用于视觉刺激的高精度对比率显示器的制作方法

专利名称：用于视觉刺激的高精度对比率显示器的制作方法
技术领域：
本发明一个或更多实施例一般涉及执行视野测试的方法和设备。具体地，一个或更多实施例公开用于控制所显示图像的方法和设备，该所显示图像用于视野测试。进一步地，本发明一个或更多实施例提供视野测试要求的对比率(contrast ratio)和灰度级别 (grayscale level)的范围和精度。一个或更多实施例公开了为执行视野测试的目的而用于控制显示装置和/或背光单元的方法和设备。
背景技术：
液晶显示(IXD)装置是典型的光阀设备。这些装置通过调整光透射而显示图像。 其自身(例如，液晶面板)不发射光，而是阻挡由背光源发射的光的一部分。为了解决该问题，光阀显示装置通常设置有光源(例如，背光)，其从其中的无源光调制部件后侧发射光以提高显示屏的视觉亮度。因此，除了通常的对比度调节，光源的亮度也可调节，由此改善所显示图像的可视性。虽然德克萨斯仪器公司(Texas Instruments)的DLP 技术(数字光处理)不能在IXD技术的意义上阻挡光，但DLP技术使用大量微镜(micro-mirrors)以在一持续时间段上反射光或不反射光。结果是采用许多方面类似于允许一定百分比的光通过并阻挡剩余光。硅基液晶(LCoQ与DLP技术相似之处在于其反射光。LCoS与DLP不同之处在于其使用液晶技术而非镜来控制从装置反射的光量。虽然这里公开的本发明适用于多种背光显示装置，但为了清楚和简洁起见，这里的说明主要限于LCD装置的讨论。近年来，在多种工业应用中，消费产品使用LCD显示装置显示信息，如数据、表格、 图形和图像。人们日渐喜欢将这些显示器用于医学成像装置，包括视野检查器(参见美国专利No. 6，705，726)。IXD显示器是轻质、紧凑的，并展示多种颜色，且具有高分辨率。对于背光装置，背光发光度(luminance)通常是出厂调节的以便为背光显示装置提供所需亮度。背光发光度可在以后通过调整背光驱动电流或电压控制。通常，背光发光度是根据装置温度和环境照明以及用户偏好改变的。对于用户偏好调整，亮度通常是用开关、按钮、或键盘直接或远程手动控制的，以调节亮度。在某些情形中，背光显示发光度是基于光传感器或其他环境感测装置自动控制的，以应对环境条件。因为装置效率可能与装置温度直接关联，某些装置制造商使用一个这类环境传感器测量温度。无源光阀装置通过调节光透射率控制背景辐射光的透射，由此限制可实现的总对比度。调节透射率的常用控制器通常是6-位(64级)或8-位056级)。超过8-位的控制器是罕见的，这主要时由于成本效益约束，同时少于64级的控制器通常不能产生足够的等级，尽管如此，在某些情形中，当两种颜色即黑色和白色时，使用2-位控制器足够了。虽然伽马(gamma)曲线可改变邻近级别之间的间隔，这些装置能够实现的最大对比率是通过最高和最低透射度级别来设定的。对于仅有限的等级可用情形，即使同时显示的级别数目小于显示器可控制的级别数目，也无法匹配预定强度级别的特定强度。业内持续努力改善光阀显示装置。这里的实施例使得包括但不限于包含IXD、 LCoSjn DLP装置的背光显示装置，以在某些情形下，诸如当用于视野检查时，增加可从显示装置得到的级别数目。

发明内容
本发明由权利要求限定，且本部分不应当作对权利要求的限制。有利地，本发明的实施例克服现有技术中上述问题，并提供比通过单独调节光阀装置所能得到的更完全的对比级别步级(contrast level st印)(对比率)。根据本发明，提供了控制背光照明强度以及光阀装置基于每各像素的光透射强度的方法和设备，以控制总显示发光度(total display luminance)。本发明的一个实施例提供了同时控制背光照明强度和光阀装置基于每个像素的光透射强度的方法和设备，以控制总显示发光度。在本发明第二实施例中，背景照明和视觉刺激(stimulus)被暂时分隔在显示装置的偶数帧和奇数帧中。显示装置以对人眼足够的速率交替(interleave)显示帧以组合成为图像。每个帧的强度是通过背光控制的。在本发明第三实施例中，背景照明和视觉刺激被暂时分隔在显示装置的偶数帧和奇数帧中，其中用于每个帧照明是通过同时控制背光照明的强度和光阀基于每个像素的光透射强度而形成的。在本发明的第四实施例中，背景照明和视觉刺激是分开提供的。刺激由光阀装置结合背光单元提供，且背景照明是通过分光器或其他装置从独立的背景单元射入光学路径中的。


图1是与光阀开关交替的帧示意图。图2是与可变背光装置组合的光阀装置的示意图。图3a是与可变LCD刺激背光、独立控制背景照明的第二光源(背景光源)和分光器组合从而组合两个光源的IXD示意图。图北是组合可变LCD刺激背光、独立控制背景照明的第二和/或第三背景光源以及分光器或散射器从而组合两个光源的LCD示意图。图3c是组合可变IXD刺激背光和独立控制背景照明的透明第二光源(背景光源) 的IXD示意图。图3d是组合可变IXD刺激背光和嵌入透镜中或邻近透镜并独立控制背景照明的透明第二光源(背景光源)的LCD示意图。图4示出倍频刺激和可应用该倍频刺激的区域网格(region grid)。图fe和图恥是IXD装置从黑色到白色以及从白色到黑色的过渡时间图示。图6是IXD装置级别梯级的图示。
图7示出IXD装置的本征伽马曲线。图8a是DLP装置和独立可控制照明光的示意图。图8b是DLP装置和独立可控制照明光以及第二独立控制的背景光源的示意图。图8c是LCoS装置和独立可控制的照明光的示意图。图9是组合可移动SAP刺激源的OLED显示器的示意图。图10是OLED装置从黑色到白色和从白色到黑色的过渡时间图示。图Ila是从数字驱动信号到显示亮度的传递函数(transfer function)的示图， 其关于中点对称，且一个亮度像素集合(concentrarion)靠近该中点。图lib是从数字驱动信号到显示亮度的传递函数的示图，其关于中点对称，且范围有限。图Ilc是从数字驱动信号到显示亮度的传递函数的示图，其关于中点对称，且一个亮度像素集合靠近该中点。图Ild是斜率为1的线性传递函数的图示。图lie是斜率为0. 5的线性传递函数的图示。图Ilf是斜率为0. 25的线性传递函数的图示。
