TWI552132B - 顯示裝置及其背光驅動方法 - Google Patents

Description

顯示裝置及其背光驅動方法

本發明是有關於一種顯示裝置，且特別是有關於一種具有發光二極體(Light-Emitting Diode,LED)背光源的顯示裝置及其背光源的驅動方法。

發光二極體具有使用壽命長、體積小、不易破裂、低熱量輸出以及低能量耗損等優點，已逐漸取代傳統的陰極射線顯示器而成為顯示器的主流。

近年來，顯示器的發展趨勢主要朝向多色彩以及高亮度的方向邁進。一般而言，為了得到全彩顯示畫面，背光模組通常會將紅、綠與藍三色可見光的發光二極體晶粒組裝在一起，使各種波長的可見光混合以獲得白光光源。然而，此一設計需要使用數量相對較多的發光二極體封裝結構，成本以及裝置體積也隨之增加。

目前已有一種由藍光發光二極體晶粒與摻雜紅色磷光材料所組成的發光二極體單元被提出，用以取代傳統多晶粒組 合的發光二極體單元。由於發光效率高，且單一顆發光二極體封裝結構就可以提供白光光源，有助於減少發光二極體封裝結構的使用數量及配置體積。

然而，使用紅色磷光材料的發光二極體單元雖能提高顯色度，但具有反應速度較慢的缺點，在動態狀況下會使液晶顯示器的影像會出現紅色拖影。尤其，在以區域調光(local dimming)技術調整發光區域的亮度，以突顯畫面對比度(contrast ratio)時，常會使影像的色度出現明顯變化；當利用背光掃描技術(scanning backlight method)來降低動態影像殘影時，紅色拖影也會影響動態影像的清晰程度，降低顯示品質。

因此，有需要提供一種先進的發光二極體背光模組及其應用，以改善習知技術所面臨的問題。

本發明的一個面向是有關於一種顯示裝置。此一顯示裝置包括背光模組以及顯示面板。背光模組包括至少一個包含紅色磷光材料的發光二極體單元。在一個畫面(frame)週期內發光二極體單元開啟至少二次，並至少持續第一開啟期間以及第二開啟期間，其中第二開啟期間小於第一開啟期間。顯示面板對應背光模組設置。

本發明的另一個面向是有關於一種顯示裝置的背光驅動方法，適用於驅動具有至少一個發光二極體單元的背光模 組。此一方法包括下述步驟：首先，根據影像資料計算發光二極體單元在一個畫面週期中所對應的佔空比(duty)和亮度，再根據佔空比和亮度來提供電流，在此一畫面週期內開啟發光二極體單元至少二次，並至少持續第一開啟期間以及第二開啟期間，其中第二開啟期間小於第一開啟期間。

根據上述，本發明的實施例是提供一種顯示裝置及其背光驅動方法。其中，顯示裝置包括具有至少一個發光二極體單元的背光模組、用來驅動此一背光模組的背光驅動模組以及接收背光模組所發出之光源的顯示面板。藉由背光驅動模組來調變電流，在一個畫面週期內，開啟並維持發光二極體單元的開啟狀態一段較久的主要開啟時間，來對顯示裝置進行區域調光，以減輕發光二極體單元中的紅色磷光材料因反應時間較長所產生的紅色拖影問題；在主要開啟時間之後，再短暫地開啟發光二極體單元至少一次，並結合背光掃描技術，以更進一步消除紅色拖影及動態影像殘影，增進動態影像的清晰程度和顯示品質。

100‧‧‧顯示裝置

101‧‧‧背光驅動模組

107‧‧‧時序控制單元

101b‧‧‧電源轉換電路

101c‧‧‧脈衝寬度調變單元

101c1‧‧‧控制電路

101c2‧‧‧平衡電路

102‧‧‧面板驅動單元

103‧‧‧背光模組

103a‧‧‧背光基板

104‧‧‧顯示面板

105‧‧‧電源供應單元

106‧‧‧發光二極體單元

106a‧‧‧藍光發光二極體晶粒

106b‧‧‧環氧樹脂封膠

106c‧‧‧紅色磷光材料

108‧‧‧背光控制訊號

402‧‧‧根據影像資料計算發光二極體單元在一個畫面週期內對應的佔空比、啟閉間隔和亮度

404‧‧‧根據佔空比、啟閉間隔和亮度來提供電流，在此一畫面週期內開啟/關閉發光二極體單元至少二次，並分別維持開啟狀態至少持續第一開啟期間以及第二開啟期間，其中第二開啟期間小於第一開啟期間

