CN1682260A - 有源显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括有源显示器(1、1’)的投影系统。该显示器包括辐射敏感控制单元(4)，其将关于像素亮度和颜色的信息编码到投影仪(2)的信号光束(I)中，并据此驱动所连接的发光二极管(3)。由于这些像素自身充分的操作模式，可构造出相当平坦和大尺寸的投影面，其亮度不受投影仪(2)的能力限制。

Description

有源显示器
技术领域
本发明涉及一种具有显示面的显示器，该显示面具有有源像素。本发明还涉及一种投影装置，以及在投影面上显示图像的方法，该投影面具体可以是上面所述类型的显示器。
背景技术
已经开发出为一个或多个观众显示图像的不同技术系统。这种系统为投影系统，例如利用可见光照射透明幻灯片，并利用光学系统使幻灯片在投影面上成像的幻灯放映机。在现代投影系统如光束生成器中，同样利用光学系统将在显示器上电子生成的(计算机)图像投射到无源投影面上。不过，这些投影系统的缺点在于，图像的亮度由投影灯的输出功率决定，且在预定输出时的亮度随所投影图像的尺寸而减小。即使使用现代的UHP灯，这些系统在日光环境下也不可能令人满意地工作。
US6,163,348披露了一种投影系统，其中图像被投影到特别形成的多层投影面的后侧上。光线局部不同的强度引起设置于投影面前侧上的液晶层的透光率发生改变。从而，入射在前侧上的环境光被位于液晶层后面的反射层以不同的强度向回反射。因而，投射到后侧上的图像透射到被观看的投影面前侧上。通过使用滤色层，这种投影面还适用于彩色图像显示。由于环境光起到光源的作用，图像的亮度不取决于显示面的尺寸，但必然总小于环境亮度。
此外，已知的辐射有源光的有源显示器，如计算机监视器或电视机屏幕。诚然，其具有相当高的亮度，不过，大尺寸的、特别是平面图像格式的制造成本非常高。尤其是，获得每个TFT显示器允许的无缺陷像素的数量需要付出巨大的努力。其数量增长的比例远远超过显示器尺寸增大的比例，从而，大显示器通常由众多的小显示器组成。利用相应电子线路将各显示器组合起来，从而产生完整的图像。
发明内容
基于这一背景，本发明的目的在于提供也能以低成本、令人满意的亮度显示大图像格式的装置。
通过权利要求1限定的有源显示器，权利要求7限定的投影装置以及权利要求8限定的方法实现了这一目的。从属权利要求中限定了
优选实施方式。
根据本发明的有源显示器具有包含有源像素的显示面，其中辐射敏感控制单元局部地指定给每个像素，并根据控制单元接收到的信号光束控制像素的光辐射。本文中，“有源像素”理解为表示在受到适当驱动时，本身能产生并辐射(可见)光的局部限制单元。像素具体可以为一种在结构上由给定部件，如LED限制和限定的结构。不过，在本发明范围内，像素也可以仅为显示面上连续构成且没有结构边界的(任意)几何上受限的区域。此外，像素与相关控制单元之间的“局部指定”表示这两者通常以相互连接、甚至是重叠的空间关系设置于显示面上。具体来说，控制单元可以控制像素辐射光的相对亮度和/或颜色。
上述的有源显示器具有以下优点，其基于像素产生的有源光能产生基本上所有的所需亮度，从而与环境亮度无关。不过，与已知有源显示器、如薄膜晶体管(TFT)显示器相比，这种有源显示器结构上明显更加简单，从而由于不是从中点通过电子手段控制像素，因此其更加廉价和更加坚固耐用。利用指定给该像素的控制单元，每个像素的控制都是自身充足的，而通过电磁辐射信号光束传输该控制单元所需的信息。存在多种的可能方法来具体实现这种传输技术，下文中将参照本发明的变型例，说明其中的一些方法。具体来说，原则上，可以按照与图像在显示面上的常规投影相同的方式实现传输，从而可使用实现这一目的的公知技术。与这些技术不同的是，所显示图像的亮度没有预先确定，且不受投影光的限制，而该投影光仅用于信号传输，因此可以相当弱。
