具有寬色域和能量效率的高動態范圍顯示器的制作方法與工藝

具有寬色域和能量效率的高動態范圍顯示器對相關申請的交叉引用本申請要求在2011年8月24日提交的美國臨時專利申請No.61/527006作為優先權，通過引用將其全文并入此。技術領域本發明涉及顯示系統，并且更特別地，涉及具有寬色域性能、高到無限對比度和/或高能量效率的新穎的顯示系統。

背景技術：
在高對比度、能量高效、寬色域顯示器的領域中，已知創建如下顯示器，該顯示器包括離散的獨立可控發射器（例如，LED－無機和有機）的背光和高分辨率LCD面板。在共同所有的以下文獻中進一步公開了低分辨率背光和高分辨率LCD面板的組合（即，“雙調制器顯示器”）：（1）發明名稱為“HDRDISPLAYSANDCONTROLSYSTEMSTHEREFOR”的美國專利No.7753530；（2）發明名稱為“METHODANDAPPARATUSINVARIOUSEMBODIMENTSFORHDRIMPLEMENTATIONINDISPLAYDEVICES”的美國專利申請公開No.2009322800；（3）發明名稱為“ARRAYSCALINGFORHIGHDYNAMICRANGEBACKLIGHTDISPLAYSANDOTHERDEVICES”的美國專利申請公開No.2009284459；（4）發明名稱為“HDRDISPLAYSHAVINGLIGHTESTIMATINGCONTROLLERS”的美國專利申請公開No.2008018985；（5）發明名稱為“HDRDISPLAYSWITHDUALMODULATORSHAVINGDIFFERENTRESOLUTIONS”的美國專利申請公開No.20070268224；（6）發明名稱為“HDRDISPLAYSWITHINDIVIDUALLY-CONTROLLABLECOLORBACKLIGHTS”的美國專利申請公開No.20070268211；（7）發明名稱為“APPARATUSFORPROVIDINGLIGHTSOURCEMODULATIONINDUALMODULATORDISPLAYS”的美國專利申請公開No.20100214282；（8）發明名稱為“TEMPORALFILTERINGOFVIDEOSIGNALS”的美國專利申請公開No.20090201320；（8）發明名稱為“WIDECOLORGAMUTDISPLAYS”的美國專利申請公開號20070268695（“′695申請”）－所有這些通過引用而全文并入此。

技術實現要素：
這里公開了顯示系統以及它們的制造和使用的方法的若干實施例。在一個實施例中，顯示系統包括：一個或更多個發射器，所述一個或更多個發射器將光發射到光路內；第一調制器，所述第一調制器包含多個有色子像素，并且其中，所述第一調制器在所述光路中透射從所述發射器發射的光；和顏色陷波濾波器（colornotchfilter），所述顏色陷波濾波器被置于所述光路中以便調節透過所述多個所述有色子像素的光。在另一實施例中，顯示系統包括離散的單獨可控發射器的陣列，并且，發射器可以是有色發射器或全光譜（白色）發射器。這種發射器可以是OLED元件、量子點激勵或能夠產生白光的任何其它已知的納米結構。在又一實施例中，OLED元件可包含UV發射器和光致發光材料或將UV光轉換成可見光的它們的組合。在一個實施例中，可見光是照射自身包含有色子像素的LCD調制器的全光譜（白色）光。顏色陷波濾波器被設置在光路和/或疊層（stack）內，使得顏色陷波濾波器減輕可通過有色子像素（例如指定為不同的顏色）發射的不同的色帶的信號之間的任何串擾。