本申請要求2014年8月4日提交的美國臨時專利申請No.62/032,832的優(yōu)先權，該申請?zhí)卮送ㄟ^其整體引用并入。

技術領域

本發(fā)明總體涉及用于高動態(tài)范圍圖像的顯示技術，并且特別地涉及用于局部調光的緊湊顯示器。

背景技術：

動態(tài)范圍是圖像場景的最高亮度部分與場景的最低亮度部分的強度的比。例如，由視頻投影系統(tǒng)投影的圖像可以具有300:1的最大動態(tài)范圍。

人類視覺系統(tǒng)能夠辨識具有非常高的動態(tài)范圍的場景中的特征。例如，人可以在陽光明亮照射的日子觀察到無光照的車庫的陰影，并且看到陰影中的對象的細節(jié)，即使相鄰的陽光照射區(qū)域中的亮度可能比場景的陰影部分中的亮度大數(shù)千倍。為了創(chuàng)建這樣的場景的逼真渲染，可能需要具有超過1000:1的動態(tài)范圍的顯示器。術語“高動態(tài)范圍”(HDR)意指至少800:1的動態(tài)范圍。

使用直接點亮(direct-lit)局部調光(作為示例，美國專利No.8,277,056“Locally Dimmed Display”描述的直接點亮局部調光，該專利出于所有目的并入本文)的傳統(tǒng)顯示技術能夠以忠實地再現(xiàn)高動態(tài)范圍的方式渲染圖像。這是通過光源的獨立調制以及由一個或多個液晶面板的調制以改進對比度來實現(xiàn)的。然而，對于許多應用(例如，蜂窩電話顯示器)，直接點亮面板100不能以足夠薄的形式因素(form factor)來這樣做。如圖1A所示，直接點亮面板的寬度102是堆疊光源、液晶面板以及介于中間的光學器件(諸如，漫射層)。

作為直接點亮面板的替代方案，邊緣點亮(edge-lit)技術(作為示例，美國專利No.8,446,351“Edge Lit LED based Locally Dimmed Display”中描述的邊緣點亮技術，該專利出于所有目的并入本文)以混合結果被利用。如圖1B所示，邊緣點亮面板150由于不堆疊光源而較薄，并且寬度152是由液晶面板、光導以及任何介于中間的光學器件(未示出)決定的。這就是說，邊緣點亮面板150的HDR性能遭受明顯降低，因為光源調制是行相關的，并且光強度沿著光導的長度降低(例如，根據(jù)離光源的距離而不均勻)。

因此，存在對于能夠再現(xiàn)廣范圍的光強度的緊湊(例如，薄)局部調光顯示器的需要。

本章節(jié)中描述的方法是可以被追尋的方法，但不一定是以前已被構想或追尋的方法。因此，除非另有指示，否則不應當僅僅由于該章節(jié)中描述的任何方法包括在該章節(jié)中就假定該方法有資格作為現(xiàn)有技術。類似地，關于一種或多種方法認定的問題不應當基于該章節(jié)而假定已在任何現(xiàn)有技術中被認識到，除非另有指示。

技術實現(xiàn)要素：

提供用于高動態(tài)范圍面板的技術，所述高動態(tài)范圍面板包括照明對應的光導的陣列的光源的陣列。所述陣列的光源照明第一光導。光源諸如在腔中恰好(directly)位于與第一光導相鄰的第二光導的下面。光源不延伸到第一光導或第二光導的底側下方以減小面板的厚度。

在本發(fā)明的實施例中，一種裝置包括利用藍光或紫外光照明第一光導的第一光源。所述第一光源在由至少所述第一光導和第二光導形成的腔內。第二光源利用藍光或紫外光照明第二光導。所述第二光導與第一光導相鄰。所述第一光導包括從藍光或紫外光產生寬譜光(例如，白光)的斜表面。所述第一光源不延伸超出所述腔。

作為本發(fā)明的另一個實施例，一種裝置包括分別照明光導的陣列的光源的陣列。所述光源的陣列的第一光源恰好位于第一光導的下面，所述第一光導由該陣列中的第二光源照明。所述第一光源不延伸到所述第一光導的底側下方。所述第一光導包括將光引導到不同方向的多面反射層。