信号光束可通过模拟方式控制所述控制单元，这种控制方式在于例如信号光束的强度和颜色直接与所显示的像素的亮度和颜色相应。或者，信号光束可包含数字编码信息。在此情形中，控制单元包括用于从信号光束中提取数字信息的解码器，而控制单元进一步适于根据经解码的信息控制指定给该控制单元的像素。当信号光束由可见光组成时，信息的数字传输尤为有用，这是因为一方面，数字信号传输不受环境光或此情形中从像素辐射出的光的干扰；另一方面，待观看的图像不会受到可见信号辐射以干扰方式的叠加。
根据有源显示器的一个优选实施例，其控制单元包括光谱灵敏度互不相同的多个辐射传感器，并且该控制单元适于依靠辐射传感器来接收信号光束中相互独立的部分。由此，信号光束中的信息可以在不同光谱范围内并行传输。具体来说，可为每个控制单元提供三个具有不同光谱灵敏度的辐射传感器，每个辐射传感器控制像素产生的具有一种原色(例如，红色、绿色和蓝色)的辐射。从而，每个辐射传感器的敏感光谱与受控制的颜色相应(即，对蓝光敏感的传感器控制蓝辐射，等等)，不过并非必须是这种情形。特别是，辐射传感器的光谱灵敏度也可以处于可见光范围之外，例如处于红外或紫外范围中。
有源显示器的像素优选包括至少一个能发射可见光的(无机或有机)发光二极管。对于彩色显示器而言，优选提供三个原色(例如，红色、绿色和蓝色)发光二极管。
对于其有源光辐射，像素需要能量源。该能量源优选为由在显示面上延伸并与像素相连的供电线路所提供的电能。此外，为了向电子装置输送电流，控制单元还可以与这些供电线路连接。
根据有源显示器的另一实施例，其具有用于与其他类似显示器组合的插入式接头。从而，这种显示器可以插入并且相互连接成一种模块化结构，从而形成任何大的显示面。由于利用有源光辐射显示图像，因此可以在不降低其亮度的条件下制造大显示面。
为了将信号光束传输给上述有源显示器，需要与显示器的控制单元相匹配的装置，下文中称之为“投影装置”。当控制单元例如对入射辐射的(光谱)强度作出响应时，基本上可通过已知方式使该投影装置实现为幻灯放映机或光束生成器，即其能够产生所要在显示面上显示的图像的光学图像。可见光和红外或紫外光均可用作辐射。
不过，当通过这种方式调整控制单元，使得它们需要信号光束中编码的数字信息时，不能使用常规的投影装置。从而，本发明还涉及一种适用于这种情形的投影装置，以用于将图像传输到具体为上述特定类型显示器的投影面上。投影装置包括用于将光束偏转到投影面上的光学系统，并且适用于将投影面的一点处所要显示的图像信息数字编码到偏转到该点的光束中。具体来说，可将待显示像素的整体亮度值，颜色分量和/或颜色成分的亮度值编码。数字信息载体优选为信号光束的强度(在至少两个数值之间交替)。不过，同样，信息光束的光谱成分也可以携带数字信息。
本发明的范围还包括具有上述类型的有源显示器以及适用于它的投影装置的完整投影系统。该投影装置具体可为上述类型的数字编码装置。
本发明还涉及一种在投影面上显示图像的方法，该投影面具体来说可以为上述类型的显示器，在该方法中，为图像的每个像素执行以下步骤：
-将定义像素的信息，如其相对亮度和其颜色成分编码到信号光束中。在最简单的情形中，例如，信号光束的强度和颜色成分可以通过模拟方式与像素的所需强度和颜色成分对应；
-将上述信号光束偏转到显示面上的相关点处。“相关”即显示面上按照所需几何形状显示待显示图像时，显示面上的该点与该像素相应；
