CN1032036C - 一种改进的视频显示系统 - Google Patents

Abstract

交叉极化间的有源矩阵LCD光阀。使用晶体管去控制具有在象素间光学屏蔽的“无信号间隔”的LCD的各“象素区域”以消除电场串扰和不带信息的光引起的串色，产生一视频图象的明亮独立光源照射内部或外部的屏，并通过特殊的投影光学装置投影未失真图象，不必考虑投影在屏上的角度。使用热沉、红外反射覆盖、热吸收光学设备、选择的流体、和热敏电阻控制的象素晶体管偏压注入伺服电路来稳定图象性能，保持准确的彩色和对比度水平。

Description

一种改进的视频显示系统

本发明一般地涉及视频显示装置，特别涉及一种改进视频显示系统，该系统使用了一种和投影光学设备相结合的有源矩阵液晶显示装置。

几十年来广泛使用阴极射线管(CRT)作视频显示，尽管这种CRT技术存在很多的问题。图象尺寸仍然受到限制，致使团体观看困难。实际上至少是19时(对角线测量)的图象尺寸的显示单元，大约是家庭观看最小的和合适的尺寸，仍存在着大而笨重、对整个房间笼罩着危险，集攒灰尘、浪费宝贵的地面空间和有碍观瞻的问题。另外对于坐着观看方便的电视对于在床上看就不方便了。除了这些仅仅的不便之外，来自彩色电视机的`射线对健康的危害、由于闪烁率使眼睛感到疲倦、高压的危险以及显象管可能的爆裂等存在的问题就不进一步详述了。

基于CRT制造的视频显示装置存在的质量问题，包括色失真，由于地磁场的影响降低了清晰度、会聚误差、老化或失调和由于可见的人为因素如扫描线引起清晰度的下降，荧光条纹和荧光点，这群光点是所有的此类电视显示装置所固有的，在比较近的距离范围内特别容易见到的。这些可见的人为因素使得图象质量比电影剧场的质量要差。

近年来，投影电视已经发展起来和商品化了。虽然这种电视解决了视屏小的问题，投影电视比起标准的直接观看的电视要昂贵得多，而且更笨重和更大，以致不可能轻便携带。两种投影电视系统已经流行了，其一是使用具有投影透镜的三个阴极射线管(CRT)，另一种使用了一个由电子束扫描的油膜。

由CRT制造的系统仍然是暗淡的，需要一个暗淡的光照观看环境和一个提供一个很有限视角的昂贵的特殊的屏。三个CRT产生由三基色蓝、绿、红形成的图象。由油基制造的投影系统，通常称之为“艾多福投影电视系统”有三个被扫描油膜元件，它们具有相当短的寿命和使用一个外部光源。在任一个系统中，这些图象必须会聚在屏上以形成一个彩色图象。由于透镜的弧度和在任何一种系统中电路性能的变化，使得适当的会聚不容易完成，有时需要高达半个小时的附加安装调整时间。如果投影装置或者屏移动了，这个会聚程序还得重复进行。这个阴极射线管CRT由高阳极电压驱动以获得尽可能高的亮度。增加阳极电压会进一步增加x射线的危害和降低管子的寿命和由于高压而增加的其他问题。这三支管子增加了管子爆裂的危险。为了解决前述的问题，多年来多次试图通过使用光阀系统来解决。这种系统使用我们所希望的亮度的一个外部光源，用一个光阀调制光携带图象信息。开发一个可使用的光阀的研究和实验已经集中在使用与物理效应相关联的不同的光学效应，发现和制造多种材料以完成在一个光阀上的所希望的效应。除了油膜扫描型系统外，没有别的光阀系统证实是可行的或经济可行的。与电子束在CRT的表面扫描图象的方法一样，在激光系统已经实验在一个视屏上扫描出图象，这个激光系统由于太大而不轻便，对于使用和维修太复杂，非常昂贵、很危险而且已经证实大面积图象太暗淡。大体上实现了多种光阀系统的试验诸如石英、磷酸二氢钾铌酸锂、铌酸锶钡、钇铅杯榴石或二氧化铬的晶体；或者如硝基苯的液体；或近结晶或向列型液晶；或如在一种液体的载体中的典奎宁硫酸盐的颗料的悬浮液。用这些或其它类似的物质在一个或多个光学效应前包括：由于施加了电场致使产生极化旋转平面或材料的折射率的变化的电—光效应，利用施加一个磁场的磁一光效应电致伸缩效应，压电—光学效应，静电粒子排列，光—传导性，声—光效应，光敏效应，激光—扫描一感应二次电子发射，和这些效应的多种的结合。不幸的是，已经证实廉价地大量地生产大孔径的光阀是不可能的，而且常有中毒和危险，产品的质量也不一致。

在所有的光阀中，不同的信息加在不同的区域，以使不同量度的光射过每个区域，总括这全部的光线，形成了一个完整的图象。这就需要由一个激光束或电子束扫描的材料形成一个微细的交叉电传导途经，被淀积在这种物质上或这种物质附近的矩阵被编址。在扫描束系统中，问题包括漏气、材料的腐蚀和由于亮度和热照射光引起的图象信息的损失，这个电矩阵系统被证实对于工程技术人员而言是困难的，它需要有极快速度开关电路和好的传导特性，这在要激活的一给定区域的材料的高压条件下是不现实的。该主系统(显示寻址的小区域)是有希望的，常常称之为电子倍增。