R‧‧‧紅光

G‧‧‧綠光

B‧‧‧藍光

S2‧‧‧開關元件

S3‧‧‧開關元件

S51‧‧‧曲線

S52‧‧‧曲線

S53‧‧‧曲線

S61‧‧‧曲線

S62‧‧‧曲線

S63‧‧‧曲線

S64‧‧‧曲線

S71‧‧‧曲線

VS‧‧‧影像資料

SPI‧‧‧時序控制單元輸出的訊號

D1‧‧‧主要開啟期間

D2‧‧‧關閉期間

D3‧‧‧較短的開啟期間

D4‧‧‧關閉期間

D5‧‧‧較短的開啟期間

D51‧‧‧佔空比

D52‧‧‧佔空比

D53‧‧‧佔空比

D61‧‧‧佔空比

D6‧‧‧關閉期間

D7‧‧‧較短的開啟期間

D8‧‧‧關閉期間

D9‧‧‧較短的開啟期間

D10‧‧‧關閉期間

P2‧‧‧關閉時間

PWM‧‧‧脈波寬度訊號

FB‧‧‧反饋訊號

T‧‧‧畫面週期

T+1‧‧‧下一個畫面週期

為了對本發明之上述實施例及其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：第1圖係根據本發明的一實施例所繪示的一種顯示裝置的系統方塊圖； 第2圖係根據本發明的一實施例所繪示的一種背光模組的部分結構剖面圖；第3圖係根據本發明的一實施例所繪示的各種白光發光二極體單元的光譜分析圖；第4圖係根據本發明的一實施例所繪示的背光驅動方法流程圖；第5圖係根據本發明的一實施例，以第4圖之方法驅動發光二極體單元進行區域調光所繪示的區域調光時序圖；第6圖係根據本發明的另一實施例，以第4圖之方法驅動發光二極體單元進行區域調光所繪示的區域調光時序圖；第7圖係根據本發明的另一實施例，繪示以第6圖之方法驅動發光二極體單元，並維持開啟狀態的佔空比實質為80%時的區域調光時序圖；以及第8圖係根據本發明的又一實施例繪示以第4圖之方法驅動發光二極體單元的驅動時序圖。

本發明是提供一種顯示裝置及其背光驅動方法，可以改善發光二極體單元因反應時間較長所產生的紅色拖影問題，並進一步消除動態影像殘影，增進動態影像的清晰程度和顯示品質。為了對本發明之上述實施例及其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式作詳細 說明。

但必須注意的是，這些特定的實施案例與方法，並非用以限定本發明。本發明仍可採用其他特徵、元件、方法及參數來加以實施。較佳實施例的提出，僅係用以例示本發明的技術特徵，並非用以限定本發明的申請專利範圍。該技術領域中具有通常知識者，將可根據以下說明書的描述，在不脫離本發明的精神範圍內，作均等的修飾與變化。在不同實施例與圖式之中，相同的元件，將以相同的元件符號加以表示。

第1圖係根據本發明的一實施例所繪示的一種顯示裝置100的系統方塊圖。如第1圖所繪示，顯示裝置100包括：時序控制單元107、背光驅動模組101、面板驅動單元102、背光模組103、顯示面板104以及電源供應單元105。其中，背光驅動模組101包括電源轉換電路101b及脈衝寬度調變(Plus width Modulation,PWM)單元101c。面板驅動單元102電性連接於時序控制單元107與顯示面板104之間。時序控制單元107經由脈衝寬度調變單元101c以及電源轉換電路101b與背光模組103電性連接。時序控制單元107、面板驅動單元102和電源轉換電路101b分別與電源供應單元105電性連接。

