专利名称：具有单独发光二极管亮度监控能力的发光二极管光源/显示器以及校准方法
技术领域：
本发明涉及LED光源/显示器，具体地说适于以适合大量个人观看的符号以及公告板形式的大格式视频和图形显示。
背景技术：
作为用于对大众做广告和用于向大众传递信息的媒体，广泛使用大符号和公告板已经许多年来了。按照惯例，符号和公告板用于展示单个广告主题、产品或者消息。由于这种媒体的固定的打印性质，它不适合显示诸如电视的媒体所公用的较大的一系列思想。当在大型户外和户内显示器上显示变动图像时，基于发荧光和白炽光的显示技术成功实现的范围有限。然而，诸如发光二极管(LED)的光源技术的进步已经使这种二极管大量替换荧光显示器和白炽光显示器，用于例如对角尺寸超过100英寸的大格式户外和户内显示器，在要求超过比如500尼特(nit)的显示亮度的环境照明条件下，从20英尺或者更远外可以观看这种显示器。在此术语LED用于统称发光半导体元件，即，LED DIE以及具有透镜和/或者反射镜封装的元件。
在现有的高端市场中，现有的LED视频和图形显示器的当前经济性和价格/性能比足以替换白炽光、CRT以及保护显示技术，然而，现有的LED显示器本身具有影响这种显示器的增长潜力的缺陷。
正如通常所称的那样，LED视频/图形显示板采用以形成阵列的像素(作为分立组)排列的彩色LED。每个像素分别包括一组LED，例如，红(R)、蓝(B)和绿(G)，它可以发出所需颜色或者色调的光，表示显示的图像的最小增量(或者可感点)。
LED显示器和质量恶化问题在以像素级使用期间，其具有固有质量恶化的情况下，因为随机分布亮度、支配性波长(彩色坐标)以及LED片(DIE)结构，产生了用作光源的LED在亮度、寿命和节能方面的好处。在生产过程中或者批量生产过程中，对于各LED或者封装LED，它们的质量恶化率和质量恶化状态不同。将各LED划分为较小亮度分布范围和色调有界(hue-bounded)范围仅降低了对初始质量的副作用。LED累计工作时间导致了对LED质量恶化的长期影响，而且工作结电流、温度以及湿度的升高促进了对LED质量恶化的长期影响。质量恶化状态根据LED结的一致性发生变化，这样，导致直观效果和经验效果降低，在结构上，与某些批次中较低亮度的LED相比，较亮的LED(或者封装的LED)和特定晶元批次中的LED还是具有较低的质量恶化率的较好LED。
体育比赛使用的视频显示器和广告系统每年的工作时间平均小于800小时。即使在容纳诸如篮球和曲棍球的两场体育比赛的公共区域内，这种系统每年的工作时间也很少超过1,500小时。在这种应用中，各像素的累计通电或者混合使用每个基色的一个或多个LED的时间，对于蓝色不到400小时，对于红色不到800小时，而对于绿色时间更短。
通常，对于这种系统每年的负担，计算要将室外广告(“OHA”)的置于约8,760小时。此外，这种广告主要是静态图像内容，对于体育比赛的视频集中内容(video intensive content)，这样导致增加的工作时间。在5年内，高环境光OHA位置可能导致估计超过20,000小时的内容和LED灯的工作时间。其他变量，例如，边界对中心模块的分布、图像的主色以及背景可能缩短像素或者一组像素的工作时间，从而使构成像素或者该组像素的LED质量恶化。
OHA主要是静止图像，其中质量基准是打印介质，而图像质量通常要求苛刻。Mr.Charles Poynton是电子显示彩色识别权威，根据Mr.Charles Poynton的观点，对于普通观众，色差＞1％是可以觉察到的。食品、服装、化妆品以及汽车的广告内容通常具有细微差别和逐渐变化的色梯度。对于图像质量以及最终使广告商满意并使消费者接受实际商品的精确润色，精确润色至关重要。
在我们先前的第6,657,605号美国专利(“605号专利”)中，构成显示器的LED模块的特征在于可以进行一致性校正的像素电平。反过来，一致性校正又保证整个显示器内的每个基色LED具有一致亮度。
在605号专利中对利用外部光传感器进行一致性校正进行了一般说明，下面做概括说明。
Nichia或者诸如Agilent、Lite-On、Kingbright、Toyoda Gosei等的其他销售商制造的LED灯被划分为多个组，它们被称为具有+/-15％至+/-20％之间的烛光强度变化的等级(rank)或者(bin)。在假定可以以不太高的费用从上述供应商获得具有+/-10％变化的类似LED灯等级的情况下，实现一致性校正。利用用于特定LED模块的特定等级批量生产被称为LED模块的视频显示设备。在这样构造的LED模块中，一个等级的LED以由它们的等级确定的一个前向电流电平Ifr工作，而下等级的其他LED模块内的LED以更高电平工作，以致在批量生产期间用于特定显示器的所有LED模块具有相同的非一致性校正平均亮度，当以同样的R、G、B电平工作时，它接近D6500白色(即，模拟黑体在6500°k的辐射)。
根据该优选方法，通过在图像帧间隔内调制一个或多个LED被接通时间的比值或者百分率，用于对LED供电的电源和恒流源驱动器电子器件改变一个或多个LED的输出强度。通常，将这种调制称为脉宽调制(PWM)。在此使用的术语％ON TIME表示可以在0与100之间变化的百分率值，其中0表示LED完全断开，而100表示LED完全接通。