作為本發(fā)明的又一個實施例，一種裝置包括利用第一光在第一方向上照明第一光導的第一光源。所述第一光源將第一光引導到與所述第一方向不同的第二方向。第二光源利用第二光在所述第一方向上照明第二光導。所述第二光導將第二光引導到所述第二方向。所述第二光導與第一光導相鄰。所述第一光源在所述第二方向上位于所述第二光導的下面。所述第一光導和第二光導均包括將光引導到所述第二方向的多面反射層。所述第一光源不延伸到所述第二光導的底側下方。

附圖說明

在附圖的圖中通過示例的方式、而非通過限制的方式例示本發(fā)明，在附圖中，相似的附圖標記指代類似的元素，并且其中：

圖1A和1B分別例示傳統(tǒng)的直接點亮顯示器和邊緣點亮顯示器；

圖2例示根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性HDR陣列面板；

圖3A-3E例示根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性HDR彩色陣列面板的簡化截面圖；

圖4A-4C例示根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性的主光源(primary light source)組；

圖5例示根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于子像素分辨率的瓦片(tile)組件；以及

圖6A-6D例示根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性HDR顯示器。

圖7例示根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有緊湊設計的示例性HDR顯示器。

具體實施方式

本文中描述涉及用于電視機、計算機顯示器、平板、PDA、移動蜂窩電話、廣告顯示器等的HDR顯示器的示例可能的實施例。在以下描述中，出于解釋的目的，闡述了大量特定的細節(jié)，以便提供本發(fā)明的透徹理解。然而，將明白的是，可以在沒有這些特定的細節(jié)的情況下實施本發(fā)明。在其它情況下，對眾所周知的結構和設備不進行詳盡描述，以便避免不必要地封閉、模糊或混淆本發(fā)明。

圖2例示根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性HDR面板200。HDR面板200是像素元件的二維陣列(例如，960×640；1136×640；1920×1080；4096×2160；3840×2160)，在該示例中，每個像素元件至少包括光學耦合到光導(即，光學波導，諸如光纖)的光源。對于精細局部調光，每個光源是獨立可控的，或者對于粗略局部調光，這些光源的子集可以被一齊控制。此外，HDR面板200的空間分辨率不需要與其它光學元件(諸如液晶面板(未示出))相同，1:1。例如，HDR面板200的空間分辨率可以是液晶面板的1:2、1:4、1:8或更小。換句話說，背光的單個光源可以用于在顯示器的區(qū)域中再現(xiàn)多個像素。

為了改進面板200的緊湊性，光源被設置在相鄰光導的下面的腔內。例如，光源202照明光導204，但是它被放置在相鄰光導206的腔208中。光導206同時被光源203照明。腔208是足夠大以完全地或部分地保持光源202的任意成形的空隙、中空、開孔等。在特定的實施例中，腔是適合部分封裝光源的形式(例如，腔至少部分地緊隨光源的輪廓)。為簡單起見，光導206的表面210限定腔208的大小和形狀。下面結合圖3A-3E來更全面地描述涉及表面210的進一步細節(jié)。

在一個實施例中，光源202被物理地安裝到光導204。這可以通過容納光源202和光導204這二者的形式因素來實現(xiàn)。可替代地，光源202可以與相鄰光導203容納在一起。包含一個光導以及一個或多個光源(例如，一個白色LED、用于紅綠藍的三個LED源等)的這些結構(下文稱為“瓦片(tile)組件”)提供除緊湊性之外的益處，諸如模塊化設計。

光導(例如，204，206)可以是玻璃、聚合物、半導體、塑料等，不管是板、平面、肋條、條帶、分段結構，還是纖維結構。光導204、206引導光譜中的電磁波(例如，具有大約380至800納米之間的波長的光)或光譜的子集中的電磁波。光導204至少引導與光源202相關聯(lián)的期望波長。