時序控制單元107接收複數個影像資料VS，並對影像資料VS進行運算處理，以控制面板驅動單元102和背光模組103等各個單元的操作。詳言之，時序控制單元107接收影像資料VS，經過運算處理後，透過脈衝寬度調變單元101c將影像資 料VS轉換成背光控制訊號108；再由電源轉換電路101b依據背光控制訊號108，調整背光模組103中對應於顯示面板104之每一發光區域(未繪示)的發光二極體單元106，以控制每一發光區域的發光亮度。面板驅動單元102則依據時序控制單元107所輸出的影像資料VS以及背光模組103所提供的光源，在顯示面板104進行影像顯示。

在本實施例之中，時序控制單元107可根據影像資料VS計算出每一發光二極體單元106在一個畫面週期內所對應的佔空比、啟閉間隔以及亮度，通過串列外設介面(Serial Peripheral Interface,SPI)輸出至脈衝寬度調變單元101c；再由脈衝寬度調變單元101c根據佔空比、啟閉間隔和亮度來決定電源轉換電路101b所應提供的電流脈波寬度；電源轉換電路101b則依據脈衝寬度調變單元101c所輸出的脈波寬度訊號PWM，來調整每一發光二極體單元106在一個畫面週期內的啟閉時間和電流強度，並以反饋訊號FB將執行狀況反饋給脈衝寬度調變單元101c。亦即是，透過利用脈波寬度調變的方式，控制發光二極體單元106在一個畫面週期內的、啟閉間隔、導通時間和電流強度來調整其所須之亮度以控制每一發光區域的發光亮度。

在本發明的一些實施例之中，顯示面板104可以是一種自身不發光，必須配合背光模組103提供光源來顯示畫面的顯示面板。例如液晶顯示面板(Liquid Crystal Display,LCD)、液晶反射式投影顯示面板(Liquid Crystal On Silicon,LCOS)或高分 子分散型液晶顯示面板(Non-homogeneous Polymer Dispersed Liquid Crystal Display,NPD-LCD)等。

背光模組103係利用複數個發光二極體單元106來當作發光源，用以提供顯示面板104影像顯示所需的光源。請參照第2圖，第2圖係根據本發明的一實施例所繪示的一種背光模組103的部分結構剖面圖。其中背光模組103包含至少一個位於背光基板103a上的發光二極體單元106。其中，發光二極體單元106係由至少一個藍光發光二極體晶粒106a、包覆藍光發光二極體晶粒106a的環氧樹脂封膠106b以及嵌埋在環氧樹脂封膠106b中並覆蓋於藍光發光二極體晶粒106a上的紅色磷光材料106c所構成。

在本發明的一些實施例之中，紅色磷光材料106c受到由藍光發光二極體晶粒106a所發出的藍光B激發，會釋放出紅光，發光二極體單元106中可再摻雜綠色螢光材料(未繪示)以發出綠光G，再與藍光B混合後即可獲得白光W。在本發明的另一些實施例之中，可使用黃色磷光材料，且黃色螢光材料受到由藍光發光二極體晶粒106a所發出的藍光B激發，會釋放出黃光(未繪示)，再與藍光混合亦可獲得白光W。在本實施例中，發光二極體單元106係紅、綠和藍三色混光的白光發光二極體單元106，較佳地，紅色磷光材料106c的發光波長範圍介於600奈米至750奈米之間。

請參照第3圖，第3圖係根據本發明的一實施例所 繪示的各種白光發光二極體單元的光譜分析圖。比較本發明之實施例所提供之紅、綠、藍三色混光的發光二極體單元106、多晶粒混光發光二極體單元以及黃藍二色混光的發光二極體單元的光譜後可發現：本發明實施例所提供的紅、綠、藍三色混光之白光發光二極體單元106在紅色可見光波長範圍中具有較明顯的波峰。這顯示：紅、綠、藍三色混光之白光發光二極體單元106的紅色光，色純度比多晶粒混光發光二極體單元及黃藍二色混光發光二極體單元高，具有提高顯示器100顯示亮度(brightness)與彩度(saturation)的優勢。