之后，当在输入能量的一个或多个固定电平至重复性高电平之间(＜+/-2％)工作时，特性或者测试系统测量该模块每个像素内的每个LED色的亮度。然后，计算配置了特定LED模块的整个显示器的SMPTE D6500白色要求的R、G和B彩色的归一化亮度，产生一致性校正系数表。该系统对图像数据应用一致性校正系数数据，这样可以使每个像素就像是具有均匀亮度的LED像素矩阵的一部分那样的工作。
解决质量恶化问题的现有技术方法这样构造的LED显示器表现的图像质量显著高于未进行某种形式的一致性校正的显示器的图像质量。尽管该解决方案保证新显示器具有非常好的图像质量，但是要求在体育比赛期间，在间歇工作之外，进行大量长期预测。随着LED显示器的老化，维护成本逐步增加，而且平均色一致性以由LED累计工作时间确定的某种程度上可预测的方式降低。某些LED视频显示器制造商是在显示期间利用预测算法补偿LED质量恶化。不能根据内容导出的预测模块来计算诸如封装内的环境应力和各DIE特性的不可预测因素。通过测量每个像素上的每种色的一个或多个LED的亮度，即，发光强度，然后，通过响应于该像素的图像信号数据施加另外的能量或者％ON-TIME，以致它产生的光输出与它在首先特性化(characterize)该像素的输出时产生的输出相同，能够克服这个缺陷。
行业标准LED显示模块结构采用50deg×110deg的“特大椭圆(super-oval)”阵列，LED灯焊接到印刷电路板上，然后，将该印刷电路板固定并封装到安装架上，其中用于密封LED灯的封装材料是黑色不透明的，以保证发出的图像光的对比度。典型的13’4”×48’的电子公告牌具有隔开1”的92,160个像素以及包括在其360,16像素×16像素的LED模块内的368,640个LED。
一旦将显示器布置到现场，解决LED质量恶化的唯一可行方法是使用外部测量装置，例如，设置在外部的校准CCD摄像机，分别测量每个像素内的每个LED的光输出值。然后，将该值与特性化时的值进行比较，之后，分别调节对每个LED的供电，以对产生的已知图形实现一致响应。尽管该方法适合在诸如拉斯维加斯、时代广场以及洛杉矶的日落大道的位置进行集中显示，但是难以使美国的公告牌操作员处理的成千上万电子公告牌的图像质量保持校准。
显然，需要诸如LED公告牌模块设计的LED光源，在不使用外部测量装置的情况下，它可以保持显示器的图像质量。特别是，需要基于反馈的光传感器，它在光源/显示器的内部，可以分别测量位于每个像素内的一个或多个LED的每一个所发出的光，例如，表示分立彩色的发光强度。在此使用的术语像指一组LED，它表示该光源的有限区域，或者显示器上的最小增量或者可感点，而且能够重现该光源/显示器的所有颜色和色调。
关于使用具有LED的光源，将这种传感器/检测器与LED封装在一起已经不是新的了。例如，为了通过诸如光导管的光传输介质通过电隔离阻挡层发送数据，广泛使用光隔离器或者光耦合器。作为激光二极管封装的集成部分，还利用光电二极管提供反馈，以进行输出控制。
还将参考授予James T.Russel的第5,926,411号美国专利，它描述了CCD检测器和用于设置数据检测阈值的电路，甚至还描述了将LED用作检测器的可能性。尽管现有LED符号和公告牌显示系统以及特定现有技术使用光电检测器，但是没有满足上述要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于LED显示器的装置，用于在显示器的使用期内检测并补偿LED光输出的预期的质量恶化。另一个目的是提供非常靠近一个或者多个LED的积分光电检测器，以便在其使用期的任意时间对一个或多个LED的每一个输出的光进行测量。另一个目的是通过控制每个像素内表示每个分立色的每个LED的绝对输出发光率，在包括多个像素的LED显示器上产生并保持高质量图像，因此在整个显示器上，该显示器在亮度和彩色方面表现出一致性。
在此使用的术语“一个或多个LED”指每个像素内的单个或者多个LED，它们用于发出分立色的光。例如，图4示出两个红色LED，用于发出被感觉为红色的光。
诸如电子公告牌显示器的LED区域光源或者显示器由多个独立的LED像素构成，其中每个像素包括多个LED，例如，单独或者一起封装的红色、绿色和蓝色LED，设置表示分立色的一个或多个LED，以便分别对它们进行供电，从而通过同时对一个或者多个LED进行供电，从像素发出任意所需颜色。设置至少一个光传感器，以在分别对所述一个或多个LED进行加电时，提供表示测量值，例如，光源/显示器的一个或多个LED的每一个发出的光的发光强度的输出信号。至少一个光传感器可以包括与一个或者多个像素或者与每个LED相关联的传感器。
根据在光源/显示器内确定LED质量恶化的方法，以给定电平，分别对在每个像素内表示分立色的一个或多个LED的每一个进行加电，对于所有LED，在特性化时间t0，该给定电平可以等于，但是不必须等于，例如，100％ON TIME。与此同时，读取并存储相关联的光传感器的输出信号，该输出信号具有与发出的光，例如，发光光强以及加电电平的给定关系。在时间t0之后的时间tn，以给定电平，例如，100％ON TIME，对表示每个像素的分立色的一个或多个LED的每一个进行加电，读取相关联的传感器的输出信号，将它与时间t0时的相应输出进行比较。
假定在特性化时，对于所有LED，以低于最大能量电平的电平，例如，100％ON TIME操作该显示器，则通过利用t0与tn时的传感器输出信号之间的差值控制，即，升高，发生质量恶化的一个或多个LED的每一个的加电，例如，％ON TIME，单独的LED可以恢复到其特性化状态。
