具有宽色域和能量效率的高动态范围显示器的制作方法与工艺

具有宽色域和能量效率的高动态范围显示器对相关申请的交叉引用本申请要求在2011年8月24日提交的美国临时专利申请No.61/527006作为优先权，通过引用将其全文并入此。技术领域本发明涉及显示系统，并且更特别地，涉及具有宽色域性能、高到无限对比度和/或高能量效率的新颖的显示系统。

背景技术：
在高对比度、能量高效、宽色域显示器的领域中，已知创建如下显示器，该显示器包括离散的独立可控发射器（例如，LED－无机和有机）的背光和高分辨率LCD面板。在共同所有的以下文献中进一步公开了低分辨率背光和高分辨率LCD面板的组合（即，“双调制器显示器”）：（1）发明名称为“HDRDISPLAYSANDCONTROLSYSTEMSTHEREFOR”的美国专利No.7753530；（2）发明名称为“METHODANDAPPARATUSINVARIOUSEMBODIMENTSFORHDRIMPLEMENTATIONINDISPLAYDEVICES”的美国专利申请公开No.2009322800；（3）发明名称为“ARRAYSCALINGFORHIGHDYNAMICRANGEBACKLIGHTDISPLAYSANDOTHERDEVICES”的美国专利申请公开No.2009284459；（4）发明名称为“HDRDISPLAYSHAVINGLIGHTESTIMATINGCONTROLLERS”的美国专利申请公开No.2008018985；（5）发明名称为“HDRDISPLAYSWITHDUALMODULATORSHAVINGDIFFERENTRESOLUTIONS”的美国专利申请公开No.20070268224；（6）发明名称为“HDRDISPLAYSWITHINDIVIDUALLY-CONTROLLABLECOLORBACKLIGHTS”的美国专利申请公开No.20070268211；（7）发明名称为“APPARATUSFORPROVIDINGLIGHTSOURCEMODULATIONINDUALMODULATORDISPLAYS”的美国专利申请公开No.20100214282；（8）发明名称为“TEMPORALFILTERINGOFVIDEOSIGNALS”的美国专利申请公开No.20090201320；（8）发明名称为“WIDECOLORGAMUTDISPLAYS”的美国专利申请公开号20070268695（“′695申请”）－所有这些通过引用而全文并入此。

技术实现要素：
这里公开了显示系统以及它们的制造和使用的方法的若干实施例。在一个实施例中，显示系统包括：一个或更多个发射器，所述一个或更多个发射器将光发射到光路内；第一调制器，所述第一调制器包含多个有色子像素，并且其中，所述第一调制器在所述光路中透射从所述发射器发射的光；和颜色陷波滤波器（colornotchfilter），所述颜色陷波滤波器被置于所述光路中以便调节透过所述多个所述有色子像素的光。在另一实施例中，显示系统包括离散的单独可控发射器的阵列，并且，发射器可以是有色发射器或全光谱（白色）发射器。这种发射器可以是OLED元件、量子点激励或能够产生白光的任何其它已知的纳米结构。在又一实施例中，OLED元件可包含UV发射器和光致发光材料或将UV光转换成可见光的它们的组合。在一个实施例中，可见光是照射自身包含有色子像素的LCD调制器的全光谱（白色）光。颜色陷波滤波器被设置在光路和/或叠层（stack）内，使得颜色陷波滤波器减轻可通过有色子像素（例如指定为不同的颜色）发射的不同的色带的信号之间的任何串扰。光的这种调节（在LCD调制器之前或之后）可允许显示系统以更好的保真度呈现高度饱和的图像。以下，结合在本申请内给出的附图阅读，在具体实施方式中给出本发明的其它特征和优点。附图说明在附图中示出了示例性实施例。应指出，这里公开的实施例和附图应被视为解释性的而不是限制性的。图1示出包含白色背光和两个LCD调制器的针对高动态范围制成的显示器的实施例。图2示出透过包含有色子像素的一个示例性LCD的来自白色背光的光的点扩散函数。图3示出根据图1的架构制成的显示器的色域。图4示出具有宽色域性能的显示系统的一个实施例。图5A、图5B和图5C示出图4所示的显示系统的颜色性能。图6示出具有宽色域性能和高能量效率的显示系统的另一实施例。