在進行顯示操作時，發光二極體單元106中紅色磷光材料106c所造成的紅色拖影的問題，則可藉由控制前述的背光驅動模組101來加以解決。請參照第4圖，第4圖係根據本發明一實施例所繪示的背光驅動方法流程圖。背光驅動模組101的驅動方法包括下述步驟：首先，根據影像資料VS計算發光二極體單元106一個畫面週期內所對應的佔空比、啟閉間隔和亮度(請參照步驟402)。接著再根據佔空比、啟閉間隔和亮度來提供電流，在此一畫面週期內開啟發光二極體單元106至少二次，並維持開啟狀態至少持續第一開啟期間以及第二開啟期間，其中第二開啟期間小於第一開啟期間，更詳細地說，第一開啟期間與第二開啟期間之間具有一第一關閉期間，且第一開啟期間和第二開啟期間的總和實質等於佔空比(請參照步驟404)。值得一提的是，於開啟期間內，顯示面板104與發光二極體單元106對應的發光區域會 因接收到光源而呈現影像。

請參照第5圖和第6圖，第5圖為習知的區域調光時序圖。第6圖係根據本發明的另一實施例以第4圖之方法驅動發光二極體單元106進行區域調光所繪示的區域調光時序圖。在第5圖和第6圖所繪示的實施例中，背光驅動模組101根據影像資料VS計算發光二極體單元106的佔空比和啟閉間隔之後，開啟/關閉發光二極體單元106。

在第5圖中，背光驅動模組101係在一個畫面週期T內，以固定電流或電壓開啟發光二極體單元106，在不同佔空比D51、D52和D53內維持開啟狀態，而改變發光二極體單元106在一個畫面週期T內所提供的亮度總合(由於在驅動時序圖中電壓與亮度呈正向關係。因此，為清楚說明起見，以下將直接以「亮度」進行說明)，對顯示面板104進行調光。其中，曲線S51、S52和S53分別代表採用不同佔空比D51、D52和D53進行調光時，施加於發光二極體單元106上的亮度與時間的關係。

在第6圖中，背光驅動模組101係在固定的佔空比D6中，藉由調變發光二極體單元106的導通電流強度，來改變顯示面板104的亮度。其中，曲線S61、S62、S63和S64分別代表採用不同導通電流強度進行調光時，發光二極體單元106的亮度與時間的關係。

比較第5圖和第6圖的差異可發現：習知技術中採用不同佔空比D51、D52和D53來對顯示面板104進行調光時， 隨著不同的佔空比，影像紅色拖影的程度也不同(如第5圖中圈選部分所繪示，由於發光波長範圍介於600~750奈米的紅色磷光材料106c反應時間為毫秒(ms)等級，當佔空比越大，背光模組關閉時，會產生延遲，造成紅色拖影現象越嚴重)，如此將使得後續難以補償此一不同程度的紅色拖影現象；若採用第6圖中固定佔空比，以調變發光二極體單元106的導通電流強度來進行區域調光，不但可以調整發光二極體單元106亮度，而且曲線S61、S62、S63和S64的拖影現象幾乎一致，因此可以在不使發光二極體單元106的紅色拖影問題惡化的情形下，達到調整顯示面板104的區域亮度、突顯畫面對比度以及節省耗電的目的，後續可搭配背光掃描技術來進行操作以改善紅色拖影。

因此，當時序控制單元107根據影像資料VS計算發光二極體單元106對應的佔空比、啟閉間隔和亮度之後，即透過脈衝寬度調變單元101c決定輸出電流的脈波寬度，並藉由電源轉換電路101b在一個畫面週期T內開啟/關閉發光二極體單元106二次以上。例如，在第一次開啟時，維持開啟狀態一段較長的主要開啟時間，並且在關閉一段時間之後，再短暫地開啟發光二極體單元106至少一次。

相較習知技術只由一個開關來控制發光二極體單元106的開關時序，本發明的實施例所使用的背光驅動模組101至少具有兩個可用來控制發光二極體單元106開啟/關閉的開關元件，以控制發光二極體單元106的開關時序，使發光二極體單元 106在一個畫面週期T內完成開啟/關閉至少二次的動作。

在本發明的一些實施例中，發光二極體單元106在一個畫面週期T內開啟的次數小於等於五次。而主要開啟時間和其他開啟時間的總合，即等於發光二極體單元106對應的佔空比。

