CN1643565A - 高动态范围显示装置 - Google Patents

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黑尔格·西茨恩
唐·格雷汉姆
格雷里·沃德
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Abstract

具有包括一个光调制器的屏幕的显示器。该屏幕可以是前投屏幕或者背投屏幕。用来自一个光源的光照射该屏幕，该光源包括一个可控制发光器阵列。可以控制各可控制发光器和光调制器的各元件来调节发自屏幕上各对应区域的光强度。该显示器可以提供高动态范围。

Description

高动态范围显示装置
相关申请的交叉参考
本申请要求于2002年3月13日提交的美国申请No.60/363,563的优先权，其标题为“高动态范围显示装置”。
技术领域
本发明涉及用于显示数字图像的显示器。
背景技术
动态范围是场景的最高亮度部分与场景的最低亮度部分之间的强度比值。举例来说，由视频投影系统投影所得的图像具有300∶1的最大动态范围。
人类的视觉系统能够识别具有很高动态范围的场景中的特征。举例来说，人在阳光明亮的一天仍能向没有光亮的车库的阴影中看，并且即便是在旁边有阳光区域的亮度比所述场景的阴影部分的亮度高数千倍的情况下，仍能看见阴影中物体的细节。要产生这样一个场景的真实再现，要求显示器具有高于1000∶1的动态范围。术语“高动态范围”意思是800∶1或更高的动态范围。
现代数字成像系统能够捕获和记录场景的数字呈现，其中场景的动态范围是保留的。计算机成像系统能够合成具有高动态范围的图像。然而，当前的显示技术不能够以忠实重现高动态范围的方式再现图像。
Blackham等人的美国专利No.5,978,142公开了一个用于将图像投影到屏幕上的系统。该系统具有第一和第二光调制器，都用来调制来自一个光源的光。每一个光调制器都在象素级调制来自光源的光。由这两个光调制器调制的光被投影到屏幕上。
Gibbon等人的PCT专利申请No.PCT/US01/21367公开了包括一个预调制器的投影系统。该预调制器控制入射到一个可变形反射镜显示装置的光的数量。独立的预调制器可被用来使一个选定区域(例如一个象限)变暗。
需要能够在所显示图像中重现较宽范围的光强度的符合成本效益的显示器。
发明内容
本发明提供用于显示图像的显示器。本发明的一个实施例提供的显示器包括：包括发光元件阵列的光源，每一个发光元件具有可控制的光输出；以及，包括多个可控制元件的空间光调制器，所述元件被定位成调制来自光源的光。散射片(diffuser)将已由空间光调制器调制的来自光源的光引导至观看区域。
本发明的另一方面提供的显示器包括：包括可控制元件阵列的空间光调制器，每个可控制元件提供可控制的光透射；包括一个固态发光元件阵列的光源，每个固态发光元件被定位成照射该空间光调制器的多个相应的可控制元件并且每个固态发光元件都具有可控制的光输出；以及，一个散射片。通过控制对应于散射片上一点的发光元件之一的光输出，以及通过控制对应于该点的可控制元件之一的光透射，可以控制散射片上该点的亮度。
本发明的另一方面提供的显示器包括：用于以第一空间分辨率提供光空间调制的光提供装置；用于以不同于第一空间分辨率的第二空间分辨率对光进行空间调制的空间调制装置；以及，用于控制第一和第二空间调制装置以显示由图像数据限定的图像的装置。
本发明还提供一个用于显示图像的方法。该方法包括：控制一个单独可控发光元件的阵列以获得由第一组图像数据确定的亮度；用从所述发光元件阵列得到的光照射空间光调制器的一面，该空间光调制器包括一个元件阵列，每个元件具有可控制的透光度；以及，用第二组图像数据控制该空间光调制器的各元件的透光度。
以下说明本发明的其它方面和本发明各具体实施例的特征。
附图说明
在图示本发明的非限定性实施例的附图中，
图1是依照本发明一个实施例的显示器的示意图；
图1A是图1显示器的一个具体实现方式的示意图；
图2是依照包括四个空间光调制器的本发明一个替换实施例的显示器的示意图；
图3是依照本发明另一个实施例的背投类型显示器的示意图；
图4是依照本发明另一个实施例的前投类型显示器的示意图；
图5图示了在依照本发明的显示器中，较高分辨率空间光调制器的象素和较低分辨率空间光调制器的象素之间的可能关系；
图5A图示了提供一个其分辨率低于另一个光调制器的光调制器的效果；
图6是具有替换投影器构造的前投类型彩色显示器的示意图；
图6A和6B是图6彩色显示器的前投屏幕的各部分的展开横截面视图；
图7是图示从较低分辨率光调制器的象素成像到较高分辨率光调制器的光如何能够交叠以产生光强随位置的光滑变化的曲线图；
图7A是一个曲线图，其图示对于光调制器一个象素的像的光强随位置变化如何能够被表示为方曲线与扩展函数的卷积；
图8是依照本发明一个替换实施例的显示器的示意横截面，而图8A是其示意前视图；
图8B是一个显示器的示意横截面，其中空间光调制器位于光源阵列之前；
图8C是在光源阵列和空间光调制器之间具有插入格栅(gridinterposed)的显示器的示意图；
图8D是六边形格栅的等轴测视图；
图8E是通过格栅的一个通道的示意表示，其图示照射在一个空间光调制器上的反射和非反射光分量；
图8F是示出反射和非反射光分量如何合在一起以提供改进的照射均匀性的曲线图；
图8G是一个显示器的示意表示，其中将构成一个格栅的内部反射部件与封装各LED的材料制作在一起；
图9A和9B图示了可被用在图8的实施例中的发光元件阵列的两种可能配置；
图9C图示了使用光障以提供增加的锐度；
图10是依照本发明一个替换实施例的投影类型显示器的示意图；
图11是校准机制的框图；
图11A是散射光从LED出射的LED照射路径的图示；以及
图11B、11C、11D和11E是替换校准机制的示意图。
具体实施方式