具体实施例方式应该理解，选择并描述这些实施例、实例和描述是为了示出本发明的原理及其实际应用的目的，而非限定本发明。对本发明的修改和变化对于本领域技术人员来说是显然的。本发明的范围由权利要求限定，其包括已知的等同替换以及提交本申请时尚不可预见的等同替换。在本发明之前，使用传统光阀显示技术还无法为视野测试显示器提供具有满意的发光度级别、动态范围和灰度精度的视觉刺激。用于视野测试的显示系统要求对用于视觉刺激的绝对发光度级别和对比率有非常高的准确度(accuracy)和控制。特别地，保持背景照明同时显示覆盖非常宽范围强度的刺激是关键。下面的说明主要讨论LCD显示器，且使用术语背光(或背光显示)指光由光阀装置可控地改变，无论这样的光在光阀后面且通过光阀，如IXD装置中，还是这样的光在光阀前面并由光阀反射，如在DLP或LCoS装置中。视野刺激是呈现在对象(subject)观察视野内的目标(target)。刺激通常是在一定时间段内在一定位置所呈现的具有预定形状、尺寸和强度的目标。刺激通常是对固定背景而呈现出的。背景是对象视野内除了刺激位置之外的任何地方。更复杂的刺激可跨目标而相对地改变，且目标刺激可随时间改变。视野分析中的黄金标准(gold standard)已经由本受让人以商标Humphrey 视野分析仪(HFA)市场化一段时间了。HFA在非球形碗状物上投射光刺激(参见美国专利 No. 5，323，194)。本发明的一个目标是研制一种背光显示器，该背光显示器能够有效地以与在可比HFA测试中观察的相同绝对发光度在其可用视野内显示目标刺激。本发明的另一个目标是研制一种背光显示器，其能够在其可用视野内显示倍频错觉(illusion)目标刺激， 如由本受让人以商标Humphrey FDT 视野计(perimeter)和Humphrey Matrix 视野计销售的系统所显示的刺激，且其有效地与可比FDT或Matrix测试中观察的绝对发光度和对比度相同。因为尺寸、重量和用户偏好的原因，优选的背光显示器是平板显示器。
HFA测试图像直观上非常简单。HFA在固定、一致强度的背景上提供不同尺寸和强度的刺激目标。例如，一个HFA刺激是相对于亮度为31. 5阿波熙提(apostilb)的背景呈现200ms时长的直径为0. 43度的白色圆圈(circle)。刺激亮度为51个精确定义的强度之一，且其相对于规定位置呈现在一个位置上。名义上，固定位置是相对于对象凝视其上的固定目标而限定的。小平板显示器不能期望达到HFA碗状物实现的外围程度(peripheral extent) 0 然而，平板显示器可通过组合透镜系统，利用小平板装置，如6. 5或8. 4英寸装置在对象视野内有效地覆盖宽角度。显示器加透镜装置可覆盖被HFA覆盖的所有诊断相关的区域。而且，在这类平板屏上建立不同HFA目标所需数目的像素可在具有小点距(dot pitch)和高分辨率(即10MX768或更高)的屏上获得。较小的显示器增加透镜系统的复杂性，而较大的显示器增加装置的整体尺寸，通常较小的好一些。无论如何，使用高分辨率平板显示器加透镜系统，可在诊断相关位置(如中心60度视界圆锥)内仿真HFA刺激目标尺寸、位置和持续时间。实际上，显示器加透镜布置解决了 HFA的一个问题。通过配置透镜系统以将显示器设置在远场中，我们允许对象聚焦在无穷远，消除了对象眼睛适应的必须性。这解决了年长对象有时经历的问题，其自然适应性已经消失。在这样的情形中，对象要求插入匹配其视力的透镜，以便用HFA测试对象的视力。显示器加固定透镜装置消除了操作者配置装备以便对象适应的需求，从而减少了检查准备时间(set-up time)。下面的问题仍然存在，即在IdB的精确测量的视网膜敏感度步骤中，HFA刺激覆盖 51dB的动态范围。在出厂未调整缺省显示级别时，典型的光阀装置不能以其64或256个可用级别匹配这些级别。因此，光阀装置如LCD屏在保持固定背景级别的同时匹配HFA可用的所有刺激目标强度方面是有问题的。幸运的是，仅需要有限量的级别。名义上，HFA测试的任何情形仅需要两个级别，背景级别和刺激级别。然而，使用数字显示器的HFA刺激的某些实施例可使用一个以上的刺激级别，刺激强度靠近边缘随背景渐弱。该问题在这里是利用级别转移(level shifting)、帧交替、或多重背光解决的，所有这些都在下面说明。商业可获得的光阀显示装置中显示级别的数目对于显示倍频错觉也是有问题的， 如在FDT或Matrix中。概念上，倍频错觉可以少至两个的级别来实施，这两个级别即对比极限，黑色和白色。名义上，倍频错觉要求在这两个级别中间的第三中间级别，该中间级别与背景级别相同。然而，典型的更复杂目标用于呈现倍频刺激。图4示出用于测试倍频错觉的更复杂的刺激。图4中，图像430是错觉刺激的一个目标。图像430横跨使用个种照明级别的带(band)从亮变暗。图像440是图像430的逆视频图像。检查区域被分成大量单元(cell)，如410。当在一个位置测试对象的视力时，选择网格的适当单元，且在该单元中显示目标420。通过在该单元中以特定频率从430到440转换(toggle)这两个图像产生错觉。FDT和Matrix的黄金标准倍频错觉刺激使用CRT实施，CRT实施具有4096个可用强度级别，以显示这些对比变化的目标，且目标使用大量级别。虽然级别转换和帧交替可用倍频错觉减少视野测试中产生的假象(artifact)，但使用多重背光允许产生诊断上等效于 HFA和Matrix刺激的结果，且假象较少。商业上可获得的光调制显示装置通常保持背光在基本恒定的强度。发射的背光强度是通过所选的光阀显示装置透射率调制的，从而产生所期望的显示发光度。背光发光度中的小变化用于稳定由于环境条件导致的监视器亮度变化。