CN101529322A - 背光*** - Google Patents

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CN101529322A CNA2007800394730A CN200780039473A CN101529322A CN 101529322 A CN101529322 A CN 101529322A CN A2007800394730 A CNA2007800394730 A CN A2007800394730A CN 200780039473 A CN200780039473 A CN 200780039473A CN 101529322 A CN101529322 A CN 101529322A
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Abstract

一种自适应可控背光***(1)，具有多个单独可控的光源(3a－d)，其被布置在背光面板(2)上以在基本垂直于背光面板(2)的方向上发光。背光***(1)进一步包括：向外耦合板(5)，其被布置为与背光面板(2)相邻并且适于捕获由光源(3a－d)发射的光的一部分并将该部分光通过向外耦合板(5)的至少一个向外耦合表面(8a－b)向外耦合；以及至少一个光导(9，10)，其被布置以接收经过向外耦合的光并且适于引导该向外耦合的光使之朝向光导(9，10)的至少一个向外耦合表面(14a－b，15a－b)。此外，至少一个传感器(16－19)被布置以接收被引导的向外耦合的光并且适于提供指示该向外耦合的光的至少一个属性的信号，由此实现背光***(1)的自适应控制。

Description

背光***
技术领域
本发明涉及一种自适应可控的背光***，以及一种包括这样的背光***的显示设备。
背景技术
当前，各种类型的平面板显示器被用于从移动电话显示器到大屏幕电视机的各种应用中。尽管某些种类的平面板显示器(比如所谓的等离子显示器)由发光像素阵列组成，但是大多数平面板显示器具有可以在状态之间切换但不能独立发光的像素阵列。这样的平面板显示器包括普遍存在的LCD显示器。为了使这样的平面板显示器能够为用户显示图像，在透射型的像素阵列的情况下必须由所谓的背光源照亮像素阵列，或者在反射型像素阵列的情况下必须由环境光或所谓的前光(front-light)照亮像素阵列。
传统的背光源由平面光导构成，光从光源耦合进入该光导。平面光导的一个面典型地通过构建或改型(modification)(例如表面粗糙化)来改型以通过该面实现光的向外耦合。随后，向外耦合的光通过像素阵列中处于透射状态下的像素，并且对应的图像变得对观察者可见。
然而，通常就是这样：当仅仅很小比例的像素是亮的(在它们的透射状态下)时，对应的大部分由背光源发射的光被阻止到达观察者并且因此浪费了宝贵的能量。
另一方面，通过提供背光源作为具有多个单独可控的光源的背光面板(backlight panel)，该背光源可以被局部调光，这导致图像对比度的增强和功耗的降低。
然而，背光源中所包含的光源可以在相同的操作条件下展现它们的发光强度的充分散布。而且，光源的老化可能导致背光源性能的逐渐下降，并且因此导致包括该背光的显示设备性能的逐渐下降。
US2003/0043107公开了一种具有LED背光***的液晶显示器(LCD)***，其中通过在背光面板的背面上提供多个有代表性的LED以及光电检测器来实现背光亮度的感测。
对于根据US2003/0043107的感测***，有代表性的“采样”LED被监控，而不是实际贡献了(contribute to)所发射的背光的LED。因此，在发光LED中的个别的改变不能被监控并且因此不能得以补偿。
因此，需要一种能够对贡献所发射的背光的光源进行监控和校准的改进的背光***。
发明内容
针对现有技术的上述和其他缺陷，本发明的总体目的是提供一种改进的背光***。