通过参考下面结合附图所作的描述，可以最好地理解本发明的结构和操作。
图1是像素阵列构成的视频显示模块的前视图，其中每个像素包括多个LED；图2是用于对图1所示阵列内的LED供电并用于读取嵌入式光电检测器的输出的电子系统的框图；图3是图1所示像素之一的前视图；图4是沿图3所示线4-4截取的剖视图；图5、6和7分别是将Led激活元件，即，LED DIE与光电二极管的激活元件一起封装在一个包封内的替换像素排列的透视图、平面俯视图(其中省略了透镜)以及剖视图；图6a是图6所示LED/光电二极管激活元件的放大平面图；图8、9和10分别是图5-7所示像素的修改的实施例的透视图、平面俯视图以及剖视图；
图11是利用光谱辐射计校准或者特性化的像素的剖视图；图12是用于特性化显示模块的测试系统的方框图；图13是图2所示部分光电检测器以及用于读取检测器输出的测量电路的原理图；图14是用于自校准单个LED的算法的流程图；图15是特性化算法和使光电检测器的输出与LED光输出以及加电电平相关的更详细的流程图；图16是示出显示器的可选运算的流程图；图17是示出自校准过程的流程图；以及图18-21是示出可选显示模式的流程图。
具体实施例方式
使用内部光电检测器测量发出的光和环境光在我们于2003年11月16日提交的标题为“Video DisplayApparatus”的第10/705,515号美国未授权专利申请以及605号专利中描述了一种由模块阵列构成的LED光源或者显示器，其中每个模块分别包括单独的LED组或者像素，每个像素包括光源或者显示器的有限区域或者最小增量。在此完全包括515号专利申请和605号专利的内容并引入供参考。
现在，参考附图，图1示出605号专利描述的LED视频显示模块或者阵列10，该专利包括单独的像素(图形单元)11。显然，按照惯例，视频显示器由以阵列方式组装在一起，以构成完整符号或者公告牌的单独的模块构成。在此使用的术语“阵列”指单独的模块或者阵列。图2示出用于操作阵列10、同时提供自校准的系统，在该系统中，通过将阵列完全包括在模块12中的电子模块12，将PWM电流送到LED阵列，模块12包括微控制器12a、程序存储器12b、共享存储器12c、逻辑控制器/电源12d以及模拟处理电路系统12e。APC14控制该电子模块的运行过程。嵌入该阵列的光电检测器阵列16将分别与每个像素或者LED相关联的单独的光传感器或者光电检测器输出的输出信号送到电子模块12，如下所述。
本专利申请的主题是实现515号专利申请的光源/显示器10，以完全包括用于测量每个表示分立彩色或者基色的一个或多个LED发出的光的内部光传感器/光电检测器以及用于运行该内部光传感器/光电检测器的电子器件。在对许多这种像素进行分组，以形成阵列的情况下，结合图4至10仅说明一个LED组或者像素。此外，尽管515号专利申请特别提供了利用衍射光学元件以椭圆图形色散发出的光，但是本发明并不局限于使用这种扩散器。此外，一个或者多个LED DIE以及光传感器可以被安装在一个光学封装内，即，共享一个反射器/透镜，下面将做更详细的说明。
图3和4示出包括两个红色LED 18、一个蓝色LED 19以及一个绿色ELD 20的单一像素。请注意，每个像素内的LED的数量和颜色的分布并不局限于刚刚说明的数量和颜色分布。为了产生各种色温，可以将具有不同发射波长的附加LED完全包括在像素中。通过常用表面安装设置或者通过孔安装设置，将LED安装在印刷电路板21上。还将例如PIN或者PN光电二极管形式的光传感器或者光电检测器22安装在与LED相邻的电路板上，例如，如图3所示的中心位置，以分别接收每个LED发出的光。外壳24支撑该电路板，而光整形(shaping)扩散器26，例如，515号专利申请描述的光整形扩散器粘接到该外壳上。像素辐射出由30表示的光。例如，安装在该电路板上的扩散器26和反射器33从内部反射每个LED发出的一些光，以致包括在该像素内的光电二极管22接收少量、但是固定百分比的辐射像素光。
在图3和4所示实施例的修改的实施例中，可以由芯片组34形成像素，在该芯片组34中，多个LED DIE和光传感器/光电二极管结被安装在公共衬底上，如图6和7所示。芯片组包括两个红色LED DIE36、一个蓝色LED DIE 38、一个绿色LED DIE 40和光电二极管结42。在此使用的术语光传感器/光电二极管总的作为封装在分立包封内的光电二极管提到，如图3和4所示，或者被总的作为封装在包括一个或者多个LED DIE的包封内的结提到。
在芯片组34上，将一件模制透镜/反射器44b安装在电路板21上。所示的透镜/反射镜包括固定在下面的电路板上的支柱44a。
图8至10示出图5-7所示实施例的进一步实施例，在该实施例中，芯片组34位于反射器46内，反射器46使LED发出的光以稍许准直的光束向外辐射。在上述两个实施例之任意一个中，与图3和4所示的系统相同，相关的光电二极管接收LED发出的部分光。
在需要时，图3和4所示的所有光学元件18至20或者图5至10所示的元件36、38、40和42以及扩散器26和反射器33关闭彼此固定。该像素内、表示分立色，例如，红色的LED或者LED的组合发出的照射光电二极管的辐照量与该像素内的LED或者LED的组合发出的辐射直接成正比关系。这样假定消除了任意环境光影响，或者已知并删除了任意环境光的影响，而且在对于红色、蓝色和绿色LED光谱辐射，光电二极管的响应不同时，对任意的一个或多个LED的响应对于时间和工作温度始终保持固定。LED和内部光电二极管在区域光源或者视频显示器内的这种排列可以允许(1)补偿单独的LED质量恶化(即，自校准)；(2)检测LED的严重故障；(3)确认显示图像(即，内容证实)；(4)通过测量环境光电平，使显示亮度连续(即，自动亮度控制)；(5)对部分阴影显示进行亮度补偿；以及(6)检测光输出障碍(例如，图纹(graffiti))，下面将做更详细说明。
