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TWI285731B - LED backlight luminance sensing for LCDs - Google Patents

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TWI285731B
TWI285731B TW091120445A TW91120445A TWI285731B TW I285731 B TWI285731 B TW I285731B TW 091120445 A TW091120445 A TW 091120445A TW 91120445 A TW91120445 A TW 91120445A TW I285731 B TWI285731 B TW I285731B
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TW
Taiwan
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led
sampling
light
string
leds
Prior art date
Application number
TW091120445A
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English (en)
Inventor
Joseph H Ruby
Alan S Feldman
Original Assignee
Honeywell Int Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Honeywell Int Inc filed Critical Honeywell Int Inc
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Description

1285731 A7 _________Β7 五、發明説明（i ) 發明頌1 本發明與發光二極體(LED)有關，更具體一點，是與led亮 度感測有關。本發明對液晶顯示器（LCD)之led背光特別有 用。 發明背1 可透射LCD設備的照明由設備内部提供。在傳統的照明系 統中，將一個或多個光源，如白熾燈或熒光燈，放在顯示器 的背後’即作為該顯示器的背後照明。 用燈做照明的背光LCD會有多種問題。例如，白熾燈由於 局部的「熱點」會產生不均勻照明，從而降低顯示器的顯示 清晰度。此外，白熾燈運行費用高。熒光燈有助於控制能源 費用，然而，這些燈與白熾燈一樣會產生不均勻照明。 在背光系統中，光的亮度或強度應該保持穩定不變。在燈 光系統中’通常在背光腔内放置一光感測裝置，用以偵測系 統照明情況。在亮光環境中，該背光腔内的感測器可能對一 些光產生錯誤感測，使燈降低亮度。這種效應正是我們不期 望在該設備上出現的。要在亮光下精確觀察顯示器，顯示器 應該更亮，而不是更暗。 要克服與環境光有關的問題，一種嘗試是將光感測裝置 放置在背光腔之外。讓熒光燈的燈管延長，伸出背光腔，就 可以不受影響地監測亮度。雖然這種感測技術可能降低環 境光的影響，但燈的效率降低了，因為有一些光浪費掉，沒 有用於顯示器照明。而且，將感測器放置在燈管的端部附 近，感測器將靠近燈絲。燈絲會產生持續的紅外線輻射，很 _____ -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 1285731 A7 · ___B7 1、發明説明（2~) ' ' "~ 容易被感測器讀取，而偽造燈的Γ真實」亮度。 許多顯示器不提供亮度控制，完全是因為以前照明系統 不精確、費用和體積問題。例如，膝上型電腦、手機和掌上 计算裝置一瓜不包含顯示器亮度控制機制。用戶成為設備 外部環境的奴僕。也就是說，在室内清晰顯示的顯示器，通 常在室外就變得模糊不清。用戶只好另想辦法解決，例如手 放在顯示器上擋住光線。 在一些裝置中，可以通過手動控制顯示器的照明。