CN109387972A - 低蓝光显示器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种低蓝光显示器。其中，一种用于发射显示光的显示器，包括：(a)用于发射源光的光源；以及(b)位于所述源光的路径中的滤光器，所述滤光器包括至少短波滤光器、中波滤光器和长波滤光器，其中，所述短波滤光器被配置成透射来自所述源光的短波基色光，所述短波基色光包括具有从400nm至440nm波长的紫色部分和具有高于440nm波长的至少第二部分，使得所述短波基色光在感知上为蓝色，所述短波基色光具有如下短波基色光谱功率分布(SPD)，该短波基色SPD具有在380nm至780nm之间的短波基色功率和在440nm至500nm之间的蓝色功率，其中，所述蓝色功率小于所述短波基色功率的5％。

Description

低蓝光显示器
相关申请的交叉引用
本申请基于2017年8月4日提交的美国临时申请第62/541,444号和于2017年9月21日提交的美国申请第15/712,019号，所述两者通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及低蓝光显示器。
背景技术
用于计算机、手持式装置、电视或其他普通电子装置的典型LCD显示器包括用于提供源光的光源、用于透射源光的基色的滤光器、以及用于选择性地调制源光通过滤光器透射的光调制器。典型的现代显示器中的光源包括固态发光体(例如LED、激光器或OLED)以及可能的光转换材料，例如磷光体和量子点。滤光器被配置成透射基色，其通常是蓝色、绿色和红色，并且通常以像素进行布置，其中，每个像素包括用于透射每种基色的滤光器。光调制器通常是电控液晶。这种显示器及其组件在本领域中是公知的。
本文特别感兴趣的是具有约450nm至480nm的峰值发射的蓝色基色的发射。图1示出了由两种手机——苹果iPhone(带LED光源的LCD)和三星Galaxy(OLED屏幕)——的显示器发射的白光谱，其中强蓝色基色提供了良好的色域和高效率。然而，这些显示器中的高水平蓝光由于其对用户的昼夜周期的影响而引起关注。
申请人已经发现，尽管基本上没有蓝色辐射，光谱可以被配置成看起来是基本上白色的，如申请US14/996,143中所述。为简单起见，此类光谱在本文中称为无蓝光。无蓝光发光体是理想的，因为它们对人的昼夜周期的影响减小，这在例如睡觉前的晚上是很重要的。
尽管无蓝光发光体具有优点，但是在显示装置中缺少蓝色辐射可能是有问题的。首先，蓝色泵浦LED优选用于激发在蓝色范围内具有优先吸收的波长转换材料。其次，没有蓝色辐射可能会对色域产生负面影响。第三，普通显示器的物理配置可能与紫色发光体的存在不兼容。
因此，需要一种无蓝光同时提供具有良好性能的良好色域的显示系统。本发明尤其满足了这种需要。
发明内容
以下呈现了本发明的简要概述，以便提供对本发明的一些方面的基本理解。该概述不是对本发明的广泛综述。它不旨在标识本发明的关键/重要元素或描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。
本发明的一个方面是提供一种具有良好色域的无蓝光显示器。具体地，该显示器的短波长滤光器被配置成允许紫光和具有比紫光更长波长的第二部分光例如青光或绿光的透射。紫光和该第二部分光的组合被配置成具有蓝色范围(例如450nm至480nm)中的主波长，因此提供具有被认为是饱和蓝色而不是饱和紫色的短波基色的屏幕。换句话说，申请人认识到，通过将紫光与较高波长的光组合以形成感知上蓝色发射，显示器的“蓝色”基色可以呈现蓝色，但是不含蓝色。申请人已经发现这种显示器具有优异的色域。特别地，一些实施方式能够基本匹配或完全匹配标准化的色域，包括sRGB、NTSC、Adobe RGB、DCI-P3、Rec2020和本领域已知的其他标准。
因此，在一个实施方式中，该显示器包括：(a)用于发射源光的光源；以及(b)位于源光的路径中的滤光器，该滤光器包括至少短波滤光器、中波滤光器和长波滤光器，其中，短波滤光器被配置成透射来自源光的短波基色光，短波基色光包括具有从400nm至440nm波长的紫色部分和具有高于440nm波长的至少第二部分，使得短波基色光在感知上为蓝色，短波基色光具有如下短波基色光谱功率分布，该短波基色光谱功率分布具有在380nm至780nm之间的短波基色功率和在440nm至500nm之间的蓝色功率，其中，蓝色功率小于短波基色功率的20％。
本发明的另一方面是提供一种用于无蓝光显示器的源光，其不含蓝光且有效。具体地，申请人在没有任何物质发射大量蓝色辐射的情况下，在具有紫色泵的蓝色选择性材料的各种配置中发现了令人惊讶的合适性能/效率。不受特定理论束缚，申请人怀疑这种意想不到的高效率可归因于蓝色选择性材料的负载保持适中的事实，这与预期相反。实际上，由于人的视觉系统对紫色辐射的敏感性较低(与蓝色相比)，因此需要高紫色泄漏来使无蓝光发光体白平衡，即将其色度定位到适当的显示值，例如D65或其他高CCT色度。这种高紫色泄漏又需要适中的磷光体负载，使得封装效率仍然很高，例如至少60％、70％、80％、或甚至90％。
因此，在一个实施方式中，光源包括：(a)一个或更多个固态发光体，其包括至少紫色固态发光体，所述至少紫色固态发光体发射具有在400nm至430nm范围内的峰值波长的泵浦光；以及(b)一种或更多种波长转换材料，其包括至少第一波长转换材料，所述至少第一波长转换材料被配置成吸收泵浦光的一部分并将所述部分转换成经转换的光，第一波长转换材料在所述峰值波长处具有第一吸收系数并且在450nm处具有第二吸收系数，其中，第一吸收系数小于第二吸收系数的70％；其中，所述一个或更多个固态发光体和所述一种或更多种波长转换材料被配置成使得第一波长转换材料基本上不吸收在440nm至490nm之间的光；并且其中，所发射的光是基本上白光，所述基本上白光本质上无蓝光。
在另一个实施方式中，高效蓝光发光体包括与量子点(Q点)结合的紫色泵浦发光体。申请人已经发现，当与Q点结合使用时，使用较短波长的泵浦发光体具有意想不到的优点。这样能够大大减少Q点的负载，从而可以使系统更安全，并符合规则。不受特定理论束缚，申请人认为负载的这种减少是(1)在较短波长处吸收较高以及(2)无蓝光谱所需的较高紫色泄漏的结果，这意味着较低的部分光需要转换为更长的波长。在又一个实施方式中，高效无蓝光发光体包括与波长转换材料相结合的紫色泵浦发光体，该波长转换材料对短波长光(通常为紫色)具有高吸收但对较长波长(通常为蓝色、绿色和红色)具有非常低的吸收。鉴于本公开内容，其他实施方式对于本领域技术人员而言是明显的。
附图说明
图1示出了两个手机的显示器发出的白光谱。
图2A示出了激发蓝色选择性材料的蓝色泵浦LED。
图2B示出了激发蓝色磷光体的紫色泵浦LED。
图2C示出了泵浦光源，其基本上不发射蓝光而是发射较短波长的光，在没有蓝光发光物质的情况下激发蓝色敏感波长转换材料。
图3A示出了给定蓝色选择性材料的试验数据。
图3B示出了窄红色磷光体的发射。
图4示出了由包括紫色泵浦LED、β-SiAlON绿色磷光体和KSF红色磷光体的发光体发射的试验光谱。
图5示出了使用标准氮化物红色磷光体的无蓝光谱。
图6示出了类似于图4的光谱功率分布SPD的SPD，但是其中紫色泵浦LED具有在425nm处的峰值。
图7示出了类似于图6的SPD的SPD，其针对普朗克(Planckian)的相关色温(CCTS)为5000K、6000K、8000K、10000K。
图8示出了量子点转换器的吸收和发射光谱。
图9示出了用于实施方式的建模SPD，其包括紫色泵浦LED、绿色量子点磷光体(具有约30nm的FWHM)以及KSF红色磷光体。
图10示出了用于实施方式的建模SPD，其包括紫色泵浦LED、绿色量子点磷光体(具有约30nm的FWHM)以及红色量子点磷光体(具有约30nm的FWHM)。
图11示出了这种紫色选择性材料的可能吸收和发射光谱。
图12示出了具有在400nm至440nm范围内的变化的泵浦峰值波长的实施方式的LER和蓝色部分。
图13A示出了由白色LED(在应用滤色器之前)发射的光谱功率分布SPD0，其包括紫色泵浦LED(峰值波长423nm)、β-SiAlON绿色磷光体(峰值波长537nm)和KSF红色磷光体。
图13B示出了(xy)颜色图，并且示出了所得到的色域(虚线)以及DCI-P3标准色域(实线)。
图13C示出了(u'v')颜色图，并且示出了所得到的色域(虚线)以及DCI-P3标准色域(实线)。
图14A示出了类似于图13A的建模实施方式，但是其采用也透射500nm至520nm范围内的青色/绿色辐射不同的短波滤光器。
图14B示出了(xy)颜色图，并且示出了所得到的色域(虚线)以及DCI-P3标准色域(实线)。
图14C示出了(u'v')颜色图，并且示出了所得到的色域(虚线)以及DCI-P3标准色域(实线)。
图14D示出了图14A的系统的短波长基色的SPD。
图15示出了符合sRGB色域并具有D65白点的市售LCD的光谱特性。
图16示出了具有蓝色泵浦LED加上与图13和图14中相同的磷光体(β-SiAlON和KSF)以及适合于匹配DCI-P3色域的滤光器的显示器的光谱特性。
图17A示出了类似于图14A的建模实施方式，其具有紫色泵浦LED、以及β-SiAlON和KSF发光体，其具有不同的滤光器。
图17B示出了(xy)颜色图，并且示出了所得到的色域(虚线)以及Rec2020标准色域(实线)。
图17C示出了(u'v')颜色图，并且示出了所得到的色域(虚线)以及Rec2020标准色域(实线)。
图18A示出了使用甚至比图17A的绿色发光体更窄的绿色发光体的建模实施方式，其包括量子点、或直接绿色LED(基于III-氮化物、或AlInGaAsP、或其他半导体化合物)。
图18B示出了(xy)颜色图，并且示出了所得到的色域(虚线)以及Rec2020标准色域(实线)。
图18C示出了(u'v')颜色图，并且示出了所得到的色域(虚线)以及Rec2020标准色域(实线)。
图19A示出了使用绿色和红色量子点(FWHM 30nm，峰值527nm和638nm)和适当的滤光器以使Rec2020的绿色和红色基色与良好性能紧密匹配的建模实施方式。
图19B示出了(xy)颜色图，并且示出了所得到的色域(虚线)以及Rec2020标准色域(实线)。
图19C示出了(u'v')颜色图，并且示出了所得到的色域(虚线)以及Rec2020标准色域(实线)。
图20A示出了具有紫色、绿色和红色发光体的像素。
图20B示出了具有紫色、蓝色、绿色和红色发光体的像素。
图20C示出了透明显示器的简化截面。
图20D示出了LED的透视图，其示出了沿一个方向的一种类型的接触和沿另一个方向的另一种类型的接触。
图20E示出了LED的透视图，其中在p掺杂材料上形成隧道结，使得两个LED接触层都是n掺杂的。
图20F示出了波长平均方案。
图20G示出了用于图20F的方案的对应像素布局。
图20H示出像素具有短波紫色和红色以及长波绿色和蓝色，或者相反。
图21示出了具有在420nm处的紫色发光体以及绿色发光体的系统的(xy)色空间。
图22示出了可以利用四个发光体来获得更宽的色域的四发光体系统。
图23A示出了侧光式显示器的顶视图，其包括其中来自LED1和LED2的光进行混合以用于颜色均匀性的颜色混合区域，接着是显示区域。
