CN102667583B - 无边框显示屏幕的边缘照明 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个或多个实施例提供了用于在显示屏幕上产生图像的设备和方法，其可以延伸到布置在显示屏幕的边缘处的像素或图像。显示屏幕具有光学元件，该光学元件具有的厚度和折射率被选择以将光在不经过光学元件的被布置在显示屏幕的后表面上的支撑框架或其他结构构件阻挡的一部分的情况下引导至布置在显示屏幕的边缘处的像素或图像元件。将这样的显示屏幕布置在一起成为单个屏幕组件产生了具有对观看者较不明显的网格图案的平铺显示器。

Description

无边框显示屏幕的边缘照明
技术领域
本发明一般地涉及用于显示图像的显示屏幕，并更具体而言，涉及适于向大量观看者显示图像的多面板显示系统。
背景技术
电子显示系统通常用于显示来自计算机和其他来源的信息。典型的显示系统在尺寸方面的范围可从用于移动装置中的小型显示器到用于同时向数千观看者显示图像的极为大型的显示器。平铺的显示墙通过将来自多个不同成像系统的输出同步并耦合在一起提供了用于呈现大型高清晰度图像的大型格式环境。这样大型的显示器可以通过将多个较小的显示装置平铺在一起而产生。例如，经常可以在电子媒体中看到的视频墙通常使用例如平板显示器之类的多个显示模组，它们被平铺以产生这样的大型显示器。
对于平铺显示器的一个问题在于在组件显示模组之间存在的间隙向观看者产生了可视的网格图案。图1A是具有显示模组102的阵列的平铺显示装置100的示意性平面图，每个显示模组102均用于显示图像107的一部分。在此结构中，显示模组102的阵列形成了可以在所显示的图像107内发现的网格图案101。图1B是平铺显示装置100的示意性立体图，进一步图示了对于观看者可视的网格图案101。网格图案101可以由在各102周围的框架、边框、或未示出的周边区域形成，并/或由存在于相邻的显示模组102之间的间隙103形成。在平铺显示装置100中明显网格(例如网格图案101)的存在会使观看者进行的观看分心一段时间，为了使平铺显示装置100产生均一的无可视网格图案101的显示，重要的是减小各显示模组102的边缘处建立的像素之间的空间，以使形成在所显示的图像之间的无照明区域最小化。因此，在各显示模组102中的任何间隙103、边框、或所形成的图像之间的无照明边界的尺寸应该最小化。
根据前述解释，在本领域中存在对于如下的平铺显示装置的需求：其在相邻的显示模组之间具有很少或不明显的可视网格图案，以提高所显示图像的质量并改善观看者的视觉体验。
发明内容
本发明的一个或多个实施例提供了用于在显示屏幕上显示图像的设备和方法，该图像扩展到布置在显示屏幕的边缘处的像素或图像元件。将这样的显示屏幕放置在一起成为单个屏幕组件产生了具有对于观看者而言视觉较不明显的网格图案。这在各显示屏幕被配置为没有围绕屏幕周边布置的边框或其他支撑框架时尤其如此。
根据一个实施例，一种显示屏幕包括：屏幕组件，其包括光学元件，所述光学元件具有第一表面、第二表面、第一边缘和折射率；单色光源组件，其被布置为将从第一光束源传送的第一光束以第一入射角引导至第一表面上的第一位置；以及支撑框架，其具有支撑表面，所述支撑表面被布置在所述光学元件的所述第一表面上的遮蔽区域上，其中，所述遮蔽区域的一部分被布置在所述第一位置与所述光学元件的所述第一边缘之间；其中，所述光学元件的所述折射率和在所述第一表面与所述第二表面之间的厚度被选择以将所述第一光束从所述第一位置引导至所述光学元件的所述第二表面上的第二位置，并且在所述第一位置与所述第二位置之间通过所述光学元件的所述第一光束的一部分经过所述遮蔽区域的至少一部分的下方。
一种显示屏幕，包括：屏幕组件，其包括光学元件，所述光学元件具有第一表面、第二表面、第一边缘和折射率；单色光源组件，其被布置为将从第一光束源传送的第一光束以第一入射角引导至第一表面上的第一位置；以及支撑框架，其具有支撑表面，所述支撑表面被布置在所述光学元件的所述第一表面上的遮蔽区域上，其中，所述遮蔽区域的一部分被布置在所述第一位置与所述光学元件的所述第一边缘之间；其中，所述光学元件的所述折射率和在所述第一表面与所述第二表面之间的厚度被选择以将所述第一光束从所述第一位置引导至所述光学元件的所述第二表面上的第二位置，并且在所述第一位置与所述第二位置之间通过所述光学元件的所述第一光束的一部分经过所述遮蔽区域的至少一部分的下方；其中，形成在所述第一表面与所述第二表面之间的所述光学元件的厚度是所述支撑框架的所述支撑表面的在所述第一边缘与所述第一位置之间沿着与所述第一表面平行的方向测得的宽度的3至5倍。
一种显示屏幕，包括：屏幕组件，其包括光学元件，所述光学元件具有第一表面、第二表面、第一边缘和折射率；单色光源组件，其被布置为将从第一光束源传送的第一光束以第一入射角引导至第一表面上的第一位置；以及支撑框架，其具有支撑表面，所述支撑表面被布置在所述光学元件的所述第一表面上的遮蔽区域上，其中，所述遮蔽区域的一部分被布置在所述第一位置与所述光学元件的所述第一边缘之间；其中，所述光学元件的所述折射率和在所述第一表面与所述第二表面之间的厚度被选择以将所述第一光束从所述第一位置引导至所述光学元件的所述第二表面上的第二位置，并且在所述第一位置与所述第二位置之间通过所述光学元件的所述第一光束的一部分经过所述遮蔽区域的至少一部分的下方；其中，所述光学元件的折射率是约1.5，并且所述第一表面与所述第二表面之间的距离在3mm与5mm之间。
根据另一实施例，一种形成适于显示图像的装置的方法，包括以下步骤：将支撑框架的支撑表面布置在光学元件上方，其中，所述支撑表面被布置为与所述光学元件的第一表面接近；以及将第一单色光束以第一入射角对准至第一表面上的第一位置，使得所述第一光束在所述光学元件的第二表面上的第二位置处从所述光学元件出射，其中，所述光学元件的折射率和在所述第一表面与所述第二表面之间的厚度被选择为使得在所述第一位置与所述第二位置之间延伸的所述第一光束的至少一部分经过所述支撑表面的下方。