任何光阀装置可用级别的数目是由其制造商规定的。而且，发射光发光度的传递函数给出的背光强度和光阀级别状态取决于光阀装置、其规范(specification)及其制造商。大多基于液晶技术的显示装置具有在300和800之间的有限动态范围比和有限数目的灰度级(gray level)，通常为64或256。 装置的实际特征取决于偏振器、液晶和驱动电子的质量。显示器上展示的对比率是基于显示器两个不同区域中发光度(通常是最大发光度和最小发光度)的比。商业显示器的规范通常规定了装置能实现的最大对比率。从驱动电压表征通过显示器的光透射的传递函数可能不平滑，使得精确预测绝对发光度级别困难。无论传递函数是否平滑，固定的背景照明描绘可用作显示器每个像素输出的发光度级别。对于灰度图像，发光度与灰度级别成比例。对于使用的LCD显示器的标准配置，即在计算机监视器中，非常少的发光度级别(灰度级别)与当前用于使用HFA进行的视野测试的级别相同。这里公开的本发明的实施例使得能够实现新一代视野测量仪器，其保持，或近乎保持视野测量显示图像中的当前黄金标准，同时降低系统的成本和复杂性。使用现代背光显示技术改善装置设计中的灵活性，潜在组合当前在本系统中不能得到的新刺激和测试。 新刺激类型的进一步实施可以减少的市场化时间和减少的成本实现。视频率系统(video rate system)使得能够使用高速眼睛跟踪以便补偿或校正固定误差。峰值照明的交替控制根据本发明的一个方面，提供了用于独立控制背光照明和光阀装置基于每个像素的光透射的方法和设备。独立控制的光阀显示帧和背光显示帧组合以提供总显示发光度。 在一个实施例中，显示器以足够快的速率刷新交替帧，从而使得组合的图像不会在被人眼观看时看起来闪动(flicker)。在某些情形中，该速率可以低至30-50Hz，但在本发明的该方面，优选地，速率高于60Hz，但并不局限于此。图1示出使用帧交替实施例的独立的背光照明和每个像素光透射。在第一帧110 中，光阀装置用于显示目标130。在第二帧120中，光阀装置是为所有单元一致配置的(优选为全透射)，且在140仅显示背光照明。交替图像以高帧率显示，且眼睛观察组合的图像 150。交替帧解决方案不能无成本实现。图2示出该解决方案的一个例示，该解决方案使用液晶显示器(IXD) 230、背光220和独立控制IXD与背光的控制器210。该实施例将IXD 组件从图1中130所示的图像显示状态快速切换到图1中120所示的允许相当一部分背光通过的打开位置(open position)。与标准IXD图像不同，所观察的图像从一个帧实现其对比率，并且从两个帧的组合实现所观察的发光度。能够进行某些视野测试目标要求的高帧速率(frame rate)所必须的快速状态过渡的显示组件的当前成本高，且可能限制该技术的商业化，除非这些组件的成本减少。该技术预期的刷新速率改进和成本减少可促进该实施例在未来几年内的商业化。该技术当前可在成本不是主要考虑和/或帧速率不是问题或帧速率问题得到解决的系统中实现。该技术的扩展交替两个以上的帧以减少闪动或实现额外阴影(shade)或颜色。人们通过对于N个交替帧的每个帧改变背光强度和像素透明度实现更高的观察发光度级别。 对于足够大的N，实际上任何对比率和观察的发光度都能实现，即使在每个像素具有相对少的实际透射级别。以该方式，背光光阀显示装置以如下的方式显示要被观察的发光度，即通过确定要被显示的照明级别的序列且然后以一定速率将其显示，从而使得观看显示器的观察者将观察到所需发光度。当仅需要组合两个帧以观察所需发光度时，帧速率可以低至 10-15fps。30fps是优选的。当必须组合更多帧以实现所需的观察发光度时，要求更高的帧速率。因此，通过实现更快的过渡和更复杂的控制，可以实现以有限的透射级别从像素观察到更多阴影和颜色。IXD装置的慢响应时间补偿光阀装置从一个状态过渡到另一个状态要求的时间无疑是有限的。过渡时间可取决于初始和最终透射状态。例如，对于透射LCD装置，从黑色到白色的过渡通常比从白色到黑色的过渡时间长。将要求较长时间完成过渡状态的过渡时间最小化是有利的。图5(a) 示出从黑色到白色的过渡510和从白色到黑色的过渡520。图5(b)示出从黑色到白色的同样初始过渡530，但截去了达到白色之前的过渡。最快速的过渡部分是初始部分，如从510 的上升时间(rise time)中看到的那样。在过渡的初始部分完成后，过渡是通过调整状态命令到液晶控制器或通过改变源光照明或这两者来稳定的。任一方法稳定该装置，从而使得更对称的过渡530和540是可能的。不幸的是，通过该装置可得到的峰值发光度减小了。独立背景和刺激光源在该实施例中，额外光源(下面称为背景光源)加入到系统中。来自背景光源的光与来自背光源的光组合。背景光源提供基本照明(base illumination)，且背光源用于生成刺激。通常，背景图像和刺激图像是通过组合来自背景光源的光和背光源的光形成的。双光源解决方案提供的系统具有用于背景和刺激的任意且独立数目的级别(阴影或颜色)。图 3a示出双光源解决方案的一个实施。这里，光源320提供用于光阀330的背光，在该情形中是液晶显示器。利用分光器340将来自IXD显示器330的光与来自光源310的光组合。 背景光源310可以是与光源320物理相似的部件，尽管不在IXD(甚至由IXD修改)的“背后”，其也可称为背光。在大多配置中，刺激和背景的强度由双光源设定，且刺激的形状和大小由IXD装置和背光源设定。因此，背景和刺激强度可独立控制，且视野测试的设备不再受 LCD装置可用的低对比率和少量灰度级别限制。双光源解决方案不要求上面讨论的单个背光、帧交替解决方案所要求的显示元件的快速状态变化。在某些实施例中，双光源解决方案中的困难在于定位额外光源。图3a所示的解决方案要求额外的空间以组合光源。类似地，图北中光源的布置要求透镜355任一侧都有空间，并且要求几何定位背光350和分光器或散射器360，以用于组合来自两个光源的光并引导组合光到透镜。