例如， 當一部車開進隧道，駕駛員轉動一控制器，就可以手動調節 儀錶板上燈的亮度。在某些情況下，可能不允許手動控制照 明度。例如，在飛機的飛行員座艙中，有多個顯示器，它們 必須在所有的照明條件下都清晰可見。對於如此重要的資 訊’飛行員是不能操心用手動設置它們的顯示亮度。 最近，已經提出使用發光二極體（LED)提供LCD補充照明的 技術。這種方法使用一整個LED陣列代替一個照明燈。還有 LED側面照明配置和「直接觀察」的方法，前者請參閱美國 專利號5,046,829，後者請參閱美國專利申請序列號〇9/384，137 , 其係編入本文作為參考者。雖然LED背光系統可消除許多與 燈背光技術有朋的問題，保持穩定的照明和提供準確的亮 度感測技術仍然是個問題。雖然本‘137申請可滿足LED陣列 月?、明強度调卽的需求；然而由於使用大量的led，大量的獨 特光源對於獲取準確的光感測是一重大挑戰。 在理想情況下，感測到的從一 LED發出的光應該與用戶看 到的一致。然而，將一感測裝置直接放在光照中會擋住光到 — -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 1285731 A7 ___ —__B7 五、發明説明（ ） 3 顯示器的路，並在顯示器上產生Γ暗點」。另一種方法是將 感測裝置安裝在該腔内的邊側面板上，可防止擋住發射的 光。違方法容易讀取直接的光而發生錯誤，類似於上述的環 境問題。 因此，需要一種LED亮度感測技術。而且，需要的是一種 使LED背光的LCD能夠在環境照明不斷變化的條件下可靠工 作’並保持清晰可見的顯示党度的感測技術。 發明概要^ 本發明通過提供一種LED亮度感測系統，基本上不受感測 區以外的環境光的影響，克服了先前技藝的問題。依據本發 明的各種方面’該亮度感測系統偵測來自至少一採樣led的 光’對於監視和控制LED矩陣特別有用。 在本發明的第一方面中，一亮度感測系統包含至少一採 樣LED，其係取自單一LED_。一採樣室將該LED發射的大部 分光包容在内，室内有一光感測器對光進行偵測。 在本發明的第二方面中，一亮度感測系統包含多個採樣 LED，其係取自單一LED串。一採樣室將採樣led發射的大部 分光包容在内，室内有一光感測器對所有採樣LED的光進行 偵測。 在本發明的第三方面中，一亮度感測系統包含多個採樣 LED，其係取自等數量的串。一採樣室將採樣LE〇發射的 大部分光包容在内’室内有一光感測器對所有採樣led的光 進行偵測。 在本發明的第四方面中，一亮度感測系統包含多個採樣 -6 - 本紙張尺度適用中國國家樣準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1285731 A7 B7 五、發明説明（4 ) LED，其係取自少於採樣LED數之LEd串。一採樣室將採樣 LED發射的大部分光包容在内，室内有一光感測器對所有採 樣LED的光進行偵測。 在本發明的第五方面中，一亮度感測系統包含至少一採 樣LED，其係取自一LED串。該採樣LED發射的光由一光感測 器通過一光學通道「直接感測」。 在本發明的第六方面中，一亮度感測系統包含多串彩色 LED。從每種顏色串中選取至少一採樣LED。一採樣室將每 個採樣LED發射的大部分光包容在内，室内有一光感測器對 所有採樣LED的光進行偵測。可以給每種顏色的採樣LED配 一光感測器進行偵測。 在本發明的第七方面中，一亮度感測系統包含多串彩色 LED。從每種顏色串中選取至少一採樣LED 〇每個採樣LED發 射的光直接由一光感測器通過一光學通道感測。 在本發明的第八方面中，一亮度感測系統包含一回授控 制迴路。光讀數與要求的亮度位準比較，並依據該比較產生 電路命令。 依據本發明的多種方面中，有一亮度感測方法是對至少 一採樣LED的照度進行感測，並對複數個LED的光強度進行 相應的控制。 在一具體實施例中，一種依據本發明的亮度感測方法是 將至少一採樣LED的光包容在内，以防止環境光進入光採樣 區域，並偵測該採樣LED的反射光。 在另一具體實施例中，一種依據本發明的亮度感測方法 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 1285731