根据另一实施例，一种显示图像的方法包括以下步骤：将第一光束传送至光学元件的第一表面上的第一位置，使得第一光束在第二表面上的第二位置处从所述光学元件出射，其中，在所述第二位置从所述第二表面出射的所述第一光束被配置为照射布置在屏幕的图像表面上的发光层的至少一部分，所述屏幕与所述第二表面相邻地布置，其中，所述光学元件的折射率和在所述第一表面与所述第二表面之间的厚度被选择为使得所述发光层的所述一部分是布置在所述屏幕的边缘处的像素的一部分。
附图说明
以其中本发明的上述特征可以得到详细理解的方式，通过参照实施例可以给出以上总结的本发明的更具体说明，实施例中的一些在附图中图示。但是，应注意，附图仅图示了本发明的典型实施例，因此并不应被认为限制本发明的范围，因为本发明可以包含其他等同效果的实施例。
图1A是具有对观看者可视的网格图案的平铺显示装置的示意性平面图。
图1B是对观看者可视的网格图案的平铺显示装置的示意性立体图。
图2图示了根据本发明的实施例的，当被观看者观看时具有较不明显网格线的三乘三平铺显示装置的一个示例。
图3A是根据本发明的实施例的面板组件的示意性立体图，该面板组件包括紧固到支撑框架的显示屏幕。
图3B是沿着图3A中的线3B-3B所取的显示屏幕和支撑框架的示意性侧剖视图。
图3C是根据本发明的实施例的面板组件的区域的放大视图，图示了支撑框架和屏幕之间的接触区域。
图4图示了具有形成在屏幕的图像层中的多个荧光区域的基于激光的显示系统的一个实施例。
图5图示了可以获益于本发明的实施例的基于激光的显示系统所用的光学调制设计的示例。
图6是图示形成在位于显示屏幕组件中的两个相邻面板组件之间的间隙的排列和结构的侧剖视图。
图7是根据本发明的一个实施例的基于激光的显示系统的屏幕的一个实施例的局部示意性侧视图。
图8图示了根据本发明的实施例的利用伺服反馈系统来控制调制光束位置的基于激光的显示系统的一个实施例。
图9示意性地图示了根据本发明的实施例的调制光束和伺服光束的近法向入射。
为清楚起见，在适用处使用相同的附图标记表示附图之间共同的相同元件。预期的是，一个实施例的特征可以在没有提及的情况下结合在其他实施例中。
具体实施方式
为了减少组成平铺显示器的显示屏幕之间的明显网格线，各显示屏幕可以构造有安装至屏幕的后部(即，不可见表面)的无边框支撑框架。通常，无边框支撑框架布置在屏幕的周边处。在不具有围绕平铺显示器的各组成显示屏幕的边缘的传统框架或边框的情况下，各显示屏幕可以彼此接近地布置，而在其间具有很小的间隙或没有间隙。这样的方案在2009年6月26日递交的同样未决的美国专利申请第12/493,128号(代理卷号SPUD/0002)中更详细地说明，其全文以与本文的公开兼容的程度结合于此。但是，因为无边框显示屏幕必须得到支撑，所以后安装支撑框架通常覆盖各屏幕的后表面的一部分，这使得在整个屏幕表面上(即，从边缘到边缘)图像的产生成为问题。本发明的实施例构思了允许对这样的显示屏幕的图像显示表面的完全照明，而无论是否存在安装在屏幕的后表面的部分上的挡光的支撑框架。即，本发明的实施例构思的屏幕所具有的光学元件在厚度和折射率方面得到了一起的选择，以将光引导至布置在至少部分地被支撑框架或其他构件的部分所覆盖的屏幕的边缘处的像素或图像元件。
图2图示了根据本发明的实施例，当被观看者观看时具有较不明显网格线的三乘三平铺显示装置260的一个示例。平铺显示装置260包括多个面板组件250和显示框架261。显示框架261通常是用于以期望的布置和图案支撑面板组件250的结构部件，例如多个支架、框架或其他相似装置。面板组件250可以焊接、粘接或以其他方式接合到显示框架261，使得实现需求的结构刚度和布置，以提供均匀的图案。
各面板组件250通常包括屏幕200和支撑组件265。支撑组件265通常包含电子部件和结构元件，结构元件能够支撑屏幕200，并与屏幕200结合将图像传达给定位成观看面板组件250的观看表面201的观众270。支撑组件265包括支撑框架210，支撑框架210是壳体263的一部分，或连接到壳体263。壳体263通常对能够在屏幕200的观看表面201上形成图像的各个电子部件和其他装置(包括光源、投影光学系统等)提供支撑和封装。在一个实施例中，光源将光通过壳体263的内部区域(其包含处于大气压的空气，这与真空环境相反)透射到屏幕200上。在一个实施例中，布置在屏幕200的一个或多个边缘处的像素或图像元件被用于在受到完全的边缘对边缘照明的观看表面201上产生图像，并且观看表面201的任何部分均未受到观看表面201的遮挡。以此方式，将图像传达给观众270，该图像在被观看者观看时具有显著较少的明显网格线。以下结合图3A-图3C来描述用于完全照明观看表面201的设备。
图3A是根据本发明的实施例的面板组件250的示意性立体图，面板组件250包括紧固到支撑框架210的屏幕200。屏幕200是通常包括观看表面201和一个或多个屏幕边缘202的显示屏幕，并由布置在壳体263中的一个或多个光源照明。在一个实施例中，面板组件250是基于激光的显示系统，其将在下文进一步说明。用布置在壳体263中的一个或多个光源照明观看表面201的其他结构的面板组件250也可以获益于本文所述的本发明的实施例。支撑框架210通常是刚性支撑构件，其被配置为支撑屏幕200并允许屏幕200相对于位于壳体263内的照明产生部件并相对于相邻的面板组件250中的其他屏幕200精确定位。在面板组件250的一个实施例中，支撑框架210提供了屏幕200能够紧固到其他类似显示屏幕以形成平铺显示装置260所借助的手段。由此，根据一个实施例，支撑框架210包括通孔211或其他装置以用于将支撑框架210紧固到组成平铺显示装置260的其他类似的支撑框架。
