背光装置和集成此背光装置的液晶显示器的制作方法

专利名称：背光装置和集成此背光装置的液晶显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及液晶显示器(LCD)的背光，特别涉及一种提供背光给液 晶显示屏的背光装置以及一种控制液晶显示器屏幕亮度的方法。
背景技术：
液晶显示器(LCD)的显示屏不是一个自发光装置。施加到LCD显 示屏的电压可以改变显示屏里液晶元件(像素)的透光率(light tmnsmittance)。 LCD显示屏可以反光，使得可以通过周围的光反射而看到 显示屏上出现的图像。但对大尺寸或高对比度的LCD显示屏并不非常有 用。
在诸如电视、计算机显示器和手持式电子设备的应用里，LCD显示屏 是通过背光从后面进行照明。在大多数应用里，背光是一个均匀且恒定的 光输出，仅是通过改变显示屏内液晶元件的透光率，来控制显示图象的亮 度变化。为了在环境高强光的条件下获得良好的可视能力，背光必须有高 亮度能级。由此会产生许多缺点，包括高功耗、产生过热。恒定背光的另 一个缺点是当像素处于黑暗或关闭状态时，由于背光穿过LCD显示屏时 的漏光，导致LCD显示器的有限的动态对比度。这种漏光使黑暗区域显示 出灰色而不是实际的黑色。
一种意在改善LCD显示器动态范围的技术是依照视频图像的亮度动 态地调整整体背光亮度。如果图像相对比较明亮，那么背光控制使光源运 行至高亮度。如果图像比较暗，就调暗背光输出而减少漏光，并协助使图 像变暗。这种背光技术的一个优点是能够降低背光功耗。尽管此技术能够 提高LCD的对比度范围，并稍微节省背光功率，但可能导致图像失真，并 引起图像亮度波动。
最近，已经有尝试根据显示图像不同部分的亮度去动态 改变不同背 光区域的不同光强度。这种方法在美国专利文献2005/0231978和2006/0007103里有描述。
以上两个美国专利文献都描述了一种背光系统，背光包括被排列在 LCD显示屏后面的一个发光二极管(LED)阵列，LCD显示屏被分成两个 或多个分割区域。背光系统的一个控制器确定每个分割区域内显示图像的 峰值亮度，并根据所需亮度单独控制该分割区域后面的LED光强度。因此， 当一部分显示图像有较暗的颜色或较低的亮度级时，在该部分图像后面的 背光LED就有较低的光输出，而另一部分显示图像有浅色或较高亮度时， 相应的背光LED就有一个高亮度的光输出。
上述方法以及迄今实施的其它方法仍然有一些缺点，包括图像颜色失 真和亮度失真。
发明概述
本发明的一个目的是提供一种背光装置用来提供背光到一个液晶显示 屏以及一种控制液晶显示屏亮度的方法，其能够克服或缓解上述问题。
在此披露了权利要求1到10所述的一种背光装置，以及权利要求11 到23所述的一种液晶显示器装置和系统。
从以下的描述，本发明的其它方面将变得更加清楚。


现将通过范例并结合附图描述本发明的一个典型实施方式，其中 图1显示本发明一个LCD显示屏的一个背光装置； 图2是背光装置光学面板的分解结构示意图3a是使用本发明背光装置的LCD装置的模块图； 图3b是LED图像产生器的模块图；图4显示背光的光空间分布；
图5显示一个样本灰度图像，如一个视频信号的一个帧； 图6a-6c显示图5图像被分割成每种颜色(红、绿、蓝)的子图像组。 图7a-7c显示图6a-6c每个子图像组的背光亮度图案；和 图8显示图5图像的最终背光亮度图案。 典型实施例描述
现详细参照本发明的示范实施例，并结合附图描述其范例，其中在说 明书里相同的参照码表示相同的元件。
参照图1和3，显示本发明一种背光装置100的优选实施例，用来提 供背光到一个液晶显示器(LCD)屏200。此实施例的背光装置100包括 一个发光装置(LED)阵列101和一个控制单元，其安排调整提供背光到 LCD显示屏200。为了便于描述本发明，LCD显示屏200被分割成以虚线 202显示的MxN (其中M是列数而N是行数)个分割区域201。在所述实 施例里，显示有21个3列7行的分割区域。这并不是限制本发明的使用范 围或功能，可以有更多或更少的分割区域，并且分割区域不限于是矩形， 且分割区域也可以在边界重叠。例如，LCD显示屏的每个液晶元件可以表 示一个分割区域，或者显示器里的每个象素可以表示一个分割区域。