图7A～7F是通过图6所示的显示系统的光学叠层的光的调制的各个阶段。图8A、图8B和图8C示出显示系统的另一实施例，其中，为了实现具有不同的色域性能的显示系统，颜色陷波滤波器的通带被适当地调节。图9示出可适合于诸如图6中的显示系统的白色OLED元件的一个可能的实施例。具体实施方式在以下描述的全文中，为了使得本领域技术人员能够更彻底地理解，阐述了特定的细节。但是，为了避免不必要地混淆公开，公知的要素可能没有被示出或描述。因此，说明书和附图应被视为解释性的，而不是限制性的。许多显示系统配置已尝试实现高动态范围。在上面提到的′695申请的图1中示出一个这种配置。该配置是照射较高分辨率LCD面板的一侧的有色LED背光的低分辨率阵列。单独调制的LED背光与单独调制的LCD面板的组合产生非常高动态范围的显示器。这种显示器的成本部分地由LED背光的成本以及实现双重调制显示器所需要的处理要求推动。这种系统的处理要求还依赖于其光可透过LCD面板的任何给定的子像素的不同LED的数量。根据经验，照射LCD子像素的LED越多，则需要越多的处理以精确和忠实地在其上再现所呈现的图像。为了产生表现类似的高动态范围但不具有包含有色LED的阵列的背光的成本的显示器，各种配置是可能的。图1是在不具有单独调制的背光的情况下实现高动态范围的显示系统100的一个这种实施例。显示系统100包含通过控制器104接收功率和/或控制信号的白光源102。从光源102发射的白光可入射到光学叠层，诸如扩散器106、偏光器108、第一LCD面板110、偏光器112、扩散器114（可以是全息扩散器或块体扩散器等）、偏光器116、第二LCD面板118和精整高对比度偏光器1119以及可选的用于可能的糙面精整、抗刮擦、更宽视角等方面的光学前表面。在一些实施例中，扩散器106还可包含其它准直膜（诸如BEF或棱镜光准直膜），这在本领域中是已知的。第一LCD面板110和第二LCD面板118可被基于出自第二LCD118的希望呈现的图像数据112的来自控制器120的控制信号驱动。任选地，光源102也可被控制器120控制以实现一些类型的已知的调光方案（即，局部或全局）。该配置的许多可能的变更是可能的。例如，第一LCD面板可包含单色或有色子像素，第二LCD面板可相应地包含有色或单色子像素。第一和第二LCD面板两者可都包含有色子像素；但是，假定有色LCD面板本来具有低的透射率，那么两个这种有色LCD面板的组合会实现得到的显示器具有低的峰值发光度－可通过使用极亮（且昂贵的）白色背光解决这一点。关于这种包含至少两个LCD面板的高动态范围显示器的示例，以下共同所有的申请描述了包含高动态显示系统的使用多于一个的LCD调制器的系统和方法：（1）在2010年5月14日提交的发明名称为“HIGHDYNAMICRANGEDISPLAYSUSINGFILTERLESSLCD(s)FORINCREASEINGCONTRASTANDRESOLUTION”的美国专利申请No.12/780740（代理人案号D10026US01）；（2）在2011年4月28日提交的发明名称为“DUALPANELDISPLAYWITHCROSSBEFCOLLIMATORANDPOLARIZATION-PRESERVINGDIFFUSER”的临时美国专利申请No.61/479966（代理人案号D11006USP1）；（3）在2011年3月9日提交的发明名称为“HIGHCONTRASTGRAYSCALEANDCOLORDISPLAYS”的临时美国专利申请No.61/450802（代理人案号D11011USP1）；（4）在2011年5月13日提交的发明名称为“TECHNIQUESFORQUANTUMDOTS”的临时美国专利申请No.61486160（代理人案号D11041USP1）；（5）在2011年5月13日提交的发明名称为“QUANTUMDOTSFORDISPLAYPANELS”的临时美国专利申请No.61/486171（代理人案号D11043USP1）－通过引用将它们的全文并入这里。在第一LCD面板包含单色子像素，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面板低的情况下，得到的发光度不如此受损；但可能存在可得到解决的其它影响。一个这种影响可以是显示器的得到的色域。