LED背光源分区域动态控制专利分析

总第101期 顾洪 审查协作中心苏州分中心,测量工程室副主任;高慧霞 审查协作中心苏州分中心,测量工程室审查员发表,[专利]文章

  本文介绍了液晶显示的原理以及分区域动态控制L E D背光源对液晶显示性能的影响;首先对L E D背光源的分区域动态控制的全球专利态势进行了分析;其次通过对专利文献的整理,对该领域的技术脉络进行了分析;最后,列举了一件审查案例以说明如何在实际审查过程中应用该专利技术综述。

  一、夜景显示器相关介绍

  1.1液晶显示原理

  液晶显示器(LCD)具有功耗低、重量轻、厚度薄等优点,已成为众多平面显示器件中应用面最广、产业化程度高且仍迅猛发展的一种显示器件。液晶是一种介于液体与固体之间,且具有规律性分子排列的有机化合物。液晶本身并不具备发光特性,因此需要在其背面布置一个光源,液晶面板通过控制光线穿过它的透光率来展示不同的亮度,这个光源就称为背光源(Backlight)。彩色显示器的液晶面板的每个像素下方都有一组由红、绿和蓝色的滤光片组成的滤光片组,背光源发出的白色光被滤光片组中的滤光片滤色后变为饱和度较高的准单色光,对液晶像素进行照明。通过调整对应于各个颜色的滤光片的液晶分子的透过率,不同亮度的各个准单色光就可以混合成所需亮度的彩色光,参见附图1-1-1。

 

  1.2 液晶显示器的背光模组

  在一般的产品应用中,为了降低成本并提高效率,通常将背光源及其驱动电路、改善光学性能的光学薄膜以及其他附属组件集成为一个能和液晶面板直接配合使用的组件,即背光模组。背光模组是构成液晶显示器的重要元件,也是影响液晶显示器显示质量和性能的重要元件。背光模组的背光源主要有三类:冷阴极荧光灯背光源(Cold Cathode Fluorescent Lamps,CCFL)、电致发光背光源(EL)以及发光二极管背光源(Light Emitting Diode,LED)。2008年以前,CCFL为背光模组的主流光源,CCFL具有亮度高、使用寿命长、成本低等优点。但是CCFL也具有色域覆盖率低、色重现性差、功耗大等缺点,而且CCFL本身含有汞,不利于环保,因此在一定程度上制约了LCD的进一步发展。2008年以后,随着白光LED技术的成熟,L ED背光源凭借着高光效、高显色能力、长寿命、广色域、无铅无汞、低电压驱动、高响应速度、近似点光源、紧凑不易碎等优点开始崭露头角,并成为了下一代绿色环保显示技术的首选技术方案。

  按照模组中背光源的设置位置不同,L E D背光模组可分为直下式(Direct -Type)与侧光式(Edge -Type)两种。侧光式背光模组中,多个LED光源排布在模组的侧面,经过导光板、反射膜、扩散膜形成均匀发光面,其结构如图1-2-1所示。直下式LED背光模组中, LED阵列均匀分布在LCD显示板下面,加上反射腔和扩散膜等共同作用,得到亮度均匀的平面发光效果,其结构如图1-2-2所示。两种技术相比较,侧光式可节省较多LED颗粒数量,且由于侧光式方案中的LED设置在侧面,LCD的整体厚度可以很薄,但是侧光式结构不是非常适合超大尺寸的LED背光模组,且侧光式方案中难以实施区块明暗调节,导致画面的对比度和色彩饱和度会被牺牲;而直下式LED背光模组不需要使用导光板,直接由均匀排列在模组底部的LED光源经过一定空间的自由混光后,出射到模组表面,从而可以很好的解决侧入式LED背光模组在大尺寸中的不足之处。

 

  1.3 LED背光源的区域动态控制

  以CCFL作为背光源只能有两个状态,只有“开”或者“关”,因此只能工作在背光全亮模式如图1-3-1(a)所示。这样造成两个主要的缺点:(1) LCD显示器因为液晶分子的特性,在显示灰度比较暗的图像时存在漏光现象。因此当液晶显示器显示暗色图像时,CCFL背光源仍是全亮模式,受LCD显示器漏光现象的影响,造成显示图像对比度下降。(2)由于背光一直在全亮状态,能耗比较大。而以LED作为背光源时,由于LED体积较小,是由LED均匀地分布在整个背光面上构成LED阵列(如图1-3-2所示),各个LED所照射出的光均匀地投射在整个背光膜上。虽然难以单独控制液晶的每一个像素点的亮度,但是可以尽量细分对液晶的照明区域,实现对LED阵列的分区域控制,根据待显示图像的亮度值,控制对应背光区域的LED点阵块的亮度值,实现动态背光,如图1-3-1 (b)所示,从而使得待显示图像中暗的区域更暗,亮的区域更亮,以达到提高图像对比度的目的。同时由于LED背光源不是一直处于全亮状态,在一定程度上也降低了能耗。