电子倍增仅工作于诸如液晶这样的需要低压的材料。用这种方法，所有象素的地址是在传导栅协调的x和y。为了激活一个给定的象素区域一个特点的数值，必须施加不同的电压给x和y导体，在此它们相交，它们一起超过一个阈值并且调制该区域。一个对于这种倍增的主要障碍是交扰，在此周围区域受到局部电场的影响，引起错误的数据影响周围象素。串扰也是用激光和电子扫描的材料所具有的一个问题，除了色饱和精确度外还降低了对比度和清晰度。由于这些光阀具有很小的持续时间，并且一个象素区域一次被激活，由于大部分时间象素是不亮的并在此期间浪费了光，本质上很少的光穿过屏最后到达视者，结果产生了很差对比度的较暗淡的图象，由于需要较强的亮度光源来补偿对比度，所以产生了更多的热。高的鲜艳等级是不可行的。由于这需要更快的开关时间和更快的响应的材料。

当今建造的使用了电子倍增技术的“袖珍电视”由于图象很小，光源亮度和周围环境的限制，这些效应不很显著。然而当一个图象被投影，这个缺陷就大大地扩大了，正如大量象素形成了显著的方块而变得不可接受的明显，图象质量的行结构的损坏也是不可接受的明显。对比度也是显著的低，也就是可能没有“黑色”。进一步降低对比度，明亮的、热的灯加热这个LCD，这个亮度在图象的中心区产生了一个“热点”，进一步以类似高斯图形扩散，这就进一步降低对比度。袖珍电视的彩色重现也是比用CRT显示的电视要相当地差。

克服所说的现有视频显示装置的这些和那些问题是本发明的一个目标，它提供一个可以调整图象尺寸的视频图象，这个图象可以很大，也还具有在通常光照亮的房间里看到较高质量和足够的亮度的图象。

此外，本发明的一个目的是制造一个使用一个特殊结构的LCD光阀的视频显示装置，它还使用一个独立的光源，和从前面或后面投影在内部或外部屏上的光学装置。

本发明的另一个目的是产生有较高清晰度和对比度，接近于CRT的更加精确的色还原的视频显示，同时还减小了由于闪烁而引起的变形并且消除了条状或点状(栅网)的外形。

本发明的进一步的目的是制造一个小的，轻的和灵巧的系统，该系统有较长的无故障工作寿命，能够和或者不和大的屏幕相结合地工作，而且可以大量地相当廉价地生产。

本发明的另一个目的是生产一系统，它在观看前不需要会聚和其它困难的调整。

本发明还有一个目的是生产一种系统，它没有放射x射线和管子的爆裂的危险，工作时只需要较低的电压。

本发明的另外一个发明目的是生产一种系统，它不需要特殊的屏，能够很容易投影在天花板上，有较宽的视角，看起来比较舒适。

本发明的进一步的目标是生产一种能够在三维空间投影的系统。

本发明的这些和那些目的将实现了“改进视频显示系统”后明显地表现出来，该系统使用液晶显示(LCD)装置以形成使用了一个“有源矩阵”一个图象，并电子化地寻址和激活矩阵上的每一个液晶象素。这个矩阵电路是“有源”的，在其上有分离开的晶体管或者淀积在每个象素周围的适当的半导体去存储相应的象素控制信号，本视频显示系统进一步由包括投影光学装置，该装置包括一个照射LCD的光源，准直来自光源的光的光学装置，和投影和聚焦来自LCD的图象到一个观看平面上的透镜系统。

本发明的一个实施例的一个重要的方面是通过一个分色镜系统由单个的多重着色LCD去形成彼此间分开的丰满—着色的象素。

本发明的另一个方面是关于填充象素间的间隔，这些间隔可以用一个4—镜系统去填充，这系统中一个第一条状镜对倍增每个象素并且这个图象水平地移动进入先前存在象素间的间隔。一个第二个镜头对倍增该新产生的象素的行并且垂直移动最初的和倍增的象素图象去填充象素间的剩下的间隔。

本发明还描述了填充相邻象素间的间隔的其它方法，即通过使用一个扩展透镜组和一个准直透镜或者一个第二准直透镜组去扩展和瞄准各自象素的图象。

结合相关附图详细叙述最佳实施例将较好地理解本发明。

图1是描述本发明三个LCD投影它们的图象在一个公共屏幕上的示图。

图2是本发明的一个改进实施例的示图，使用一个投影光学装置使三个LCD的图象内部叠加和投影在一个公共屏幕上。

图3是减小不同象素间间隔的象素示图。

图4是一个投影叠加“丰满色素”的图象的示图。

图5是描述填充相邻象素间间隔的一种方法的一个4—镜系统的一个示图。

图6是描述使用图5中4—镜系统的第一个两个镜(一个“条状镜对”)去填充象素间的间隔的示图。

图7是图5的4—镜系统的“条状镜对”的放大示图。

图8a和图8b是本发明实施例的透镜系统的示图。

图9a是本发明最佳实施例的分色镜系统的示图。

图9b是图9a的分色镜系统的实施例的包括一个附加光镜的改进示图。

图10是通过两个全色LCD的可视频谱范围内发射光的强度的曲线图，一个具有一个常数LCD内腔厚度，与此相反另一个具有阶梯状LCD内腔厚度。

图11a和图11b是用于两个丰满色LCD的三种波长的发射光强度对应施加电压的曲线图，两种LCD一种是常数内腔厚度，另一种是阶梯状内腔厚度。

图12是阶梯状LCD内腔厚度的放大的示图，它示出了LCD的不同的厚度，红、绿、蓝光横穿过它。

图13是和一种CRT显示器的彩色范围内相比较的一种国际照明委员会(CIE)色品图、一种是常规的具有固定的内腔厚度的彩色LCD显示器、一种是本发明阶梯状内腔厚度LCD显示器。