图3B是沿着图3A中的剖面线3B-3B所取的屏幕200和支撑框架210的示意性侧视图。如图所示，支撑框架210布置在屏幕200的后表面203上并安装到后表面203。因为支撑框架210使屏幕200相对于壳体263定位，并因此布置在其两者之间，所以支撑框架210可以部分地或全部地阻挡从位于壳体263内的光源组件264的向观看表面201的周边部分受到引导的光。这样的遮挡将在下文结合图3C进行说明。在一个实施例中，光源组件264可以是单色光源，即单波长光源，例如基于半导体的光源，并且朝向屏幕200以激发图像层中的含荧光剂区域以产生图像。在一个实施例中，光源组件264可以是激光器或者其他相干单波长光源。在一个结构中，单色光源发送扫描过屏幕200的区域的电磁辐射波束。为了说明的目的，针对作为基于激光的显示系统的面板组件250描述了本发明的方面。为此，屏幕200在下文被描述为包括形成在其图像层266上的多个荧光剂区域(如图3C所示)，并且光源组件264被描述为激光模组。但是，本领域的技术人员将理解的是，用于面板组件250的其他设计也可以受益于本文所述的本发明的实施例，即，其中支撑框架210的存在由于遮蔽而会影响观看表面201的照明的均匀性或完全性的任意设计。因此，在其他实施例中，除了激光模组之外的光源组件可以被包括在面板组件250中，并且屏幕200可以使用除了荧光剂区域之外的方式产生图像。在一个实施例中，光源组件264适于以蓝色、UV或IR波长光发射电磁辐射。
图3C是如图3B所示的面板组件250的区域的放大视图，示出了支撑框架210与屏幕200之间的接触区域。如图所示，支撑框架210被布置在屏幕200的后表面203上，在其上形成了遮蔽区域361。作为基于激光的显示系统的一部分，屏幕200可以包括与光学元件300分开气隙325的RGB组件720。RGB组件720包括图像层266并在下文结合图7更详细说明。用于支撑框架210的理想的支撑框架厚度309取决于许多因素，包括屏幕200的重量、用于制造支撑框架210的材料、支撑框架210的期望刚度、以及用于帮助将多个面板组件250组装成为平铺显示装置260的支撑框架210的允许制造公差。本领域的技术人员可以容易地确定对于特定屏幕200的需求框架厚度309。在一个实施例中，观看表面201由金属材料形成，并具有约1mm的厚度309，这适于具有约1-5kg质量以及约500mm×400mm的观看表面201的屏幕200。
通常期望来自光源组件264的激发光基本垂直于建立在屏幕200中的图像层266。但是，如果来自光源组件264的激发光指向与观看表面201垂直的方向，则布置在图像层266的周边区域262(图3C)中的任何像素或图像元件将由于支撑框架210的屏幕支撑表面引起的遮蔽效应而不能得到照明，该遮蔽效应阻挡来自光源组件264的光通过遮蔽区域361。因此，宽达1mm以上的图像层266的区域可以被形成为屏幕200的未受照明的周边，并且将在该周边周围得到更明显的网格线效应。本发明的实施例构思的屏幕200所具有的光学元件300在厚度301和折射率方面一起进行选择，以将光在不通过遮蔽区域361的情况下引导至布置在周边区域262中的像素或图像元件。因此，尽管支撑框架210阻挡光通过遮蔽区域361，但是这样的实施例允许整个观看表面201受到光源组件264的照明。
光学元件300可以是对于由光源组件264发射的光的一个或多个波长基本透明的玻璃、塑料或其他材料。光学元件300的折射率和厚度301经过选择以将入射光束310从位于遮蔽区域361附近的接收表面305上的点320引导至位于屏幕边缘202附近的出射表面306上的点321。入射光束310可以是单色光束(例如激光束)，并因此可以被投射通过面板组件250的区域。由光源组件264将入射光束310以入射角330(相对于法线度量得到)引向接收表面305上的点。入射光束310然后通过折射沿着第二光路(即以折射角331)引向如图所示出射表面306上的点321，在该处入射光束310经过遮蔽区域361与出射表面306之间。因此，尽管没有光束通过遮蔽区域361，但是布置在周边区域262中的任意像素或图像元件由来自光源组件264的常规入射光照明。
能够由光学元件300容许的遮蔽区域361的最大尺寸与入射角330、光束直径、以及光学元件厚度301直接成正比，并与光学元件300的折射率成反比。因此，改变这四个参数，可以改变光从出射表面306出射的位置，即，点321。例如，由具有不同折射率的材料构造光学元件300将使折射角331改变。因此，对于光学元件300选择合适的材料有助于对于给定尺寸的遮蔽区域361使点321根据期望地接近屏幕边缘202，并且更低的折射率带来更大的遮蔽区域361。在一个实施例中，适用于光学元件300的材料的折射率的范围通常在1.45与1.70之间，这是相对较窄的范围。此外，对于光学元件300的机械和材料约束将会对用于光学元件300的材料类型以及因此光学元件300可以具有的折射率带来限制。为了控制出射表面306上的点321的位置，也可以改变厚度301。与折射率不同，厚度301可以根据控制点321的位置的期望那样厚，而不受限于较窄的范围。此外，可以以相对较高的精度控制厚度301，这有助于点321的精确定位。点321的精确定位确保了布置在屏幕边缘202附近的周边区域262中的像素或图像元件由入射光束310照明。以下结合图4和图7来说明可以位于屏幕边缘202附近的图像元件的示例。入射角330取决于面板组件250的构造细节，包括屏幕200的宽度以及光源组件264与接收表面305之间的距离，并且，对于不同结构的面板组件250，入射角330可以例如在约20°与30°之间改变。
如果点320的位置过于靠近遮蔽区域361或者在遮蔽区域361内，则入射光束310中的一些或全部会入射在支撑框架210上，并且不能将期望强度的光能引至布置在周边区域262中的一个或多个图像元件，从而在屏幕200处产生了明显更暗的区域。相反，如果点320的位置过于远离遮蔽区域361和屏幕200，则光学元件300的需求厚度301会变得高得惊人，导致过重的屏幕200。已经发现，通过控制入射角330、厚度301、光束直径和光学元件300的折射率这四个参数，可以合理地控制遮蔽区域361的尺寸和公差，使得其不会干扰入射光束在点320、321之间的光路。例如，在一个实施例中，光学元件300是具有1.54折射率的玻璃衬底或片材，且入射角330是30.0°。在这样的实施例中，折射角331是18.9°。将光学元件300的厚度301设定为4.0mm意味着遮蔽区域361的最大尺寸是1.30mm。给定0.15mm的光束半径和0.1mm的光束偏移公差表明在没有入射光束310入射在支撑框架210的风险的情况下能够容许的支撑框架210的最大支撑框架厚度309是约1.0mm。因此，对于1.54的折射率和30.0°的入射角，厚度301与支撑框架厚度309的期望比率是约4:1。厚度301与框架厚度的期望比率作为折射角和入射角330的函数而改变。