概述说明特性化该阵列和后续自校准的准备为了显示高质量图像，必须通过互相成比例地调制各LED的强度，控制每个像素的亮度，即，发光率，即，光强度以及颜色，即，色度，以致它们的复合光输出产生所需的光强和颜色。如上所述，在该优选实施例中，通过在图像帧间隔内调制接通LED的部分时间，即，通过进行PWM，图2所示的显示电子器件改变LED的光输出强度。这样允许改变LED的可感输出强度，即，发光率，而无需改变其可感色。
在因数校准，即，特性化以及后续自校准的概括说明中，图11和12所示的测试系统以完全输出光强，即，100％ON TIME顺序驱动每个LED(如图11示出的红色LED所示)。该测试系统包括PC 48，用于控制x-y表54，在特性化期间，在该x-y表54上安装阵列，以使每个像素分别顺序定位在校准光谱辐射计50的下面，该校准光谱辐射计50具有它的光积分球50a(在605号专利中进行了描述)。光谱辐射计50测量每个像素内的表示分立色的每个LED的发光强度和光谱特性。根据每个基色的CIE(Commission Internationale de 1’clarirate)2 deg xyz色度坐标，测试系统计算表示分立色的一个或多个LED的每一个的三色值色度矢量bxyn，下面将结合图15做更详细说明。将该测量值存储在文件中，然后，将该文件传送到图2所示的PC 14，并存储到该PC 14内，供工作使用。
在LED接通的情况下和在LED断开的情况下，测量分别与每个像素内的每个表示分立色的一个或多个LED相关联的嵌入式光电二极管22的输出。如上所述，优选在以100％设置LED ON TIME的情况下进行测量。在此，有时将测量的光电二极管的输出称为输出信号。利用对应于部分LED光输出的接通测量值加上产生每个像素的每个表示分立色的一个或多个LED的基线光电检测器测量值的环境光电平测量值(M0，图14)，减去对应于环境光电平的断开测量值。将该测量值存储在存储器12b内，供工作使用。还计算表示每个光电二极管对该像素内的每个表示分立色的相关联的一个或多个LED发出的光的发光强度的响应(例如，根据流明/伏的增益)的因数，然后，在特性化时，将它存储到存储器12d内。
根据下面的判据，因数校准算法计算每个像素内的表示分立色的一个或多个LED的每一个的初始、唯一％ON TIME。调节红色、绿色和蓝色LED的发光强度，以便互相成比例，使得在命令该显示器显示白色时，在整个显示器上实现所要求的白点，例如，D6500。此外，调节目标白点发光率输出值，以使它对于每个像素是相同的，使得在命令所有像素显示相同的颜色或者光强时，在整个显示器上实现均匀亮度。最后，注意，选择具有足够光输出的适当LED保证在因数校准时提供足够的光强余量，即，峰值储备，使得在LED的输出光强始终降低时，通过增大PWM(n)％ON TIME从而在整个显示器上保持均匀光强和色平衡，来提高光输出光强到其初始值。
在特性化时，即，t0时，存储每个像素(或者像素组)内的表示分立色的一个或多个LED的每一个的加电电平，即，％ON TIME的最终值。
在特性化以及后续校准期间，为了读取光电二极管输出的输出信号，可以采用几种电路。一种这样的电路将光频率变换器和光电二极管完全包括在一个封装或者部件内，例如，Dallas，Texas的Tao，Inc制造的部件。光-频率变换器是具有光电二极管检测阵列模拟检测电路的单一集成电路，从该部件输出其频率与LED发光强度成比例的数字输出。
光-频率变换器部件提供大范围的线性的光输入信号，而且直接与数字微处理器和可编程逻辑阵列通信。鉴于大型像素阵列所需的装置的数量，使用这种预期部件的不利方面是成本高。
在数码相机中通常使用另一种用于测量照射光电二极管的光的技术。图13示出根据该技术的电路。该电路以现有矩阵方式沿行52a(利用DR1-DRN示出的)和列52b(利用DC1-DCN示出的)连接光电二极管22。为了简洁起见，被表示为VSM1-VSMN的电压(电子)源连接到该二极管的行的阴极，如图所示。尽管分立示出各电子源，但是电子源构成完全包括在LED显示阵列内的功率电子器件模块12的一部分。
利用开关晶体管60，电容器56通过放电电阻器58放电。通过PWM电子模块12，以要求的工作电流电平，例如，100％ON TIME，驱动要特性化的或者要校准的像素(行1，列1)内的红色、绿色或者蓝色LED源。驱动电路电流的上升时间终了后，被称为前向电流的驱动电流处于稳定状态，导致要辐射的特定颜色的光子与单独像素的一个或多个特定LED的前向电流成比例。
通过模块12，电子源VSM1将电子送到光电二极管行。与此同时，断开晶体管60，以去除电容器56泄漏的电荷，而接通晶体管62，以使列1的测量电容器56开始通过光电二极管22积累电荷。充电速率与光电二极管半导体元件吸收的光子数成正比。
在PC 14的控制下，电子器件模块12测量列测量电容器56从10％电源电压VSM1到90％电源电压VSM1过渡的时间间隔Tm。由于每吸收一个光子，光电二极管半导体元件就交换一个电子，所以可以测量光电二极管从LED源吸收的光的部分，然后，通过标记为64的A/D变换器，将该部分光送到电子器件模块12，进行存储。