在下面的说明中，阐述了具体的细节以便提供对本发明的更为透彻的理解。然而，可以在没有这些细节的情况下实施本发明。在其它实例中，没有详细示出或说明那些众所周知的元件，以避免不必要地模糊本发明。因此，应把说明书和附图视为说明性的，而非限制性的。
本发明提供了能够再现具有高动态范围的图像的显示器。依照本发明的显示器包括两个光调制级。光经过串联的两级以提供具有增大的动态范围的图像。
图1示意地图示了依照本发明一个简单实施例的显示器10。图1中的元件尺寸以及它们之间的距离并不是成比例的。显示器10包括一个光源12。举例来说，光源12可以包括如白炽灯或电弧灯之类的投影灯、激光器或另一个适当的光源。光源12可以包括一个光学系统，该系统包括一个或多个反射镜、透镜或其它元件，它们相互合作以向显示器10的剩余部分提供光。
在所示实施例中，来自光源12的光被引导至第一光调制器16。光源12优选地提供对第一光调制器16的基本均匀的照射。光调制器16包括一个单独可寻址元件的阵列。举例来说，光调制器16可以包括作为透光型光调制器实例的LCD(液晶显示器)，或者作为反射型光调制器实例的DMD(可变形反射镜装置)。显示驱动电路(图1中未示出)依照限定所显示图像的数据来控制光调制器16的各元件。
由适当的光学系统17将已经由第一光调制器16调制的光成像到背投屏幕23上。来自第一光调制器16的一个小区域的光被光学系统17引导到背投屏幕23上的一个对应区域。在所示实施例中，光学系统17包括一个焦距为f的透镜。一般来说，将由第一光调制器16调制的光成像到背投屏幕23上的光学系统17可以包括一个或多个反射镜、透镜或其它光学装置。这样一个光学系统具有将由第一光调制器成像到第二光调制器的功能。光学系统17也可被称作成像装置。
在所示实施例中，背投屏幕23包括第二光调制器20和准直器18。准直器的主要功能是将通过背投屏幕的光优先引导向观看区域。准直器18可以包括菲涅耳透镜、全息透镜，或者替换地，一个或多个透镜的另一种配置，或者适于将光引导向观看区域的其它光学元件。
在所示实施例中，准直器使光以通常垂直于屏幕23的方向通过第二光调制器20的各元件。当从准直器18入射过来的光通过第二光调制器20时，所述光被进一步调制。然后，光通过散射片22，散射片在一定的方向范围内散射输出光，以使得位于散射片22相对于第一光调制器16相反的一侧的观看者能够看到来自屏幕23的整个区域的光。一般来说，散射片22在水平和垂直平面上会散射光到不同的角度范围。应该将散射片22选择成在一定的角度范围内散射经第二光调制器20调制的光，以使其最大散射角度至少等于当从所期望的观看位置观看时屏幕23所对的角度。
背投屏幕23的面积可能与第一光调制器16不同。例如，背投屏幕23的面积可能大于第一光调制器16。在这种情况下，光学系统17将由第一光调制器16调制的光束扩展成照射背投屏幕23上比第一光调制器16更大的对应区域。
第二光调制器20的类型可以与第一光调制器16相同或不同。当第一和第二光调制器16和20都是对光进行极化的相同类型的光调制器时，第二光调制器20应该(至少在实践中)被定向成其极化平面与从第一光调制器16入射到其上的光的极化平面相匹配。
显示器10可以是彩色显示器。这可以以多种方式实现，所述方式包括：
·令第一光调制器16和第二光调制器20之一为彩色光调制器；
·提供多个不同的第一光调制器16，其以不同的颜色并行操作；以及
·提供向第二光调制器20之前的光径中快速引入不同颜色滤波器的机制。
上面的第一方法的实例是，第二光调制器20可以包括具有多个象素的LCD板，每个象素包括多个有色的子象素。举例来说，每个象素可以包括三个子象素，其中一个与红色滤波器相关联、一个与绿色滤波器相关联、一个与蓝色滤波器相关联。所述滤波器可与LCD板集成在一起。
如图1A中所示，光源12、第一光调制器16以及光学系统17都可以是数字视频投影器37的部件，该投影器被定位成将由信号38A规定的图像从控制器39投影到背投屏幕23的背面。第二光调制器20的各元件由来自控制器39的信号38B控制，以便向观看者提供具有高动态范围的图像。
控制器39可以包括任何适当的数据处理器。控制器39可以包括一个或多个运行适当控制软件的微处理器，以及允许控制器39依照本发明控制显示器操作的各个接口。此类控制器的一般构造以及用于编程此类控制器以提供所期望功能的一般技术对本领域熟练技术人员来说是众所周知的，本文将不对其进行详细说明。
如图2所示，依照本发明的显示器10A可以包括一个或多个附加的光调制级24。每个附加的光调制级24包括准直器25、光调制器26以及光学系统27，该光学系统将来自光调制器26的光聚焦到下一附加的光调制级24或者准直器18上。在图2的装置10A中，有两个附加的光调制级24。依照本发明这一实施例的各装置可以具有一个或多个附加的光调制级24。
通过控制由光调制器16、20、26的相应元件所通过的光量，可以调节在输出散射片22的任一点上的亮度。这种控制可以由适当的控制系统(图2未示出)提供，所述控制系统被连接来驱动每个光调制器16、20和26。
如上所述，光调制器16、20和26可以是同一类型或两种或两种以上不同类型的光调制器。图3示出了依照本发明一个替换实施例的显示器10B，它包括第一光调制器16A，该光调制器包括可变形反射镜装置。由于每个象素可以是“开”或“关”，在此意义上可变形反射镜装置是“二进制”装置。通过迅速开关象素，可以产生不同的视亮度级。举例来说，在美国专利No.4,441,791和No.4,954,789中描述了此类装置，并且所述装置被普遍使用在数字视频投影器中。光源12和第一光调制器16(或16A)例如可以是商用数字视频投影器中的光源和调制器。
