專利名稱：高動態范圍顯示裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于顯示數字圖像的顯示器。
背景技術：
動態范圍是場景的最高亮度部分與場景的最低亮度部分之間的強度比值。舉例來說，由視頻投影系統投影所得的圖像具有300∶1的最大動態范圍。
人類的視覺系統能夠識別具有很高動態范圍的場景中的特征。舉例來說，人在陽光明亮的一天仍能向沒有光亮的車庫的陰影中看，并且即便是在旁邊有陽光區域的亮度比所述場景的陰影部分的亮度高數千倍的情況下，仍能看見陰影中物體的細節。要產生這樣一個場景的真實再現，要求顯示器具有高于1000∶1的動態范圍。術語“高動態范圍”意思是800∶1或更高的動態范圍。
現代數字成像系統能夠捕獲和記錄場景的數字呈現，其中場景的動態范圍是保留的。計算機成像系統能夠合成具有高動態范圍的圖像。然而，當前的顯示技術不能夠以忠實重現高動態范圍的方式再現圖像。
Blackham等人的美國專利No.5,978,142公開了一個用于將圖像投影到屏幕上的系統。該系統具有第一和第二光調制器，都用來調制來自一個光源的光。每一個光調制器都在象素級調制來自光源的光。由這兩個光調制器調制的光被投影到屏幕上。
Gibbon等人的PCT專利申請No.PCT/US01/21367公開了包括一個預調制器的投影系統。該預調制器控制入射到一個可變形反射鏡顯示裝置的光的數量。獨立的預調制器可被用來使一個選定區域(例如一個象限)變暗。
需要能夠在所顯示圖像中重現較寬范圍的光強度的符合成本效益的顯示器。
發明內容
本發明提供用于顯示圖像的顯示器。本發明的一個實施例提供的顯示器包括包括發光元件陣列的光源，每一個發光元件具有可控制的光輸出；以及，包括多個可控制元件的空間光調制器，所述元件被定位成調制來自光源的光。散射片(diffuser)將已由空間光調制器調制的來自光源的光引導至觀看區域。
本發明的另一方面提供的顯示器包括包括可控制元件陣列的空間光調制器，每個可控制元件提供可控制的光透射；包括一個固態發光元件陣列的光源，每個固態發光元件被定位成照射該空間光調制器的多個相應的可控制元件并且每個固態發光元件都具有可控制的光輸出；以及，一個散射片。通過控制對應于散射片上一點的發光元件之一的光輸出，以及通過控制對應于該點的可控制元件之一的光透射，可以控制散射片上該點的亮度。
本發明的另一方面提供的顯示器包括用于以第一空間分辨率提供光空間調制的光提供裝置；用于以不同于第一空間分辨率的第二空間分辨率對光進行空間調制的空間調制裝置；以及，用于控制第一和第二空間調制裝置以顯示由圖像數據限定的圖像的裝置。
本發明還提供一個用于顯示圖像的方法。該方法包括控制一個單獨可控發光元件的陣列以獲得由第一組圖像數據確定的亮度；用從所述發光元件陣列得到的光照射空間光調制器的一面，該空間光調制器包括一個元件陣列，每個元件具有可控制的透光度；以及，用第二組圖像數據控制該空間光調制器的各元件的透光度。
以下說明本發明的其它方面和本發明各具體實施例的特征。
在圖示本發明的非限定性實施例的附圖中，圖1是依照本發明一個實施例的顯示器的示意圖；圖1A是圖1顯示器的一個具體實現方式的示意圖；圖2是依照包括四個空間光調制器的本發明一個替換實施例的顯示器的示意圖；圖3是依照本發明另一個實施例的背投類型顯示器的示意圖；圖4是依照本發明另一個實施例的前投類型顯示器的示意圖；圖5圖示了在依照本發明的顯示器中，較高分辨率空間光調制器的象素和較低分辨率空間光調制器的象素之間的可能關系；圖5A圖示了提供一個其分辨率低于另一個光調制器的光調制器的效果；圖6是具有替換投影器構造的前投類型彩色顯示器的示意圖；圖6A和6B是圖6彩色顯示器的前投屏幕的各部分的展開橫截面視圖；圖7是圖示從較低分辨率光調制器的象素成像到較高分辨率光調制器的光如何能夠交疊以產生光強隨位置的光滑變化的曲線圖；圖7A是一個曲線圖，其圖示對于光調制器一個象素的像的光強隨位置變化如何能夠被表示為方曲線與擴展函數的卷積；圖8是依照本發明一個替換實施例的顯示器的示意橫截面，而圖8A是其示意前視圖；圖8B是一個顯示器的示意橫截面，其中空間光調制器位于光源陣列之前；圖8C是在光源陣列和空間光調制器之間具有插入格柵(gridinterposed)的顯示器的示意圖；圖8D是六邊形格柵的等軸測視圖；圖8E是通過格柵的一個通道的示意表示，其圖示照射在一個空間光調制器上的反射和非反射光分量；圖8F是示出反射和非反射光分量如何合在一起以提供改進的照射均勻性的曲線圖；圖8G是一個顯示器的示意表示，其中將構成一個格柵的內部反射部件與封裝各LED的材料制作在一起；圖9A和9B圖示了可被用在圖8的實施例中的發光元件陣列的兩種可能配置；圖9C圖示了使用光障以提供增加的銳度；圖10是依照本發明一個替換實施例的投影類型顯示器的示意圖；圖11是校準機制的框圖；圖11A是散射光從LED出射的LED照射路徑的圖示；以及圖11B、11C、11D和11E是替換校準機制的示意圖。
具體實施例方式
在下面的說明中，闡述了具體的細節以便提供對本發明的更為透徹的理解。然而，可以在沒有這些細節的情況下實施本發明。在其它實例中，沒有詳細示出或說明那些眾所周知的元件，以避免不必要地模糊本發明。因此，應把說明書和附圖視為說明性的，而非限制性的。
本發明提供了能夠再現具有高動態范圍的圖像的顯示器。依照本發明的顯示器包括兩個光調制級。光經過串聯的兩級以提供具有增大的動態范圍的圖像。
圖1示意地圖示了依照本發明一個簡單實施例的顯示器10。圖1中的元件尺寸以及它們之間的距離并不是成比例的。顯示器10包括一個光源12。舉例來說，光源12可以包括如白熾燈或電弧燈之類的投影燈、激光器或另一個適當的光源。光源12可以包括一個光學系統，該系統包括一個或多個反射鏡、透鏡或其它元件，它們相互合作以向顯示器10的剩余部分提供光。