图14是一个背一屏投影系统的一个示图，该系统使用了本发明的一个百叶窗型背一投影屏。

图15a是在一个丰满色LCD上对应彩色—象素区域的彩色滤光镜的一个示图。

图15b是象素的另外一个方案的一个示图，在此用三角形指示一个彩色三色组的三个色素。

图16是能适用于本发明的一个声音抑制系统的透视图。

图17是本发明的最佳实施例的示图。

至今，所有研制的和工作的视频显示系统中一种液晶显示系统(LCD)表明有解决前述问题的巨大的潜力，该系统应用透射或反射型，使用液晶的极化/旋转或散射的能力，并且有一个为寻址用的传导矩阵。必须对现行使用的电子倍增技术的视频显示设备作出多种变化，以消除现存的问题。

尽管目前的LCD电视显示装置使用电子倍增技术产生一个满意的小图象，但当这样的图象被投影成大图象时，由于被传输的光绝不能达到零，因此引起低的对比度。另外利用电子倍增，串扰和相邻象素的电子渗透，降低了清晰度和彩色逼真度。如果一个图象由红、蓝、绿象素拼成，每个象素需要精确的电流值去再现原来广播的每个图象象素的亮度，以及它的色彩，另外由于在一个扫描场仅仅一部分时间每个象素被照亮，所以光被浪费了，而且图象显得暗淡。图象不可能很鲜艳而且闪烁并且高效率地发光因为这是有赖于LCD的持继时间的，而这个LCD是不可调整的。

因此，申请人提出了一个光阀投影象素的新的构思，这种构思是在每个象素边淀积一个薄膜晶体管，去产生一个“有源”的而不是“无源”的矩阵。不同于当今的倍增技术，每个晶体管能接收一个电压电平，该电平存储在这里直至被改变为止，从而为每个象素产生了一个简单的“晶体管存储器”。这种方式，每个象素可以被寻址，接通(去发射式反射光)和保留数据直至下一帧的到来。用这种系统不需要隔行扫描，并且闪烁也被消除了。每个象素在一帧的整个期间接通，在下一帧中该象素立即变至透射或反射的适当的电平。每个象素将一直以希望的值接通，允许外部光源的光的最高通量。

这个“有源矩阵”，对于给定的亮度电平将准许较强的亮度和较少的热。分别地寻址每个晶体管和让晶体管确定每个象素的电流，除了在象素间采用“无信号区”外，确保每个象素收到正确的电流值而没有任何来自领近象素的串扰。通过供用象素间的“无信号区”，必要的安排晶体管(在液晶的这个区域重叠着来自邻近象素的电场将共同混杂并产生虚伪数据，降低对比度和畸变彩色的混合)消除串扰问题。在这些区域放置不透光的黑色覆盖物至少有两个目的，它能阻止不适当地调制和未调制的光通过而照射到屏上；而且保护晶体管不受强光和热照射引起损坏。这个区域可能是一个象素尺寸那一个部分大小。使用一个薄膜晶体管有源矩阵调制系统可以消除关于对比度，亮度、闪烁和色还原等许多问题。半导体材料淀积的现代工艺方法可以实现这种系统的大批量生产。

这种新的LCD光阀用来和投影光学设备相结合。在最佳实施例图17中描述：由准直光学设备1710准直的光源1700，准直光学设备1710包括一个球面或抛物面的反射器1720，一个聚光透镜1730，和准直透镜1740。由这个准直光照射在LCD光阀1750上，并在其上产生一个丰满色光学图象。然后投影光学设备1780聚焦这个图象在一个观看平面1790上。如同进一步解释的那样，为有选择地改善该被投影图象的质量，辅助系统1760用来重叠彩色三色组的象素去形成彼此间隔的丰满色象素。进一步，辅助系统1770，在此用以填充象素间的间隔。降低了清晰度、对比度和彩色和灰度电平保真度的源由所需的投影灯泡加热。这个热，正象光一样，照射这个LCD在一个类似的高斯图形上，在LCD的中心区产生一个“热光点”。过热能损伤该LCD。如果损坏极限还未达到，由于LCD扩展增加了光必须穿越LCD的距离，正如所述的那样，图象质量的下降继续出现。这增加了散射或光通过的极化平面的旋转，使在一个类似高斯图形上对比度、清晰度、彩色和灰色还原性产生偏差。

可以采取一些步骤来处理该LCD加热而引起的不利的效应，首先，所有的光学设备包括LCD应当有好的接触的安装以增大热沉，正如所做的那样，例如用功率晶体管。另外，所有的光学设备要用适当厚度的材料覆盖，正如为分色反射器所做的一样，反射红外(IR)光谱。红外(IR)反射镜和热吸收玻璃被用在光学通道里。另外一种在容器中的液体或气体的流动装置、允许指数匹配的大体积的高沸点流体(液体或气体)在一个包含的面积内循环或静止，用来做进一步的冷却，选择地替代透射光学设备，金属反射光设备可以用来进一步加大热沉和抑制在红外(IR)波长处的反射(具有红外(IR)抗反射覆盖物)。

对于LCD及本系统的其他部件进行冷却的最简方法是使用一个或几个风扇。当该系统的音量在很小的水平上，尤其是在一个小房间内，一个风扇能产生噪声的问题。为了抑制噪声，可以在风扇和本发明的外壳的通风口之间使用“空气消声器”。图16所示的声音抑制系统由位于台架1620上的风扇1600组成。另外，空气流动锥形铸模1630施加力给空气使之穿过外壳出口前的具有反射板的一个曲径而排出通风口1640。空气反射部位的表面由吸收声音的材料所覆盖，大大地减少了噪声进入可以所到的环境中去。由于仍然有一些噪声出现在排气口1640，可以采取进一步的消声措施。这个措施包括由一个麦克风1650拾取余下的噪声，把它送到一个反向噪声相位180°的放大器，这个反相噪声通过扬声器1660反馈回去。适当地调整放大器的相位和音量，这些余下的能感到的风扇噪声能根本上减少和使得特别地听不到。