图4图示了依照本发明的前投类型显示器10C。显示器10C包括屏幕34。投影器37将图像38投影到屏幕34上。投影器37包括适当的光源12、第一光调制器16和光学系统17，该光学系统适于将由第一光调制器16限定的图像投影到屏幕34上。投影器37可以包括商业可用显示器投影器。屏幕34包括第二光调制器36。第二光调制器36包括多个可寻址元件，所述元件可被单独控制，以影响屏幕34的相应区域的亮度。
光调制器36可以有多种构造。举例来说，光调制器36可以包括一个位于反射衬背之前的LCD元件阵列，每个LCD元件具有可控制的透光度。投影器37投射的光穿过每个LCD元件，并被所述反射衬背反射返回通过所述LCD元件。屏幕34上任一点的亮度由在该点处接收到的摄影器37的光强度以及光调制器36(例如在该点处的LCD元件)对透射穿过它的光的吸收度确定。
光调制器36还可以包括具有可变反射回光(variable retro-reflection)属性的元件阵列。所述元件可以是棱形的。举例来说，在Whitehead的题为“Passive High Efficiency Variable ReflectivityImage Display Device”的美国专利No.5,959,777和Whitehead等人的题为“Electrophoretic，High Index and Phase Transition Control ofT0tal Internal Reflection in High Efficiency Variable ReflectiVityImage Displays”的美国专利NO.6,215,920中描述了此类元件。
光调制器36还可以包括电泳显示元件阵列，举例来说，在Albert等人的题为“Shutter Mode Microencapsulated ElectrophoreticDisplay”的美国专利N0.6,172,798；Comiskey等人的题为“Electro-osmotic Displays and Materials for Making the Same”的美国专利No.6,120,839；Jacobson的题为“Electronically AddressableMicroencapsulated Ink and Display”的美国专利No.6,120,588；Jacobson等人的题为“Electrophoretic Displays Using Nanoparticles”的美国专利No.6,323,989；Albert的题为“Electrophoretic Displayswith Luminescent Particles and Materials for Making the Same”的美国专利No.6,300,932，或者Comiskey等人的题为“MicrocellElectrophoretic Displays”的美国专利No.6,327,072中描述了所述电泳显示元件。
如图6A和6B所示，屏幕34优选地包括透镜元件40，其将光优先引导向观看者的眼睛。在所示实施例中，透镜元件40包括一个菲涅耳透镜，其焦点与来自投影器37的光锥的顶点基本重合。透镜元件40可以包括另一种透镜，例如全息透镜。透镜元件40包括散射中心45，其在来自屏幕34的反射光中提供所期望的散射度。在所示实施例中，第二光调制器36包括一个具有大量象素42的反射LCD板，该反射LCD板后面是反射层43并被安装在衬背47上。
若光调制器36包括具有可变反射回光属性的元件阵列，所述元件本身可被设计成优先地在屏幕34前的观看区域的方向上引导所述反射回光。反射层43可被摹制成对光进行散射，以便增大散射中心45的效果，或者取代散射中心45。
如图4所示，控制器39向第一光调制器16和第二光调制器36中的每一个提供限定图像38的数据。举例来说，控制器39可以包括配备有适当的显示适配器的计算机。屏幕34上任一点的亮度取决于对应于该点的第一光调制器16和第二光调制器36中的象素的组合作用。在对应于被设置成其“最暗”状态的第一和第二光调制器的象素的那些点处有最小亮度。在对应于被设置成其“最亮”状态的第一和第二光调制器的象素的那些点处有最大亮度。其它点则具有中间的亮度值。最大亮度值例如可以是105cd/m2的数量级。最小亮度值例如可以是10-2cd/m2的数量级。
随着光调制器中的可寻址元件数量的增加，光调制器及其相关控制电路的成本也会增加。在本发明的某些实施例中，光调制器之一具有明显高于其它一个或多个光调制器的空间分辨率。当其中一个或多个光调制器是较低分辨率装置时，依照本发明这些实施例的显示器的成本就可被降低。在包括两个或多个光调制器的彩色显示器中，其中一个是彩色光调制器(多个单色光调制器的组合可以构成一个例如如图6所示的彩色光调制器)并且其中一个是较高分辨率的光调制器，该较高分辨率的光调制器应该也是彩色光调制器。在某些实施例中，较高分辨率的光调制器被成像在较低分辨率的光调制器上。在其它实施例中，较低分辨率的光调制器被成像在较高分辨率的光调制器上。
图5图示了如图1中所示的显示器10的一个可能的象素配置。第二光调制器20的9个象素42对应于第一光调制器的每个象素44。作为设计选择，对应于第一光调制器16的每个象素44的第二光调制器20的象素42的数目可以变化。第一和第二光调制器16和20(或36)中具有较高分辨率的那个光调制器的各象素44应该足够小，以便提供所期望的总体分辨率。一般来说，在日益增加的分辨率和日益增加的成本之间有一个折衷。在典型的显示器中，较高分辨率的光调制器会提供在每个方向上至少具有几百个(通常是超过1000个)象素的的象素阵列。
第一和第二光调制器中具有较低分辨率的那个光调制器的象素42的尺寸决定了从最大强度到最小强度的可靠变化的尺度。举例来说，考虑描述这样一种情形的图5A，其中希望显示一幅在大的最小亮度背景上有小的最大亮度点的图像。想要在点47上获得最大亮度，则对应于点47的第一和第二光调制中每一个的那些象素被设置到它们的最大亮度值。若一个光调制器的象素的分辨率低于另一个光调制器的象素，则具有较低分辨率的光调制器的某些象素将跨越点47的边界。例如图5A就是这种情况。
