JP2005321789A - ディスプレイの輝度劣化を補償するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 放射ディスプレイの輝度劣化を補償するシステムを提供する。
【解決手段】 本システムは、主要構成要素として、コントローラ及び温度センサを含む。コントローラは放射ディスプレイに結合され、ディスプレイの輝度を制御する駆動信号を供給する。温度センサは放射ディスプレイの直近に配置され、コントローラと電気的に通信する。コントローラは温度センサから温度信号を受信し、その温度信号に基づいて輝度を変化させる。放射ディスプレイの温度が上昇すると、コントローラは伝達関数に従ってディスプレイの輝度を低下させる。伝達関数は、ディスプレイ温度に対する動作輝度に関係付けられた線形項及び／または非線形項を有することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、概略的には、輝度劣化を熱フィードバックを使用して補償するシステム及び方法に関する。

ポータブルディスプレイ産業においては、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイの用途を巡って多くの刺激がもたらされてきた。ＯＬＥＤディスプレイは自己発光性であり、バックライティングは必要としない。従って、これらのディスプレイは薄く、極めてコンパクトである。ＯＬＥＤディスプレイは広い視野角を有しており、一般的に所要電力は極めて低い。しかしながら、ＯＬＥＤディスプレイのような放射ディスプレイ技術はエージング差を生ずるので、注意深く分析して予期寿命を満足させるように使用しなければならない。エージング差とは、放出のために屡々使用されるディスプレイの部分またはカラーの輝度が、それ程屡々使用されない部分の輝度よりも低くなることである。液晶、干渉変調器、ＬＣＯＳ、マイクロミラー、及び電気泳動ディスプレイのような光弁技術は、それらがスクリーンの局部的な使用には無関係に減衰する普通の光源に依存しているので、エージング差を生ずることはない。放射技術ディスプレイはエージング差を生ずるから、もし長時間にわたって同一データを表示させるのであれば、スクリーンセーバー機能が必要になる。ＯＬＥＤディスプレイは多くの利点を有しているが、それらの主な欠点がエージングである。更に、ＯＬＥＤディスプレイのエージングは、自動車環境において普通に遭遇するような高温でかなり加速される。

以上のことから、ＯＬＥＤディスプレイを高温において機能させることを可能にし、しかもディスプレイのエージング特性を改善できるようにした改良されたシステム及び方法に対する要望が存在している。

上述した要望を満足させ、従来技術の上述した欠陥及び他の限界を解消するために、本発明は放射ディスプレイの輝度劣化を補償するシステムを提供する。システムは、主要構成要素として、コントローラ及び温度センサを含む。コントローラは放射ディスプレイに結合され、ディスプレイの輝度を制御する駆動信号を供給する。温度センサは放射ディスプレイの直近に配置され、コントローラと電気的に通信する。コントローラは温度センサから温度信号を受信し、その温度信号に基づいて輝度を変化させる。放射ディスプレイの温度が上昇すると、コントローラは伝達関数に従ってディスプレイの輝度を低下させる。伝達関数は、ディスプレイ温度に対する動作輝度に関係付けられた線形項及び／または非線形項を有することができる。

本発明の別の面においては、コントローラは２つの温度範囲、即ち高温におけるディスプレイ輝度を制御する第１温度範囲、及び通常動作における輝度を制御する第２温度範囲を限定する。例えば、25℃より高い高温始動（ホットスタート）時には温度に基づいてディスプレイ輝度をデレート（de-rate）即ち出力低下させ、25℃より低い場合にはディスプレイ輝度を全輝度に維持する。線形及び非線形伝達関数を使用してディスプレイ輝度をデレートさせることはできるが、好ましくは、輝度を25℃における100％から85℃における約50％までデレートさせる。更に、非線形または指数伝達関数を使用することができる。また更に、指数デレーティングを、本発明が提供する輝度劣化モデルに準拠させることができる。