在所示實施例中，來自光源12的光被引導至第一光調制器16。光源12優選地提供對第一光調制器16的基本均勻的照射。光調制器16包括一個單獨可尋址元件的陣列。舉例來說，光調制器16可以包括作為透光型光調制器實例的LCD(液晶顯示器)，或者作為反射型光調制器實例的DMD(可變形反射鏡裝置)。顯示驅動電路(圖1中未示出)依照限定所顯示圖像的數據來控制光調制器16的各元件。
由適當的光學系統17將已經由第一光調制器16調制的光成像到背投屏幕23上。來自第一光調制器16的一個小區域的光被光學系統17引導到背投屏幕23上的一個對應區域。在所示實施例中，光學系統17包括一個焦距為f的透鏡。一般來說，將由第一光調制器16調制的光成像到背投屏幕23上的光學系統17可以包括一個或多個反射鏡、透鏡或其它光學裝置。這樣一個光學系統具有將由第一光調制器成像到第二光調制器的功能。光學系統17也可被稱作成像裝置。
在所示實施例中，背投屏幕23包括第二光調制器20和準直器18。準直器的主要功能是將通過背投屏幕的光優先引導向觀看區域。準直器18可以包括菲涅耳透鏡、全息透鏡，或者替換地，一個或多個透鏡的另一種配置，或者適于將光引導向觀看區域的其它光學元件。
在所示實施例中，準直器使光以通常垂直于屏幕23的方向通過第二光調制器20的各元件。當從準直器18入射過來的光通過第二光調制器20時，所述光被進一步調制。然后，光通過散射片22，散射片在一定的方向范圍內散射輸出光，以使得位于散射片22相對于第一光調制器16相反的一側的觀看者能夠看到來自屏幕23的整個區域的光。一般來說，散射片22在水平和垂直平面上會散射光到不同的角度范圍。應該將散射片22選擇成在一定的角度范圍內散射經第二光調制器20調制的光，以使其最大散射角度至少等于當從所期望的觀看位置觀看時屏幕23所對的角度。
背投屏幕23的面積可能與第一光調制器16不同。例如，背投屏幕23的面積可能大于第一光調制器16。在這種情況下，光學系統17將由第一光調制器16調制的光束擴展成照射背投屏幕23上比第一光調制器16更大的對應區域。
第二光調制器20的類型可以與第一光調制器16相同或不同。當第一和第二光調制器16和20都是對光進行極化的相同類型的光調制器時，第二光調制器20應該(至少在實踐中)被定向成其極化平面與從第一光調制器16入射到其上的光的極化平面相匹配。
顯示器10可以是彩色顯示器。這可以以多種方式實現，所述方式包括·令第一光調制器16和第二光調制器20之一為彩色光調制器；·提供多個不同的第一光調制器16，其以不同的顏色并行操作；以及·提供向第二光調制器20之前的光徑中快速引入不同顏色濾波器的機制。
上面的第一方法的實例是，第二光調制器20可以包括具有多個象素的LCD板，每個象素包括多個有色的子象素。舉例來說，每個象素可以包括三個子象素，其中一個與紅色濾波器相關聯、一個與綠色濾波器相關聯、一個與藍色濾波器相關聯。所述濾波器可與LCD板集成在一起。
如圖1A中所示，光源12、第一光調制器16以及光學系統17都可以是數字視頻投影器37的部件，該投影器被定位成將由信號38A規定的圖像從控制器39投影到背投屏幕23的背面。第二光調制器20的各元件由來自控制器39的信號38B控制，以便向觀看者提供具有高動態范圍的圖像。
控制器39可以包括任何適當的數據處理器。控制器39可以包括一個或多個運行適當控制軟件的微處理器，以及允許控制器39依照本發明控制顯示器操作的各個接口。此類控制器的一般構造以及用于編程此類控制器以提供所期望功能的一般技術對本領域熟練技術人員來說是眾所周知的，本文將不對其進行詳細說明。
如圖2所示，依照本發明的顯示器10A可以包括一個或多個附加的光調制級24。每個附加的光調制級24包括準直器25、光調制器26以及光學系統27，該光學系統將來自光調制器26的光聚焦到下一附加的光調制級24或者準直器18上。在圖2的裝置10A中，有兩個附加的光調制級24。依照本發明這一實施例的各裝置可以具有一個或多個附加的光調制級24。
通過控制由光調制器16、20、26的相應元件所通過的光量，可以調節在輸出散射片22的任一點上的亮度。這種控制可以由適當的控制系統(圖2未示出)提供，所述控制系統被連接來驅動每個光調制器16、20和26。
如上所述，光調制器16、20和26可以是同一類型或兩種或兩種以上不同類型的光調制器。圖3示出了依照本發明一個替換實施例的顯示器10B，它包括第一光調制器16A，該光調制器包括可變形反射鏡裝置。由于每個象素可以是“開”或“關”，在此意義上可變形反射鏡裝置是“二進制”裝置。通過迅速開關象素，可以產生不同的視亮度級。舉例來說，在美國專利No.4,441,791和No.4,954,789中描述了此類裝置，并且所述裝置被普遍使用在數字視頻投影器中。光源12和第一光調制器16(或16A)例如可以是商用數字視頻投影器中的光源和調制器。
圖4圖示了依照本發明的前投類型顯示器10C。顯示器10C包括屏幕34。投影器37將圖像38投影到屏幕34上。投影器37包括適當的光源12、第一光調制器16和光學系統17，該光學系統適于將由第一光調制器16限定的圖像投影到屏幕34上。投影器37可以包括商業可用顯示器投影器。屏幕34包括第二光調制器36。第二光調制器36包括多個可尋址元件，所述元件可被單獨控制，以影響屏幕34的相應區域的亮度。
光調制器36可以有多種構造。舉例來說，光調制器36可以包括一個位于反射襯背之前的LCD元件陣列，每個LCD元件具有可控制的透光度。投影器37投射的光穿過每個LCD元件，并被所述反射襯背反射返回通過所述LCD元件。屏幕34上任一點的亮度由在該點處接收到的攝影器37的光強度以及光調制器36(例如在該點處的LCD元件)對透射穿過它的光的吸收度確定。