由于可利用光源的亮度和一个给定系统的物质的和经济的限制，一些重要的高斯热图形保留在LCD上，并且在工作期间，随着整个热建立时间而变化。因此，除了消除这些问题和列举的其它补救处理的较低的量值外，一种电子处理途径可以利用。由于光的极化板的旋转度数不仅依赖于可通过光的LCD的厚度，而且还依赖于施加的电场的数值，调整抗温度效应的电场将有助于消除失真，导致穿过LCD的性能均匀，这就相当于对不同的象素施加不同的偏压，这些不同的象素分布在高斯图形中并且由分别的晶体管和/或寻址电路控制。一个热敏电阻或其他的温度敏感器件放在LCD上，能够用来监测整个LCD的平均温度。使用一个电子伺服电路，象温度波动一样调整高斯偏压的分布。至于更精确的温度控制，一种热敏电阻型器件可以淀积在象素间的间隔里的邻近每个象素晶体管处，独立地控制每个象素的热补偿偏置电压。

虽然所述的方法至今解决了上述的主要问题，但还必须使用一种彩色生成的满意方法并对象素间的空白区域做一些工作，该象素间的黑色间隔将在投影图象上被放大。

使用一种单个“丰满色”LCD，可以制成一种简单、紧凑和便宜的丰满色电视投影系统。不使用投影的丰满色，直观视频图象显示的装置可以用一个单独“丰满色”LCD制成，当这个图象由投影放大时，一些问题就变得很明显了。

在一标准的由CRT造的电视系统中，红、蓝、绿象素数据传送给CRT表面上的邻近的荧光点上。相类似地在一直观LCD电视系统，红、蓝、绿象素数据传送到LCD的相邻区域。这些区域由红、兰、绿滤光镜适当地着色给穿过这些象素单元的光。图15a描述了一种对应彩色一象素区域的彩色滤光镜的简单的方案，在这个彩色—象素区域中，一种给定的彩色象素位于产生垂直彩色带上面的另一象素的上面。三个水平相邻的象素区域组成一个三色组，每个组表示实际图象中的一个单个象素。图15b描述了象素的另一种方案，这种方案中一个彩色的三色组的三个象素排列成三角形。如此小的紧密组合在一起的红、兰、绿光点就产生了彩色错觉，好象它们是在一起出现的一样。然而，当这个图象由投影放大时，每组相邻的红、兰、绿象素不再合起来去产生适当的着色区。相反，它们呈现出互不联系的红、兰、绿区域，降低和损坏了自然图象。此外，允许淀积薄膜晶体管去产生“有源矩阵”的LCD的相邻象素间的间隔也被放大，进而产生一种分裂的、折散的不自然的图象。

相邻的红、兰、绿点的出现而代替了实际的色彩的问题，可以使用图9a所描述的分色镜系统去消除。假设在图15a的象素排列，个别的红、兰、绿象素可以通过下面的排列重迭在一起。通过LCD902的准直光901打在仅仅反射兰光的分色镜903上，其余的红和绿图象通过分色镜903打在分色镜904的表面，分色镜904仅反射红光，允许绿色图象通过。兰色图象由镜910和911前表面反射，并由分色镜905表面反射，分色镜905仅能反射兰色光。在这里兰色和绿色图象结合在一起。通过调整前表面镜910和911，兰色象素可以和绿色象素重叠。前表面镜920和921反射红色图象，而分色镜906反射红色图象，分色镜906仅仅反射红光。在这一点，红色图象再和绿色、兰色图象结合，并通过调整表面镜920和921，使得红色象素能够和已经结合在一起的兰色和绿色图象重叠。在这个结合处，我们得到了一个象素间有大的间隔的丰满彩色图象，如图4所示。

如果个别的着色的象素在LCD上的排列如图15b所示，在图中每个彩色三色组成一个三角形，由于绿象素至它周围的红和兰色象素处的垂直位移，正象所述过的，将不能许可将红和兰象素一起重叠在绿色象素上。因此，这种排列象素需要一个另外的类似于红和兰光的途径的分色镜。在图9b中有更详尽的描述，它是图9a所示包括一个附加光径的改进后的系统的侧视图。

如前所述，准直光901通过丰满色LCD902。然后在LCD902和分色镜903间的距离增加至允许插入一个反射绿光和传送红光和兰光的分色镜950。如前所述，903反射兰光和传透红光，现在，镜面904和905是前表面镜，906反射红光和传透兰光。如前，镜910，911，920和921是前表面镜。此外镜960和967也是前表面镜。镜980是一个反射绿光和传透红和兰光的分色镜。用这种改进的安排，适当址分开镜910和911，镜920和921，将仍能够使得红和兰象素重叠。另外，适当地分开镜960和970，将使得绿象素重叠在已经结合于一处的红一兰象素对。这种普遍的镜的安排可以用于图15a所示的象素排列的彩色LCD，镜960和970间的间隔的调整是为了防止绿色象素的垂直方向的位移，因为它们和红、兰象素已经是在一条线上了。为绿光分开的镜径，使得每种彩色光通过系统的穿越距离相等，这是很重要的，因为光虽然准直过，但经过一些距离的行进，仍然有一些发散。因此，如果不同彩色成分穿越不同的距离，然后当它们再结合起来成为一个丰满色象素图象，那么，具有较短途径的彩色成分将产生比其它彩色象素的图象要小的一个象素图象，从而产生了质量差的彩色图象。现在该图象能够通过930，930既可以是“条状镜对”系统，也可以是透镜组系统，以后叙述填充象素间的间隔为的是用投影光学设备940做最后的投影。