在点47之外有两个区域。在区域48中，不可能将其亮度设为最小值，因为在该区域中，具有较低分辨率的光调制器被设为其最高亮度值。在区域49中，两个光调制器都可被设为其最低亮度值。举例来说，如果第一和第二光调制器中的每一个具有1到100单位的亮度范围，则区域47可以有100×100＝10,000单位的亮度，区域48会有100×1＝100单位的亮度，而区域49会有1×1＝1单位的亮度。
其中一个光调制器的分辨率低于另一个的结果是，具有较低分辨率的光调制器的每个象素对应于具有较高分辨率的光调制器中的多于一个象素。对应于具有较低分辨率的光调制器的任一象素以及具有较高分辨率的光调制器的不同象素的那些点是不可能具有所述装置的动态范围的极限值的。这些点之间的最大亮度差取决于由具有较高分辨率的光调制器所提供的动态范围。
显示器不能够使空间邻近的点在亮度上的不同达到该显示器的全动态范围，这通常不是问题。人眼有足够的固有散射，因此人眼在任何情况下都不能分辩在非常短距离上出现的大的亮度变化。
在依照本发明的包括较低分辨率的空间光调制器和较高分辨率的空间光调制器的显示器中，控制器39可以为较低分辨率的空间光调制器的每一象素确定一个值并且调节用来控制较高分辨率的空间光调制器的信号以便减少伪像，所述伪像是由以下事实产生的：较低分辨率的空间光调制器的每一象素是由较高分辨率的空间光调制器的多个象素共用的。这一点可以以多种方式实现。
仅举一个例子来说，考虑较低分辨率的空间光调制器的每个象素对应于较高分辨率的空间光调制器的多个象素的情况。限定期望图像的图像数据被提供给控制器。该图像数据表示对应于较高分辨率的空间光调制器的每个象素的图象区域的期望亮度。控制器可以设置较低分辨率的光调制器的各象素以便提供所期望图像的一个近似。举例来说，这可以通过为对应于较低分辨率显示器的每个象素的诸图像区域确定各期望亮度值的一个平均值或加权平均值来实现。
控制器随后可以设置较高分辨率显示器的各象素以使最终的图像接近期望图象。举例来说，这可以通过将诸期望亮度值除以从较低分辨率光调制器入射到较高分辨率光调制器的诸对应象素上的光强度来实现。从较低分辨率光调制器入射到较高分辨率光调制器的光强度可以用已知方式计算，即来自较低分辨率空间光调制器的光是分布在较高分辨率空间光调制器上的。可以将来自较低分辨率空间光调制器的一个或多个象素的贡献相加，以便确定当以该种方式设置较低分辨率空间光调制器的各象素时，用以照射较高分辨率空间光调制器的任一象素的光强度。
如果较低分辨率的象素太大，则观看者可能会在图像的明亮单元周围分辨出光晕。优选地，较低分辨率的象素足够小，以使得暗背景上的明亮斑点或者明亮背景上的暗点不会退化得无法接受。当前，在较高分辨率光调制器上为较低分辨率光调制器的每个象素提供约8至144范围的象素，更优选地提供约9至36范围的象素，被认为是实际的。
象素42和44各自能够调节图像上一点(或多点)的步幅大小不必相等。比起较高分辨率光调制器的各象素，较低分辨率光调制器的各象素可以以较粗糙的步幅调节光强度。举例来说，对于每个象素的光强度，较低分辨率光调制器可以允许在8步之内调节1至512单位的强度范围，而较高分辨率光调制器可以允许在512步之内调节同样的强度范围。在图5中，象素42和44都作为方形被照射，这是不必要的。象素42和/或44可以是其它形状，例如矩形、三角形、六边形、圆形或椭圆形。
较低分辨率光调制器的诸象素优选地发出略为发散的光，以使得当光经过较低分辨率光调制器的诸象素时光强的改变得相当平滑。如图7所示，当来自较低分辨率光调制器的每个象素的光传播到相邻象素中时就是这种情形。如图7A所示，较低分辨率光调制器中的象素的强度曲线通常可以用高斯传播函数与宽度d1等于该象素有效宽度的矩形曲线的卷积来近似。该传播函数优选地在0.3×d2至3×d2范围内的一半最大值具有全宽，其中d2是中心到中心的象素间距，以便产生所期望的平滑变化的光强度。通常d1差不多等于d2。
在图5的实施例中，每个象素42包括3个子象素43R、43G和43B(为清楚起见，图5省略了某些象素42的子象素)。子象素43R、43G和43B是可独立寻址的。它们分别与红色、绿色和蓝色的颜色滤波器相关联并且被集成入第二光调制器20。在本发明中使用的包括多个有色子象素的LCD板的各种构造在本领域中是已知的。
对于前投类型显示器(例如图4的显示器10C)来说，第一光调制器16包括提供颜色信息的高分辨率光调制器以及光调制器36包括单色光调制器通常是很实际的。光调制器36优选地具有恰当小的可寻址元件，以使其各元件的边界不会形成视觉上引起混乱的图案。举例来说，光调制器36可以具有和投影器37相同数目的可寻址元件(尽管每个此类元件典型地比投影器37的光调制器16中的对应元件具有大得多的尺寸)。
投影器37可以具有任何适当的构造。所要求的仅是投影器37能够投影已被空间调制的光，以便往屏幕34上提供图像。图6图示了依照本发明另一个替换实施例的显示系统10D。系统10D包括屏幕34，该屏幕具有参照图4所述的集成的光调制器36。系统10D包括投影器37A，该投影器具有用于三种颜色中的每一种的分开的光调制器16R、16G和16B。经光调制器16R、16G和16B调制的光由三个有色滤波器43R、43G和43B中的对应一个进行滤波。光学系统17将经调制的光投影到屏幕34上。单个光源12可以向所有三个光调制器16R、16G和16B提供光，或者可以提供分开的光源(未示出)。
