CN1897072A - 使用固体激光器的显示系统和方法 - Google Patents

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Abstract

基于本发明的一种显示系统包括具有磷光体的显示屏，当受到激光束的激励时，该磷光体发射从大约450nm至大约650nm的波长范围内的光。该激光束由具有从大约330nm至大约440nm的工作波长范围的固体激光器产生。

Description

使用固体激光器的显示系统和方法
背景技术
电子显示器是利用诸如液晶显示(LCD)技术、发光二极管(LED)技术以及磷光体辐射技术的各种技术实现的。磷光体辐射技术是一种旧的且公知的技术，其最好的例证是阴极射线管(CRT)。
CRT的光栅扫描模式典型地符合一种或更多种被广泛接受的扫描标准，从而确保各种元件之间的兼容性以及不同制造者生产的显示器之间均匀水平的画面质量。
然而，CRT具有几个缺点，诸如体积大，重量大，能耗高和存在危险电压。因此，CRT仅用于能够接受这些缺点的地方，并且，很不幸地，已经发现在很多现代应用中是不合适的。例如，CRT不能容易地集成到小的手持式装置，诸如个人数字助理(PDA)或便携式电话上。因此，这些装置常常使用在尺寸、重量和其他特征方面更适合的替代技术。
LCD技术是一种CRT技术的替代物。LCD技术结合了用作“光阀”以选择性传播光的像素-级(pixel-level)光控制元件。
LCD比CRT消耗能量少，并已经证明了非常适合于许多应用场合。不幸的是，在某些环境光情况下，LCD显示器可能出现不良的显示能见度。
在LCD显示系统将液晶用作像素-级光控制元件的同时，某些其他显示系统则利用可以被广泛地归类为微机电系统(MEMS)的元件。在MEMS应用的一个实例中，将微反射镜阵列用于选择性地将光导引到显示屏上。MEMS技术正被用于各种成像装置，并证明了在对诸如高图像亮度和清晰度的特征有要求的若干应用中是受欢迎的。
但是，高图像亮度典型地是通过使用诸如卤素灯泡的高强度光源获得的。不幸的是，与固体光源相比，卤素灯泡是一种低效率的光源。
发明内容
基于本发明的一种显示系统包括具有磷光体的显示屏，当该磷光体受到激光束激励时，其发射在从大约450nm至大约650nm波长范围内的光。该激光束由具有从大约330nm至大约440nm运行波长范围的固体激光器产生。
附图简要说明
参考下面的图，可以更好地理解本发明的许多方面。图中的元件不是按比例的。相反，应将重点放在清楚地描述本发明的原理上。另外，在图中，相同的标号表示各图中的对应部件。
图1示出了包含有固体激光器、光束导引系统和显示屏的显示系统的第一示范性实施例，它们是基于本发明的某些示范性元件。
图2示出了图1的显示系统的某些附加的元件。
图3示出了包含有固体激光器和与液晶显示(LCD)屏结合在一起的背光面板的显示系统的第二示范性实施例。
图4示出了包含在图1的显示屏或图3的背光面板中的示范性的像素和子像素阵列。
图5示出了图1的光束导引系统的第一示范性实施例。
图6A示出了图1的光束导引系统的一部分的安装支座的一个示范性实施例的透视图。
图6B示出了图6A的安装支座的侧视图。
图6C示出了图6A的安装支座的顶视图。
图7示出了包含有多重固体激光器的显示系统的一个示范性实施例。
图8示出了包含有单个固体激光器和具有多重导引元件的光束导引系统的显示系统的另一个示范性实施例。
图9示出了包含有单个固体激光器和具有多重导引元件的光束导引系统的显示系统的又一个示范性实施例。
图10示出了包含图1的光束导引系统的第二示范性实施例的显示系统。
具体实施方式
基于本发明的各种实施例涉及使用固体激光器来激励合适的磷光体以发射光的显示系统。在一个示范性实施例中，固体激光器大约在330nm和440nm之间的波长范围内产生激光束，并使用该激光束来激励显示屏的磷光体。该受激励的磷光体发射大约在450nm和650nm之间的波长范围内的光。