、發明説明（ 疋直接感測採樣led發射的光。 此外’還有一種依據本發明的感測方法是使用一回授控 制迴路’依據至少一採樣LED的照度調整一 led串之光強 度。 周式簡單說明 為更好瞭解本發明的這些和其他特性、方面和優點，可參 照以下的說明、申請專利範圍及附圖，其中： 圖1為一 LCD系統之示範LED光源圖解； 圖2-4和圖6為依據本發明之各種具體實施例的LED亮度感 測系統圖解；以及 圖5為依據本發明之一具體實施例的一示範回授控制迴路 圖解。 發明詳細說明 本發明&供一焭度感測系統和led應用技術。為方便起 見，將本發明描述為與LCD系統之led背光有關，其實本發 明不僅限於此。任何需要監視和控制光強度的LED應用都可 從本發明中受益。而且，本發明對於在飛行員座艙中使用 LCD面板的航空業特別有用。再次，本發明不僅限於此。一 般而,本發明可以很好地用於需要便宜的替代方法，進行 顯示器亮度感測的其他各種顯示器系統，例如汽車儀錶板 顯示器、醫學顯示器、股票交易顯示器、電視演播室製作及 軍用車輛顯示器等等。 圖1為一背光系統100之剖面視圖，該系統可用于諸如平面 LCD (液晶顯示器）系統(LCD未在圖中顯示）的背光照明。使用 _____ -8- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公董)— 1285731 A7 B7 五、發明説明（6 ) LED照明源之一適宜平面LCD在美國專利申請序列號09/384,137 中揭示，其係編入本文作為參考者。背光系統100包括任意 數量的LED (發光二極體）矩陣102。如圖所示，系統100包括一 10 X 12 LED矩陣102，然而，應當明白，該矩陣可以由任意數 量的LED組成。將上述LED包圍在一腔中，該腔最好是由壁 104連接形成，並可稱之為「背光腔」。壁104最好能塗上一層 具有高光發射性的塗料，例如高光澤白漆或白色高反射性 材料。雖然沒有在圖1中顯示出，應當明白的是，「側面背 光」或「邊緣背光」應用包含的LED可能在一個或多個壁104 上。 不管是表面安裝或穿孔安裝，LED都是由電流控制的裝 置，其中同一串之每個LED收到的電流一樣。通常，將LED以 串聯的形式「串接」，以節省能量及其它原因。可以在一應 用中使用多串LED，以提高照度，避免高電壓位準，同時在 LED故障時可以提高安全性，而且如需增強或增加顏色，還 可以容納多種顏色的LED。 圖2為一亮度感測系統200之圖解，其係依據本發明之一具 體實施例用於LED背光設計者。系統200包括至少一採樣LED 202，其係取自一 LED串208以及一採樣室204。採樣LED，即 LED 202之光發射主方向與串208之其他LED之光發射方向不 同。在本具體實施例中，將LED 202「穿過」一背面電極212， 從而將其光發射方向改變約180°。保持該串的電連接方式， 使採樣LED與該串之其餘LED收到的電流一樣。這樣，該採 樣LED與該串之其他LED的照度基本相同。因此，測量一串 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 1285731 A7 B7 五、發明説明（ ） 8 圖3為一亮度感測系統300之圖解，其係依據本發明之另一 具體實施例用於一 LED背光設計者。系統300包含多個採樣 LED 302，係取自單一 LED串308，以及一採樣室304。LED 302和 採樣室304 (包括光感測器310)分別與上述LED 202和採樣室204 類似，因此不再對它們的結構和功能進行完全重複。採樣 LED 302之光發射方向與該串其他LED不同，其方法與上述系 統200類似。然而，在本具體實施例中，單一光感測器310偵 測的反射光是來自不止一個採樣LED，如LED 302。這樣，可 以在回授控制迴路中對類比光讀數進行平均（如加上和除以 採樣LED的數量）。在某些情況下，平均照度可能比單一 LED 光感測器的讀數更令人滿意。