在上述各实施例中，来自一个光源的光由第一光调制器空间调制，并随后被成像到第二光调制器上。发明者意识到，可以通过提供包括发光元件阵列的光源来把光源和第一光调制器的功能组合到一起，其中每个发光元件具有可控制的亮度。所述发光元件可以是固态装置。举例来说，发光元件可以包括发光二极管(LED)。每个LED可以由驱动器电路驱动，该驱动器电路允许电流流经LED，并进而允许控制由该LED发出的光的亮度。所述控制器也可以(或替换地)控制相应LED的占空因数。如下所述，驱动电路可以监视传递给每个LED或每组LED的电流，并且如果被传递给每个LED或每组LED的电流值具有非预期值则可以生成错误信号。此类错误信号可被控制器用于补偿故障的LED。
在本发明的一个优选实施例中，诸LED是发出白色光的类型。举例来说，诸LED可以包括三色LED阵列。商业市场上可找到全被封装在单一外壳之内的分别包括红色、绿色和蓝色的三色LED。可以使用一个或多个LED来照射第二光调制器的每组象素。
图8示出了依照本发明一个实施例的显示器60的一部分，其中背投屏幕53包括散射层22，该屏幕由LED52的阵列50照射。每个LED52的亮度由控制器39控制。屏幕53包括一个光调制器20。光调制器20的背面由LED阵列50照射。图8A是显示器60的一部分的示意性前视图，其对应如下情况，其中光调制器20的诸可控制元件(象素)42对应于每个LED52。每个可控制元件42可以包括多个有色子象素。
诸LED52可以以任何适当方式被安排成阵列50。在图9A和9B中示出了两种可能的LED52的安排。图9A图示了光源51的矩形阵列50A。图9B图示了光源51的六边形阵列50B。光源51可以包括LED52。若光源51包括分立装置，举例来说，则如将图9A和9B所示把光源51组装在一起可以保持光源51之间的规则间距。
散射片22A结合各LED52的发光特性，使得来自各LED52的光在光调制器20背面上的强度变化较为平滑。
在没有散射片22A的情况下，通过将光调制器20远离各LED52也可以获得类似的效果。若光调制器20远离各LED52，则来自每个LED52的光有助于照射对应于邻近LED52的空间光调制器20的各区域的边缘。
在有必要能够在较大角度范围内观看所述显示器的情况下，所述距离改变会带来视差问题。若观看者不是迎面地观看显示器(如图8B中所示)，则观看者可能看到空间光调制器20的这样一个象素，该象素由并不对应于该象素的一个LED52照射。举例来说，在图8B中，区域21A对应于LED52A，而区域21B对应于LED52B。然而，由于视差，观看者看到区域21A中的象素由LED52B照射。
图8C示出避免了图8B所图示的视差问题的一个替换构造。在图8C中，由反射壁围成的通道123的格栅122被放置在阵列50和空间光调制器20之间。在一个优选实施例中，通道123的横截面是六边形的，并且格栅122包括如图8D所示的蜂巢结构。通道123还可以具有如方形、三角形、矩形等等形状的横截面。限定通道123的所述屏壁优选地较薄。格栅122例如可以包括铝制蜂巢材料部分。
通道123可以是(而不必需是)空的。通道123可以由柱状透光材料提供，其中所述柱状透光材料具有使光在其上内部反射(优选地是全部内部反射)的屏壁。所述透光材料柱可以由薄的气隙或包层分隔，所述包层有一种或多种材料，其提供使光在其上内部反射的分界面。所述透光材料柱可以与将各LED52封装在其中的材料集成在一起。图8G示出了本发明的一个实施例，其中具有内部反射屏壁的透光材料柱123A被与各LED52C集成在一起。透光材料柱123A可以具有多种截面形状，比如六边形、三角形、方形等等。
来自每个LED52的光经过通道123。如图8E所示，来自一个LED的一部分光直接通过通道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对空间光调制器20上一点处的亮度做出贡献。反射分量往往在通道123的边缘周围更为强烈，而未反射分量往往在通道123的中心处更为强烈。其结果是，由于格栅122的存在，每个LED52对空间光调制器20的对应部分进行照射的均匀性得到了改进。图8F显示了均匀性的提升。
格栅122被间隙57稍稍隔离开空间光调制器20(间图8C和8E)，以便避免由用于分隔格栅122的邻近通道123的壁产生的可感知阴影。
可以改变通道123的几何结构，以便达到设计目标。每一通道123的宽度大致决定了落在空间光调制器20上的光强度所能被改变的分辨率。对于一个给定的通道宽度和横截面形状，通过使通道123更长，可以提升由每个通道123提供的照射的均匀性。然而，这也降低了将光传递至光调制器20的效率。
通过提供长度为L的通道123可以获得在效率和照射均匀性之间的合理折衷，这样，靠近通道边缘处的未反射和一次反射光分量都近似是LED52轴上的未反射分量强度的一半。近似地实现这一点地一个方法是选择长度L，以使得LED52的轴与通道123的边缘所成的角度θ等于LED52的半角θ1/2。所述半角是使在该角度由LED52提供的照射强度等于LED52在其轴的前向方向上的照射强度的一半。通过使L满足等式(1)的条件就可以提供这一条件，其中R是通道123的半宽。
    L＝R/tan(θ1/2)                      (1)
通常希望为每个LED或其它光源提供一个通道123。在本发明的某些实施例中，每个通道123具有多个LED。在本发明的一个实施例中，每个通道123具有3种不同颜色的LED，例如红色、绿色和蓝色。在这样一个实施例中，使通道123足够长以使得来自每个LED的光在空间光调制器20处均匀分布是重要的，因为人眼对颜色的变化是敏感的。
如上所述，参照图7和7A，光调制器20优选地以这样一种方式被照射，以使得LED阵列50对光调制器20的照射随光调制器20上的位置而平滑地改变。这可以通过在LED阵列50中提供以在光调制器20上略为交叠的图案发光的LED52来实现。由每个LED52发出的光可以由一个传播函数表征，其中从LED52入射在光调制器20上的光强度变化是矩形曲线与该传播函数的卷积。该传播函数优选地在0.3×d2至3×d2范围内的一半最大值具有全宽，其中d2是相邻的LED52在光调制器20上的照射图案在光调制器20上的中心到中心的间距。可以将散射片22A(图8中虚线所示)插入到阵列50和光调制器20之间，以便加宽各LED52在光调制器20上的照射图案。