图1示出了基于本发明的显示系统100的第一示范性实施例，其包括光学耦合到光束导引系统110的固体激光器105，该光束导引系统110依次光学耦合到显示屏115。在该示范性实施例中，固体激光器105是由诸如铝、镓、铟和氮的材料构成的沿触发半导体激光器。典型地，固体激光器105由形成在合适衬底上的若干个分离的材料层构成。合适衬底的某些实例为：氮化镓(GaN)衬底、碳化硅(SiC)衬底和蓝宝石衬底。
在该若干个分离的层之中，被称作活性层的一层包含量子井区域，当合适的偏压施加到固体激光器105时，在该量子井区域产生光。通过存在于该活性层两侧的两层包层将该光横向限制在该活性区域。尽管进行了横向限定，仍然允许该光沿该活性区域的长度横向传播，并被反射镜端小平面反射。在经过了一次或更多次这样的反射之后，使该光从位于固体激光器105的边缘小平面上的开口横向逸出。该出射的光构成基于本发明的激光束106。
激光束106的发射波长，也称作运行波长，很大程度上取决于活性层的材料。典型地，该活性层由氮化铟镓(InGaN)构成，而其他层，例如包层，由诸如氮化铝镓(AlGaN)或氮化镓(GaN)之类的化合物构成。在该示范性实施例中，固体激光器105具有从大约330nm至大约440nm的运行波长，并具有大约405nm的最佳运行波长。
几种商业上可提供的固体激光器适合用作固体激光器105。例如，日本的Nichia公司提供的运行在基于本发明的各个波长范围内的几种激光二极管模块。
光束导引系统110接收来自固体激光器105的激光束106，并将其导引到显示屏115上。在一个示范性实施例中，光束导引系统110包含光反射元件，例如反射镜。将该反射镜配置为第一种形式，以接收激光束106并将其导引到显示屏115上的第一位置。然后将该反射器再次配置为第二种形式，以接收激光束106并将其导引到显示屏115上的第二位置。以这种方式，可以对该反射镜进行动态地配置以将激光束106导引到显示屏115上的不同位置。在一个实施例中，动态地配置该反射镜以产生一扫描图案，例如隔行电视扫描图案或逐行扫描图案。
在另一个示范性实施例中，光束导引系统110包含微反射镜阵列。激光束106被合适的光学元件(未示出)导引以入射到该微反射镜阵列上。每个微反射镜配置为任何一种特定的形式，以瞄准两个方向之一。当沿第一方向瞄准时，微反射镜将接收到的激光束朝向显示屏115上的第一位置导引，由此激励位于该第一位置的磷光体发光。而当沿该第二方向瞄准时，该微反射镜将接收到的该激光束沿瞄准远离显示屏115的方向导引。由此，位于上述的该第一位置的磷光体不发光，从而形成一暗点。因为可以对每个微反射镜独立地配置以瞄准两个方向中的一个，所以微反射镜阵列作为将激光束朝向显示屏115导引的光开关阵列而有效地运行，形成亮和暗点的阵列图案。每个点对应于在显示屏115上显示的所得到的像素化(pixelated)图像的一个像素。
尽管在上面披露的实施例中，光束导引系统110使用了光反射元件，但是，在一个可替换实施例中，光束导引系统110使用光衍射元件。例如，在该可替换实施例中，配置一光栅以接收激光束106，并将衍射图案导引到显示屏115上。在一种应用中，该衍射图案形成同时照明显示屏115的整个表面的漫射照明。
显示屏115具有在其上存在有磷光体层的第一主表面，该磷光体层被上述激光束激励。相反的主表面是一观察面，磷光体产生的光穿过该观察面朝向观察者射出。
该磷光体层配置在一像素化(pixelated)图案内，该像素化图案的每个像素包含若干子像素。例如，在一个实施例中，该像素包含三个子像素。每个子像素包含磷光体，当该磷光体受到激光束106的激励时选择其发射特定波长的光。该第一子像素包含当受到激光束激励时发射红光的一第一磷光体，该第二子像素包含发射绿光的一第二磷光体，以及第三子像素包含发射蓝光的一第三磷光体。