背光装置有一个背光板101，在其上安装有多个阵列排列的发光二极 管(LED) 110、 111、 112。在所述实施例里，有一个LED组114，对应 LCD显示屏200的每个分割区域201 。这个LED组包括一个发红光的红光 LED 110、 一个发绿光的绿光LED 111和一个发蓝光的蓝光LED 112。当 红光、绿光和蓝光LED 110、 111、 112的输出光通量(luminous flux)符 合一个预定比率如R:G:B=3:6:1时，该LED组114通过混合R、 G和B光 而产生白光，并发射此白光到LCD显示屏200。同样，这不是限制本发明 的使用范围或功能，每个LED组114可能有更多的LED,也可以有更多LED组对应每个分割区域201 。
控制单元包括一个LED图像产生器103，其分析输入数字图像信号300 并产生LED图像信号，还包括一个LED控制单元104和多个LED驱动器 105。
LED图像产生器103接收数字视频信号300，数字视频信号300的格 式符合显示器部件即LCD显示屏200。例如，LCD显示屏的分辨率是 1366*RGB*768，即1366 (列)*768 (行)LCD像素，每个像素包括一个红 色子像素、 一个绿色子像素和一个蓝色子像素。输入数字图像信号300的 格式对应整个显示屏的每个子像素，包括每个每个子像素的灰度级信息。 输入视频信号的一个帧对应一个与LCD显示屏200分辨率相同的完整图像 (fullimage)。如图3b所示，LED图像产生器103包括一个图像分割子单 元和一个子图像处理子单元。图像分割单元将图像分割成子图像，对应 LCD显示屏分割区域201的数目，在图2内是21个(3,7)。对每个分割 区域201，有一个红色子图像、 一个绿色子图像和一个蓝色子图像。
图5显示一个样本图像，如一个视频信号的一个帧。图6a-6c分别显 示图5图像的一个红色子图像、 一个绿色子图像和一个蓝色子图像。在图 6a-6c的图像里显示有11,6或66个分割区域。
接着，子图像处理单元处理子图像，提取每个红色子图像、每个绿色 子图像和每个蓝色子图像的平均灰度级。然后，根据相应子图像的平均灰 度级，而设定LED灰度信号。例如，LED灰度级等于相应子图像的平均 灰度级。根据相应红色子图像的平均灰度级而获得红色LED的灰度级。同 样，根据绿色和蓝色LED对应子图像的平均灰度级分别获得绿色和蓝色 LED的灰度级。例如，在图6a-6c内，每个分割区域分别都描影有其相应 颜色图像的红色子图像、绿色子图像和蓝色子图像的平均灰度级。
LED背光控制器104接收LED图像信号，其包含每个LED的灰度级 信息和时钟信号以及同步信号。同步信号使LED图像与到LCD显示屏200 的图像数据信号能同步显示。接着，LED背光控制器104转换LED图像数据，并根据背光板101内LED的地址将LED图像数据传输到对应的LED 驱动器105。
LED驱动器105驱动各个R-、 G-、 B-LEDllO、 111、 112发光或不发 光，并根据来自LED背光控制器104的控制信号来调整发射光的强度。背 光驱动器104提供一个脉宽调制(PWM)信号给LED 110、 111、 112。 LED 驱动器105调整将被施加到各个R-、 G-、 B-LEDllO、 111、 112的电流强 度和PWM循环周期，从而调整从各个R-、 G-、 B-LEDllO、 111、 112发 出光的强度，进而调整LCD显示屏200显示图像的白平衡(white balance) 和色调(color tone)。
依照本发明的第二实施例，LED图像产生器103不提取每个子图像的 平均灰度级，而是提取每个红色子图像、每个绿色子图像和每个蓝色子图 像的峰值灰度级。接着，根据相应子图像的峰值灰度级设定LED灰度信号。 例如，LED灰度级等于相应子图像的峰值灰度级。根据相应红色子图像的 峰值灰度级获得红色LED的灰度级。同样，根据绿色和蓝色LED对应子 图像的峰值灰度级分别获得绿色和蓝色LED的灰度级。
依照本发明的第三实施例，LED图像产生器103不提取每个子图像的 平均或峰值灰度级，而是提取并比较每个分割区域内每个红色子图像、每 个绿色子图像和每个蓝色子图像的平均或峰值灰度级，然后获得最大平均 灰度级或最大峰值灰度级。接着，根据对应子图像的最大平均灰度级或最 大峰值灰度级设定LED灰度信号。例如，红色LED、绿色LED和蓝色LED 的灰度级是相同的，并等于对应子图像的最大平均灰度级或最大峰值灰度 级。