可替换地，分光器或散射器可以未示出的光楔取代。光楔通过来自一个光源的光(也就是照明LCD的背光)并再定向来自其他光源的光，从而使得它们组合以通过透镜。在图北中，非光阀光源350(有时称为背景光源或辅助背光源)设置在透镜355 附近以使设计的几何构型流线化。光源350可以在光学系统的一侧，如图所示，或两侧。分光器360与显示器表面平行设置。可替换地，可使用散射器取代分光器。组件360必须将光通过IXD，同时反射或散射来自辅助光源350的光。无论何时要求独立背景照明，使用平面辅助背光的替代方案是在光瞳共轭点 (conjugate)设置光源。图3a中平面光源310可以LED和透镜取代，只要透镜设计成使LED设置在光瞳共轭点。这提供了来自简单光源如LED的非常一致的背景照明。在图3c所示的另一个替换设计中，透明的或近似透明的光源390可设置在光阀显示器的前面。可替换地，图3d所示的设计将第二光源395嵌入透镜中。这些解决方案显著简化几何构型。然而，它们要求高技术光源，如磷透明光源，荧光团、OLED或量子点。这样的辅助光源增加了复杂性和成本。我们可以通过增加背光源的发光度超过其预期级别，而在短时间内在刺激和背景之间实现更高的对比率。这样做保持了装置的安全性。虽然延长时间段的增加输出产生热问题且减少预期寿命，但可管理时间上充分移位的时间段上的短曝光。组合解决方案通过组合上述方法，可实现额外级别状态。例如，如果光阀装置的传递函数相对背光强度是非线性的，则组合两个具有级别转移的背光源可增加级别数目。我们也可通过以一定速率显示序列发光度而增加双背光解决方案可用级别的数目，从而使得可观察到预定的照明级别。对视野测试装置应用同时控制(级别转移)根据本发明另一个方面，提供了控制基本背光照明强度以及每个像素光阀透射以控制显示器发光度的方法和设备。阴极射线管显示级别或颜色是电子枪施加的能量和屏幕的荧光的函数。光阀显示装置的亮度是输入到光阀的光的函数，且名义上的数字、控制，如液晶的转角或时间百分数，反射镜被设置成为DLP反射光。结果是投影图像的亮度级别的动态范围。因为这些装置的控制是数字化的，因此仅有限数目的状态对在光阀显示像素输出的光是可能的。对于 6-位LCD控制，有64个亮度级别，对于8-位LCD控制器，有256个亮度级别。通常可用的 IXD装置的控制器是6-、8_、和10-位控制器。图6示出光阀装置的级别状态。在该视图中，有64个状态。响应来自控制器的亮度级别的单步命令变化的衰减或透射变化不一致。如看到的那样，低透射(高衰减)的状态之间的步级比高透射(低衰减)的状态之间的步级小得多。推理地，对于使用6-位光阀控制器的光阀显示器，仅63个刺激强度可用，因为一个阴影(或级别)是为背景保留的。8-位控制器仅提供255个刺激强度。如果制造商以 HFA (不同于任何已知的商业显示器)的精确级别设置这些强度，则其足以逼近HFA。然而， 如果我们还愿意在同一显示器和FDT刺激的当前CRT实施上显示类似FDT的刺激，且背景使用4096个级别，则仅定义现有64 (或256)个级别中的52个为HFA使用将不允许足够的级别还显示FDT刺激。因为典型光阀显示器上的级别不是等距离间隔的，所以可利用光阀控制并控制背光强度来建立额外级别。例如，通过在63个不同精确强度上改变背光，从而使得63个透射级别中的每个逐一地匹配背景级别，则有潜在的63*64/2 = 2016个不同级别的可呈现刺激。(也就是说，当最低级别的透射是背景时，有63个刺激级别，当背景是次最低透射级别时，有62个刺激级别，等)。使用8-位光阀控制器，该级别转移技术产生潜在的32，640个不同级别，且在测试装置的精度内匹配HFA要求的52个级别是非常可能的。以该方式，通过控制背光强度和光阀级别，我们可以首先确定两个要显示的发光度级别，然后确定两个最密切地逼近两个发光度级别之间间隔的光阀级别，且最后调整背光强度，从而使得利用这两个光阀级别显示两个发光度级别。因此，背光全控制使得8-位(且还可能地，6-位) 可控制光阀显示器可与HFA视野分析竞争。级别转移对于类似于FDT和Matrix所用类型的倍频幻觉刺激的某些简单实施也是有用的。然而，因为FDT和Matrix中倍频幻觉实施使用两个目标的刺激，每个目标使用几个级别加背景级别，两个目标彼此互为视频倒像(reverse image)，使用倍频幻觉判断所观察的对比率要求的照明级别比HFA视野分析要求的多得多。虽然光阀装置的照明级别间隔的不一致性是从有限级别形成类HFA刺激的资产(asset)，但照明级别间隔的不一致性成为形成倍频幻觉刺激的障碍。因为刺激要求两个互为视频倒像的目标，因此照明级别的不一致性使得刺激对的形成有些复杂。对于用于显示背景的每个不同的照明级别，以及对于刺激的每个不同对比级别，两个刺激目标概念上彼此不同。因此，使用双背光照明解决方案在光阀显示器上显示倍频幻觉有显著优点。一个背光，基本背光控制显示器照明的最低级别并同等地照明所有像素。其他背光，光阀背光照明光阀，且光阀装置的所有可用级别用于提供刺激强度分布。显示器上看到的照明是基本背光和光阀背光的总和。以该方式，刺激目标的对比度由光阀背光强度设定。用于倍频幻觉测试的背景强度是基本背光照明和光阀背光照明的组合。用于背景照明的光阀照明级别是用于倍频目标的中等级别的光阀照明。然后，设定基本背光强度，从而使得其与刺激中等级别照明的组合对在刺激区域外部的背景像素产生适当强度。利用两个背光系统，全部64 个级别可用于建立刺激目标，且任意对比率(高达光阀背光强度的控制级别)的刺激可显示在固定背景强度场上。其他光阀装置为了简化说明，因此，本说明书参照IXD装置扼要地说明了其实施例。然而，如前面所述，这里所述的本发明也应用于其他光阀装置。图8a示出具有单一背光源的DLP装置。 背光820照明DLP装置810的表面镜。控制器830引起DLP的镜向观察窗口 840反射光或将光远离该观察窗口反射。