这些组合的系统重叠相应的彩色象素去形成“丰满色”象素，然后由放大或倍增的象素去填充象素间的间隔。这对于由CRT组装的视频投影装置改进主观清晰度同样是有用的。

其它的各种结合也是很显然的，例如使用三个丰满色彩色LCD于投影系统，这里一个LCD的红色象素重叠于第二个LCD的绿色象素，第二个LCD重叠第三个LCD的兰色象素，这样产生了丰满色象素而取消了对图9所示镜系统的需要。这样，3个LCD允许三个如图1所示的光源，(虽然可以使用一个)，有三倍的光度。

图1所示三个LCD，一个显示红110，一个显示绿111和一个显示兰112图象数据，每个由适当的彩色光(100，101，102)照射。来自源100的红光由聚光器120聚焦并由准直光学设备130准直。投影光学设备140聚焦一个红图象在屏150上。类似地，绿和兰图象投影并会聚在这个屏上，形成一个丰满色图象。这个使用了3个LCD的丰满色系统的缺点是无论何时，投影装置和屏幕的移动后都必须调整光学设备以使得图象会聚。如图2所示，通过使用分色镜和一个投影镜可以消除这些问题。由LCD200来的红色图象信息由前面镜201反射至分色镜204，204反射红光但透过兰和绿光。来自LCD220的兰色图象信息由前表面镜202反射，然后到分色镜203，203反射兰光但允许绿光通过，然后通过分色镜204。来自LCD210的绿色图象信息通过分色镜203和204。因此，一个总的寄存的丰满色图象由投影光学设备205投影在屏206上形成了图象，其会聚总是非常好的，不需要考虑屏幕和投影装置的保存。当然，多个单色和/或丰满色LCD可以用来产生一个视频显示。使用多个LCD，便增加了这多个LCD的费用。

用一个或三个透镜，三个图象能轻微地补偿在象素间间隔的填充，例如在图3中兰色象素301能稍微地比红色象素302高并且绿色象素303能稍微地相对红色象素左移。很多不同的着色的象素的偏移的安排是可能的，并且所有这些都用来减少图象中黑色的间隔。但是，同时在近范围内的个别的色彩会变得更为可见。虽然那样一种图象是可以接受的，但更为期望的，尽管不是不必须的，一种较好的解决办法是，使所有的象素准确地重叠在彼此互有间隔的(由适当LCD制造安排的)三色组(红，绿，兰在一起形成的丰满色象素)，使之等于一个象素的尺寸，而不论是使用了一个或多个LCD。然而这个象素图象能准确地倍增或扩展，填充这些间隔以产生一个“连续的图象”。在图4中，单个象素401是一个相应的红、兰和绿象素叠加而成，402表示的间隔需要去填充。

不论是使用一个丰满色LCD或者是多个单色LCD，一个有源矩阵的使用将增加象素间的间隔。一个优选的填充这些间隔的方法是适当使用镜组。制造一个镜系统，它能倍增适当位置的象素而且使光浪费至最小。可以使用一个“条状镜”系统。在图5中表示了一个那样的外形结构。包含有“丰满色”图象信息的光501(在图4中标示出来)打在标有502和503的“条状镜对”上。这将使得整个图象倍增和水平移动一个象素的宽度，并且用原图象一半的亮度(也就是减少到原来亮度的一半)，如图6所示，填充水平行的象素间的间隔。垂直行601A，602A和603A分别是垂直行601，602，和603的倍增行。这些结合的(原来的和倍增的)图象出现在图5中的间隔504中，然后通过一个第二个“条状镜对”505和506，这样的结果是倍增了这图象但垂直移动了一个象素的高度，产生两个相等亮度的图象，一个在另一个上面，填充在图6中指出的610，611和612水平行上。因此产生了一个没有黑色间隔的“实体图象”。消除黑色间隔，消除分离地被着色的象素和象素间的区别，改善了图象的清晰度使之甚至高于当今CRT图象在近范围内观看的清晰度，这是因为CRT有可分辩的行、象素和间隔。

由图7可以较好地理解一个“条状镜对”，来自一个单个象素701的光，撞击在镜对中的第一镜702的一个“清晰”的间隔720。这个第一镜是由玻璃、塑料或其他适合的材料构成的，这个材料是(AR)耐酸的，覆盖可视光谱而且在它的相对面涂上适当的反射材料如铝或银成条状，这条状涂覆可以由例如，真空淀积一“条状掩膜在玻璃上”而制成。可选择地，玻璃可以由光刻胶覆盖并用希望的尺寸的条状图形投影和暴光。显影以后，在玻璃的暴露处用希望的条状进行金属的真空淀积，淀积后，剩下的感光胶将撕去或溶解掉，剩下需要的清晰的条纹。

镜对中的第二个镜703也有交替的，清晰的和反射的条带。然而，在这个镜上，反射涂覆是较薄的，产生不完整的镜而不是整个镜。这个反射率的百分比是可调的，因此两个象素图象发射出相等的亮度。

来自象素701的光，在通过间隔720后撞击在不完整的镜730上，产生一发射光束710和一个打在第一镜702的镜表面740上的反射光束。这个反射光穿过镜703上的清晰间隔，产生一个第2光束710a，710a是光束710的一个准确的倍增，除去它是来自710光束的连接的位移。如果象素间的间隔不等于一个象素的尺寸，镜702上的反射区740以及象镜703上的清晰间隔750一样能够调整象素间间隔的尺寸。