依照本发明的第四实施例，LED组114仅包括一个或多个白色LED, 并且LED图像产生器103不提取每个子图像的平均或峰值灰度级，而是提 取并比较每个分割区域内每个红色子图像、每个绿色子图像和每个蓝色 图像的平均灰度级，然后获得最大的平均灰度级。接着，根据对应子图像 的最大平均灰度级而设定LED灰度信号。例如，白色LED的灰度级等于 对应子图像的最大平均灰度级。在以上所述的实施例1到4里，LED组114对应LCD显示屏200的 一个分割区域201。在本发明的其它实施例里，可以有更多LED组与每个 分割区域相关联，或者不止一个分割区域与每个LED组相关联。
在本发明的第五实施例里， 一个LED组114包括RGB LED 110、 111、 112，其对应一个分割区域201，该分割区域201具有多个邻近分割区域。 接着，LED图像产生器103处理子图像，例如，提取每个红色子图像、绿 色子图像和蓝色子图像的平均灰度级。接着，根据对应子图像和邻近分割 区域的子图像的平均灰度级以不同因子进行加权，而设定LED灰度信号。 例如，LED灰度级等于对应子图像的平均灰度级乘以因子0.8与四个邻近 分割区域的子图像的平均灰度级各自乘以因子0.05的和。
第五实施例也可以有以下改变，使用峰值和最大平均灰度级与邻近分 割区域以加权因子进行加权。
依照本发明的第六实施例，液晶显示器装置使用上述优选实施例的 LED背光。液晶显示器装置包括一个液晶显示屏200、一个如上所述的LED 背光阵列101和一个处理输入视频数据的控制单元。
参照图3，视频信号解码单元接收一个视频信号，并将视频信号转换 成一个符合液晶显示屏格式的数字图像信号，如本领域所知的。此数字图 像信号包括相应LCD像素的灰度级信息。基于灰度级，LCD驱动器控制 LCD像素的透光率。LCD显示屏的工作原理可以在美国专利文献 US20060262077或US20060109389或美国专利7，064，740里找到。
对应LCD控制器的构造，视频信号解码单元可以有各种结构。例如， 视频信号解码单元可以包括一个模拟输入端而将输入模拟视频信号传输到 模数(A/D)转换器，以及一个数字输入端以支持低压差分信号(low-voltage differential signaling)或一个转换最小化传输差分信号(TMDS)接口用于 数字视频信号输出。
iiLED图像产生器103处理输入数字图像信号300以产生并传输LED 图像信号到LED背光控制器104，同时产生并传输一个LED图像信号到 LED控制器。输入视频图像信号被传递到处理图像的LCD控制单元，然 后通过LCD控制器和LCD驱动器控制LCD显示屏。同时，数字图像信号 300被传递到背光控制单元。处理图像的第一个步骤是图像分割。原始图 像被分割成多个块，对应LCD显示屏的每个分割区域。最小块数目即一块， 是指LED矩阵阵列里的所有LED将被驱动以相同光输出，如现有背光系 统。最大块数目是之前提到的LCD显示屏分割的最大数目，可以是LCD 显示屏里的液晶元件数目或显示器的像素数目。基于物理方面的原因，其 必须是对应背光显示屏的LED数目。
在图像被分割成单独块之后，其被处理以确定块里视频图像的亮度信 息。亮度值可以是基于图像的平均或峰值或最大平均灰度值。接着，基于 亮度信息和考虑光学屏106散光特征的信息(将在以下讨论)，控制器确定 一个光输出强度信号。然后，LED图像信号被传递到LED控制器104，其 与LED驱动器105进行通信连接以便单独运行LED背光板101里的每个 LED 110、 111、 112。
背光LED发出有些发散的光，从而在穿过一个光学屏106之后，光强 度在LCD显示屏200的背后适度平稳地变化，光学屏106最好插入到LED 背光101和LCD显示屏200之间。光学屏106是一种透光的背光光学屏， 其可以包括一个扩散板、扩散膜、增亮膜(BEF)或双面增亮膜(DBEF) 以增强光散射。图4描述LED背光板内点(i，j)上的LED发出的光在穿 过背光光学屏之后如何扩散。LED的尺寸通常不大于9mm2 (3mm x 3mm)， 但是，在光穿过背光光学屏之后散光区可能大于5cm2。这可能大于LCD 显示屏200的所选分割区域201。图4是一个分解示意图，LCD显示屏远 离光学屏。LED的标准光扩散分布与LED光强度无关。在LCD像素下面 的背光亮度是由所有LED光强度与其相应扩散分布的巻积而得到。所以， 在产生LED图像之后，可以获得在每个LCD像素上背光的亮度级。图7a、 冗和7c分别提供红色、绿色和蓝色的单色背光亮度图案。