根据本发明，这些和其他目的可以通过一种自适应可控背光***来实现，该***包括：多个单独可控的光源，它们被布置在背光面板上以在基本垂直于背光面板的方向上发光；向外耦合板，其被布置为与背光面板相邻并且适于捕获由光源发射的部分光并且通过向外耦合板的至少一个端面将所述部分光向外耦合；至少一个光导，其被布置为接收向外耦合的光并且适于引导该向外耦合的光使之朝向光导的至少一个端面(end-surface)；以及至少一个传感器，其被布置为接收被引导的向外耦合的光并且适于提供指示该向外耦合光的至少一个属性的信号，由此实现了背光***的自适应的控制。
所述单独可控的光源可以是适合用于背光***中的任意种类的光源，比如，包括发光二极管(LED)和半导体激光器的基于半导体的光源、有机发光二极管(OLED)或荧光光源。
在本申请的上下文中，“背光面板”应当被理解为适于支持(support)多个光源的面板。该背光面板可以是刚性或柔性的，并且它可以或不可以包括用于向光源供电的布线(wiring)。该背光面板可以有利地形成为电路板，其可以是刚性的(所谓PCB)或柔性的(所谓FPC)。
所述“向外耦合板(outcoupling plate)”是这样的板：其适于传输由光源发射的基本全部可见光并且适于通过该向外耦合板的一个或多个向外耦合表面而将所发射的光的小部分向外耦合。该向外耦合板可以以平面光学波导形式来提供，该平面光学波导例如可以由单一介电材料或多种介电材料的组合的平板(slab)构成。合适的介电材料包括不同的透明材料，比如各种类型的玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等。这样的平面波导可以是平坦的或者具有弯曲的外观。平板型(slab-type)平面波导典型地依赖于全内反射(TIR)以便包括耦合进入该波导的光。
而且，所述向外耦合板可以是刚性的或柔性的。优选地，刚性向外耦合板用于与刚性背光面板连接(conjunction)，反之亦然。
所述传感器可以能够感测可见的或不可见的辐射的任何属性或这些属性的组合。可被感测的属性包括例如：波长分布、发光强度、偏振(polarization)、颜色坐标(co-ordinate)、色度、饱和度。
通过根据本发明的背光***，可以感测由每一个单独可控光源发射的光的属性，并且相应地控制该背光***。因此，可以在生产阶段补偿初始的改变，并且可以在产品的使用寿命期间处理逐步发生的改变和漂移，在该产品中包含了根据本发明的背光源。
而且，由于向外耦合的光被光导收集并引导之朝向传感器，所以仅仅需要一个或几个传感器来采样由每一个单独可控光源发射的光。
在该文中，应当注意，文献WO2004/023443公开了一种OLED显示器，其装配有光学反馈***以实现显示器中各个像素的校准和校正。在该光学反馈***中，薄板(sheet)波导用于将由显示器中OLED发射的光耦合到与该薄板波导连接的光电检测器。对于本领域技术人员来说，没有动机来尝试改变WO2004/023443所公开的OLED显示器，以起到背光源的作用。而且，没有公开用于引导被薄板波导向外耦合的光的光导。然而，建议可以将薄板波导分割为行和列，其中每一行或列将光引导到与其连接的传感器。
在根据本发明的背光***中，可以在向外耦合板的背对背光面板的表面上有利地形成结构，所述结构的平均宽度充分小于各个结构之间的距离，由此确保了只有所发射的光的适当小的部分被向外耦合板捕获。
例如，结构的平均宽度与结构之间的平均距离之比可以小于1/6。
这些结构可以被提供为线性结构(它们可以是平行的或者可以不是平行的)和/或点结构，比如球形或锥体形凹口(indentation)或突起(projection)。所述线性结构和/或点结构可以相对于向外耦合板的轮廓有利地被定向，比如平行于向外耦合表面。
一般地，结构的深度可以优选地与其宽度处于相同数量级。
而且，所述结构可以是棱柱形凹槽，其可以例如被镌刻(engraved)在向外耦合板的顶表面。这样的棱柱形凹槽可以有利地具有大约为凹槽的宽度的一半的深度。
通过提供这些结构，确保了只有所发射的光的非常小的一部分被向外耦合板捕获并且因此阻止了对图像形成面板(比如LCD面板)的背光照明的贡献。