图23B示出了图23A的显示器的相应截面。
图24示出了(xy)色空间、黑体轨迹、黑体轨迹上从3000K到10000K的各种CCT，以及图23B的显示器在LED1和LED2的发射下的白色色度。
图25示出了图23B的LED1是蓝色/青色的实施方式。
图26A示出了带有具有局部波长转换材料的着色子像素的显示器的截面。
图26B示出了具有紫色泵浦LED的显示器，紫色泵浦LED耦合到具有局部波长转换材料的着色子像素的波导。
图26C示出了光学耦合到一些或所有子像素的滤色器。
图26D示出了蓝色和紫色泵浦LED耦合到波导并且Q点可以吸收紫光和蓝光两者的变型。
图27示出了本发明的光源的一个实施方式的示意图。
图28A示出了由与三个滤色器一起的LED发射的SPD0。
图28B示出了(xy)颜色图，并且示出了28A的配置的所得到的色域(虚线三角形)，并且还示出了DCIP3参考色域(全三角)用于比较。
图28C与图28B相同，但绘制在(u'v')颜色图中。
具体实施方式
参考图23，示出了用于发射基本上不含蓝光的显示光的显示器2300的一个实施方式。显示器2300发出显示光，包括用于发射源光的光源2301，以及位于源光的路径中的滤光器2302。滤光器2302分别包括至少短波滤光器2302a、中波滤光器2302b和长波滤光器2302c。短波滤光器配置成透射来自源光的短波基色光。短波基色光包括波长范围为400nm至440nm的紫色部分，以及具有高于440nm波长的至少第二部分，使得短波基色光在感知上为蓝色。短波基色光具有如下短波基色光谱功率分布(SPD)，该短波基色光谱功率分布具有在380nm至780nm之间的总体功率和在440nm至500nm之间的蓝色功率，其中，蓝色功率小于总体SPD功率的20％。在该实施方式中，光源被配置成发射无蓝光，或者滤光器被配置成阻挡蓝光。但是在任一实施方式中，短波基色光本质上没有具有蓝色波长(在440nm至500nm范围内)的光，但是仍然看起来是蓝色的。
参考图27，示出了用于发射无蓝光的光源2700的另一实施方式。光源2700包括一个或更多个固态发光体2701，其包括至少一个紫色固态发光体2701a，其发射峰值波长在400nm至430nm范围内的泵浦光2720。光源还包括一种或更多种波长转换材料2702，其包括至少第一波长转换材料2702a，第一波长转换材料2702a被配置成吸收泵浦光的一部分2720a并将该部分转换为经转换的光2721。第一波长转换材料在峰值波长处具有第一吸收系数并且在450nm处具有第二吸收系数，其中，第一吸收系数小于第二吸收系数的70％。固态发光体和所述一种或更多种波长转换材料被配置成使得第一波长转换材料基本上不吸收在440nm至490nm之间的光(意味着，在该波长范围内基本上没有光可用于材料吸收，尽管它在这个波长范围内的吸收系数很高也是如此)。所发射的光是基本上白光，即使它是基本上无蓝光的。在一个实施方式中，所述一种或更多种波长转换材料2702被配置成泄漏泵浦光的第二部分2702b，使得所发射的光包括第二部分。
在详细说明本发明的特征之前，申请人在下面描述了无蓝光显示器的考虑因素。在下文中，除非另有说明，否则当提到显示器的输出光或输出光谱功率分布(SPD)时，应将其理解为当显示器设定发出中性白光时由显示器发出净光/SPD。在典型的显示器中，这可以是白色光谱，其色度接近标准光源D65的色度。该SPD有时不同于显示器内发光体(例如LED)发射的光谱功率分布(“SPD0”)(例如，对于侧面耦合的LCD显示器，SPD0通过波导、液晶、偏振器、滤色器、背面反射器、以及显示器内部可能的其他光学元件的传输进一步被调制)。考虑到光学系统的传输，本领域技术人员将知道如何以SPD0为目标，使得获得期望的输出SPD。
此外，可以使用各种颜色匹配函数(CMF)来计算颜色目标。传统的颜色定位使用19312° CMF。然而，已知这些是不准确的，尤其是在短波长时。对于发射无蓝光谱的显示器，其中许多辐射在紫色范围内，这些CMF可能导致差的感知色度(例如，尽管名义上在目标上，但色度可能显得太粉红)。替代地，可以使用在短波长下具有较高精度的不同CMF。可能的选择包括1964 10° CMF，或新的CIE生理相关CMF，也称为2006CMF，可提供2°、10°和其他视角。特别地，可以选择视角以匹配显示器的预见观看条件。关于用这些CMF进行颜色定向的更多细节可以在美国申请15/633,425中找到，该申请通过引用并入本文中。除非另有说明，本申请中描述和要求保护的色度是使用1964 10° CMF计算的，并且术语“基本上白光”是指在(xy)空间中距黑体轨迹小于0.03的距离内的色度的光，其用1964 10° CMF计算。此外，实施方式可以需要具有在黑体轨迹附近或以下的色度(导致粉红色调)而不是远远高于黑体轨迹(导致绿色色调)，因为研究表明前者优于后者。因此，术语“优选的白光”是指具有以下之一的色度的光：(a)低于黑体轨迹，其中(xy)空间中距黑体轨迹的距离小于0.05；或者(b)高于黑体轨迹，其中(xy)空间中距黑体轨迹的距离小于0.01；这些色度用1964 10° CMF计算。
此外，如本文所用，基本上无蓝光、基本上不含/没有蓝光的光、或基本上没有蓝光的术语是指其中蓝光成分是允许微量的任何光(白色或其他)。在一个实施方式中，这些术语是指感知上的白光(无蓝光的白光)并且意味着光以如下SPD来特征，该SPD在440nm至500nm波长范围内的辐射功率小于SPD在380nm至780nm范围内的辐射功率的5％。在一个实施方式中，这些术语指的是感知上的蓝光(无蓝光的蓝光)并且意味着光以如下SPD来特征，该SPD在440nm至500nm波长范围内的辐射功率小于SPD在380nm至780nm范围内的辐射功率的20％。
发光体和波长转换材料
用于减少显示器中的蓝色分量的一种方法涉及减少在显示器的光源中发射的蓝色分量。在一个特定实施方式中，紫色固态发光体与蓝色选择性波长转换材料组合使用。尽管以下描述具体地涉及紫色LED，但这是出于说明性目的，并且也可以适用其他光发光体，例如激光器OLED、超发光LED、具有量子点有源发光体的OLED(有时称为QLED)。
在蓝色泵浦LED的情况下，波长转换材料的选择在本领域中通常是已知的，但紫色泵浦LED的使用带来了意想不到的结果。一些波长转换材料的特征在于蓝色范围内的大吸收以及在紫色范围内的小吸收。因此，这些蓝色选择性材料通常与蓝色泵浦LED结合使用，或者更一般地在发射蓝色辐射的发光体中使用(例如，紫色泵浦LED加上蓝色磷光体，其中，来自蓝色磷光体的蓝色辐射可以泵浦蓝色选择性材料)，其中蓝色辐射主要泵浦蓝色选择性材料。
图2示出了两种情况下蓝色选择性材料的常见用途。图2A示出了激发蓝色选择性材料的蓝色泵浦LED。蓝色选择性材料的吸收在蓝色范围内具有最大值，在紫色范围内具有较低值。蓝色选择性材料以橙色/红色范围发光。在这种配置中，蓝色泵LED已被选择为接近蓝色选择性材料的最大吸收。可以存在其他磷光体(例如绿色、黄色)，但是为了清楚起见未示出。图2B示出了类似的配置，其中，紫色泵浦LED激发蓝色磷光体。紫色LED和蓝色磷光体的组合然后激发蓝色选择性材料。蓝色磷光体被蓝色选择性材料显著吸收。
相反，可以预期蓝色选择性材料不适合用于产生很少或没有蓝色辐射的发光体。实际上，为了利用紫色LED泵浦蓝色选择性材料，会期望显著增加该材料的负载(由于其吸收减少)，这导致散射和低光学效率。然而，令人惊讶的是，申请人已经发现在不存在发射基本上蓝色辐射的任何物质情况下，在利用紫色泵浦的蓝色选择性材料的各种配置中具有合适的性能/效率。
与预期相反，这种高效率可以归因于蓝色选择性材料的负载保持适中的事实。实际上，由于人类视觉系统对紫光辐射的敏感度较低(与蓝色相比)，对于无蓝色发光体的白平衡(即将其色度定位到适当的显示值，例如D65或其他高CCT色度)需要高紫色泄漏(例如，至少20％、30％、40％、50％、60％或70％)。紫色泄漏可以是SPD功率的部分，其低于430nm、或者在400nm至430nm的范围内、或者在380nm至440nm的范围内。
这种高紫色泄漏又需要适度的磷光体负载，因此封装效率仍然很高。实际上，在某些实施方式中，白色功率与紫色泵浦功率的比率高(例如，至少40％、50％、60％、70％或80％)。为清楚起见，该比率基于以下量定义。紫色功率是紫色LED向磷光体提供的功率；如果磷光体位于LED周围的高折射率粘合剂中，则紫色功率也等于紫色LED发射到透明封装介质(例如，光学指数为约1.4或1.5的硅树脂)中的功率。如本领域已知的，紫色功率可以通过封装紫色LED来实验性地测量，该紫色LED具有圆顶形封装，使得适当地提取紫光。“白色”功率是由具有磷光体的LED向外界发出的实际功率，“白色”功率包括通过磷光体泄漏的泵浦光和磷光体转换光的组合(术语“白色”不需要这种发射必须是白色；它简单地表示波长转换发生后的发射)。白色功率与紫色泵浦功率的比率是三个项的乘积：封装效率；斯托克斯位移和磷光体的净量子产率。在某些实施方案中，封装效率为至少60％、70％、80％或甚至90％、斯托克斯位移为至少70％、80％或90％、并且累积量子产率估计为至少70％、80％、90％或95％(高封装效率值部分地归因于上述的高紫色泄漏)。
因此，若干实施方式的特征在于以下特征：泵浦光源，其基本上不发射蓝光并且发射较短波长的光(例如，紫光)；蓝色选择性波长转换材料；以及没有用于基本上发射蓝光的物质。这对应于图2C的配置。在这种情况下，紫色泵浦LED在没有蓝色发光物质(泵浦LED或磷光体)的情况下激发蓝色选择性材料。
图3A示出了给定蓝色选择性材料窄红色磷光体(K2SiF6：Mn4+)也称为KSF的实验数据。这种磷光体在450nm附近具有最大吸收，在400nm附近具有局部最小吸收。最小值为最大值的约10％——意味着400nm处的吸收率为450nm处的吸收率的约10％。
令人惊讶的是，尽管吸收率低，但申请人能够配置具有KSF的高效无蓝色发光体并且在实验上表现出高性能。
图3B进一步示出可以使用其他窄红色磷光体，包括MFG材料系统。图3B比较了KSF和MFG的发射光谱(或SPD)。两种磷光体分别具有约630nm和660nm的主发射峰。这两个值都可用于特定应用(例如，取决于流明效率和色域之间的权衡，如下文所述)。因此，一些实施方式利用具有小于10nm(或20nm、30nm、40nm、50nm、60nm)的FWHM和在620nm至650nm范围内的或者在630nm(或600nm、610nm、620nm、640nm、650nm、660nm)+/-5nm的范围内的峰值波长的蓝色选择性窄红色发光体。
使用蓝色选择性波长转换体的一些实施方式还包括其他波长转换材料，例如由泵浦光源光学地激发的绿色(或黄色)磷光体。在一些情况下，蓝色选择性材料可以基本上吸收来自这样的绿色磷光体的光(例如，该蓝色选择性材料在绿色磷光体的峰值发射波长处具有高吸收——基本上等于其蓝色吸收)。在其他情况下，相反，蓝色选择性材料对绿色磷光体发射的光具有相对低的吸收。在一些情况下，蓝色选择性材料主要由泵浦光进行激发，或者主要由来自绿色磷光体的光进行激发，或者基本上由泵浦光和来自绿色磷光体的光两者进行激发。根据情况，这些配置中的任何一种都是有利的(即，使蓝色选择性材料的负载最小化以及使导致更多量子产率损失的级联泵浦事件最小化)。从图3A中可以看出，在KSF的情况下，绿色/黄色范围内的吸收非常低(例如，对于500nm以上的波长，吸收小于其峰值的5％并且足够低，在图2A中未示出)。