在本实施例中，可能是如下情况：到达第二LCD面板中的任何给定的有色子像素的光是来自第一LCD面板中的相邻的子像素的多个子像素的光的组合。可通过构建光学叠层以由此减小第一LCD面板与第二LCD面板之间的距离来控制这种影响。但是，如果第一LCD面板包含单色面板，那么包含不同的颜色的从第一LCD面板发射的白光照射第二LCD面板的有色子像素。结果会损害所得到的显示系统的色域。例如，图2示出照射第二LCD面板的示例性绿色子像素的白光（这里包含三种原色：蓝、绿和红）的光谱的映射。当有色子像素被构建时，各有色子像素包含颜色带通（bandpass）（如图2中对于示例性的绿色子像素所示出的）。较小的带通可能趋于损害显示系统的发光度；而较大的带通可能趋于损害显示系统的色域。如图2所示，如果在绿色子像素中带通宽，那么一定量的蓝光和红光两者会穿透绿色子像素－对显示系统的色域造成损害。图3示出这种显示系统的一个示例性色域。颜色包络线302是CIE1931色度图的普通形状－由此，倒U形状是单色颜色点的曲线。三角色域304代表显示系统可产生的许多可能的色域－例如，Rec709、P3颜色空间或AdobeRGB等。P3颜色空间和AdobeRGB是当前对于高清图像数据格式使用的两种色域。注意，在色域的绿（G）、蓝（B）和红（R）部分中，P3包含三个原点，即三角形的顶点。由于滤波器之间的颜色串扰（例如，来自背光的蓝色和红色光谱的部分混入LCD的绿色有色子像素的绿色通带内），如虚线三角色域区306所示，根据图1实现的显示器的实际色域减小。作为结果，在要呈现高度饱和颜色的一些图像场景中，颜色逼真性再现可能明显降低。第一实施例图4是具有改善的色域的显示系统（400）的一个实施例。可基本上与图1的显示系统类似地构建显示系统400，其中添加了散置于扩散器/光整形器106与第一偏光器108之间的光路中的颜色陷波滤波器402。颜色陷波滤波器的这种位置可能是希望的，原因是它是光路的在该处光被最大程度地准直化的部分。可以理解，出于本申请的目的，颜色陷波滤波器可位于光路的其它部分中。图5A、图5B和图5C表示颜色陷波滤波器对于显示系统400的应用。前面讨论的图5A表示光到达LCD（例如，第二LCD118）的有色子像素。通过一个相应有色子像素的三种颜色的串扰有时可能导致图像内的某些颜色的不饱和。颜色陷波滤波器402具有通带滤波器的效果－如图5B所示－该通带滤波器具有减少上述的串扰的意图。当光通过陷波滤波器402并照射到LCD118的有色子像素上时，得到的光如图5C所示。颜色的这种明晰的分离而没有上述的串扰具有使图像内的高度饱和的颜色更真实的效果。总的来说，颜色陷波滤波器和一个或更多个调制器（例如，LCD）以及其它光学元件的放置对从背光发射的光执行卷积。如上所述，得到的卷积可在显示系统的希望的色域中进行确定。可以理解，颜色陷波滤波器402的位置可改变并仍具有类似的效果。陷波滤波器402可被放置在光学叠层的其它位置。将陷波滤波器402放置为使得所得到的光在一定程度上消除了上述的串扰就足够了。第二实施例除了如图1所示通过添加颜色陷波滤波器改善显示系统的色域以外，还可能希望通过具有不同的、可能更能量高效的设计的其它显示系统来具有相同的改善。图6是包括高度高效的背光（例如，OLED或高分辨率LED阵列）606和LCD面板614的显示系统（600）的一个实施例的截面图。在一个实施例中，显示系统600还可包含基板背602、反射膜604（诸如ESR膜）、背光606（例如，OLED或高分辨率LED阵列）、UV光反射器608（如果背光是光致发光和/或荧光类型，则可以可选地被包含）、反射偏光器610、高对比度偏光器612、第一LCD面板614、精整高对比度偏光器616、颜色陷波滤波器618和用于可能的糙面精整、抗刮擦、更宽视角等方面的光学前表面620。在包括OLED背光的实施例中，直接从这种OLED背光发射的光可能扩散并且不高度准直化。当光透过光学叠层时，浅角度的光（与以法线入射到显示器的光相反）更可能被吸收，这是因为它们具有最长的传播到显示器外面的距离。因此，可能希望紧接在最终的完工膜620之前放置颜色陷波滤波器618，这是因为在这里光更好地准直化而它又处于任何扩散器膜620前面。但是，可以理解，出于本申请的目的，颜色陷波滤波器可位于光学叠层的任何其它部分中。在一些实施例中，能够通过发光元件和光转换元件（例如，量子点、荧光或其它光致发光技术）的组合构建背光。