光調制器36還可以包括具有可變反射回光(variable retro-reflection)屬性的元件陣列。所述元件可以是棱形的。舉例來說，在Whitehead的題為“Passive High Efficiency Variable ReflectivityImage Display Device”的美國專利No.5,959,777和Whitehead等人的題為“Electrophoretic，High Index and Phase Transition Control ofT0tal Internal Reflection in High Efficiency Variable ReflectiVityImage Displays”的美國專利NO.6,215,920中描述了此類元件。
光調制器36還可以包括電泳顯示元件陣列，舉例來說，在Albert等人的題為“Shutter Mode Microencapsulated ElectrophoreticDisplay”的美國專利N0.6,172,798；Comiskey等人的題為“Electro-osmotic Displays and Materials for Making the Same”的美國專利No.6,120,839；Jacobson的題為“Electronically AddressableMicroencapsulated Ink and Display”的美國專利No.6,120,588；Jacobson等人的題為“Electrophoretic Displays Using Nanoparticles”的美國專利No.6,323,989；Albert的題為“Electrophoretic Displayswith Luminescent Particles and Materials for Making the Same”的美國專利No.6,300,932，或者Comiskey等人的題為“MicrocellElectrophoretic Displays”的美國專利No.6,327,072中描述了所述電泳顯示元件。
如圖6A和6B所示，屏幕34優選地包括透鏡元件40，其將光優先引導向觀看者的眼睛。在所示實施例中，透鏡元件40包括一個菲涅耳透鏡，其焦點與來自投影器37的光錐的頂點基本重合。透鏡元件40可以包括另一種透鏡，例如全息透鏡。透鏡元件40包括散射中心45，其在來自屏幕34的反射光中提供所期望的散射度。在所示實施例中，第二光調制器36包括一個具有大量象素42的反射LCD板，該反射LCD板后面是反射層43并被安裝在襯背47上。
若光調制器36包括具有可變反射回光屬性的元件陣列，所述元件本身可被設計成優先地在屏幕34前的觀看區域的方向上引導所述反射回光。反射層43可被摹制成對光進行散射，以便增大散射中心45的效果，或者取代散射中心45。
如圖4所示，控制器39向第一光調制器16和第二光調制器36中的每一個提供限定圖像38的數據。舉例來說，控制器39可以包括配備有適當的顯示適配器的計算機。屏幕34上任一點的亮度取決于對應于該點的第一光調制器16和第二光調制器36中的象素的組合作用。在對應于被設置成其“最暗”狀態的第一和第二光調制器的象素的那些點處有最小亮度。在對應于被設置成其“最亮”狀態的第一和第二光調制器的象素的那些點處有最大亮度。其它點則具有中間的亮度值。最大亮度值例如可以是105cd/m2的數量級。最小亮度值例如可以是10-2cd/m2的數量級。
隨著光調制器中的可尋址元件數量的增加，光調制器及其相關控制電路的成本也會增加。在本發明的某些實施例中，光調制器之一具有明顯高于其它一個或多個光調制器的空間分辨率。當其中一個或多個光調制器是較低分辨率裝置時，依照本發明這些實施例的顯示器的成本就可被降低。在包括兩個或多個光調制器的彩色顯示器中，其中一個是彩色光調制器(多個單色光調制器的組合可以構成一個例如如圖6所示的彩色光調制器)并且其中一個是較高分辨率的光調制器，該較高分辨率的光調制器應該也是彩色光調制器。在某些實施例中，較高分辨率的光調制器被成像在較低分辨率的光調制器上。在其它實施例中，較低分辨率的光調制器被成像在較高分辨率的光調制器上。
圖5圖示了如圖1中所示的顯示器10的一個可能的象素配置。第二光調制器20的9個象素42對應于第一光調制器的每個象素44。作為設計選擇，對應于第一光調制器16的每個象素44的第二光調制器20的象素42的數目可以變化。第一和第二光調制器16和20(或36)中具有較高分辨率的那個光調制器的各象素44應該足夠小，以便提供所期望的總體分辨率。一般來說，在日益增加的分辨率和日益增加的成本之間有一個折衷。在典型的顯示器中，較高分辨率的光調制器會提供在每個方向上至少具有幾百個(通常是超過1000個)象素的的象素陣列。
第一和第二光調制器中具有較低分辨率的那個光調制器的象素42的尺寸決定了從最大強度到最小強度的可靠變化的尺度。舉例來說，考慮描述這樣一種情形的圖5A，其中希望顯示一幅在大的最小亮度背景上有小的最大亮度點的圖像。想要在點47上獲得最大亮度，則對應于點47的第一和第二光調制中每一個的那些象素被設置到它們的最大亮度值。若一個光調制器的象素的分辨率低于另一個光調制器的象素，則具有較低分辨率的光調制器的某些象素將跨越點47的邊界。例如圖5A就是這種情況。
在點47之外有兩個區域。在區域48中，不可能將其亮度設為最小值，因為在該區域中，具有較低分辨率的光調制器被設為其最高亮度值。在區域49中，兩個光調制器都可被設為其最低亮度值。舉例來說，如果第一和第二光調制器中的每一個具有1到100單位的亮度范圍，則區域47可以有100×100＝10,000單位的亮度，區域48會有100×1＝100單位的亮度，而區域49會有1×1＝1單位的亮度。