由于光源202提供光導204的橫向照明，所以光導204被配置為使光在向外的方向上反射通過顯示器的光學疊層并最后到達觀看者。在本發(fā)明的實現(xiàn)中，光導的表面(諸如光導206的表面210)是反射性的。反射層可以沉積(包括通過化學氣相沉積)、涂覆或貼附到光導206的表面210處，或者表面210的下面。反射層提供鏡面反射表面或漫反射表面，這取決于期望。用于反射層的示例材料包括以下材料中的一種或多種：金屬(例如，鋁、金、銀、銅、黃銅、汞、鎳等)、拋光金屬、涂料(例如，白色涂料、有光澤涂料、無光澤涂料)、光學反射有機硅、水以及塑料。來自光導206的反射光可以被光學疊層中隨后的元件進一步處理。在圖2中，覆蓋在一個或多個光導上的可選層212可以使光漫射以改進均勻性，或者改變點擴散函數(shù)以使對相鄰像素的貢獻更小或更大。

光源202可以是發(fā)光二極管(LED)、有機發(fā)光二極管(OLED)、有源矩陣有機LED、發(fā)光電化學電池、場誘導電致發(fā)光聚合物、冷陰極燈、冷陰極熒光燈、激光、涂布磷光體的LED、涂布量子點的LED、白熾燈泡或適當波長的電磁波的任何合適的源，優(yōu)選比光導薄。不同技術的光源的組合可以利用在面板200中。換句話說，光源202和203可以都是LED，但是它們不需要是相同的(例如，作為特定的實施例，光源202可以是OLED，并且光源203可以是涂布量子點的LED)。

在本發(fā)明的實施例中，光源202、203產生用于照明光導204、206的寬譜光(例如，白光)。可以通過若干技術將顏色給予離開光導204、206的光。例如，光路中隨后的濾色器可以用于產生主色(primary color)中的每一個，諸如紅色、綠色和藍色。具體地，可以使用具有子像素濾色器的液晶面板(圖2中未示出)。

光導上方的光學疊層中的量子點子像素區(qū)域的矩陣陣列也可以將光分別轉換為各個主色，例如紅色、藍色、綠色和/或黃色。當光源202、203產生藍光和/或紫外光時，表面210可以可選地為量子點層(即，半導體納米晶體，當經受激發(fā)時，發(fā)射取決于其大小和形狀的光)以產生寬譜光，該寬譜光稍后通過過濾被給予顏色?？商娲?，量子點層可以在表面210內部、上方或下方。作為另一個實施例，光導可以將藍光或紫外光反射到隨后的光學疊層，該光學疊層可以包括量子點的紅光產生區(qū)域、綠光產生區(qū)域以及藍光產生區(qū)域的矩陣的量子點層。如果適當?shù)乃{光由光源202、203直接產生，則藍光產生區(qū)域可以利用透明過濾器替換或者根本沒有過濾器(例如，使光沒有改變地通過的切口(cut-out))。

如上所述，光源(例如光源202)被部分地或整個地定位在由相鄰光導(例如，光導206)形成的腔208內。光源202至少部分地在腔208內，優(yōu)選主要地在腔208內，最優(yōu)選完全地在腔208內。對于較薄的瓦片組件，光源不應當延伸到其對應的光導或者其相鄰的光導相對于顯示設備的光學疊層的最低(底)側214下方。類似地，光源不應當延伸到其對應的光導或者其相鄰的光導的最高(頂)側216上方。到光源延伸到光導上方或下方的程度，瓦片組件的厚度擴大。

圖3A、3B、3C、3D和3E例示根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性HDR面板的簡化截面圖。圖3A示出線性表面304。線性表面304的傾斜角度可以在從大約1°到大約89°的范圍，優(yōu)選在從大約10°到大約70°的范圍，更優(yōu)選在從大約30°到大約60°的范圍。在另一個實施例中，表面304可以非線性地變化。反射光的期望的點擴散函數(shù)(PSF，點對象的擴散程度的度量)以及腔306的大小將影響可接受的傾斜角度。在優(yōu)選實施例中，腔306足夠充裕以容納光源308，不管光源308是與光導310集成為瓦片組件，還是作為獨立的光源設備。與堆疊光導的整個厚度加上光源的高度相比，這樣的布置使厚度302減小。

