SPI 인터페이스는 CMOS에 이미지 버퍼를 로드한다. 이미지 프레임들은 전체 프레임, 차등적 또는 부분적일 수 있다. 다른 마이크로컨트롤러(322) 특징들은 로직 LDO 출력뿐만 아니라 다이 온도를 포함하는 CMOS 상태의 제어 인터페이스 모니터를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, LED DC/DC 출력은 헤드룸을 최소화하기 위해 동적으로 제어될 수 있다. 이미지 프레임 데이터를 제공하는 것에 더하여, 사이드 마커 또는 방향 지시등과 함께 보완 사용되는 것과 같은 다른 헤드램프 기능들, 및/또는 주간 주행등의 활성화도 제어될 수 있다.
도 3b는 차량 센서 입력들 및 커맨드들은 물론, 헤드램프 또는 국부적으로 탑재된 센서들에 기초한 커맨드들을 수용할 수 있는 차량 헤드램프 시스템(330)의 다양한 컴포넌트들 및 모듈들의 일 실시예를 도시한다. 도 3b에서 볼 수 있는 바와 같이, 차량 탑재 시스템들(332)은 원격 센서들(340), 및 센서 프로세싱(342)이 가능한 전자 프로세싱 모듈들을 포함할 수 있다. 프로세싱된 센서 데이터는 결정 알고리즘 모듈(344) 내의 다양한 결정 알고리즘들에 입력될 수 있으며, 이는 예를 들어 주변 광 레벨, 하루 중 시각, 차량 위치, 다른 차량들의 위치, 도로 조건들, 또는 기상 조건들과 같은 다양한 센서 입력 조건들에 적어도 부분적으로 기초하여 커맨드 명령어들 또는 패턴 생성을 초래한다. 이해되는 바와 같이, 결정 알고리즘 모듈(344)에 대한 유용한 정보는 사용자 스마트 폰에 대한 연결들, 차량 대 차량 무선 연결들, 또는 원격 데이터 또는 정보 자원들에 대한 연결들을 포함하는 다른 소스들로부터도 제공될 수 있다.
결정 알고리즘 모듈(344)의 결과들에 기초하여, 이미지 생성 모듈(346)은 궁극적으로는 조건들에 대해 동적으로 조절가능하고 적합한 액티브 조명 패턴을 차량 헤드램프에 제공할 이미지 패턴을 제공한다. 이러한 생성된 이미지 패턴은 이미지 코딩 모듈(348)에 의해 직렬 또는 다른 전송 방식을 위해 인코딩될 수 있고 고속 버스(350)를 통해 이미지 디코딩 모듈(354)에 송신될 수 있다. 일단 디코딩되면, 이미지 패턴은 조명 픽셀들의 활성화 및 강도를 구동하기 위해 uLED 모듈(380)에 제공된다.
일부 동작 모드들에서, 시스템(330)은 CAN 버스(352)를 통한 결정 알고리즘 모듈(344)의 연결을 통해 헤드램프 제어 모듈(370)에 제공된 명령어들을 사용하여 디폴트 또는 단순화된 이미지 패턴으로 구동될 수 있다. 예를 들어, 차량 시동 시의 초기 패턴은 낮은 광 강도의 균일한 패턴일 수 있다. 일부 실시예들에서, 헤드램프 제어 모듈은 센서 활성화 또는 제어를 포함하는 다른 기능들을 구동하기 위해 사용될 수 있다.
