TW202112129A - 用以向使用者顯示資訊之系統 - Google Patents

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摩爾茲 凱瑞辛
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Abstract

本發明係有關於一種用以顯示資訊之系統，其包含一發射裝置其係配置以發射光線以便向一使用者顯示資訊，該發射裝置係適用於以一脈衝方式發射該光線因此該光線之強度介於一高值與一低值之間變化，一選擇式觀看裝置包含一面板，該面板被調適因此該使用者可觀看由該發射裝置發射之通過該面板之該光線以便視覺式感知被顯示之該資訊，該面板具有一可變透明度而該透明度係可介於一高透明度狀態與一低透明度狀態之間變化，該系統係適用於同步化該發射裝置與該選擇式觀看裝置因此發射一高強度值之光線之該發射裝置之該等狀態與高透明度之該選擇式觀看裝置之該面板之該等狀態在時間上重疊，該系統進一步包含一光電轉換裝置其係配置以將周圍光線轉換成電能以便將該電能饋入至該系統內。

Description

用以向使用者顯示資訊之系統
發明領域
本發明係有關於一種用以選擇式觀看及顯示影像之系統。
發明背景
屢見不鮮的是當在明亮地照亮環境，例如，白天期間之戶外，中使用，例如，膝上型電腦螢幕或現代智慧型手機時，裝置之亮度經常不易控制以讀取所顯示之內容。簡言之，相較於螢幕之亮度，周圍之光線太亮以致於無法容許一良好對比。當然，此可藉著移動至一室內環境或通常一較不明亮之環境而改進。然而，此種作法可能不切實際。此外，若需如此作為則會減少裝置使用之容易性。
即使是室內，對於駐留在強烈地照亮現場前之一螢幕而言可能會減少對比，例如，在明亮夏日放置於窗戶前觀看時。 於此情況下，觀看者在觀看螢幕時可能察覺不良之對比，此因周圍光線強度太高以致於無法舒適地觀看螢幕所顯示之內容。
類似地，假設例如來自周圍之明亮光線自螢幕反射且罩蓋所顯示之資訊時，由於螢幕本身之反光亦可能經驗到減少之對比。
(附帶地)有關於此問題之一份文獻係US 2012/0194657 A1，其中衝擊對比之一現象係以下段中所說明者加以解釋： 快門鏡片之一通常目的係致能來自2d顯示器之一3d視覺。基於此目的，一副快門鏡片，其包含二個反同步化各別快門鏡片元件，係組配而以一交替方式將光線傳輸至左眼與右眼，使得二個交錯之視頻信號，一供左眼用以及一供右眼用，被去交錯，意即正確地閘控至左眼與右眼。簡言之，每一快門鏡片開啟因此該快門鏡片後之眼睛(左或右)係向正確影像曝露，同時當錯誤影像被顯示時則被關閉。
通常，發射螢幕與此類快門鏡片間之穩健同步化係藉著利用在左側與右側影像間切換時之短暫黑暗間隙而促成。
此類發光間隙具有多重目的，包含抑制身為一視頻螢幕之部分之LCD晶體在二個連續影像間重新定向時可能引進之假影。對於快門鏡片與一視頻螢幕之同步化而言，此類黑暗間隙可能有利此因它們可用以確保快門開啟時間夠長以便為每個所意圖之影像畫面傳輸最多光線同時不會承擔傳輸屬於先前或後續影像之光線的風險。假設快門鏡片由開至關(或反之)之切換時間係如同整個觀看週期之一有效部分一樣長時，於螢幕黑暗週期中切換快門鏡片可特別地有利。
此種3D視頻快門鏡片之典型操作特性係視頻螢幕之120 Hz發射率，意即每個快門鏡片元件為60Hz，其係相當於延續16.66 ms之一整個週期，而典型地開啟與關閉時間可增加高達至每一完整週期為若干毫秒。
雖然易於看出的是視頻螢幕所發射之影像畫面間之短暫黑暗週期造成具有緩慢反應之快門鏡片之閘控更為穩健，然而與正確同步化結合之意為貫穿完整觀看週期之有效部分，並無一單一快門鏡片係開啟的。就一副作用而言，周圍光線係可見地減少。
本發明所解決之另一重點為節能之必要。於若干應用中(例如，當談到膝上型電腦或其他型式之可攜式電腦時)，螢幕之能量損耗相當高，其導致時間跨度之減少而吾人可在該時間跨度期間使用電腦而無需重新充電電池。此特別係應用在日照環境下其中吾人需要將螢幕亮度調高以便擁有影像之一可接受之對比。然而調高亮度導致一較高能量損耗，其，依序，減少電池壽命。
為增加其他運算裝置，諸如傳統口袋式計算器、之電池壽命，已併入一太陽能面板。在此類計算器之情況下，其典型地具有一簡單之無背光之LCD顯示器，能量損耗係相當低，因此一典型相當小型之太陽能電池可對此一計算器供電。然而，對具有一較高電力損耗之裝置而言，諸如膝上型電腦，於習知技藝中使用併入該電腦內之一太陽能面板供電該膝上型電腦簡直係不可行的。顛