对于DLP装置的固定组数字级别，可通过改变背光820的强度实现新级别。图8b示出添加独立背景光源850。背景光源独立于DLP并以固定量提升整个背景光级别。图8c示出LCoS光阀装置。类似于DLP，LCoS是反射技术。类似于LCD，LCoS在操作中基本使用液晶的偏振特性。图8c示出具有单一背光源的LCoS装置。背光825得适当偏振光反射出偏振分光器870而到LCoS装置860。来自控制器880的命令调整LCoS装置 860中液晶的取向，这进而调整通过液晶的光的偏振。偏振光从液晶后面的反射表面反射出，再次通过液晶，其中偏振的总变化取决于液晶取向，然后回传到PBS 870。PBS 870透射某些(理论上在全部和零之间)光通过观察窗口 845到达眼睛。可加入独立于LCoS装置的额外背景光源(未示出)。例如，如图8b中850的背景光源可加在PBS和观察窗口 845 之间。发光源的具体替换图3a_3d的IXD和背光BLUl可以通过使用LED或OLED或其他发光源的发射显示器取代。任何具有足够发光度以覆盖所需范围的发光源都可使用。OLED可实现的深黑级别是OLED优于IXD的一个优点，这是因为深黑是通过阻挡光形成的且不能以普通商业IXD实现。
OLED相对于IXD的另一个优点是响应时间。许多OLED显示器当前具体化为具有小于100 μ S的上升时间和下降时间，且USMP-A34480(美国Micro Products公司)的上升时间和下降时间小于50 μ S。图10示出从黑色到白色的快速上升时间1010，略微衰减的白色强度1020以及从白色到黑色的快速上升时间1030。虽然某些IXD显示器响应时间在1 到^is之间，但典型的LCD响应时间名义上在5-20ms之间或更长。由于更快的响应时间， 显示过渡更快，使得能够更快地显示变化的视觉刺激。图9示出OLED实施方式。在最简单实施例中，OLED显示器具有足够的强度和动态范围以覆盖所有检查类型。在该情形中，分光器930和刺激940不是必须的。控制器920 仅指示2维OLED显示器910以呈现要被观察的显示。该显示可以是在如标准自动视野检查测试(SAP)中使用的背景上的刺激，(黑色上的标准白色或黄色SAP上的较鲜艳的蓝色)， 或者是如灰色背景上FDT使用的随时间变化的倍频刺激。然而，当OLED的最大强度不足时， 也就是对于SAP刺激，一个可能的解决方案是减少测试范围。然而，减少范围将产生消费者接受性问题，这是因为有限的范围测试与眼科标准不可比。可能的更好的替换方案是通过以额外光源照明刺激而向系统增加目标强度，如图9所示的情形。图9中SAP刺激940允许OLED显示器用于SAP视野测试，即使OLED上最亮的刺激不足以产生最亮的视野测试刺激。通过加入分光器930和可移动的刺激940，OLED现在仅用于背景光级别和固定目标，而SAP刺激通过刺激源940(这里以LED示出)形成。因为 OLED的表面区域(footprint)小，名义上2” X 2”，可使用小型机械支架在要求的空间范围上移动刺激940。用于扫描刺激的其他方式是设置在刺激前面以扫描刺激到分光器之前的准直透镜上的可移动镜(mirror)；在抛物面镜的焦点设置刺激并旋转刺激以跨反射镜扫描刺激进而反射刺激到眼睛上适当位置；使用LED阵列并照明适当的LED以形成刺激；等等。无论使用的机理如何，高强度SAP刺激可与OLED背景组合以便以与图9 一致的方式显示给对象。在制造用于FDT刺激和SAP刺激的仪器时，将SAP刺激加入OLED显示器的能力特别重要。虽然目前生产的OLED没有足够强度以显示SAP刺激，但它们具有显示FDT目标必须的强度。(在未来，OLED也可良好地提供足够强度以显示所有必须的SAP刺激。)然而， 类似于IXD，OLED具有有限数目的颜色，这是因为像素是通过6-位或8-位D/A0LED源驱动器寻址的。因此，虽然对特定FDT目标有许多灰度颜色或阴影，但总共仅有固定的64或256 个灰度阴影不足以显示执行FDT视力测试必须的所有FDT目标。如同LCD —样，必须为某些FDT目标而改变OLED颜色表。通常，显示可通过改变伽马曲线增强。伽马校正是从显示驱动信号到显示亮度的传递函数部分(通常可编程)。该传递函数的三个主要部分是D/A转换器、伽马校正、和显示元件响应。伽马校正通常是函数(通常称为伽马函数)，其在被绘制出来时通常叫做伽马曲线。术语“伽马校正”、“伽马函数”和“伽马曲线”可互换使用以描述传递函数最易于调整的组件。虽然每种显示装置材料对施加的信号具有自己的本征物理响应，但不同材料对同一源信号具有不同响应。显示器制造商名通常将伽马曲线内置在其产品内以调整输入信号，从而使得其材料对调整信号的本征响应看起来类似于接收相同信号的其他显示器。 OLED的伽马曲线被设计为使得OLED显示器对显示驱动输入信号的响应看起来类似于CRT的典型响应，正如LCD的伽马曲线被设计为使得LCD显示器对显示驱动输入信号的响应看起来类似于CRT的典型响应。不同于模拟CRT，数字OLED类似于IXD，仅显示固定数目的亮度级别。不幸的是， 通常由显示器制造商选择的级别对医学应用不理想。特别地，理想的FDT显示器使用同等匹配上面和下面为背景级别选择的特定级别的多对灰度级别。这与典型OLED显示器通常的、非线性伽马函数不兼容。当然，制造商可改变伽马函数，或如果制造商的设计允许，提供其他途径改变伽马函数。伽马函数的变化改变将显示驱动信号映射到显示亮度的传递函数。伽马曲线的作用是提供信息以规定如何调整初始驱动电压以变为施加到OLED元件的实际驱动电压。对于 FDT测试，优选的伽马曲线关于背景强度对称。因为不同FDT刺激改变刺激的对比度，所以如果单一伽马曲线要用于所有FDT刺激，则亮度值应集中在背景级别强度附近，如图11 (a) 所示。对于单一伽马选择，这为不同对比度目标提供了最大数目的选择。然而，对于8-位控制器，单一伽马仅提供256个灰度阴影(对于6_位控制器，仅提供64个灰度阴影)。