다른 가능한 동작 모드들에서, 시스템(330)은 CAN 버스(352) 또는 고속 버스(350)를 통한 입력을 요구하지 않고서, 로컬 센서들 또는 커맨드들로부터 도출된 이미지 패턴으로 구동될 수 있다. 예를 들어, 로컬 센서들(360), 및 센서 프로세싱(362)이 가능한 전자 프로세싱 모듈들이 사용될 수 있다. 프로세싱된 센서 데이터는 결정 알고리즘 모듈(364) 내의 다양한 결정 알고리즘들에 입력될 수 있으며, 이는 예를 들어 주변 광 레벨, 하루 중 시각, 차량 위치, 다른 차량들의 위치, 도로 조건들, 또는 기상 조건들과 같은 다양한 센서 입력 조건들에 적어도 부분적으로 기초하여 커맨드 명령어들 또는 패턴 생성을 초래한다. 이해되는 바와 같이, 차량 지원 원격 센서들(340)과 같이, 결정 알고리즘 모듈(364)에 대한 유용한 정보는 사용자 스마트 폰에 대한 연결들, 차량 대 차량 무선 연결들, 또는 원격 데이터 또는 정보 자원들에 대한 연결을 포함하는 다른 소스들로부터도 제공될 수 있다.
결정 알고리즘 모듈(364)의 결과에 기초하여, 이미지 생성 모듈(366)은 궁극적으로는 조건들에 대해 동적으로 조절가능하고 적합한 액티브 조명 패턴을 차량 헤드램프에 제공할 이미지 패턴을 제공한다. 일부 실시예들에서, 이러한 생성된 이미지 패턴은 추가 이미지 코딩/디코딩 단계들을 필요로 하지 않지만 선택된 픽셀들의 조명을 구동하기 위해 uLED 모듈(380)에 직접 송신될 수 있다.
도 4는 도 3의 액티브 헤드램프(330)에 대해 설명된 것과 같은 액티브 헤드램프 시스템(400)의 다양한 컴포넌트들 및 모듈들의 일 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 내부 모듈들은 LED 전력 분배 및 모니터 모듈(410), 및 로직 및 제어 모듈(420)을 포함한다.
차량으로부터의 이미지 또는 다른 데이터는 SPI 인터페이스(412)를 통해 도착할 수 있다. 연속 이미지들 또는 비디오 데이터는 이미지 프레임 버퍼(414)에 저장될 수 있다. 이미지 데이터가 이용가능하지 않은 경우, 대기 이미지 버퍼(416)에 보유된 하나 이상의 대기 이미지가 이미지 프레임 버퍼(414)로 지향될 수 있다. 이러한 대기 이미지들은 예를 들어 차량의 법적으로 허용된 로우 빔 헤드램프 방사 패턴들과 일치하는 강도 및 공간 패턴을 포함할 수 있다. 이미지 데이터에 오류가 있다고 결정되거나 그것이 적시에 수신되지 않은 경우, 이미지 데이터는 또한 대기 이미지들로 교체될 수 있다. 일부 실시예들에서, 대기 이미지를 대체하기 전에, 이미지 프레임은 결정된 횟수로부터 반복될 수 있다.
동작에서, 이미지들 내의 픽셀들은 픽셀 모듈(430)에서 대응하는 LED 픽셀들의 응답을 정의하기 위해 사용되고, LED 픽셀들의 강도 및 공간 변조는 이미지(들)에 기초한다. 데이터 레이트 문제들을 감소시키기 위해, 일부 실시예들에서 픽셀들의 그룹들(예를 들어, 5×5 블록)이 단일 블록들로서 제어될 수 있다. 높은 속도 및 높은 데이터 레이트 동작이 지원되는데, 연속 이미지들로부터의 픽셀 값들은 30Hz 내지 100Hz의 레이트로 이미지 시퀀스 내의 연속 프레임들로서 로딩될 수 있으며, 60Hz가 전형적이다. 펄스 폭 변조 모듈(418)과 관련하여, 픽셀 모듈 내의 각각의 픽셀은 이미지 프레임 버퍼(414)에 보유된 이미지에 적어도 부분적으로 의존하는 패턴 및 강도로 광을 방출하도록 동작될 수 있다.
일 실시예에서, 강도는 로직 및 제어 모듈(420) 및 펄스 폭 변조 모듈(418)을 사용하여 각각의 LED 픽셀에 대해 적절한 램프 시간 및 펄스 폭을 설정함으로써 개별적으로 제어 및 조절될 수 있다. 이는 전력 변동들을 감소시키고 다양한 픽셀 진단 기능을 제공하기 위한 LED 픽셀 활성화의 스테이징(staging)을 허용한다.