-设置于显示面上的上述点处的、包含有源像素和控制单元的单元接收引导到其上的信号光束，并按照信号光束中编码的信息输出光。
具体来说，通过上述类型的有源显示器执行所述方法。其优点在于，因为有源光辐射，图像显示的亮度与环境光或投影灯无关。不过，可使用相当简单的投影方法控制辐射像素，从而可控制具有几乎为任意值的尺寸、形状和位置的像平面，而无需复杂的寻址技术。
根据该方法的优选实施例，通过数字编码方式将定义像素的信息施加到信号光束上。信息的物理载体具体可以为信号光束的强度，其中，例如在二进制编码的情形中，较低强度级代表逻辑0，较高强度级代表逻辑1。信号光束的光谱成分(即颜色)和/或偏振态可在代表逻辑值的两个或多个不同且可区分的状态之间交替。根据数字和光通信技术大致可了解到利用信号光束传输数字信息的这些和其他方法。因此，可以优选使用传统部件和技术。
基本上，信号光束可包括允许信息按需传输至显示面上一点处的任何种类的电磁辐射。具体而言，该信号光束可由非可见光，如红外光或紫外光组成，这是因为这种光可由常规光学系统控制，并且因为其与像素发出的可见光辐射不发生相互干扰。
由下面所述的实施例，本发明的这些和其他方面是显而易见的，并且将参照下述实施例理解本发明。
附图说明
在附图中：
图1表示包括本发明显示器的投影系统；
图2为图1中显示器的像素的电路图；
图3用平面图(上部)和侧视图(下部)示意地表示图2中像素的结构。
具体实施方式
图1示意地表示根据本发明的平面矩形有源显示器1(未按照比例绘出)。该显示器1的显示面由图中可见的前侧构成。在该显示面内，通过一种非常夸张的方式表示了由控制单元4和与之耦合的三部分有源像素3组成的代表性像素单元。基本上，显示器1的整个表面被这种像素单元无间隙地覆盖，该像素单元优选排列成规则图案，例如矩形或六边形图案。图2和3中表示出可能的像素电路及其具体结构。
显示器1与电源5相连，其中导电路径8和10将电压分配给像素3和控制单元4。
像素的控制单元4适用于接收引导到其上的电磁辐射的信号光束I，将该光束中的信息解码，并根据经解码的信息控制有源像素3输送的光。在所示实例中，像素3由三个子像素(图2和3中的3r、3g、3b)组成，其可以辐射出红、绿和蓝原色的光。根据已知的颜色混合基本原理，从而可在显示器1上为观众显示出准任意的颜色。
由与显示器1间隔放置且独立操作的投影仪2产生信号光束I。投影仪2可以为，例如幻灯放映机或者已知类型的光束生成器，并将光学图像聚焦到显示器1的显示面上，而控制单元4估计入射到其上的光束I的局部强度和颜色。在最简单的情形中，可执行模拟控制，根据该控制以与光束I成正比的强度和颜色点亮像素3。然后显示器1有源地放大投射到显示面上的图像，从而可独立于环境亮度和投影仪2的能力调节其发光能力。不过，应当注意，投影仪2发射出的可见光I叠加到环境亮度上和像素3辐射出的光上。为了不干扰图像显示操作，必须对所投射的图像和有源放大的图像显示进行相应的时间管理。
当投影仪2工作在不可见光谱范围内，如红外(IR)或紫外(UV)内时，可防止发生上述问题。当用红外光传输信号时，处于太阳光吸收带内的波长适合此目的，即具体而言处于CO2和H2O分子的吸收带内(大约0.8μm，1.4μm等)的波长适合此目的。在这些光谱范围内的操作具有以下优点，即存在由日光引起的、有可能干扰信号传输的最小背景辐射。这样就可能以模拟方式传输信号。
当通过适于此目的的投影仪2将待传输的信息数字编码时，还可以利用可见光获得抗日光干扰的信号传输。这种投影仪优选以一种线条图案扫描显示面，并根据各个照射位置来改变信号光束I的强度和/或颜色。根据例如美国6,163,348可了解到允许用强度受像素控制的(激光)光束扫描表面的投影仪。