当激光束106运行在近UV波长时适于使用的磷光体材料的一些实例为：1)Ru掺杂BaMgAl14O23，其响应近UV激励发射450nm附近波长的光，2)Ru掺杂SrGa2S4，其响应近UV激励发射500nm附近波长的光，3)Ru掺杂Y2O3，其响应近UV激励发射610nm附近波长的光。这些磷光体由几个厂家进行商业生产。例如，Nantex工业公司生产的包括上述磷光体的几种类型的磷光体。
图2示出了在图1的显示系统100中可选择使用的一些附加元件。在这些附加元件中，光束特性控制器205配置为接收激光束106并控制激光束106的某些特性，诸如光束扩展、光束传播方向、光束发散性和光束强度。在第一实施例中，使用无源元件，诸如反射镜、透镜或光栅，来改变光束特性；而在第二实施例中则使用有源元件，诸如光放大器、光衰减器或光开关来取代。
将控制系统220用于控制光束特性控制器205中的元件。例如，当该元件是无源元件时，诸如反射镜，控制系统220通过控制线206提供控制信号以使用于将激光束106沿所需要的方向导引的反射镜定位。当该元件是有源元件时，例如电控制光衰减器，控制系统220通过控制线206提供控制信号以将光衰减器的光衰减因子设置到所需要的值。
也将控制系统220用于控制固体激光器105。在基于本发明的一个实施例中，控制系统220通过在图2中具体化为控制线204的一条或更多条控制线提供双向控制信号，以设置或监测固体激光器105的各种参数。例如，在第一方向上，将控制线204用于提供用于设置所需要的激光器电流的第一控制信号和用于开通和关断固体激光器105的第二控制信号。在第二方向上，将控制线204用于接收来自固体激光器105的信号。这些信号提供与各种参数相关的测量，诸如激光器电流、激光器温度和系统故障情况。
还将控制系统220用于控制光束导引系统110。在一个实例中，控制系统220通过控制线208提供控制信号，以配置光束导引系统110内的微反射镜阵列。在另一个实例中，控制系统220通过控制线208提供控制信号以配置光开关模块中的液晶开关元件。
与控制线204、206和208相关的控制信号在基于本发明的不同实施例中以各种方式实现。控制信号的某些实例为：模拟电信号、数字电信号、光信号、机械触发信号和无线信号。
将显示界面210构造为接收来自光束导引系统210的激光束，并在光束朝向显示屏115传播之前控制接收到的激光束的某些特性。例如，将单独或结合使用的一个或多个元件，诸如滤网、光栅、光扩散器、偏光镜或像素化屏栅(pixelated screen grid)，用于在到达显示屏115之前改变各种光束特性。
图3示出了基于本发明的包含固体激光器105和背光面板310的显示系统300的第二示范性实施例。背光面板310具有其上存在有磷光体层的第一主表面，当受到从光束导引系统110接收的激光束激励时该磷光体层辐射大约在450nm和650nm之间波长范围内的光。相对的主表面光耦合到液晶显示(LCD)屏315。该相对的表面将该辐射的光作为背光提供到LCD屏315以使观察者看到LCD屏315的液晶产生的图像。该图像利用图像驱动系统(未示出)产生，该图像驱动系统对单个液晶进行配置。
在本示范性实施例中，将光束导引系统110配置为接收来自光束特性控制器205的激光束，并将该光束按照合适的图案导引到背光面板的磷光体层上。选择该图案以在背光面板310的整个相对主表面上产生均匀照明匀度。在第一实施例中，该图案与扫描图案，诸如隔行扫描图案或逐行扫描图案，相对应，其中，将该激光束顺次导引到磷光体层上的不同位置处。这些扫描图案在下面利用其他附图进行更详细的描述。
在基于本发明的一个实施例中，该图案是非扫描图案，诸如同时投影到背光面板的整个磷光体涂层上的漫射光。光束导引系统110利用合适的光学器件，例如光学光栅或漫射屏，从激光束产生漫射光。
图4示出了显示屏115或背光面板310的磷光体层的像素或子像素的示范性阵列400。在该示范性实施例中，阵列400的每个像素由三个子像素形成。例如，像素405具有红色子像素451、绿色子像素452和蓝色子像素453。在另一个实施例中，除该三个子像素451、452和453之外，还使用辐射白光的第四个子像素，以提高像素405的平均辐射水平，从而控制图像的亮度。该三个子像素451、452和453示出为在一三角形结构内彼此相邻。在另一些实施例中，一个或多个子像素彼此重叠。另外，在另一些实施例中，一个像素可以由两个或更多个子像素形成。