도 5는 LED 픽셀 어레이를 위한 마이크로컨트롤러 어셈블리(500)를 도시한다. 어셈블리(500)는 Vdd 및 Vss 핀들을 통해 로직 전력을 수신할 수 있다. 액티브 매트릭스는 복수의 VLED 및 Vcathode 핀에 의해 LED 어레이 제어를 위한 전력을 수신한다. 직렬 주변 인터페이스(Serial Peripheral Interface)(SPI)는 단일 마스터를 갖는 마스터-슬레이브 아키텍처를 사용하여 전-이중 모드 통신을 제공할 수 있다. 마스터 디바이스는 판독 및 기입을 위한 프레임을 생성한다. 개별 슬레이브 선택(SS) 라인들로의 선택을 통해 복수의 슬레이브 디바이스가 지원된다. 입력 핀들은 마스터 출력 슬레이브 입력(Master Output Slave Input)(MOSI), 마스터 입력 슬레이브 출력(Master Input Slave Output)(MISO), 칩 선택(chip select)(SC) 및 클럭(CLK)을 포함할 수 있고, 이들 모두는 SPI 인터페이스에 연결된다.
일 실시예에서, SPI 프레임은 2개의 정지 비트(둘 다 "0"), 10개의 데이터 비트, MSB 우선, 3개의 CRC 비트(x3 + x + 1), 시작 111b 및 타겟 000b를 포함한다. 타이밍은 SafeSPI "인-프레임(in-frame)" 표준에 따라 설정될 수 있다.
MOSI 필드 데이터는 다음과 같을 수 있다:
프레임 0: 헤더
프레임 1/2: 시작 열 어드레스 [SCOL]
프레임 3/4: 시작 행 어드레스 [SROW]
프레임 5/6: 열 수 [NCOL]
프레임 7/8: 행 수 [NROW]
프레임 9: 강도 픽셀 [SCOL, SROW]
프레임 10: 강도 픽셀 [SCOL + 1, SROW]
프레임 9 + NCOL: 강도 픽셀 [SCOL + NCOL, SROW]
프레임 9 + NCOL + 1: 강도 픽셀 [SCOL, SROW + 1]
프레임 9 + NCOL + NROW: 강도 픽셀 [SCOL + NCOL, SROW + NROW]
MISO 필드 데이터는 프레임 메모리의 루프백을 포함할 수 있다.
60Hz(초당 60개의 전체 프레임)의 필드 리프레시 레이트가 지원되며, 적어도 10Mbps, 전형적으로 15 - 20Mbps 사이의 비트 레이트도 지원된다.
SPI 인터페이스는 어드레스 생성기, 프레임 버퍼, 및 대기 프레임 버퍼에 연결된다. 픽셀들은 커맨드 및 제어 모듈에 의해 (예를 들어, 프레임 버퍼에 입력하기 전의 전력 게이팅을 통해, 또는 펄스 폭 변조 또는 전력 게이팅을 통해 프레임 버퍼로부터 출력한 후) 수정된 매개변수 세트 및 신호들 또는 전력을 가질 수 있다. SPI 인터페이스는 어드레스 생성 모듈에 연결될 수 있고, 그것은 결국 행 및 어드레스 정보를 액티브 매트릭스에 제공한다. 어드레스 생성기 모듈은 결국 프레임 버퍼 어드레스를 프레임 버퍼에 제공할 수 있다.
커맨드 및 제어 모듈은 I2C(Inter-Integrated Circuit) 직렬 버스를 통해 외부적으로 제어될 수 있다. 7-비트 어드레싱을 사용하는 클럭(SCL) 핀 및 데이터(SDA) 핀이 지원된다.
커맨드 및 제어 모듈은 디지털-아날로그 변환기(DAC), 및 2개의 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함한다. 이들은 각각, 연결된 액티브 매트릭스에 대한 Vbias를 설정하고, 최대 Vf를 결정하는 것을 돕고, 시스템 온도를 결정하기 위해 사용된다. 또한, 액티브 매트릭스에 대한 펄스 폭 변조 발진(PWMOSC) 주파수를 설정하기 위해 발진기(OSC)가 연결된다. 진단, 교정, 또는 테스트 목적으로 액티브 매트릭스 내의 개별 픽셀들 또는 픽셀 블록들의 어드레스를 허용하는 바이패스 라인도 존재한다.