特別地，於習知裝置 中，假設太陽能電池僅僅補償膝上型電腦螢幕之電力損耗，而該螢幕在明亮環境中係被其光源(典型地為LED或OLED)所支配，則該太陽能電池之面積需要比該膝上型電腦之螢幕更大。特別地，為達成相同亮度，太陽能電池與螢幕間之尺寸比例必需不小於涉及將進入之陽光轉換成可供膝上型電腦螢幕使用之光線之全部組件之效率。
此設定了相關於膝上型電腦螢幕尺寸之太陽能電池尺寸用之一下限： 尺寸比例＞效率= Q_太陽能電池* Q_led * Q_lcd_矩陣 = 0.2 *0.5 * 0.5 = 1/20，其中數字係保守估計值。於上文方程式中，尺寸比例界定膝上型電腦螢幕面積/太陽能電池面積之比例。Q_太陽能電池係太陽能電池之能量轉換效率，Q_led係產生供螢幕用之光線之LEDs之效率，以及Q_lcd_矩陣係指該螢幕中所用之LCD矩陣之效率。亦即，換言之，假設此可達成與周圍日照相同之亮度，則太陽能電池需要大約螢幕尺寸之20倍。
使用具有一大約20 cm * 30 cm之尺寸之一膝上型電腦螢幕，此意為附接至該膝上型電腦螢幕之太陽能電池將需要大約1.2m2 之面積，該太陽能電池，除沉重以外，無法搭配多數之桌面。假設觀看者樂於擁有等同於1/5陽光強度之一螢幕強度，此面積將仍有0.24m2 ，或螢幕面積之4倍。換言之，為顯著地延長電池壽命，巨型太陽能電池需隨身攜帶。較小型之太陽能電池可延長電池壽命，然而具有一膝上型電腦尺寸之太陽能電池，而該太陽能電池無法完全補償螢幕照明，則可能傳達降低之效益，且當系統係有意地轉換成強烈陽光以獲取更多電能時，可能會適得其反。
發明概要
本發明人意識到二個問題。首先，有清楚之需求以提供更為節能之可攜式電腦或，更普遍地，用以顯示資訊之系統。特別地，例如當在沒有輕易可得之電力網路之遠端環境中工作時，擁有可僅僅使用陽光即可工作之一電腦很清楚地係一項優點。此當坐在一海灘上或，假設，在一花園中或一公園內而該處吾人典型地無法擁有輕易可得之電力插座時，亦可適用。
發明人看到自己所面對之另一問題係增加對比，特別是當戶外工作時，如上文所指出者。如上文所述，當坐在陽光下，閱讀一正常膝上型電腦上之一電腦螢幕時係困難的，且調高強度會損耗很多能量，而該能量在使用以一電池供電之一電腦時係無法容易取得的。此外，清楚的是對於螢幕所需之高強度而言，借助於一太陽能面板之一電源將係不足的。
本發明解決上文之二個問題。
本發明係於請求項1中界定。隨附項界定優選實施例。
本發明人注意到假設吾人使用脈衝光源充作螢幕(發射裝置)之部分連同同步化之谷歌(選擇式觀看裝置)俾觀看螢幕時，螢幕之能量損耗變得如此之低使得藉著大約為一螢幕尺寸之一太陽能面板供電該螢幕成為可行。
依據請求項1，一種用以顯示資訊之系統，其包含一發射裝置而該發射裝置係配置以發射光線以便向一使用者顯示資訊。此一發射裝置可為，例如，一電腦或一膝上型電腦螢幕。
發射裝置係適用於以一脈衝方式發射光線使得該光線之強度介於一高值與一低值之間變化。該等強度變化導致感知光線中之亮度變化。藉著光線以一脈衝方式，意即以一典型地重複方式，發射，光線在某些時間週期係以一較高強度值發射，且，在該等時間週期之間，係以一較低強度發射。高強度脈衝之重複率係選擇足夠高以便避免可見之閃爍(典型地，該重複率高於50 Hz)。
該用以顯示資訊之系統，其進一步包含一選擇式觀看裝置而該選擇式觀看裝置包含一面板。此一選擇式觀看裝置可為，例如，將由一使用者配戴之眼鏡，其中該等眼鏡之鏡片接著將形成面板。該面板被調適因此使用者可觀看由發射裝置發射之通過該面板之光線以便視覺式感知被顯示之資訊。該面板具有一可變透明度而該透明度可介於一高透明度狀態與一低透明度狀態之間變化。藉著高透明度與低透明度，我們的意思是，在低透明度狀態下，可見光被大幅地阻隔，或在高透明度狀態下，該可見光經由該面板之傳輸大幅地增加。相較於低透明度，高透明度狀態係指一狀態其中光線傳輸至少高出30倍，優選地至少高出100倍且最優選地至少高出300倍。
於面板包含LCD快門鏡片之本發明實際實施例中，來自一完美高頂(top hat)函數之時間相依傳輸函數之偏移可能會發生因此邊界被較不明確地界定。
本系統係適用於同步化發射裝置與選擇式觀看裝置因此發射一高強度值之光線之該發射裝置之若干狀態與高透明度之該選擇式觀看裝置之面板之若干狀態在時間上重疊。藉著重疊，意即它們至少在其高透明度值/高強度值之某些部分同時(亦即，在相同時間)發生。藉著如此作為，其確保無論何時發射裝置發射一高強度值之光線，選擇式觀看裝置亦處於一高透明度，因此使一觀看者能夠觀看所發射之光線。此容許選擇式觀看發射裝置所發射之光線同時在其餘時間之期間消除或至少抑制可能存在於周圍之光線。