图4示出了由发光体发射的实验光谱，其包括：紫色泵浦LED、β-SiAlON绿色磷光体和KSF红色磷光体。在该实验中，磷光体浆料的相对重量负载如下：硅树脂100mg(使用甲基硅树脂，其提供具有紫色泵浦LED的良好可靠性)、KSF 16mg、β-SiAlON 1.5mg。这可以表征为16％的相对KSF负载(即，其相对于硅树脂的重量)。在其他实施方案中，蓝色选择性材料的相对负载可以低或中等：其可以低于100％、低于50％、低于25％、低于15％、低于10％、低于5％。
尽管没有用于泵浦KSF的蓝色物质，但是在图4的实验中，发光体的效率高。白色发光体发射114mW的光辐射(在80C和160A.cm-2的驱动电流下)，封装的泵浦LED在相同条件下发射142mW的紫色辐射。因此，白色功率与紫色泵浦功率的比率为80％。该数字是三个项的乘积：封装效率、斯托克斯位移和净量子产率。斯托克斯位移是91％。累积量子产率估计为98％、封装效率为约90％。如上所述，这种高效率可以归因于KSF磷光体负载保持适中以产生如无蓝色发光体的白平衡所需要的高紫色泄漏(图4的实验为70％)的事实。注意，难以进行累积磷光体量子产率的准确估计，但是电流击穿使用乐观值，因此封装效率估计是下限；较不乐观的量子产率估计为95％将转化为约94％更高的封装效率。
为了比较，图5示出使用标准氮化物红色磷光体的无蓝色光谱。紫色泵浦LED很容易激发氮化物红光。该发光体的性能基本上等于图4的发光体的性能(图5中的白色输出是114.7mW，图4中的白色输出是113.9mW)。这表明，与传统的红色磷光体相比，使用蓝色选择性红色磷光体不会导致性能损失。另一方面，窄宽度的KSF有利于流明和色域，这将在下文中讨论。
图4和图5的SPD都是以(u'＝0.2，v'＝0.43)为目标颜色，这可以是用于在显示器的输出处获得D65白色点的合适色度。
蓝色选择性材料的其他实例包括：其他窄红色磷光体例如MFG；和一些绿色石榴石和黄色磷光体(根据这样的石榴石的特定吸收光谱可以包括YAG和LuAG及其组合，更一般地可以包括[GaLuY]AG)。
在一些实施方案中，蓝色选择性材料的特征在于其光吸收系数的两个值：蓝色吸收，其定义为在430nm至480nm的蓝色范围内的峰值吸收以及在泵浦光源的峰值波长处(例如：400nm、405nm、410nm、415nm、420nm、425nm、430nm)的泵浦吸收。蓝色吸收显著高于泵浦吸收。例如，蓝色吸收为泵浦吸收的至少5(或1.5、2、3、10、20)倍高。例如，图3A示出了对于KSF蓝色吸收为400nm处的吸收的约10倍高，为420nm处的吸收的2倍高，为430nm处的吸收的1.5倍高。等效地，泵浦吸收至多为蓝色吸收的50％(或70％、30％、10％、5％)。
存在具有类似光谱特征的其他SPD。通过数值模拟，申请人已经研究了这种SPD。例如，图6示出了与图4的SPD类似的特征，包括发光体的类型。然而，紫色泵浦LED在425nm处具有峰值，并且色度针对D65(即x＝0.3127，y＝0.3290)。该SPD具有紫色泄漏(此处定义为SPD功率在400nm至450nm范围内与总SPD功率的比值)为约40％。
图7示出了与图6的SPD类似的一系列SPD。针对Planckian的相关色温(CCTS)为5000K、6000K、8000K和10000K。随着CCT的增加，紫光功率增加，红光功率降低。因此，考虑到整个显示系统的光学传输，可以配置由发光体SPD0发射的原始光谱，使得最终发射的SPD与图6所示的SPD中的一个匹配，或者更一般地与期望CCT和色度的SPD匹配。
一些实施方式是发射光谱功率分布(SPD)的显示系统，其特征在于无蓝色辐射或基本上无蓝色。这可以通过以下标准之一表示：
(1)在蓝色选择性材料的吸收峰值附近(例如，在+/-5nm、或+/-10nm、或+/-20nm内)的局部最小值和在紫色范围(例如，400nm至430nm或者在410nm至425nm)内的局部最大值；
(2)蓝色选择性材料的峰值吸收波长处的强度小于其在紫色范围(例如400nm至430nm范围)内的峰值的5％(或20％、10％、2％、1％、0.5％、0.1％)。这是针对图4的SPD的情况：其在450nm处的强度(其中KSF的吸收峰值)是其峰值紫色值的1％(在413nm处)；
(3)局部最小值在440nm(或445nm、450nm、455nm、460nm、465nm、470nm、475nm、480nm)附近；或者局部最小值在蓝色选择性材料的峰值吸收波长的+/-10nm(或5nm、20nm、25nm、30nm)内。这是图4的SPD的情况：局部最小值在为470nm至480nm附近；
(4)在440nm(或445nm、450nm、455nm、460nm、465nm、470nm、475nm、480nm)附近的强度小于其在380nm至780nm范围内平均值的5％(或2％、1％、0.5％、0.1％)。这是图4的SPD的情况：其在470nm处的强度是其在380nm至780nm范围内的平均值的2.4％；以及
(5)在440nm至480nm(或440nm至500nm)范围内的积分功率小于其在380nm至780nm范围内的积分功率的3％(或5％、2％、1％、0.5％、0.2％、0.1％)。这是图4的SPD的情况：其在440nm至480nm或者440nm至500nm范围内的积分功率为在380nm至780nm范围内的积分功率的约1.6％。
为了清楚起见，除非另有说明，否则无蓝光白光谱将以SPD为特征，SPD在440nm至500nm波长范围内的辐射功率小于SPD在380nm至780nm范围内的辐射功率的5％。该值与基于标准蓝光LED的白光谱形成对比：特别是在显示应用中使用的高CCT(高于5000K)时，这样的光谱通常具有超过其在440nm至500nm范围内的光谱含量20％。
示例性实施方式是一种发光体，包括：紫色泵浦LED，其发射峰值在415nm至430nm的范围内；蓝色选择性窄红色磷光体，例如KSF；窄绿色磷光体，其发射峰在520nm至560nm范围内。
另一示例性实施方式是一种发光系统(例如，显示器)，包括紫色泵浦LED，其峰值泵浦波长在415nm至430nm范围内；第一波长转换材料，其峰值吸收波长在430nm至480nm的蓝色范围内，使得峰值泵浦波长处的吸收最多为峰值吸收波长处吸收的70％；以及第二种波长转换材料。该系统被配置成使得光转换材料基本上被泵浦LED激发并且基本上不被任何其他辐射源激发(特别地，该系统不具有会被配置成泵浦第一波长转换材料的基本上以峰值吸收波长发射光的辐射源)；并且使得系统发出基本上白光。该实施方案的特征在于包装效率高于70％。
尽管上面的讨论集中于蓝色选择性材料和无蓝色发光体，但是相同概念可以与蓝色不同的波长范围一起使用。例如，可以使用本教导来构思一种尚未预料到的无绿光源，其具有优先吸收绿光的磷光体，与非绿色泵浦光源结合并且不存在绿色发光体。
在一些显示器应用中，量子点(Q点)是期望的，因为它们具有窄线宽(例如，小于20nm或30nm或40nm或60nm FWHM)并且可以例如通过尺寸选择来精确地调节它们的波长。这些属性可以用于优化显示的色域。
量子点(Qdot)的相关化学物质包括以下化合物和衍生物质：II-VI族(基于Cd的)：CdS/CdSe/CdTe/ZnSe/ZnS；III-V族(无Cd)：InP/ZnS；和I-III-VI2族(无Cd)：CuInS2/CuInSe2/ZnS。
另一方面，Qdot确实提出了挑战。一些Qdot可以包含有毒重金属，例如，镉。它们还可以在蓝色范围内具有低至中等吸收，这是显示器中泵浦波长的常规范围。因此，可能需要高负载的Qdot来充分吸收泵浦光，但是这样大量的有毒物质可能存在问题，甚至可能被禁止。
申请人已经发现，当与Qdot组合时，使用较短泵浦发光体具有意想不到的优点。因此，实施方式使用紫色泵浦LED而不是较长波长的泵浦LED(例如蓝色LED)。这样使得能够大大减少Qdot的负载，这可以使系统更安全，并且可以使其符合法规。负载的减少来自两个因素：1)在较短波长处的较高吸收(如下所示)和2)无蓝光谱所需要的较高紫光泄漏，这意味着较低比例的光应该是转换为较长波长。
图8示出量子点转换器的吸收和发射光谱。在该实例中，发射具有约30nm的FWHM。重要的是，这样的材料的制造商已经表明，Qdot的峰值发射波长可以独立于其吸收光谱而移动。因此，图8中所示的发射光谱是说明性的，并且可以移位到较短波长或较长波长。吸收光谱随着波长变短而逐渐增加。吸收在450nm处归一化至1，在430nm处吸收约为1.25，在400nm处吸收为约1.5。这些较高的吸收值意味着当采用较短波长的泵时可以减少Qdot的负载。
在一些实施方案中，Qdot的特征在于蓝色吸收和泵浦吸收，并且泵浦吸收显著高于蓝色吸收。蓝色吸收可以是蓝色波长范围内、或在440nm至460nm范围内或450nm处的峰值吸收。泵浦吸收可以是泵浦LED的峰值发射波长处的吸收。泵浦吸收可以是蓝色吸收的至少1.2、1.3、1.5、3、5或10倍高。
图9示出了用于实施方式的模拟SPD，其包括紫色泵浦LED、绿色量子点磷光体(具有约30nm的FWHM)和KSF红色磷光体。该SPD的颜色目标接近D65，因此使用适当的滤光器显示器的输出为D65。
图10示出了用于实施方式的模拟SPD，其包括紫色泵浦LED、绿色量子点磷光体(具有约30nm的FWHM)和红色量子点磷光体(具有约30nm的FWHM)。该SPD的颜色目标接近D65，因此使用适当的滤光器显示器的输出为D65。
由于QD材料的适度负载，一些实施方案的特征在于封装效率高于80％(或75％、85％、90％)。
在一些实施方案中，波长转换材料利用粘合剂(例如硅树脂)嵌入一种混合物中。混合物的特征可以在于每种组分相对于粘合剂的重量负载(即50％的红色磷光体负载量意味着红色磷光体的重量是粘合剂重量的50％)。一些实施方案包含一个或多个量子点，其重量负载小于10％(或小于100％、20％、5％、1％、0.1％、0.01％或0.001％)。在一些情况下，负载被选择成使得重金属量(例如Cd量)小于100pm(即小于0.01％)。
在一些实施方案中，Q点具有短的发光衰减时间，例如短于100us、10us、1us、100ns、10ns或1ns。这与一些磷光体形成对比，衰减时间为10ms或更长，这会限制显示器的刷新率。
在一些情况下，可能有利的是使用对短波长光(通常为紫色)具有高吸收但对较长波长(通常为蓝色、绿色和红色)具有非常低吸收的波长转换材料。
图11示出了针对这样的紫色选择性材料的可能吸收和发射光谱。吸收在约425nm处具有最大值，并且在450nm处具有的吸收为在425nm处的吸收的约10％。材料的峰值发射波长可以独立于其吸收光谱配置，导致材料优先吸收紫光但以任意波长包括蓝色、绿色、黄色、橙色、红色进行发射。这种材料可以与425nm泵浦LED一起使用，而基本上不吸收其他辐射(包括来自系统中发射物质的辐射，以及来自外部光源如日光的辐射)。
在一些实施方案中，紫色选择性材料的特征在于吸收峰在400nm至430nm或者在350nm至430nm的范围内，或者更一般地在430nm以下。紫色选择性材料在紫色泵浦峰值波长处可以具有如下吸收：该吸收为在较长波长(例如450nm)(或者在500nm、550nm、600nm或650nm)处的吸收的至少2(或至少1.5、5、10、20或100)倍高。