阵列400示出为包含若干行X1至Xn和若干列Y1至Yn，并且像素位于每行和每列的交点处。当使用隔行扫描时，将激光束配置为沿奇数行撞击所有像素，越过相邻的偶数行，然后再沿下一奇数行撞击所有像素。特别是，该激光束在沿行X1顺次撞击像素410和415以及其他像素之前从像素405开始首先撞击行X1。在撞击了奇数行X1的最后像素420之后，该激光束越过偶数行X2，并从像素430开始继续撞击行X3的像素。在扫描了该阵列的所有奇数行之后，将该激光束导引到偶数行X2的第一个像素425。然后使激光束撞击沿偶数行X2所有的像素，越过该相邻的奇数行X3，并从像素440开始撞击偶数行X4的像素。在扫描了所有的偶数行之后，将该激光束再次导引回到奇数行X1的像素405，并根据需要重复整个扫描图案。以一特定的扫描速率进行扫描，选择该扫描速率以提供可接受的图像质量。
当使用逐行扫描时，将激光束配置为撞击第一行的所有像素，然后撞击下一相邻行的所有像素。隔行扫描的奇-偶行图案并不用于逐行扫描。同样，逐行扫描速率典型地不同于非隔行扫描速率。
图5示出了基于本发明的光束导引系统110的一个示范性实施例。在该实施例中，使反射镜505定位以接收来自固体激光器105的激光束并将其导引朝向显示屏115。将反射镜505以第一种形式定位，以将光沿轴501导引到达显示屏115的磷光体层上的第一位置。将反射镜505以第二种形式定位，以将光沿轴502导引到达显示屏115的磷光体层上的第二位置，并以第三种形式定位以将光沿轴503导引到达显示屏115的磷光体层上的第三位置。因此，通过使反射镜505以各种形式合适地定位，将激光束导引到磷光体层的不同位置，能够将激光束配置产生上述扫描图案。
与将固体激光器按照相对于光束导引系统和显示屏水平排列方向定位的显示系统相比，将固体激光器105相对于光束导引系统110和显示屏115垂直定位提供了具有紧凑尺寸的显示系统。
图6A示出了基于本发明的作为光束导引系统110的一部分的安装支座600的一个示范性实施例的透视图。反射镜605安装在可旋转平台610上。反射镜605的主反射表面取向为沿平行于可旋转平台610的主表面方向反射入射的激光束(未示出)。将可旋转平台610定位在可倾斜的平台625上，该可旋转平台610如虚线615所示的可双向转动。可转动轴620横向穿过可倾斜平台625并可操作地调节可倾斜平台625的倾斜角。可转动轴620如虚线630所示可双向转动。
操作可转动轴620和可转动平台610来分别设置所要求的投影的垂直角和所要求的投影的横向角，以便沿所要求的方向反射该入射的激光束。利用图6B和6C进行进一步的描述。
图6B示出了安装支座600的侧视图，以对所要求的投影的垂直角的设置进行描述。当将可旋转轴620设置在第一位置时，入射的激光束沿在本实例中被称作参考轴601的一轴被反射。当将可旋转轴620设置在第二位置时，该入射的激光束沿第二轴602被反射，该第二轴602具有相对于参考轴601的投影的垂直角603。类似的，可以将可旋转轴620定位为以投影的各种垂直角反射该激光束。
图6C示出了安装支座600的顶视图，以对所要求的投影的横向角的设置进行描述。当将可旋转平台610设置在第一位置时，入射的激光束沿在本实例中被称作参考轴606的一轴被反射。当将可旋转平台610设置在第二位置时，该入射的激光束沿第二轴607被反射，该第二轴607具有相对于参考轴606的投影的横向角604。类似的，可以将平台610定位为以投影的各种横向角反射该激光束。