參照圖3B和3C，光導包括多面的、凸或凹的反射表面325和326，但是可以使反射表面平滑以避免銳角。面的角度和數(shù)量(例如，兩個、三個、四個、五個、六個、七個或更多個面)影響反射光的PSF。在一些情況下，擴展超出一個像素區(qū)域的PSF是優(yōu)選的。該增大的PSF大小減小與像素邊界處突然的照明變化相關聯(lián)的塊效應(blocking artifact)。圖3D示出了波狀表面327，該波狀表面327可以是任何波形，諸如正弦、方形、三角形、鋸齒形等或前述波形的組合。波形在頻率或振幅上可以是均勻的或不均勻的。例如，表面327的近側起始點周圍可以具有比表面327的遠端周圍高的頻率。應當意識到，基于本文中的教導，表面325、326和327可以因高度、深度和/或長度(在所有三個維度上)變化。換句話說，反射表面的一側(例如，左側)可以不同于其相對側(例如，右側)或者其中心。在本發(fā)明的實施例中，三個維度上的反射表面可以因方位角、仰角或這二者變化。

如附圖中所描繪的，反射表面325和326的近側起始點328、329被設置為遠離照明光源達一長度330。長度330可以基本上在從整個光導的長度的大約0％到大約99％的范圍，但是優(yōu)選在30％到85％的范圍。同樣地，反射表面325和326的遠端不需要鄰接光導的端部，也不需要與光導的頂表面(例如，331)重合—換句話說，表面325、326可以小于厚度302。這些考慮也可以適用于圖3A的反射表面304。

在圖3B和3C中，代替單個光源(例如，白色、藍色或UV LED)用于每個光導，主光源被布置為組330。組330部分地或整個地共同容納在腔306中。換句話說，主光源每組共享一個光導。應當理解，在由本說明書描述的實施例中的每一個中，單個光源和一組主光源是可互換的，這取決于顯示設備的期望架構。

圖3E例示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的示例性HDR面板的簡化截面圖。在該示例中，主光源組330照明兩個相對面對的光導350和352。需要較少的光源，因此節(jié)省物料清單(BoM)成本，但是使用于局部調光控制的分辨率降低。該實現(xiàn)可以通過使用組330照明圍繞組330放射狀組織的四個或更多個光導來獲得進一步的BoM節(jié)省。在這種情形下，作為單個模塊的“擴展的瓦片組件”可以包括組330及其多個被照明的光導。

圖4A、4B和4C例示根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性主光源組400、450、475。組400、450和475可以應用于以上結合圖2和3A-3D描述的實施例。組400和450被例示以示出三個主光源402、404和406；然而，在HDR面板中可以存在兩個、四個、5個或更多個主色。例如，HDR面板可以實現(xiàn)RGB、RGB+黃色、RGB+白色或RGB+黃色+青色中的任何一個。

對于利用譜分離的三維(3D)渲染面板，組475包括六個主光源。觀看者佩戴譜敏感的眼鏡，使得照明光的不同分量被引導到觀看者的左眼和右眼。作為示例，第一紅主色在觀看者的左眼中被感知，但是第二紅主色(在譜上不同于第一紅主色)被3D眼鏡的左眼鏡片過濾。對于右眼，第二紅主色是可感知的，但是第一紅主色是不可感知的。因此，組475包括在譜上不重疊的兩組主色。美國專利No.7,784,938中描述了關于用于影院投影的3D譜分離的附加細節(jié)，該專利出于所有目的特此通過引用并入本文。

圖5例示根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于子像素分辨率的瓦片組件500。發(fā)出顯示器的主色的多個光源(例如，502，504和506或更多)耦合到各自的光導(例如，508，510和512)。例如，光源502可以是紅色LED，光源504可以是綠色LED，并且光源506可以是藍色LED。從光導508、510和512輸出的光提供通過背光的子像素顏色調制以及通過液晶顯示器(未示出)的進一步調制。該瓦片組件避免了量子點和光學疊層中的濾色器的使用。應當意識到，包括瓦片組件500的陣列的HDR面板的所得的空間分辨率可以小于、等于或大于其它光學組件，諸如液晶面板。