典型地，該等峰值之強度將輕微波動—亦即吾人將不會擁有描述高強度發射之一完美高頂函數。據此，工作週期係指所發射光線之強度不少於峰值強度之90%之該等時間週期，除以該等高強度峰值之完整重複週期之比例，而該峰值強度係在一特定重複週期期間由該裝置發射。當光線強度在一低強度值時之時間週期係由該週期期間少於高強度峰值之50%之強度來界定。
雖然優選之建置採用螢幕之二進制開與關狀態，暫時地分別匹配快門鏡片之二進制開與關狀態，然而此方案之變異亦可能導致某種對比之減少。必要的是一既定時間週期期間所發射之全部光線之一顯著部分係在完整週期之一或多個短暫子週期期間被發射及閘控。作為一特性而言，螢幕之一時間相依發射信號，相較於3D視覺應用之操作用之快門鏡片而言，將具有一強烈遞增之標準偏移。
相較於暗示一基本方案而依據該基本方案周圍光線係藉著眼鏡而被選擇式抑制，致使由一視頻螢幕所發射之光線係以較高對比被感知之習知解決方案，本主張之解決方案提供一較高對比以及較低能量損耗。此類策略所提出之實施例包含光學元件及濾光器被訂製以選擇式傳輸特定發光視頻螢幕之頻率特性。特定地，習知解決方案首先提議依據此類視頻螢幕所發射之特定窄頻範圍(波長範圍)之光線之選擇式閘控而拒斥周圍光線。此外，習知解決方案提議使用以相同頻率操作且與一時間調變視頻螢幕同步化之視頻快門鏡片，可改善其對比，即使該等快門鏡片在(典型地50-240 Hz)之頻率下操作亦然，而該等頻率係較所發射光波之振盪頻率低許多級數之大小。
有疑問地且邏輯地依循藉著電磁頻率(波長)而選擇式光線閘控之說明，習知裝置認為此種周圍光線減少之現象涉及一種匹配一發射螢幕與快門鏡片間之頻率特性之方法。如此作為時，習知裝置不僅對於精確之重複頻率之一匹配，而且對於可能之時間補償付出特別之關注。依據習知解決方案，可降低周圍光線減少效應之一可能補償可藉著若干方案最小化而依據該等方案快門鏡片係與螢幕之發射時間同步化。因為在某些習知裝置之背景中目的並非主要為3D視覺，所以習知裝置提出使用快門鏡片同時開啟之一方案。然而，每一鏡片之開啟時間仍然等同於3D快門鏡片之單一開啟時間，且因此僅有適度周圍光線衰減之效應係欠缺顯著地變化或強化。
雖然在某些環境中，或結合波長之閘控，可能有利，然而習知裝置無法單獨依據快門鏡片閘控而容許對強烈之周圍陽光有一適當強大之選擇式衰減。
此意為，習知裝置僅可將周圍光線減少至US 2012/0194657 A1中所說明之相同程度而該文獻說明此現象為可能在較低光線條件下發生之一問題。特別地，習知裝置並未系統式解決強烈陽光(具有極可能超過100.000 lux之亮度) 較一典型膝上型電腦螢幕更明亮數百倍之問題，而該膝上型電腦典型地發射少於500 lx之一感知亮度。
最佳化對比強化至視頻螢幕於強烈日照環境中仍具有一令人滿意之對比程度之問題亦無法藉著逆轉習知技藝(US 2012/0194657 A1) 用以增加眼睛所感知之周圍光線之方案來完成。依據此種理解，吾人可試圖使用較螢幕之發射時間更短之快門開啟時間。然而，此將導致與精確地和發射時間同步化之快門鏡片所感知者相同之對比，且將無法得到進一步之對比強化。
本發明人已發現所主張之系統產生較習知系統更佳之一對比。特別地，本發明人知道具有一短暫工作週期之重要性，而此係習知技藝先前未意識、講明及/或提及者。此外，有利的是假設在該等週期期間當光線被發射時，該光線係以一 較”正常”裝置更高之強度發射。據此，在該等週期期間，相較而言所發射之光線係”更明亮”且對一觀察者而言更易於看見。此外，因為光線僅在某些時間發射，所以減少能量損耗。藉著新穎及所主張之解決方案，據報為US 2012/0194657 A1中之一缺點被質化且量化地改善及延伸因此該缺點係轉變成一優點。
本發明部分仰賴改變參數之一方案而該等參數並未被習知解決方案提到及/或講明。
依循匹配電磁振盪頻率所致之對比最佳化之作法，習知解決方案以一同步化方案中心式指定頻率與補償最小化作為重要參數。
一個重要參數在波長匹配之領域內並無類同性，且因此可能未被認知與使用快門鏡片所致之高效對比最佳化有高度關聯性。此即為工作週期，而該工作週期指定一週期中之開啟時間之比例。
減少此工作週期，由其大約40%之典型值，減少至低於10%，優選地低於2%之值係朝向實現此處所報導之本發明之第一步。此單獨之改良可減少顯示器照明光源之能量成本大約4至100 fold之一因數，於某些腳本中，相較於習知技藝，其可減少此能量損耗250 fold。