其中一個光調制器的分辨率低于另一個的結果是，具有較低分辨率的光調制器的每個象素對應于具有較高分辨率的光調制器中的多于一個象素。對應于具有較低分辨率的光調制器的任一象素以及具有較高分辨率的光調制器的不同象素的那些點是不可能具有所述裝置的動態范圍的極限值的。這些點之間的最大亮度差取決于由具有較高分辨率的光調制器所提供的動態范圍。
顯示器不能夠使空間鄰近的點在亮度上的不同達到該顯示器的全動態范圍，這通常不是問題。人眼有足夠的固有散射，因此人眼在任何情況下都不能分辯在非常短距離上出現的大的亮度變化。
在依照本發明的包括較低分辨率的空間光調制器和較高分辨率的空間光調制器的顯示器中，控制器39可以為較低分辨率的空間光調制器的每一象素確定一個值并且調節用來控制較高分辨率的空間光調制器的信號以便減少偽像，所述偽像是由以下事實產生的較低分辨率的空間光調制器的每一象素是由較高分辨率的空間光調制器的多個象素共用的。這一點可以以多種方式實現。
僅舉一個例子來說，考慮較低分辨率的空間光調制器的每個象素對應于較高分辨率的空間光調制器的多個象素的情況。限定期望圖像的圖像數據被提供給控制器。該圖像數據表示對應于較高分辨率的空間光調制器的每個象素的圖象區域的期望亮度。控制器可以設置較低分辨率的光調制器的各象素以便提供所期望圖像的一個近似。舉例來說，這可以通過為對應于較低分辨率顯示器的每個象素的諸圖像區域確定各期望亮度值的一個平均值或加權平均值來實現。
控制器隨后可以設置較高分辨率顯示器的各象素以使最終的圖像接近期望圖象。舉例來說，這可以通過將諸期望亮度值除以從較低分辨率光調制器入射到較高分辨率光調制器的諸對應象素上的光強度來實現。從較低分辨率光調制器入射到較高分辨率光調制器的光強度可以用已知方式計算，即來自較低分辨率空間光調制器的光是分布在較高分辨率空間光調制器上的。可以將來自較低分辨率空間光調制器的一個或多個象素的貢獻相加，以便確定當以該種方式設置較低分辨率空間光調制器的各象素時，用以照射較高分辨率空間光調制器的任一象素的光強度。
如果較低分辨率的象素太大，則觀看者可能會在圖像的明亮單元周圍分辨出光暈。優選地，較低分辨率的象素足夠小，以使得暗背景上的明亮斑點或者明亮背景上的暗點不會退化得無法接受。當前，在較高分辨率光調制器上為較低分辨率光調制器的每個象素提供約8至144范圍的象素，更優選地提供約9至36范圍的象素，被認為是實際的。
象素42和44各自能夠調節圖像上一點(或多點)的步幅大小不必相等。比起較高分辨率光調制器的各象素，較低分辨率光調制器的各象素可以以較粗糙的步幅調節光強度。舉例來說，對于每個象素的光強度，較低分辨率光調制器可以允許在8步之內調節1至512單位的強度范圍，而較高分辨率光調制器可以允許在512步之內調節同樣的強度范圍。在圖5中，象素42和44都作為方形被照射，這是不必要的。象素42和/或44可以是其它形狀，例如矩形、三角形、六邊形、圓形或橢圓形。
較低分辨率光調制器的諸象素優選地發出略為發散的光，以使得當光經過較低分辨率光調制器的諸象素時光強的改變得相當平滑。如圖7所示，當來自較低分辨率光調制器的每個象素的光傳播到相鄰象素中時就是這種情形。如圖7A所示，較低分辨率光調制器中的象素的強度曲線通常可以用高斯傳播函數與寬度d1等于該象素有效寬度的矩形曲線的卷積來近似。該傳播函數優選地在0.3×d2至3×d2范圍內的一半最大值具有全寬，其中d2是中心到中心的象素間距，以便產生所期望的平滑變化的光強度。通常d1差不多等于d2。
在圖5的實施例中，每個象素42包括3個子象素43R、43G和43B(為清楚起見，圖5省略了某些象素42的子象素)。子象素43R、43G和43B是可獨立尋址的。它們分別與紅色、綠色和藍色的顏色濾波器相關聯并且被集成入第二光調制器20。在本發明中使用的包括多個有色子象素的LCD板的各種構造在本領域中是已知的。
對于前投類型顯示器(例如圖4的顯示器10C)來說，第一光調制器16包括提供顏色信息的高分辨率光調制器以及光調制器36包括單色光調制器通常是很實際的。光調制器36優選地具有恰當小的可尋址元件，以使其各元件的邊界不會形成視覺上引起混亂的圖案。舉例來說，光調制器36可以具有和投影器37相同數目的可尋址元件(盡管每個此類元件典型地比投影器37的光調制器16中的對應元件具有大得多的尺寸)。
投影器37可以具有任何適當的構造。所要求的僅是投影器37能夠投影已被空間調制的光，以便往屏幕34上提供圖像。圖6圖示了依照本發明另一個替換實施例的顯示系統10D。系統10D包括屏幕34，該屏幕具有參照圖4所述的集成的光調制器36。系統10D包括投影器37A，該投影器具有用于三種顏色中的每一種的分開的光調制器16R、16G和16B。經光調制器16R、16G和16B調制的光由三個有色濾波器43R、43G和43B中的對應一個進行濾波。光學系統17將經調制的光投影到屏幕34上。單個光源12可以向所有三個光調制器16R、16G和16B提供光，或者可以提供分開的光源(未示出)。
在上述各實施例中，來自一個光源的光由第一光調制器空間調制，并隨后被成像到第二光調制器上。發明者意識到，可以通過提供包括發光元件陣列的光源來把光源和第一光調制器的功能組合到一起，其中每個發光元件具有可控制的亮度。所述發光元件可以是固態裝置。舉例來說，發光元件可以包括發光二極管(LED)。每個LED可以由驅動器電路驅動，該驅動器電路允許電流流經LED，并進而允許控制由該LED發出的光的亮度。所述控制器也可以(或替換地)控制相應LED的占空因數。如下所述，驅動電路可以監視傳遞給每個LED或每組LED的電流，并且如果被傳遞給每個LED或每組LED的電流值具有非預期值則可以生成錯誤信號。此類錯誤信號可被控制器用于補償故障的LED。
在本發明的一個優選實施例中，諸LED是發出白色光的類型。舉例來說，諸LED可以包括三色LED陣列。商業市場上可找到全被封裝在單一外殼之內的分別包括紅色、綠色和藍色的三色LED。可以使用一個或多個LED來照射第二光調制器的每組象素。