在一个实施方式中，显示系统具有紫色泵浦LED，其峰值泵浦波长低于430nm；并具有紫色选择性波长转换材料，其在泵浦峰值波长处的吸收为其在450nm处的吸收的至少10倍高。
紫色选择性材料可以是例如磷光体、量子点或基于半导体的材料。其电学和光学特性(包括电子能带结构)可以被设计成调节其吸收和发射(例如，通过配置其应变、材料成分、掺杂、表面化学、尺寸)。
在一些实施方式中，泵浦发光体是选择用于高效率的紫色LED(或包括OLED、激光二极管、超发光LED、具有量子点有源区的OLED等的其他固态发光体)。通常存在以下权衡：较短的峰值波长减少了蓝色范围内的辐射量(例如由紫色LED的长波长尾部引起)，这对于无蓝色发光体可以是期望的。另一方面，人类视觉系统对较长的紫色波长更敏感，因此，显示器输出SPD的辐射发光效率(LER)随着较长的峰值波长而增加。
图12说明了这种折衷。图12示出了具有在400nm至440nm范围内的变化泵浦峰值波长的无蓝光白光实施方式的LER和蓝色部分。这些适用于具有LED泵、FWHM为30nm并且峰值为527nm的量子点绿色、以及颜色目标为D65的KSF红色磷光体的SPD。蓝色部分被定义为在440nm至500nm范围内的SPD的功率与总SPD功率(实际上，在380nm至780nm范围内)之比。
随着峰值波长增加，LER迅速增加。在425nm以上，蓝色部分也迅速增加。为了比较，传统发光体(即，具有450nm的蓝色泵浦LED和相同的磷光体和色度的发光体)的蓝色部分为约20至30％。因此，峰值波长低于430nm(蓝色部分为5％或更低)的发光体提供比传统发光体低得多的蓝色部分。
根据LER和蓝色部分的相对重要性，可以选择优选峰值波长。例如范围在415nm至430nm或417nm至428nm或420nm至425nm内(或基本上420nm或425nm处)的峰值可以是合适的，因为它提供相对高的LER和相对低的蓝色部分。425nm处的峰值可以提供高的LER(约为传统发光体值的90％)和低的蓝色部分(传统发光体值的25％)。
在一种情况下，LER应当高于200lm/Wopt(至少是传统系统的66％)，并且在440nm至500nm范围内的SPD的部分应当低于4％(小于传统系统的15％)。因此，针对峰值泵浦波长，可以选择范围417nm至428nm。
优选波长范围的这种讨论取决于紫色固态发光体的光谱范围。窄发光体(例如激光二极管)可以以较长的峰值波长配置，而不具有在440nm至500nm范围内的发射；因此，在窄发光体的情况下，峰值波长可以是430nm或435nm或者在430nm至439nm范围之间，因为这增加了LER但未增加蓝色含量。
在一些实施方式中，根据上述教导将泵发光体和波长转换材料一起配置，从而进一步考虑显示器的光学系统(包括滤色器)的效果。
在一些实施方式中，注意显示器的光学元件对紫光具有低吸收性。例如，波导由PMMA制成，或者在小于0.1cm-1(或1cm-1、0.01cm-1、0.001cm-1、0.0001cm-1)的峰值泵浦波长处具有光学吸收系数。各种光学元件(液晶、偏振器、，透镜......)应当透射紫光；通过这种光学元件的薄膜的(在峰值泵浦波长处的)紫色泵浦光的单程透射率可以大于50％、75％、80％、90％、95％(对于偏振器，这属于沿偏振器偏振的光的最大透射率)。一些光学元件应当反射紫光(波导上的反射膜、DLP反射器......)；在泵浦峰值波长处的反射率可以大于80％(或90％、95％、98％)。
在具有滤光器的一些实施方式中，注意使用在紫色范围内具有适度吸收性的材料和滤光器(例如，在约410nm至430nm的范围内)。实际上，紫光可以是本发明实施方式的必要方面，因为它可以代替不想要的蓝光和青光。在本发明的一些实施方式中，显示系统的总透射率(可能是由于滤光器、波导、漫射器、偏振器和其他元件)在420nm与450nm之间变化小于50％(或小于20％、小于10％)。在一些实施方式中，显示系统在约410nm至约430nm范围内的总透射率大于20％、大于50％、大于80％。
滤光器
在显示器使用这种滤色器的情况下，以下讨论部分地涉及显示器的滤光器。如上所述，滤光器包括滤色器，例如以将宽带光谱转换成若干基色。一个公知示例是具有蓝色基色、绿色基色和红色基色的LCD显示器。这种显示器的滤色器将分别被称为：短波滤光器、中波滤光器和长波滤光器。在传统的LCD显示器中，这些将分别对应于蓝色滤光器、绿色滤光器和红色滤光器。然而，对于实施方式，短波滤光器通常必须适于透射紫色波长。此外，这种显示器的基色(即，当显示器的像素完全透射一个滤光器并阻挡其他滤光器时发出的光)将被称为短基色、中基色和长基色。然而，应当理解，以下讨论中的一些是更一般的，并且可以涉及除了具有滤色器的LCD或具有多于三个静态基色的显示器之外的其他显示器技术。
在下文中，将使用用于滤色器的透射率的简化近似。将假设所有滤光器都具有通过以下区域连接的零和单位一透射率的平台，在所述区域中，透射率在25nm宽度内随着波长(在0与1之间)线性变化。使用精心设计的滤色器可以实现这种斜率。这种近似忽略了实际滤光器的透射的细节(包括尾部和波纹)以及低于单位一的透射；然而，预测可实现的色域是足够现实的。本领域技术人员将知道如何使本教导适应真实世界的滤色器。
期望在保持良好的光学效率的同时获得大的色域。原则上，在无蓝光发光体的情况下，这不是无关紧要的，原因可能包括：
(1)泵LED是紫色而不是蓝色。这会使色域的蓝色点移向紫色，因此无法获得饱和的蓝色。如果使用传统的短波滤光器，试图显示名义上饱和的蓝色实际上可能表现为饱和紫色，导致颜色失真；以及
(2)如上所述，对于高色域而言期望的一些窄的磷光体也是蓝色选择性吸收剂，并且可以预期它们与紫色泵浦LED不相容。
然而，申请人已经发现可以利用适当配置的无蓝色发光体获得大且令人满意的色域。特别地，一些实施方式能够与一些标准化的色域——包括sRGB、NTSC、Adobe RGB、DCI-P3、Rec2020和本领域已知的其他标准——基本匹配或完全匹配。已经讨论过的本发明的一个方面在于：一些蓝色选择性磷光体实际上可以配置成用于通过紫色LED进行的有效泵浦。这包括窄的红色磷光体，如KSF和MFG。因此，它们可以用作用于饱和红色的红色磷光体。已经讨论过的另一个方面是使用绿色和/或红色量子点作为用于饱和绿色/红色的绿色/红色磷光体。
另一方面是滤色器的适当设计。特别地，短波滤光器可以被设计成允许紫光的透射和具有比紫光更长波长的第二部分光例如青光或绿光的一些透射。紫光和该第二部分光的组合可以被配置成具有在蓝色范围内的主波长(例如450nm至480nm)，并且因此提供具有被认为饱和蓝色而不是饱和紫色的短基色的屏幕。换句话说，在一个实施方式中，本发明涉及一种用于发射在感知上是蓝色但实质上无蓝光的光的滤光器。
大多数标准色域具有短基色，该短基色的主波长在450nm至480nm(或440nm至490nm)的范围内并且最通常在460nm至470nm的范围内。尽管使用具有短峰值波长(例如低于430nm)的紫色泵浦发光体，但本发明的实施方式实现了具有相似主波长的短基色。为了清楚起见，除非另有说明，否则本文中的主波长是在(xy)颜色空间中并且相对于D65白色点计算。
图13和图14是说明这个构思的模型化系统。图13A示出了由白色LED(在应用滤色器之前)发射的光谱功率分布SPD0，其包括紫色泵浦LED(峰值波长423nm)、β-SiAlON绿色磷光体(峰值波长537nm)和KSF红色磷光体。图13A还示出了三个滤色器(短：虚线；中：虚线；长；点划线)。图13B示出了(xy)颜色图，并且示出了所得到的色域(虚线)以及DCI-P3标准色域(实线)。在这种情况下，短波滤光器简单地被设计成完全透射紫色峰值。这导致短基色是紫色而不是蓝色的色域，并且因此标称“饱和蓝色”被显示为饱和紫色。这可能是不期望的(特别是在寻求准确渲染饱和蓝色的情况下)。图13C在(u’v’)颜色图示中出了与图13B相同的数据，其中，蓝色/紫色差异更明显。
为清楚起见，除非另有说明，否则将在(xy)颜色空间中计算色域覆盖范围。因此，DCI-P3色域的90％覆盖率意味着显示器具有总面积在(xy)空间中是DCI-P3色域面积的90％的色域。
为了清楚起见，参考基于LED的SPD，除非另有说明，否则本领域中已知的，术语“功率”将指的是辐射功率。为了清楚起见，参考基于LED的SPD，除非另有说明，否则术语“总功率”将指的是在380nm至780nm范围内的综合辐射功率(通常基本上是SPD中的所有功率)。
图14类似于图13，但采用不同的短波滤光器，该短波滤光器也透射在500nm至520nm范围内的青色/绿色辐射。这使短波长基色的色度从紫色主波长移至蓝色主波长。所得到的基色与DCI-P3标准的蓝色基色几乎一致。此外，中波滤光器和长波滤光器被配置成使得色域的红色顶点和绿色顶点(对应于中等基色和长基色)也符合DCI-P3。因此，尽管使用紫色泵浦LED，但这个系统几乎符合DCI-P3色域。此处，SPD0被配置成在所有三个滤波器完全透射时具有D65色度。就色域面积而言，该实施方式的色域是DCI-P3的99％(在(xy)中计算的)或DCI-P3的96％(在(u’v’)中计算的)。
本发明的一些实施方式通常通过具有短波滤光器来采用该构思，其中短波滤波器的透射率在青色/绿色区域中延伸，使得短基色的主波长比泵浦LED的主波长移动得长。例如，在图14中，紫色LED具有413nm的主波长，但短基色具有约470nm的主波长。
在一些实施方式中，短波滤光器在500nm处的透射率是在紫色LED峰值波长处的透射率的至少50％(或80％、30％)。在一些实施方式中，短基色发射光谱，在该光谱中辐射功率的至少10％(或50％、20％)不来自紫色泵浦发光体。在一些实施方式中，发光体具有峰值波长低于430nm(或低于428nm或在417nm至428nm范围内)的泵浦LED，但是显示器的短基色具有高于440nm或高于460nm或在440nm至490nm范围内的主波长。如在颜色科学中已知的，主波长是相对于屏幕的白点(图14的示例中的D65)计算的。
在一些实施方式中，紫色LED峰值波长与短基色的主波长之间的差异为至少20nm、或30nm、或40nm、或50nm。例如，峰值波长为425nm，而主波长为465nm。这与具有蓝色泵浦LED的标准显示器形成对比，在该标准显示器中短基色的主波长通常在泵浦LED峰值波长的10nm内。
在一些实施方式中，尽管缺少蓝色辐射，但短基色在感知上是蓝色的(即，它是“无蓝色的蓝色基色”)。蓝色辐射的这种缺少可以由短基色的SPD来表征。例如，对于图14的实施方式，短基色的SPD使得其在440nm至500nm范围内的功率是在380nm至780nm范围内的总功率的7.5％，并且其在450nm至490nm范围内的功率是在380nm至780nm范围内的总功率的2.2％。因此，在一些实施方式中，SPD在440nm至500nm范围内的功率小于SPD在380nm至780nm范围内的功率的20％(或15％、10％、5％、2％)；或者SPD在450nm至490nm范围内的功率小于SPD在380nm至780nm范围内的功率的8％(或5％、3％、1％)。相比之下，基于蓝色LED的显示器的短基色可以具有其在440nm至500nm范围内的功率的约70％至95％。