值得注意者，此工作週期之減少並非是無價值的。假設我們考慮最小化使用者所經驗之閃爍之一廣泛接受之120 Hz或更高之重複率，則一完整週期為8.33 ms。10%之一工作週期將需要快門鏡片開啟僅達0.83 ms。假設標準液晶單元需要一完整開啟-關閉週期約為1 ms，則完整地開啟此一快門短暫至0.83 ms之一時間而不致因不夠之雙向切換速度所致之顯著效能降低將會是一項挑戰。非常清楚地，對一2%之工作週期而言，需要0.166 ms之一開啟時間之標準液晶單元係不夠的。為解決此問題，本發明人使用二個連續式液晶單元，其中一單元致能進入一開啟、傳輸狀態(開啟時間0.03 ms達90%傳輸)，而第二單元致能一同等地快速關閉(0.03 ms以減少傳輸低至10%)。因為此類快門-鏡片之遞增複雜性，所以對液晶側，以及用以驅動電子裝置兩者而言，此類快門鏡片通常不會在本發明之領域中使用。然而，將注意的是其他具有足夠短暫之雙向回應時間之選擇式觀看裝置亦可使用。
其最佳化有利於在強烈陽光下致能視頻螢幕使用之一第二參數係用以在一發射脈衝/閃光期間增加螢幕之強度。
此外，此可能需要對螢幕作較大改良。因為明亮之陽光可輕易地超過所推薦之辦公室亮度達100之一因數，另外，戶外可看見之螢幕用光源優選地具有10倍，較優選地30-100倍之較高亮度。本發明人所使用之訂製光源可於圖9中看見。
圖9中，上方顯示原型中所使用之光源其中總共96個高功率LED光源係配置在一矩形矩陣內。下方所顯示者係預設而內建於電腦中之光源。估計新光源大約比電腦之原始光源強大100倍。
當整合在一起時，一工作週期(在習知裝置中未被仰賴之一參數)之正確選擇以及高強度脈衝(在習知裝置中亦未被仰賴)之使用容許在一強烈日照之環境中觀看視頻螢幕，而不致引進較高能量損耗之代價。
習知裝置並未聚焦在此二個參數(工作週期、脈衝強度)上。因此習知方案僅僅係將一快門閘控式周圍光線減少之作法複製達到先前US 2012/0194657 A1所報導之相同細微程度。特別地，習知裝置無法容許在一強烈日照之環境中觀看高對比之視頻螢幕。
本發明所達成之一進一步優點為系統之發光裝置可縮小尺寸。特定地，作為一LED型發光裝置之部分之散熱片可基於時間平均強度與能量損耗可減少之事實而可在尺寸上減少。通常，當產生高強度之光線時，熱量產生可能係一主要令人關心之事。此可能對光源本身、電子裝置以及系統之光學元件造成問題。此外，當穿戴一頭部安裝式裝置時，熱量之超額產生可能造成不舒適且甚至傷害一使用者。因為此處所說明之本發明損耗較少能量，所以熱量之產生亦可減少。於本發明之特定實施例中，此可容許系統縮小尺寸，特別係有關於電池、熱量管理硬體、以及光源之實際尺寸。
依據本發明，本系統進一步包含 一光電轉換裝置。此意為可能係，例如，將周圍光線轉換成電能之一太陽能電池。此能量接著係饋入至本系統。該能量可直接饋入至發射裝置，然而該能量亦可用以驅動CPU、一記憶體裝置、等。另一選項係將能量儲存至系統中，如下文將進一步探究者。假設由於僅需以一部分時間驅動螢幕而導致該螢幕之能量損耗大幅減少，則使用此一太陽能電池以供電本系統即成為可能而無需使用超大型太陽能電池。
本發明人確認先前所述之技術，除了改良之對比以外，具有能量顯著減少之一潛力。本發明人進一步確認此種能量損耗之減少為一膝上型電腦開啟一扇門而該膝上型電腦可藉著太陽能電池適當地加以驅動，而此舉到目前為止仍不實用。
此處認知的是使用較戶外操作週期更長之太陽能充電週期之一策略，可藉著使用較光電轉換裝置曝露在周圍光線時之時間更短之發射裝置之操作時間而被普遍化。
特別地，如前所述藉著以一細微工作週期閃控螢幕中之光源以及向使用者之眼睛經由快門鏡片選擇式閘控此類影像之作法，有可能使用本技術以向使用者僅僅顯示短暫影像。值此期間，可達到高螢幕強度，而該強度，作為一實例而言，可具有較一膝上型電腦螢幕將被操作之通常強度高出20倍之一強度，導致，例如，一10.000 lx之峰值亮度，而該亮度現在導致螢幕之感知亮度，甚至更高之數值是可行的。
重要地，由於較低之能量損耗，曝露於陽光下不再是使用本系統以顯示資訊之一項缺點。相反地，此導致一較高之能量產量，而該能量產量可高到足以在一能量儲存裝置中具有能量之一正向淨儲存。
因此本系統優選地進一步包含一能量儲存裝置。此一裝置可為一或多個可充電電池之一配置。該裝置亦可包含一或多個電容器。此能量儲存裝置係配置以供應能量至射出裝置。此一能量儲存裝置可充作高強度峰值發射間之一緩衝器且亦可用以補償周圍光線強度中之波動。
優選的是能量儲存裝置包含至少一第一與一第二能量儲存組件。此類能量儲存組件可為可充電電池。然而，它們亦可為電容器。本系統可如此配置因此第一與第二能量儲存組件中之一組件充電同時各別之另一組件供應能量至發射裝置。本系統係配置以調換第一與第二能量儲存組件因此先前被充電之各別能量儲存組件現在係用以供應一能量至射出裝置同時各別之另一能量儲存組件則被充電。操作能量儲存裝置之此種方式係視為有利的，此因充電操作具有一大約恆定或至少緩慢變化之電壓，而此對有效率充電一電池而言係有利的。對照而言，由於操作射出裝置之脈衝方式，供應能量至射出裝置之能量儲存組件可能經歷有點不穩定之電壓。假設吾人試圖充電能量儲存組件而，同時，供應能量至射出裝置，則充電效能將會受到不利地影響。有利的是假設此種波動於充電能量儲存組件時並不存在。供充電電池用之電流亦可用以驅動CPU。此係有利的因為如此產生之電流，相較於來自用以驅動發射裝置之另一電池之電流而言，可能具有降低之雜訊。