 

  LED是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件,它可以直接把电转化为光。同时LED是一种电流型器件,即它的工作状态是以通过它的电流为标准的,其工作电流在20mA左右,管压降在1.8~4V。因此采用亮度动态控制的方式可以很方便地通过调节LCD背光源电源电压或输入电流的大小,从而改变LCD的发光强度,即通过对显示的画面进行分析,得到不同区域的最佳亮度的同时控制LCD背光达到相应的亮度,从而有效解决LCD所存在的动态模糊(motion blur)和对比度低的两大问题。

  根据动态背光中调光块(D i m m i n g b l o c k )的配置, 动态背光技术可以分为零维调光( 0 - Ddimming)、一维调光(1-D dimming)、二维调光(2-DDimming)和三维调光(3-D Dimming)四种。零维调光将整个显示屏的画面作为一个调光块,LED背光源的所有LED同时驱动,在背光源平面上显示为同时点亮、同等亮度,所以零维调光又称全局调光(Global dimming),其背光源平面示意图如图1-3-3所示。一维调光是将一个或多个行或列作为调光块,进行独立的亮度调节,其平面示意图如图1-3-4所示。二维调光是将背光LED沿行和列方向分为阵列状的多个调光块,进行独立的亮度调节,其平面示意图如图1-3-5所示。三维调光与二维调光的背光源分区方式相同,但是白光的产生是由RGB三色LED合成的,R/G/B三色LED分别驱动。每个分区除了可进行亮度灰阶调整外,也可进行RGB 色彩的独立调整,其平面示意图如图1-3-6所示。

 

  二、LED背光源分区域动态控制技术总体分析

  截止2014年4月18日,全球专利申请中涉及LED背光源分区域动态控制技术的专利总量为312项,其申请的年代分析如图2-1所示。以优先权日计算,1998年出现第一件LED背光源分区域动态控制的专利申请。从1998年到2003年LED背光源分区域动态控制技术仅有极少量申请;基本上年申请量在5件以内;该技术的相关申请在2004年出现一个小高峰, 达到9件,申请量在2005年略有回落后进入快速增长期,直到2009年增长到75件(2011-2013的数据虽然下降,但主要是由于专利数据延迟公开的原因),从上述趋势可以看出,目前全球对LED背光源分区域动态控制技术的研究还处于相对活跃的时期。

 

  根据按优先权统计的全球专利申请的国家和地区分布来看,LED背光源分区域动态控制技术的主要来源是韩国,如图2-2所示,这与韩国的三星、LG等公司在显示领域的领先地位是相关的,其次是中国、日本和美国。

 


 

  LED背光源分区域动态控制领域的前十申请人如图2-3所示,从图中可以看出,三星的申请最多,其次为LG和夏普,这与三星、夏普和LG在整个显示领域的领先地位也是密切相关的。在前十位申请人中,出现了我国大陆的青岛海信电器股份有限公司以及我国台湾地区的友达光电股份有限公司和奇美电子股份有限公司,但上述三家公司的申请总量仍然较小,与排名前三位的申请人的申请量相比,还有较大的差距,因此我国相关企业仍需要进一步加大对该技术的研究力度。

  图2-4给出了LED背光源分区域动态控制技术的目标国家和地区分布,从图中可以看出该技术在中国的申请最多,其次分别是美国、韩国、日本和欧洲。这表明LED背光源分区域动态控制技术的申请人对中国市场最为重视,其次则是美国、韩国和日本市场。

 

  图2-5给出了LED背光源分区域动态控制技术的全球专利类号分布,从图中可以看出,与该技术相关的专利大多分布在分类号G09G3/36下,其次为G09G3/34和F21S8/00。

 


  图2-6给出了LED背光源分区域动态控制的中国专利类型分布,从图中可以看出,该技术相关专利绝大部分为发明专利,只有极少部分为实用新型专利。图2-7给出了该技术在中国所申请专利的法律状态,从图中可以看出,该领域的申请授权率较高,目前未有驳回、视撤和终止的申请,这可能与该领域的申请人均为大型公司,且其申请人可能在撰写申请之前进行过一定程度的相关检索有关。

 

