管理窄带原色显示系统中的同色异谱效应的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在2011年7月11日提交的美国临时申请第61/506,549号 的优先权，其整体内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及显示系统，更具体地，涉及可以使用窄带发光的显示系统， 包括投影仪系统和直视系统等。

背景技术

典型地，显示系统根据三个或更多个原色生成图像。一些光源（例如， 特别地LED、OLED、激光器）仅能够产生窄范围的波长。将从分离的 光源（或光源组）发射每个原色。来自系统中的所有光源的光可以按变化 的数量混合以生成原色的色域内的任何颜色（例如，通过使用格拉斯曼相 加法则）。

在特性上，激光器和LED/OLED具有中心频率（或者反之，中心波 长）周围的非常窄的光谱，因此所产生的有色光仅包含基本上非常准确的 颜色。

人类均略微不同地观看颜色，即不同的人对于红色、绿色和蓝色的某 些色调较为敏感。可以认为人具有嵌入在眼睛中的滤色器，该滤色器随着 年龄而略微发黄。因此，当两个观察者注视相同的、红色（或者其他颜色） 的极为特定的色调时，它们可能报告相对于在周围环境中观察到的其他颜 色的不同的强度。

该效应可以通过窄谱光源生成的颜色而复合。对于包括窄带原色的显 示系统，两个观察者可能因视锥细胞波长灵敏度的略微变化而感知不同的 投影颜色。该效应常被称为“同色异谱故障”，并且对于包括窄谱光源的 显示系统的设计人员不是理想的。

发明内容

这里公开了显示系统及其制造和使用方法的若干实施例。这些显示系 统可以涵盖所有显示方式，例如，投影仪系统、直视系统等。

在一个实施例中，公开了一种投影仪系统，其被设计成根据多个原色 发射光。对于至少一个这样的原色，该投影仪系统进一步包括大致在该原 色的单个波长或频率周围编组的多个窄带发射器。较之通过在同一原色周 围随机选择发射器所实现的情况，有意地选择多个窄带发射器以共同地提 供略宽的波长或频率带。

在另一实施例中，公开了一种直视显示器，其被设计成根据多个原色 发射光。对于至少一个这样的原色，该投影仪系统进一步包括大致在该原 色的单个波长或频率周围编组的多个窄带发射器。较之通过在同一原色周 围随机选择发射器所实现的情况，有意地选择多个窄带发射器以共同地提 供略宽的波长或频率带。

在又一实施例中，包括如所述的有意地选择的多个窄带发射器的显示 系统可以通过如下方式被使用，当显示图像中的在显示系统的色域的边缘 附近的颜色时，接通该多个窄带发射器的所选择的子集。

当结合本申请中呈现的附图进行阅读时，下文在详细描述中呈现了本 系统的其他特征和优点。

附图说明

在附图中图示了示例性实施例。这里公开的实施例和附图应被视为说 明性的而非限制性的。

图1A和1B示出了使用多个窄带发射器提供至少一个原色的投影仪 系统的两个替选实施例。

图2A示出了关于一个示例性窄带发射器的对比谱频率分布的功率。

图2B示出了关于以原色为中心的基本上随机的窄带发射器的集合的 对比谱频率分布的功率。

图3示出了关于在一个原色周围基本上均等地分布并且具有足够的 数目以便实现该原色周围的期望的频带的多个窄带发射器的对比谱频率 分布的功率。

图4A示出了包括窄带发射器底板和漫射器的直视显示系统的一个实 施例。

图4B和4C示出了可以包括直视显示系统的照明底板的窄带发射器 的封装的两个实施例。

图5A和5B示出了由窄带发射器从底板发射到液晶阵列的透射光的 两个实施例。

图6示出了传统的CIE色品图内部的显示系统的色域的一个实施例。

图7示出了用于驱动窄带发射器的系统的一个实施例的框图。

图8A-8C示出了有选择地接通窄带发射器的一个实施例。

具体实施方式

在以下描述通篇中，阐述了具体细节以便向本领域技术人员提供更透 彻的理解。然而，公知元件可能未被详细示出或描述，以避免不必要地使 本公开内容模糊。因此，描述和附图将被视为说明性的而非限制性的。 一个实施例-投影仪系统