本発明のさらなる目的、特色、及び長所は、添付図面に基づく以下の説明から明白になるであろう。

図１に、本発明の原理を実現したシステム１０を示す。システム１０は、主要構成要素として、制御回路１２、放射ディスプレイ１４、及び温度センサ１６を含む。所望輝度信号１８が制御回路１２へ供給される（所望輝度信号１８は、ディスプレイの明るさ制御（図示せず）によって生成されることが多い）。制御回路１２は、所望輝度信号１８に基づいてディスプレイ駆動信号２０を生成する。ディスプレイ駆動信号２０は放射ディスプレイ１４へ供給され、放射ディスプレイ１４を指定されたディスプレイ輝度レベルで動作させる。温度センサ１６は放射ディスプレイ１４の直近に配置され、放射ディスプレイ１４の温度を監視するように構成されている。温度センサ１６はフィードバック信号２２を生成し、それを制御回路１２へ供給する。フィードバック信号２２は温度センサ１６が測定した温度を表し、所望輝度信号１８に基づいてディスプレイ駆動信号２０をデレートさせるために使用される。

以下に説明する分析から明白なように、主要な減損が通常動作を原因とするのではなく初期高温始動時の動作時間に起因するので、ディスプレイ駆動信号２０のデレーティングが放射ディスプレイ１４の寿命に重大なインパクトを与える。詳述すれば、高温における動作によってもたらされる輝度の劣化は、本質的には指数的である。従って、自動車の車室内が通常の動作温度内になるまで、輝度を温度の関数として低下させることによって、放射ディスプレイ１４の寿命及び性能を大幅に増加させることができる。例えば、制御回路またはプロセッサ１２は20−30℃まで全輝度で動作させることができる。プロセッサ１２は放射ディスプレイ１４の輝度を、約25℃における全輝度から、約85℃及び少なくとも約80℃−90℃での全輝度の50％まで線形に低下させることができる。ディスプレイの応用及び設計に依存して、他の温度範囲を使用することができる。更に、ディスプレイ輝度をデレートさせるために非線形スキームを組み入れるように伝達関数を開発することができ、また予測される輝度劣化伝達関数に基づくこともできる。

予測される輝度劣化を計算するためには、異なる温度におけるＯＬＥＤ素子の劣化を分析しなければならない。図２、３、及び４は、典型的なＯＬＥＤの輝度出力を時間の関数としてプロットしたものである。即ち、線２４は50℃における輝度に対応し、線２６は70℃における輝度に対応し、そして線２８は80℃における輝度に対応している。これらのプロットにおける１つの重要な特色は、輝度の減衰が約50％の輝度劣化まではほぼ線形であることである。つまり、輝度の劣化は本質的に加法的であり、輝度劣化を予測するために要する数学が大幅に簡易化されると結論付けることができる。劣化が加法的性質であることは、種々の温度における劣化を加算することによって時間の経過に伴う合計輝度劣化を決定できることを暗示している。

図５は、10％輝度劣化に要する時間数を温度の関数としてプロットした（プロット３０）グラフである。プロット３０は、１／Ｔ（Ｔはケルビン（K）で表した温度である）の関数としての対数スケール上でほぼ線形である。10％輝度劣化までの時間と温度との間のこの対数関係は、温度に対する輝度劣化に関する方程式を、以下の式（１）によって表すことができることを示している。

明らかに、温度が上昇するにつれて、減衰時間は指数関数的なものよりも大幅に短くなる。各温度における輝度劣化レートは全輝度の50％までほぼ線形に下降しているから、50％まで下降するどの減衰点も式（１）の定数Ｋ₁及びＫ₂を解くために使用することができる。図２及び４に示すプロットに基づいてＫ₁及びＫ₂を解くために、式（２）−（１０）が与えられる。

Ｋ₁及びＫ₂を式（１）に代入することによって、式（１１）が得られる。

式（１１）に対応するプロット３２を図６に示す。式（１１）を検算するためにプロット３２と図５のプロット３０とを比較すると、図２−４に示されている実験データが式（１１）と一致していることが分かる。輝度劣化レートは温度に関して線形であるから、ＯＬＥＤの寿命をモデル化するために積分技術を式（１１）に適用することができる。一般的に言えば、所与の温度における消耗レートは、式（１２）によって表すことができる。

式（１２）の関係は、輝度劣化（ニット（cd/m²）で測定）が室温における動作時間数に比例することを表している。式（１１）は、輝度が10％まで劣化する時間と温度との間の関係として定義されており、0.1即ち10％の指定された輝度劣化に関しては（１１）を式（１２）へ代入できることに注目されたい。得られた消耗レートと輝度及び温度との関係を、式（１３）に示す。

ここに、
Ｌ_iは初期輝度であり、
Ｔは温度（Ｋ）である。

式（１３）は、自動車環境について更に発展させることができる。自動車環境においては、車室内の温度は一般に指数的に変化する。例えば、ユーザが自動車を直射日光の下に駐車させた後に自動車に乗り込んで空調を機能させたものとすれば、温度は快適な室温まで指数関数的に低下する。従って、温度関数は式（１４）によって与えられる関係によってモデル化することができる。