例如，請參照第8圖，第8圖係根據本發明的又一實施例以第4圖之方法驅動發光二極體單元106所繪示的驅動時序圖。發光二極體單元106在一個畫面週期T中，維持一段主要開啟期間D1之後維持一段關閉期間D2，然後再開啟，並且維持一段較短的開啟期間D3，隨後又維持一段關閉期間D4，之後又再短暫開啟/關閉三次，且每一次開啟狀態都維持一段開啟期間D5、D7、D9後再關閉一段關閉期間D6、D8、D10，並在最後一次關閉期間D10之後進入下一個畫面週期T+1。

在本發明的實施例中，主要開啟期間D1會大於其他開啟期間D3和D5、D7、D9。在本發明的一些實施例中，較短的開啟期間D3、D5、D7和D9的總和小於主要開啟期間D1。在本發明的一些實施例中，主要開啟期間D1與畫面週期T的比例實質介於45%至50%之間。

值得注意的是，在本發明的一些實施例中，關閉期間D2較佳小於1.67毫秒(ms)。另外，本發明的實施例對於主要開啟期間D1以外的其他較短開啟期間D3、D5、D7和D9的長短，以及關閉期間D2以外的其他關閉期間D4、D6、D8和D10的長短並沒有特別的限制。因此，該技術領域中具有通常知識者，皆 可以依照顯示面板104的顯示需求進行調整，較佳地，開啟期間D3>D5>D7>D9，如此可具有較佳的紅影消除效果。另外，主要開啟期間D1之前也可以包含先經過一段延遲時間(未繪示)。

藉由時序控制單元先計算出一個畫面週期T中所需要的佔空比，再藉由脈波寬度的調控，在主要開啟期間D1之後，短暫地開啟發光二極體單元106至少一次(即較短的開啟期間D3、D5、D7和D9)，藉以進一步消除人眼對於紅色拖影的感受程度，可在消除動態影像殘影的同時解決發光二極體單元106中的紅色磷光材料106c因反應時間較久所產生的紅色拖影問題，原因在於在較短的開啟期間D3、D5、D7和D9中，紅色磷光材料106c因需要較多的反應時間而來不及反應，所以此時發光二極體單元106所產生的光色偏青，因而補償在主要開啟期間D1中所產生的紅色拖影問題，因此能增進顯示面板104動態影像的清晰程度和顯示品質。

根據上述，本發明的實施例是提供一種顯示裝置及其背光驅動方法。其中，顯示裝置包括具有至少一個發光二極體單元的背光模組、用來驅動此一背光模組的背光驅動模組以及對應背光模組設置的顯示面板。藉由背光驅動模組來調變電流，在一個畫面週期內，開啟並維持發光二極體單元的開啟狀態一段較久的主要開啟時間，來對顯示裝置進行區域調光，以減輕發光二極體單元因反應時間較長所產生的紅色拖影問題；並結合顯示器的背光掃描技術，在主要開啟時間之後，再短暫地開啟發光二極 體至少一次，以更進一步消除紅色拖影及動態影像殘影，增進動態影像的清晰程度和顯示品質。

在此需說明的是，以第6圖所述的實施例進行人因實驗，觀察人眼對於紅色拖尾的感受程度與佔空比D61之長度的相對關係時發現：發光二極體單元106維持開啟狀態的佔空比D61若小於75%以下，人眼對於紅色拖尾的感受程度相當明顯。但在佔空比D61約等於80%時，人眼對於紅色拖尾的感受程度則相當細微(如第7圖所繪示的曲線S71)。當佔空比D61超過85%時，人眼已不易辨識紅色拖尾的狀況。在佔空比D61等於95%時，已完全不會產生紅色拖尾的問題。

因此，採用調變發光二極體單元106的導通電流強度，來調整發光二極體單元106在佔空比D61中的背光亮度，並將維持開啟狀態的佔空比D61拉長，使佔空比D61實質大於80%的畫面週期T且小於100%的畫面週期T，可以在不改變一個畫面週期T內所預設的亮度總合的前提下，更進一步消除發光二極體單元106因反應時間較長所產生的紅色拖影問題。