依照根据本发明的背光***的一个实施例，各个结构之间的平均距离在对应于光源的位置的向外耦合板的第一表面部分上比在对应于各光源之间的空间的向外耦合板的第二表面部分上更小。
因此，用于向外耦合的结构可以更密集地提供，其中它们的向外耦合效率最大，即在对应于背光面板上的光源的位置的表面部分上。在对应于处于光源之间的背光面板的区域的表面部分上，可以明显不太密集地提供向外耦合结构，或者甚至完全省去向外耦合结构。
这样，确保了由每一个光源发射的光的足够大的部分可以被捕获并且被向外耦合使之朝向向外耦合板的所述至少一个向外耦合表面，而背光***的正常操作尽可能少地受到设在向外耦合板上的结构的干扰。
而且，根据本实施例的结构配置实现了通过向外耦合板而传输的光的散布，这提高了由背光***发射的光的均匀性。这在其中在各光源之间存在大距离(在厘米的数量级)的实施方式中是特别期望的。为了实现通过向外耦合板传输的光的有效散布，而同时捕获并向外耦合适当小的部分的所发射的光，在对应于背光面板上的光源的位置的表面部分上的结构的密度可以非常高，比如90％或更高。而且，用于允许由密集提供的结构捕获的一些光通过背对背光面板的向外耦合板的表面而逃离的散布结构可以提供在对应于各光源之间的背光面板的区域的表面部分上。这些散布结构可以有利地被设计以允许除足够用于被传感器可靠检测的部分之外的所有光通过背对背光面板的其表面而逃离向外耦合板。为此，所述散布结构可以相似于或不同于密集提供的结构。
有利地，对于所有第一表面部分，各结构之间的平均距离是相等的。
因此，确保了来自每一个光源的基本相同部分的光被向外耦合板捕获并向外耦合。同时，在正常运行期间，背光***的效率尽可能小地受到干扰。
根据本发明的另一个实施例，所述结构可以周期性地提供并且所具有的所述尺寸与周期间距之比小于1/6。
特别地，微结构的尺寸可以例如是10微米到500微米并且优选地为10微米到50微米，并且所述间距可以例如是0.3mm到5mm。结构的尺寸越小并且间距越大，则被捕获/向外耦合的光的部分变得越小。
向外耦合板可以适于通过两个反向的向外耦合表面将光向外耦合。因此，来自背光***中所有光源的光可以通过添加通过反向的向外耦合表面而向外耦合的光来相对于在光源矩阵中的位置进行平均。
而且，可以将光导中对应的一个光导放置在与每一个向外耦合表面相邻的地方。
这样，通过向外耦合板的向外耦合表面向外耦合的所有光被光导捕获并且被引导到传感器。因此，实际上所有经过向外耦合的光到达传感器并且因此可以用于校准包含在背光***中的光源。
根据本发明的另一个实施例，可以提供所述至少一个传感器以接收通过每一个光导向外耦合表面发射的被引导的光。
通过加入由适于感测通过每一个光导向外耦合表面而发射的光的对应属性的传感器提供的信号，可以获得相对于光源位置的平均。换句话说，可以独立于背光面板上光源的位置由传感器接收由光源发射的光的相同部分。因此，实现了对背光的更精确和可靠的控制。
在一些应用中，可能需要另外的校准以完全补偿光源的不同位置。在这样的校准(例如可在工厂中发生)中，每一个光源可以依次地打开，并且测量由每一个传感器提供信号以及来自背光源的光分布。基于这些测量，可以校准所述***以独立于光源位置提供正确的输出。
根据又一个实施例，所述背光***可以进一步包括至少一个反射镜(mirror)，其被布置为：引导通过对应的光导向外耦合表面而发射的光到所述至少一个传感器。
通过提供一个或多个被适当地布置的反射镜，实际上所有经过向外耦合的光可以被引导使之朝向单个的传感器。由此，可以降低制造成本并且可以消除由各个传感器之间的差异所引起的测量误差。
根据本发明的背光***可以进一步有利地包括控制电路，该控制电路适于接收由所述至少一个传感器提供的信号，并且适于基于所接收的信号控制光源。
而且，根据本发明的背光***可以进一步包括光散布板，其用于散布由光源发射的光从而增加由背光***发射的光的均匀性。
实现面板型背光***所需要的光源的数量主要取决于背光***中所包含的光源的输出功率。光源的输出功率越高，则产生必需的光量所需的光源越少。显然，提供少的高功率光源导致对于给定的背光面板尺寸，各光源之间的距离大，这又会导致由背光面板发射的光的均匀性降低。
