用于高动态范围显示面板的平铺组件的制作方法

本申请要求2014年8月4日提交的美国临时专利申请No.62/032,832的优先权，该申请特此通过其整体引用并入。

技术领域

本发明总体涉及用于高动态范围图像的显示技术，并且特别地涉及用于局部调光的紧凑显示器。

背景技术：

动态范围是图像场景的最高亮度部分与场景的最低亮度部分的强度的比。例如，由视频投影系统投影的图像可以具有300:1的最大动态范围。

人类视觉系统能够辨识具有非常高的动态范围的场景中的特征。例如，人可以在阳光明亮照射的日子观察到无光照的车库的阴影，并且看到阴影中的对象的细节，即使相邻的阳光照射区域中的亮度可能比场景的阴影部分中的亮度大数千倍。为了创建这样的场景的逼真渲染，可能需要具有超过1000:1的动态范围的显示器。术语“高动态范围”(HDR)意指至少800:1的动态范围。

使用直接点亮(direct-lit)局部调光(作为示例，美国专利No.8,277,056“Locally Dimmed Display”描述的直接点亮局部调光，该专利出于所有目的并入本文)的传统显示技术能够以忠实地再现高动态范围的方式渲染图像。这是通过光源的独立调制以及由一个或多个液晶面板的调制以改进对比度来实现的。然而，对于许多应用(例如，蜂窝电话显示器)，直接点亮面板100不能以足够薄的形式因素(form factor)来这样做。如图1A所示，直接点亮面板的宽度102是堆叠光源、液晶面板以及介于中间的光学器件(诸如，漫射层)。

作为直接点亮面板的替代方案，边缘点亮(edge-lit)技术(作为示例，美国专利No.8,446,351“Edge Lit LED based Locally Dimmed Display”中描述的边缘点亮技术，该专利出于所有目的并入本文)以混合结果被利用。如图1B所示，边缘点亮面板150由于不堆叠光源而较薄，并且宽度152是由液晶面板、光导以及任何介于中间的光学器件(未示出)决定的。这就是说，边缘点亮面板150的HDR性能遭受明显降低，因为光源调制是行相关的，并且光强度沿着光导的长度降低(例如，根据离光源的距离而不均匀)。

因此，存在对于能够再现广范围的光强度的紧凑(例如，薄)局部调光显示器的需要。

本章节中描述的方法是可以被追寻的方法，但不一定是以前已被构想或追寻的方法。因此，除非另有指示，否则不应当仅仅由于该章节中描述的任何方法包括在该章节中就假定该方法有资格作为现有技术。类似地，关于一种或多种方法认定的问题不应当基于该章节而假定已在任何现有技术中被认识到，除非另有指示。

技术实现要素：

提供用于高动态范围面板的技术，所述高动态范围面板包括照明对应的光导的阵列的光源的阵列。所述阵列的光源照明第一光导。光源诸如在腔中恰好(directly)位于与第一光导相邻的第二光导的下面。光源不延伸到第一光导或第二光导的底侧下方以减小面板的厚度。

在本发明的实施例中，一种装置包括利用蓝光或紫外光照明第一光导的第一光源。所述第一光源在由至少所述第一光导和第二光导形成的腔内。第二光源利用蓝光或紫外光照明第二光导。所述第二光导与第一光导相邻。所述第一光导包括从蓝光或紫外光产生宽谱光(例如，白光)的斜表面。所述第一光源不延伸超出所述腔。

作为本发明的另一个实施例，一种装置包括分别照明光导的阵列的光源的阵列。所述光源的阵列的第一光源恰好位于第一光导的下面，所述第一光导由该阵列中的第二光源照明。所述第一光源不延伸到所述第一光导的底侧下方。所述第一光导包括将光引导到不同方向的多面反射层。

作为本发明的又一个实施例，一种装置包括利用第一光在第一方向上照明第一光导的第一光源。所述第一光源将第一光引导到与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导。所述第二光导将第二光引导到所述第二方向。所述第二光导与第一光导相邻。所述第一光源在所述第二方向上位于所述第二光导的下面。所述第一光导和第二光导均包括将光引导到所述第二方向的多面反射层。所述第一光源不延伸到所述第二光导的底侧下方。