这在图14D中示出，图14D示出了用于图14的系统的短波长基色的SPD。在这种情况下，参考SPD在380nm至780nm范围内的总功率：该功率的82％在400nm至440nm(紫色分量)范围内，该功率的7.5％在440nm至500nm范围内(蓝色分量)，以及该功率的10.6％在500nm至550nm范围内(绿色分量)。SPD的特征还在于：在400nm至430nm范围内的第一最大值、在450nm至490nm(或440nm至500nm)范围内的局部最小值以及在500nm至550nm范围内的第二最大值。
实施方式可以具有短波长基色，该短波长基色的SPD具有至少50％(或60％、70％、80％、90％)的紫色分量(范围在400nm至440nm)以及至少5％(或3％、8％、10％、12％、15％、20％)的绿色分量(范围在500nm至550nm)。
由于在短基色中的这种蓝光缺少，一些实施方式的特征在于以下事实：它们的白色发射(在它们完全透射时三个基色的总和，例如对应于D65色度)是无蓝光白色光谱，如在本申请的其他地方描述的。例如，SPD1具有在440nm至500nm范围内的蓝色含量，该蓝光含量是其总功率的4％。
在一些实施方式中，主基色具有蓝色主导波长，尽管其SPD基本上不包含在该波长处的辐射。例如，SPD在主导波长处的值小于其峰值的3％(或1％或0.5％)
在设计显示器时效率是重要的考虑因素——即，不应以牺牲效率为代价获得高色域。为了量化这一点，申请人将显示器的辐射(LERD)的发光效率定义如下。考虑其发光体(如LED部件)发射光谱SPD0的显示器。然后将SPD0注入显示器系统中并且由滤色器和LCD透射。系统在被设置成白点时发出光谱SPD1，该光谱SPD1是基色的总和(即，在它们完全透射时由每个滤色器过滤的SPD0)。通常，SPD0和滤光器被配置成使得SPD1具有目标色度，如D65(以适当的色彩匹配函数为目标，如在其他地方讨论的)。显示器的用户感知由SPD1发出的流明。申请人将LERD定义为SPD1中的流明除以SPD0的光功率的比率。因此，LERD以每瓦特流明表示。它是LED光源的LER的等同物(辐射的光通量等同物)。但进一步考虑了滤光器的透射。这种区别很重要，因为最大化的LERD与最大化的LER不同。注意，在真实世界的显示器中，人们还会考虑显示器中的其他光学元件的透射率以及每个滤光器最好仅透射光功率的1/3的事实(因为即使具有100％透射，相应像素仅覆盖显示区域的1/3)。这些考虑将使这里讨论的LERD乘以数值常数，但是本发明的一般教导可以容易地适应于真实世界的显示器。此外，注意，在直接视图显示器(没有滤光器)的情况下，LER和LERD可以相等。
作为比较点，申请人已经测量了市售的LCD显示器(符合sRGB色域并且具有D65白点的Apple iPhone智能手机)。图15示出了该显示器的测量特性：SPD0(显示器内发光侧LED部件的发射)和滤光器透射率(归一化到最大透射率1，以与本文讨论的理想化滤波器一致)。SPD0表明LED发光器包括蓝色泵浦LED和石榴石绿色黄色磷光体。对于该系统，LERD＝241lm/W。这给出了用于具有适中色域和简单磷光体设置的有效现有技术系统的LERD的数量级。
作为另一个比较点，申请人通过建模设计了具有蓝色泵浦LED(峰值在450nm处)、与图13和图14中相同的磷光体(β-SiAlON和KSF)以及适于与DCI-P3色域匹配的滤光器的显示器。图16示出了该系统，并且说明了SPD0和滤色器。对于该系统，LERD＝304lm/W，并且白色光谱SPD1具有在440nm至500nm范围内的蓝色含量(综合功率)，该蓝色含量是光谱SPD1的总功率的27％。此外，短基色具有SPD，SPD在440nm至500nm范围内的综合功率是SPD总功率的81％。
为了比较，图14的实施方式具有LERD＝258lm/W，并且SPD1具有在440nm至500nm范围内的蓝色含量，该蓝色含量是SPD1的总功率的4％。该实施方式提供了与高色域蓝色泵浦现有技术系统类似的色域，其具有在LERD方面的中等损失(现有技术的85％)以及低得多的蓝色含量(现有技术的15％)。
图14的实施方式基本上与DCI-P3的色域匹配。一些实施方式实现了甚至更高的色域，例如更接近Rec2020色域标准。这可以通过进一步配置滤色器(滤光器可以切断基色发射的尾部以增加其纯度)和适当选择发光体(包括量子点)来实现。
图17示出了类似于图14的利用紫色泵浦LED、β-SiAlON和KSF发光体的建模实施方式。显示器的白点是D65。绿色磷光体峰值波长和滤光器被配置成接近Rec2020色域，特别是对于绿色基色和红色基色。该实施方式的色域在(xy)空间中是Rec2020的92％，并且在(u’v’)空间中是Rec2020的89％。LERD为140lm/W。这个适中的值是由于需要使用窄的绿色滤光器引起的，因此绿色磷光体的一些发射会丢失。
为了进一步改进这个，一些实施方式使用甚至更窄的绿色发光体，包括量子点或直接绿LED(基于III-氮化物、或AlInGaAsP、或其他半导体化合物)。
图18示出了这样的实施方式。该实施方式使用绿色量子点(FWHM30nm，峰值527nm)和适当的滤光器以以良好的性能与Rec2020的绿色基色和红色紧密匹配。LERD为208lm/W。由于窄的绿色发光体，达到了这种更高的效率。相对于Rec2020的色域面积在(xy)中为91％，以及在(u’v’)中为86％。
还可以使用各种窄的红色发光体。除了KSF之外，红色量子点或直接红发光体(基于AlInGaAsP的III-氮化物或其他半导体化合物)可以是合适的。
图19示出了这样的实施方式。该实施方式使用绿色和红色量子点(FWHM 30nm，峰值527nm和638nm)和适当的滤光器以以良好性能与Rec2020的绿色基色和红色基色紧密匹配。LERD为204lm/W。由于窄的绿色发光体，达到了这种更高的效率。相对于Rec2020的色域面积在(xy)中为91％，以及在(u’v’)中为87％。
一些实施方式的色域面积为DCI-P3的色域面积的至少95％(或至少80％、85％、90％或100％)，这是在(xy)或(u’v’)颜色空间中计算的。一些实施方式的色域面积为Rec2020的色域面积的至少95％(或80％、85％、90％、100％)，这是在(xy)或(u’v’)颜色空间计算的。
一些实施方式具有其色度与标准色域的基色的色度基本上匹配的基色，标准色域包括sRGB或DCI-P3或Rec2020。如在本文中所使用的，基本上意味着两个色度(即，实施方式的基色和标准色域的基色)彼此在小于0.03的(xy)距离内，该距离是用1964×10 4个CMF计算的。在其他实施方式中，实施方式的短基色在小于0.1(或小于0.05、小于0.02、小于0.01、小于0.005、小于0.001)的DCI-P3或Rec2020的蓝色基色的距离Dxy或Du’v’内。如前所述，该距离可以用合适的颜色匹配函数计算。同样地，实施方式的中(长)基色可以在标准色域如Rec2020的DCI-P3的绿色(红色)基色的预定距离内。
尽管上面的讨论考虑了具有单位一透射率的简化滤色器，但是使用更真实的滤色器可以获得类似的结果。特别地，在真实显示器中，短波长滤光器通常具有最低的透射率，而长波长滤波器通常具有最高的透射率。
图28示出了对应于这种情况的实施方式。图28类似于图14(相同的荧光体、色度、色域等)，但是短波长滤光片的峰值透射率为60％，中波长滤光片的峰值透射率为80％，而长波长滤光片的峰值透射率为100％。发光体的光谱SPD0仅适于这些透射率(比图14中更多的紫色和绿色)以补偿和产生所需的颜色特性。
系统实现/软件
下面从硬件和软件方面讨论显示系统中的上述无蓝光发光体的实现。在一天中的某些时间可能无蓝色操作模式是期望的，但是在其他时间则是不期望的。例如，在白天，发射蓝光的屏幕或许是可接受的，然而在夜间，优选的会是无蓝色发射。该选择是基于各种考虑因素，包括效率：含蓝色SPD可以具有更高的LERD或更好的色域，并且在蓝色辐射可接受的时候可能是优选的。
在一些实施方式中，发光系统能够发射含蓝色SPD(SPD1)和无蓝色SPD(SPD2)。两种SPD可以具有不同的CCT或基本相同的CCT。在一些实施方式中，该系统包括具有在SPD1与SPD2之间调节的能力的显示屏。
可以通过各种输入来控制调节。调节可以由用户控制。例如，用户可以激活一模式(例如夜间模式)，该模式(在预定时间内，例如一秒或几秒、一分钟或几分钟、一小时或几小时)转换到SPD2。
调节也可以通过环境测量来控制。例如，当光线足够暗(可以通过光检测器例如嵌入电话中的光电二极管来测量)时，显示器同时降低亮度和蓝光量。或者，系统具有摄像机(例如电话/平板电脑上的CCD摄像机)，其可以推断环境光的色温并适应性调整蓝色水平(例如，低于4000K或3000K的低CCT可以触发无蓝色发射)。还可以基于环境光CCT确定显示器的CCT。
调节还可以通过对用户行为或动作的测量来控制。这包括生物计量测量(体温、心率、瞳孔扩张……)或对在某位置处的用户活动、移动和存在、设备(例如智能手机)上的动作、特定词语和手势的测量。这些测量可以由合适的设备提供。基于该信息，处理器可以确定用户变得疲倦，或者相反用户在他应该显示出疲劳迹象的时间(例如基于期望的睡眠时间表)没有显示出疲劳迹象。然后，可以相应地调节显示器发射的光，其中蓝光和强度增加或减少。
可以采用这样的响应来将频谱与用户的状况(例如，当用户变得困倦或准备睡觉时降低昼夜节律周期)相匹配或者改变用户的状况(例如，检测睡意并增加昼夜节律刺激以减轻它)。在某些情况下，响应可以通过用户的行为、结合其他可测量的状况或线索例如一天中的时间、天气和/或天气变化、室外光的量等来确定。在某些情况下，线索可以从监视用户的行为的另一“智能”系统(另一器具、智能电话或其他电子设备)来获得，然后线索可以通过网络(有线或无线)在所述智能系统和照明系统之间传送，其中所述网络例如是由智能家居集线器支持的网络。在某些情况下，线索与已经由系统例如用户的智能电话记录的用户的过往行为有关，例如用户醒来的时间或他过往的睡眠模式。
调节也可以通过简单的软件输入来控制：转变可以在某个时间发生(其可以与日光的时间表有关)。例如，屏幕在黎明时转换为SPD1，在黄昏时转换为SPD2。转换可以是连续的并且分布在一段时间内(例如几分钟到一小时)，因此转换对用户来说不明显。转变也可以基于用户偏好。在某些情况下，转变是基于用户习惯，包括用户的期望/习惯唤醒时间和就寝时间。
在一个实施方式中，用户指定期望的唤醒时间Tw。如果照明系统在Tw附近的预定时间窗口内发光(例如，在Tw之前一小时开始)，则系统发射SPD1。在另一实施方式中，Tw通过用户设置闹钟来进行设置。例如，如果闹钟设置为早上7点，则Tw设置为早上7点。在某些情况下，系统会在一天内保持发射SDP1，直到满足发射SPD2的条件。
在一个实施方式中，用户指定期望的睡眠时间Ts。如果照明系统在Ts附近的预定时间窗口内发光(例如，在Ts之前两小时开始)，则系统发射SPD2。在某些情况下，系统会整个晚上持续发射SDP2，直到满足发射SPD1的条件。
在一个实施方式中，系统在用户的唤醒时间之前一小时(或两小时，或30分钟，或15分钟)开始并且在用户的睡眠时间之前两小时(或3小时，或1小时)结束的时间区域中发射SPD1，并且否则发射SPD2。