圖8示出了依照本發明一個實施例的顯示器60的一部分，其中背投屏幕53包括散射層22，該屏幕由LED52的陣列50照射。每個LED52的亮度由控制器39控制。屏幕53包括一個光調制器20。光調制器20的背面由LED陣列50照射。圖8A是顯示器60的一部分的示意性前視圖，其對應如下情況，其中光調制器20的諸可控制元件(象素)42對應于每個LED52。每個可控制元件42可以包括多個有色子象素。
諸LED52可以以任何適當方式被安排成陣列50。在圖9A和9B中示出了兩種可能的LED52的安排。圖9A圖示了光源51的矩形陣列50A。圖9B圖示了光源51的六邊形陣列50B。光源51可以包括LED52。若光源51包括分立裝置，舉例來說，則如將圖9A和9B所示把光源51組裝在一起可以保持光源51之間的規則間距。
散射片22A結合各LED52的發光特性，使得來自各LED52的光在光調制器20背面上的強度變化較為平滑。
在沒有散射片22A的情況下，通過將光調制器20遠離各LED52也可以獲得類似的效果。若光調制器20遠離各LED52，則來自每個LED52的光有助于照射對應于鄰近LED52的空間光調制器20的各區域的邊緣。
在有必要能夠在較大角度范圍內觀看所述顯示器的情況下，所述距離改變會帶來視差問題。若觀看者不是迎面地觀看顯示器(如圖8B中所示)，則觀看者可能看到空間光調制器20的這樣一個象素，該象素由并不對應于該象素的一個LED52照射。舉例來說，在圖8B中，區域21A對應于LED52A，而區域21B對應于LED52B。然而，由于視差，觀看者看到區域21A中的象素由LED52B照射。
圖8C示出避免了圖8B所圖示的視差問題的一個替換構造。在圖8C中，由反射壁圍成的通道123的格柵122被放置在陣列50和空間光調制器20之間。在一個優選實施例中，通道123的橫截面是六邊形的，并且格柵122包括如圖8D所示的蜂巢結構。通道123還可以具有如方形、三角形、矩形等等形狀的橫截面。限定通道123的所述屏壁優選地較薄。格柵122例如可以包括鋁制蜂巢材料部分。
通道123可以是(而不必需是)空的。通道123可以由柱狀透光材料提供，其中所述柱狀透光材料具有使光在其上內部反射(優選地是全部內部反射)的屏壁。所述透光材料柱可以由薄的氣隙或包層分隔，所述包層有一種或多種材料，其提供使光在其上內部反射的分界面。所述透光材料柱可以與將各LED52封裝在其中的材料集成在一起。圖8G示出了本發明的一個實施例，其中具有內部反射屏壁的透光材料柱123A被與各LED52C集成在一起。透光材料柱123A可以具有多種截面形狀，比如六邊形、三角形、方形等等。
來自每個LED52的光經過通道123。如圖8E所示，來自一個LED的一部分光直接通過通道123，且一部分光在通道123的反射屏壁124上被反射。反射光和未反射光都對空間光調制器20上一點處的亮度做出貢獻。反射分量往往在通道123的邊緣周圍更為強烈，而未反射分量往往在通道123的中心處更為強烈。其結果是，由于格柵122的存在，每個LED52對空間光調制器20的對應部分進行照射的均勻性得到了改進。圖8F顯示了均勻性的提升。
格柵122被間隙57稍稍隔離開空間光調制器20(間圖8C和8E)，以便避免由用于分隔格柵122的鄰近通道123的壁產生的可感知陰影。
可以改變通道123的幾何結構，以便達到設計目標。每一通道123的寬度大致決定了落在空間光調制器20上的光強度所能被改變的分辨率。對于一個給定的通道寬度和橫截面形狀，通過使通道123更長，可以提升由每個通道123提供的照射的均勻性。然而，這也降低了將光傳遞至光調制器20的效率。
通過提供長度為L的通道123可以獲得在效率和照射均勻性之間的合理折衷，這樣，靠近通道邊緣處的未反射和一次反射光分量都近似是LED52軸上的未反射分量強度的一半。近似地實現這一點地一個方法是選擇長度L，以使得LED52的軸與通道123的邊緣所成的角度θ等于LED52的半角θ1/2。所述半角是使在該角度由LED52提供的照射強度等于LED52在其軸的前向方向上的照射強度的一半。通過使L滿足等式(1)的條件就可以提供這一條件，其中R是通道123的半寬。
L＝R/tan(θ1/2) (1)通常希望為每個LED或其它光源提供一個通道123。在本發明的某些實施例中，每個通道123具有多個LED。在本發明的一個實施例中，每個通道123具有3種不同顏色的LED，例如紅色、綠色和藍色。在這樣一個實施例中，使通道123足夠長以使得來自每個LED的光在空間光調制器20處均勻分布是重要的，因為人眼對顏色的變化是敏感的。
如上所述，參照圖7和7A，光調制器20優選地以這樣一種方式被照射，以使得LED陣列50對光調制器20的照射隨光調制器20上的位置而平滑地改變。這可以通過在LED陣列50中提供以在光調制器20上略為交疊的圖案發光的LED52來實現。由每個LED52發出的光可以由一個傳播函數表征，其中從LED52入射在光調制器20上的光強度變化是矩形曲線與該傳播函數的卷積。該傳播函數優選地在0.3×d2至3×d2范圍內的一半最大值具有全寬，其中d2是相鄰的LED52在光調制器20上的照射圖案在光調制器20上的中心到中心的間距。可以將散射片22A(圖8中虛線所示)插入到陣列50和光調制器20之間，以便加寬各LED52在光調制器20上的照射圖案。
對于某些應用，可能希望提供這樣一種顯示器，緊密間隔的象素在其上的照射級別可以大為不同。通過限制來源自陣列50的每個光源的光以使得相鄰光源在光調制器20上的照射圖案沒有明顯交疊，可以實現這一點，而這樣會損失一些平滑性。舉例來說，如圖9C所示，通過提供限制來自陣列50的每個光源的光傳播的光障56，可以實現這一點。借助光障56，陣列50的每個光源只照射光調制器20的對應象素。通過提供基本無交疊地將照射圖案投影到光調制器20上的光源52，也可以實現這一點。在上述兩種情況下，最終顯示給觀看者的圖像可能看起來比允許來自每個光源52的光充分傳播的實施例中更為尖銳，后者為相應于鄰近光源的某些象素提供相當的照射。在許多情況下，人眼的局限會使此增加的銳度級別無法察覺。
