具有环境光传感的显示装置的制作方法

专利名称：具有环境光传感的显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及显示装置，例如使用照明光源的显示装置，该显示装置 调制照明光源发出的光。
背景技术：
液晶显示器是这种类型的调制显示装置中最常见的例子，并且通常 包括中间夹有液晶材料的有源板和无源板。有源板包括晶体管开关装置 阵列，通常一个晶体管与显示器的每个像素相关。每个像素还与有源板 上的像素电极相关，向其输送信号用于控制各像素的亮度。环境光照水平对于用于调制光源的显示装置的性能具有很大的影响。人们已经认识到，通过使用光传感器的信息来修改显示器的操作， 可改善显示器的性能。例如，可根据能检测环境光照特性的光传感器的信息，调节显示器背光的强度，由此降低环境光照水平(light level)较 低时显示器的功耗，并且在环境光照水平较高时提供高质量的输出。可使用薄膜技术将所需的光传感器形成为有源板的一部分，并且这 是一种增加光传感器性能的方便方法，无需附加的处理步骤或单独部 件。光敏装置可以例如为薄膜晶体管、薄膜二极管、横向二极管或光敏 电阻。然而，在显示器利用光源进行照明(其可以为背光源或前光源) 的情形中，可能难以将光传感器与该光源光隔离。

图1中表示出该问题，图l表示一种显示系统，该显示系统具有显 示器IO、背光源12、光传感器14和用于操作显示器和背光源的控制电 路16。将信号从光传感器14输送给控制器16,从而控制器可根据检测 到的照度的改变而修改显示器和背光源的操作。处于显示器前部的环境光18和背光源12所产生的光20，对于传感 器14的输出信号是有贡献的。为了正确地调节显示器和背光源的操作， 必须区分来自这两个源的光。图2以简化的形式表示可将光传感器结合到显示器内的方法。在本 例中，显示器由两个玻璃基片24， 26与处于它们之间的液晶层28形成。将光传感器设置成在最靠近显示器背光源的下基片26上制造的光传感器元件30的阵列。来自显示器前部的环境光能穿过上基片24和液晶层 28，达到光传感器30。来自背光源的光也能穿过下基片26到达该传感器。例如通过在限定光传感器的薄膜层底部设置不透明层，可阻止背光 源发出的光到达光传感器的直接路径。不过，背光源发出的光将被反射 或者在显示器的基片内被引导，从而将通过间接路径仍然到达传感器。 箭头32表示出该间接光路径，而直接路径表示为34。为了完整起见，图2表示光掩模层36。众所周知，使用黑色掩模层 遮蔽未调制光能够通过的有源板区域并且遮蔽晶体管，因为晶体管的操 作性质与光有关。还表示出顶部偏振片38和底部偏振片40。黑色掩模 层具有允许环境光到达传感器30的开口。可设计另外的机械式遮蔽层，尽可能多地阻挡背光照明到达光传感 器，不过该方法增大了有源板的复杂度。可以将光传感器结合到显示像素中，或者可以在像素阵列的边缘处 设置更少数量的光传感器装置。发明内容根据本发明，提供了一种控制用于显示装置的照明源的方法，该显 示装置包括用于调制所述照明源提供的光的显示调制器，该方法包括-使用集成光传感器检测第 一 照明源和光传感器驱动条件下的光照 水平；-使用集成光传感器检测第二照明源和不同于第 一驱动条件的光传 感器驱动条件下的光照水平；-处理第一和第二检测出的光照水平，得出表示环境光照水平的第 一值和表示照明源输出水平的第二值；以及画使用第一和第二值控制显示装置。对于已知的驱动条件，该方法使用至少两次光传感器测量得出有关 环境光照水平和照明源输出水平(output level)的信息。然后，能够在 考虑环境光照水平和考虑照明源输出特性的条件下控制照明源(或者显 示器的其他驱动参数)。该集成光传感器可包括使用与用于形成显示像素阵列的薄膜层相同的薄膜层形成的薄膜装置，并且可以将光传感器设置成光传感器元件 的阵列，在每个显示像素内结合一个光传感器元件。第 一驱动条件可以包括照明源的第 一输出强度，第二驱动条件包括 照明源的第二输出强度。通过利用两个输出电平操作照明源，可获得环 境光和照明源输出(通过求解两个联立方程)。第一输出强度可包括零， 即将照明源关断。当将照明源关断作为其中 一次测量时，这可通过对照明源的常规脉 宽调制控制来方便地进行定时。