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(quán)，該申請?zhí)卮送ㄟ^其整體引用并入。

技術(shù)領(lǐng)域

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

背景技術(shù)：

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(xì)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(shù)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(diào)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(diào)光，該專利出于所有目的并入本文)的傳統(tǒng)顯示技術(shù)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(diào)制以及由一個或多個液晶面板的調(diào)制以改進(jìn)對比度來實現(xiàn)的。然而，對于許多應(yīng)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(xué)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(shù)(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(shù)，該專利出于所有目的并入本文)以混合結(jié)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(dǎo)以及任何介于中間的光學(xué)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(diào)制是行相關(guān)的，并且光強度沿著光導(dǎo)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(diào)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(gòu)想或追尋的方法。因此，除非另有指示，否則不應(yīng)當(dāng)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(shù)。類似地，關(guān)于一種或多種方法認(rèn)定的問題不應(yīng)當(dāng)基于該章節(jié)而假定已在任何現(xiàn)有技術(shù)中被認(rèn)識到，除非另有指示。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

提供用于高動態(tài)范圍面板的技術(shù)，所述高動態(tài)范圍面板包括照明對應(yīng)的光導(dǎo)的陣列的光源的陣列。所述陣列的光源照明第一光導(dǎo)。光源諸如在腔中恰好(directly)位于與第一光導(dǎo)相鄰的第二光導(dǎo)的下面。光源不延伸到第一光導(dǎo)或第二光導(dǎo)的底側(cè)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(lán)光或紫外光照明第一光導(dǎo)的第一光源。所述第一光源在由至少所述第一光導(dǎo)和第二光導(dǎo)形成的腔內(nèi)。第二光源利用藍(lán)光或紫外光照明第二光導(dǎo)。所述第二光導(dǎo)與第一光導(dǎo)相鄰。所述第一光導(dǎo)包括從藍(lán)光或紫外光產(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)的下面，所述第一光導(dǎo)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(dǎo)的底側(cè)下方。所述第一光導(dǎo)包括將光引導(dǎo)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(dǎo)的第一光源。所述第一光源將第一光引導(dǎo)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(dǎo)。所述第二光導(dǎo)將第二光引導(dǎo)到所述第二方向。所述第二光導(dǎo)與第一光導(dǎo)相鄰。所述第一光源在所述第二方向上位于所述第二光導(dǎo)的下面。所述第一光導(dǎo)和第二光導(dǎo)均包括將光引導(dǎo)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(dǎo)的底側(cè)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(biāo)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(shè)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(xì)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(xì)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(jié)構(gòu)和設(shè)備不進(jìn)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(xué)耦合到光導(dǎo)(即，光學(xué)波導(dǎo)，諸如光纖)的光源。對于精細(xì)局部調(diào)光，每個光源是獨立可控的，或者對于粗略局部調(diào)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(xué)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(jìn)面板200的緊湊性，光源被設(shè)置在相鄰光導(dǎo)的下面的腔內(nèi)。例如，光源202照明光導(dǎo)204，但是它被放置在相鄰光導(dǎo)206的腔208中。光導(dǎo)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(dǎo)206的表面210限定腔208的大小和形狀。下面結(jié)合圖3A-3E來更全面地描述涉及表面210的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。

在一個實施例中，光源202被物理地安裝到光導(dǎo)204。這可以通過容納光源202和光導(dǎo)204這二者的形式因素來實現(xiàn)?？商娲?，光源202可以與相鄰光導(dǎo)203容納在一起。包含一個光導(dǎo)以及一個或多個光源(例如，一個白色LED、用于紅綠藍(lán)的三個LED源等)的這些結(jié)構(gòu)(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(shè)計。

光導(dǎo)(例如，204，206)可以是玻璃、聚合物、半導(dǎo)體、塑料等，不管是板、平面、肋條、條帶、分段結(jié)構(gòu)，還是纖維結(jié)構(gòu)。光導(dǎo)204、206引導(dǎo)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(dǎo)204至少引導(dǎo)與光源202相關(guān)聯(lián)的期望波長。