对于某些应用，可能希望提供这样一种显示器，紧密间隔的象素在其上的照射级别可以大为不同。通过限制来源自阵列50的每个光源的光以使得相邻光源在光调制器20上的照射图案没有明显交叠，可以实现这一点，而这样会损失一些平滑性。举例来说，如图9C所示，通过提供限制来自阵列50的每个光源的光传播的光障56，可以实现这一点。借助光障56，阵列50的每个光源只照射光调制器20的对应象素。通过提供基本无交叠地将照射图案投影到光调制器20上的光源52，也可以实现这一点。在上述两种情况下，最终显示给观看者的图像可能看起来比允许来自每个光源52的光充分传播的实施例中更为尖锐，后者为相应于邻近光源的某些象素提供相当的照射。在许多情况下，人眼的局限会使此增加的锐度级别无法察觉。
光调制器20可以是单色光调制器。在替换例中，光调制器20可以是高分辨率光彩色调制器。光调制器20例如可以包括LCD阵列。显示器60可以很薄。举例来说，显示器60的厚度可以是10厘米或者更薄。
图10示出了类似于图8的显示器60的投影类型显示器70，除了光源52的阵列50由适当的光学系统17成像到光调制器20上。
控制器39可以控制阵列50的各元件，以提供低分辨率版本的图像，以便显示在空间光调制器20上。控制器39可以控制空间光调制器20的各元件，以便提供具有高空间分辨率的性能，以及如上所述地校正由阵列50提供的图象。
将LED52用作高分辨率高质量显示器的光源的一个问题是，在各个LED之间，在一个特定电流级别下发出的光可能显著不同。这一差别是由于制造工艺的差别。此外，当LED老化时，LED52产生的光的亮度往往以不可预知的方式降低。因此，希望提供用于校准LED阵列50的机制，以便在阵列50的不同LED52之间补偿亮度差异。
在图11中示意地显示一个校准机制78，其提供用来检测由每个LED52发出的光的光检测器80。光检测器80可被移动至不同的位置，以便捕获来自不同LED52的光。在替换例中，可以提供一个适当的光学系统以便将来自各LED52的光引导至光检测器80。控制器39接收来自光检测器80的信号81。信号81表示在给定电流下，由阵列50中的每个LED52所发出的光的亮度。如果由一个LED52发出的光的亮度低于一个期望值，则控制器39确定要对被加到每个LED52的电流施加一个校正。校准机制78可被用于一个显示器的初始校准。校准机制78可选地包括用来执行某些校准任务的校准控制器39A，所述任务例如是确定要对被加到每个LED52的电流施加一个校正，以及使控制器39可以利用得到的校准信息。
希望提供一种不与显示器的常规操作冲突的校准机制。实现这一点的一种方法是在不同于前向方向的方向上检测由一个LED发出的光。图11A示出了一个典型的LED52。由LED52发出的多数光是在如箭头55A所示的前向方向上的。由每个LED52发出的很小一部分光是在如箭头55B所示的侧向或如箭头55C所示的后向上发出的。可以将在不同于前向方向的方向上发出的光称为“散射光”。可以将一个或多个光检测器80A定位成检测来自每个LED52的散射光。
图11B示出了依照本发明一个实施例的校准机制90。在校准机制90中，小的光波导82将散射光从各LED52传送到光检测器80。只有一小部分由每个LED52发出的光被波导82捕获。只要波导82和对应LED52之间的耦合不改变，则由波导82捕获的那部分由一个LED52发出的光就保持恒定。可以将一个光检测器80A或几个光检测器80A放置在方便的位置，比如放在阵列50的边缘。
图11C示出了依照本发明另一个实施例的校准机制90A。在机制90A中，用一个平面光波导82A取代各个光波导82。各LED52的电源线穿过波导82A中的洞83。一个或多个光检测器80A位于光波导82A的边缘。由任何LED52在后向方向上发出的光被捕获在光波导82A内，并被所述一个或多个光检测器80A检测到。
图11D示出了另一个光学校准机制90B，其中平面光波导82B聚集由各LED52在侧向方向上发出的光，并将所述光传送到一个或多个光检测器80A。
图11E示出了另一个光学校准机制90C，其中平面光波导82C聚集一小部分由各LED52在前向方向上发出的光，并将所述光传送到一个或多个光检测器80A。波导82C被构造成使得通过它的一部分光被捕获在波导82C内，并将其传送到所述一个或多个光检测器80A。为实现这一点，波导82C的一个表面(典型地是对着各LED52的表面)可以稍为粗糙以便将一部分光较广地散射进波导82C的平面中，或者可以在波导82C的材料中提供一些散射中心。在所示实施例中，波导82C起到一个隔离器的作用，它在格栅122和空间光调制器20之间维持一个间隙57。校准机制90C具有这样的优点，即波导82C不必被可能对到所述一个或多个光检测器80A的光传播产生干扰的洞83穿过。
在操作中，例如用校准机制78(图11)首先校准阵列50。在此期间或在此之后，用校准电平的电流一次一个地打开一个厂商校准LED52。用一个或多个光检测器80A来测量每个LED52的散射光。可以将对于每个LED52所测得的散射光量的信息存储为参考值。在LED阵列50的使用寿命中，可以使用机制90来监视每个LED52的亮度。根据应用，可以在初始化显示器时偶尔进行此类亮度测量，或者在使用显示器时定期进行此类亮度测量。可以在显示连续图像帧的间隔中对一个或多个LED52进行亮度测量。
如果机制90检测出一个LED52的亮度已经随时间起了变化(典型地表示为，与所存储的参考值相比，由一个或多个光检测器80A检测到的散射光量减少)，则控制器39可以自动调节提供给该LED52的电流以便补偿其亮度变化。