关于量子点系统和照明的例子，以下的共同所有的申请描述了使用量子点背光和照明的系统和方法：（1）在2011年5月13日提交的发明名称为“TECHNIQUESFORQUANTUMDOTILLUMINATION”的临时美国专利申请No.61/486166（代理人案号D11042USP1）；（2）在2010年12月17日提交的发明名称为“QUANTUMDOTMODULATIONFORDISPLAYS”的临时美国专利申请No.61/424199（代理人案号D11043USP1）；（3）在2011年3月2日提交的发明名称为“N-MODULATIONFORWIDECOLORGAMUTANDHIGHBRIGHNESS”的临时美国专利申请No.61/448599（代理人案号D11040USP1）；（4）在2011年5月13日提交的发明名称为“TECHNIQUESFORQUANTUMDOTS”的临时美国专利申请No.61486160（代理人案号D11041USP1）；（5）在2011年5月13日提交的发明名称为“QUANTUMDOTSFORDISPLAYPANELS”的临时美国专利申请No.61/486171（代理人案号D11043USP1）；－通过应用将它们全文并入这里。控制器622取得要在显示系统600上呈现的图像数据624并将控制和数据信号发送到LCD面板614－以及在背光单独可控的情况下发送到背光606。由于高度高效的OLED或量子点的发射单元（emissivecell）在本领域中是已知的，因此能够将背光606构建为这种单独可控单元的阵列。作为替代性实施例，背光606可以不是单独可控的。事实上，背光606可以是通过已知的光源（例如，CCFL、LED、卤素灯或弧光灯等）产生的均匀白色背景光。在本实施例中，不需要连接控制器622和背光606的单独的控制/数据线。在一个实施例中，能够使得该显示系统成为薄型的配置－由此，光学元件中的每一个厚度为四分之一英寸或更薄。薄型的配置会是所希望的，原因是如果更少量的相邻的发射单元使光透射通过LCD面板的子像素，那么可减少处理量。在这种情况下，如在以上通过引用并入的′695申请中提到的那样，显示系统不需要考虑或关注具有大点扩散函数的发射器。在一个实施例中，可基本上在没有任何空气间隙的情况下构建显示系统，这使得能够密封整个显示器以避免灰尘。将这些层中的一些或全部层叠在一起可防止弄湿，并趋于消除空气间隙光损失。这还使得显示系统具有附加的结构刚度。虽然一个实施例可包含多色发射器，但在另一实施例中，如在本领域中已知的那样，如果发射单元包含白色OLED或LED阵列，那么可更成本有效地构建显示系统。通过使用白色发射器，减少LED的紧密包装的多色封装的处理和控制线的数量－该LED的光可组合以呈现白光。在一个实施例中，白色OLED单元的每个像素的发光面积可是使用多色LED单元的设计的大约3倍。另外，可减少控制元件的数量（与多色单元结构相比，数量为约1/3）。伴随各LED元件的晶片尺寸的增加，能够在使用各单个多色OLED元件的设计上具有更大亮度水平。在本实施例中，白色发射元件（例如，LED或OLED等）可与LCD调制器的各子像素一对一地放置，或者，作为替代方案，一个白色发射元件可向少量的子像素供给照明。在本设计中，由于屏幕的不同的区域可给出从非常明亮（例如，白色发射元件调制完全开，LCD调制完全打开）到绝对黑（例如，白色发射元件关，LCD调制关闭）的亮度水平，因此显示系统可能能够具有基本无限的对比度。与现有显示器相比，这可另外具有提高效率的益处，其原因是只有屏幕的照亮区域消耗功率。在一些实施例中，可通过发光元件和光转换元件的组合构建白色发射元件，其中，第一光谱－例如，蓝色或UV等－被转换成白光。在这些实施例中，如果光转换元件对UV光起作用以产生白色，则光学叠层（例如，如图6所示）可通过使用UV反射器具有更高的亮度。如同上述的第一实施例的情况，如果图6的显示系统使用颜色陷波滤波器，那么该设计能够具有非常宽的色域（例如，P3或AdobeRGB颜色空间），其原因是由于精整颜色陷波滤波器，各滤色器会完全与相邻的滤色器无关地起作用（例如，在光谱空间中）而没有任何颜色重叠。而且，如上所述，在放置颜色陷波滤波器方面存在自由度－例如，陷波滤波器处于LCD面板前面或后面。另外，可存在将陷波滤波器放在光学叠层内的不同位置以实现类似的颜色性能的机会。