特定像素的LED源输出的光的任何减少都导致特定像素内的PN或者PIN光电二极管半导体元件及其相关联电路测量的光的减少与减少量成正比。
由于测量对象确定LED输出的质量恶化的量，所以仅需要确定输出的减少相对于进行特性化时该像素的已知输出的百分比。作为选择的，可以确定为了使像素输出达到特性化时的原始电平对该像素要求的增加输入能量的量。因此，要求测量值与利用像素转换成光电平的电子成比例地精确。
然后，对于每个像素的红色、绿色和蓝色LED计算新的一致性校正因数，这样就提高了为了将每种颜色的像素输出升高到初始特性化该像素时的电平而要求的％ON TIME的量。
在LED模块的微处理器内计算以增加的％ON TIME形式要求的、为了补偿LED质量恶化所需的附加能量的输出量，然后，将它添加到为了产生该图像的特定％ON TIME能量输出要求的能量输出量，利用显示系统逻辑确定该能量输出量，以产生一致性校正数据，将该一致性校正数据送到显示模块。
自校准的概括说明图14示出简化的自校准算法的流程图。在时间t0，如步骤64所示，特性化显示。在后面的时间66，该模块确定是否到重新校准时间，而且如果该答案是“是”，则进行68所示的步骤，对于表示分立色的一个或多个LED的每一个计算分数的LED质量恶化ΔM。步骤70示出计算新的脉宽调制分数或者％ON TIME的过程。在步骤72，该系统确定是否可以校正LED，以保证其原始辐射光强。如果不校正LED，则将脉宽调制电平设置为最高电平，即，100％，利用存储在电子器件模块内的信号，报告该LED超出了校正范围，然后，将它送到远程位置。可以降低该像素(或者作为整体的阵列)内的剩余LED的PWM，以使该像素返回其原始色度，这将在下面的小节说明。在步骤72，还确定是否可以校正LED，而且如果可以校正，则该系统选择另一LED，以便如果存在质量恶化则确定其质量恶化，然后，继续该处理过程，直到通过自校准过程处理了每个像素内表示分立色的所有LED。应该注意，如果相邻像素发出的光不影响读取精度，则可以对许多像素同时进行该过程。
特性化、自校准以及正常工作算法现在参考图15，在步骤80和82，测量基线光电检测器测量值bMCn，然后，计算三色色度矢量bxyzcn，如上所述。
测量了与每个像素有关的三基色(红色、绿色和蓝色)后，该测试系统进行计算(84)，该计算过程产生3个特性参数Wn、PDgainn以及DTin，它们是根据该像素的要求光强、像素的要求白点以及像素的测量的色度和光强计算的(82)。Wn是3 PWM比例因数的矢量，该矢量产生像素n的目标白点。以小于可能的最大值的值选择输出发光率值，以便在LED的PWM驱动中存在大峰值储备，因此，在显示寿命的后期，可以提高驱动电平，以在LED老化时，对发光率的降低进行补偿。PDgainn是第n个像素内的3个LED的3个校准增益因数的矢量，它使光谱辐射计测量的绝对LED输出与积分光电检测器测量的相对LED输出相关。DTin是3×3色映射矩阵，它是根据光谱辐射计测量值bXYZn计算的，而且它对应于显示器像素的彩色特性(82)。
在测试系统完成特性化LED显示板后(86)，它将所有测量值和计算值保存在数据文件内(88)，供显示器在正常工作时使用。
现在，参考图16，LED显示模块、组件、测试与显示配置(deployment)的工厂特性化后，LED显示器开始正常显示工作。调度程序(90)执行4个不同的显示工作，这是结合一天中的时间(94)利用显示器内部数据库(92)内的项目自动确定的，这或者是利用即时命令(96)自动确定的，根据需要，遥远操作员的交互作用将该立即命令发送到该调度程序。显示工作是要进一步精心执行的显示帧(98)、自校准(100)、显示黑色(102)以及抽点(snapshot)(104)。将每项工作的结果分别记录到(106)到历史数据库(108)内。
显示器的正常工作模式是显示帧，显示帧显示要求的预定图像，供目标观察者观看。源图像数据具有用于定义如何解释源图像RGB分量的相关彩色空间。如果因为从最后的显示帧工作(图18所示的110)开始，未改变源色空间，则对于显示(112)上的所有像素，显示处理器计算每个像素矢量Din，显示该帧，然后，返回到该调度程序(90)。如果已经改变了源彩色空间(110)，则显示处理器执行映射彩色的运算(114)。DIn矢量含有为了根据源图像值驱动第n个像素内的LED而要求的LED PWM值。SIn是源彩色空间内的第n个像素的源图像矢量(红色、绿色和蓝色分量)。由3×3色空间变换矩阵Tn乘以它。首先，根据工厂特性化(84)求得该Wn比例矩阵，然后，在进行了自校准运算后，从自校准(100)输出Wn比例矩阵，再利用Wn比例矩阵乘以该结果。在处理了显示器上的所有像素时，显示处理器返回到调度程序(90)。
根据源基色色度(图19所示的116)，映射色(114)运算计算源变换矩阵ST，以估计源图像数据的色空间。利用源变换矩阵ST与目标变换矩阵DTin的矩阵积，计算每个像素的变换矩阵Tn(118)。变换矩阵将源色空间参数与目标色空间参数组合在一起，以产生将源图像矢量(RGB)变换为面板图像数量(RGB)的色空间校正矩阵，从而在显示帧操作(112)期间进行显示。