優選的是光電轉換裝置包含一太陽能電池而該太陽能電池具有曝露於周圍光線之一面積而該面積落入50 cm²至5000 cm²，優選地係200至2000 cm²以及更優選地係400至1200 cm²之範圍內。此類面積導致一太陽能電池及一光電轉換裝置，相較於習知解決方案，可易於被攜帶且尺寸被顯著地減少。
於本發明之一優選變異裝置中，發射裝置之工作週期係優選地少於或等於1/20，較優選地少於或等於1/100，以及更優選地少於或等於1/250。此類工作週期改善觀看經驗更多。
優選的是發射裝置係配置以達到大於1，優選地大於以及較優選地大於10之一周圍對比比例。該周圍對比比例係定義在Light: Science & Applications (2018) 7, 17168中之H.-W. Chen等人之文獻“Liquid crystal display and organic light-emitting diode display: present status and future perspectives”中。此一發射裝置導致光線及螢幕之一高可見度。
優選的是發射裝置係如此配置因此低值之強度係少於高位準強度之強度之20%，優選地少於10%，其中更優選地，當該發射裝置被設定以發射強度之低值之光線時係沒有光線被發射。此確保強度之高位準與低位準之間有一顯著差異。
本系統係如此配置因此發射裝置之電力損耗係少於光電轉換裝置所致之電力產量。其係優選地少於光電轉換裝置所致之電力產量之90%，較優選地少於70%以及更優選地少於50%。此容許充電一電池同時操作本系統。
優選的是本系統係一可攜式電腦系統之部分，而該可攜式電腦系統係使用本發明之一特別有利之方式。
於該背景中，優選的是假設可攜式電腦包含具有一前側與後側之一螢幕。前側包含關於螢幕之顯示區域之發射裝置。螢幕之後側包含光電轉換裝置。此一配置係特別地節省空間。光電轉換裝置優選地涵蓋螢幕之後側之面積之70%以上以及較優選地介於90%至100%之間。具有此一空間使用係特別地有效率。
亦為優選的是光電轉換裝置係提供以自可攜式電腦翻折出來或滑動出來。此為存放光電轉換裝置一特別有效率之方式。
替代地，光電轉換裝置係一組件而該組件係自可攜式電腦系統之其餘組件分離且該組件可自該等組件分離而沒有使用一工具。例如，可僅僅使用一插塞件而被嵌入並可藉著一纜線而被連接至可攜式電腦系統。此容許一高度之彈性。
亦有可能使用一雷射投影器及/或一視頻投影器充作發射裝置以實施本系統。另在此類系統中，先前所提及之優點係存在的。
依據另一優選配置，發射裝置及光電轉換裝置係併入一平板電腦內。發射裝置可為平板電腦之螢幕，以及光電轉換裝置可配置在該螢幕後側以便將前側入射之光線轉換成電能，或該光電轉換裝置可配置在該平板電腦之後側上以便將該平板電腦背側入射之光線轉換成電能。
圖式之詳細說明
圖1係顯示一習知裝置之一圖式。一太陽能面板106係連接至一電子裝置(膝上型電腦)102且提供能量至該電子裝置。此外，一電力接頭104係連接以提供補充能量。然而，考慮到膝上型電腦螢幕之電力損耗，將預期的是一太陽能面板106將需極為大型以供電該電子裝置102。
圖2顯示，示意地，本發明之一第一實施例。一光源12係提供以便照亮一LCD矩陣13。此一光源12可為一電腦螢幕之LED背光。一驅動器14b係連接至光源12而該驅動器，依序，係連接至一功能產生器15。此功能產生器15係連接至一第二驅動器14a而該第二驅動器，依序，係連接至快門鏡片16。一觀察者18觀看影像而該影像係由發射通過LCD矩陣13之光線11’之光源12所產生者。值得注意者，一周圍光源10(例如，太陽)亦存在且發射光線11。