在一些实施方式中，使用(监督或无监督的)机器学习来确定转换时间及其他显示器发射特性。例如，在教示阶段，用户首先输入信息，包括通过指示他何时想要无蓝色模式或通过暂时去激活(“打盹”)无蓝色模式或通过设置显示器的亮度来进行指示。机器学习算法使用该输入来细化频谱传输的定时和显示器亮度。例如，系统学习将这些设置与特定线索相关联，并且然后调节响应于线索被自动执行(例如，而不是手动触发)。学习可以通过本领域技术人员已知的各种机器学习技术来实现，例如通过神经网络和/或使用贝叶斯推断。
先前场景的特定示例如下：用户在睡觉前几小时遵循例行程序(例如，以一定周期性重复执行的一系列动作)。这样的例行程序可以包括离开餐桌、刷牙、看电视等。该例行程序的数据由各种器具(电视、牙刷、运动传感器)收集并通过无线协议与照明系统通信。在教示阶段，用户还调节照明系统的光谱以减少昼夜节律刺激，例如，用户将照明系统在睡前几小时进行非刺激设置。一旦系统已经将这些设置与例行程序的一个或更多个线索相关联，并且大约一小时，调节自动发生以在用户睡觉之前帮助减少昼夜节奏响应。相反，调节也可以在早晨发生以刺激昼夜节律系统。
虽然上面的讨论提到两个SPD，但是可以设想具有更多SPD和SPD的连续转换的更一般的实施方式。
在一些实施方式中，在若干系统之间交换/共享与选择发射光有关的信息。这可以是有用的，使得若干发光系统就光谱时间表达成一致(例如，家中的灯、智能电话和电视都在晚上切换到无蓝色模式)。照明系统可以从另一系统获得关于发射的SPD的信息(这可以通过无线通信发生)。用户可以在诸如他的电话、计算机或智能手表的设备上指定偏好(包括唤醒和睡眠时间)。然后，该设备与包括发光设备在内的其他设备共享信息。例如，TV或灯泡可以从电话接收信息，并且可以基于该信息转换到无蓝色SPD。在若干用户存在于空间(例如，共享住宅的家庭)的情况下，可以基于来自若干用户的输入将共享的发光元件设置为公共照明策略。例如，如果同一住宅中的两个人具有不同的睡眠时间Ts1和Ts2，则共享照明系统(共用电视、客厅中的灯……)可以在由Ts1和Ts2中最早的一者确定的时间处转为无蓝色模式(使得“第一睡眠者”不受蓝光影响)。如果两个人共用一个房间并且他们中的一个在他们的电话上指示他们想要触发睡眠模式，则共享照明系统均转为无蓝色模式。另一方面，非共享的发光系统(个人电话、私人房间中的灯)可以具有基于每个个体的时间表。这种策略的确定可以在云中进行，或者由计算机系统在本地(在家中)进行。
在一些情况下，用户指示他想要改变他的睡眠模式。例如，他想要将他的昼夜节律周期相移到更早的时间，以为旅行做准备。这可以通过在清晨提供蓝光来实现。然后，将照明系统设置为在用户的通常唤醒时间之前发射蓝光。
虽然前面的示例假定了家庭环境，但是具有自动或“智能”调节的这样的实施方式也可以用在其他环境中，例如职业环境中。例如，在办公室环境中，照明系统可以适于监视使用的活动并相应地增加蓝色含量；或者蓝色含量可以在早上增加，在工作日结束时减少，或者适于补充外部照明状况(外部照明状况可能随天气和季节而变化)。系统调节可以遵循简单的定时方案，或者也可以考虑工人的行为。实施方式还可以用于睡眠模式受影响的其他环境中，包括夜班工人设施、远程旅行(例如，飞机飞行)、老人护理设施。
在职业环境下，可以遍及给定的办公室/位置来应用照明时间表，或者可以进一步为用户定制照明时间表。例如，可以根据员工的个人时间表或他们的工作时间表(包括夜班/日班)为每个员工单独调节由计算机屏幕发射的蓝光的量。
显示器架构
各种显示器架构可以实现本发明的功能。这包括直下式(direct-lit)显示器、投影显示器和基于波导的显示器(包括侧光式和背光式)。
直下式显示器具有处于像素级的各个发光体。通常，每个像素包括多个彩色发光体。例如，每个像素可包括多个LED或OLED。在典型的实施方式中，发光体之一是紫色发光体，其波长低于430nm。这些实施方式与现有技术不同，现有技术不使用紫色发光体，而是使用峰值波长在440nm至470nm附近的蓝色发光体。申请人已经开发了高效的LED发光体，并且可以有利地使用这些LED发光体。关于OLED发光体，紫色发光可以来自具有发紫光有机层的“直接”OLED发射，或者来自嵌入有机基体中的发光种类，例如发紫光的量子点。
高效紫色发光体的特征可以在于在操作条件下转换效率为至少50％(或60％、70％、80％)。操作基础温度通常在25C至100C的范围内。对于具有少量发光体的标准显示器，操作电流密度可能是高的(即在3-300A.cm-2或10-100A.cm-2范围内，或在35A.cm-2或50A.cm-2或100A.cm-2处)；或者对于具有小发光体的直视显示器，操作电流密度可能非常低(即，在1-10uA.cm-2或10-100uA.cm-2或100-1000uA.cm-2范围内)。
直下式显示器通常还在每个像素中包括红色和绿色发光体。图20A示出了具有紫色发光体2001、绿色发光体2002和红色发光体2003的像素2000。红色发光体和绿色发光体可以是直接发光体或是波长转换的。
此外，除了紫色发光体之外，实施方式可以包括蓝色(或青色)发光体，从而形成四发光体系统(紫-蓝-绿-红)。图20B示出了具有紫色发光体2011、蓝色发光体2012、绿色发光体2013和红色发光体2014的像素2010。在无蓝色模式中，紫色发光体发射而蓝色发光体不发射。当不需要无蓝色模式时，蓝色发光体可以在“白天模式”下使用。在某些情况下，在白天模式下，蓝色发光体发射而紫色发光体不发射。
每个像素中的发光体可以是小的(例如，具有小于1um、5um、10um、50um或100um的特征横向尺寸)。可以使用合适的技术来处理(包括拾取与放置)这样的LED，包括静电的、电磁的、冲压、印制等。
发光体和显示器可以是基本透明的。已知部分透明的OLED屏幕；实施方式通过使用无机LED(无机LED对于高亮度可能是优选的)实现高透明度和透明显示器来改进这一点。这对于诸如增强现实的应用可能是有用的。在一些情况下，显示器具有透明的光学构件，LED机械地耦合到该光学构件(LED可以嵌入构件中或附接在构件上)。构件可以是刚性的或柔性的。LED本身基本上是透明的，包括透明衬底(substrate)和外延层。特别地，III族氮化物外延层可以在可见光范围内是基本透明的(除了发光层之外，其可以足够薄以引起少量吸收)。用于透明衬底的材料包括GaN(和其他III族氮化物衬底)、蓝宝石、氧化镓、SiC。LED接触件可以包括透明接触件，透明接触件包括TCO(ITO、ZnO、GaOx等)。其可以包括其面积有限的金属接触件的小的贴片。
透明度的特征可以在于跨LED的面积、在450nm至650nm的范围内平均的光学透射率为至少80％(或70％、90％、95％)。透明度还可能要求不透明元件(例如金属接触件)占据LED的占据空间(footprint)的有限区域，例如小于10％(或20％、5％、2％)。
图20C示出了透明显示器2020的简化横截面。该系统嵌入透明构件2021中。这里，LED2022是垂直期间：位于LED两侧的n接触件和p接触件(未示出)(这样的透明LED可以通过去除吸收/绝缘衬底或通过使用诸如GaN或GaOx的透明导电衬底来实现。透明底电极2023接触一种类型的接触件(例如n)，透明顶电极2024接触另一类型的接触件(例如p)。为简单起见，仅示出了一种类型的LED；然而，LED通常具有各种发射波长并且可以包括紫色LED。不同颜色的LED与不同的电极接触。为简单起见，在图20C中，沿一个维度示出电极；然而，如本领域已知的，两个电极可以具有网格布局(即，一个电极沿着像素行，另一个电极沿着像素列)。LED之间的空间可以留空；或者它们可以优先地以高折射率介质进行填充以减少反射并增加透明度。在一些实施方式中，LED之间的空间基本上以光学指数高于1.4或1.8的透明介质，或者以其指数在与LED的光学指数相差小于1之内的透明介质进行填充。例如，LED是基于GaN的，具有约2.4的指数，并且介质是旋涂玻璃，具有约1.8的指数。
图20D示出了LED 2040的透视图，透视图示出了沿一个方向的一种类型的接触以及沿另一方向的另一类型的接触。这里，n接触件2041处于底部，p接触件2042处于顶部。透明接触件进一步与其他元件(例如用于像素寻址的电容器和TFT)接触。可以存在金属垫2043以有助于这种接触。可以通过LED芯片上的透明接触件或者通过LED芯片中的在有源区2045的任一侧的掺杂层2044来实现电流扩展。
在GaN的情况下，在p掺杂材料中的扩展通常较差；这可以通过使用与n掺杂材料的隧道结接触来改善。图20E示出了这一点。在p掺杂材料2044上形成隧道结2047，使得两个LED接触层都是n掺杂的2046。这里，对材料进行蚀刻，使得底接触件从LED的顶部以横向配置形成(然而，垂直配置也可以使用隧道结方案)。在两个n掺杂层上形成接触件。这些接触件可以是金属或透明接触件。由于在n掺杂材料中电流扩展是良好的，所以小接触件可能是合适的。可以通过体掺杂衬底或高掺杂材料(载流子密度至少为1E19cm-3或1E20cm-3)来实现良好的n扩展。
图20E示出了如何在横向管芯配置中实现网格接触方案，其中顶部接触件沿着LED的一个维度延伸并且底部接触件在另一方向上延伸。透明材料可以围绕LED流动以用于机械支承以分离顶部接触件和底部接触件。图20E的横向方案也可以在没有隧道结的情况下使用，其中，顶部接触件基本上与所有p掺杂材料接触，并且大部分电流仅在LED的n侧扩展。也可以使用倒装芯片管芯配置。
可以通过每个像素处的晶体管(包括TFT)来实现像素的选择性寻址。可以选择这些TFT的尺寸以使它们的光吸收最小化。替选地，TFT可以是基本透明的。它们可以基于GaN和III族氮化物材料，或其他透明半导体(外延的或非外延的)或有机材料。每个像素处的电荷可以由电容器保持。可以选择这些电容器的尺寸以使它们的光吸收最小化。替选地，电容器可以是基本透明的。已经展示了光透射率超过90％的电容器。TFT和电容器可以通过各种技术来形成，包括外延、溅射、薄膜沉积、电子束沉积、原子层沉积、脉冲层沉积等。
LED可以经受其他处理。例如，可以在LED的侧壁上形成钝化层以避免漏电。这样的钝化层可以在LED的晶片处理期间被沉积(例如，可以使用诸如化学气相沉积、脉冲激光沉积、原子层沉积、喷射、喷涂的工艺，在LED被单个化之后，将钝化层沉积在侧壁上)。可以在显示器的表面上形成抗反射层。其他几何形状是可能的，包括其中两个电极在LED的同一侧并且通过绝缘层(例如介电层)彼此隔离的几何结构。在一个实施方式中，LED在体III族氮化物衬底上生长。在另一实施方式中，LED在诸如玻璃或蓝宝石或氧化镓的透明材料上生长或溅射在该透明材料上。
在一些实施方式中，显示器基本上是透明的并且其特征在于在范围400nm–700nm中的波长下或者在范围450nm至650nm上平均的通过显示器的单程透射率为至少50％(或10％、70％、80％、90％、95％)。该反射率可以是在显示器的平均若干像素的大面积(例如，至少1mm2或10mm2或1cm2)上取得的平均值。其可以在垂直于显示器的平面(或局部平面)的方向上取得。其可以在显示器的面积的至少10％(或1％、5％、50％)的面积上取得。在一些实施方式中，在范围400nm至700nm的波长下或者在范围450nm至700nm上平均的通过显示器的每个部件的单程透射率为至少50％(或10％、70％、80％，90％、95％)。在一个实施方式中，在显示器的表面的至少5％的区域上平均的、通过局部地垂直于显示器的表面的方向的光学透射率为在波长范围450nm至650nm上平均的至少80％。在一些实施方式中，透明显示器包括至少三个原色(例如绿色、红色和紫色/蓝色)，并且每个基色LED包括III族氮化物材料。