ここに、
Ｔ₁は初期温度であり、
Ｔ₂は最終温度であり、
ΔＴ＝Ｔ₁−Ｔ₂であり、そして
τ＝時定数である。

式（１４）を式（１３）へ代入すると、式（１５）が得られる。

式（１５）を時間について積分すると、式（１６）に示すような特定の高温始動の合計輝度劣化が得られる。

例えば、開始温度Ｔ₂＝85℃、終了温度Ｔ₁＝25℃、全輝度＝250ニット、及び典型的な冷却時間として時定数τ＝20分を使用して、自動車高温始動モデルを開発することができる。次の式（１７）は、上述した高温始動値の代入を含む式（１６）を表している。

図７の線３４は、式（１７）をプロットしたものである。式（１７）内に含まれる積分を遂行するのに要求される複雑なルーチンを実時間で実現するには、プロット３４が本質的にほぼ指数であるように見えることから、式（１７）に記述されている関係を指数関係として推定することができる。従って、図７に示すプロット３４に基づいて指数関数を式（１７）に適合させる。従って、消耗レートの初期値を式（１８）によって決定する。
ｔ＝０において、

更に、式（１９）に示すように、消耗レートの最終値は、時間を無限大にすることによって計算する。
ｔ＝∞において、

式（１８）から消耗レートの最終値は0.0047に接近し、式（１８）と式（１９）の結果の間の差は0.5653である。これらの結果を標準指数形に代入すると、式（２０）の曲線当てはめ関数を求めることができる。

図８に、式（１７）からの実験的消耗レートのプロット３６と、式（２０）からの推定消耗レートのプロット３８との比較を示す。式（２０）を式（１７）の積分内へ代入することによって、式（２１）が得られる。

式（２１）から、ｔ≫0.045時間（2.7分）である場合には、0.02544ニットの輝度劣化が発生することが分かる。従って、各高温始動が、ディスプレイの輝度を25.44ミリニットだけ劣化させる。0.0047ｔ項は、室温における各動作時間毎に輝度が4.7ミリニットだけ低下することを示している。

以上の検討と同様に、式（１３）に50℃を代入すると、50℃における高温始動の消耗レートを決定するための式（２２）−（２３）が得られる。

詳述すれば、ｔ＝∞においてはＣＲ＝0.0047であり、これは式（２０）と同一である。これらの結果を標準指数形へ代入すると、式（２４）に示す関係によって50℃における消耗レートを推定することができる。

図９に示すプロット４０は、50℃における式（１７）に対応している。同様に、プロット４２は、式（２４）によって与えられる消耗レートに対応している。図９のプロット４０及び４２を調べると、時定数0.08の選択が、85℃の式のために使用されている時定数0.045よりも良好な選択であると決定することができる。0.08の時定数を代入し、式（２４）を積分することによって、式（２５）が得られる。

式（２５）の結果から、50℃における高温始動に起因する0.00307の輝度劣化が、85℃における高温始動によって消耗される0.02544よりも遥かに小さいことが理解されよう。

種々のＯＬＥＤ駆動レベルを斟酌するように上式を更に発展させるために、ＯＬＥＤデバイスの寿命が輝度レベルに逆比例するものと想定することができる。例えば、ディスプレイが100ニットの対応輝度に対して10,000時間の半寿命を有しているものとすれば、もし1000ニット状態の下で試験すれば1,000時間の半寿命を有することが期待される。更に、この関係が異なる温度の下でも保たれるものと想定する。駆動レベル関係を斟酌するように消耗レート公式を適応させるには、これらの式に係数Ｌ_OP／Ｌ_Nを乗ずることによってこれらの式を変更する（但し、Ｌ_OPは動作輝度であり、Ｌ_Nは通常動作輝度である）。[
定数×関数]の積分は定数×[関数の積分]であるから、輝度劣化公式を単にＬ_OP／Ｌ_N倍するだけでよい。従って、新しい輝度劣化方程式は、50℃の場合の式（２６）、及び85℃の場合の式（２７）によって与えられる。