例如，平均照度裝置能夠明察 LED故障或變暗之原因，而且可能更經濟，因其採樣室可以 使用更少的面積（單一光感測器可用於多個LED)。 圖4為一亮度感測系統400圖解，其係依據本發明之另一具 體實施例用於LED背光設計者。系統400包括多個採樣LED 401-403，係取自多個LED串以幻圖顯示），以及一採樣室404。 LED 401- 403和採樣室404 (包括光感測器410)分別與上述LED 202和採樣室204相似，因此，不再對它們的結構和功能進行 完全重複。然而，在本具體實施例中，單一光感測器410偵測 的採樣LED反射光取自不止一串LED。例如，第一串之至少 一採樣LED之光發射方向按上述方法改變，且第二串之至少 一採樣LED之光發射方向也改變，這樣所有的採樣LED都包 含在單一採樣室内，室内含有單一光感測器。採樣LED 401、 402和403分別來自不同的LED串，但都包含在同一採樣室404 _ 11 _ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 1285731 A7 B7 五、發明説明（ 之内，光感測器410偵測來自每個採樣LED之反射光。按類似 上述方法，回授控制迴路對多個採樣LED的類比讀數進行平 均。此技術可以明察各LED串之間之微小光照變化，係因送 往某一變暗串和LED的功率不同的緣故。此外，當發生整串 故障時，採樣室偵測到的光會減少，從而導致回授控制迴路 提高供應其他_之功率作為補償。 雖然沒有在圖解中明示，應當明白，本發明之另一具體實 施例可包括多個採樣LED，係取自少於採樣LED數的LED串。 例如’將系統300 (即多個採樣LED取自同一串）和系統400 (即 多個採樣LED取自不同串）組合起來，可以包含如三個採樣 LED，取自兩串。這樣，兩個採樣LED取自第一串，第三個採 樣LED取自第二串，而且所有採樣LED都包含在同一採樣室 内。單一光感測器偵測所有採樣LED的反射光，並將讀數轉 給回授控制迴路。應當清楚，提供以上範例僅為了進一步瞭 解當前具體實施例，並無限制之意。事實上，在本發明之精 神與範疇内，可以包括在本發明範圍之内還有許多種裝置， 這些裝置可以包含一個或多個採樣LED，取自同一或多個 串，實無法在此窮舉。 現在，請參閱圖5，係依據本發明之一示範回授控制電路 500之圖解。回授控制迴路之功能在電氣業已普遍為人知 曉。許多電路配置都可以為-裝置提供回授控制。提供控制 迴路絕對無限制之意，僅將它作為最優模式之―示範性 預期配置。 控制迴路500包含-加法器502、—積分器5〇4及轉換器5〇5和 12- 1285731 A7 B7 五、發明説明（1()) 506。在該具體實施例中，為加法器502提供一參考值或預定 命令。該命令可以是例如顯示器照度要求位準，並且可以由 一手動控制設置或處理手段產生。加法器502也從依據本發 明的光感測器上接收讀數。該加法器將該命令與讀數做適 當的比較。當該讀數比該命令高或低時，控制迴路對該LED 進行相應的功率補償。 在系統上，加法器502和積分器504可以是一元件或多元件 的組合，但在功能上，兩者是不同的。提供積分器504的目的 是避免不斷地「追逐」或改變功率位準。這兩個功能可以用 一運行放大器和一電容器來代替。還有其他各種元件之組 合，可以很好地代替加法器502和積分器504的工作，該加法 器和積分器在本發明範圍之内。 轉換器505和506分別將電壓適當地轉換成電流，以及將電 流轉換成電壓。眾所周知，LED是由電流控制的裝置，因此 使用轉換器為LED提供電流，並將從光感測器接收的電流轉 換成電壓。轉換器505和506可以包含任何適宜的裝置，該裝 置須具有按以上方式工作之能力，例如分別具有跨導和跨 阻抗放大器之功能。 圖6為一亮度感測系統600之圖解，其係依據本發明之另 一具體實施例用於LED背光設計者。系統600包含至少一採樣 LED 602，取自一 LED串608，該串與背面電極612和光感測器 610相連。除了系統600不包含一採樣室以及採樣LED的光發 射方向與所在串相同外，系統600基本上與上述系統200- 400 功能相同。LED能夠從幾乎每個表面上發射光；因此，採樣 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