일 실시예에서, 커맨드 및 제어 모듈은 이하의 입력들 및 출력들을 제공할 수 있다.
CMOS 칩에 대한 입력:
VBIAS: LDO에 대한 전압 바이어스를 설정.
GET_WORD [...]: CMOS로부터의 출력을 요청.
TEST_M1: 픽셀 테스트 실행: 바이패스 모드의 LDO는 내부 1μA 소스를 사용하여 순차적으로 열들을 어드레싱한 다음, 행들을 어드레싱하고, VF를 출력함.
SPI를 통해 출력되는 Vf 값들.
TEST_M2: 픽셀 테스트 실행: 바이패스 모드의 LDO는 외부 I 소스를 사용하여, 순차적으로 열들을 어드레싱한 다음, 행들을 어드레싱하고, VF를 출력함.
SPI를 통해 출력되는 Vf 값들.
TEST_M3: 바이패스 모드의 LDO는 내부 1μA 소스를 사용하여 I2C를 통해 어드레싱하고, I2C를 통해 Vf를 출력함.
TEST_M4: 바이패스 모드의 LDO는 외부 I 소스를 사용하여 I2C를 통해 어드레싱하고, I2C를 통해 Vf를 출력함.
BUFFER_SWAP: 대기 버퍼로의/로부터의 스와핑.
COLUMN_NUM: 특정 행을 어드레싱.
ROW_NUM: 특정 열을 어드레싱.
CMOS 칩으로부터의 출력:
CW_PHIV_MIN, CW_PHIV_AVG, CW_PHIV_MAX: 공장 측정된 EOL 전역적 광속 데이터(global luminous flux data).
CW_VLED_MIN, CW_VLED_AVG, CW_VLED_MAX: 공장 측정된 EOL 전역적 순방향 전압 데이터.
CW_SERIALNO: 추적(traceability) 목적들을 위한 다이/CMOS 콤보 일련 번호.
TEMP_DIE: 다이 온도의 값.
VF: COLUMN_NUM 및 ROW_NUM으로 어드레싱될 때의 Vf 버스의 값.
BUFFER_STATUS: 어느 버퍼가 선택되는지를 나타냄.
마이크로컨트롤러 어셈블리(500)에 대한 다양한 교정 및 테스트 방법이 지원된다. 공장 교정 동안 모든 픽셀의 Vf가 측정될 수 있다. 액티브 영역의 최대, 최소 및 평균 Vf는 교정 프레임으로서 "버닝될(burned)" 수 있다. 최대 Vf 및 dVf/dT 교정 프레임들은 실제 VLED를 동적으로 결정하기 위해, 측정된 다이 온도와 함께 사용될 수 있다. 전형적으로, 3.0V-4.5V 사이의 VLED가 지원되며, 실제 값은 도 3에 대해 설명된 것과 같은 외부 DC/DC 변환기로의 피드백 루프에 의해 결정된다.
도 6a 및 도 6b는 각각 픽셀 제어 회로(600)의 일 실시예 및 연관된 타이밍 다이어그램(610)을 도시한다. 픽셀 제어 회로(600)는 바이패스 신호, 및 행 및 열 선택을 갖는 로직을 포함한다. PWN OSC 입력 및 데이터는 로직으로부터의 출력과 함께 생성기 내로 먼저 피드된 다음 PWM 내로 피드된다. 결국, PWM은 특정 픽셀의 활성화를 제어하는 듀티 사이클을 갖는다. 이는 도 6c의 픽셀 제어 회로(630)에 대한 이하의 설명과 관련하여 더 상세하게 설명된다. 모든 픽셀들의 공장 교정 Vf는 외부 전류 소스 및 LDO 바이패스 기능을 사용하여 1.0μA 및 1.0mA에서 측정될 수 있다.