图1A示出了投影仪系统100的一个实施例，其包括在至少一个原色 周围编组的多个窄带（NB）发射器（102a、102b、102c）。投影仪系统100 可以具有用于向观看者提供全色域的许多原色，并且对于投影仪系统理想 都是，对于被设计到该投影仪系统中的每个原色，具有如这里描述的被有 意地选择的多个窄带发射器，但是出于本申请的目的，仅存在一个原色是 足够的，对于该原色存在有意地选择的多个窄带发射器。

投影仪系统的设计人员有若干原因可能使用在给定的原色周围的多 个发射器，例如增加投影图像的亮度用于满足如电影院中的视觉体验。例 如，现代显示系统由于3D电影的激增（眼镜使光衰减）、更大的屏幕（减 少单位面积的平均光）以及使屏幕上的图像更艳丽的需要而具有附加的增 加亮度的需求。激光投影仪可以针对每个原色使用多个激光器以经济地增 加由投影仪输出的光量并且因此使投影图像明亮。

在激光投影仪系统的情况下，另一原因可能是减少伴随激光器产生的 光的斑纹干涉的影响。在LED背光显示器的情况下，常常存在表示每个 原色的空间分布的许多LED。

假设每个发射器102a、102b和102c基本上在单个原色（及其特性波 长或频率）周围发射并且假设对于设计到投影仪系统中的其他原色可能存 在其他发射光的发射器（未示出），根据系统设计人员的命令，来自这些 发射器中的每个的光可能通过可选的积分球104来组合成光径，并且被发 送到光径106中，该光径106可以包括许多透镜或其他光学元件（未示出）。 由于可以被设计到投影仪系统中，光可以被发送到DLP反射器108的集 合并且随后显示在屏幕110上，以向例如，电影院、家庭投影仪系统等的 多种设定中的观看者的集合呈现图像。

将认识到，可以设计许多不同类型的投影仪系统，其针对至少一个原 色使用多个窄带发射器，并且本申请的范围不限于一个这样的投影仪系统 的记载。事实上，其他适用的投影仪系统可以是背投影仪、正投影仪等。

图1B示出了如图1A中所示的投影仪系统100的另一替选实施例。 在该实施例中，液晶谐振腔（LC腔）103a、103b、103c被置于从窄带发 射器102a、102b和102c发出并且到达积分球104的光的路径中。示出了 控制器105，其向每个这样的LC腔发送控制信号（例如，电压信号）。 如公知的，LC腔具有诸如偏振改变的某些特性，其接着可以使激光波长 根据施加的电压而移位。控制器105还可以包括用于允许显示系统的校准 的适当的硬件、固件和/或软件。此外，控制器105可以包含用于确定图 像数据内容和特性（例如，色品、色饱和度、亮度等）的适当的硬件、固 件和/或软件。

如下文进一步讨论的，这些波长调制可以允许投影仪系统的设计人员 具有对用于图像渲染的许多变量的控制。例如，来自NB发射器的光的频 率可以被LC腔调制以具有彼此之间的更准确的并且均匀的谱间距。此 外，LC腔调制可以动态地变更NB发射器光的间距以控制共同来自多个 NB发射器的光的带宽。

如图1B中所示，LC腔可以具有施加到它们的分离的电压，这由校 准系统或由显示渲染算法控制。对于校准系统方法，可以测量所安装的发 射器的中心波长，并且随后以固定的方式施加电压以便根据使同色异谱效 应最小的目的来展开发射器波长。