快門鏡片16係配置以介於一高透明度狀態與低透明度狀態之間週期式變化，如圖3中所示。此處，圖3b)顯示光源12之強度隨著時間變化。快門鏡片16係隨著此強度變化同步化，如圖3c)中所示，其中標記”開啟”係指快門鏡片具有一高透明度以及其中標記”關閉”係指快門鏡片具有一低透明度。對照於該情況，周圍光源10所發射之光線係恆定地處於相同位準(參看圖3a))。藉著僅僅在快門鏡片16具有一高透明度時之該等時間週期期間為光源12所發射之光線11’ 選擇式開啟快門鏡片16之作法，此光線11’被觀察者18選擇式感知。因為人類眼睛通常僅感知平均光線強度，亦因光源所發射之光線，於光線以一高強度發射時之該等時間週期期間，係至少如同周圍光線一樣明亮或甚至較周圍光線更為明亮，光源12所發射之光線因此被主要地觀察。因此，所感知之影像對比被增加且即使在高周圍強度之環境下也足以致能令人滿意之一螢幕視覺。我們也注意到使用供第一驅動器14b與第二驅動器14a用之一共用功能產生器15可使快門鏡片16與光源12之同步化更易於實施。我們亦注意到圖3c)中，時間週期係以Ton與Toff加以指示而該等Ton與Toff顯示當快門鏡片具有一高透明度(Ton)時與當快門鏡片具有一低透明度(Toff)時之時間週期。於此背景下，工作週期T可被定義為Ton /(Ton + Toff)。Ton為100 µs，以及Toff為 0.00990 s，導致一100之理論性對比強化。
一光電轉換元件(太陽能電池)17係連接至光源12。來自周圍光源10之光線衝擊至光電轉換元件17上且產生能量。該能量係供應至一能量儲存裝置19而能量可儲存於該裝置內。此能量接著係用以驅動發射裝置12且係供應至本系統之其他組件。
圖4顯示使用一原型系統所獲得之結果。在左側視圖中，吾人看見於一家用環境中本發明人之膝上型電腦之一正常視圖(亦即，無本發明之技術)。當膝上型電腦之螢幕可被看見時，亦可注意的是對比並未特別地高。此外，可易於注意的是周圍光線更為明亮。在該影像之右手側中，使用所主張之發明以顯示同樣之環境。可注意的是周圍光線係昏暗至一顯著程度以及此外，電腦螢幕上之對比高出很多。亦即，藉著選擇式”遮蔽”周圍光線及選擇式”閘控”膝上型電腦光線，吾人達成影像之一較高對比以在一膝上型電腦螢幕上被看見。在此類案例中，螢幕可充作眼鏡之一”從屬”之用。
圖5顯示依據本發明之一膝上型電腦之一照片。如可被看見者，膝上型電腦之後側已以一光伏打面板覆蓋而該面板具有大約與該後側相同之尺寸。
此亦可由圖6看見其中顯示膝上型電腦之前側。再次，可確認的是太陽能面板所覆蓋之面積係大約與膝上型電腦螢幕之面積相同。
圖7a)與b)示意地顯示當曝露在陽光下之環境中使用時，膝上型電腦之電力損耗為陽光亮度之一函數。該等圖式係依據吾人將調整膝上型電腦螢幕之亮度以便具有一足夠對比之假設所獲得。
我們將首先考慮圖7a)。水平、虛線代表膝上型電腦組件之強度獨立之電力損耗。此可為，例如，硬式驅動機、CPU、Wi-Fi接頭、等之電力損耗。此電力損耗對陽光之遞增亮度而言係恆定的，因為無論周圍光線有多少此種電力都會被損耗。
具有參考號碼I之斜線代表太陽能電力產量。清楚的是此產量大約隨著陽光之亮度而線性式增加且對無陽光而言，不產生電力。
線III顯示此螢幕光源之電力損耗為陽光強度之一函數。理解的是陽光愈亮，螢幕就需要愈亮以便提供一可接受之對比。又此電力耗損大約與陽光之亮度成比例。最後，線II顯示整體而言膝上型電腦之淨電力耗損，其中太陽能電池所產生之能量被納入考慮，因此顯示其餘之淨能量需求。如由此示意圖可看見者，太陽能面板所產生之電力係顯著地少於線III所損耗及說明之電力，因此導致之淨電力損耗仍為正向且隨著遞增之亮度而增加。
圖7b)顯示依據本發明之一膝上型電腦之電力損耗。此處，所使用之記號亦於圖7b)中使用，加上一(‘)以代表差異。再次，太陽能電池之產量大約隨著陽光之亮度而線性式增加，如線I’(該線應與圖7a)中之線I相同)所確認者。然而，螢幕之能量損耗係顯著地減少因為該螢幕之光源僅需以一部分時間操作(參看線III’)。設若其他組件之電力損耗大約係恆定的，如虛線所指示者，淨電力損耗(線II’)係減少且顯示一負向斜率。特別地，該線II’自一定點A開始變成負向。據此，關於依據本發明之一膝上型電腦，當在戶外操作該膝上型電腦時甚至可產生能量。
圖8示意地顯示螢幕之電力損耗隨著亮度位準而增加。
現在說明圖5與圖6中所顯示原型之操作。本原型係一標準膝上型PC其中螢幕已被改良且搭配光電組件以便僅僅以一特定重複率自螢幕發光。具有與螢幕同步化之一透明度之Goggles係由一使用者穿戴。一250 Hz之重複率係供螢幕使用以避免可注意到之閃爍。
接下來之情況是光源僅僅在光線發射之持續時間之期間內損耗電力而為了該光線發射我們使用例如250 Hz之一重複率，連同1/40之一工作週期，意即0.1 ms之一開啟時間。藉著例如較通常明亮20x之一足夠光源，峰值電力損耗亦將較之前多出20x。然而，因為工作週期係1/40，螢幕之平均時間之能量損耗將減少一半。換言之，相較於傳統式操作一膝上型電腦之情況，以一減少之能量損耗，感知螢幕對比較之前高出20x。替代地，藉著相較於正常使用增加5倍之峰值強度，螢幕之電池損耗甚至將減少8 fold。