图7A～7F示出通过图6所示的显示系统的光学叠层调制光的各种阶段。假定讨论中的显示系统使用白色OLED元件，图7A示出发射要在光致发光层中被吸收的蓝色和/或紫外光的蓝色和/或UV发射器的光谱输出，该光致发光层将蓝色和/或紫外光转换成全光谱白光。通过使用全光谱反射器604和UV反射器608（即，使全可见光谱光通过但将UV光反射回OLED的光致发光层的层），可增加该OLED元件/层的效率。图7B示出在入射到上述的UV反射器之前的从OLED元件/层发射的全光谱光。图7C示出去往LCD的经滤色的子像素的全光谱可见光（即，减去反射的UV光，加上重新转换的可见光）。图7D示出透过LCD显示器的颜色子像素的光。如上面讨论的那样，在穿过给定的有色子像素的光谱的其它区域的光（例如，作为绿色滤波器带通特性的一部分，穿过绿色有色子像素的蓝光和红光的一些部分）之间存在一些串扰。颜色陷波滤波器具有图7E所示的带通特性。在陷波滤波器调节光之后，得到的颜色输出如图7F所示。如上面讨论的那样，得到的颜色输出给出了高度饱和图像的高度保真再现，从而导致给予基本上良好的色域性能的显示系统。在图8A～8C中示出使用稍微不同的颜色陷波滤波器的显示系统的替代性实施例。在本实施例中，不同的颜色陷波滤波器可偏移、窄化、加宽或以其它方式改变各种通带以实现具有希望的色域性能的显示系统。图8A与图5A类似－如上面讨论的那样，透过LCD有色子像素的颜色可在不同的有色子像素之间具有明显的串扰。图8B示出本实施例中的颜色陷波滤波器的带通结构。与图5B相比，用于绿色的通带可均朝光谱的蓝色部分偏移－同时变窄以提供在光谱的蓝-绿（或青）部分中更高度饱和的色点。由此在图8C中示出得到的颜色输出。通过构建用于颜色陷波滤波器的不同的带通结构，能够确定显示系统的整个色域性能。例如，能够构建具有希望的总体色域（例如，P3、AdobeRGB或明亮化Rec709）的显示系统。为了使呈现图像中的颜色平衡和亮度完美，可以理解，可能希望适当的色域映射算法（GMA）和/或子像素呈现（SPR）算法（在本领域中已知）在控制器（例如，控制器120）内起作用。控制器应具有关于颜色陷波滤波器的选择及其对具有其它元件（诸如一个或更多个LCD调制器－单色或有色子像素）的光学叠层中的光的影响的知识（例如，为查找表中的矩阵系数等的形式）。取得输入图像数据并使之通过这种图像处理流水线（例如，通过GMA和/或SPR）会针对呈现图像的适当的保真度来平衡色度和亮度数据两者。这种系统的一个希望的方面是能够通过较低成本LCD（例如，具有常规的滤色器）或其它部件构建显示系统－并与适当的陷波滤波器一起，实现具有更好色域性能（特别是在其中具有饱和颜色的场景、图像和电影等上）的显示系统。图9示出可适于以上的显示系统实施例的OLED元件900的一个可能的实施例。OLED元件900包含可通过控制线904（该控制线904继而可通过图6中的控制器被激活）被激活的UV发射器902。由发射器902发射的UV光激发荧光层906（在本领域中已知）以产生基本上白色的光发射。OLED元件可在反射层908（例如，ESR层）上方被构建以反射全光谱光。从OLED元件发射的光可进一步被UV反射器910调节以增加OLED元件的效率。如上所述，可通过大量的不同的方式构建显示系统的背光。一个实施例是将背光构建为离散的单独控制的OLED元件的阵列（与LCD子像素一对一的方式，或者在低分辨率时，为一对多配置）。在另一实施例中，可发射用于LCD面板的白光背照的单一可控层中构建OLED背光。并且，如上所述，显示系统可使用在本领域中已知的其它的背光。例如，背光可构建为光发射器、激发量子点或其它纳米材料结构的阵列，以实现类似的形式的可控背光照射。现在，参照附图给出示出本发明的原理的本发明的一个或更多个实施例的详细描述（结合附图阅读）。可以理解，结合这些实施例描述本发明，但本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求限制，并且，本发明涵盖大量的替代、修改和等同。在本说明书中已经阐述大量的特定的细节以使得能够彻底地理解本发明。提供这些细节以作为示例，并且，可在没有这些特定细节中的一些或全部的情况下根据权利要求实施本发明。为了清楚起见，在与本发明相关的技术领域中已知的技术材料没有被详细描述，使得本发明不被不必要地混淆。