校准机制90也可以被用来检测各LED52的故障。虽然LED52往往是高度可靠的，但它们仍可能出故障。当控制器39控制LED52处于“开”时，若检测不到来自LED52的光，则校准机制90可以检测出LED52的故障。与控制器39相关的LED驱动电子设备也可以检测到一个LED52或一行LED52的某些故障模式。当电流应穿过一个或多个LED52时，如果驱动电子设备检测到没有电流(或具有非预期值的电流)被传递，则驱动电子设备可以生成一个可由控制器39检测的错误信号。
若控制器39检测到一个或多个LED52的故障，控制器39会补偿所述故障，这是通过增加一个或多个相邻LED52的亮度，或者调节对应于故障LED52的空间光调制器20的元件以便提供更多得的透射光，或者二者兼有。在依照本发明的此实施例的容错显示器中，当LED52故障后，来自邻近各LED52的溢出光充分地照射对应于故障LED52的区域，以便使图像在该区域中可视。
若控制器39被配置成增加相邻LED52的亮度，控制器39可以部分地根据对应于故障LED的空间光调制器20的所述区域的图像内容来确定增加量。如果图像内容要求该区域明亮，则比起图像内容要求该区域暗淡的情况，可以更多地增加相邻各LED亮度。最终的图像质量将会退化，但是可避免灾难性的质量损坏。
在本发明的某些实施例中，在刷新空间光调制器各对应元件期间，各个LED52被调暗或关闭。某些空间光调制器刷新得慢到观看者能够感知到该刷新。这导致被称为“运动模糊”的不良结果。
借助适当的定时，在刷新空间光调制器20的各行时，对应各LED52可被关闭或调暗。在其它时间，可以充分地对各对应LED52进行过载以使观看者感知到所期望的亮度。观看者的眼睛无法感知各LED52的快速闪烁。反之，观看者感知到一个平均亮度。通常希望对各LED52的操作进行复用。若以复用的方式操作各LED，通过用空间光调制器52的刷新来同步各LED52的复用，可以执行对运动模糊的校正。
根据上述公开内容，本领域熟练技术人员会明白，在不背离本发明的精神和范围的情况下，在实践本发明时可以有多种改变和修正。例如：
·散射片22和准直器18可以彼此组合；
·散射片22和准直器18的顺序可以颠倒；
·可以提供多个协作元件来执行光散射和/或准直；
·可以用既散射光也执行某些其它功能的另一元件来提供散射片22的功能。在此类情况下，所述另一元件可以包括散射片，包括这样一个元件的设备包括散射片；
·在屏幕23中，可以改变第二光调制器20、准直器18和散射片22的顺序；
·驱动第一光调制器16的信号38A可以包括用来驱动第二光调制器20的相同数据，或者可以包括不同的数据。
·替换或除了提供用于固定标准电流的测量光输出，校准机制78和/或90可以调节给LED52的电流，直到LED52提供所期望的亮度。
因此，本发明的范围包括(但不限于)由下面的权利要求书限定的内容。

Claims (56)

1.一种显示器，包括：
包括一个发光元件阵列的一个光源，每个发光元件具有可控制的光输出；以及
一个空间光调制器，包括多个被定位成调制来自光源的光的可控制元件。
2.如权利要求1所述的显示器，其中，空间光调制器所具有的可控制元件多于光源所具有的发光元件。
3.如权利要求2所述的显示器，其中，光源的每个发光元件被定位成照射空间光调制器的多个对应的可控制元件。
4.如权利要求3所述的显示器，其中，光源的每个发光元件对应于空间光调制器的8个或者更多的对应可控制元件。
5.如权利要求4所述的显示器，其中，光源的每个发光元件对应于空间光调制器的145个或者更少的对应可控制元件。
6.如权利要求1至5中的任一条所述的显示器，包括位于光源和空间光调制器之间的一个散射片。
7.如权利要求1至5中的任一条所述的显示器，包括一个由反射壁围成的诸通道的格栅，位于光源和空间光调制器之间。
8.如权利要求7所述的显示器，其中，由反射壁围成的诸通道是六边形的，并且被安排在一个蜂巢结构中。
9.如权利要求7或8所述的显示器，其中，每个发光元件将光射入由反射壁围成的诸通道之一。
10.如权利要求7至9中的任一条所述的显示器，其中，空间光调制器的每个可控制元件只被来自由反射屏壁围成的诸通道之一的光照射。
11.如权利要求1至10中的任一条所述的显示器，包括位于空间光调制器和观看位置之间的一个散射片。
12.如权利要求1至10中的任一条所述的显示器，其中，在空间光调制器处，来自光源的多个发光元件中的每一个的入射光分布包括一个矩形分布和一个传播函数的卷积，所述传播函数在0.3×d2至3×d2范围内的一半最大值具有全宽，所述d2是由光源的相邻发光元件调制的光分布在空间光调制器上的中心至中心间距。
13.如权利要求1至12中的任一条所述的显示器装置，其中，光源的每个发光元件各自具有N个离散可选的亮度级别，空间光调制器的各控制元件具有M个离散可选的亮度级别，并且N＜M。
14.如权利要求1至12中的任一条所述的显示器装置，其中，光源的每个发光元件具有N个离散可选的亮度级别，空间光调制器的各控制元件具有M个离散可选的亮度级别，并且N＞M。
15.如权利要求1所述的显示器，在光源和空间光调制器之间包括一个或多个附加的光调制级。
16.如权利要求15所述的显示器，其中，所述一个或多个附加的光调制级每个都包括一个准直器和一个空间光调制器，前一个空间光调制器所调制的光在该空间光调制器上成像。
17.如权利要求16所述的显示器，其中，所述一个或多个附加的光调制级各自都包括一个散射片。
18.如权利要求1所述的显示器，包括被定位以将光源成像到空间光调制器上的成像光学元件。
19.如权利要求18所述的显示器，其中，所述显示器包括前投类型的显示器，该前投类型的显示器包括一个被配置成将光反射向观看者的显示屏幕。
20.如权利要求19所述的显示器，其中，空间光调制器与显示屏幕集成在一起。