曾測試此一膝上型電腦是否可在陽光下使用。發現對比係令人滿意的，如亦可由圖4看見，該圖顯示使用不具一搭配之太陽能面板之原型所獲得之照片。另外，使用者現在可受益於強烈之周圍陽光。特別地，周圍之光線強度貫穿整個工作週期均可獲得且可用以充電膝上型電腦之電池，因此具有例如20 cm x30 cm尺寸之一膝上型電腦尺寸之太陽能面板甚至可足以(過度-)補償螢幕光源之整體電力損耗。
此亦可由所製作之原型獲得確認。當使用該原型時，發明人發現大約此類尺寸之一太陽能面板(比較圖7)足以產生較膝上型電腦之光源所損耗者更多之電力。特別地，本發明人將此太陽能面板經由一最大-電力-定點-追蹤(MPPT)之電力-轉換器連接至驅動膝上型電腦之螢幕光線之若干電池以充電該等電池同時操作該螢幕。依此方式，本發明人發現在非常相同之環境中3.4±0.5瓦特之電力足以操作光源且可舒適地觀看螢幕其中安置在膝上型電腦之背側之一太陽能面板產生4.8-5.2瓦特之太陽能電力(全部以線內電錶加以量測如圖6中所看見者)。觀念之此種證明顯示，儘管是一次佳設計，且儘管使用一相當老舊且有些不足之電腦，螢幕背側上之太陽能電池可用以補償螢幕光源之能量損耗，且甚至提供某些超額能量。因此所顯示的是太陽能面板產生足夠能量以驅動螢幕同時亦具有大約1W之剩餘能量。此將足以驅動現代、節能電子裝置類同一電腦以及因此顯示本原型將可延伸為一單獨式膝上型電腦。
此顯示突然地，小型太陽能電池所互補之膝上型電腦之電池壽命在明亮中操作裝置時，相較於較昏暗之環境，可增加。此意為攜帶一膝上型電腦由陰影中之一位置至曝露於直接陽光之一位置時可延長電池壽命而不致妥協影像對比。
本發明人進一步考慮此是否將容許吾人在一明亮海灘上於一膝上型電腦中觀看一電影同時完全地仰賴太陽能以驅動該膝上型電腦。
首先，下列數字應適合表達一明亮環境中之膝上型電腦螢幕之上升能量損耗與該膝上型電腦之其餘組件之能量損耗的比例關係。一通常之膝上型電腦(亦即，Macbook air 2018)據報導係具有50.3Wh之一電池容量，藉著該容量，視使用而定，該膝上型電腦依據Apple所言可運作高達12小時。此意為此時間期間之平均電力損耗約為4.2瓦特。於正常(辦公室)使用時，此電力耗損中之1-2瓦特將由螢幕使用，且此損耗之最高部分係供該螢幕之照明之用。
此外，Lenovo Thinkpad model 410s具有一內建之4瓦特LED光源。類似地， 據報導3.5瓦特之電力損耗係供較老舊世代之膝上型電腦之用。此意為，假設不是其電力損耗之大部分，正常膝上型電腦也使用一顯著部分以操作螢幕內之光源，特別係在試圖經由明亮環境中之強度調整以產生良好對比時。特別地，當自德國典型地具有500 lx之一推薦發光度之一室內辦公室，轉換至戶外時可能需要增加螢幕亮度10-fold或更多，以便達成一既定期望之對比。然而此將導致無法由一太陽能面板補償之能量成本。作為一項參考，具有32 x 22 cm2 之尺寸之一面板將產生高達10瓦特之電能(參考1000 瓦特/m2 之一最大陽光強度)。當依據習知技藝測試附接至一膝上型電腦螢幕之面板時，所獲得之5瓦特之電能遠不及在正常觀看條件下產生一訴求之周圍對比比例。
僅以發射脈衝光線之技術作為互補，螢幕光源之電力損耗顯著地下降。作為一實例，該技術可用以獲得10 fold之一感知亮度(對比)提升，同時相較於標準(室內)使用甚至減少螢幕之能量損耗4 fold。
此電力平衡對一特定實例而言係有效的，然而當考慮戶外操作之膝上型電腦之淨電力平衡時，其含意通常可被理解。圖7中之圖式將一傳統式太陽能膝上型電腦之戶外使用與日蝕之膝上型電腦作比較。如吾人可看見者，藉著減少螢幕能量損耗達1/40x之一工作週期，意為下降至2.5%，淨電力平衡有利地隨著遞增之陽光強度而增加，即使對一固定之周圍對比比例而言亦然。此意為藉著一等同於膝上型電腦尺寸之一太陽能電池，電池在使用該膝上型電腦時可被充電。
此容許在海灘觀看電影時充電一膝上型電腦嗎？此端視膝上型電腦需要多少能量以操作其他組件而定。我們已於上文說明曾設法以本原型獲得一合宜之周圍對比比例。考慮到本原型係以遠不及最佳之方式操作(作為一實例，一重要箔片被移除，而該箔片反反射(back-reflect)非-LCD-傳輸光線且藉此減少能量損耗典型地＞25%)，尚有很大的改良空間且清楚地能量損耗可被減少一顯著部分，因此非常可靠地1瓦特以上之電能仍得以供電其他組件。如可由iphone 7之網站得知者，該手機容許以一11.1Wh之電池觀看高達13小時之視頻，1瓦特之電力係足以操作硬體以傳送一高解析視頻信號至一螢幕。綜上所述，此處所提出之系統經由螢幕尺寸之太陽能面板致能充電膝上型電腦同時操作該等膝上型電腦。