例如，可使用脉宽调制控制来控制照明 源以便提供所需输出电平，并且第一驱动条件可包括脉宽调制驱动方案 的零相位。代替关断条件作为其中 一个驱动条件，第 一输出强度可包括第 一非 零输出强度，第二输出强度包括第二非零输出强度。同样，两个联立方 程的解能够将环境分量与照明源分量分离。可以将第一驱动条件设定为开启显示装置。因而，可以在开始时进 行第一次测量，并且在显示装置正常使用期间进行第二次测量，照明源 不需要采用任何特殊驱动条件。代替使用照明源强度作为控制参数，第 一驱动条件可包括照明第一 时间周期，第二驱动条件包括照明第二时间周期，其中使用光传感器检 测整体光照水平。本发明还提供一种计算机程序编码装置，该计算机程 序编码装置适于当所述程序在计算机上运行时执行本发明方法的所有 步骤。本发明还提供一种显示装置，该显示装置包括 -照明源；-用于调制照明源产生的光的显示调制器；-用于检测光照水平的集成光传感器，该光照水平包括从照明源发出的光的一部分与环境光分量的组合；以及-处理器，用于处理从光传感器接收的信号，其中该处理器适于 处理表示第 一 照明源和光传感器驱动条件下的光照水平的第 一 光传感器输出，和表示第二照明源和不同于第 一驱动条件的光传感器驱动条件下的光照水平的第二光传感器输出，从而得出表示环境光照水平的第 一值和表示照明源输出水平的第二值。附图简要说明现在将参照附图详细描述本发明的示例，其中图1表示使用光检测控制背光输出水平的已知显示器的平面图，并且可控制该显示器来实现本发明的方法；图2表示使用集成光传感器的已知有源矩阵液晶显示器的剖面图， 并且该有源矩阵液晶显示器可应用于本发明的显示装置中；图3用于说明本发明的第一控制方法；图4用于说明本发明的第二控制方法；图5用于说明本发明的第三控制方法；以及图6用于说明本发明的第四控制方法。
具体实施方式
本发明提供了一种显示装置，其中协调光传感器的操作和显示照明 光源(诸如背光源)的操作，从而可区分传感器检测出的源于背光源的 光和光传感器检测出的源于显示器周围环境的光。这表明，不需要优化 实际显示器设计以减少背光照明到达光传感器的通过。从而，显示控制 器控制显示器的操作方法，并观察这种改变对于光传感器输出有影响的 效果。这提供了有关环境光和背光对于传感器输出信号的相对贡献的信 息。图3表示本发明方法的最简单的实施方式，其包括在步骤50将显 示照明源关断，以及在步骤52中测量环境照明的特性。随后，在步骤 54中接通显示照明源，在步骤56中进行第二次测量。在步骤58中进行 计算，得到有关显示器光源所产生的光的特性的信息，以及有关环境光 照水平的信息。在下面的描述(以及附图)中，为了清楚起见，照明源称为背光源， 不过，应当理解也存在前侧照明显示系统，并且本发明也适用于这样的 显示器。第一次测量52的输出Ml表示传感器对环境照明La的响应， 并且可表示为Ml=La Fa其中，Fa为反映环境光耦合到光传感器的效率以及传感器对该光的响应的函数。第二次测量56的输出M2表示传感器对环境照明La和从显示器背光源接收的照明Ld的响应。在此情形中，可将测量输出表示为 M2HLa Fa+Ld Fd其中，Fd为考虑显示器背光源的光耦合到环境光传感器以及传感器对该 光的响应的函数。通过简单地从第二次测量中减去第一次测量就可得到 光传感器对显示器背光的响应。 Ld Fd=M2-Ml因而，通过两次测量能测量环境光照水平并且评价显示器背光源性能。如果光测量的主要目的是检测照明条件随时间的改变，例如以补偿 显示器光源老化以及环境光条件，那么进行相对测量就足够了，不必知 道函数Fa和Fd。如果需要对显示器背光源光强度进行绝对测量，那么将需要校准测 量或者估计光耦合到传感器的效率，以便求出Fa和Fd的值。如果将显示器制造成具有足够的再现性，那么针对特定显示器设计 可进行单次校准测量或估计，并将得出的函数应用于所有相同设计的显 示器。或者，可以在制造时校准每个显示器，作为工厂中装配工序的一 部分。图3的方法需要一个在测量环境照明时关断背光源的周期。这会 由观看显示器的人看成显示亮度发生闪烁或者改变。不过，当工作于脉 沖方式时，可使对环境光强度的测量与背光源的操作同步，使脉冲频率 足够高，观察者不会查觉出显示器闪烁。这种脉宽调制是改变显示装置 中背光(或前光)输出的一种已知方法。