显示屏幕(例如屏幕200)的重量和厚度在平铺显示器、平板显示器和其他显示屏幕应用中重要的考虑因素。例如，如果光学元件300的厚度301过大，则屏幕200会过重而不能容易地得到支撑。相反，如果厚度301过小，则不能使布置在屏幕200的周边区域262中的全部图像元件均受到入射光束310的照明，这是因为由于实践的原因遮蔽区域361不能制造得小到足以使入射光束以给定的最大入射角330到达图像元件。因此，屏幕200应当被构造为具有最小的厚度和重量。在一个实施例中，厚度301和用于构造光学元件300的材料被选择为使得屏幕200的总重量和/或厚度307最小化。例如，因为支撑框架厚度309的允许尺寸与光学元件300的折射率间接地成正比，具有相对较低折射率的材料可以被选择用于光学元件300，从而使得允许支撑框架厚度309最大化而使得光学元件300的厚度301最小化。在一个实施例中，光学元件300的接收表面305和/或出射表面306与观看表面201具有基本相同的尺寸。在一个示例中，观看表面201和接收表面305和/或出射表面306在尺寸方面为约500mm×400mm。
在一个实施例中，光学元件300是大体平坦或平板形的。在一个实施例中，光学元件300和RGB组件720中的部件是平坦或平板形的。在又一实施例中，光学元件300的一个或多个表面(例如，附图标记305和306)是弯曲的，由此在光学元件300上的任意点处出射的光指向期望方向。在一个示例中，接收表面305和出射表面306分别在形状方面是凹和凸的。
在另一实施例中，屏幕200可以包括光学补偿元件，以控制入射光束310在图像层266上的入射角。光学补偿元件包括能够调节接收光的方向的各种光学装置，例如能够通过其几何形状和/或材料属性(例如，折射率)来调节通过其的角度的层叠波导、棱镜、透镜或其他相似的装置。菲涅耳透镜通过将透镜分散为被成为菲涅耳区的一组同心环状部分而与其他光学补偿装置(例如传统的球面透镜)相比减少了所需的材料量。在每个区，透镜的总厚度减小，有效地将标准透镜的连续表面分散为同样曲率的一组表面。菲涅耳透镜在与等同的球面透镜相比，使得厚度、重量和材料体积方面的实质性减少。因此，菲涅耳透镜层308能够在不具有传统球面透镜系统相关的厚度和重量的情况下进行对入射光束310在图像层266上的入射角的控制。在一个实施例中，菲涅耳透镜层308被配置为将入射光束310以法向或近法向的入射角引导至图像层266上。应该注意，如图3C所示的菲涅耳透镜层308的位置并不意在作为对本发明的限制，这是因为菲涅耳透镜层308也可以位于接收表面305、出射表面306和/或RGB组件720中的一个或多个表面上，而不会偏离本文所揭示的本发明的基本范围。
在一个实施例中，如图3A-C所示，光学元件300是具有接收表面305和出射表面306的单片材料。在一个结构中，接收表面305和出射表面306基本彼此平行。在一个示例中，光学元件300是基本平坦的并且是矩形形状。本发明的实施例还构思了光学元件300的其他构造。在一个实施例中，光学元件300的周边的形状可以是圆形或不规则的，在该情况下，入射角330将沿着屏幕200的周边在不同的位置处变化。在这样的实施例中，允许的支撑框架厚度309也可以变化。或者，支撑框架厚度309可以保持恒定，并可以基于最差情况下的几何状况(即，使得入射光束310最小的任何情况)来确定。以此方式，支撑框架210被构造为使得无论其在屏幕200的周边上的位置如何均不会干扰入射光束310的光路。例如，当屏幕200是矩形时，入射角310将沿着屏幕200的顶边缘和底边缘相比沿着侧边缘而不同，因此，可以基于最小入射光束310来选择光学元件300的厚度301和折射率。在一个实施例中，光学元件300的厚度301可以根据需要作为入射光束310和/或期望的支撑框架厚度309的函数而变化。在另一实施例中，光学元件300可以是复合光学元件，其包括两层或多层不同材料以根据需要将光衍射来照明布置在屏幕200的周边区域262中的像素或图像元件。在一个示例中，两层或多层不同材料具有不同的折射率，其被组合使用以控制从出射表面306出射的光束的位置。在此构造中，光学元件将具有作为通过光学元件所取的两层或多层中各个的折射率的平均值的折射率，即复合折射率。
如上文所提及的，在一个实施例中，面板组件250是基于激光的显示系统。图4是图示基于激光的显示系统600的一个实施例的示意性分解图，该显示系统具有建立在图像层266内并形成在屏幕200的图像表面719上的多个荧光剂层。如图所示，包含激光器的激光模组650和观众270分别位于屏幕200的相对两侧，即，后侧和前侧。图5图示了基于激光的显示系统600的光学调制设计的示例，显示系统600可受益于本文所述的本发明的实施例，并可以结合到面板组件250的壳体263内。在一个实施例中，基于激光的显示系统600通常包括屏幕200和激光模组650，屏幕200具有包含在图像层266中的荧光剂层。可以与上述光源组件264相似地构造的激光模组650用于产生扫描激光束，以激发被建立在屏幕200中的图像层266中的荧光剂材料。激光模组650适于沿着两个不同的方向(例如，水平方向和竖直方向)以跨过屏幕200的图像层266的光栅图案发送一个或多个光束，或经调制的光束612。在一个实施例中，荧光剂区域是布置在屏幕200的图像表面719上的平行的区域或条带。在一个实施例中，每个荧光剂区域包括多个子像素区域606，或条带的一些部分。激光模组650可以是单模激光器或多模激光器。激光器也可以包括沿着与荧光剂区域的延伸方向垂直的方向的单模，以具有被限界在每个荧光剂区域的宽度内的小的光束扩散。沿着激光机区域的纵长方向，此激光束可以具有多模以相比在横跨荧光剂区域的方向上的光束扩散而言扩散更大的区域。基于激光的显示系统的示例在08年5月19日递交的题为“Multilayered Screens with Light-Emitting Stripes for Scanning Beam DisplaySystems”的共同转让的美国专利申请第12/123,418号中得到进一步说明，其全文通过引用结合于此。