附图说明

在附图的图中通过示例的方式、而非通过限制的方式例示本发明，在附图中，相似的附图标记指代类似的元素，并且其中：

图1A和1B分别例示传统的直接点亮显示器和边缘点亮显示器；

图2例示根据本发明的实施例的示例性HDR阵列面板；

图3A-3E例示根据本发明的实施例的示例性HDR彩色阵列面板的简化截面图；

图4A-4C例示根据本发明的实施例的示例性的主光源(primary light source)组；

图5例示根据本发明的实施例的用于子像素分辨率的瓦片(tile)组件；以及

图6A-6D例示根据本发明的实施例的示例性HDR显示器。

图7例示根据本发明的实施例的具有紧凑设计的示例性HDR显示器。

具体实施方式

本文中描述涉及用于电视机、计算机显示器、平板、PDA、移动蜂窝电话、广告显示器等的HDR显示器的示例可能的实施例。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了大量特定的细节，以便提供本发明的透彻理解。然而，将明白的是，可以在没有这些特定的细节的情况下实施本发明。在其它情况下，对众所周知的结构和设备不进行详尽描述，以便避免不必要地封闭、模糊或混淆本发明。

图2例示根据本发明的实施例的示例性HDR面板200。HDR面板200是像素元件的二维阵列(例如，960×640；1136×640；1920×1080；4096×2160；3840×2160)，在该示例中，每个像素元件至少包括光学耦合到光导(即，光学波导，诸如光纤)的光源。对于精细局部调光，每个光源是独立可控的，或者对于粗略局部调光，这些光源的子集可以被一齐控制。此外，HDR面板200的空间分辨率不需要与其它光学元件(诸如液晶面板(未示出))相同，1:1。例如，HDR面板200的空间分辨率可以是液晶面板的1:2、1:4、1:8或更小。换句话说，背光的单个光源可以用于在显示器的区域中再现多个像素。

为了改进面板200的紧凑性，光源被设置在相邻光导的下面的腔内。例如，光源202照明光导204，但是它被放置在相邻光导206的腔208中。光导206同时被光源203照明。腔208是足够大以完全地或部分地保持光源202的任意成形的空隙、中空、开孔等。在特定的实施例中，腔是适合部分封装光源的形式(例如，腔至少部分地紧随光源的轮廓)。为简单起见，光导206的表面210限定腔208的大小和形状。下面结合图3A-3E来更全面地描述涉及表面210的进一步细节。

在一个实施例中，光源202被物理地安装到光导204。这可以通过容纳光源202和光导204这二者的形式因素来实现。可替代地，光源202可以与相邻光导203容纳在一起。包含一个光导以及一个或多个光源(例如，一个白色LED、用于红绿蓝的三个LED源等)的这些结构(下文称为“瓦片(tile)组件”)提供除紧凑性之外的益处，诸如模块化设计。

光导(例如，204，206)可以是玻璃、聚合物、半导体、塑料等，不管是板、平面、肋条、条带、分段结构，还是纤维结构。光导204、206引导光谱中的电磁波(例如，具有大约380至800纳米之间的波长的光)或光谱的子集中的电磁波。光导204至少引导与光源202相关联的期望波长。

由于光源202提供光导204的横向照明，所以光导204被配置为使光在向外的方向上反射通过显示器的光学叠层并最后到达观看者。在本发明的实现中，光导的表面(诸如光导206的表面210)是反射性的。反射层可以沉积(包括通过化学气相沉积)、涂覆或贴附到光导206的表面210处，或者表面210的下面。反射层提供镜面反射表面或漫反射表面，这取决于期望。用于反射层的示例材料包括以下材料中的一种或多种：金属(例如，铝、金、银、铜、黄铜、汞、镍等)、抛光金属、涂料(例如，白色涂料、有光泽涂料、无光泽涂料)、光学反射有机硅、水以及塑料。来自光导206的反射光可以被光学叠层中随后的元件进一步处理。在图2中，覆盖在一个或多个光导上的可选层212可以使光漫射以改进均匀性，或者改变点扩散函数以使对相邻像素的贡献更小或更大。

光源202可以是发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、有源矩阵有机LED、发光电化学电池、场诱导电致发光聚合物、冷阴极灯、冷阴极荧光灯、激光、涂布磷光体的LED、涂布量子点的LED、白炽灯泡或适当波长的电磁波的任何合适的源，优选比光导薄。不同技术的光源的组合可以利用在面板200中。换句话说，光源202和203可以都是LED，但是它们不需要是相同的(例如，作为特定的实施例，光源202可以是OLED，并且光源203可以是涂布量子点的LED)。

在本发明的实施例中，光源202、203产生用于照明光导204、206的宽谱光(例如，白光)。可以通过若干技术将颜色给予离开光导204、206的光。例如，光路中随后的滤色器可以用于产生主色(primary color)中的每一个，诸如红色、绿色和蓝色。具体地，可以使用具有子像素滤色器的液晶面板(图2中未示出)。