  三、技术脉络

  LED背光源分区域动态控制技术涉及的功效大致可分为三类:(1)提高对比度;(2)提高区域之间的均一性;(3)减少闪烁。图3-1给出了LED背光源分区域动态控制技术演进路线,在图中采用了不同的颜色对每件专利申请的技术功效进行了标注。从图3-1中可以看出,该领域在2003年和2004年的申请为LG公司的申请,其属于LED背光源分区域动态控制的早期发展阶段,其仅是通过背光源的分区域动态控制总体上提高显示装置的显示质量。随着技术的不断成熟,开始有具体针对提高显示质量的申请。

 

 

  第一,提高图像对比度方面。三星在2006年的申请(US20140049729)中提出背光单元包括复数个分离的导光板101界定出不同的区块,以及沿着导光板的边缘设置的发光二极管群,每个发光二极管群朝向与其对应的导光板发出光,其中,该每一个发光二极管根据对应的区块被开放和关闭,参见附图3-2。通过对背光LED的分区域动态控制,可以使液晶显示装置获得更高的清晰度、分辨率和高的对比度。三星在2007年的影像分区亮度控制方法(CN1971696)中提出划分输入影像为多个区块,并将每个区块中每个像素的最大色彩值作加权运算,得到每个像素的加权色彩值;累加每个区块的多个加权色彩值除以每个区块所含的像素数目,得到每个区块的亮度平均值,参见附图3-3,以提升液晶显示器所显示的影像对比及显示较暗影像时的质量。

  第二,提高区域之间的均一性方面。三星在2006年申请的液晶显示器和调节液晶显示器亮度的方法(KR100759902)中提出控制器根据输入图像信号计算用于调节发光器件的每个局部区域的亮度的代表值,并将代表值作为用于调节每个局部区域亮度的亮度调节信号输出到背光驱动器,参见附图3-4,以根据输入图像信号来调节背光的每个局部区域的亮度,也可以预定的比例降低用于调节每个局部区域的亮度的代表值,可补偿在相邻的局部区域之间发生的光损失和光增益,减小伪像。三星在2007年申请的显示设备及其驱动方法(US2009109165)中提出亮度控制信号发生器,它根据背光单元的第一发光区域和邻近于第一发光区域的第二发光区域之间的光干扰的量控制第一发光区域的亮度,参见附图3-5,以防止形成由邻近显示区域之间的亮度差引起的不期望的人为失真,可以改善显示设备的整体亮度,并且可以减少功耗。

  第三,减少闪烁方面。夏普在2007年申请的图像显示装置(WO2009054223)中提出,在图像显示装置中,信号处理部在求出背光源控制数据时,将输入图像分割为多个区域,求出各区域内的像素的亮度的最大值和平均值,再求出与各区域相对应的光源的亮度,参见附图3-6,以防止在动态图像显示中的闪烁现象和在静态图像显示中的亮度下降。LG在2008年申请的液晶显示器(CN101562000)中提出其定时控制器基于平均图像电平输出多个调光信号,且平均图像电平是基于提供到液晶面板的视频数据被检测到的,从而减少在局部LED调光过程中的闪烁。

  四、实际审查应用示例

  通过对LED背光源的分区域动态控制的专利技术的整理,可以对相关领域申请的审查起到一定的促进作用。下面以发明名称为“液晶显示装置”的专利申请为例,进行说明。该申请的申请人为日立民用电子株式会社,优先权日为2010年5月28日。

  权利要求1:一种液晶显示装置,包括:液晶面板;和将光照射到上述液晶面板上的背光源,其特征在于,上述液晶面板的面板上的像素被分成由多个像素组构成的区域,上述背光源由与上述区域相对应的多个背光源单元构成,还包括:进行区域控制的背光源调光部,用于根据上述各区域中的图像信号的亮度电平来单独控制对应的上述背光源单元的照射强度;和控制器,用于控制上述背光源调光部,上述背光源调光部具有多种区域控制模式,上述控制器根据用户选择出的图像显示模式来控制上述背光源调光部,以切换上述区域控制模式。

  本申请要解决的技术问题在于根据画面的图案施加区域控制而导致画质恶化的情况,例如,在白色的背景下存在较小的黑色区域的画面中,降低背光源亮度的区域数较少,因此功率降低的效果较小。反之,从黑窗区域漏入周围的白背景区域中的背光源光消失,因此黑窗周边的白背景区域的亮度降低变得显著。因此其要解决的问题主要是区域的“边界”所存在的问题。因此针对三大申请人即三星、LG和夏普进行第一步限定,再用分类号G09G3/36及关键词“背光”和“区域”,以及发明要解决的“边界”问题进行限定,直接得到可评价权利要求1新颖性的对比文件WO2009101727,该对比文件所公开的方案与权利要求的方案仅仅是文字表达方式上略有差别,实质上相同。

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