光的這種調節（在LCD調制器之前或之后）可允許顯示系統以更好的保真度呈現高度飽和的圖像。以下，結合在本申請內給出的附圖閱讀，在具體實施方式中給出本發明的其它特征和優點。附圖說明在附圖中示出了示例性實施例。應指出，這里公開的實施例和附圖應被視為解釋性的而不是限制性的。圖1示出包含白色背光和兩個LCD調制器的針對高動態范圍制成的顯示器的實施例。圖2示出透過包含有色子像素的一個示例性LCD的來自白色背光的光的點擴散函數。圖3示出根據圖1的架構制成的顯示器的色域。圖4示出具有寬色域性能的顯示系統的一個實施例。圖5A、圖5B和圖5C示出圖4所示的顯示系統的顏色性能。圖6示出具有寬色域性能和高能量效率的顯示系統的另一實施例。圖7A～7F是通過圖6所示的顯示系統的光學疊層的光的調制的各個階段。圖8A、圖8B和圖8C示出顯示系統的另一實施例，其中，為了實現具有不同的色域性能的顯示系統，顏色陷波濾波器的通帶被適當地調節。圖9示出可適合于諸如圖6中的顯示系統的白色OLED元件的一個可能的實施例。具體實施方式在以下描述的全文中，為了使得本領域技術人員能夠更徹底地理解，闡述了特定的細節。但是，為了避免不必要地混淆公開，公知的要素可能沒有被示出或描述。因此，說明書和附圖應被視為解釋性的，而不是限制性的。許多顯示系統配置已嘗試實現高動態范圍。在上面提到的′695申請的圖1中示出一個這種配置。該配置是照射較高分辨率LCD面板的一側的有色LED背光的低分辨率陣列。單獨調制的LED背光與單獨調制的LCD面板的組合產生非常高動態范圍的顯示器。這種顯示器的成本部分地由LED背光的成本以及實現雙重調制顯示器所需要的處理要求推動。這種系統的處理要求還依賴于其光可透過LCD面板的任何給定的子像素的不同LED的數量。根據經驗，照射LCD子像素的LED越多，則需要越多的處理以精確和忠實地在其上再現所呈現的圖像。為了產生表現類似的高動態范圍但不具有包含有色LED的陣列的背光的成本的顯示器，各種配置是可能的。圖1是在不具有單獨調制的背光的情況下實現高動態范圍的顯示系統100的一個這種實施例。顯示系統100包含通過控制器104接收功率和/或控制信號的白光源102。從光源102發射的白光可入射到光學疊層，諸如擴散器106、偏光器108、第一LCD面板110、偏光器112、擴散器114（可以是全息擴散器或塊體擴散器等）、偏光器116、第二LCD面板118和精整高對比度偏光器1119以及可選的用于可能的糙面精整、抗刮擦、更寬視角等方面的光學前表面。在一些實施例中，擴散器106還可包含其它準直膜（諸如BEF或棱鏡光準直膜），這在本領域中是已知的。第一LCD面板110和第二LCD面板118可被基于出自第二LCD118的希望呈現的圖像數據112的來自控制器120的控制信號驅動。任選地，光源102也可被控制器120控制以實現一些類型的已知的調光方案（即，局部或全局）。該配置的許多可能的變更是可能的。例如，第一LCD面板可包含單色或有色子像素，第二LCD面板可相應地包含有色或單色子像素。第一和第二LCD面板兩者可都包含有色子像素；但是，假定有色LCD面板本來具有低的透射率，那么兩個這種有色LCD面板的組合會實現得到的顯示器具有低的峰值發光度－可通過使用極亮（且昂貴的）白色背光解決這一點。