图7示出了基于本发明的包含多重固体激光器、多重光束导引系统和单个显示屏的显示系统700的一个示范性实施例。在该示范性实施例中，第一固体激光器710产生被导向第一光束导引系统的激光束711，该第一光束导引系统由反射元件构成，例如反射镜705。反射镜705通过将该激光束朝向显示屏750反射而对其进行导引。该被反射的激光束712入射到显示屏750的磷光体层上。特别是，该被反射的激光束712撞击由三个子像素741、742和743构成的第一像素。被反射的激光束712依次撞击每个子像素741、742和743，并产生，例如，合成的红-绿-蓝(RGB)像素。
固体激光器720产生激光束721，该激光束721被导引到由第二反射元件，反射镜715，形成的第二光束导引系统上。反射镜715通过将该激光束朝向显示屏750反射而对其进行导引。该被反射的激光束722入射到显示屏750的磷光体层上。特别是，该被反射的激光束722撞击由三个子像素构成的第二像素。被反射的激光束722依次撞击每个子像素，并产生，例如，合成的红-绿-蓝(RGB)像素。
类似的，固体激光器730和反射镜725代表了显示系统700的多重元件的第n个元件。
在基于本发明的该示范性实施例中，固体激光器710、720和730具有同样的运行波长。在一个可替换的实施例中，每个固体激光器710、720和730具有不同的运行波长。将该不同的运行波长选择为在从大约330nm至大约440nm的波长范围内。在又一个实施例中，该多重光束导引系统通过反射元件而不是反射镜来实现。例如，每个光束导引系统利用液晶空间调制器来实现。可以将若干个这些液晶空间调制器容纳在一个单一的、集成的壳体内。
图8示出了基于本发明的包含单个固体激光器105、单个显示屏115和具有多重反射元件的光束导引系统110的显示系统800的一个示范性实施例。固体激光器105产生激光束，该激光束被导引到达包含在光束导引系统110内的每个反射镜。在基于本发明的一个实施例中，该激光束同时到达所有的反射镜。这样的实施例利用设置在光束特性控制器205内的漫射元件实现，其参考图2进行描述。在一个实施例中，固体激光器105经过多个位置动态地移动，以按照连续的图案将该激光束投影到包含在光束导引系统110种的每个反射镜上。
在基于本发明的光束导引系统110的一个示范性实施例中，将包含有微反射镜阵列的微机电系统(MEMS)用于实现图8的反射镜。包含有微反射镜阵列的可商用的装置可由Texas Instruments提供。这样的装置，其有时被称作数字微反射镜装置(DMD)，在本领域是公知的，并且被广泛用于数字光投影(DLP)成像应用中。在该示范性实施例中，微透镜的数量对应于在显示屏115上显示的图像内存在的像素的数量。
将微反射镜805配置为将激光束导引到位于显示屏115上的像素上。该像素由多个子像素构成，并且微反射镜805按照连续的图案将该激光束导引到这些多重子像素的每一个上。
图9描绘了包含有单个固体激光器105、单个显示屏115和具有微反射镜阵列的光束导引系统110的显示系统900的一个实施例。在该实施例中，每个微反射镜仅专用于将该激光束导引到一种类型的子像素上。例如，微反射镜970将该激光束导引到一个红色子像素971上，而微反射镜975将该激光束导引到一个绿色子像素976上，并且微反射镜980将该激光束导引到一个蓝色子像素981上。在一个示范性实施例中，微反射镜的数量对应于在显示屏115上显示的图像内存在的子像素的数量。
在基于本发明的其他实施例中，光束导引系统110利用液晶空间调制器阵列实现。该多重液晶空间调制器可以容纳在一个单个集成的壳体内。
图10示出了基于本发明的包含有单个固体激光器105、单个显示屏115和光束导引系统110的显示系统910的示范性实施例，其中该光束导引系统110具有扩束器912和容纳在光开关模块913内的多重光束导引元件。光束导引系统110并不使用在参考上面提到的图所描述的其他实施例中提到的反射元件阵列。相反，而是使用光透射控制元件阵列。光透射控制元件的一些实例为：光调制器、光开关和光衰减器。
光开关模块913是LCD模块，并且每个光开关元件是液晶。在第一种开关构造中，每个液晶允许固体激光器105产生的激光束朝向显示屏115传播，由此在显示屏115上产生亮像素。在第二种开关构造中，每个液晶遮住固体激光器105产生的激光束，并避免其朝向显示屏115传播，由此在显示屏115上产生暗像素。显示屏115典型地靠近光束导引系统110设置，以利于光耦合最大化。