图5的顶视可以看到“条状镜对”(502，503)，它具有垂直的条，和光束501相比是倾斜了，围绕垂直倾斜轴产生了一个水平位移的倍增图象，并且，“条状镜对”(505，506)有水平条，围绕水平倾斜轴(它垂直于第一“条状镜对”的倾斜轴和光束501)，所以产生了一个垂直地位移倍增图象。

以透镜替代反光镜的消除象素间间隔的另一种方法，如果象素间间隔与象素尺寸有区别时，这种方法将特别有用。例如，象素间间隔比一个象素稍微大时，一个透镜组801(如图8a和8b所示)与丰满色象素同样数目的透镜一起组合(许多的LCD上的彩色三色组和每个透镜的中心排布恰好在每个象素802的上面)能用来放大每个象素，如图8a和8b所描述。然而，要么一个如图8a所描述的，准直透镜组803，或者一个大的如图8b所描述的准直光学设备804，能用来再准直现在的被放大的和连接的象素以便并由适当的投影光学设备投影。

如果象素间间隔相对于象素的大小而言在垂直方向与水平方向上有差异，将需要用合成透镜组来适当填充间隔。虽然小的透镜组的生产是现有技术，但比更容易使用的双凸透镜组要简单和便宜。这些园柱形透镜组可以彼此地以轴垂直地方式重叠在一块，以完成同一目的。对每一维的透镜分离功能取消了对双凸透镜的需要，这种透镜对于精确地和连贯地再现如此小尺寸图象是困难的。

产生一个“丰满色”，LCD出现了另一个问题，它虽然在小图象的显示方面不很显著，但在大图象的显示上会产生主要问题。这个问题导致了差的对比度和差的彩色保真度。为理解和校正导致的缺陷，必须认真分析一个丰满色LCD的工作情况。

下面的分析解释了问题的本质。来自一个螺旋状液晶器件的传透光强度(TI)依赖于折射方向性(n)和液晶扭曲角( )，这个液晶器件在不加电压情况下有给定任意波长( )的一个液晶厚度(d)。TI只有在这些参数值很少唯一同时结合的时候等于零。这就意味着，除非对于给定的任何晶体波长( )和厚度(d)很特别的结合，零传透强度或者实际的黑将不会发生。因此，如果有向性、扭曲角和晶体厚度固定，当它们是处于一通常的LCD(由两平板间液晶组成)，在一个时刻只有一个颜色达到黑色。如果施加一个电压，改变扭曲角，则另一种不同颜色可以变为黑。这种非线性就消除了所有彩色同时出现时的真实对比度的可能性，因此，精确的彩色是由相加的方式而得的，这样就排除了真实颜色的鲜明性。进一步图解，图10的破折线表示了一个给定厚度的标准丰满色LCD的可视光谱区间的传透光强度。图11A示出了使用于一个给定均匀厚度丰满色LCD的三个波长的非线性传透率对电压的曲线。例如，当红的传透是最小值，兰传透高于10％，绿传透高于5％。没有真实的黑色而导致低对比度，这是今天的LCD的主要问题之一。为了解决这个问题，可以选择在每个彩色滤色镜下的液晶厚度(在板间填充液晶)导致在准确的零压下，施加适当的旋度给板化光，以使特殊波长的光从彩色滤色镜传出。对于被使用的彩色滤色镜3组中的每一组，通过这样做，每种彩色光的最小值量将不施加电压传透过去。这将提供一种更黑的黑色，因而得到了一种较高的对比度。如果有台阶的淀积或刻蚀一个板用以制造如图12图示的台阶，就能够得到这种结果。通过使用那样一种具有阶梯厚度内腔的一种LCD腔体，这种晶体厚度—波长的结合将能同时提供所有三色的真实的黑。在所有彩色同时通过时，在施加的电压和传透的强度间的线性关系可以得到。图10(实线)表示了这一点，在这里，传输接进于零并不加电压；在图11b，所有彩色的传输随着同时加的电压而变化。

在申请人的演示型中，使用了一种“阶梯厚度”内腔，导致了对比度高达100∶1和色逼真度接近CRT的逼真度。在图13中CIE(国际照明委员会)图解可以看到这么高的色逼真度，在该图解中，破折线表示通常多—色液晶(LC)显示的色品，虚线表示一种具有变化晶体厚度的液晶(LC)的色品，实现表示通常CRT的色品。

多种投影格式可以用来和该披露的视频显示系统结合，另外，弯曲的、方向敏感的、高反射系数的屏幕较便宜的，更宽敞散开的屏幕都能用于本系统。一种固定的规则的电影屏幕，甚至于墙壁也可以为本系统提供足够的亮度。通过一个前表面镜的投影透镜的附件的垂直安装，图象可以显示在卧室的天花板上。这种技术，以前是不可能的。允许躺在床上方便地观看图象而不会引起背部和颈部的紧张。

背一屏投影也能够完成。通常的背—屏投影电视需要一个双凸透镜和一个菲涅尔透镜，以得到足够的光亮度。这加上一个可分辨的图形给图象而且产生了一个水平和垂直观看的极限角。这种类型的屏，象通常的CRT，反射周围的光给看者，产生耀眼，因而使看者眼睛紧张和劳累。本系统的亮度是较高的，允许不太严格的屏幕，显示装置也更流线型，较轻便和令人愉快的美感。