当在显示渲染算法的控制下，基于图像内容确定电压。如果不存在相 当大的高度饱和的内容量，则可以将电压设定成使中心波长分散展开以减 少同色异谱效应。相反，如果存在相当少的不饱和内容或没有不饱和内容， 则可以施加电压使得它们被移位以尽可能接近在一起。如下文将参照图6 进一步讨论的，这可以实现较宽的色域，并且如果没有不饱和内容，则由 于人类视觉系统（HVS）具有关于饱和颜色的失真的升高的阈值，因此同 色异谱问题是不太值得注意的。

尽管图1B公开了用于调谐光频率和/或波长以便控制窄带发射器的 间距（用于校准或图像渲染）的一个实施例（即LC腔），但是将认识到， 存在用于调谐这些窄带发射器的波长的若干其他已知的装置和技术。例 如，光学参数振荡（OPO）、非线性晶体的使用、压电晶振、以及染色可 调激光器的使用的技术都是出于本申请的目的的调谐窄带发射器的光的 适当的装置和方法。本申请的范围涵盖所有以上和其他已知的装置和方 法。广泛地，出于本申请的目的，这些已知的技术可被称为“波长调谐器”。

图2A示出了关于诸如激光器、LED或OLED发射器的单窄带发射 器的对比谱频率的功率的映射。如图可见，功率基本上在单个频率f0处呈 现尖锐的峰。在激光器的情况下，当前的激光器制造技术和操作条件产生 了中心频率在容限范围内不同于理想频率的激光器，即所有激光器并非完 全相同，而是它们均落在统计可预测的组内。因此当一种颜色的若干激光 器被编组在一起时，它们将具有生成不均匀的谱的束中心的随机分布。对 于LED和OLED发射器，情况基本上相同。

图2B示出了关于多个单窄带发射器的对比谱频率的功率的映射，其 中每个发射器被构造成与单个原色一致（例如，650nm波长处的红色）。 每个发射器可以具有相对650nm的略微变化，所得到的相对谱频率的功 率的映射将是不规则的（如图所示）并且较之单窄带展开的情况，频带略 大。

如果有意地选择多个单窄带发射器，则可以实现更宽并且更均匀和/ 或规则的发射带。图3示出了多个有意选择的窄带发射器（如，在例如中 心频率（f₀,f₁，...,f_n）处发射的{e₁,e₂，...e_n}），在该实施例中，每个发射器 可以基本上均匀地隔开并且以足够的数目给出以足以提供跨越所呈现的 期望的谱带的基本上均匀的功率分布。在一个实施例中，较之任何其他相 邻的发射器对，每个相邻的发射器对{e_i,e_j}可以具有基本上相同的谱距离。

在另一实施例中，发射器的数目可以由带的谱距离d₁除以发射器的 基本上规则的间距来确定。对于仅示例性的实施例，谱宽度或距离d₁可 以包括18-33nm的范围。其他实施例可以具有关于不同的原色的不同的 谱宽度，例如，关于红色的18nm，关于蓝色的25nm以及关于绿色的 33nm。根据这些（和其他）原色可能呈现的同色异谱效应的量，这些宽 度可以变化。此外，该宽度可以取决于关于给定显示系统的应用类型，例 如用于电影院的激光投影仪、用于家庭的激光投影仪或LED直视装置等。

使用这样的多个窄带发射器允许用于每个原色生成的较宽的谱。由于 较宽的谱，具有略微不同的视锥细胞灵敏度的观察者不会对来自投影系统 的感知颜色发生分歧，因此避免了同色异谱故障。

在一个实施例中，通过使用有效分级（binning）技术（例如，测试 所制造的激光器或LED并且基于所发射的频率对它们进行编组）可以在 生产厂家中选择这些多个窄带发射器。尽管这可能趋向于使原色朝向远离 谱轨迹的中性点移位，并且因此可能引起色域的减少，但是该技术允许各 个同色异谱变化下的色域和稳定性之间的细致的权衡。