可以通过在根据本发明的背光***中包括光散布板来改进该均匀性。
而且可以通过向外耦合板形成光散布板。
例如通过在向外耦合板上提供合适的结构配置，可以实现通过向外耦合板传输的光的均匀性的提高，而同时通过所述至少一个向外耦合表面捕获并向外耦合由光源发射的光的适当小的部分。
这种合适的表面配置的一个实例可以是在对应于背光面板上光源的位置的向外耦合板的部分上非常密集地提供结构，比如占表面面积的90％或更多，并且散布结构用于允许由密集提供的结构捕获的一些光通过背对在对应于各光源之间的背光面板的区域的向外耦合板的部分上的背光面板的向外耦合板的表面而逃离。这些散布结构可以有利地被设计以允许除足够用于被传感器可靠检测的部分之外的所有光通过背对背光面板的其表面而逃离向外耦合板。为此，该散布结构可以相似于或不同于密集提供的结构。
此外，根据本发明的背光***可以进一步包括光改型构件，其适于改型与该光改型构件相互作用的向外耦合的光的至少一个属性。
该光改型构件可以是能够改型光的任意属性的任意元件，所述属性包括例如，波长范围、光谱分离、偏振状态和方向。因此这样的光改型构件的实例包括例如，棱镜、衍射光栅、滤光器、偏振器、透镜和反射镜。
通过增加这种光改型构件，增加了可用传感器的数量。例如，如果背光面板上的光源是复合光源，其中每一个复合光源由多个不同颜色的单色光源组成，则可以通过将由该复合光源发射的混合光分离为对应于单色光源的不同颜色的单色成分来彼此分离地同时感测由这些单色光源发射的光。随后，可以将每一个不同颜色的单色成分直接地或经反射镜或其他附加的光改型构件发送到相应的传感器。
而且，根据本发明的背光***可以有利地包含在显示设备中，其进一步包括选择性透射的图像形成面板，该面板布置成选择性地允许来自背光***的光通过以到达观察者。
这样的透射图像形成板可以例如是透射的或透反射(transflective)液晶面板。
附图说明
现在将参照示出本发明的当前优选实施例的附图来更详细地描述本发明的这些和其他方面，其中：
图1是示意性示出根据本发明的背光***的第一实施例的分解的透视图；
图2是图1的背光***中的向外耦合板的示意性剖面视图；
图3是示意性示出根据本发明的背光***的第二实施例的剖面视图；以及
图4是示意性示出用于根据本发明的背光***的示范性控制***的框图。
具体实施方式
在本说明书中，参照具有向外耦合薄板的背光***来描述根据本发明的背光***，所述向外耦合薄板用棱柱型凹口和两个反向的向外耦合表面构造。而且，这里所描述的背光***具有背光面板，其装配有多个红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)发光二极管(LED)。应当注意，本发明绝不限于这里所描述的优选实施例。例如，所述向外耦合薄板可以具有能够向外耦合由设在背光面板上的光源发射的光的适当小的部分的任何结构。而且，该光源不一定必须具有LED，而可以是技术人员可想象的任何其他合适的光源。这样的光源包括例如，荧光灯、有机LED(OLED)、等离子单元、以及半导体激光器。
在图1中，示意性示出了根据本发明的背光***的第一实施例的分解透视图。
参照图1，背光***1具有背光面板2，其支持多个单独可控的光源，这里光源具有RGB群集(cluster)3a-d的形式，其中每一个群集包括红色、绿色和蓝色LED4a-c中至少一个。为了绘图的清楚，仅仅用附图标记表示了一些所描绘的RGB-群集和RGB-LED。背光面板2优选地以印刷电路板(PCB)或相似物的形式提供，其具有将光源3a-d优选地经用于实现单独可控光源3a-d的单独控制的控制电路(未示出)而连接到电源(未示出)的导电轨迹(conductive trace)。虽然未在图1中示出，但是RBG-群集3a-d可以包括大量的RGB-子群集，它们作为一个组是可控的。LED 4a-c优选地被焊接到背光面板PCB2，但也可以使用合适的导电粘合剂、各向异性的导电薄膜等来附接(attach)。