上述实施例仅仅是为了清楚地理解所披露的原理。在实质上不脱离所披露的内容的情况下可以进行许多改变和改进，并且其对本领域技术人员是显而易见的。所有这些改进和改变均包含在所披露的范围内。

Claims (17)

1.一种显示系统，包括：
包含第一磷光体子像素的显示屏；
第一固体激光器，其可产生在从大约330nm至大约440nm的工作波长范围内的第一工作波长的激光束；
第一光束导引系统，其可接收来自该第一固体激光器的激光束，并将该激光束导引到第一磷光体子像素上，其中该第一磷光体子像素受到激励发射在从大约450nm至大约650nm的波长范围内的第一种颜色的光。
2.权利要求1的显示系统，其中该第一工作波长是大约405nm。
3.权利要求2的显示系统，其中该第一固体激光器是一种沿触发装置，其包含(AlxIn1-x)yGa1-yN，其中1＝＜x＜0且1＝＜y＜0。
4.权利要求3的显示系统，其中该第一种颜色是a)具有大约650nm波长的红色，b)具有大约535nm波长的绿色和c)具有大约450nm波长的蓝色之一。
5.权利要求3的显示系统，其中
该显示屏包括第二磷光体子像素；
第二固体激光器，其可产生在从大约330nm至大约440nm的工作波长范围内的第二工作波长的激光束；
第二光束导引系统，其可接收来自该第二固体激光器的激光束，并将该激光束导引到第二磷光体子像素上，其中该第二磷光体子像素受到激励发射在从大约450nm至大约650nm的波长范围内的第二种颜色的光。
6.权利要求5的显示系统，其中该第一工作波长与该第二工作波长相同。
7.权利要求6的显示系统，其中：
第一种颜色与第二种颜色相同；并且
第一光束导引系统与第二光束导引系统相同。
8.权利要求1的显示系统，其中该第一光束导引系统包括微机电系统。
9.权利要求8的显示系统，其中第一光束导引系统包括a)光反射元件和b)光透射控制元件之一。
10.权利要求9的显示系统，进一步包括：
控制系统，其可工作以第一种形式将光反射元件设置到第一位置，以将光导引到第一磷光体子像素上，并且以第二种形式将光反射元件设置到第二位置，以将光导引到第二磷光体子像素上。
11.权利要求10的显示系统，其中：
当光反射元件在a)第一位置和b)第二位置之一时，控制系统进一步可进行a)开通该第一固体激光器和b)关断该第一固体激光器的操作之一。
12.权利要求12的显示系统，其中该第一磷光体子像素位于该显示屏的第一水平轴上，而该第二磷光体子像素位于该显示屏的第二水平轴上。
13.权利要求1的显示系统，其中该第一水平轴与该第二水平轴相同。
14.一种显示系统，包括：
液晶显示屏；
包含磷光体涂层的背光面板，该背光面板可工作用于将背光照明提供到该液晶显示屏上；
固体激光器，其可产生在从大约330nm至大约440nm的工作波长范围内的第一工作波长的激光束；
光束导引系统，其可接收来自该固体激光器的该激光束，并将该光束按照扫描图案导引到该背光面板的磷光体膜上，其中该磷光体膜受到激励发射在从大约450nm至大约650nm的波长范围内的第一种颜色的光。
15.权利要求14的显示系统，其中该扫描图案包括a)隔行扫描图案和b)逐行扫描图案之一。
16.一种显示图像的方法，该方法包括：
提供包含第一磷光体子像素的显示屏；
提供固体激光器；
将该固体激光器构造为产生在从大约330nm至大约440nm的工作波长范围内的第一工作波长的激光束；以及
导引该激光束到达第一磷光体子像素，其中该第一磷光体子像素受到激励发射在从大约450nm至大约650nm的波长范围内的第一种颜色的光。
17.权利要求16的方法，其中将该激光束导引到达该第一磷光体子像素包括a)选择性反射该激光束和b)选择性控制该激光束的透射之一。
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