如果业内采用10-、12-、或16-位控制器，显然更易于将不同对比度目标必须的阴影配合到预先存在的伽马曲线。然而，直到此时，必须做出调整，这是由于有限数目的灰度阴影可用。即使具有更多控制位的控制器可用，但这些控制器通常更昂贵，且利用本发明可比购买较昂贵显示器更成本有效。当然，伽马曲线的完整控制使得人们能最大限度控制显示器。然而，可用控制程度取决于制造商的规范。对于某些芯片，有控制显示器亮度范围的针脚，如图11(b)所示。这里范围对半切割，同时中点(FDT背景阴影)保持固定。如果芯片仅允许控制最大亮度(从而使得图11 (b)的亮度值在0到0. 5的范围之间，而非0. 25到0. 75之间)，则前述辅助背光可用于提升显示器的总体亮度。该类控制在改变FDT刺激的对比度时有用。如容易看到的，刺激的对比度可通过改变显示器伽马曲线而改变，其中较高对比度刺激的伽马曲线具有更大范围的亮度值，且较低对比度刺激的伽马曲线具有较小范围的亮度值。这要求足够的控制以在从一种刺激改变到另一种刺激的时间内改变伽马曲线。在某些OLED显示器中可用的另一种控制允许人们改变伽马曲线中点的斜率。对于FDT刺激，该中点应是背景亮度(图ll(a)-(c)中亮度被选择为0.5)。图11(c)示出驱动信号对亮度曲线的斜率与图11(a)相比增加。这两条曲线(图11(a)和图11(c))具有相同的范围，但较大的斜率实现更多亮度阴影。因此，对于高对比度刺激，伽马曲线被设定成产生更多亮和暗像素以选择并用于低对比度刺激，伽马曲线被设定以产生接近背景显示亮度的更多灰度阴影。当驱动信号对亮度响应是线性的时，FDT刺激的控制特别容易。图11(d)示出具有斜率1的直线，这允许最大对比度刺激。如果人们将伽马曲线从图11(d)所示的改变为如图11 (e)所示的斜率为0. 5的曲线，则人们可减小显示的刺激的对比度，而无需改变驱动信号。减小斜率为0.25，如图11(f)所示，进一步减小所显示的刺激的对比度，而不要求对驱动信号的任何改变。这样的亮度值范围减小在有限范围内提供更多阴影或颜色。因此， 当伽马曲线的斜率减小时，即使通过有限数目的级别，低对比度FDT刺激可显示与高对比度刺激相同数目的颜色。最后，显示器的总控制可通过逐个像素地调制源驱动器来实现。如果这类控制可足够快地执行，这可通过控制伽马曲线实现，或通过中间信号控制器。这类控制可以是完整的和连续的或间歇(intermittent)的和部分的。完整和连续的控制要求与像素时钟同步操作对比度监视和源驱动器信号。然而，在固定伽马曲线对显示器上除少数像素之外的所有像素都充分时，间歇和部分控制也可以实现并是有利的。例如，当伽马曲线被限制为整个显示器亮度在范围0.25到0.75之间，如图11(b)所示，则没有黑色。黑色固定目标可能是有用的，覆盖一个或更多(但仅选择几个)像素。在该情形中，对于那些旨在提高固定目标的像素，无论来自D/A的值如何，源信号可以通过将其设定为零而控制。固定目标无需是黑色的。通过适当选择控制信号和调制，可实现任意选择固定目标颜色。低对比度目标显示的不同电压驱动当宽范围的刺激对比度值(如正弦波光栅)被要求用于视野测试时，可以“差分” 显示控制足够精确地控制。图7示出LCD面板的传递函数的近似。对于低对比率刺激，刺激像素的显示亮度相对接近背景像素的显示亮度是关键的。在差分显示控制中，用于每个像素的控制信号基于背景信号和双向刺激信号的加和。刺激信号可被分配以非线性传递函数以在零信号附近提供小量子化步级(quantization step)并在较大信号处提供较大步级。可设计大量具有变化复杂性的非线性传递函数。这类传递函数的一种可能实施是三次方的，选择这类传递函数是因为其是非线性的，在低值时具有小量子化步级，且保持输入函数的符号。然后根据需要在背景级别附近最密集地打包量子化步级。可替换地，可选择传递函数以直接模拟现有视野测试仪器如FDT的步级。背景信号可保持固定值。然而，其也可以在测试过程中缓慢改变，只要这种变化避免为患者提供动态刺激。可在检查过程中或者在检查之间对背景信号进行校准，以维持准确的背景级别并保持所显示刺激的足够精度，而无论刺激对比度如何。背景信号和双向刺激信号之一或两者可跨像素在空间上改变。例如，为了实现一致的背景亮度，可为每个像素校准背景信号以解决像素至像素的变化。应该理解，所选择且描述的实施例、实例和说明是为了示出本发明的原理及其实际应用，而非限制本发明。本发明的修改和变化对本领域技术人员是显而易见的。本发明的范围由权利要求限定，其包括已知的等同替换和在提交该申请时不可预见的等同替换。下面的参考文献通过弓I用结合于此。美国专利公开20080204481, Mostinski, Device and Method for Controlling a Backlit Display20080150881, Chen 等人，Flat panel display and driving method thereof20060125775, Itoh,Image display device and image display method美国专利文献显示器6，388，388，Weindorf 等人，Brightness control system and methodfor a backlight display device using backlight efficiency7，053，881， Itoh， Image display device and image display method7，113，163，Nitta 等人，Liquid crystal display apparatus