光調制器20可以是單色光調制器。在替換例中，光調制器20可以是高分辨率光彩色調制器。光調制器20例如可以包括LCD陣列。顯示器60可以很薄。舉例來說，顯示器60的厚度可以是10厘米或者更薄。
圖10示出了類似于圖8的顯示器60的投影類型顯示器70，除了光源52的陣列50由適當的光學系統17成像到光調制器20上。
控制器39可以控制陣列50的各元件，以提供低分辨率版本的圖像，以便顯示在空間光調制器20上。控制器39可以控制空間光調制器20的各元件，以便提供具有高空間分辨率的性能，以及如上所述地校正由陣列50提供的圖象。
將LED52用作高分辨率高質量顯示器的光源的一個問題是，在各個LED之間，在一個特定電流級別下發出的光可能顯著不同。這一差別是由于制造工藝的差別。此外，當LED老化時，LED52產生的光的亮度往往以不可預知的方式降低。因此，希望提供用于校準LED陣列50的機制，以便在陣列50的不同LED52之間補償亮度差異。
在圖11中示意地顯示一個校準機制78，其提供用來檢測由每個LED52發出的光的光檢測器80。光檢測器80可被移動至不同的位置，以便捕獲來自不同LED52的光。在替換例中，可以提供一個適當的光學系統以便將來自各LED52的光引導至光檢測器80。控制器39接收來自光檢測器80的信號81。信號81表示在給定電流下，由陣列50中的每個LED52所發出的光的亮度。如果由一個LED52發出的光的亮度低于一個期望值，則控制器39確定要對被加到每個LED52的電流施加一個校正。校準機制78可被用于一個顯示器的初始校準。校準機制78可選地包括用來執行某些校準任務的校準控制器39A，所述任務例如是確定要對被加到每個LED52的電流施加一個校正，以及使控制器39可以利用得到的校準信息。
希望提供一種不與顯示器的常規操作沖突的校準機制。實現這一點的一種方法是在不同于前向方向的方向上檢測由一個LED發出的光。圖11A示出了一個典型的LED52。由LED52發出的多數光是在如箭頭55A所示的前向方向上的。由每個LED52發出的很小一部分光是在如箭頭55B所示的側向或如箭頭55C所示的后向上發出的。可以將在不同于前向方向的方向上發出的光稱為“散射光”。可以將一個或多個光檢測器80A定位成檢測來自每個LED52的散射光。
圖11B示出了依照本發明一個實施例的校準機制90。在校準機制90中，小的光波導82將散射光從各LED52傳送到光檢測器80。只有一小部分由每個LED52發出的光被波導82捕獲。只要波導82和對應LED52之間的耦合不改變，則由波導82捕獲的那部分由一個LED52發出的光就保持恒定。可以將一個光檢測器80A或幾個光檢測器80A放置在方便的位置，比如放在陣列50的邊緣。
圖11C示出了依照本發明另一個實施例的校準機制90A。在機制90A中，用一個平面光波導82A取代各個光波導82。各LED52的電源線穿過波導82A中的洞83。一個或多個光檢測器80A位于光波導82A的邊緣。由任何LED52在后向方向上發出的光被捕獲在光波導82A內，并被所述一個或多個光檢測器80A檢測到。
圖11D示出了另一個光學校準機制90B，其中平面光波導82B聚集由各LED52在側向方向上發出的光，并將所述光傳送到一個或多個光檢測器80A。
圖11E示出了另一個光學校準機制90C，其中平面光波導82C聚集一小部分由各LED52在前向方向上發出的光，并將所述光傳送到一個或多個光檢測器80A。波導82C被構造成使得通過它的一部分光被捕獲在波導82C內，并將其傳送到所述一個或多個光檢測器80A。為實現這一點，波導82C的一個表面(典型地是對著各LED52的表面)可以稍為粗糙以便將一部分光較廣地散射進波導82C的平面中，或者可以在波導82C的材料中提供一些散射中心。在所示實施例中，波導82C起到一個隔離器的作用，它在格柵122和空間光調制器20之間維持一個間隙57。校準機制90C具有這樣的優點，即波導82C不必被可能對到所述一個或多個光檢測器80A的光傳播產生干擾的洞83穿過。
在操作中，例如用校準機制78(圖11)首先校準陣列50。在此期間或在此之后，用校準電平的電流一次一個地打開一個廠商校準LED52。用一個或多個光檢測器80A來測量每個LED52的散射光。可以將對于每個LED52所測得的散射光量的信息存儲為參考值。在LED陣列50的使用壽命中，可以使用機制90來監視每個LED52的亮度。根據應用，可以在初始化顯示器時偶爾進行此類亮度測量，或者在使用顯示器時定期進行此類亮度測量。可以在顯示連續圖像幀的間隔中對一個或多個LED52進行亮度測量。
如果機制90檢測出一個LED52的亮度已經隨時間起了變化(典型地表示為，與所存儲的參考值相比，由一個或多個光檢測器80A檢測到的散射光量減少)，則控制器39可以自動調節提供給該LED52的電流以便補償其亮度變化。
校準機制90也可以被用來檢測各LED52的故障。雖然LED52往往是高度可靠的，但它們仍可能出故障。當控制器39控制LED52處于“開”時，若檢測不到來自LED52的光，則校準機制90可以檢測出LED52的故障。與控制器39相關的LED驅動電子設備也可以檢測到一個LED52或一行LED52的某些故障模式。當電流應穿過一個或多個LED52時，如果驅動電子設備檢測到沒有電流(或具有非預期值的電流)被傳遞，則驅動電子設備可以生成一個可由控制器39檢測的錯誤信號。