在一个实施例中，为了使用基于激光的显示系统600(图4和图5)在屏幕200上形成图像，激光源610产生激光束611，激光束611被直接调制以通过向建立在形成于图像层266上的多个图像像素元件605内的红色、绿色和/或蓝色荧光剂层的每个传送期望量的光能来形成图像。在此示例中的激光模组650包括信号调制控制器620，其直接调制激光源610的输出，以控制被传送至各荧光剂区域的能量。例如，信号调制控制器620可以控制被建立在激光源610内的激光二极管的驱动电流。然后，光束扫描和成像模组630将调制光束612投射到屏幕200以激发色彩荧光剂。或者，激光源610用于产生CW未调制激光束，并且使用光学调制器(未示出)来利用红色、绿色和蓝色的图像信号来调制所产生的CW激光束。在此构造中，声光调制器或电光调制器可以用作光学调制器。来自光学调制器的调制光束接着通过光束扫描和成像模组630(图5)投射到屏幕200上。在一个实施例中，激光源610还包括与激光模组650中的其他部件结合使用的两个或更多个激光器610A，以向形成于屏幕200中的图像层266上所布置的荧光剂区域传送光束阵列。在一个实施例中，各激光器610A是以约405nm的波长发射电磁辐射的激光器。在一个实施例中，各激光器610A是被配置为以约180与约450nm之间的波长发射辐射的激光器。在一个实施例中，激光源610可以包括各以不同的波长(例如，红色、绿色和蓝色)发射辐射的多个激光器610A。在这样的实施例中，多个激光器610A可以被横跨屏幕200的各图像像素元件605来扫描，即一个激光器610A用于每个发射的不同波长。
在操作中，一个或多个调制光束612横跨屏幕200得到空间扫描，以在不同时间激发不同的红色、绿色和蓝色发光荧光剂区域。因此，调制光束612承载了在不同时间对于各图像像素的红色、绿色和蓝色的图像信号以及在不同时间对于不同的图像像素元件605的图像信号。因此，利用不同时间对于不同像素的图像信息对调制光束612的调制进行编码，以将调制光束612中的时间编码图像信号经由光束扫描映射到屏幕200上的空间像素。包括激光模组650、激光源610、信号调制控制器620、光束扫描和成像模组630和光学调制器在内的基于激光的显示系统600在08年5月19日递交的题为“Multilayered Screens with Light-Emitting Stripes forScanning Beam Display Systems”的美国专利申请第12/123,418号中得到更详细的说明，其全文通过引用结合于此。
图4进一步图示了图像区域、或图像像素元件605的结构。每个图像像素元件605通过由含荧光剂区域(例如，各子像素区域606)的激光激发产生的可见光的光学发射来输出用于将图像形成并传送到屏幕200的观看表面201的光。图像像素元件605的阵列被用于通过个别地控制在各图像像素元件位置处的合成色彩和图像强度来形成在观看表面201处的图像。在所示示例中，由三个色彩区域或条带在一个维度(例如，与色彩条带垂直的水平扫描方向)上的物理宽度(例如，图7中的宽度751)、以及在没有像素区域的物理边界的情况下在另一维度(例如，在与色彩荧光剂条带平行的竖直方向)上对特定图像的光斑尺寸的控制，来界定像素区域的尺寸。应该注意，光斑尺寸或横截面面积也可以受到激光器发射辐射相对于图像层266的角位置的影响。在其他示例中，图像像素元件605的两个维度可以由物理边界来界定。各图像像素元件605包括三个子像素区域606，它们以三种不同的色彩(例如，红色、绿色和蓝色)发光。在各图像像素元件605中，三个平行发光区域的各个部分是发射可见光的光学活性区域，并且发光条带之间的任何不起望的空间被填充有非发光材料，形成了位于发光条带之间的分隔部。在一个示例中，各子像素区域606以约500至约550μm的间距间隔开。在一个示例中，各子像素区域606以约125至约1000μm的间距间隔开。通常，理想地，将图像像素元件605形成为与屏幕边缘202相邻(即，根据实际尽可能地靠近)屏幕边缘202，以使面板组件250中的图像之间形成的间隙103最小化。在一个实施例中，子像素区域606与屏幕边缘202之间的偏移可以不超过子像素区域606的宽度的15％。在一个示例中，子像素区域606可以是约500μm宽，并位于屏幕边缘202的约80μm内。在一个实施例中，光斑尺寸在形状方面是非圆形的，使得光束的横截面不是均匀的圆形。作为示例，光束形状可以是在一个轴线上比在另一个轴线上更长。在一个构造中，光斑尺寸在与三个子像素区域606的每个的长轴方向平行的方向(图4中的竖直扫描方向)上相比在与三个子像素区域606垂直的方向(图4中的水平扫描方向)更长。
在一个实施例中，如图2所示，两个或更多个面板组件250中的每个均位于显示框架261上，以形成平铺显示装置，该平铺显示装置具有在形成于各面板组件中的照明区域之间的小间隙103。得到确信的是，当之间的间隙103被维持为实质上小于建立在面板组件250中的像素的宽度时，各面板组件250之间的明显可视的线将显著减少。