關于這種包含至少兩個LCD面板的高動態范圍顯示器的示例，以下共同所有的申請描述了包含高動態顯示系統的使用多于一個的LCD調制器的系統和方法：（1）在2010年5月14日提交的發明名稱為“HIGHDYNAMICRANGEDISPLAYSUSINGFILTERLESSLCD(s)FORINCREASEINGCONTRASTANDRESOLUTION”的美國專利申請No.12/780740（代理人案號D10026US01）；（2）在2011年4月28日提交的發明名稱為“DUALPANELDISPLAYWITHCROSSBEFCOLLIMATORANDPOLARIZATION-PRESERVINGDIFFUSER”的臨時美國專利申請No.61/479966（代理人案號D11006USP1）；（3）在2011年3月9日提交的發明名稱為“HIGHCONTRASTGRAYSCALEANDCOLORDISPLAYS”的臨時美國專利申請No.61/450802（代理人案號D11011USP1）；（4）在2011年5月13日提交的發明名稱為“TECHNIQUESFORQUANTUMDOTS”的臨時美國專利申請No.61486160（代理人案號D11041USP1）；（5）在2011年5月13日提交的發明名稱為“QUANTUMDOTSFORDISPLAYPANELS”的臨時美國專利申請No.61/486171（代理人案號D11043USP1）－通過引用將它們的全文并入這里。在第一LCD面板包含單色子像素，第二LCD面板包含有色子像素，并且，在第一LCD面板的分辨率比第二LCD面板低的情況下，得到的發光度不如此受損；但可能存在可得到解決的其它影響。一個這種影響可以是顯示器的得到的色域。在本實施例中，可能是如下情況：到達第二LCD面板中的任何給定的有色子像素的光是來自第一LCD面板中的相鄰的子像素的多個子像素的光的組合。可通過構建光學疊層以由此減小第一LCD面板與第二LCD面板之間的距離來控制這種影響。但是，如果第一LCD面板包含單色面板，那么包含不同的顏色的從第一LCD面板發射的白光照射第二LCD面板的有色子像素。結果會損害所得到的顯示系統的色域。例如，圖2示出照射第二LCD面板的示例性綠色子像素的白光（這里包含三種原色：藍、綠和紅）的光譜的映射。當有色子像素被構建時，各有色子像素包含顏色帶通（bandpass）（如圖2中對于示例性的綠色子像素所示出的）。較小的帶通可能趨于損害顯示系統的發光度；而較大的帶通可能趨于損害顯示系統的色域。如圖2所示，如果在綠色子像素中帶通寬，那么一定量的藍光和紅光兩者會穿透綠色子像素－對顯示系統的色域造成損害。圖3示出這種顯示系統的一個示例性色域。顏色包絡線302是CIE1931色度圖的普通形狀－由此，倒U形狀是單色顏色點的曲線。三角色域304代表顯示系統可產生的許多可能的色域－例如，Rec709、P3顏色空間或AdobeRGB等。P3顏色空間和AdobeRGB是當前對于高清圖像數據格式使用的兩種色域。注意，在色域的綠（G）、藍（B）和紅（R）部分中，P3包含三個原點，即三角形的頂點。由于濾波器之間的顏色串擾（例如，來自背光的藍色和紅色光譜的部分混入LCD的綠色有色子像素的綠色通帶內），如虛線三角色域區306所示，根據圖1實現的顯示器的實際色域減小。作為結果，在要呈現高度飽和顏色的一些圖像場景中，顏色逼真性再現可能明顯降低。第一實施例圖4是具有改善的色域的顯示系統（400）的一個實施例。可基本上與圖1的顯示系統類似地構建顯示系統400，其中添加了散置于擴散器/光整形器106與第一偏光器108之間的光路中的顏色陷波濾波器402。顏色陷波濾波器的這種位置可能是希望的，原因是它是光路的在該處光被最大程度地準直化的部分。可以理解，出于本申請的目的，顏色陷波濾波器可位于光路的其它部分中。圖5A、圖5B和圖5C表示顏色陷波濾波器對于顯示系統400的應用。前面討論的圖5A表示光到達LCD（例如，第二LCD118）的有色子像素。