图2为典型像素的电路图，包括辐射敏感传感器单元6和与之耦合的解码单元9。解码单元9的输出端与三个控制晶体管7的基极相连，该三个控制晶体管7控制输送给三个子像素3r、3g和3b的电压。子像素3r、3g、3b由例如半导体发光二极管(LED)或有机发光二极管(OLED)组成，且可以发射红色、绿色或蓝色光。它们共同构成了图1中附图标记3所示的有源像素。传感器6、解码单元9和控制晶体管7共同构成了图1中的控制单元4。
由处于高电势的导电路径8和处于接地电势的导电路径10(还参照图3)实现了图2中所示电路的电流源。
当操作像素时，可见光I被传感器6吸收，并测量其强度。强度信号施加给解码器9，并通过该解码器进行估计，以便提取出例如其中包含的子像素3r、3g和3b的数字信息。在确定了该信息之后，解码单元9继而可通过施加给控制晶体管7的控制电压，分别控制子像素3r、3g和3b处红色、绿色和蓝色的光输出。
图3为包括三个子像素的像素的一种可能结构的平面图(上部)和侧剖图(下部)。这些子像素设置为像素上侧上具有矩形表面的红色、绿色和蓝色发光二极管3r、3g和3b。光传感器6r、6g和6b设置在发光二极管3r、3g和3b的下面，这些传感器适用于不同的颜色：红色、绿色和蓝色。具体讲，能够保证“适用”是因为传感器6r、6g和6b具有不同的最大光谱灵敏度值，从而由信号光束的不同光谱部分触发这些传感器。
传感器6r、6g和6b向解码逻辑电路9发送其测量信号，解码逻辑电路9设置在用于提供电流的导电路径8与10(地)之间的像素的下侧。用一个控制晶体管7将解码逻辑电路9的三个输出组合，而该控制晶体管7的输出又控制发光二极管3r、3g和3b。
如上所述，可将包含于信号光束I中的信息数字编码。可通过例如包括256个颜色级(0-255)中每一个颜色级的各子像素3r、3g和3b的电压状态的3个字节来构成编码。为了保证令人满意的图像质量，应当以大约100Hz传输这种控制字节。在将信号数字编码时，对于所有子像素3r、3g和3b来讲，每个像素配备一个单独的传感器6就够了，如图2中所示。例如，优选应与标准半导体工艺相兼容的光电二极管适合此目的。因而，应当以半导体电路来实现解码器9，其中还应当集成控制晶体管7。
在对包含于信号光束I中的信息的另一种模拟编码中，每个单独的子像素3r、3g和3b优选分别受独立的辐射敏感传感器6r、6g和6b的控制，如图3中所示。在简单放大所投射的可见图像的情形中，传感器6r、6g和6b对相应的红色、绿色和蓝色光谱范围敏感。
不过，如果如上所述利用给定光谱带的IR辐射实现模拟编码传输，则子像素3r、3g和3b优选受光电晶体管(未示出)的控制。在图2的电路图中，传感器6、解码器9和控制晶体管7继而将被缩减为一个部件。在该光电晶体管中，集电极-基极路径为光电二极管。具体来说，硅(波长范围0.6-1μm)或锗(波长范围0.5-1.7μm)制成的光电二极管适合此目的。为了能够区分各子像素的信号，半导体应当通过不同掺杂而具有不同的光谱灵敏度。对于蓝色子像素3b而言，应当将传感器的最大灵敏度值调节为1.3μm，对于绿色子像素3g而言，应当将其调节为1.4μm，而对于红色子像素来讲，应将其调节为1.5μm。或者，子像素3r、3g、3b也可以具有频率选择涂层。