在一些实施方式中，在每个像素中存在冗余发光体。例如，每个像素具有每种颜色的两个LED(即两个紫色、两个绿色等)。这对于可靠性会是有用的：如果一个发光体发生故障或退化，则另一个发光体可以进行补偿以维持像素的更均匀的光输出。冗余还可用于通过平均波长来改善颜色一致性和管芯使用率(die usage yield)。考虑一种典型的LED生产工艺，其中，由于晶圆上和晶圆间变化，LED间峰值波长标准偏差超过5nm(有时超过10nm、20nm)。显示器的像素中的波长可能需要更加一致；例如，所有绿色发光体可能需要在所选绿色波长的+/-1nm(或0.5nm、2nm、5nm)内，使得颜色在显示器上看起来均匀。在每个像素一个发光体的方案中，可能因此需要丢弃大部分所产生的LED以满足这种颜色一致性。在每个像素两个发光体的方案中，两个LED的峰值波长可以组合，使得平均波长接近期望的目标。例如，如果目标峰值波长是λ0，则每个像素可以将具有约λ0+1nm的峰值波长的发光体和具有约λ0-1nm的峰值波长的发光体进行组合(可以使用其他合并步骤，例如+/-2nm、+/-3nm、+/-5nm，+/-10nm)，使得两个光谱的组合具有基本上为λ0的峰值波长。
图20F示出了波长平均方案。它示出了短波LED和长波LED的光谱(例如，具有距目标峰值波长约+/-5nm的峰值波长)。两个LED的平均值具有接近目标的峰值波长，并且在预定可接受波长范围内：例如在距目标峰值波长+/-1nm(或0.5nm、2nm、3nm)内。
在每像素一个发光体的方案中，尽管对颜色均匀性有严格要求，但仍可采用类似的方法来提高LED管芯的利用率：相邻像素中的LED可具有“补偿”峰值波长。例如，一个像素具有峰值波长λ0+2nm的绿色LED，并且相邻像素具有峰值波长λ0-2nm的绿色LED。如果屏幕分辨率足够小，则可以在相邻像素上对感知到的绿色进行平均，从而导致更好的感知颜色均匀性。该方案可用于像素的每种基色。
图20G示出了相应的像素布局。它示出了一组九个像素2051至2059。每个像素有四个发光体(紫色、蓝色、绿色、红色)。用于每个基色的显示器的目标峰值波长标记为V、B、G和R。符号+1和-1表示峰值波长相比于目标峰值波长分别更长或更短(例如达+/-1nm，或其他量)的LED。在图20G中，所有基色的短波长和长波长像素是交错的。可以使用例如图20H中所示的其他物理布局。在图20H中，像素2061至2066具有短波的紫色和红色以及长波的绿色和蓝色，或相反。然而，可以设想更多的布局。该构思可用于具有其他数目的基色的直视显示器，包括3基色显示器，如紫色-绿色-红色或蓝色-绿色-红色。
一些实施方式具有像素间的波长差，其大于一个刚好可察觉差异(例如，通过DE2000色差测量来测量)，但具有小于一个刚好可察觉差异的感知的屏幕颜色均匀性(当显示饱和的基色时)。
在管芯放置方面，这种波长平均方案可以通过(针对每种颜色)具有两个LED群并且根据每个像素中的每个群-例如两个波长分级的LED带放置管芯来实现。或者，可以将LED组合在中间水平(例如在同一LED带上交错)，然后顺序地附接管芯。
尽管存在四个发光体，但直视显示器可以被配置成表现得像三基色系统(即在颜色空间中具有三角形色域形状)。它可以被配置成使得日模式和无蓝色模式具有基本相似的色域。特别地，即使在无蓝色模式下，当显示饱和的短波基色时，系统也可以发出感知蓝光(而不是紫色光)。这可以通过将来自绿色基色的适当量的辐射与来自紫色基色的辐射进行混合使得发射饱和短波基色的像素的主波长从紫色范围拉到蓝色范围来实现。为此，在一些实施方式中，在无蓝色模式下，像素发射饱和短波基色光谱，该短波基色光谱包括来自紫色发光体的大部分辐射、无来自蓝色发光体的辐射以及至少1％(或2％、5％、10％)但不超过30％(或5％、10％)的来自绿色发光体的辐射。
图21对此进行了图示。它示出了具有绿色发光体和420nm处的紫色发光体的系统的(xy)颜色空间。通过允许来自绿色发光体的少量辐射有助于短波基色发射，该基色沿着虚线移动至感知蓝色。
替选地，四发光体系统可以利用四个发光体来获得更宽的色域。例如，该系统可以是在无蓝色模式下具有标准三角形色域的3基色系统(紫色-绿色-蓝色)，以及可以是在日模式下具有四边形色域形状的4基色系统。图22对此进行了图示。在这种情况下，可以选择第四发光体作为蓝色、青色或青绿色发光体，以提供额外的色域。其主波长可以在480至520nm或470至500nm的范围内。
投影显示器可以具有投射图像的远程光源。可以将图像投射到用户观看的屏幕(或其他对象)上，或者直接投射到用户的眼睛中(例如在视网膜上形成图像)。相关系统包括各种系统，从大型影院/会议投影仪到平视显示器到个人使用的(例如嵌入在电话或手持设备中的)微型投影仪以及诸如虚拟现实和增强现实眼镜/耳机的可穿戴显示器。光发光体可以是LED或OLED，但在某些情况下也可以是其方向性可能是期望的其他固态发光体(包括激光器和超发光LED)。
通常，该系统包括：紫色发光体，其峰值波长小于430nm，用于发射无蓝光光谱；红色发光体；以及绿色/黄色发光体。类似于上述的直接照明显示器，它可以包括蓝色/青色发光体。
波导耦接显示器可以包括光学耦接至波导的边缘或背面的光发光体，并且可以利用滤色器和液晶以产生彩色像素。示例是LCD显示器——通常是有源矩阵显示器，其中带有偏振器的液晶(LC)可以在每个子像素处透射和阻挡光，并且薄膜晶体管控制液晶的状态。
在一些情况下，波导耦接显示器仅包括无蓝色发光体(例如泵浦绿色的紫色LED和红色磷光体；或直接紫色、绿色和红色LED的组合；或者其他类似的组合)。然后，显示器就色域而言是静态显示器。
在其他情况下，显示器还具有发射蓝光的能力。例如，显示器包括两种类型的发光体：LED1(其发射一些蓝色辐射)和LED2(其是无蓝色发光体)。
图23A示出了边缘照明式显示器2300的顶视图，该边缘照明式显示器2300包括在显示区2314之后的颜色混合区2311，在颜色混合区2311中来自LED1 2312和LED2 2313的光混合以用于颜色均匀性。
图23B示出了显示器2300的相应横截面。显示区2314具有短波长、中波长和长波长子像素2320a至2320f。每个都具有透射/阻挡光的液晶(具有偏振器)2321a至2321f和滤色器2302a、2302b、2302c、2302a'、2302b'、2302c'。
在一些情况下，LED1和LED2二者基本上白色发光体(意味着，其在显示系统完全透射之后的发射基本上是白色的)。在日模式下，LED1发光。在无蓝色模式下，仅LED2发光。LED1和LED2可以耦接至同一波导/滤色器/LC，或者具有两个单独的波导/滤色器/LC(例如，堆叠的波导)。LED1和LED2以及滤色器的光谱可以一起配置，使得显示器在日模式和无蓝色模式二者下具有期望的发射。例如，色点/CCT和色域在两种模式中可以基本相似，使得两种模式在感知上相似。或者，CCT可以在无蓝色模式下降低到较低值，这可以进一步帮助减少昼夜节律夹带(circadian entrainment)。例如，在日模式下，系统具有白点，CCT为6500K，峰值发射在450至470nm附近；在夜间模式下，系统具有无蓝色发射和白点，CCT低于5000K(或低于4000K、低于3000K)。
图24示出了这样的实施方式。它示出了(xy)颜色空间、黑体轨迹、黑体轨迹上从3000K到10000K的各种CCT以及LED1和LED2发射下的显示器的色度。此处，这些发射是黑色轨迹上的，各自的CCT分别为10000K和3000K。当LED1和LED2二者都发光时，显示器可以发射变化的CCT，如显示器轨迹所示(当然可以通过调整滤色器来进一步修改显示器的CCT)。
在其他情况下，LED1是直接蓝色/青色LED，以及LED2是基本上白色的发光体(在系统透射被包括之后)，其包括具有小于430nm的峰值的紫色泵浦LED、绿色磷光体和红色磷光体。在无蓝色模式下，仅LED2发光。在日模式下，LED1也会发光。
图25示出了这样的实施方式。图25类似于图24，但是在图25中LED1是蓝色/青色。对应于低/高纯度LED1，示出了两种可能性。还示出了各种主波长以供参考。
在其他情况下，LED1具有蓝色/青色LED、绿色磷光体和红色磷光体，而LED2是峰值低于430nm的直接紫色泵浦LED。在无蓝色模式下，仅LED2发光。在日模式下，LED1也会发光。
在其他情况下，系统通常有四个发光体：紫色、蓝色/青色、绿色/黄色以及橙色/红色。在无蓝色模式下，蓝色/青色发光体不会发光。在日模式下，紫色发光体可以发光或者可以不发光。
在上述实施方式中的一些实施方式中，可以出现紫色和蓝色LED二者都发光的操作模式。时间调制可以应用于LED以及液晶滤光器，使得紫色和/或蓝色输出受控制。例如，在一种情况下，该系统具有无蓝色LED(紫色LED、绿色磷光体、红色磷光体)和直接蓝色LED。在无蓝色模式下，仅无蓝色LED开启。在日模式下，存在：第一时间段，其中仅无蓝色LED开启，显示器的绿色和红色像素被透射而蓝色像素被阻挡；第二时间段，其中只有直接蓝色LED开启，并且仅蓝色像素被透射。通过这样的操作，可以在日模式下从发射中去除紫色光。其他时间调制方案可用于分离紫色和蓝色发射，同时仍保持标准的三基色显示器。在这些情况中的一些情况下，发光体和液晶的调制速度足够快，使得调制对于用户是不可见的。例如，LED和液晶可以在开启状态和关闭状态之间切换，其中特征(灰色到灰色)时间小于100ms、50ms、10ms、5ms、2ms、1ms、0.5ms、0.1ms、0.01ms。
在又一实施方式中，波导耦接显示器具有四个滤色器并且是四基色系统，如已经描述的。
一些实施方式在像素级具有局部颜色转换。这些提供了相应的现有技术本地转换显示器的改进。一些现有技术显示器使用在波导的表面上布置为像素的一层量子点。
图26A示出了这样的现有技术显示器2600。图26A示出了具有若干颜色子像素2601(其可在显示器的表面上重复多次)的显示器2600的横截面。显示器具有波导2602，波导2602耦接至蓝色泵浦LED 2603。作为液晶的每个像素2604用于透射泵浦光。一些像素具有用于波长转换的红色或绿色量子点(或其他磷光体)，并且其他像素对于蓝色透射是透明的。这种方法的一些限制是：1)环境蓝色光可以激发量子点并且导致不需要的荧光(这在明亮的阳光下尤其明显)以及(2)转换光在两个方向上发射，并导致波导方向的损失。为简单起见，图26A省略了在本领域中是已知的其他光学元件，包括液晶周围的偏振器和显示器背面的反射器。
申请人已经发现使用紫色泵浦LED在具有像素级颜色转换的显示器中可能是有利的，并且可以实现无蓝色发射。因此，实施方式采用紫色泵浦LED和波长转换材料(如量子点或其他)。在一些情况下，这些是紫色选择性材料(如上所述)，其被配置成高度吸收紫色光，但对于蓝光和/或较长波长具有低吸收。