值得注意的是，在第6圖和第7圖所述的實施例中，第二開啟期間為0，佔空比D61恆小於一個畫面週期T。例如在第7圖的實施例之中，較佳地，具有一關閉期間P2，且關閉期間P2實質小於1.67毫秒(millisecond,ms)(1*0.2/120HZ)。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何該技術領域中具有通常知識者，在不脫離本 發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧顯示裝置

101‧‧‧背光驅動模組

107‧‧‧時序控制單元

101b‧‧‧電源轉換電路

101c‧‧‧脈衝寬度調變單元

102‧‧‧面板驅動單元

103‧‧‧背光模組

104‧‧‧顯示面板

105‧‧‧電源供應單元

106‧‧‧發光二極體單元

108‧‧‧背光控制訊號

PWM‧‧‧脈波寬度訊號

FB‧‧‧反饋訊號

SPI‧‧‧時序控制單元輸出的訊號

VS‧‧‧影像資料

Claims (12)

1. 一種顯示裝置，包括：一背光模組，包括至少一發光二極體單元，該發光二極體單元包含一紅色磷光材料；其中，於一畫面週期內該發光二極體單元具有一第一開啟期間以及一第二開啟期間，其中該第二開啟期間小於該第一開啟期間；以及一顯示面板，對應該背光模組設置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之顯示裝置，其中該發光二極體單元在該畫面週期內開啟的次數小於等於五次。
3. 如申請專利範圍第2項所述之顯示裝置，更包括一個第三開啟期間、一第四開啟期間及一第五開啟期間；其中該第一開啟期間大於該第三開啟期間、該第四開啟期間及該第五開啟期間。
4. 如申請專利範圍第3項所述之顯示裝置，其中該第二開啟期間、該第三開啟期間、該第四開啟期間及該第五開啟期間的總和小於該第一開啟期間。
5. 如申請專利範圍第2項所述之顯示裝置，該第一開啟期間與該畫面週期的比例介於45%至50%之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之顯示裝置，其中該發光二極體單元包括：一藍光發光二極體晶粒，該紅色磷光材料覆蓋於該藍光發光二極體晶粒上，且該紅色磷光材料的反應時間為毫秒等級。
7. 如申請專利範圍第1項所述之顯示裝置，其中該第二開啟期間為0，且該第一開啟期間大於80%且小於100%的該畫面週期。
8. 如申請專利範圍第7項所述之顯示裝置，其中該畫面週期中至少關閉該發光二極體單元一次，且持續一關閉期間，該關閉期間小於1.25毫秒。
9. 如申請專利範圍第1項所述之顯示裝置，更包括：一時序控制單元，根據一影像資料計算該發光二極體單元對應的一佔空比(duty)；一背光驅動模組，驅動該背光模組且包括一脈衝寬度調變(Plus width Modulation,PWM)，根據該佔空比決定輸出電流的一脈波寬度；以及一電源轉換電路，根據該脈波寬度來提供電流，以開啟/關閉該發光二極體單元。
10. 一種顯示裝置的背光驅動方法，適用於驅動具有至少一發光二極體單元的一背光模組，包括：根據一影像資料計算該發光二極體單元在一畫面週期中所對應的一佔空比和一亮度；以及根據該佔空比和該亮度提供一電流，藉以在該畫面週期內開啟該發光二極體單元至少二次，並分別維持開啟狀態至少持續一第一開啟期間以及一第二開啟期間，其中該第二開啟期間小於該第一開啟期間。
11. 一種顯示裝置，包括：一背光模組，包括至少一發光二極體單元，該發光二極體單元包含一紅色磷光材料；其中，於一畫面週期內該發光二極體單元具有一第一開啟期間以及一第二開啟期間，其中該畫面週期中至少關閉該發光二極體單元一次，且持續一關閉期間，該關閉期間小於1.25毫秒；以及一顯示面板，對應該背光模組設置。
12. 如申請專利範圍第11項所述之顯示裝置，其中該發光二極體單元包括：一藍光發光二極體晶粒，該紅色磷光材料覆蓋於該藍光發光二極體晶粒上，且該紅色磷光材料的反應時間為毫秒等級。