高的亮度允许使用一种灰色无光泽的(即结构)宽的散射角屏幕材料。这样产生的图象使观看者从几乎任何角度都可看到均匀亮度和无闪眼的图象。这种无耀眼的屏幕，和通过选择灯泡和工作电压改变色温和亮度的结合，提供一种无疲倦的显示给必须花费长时间紧张地在视频显示终端的人。一种更艺术的和未来的投影系统的例子在图14中示出了。视频投影装置1041能安装在一个垂直的机架1402上，投影一个图象在一个镜1043上。镜1043能够反射这个图象并聚焦在一特殊的背面屏幕1404上，1404安装在一个框上，这个框象个“悬挂空间”。这个屏本身能由非常薄的平板条1405组成，几乎没有任何背面投影物质。靠安装在平板条端的轴，每个平板条具有一个起落装置。一个马达可以驱动平板条打开(放开、平行与地板)并合紧(垂直于地板，产生实体、为背—屏投影所用)。在打开的位置，屏好象是空间中的透光窗一样。当投影装置接通电源，例如通过遥控，这些平板条能同时和快速合紧，产生一个在空中的视频图象。

不论用怎样的投影方法，都存在两种主要问题。除非被投影的表面垂直于投影光束的光轴，这个图象将会受到梯形失真的影响并由于图象不能准确聚焦在屏幕表面，使部分图象变模糊，而使图象受到损坏。如果这个投影装置安装在地板上，在一个低桌上，或在天花板上及屏幕中心定在墙壁上，这个问题便必然出现。CRT系统通过改变电磁扫描线的偏转来处理梯形失真，然而，该披露的用LCD造的系统予先已确定象素的位置，所以不能用这种技术。

因此，可以构成一种合成镜头系统。一个变焦镜头通过改变投影光学设备的构件间相对距离来一般地改交投影图象的尺寸。如果使用不同曲率的透镜构件，这也是能够完成的。在本申请中，提出了一种透镜，除去它以外还有两个变焦点长度的透镜，一个在标准透镜之上，一个在其下，它们共同构成一个透镜组。透镜组的中心区域，大到足以放大整个LCD，产生一个正方形的投影图象。但是如果这个透镜组相对于LCD上升或下降，放大量则会改变，引起一个不规则的梯形的放大，LCD图象的顶部或者它的底部是这个梯形的最长的边。因此，向上或向下调整这个透镜组，是依赖于和屏幕一起制成的投影装置的角度，从而消除了梯形效应。

可以用一种鲜为人知的摄影技术，通常称之为“斯堪门弗格”(Scheimfug)校正，来校正可变聚焦问题。如果一个被摄场面有一个相当大的景深和孔径被使用，使场面的所有象素的聚焦的唯一方法是倾斜透镜和胶片平面，这样以使一条线在场面上划过所有的物体，并且和划过胶片平面的一条线在相同一点交叉，在这一点上和划过透镜面的一条线交叉。使用相同的逻辑，一个机械调整，该机械调整倾斜LCD板和投影光学设备的板，产生一个和穿过屏幕板的一条线交叉，这将使整个图象聚焦，甚至即使投影装置的光束不垂直于被瞄准的屏幕。

本发明适用于三维视频投影，一种可以完成三维投影的方法，它使用两个投影系统，一个LCD系统的极化垂直于另一个LCD系统的极化。发出立体视频信号，例如它是由两个移动的摄影机发出，并且投影在一个非极化的屏幕上。允许观看者带极化眼镜看到丰满色的三维视频信号。用封装在一起的内隔开的两个LCD系统构成一个单个透镜三维视频投影系统。不用图5中第一条状镜对502和503的第二个镜503，一个LCD的象素间的间隔水平的移动可以通过一个光束分裂装置由另一个LCD的象素去填充。产生一个水平交织垂直极化三维图象，通过单个投影透镜去投影。条状镜502可以和来自第一个LCD的光的轴成45°角的倾斜。来自LCD的象素的光通过条状镜清晰区。第二个LCD，它的轴垂直于第一个LCD轴，反射由条状镜反射区来的它的光，使得两个具有垂直极化的图象合成为一个交织的合成图象。

另一种能够使用的三维投影方法是背—自动—立体三维投影。这种方法对三维观看者不需要配戴任何特殊眼镜。两个相同的双凸透镜屏，背对背地放置并在它们中间有一个薄的、半透明的屏，由两个或多个视频投影装置用不同角度投影在其上，这些投影装置带有立体或多—角—观看的信息。这个图象可以在屏的后面从空间不同位置观看。如一个人围绕屏幕移动到不同位置，这个图象都可以看到，一个人同时看不到重叠图象，这就在空间产生了几个无畸变的及幻视觉的区域。如果一个人把眼睛放在一个无畸变观看区域，使一个图象进入每个眼睛，一个多维图象便可以看到。很多观众将能够同时从不同角度看到一个无畸变3维视频图象。

在本申请中披露的系统，全部使用分立的分别地寻址的和保持的(电的)象素。这个方法提供了真实数字化电视的基础，这种电视今天还不存在。当今，视频和音频两种信号被数字化和以数字化二进制码存储在激光盘和小型盘(“CDs”)中，这个数字化保存着从微秒至微秒的信号的准确值。在该系统中对于诸如放大器噪声造成的失真和非线性，擦伤，脱落，和其他在记录材料上的缺陷，重影信号等等都可完全不理，由于这个系统仅仅注意每个比特是“接通”(on)或“断开”(off)—一个“0”或一个“1”而不注意强度和清楚的变化。然而，一旦数字数据读出，放大器和今天的视频系统的心脏—CRT阴极射线管，必须使用模拟信号，再次引起噪声和错误的数据，这便降低了图象的质量。CRT的基础是一个电子束扫描一种荧光物质，以模拟方式改变它的发光强度。相反，本发明实际上是关于每个象素的计算机系统，它是对数据模式的最佳操作。这将导致更精确，较高的质量的电视和视频显示。即将到来的对高清晰度电视的信赖应该把本系统的这种数字显示器件作为本领域的选择。为增加清晰度，一系统仅需要增加象素的数目就象要增加更多的半导体芯片来使计算机随机存储器(RAM)增加那样。总之，不论格式的常规选择是怎样的，本发明打下了实行数字化和高清晰度电视的可行的基础。