图26B示出了这样的实施方式。紫色泵浦LED 2613耦接至波导2612。像素2611具有阻挡或透射光的液晶2614。一些像素具有量子点2615至2616(其他波长转换器也可以用于一些像素或所有像素)，包括绿色和红色量子点2616、2617，以及可选的蓝色量子点2615。这些波长转换材料中的一些可以是紫色选择性材料。可选地，一些其他像素是透明的(即没有量子点)，以实现紫色透射。长波长反射滤光器2618可以放置在波导和量子点之间。该滤光器可以配置成基本上透射泵浦光但基本上反射来自量子点的发光。例如，滤光器在泵浦峰值波长处具有至少90％(或80％、95％)的透射率；在绿色量子点(和/或红色量子点、蓝色量子点)的峰值波长处具有至少90％(或80％、95％)的反射率。这种滤光器使得更多的转换光能够从显示器发出而不是在波导中反向散射并丢失。短波长反射(或吸收)滤光器2619可以放置在彩色像素上方。该滤光器可以配置成基本上反射/吸收泵浦光，但是基本上透射来自量子点的发光。例如，滤光器在泵浦峰值波长处具有至多10％(或20％、5％、2％、1％)的透射率；在绿色量子点(和/或红色量子点、蓝色量子点)的峰值波长处具有至少90％(或80％、95％)的透射率。该滤光器可防止环境光激发量子点；它还通过减小泵浦光在其他基色中的泄漏而提高了转换光的光谱纯度。该滤光器还可以阻挡波长短于泵浦波长的辐射，尤其是在日光下存在并且在其他情况下可能激发量子点的紫外辐射(即低于400nm或低于380nm)。
在一些情况下，滤色器光学耦接至一些或所有子像素。例如，在图26C的显示器2630中，蓝色子像素2631具有蓝色滤光器2632，同样绿色子像素具有绿色滤光器，并且红色子像素具有红色滤光器。如本申请中所公开的，每个滤光器可以被配置成进一步整形光发光体的光谱并控制色域。
在一些情况下，实施方式不具有蓝色子像素并且仅具有紫色、绿色和红色子像素。在这种情况下，配置短波长和长波长反射滤波器可能更容易，因为泵浦光和转换光之间几乎没有或没有光谱重叠。
可以在图26中所示的几何形状上进行变化。气隙(即空气间隔)或低折射率层(如低于1.3或1.2的折射率)可以存在于反射滤光器和其他元件之间。这对于二向色滤光器来说是理想的，因为它们的反射率是角度相关的，并且与来自高折射率介质相比，当光来自空气时通常更均匀。在量子点和波导之间设置气隙还可以有助于限制朝向波导向后发射的转换光的量。可以交换某些层的顺序。几何形状不必是平面的；它可以是弯曲的或柔性的。
图26D示出了显示器2650的变型，其中蓝色和紫色泵浦LED 2651、2652都耦接至波导2653，并且量子点2654、2655可以吸收紫色光和蓝色光二者。通过在蓝色和紫色之间切换泵浦LED，显示器可在日模式和无蓝色模式之间切换。在这种情况下，短波反射滤光器2656反射蓝色光和紫色光，并且长波反射滤光器2657可以透射紫色光和蓝色光。在图26D中，蓝色光和紫色光二者都可以通过透明子像素透射。在一种变型中，存在蓝色和紫色透明子像素。紫色子像素具阻挡蓝色光的透射的滤色器，并且蓝色子像素具有阻挡紫色光的透射的滤色器。在图26D中，蓝色和紫色泵浦LED被示出在波导的两个边缘处，但其他布局也是可能的，包括在一个或几个边缘上的散布的LED。
在一些实施方式中，透射紫色光的子像素还包括青色绿色磷光体，以转换紫色泵浦的一小部分并增加其主波长。
在又一变型中，蓝色和紫色泵浦LED二者都耦接到波导，但量子点仅基本上吸收紫色光。蓝色光仅用于在日模式下在透明像素中透射。
发光体配置
无论显示器架构如何，发光体可以具有各种物理配置和布局。
泵浦LED可以光学耦接到一种或更多种波长转换材料(例如包括硅树脂的基质/粘合剂中的或包括干膜的膜或具有粘合剂的膜的磷光体/量子点)。这些波长转换材料可用于转换部分泵浦辐射，从而产生组合泵浦辐射和转换辐射的发射。
在某些情况下，基本上所有泵浦辐射可以被转换：例如绿色发光体可以通过将泵浦LED与波长转换材料进行组合而获得，该转换材料被配置成吸收并且转换超过90％(或95％、98％、99％、99.5％)的泵浦辐射；此外，波长选择滤光器(染料/颜料滤光器、吸收滤光器、二向色滤光器)可用于抑制泵浦辐射，从而产生主要包括转换的辐射或转换的辐射超过过滤的发光体的总辐射的90％(或95％、98％、99％、99.5％)的发射。
波长转换材料可以与泵浦LED物理接触(即直接沉积在泵浦LED上)；或者它可以是远程耦合件，其中，泵浦辐射在空气和/或光学元件和/或波导中传播到波长转换材料(例如，泵浦LED耦接至波导并且该波导包括如波导表面上的量子点增强膜的膜或波导边缘上的磷光体条或波长转换材料的贴片，其可以形成在每个像素的水平处或覆盖波导的大区域)。
可以对多个发光体进行组合以获得白色发射(例如在RGB方案中，或者基本上白色的发光体与彩色发光体组合)。
在一个实施方式中，该系统具有两组发光体。一组包括带磷光体的泵浦LED。另一组包括具有或不具有磷光体的泵浦LED。
在一种实施方式中，该系统具有至少三组彩色发光体(例如紫色、绿色和蓝色)。
在一个实施方式中，存在若干发光体。来自发光体的发射被混合成组合发射。然后，组合发射由滤色器和光阻元件(例如液晶)过滤，以形成图像。LCD屏幕是这种配置的示例。
在一个实施方式中，存在若干发光体(例如紫色、绿色和蓝色)。来自每个发光体的发射由光学元件(例如DLP或快速自适应光学器件)引导以形成图像。激光(或超发光-LED)投影仪是这种配置的示例。
在一个实施方式中，在每个像素中存在若干发光体(例如紫色、绿色和蓝色)。在每个像素中调制每个发光体的强度以形成图像。直视LED或OLED屏幕是这种配置的示例。
在一个实施方式中，至少一个泵浦LED耦接到泵浦光传播的波导，并且波长转换材料在传播通过波导之后被激发。例如，具有几种颜色的波长转换材料与光阻元件(例如液晶)一起放置在波导上的每个像素处。例如，泵浦LED是紫色的，并且每个像素都有绿色磷光体的贴片、红色磷光体的贴片、蓝色磷光体的贴片和没有磷光体的贴片(以使得能够直接透射紫色光)；每个贴片都有可以打开或关闭它的液晶。
尽管本申请总体上与显示系统相关，但是其一些教导更广泛地与包括通用照明系统的发光系统相关。除了无蓝色发光体之外，一些教导可能与具有蓝光的发光体有关。同样，应当理解前述是说明性和非限制性的，并且本领域技术人员在不脱离本发明的精神的情况下可以进行明显的修改。因此，本说明书意在覆盖这样的替代、修改及其等同方式，就像可以包括在由所附权利要求所限定的本公开内容的精神和范围内一样。

Claims (18)

1.一种用于发射显示光的显示器，包括：
光源，所述光源用于发射源光；
位于所述源光的路径中的滤光器，所述滤光器包括至少短波滤光器、中波滤光器和长波滤光器，其中，所述短波滤光器被配置成透射来自所述源光的短波基色光，以及
屏幕，所述屏幕光学耦合至所述滤光器并且被配置成发射所述显示光，其中，所述显示光包括所述短波基色光，所述短波基色光包括具有从400nm至440nm波长的紫色部分和具有440nm波长以上的至少第二部分，使得所述短波基色光在感知上为蓝色，所述短波基色光具有如下短波基色光谱功率分布，该短波基色光谱功率分布具有在380nm至780nm之间的短波基色功率和在440nm至500nm之间的蓝色功率，其中，所述蓝色功率小于所述短波基色功率的20％。
2.根据权利要求1所述的显示器，其中，所述光源包括用于发射峰值波长在430nm以下的泵浦光的紫色固态发光体。
3.根据权利要求2所述的显示器，其中，所述短波基色光具有主波长，并且所述峰值波长比所述主波长短至少20nm。
4.根据权利要求3所述的显示器，其中，所述主波长在440nm以上。
5.根据权利要求4所述的显示器，其中，所述主波长在460nm以上。
6.根据权利要求2所述的显示器，其中，所述源光具有如下源光光谱功率分布，该源光光谱功率分布具有在380nm至780nm之间的源功率和在440nm至500nm之间的源蓝色功率，其中，所述源蓝色功率小于所述源功率的5％。
7.根据权利要求1所述的显示器，其中，所述短波滤光器被配置成使得所述短波基色功率的至少10％在490nm至780nm的范围内。
8.根据权利要求7所述的显示器，其中，所述光源包括至少：
一个或更多个固态发光体，其包括至少紫色固态发光体，所述紫色固态发光体发射具有在400nm至430nm范围内的峰值波长的泵浦光；
一种或更多种波长转换材料，其包括至少第一波长转换材料，所述第一波长转换材料被配置成吸收所述泵浦光的一部分并将所述部分转换成经转换的光，所述第一波长转换材料在所述峰值波长处具有第一吸收系数并且在450nm处具有第二吸收系数，其中，所述第一吸收系数小于所述第二吸收系数的70％；
其中，所述一个或更多个固态发光体和所述一种或更多种波长转换材料被配置成使得所述第一波长转换材料基本上不吸收在440nm至490nm之间的光；并且
其中，在一种配置中，所述显示光是基本上白光，所述基本上白光本质上无蓝光。
9.根据权利要求1所述的显示器，其中，所述短波滤光器被配置成在透射所述紫色部分和所述第二部分的同时阻挡所述源光在440nm至500nm范围内的大部分。
10.根据权利要求1所述的显示器，其中，所述中波滤光器被配置成透射来自所述源光的中波基色光，并且所述长波滤光器被配置成透射来自所述源光的长波基色光，其中，所述短波基色光、所述中波基色光和所述长波基色光的组合是基本上白光。
11.根据权利要求9所述的显示器，其中，所述中波基色光在感知上为绿色，并且所述长波基色光在感知上为红色。
12.根据权利要求1所述的显示器，其中，当所述短波滤光器、所述中波滤光器和所述长波滤光器完全透射时，所述显示光是具有如下显示光谱功率分布的基本上白光：该显示光谱功率分布具有在380nm至780nm之间的显示功率以及在440nm至500nm之间的显示蓝色功率，其中，所述显示蓝色功率小于所述显示功率的5％。
13.根据权利要求11所述的显示器，其中，所述滤光器被配置成使得所述显示功率的至少40％在430nm的波长以下。
14.根据权利要求11所述的显示器，其中，所述基本上白光在距D65色度小于0.03的(x，y)距离内。
15.根据权利要求11所述的显示器，其中，所述显示器的色域是DCI-P3的至少90％(以(xy)计算)。
16.根据权利要求1所述的显示器，其中，所述感知上蓝色短波基色光的特征在于在440nm至490nm范围内的主波长。
17.根据权利要求1所述的显示器，其中，所述显示器还被配置成发射中波基色光和长波基色光，并且其中，所述短波基色光和所述长波基色光的组合能够被配置成基本上白光。
18.一种用于发射显示光的计算机设备的显示器，包括：
用于发射源光的光源；
其中，所述显示光能够被配置成发射至少作为感知上蓝色的短波基色光、作为基色绿光的基色光的中波基色光和作为感知上红色的长波基色光，
其中，所述显示光能够被配置成发射作为基本上白光的、所述短波基色光和所述中波基色光以及所述长波基色光的组合，并且
其中，所述短波基色光的特征在于如下的短波基色光谱功率分布SPD，所述短波基色光谱功率分布的总功率集中在380nm至780nm的范围内，使得所述功率的至少40％在380nm至440nm的范围内，所述功率的小于20％在440nm至500nm的范围内，并且所述功率的至少10％在500nm至780nm的范围内。
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