然后，将环境光测量与切换背光同步，从而当显示器背光源被关断 时进行测量。在这种脉宽调制控制系统中，按照一定的频率切换背光，并且每个 周期期间在该周期的一部分时间内接通光源，然后在该周期的其余时间 内关断光源。通过改变背光源被接通的周期部分，可改变背光的平均强度。从而，在显示器背光源被关断的周期期间测量环境光(Ml )。在 显示器背光源被接通的周期期间进行第二次测量(M2),确定显示器的 光的特性。这就要求可以在显示器背光源被接通或关断的相对较短的时间周 期内进行光测量。可变的时间周期取决于操作频率。在脉宽调制ON周期或者在脉宽调制OFF周期内可能没有足够长的 时间执行光检测测量。图4表示一种可替换方法，其依赖于这样的事实， 即光传感器测量涉及到对传感器装置所产生的信号在一定时间周期上 的积分或者平均，该时间周期包括测量的持续时间。图4示出在步骤60中在一个时间周期上进行第一次测量(Ml ), 在该时间周期期间，背光源接通的时间为该测量周期的一部分，该部分 等于fl。然后在步骤62中，在一个时间周期上进行第二次测量(M2), 在该时间周期期间，背光源接通的时间为该测量周期的 一 个不同部分 f2。因此，两次测量具有背光源接通与关断的不同时间周期比率。可以将两次测量的结果表示成两个公式Ml=UFa+fl Ld FdM2=La Fa+f2 Ld Fd可按照如下方法由这两次测量确定环境光和显示器背光的贡献 La Fa=(M2 fl-Ml f2)/(fl-f2) Ld Fd=(Ml-M2)/(fl-f2;>通过改变切换背光和光传感器电路操作的相对定时，执行测量，可 得出fl和f2这两个值，从而将传感器装置的输出在显示器背光源具有 接通与关断时间周期的不同比率的时间周期上积分或者平均。可以在显 示器背光切换信号的几个周期内进行这些测量，不需要在非常短的时间 周期内进行光积分。接通与关断时间周期比率的改变(即分数的改变)，按照一种已知 方式改变了背光的相对贡献，可对分量进行估算。两次测量期间的接通 周期可以相同，并且如果两次测量的Off周期不同，也能抽取出所需信 息。这可以通过使两次测量具有不同的测量持续时间来实现。在此情形 中，在测量期间背光源的驱动条件改变(即测量期间On与Off时间的 比率发生改变)，不过背光源的总体驱动条件(驱动频率和脉宽)并不 改变。图5表示第三示例，其中通过将背光的强度改变很少的已知量，依 然能类似地区分背光和环境光对传感器输出的贡献。当背光源连续工作 而非通过^K沖方式工作时，可^f吏用该方法。然而，该方法也可以用于月永 沖背光源，在此情形中，改变强度的一种方法是改变脉沖宽度或者脉冲 频率。因此，光传感器电路必须提供表示一定时间周期内，例如在背光切换频率的若干周期内的平均照明的输出。因此，对于脉沖背光源，改 变背光源操作的时序以改变背光亮度，而不象上述示例中那样改变测量时序。以连续照明背光源为例，在第一次测量70中，显示器背光可以例 如具有强度Ld，并且在第二次测量72中，具有强度k丄d(近似等于Ld )。 两次测量的公式以及计算环境光和背光的贡献如下MlHLa Fa+Ld FdM2HLa Fa+kLd Fd 得出La Fa=(M2-kMl)/(l-k) Ld Fd=(Ml-M2)/(l-k;>为了提供环境光强度和显示照明强度随时间的测量序列，可反复地 改变背光的亮度。为了使亮度改变的可见性最小，可逐渐地改变或者分 若干步改变，而不是在一步中改变。可以在相对较长的时间周期内、按 照较低的频率进行改变，在此情形中，眼睛难以察觉出改变。不过，如 果第一次测量与第二次测量之间的周期太长，那么环境照明水平La可 以发生显著改变，这将导致不正确地估算LaFa和LdFd。或者，可在高于观察者能察觉出闪烁的频率的相对较高的频率进 行，在此情形中，可使背光强度的改变与显示器的扫描同步，以避免所 显示的图像中发生赝象。光电流可以在两个电容上积分，与背光亮度的改变同步地选择施加 光电流的电容。例如，可以每个行寻址周期切换亮度。如果显示器背光源的光输出随时间是相对较稳定的，那么可以不太 频繁地估算背光对传感器输出的贡献。这可以在每次接通显示器或者每次将背光源从不使用的状态切换 到使用状态时来进行。