이 동작은 회로(600)에 도시된 바와 같이 LED 픽셀이 로우 드롭아웃(low dropout)(LDO) 선형 레귤레이터에 의해 지원될 때 바이패스될 수 있다. 바이패스 동안, Vf는 내부 1μA 전류 소스 또는 VLED 상의 외부 전류 소스로 측정될 수 있다. 바이패스는 행 및 열 선택을 사용하여 픽셀 단위 동작으로서 행해질 수 있다. 유리하게는, 이 픽셀 바이패스 회로는 특정 픽셀이 올바르게 작동하고 있는지 또는 임의의 오류 상황이 발생했는지의 결정을 허용한다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 이미지 데이터 및 펄스 폭 변조 발진 클록 데이터는 펄스 폭 변조기에 의해 수신될 수 있다. 로직 모듈로부터의 입력에 기초하여, 펄스 시작, 램프 시간 및 펄스 지속시간/폭(듀티 사이클)을 포함한 게이트 타이밍이 픽셀 단위로 설정될 수 있다. 예를 들어, 듀티 사이클(δ)은 "판독" 시에 프레임 버퍼로부터 로딩될 수 있다. 8-비트 δ 해상도가 지원될 수 있다. 일 실시예에서, 펄스 리딩-에지 위상 쉬프트(pulse leading-edge phase shift)(
Figure 112021053760233-pct00001
)는 각각의 픽셀에 대해 상이하게 설정될 수 있다.
도 6c는 바이패스 회로를 지원하지 않는 픽셀 제어 회로(630)를 도시한다. 픽셀 제어 회로(630)는 행 및 열 선택을 갖는 로직을 포함한다. 로직으로부터의 출력은 생성기 내로 먼저 피드된 다음, PWM 내로 피드된다. 결국, PWM은 이하의 방식으로 추가 회로를 사용하여 특정 픽셀의 활성화를 제어하는 듀티 사이클을 갖는다. 세 개의 스위치 K1 내지 K3는 픽셀들 외부의 중앙 제어 블록으로부터 수신된 신호들에 의해 제어된다. 스위치 K3는 전류 소스 또는 LDO이고, 그것의 전류는 Vbias에 의해 제어된다. K2는 이미지 데이터에 의해 결정된 PWM 듀티 사이클에 기초하여 턴온 및 턴오프되는 PWM 스위치이다. 이 예에서, K2 및 K3은 P 채널 MOSFet이지만 임의의 다른 적절한 형태의 스위치일 수도 있다. 도 6c에서, PWM 신호는 K2의 게이트에 연결되고, K2의 드레인 노드는 K3의 게이트에 연결된다. 결과적으로, PWM 신호가 하이일 때 K2는 오프이고 K3은 온이므로, LED가 온이고 전류는 Vbias 전압에 의해 결정된다. PWM가 로우일 때, K2가 온이고, K3 게이트를 하이로 하여 그것을 턴오프하므로, LED는 오프이다.
스위치 K1은 행 선택 및 열 선택 신호에 기초하여 턴온 및 턴오프된다. K1은 특정 픽셀의 행 및 열이 선택될 때만 턴온될 것이고, 그렇지 않으면 오프로 머물 것이다. K1이 턴온될 때, 그것의 임피던스는 로우로 되고, 해당 픽셀의 애노드 또는 Va 노드에서의 LED 순방향 전압이 Vf 버스에 나타날 것이다. Vf 버스의 임피던스는 턴온 상태에서 K1의 임피던스보다 훨씬 더 높으므로, Vf 전압은 Va 노드 전압과 동일할 것이다. 회로 또는 LED에서 오류 상황이 발생할 때, LED 순방향 전압은 정상 값으로부터 벗어날 수 있다. 따라서, Vf 전압은 도 6a에 대해 개시된 것과 같은 특정 픽셀 바이패스 회로를 필요로 하지 않고서, 픽셀이 올바르게 작동하고 있는지 또는 임의의 오류 상황이 발생했는지를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 실시간 또는 "온-더-플라이(on-the-fly)" 검출이 실현될 수 있고, 그에 의해 동작 동안 픽셀 상태가 모니터링되고 보고될 수 있다.