光导上方的光学叠层中的量子点子像素区域的矩阵阵列也可以将光分别转换为各个主色，例如红色、蓝色、绿色和/或黄色。当光源202、203产生蓝光和/或紫外光时，表面210可以可选地为量子点层(即，半导体纳米晶体，当经受激发时，发射取决于其大小和形状的光)以产生宽谱光，该宽谱光稍后通过过滤被给予颜色。可替代地，量子点层可以在表面210内部、上方或下方。作为另一个实施例，光导可以将蓝光或紫外光反射到随后的光学叠层，该光学叠层可以包括量子点的红光产生区域、绿光产生区域以及蓝光产生区域的矩阵的量子点层。如果适当的蓝光由光源202、203直接产生，则蓝光产生区域可以利用透明过滤器替换或者根本没有过滤器(例如，使光没有改变地通过的切口(cut-out))。

如上所述，光源(例如光源202)被部分地或整个地定位在由相邻光导(例如，光导206)形成的腔208内。光源202至少部分地在腔208内，优选主要地在腔208内，最优选完全地在腔208内。对于较薄的瓦片组件，光源不应当延伸到其对应的光导或者其相邻的光导相对于显示设备的光学叠层的最低(底)侧214下方。类似地，光源不应当延伸到其对应的光导或者其相邻的光导的最高(顶)侧216上方。到光源延伸到光导上方或下方的程度，瓦片组件的厚度扩大。

图3A、3B、3C、3D和3E例示根据本发明的实施例的示例性HDR面板的简化截面图。图3A示出线性表面304。线性表面304的倾斜角度可以在从大约1°到大约89°的范围，优选在从大约10°到大约70°的范围，更优选在从大约30°到大约60°的范围。在另一个实施例中，表面304可以非线性地变化。反射光的期望的点扩散函数(PSF，点对象的扩散程度的度量)以及腔306的大小将影响可接受的倾斜角度。在优选实施例中，腔306足够充裕以容纳光源308，不管光源308是与光导310集成为瓦片组件，还是作为独立的光源设备。与堆叠光导的整个厚度加上光源的高度相比，这样的布置使厚度302减小。

参照图3B和3C，光导包括多面的、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锐角。面的角度和数量(例如，两个、三个、四个、五个、六个、七个或更多个面)影响反射光的PSF。在一些情况下，扩展超出一个像素区域的PSF是优选的。该增大的PSF大小减小与像素边界处突然的照明变化相关联的块效应(blocking artifact)。图3D示出了波状表面327，该波状表面327可以是任何波形，诸如正弦、方形、三角形、锯齿形等或前述波形的组合。波形在频率或振幅上可以是均匀的或不均匀的。例如，表面327的近侧起始点周围可以具有比表面327的远端周围高的频率。应当意识到，基于本文中的教导，表面325、326和327可以因高度、深度和/或长度(在所有三个维度上)变化。换句话说，反射表面的一侧(例如，左侧)可以不同于其相对侧(例如，右侧)或者其中心。在本发明的实施例中，三个维度上的反射表面可以因方位角、仰角或这二者变化。

如附图中所描绘的，反射表面325和326的近侧起始点328、329被设置为远离照明光源达一长度330。长度330可以基本上在从整个光导的长度的大约0％到大约99％的范围，但是优选在30％到85％的范围。同样地，反射表面325和326的远端不需要邻接光导的端部，也不需要与光导的顶表面(例如，331)重合—换句话说，表面325、326可以小于厚度302。这些考虑也可以适用于图3A的反射表面304。

在图3B和3C中，代替单个光源(例如，白色、蓝色或UV LED)用于每个光导，主光源被布置为组330。组330部分地或整个地共同容纳在腔306中。换句话说，主光源每组共享一个光导。应当理解，在由本说明书描述的实施例中的每一个中，单个光源和一组主光源是可互换的，这取决于显示设备的期望架构。

图3E例示根据本发明的另一个实施例的示例性HDR面板的简化截面图。在该示例中，主光源组330照明两个相对面对的光导350和352。需要较少的光源，因此节省物料清单(BoM)成本，但是使用于局部调光控制的分辨率降低。该实现可以通过使用组330照明围绕组330放射状组织的四个或更多个光导来获得进一步的BoM节省。在这种情形下，作为单个模块的“扩展的瓦片组件”可以包括组330及其多个被照明的光导。

图4A、4B和4C例示根据本发明的实施例的示例性主光源组400、450、475。组400、450和475可以应用于以上结合图2和3A-3D描述的实施例。组400和450被例示以示出三个主光源402、404和406；然而，在HDR面板中可以存在两个、四个、5个或更多个主色。例如，HDR面板可以实现RGB、RGB+黄色、RGB+白色或RGB+黄色+青色中的任何一个。