10:周圍光源 11,11’:光線 12:光源 13:LCD矩陣 14a:第二驅動器 14b:第一驅動器 15:功能產生器 16:快門鏡片 17:光電轉換元件 18:觀察者 19:能量儲存裝置 102:電子裝置 104:電力接頭 106:太陽能面板
圖1顯示取自US 2013/0290743 A1之一習知設計。 圖2係依據本發明之一系統之一示意圖。 圖3顯示選擇式觀看裝置與發射裝置之計時同步化。 圖4顯示一習知膝上型電腦與依據本發明之一膝上型電腦之一比較視圖。 圖5及圖6顯示依據本發明之膝上型電腦之視圖。 圖7顯示習知裝置與依據本發明之裝置之電力損耗之圖式。 圖8顯示膝上型電腦螢幕之電力損耗為亮度位準之一函數。 圖9顯示習知光源(下方)與本發明中所使用之光源(上方)。
10:周圍光源
11,11’:光線
12:光源
13:LCD矩陣
14a:第二驅動器
14b:第一驅動器
15:功能產生器
16:快門鏡片
17:光電轉換元件
18:觀察者
19:能量儲存裝置

Claims (14)

  1. 一種顯示資訊之系統，其包含： 一發射裝置，其係配置以發射光線以便向一使用者顯示資訊，該發射裝置係適用於以一脈衝方式發射該光線，因此該光線之強度介於一高值與一低值之間變化， 一選擇式觀看裝置，其包含一面板，該面板被調適因此該使用者可觀看由該發射裝置發射之通過該面板之該光線，以便視覺式感知被顯示之該資訊，該面板具有一可變透明度而該透明度係可介於一高透明度狀態與一低透明度狀態之間變化， 該系統係適用於同步化該發射裝置與該選擇式觀看裝置，因此發射一高強度值之光線之該發射裝置之該等狀態與高透明度之該選擇式觀看裝置之該面板之該等狀態在時間上重疊， 該系統進一步包含一光電轉換裝置，其係配置以將周圍光線轉換成被饋入至該系統內之電能。
  2. 如請求項1之系統，其進一步包含一能量儲存裝置，其係配置以供應用以驅動該發射裝置之能量，該光電轉換裝置所產生之該能量係用以儲存能量至該能量儲存裝置內。
  3. 如請求項2之系統，其中該能量儲存裝置包含至少一第一與一第二能量儲存組件，該系統係如此配置因此該第一與該第二能量儲存組件中之一組件被充電同時該各別之另一組件供應能量至該發射裝置，該系統係配置以調換該第一與該第二能量儲存裝置，因此先前被充電之該各別能量儲存組件現在係用以供應能量至該發射裝置同時該各別之另一能量儲存組件被充電。
  4. 如前述請求項1至3中之一項之系統，該光電轉換裝置包含一太陽能電池，其具有一曝露至周圍光線之一面積而該面積落入由50 cm² 至5000 cm²，優選地200至2000 cm²，較優選地400至1200 cm²之範圍內。
  5. 如前述請求項1至4中之一項之系統，該發射裝置具有少於或等於1/20，優選地少於或等於1/100以及更優選地少於或等於1/250之一工作週期，其中該選擇式觀看裝置之該面板係組配而以基本上該相同之工作週期操作。
  6. 如前述請求項1至5中之一項之系統，其中該發射裝置係如此配置因此達到大於1，優選地大於4，更優選地大於10之一周圍對比比例。
  7. 如前述請求項1至6中之一項之系統，該發射裝置係如此配置因此該低值之該強度係少於該高位準強度之該強度之20%，優選地少於10%，其中更優選地，當該發射裝置係設定以發射該強度之該低值之光線時係沒有光線被發射。
  8. 如前述請求項1至7中之一項之系統，該系統係如此配置因此該發射裝置之該電力損耗係少於該光電轉換裝置之該電力產量，其中該電力損耗優選地係少於該光電轉換裝置之該電力產量之90%，較優選地少於70%以及更優選地少於50%。
  9. 一種可攜式電腦系統，其包含依據前述請求項1至8中之一項之該系統。
  10. 如請求項9之可攜式電腦系統，該可攜式電腦包含具有一前側與一後側之一螢幕，該前側包含充作顯示區域之該發射裝置，該螢幕之該後側包含該光電轉換裝置， 其中該光線轉換裝置優選地涵蓋該螢幕之該後側之該面積之70%以上以及較優選地介於90%至100%之間 。
  11. 如請求項9之可攜式電腦系統，其中該光電轉換裝置係提供以便自該可攜式電腦翻折出來。
  12. 如請求項9之可攜式電腦系統，其中該光電轉換裝置係與該可攜式電腦系統之其餘組件分離的一組件且其中該組件可在未使用一工具的情況下自該等組件分離。
  13. 如請求項1至8中之一項之系統，該發射裝置係一雷射投影機及/或一視頻投影機。
  14. 如請求項1至8中之一項之系統，該發射裝置與該光電轉換裝置係併入至一平板電腦內。
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