调度程序(90)的下一个操作是自校准(100)。为了检验LED的状况并调节随着时间推移已经质量恶化的LED的输出发光率，周期性地安排该自校准操作。该操作与工厂特性化类似，但是未利用光谱辐射计特性化LED。替代的，仅利用积分光电检测器测量值推导实际的LED输出发光率。在LED断开的情况下(120)，自校准操作首先测量分别与每个LED相关联的积分光电检测器的输出。参考图17。然后，该系统以满输出光强驱动每个LED，测量光电检测器的值，然后，减去环境光电平测量值(LED断开)，以对每个LED产生光电检测器测量值MCn(122)。在测量了像素的每个LED后，使在工厂特性化(84)中计算的PDgainn因数和RYn因数应用于光电检测器测量值，以产生新的Wn矢量(124)。当该显示器重新开始其显示帧(98)操作时，显示处理器利用新的Wn矢量缩放该输入(112)，以保持每个像素的输出发光率。在对显示器上的所有像素进行了处理时，显示处理器返回到调度程序(90)。
调度程序(90)的下一个操作是显示黑色(102)。在显示图像之间的黑色期间，在所有LED断开(126)的情况下，显示黑色测量积分光电检测器。参考图20。这些测量值记录了当时的环境光。对它们加时间标记(128)，然后，保存它们，以在抽点操作(104)时使用它们。在对显示器上的所有像素计算了处理时，显示处理器返回到调度程序(90)。
在显示器显示静态图像时，抽点操作(104)测量积分光电检测器的值(130)。参考图21。每个像素的SNAPn值是一个像素的全部3个LED发出的光的和，而且它表示该像素的灰度级发光率。当在监视器屏幕上显示所有SNAPn值时，该图像表现为彩色图像的灰度级表示。人的视觉判断，或者通过将SNAP图像与显示图像的灰度级图像进行比较，可以利用该信息验证实际显示了要显示的预定图像。在对该显示器上的所有像素进行了处理时，显示处理器返回到调度程序(90)。
图15至21所示流程图使用的术语汇编内容一致性校正在利用其W因数将所有像素调节到相同目标白点和发光率时，实现完全一致性校正。
彩色校正为了实现精确彩色映射，每个像素具有其自己的彩色变换T。在源彩色信息每次发生变化时，都重新计算该矩阵。如果没有该矩阵，即使以W驱动的像素PWM将产生目标白点和发光率，基色之间的任意差异也将引起其他RGB驱动比产生不同的颜色。
彩色变换矩阵对其进行校正。
常数npix＝Scalar该显示板上的像素数Headroom＝Scalar保留进行补偿的％PWM比例MaxWDif＝Scalar(各W分量之间的最大差值)其他n＝Scalar像素数(O..npix-1)c＝Scalar信道数(0＝r＝Red，1＝g＝Green，2＝b＝Blue)PIXn＝name像素nLEDc＝nameLED信道c标量矢量矩阵运算S′＝max(V)＝Scalar最大矢量元素S′＝sum(V)＝Scalar矢量元素之和M′＝M*M＝Matrix矩阵矩阵乘法V′＝M*V＝Vector矢量矩阵乘法V′＝V-V＝Vector元素与元素相减V′＝V.*V＝Vector元素与元素的乘积V′＝V*S＝Vector每个元素与S的乘积V′＝V/S＝Vector每个元素与S的商目标白点信息WhitePointY＝Scalar目标白点发光率WhitePointxyz＝Vector目标白点色度WhitePointy＝Scalar白点xyz基线数据的y分量基线数据bPDkn＝Scalar对于像素n基线光电检测器读取黑色(所有LED断开)bPDn＝Vector对于像素n基线光电检测器读取像素n的R，G和B
bXYZn＝Matrix像素n的每个基色的CIE 1931 2deg XYZ三色值每列col含有像素n的一个基色的X，Y和Zcols 0＝r，1＝g，2＝b基线计算bPDcn＝Scalar像素n的bPD的元素cbMn＝Vector像素n的R，G和B的基线光电检测器测量值＝bPDn-bPDknbMcn＝ScalarbMn的元素cbYn＝Vector像素n的bXYZ的行YPDGainn＝Vector对于像素n的R，G和B从M变换为Y的增益因数＝bYn/bMnbxyzn＝Matrix像素n的每个基色的CIE 1931 2deg xyz色度坐标每个col是bXYZc/sum(bXYZc)byn＝Vector像素n的bxyz的y行矢量bxyzin＝Matrixbxyzn的逆矩阵Jn＝Vector像素n的彩色计算的中间值＝bxyzin*转置矩阵(transpose)(白点xyz/白点y)RYn＝Vector对信道产生的相对Y作用，以产生目标白点像素n的色度＝利用.*转置矩阵(J)MJn＝Matrix矢量Jn的对角矩阵DTn＝Matrix显示RGB以对像素n进行XYZ变换＝bxyzn*MJnDTin＝MatrixXYZ以显示像素n的RGB变换＝DTn的逆矩阵Wpeakn＝Vector为了对像素n以其最大可能Y产生白点的像素的PWM驱动因数＝(RYn/bYn)/max(RYn/bYn)