图6是图示形成在位于显示屏幕组件260中的两个相邻的面板组件250之间的间隙103的布置和构造的侧剖视图。如上所讨论的，间隙103通常被界定为形成在相邻的面板组件250中的图像之间的间隔。通常，间隙103被界定为在距相邻的面板组件250的屏幕边缘202和/或框架边缘213最近的各图像像素元件605中的子像素区域606之间的距离。在一个实施例中，间隙103等于相邻的面板组件250的屏幕边缘202之间的间隔(例如，边缘间隙671)加上在屏幕边缘202与距相邻的面板组件250的每个中的屏幕边缘202最近的图像像素元件605的边缘之间的距离(例如，两倍的像素间隙673)。在一个示例中，与屏幕边缘202最接近的子像素区域606的边缘从屏幕边缘202沿着图像层266测得的值，或像素间隙673在约0和约25μm之间，在该情况下，当像素间隙673等于零时，子像素位于屏幕的边缘。在另一示例中，由于在屏幕边缘202处图像像素元件605的期望偏移，间隙103基本等于相邻的屏幕边缘202之间的间隔，或等于边缘间隙671。虽然图6图示了包含形成在相邻的面板组件250之间的边缘间隙671的间隙103，但是此构造并不意在限制本文所述的本发明的范围，这是因为通常期望不形成边缘间隙671，来减小相邻的投射图像之间的间隔。由于相邻的面板组件250之间的公差和排列问题，会存在小的边缘间隙671。但是，在一些情况下，理想地尽可能使边缘间隙671的尺寸最小化。
图7是基于激光的显示系统600的屏幕200的一个实施例的局部示意性侧视图。在一个实施例中，屏幕200包括两个子组件：菲涅耳透镜组件710和RGB组件720。在一个实施例中，屏幕200包括与屏幕701相结合的本文所述的部件。菲涅耳透镜组件710包括与屏幕的图像层266的光束入射侧(例如，接收表面305)相邻的菲涅耳透镜层711，以及与如上所述的光学层300基本相似的光学层部分。在一个实施例中，菲涅耳透镜形成在可以由例如玻璃或塑料材料制成的电介质衬底中。间隙712，或者具有与菲涅耳透镜层711不同折射率的光学材料可以用于产生从菲涅耳透镜到屏幕的下一层(即，RGB组件720)的折射率差别。通常由于对间隙712的需要，菲涅耳透镜组件710和RGB组件720并不利用粘接剂或其他材料保持在一起作为单个屏幕组件。其他层也可以形成在菲涅耳透镜组件710中，例如在菲涅耳透镜组件710的用于接收激发激光的入射表面处的防反射层。RGB组件720包括透明衬底721、具有黑色像素分离矩阵723的RGB层722、封装层724、以及可以用作UV阻挡层的观看层725。在一个实施例中，RGB层722被形成在具有较低热膨胀系数的透明衬底721上或耦合至透明衬底721。较低的热膨胀系数减小了子像素区域606相对于激光模组650的位置变化，从而确保了由调制光束612对各子像素区域606的精确和完全照明。由于透明衬底721的热膨胀导致的子像素区域606的不精确光束布置和/或偏移会导致在不同的时间(例如，一天中的不同时间、季节变换、以及相比持续运行条件的显示器启动时)显示性能的变化。变化的性能通常由子像素区域606相对于所对准的调制光束612位置的移动引起的子像素区域606的照明的变化所导致。在一个实施例中，理想地将RGB层722形成在透明的低热膨胀材料上，例如玻璃材料而不是塑料材料。
RGB组件720还可以包括其他层，例如与透明衬底721相邻或形成在透明衬底721上或内的二色滤光层或滤光元件，透明衬底721位于RGB组件720的激光入射侧。通常，二色滤光器适于使建立在调制光束612中的一个或多个波长的光透射，并使由荧光剂层发射的可见波长光(其由调制光束612激发)的至少一部分朝向RGB组件720的观看表面201向后反射。在一个示例中，可见波长光可以在约380和约750纳米之间。以此方式，可以通过从荧光剂区域向观看表面201传送更多的发射光，提高屏幕200的亮度。在一个实施例中，还期望确保一个或多个调制光束612的入射角基本垂直于二色滤光器的表面，这是因为入射的一个或多个调制光束的任何内反射较不容易以光能够传播到RGB组件720的其他相邻区域的角度反射，并可以减少发射光的比率。
在一个实施例中，如上所述，RGB层722包括可以形成在图像层266内的多个像素和子像素。图7描绘了单个像素750以及与其相关的红色、绿色和蓝色子像素。子像素区域606中的每个实际上是每个色彩荧光剂区域的较小部分，例如与如上所述与调制光束612的扫描路径垂直地延伸过屏幕200的条带。在一个实施例中，像素750的宽度751是1500(μm)微米的量级，但是，在一些应用中，宽度751可以显著更小。在一个实施例中，各调制光束612的直径约等于各606的宽度，例如在约125μm和约1000μm之间，或在约125μm和约550μm之间。但是，如上所讨论的，在一些情况下，调制光束612的横截面面积是子像素区域606宽度(例如，图4中的水平方向)乘以像素的长度(例如，如图4所示沿着荧光剂区域的竖直长度)。通常，重要的是确保边缘处的像素750布置得靠近屏幕边缘202，以降低观看者看到如图1A所示的网格图案101的可能性。此外，光学元件300和菲涅耳透镜层711(其例如被包含在菲涅耳透镜组件710中)可以被配置为确保调制光束612与位于屏幕边缘202附近的子像素区域606(例如图7所示的蓝色子像素区域606)正确地对准并被引导至子像素区域606。以此方式，屏幕200的全部图像像素元件605和子像素区域606受到调制光束612的正确照明。应该注意，调制光束与各子像素区域606的正确对准在确保在最差的情况下也产生正确色彩方面是重要的，但更通常的，确保在各子像素中荧光剂材料的光激发量在期望水平以上方面也是重要的。
在一个实施例中，如图9示意性示出的，透明衬底721包括图案化的反射层726，以提供反馈作为用于控制调制光束612相对于RGB层722中包含的子像素的位置的闭环伺服控制系统的一部分。图案化的反射层726可以形成在透明衬底721上，作为反射对准标记(见图9)以反射从激光器610B传送的伺服光束812(图8和9)，并因此向控制伺服光束812的位置和调制光束612相对于伺服光束812的位置的伺服系统提供反馈。因为伺服光束812具有已知的与从激光器610A传送的调制光束612的空间相关性，所以提供位置控制。因此，借助于使用光束扫描和成像模组630以及显示处理器和控制器840(例如，计算机)的闭环控制系统，伺服光束812的位置可以用于控制调制光束612的定位。在一个实施例中，调制光束612传送通过位于光束扫描和成像模组630和屏幕200之间的固定透镜651(图4)、或扫描透镜，并被用于将调制光束612在接收表面305处接收时被聚焦到期望的横截面区域。