可以在刚好接通显示器背光源之前记录光传感器的输出，并且在接 通显示器背光源之后立即(或者在使显示器光源稳定了一定时间周期之 后)进行第二次测量。然后，可以确定并存储LdFd的值。之后，可以 考虑控制器实现的背光源操作的进一步变化，由传感器的输出确定环境照明7jC平。图6表示使用该方案的一种方法。开始时在步骤80关断背光源。10在步骤84中刚好在第一次接通背光源之前，测量82光照水平，得到值 MO。在步骤84中在显示器背光源被接通之后立即进行第二次测量86, 得到值M1。在计算步骤88中，如前所迷，通过这两次测量确定显示器背光的 LdFd U妻通时)=M1-M0随着时间的过去，控制器电路改变显示器背光源的操作，从而将照 明水平例如增加到首次接通时的值的150%,如步骤90所示。此时，在 步骤92中进行另外一次测量(M2),确定环境照明水平。由该测量结果，通过利用初始测量值以及所了解3 'j的背光强度随时 间的改变，消除背光的效果M2=LaFa+Ld*Fd 其中，Lf表示显示器背光的当前亮度。M2=LaFa+(150/100)LdFdM2=LaFa+150(M 1 -MO)/100 得出LaFa= 15 O(M 1掘)/100-M2在步骤94中进行这些计算。利用该方法，可通过单次测量确定显示器的环境照明，无需关断背光源。可使用图1和2中所示的显示器设计来实现本发明，并且本发明提 供了 一种通过控制器16控制背光源并进行计算的不同的控制方案。该集成光传感器包括使用与用于形成显示像素阵列相同的薄膜层 形成的薄膜装置，并且光传感器可以设置成光传感器元件的阵列，在每 个显示像素中集成一个光传感器元件。本发明可用来在LCD或其他具有背光或前光照明的光调制显示器 中实现环境光传感器，并且能使用有关环境光照水平和照明源性能的信 息来控制照明源。已经描述了多种可能的方法，不过显然可采用其他方法。可以在每个像素具有光传感器元件的情况下使用该方法并且将测量结果求平均。 不过，可使用数量更少的分立光传感器。如上所述，光传感器可采取多种形式，例如光电二极管或光电晶体管。可按照已知方式利用所得到的有关环境光照水平的信,^调节背光 源(或其他光源)输出，从而实现在暗环境光条件下节省功率，并在亮 环境光条件下保证良好的图像可见性。可按照显而易见的方式使用有关 背光源性能的信息，改变施加给背光源的控制信号，从而即便背光源的 传递函数随时间改变，也能获得所需的背光源输出。在上面的示例中，使用计算输出来控制显示器的照明源，不过可取 而代之或者另外用于控制显示器操作的其他方面，例如改变显示器的亮 度、对比度或伽马设置，或者刷新频率。为了清楚起见，按照由光传感器进行的两次独立测量以及用于计算 环境光和显示器光源的贡献的结果描述了所提出的方法。这样使公式简 单。实际上，最好使用多于两次测量的结果。这样做可减小噪声或者其 他测量误差的影响。一种执行所需计算的方法是通过计算机程序来实现的，不过可使用 模拟或数字电路实现相同的方法。在最简单的情形中，通过对从光传感装置得到的若干次测量的输出 积分，可以实现对测量结果的某种平均。可以在光传感器电路中进行该 积分，例如在选定测量周期期间将光电二极管的电流在电容上积累。针 对照明源的不同驱动条件，可使用分立的电容。例如，可使用分立的电 容，对在两个显示照明强度水平的每 一 个进行的测量期间的光电二极管 电流积分。从而，两个电容上形成的电压表示与每个照明强度水平相应的测量结果的和，从而可用于为图5的第三示例中给出的计算提供输入。还可以使用以不同照明源驱动条件下随时间采样的 一 系列或 一 组 测量值作为输入的更复杂计算，例如通过使用滤波技术来提高光强度值 的计算质量。例如，通过使用照明源强度的较小变化，可实现性能的改进，所述较小变化可通过对噪声的更低敏感性实现。在上面的示例中，在两次测量之间改变光源输出。不过，作为替换 可以改变测量参数。例如，在上面的示例中，背光源的驱动条件不发生 改变，其中该背光源工作于具有接通和关断周期的脉沖模式中，并且频 率保持恒定。取而代之，改变测量时序。例如，可以将测量时间周期期 间接通和关断背光源的时间设置成不同。这可通过改变测量定时实现，例如通过改变光电二极管电流积分的时间周期而实现，/人而对于两次测 量的每一次来说，在测量周期期间背光的平均亮度存在差异。然后，可 使用与上述第二示例中相同的公式来计算环境光照水平和背光水平。如果两次测量的持续时间不同，则考虑到不同的积分周期，必须将 两次测量的输出进行缩放，并据此修改第二示例中的公式。如上所述，对于脉沖照明源输出的给定脉沖宽度，可通过调节脉冲 宽度或脉沖频率来改变背光源的亮度。有多种提供至少两个光传感器测 量的其他方法，可由此得出与环境光和照明源性能有关的信息。本发明可应用于具有照明源的其他显示器类型，例如透射反射式显 示器。本领域技术人员显然可想到多种变型。