Vf 버스는 모든 픽셀에 대한 공유 노드이기 때문에, K1 스위치는 한 번에 하나의 픽셀에 대해서만 턴온될 수 있다. 오류 상황들을 검출하기 위한 최상의 시기는 픽셀이 PWM에 의해 턴온될 때이다. 바람직하게는, 애플리케이션 이미지에 의해 정의된 PWM 값들이 테스트를 위해 사용될 수 있지만, 특수한 테스트 이미지들도 옵션이 될 수 있다. 픽셀이 턴오프될 때, 검출은 턴온인 동안보다 더 제한적인 레벨에서이긴 하지만 여전히 행해질 수 있다.
PWM에 대한 K1 스위칭 제어는 유연할 수 있다. 검출 요건들에 따라, K1 주파수는 PWM 주파수보다 높거나 낮을 수 있다. 분명히, K1 주파수가 높을수록 검출이 더 빨라지고, 즉 시간 범위 내에서 더 많은 픽셀이 테스트될 수 있다. 예를 들어, PWM 주파수가 500Hz인 경우, 500Hz의 K1 주파수로는 하나의 PWM 주기 또는 2ms 동안 단 하나의 픽셀만이 테스트될 수 있는 반면, 5000Hz의 K1 주파수로는 2ms 동안 10개의 픽셀이 테스트될 수 있다. 더욱이, 2개의 주파수는 동기 또는 비동기일 수 있다.
도 6d는 픽셀 제어 회로에 대한 예시적인 제어 방식을 도시한다. 이 실시예에서, K1 주파수는 턴온이 동기화된 PWM 주파수에 가깝게 설정된다. 이 예는 3개의 픽셀만을 보여주지만, 그것은 픽셀들의 전체 행렬 어레이에 유사한 방식으로 확장될 수 있음에 유의해야 한다. 각각의 픽셀에 대해, 다이어그램은 PWM 신호 전압, Va 노드 전압, 및 K1 제어 전압을 보여준다. 정상 픽셀에 대해, Va 노드 전압은 PMM 신호가 하이일 때는 하이이고 PWM이 로우일 때는 로우이다. 마찬가지로, K1은 K1 제어 전압이 하이일 때 턴온되고 제어 전압이 로우일 때 턴오프된다. 회로 설계에 따라, PWM과 K1의 제어 위상은 반대일 수 있는데, 즉 로우일 때는 각각의 스위치를 턴온하고 하이일 때는 각각의 스위치를 턴오프한다.
픽셀 1의 동작은 다음과 같이 진행된다:
t1 ~ t4: PWM 전압이 하이이다. 픽셀이 턴온되고 Va 노드가 하이이다. 한편, K1 제어 전압은 또한 t1에서 하이이며 PWM의 턴온과 동기화된다. K1 제어 전압은 픽셀 2와 3에 대해 로우로 유지된다. 픽셀 1의 K1이 턴온되고 Vf 버스 상에 Va 노드 전압이 나타나므로, 이 때 Vf 버스 전압은 픽셀 1의 Va 전압과 동일하다. K1의 턴오프 순간인 t3는 PWM의 턴오프 순간인 t4보다 이르므로, 픽셀이 턴오프되기 전에 픽셀 테스트가 완료될 수 있다.
픽셀 2의 동작은 다음과 같이 진행된다:
t2에서: PWM이 하이이고 픽셀이 턴온된다. t1과 t2 사이의 약간의 지연은 위상 시프트이다. 이 때, 픽셀 1의 K1은 여전히 온 상태이므로, 픽셀 2의 K1 제어 전압은 로우이고 픽셀 2는 이 PWM 사이클 동안 테스트되지 않는다.
t5 ~ t7: PWM이 하이이고 픽셀이 두번째로 다시 턴온된다. K1 제어 전압은 t5의 턴온 순간에 픽셀 2와 동기화되고 t6까지 온으로 머문다. K1 제어 전압은 다른 두 개의 픽셀에 대해 로우로 유지된다. 따라서, Vf 버스 전압은 픽셀 2의 Va 노드 전압을 반영한다. 이 예에서, 주기 또는 사이클 시간의 백분율로 표시되는 전도(conduction) 또는 온(on) 시간인 픽셀 2의 PWM 듀티 사이클은 픽셀 1의 듀티 사이클보다 크다. 픽셀 2의 Va 전압은 턴온될 때 픽셀 1의 전압보다 낮다.