21.如权利要求1至20中的任一条所述的显示器，其中，一个第一点和一个第二点的亮度比值超过1000∶1，对于第一点，一个对应的发光元件处于最大光输出且空间光调制器的一个对应元件被设置成提供最大照射，对于第二点，所述对应的发光元件处于最小光输出且空间光调制器的所述对应元件被设置成提供最小照射。
22.如权利要求1至20中的任一条所述的显示器，其中，一个第一点和一个第二点的亮度比值超过1500∶1，对于第一点，一个对应的发光元件处于最大光输出且空间光调制器的一个对应元件被设置成提供最大照射，对于第二点，所述对应的发光元件处于最小光输出且空间光调制器的所述对应元件被设置成提供最小照射。
23.如权利要求1至22中的任一条所述的显示器，其中，每个发光元件包括一个固态发光元件。
24.如权利要求23所述的显示器，其中，固态发光元件包括多个发光二极管。
25.如权利要求24所述的显示器，其中，发光二极管发出白色光。
26.如权利要求23所述的显示器，其中，由固态发光元件发出的光的颜色是可控制的。
27.如权利要求1至26中的任一条所述的显示器，其中，空间光调制器的可控制元件包括可变透光度显示元件。
28.如权利要求27所述的显示器，其中，可变透光度显示元件包括液晶显示元件。
29.如权利要求1至28中的任一条所述的显示器，其中，空间光调制器包括一个彩色空间光调制器。
30.如权利要求29所述的显示器，其中，空间光调制器的每个可控制元件包括多个彩色子象素。
31.如权利要求1至30中的任一条所述的显示器，包括一个被连接以向光源和空间光调制器传递图像数据的控制器。
32.如权利要求31所述的显示器，其中，控制器被配置成定期刷新可控制元件，并当刷新一个可控制元件时调暗或关闭对应的发光元件。
33.如权利要求31或32所述的显示器，包括一个光检测器，其被耦合成从至少一个发光元件接收散射光并生成指示散射光强度的散射光强度信号，其中控制器被配置成：接收散射光强度信号；至少部分地根据来自所述至少一个发光元件的散射光强度和一个参考值，为所述至少一个发光元件确定电流校正；以及，使用该电流校正控制所述至少一个发光元件。
34.如权利要求31至33中的任一条所述的显示器，其中，当确定一个有故障的发光元件不工作，控制器被配置成增加与那个有故障的发光元件邻近的诸个其它发光元件的强度。
35.如权利要求31至34中的任一条所述的显示器，其中，当确定一个有故障的发光元件不工作，控制器被配置成增加与那个有故障的发光元件相对应的诸个可控制元件的透光度。
36.如权利要求1至35中的任一条所述的显示器，其中，发光元件被安排在一个规则阵列中。
37.如权利要求36所述的显示器，其中，该阵列是矩形阵列。
38.如权利要求36所述的显示器，其中，该阵列是六边形阵列。
39.如权利要求1至38中的任一条所述的显示器，包括被放置在诸邻近发光元件之间的光障。
40.如权利要求1至39中的任一条所述的显示器，包括一个控制电路，用于通过改变各发光元件的占空因数独立地改变各发光元件的可控制光输出。
41.如权利要求1至40中的任一条所述的显示器，包括一个控制电路，用于通过改变被传递给各发光元件的电驱动电流来独立地改变各发光元件的可控制光输出。
42.如权利要求33所述的显示器，其中，光检测器被耦合成以通过一个平面波导接收散射光。
43.如权利要求42所述的显示器，其中，各发光元件被容纳在平面波导的诸孔中，并且该波导孔捕获由各发光元件在侧向方向上发出的光。
44.如权利要求43所述的显示器，其中，平面波导位于诸个发光元件的后面。
45.如权利要求31或32所述的显示器，包括位于诸个发光元件前面的平面波导，以及一个被耦合到该平面波导以检测由诸个发光元件发出的光的光传感器。
46.如权利要求45所述的显示器，其中，平面波导的一个表面充分粗糙，以便将由各发光元件发出的一部分光引导进入该平面波导。
47.一种显示器，包括：
包括一个可控制元件阵列的一个空间光调制器，每个可控制元件提供可控制的光透射；
包括一个固态发光元件阵列的一个光源，每个固态发光元件被定位成照射所述空间光调制器的多个对应可控制元件，并且各自具有可控制的光输出；以及，
一个散射片；
其中，可以通过控制对应于散射片上一点的诸发光元件之一的光输出和控制对应于该点的诸可控制元件之一的光透射来控制散射片上该点的亮度。
48.如权利要求47所述的显示器，其厚度不超过10厘米。
49.一种显示器，包括：
用于提供以第一空间分辨率空间调制的光的光提供装置；
用于以不同于第一空间分辨率的第二空间分辨率对光进行进一步空间调制的空间调制装置；以及，
用于控制第一和第二空间调制装置以显示由图像数据限定的图像的装置。
50.如权利要求49所述的显示器，其中，光提供装置包括诸单独可控制发光元件的一个阵列。
51.一种显示器，包括：
一个光源；
被定位成调制来自光源的光的一个第一空间光调制器；
包括一个第二空间光调制器的显示屏幕；以及，
被配置成将由第一空间光调制器调制的光成像到显示屏幕的第一面上的一个光学系统。
52.一种显示器，包括：
一个光源；
被定位成调制来自光源的光的第一空间光调制器，该第一空间光调制器包括一个可控制象素阵列；以及，
被定位成调制已由第一光调制器调制的光的第二空间光调制器，该第二间光调制器包括一个可控制象素阵列。
53.一种包括本文所述各特征的新颖组合或新颖子组合的显示器或显示器组件。
54.一种用于显示具有高动态范围的图像的方法，该方法包括：
控制诸单独可控发光元件的一个阵列，以用第一组图像数据确定亮度；
用来自该发光元件阵列的光照射一个空间光调制器的一面，该空间光调制器包括一个元件阵列，每个元件具有可控制的透光度；以及，
用第二组图像数据控制该空间光调制器的诸元件的透光度。
55.如权利要求54所述的方法，其中，第二组图像数据的分辨率高于第一组图像数据。
56.一种包括本文所述的新颖动作集合或者新颖动作子集合的用于显示图像的方法。
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