图8图示了根据本发明的实施例的基于激光的显示系统800的一个实施例，其利用伺服反馈系统控制调制光束612和伺服光束812的位置。基于激光的显示系统800与先前所述的基于激光的显示系统600基本相似，并具有本文详述的额外特征。屏幕200包括形成在图案化的反射层726中的图案化的反射区域726A(图9)，来以由一个或多个IR伺服检测器820收集的反射光形式提供反馈。除了伺服光束812还被透射到屏幕200之外，光束扫描和成像模组830与图5中的光束扫描和成像模组630基本相似。伺服光束812可以是从激光器610B传送的不可见光束，例如IR光束。从图案化的反射层726反射伺服光束812提供了来自屏幕200的反馈光813。通过使用一个或多个IR伺服检测器820来测量反馈光813，以产生一个或多个反馈伺服信号，其被用于产生屏幕200上的红色、绿色和蓝色子像素的位置图。显示处理器和控制器840用作激光模组850中的伺服控制器，并对接收到的伺服信号进行处理以提取与屏幕200上光束的定位和其他属性相关的信息，并且作为响应，使用光束扫描和成像模组830中的光束定位部件(例如，枢转反射镜)来调节一个或多个调制光束612的方向和其他属性，以确保显示系统的正常操作。利用伺服反馈系统的基于激光的显示系统的示例在2007年6月27日递交的题为“Servo FeedbackControl Based on Invisible Scanning Servo Beam in Scanning Beam DisplaySystems with Light-Emitting Screens”的共同转让的美国专利申请第11/769,580号中得到进一步说明，其全文通过引用结合于此。
当基于激光的显示系统800和伺服光束812用于控制面板组件250中调制光束612的位置时，调制光束612和伺服光束812的入射角可以是利用光学元件300和/或菲涅耳透镜层308(例如，菲涅耳透镜层711)入射到屏幕200的RGB组件720的“近法向”角，而不是法向入射角。近法向入射角，即相对于法向小于约10°的入射角，帮助检测来自屏幕200的反馈光。
图9示意性地图示了根据本发明的实施例调制光束612和伺服光束812从激光源610(图9中未示出)所遵循的光路。如图所示，调制光束612和伺服光束812沿着平行光路被引导至屏幕200的菲涅耳透镜组件710。在一个构造中，调制光束612和伺服光束812具有可见分离的关系，使得调制光束612在第一位置905处入射菲涅耳透镜组件710的接收表面305，并且伺服光束812在第二位置906处入射接收表面305。在一个实施例中，如上所述的调制光束612和伺服光束812各分别为显著不同波长的光(例如，UV(或蓝色)和IR波长)。包括光学元件300的菲涅耳透镜组件710被配置为将入射光(即，调制光束612和伺服光束812)沿着具有相对于RGB组件720的表面的近法向角的光路引导至RGB组件720。因此，当伺服光束812入射在图案化的反射层726的一部分上时，伺服光束812如图所示(例如，反馈光813)沿着略微不同的光路反射回来。以此方式，伺服光束812的返回路径容许用于伺服光束812的光源(即，光束扫描和成像模组830)与伺服检测器(即，IR伺服检测器820)之间的物理偏移。该物理偏移以及面板组件的其他构造细节决定了需要什么程度距法向入射来帮助伺服检测器和伺服光束812的使用。在一个实施例中，调制光束612和伺服光束812对RGB组件720的表面的近法向入射角小于约10°。
如上所述，用于伺服光束812的光的波长可以与用于调制光束612的光的波长实质不同。因为材料的折射率作为波长的函数而改变，所以本领域的技术人员将理解，光学元件300(如图3C所示)的厚度301以及光学元件300的折射率的选择应该基于最差情况下的波长以及光束位置，以确保支撑框架将不会干扰伺服光束812和调制光束612中的任一者。
虽然前文针对本发明的实施例，但是可以在不偏离本发明的基本范围的情况下获得本发明的其他和进一步的实施例，且本发明的范围由所附权利要求界定。

Claims (13)

1.一种显示屏幕，包括：
屏幕组件，其包括光学元件，所述光学元件具有第一表面、第二表面、第一边缘和折射率；
单色光源组件，其被布置为将从第一光束源传送的第一光束以第一入射角引导至第一表面上的第一位置；以及
支撑框架，其具有支撑表面，所述支撑表面被布置在所述光学元件的所述第一表面上的遮蔽区域上，其中，所述遮蔽区域的一部分被布置在所述第一位置与所述光学元件的所述第一边缘之间；
其中，所述光学元件的所述折射率和在所述第一表面与所述第二表面之间的厚度被选择以将所述第一光束从所述第一位置引导至所述光学元件的所述第二表面上的第二位置，并且在所述第一位置与所述第二位置之间通过所述光学元件的所述第一光束的一部分经过所述遮蔽区域的至少一部分的下方；
其中，能够由所述光学元件容许的所述遮蔽区域的最大尺寸与来自所述第一光束的所述第一入射角、所述第一光束的直径、以及所述光学元件的厚度直接成正比，并与折射率成反比；
其中，所述遮蔽区域与周边区域重合，所述周边区域接近于所述第一边缘并且包含至少一个像素；
其中，至少一个所述像素包括至少两个子像素，所述第一边缘和所述像素的距离不大于子像素的宽度；和
其中，通过改变来自所述第一光束的所述第一入射角、所述第一光束的直径、所述光学元件的厚度、以及折射率控制所述第一光束的所述第二位置，控制所述第一光束的所述第二位置确保所述周边区域中放置的至少一个所述像素被所述第一光束照亮。
2.一种显示屏幕，包括：
屏幕组件，其包括光学元件，所述光学元件具有第一表面、第二表面、第一边缘和折射率；
单色光源组件，其被布置为将从第一光束源传送的第一光束以第一入射角引导至第一表面上的第一位置；以及
支撑框架，其具有支撑表面，所述支撑表面被布置在所述光学元件的所述第一表面上的遮蔽区域上，其中，所述遮蔽区域的一部分被布置在所述第一位置与所述光学元件的所述第一边缘之间；
其中，所述光学元件的所述折射率和在所述第一表面与所述第二表面之间的厚度被选择以将所述第一光束从所述第一位置引导至所述光学元件的所述第二表面上的第二位置，并且在所述第一位置与所述第二位置之间通过所述光学元件的所述第一光束的一部分经过所述遮蔽区域的至少一部分的下方；