픽셀 3의 동작은 다음과 같이 진행된다:
PWM은 항상 로우이다. 픽셀은 오프로 머물고 Va 노드 전압은 로우이다.
t8 ~ t9: K1 제어 전압은 픽셀 3에 대해 하이이고 다른 두 개의 픽셀에 대해서는 로우이다. 결과적으로, 이 때 Vf 버스 전압은 픽셀 3의 로우 Va 전압을 나타낸다. Va 노드 전압 관계는 다음과 같다:
도 7은 LDO 바이패스를 지원하는 액티브 매트릭스 어레이의 블록도(600)를 더 상세하게 도시한다. 행 및 열 선택은 데이터 라인, 바이패스 라인, PWMOSC 라인, Vbias 라인 및 Vf 라인으로 공급되는 개별 픽셀들을 어드레싱하기 위해 사용된다. 게이트 및 펄스 폭 변조기 발진기(PWMOSC)의 타이밍 및 활성화가 도 6b와 관련하여 도시된다. 이해되는 바와 같이, 특정 실시예들에서 LDO 바이패스는 요구되지 않으며, 픽셀 테스트는 도 6c 및 도 6d와 관련하여 설명된 회로 및/또는 제어 방식들을 사용하여 진행될 수 있다.
위의 설명들 및 연관된 도면들에 제시된 교시들의 혜택을 받는 기술분야의 통상의 기술자들에게 본 발명의 많은 수정들 및 다른 실시예들이 떠오를 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예들에 제한되지 않으며, 수정들 및 실시예들은 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함되도록 의도된 것으로 이해된다. 본 발명의 다른 실시예들은 본 명세서에 구체적으로 개시되지 않은 요소/단계 없이 실시될 수 있음이 또한 이해된다.

Claims (31)

  1. 발광 다이오드(LED) 컨트롤러로서,
    상기 LED 컨트롤러를 외부 데이터 버스에 연결하도록 구성된 직렬 인터페이스;
    상기 직렬 인터페이스에 연결되고, LED 픽셀 어레이에 연결되도록 구성된 어드레스 생성기;
    이미지 데이터를 수신하기 위해 상기 직렬 인터페이스에 연결되고, 이미지 프레임 버퍼 어드레스를 수신하기 위해 상기 어드레스 생성기에 더 연결된 이미지 프레임 버퍼;
    상기 직렬 인터페이스에 연결되는 커맨드 및 제어 모듈 - 상기 커맨드 및 제어 모듈은 상기 이미지 프레임 버퍼로부터의 출력 신호들을 수정하도록 구성됨 - ; 및
    상기 커맨드 및 제어 모듈에 연결된 교정 데이터 저장 모듈 - 상기 교정 데이터 저장 모듈은 상기 LED 픽셀 어레이 내의 픽셀들의 픽셀 전압 응답들에 관련된 교정 데이터를 저장하도록 구성됨 -
    을 포함하는, LED 컨트롤러.