由于光源202提供光導(dǎo)204的橫向照明，所以光導(dǎo)204被配置為使光在向外的方向上反射通過顯示器的光學(xué)疊層并最后到達(dá)觀看者。在本發(fā)明的實現(xiàn)中，光導(dǎo)的表面(諸如光導(dǎo)206的表面210)是反射性的。反射層可以沉積(包括通過化學(xué)氣相沉積)、涂覆或貼附到光導(dǎo)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(xué)反射有機硅、水以及塑料。來自光導(dǎo)206的反射光可以被光學(xué)疊層中隨后的元件進(jìn)一步處理。在圖2中，覆蓋在一個或多個光導(dǎo)上的可選層212可以使光漫射以改進(jìn)均勻性，或者改變點擴散函數(shù)以使對相鄰像素的貢獻(xiàn)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(xué)電池、場誘導(dǎo)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(dāng)波長的電磁波的任何合適的源，優(yōu)選比光導(dǎo)薄。不同技術(shù)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(chǎn)生用于照明光導(dǎo)204、206的寬譜光(例如，白光)?？梢酝ㄟ^若干技術(shù)將顏色給予離開光導(dǎo)204、206的光。例如，光路中隨后的濾色器可以用于產(chǎn)生主色(primary color)中的每一個，諸如紅色、綠色和藍(lán)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(dǎo)上方的光學(xué)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(zhuǎn)換為各個主色，例如紅色、藍(lán)色、綠色和/或黃色。當(dāng)光源202、203產(chǎn)生藍(lán)光和/或紫外光時，表面210可以可選地為量子點層(即，半導(dǎo)體納米晶體，當(dāng)經(jīng)受激發(fā)時，發(fā)射取決于其大小和形狀的光)以產(chǎn)生寬譜光，該寬譜光稍后通過過濾被給予顏色。可替代地，量子點層可以在表面210內(nèi)部、上方或下方。作為另一個實施例，光導(dǎo)可以將藍(lán)光或紫外光反射到隨后的光學(xué)疊層，該光學(xué)疊層可以包括量子點的紅光產(chǎn)生區(qū)域、綠光產(chǎn)生區(qū)域以及藍(lán)光產(chǎn)生區(qū)域的矩陣的量子點層。如果適當(dāng)?shù)乃{(lán)光由光源202、203直接產(chǎn)生，則藍(lán)光產(chǎn)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(dǎo)(例如，光導(dǎo)206)形成的腔208內(nèi)。光源202至少部分地在腔208內(nèi)，優(yōu)選主要地在腔208內(nèi)，最優(yōu)選完全地在腔208內(nèi)。對于較薄的瓦片組件，光源不應(yīng)當(dāng)延伸到其對應(yīng)的光導(dǎo)或者其相鄰的光導(dǎo)相對于顯示設(shè)備的光學(xué)疊層的最低(底)側(cè)214下方。類似地，光源不應(yīng)當(dāng)延伸到其對應(yīng)的光導(dǎo)或者其相鄰的光導(dǎo)的最高(頂)側(cè)216上方。到光源延伸到光導(dǎo)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(dǎo)310集成為瓦片組件，還是作為獨立的光源設(shè)備。與堆疊光導(dǎo)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(dǎo)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(guān)聯(lián)的塊效應(yīng)(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(cè)起始點周圍可以具有比表面327的遠(yuǎn)端周圍高的頻率。應(yīng)當(dāng)意識到，基于本文中的教導(dǎo)，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(cè)(例如，左側(cè))可以不同于其相對側(cè)(例如，右側(cè))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(cè)起始點328、329被設(shè)置為遠(yuǎn)離照明光源達(dá)一長度330。長度330可以基本上在從整個光導(dǎo)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(yuǎn)端不需要鄰接光導(dǎo)的端部，也不需要與光導(dǎo)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(lán)色或UV LED)用于每個光導(dǎo)，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(dǎo)。應(yīng)當(dāng)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(shè)備的期望架構(gòu)。

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(dǎo)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(diào)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(dǎo)來獲得進(jìn)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(dǎo)。

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(yīng)用于以上結(jié)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(dǎo)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(guān)于用于影院投影的3D譜分離的附加細(xì)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(dǎo)(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(lán)色LED。從光導(dǎo)508、510和512輸出的光提供通過背光的子像素顏色調(diào)制以及通過液晶顯示器(未示出)的進(jìn)一步調(diào)制。該瓦片組件避免了量子點和光學(xué)疊層中的濾色器的使用。應(yīng)當(dāng)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(xué)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(dǎo)受益的本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易明白的，圖6A-6D中所描繪的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)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(shè)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(zhì)上創(chuàng)建低分辨率背光。

光被引導(dǎo)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(dǎo)中。光通過全內(nèi)反射(TIR)或者通過反射邊界而沿著光導(dǎo)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(dǎo)以允許光導(dǎo)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(dǎo)反射?？商娲兀琇ED可以將光直接發(fā)射到光導(dǎo)中。

背光光學(xué)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(dǎo)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(dǎo)射出光。

顏色波長

本說明書常提及顏色，諸如藍(lán)色、紫外線、紅色、綠色等。在不限制本文中的教導(dǎo)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(nèi)：

(i)藍(lán)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(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(quán)利要求，這樣的權(quán)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(quán)利要求中所包含的術(shù)語明確闡述的任何定義應(yīng)當(dāng)決定這樣的術(shù)語用在權(quán)利要求中的含義。因此，在權(quán)利要求中未明確記載的限制、元素、性質(zhì)、特征、優(yōu)點或?qū)傩圆粦?yīng)當(dāng)以任何方式限制這樣的權(quán)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(xiàn)

除了以上引用的任何參考文獻(xiàn)之外，以下參考文獻(xiàn)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。