在位置(x，y)上一个像素的亮度(B)表示为5-丄.r，其中L是背光的亮度级，而T是LCD显示屏在像素(x,y)上的透光率。上式经过转换 之后得到r-5/丄(3c,，K)。一个LCD显示器的对比度是最高亮度对最低亮度的比率，表示为if = B/wox/5附/" = fl附flw:'r附a!C) /(X附Z"'r附/"，。在现有技术的恒定背光LCD显示屏里，对所有像素而言，丄附狄=1柳/"=丄，从而及-r附ox/rm/"。在本发明里，背光LED被单独控制。背光亮度不是均匀的，并随图像 发生变化。如上所述，图像处理单元从输入视频图像数据提取LED图像信 号。背光亮度可以通过巻积LED图像信号及其相应空间分布而获得。在 (x,y)上的背光亮度被改成Z/ ，力，其中丄W，W ^ /^,W。因此，整个 背光亮度通常比现有技术的恒定背光系统的亮度更暗。为了保持图像的可 视亮度不发生显著变化，会调整LCD显示屏的透光率T,使得r丫x,^-5' /丄丫x,力^r，其中5'S5 ， B是图像的原始亮度。在黑暗图像区域背后的背光亮度很低，甚至为零，从而最小化LED漏 光以提高图像对比度。依照本发明，LCD显示器的对比度比率可以表示为C/T = B'mox///附/ )。 LCD显示器的最大和最小透光率取决于设备物理结构，而不是图像视频信号。所以，r'附似-r/n似和r'附/"-r附i'w。因此，使用本发明背光的LCD的对比度比率可以显著增强。提高液晶透光率意味着提高将被发送到LCD控制器的LCD图像的灰 度级。为了获得一个较高的灰度级，在LCD图像处理单元里调整原始视频 图像信号。而且，提高液晶透光率导致提高驱动电压。因为LCD是一个电 压驱动装置，电压变化仅仅在功耗上产生一个微小变化。降低背光亮度将 产生大量的功率节省。由于人眼对图像的相对亮度比对绝对亮度更加敏感，保持每个像素的 亮度不是必需的。例如，人眼很少能够察觉黑暗区域里或图像里的细节，为了增强LCD图像黑暗区域的图像细节，可以多次调整黑暗区域里的信 号，g卩7' ，^>必//:' ，^。在LCD图像的明亮区域里，可以较少调整信 号，使得7^7Yjc，W〈5/I/^，力。液晶显示器装置的其它实施例是基于相同的LCD补偿机制和各种 LED背光结构。应该注意到，对本领域技术人员明显的修改和替换将不能被认为超出 本发明的范围之外。
权利要求
1.一种背光装置，用来提供背光到一个显示视频图像的液晶显示屏，包括多个发光装置，用来提供背光到一个液晶显示屏；一个控制器单元，用来接收视频图像并将视频图像分割成多个子图像，其中每个子图像对应至少一个发光装置，并根据至少一个子图像的灰度级特征来产生每个发光装置的驱动信号。
2. 根据权利要求1所述的背光装置，其中控制器单元还包括多个驱动 器，每个驱动器接收一个驱动信号，并单独驱动至少一个发光装置的光输 出。
3. 根据权利要求1所述的背光装置，其中每个发光装置包括至少一个 白光LED。
4. 根据权利要求1所述的背光装置，其中每个子图像的灰度级特征是 子图像里每个图像像素的平均灰度级值，或是子图像里每个图像像素的峰 值灰度级值，或是子图像里图像像素的灰度级直方图的加权灰度级值，和/ 或它们的组合。
5. 根据权利要求1所述的背光装置，其中每个发光装置包括至少一个 红光LED、 一个蓝光LED和一个绿光LED。
6. 根据权利要求5所述的背光装置，其中每个子图像还包括至少一个 红色子图像、 一个绿色子图像和一个蓝色子图像。
7. 根据权利要求6所述的背光装置，其中驱动信号还包括分别根据每 个对应红色子图像、绿色子图像和蓝色子图像的灰度级特征产生的每个红 光LED、绿光LED和蓝光LED的驱动信号。
8. 根据权利要求6所述的背光装置，其中每个红光LED、绿光LED 和蓝光LED的驱动信号是通过分别对每个对应红色子图像及其邻近红色 子图像、绿色子图像及其邻近绿色子图像、蓝色子图像及其邻近蓝色子图 像的灰度级特征进行加权产生。