  2. 제1항에 있어서, 디폴트 이미지를 보유하기 위해 상기 이미지 프레임 버퍼에 연결된 대기 이미지 버퍼(standby image buffer)를 더 포함하는, LED 컨트롤러.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이미지 프레임 버퍼와 상기 LED 픽셀 어레이 사이에 연결된 펄스 폭 변조기를 더 포함하는, LED 컨트롤러.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이미지 프레임 버퍼는 보유된 이미지들을 60Hz 이상의 속도로 리프레시할 수 있는, LED 컨트롤러.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 커맨드 및 제어 모듈은 온도 데이터를 수신하는 아날로그-디지털 변환기에 연결되는, LED 컨트롤러.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 커맨드 및 제어 모듈은 순방향 전압(Vf) 데이터를 수신하는 아날로그-디지털 변환기에 연결되는, LED 컨트롤러.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 커맨드 및 제어 모듈은 설정된 전압 바이어스(Vbias) 데이터를 수신하는 디지털-아날로그 변환기에 연결되는, LED 컨트롤러.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 커맨드 및 제어 모듈은 외부 제어 신호들을 제공하는 제2 인터페이스에 연결되는, LED 컨트롤러.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 커맨드 및 제어 모듈은 개별 픽셀 어드레싱을 허용하기 위해 상기 LED 픽셀 어레이에 연결된 바이패스 라인을 포함하는, LED 컨트롤러.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이미지 프레임 버퍼 내의 이미지들은 부분적으로 리프레시될 수 있는, LED 컨트롤러.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이미지 프레임 버퍼 내의 이미지들은 차등적으로 리프레시될 수 있는, LED 컨트롤러.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이미지 프레임 버퍼 내의 이미지들은 상기 커맨드 및 제어 모듈에 의해 수정될 수 있는, LED 컨트롤러.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 LED 컨트롤러는 상기 LED 픽셀 어레이 상의 교정 절차를 수행하도록 구성되고, 상기 교정 절차는 상기 LED 픽셀 어레이 내의 각각의 픽셀의 순방향 전압(Vf)을 측정하는 것을 포함하는, LED 컨트롤러.
  14. 제13항에 있어서, 상기 교정 절차는 상기 LED 픽셀 어레이의 액티브 영역 내의 각각의 픽셀의 최소 Vf, 최대 Vf, 및 평균 Vf를 측정하는 것을 포함하는, LED 컨트롤러.
  15. 제13항에 있어서, 상기 교정 절차는 Vf와 온도 사이의 관계를 측정하는 것을 더 포함하는, LED 컨트롤러.
  16. 발광 다이오드(LED) 어셈블리로서,
    LED 픽셀 어레이; 및
    LED 컨트롤러
    를 포함하고, 상기 LED 컨트롤러는:
    상기 LED 컨트롤러를 외부 데이터 버스에 연결하도록 구성된 직렬 인터페이스;
    상기 직렬 인터페이스에 연결되고, 상기 LED 픽셀 어레이에 연결된 어드레스 생성기;
    이미지 데이터를 수신하기 위해 상기 직렬 인터페이스에 연결되고, 이미지 프레임 버퍼 어드레스를 수신하기 위해 상기 어드레스 생성기에 더 연결된 이미지 프레임 버퍼;
    상기 직렬 인터페이스에 연결되는 커맨드 및 제어 모듈 - 상기 커맨드 및 제어 모듈은 상기 이미지 프레임 버퍼로부터의 출력 신호들을 수정하도록 구성됨 - ; 및
    상기 커맨드 및 제어 모듈에 연결된 교정 데이터 저장 모듈 - 상기 교정 데이터 저장 모듈은 상기 LED 픽셀 어레이 내의 픽셀들의 픽셀 전압 응답들에 관련된 교정 데이터를 저장함 -
    을 포함하는, LED 어셈블리.
  17. 제16항에 있어서, 상기 교정 데이터는 상기 LED 픽셀 어레이 내의 각각의 픽셀의 측정된 순방향 전압(Vf)을 포함하는, LED 어셈블리.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 교정 데이터는 상기 LED 픽셀 어레이의 액티브 영역 내의 각각의 픽셀에 대해 측정된 최소 Vf, 최대 Vf, 및 평균 Vf를 포함하는, LED 어셈블리.
  19. 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 교정 데이터는 Vf와 온도 사이의 관계를 설명하는 데이터를 더 포함하는, LED 어셈블리.
  20. 제16항 또는 제17항에 있어서, 디폴트 이미지를 보유하기 위해 상기 이미지 프레임 버퍼에 연결된 대기 이미지 버퍼를 더 포함하는, LED 어셈블리.
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