若控制器39檢測到一個或多個LED52的故障，控制器39會補償所述故障，這是通過增加一個或多個相鄰LED52的亮度，或者調節對應于故障LED52的空間光調制器20的元件以便提供更多得的透射光，或者二者兼有。在依照本發明的此實施例的容錯顯示器中，當LED52故障后，來自鄰近各LED52的溢出光充分地照射對應于故障LED52的區域，以便使圖像在該區域中可視。
若控制器39被配置成增加相鄰LED52的亮度，控制器39可以部分地根據對應于故障LED的空間光調制器20的所述區域的圖像內容來確定增加量。如果圖像內容要求該區域明亮，則比起圖像內容要求該區域暗淡的情況，可以更多地增加相鄰各LED亮度。最終的圖像質量將會退化，但是可避免災難性的質量損壞。
在本發明的某些實施例中，在刷新空間光調制器各對應元件期間，各個LED52被調暗或關閉。某些空間光調制器刷新得慢到觀看者能夠感知到該刷新。這導致被稱為“運動模糊”的不良結果。
借助適當的定時，在刷新空間光調制器20的各行時，對應各LED52可被關閉或調暗。在其它時間，可以充分地對各對應LED52進行過載以使觀看者感知到所期望的亮度。觀看者的眼睛無法感知各LED52的快速閃爍。反之，觀看者感知到一個平均亮度。通常希望對各LED52的操作進行復用。若以復用的方式操作各LED，通過用空間光調制器52的刷新來同步各LED52的復用，可以執行對運動模糊的校正。
根據上述公開內容，本領域熟練技術人員會明白，在不背離本發明的精神和范圍的情況下，在實踐本發明時可以有多種改變和修正。例如·散射片22和準直器18可以彼此組合；·散射片22和準直器18的順序可以顛倒；·可以提供多個協作元件來執行光散射和/或準直；·可以用既散射光也執行某些其它功能的另一元件來提供散射片22的功能。在此類情況下，所述另一元件可以包括散射片，包括這樣一個元件的設備包括散射片；·在屏幕23中，可以改變第二光調制器20、準直器18和散射片22的順序；·驅動第一光調制器16的信號38A可以包括用來驅動第二光調制器20的相同數據，或者可以包括不同的數據。
·替換或除了提供用于固定標準電流的測量光輸出，校準機制78和/或90可以調節給LED52的電流，直到LED52提供所期望的亮度。
因此，本發明的范圍包括(但不限于)由下面的權利要求書限定的內容。
權利要求
1.一種顯示器，包括包括一個發光元件陣列的一個光源，每個發光元件具有可控制的光輸出；以及一個空間光調制器，包括多個被定位成調制來自光源的光的可控制元件。
2.如權利要求1所述的顯示器，其中，空間光調制器所具有的可控制元件多于光源所具有的發光元件。
3.如權利要求2所述的顯示器，其中，光源的每個發光元件被定位成照射空間光調制器的多個對應的可控制元件。
4.如權利要求3所述的顯示器，其中，光源的每個發光元件對應于空間光調制器的8個或者更多的對應可控制元件。
5.如權利要求4所述的顯示器，其中，光源的每個發光元件對應于空間光調制器的145個或者更少的對應可控制元件。
6.如權利要求1至5中的任一條所述的顯示器，包括位于光源和空間光調制器之間的一個散射片。
7.如權利要求1至5中的任一條所述的顯示器，包括一個由反射壁圍成的諸通道的格柵，位于光源和空間光調制器之間。
8.如權利要求7所述的顯示器，其中，由反射壁圍成的諸通道是六邊形的，并且被安排在一個蜂巢結構中。
9.如權利要求7或8所述的顯示器，其中，每個發光元件將光射入由反射壁圍成的諸通道之一。
10.如權利要求7至9中的任一條所述的顯示器，其中，空間光調制器的每個可控制元件只被來自由反射屏壁圍成的諸通道之一的光照射。
11.如權利要求1至10中的任一條所述的顯示器，包括位于空間光調制器和觀看位置之間的一個散射片。
12.如權利要求1至10中的任一條所述的顯示器，其中，在空間光調制器處，來自光源的多個發光元件中的每一個的入射光分布包括一個矩形分布和一個傳播函數的卷積，所述傳播函數在0.3×d2至3×d2范圍內的一半最大值具有全寬，所述d2是由光源的相鄰發光元件調制的光分布在空間光調制器上的中心至中心間距。
13.如權利要求1至12中的任一條所述的顯示器裝置，其中，光源的每個發光元件各自具有N個離散可選的亮度級別，空間光調制器的各控制元件具有M個離散可選的亮度級別，并且N＜M。
14.如權利要求1至12中的任一條所述的顯示器裝置，其中，光源的每個發光元件具有N個離散可選的亮度級別，空間光調制器的各控制元件具有M個離散可選的亮度級別，并且N＞M。
15.如權利要求1所述的顯示器，在光源和空間光調制器之間包括一個或多個附加的光調制級。
16.如權利要求15所述的顯示器，其中，所述一個或多個附加的光調制級每個都包括一個準直器和一個空間光調制器，前一個空間光調制器所調制的光在該空間光調制器上成像。
17.如權利要求16所述的顯示器，其中，所述一個或多個附加的光調制級各自都包括一個散射片。
18.如權利要求1所述的顯示器，包括被定位以將光源成像到空間光調制器上的成像光學元件。
19.如權利要求18所述的顯示器，其中，所述顯示器包括前投類型的顯示器，該前投類型的顯示器包括一個被配置成將光反射向觀看者的顯示屏幕。
20.如權利要求19所述的顯示器，其中，空間光調制器與顯示屏幕集成在一起。
21.如權利要求1至20中的任一條所述的顯示器，其中，一個第一點和一個第二點的亮度比值超過1000∶1，對于第一點，一個對應的發光元件處于最大光輸出且空間光調制器的一個對應元件被設置成提供最大照射，對于第二點，所述對應的發光元件處于最小光輸出且空間光調制器的所述對應元件被設置成提供最小照射。
22.如權利要求1至20中的任一條所述的顯示器，其中，一個第一點和一個第二點的亮度比值超過1500∶1，對于第一點，一個對應的發光元件處于最大光輸出且空間光調制器的一個對應元件被設置成提供最大照射，對于第二點，所述對應的發光元件處于最小光輸出且空間光調制器的所述對應元件被設置成提供最小照射。