对于利用谱分离的三维(3D)渲染面板，组475包括六个主光源。观看者佩戴谱敏感的眼镜，使得照明光的不同分量被引导到观看者的左眼和右眼。作为示例，第一红主色在观看者的左眼中被感知，但是第二红主色(在谱上不同于第一红主色)被3D眼镜的左眼镜片过滤。对于右眼，第二红主色是可感知的，但是第一红主色是不可感知的。因此，组475包括在谱上不重叠的两组主色。美国专利No.7,784,938中描述了关于用于影院投影的3D谱分离的附加细节，该专利出于所有目的特此通过引用并入本文。

图5例示根据本发明的实施例的用于子像素分辨率的瓦片组件500。发出显示器的主色的多个光源(例如，502，504和506或更多)耦合到各自的光导(例如，508，510和512)。例如，光源502可以是红色LED，光源504可以是绿色LED，并且光源506可以是蓝色LED。从光导508、510和512输出的光提供通过背光的子像素颜色调制以及通过液晶显示器(未示出)的进一步调制。该瓦片组件避免了量子点和光学叠层中的滤色器的使用。应当意识到，包括瓦片组件500的阵列的HDR面板的所得的空间分辨率可以小于、等于或大于其它光学组件，诸如液晶面板。

图6A-6D例示根据本发明的实施例的示例性HDR显示器。如从本说明书的教导受益的本领域技术人员将容易明白的，图6A-6D中所描绘的结构可以应用于以上针对图2、3A-3D、4A-4C和5描述的实施例中的一个或多个。还将明白的是，图6A-6D中描绘的层中的一个或多个是可选的。例如，如果瓦片组件602包括量子点，则可以省略量子点层606。

图7例示根据本发明的实施例的具有紧凑设计的示例性HDR显示器。光源(诸如白色LED、RGB LED组等)沿着LCD显示器的边缘安装。光源沿着显示器的边缘在两个维度上尽可能紧密地平铺，实质上创建低分辨率背光。

光被引导到LCD显示器后面的期望位置。首先，光源将光发射到平面光导中。光通过全内反射(TIR)或者通过反射边界而沿着光导被传送。最后，光通过漫射器和LCD而被向上反射。如图7所示，光源将光以90度传送到光导以允许光导非常薄(um的量级)。光通过使用有角度的反射器或TIR而被沿着光导反射。可替代地，LED可以将光直接发射到光导中。

背光光学器件可以在整个显示器中平铺或者是连续的，其中光沿着顶部和底部两者、或者左边缘和右边缘发射。代替如以上针对图7描述的使光朝向LCD向上反射，如果使用TIR，可以使光导的顶表面漫射，或者反射器可以被封端(terminate)以在期望位置中从光导射出光。

颜色波长

本说明书常提及颜色，诸如蓝色、紫外线、红色、绿色等。在不限制本文中的教导的一般性的情况下，对于本发明的一个或多个实施例，光颜色可以大约在以下范围内：

(i)蓝色—450至490纳米(nm)；

(ii)红色—635至700nm；

(iii)绿色—490至560nm；

(iv)紫外线—10nm至400nm(其中，近UV为300至400nm)；

(v)白色—被人类视觉系统感知为不具有特定颜色的不同波长的可见光的组合(例如，平均的正午阳光；CIE(国际照明委员会)标准照明体D65)，可见光一般在从380nm到800nm的范围。

等同、扩展、替代及其它

在前面的说明书中，已参照在不同实现之间可以变化的大量特定的细节描述了本发明的可能实施例。因此，本发明是什么以及申请人意图什么是本发明的唯一且排他的指示是从本申请以特定形式发布的一组权利要求，这样的权利要求以所述特定形式发布，包括任何后续的修正。本文中针对这样的权利要求中所包含的术语明确阐述的任何定义应当决定这样的术语用在权利要求中的含义。因此，在权利要求中未明确记载的限制、元素、性质、特征、优点或属性不应当以任何方式限制这样的权利要求的范围。说明书和附图因此要从例示性、而非限制性的意义上来看待。

附加参考文献

除了以上引用的任何参考文献之外，以下参考文献也出于所有目的通过引用并入本文：

(i)国际公开No.WO 2006/064500，Device and method for optical resizing；

(ii)美国专利公开No.2007/0086712，Device and method for optical resizing and backlighting；

(iii)美国专利公开No.2008/0205078，Illumination tiles and related methods；

(iv)美国专利公开No.2008/0205080，Tiled illumination assembly and related methods；

(v)美国专利No.7,311,431，Light-emitting apparatus having a plurality of adjacent,overlapping light-guide plates；

(vi)美国专利No.6,768,525，Color isolated backlight for an LCD；以及

(vii)欧洲专利申请公开No.509096，Image display device and method of producing the same。