第二实施例-直视显示系统

相同的原理可以应用于LED背光LCD显示器和OLED显示器，其 中可以（例如，从生产级中）选择LED以生成更宽的原色谱。在该情况 下，背光上的LED将具有在设置期间所考虑的波长级以确保地理区域不 会缺乏某些波长。在直视OLED应用中，每个三个组像素的原色将跨越 屏幕一致地变化，使得当多个像素显示颜色时，将保证较宽的谱。

对于另一实施例，图4A示出了LCD直视显示器400的简化视图。 显示器400可以被广义地解释为具有LED底板402，进一步包括单独设 置的或者按封装（诸如封装406）设置的LED。除了LED底板402之外， 实现局部调光特征的较新的LCD显示器可以进一步包括漫射器404以便 创建较好的混色并且避免照明“热点”，通过液晶层（未示出）可见。

图4B示出了LED封装406a的一个实施例，在该情况下，一个封装 由两个绿色发射器、一个红色发射器和一个蓝色发射器构成。如果这些封 装充分密集地遍布底板402在板上组装，则多个单独选择的发射器的有效 分布可以提供针对如上文所述的同色异谱故障的少量保护。在另一实施例 中，图4C示出了一个封装406b，其中在封装406b中设置了多个窄带发 射器，例如R1、R2、R3和R4。

图5A示出了LED 502的交互，一个这样的LED 502发射的光506， 漫射器506的更详细的细节，以及得到的点扩散函数（PSF），其随后图 示了在空间上被定位以接收照明的LCD子像素组（未示出）。

图5B中示出了向空间定位的子像素提供照明的另一已知方式。LED （或其他窄带发射器）502的组被编组到瓦式（tile）波导510的一侧。当 来自一个发射器502的照明504与瓦式波导510耦合时，示出了得到的照 明512。如图可见，较之漫射器给出的PSF，照明512更均匀地并且更规 则地空间分送到局部LCD子像素（未示出）。即使在该情形下，显示系统 的一个实施例可以包括多个窄带发射器，出于这里讨论的原因，它们被有 意地并且均匀地分布在其谱功率曲线中。

图6示出了如这里讨论的显示系统的标准CIE色品图600和采取的 色域602。如这一个实施例中所示，每个原色R、G、B使用色域的角处 的多个窄带发射器（例如，r₁,r₂....r_n,g₁,g₂....g_n,b₁,b₂....b_n）。如果所有 窄带发射器被接通，则如例如色域604所示，色域将是较小的。当显示系 统正在操作并且渲染彩色图像时，大部分图像值将具有它们舒适地位于显 示器的色域内的某处的色品点，诸如点610。当渲染该点610时，系统可 以针对如这里讨论的效应使用多个窄带发射器的照明。应认识到，在图6 上发射器频率不一定依比例绘制，例如，发生器频率可以按照比示出的情 况更紧密的方式在原色值周围编组。此外，窄带发射器的设置可以不同于 图6中示出的情况，仅作为一个示例，绿色发射器可以被设置成更接近 CIE图的顶部。

然而，当显示系统检测到图像值（例如，点612）正在接近显示器的 色域的极限时（或者甚至可能离开色域），理想的是，显示系统仅使用一 个（或者少量的）窄带发射器来照明该图像值。例如，为了创建图像值 612，理想的是仅使用一个绿色发射器（如，对于某个j，g_j）和一个蓝色 发射器（如，对于某个i，b_i）来渲染点612的颜色值，其可以是深青色 值。

用于驱动窄带发射器的实施例

对于以上实施例，针对显示系统的至少一个原色有意地选择的窄带发 射器的集合是足以致用的。该显示系统可以以本领域中任何已知的方式驱 动这些窄带发射器。然而，给定这些实施例的设计，根据将由显示系统渲 染的图像数据，可以有机会有利地驱动这些窄带发射器。