23.如權利要求1至22中的任一條所述的顯示器，其中，每個發光元件包括一個固態發光元件。
24.如權利要求23所述的顯示器，其中，固態發光元件包括多個發光二極管。
25.如權利要求24所述的顯示器，其中，發光二極管發出白色光。
26.如權利要求23所述的顯示器，其中，由固態發光元件發出的光的顏色是可控制的。
27.如權利要求1至26中的任一條所述的顯示器，其中，空間光調制器的可控制元件包括可變透光度顯示元件。
28.如權利要求27所述的顯示器，其中，可變透光度顯示元件包括液晶顯示元件。
29.如權利要求1至28中的任一條所述的顯示器，其中，空間光調制器包括一個彩色空間光調制器。
30.如權利要求29所述的顯示器，其中，空間光調制器的每個可控制元件包括多個彩色子象素。
31.如權利要求1至30中的任一條所述的顯示器，包括一個被連接以向光源和空間光調制器傳遞圖像數據的控制器。
32.如權利要求31所述的顯示器，其中，控制器被配置成定期刷新可控制元件，并當刷新一個可控制元件時調暗或關閉對應的發光元件。
33.如權利要求31或32所述的顯示器，包括一個光檢測器，其被耦合成從至少一個發光元件接收散射光并生成指示散射光強度的散射光強度信號，其中控制器被配置成接收散射光強度信號；至少部分地根據來自所述至少一個發光元件的散射光強度和一個參考值，為所述至少一個發光元件確定電流校正；以及，使用該電流校正控制所述至少一個發光元件。
34.如權利要求31至33中的任一條所述的顯示器，其中，當確定一個有故障的發光元件不工作，控制器被配置成增加與那個有故障的發光元件鄰近的諸個其它發光元件的強度。
35.如權利要求31至34中的任一條所述的顯示器，其中，當確定一個有故障的發光元件不工作，控制器被配置成增加與那個有故障的發光元件相對應的諸個可控制元件的透光度。
36.如權利要求1至35中的任一條所述的顯示器，其中，發光元件被安排在一個規則陣列中。
37.如權利要求36所述的顯示器，其中，該陣列是矩形陣列。
38.如權利要求36所述的顯示器，其中，該陣列是六邊形陣列。
39.如權利要求1至38中的任一條所述的顯示器，包括被放置在諸鄰近發光元件之間的光障。
40.如權利要求1至39中的任一條所述的顯示器，包括一個控制電路，用于通過改變各發光元件的占空因數獨立地改變各發光元件的可控制光輸出。
41.如權利要求1至40中的任一條所述的顯示器，包括一個控制電路，用于通過改變被傳遞給各發光元件的電驅動電流來獨立地改變各發光元件的可控制光輸出。
42.如權利要求33所述的顯示器，其中，光檢測器被耦合成以通過一個平面波導接收散射光。
43.如權利要求42所述的顯示器，其中，各發光元件被容納在平面波導的諸孔中，并且該波導孔捕獲由各發光元件在側向方向上發出的光。
44.如權利要求43所述的顯示器，其中，平面波導位于諸個發光元件的后面。
45.如權利要求31或32所述的顯示器，包括位于諸個發光元件前面的平面波導，以及一個被耦合到該平面波導以檢測由諸個發光元件發出的光的光傳感器。
46.如權利要求45所述的顯示器，其中，平面波導的一個表面充分粗糙，以便將由各發光元件發出的一部分光引導進入該平面波導。
47.一種顯示器，包括包括一個可控制元件陣列的一個空間光調制器，每個可控制元件提供可控制的光透射；包括一個固態發光元件陣列的一個光源，每個固態發光元件被定位成照射所述空間光調制器的多個對應可控制元件，并且各自具有可控制的光輸出；以及，一個散射片；其中，可以通過控制對應于散射片上一點的諸發光元件之一的光輸出和控制對應于該點的諸可控制元件之一的光透射來控制散射片上該點的亮度。
48.如權利要求47所述的顯示器，其厚度不超過10厘米。
49.一種顯示器，包括用于提供以第一空間分辨率空間調制的光的光提供裝置；用于以不同于第一空間分辨率的第二空間分辨率對光進行進一步空間調制的空間調制裝置；以及，用于控制第一和第二空間調制裝置以顯示由圖像數據限定的圖像的裝置。
50.如權利要求49所述的顯示器，其中，光提供裝置包括諸單獨可控制發光元件的一個陣列。
51.一種顯示器，包括一個光源；被定位成調制來自光源的光的一個第一空間光調制器；包括一個第二空間光調制器的顯示屏幕；以及，被配置成將由第一空間光調制器調制的光成像到顯示屏幕的第一面上的一個光學系統。
52.一種顯示器，包括一個光源；被定位成調制來自光源的光的第一空間光調制器，該第一空間光調制器包括一個可控制象素陣列；以及，被定位成調制已由第一光調制器調制的光的第二空間光調制器，該第二間光調制器包括一個可控制象素陣列。
53.一種包括本文所述各特征的新穎組合或新穎子組合的顯示器或顯示器組件。
54.一種用于顯示具有高動態范圍的圖像的方法，該方法包括控制諸單獨可控發光元件的一個陣列，以用第一組圖像數據確定亮度；用來自該發光元件陣列的光照射一個空間光調制器的一面，該空間光調制器包括一個元件陣列，每個元件具有可控制的透光度；以及，用第二組圖像數據控制該空間光調制器的諸元件的透光度。
55.如權利要求54所述的方法，其中，第二組圖像數據的分辨率高于第一組圖像數據。
56.一種包括本文所述的新穎動作集合或者新穎動作子集合的用于顯示圖像的方法。
全文摘要
具有包括一個光調制器的屏幕的顯示器。該屏幕可以是前投屏幕或者背投屏幕。用來自一個光源的光照射該屏幕，該光源包括一個可控制發光器陣列。可以控制各可控制發光器和光調制器的各元件來調節發自屏幕上各對應區域的光強度。該顯示器可以提供高動態范圍。
文檔編號G09G3/34GK1643565SQ03805791
公開日2005年7月20日 申請日期2003年3月13日 優先權日2002年3月13日
發明者洛恩·A·懷特黑德, 黑爾格·西茨恩, 唐·格雷漢姆, 格雷里·沃德, 沃爾夫岡·斯圖爾林格 申請人:不列顛哥倫比亞大學