其中，形成在所述第一表面与所述第二表面之间的所述光学元件的厚度是所述支撑框架的所述支撑表面的在所述第一边缘与所述第一位置之间沿着与所述第一表面平行的方向测得的宽度的3至5倍。
3.一种显示屏幕，包括：
屏幕组件，其包括光学元件，所述光学元件具有第一表面、第二表面、第一边缘和折射率；
单色光源组件，其被布置为将从第一光束源传送的第一光束以第一入射角引导至第一表面上的第一位置；以及
支撑框架，其具有支撑表面，所述支撑表面被布置在所述光学元件的所述第一表面上的遮蔽区域上，其中，所述遮蔽区域的一部分被布置在所述第一位置与所述光学元件的所述第一边缘之间；
其中，所述光学元件的所述折射率和在所述第一表面与所述第二表面之间的厚度被选择以将所述第一光束从所述第一位置引导至所述光学元件的所述第二表面上的第二位置，并且在所述第一位置与所述第二位置之间通过所述光学元件的所述第一光束的一部分经过所述遮蔽区域的至少一部分的下方；
其中，所述光学元件的折射率是约1.5，并且所述第一表面与所述第二表面之间的距离在3mm与5mm之间。
4.根据权利要求1所述的显示屏幕，其中，所述屏幕组件的所述第二表面还包括光学补偿元件。
5.根据权利要求4所述的显示屏幕，其中，所述光学补偿元件包括菲涅尔透镜。
6.根据权利要求1所述的显示屏幕，其中，所述第一光束沿着与被传送至所述第一位置的所述第一光束的方向不同的第一方向从所述光学元件的所述第二表面出射，其中，所述第一位置与所述遮蔽区域的一部分接近。
7.一种显示屏幕，包括：
屏幕组件，其包括光学元件，所述光学元件具有第一表面、第二表面、第一边缘和折射率；
单色光源组件，其被布置为将从第一光束源传送的第一光束以第一入射角引导至第一表面上的第一位置；以及
支撑框架，其具有支撑表面，所述支撑表面被布置在所述光学元件的所述第一表面上的遮蔽区域上，其中，所述遮蔽区域的一部分被布置在所述第一位置与所述光学元件的所述第一边缘之间；
其中，所述光学元件的所述折射率和在所述第一表面与所述第二表面之间的厚度被选择以将所述第一光束从所述第一位置引导至所述光学元件的所述第二表面上的第二位置，并且在所述第一位置与所述第二位置之间通过所述光学元件的所述第一光束的一部分经过所述遮蔽区域的至少一部分的下方；
其中，所述第一光束沿着与其上布置有含荧光剂层的图像表面基本垂直的方向从所述第二表面出射。
8.根据权利要求1所述的显示屏幕，其中，所述屏幕组件还包括图像元件，所述图像元件具有布置为接近所述第二表面的图像表面，其中，所述图像元件还包括布置在所述图像表面上的发光层，并且其中，所述发光层包括发光区域，各所述发光区域适于吸收在所述第一光束中以第一波长传送的能量，并向形成在所述图像元件上的观看表面发射与所述第一波长不同的第二波长的可见光。
9.根据权利要求1所述的显示屏幕，其中，所述屏幕组件还包括滤光元件，所述滤光元件被配置为使从所述单色光源传送的电磁辐射基本透射，并使一个或多个可见波长的光反射。
10.根据权利要求1所述的显示屏幕，其中，所述第二位置被选择为使得所述第一光束被引导至与所述屏幕组件的所述第一边缘接近地布置的含荧光剂区域的至少一部分。
11.一种显示屏幕，包括：
屏幕组件，其包括光学元件，所述光学元件具有第一表面、第二表面、第一边缘和折射率；
单色光源组件，其被布置为将从第一光束源传送的第一光束以第一入射角引导至第一表面上的第一位置；以及
支撑框架，其具有支撑表面，所述支撑表面被布置在所述光学元件的所述第一表面上的遮蔽区域上，其中，所述遮蔽区域的一部分被布置在所述第一位置与所述光学元件的所述第一边缘之间；
其中，所述光学元件的所述折射率和在所述第一表面与所述第二表面之间的厚度被选择以将所述第一光束从所述第一位置引导至所述光学元件的所述第二表面上的第二位置，并且在所述第一位置与所述第二位置之间通过所述光学元件的所述第一光束的一部分经过所述遮蔽区域的至少一部分的下方；
其中，所述光源组件还包括第二光束源，所述第二光束源被配置为将第二光束传送至所述第一表面上的第三位置，使得所述第二光束的至少一部分在所述第二表面上的第四位置处从所述光学元件出射，所述第二光束具有与所述第一光束不同的波长，并且
所述屏幕组件还包括反射表面，所述反射表面被布置为接收在所述第四位置处从所述第二表面出射的所述第二光束的至少一部分，并将所述第二光束的所述一部分向所述第二表面反射回去。
12.一种显示屏幕，包括：
屏幕组件，其包括光学元件，所述光学元件具有第一表面、第二表面、第一边缘和折射率；
单色光源组件，其被布置为将从第一光束源传送的第一光束以第一入射角引导至第一表面上的第一位置；以及
支撑框架，其具有支撑表面，所述支撑表面被布置在所述光学元件的所述第一表面上的遮蔽区域上，其中，所述遮蔽区域的一部分被布置在所述第一位置与所述光学元件的所述第一边缘之间；
其中，所述光学元件的所述折射率和在所述第一表面与所述第二表面之间的厚度被选择以将所述第一光束从所述第一位置引导至所述光学元件的所述第二表面上的第二位置，并且在所述第一位置与所述第二位置之间通过所述光学元件的所述第一光束的一部分经过所述遮蔽区域的至少一部分的下方；
其中，所述折射率在约1.45和1.70之间。
13.根据权利要求1所述的显示屏幕，其中，
所述光学元件还包括与所述第一边缘相对的第二边缘，
所述光源组件还包括光束扫描装置，所述光束扫描装置适于将所述第一光束横跨所述第一表面从所述第一位置转移到所述第一表面上的第三位置，其中，所述第三位置被布置为使得所述第一光束的至少一部分在所述第二表面上的第四位置处从所述光学元件出射，
所述支撑框架还包括所述支撑表面的一部分，所述支撑表面的所述一部分被布置在所述第三位置与所述第二边缘之间并在所述光学元件的所述第一表面上以形成所述第一表面上的另一遮蔽区域，并且
其中，在所述第三位置与所述第四位置之间通过所述光学元件的所述第一光束的一部分经过所述另一遮蔽区域的至少一部分的下方。
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