在背光面板2的顶部，向外耦合板5被布置为薄(例如1mm到3mm)PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或PC(聚碳酸酯)板的形式，其设有棱柱形凹口形式的周期性向外耦合结构6a-i，所述凹口例如镌刻在向外耦合板5的顶表面7(该表面背对背光面板2)上。下面将参照图2更详细地描述向外耦合板5的顶表面7上的结构6a-i。向外耦合板5具有两个反向的向外耦合表面8a-b，光导9、10被布置为与每一个向外耦合表面8a-b相邻以接收通过各自的向外耦合表面8a-b发射的光。
每一个光导9、10都设有棱柱形凹口11，其中只有一个用附图标记表示。这些棱柱形凹口11被提供在每一个光导9、10的背对向外耦合板5的向外耦合表面8a-b的那一侧上。为了实现对由光导在它们各自的内耦合表面12、13上接收的光的高效引导使之朝向向外耦合表面14a-b和15a-b，这些棱柱形凹口优选地设有短的间距，例如0.1mm到0.3mm。
与光导9、10的向外耦合表面14a-b、15a-b的每一个相邻的传感器16-19被布置为接收通过光导9、10的向外耦合表面14a-b、15a-b而向外耦合的光。这些传感器16-19适于提供指示该向外耦合的光的至少一个属性的信号。该信号被发送到控制器(未示出)，该控制器随后控制背光面板2中的单独可控光源3a-d以获得所希望的背光***1的属性。
现在参照图2，其示出了图1中的背光***1中所包含的向外耦合板5，该向外耦合板5具有厚度D，其优选地为1mm到3mm，但是在不对***性能产生不利影响的情况下其可以明显地更厚。在向外耦合板5的顶表面7上，周期性地提供具有宽度w和间距d的结构6a-c。为了将由背光面板2中的光源3a-d发射的光的尽可能大的部分通过向外耦合板5朝选择性透射的图像形成面板(未示出)传输，同时确保所发射的光的经过向外耦合的部分足够大以使得传感器16-19可以给出可靠读数，结构6a-d的尺寸w优选地应当是10微米到100微米且间距d优选地应当是0.3mm到3mm。尺寸w越小且间距d越大导致向外耦合部分越小。
图3是根据本发明的背光***的第二实施例的部分剖面视图，在其中，两个相邻的光源3a-b被提供在背光面板2上。在向外耦合板5的顶表面7上，提供了向外耦合结构300a-b和301a-b(为了绘图的清楚，在每一组向外耦合结构中只有两个用附图标记表示)。向外耦合结构300a-b和301a-b被分别提供在组302和303中，这两个组分别位于光源3a和3b之上的中心处。在这两组302和303之间，没有提供向外耦合结构。通过根据图3的向外耦合板配置，背光***的正常运行尽可能少地受到干扰，同时仍然捕获并向外耦合足够大部分的所发射的光从而能够测量每一个光源3a-b的单独的输出。虽然在图3中没有在密集布置的结构300a-b、301a-b的两个组302和303之间指示出向外耦合结构，但是在所述组302、303之间当然可以提供向外耦合结构。根据本发明的该实施例，与在对应于背光面板2上的光源3a-b的位置的表面部分上提供的所述组302、303中的结构300a-b、301a-b相比，这些中间结构布置得不那么密集。
现在将参照图1、3和4来描述典型的校准程序(sequence)。在校准中，控制电路(这里为微控制器100的形式)控制每一个单独可控光源3a-d以依次发光从而使得在一个时间光源3a-d中只有一个发光。根据图4中示出的实例，如图4中箭头所示，光源3d发射(白色)光。通过由向外耦合板5和光导9、10组成的光学***101将由所选的光源3d发射的光朝向传感器16-19传输。如在图4中由不同尺寸的箭头示意性示出的，归因于特定光源3d的定位，传感器16-19接收不同量的由光源3d发射的被向外耦合部分的光。
将所述信号加入到复合信号，该复合信号由微控制器100估计。随后，微控制器100将用于光源3d的最新一组校准参数存储在非易失性存储器102中。基于所存储的校准参数组(每个光源一组)，该微控制器可以控制光源3a-d以发射具有所希望的关于例如均匀性和/或颜色平衡的属性的光。可以在工厂中或在将包括背光***的设备交付到终端顾客之后执行上述校准程序。在后一种情况下，假定足够迅速地执行所述校准，则在确定的校准间隔中和/或在操作期间，可以优选地在开启设备的同时执行校准。本领域的技术人员意识到本发明绝不限于优选实施例。例如原色LED可以被校准而不是白色光RGB-群集。而且所述向外耦合板可以以许多其他方式来构造，比如使用不具有周期性并且/或者不平行于向外耦合表面而延伸的脊(ridge)或谷(valley)。