圖6A-6D例示根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性HDR顯示器。如從本說明書的教導受益的本領域技術人員將容易明白的，圖6A-6D中所描繪的結構可以應用于以上針對圖2、3A-3D、4A-4C和5描述的實施例中的一個或多個。還將明白的是，圖6A-6D中描繪的層中的一個或多個是可選的。例如，如果瓦片組件602包括量子點，則可以省略量子點層606。

圖7例示根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有緊湊設計的示例性HDR顯示器。光源(諸如白色LED、RGB LED組等)沿著LCD顯示器的邊緣安裝。光源沿著顯示器的邊緣在兩個維度上盡可能緊密地平鋪，實質上創(chuàng)建低分辨率背光。

光被引導到LCD顯示器后面的期望位置。首先，光源將光發(fā)射到平面光導中。光通過全內反射(TIR)或者通過反射邊界而沿著光導被傳送。最后，光通過漫射器和LCD而被向上反射。如圖7所示，光源將光以90度傳送到光導以允許光導非常薄(um的量級)。光通過使用有角度的反射器或TIR而被沿著光導反射?？商娲兀琇ED可以將光直接發(fā)射到光導中。

背光光學器件可以在整個顯示器中平鋪或者是連續(xù)的，其中光沿著頂部和底部兩者、或者左邊緣和右邊緣發(fā)射。代替如以上針對圖7描述的使光朝向LCD向上反射，如果使用TIR，可以使光導的頂表面漫射，或者反射器可以被封端(terminate)以在期望位置中從光導射出光。

顏色波長

本說明書常提及顏色，諸如藍色、紫外線、紅色、綠色等。在不限制本文中的教導的一般性的情況下，對于本發(fā)明的一個或多個實施例，光顏色可以大約在以下范圍內：

(i)藍色—450至490納米(nm)；

(ii)紅色—635至700nm；

(iii)綠色—490至560nm；

(iv)紫外線—10nm至400nm(其中，近UV為300至400nm)；

(v)白色—被人類視覺系統(tǒng)感知為不具有特定顏色的不同波長的可見光的組合(例如，平均的正午陽光；CIE(國際照明委員會)標準照明體D65)，可見光一般在從380nm到800nm的范圍。

等同、擴展、替代及其它

在前面的說明書中，已參照在不同實現(xiàn)之間可以變化的大量特定的細節(jié)描述了本發(fā)明的可能實施例。因此，本發(fā)明是什么以及申請人意圖什么是本發(fā)明的唯一且排他的指示是從本申請以特定形式發(fā)布的一組權利要求，這樣的權利要求以所述特定形式發(fā)布，包括任何后續(xù)的修正。本文中針對這樣的權利要求中所包含的術語明確闡述的任何定義應當決定這樣的術語用在權利要求中的含義。因此，在權利要求中未明確記載的限制、元素、性質、特征、優(yōu)點或屬性不應當以任何方式限制這樣的權利要求的范圍。說明書和附圖因此要從例示性、而非限制性的意義上來看待。

附加參考文獻

除了以上引用的任何參考文獻之外，以下參考文獻也出于所有目的通過引用并入本文：

(i)國際公開No.WO 2006/064500，Device and method for optical resizing；

(ii)美國專利公開No.2007/0086712，Device and method for optical resizing and backlighting；

(iii)美國專利公開No.2008/0205078，Illumination tiles and related methods；

(iv)美國專利公開No.2008/0205080，Tiled illumination assembly and related methods；

(v)美國專利No.7,311,431，Light-emitting apparatus having a plurality of adjacent,overlapping light-guide plates；

(vi)美國專利No.6,768,525，Color isolated backlight for an LCD；以及

(vii)歐洲專利申請公開No.509096，Image display device and method of producing the same。