权利要求
1.一种控制用于显示装置的照明源的方法，该显示装置包括用于调制所述照明源提供的光的显示调制器，该方法包括-使用集成光传感器检测第一照明源和光传感器驱动条件下的光照水平；-使用集成光传感器检测第二照明源和不同于第一驱动条件的光传感器驱动条件下的光照水平；-处理第一和第二检测出的光照水平，得出表示环境光照水平的第一值和表示照明源输出水平的第二值；以及-使用第一和第二值控制显示装置。
2. 如权利要求1所述的方法，其中控制显示装置包括控制所述照明源。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其中所述照明源和光传感器驱动 条件包括照明源驱动条件。
4. 如权利要求3所述的方法，其中所述第一驱动条件包括第一输出 强度，所述第二驱动条件包括第二输出强度。
5. 如权利要求4所述的方法，其中第一输出强度包括将照明源关断 时的零强度。
6. 如权利要求5所述的方法，其中使用脉宽调制控制来控制所述照 明源以便提供所需的输出水平，并且其中所述第 一驱动条件包括脉宽调 制驱动方案中的零相位。
7. 如权利要求4所述的方法，其中所述第一输出强度包括第一非零 输出强度(Ld),第二输出强度包括第二非零输出强度。
8. 如权利要求7所述的方法，其中将所述第一驱动条件设定为接通 显示装置。
9. 如权利要求1或2所述的方法，其中所述照明源和光传感器驱动 条件包括针对给定照明源输出的光传感器驱动条件。
10. 如权利要求1或2所述的方法，其中所述第一驱动条件包括照 明第一时间周期，第二驱动条件包括照明第二时间周期，并且其中使用 光传感器检测积分后的光照水平。
11. 如权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一驱动条件包括 利用照明源照明和非照明间的第 一 占空比操作光传感器，第二驱动条件包括利用照明源照明和非照明间的第二占空比操作光传感器。
12. —种计算机程序，包括当在计算机上运行所述程序时适于执行权利要求1到11其中任何一个所述的所有步骤的计算机程序编码装置。
13. 计算机可读介质上包含的如权利要求12所述的计算机程序。
14. 一种显示装置，包括 -照明源；-用于调制照明源产生的光的显示调制器；-用于检测光照水平的集成光传感器，该光照水平包括从照明源发出的光的一部分与环境光分量的组合；以及-处理器，用于处理从光传感器接收的信号，其中该处理器适于 处理表示第 一 照明源和光传感器驱动条件下的光照水平的第 一 光传感器输出和表示第二照明源和不同于第 一 驱动条件的光传感器驱动条件下的光照水平的第二光传感器输出，从而得出表示环境光照水平的第 一值和表示照明源输出水平的第二值。
全文摘要
一种控制用于显示装置的照明源的方法，包括使用集成光传感器(14)检测当利用第一驱动条件驱动照明源(12)和光传感器时的光照水平，以及使用集成光传感器检测当利用不同于第一驱动条件的第二驱动条件驱动照明源(12)和光传感器时的光照水平。对于第一和第二检测出的光照水平进行处理，得出表示环境光照水平的第一值和表示照明源输出水平的第二值。该方法使用至少两次光传感器测量，对于已知驱动条件得出有关环境光照水平和照明源输出水平二者的信息。然后，这允许考虑环境光照水平和照明源的输出特性来控制显示装置。
文档编号G09G3/34GK101331532SQ200680046940
公开日2008年12月24日 申请日期2006年11月24日 优先权日2005年12月13日
发明者J·R·A·艾雷斯, M·J·爱德华兹 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司