Ypeakn＝Scalar以Wpeakn驱动的像素n的发光率Wn＝Vector对像素n产生目标白点的PWM比例因数这用于在显示时缩放PWM输出WMax＝Scalar良好新显示板的任意W分量的最终最大值＝1-(峰值储备/100)BadWDif＝Boolean如果像素的白平衡比过大，则是真＝max(Wpeak)-min(Wpeak)＞MaxWDifBadWMax＝Boolean如果像素被供电，则是真＝max(W)＞Wmax自校准PDkn＝Scalar光电检测器读取像素n的黑色PDn＝Vector读取像素n的R，G和B的光电检测器PDcn＝Scalar像素n的PD的元素cMn＝Vector像素n的R，G和B的光电检测器测量值Mn＝PDn-PDknMcn＝ScalarMn的元素cYn＝Vector像素n的每个基色的发光率＝Mn.*PDGainnWpeakn＝Vector以其最大可能Yn产生白点的像素n的PWM驱动因数＝(RYn/Yn)/max(RYn/Yn)Ypeakn＝Scalar对于像素n以Wpeakn驱动的像素的发光率＝sum(Wpeakn.*Yn)Wn＝Vector对于像素n产生目标白点的PWM比例因数＝Wpeakn*(WhitePointY/Ypeakn)在工厂校准期间代替计算的WnBadPix＝Boolean如果在自校准期间被标记为故障，则是真＝max(Wn)＞1彩色映射ST＝Matrix源RGB to XYZ变换对源色空间信息计算的对于所有像素是常数Tn＝Matrix每个像素的源RGB到显示像素n的RGB变换＝ST*DtiDTin＝Matrix像素n的DTi matrix显示SI＝Image源线性RGB中的源图像DI＝Image用于显示图像的目标PWM驱动DIn＝Wn.*(Tn*SIn)Tn＝Matrix像素n的T变换Wn＝Vector像素n的W矢量DIn＝Vector显示像素n的PWM输出抽点SNAP＝Image显示当前显示器的黑色和白色抽点的图像＝PDsn-PDknSNAPn＝Scalar抽点像素n的测量值PDsn＝Scalar抽点期间像素n的光电检测器值PDkn＝Scalar最后显示黑色期间黑色像素n的光电检测器值自校准，或者基线结论这样，就对包括多个单独LED组/LED像素(各像素)的自含式LED区域光源/视频显示器进行了描述，其中(a)每个像素能够形成该光源/显示器的最小区域，而且它包括多个LED，其中一个或多个LED表示分立色或者基色，排列它们以便分别对它们供电，因此，通过对一个或者多个LED供电，从该像素可以发出任意颜色，(b)至少设置一个光传感器/光电检测器(检测器)，以测量每个LED发出的光的光强。在图3至10所示的实施例中，在图5至10中，分立光电检测器分别与每个像素相关联，或者与每个LED相关联，其中仅一个LEDDIE和一个光电检测器包含在单一包封内。
注意，可以构造该光源/视频显示器，以使只要该检测器可以分别测量该组中的每个LED发出的光，则一个检测器与一个以上的像素相关联。为了进行自校准，仅需要始终测量每个LED发出的光的发光强度的变化。
还应注意，尽管在该显示器上，每个LED像素的空间位置是固定的，但是可以操作该显示器，以任意指定邻接的基色LED，例如，红色、蓝色和绿色，以在显示器上产生可感点，这与静止像素位置不同。换句话说，可以与相邻像素的一个或者多个基色LED共享一个或者多个基色LED，以产生可感显示点。这种操作技术通常被称为铺瓦(tiling)，而且有时，该技术可以用于关于源图像提高显示图像的分辨率。
还注意，可以操作该显示器，以利用比像素少的检测器，提供黑色和抽点选择特征，如图20和21所示，但是显著降低了分辨率。
本发明并不局限于所公开的实施例或者操作方法，对于本技术领域内的技术人员，在不脱离所附权利要求限定的本发明实质范围的情况下，修改和改进的使用是显而易见的。
权利要求
1.一种用于发出要求颜色的光的LED区域光源，其包括a)多个独LED组，其中每个组表示该光源的有限区域，而且可以重现该光源的所有颜色；b)每个独立组包括多个LED，其中设置表示分立色的一个或多个LED，以便分别对它们供电，从而通过同时对一个或者多个LED进行供电，来从该组发出要求颜色和发光强度的光；以及c)至少一个光传感器，其能够提供表示每个LED发出的光的发光强度的测量值的独立输出信号。
2.如权利要求1所述的光源，其中，所述至少一个光传感器包括单个与独立组内的所有LED相关联的单一光传感器。
3.如权利要求1所述的光源，其中，所述至少一个光传感器包括与每个LED相关联的光传感器。
4.如权利要求1所述的发明，其中，光源是被设置以形成被观察者或者多个观察者看到图像的显示器，而且每个LED的单独的组能够表示显示图像的最小可感增量。
5.一种用于确定权利要求1、2或者3的光源的每种颜色表示的一个或多个LED的质量恶化的方法，其包括a)在时间t0，对多个LED供电，以利用具有与各个LED的加电电平的预定关系的每个信号提供表示每组的分立色的一个或多个LED的每一个的独立光传感器输出信号；以及b)在后续时间tn，对LED进行供电，以利用具有和各个LED的加电电平的预定关系的输出信号，提供表示每组的分立色的一个或多个LED的每一个的独立输出信号；以及c)读取在时间tn的加电期间获得的每个输出信号；以及d)将在时间tn获得的、与表示每组的分立色的一个或多个LED的每一个相关联的传感器输出信号与在t0获得的相应的输出信号进行比较。
6.如权利要求5所述的方法，其中，以总可用加电的给定百分比设置时间t0和tn时的加电电平。
7.如权利要求6所述的方法，其中，该加电电平是最大值。
8.如权利要求5所述的方法，其中，该PWM用于以作为最大值的100％ON TIME对LED进行加电。