由于显示器1的各个像素3、4彼此独立，原则上可以构造任意大的投影面，而无需任何精细控制和寻址技术。如图1中所示，该投影面具体可由单个显示模块1、1’组成，其与相邻模块1、1’仅通过插入式接头彼此接触，从而保证了所有模块的电流供应。因此，可根据所使用的投影仪2的能力以及传感器的灵敏度而在较宽范围内改变投影面。
上述投影系统存在依然使用本发明基本原理的多种变型。例如，与图1中所示的方式不同，投影仪2还可以照射显示器1、1’的后侧，在此情形中传感器4(附加或者可选的)应当对于来自该方向的辐射敏感。此外，可通过与利用导电路径不同的方法，例如利用整个投影面的均匀辐射，使用射频为像素提供所需的工作能量。最后，显示器1、1’并非由具有与其相关的结构上受限的部件的分离像素3、4构成，而取而代之的是可以均匀扩展到显示面上的相应结构(与美国6,163,348中所述的多层显示器类似)。
总之，本发明披露了一种包括投影仪2和有源显示器1、1’的投影系统，其中有源显示器1、1’可以被组合成相当大的投影面。该系统允许使用发光功率相当小的投影器，以极大的亮度在极其平坦或薄的投影面上产生大格式图像。投影面的模块化结构允许分别适应用户的需要。在该系统中，工作在可见光(大约400nm至800nm)范围内或者IR或UV光谱范围内的投影仪将图像投射到投影面上。投影面上的每个像素具有其自身的传感器，该传感器能利用接收到的光信号控制像素的颜色和相对亮度。从而各像素是自给自足的，且必须仅从外部供给电流。

Claims (10)

1.一种具有显示面的有源显示器(1、1’)，该显示面具有有源像素(3、3r、3g、3b)，其中辐射敏感控制单元(4)被按照位置指定给每个像素，并适用于根据控制单元接收到的信号光束(I)控制像素的光辐射。
2.如权利要求1所述的显示器，其特征在于所述至少一个控制单元(4)包括解码器(9)，该解码器(9)用于提取出所接收信号光束(I)中包含的数字编码信息。
3.如权利要求1所述的显示器，其特征在于所述至少一个控制单元(4)包括辐射传感器(6r、6g、6b)，所述辐射传感器具有不同的光谱灵敏度，并且所述至少一个控制单元(4)适于利用该辐射传感器接收信号光束(I)的互相独立的部分。
4.如权利要求1所述的显示器，其特征在于至少一个像素(3)包括一个或多个发光二极管(3r、3g、3b)。
5.如权利要求1所述的显示器，其特征在于像素(3、3r、3g、3b)和/或控制单元(4)与延伸穿过显示面的供电线路(8、10)相连接。
6.如权利要求1所述的显示器(1)，其特征在于其具有用于将其与类似的显示器(1’)相组合的插入式接头。
7.一种用于在投影面上、特别是权利要求1所述的显示器(1、1’)上显示图像的投影装置(2)，包括用于将光束(I)偏转到投影面上的点处的光学系统，该投影装置适用于将投影面的一点上所要显示的图像信息数字编码到偏转到所述点的光束(I)中。
8.一种在投影面上、特别是在权利要求1所述的显示器(1、1’)上显示图像的方法，其中对于图像的每个像素来讲：
-将定义所述像素的信息编码到信号光束(I)中；
-将信号光束(I)偏转到显示面上的相关点处；
-设置在显示面上所述点处的、包含有源像素(3)和控制单元(4)的单元接收信号光束(I)，并根据该信号光束中包含的信息来提供光。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于信号光束(I)包括以数字编码形式定义像素的信息。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于信号光束(I)包括红外光和/或紫外光。
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