Claims (15)

1.一种自适应可控背光***(1)，包括：
-多个单独可控的光源(3a-d)，它们被布置在背光面板(2)上以在基本垂直于所述背光面板(2)的方向上的发光；
-向外耦合板(5)，其被布置为与所述背光面板(2)相邻，并且适于捕获由所述光源(3a-d)发射的光的一部分并通过所述向外耦合板(5)的至少一个向外耦合表面(8a-b)将所述部分的光向外耦合；
-至少一个光导(9，10)，其被布置以接收所述经过向外耦合的光并且适于引导所述向外耦合的光使之朝向所述光导(9，10)的至少一个向外耦合表面(14a-b，15a-b)；以及
-至少一个传感器(16-19)，其被布置以接收所述被引导的向外耦合的光并且适于提供指示所述向外耦合的光的至少一个属性的信号，由此实现了所述背光***(1)的自适应控制。
2.根据权利要求1的背光***(1)，其中结构(6a-i；300a-b，301a-b)形成在背对所述背光面板(2)的所述向外耦合板(5)的表面(7)上，所述结构(6a-i；300a-b，301a-b)的平均宽度(w)充分小于所述结构(6a-i；300a-b，301a-b)之间的平均距离(d)，从而确保了只有所述发射的光的适当小的部分被捕获。
3.根据权利要求2的背光***(1)，其中所述结构(300a-b，301a-b)之间的所述平均距离在对应于所述光源(3a-d)的位置的所述向外耦合板(5)的第一表面部分(302，303)上比在对应于所述光源(3a-d)之间的空间的所述向外耦合板(5)的第二表面部分上更小。
4.根据权利要求3的背光***(1)，其中对于所有所述第一表面部分(302，303)，所述结构(300a-b，301a-b)之间的所述平均距离是相等的。
5.根据权利要求2的背光***(1)，其中所述结构(6a-i)被周期性地提供，所述宽度(w)和周期间距(d)之比小于1/6。
6.根据前述权利要求中任意一项的背光***(1)，其中所述向外耦合板(5)适于通过两个反向的向外耦合表面(8a-b)来将光向外耦合。
7.根据前述权利要求中任意一项的背光***(1)，其中所述光导(9，10)中的对应的一个被定位为与所述向外耦合表面(8a-b)中的每一个相邻。
8.根据前述权利要求中任意一项的背光***(1)，其中提供至少一个传感器(16-19)以接收通过每一个所述光导向外耦合表面(14a-b，15a-b)发射的被引导的光。
9.根据权利要求1-7中任意一项的背光***(1)，进一步包括至少一个反射镜，其被布置以将通过对应的光导向外耦合表面发射的光引导到所述至少一个传感器。
10.根据前述权利要求中任意一项的背光***(1)，进一步包括控制电路(100)，该控制电路适于接收由所述至少一个传感器(16-19)提供的信号并且适于基于所述接收的信号来控制所述光源(3a-d)。
11.根据前述权利要求中任意一项的背光***(1)，进一步包括用于散布由所述光源发射的光的光散布板，由此提高由所述背光***(1)发射的光的均匀性。
12.根据权利要求11的背光***(1)，其中所述光散布板由所述向外耦合板(5)形成。
13.根据前述权利要求中任意一项的背光***(1)，进一步包括光改型构件，该光改型构件适于改型与所述光改型构件相互作用的经过向外耦合的光的至少一个属性。
14.根据前述权利要求中任意一项的背光***(1)，其中所述光源(3a-d)是半导体光源，比如LED。
15.一种显示设备，包括：
-根据前述权利要求中任意一项的背光***(1)；以及
-选择性透射的图像形成面板，其被布置以选择性地允许来自所述背光***的光通过以到达观察者。
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