裝 訂
k 1285731 A7 B7 五、發明説明（ LED能夠將光發射到將自己大部分圍住的採樣區域中，而且 一般僅受特意裝上的光擋板的限制。這樣就可以「直接感 測」採樣LED發射的光，而無須改變光發射方向。 在本具體實施例中，背面電極612上之一小孔徑609提供一 光學通道，將光從採樣LED 602導到光感測器610上。可以按 通常的方法，在背面電極上鑽孔製成孔徑609。孔徑609的大 小要相立’以防止5哀境光對採樣led的「真實」讀數產生干 擾，例如避免610偵測來自環境或周圍的光，該採樣LED的光 發射方向與所在串相同。這樣，該光感測器就可以「直接感 測」採樣LED發射的光，採樣光在偵測之前沒有被反射。 與系統200和400相似，系統600將每個採樣LED與一光感測 器相配。取自單一或多個LED串的多個採樣LED可以由與之 同數量的光感測器監控。例如，如果需要產生顏色，可以使 用多種顏色的LED。可以使用第一串為紅色的LED、第二串 為藍色的LED及第三串為綠色的LED (當然，一般每種顏色可 以含多串LED，以提供足夠的光強度）。可以使用上述任意技 術’如採樣室或直接感測，監控採樣led，其中不同色各串 至少取一採樣LED。然而，每個採樣LED(或多個採樣LED，這 是在一種顏色取不止一個採樣LED情況下）最好與一個光感 測器相配。可以將各個讀數加起來與「白色光」相比或分別 對它們進行分析，以便對某些顏色進行增強。 應該注意的是，當感測多色LED時，應在將光組合之前對 各個顏色的照度進行測量，以避免色滯後效應（例如不同頻 率的顏色，傳播速度不同）。在白色光分析中，這個因素會 -14-

Claims (1)

12857多I091120445號專利申請案 益 中文申請專利範圍替換本(％年1月） 六、申請專利範園
1.. 一種LED亮度感測系統，其包括： 一 LED串，其具有一採樣LED，將該串耦合到一電源以 / 使該事之每個LED接收到大體相同的電流，而且其中該 採樣LED發射光方向與該串之其餘LED不同； 一光感測器，其係配置以偵測該採樣LED發出的光； 一通過一孔徑之光學通道，其位於該採樣LED和該光 感測器之間，該光學通道係配置以防止非該採樣LED發 射光的進入；以及 一控制機制，其與該光感測器和該電源通訊，該控制 機制係配置以依據偵測到的該採樣LED光調整該串的電 流0 2·如申請專利範圍第1項之LED亮度感測系統，其中該光感 測器直接偵測該採樣LED的光。 3. 如申請專利範圍第1項之LED亮度感測系統，進一步包括 一採樣室，其圍住該採樣LED及該光感測器。 4. 如申請專利範圍第3項之LED亮度感測系統.，其中該光學 通道包括對該採樣LED直接感測的光和該採樣室内壁的 反射光。 5. 如申請專利範圍第1項之LED亮度感測系統，其中該控制 機制係配置成用以接收一參考點以及將該參考點與偵測 到的該採樣LED光相比較以決定是否增加或減少該串的 電流。 6·如申請專利範圍第1項之LED亮度感測系統，進一步包括 來自該串之第二採樣LED。 80566-960110.doc 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1285731 b? C8 D8 六、申請專利範圍 7·如申請專利範圍第1項之LED亮度感測系統，進一步包括 複數串LED，其中詨複數串中有一些串含有一採樣LED。 8. 如申請專利範圍第7項之LED亮度感測系統，其包括一紅 色LED串、一藍色LED串以及一綠色LED串。 9. 如申請專利範圍第8項之LED亮度感測系統，其包括來自 該紅色LED串之一採樣LED、來自該藍色LED串之一採樣 LED以及來自該綠色LED串之一採樣LED。 