通過一個相應有色子像素的三種顏色的串擾有時可能導致圖像內的某些顏色的不飽和。顏色陷波濾波器402具有通帶濾波器的效果－如圖5B所示－該通帶濾波器具有減少上述的串擾的意圖。當光通過陷波濾波器402并照射到LCD118的有色子像素上時，得到的光如圖5C所示。顏色的這種明晰的分離而沒有上述的串擾具有使圖像內的高度飽和的顏色更真實的效果。總的來說，顏色陷波濾波器和一個或更多個調制器（例如，LCD）以及其它光學元件的放置對從背光發射的光執行卷積。如上所述，得到的卷積可在顯示系統的希望的色域中進行確定。可以理解，顏色陷波濾波器402的位置可改變并仍具有類似的效果。陷波濾波器402可被放置在光學疊層的其它位置。將陷波濾波器402放置為使得所得到的光在一定程度上消除了上述的串擾就足夠了。第二實施例除了如圖1所示通過添加顏色陷波濾波器改善顯示系統的色域以外，還可能希望通過具有不同的、可能更能量高效的設計的其它顯示系統來具有相同的改善。圖6是包括高度高效的背光（例如，OLED或高分辨率LED陣列）606和LCD面板614的顯示系統（600）的一個實施例的截面圖。在一個實施例中，顯示系統600還可包含基板背602、反射膜604（諸如ESR膜）、背光606（例如，OLED或高分辨率LED陣列）、UV光反射器608（如果背光是光致發光和/或熒光類型，則可以可選地被包含）、反射偏光器610、高對比度偏光器612、第一LCD面板614、精整高對比度偏光器616、顏色陷波濾波器618和用于可能的糙面精整、抗刮擦、更寬視角等方面的光學前表面620。在包括OLED背光的實施例中，直接從這種OLED背光發射的光可能擴散并且不高度準直化。當光透過光學疊層時，淺角度的光（與以法線入射到顯示器的光相反）更可能被吸收，這是因為它們具有最長的傳播到顯示器外面的距離。因此，可能希望緊接在最終的完工膜620之前放置顏色陷波濾波器618，這是因為在這里光更好地準直化而它又處于任何擴散器膜620前面。但是，可以理解，出于本申請的目的，顏色陷波濾波器可位于光學疊層的任何其它部分中。在一些實施例中，能夠通過發光元件和光轉換元件（例如，量子點、熒光或其它光致發光技術）的組合構建背光。關于量子點系統和照明的例子，以下的共同所有的申請描述了使用量子點背光和照明的系統和方法：（1）在2011年5月13日提交的發明名稱為“TECHNIQUESFORQUANTUMDOTILLUMINATION”的臨時美國專利申請No.61/486166（代理人案號D11042USP1）；（2）在2010年12月17日提交的發明名稱為“QUANTUMDOTMODULATIONFORDISPLAYS”的臨時美國專利申請No.61/424199（代理人案號D11043USP1）；（3）在2011年3月2日提交的發明名稱為“N-MODULATIONFORWIDECOLORGAMUTANDHIGHBRIGHNESS”的臨時美國專利申請No.61/448599（代理人案號D11040USP1）；（4）在2011年5月13日提交的發明名稱為“TECHNIQUESFORQUANTUMDOTS”的臨時美國專利申請No.61486160（代理人案號D11041USP1）；（5）在2011年5月13日提交的發明名稱為“QUANTUMDOTSFORDISPLAYPANELS”的臨時美國專利申請No.61/486171（代理人案號D11043USP1）；－通過應用將它們全文并入這里。控制器622取得要在顯示系統600上呈現的圖像數據624并將控制和數據信號發送到LCD面板614－以及在背光單獨可控的情況下發送到背光606。