7，172，297，Whitehead 等人，High dynamic range display device (更类似)7，193，637,Kudo等人,Display apparatus and driving device for displaying7，220，006, Allen 等人，Method and apparatus for increasing effective contrast ratio and brightness yields for digital light valve image projectors7，265，743，Funamoto 等人，Image display apparatus and image display method7, 333, 081, Aoki ^A Image display apparatus, display unit driver and image display method for the same7, 352, 352, Oh 等人’ Liquid crystal display device and controllig methodthereof7, 359, 008, 0' Donnell ^A Dynamic range and contrast enhancement for microdisplay in 3D
optical
HDR技术
6, 891, 672, High dynamic range display device 视野测试
5，323，194，Perimeter with non spherical bowl
6，705，726，Instrument for eye examination and method
7，101，044，Automated objective characterization of visual field defects
其他出版物
Leitgeb，R. Α.等人(2003)，Performance of Fourier domain vs. time domain coherence tomography，Optics Expressll(8) :889-894;
Orlando，R.等人，A Programmable Gamma Reference Buffer with Integrated Backlight Control，Alta Analog SID 2006Paper ； Seetzen，Heidrich，Stuerζ 1 inger，Ward, Whitehead, Trentacoste， Ghosh， Vorozcovs :High Dynamic Range Display Systems, ACM Transactions on Graphics (Siggraph 2004)。
权利要求
1.一种使用具有多个像素元件的显示装置显示用于测试患者视力的图像的方法，所述元件生成一亮度级别，所述亮度级别响应于施加到所述元件的驱动信号的级别根据伽马曲线而改变，且其中所述伽马曲线能够被调节，所述方法包括以下步骤确定待显示的图像的亮度级别；以及在视力测试过程中，调节所述伽马曲线并选择施加到所述元件的驱动信号的级别，以产生具有所期望亮度的图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述像素元件是光透射元件。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述像素元件由背光光阀限定。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述像素元件由反射光阀限定。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述像素元件是发光元件。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述图像的产生过程中，用于至少一个像素的伽马曲线与用于另一像素的伽马曲线是不同地调节的。
7.—种显示用于测试患者视力的图像的设备，所述设备包括显示器，包括多个像素元件，所述元件生成一亮度级别，所述亮度级别响应于施加到所述元件的驱动信号的级别根据伽马曲线而改变，且其中所述伽马曲线能够被调节；以及控制器，用于确定待显示的图像的亮度级别，并在视力测试过程中调节所述伽马曲线且选择施加到所述元件的驱动信号的级别，以产生具有所期望亮度的图像。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述像素元件是光透射元件。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述像素元件由背光光阀限定。
10.根据权利要求7所述的设备，其中，所述像素元件由反射光阀限定。
11.根据权利要求7所述的设备，其中，所述像素元件是发光元件。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，在所述图像的产生过程中，至少一个像素的伽马曲线与其他像素是不同地调节的。
13.—种显示用于测试患者视力的图像的设备，所述设备包括外壳，具有透射开口 ；数字显示器，位于所述外壳内并包括多个像素元件，所述数字显示器用于生成图像；光源，位于所述外壳内以生成图案，所述显示器和光源被设置为使得通过所述开口能够观察到所述背景图像和所述图案；以及用于相对于由所述数字显示器生成的图像而平移由所述光源生成的图案的位置的装置。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，由所述光源生成的图案是目标。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，用于平移所述目标的位置的所述装置包括用于平移所述光源的机械支架。
16.根据权利要求14所述的设备，其中，用于平移所述目标的位置的所述装置包括用于相对于所述图像对所述目标的位置进行再定向的一个或多个可移动的镜。