10· —種用於感測LED亮度的方法，該方法包括以下步驟： 提供複數個LED，其被串連以使每一 LED接收大體相同 的電流並發射大體相同強度的光； 形成一通過一孔徑之光學通道，其用以偵測來自至少 一 LED的光，該光學通道係配置成用以實質上防止非該 至少一LED光的進入； 對應於該複數個LED以改變該LED發射方向； 偵測該LED沿該光學通道發射的光；以及 回應該偵測步驟以調整該LED以及該複數個LED的強 度。 11·如申請範圍第10項之方法，其中該形成步驟包括用一採 樣室204將該LED圍住。 12. —種用於LCD系統400中之LED背光之亮度調整方法，該方 法包括以下步驟： 佈置一 LED陣列使其成為LCD面板的背光，該陣列包括 複數個LED串，各該串包括電氣連接在一起的複數個LED; 辨識來自該等串之一的一採樣LED ; 80566-960110.doc - 2 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 1285731 b 08 D8 六、申請專利範園 形成一通過一孔徑之光學通道的步驟，其用於偵測該 採樣LED之亮度，其中該形成步驟包括佈置該光學通道 以實質上防止非該採樣LED發射光的進入； 相對於該LED陣列以改變該採樣LED的發射方向； 偵測該採樣LED之亮度； 將該亮度與一參考值比較；以及 回應該比較步騾以調整該LCD系統之亮度。 13·如申請專利範圍第12項之方法，進一步包括在該第二串 中辨識一採樣LED的步驟。 14. 如申請專利範圍第13項之方法，進一步包括對該採樣LED 之亮度進行平均的步驟。 15. —種使用複數個LED照明之液晶顯示器，該顯示器包括： 一 LED裝置陣列，該陣列包括： 複數個個別LED裝置，其係串聯以形成串； 以及複數個該申，其係並聯以形成該陣列， 其中該LED裝置之一為一採樣LED，其係被組態成用以 沿著某一方向來發射光線，該方向是不同於該陣列之其 餘LED ; 一光感測裝置，其經由一孔徑與該採樣LED進行光學 通訊； 一控制電路，其被連接位於該光感測裝置和電源之間 ，該控制電路包含： 一命令輸入，其係調適成用以接收一命令； 一感測輸入，其係調適成用以從該光感測裝置接收 80566-960110.doc - 3 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) ·[ k 訂
ABCD 1285731 六、申請專利範圍 一亮度信號；以及 一加法器，其係調適成用以將該命令和該亮度信號 組合在一起；以及 一輸出，其與該電源供應耦合，其中該控制電路產 生一信號供給該電源供應以依據比較結果調整該陣列的 亮度。 16.如申請專利範圍第15項之顯示器，進一步包括一採樣室 ，其圍住該光感測裝置和該採樣LED。 17·如申請專利範圍第15項之顯示器，進一步包括該第二個 LED裝置，其被確認為第二個採樣LED。 18·如申請專利範圍第17項之顯示器，其中該第一及第二採 樣LED包括同一串。 19_如申請專利範圍第15項之顯示器，其中該第一採樣LED取 自第一串，而該第二採樣LED取自第二串。 20. —種L E D亮度感測系統，其包括： 一 LED安裝結構，其具有一第一侧及一第二側； 一串LED，其安裝在該LED安裝結構第一側並且耦合 於一電源，使得在該串中之每一個LED接收實質上相同 的電流，該串LED包括一採樣LED ; 一光感測器，其配置於該安裝結構第二側附近，該光 感測器被組態成用以偵測來自該採樣LED的光線； 一通過一孔徑之光學通道，其位於該採樣LED和該光 感測器之間，該光學通道係配置成用以防止非該採樣 LED發射光的進入；以及 80566-960110.doc - 4 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
8 8 8 8 A BCD 1285731 々、申請專利範園 一控制機制，其與該光感測器和該電源通訊，該控制 機制係配置成用以依據偵測到的該採樣LED光調整該串 的電流。 80566-960110.doc - 5 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐)
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