由于高度高效的OLED或量子點的發射單元（emissivecell）在本領域中是已知的，因此能夠將背光606構建為這種單獨可控單元的陣列。作為替代性實施例，背光606可以不是單獨可控的。事實上，背光606可以是通過已知的光源（例如，CCFL、LED、鹵素燈或弧光燈等）產生的均勻白色背景光。在本實施例中，不需要連接控制器622和背光606的單獨的控制/數據線。在一個實施例中，能夠使得該顯示系統成為薄型的配置－由此，光學元件中的每一個厚度為四分之一英寸或更薄。薄型的配置會是所希望的，原因是如果更少量的相鄰的發射單元使光透射通過LCD面板的子像素，那么可減少處理量。在這種情況下，如在以上通過引用并入的′695申請中提到的那樣，顯示系統不需要考慮或關注具有大點擴散函數的發射器。在一個實施例中，可基本上在沒有任何空氣間隙的情況下構建顯示系統，這使得能夠密封整個顯示器以避免灰塵。將這些層中的一些或全部層疊在一起可防止弄濕，并趨于消除空氣間隙光損失。這還使得顯示系統具有附加的結構剛度。雖然一個實施例可包含多色發射器，但在另一實施例中，如在本領域中已知的那樣，如果發射單元包含白色OLED或LED陣列，那么可更成本有效地構建顯示系統。通過使用白色發射器，減少LED的緊密包裝的多色封裝的處理和控制線的數量－該LED的光可組合以呈現白光。在一個實施例中，白色OLED單元的每個像素的發光面積可是使用多色LED單元的設計的大約3倍。另外，可減少控制元件的數量（與多色單元結構相比，數量為約1/3）。伴隨各LED元件的晶片尺寸的增加，能夠在使用各單個多色OLED元件的設計上具有更大亮度水平。在本實施例中，白色發射元件（例如，LED或OLED等）可與LCD調制器的各子像素一對一地放置，或者，作為替代方案，一個白色發射元件可向少量的子像素供給照明。在本設計中，由于屏幕的不同的區域可給出從非常明亮（例如，白色發射元件調制完全開，LCD調制完全打開）到絕對黑（例如，白色發射元件關，LCD調制關閉）的亮度水平，因此顯示系統可能能夠具有基本無限的對比度。與現有顯示器相比，這可另外具有提高效率的益處，其原因是只有屏幕的照亮區域消耗功率。在一些實施例中，可通過發光元件和光轉換元件的組合構建白色發射元件，其中，第一光譜－例如，藍色或UV等－被轉換成白光。在這些實施例中，如果光轉換元件對UV光起作用以產生白色，則光學疊層（例如，如圖6所示）可通過使用UV反射器具有更高的亮度。如同上述的第一實施例的情況，如果圖6的顯示系統使用顏色陷波濾波器，那么該設計能夠具有非常寬的色域（例如，P3或AdobeRGB顏色空間），其原因是由于精整顏色陷波濾波器，各濾色器會完全與相鄰的濾色器無關地起作用（例如，在光譜空間中）而沒有任何顏色重疊。而且，如上所述，在放置顏色陷波濾波器方面存在自由度－例如，陷波濾波器處于LCD面板前面或后面。另外，可存在將陷波濾波器放在光學疊層內的不同位置以實現類似的顏色性能的機會。圖7A～7F示出通過圖6所示的顯示系統的光學疊層調制光的各種階段。假定討論中的顯示系統使用白色OLED元件，圖7A示出發射要在光致發光層中被吸收的藍色和/或紫外光的藍色和/或UV發射器的光譜輸出，該光致發光層將藍色和/或紫外光轉換成全光譜白光。通過使用全光譜反射器604和UV反射器608（即，使全可見光譜光通過但將UV光反射回OLED的光致發光層的層），可增加該OLED元件/層的效率。圖7B示出在入射到上述的UV反射器之前的從OLED元件/層發射的全光譜光。圖7C示出去往LCD的經濾色的子像素的全光譜可見光（即，減去反射的UV光，加上重新轉換的可見光）。