自動車応用に適用するようにこれらの公式を更に発展させるために、最悪例シナリオ（例えば、アリゾナ州フェニックス）においてＯＬＥＤ材料がどれ程輝度を低下させるかを式（２６）及び（２７）を使用して推定する。毎年15,000マイルで10年間走行し（合計150,000マイル）、平均速度が30マイル／時であるものとすれば、合計動作時間数は式（２８）によって5000時間と決定される。

半分が夜間のドライブで、残りの半分が日中のドライブであるものとし、また半分のドライブが夏期に行われ、半分が冬季のドライブであるものとすれば、車室内温度が約85℃である夏期には、毎日ほぼ２回の高温始動が行われる。高温始動の回数は、式（２９）によって3650回の高温始動と決定することができる。

85℃における高温始動式（２７）が、各高温始動時に25.44ミリニットを消耗することを表しているものとする。従って、25.44ミリニット×3650回高温始動として、式（３０）が得られる。

式（３０）は、日中の動作の場合にはＬ_OP＝Ｌ_Nであるとして、85℃における高温始動を原因としてＯＬＥＤ輝度が92.8ニットだけ低下することを予測している。25℃における全240ニット日中輝度での合計動作時間は、合計5000時間または2500時間の1/2である。全輝度日中動作の場合には、Ｌ_OP／Ｌ_N＝１である。従って、次式（３１）によって与えられるように、通常日中動作中には11.5ニットが消耗される。

25℃の夜間動作が2500時間にわたる場合に40ニットが消耗されるものとすれば、式（３２）が得られる。

式（３２）は、夜間動作によって約1.95ニットが消耗されることを表している。以上の説明から、ディスプレイの寿命について合計輝度劣化を以下の表１に要約して示す。

表１から、輝度低下の殆どは、温度が空調によって通常車室温度に戻されるまでの高温状態でＯＬＥＤが動作する短い時間によってもたらされることが分かる。従って、高温始動時の輝度を制御すれば、ディスプレイの寿命に重大なインパクトを与える。

高温始動時の輝度を低下させるように制御するために輝度をデレートさせる簡単な方法は、25℃における全輝度から、85℃における全50％までディスプレイの輝度を線形に低下させるステップを含む。温度（Ｋ）の関数として動作輝度を解くために、式（３３）−（３９）を使用する。

式（３９）は、Ｌ_OPを、25℃におけるＬ_Nから、85℃における0.5×Ｌ_Nまで線形に低下させる。式（４０）の既知の関係から始めて、高温における輝度をデレートさせることによって得られる輝度劣化節約を決定するための輝度劣化公式を開発することができる。

式（３９）からの動作輝度を式（４０）へ代入すると、式（４１）が得られる。

更に、空調を20分間使用して温度を85℃から25℃まで低下させたものとすれば、式（４２）によりＴ_Kが得られる。

式（４２）を式（４１）へ代入することによって、式（４３）が得られる。

本明細書において先に提唱した方法によれば、最終項及び最初の定数を使用して、式（４４）による曲線の当てはめを行うことができる。

式（４５）−（５０）は、式（５０）において与えられる曲線の当てはめを解くステップを示している。

式（５０）について、最初の２項が、式（２１）から先に計算された輝度劣化に一致していることが理解されよう。従って、輝度を85℃において50％まで低下させることから、最後の２項は高温始動時に節約される輝度劣化の量を表している。従って、3650回高温始動であるものとして、輝度節約は式（５１）によって計算される。

要約すれば、表２は、輝度の劣化が、高温始動時に全輝度でディスプレイを動作させた場合の44％と比較して20％まで減少していることを示している。

更に、20℃−30℃の間で始動させ、80℃−90℃の間で約50％の輝度に達するようにディスプレイ輝度をデレートさせることによって、同じような結果を得ることができる。更に、輝度劣化曲線に基づいてディスプレイ輝度をデレートさせる非線形伝達関数が容易に実現される。一例は、輝度劣化曲線に対して逆比例関係を有する伝達関数を含む。

当業者には、以上の説明が本発明の原理を説明しているものであることは容易に理解されよう。本発明は、本発明の思想から逸脱することなく多くの変更、変形、及び変化を為し得るものであるから、以上の説明が本発明の範囲または応用を限定するものではない。