9.如权利要求5所述的方法，其中，该光源是视频显示器，用于形成观察者或者多个观察者观看的图像，而且进一步包括，通过改变表示每组的分立色的一个或多个LED的每一个的加电电平，以使该显示器实现要求的光输出，而在t0时特性化显示，t0时存储的光传感器输出信号进一步具有与各个LED发出的光的预定关系，然后，进入比较步骤，在该比较步骤对表示每个LED组的分立色的一个或多个LED的每一个的加电进行控制，以基本上恢复在时间t0实现的要求的光输出，并存储表示为了恢复要求的光输出所需的加电电平的信号。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括在时间tn，测量时间tn时的传感器输出信号与时间t0时的相应输出信号之间的差值，以提供表示差值的误差信号。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括将该误差信号降低到可接受的量。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括存储为了将误差信号降低到可接受的值供之后使用而要求的、表示每个像素单元的分立色的一个或多个LED的每一个的加电信号。
13.如权利要求10所述的方法，进一步包括将该误差信号与表示LED的预定最大值或者检测器故障进行比较，并存储用于识别LED或者像素组的故障信号。
14.一种用于照射光以在XY平面上形成图像，从而被观察者或者多个观察者观看的彩色视频显示器，其包括a)多个独立像素，其中每个像素能够表示图像的最小增量或者可感点；b)每个像素包括多个LED，设置表示每个基色的LED，以便对它们单独进行供电，从而通过同时对像素的一个或者多个LED进行供电，从该像素发出要求的任意颜色；以及c)至少一个光传感器，其被安装在显示器内，用于提供表示每个像素内的每个基色LED发出的光的测量值的独立输出。
15.如权利要求14所述的显示器，其中，所述至少一个光传感器包括与每个像素相关联的光传感器。
16.如权利要求14所述的显示器，其中，所述至少一个光传感器包括与每个LED相关联的光传感器。
17.一种用于操作权利要求14所述的视频显示器的方法，其包括a)在时间t0，通过顺序加电每个像素的一个或多个基色LED的每一个，以使该显示器实现要求的输出，而特性化该显示器，存储为了在特性化时实现要求的输出所需的每个LED的加电电平；b)在特性化时间t0，读取并存储所述至少一个光传感器的输出，以使与一个或多个基色LED相关联的输出具有与一个或多个相关联的LED发出的光和对一个或多个相关联的LED进行加电的预定关系；c)在特性化之后的时间tn，以预定加电电平分别对每个像素的一个或多个基色LED的每一个进行加电的过程；以及d)将时间t0时与时间tn时获得的相应传感器输出进行比较。
18.如权利要求17所述的方法，进一步包括对每个像素的每个基色LED进行加电控制，以使每个基色LED的发光强度恢复在时间t0实现的值。
19.一种用于照射光以形成可以被观察者或者多个观察者观看的图像的彩色视频显示器，其包括a)像素阵列，其中每个像素能够表示显示图像的可感点；b)每个像素包括多个LED，设置表示分立色的一个或多个LED，以分别进行加电，从而通过对一个或者多个LED进行加电，从该像素发出要求的任意颜色；c)显示器，设置其以在内部反射每个LED发出的光的一部分；以及d)至少一个光传感器，设置其以接收每个LED在内部反射的部分光。
20.如权利要求19所述的视频显示器，其中，所述至少一个光传感器包括与每个LED相关联的光传感器。
21.如权利要求19所述的视频显示器，其中，所述至少一个光传感器包括与每个像素相关联的单个光传感器。
22.一种用于校准权利要求19的所述显示器的方法，其包括a)在时间t0，对LED进行加电，以实现要求的光输出，并进一步对表示每个分立色的每个像素的每个LED进行加电，并读取每个所述LED发出的光的测量值，其中测量值具有与各个LED发出的光的发光强度和各个LED的加电电平的预定关系；b)在时间t0之后，在时间tn，对表示每个像素的分立色的每个LED进行加电，测量每个所述LED的光输出，其中测量值具有与所述LED的加电电平的预定关系；c)将时间tn时、表示每个像素的分立色的每个LED的光输出的测量值与时间t0时的光输出测量值进行比较；以及d)对表示每组的分立色的每个LED的加电过程进行控制，以基本上恢复在时间t0时实现的所述要求的输出。
23.一种操作在权利要求22描述其特征的显示器的方法，进一步包括步骤在显示器形成图像，以提供显示图像的抽点时，测量与表示每个像素的分立色的每个LED相关联的所述至少一个光传感器的输出。
24.一种操作权利要求22所述的显示器的方法，其中设置所述至少一个光传感器，以逐个像素地提供表示照射在显示器上的环境光的输出。
全文摘要
诸如电子公告牌的LED区域光源/显示器(10)由多个独立像素构成，其中每个像素包括多个LED，例如，红色(18)、蓝色(19)和绿色(20)，设置表示分立色的每个LED，以便分别对它们进行供电。将至少一个光传感器(22)完全包括在该显示器中，用于测量在每个像素内表示基色的每个LED发出的光。通过首先以比最高电平低的电平对各LED(18、19和20)进行加电，然后，在使用期间，在需要时提高加电电平以恢复质量恶化的LED的原始光输出，光源/显示器(10)容易实现自校准。
文档编号G09G3/20GK1781135SQ200480011125
公开日2006年5月31日 申请日期2004年4月20日 优先权日2003年4月25日
发明者诺顿·K·小博尔特, 科蒂斯·K·德克尔特, 詹姆斯·C·约翰逊, 安德鲁·I·利谢茨基 申请人:维申尼尔德图像系统公司