17.根据权利要求14所述的设备，其中，所述光源包括发光元件阵列，且用于平移所述目标的位置的装置包括对所述元件中的多个选择性地照明，以相对于所述图像平移所述目标的位置。
18.根据权利要求13所述的设备，其中，所述光源被安置在患者眼睛瞳孔的光学共轭点处。
19.根据权利要求13所述的设备，其中，所述光源生成具有一致颜色的光。
20.一种显示用于测试患者视力的图像的设备，所述设备包括 外壳，具有透射开口 ；数字显示器，位于所述外壳内并包括多个发光二极管，所述数字显示器用于生成图像；光源，位于所述外壳内以生成目标；分光器，被布置为将所述显示器生成的图像与所述光源生成的目标组合起来，以使得通过所述开口能够同时观察到所述图像和所述目标；以及用于相对于由所述数字显示器生成的图像平移由所述光源生成的图案的位置的装置。
21.根据权利要求20所述的设备，其中，用于平移所述目标的位置的所述装置包括用于平移所述光源的机械支架。
22.根据权利要求20所述的设备，其中，用于平移所述目标的位置的所述装置包括用于相对于所述图像对所述目标的位置进行再定向的一个或多个可移动的镜。
23.根据权利要求20所述的设备，其中，所述光源包括发光元件阵列，且用于平移所述目标的位置的装置包括对所述元件中的多个选择性地照明，以相对于所述图像平移所述目标的位置。
24.根据权利要求20所述的设备，其中，所述光源被安置在患者眼睛瞳孔的光学共轭点处。
25.根据权利要求M所述的设备，其中所述光源生成具有一致颜色的光。
26.—种显示用于测试患者视力的图像的设备，所述设备包括 外壳，具有透射开口 ；数字显示器，位于所述外壳内并包括多个像素元件，所述数字显示器用于生成图像； 光源，与所述数字显示器分离并位于所述外壳内以用于生成照明；以及用于将所述显示器生成的图像与所述光源的照明组合起来以使得通过所述开口能够同时观察到所述图像和所述照明的装置。
27.根据权利要求沈所述的设备，其中，所述光源产生目标。
28.根据权利要求27所述的设备，其中，所述目标相对于所述图像被平移。
29.根据权利要求沈所述的设备，其中，由所述数字显示器生成的图像是具有不同亮度级别的单一颜色。
30.根据权利要求沈所述的设备，其中，用于将所述显示器生成的图像与所述光源的照明组合起来的所述装置是分光器。
31.一种显示用于测试患者视力的图像的设备，所述设备包括显示器，包括多个像素元件，所述元件生成一亮度级别，所述亮度级别响应于施加到所述元件的驱动信号的级别根据伽马曲线而改变，且其中所述伽马曲线能够被调节；以及控制器，用于确定待显示的图像的亮度级别并调整施加到所述元件的驱动信号，且用于基于逐个像素调整所述伽马曲线，以产生所期望的图像。
32.根据权利要求31所述的设备，其中，所述像素元件是发光元件。
33.一种使用一显示装置显示用于测试患者视力的图像的方法，所述显示装置用于随时间显示所有数目的照明级别，该数目在任何时候均大于光阀装置中能够获得的照明级别的数目，所述方法包括确定待显示的两个照明级别；确定背光强度和两个光阀级别，当通过所述两个光阀级别对所述背光进行调制时，所述两个光阀级别密切接近所述两个照明级别； 将所述背光强度设定为所确定的强度；以及对包括所述两个照明级别的显示器照明。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，确定并显示与在前的两个照明级别不同的第三照明级别。
35.一种在患者视力测试过程中控制背光光阀显示装置的方法，所述方法包括 确定待观察的照明级别；确定背景光照明强度，其中所述背景照明不是通过所述光阀装置调整的； 确定光阀背光照明强度，其中所述背光照明是通过所述光阀装置调整的； 创建帧序列，每个帧由来自背景光的处于背景帧强度的光以及处于背光帧强度的光阀背光构成；以及以一速率显示所述帧序列，当人观看时，观察到所述巾贞序列为所确定的照明级别。
36.一种显示用于测试患者视力的图像的设备，所述设备包括 第一背光照明装置，对显示像素提供照明；光阀装置，用于调整所述显示像素处的第一背光照明的透射度；以及第二背光照明装置，对所述显示像素提供照明，所述第二照明的照明独立于所述光阀直ο
37.根据权利要求36所述的显示设备，进一步包括用于独立控制所述第一背光照明装置和所述第二背光照明装置的一个或多个控制器。
38.根据权利要求36所述的显示设备，进一步包括CPU，所述CPU用于将图像显示请求转换为对所述一个或多个背光控制器的指令。
39.根据权利要求36所述的显示设备，其中，所述第二背光安置在所述患者的眼睛瞳孔的光学共轭点处。
40.一种显示器，包括液晶元件，包括像素阵列，所述像素阵列用于控制通过所述像素阵列的光透射； 光源，位于所述液晶元件后面并被引导为对所述像素进行照明，其中，透射通过所述像素的光形成显示；以及控制器，用于操作所述液晶元件和所述光源，所述控制器接收待显示的信息，所述控制器在第一帧期间提供图像信息至所述像素，且在第二帧期间提供一致的透射信息至所有像素，并以一定速率交替所述帧，从而使得这些帧作为普通图像而被人眼观察到。
41.根据权利要求40所述的显示器，其中，所述光源的亮度对于这两个帧中的每一个而言均能够独立调节。
42.根据权利要求40所述的显示器，其中，所述帧速率大于lOfps。
43.根据权利要求40所述的显示器，其中所述帧速率大于30fps。
全文摘要
本发明实施例包括控制光阀装置的方法，以改善用于视野测试的显示器的对比率和灰度级别的范围和精度。在一个实施例中，使用两个或更多照明装置以使得显示装置能够以精确的照明强度在固定背景照明级别上显示宽范围的对比刺激。在另一个实施例中，显示元件的伽马曲线被调整为以允许显示器亮度上的较大变化。
文档编号A61B3/024GK102245081SQ200980149993
公开日2011年11月16日 申请日期2009年12月10日 优先权日2008年12月12日
发明者王迎建, 约兰·A·约翰松 申请人:卡尔蔡司医疗技术股份公司