本発明による放射ディスプレイの輝度劣化を補償するシステムのブロック図である。 典型的なＯＬＥＤの50℃における輝度出力の時間に対するプロットである。 典型的なＯＬＥＤの70℃における輝度出力の時間に対するプロットである。 典型的なＯＬＥＤの80℃における輝度出力の時間に対するプロットである。 温度の関数として10％の輝度劣化に到達するのに要する時間数を示すプロットである。 温度の関数として10％の輝度劣化に到達するのに要する時間数を推定するために使用される指数目盛りのプロットである。 自動車高温始動による消耗レートのプロットである。 自動車応用における推定消耗レートのプロットである。 自動車応用において、50℃における実際の消耗レートと50℃における推定消耗レートとを比較するためのプロットである。

符号の説明

１０ 輝度劣化補償システム
１２ 制御回路
１４ 放射ディスプレイ
１６ 温度センサ
１８ 所望輝度信号
２０ ディスプレイ駆動信号
２２ フィードバック信号

Claims (7)

1. ディスプレイの輝度劣化を補償するシステムであって、
   前記ディスプレイに結合され、前記ディスプレイの輝度を制御する電力を前記ディスプレイへ供給するように構成されているコントローラと、
   前記ディスプレイの直近に配置され、前記コントローラと電気的に通信する温度センサとを含み、
   前記コントローラは、前記温度センサによって測定された温度に基づいて前記ディスプレイ輝度を変化させるように構成されていることを特徴とするシステム。
2. 前記コントローラは、第１及び第２温度範囲を限定し、前記ディスプレイの温度に基づいて前記第１温度範囲にわたって前記ディスプレイの輝度を変化させるように構成され、
   前記第１温度範囲における前記ディスプレイ輝度は、線形成分を有する伝達関数によって変化させられ、
   前記ディスプレイ輝度は、Ｌ_OPを前記ディスプレイ輝度とし、ｍを利得とし、Ｔ_Kを前記ディスプレイの温度とし、ｂをオフセットとして、Ｌ_OP＝ｍ*Ｔ_K＋ｂなる関係に基づいて変化させられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. ＯＬＥＤディスプレイの輝度劣化を補償する方法であって、
   前記ＯＬＥＤディスプレイに電力を供給するステップと、
   前記ＯＬＥＤディスプレイの温度を測定するステップと、
   前記ＯＬＥＤディスプレイの温度に基づいて前記ＯＬＥＤディスプレイの輝度を変化させるステップとを含む、
   ことを特徴とする方法。
4. 前記ＯＬＥＤディスプレイの温度が増加するにつれて前記ディスプレイ輝度を低下させるステップを更に含み、
   前記ディスプレイ輝度は、Ｌ_OPを前記ディスプレイ輝度とし、ｍを利得とし、Ｔ_Kを前記ＯＬＥＤディスプレイの温度とし、ｂをオフセットとして、Ｌ_OP＝ｍ*Ｔ_K＋ｂなる関係に基づいて変化させられる、
   ことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. ＯＬＥＤディスプレイの輝度劣化を補償するシステムであって、
   前記ＯＬＥＤディスプレイに結合され、前記ディスプレイの輝度を制御する電力を前記ＯＬＥＤディスプレイへ供給するように構成されているコントローラと、
   前記ＯＬＥＤディスプレイの直近に配置され、前記コントローラと電気的に通信する温度センサとを含み、
   前記コントローラは、前記温度センサによって測定された温度に基づいて前記ディスプレイ輝度を変化させるように構成されていることを特徴とするシステム。
6. 前記コントローラは、線形項を有する伝達関数に基づいて前記ディスプレイ輝度を変化させ、
   前記コントローラは、Ｌ_OPを前記ディスプレイ輝度とし、ｍを利得とし、Ｔ_Kを前記ＯＬＥＤディスプレイの温度とし、ｂをオフセットとして、Ｌ_OP＝ｍ*Ｔ_K＋ｂなる関係に基づいて前記ディスプレイ輝度を変化させる、
   ことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 前記コントローラは、第１及び第２温度範囲を限定し、前記ＯＬＥＤディスプレイの温度に基づいて前記第１温度範囲にわたって前記ＯＬＥＤディスプレイの輝度を変化させるように構成され、
   前記第１温度範囲における前記ディスプレイ輝度は、線形成分を有する伝達関数によって変化させられ、
   前記ディスプレイ輝度は、Ｌ_OPを前記ディスプレイ輝度とし、ｍを利得とし、Ｔ_Kを前記ＯＬＥＤディスプレイの温度とし、ｂをオフセットとして、Ｌ_OP＝ｍ*Ｔ_K＋ｂなる関係に基づいて変化させられる、
   ことを特徴とする請求項５に記載のシステム。

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