当本发明最佳实施例已经详细描述时，改进和采用这个实施例对本技术领域熟练的人来说是很显然的了。这将明显地懂得，正如在权利要求中所陈述的，那种改进和采用都处在本发明的思想和范围内。

Claims (38)

1.一个视频显示系统，其特征在于包括：

一个液晶显示器件，该器件特别地具有为形成一个图象的安排在一个矩阵里的许多象素；

为存储一个相应的象素控制信号的和每一个象素结合的一个固态象素控制元件；和

将所说的液晶显示形成的图象投影在一个观看区域上的装置。

2.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征在于：所说的固态象素控制元件包括一个晶体管，所说的晶体管调制它的相应的象素。

3.按照权利要求2所述的视频显示系统，其特征在于所说的晶体管包含一个薄膜场效应晶体管。

4.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是进一步包括一个象素间的无信号间隔，在这里实质上没有带有图象信息的光从所说的无信号间隔发射出来。

5.按照权利要求4所述的视频显示系统，其特征是进一步包括一个位于象素间的光阻挡涂覆。

6.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是进一步包括一个热沉。

7.按照权利要求4所述的视频显示系统，其特征是所说的投影装置由热反射材料覆盖。

8.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是进一步包含一个热吸收元件。

9.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是进一步包含一个流体装置。

10.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是进一步包含金属反射光学设备。

11.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是进一步包含一个热敏装置，这里所说的装置监视温度和给液晶显示加偏压以抵消温度波动效应。

12.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是进一步包含多个液晶显示去投影每个图象在观看区域以产生一个黑白或彩色图象。

13.按照权利要求12所述的视频显示系统，其特征是进一步包含一个分色光学设备，这里所说的分色光学设备重叠不同地着色的液晶显示投影图象，用一个单一投影透镜系统使所说的图象聚焦在一个屏上。

14.按照权利要求4所述的视频显示系统，其特征是进一步包含一多元着色的象素，其中的象素相应偏离以消除无信号间隔。

15.按照权利要求4所述的视频显示系统，其特征是进一步包括一个反射镜系统去倍增象素的图象到象素间的无信号间隔。

16.按照权利要求4所述的视频显示系统，其特征是进一步包含一组透镜去填充象素间无信号的间隔。

17.按照权利要求16所述的视频显示系统，其特征是所说的一组透镜按一个透镜阵列排列。

18.按照权利要求17所述的视频显示系统，其特征是所说的透镜阵列是双凸透镜。

19.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是这里所说的液晶显示是一个丰满色液晶显示，由多种彩色象素所组成。

20.按照权利要求19所述的视频显示系统，其特征是这里的由一个着色的象素放射的光和另一个着色象素放射的光相重叠。

21.按照权利要求20所述的视频显示系统，其特征是进一步包含一个象素间的无信号间隔，在这里本质上没有从无信号间隔放射的带有图象信息的光。

22.按照权利要求21所述的视频显示系统，其特征是这里所说的图象是倍增的，以填充在象素间的无信号间隔。

23.按照权利要求21所述的视频显示系统，其特征是这里的由众多着色象素中的每个象素放射的光被光学地扩展，分别填充象素间的无信号间隔。

24.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是进一步包括：

一个液晶容器，这里所说的容器阶梯地产生液晶的不同内腔长度，该长度是对应被投影的光的不同的波长以及通过不同液晶投影显示区域的。

25.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是进一步包括将图象投影在天花板上的装置。

26.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是进一步包含一个投影透镜系统，这里所说的透镜系统以不规则四边形的方式予先变形图象以补偿图象投影在一个表面引起的梯形失真，以致这个表面和投影透镜与表面上的一个连线不垂直。

27.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是这里所说的系统投影在一个表面上，该表面对于连接表面和投影光学设备的一条线是不垂直的，这里的液晶显示和投影光学设备被倾斜，以使它们的平表面在一条线正交，而这条线和被投影的表面的平面正交。

28.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是进一步包括多个液晶显示投影装置，这里的投影装置在一个由三维观看的非一去极化的屏上投影极化的立体相关图象。

29.按照权利要求28所述的视频显示系统，其特征是在进一步由一个单个投影透镜系统将图象投影在一个屏上以前，每个所说的投影装置的图象被光学地结合在一起。

30.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是进一步包括多个投影装置，这里所说的投影装置投影图象从这里发射到一个屏上，这个屏由两个背对背的凸透镜组成，从而限制了每个图象的视角。

31.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是包括一个声音抑制系统。

32.按照权利要求31所述的视频显示系统，其特征是这里所说的声音抑制系统进一步由声音吸收材料组成。

33.按照权利要求31所述的视频显示系统，其特征是这里所说的声音抑制系统进一步包括偏转声音的屏障。

34.按照权利要求31所述的视频显示系统，其特征是这里所说的声音抑制系统进一步包括：

一个麦克风；

一个扬声器；和

一个改变在传送声音给扬声器前靠麦克风检测声音信号的相位的电路。

35.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是这里的观看区域有一个具有某种结构的表面。

36.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是这里所说的观看区域是被暗着色。

37.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是这里关于形成图象的电信号是数字化的。

38.按照权利要求1所述的视频显示系统，其特征是这里的，比今天使用的常规电视要高的，高清晰度数据用来实现一个高清晰度图象的显示。

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