圖7D示出透過LCD顯示器的顏色子像素的光。如上面討論的那樣，在穿過給定的有色子像素的光譜的其它區域的光（例如，作為綠色濾波器帶通特性的一部分，穿過綠色有色子像素的藍光和紅光的一些部分）之間存在一些串擾。顏色陷波濾波器具有圖7E所示的帶通特性。在陷波濾波器調節光之后，得到的顏色輸出如圖7F所示。如上面討論的那樣，得到的顏色輸出給出了高度飽和圖像的高度保真再現，從而導致給予基本上良好的色域性能的顯示系統。在圖8A～8C中示出使用稍微不同的顏色陷波濾波器的顯示系統的替代性實施例。在本實施例中，不同的顏色陷波濾波器可偏移、窄化、加寬或以其它方式改變各種通帶以實現具有希望的色域性能的顯示系統。圖8A與圖5A類似－如上面討論的那樣，透過LCD有色子像素的顏色可在不同的有色子像素之間具有明顯的串擾。圖8B示出本實施例中的顏色陷波濾波器的帶通結構。與圖5B相比，用于綠色的通帶可均朝光譜的藍色部分偏移－同時變窄以提供在光譜的藍-綠（或青）部分中更高度飽和的色點。由此在圖8C中示出得到的顏色輸出。通過構建用于顏色陷波濾波器的不同的帶通結構，能夠確定顯示系統的整個色域性能。例如，能夠構建具有希望的總體色域（例如，P3、AdobeRGB或明亮化Rec709）的顯示系統。為了使呈現圖像中的顏色平衡和亮度完美，可以理解，可能希望適當的色域映射算法（GMA）和/或子像素呈現（SPR）算法（在本領域中已知）在控制器（例如，控制器120）內起作用。控制器應具有關于顏色陷波濾波器的選擇及其對具有其它元件（諸如一個或更多個LCD調制器－單色或有色子像素）的光學疊層中的光的影響的知識（例如，為查找表中的矩陣系數等的形式）。取得輸入圖像數據并使之通過這種圖像處理流水線（例如，通過GMA和/或SPR）會針對呈現圖像的適當的保真度來平衡色度和亮度數據兩者。這種系統的一個希望的方面是能夠通過較低成本LCD（例如，具有常規的濾色器）或其它部件構建顯示系統－并與適當的陷波濾波器一起，實現具有更好色域性能（特別是在其中具有飽和顏色的場景、圖像和電影等上）的顯示系統。圖9示出可適于以上的顯示系統實施例的OLED元件900的一個可能的實施例。OLED元件900包含可通過控制線904（該控制線904繼而可通過圖6中的控制器被激活）被激活的UV發射器902。由發射器902發射的UV光激發熒光層906（在本領域中已知）以產生基本上白色的光發射。OLED元件可在反射層908（例如，ESR層）上方被構建以反射全光譜光。從OLED元件發射的光可進一步被UV反射器910調節以增加OLED元件的效率。如上所述，可通過大量的不同的方式構建顯示系統的背光。一個實施例是將背光構建為離散的單獨控制的OLED元件的陣列（與LCD子像素一對一的方式，或者在低分辨率時，為一對多配置）。在另一實施例中，可發射用于LCD面板的白光背照的單一可控層中構建OLED背光。并且，如上所述，顯示系統可使用在本領域中已知的其它的背光。例如，背光可構建為光發射器、激發量子點或其它納米材料結構的陣列，以實現類似的形式的可控背光照射。現在，參照附圖給出示出本發明的原理的本發明的一個或更多個實施例的詳細描述（結合附圖閱讀）。可以理解，結合這些實施例描述本發明，但本發明不限于任何實施例。本發明的范圍僅由權利要求限制，并且，本發明涵蓋大量的替代、修改和等同。在本說明書中已經闡述大量的特定的細節以使得能夠徹底地理解本發明。提供這些細節以作為示例，并且，可在沒有這些特定細節中的一些或全部的情況下根據權利要求實施本發明。為了清楚起見，在與本發明相關的技術領域中已知的技術材料沒有被詳細描述，使得本發明不被不必要地混淆。