图7示出了用于显示系统中的至少一组多个窄带发射器的驱动器的 一个实施例的框图。

驱动器输入图像数据，该图像数据在这里被示出为输入的三色组（例 如，RGB、XYZ、YCrCb等），然而，应认识到，可以扩展技术和系统 以驱动任何所需的不同原色数目的多原色系统。驱动器可以在702处计算 色饱和度半径并且在704处计算图像数据的亮度。一旦确定和/或得到了 图像数据的色饱和度半径，则驱动器可以在706处计算对于每个原色（至 少具有有意地选择的发射器的原色）足以致用的窄带发射器的数目。对于 每个NB发射器，亮度值可以是已知的，并且在针对多个发射器添加亮度 时，在710处针对通过图像数据得到、计算或以其他方式指定的亮度，比 较或测量发射器的亮度。如果光发射器的亮度对于图像数据的亮度是不足 的，则可以接通其他发射器。在接通这些发射器时，可以将它们驱动到它 们的最大亮度，或者任何其他所需的亮度值；但是在至少一个实施例中， 可以在708处在最初时针对光发射器尝试最大亮度。

然而，在操作中，驱动器可以如下进行操作：在整体原色需要升高以 获得更亮的输入原色值时，可以添加越来越多的分级原色（根据每个原色 顶点的需要）以达到所需的光水平。然而，如果出现同色异谱问题，则驱 动器可以以不同的方式进行操作。

仅作为一个示例，当原色值低（例如，暗的和中性的值）时，可能出 现同色异谱问题。在该情况下，可能期望在色度（例如色饱和度半径）增 加时，驱动器可以减少所使用的窄带发射器的数目，尽管这可能违背接通 更多的发射器以实现更高的原色亮度值的期望，例如，无论哪一个都最接 近需要高饱和度的颜色。

然而，由于原色的谱宽度的扩展，为了保持颜色不会不饱和，驱动器 可以接通较少的窄带发射器。因此，在一个实施例中，驱动器可以较强地 驱动所选择的发射器的集合。驱动器可以确定图像数据的色度（色饱和度 半径）。随后，驱动器可以确定针对该饱和度而接通的窄带发射器的数目 （例如，为了更大的色饱和度，可能使用更少的窄带发射器）。但是随后 驱动器可以检查发射器集合是否能够满足期望的图像数据的亮度。如果不 能，则驱动器可以添加更多的窄带发射器（即，在同一原色顶点位置处或 周围）。对于不饱和颜色，特别是白色，可能期望接通更多的发射器（如 果需要，以较低的幅度）以便减少同色异谱变化。

如果驱动器确定由于所选择的窄带发射器而存在足够的亮度，则驱动 器随后可以在712处根据顶点使所有窄带发射器的整体的值缩小（并且这 可以针对原色顶点中的全部来进行；即例如R个原色）以获得输入颜色。

在驱动器的另一实施例中，图8A至8C示出了用于接通窄带发射器 以实现令人满意的亮度和饱和度的期望的方式的一个实施例。在图8A中， 接通一个期望的窄带发射器（例如，802）。该期望的发射器可以是例如最 接近指定用于显示的原色的发射器。替选地，期望的发射器可以是最接近 图像数据的色品的发射器。如果对于例如亮度，期望和/或需要更多的发 射器，则图8B和8C示出了可以接通第二发射器并且随后接通第三发射 器，它们可能是第二和第三的最接近指定的原色的发射器，分别是804 和806。该过程可以继续直至实现关于图像数据的令人满意的亮度。

现已给出了连同图示本发明的原理的附图一起阅读的本发明的一个 或更多个实施例的详细描述。将认识到，结合这些实施例描述了本发明， 但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅由权利要求限定并且本发 明涵盖许多替选方案、修改方案和等效方案。在这里的描述中阐述了许多 具体细节以便提供本发明的透彻理解。这些细节是出于示例的目的而提供 的并且本发明可以根据权利要求在没有一些或所有这些具体细节的情况 下实践。为了清楚起见，本发明所涉及的技术领域中已知的技术资料未被 详细描述，使得不会不必要地使本发明模糊。