9. 根据权利要求6所述的背光装置，其中红光LED、蓝光LED和绿 光LED是独立并按时间顺序进行控制发光。
10. 根据权利要求1所述的背光装置，其中控制器单元还根据多个发 光装置的光分布来调整视频图像输出。
11. 一种液晶显示器装置，包括 一个液晶显示屏；多个发光装置，用来提供背光给液晶显示屏；一个控制器单元，用来接收视频图像并将视频图像分割成多个子图像， 其中每个子图像对应至少一个发光装置，并依照至少一个子图像的灰度级 特征产生每个发光装置的驱动信号，并基于多个发光装置的光空间分布调 整视频图像信号。
12. 根据权利要求11所述的液晶显示器装置，其中液晶显示屏包括多 个像素，并且每个像素包括一个红色子像素、 一个蓝色子像素和一个绿色 子像素。
13. 根据权利要求11所述的液晶显示器装置，其中控制器单元还包括 多个驱动器，每个驱动器接收一个控制信号，并单独控制至少一个发光装 置的光输出。
14. 根据权利要求11所述的液晶显示器装置，其中每个发光装置包括 至少一个白光LED。
15. 根据权利要求14所述的液晶显示器装置，其中每个发光二极管的 驱动信号是通过对每个对应子图像及其邻近子图像的灰度级特征进行加权 而产生。
16. 根据权利要求11所述的液晶显示器装置，其中每个子图像灰度级 特征是子图像里每个图像像素的平均灰度级值，或是子图像里每个图像像 素的峰值灰度级值，或是子图像里图像像素的灰度级直方图的加权灰度级 值，和/或它们的组合。
17. 根据权利要求11所述的液晶显示器装置，其中每个发光装置包括 至少一个红光LED、 一个蓝光LED和一个绿光LED。
18. 根据权利要求17所述的液晶显示器装置，其中每个子图像还包括 一个红色子图像、 一个绿色子图像和一个蓝色子图像。
19. 根据权利要求18所述的液晶显示器装置，其中每个红光LED、 绿光LED和蓝光LED的驱动信号是分别依照每个对应红色子图像、绿色 子图像和蓝色子图像的灰度级特征而产生。
20. 根据权利要求18所述的液晶显示器装置，其中每个红光LED、 绿光LED和蓝光LED的驱动信号是分别通过对每个对应红色子图像及其 邻近红色子图像、绿色子图像及其邻近绿色子图像，蓝色子图像及其邻近 蓝色子图像的灰度级特征进行加权而产生。
21. 根据权利要求17所述的液晶显示器装置，其中红光LED、蓝光 LED和绿光LED分别对应红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素，并且 是按时间顺序的，以及同时开启和关闭。
22. —种液晶显示器系统，包括 一个液晶显示屏；多个发光装置，用来提供背光给液晶显示屏；一个图像处理单元，用来接收并处理视频图像；一个控制器单元，用来从图像处理单元接收处理过的视频图像，并将 视频图像分割成多个子图像，其中每个子图像对应至少一个发光装置，并 依照至少一个子图像的灰度级特征产生每个发光装置的驱动信号，从而基 于多个发光装置的亮度和光空间分布调整视频图像信号，并输出被调整的 视频图像到液晶显示屏。
23. —个液晶显示器系统，包括 一个液晶显示屏；多个发光装置，用来提供背光给液晶显示屏；一个图像处理单元，用来处理并输出视频图像到液晶显示屏；一个控制器单元，用来接收视频图像并按比例縮放视频图像以适应液 晶显示屏，并将视频图像分割成多个子图像，其中每个子图像对应至少一 个发光装置，并依照至少一个子图像的灰度级特征产生每个发光装置的驱 动信号，然后根据多个发光装置的亮度和光空间分布调整视频图像信号， 并输出被调整的视频信号到图像处理单元。
全文摘要
一种背光装置(100)，用来提供背光到一个显示视频图像的液晶显示屏(200)，包括多个发光装置(110，111，112)，用来提供背光到一个液晶显示屏(200)；一个控制器单元，用来接收视频图像并将视频图像分割成多个子图像，其中每个子图像对应至少一个发光装置，并根据至少一个子图像的灰度级特征来产生每个发光装置的驱动信号。
文档编号G02F1/13357GK101669064SQ200780046757
公开日2010年3月10日 申请日期2007年11月9日 优先权日2006年12月22日
发明者张亚衔, 彭华军, 蔡振荣 申请人:香港应用科技研究院有限公司