[发明专利]用于控制发光二极管阵列的光强度输出的系统和设备

说明书

技术领域

本发明一般来说涉及发光二极管(LED)阵列。更加具体地说，在这里公开的本发明的多种方法和设备涉及控制LED阵列的光强度输出的方法和系统。

背景技术

数字发光技术，即基于诸如LED之类的半导体光源的照明，提供对于传统的荧光灯、HID和白炽灯可行的替换方案。LED的功能性优点和益处包括：高的能量转换和光学效率、耐用性、较低的操作成本和许多其它的优点和益处。LED技术的最近进展已经提供了高效并且可靠的全光谱光源，其可以实现许多应用中的多种发光效果。体现这些光源的一些固定装置是以发光模块为特征的，所述发光模块包括能够产生不同颜色(如红、绿和蓝)的一个或多个LED以及用于独立地控制LED的输出以产生多种颜色和颜色变化发光效果的处理器，例如在美国专利第6016038号和第6211626号中所详细讨论的那样，在这里通过引用并入了所述专利。

在用于显示设备的阵列中，经常使用高通量LED。一类显示器被称为高动态范围(HDR)显示器，其中LED阵列安装在散射器的后面，以便为LCD平板提供背光。但是，尽管许多已知的LCD监视器的LED被设计用来提供具有空间均匀的亮度的背光，但是HDR显示器中每个LED的强度是单独调制的。在操作中，对视频流的每一帧进行向下采样，以便产生具有等于LED阵列的行和列的数目的分辨率的图像。然后该低分辨率的图像对LCD平板上显示的高分辨率图像照明。然后，与许多已知的LCD监视器的典型动态范围500∶1相比，观看者感知具有高达200,000∶1的动态范围的原始的高分辨率视频图像。

虽然在已知的(非HDR)显示器中已经使用散热器来实现热平衡，但在HDR显示器中实现热平衡并不可行。值得注意的是，LED是磷涂覆的InGaN LED或者具有InGaN LED和AlInGaP LED两者的红-绿-蓝LED簇。如本领域的普通技术人员应该认识到的，InGaN LED和AlInGaP LED两者的强度取决于LED结温度。结温度进而取决于驱动电流和与LED封装的接触点处的散热器的温度。虽然驱动电流是已知的，但是散热器的温度分布是未知的，因此不能预测LED强度。

不幸的是，高通量LED只将大约15％至大约25％的驱动能量转换成光，其余的驱动能量作为热量而耗散。发射红色波长的光的LED可能遭受多达50％的输出强度下降，而发射绿色和蓝色波长的光的LED遭受数量级为大约5％至大约20％的光强度降低。因此，由于增加的操作温度所产生的光强度减少不仅能减少由高通量LED提供的总的光强(如并入LED的显示器的亮度)，而且还能由于不同LED的输出的不均匀变化而使基于红光、蓝光和绿光的某些部分的图像发生畸变。

许多常用的LED是磷涂覆的InGaN LED或者具有InGaN LED和AlInGaP LED两者的红-绿-蓝LED簇。InGaN LED和AlInGaPLED两者的强度取决于LED结温度。结温度进而取决于驱动电流和与LED封装的接触点处的散热器的温度。虽然驱动电流是已知的，但是散热器的温度分布是未知的，因此不能预测LED强度。

通过考虑在黑色背景上显示白色方块的恒定图像一个小时左右的HDR显示器，可以理解预测LED强度水平的这种困难的结果。在这种情况下，散热器将达到热平衡。取决于LED封装之间的热阻，在照明的LED和未照明的LED之间的温差可能是几十摄氏度。如果视频图像突然变为全白，则先前未照明的LED将初始地具有较低的结温度，并因此具有高强度。观看者将感知该方块的低分辨率的负图像，所述负图像随着散热器接近其新的热平衡而慢慢消失。

因此，需要一种方法和设备来预测LED阵列的散热器的温度分布，以便在每秒30帧至120帧的视频速率下，可以预测每个LED的强度。一个可能的解决方案是，在每个视频帧的起始测量每个LED的正向电压。如本领域技术人员所知，LED的正向电压取决于结温度，并且因此可用作结温度的替代测量值。与驱动电流组合，该测量值可以确定LED的强度。

该解决方案的缺点是，它需要高速、高分辨率的模拟-数字转换器来测量高达一千或更多LED的正向电压。该解决方案是昂贵的，因此不实际。

因此，在本领域中需要一种方法和系统来控制LED阵列的光强度输出，所述方法和系统至少克服上述的缺点。

发明内容