CN112634794B - 一种非栅格像素发光的显示装置及其显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种非栅格像素发光的显示装置及其显示方法，包括显示屏和投射模组。其中显示屏由荧光发光材料制成且自身去栅格和像素化物理结构，能对投射特征光进行复合强度谱处理并发出新的显示特征光；投射模组朝向显示屏传递光束，该光束在平行于显示面的光束截面内具有光能量的分立特征，且由显示屏接收光束并继承分立特征。应用本发明该技术方案，由于自身去栅格和像素化物理结构，提升了透明度并简化了显示屏的制作工艺，更易于实现大幅面和显示幅面尺寸的调节；从发光机制和显示原理上，通过设置投射激发源的光谱强度分布侧重于非可见光区域，克服了传统显示设备中透明度和成像亮度的矛盾。

Description

一种非栅格像素发光的显示装置及其显示方法

技术领域

本发明涉及一种投射式显示装置，尤其涉及一种包含发光材料且无栅格像素化的显示屏幕以及能投射分立特征光并让屏幕继承分立特征的发射系统，属于光电材料显示领域。

背景技术

随着多媒体与数字化技术的高速发展，市场上的显示产品也越来越多元化，最典型的显示屏幕类型有CRT、LCD、OLED，不透明的投影膜等。扫描和光调制方式有液晶LCD、LCOS、DLP、MEMS、振镜等技术，光源也从氙灯、UHP发展到LED、LD等固态光源。伴随激光投影、激光照明等技术和应用的兴起，采用光致激发发光和荧光发光材料的照明和成像得到了扩展应用。

传统的LED芯片是加电压电流到半导体材料上，通过电致激发半导体材料发光。而白光LED，进一步利用黄色荧光粉涂覆在基材LED发光芯片上，当基材LED芯片通过电致发光产生蓝色光后，蓝色光又激发黄色荧光粉，最终合成产生了白色光，后者是一种光致发光的过程。

激光投影机中使用的荧光色轮，也是一种光致发光的原理，光源采用紫色或蓝色激光，使激光激发荧光色轮上的黄粉或者红粉，从而产生白光或红光，再通过光路中的二向色镜进行滤光，从而得到需要的可见范围绿光、红光等。

传统的CRT显示，使用的是荧光发光屏幕，采用的激发源是电子束。在真空环境下，通过电子束的逐点逐行扫描荧光屏幕，电子激发荧光粉发光，形成图像显示。同样的还有等离子体显示器，虽然也是荧光发光屏幕，采用的却是等离子体做激发源。受激发源的约束，这两者显示屏尺寸都有边框限制。

此外，传统显示屏都是以不透明或者透明度很低的形式存在。市场上标称透明显示的产品有OLED显示、液晶背光源拉开的LCD、全息屏投影显示、透光率稍高的扩散膜投影显示。上述产品或者有栅格，或者屏幕雾度明显。

上述OLED显示和液晶背光源拉开的LCD，都是带有栅格的屏幕，其中栅格间隙和导线电极是不透明的，这种栅格屏幕的透光度受到限制。而全息屏和扩散膜则是带有微结构的屏幕，利用投射光在屏幕上的漫反射和散射原理成像显示，当这种显示屏透光率变高时，能停留在屏幕上漫反射和散射的投射光就变少，显示的亮度会变低。这是显示物理原理的限制，既要对可见光透过率高，同时又要散射或漫反射可见光才能成像显示，因此，需要在透明度和成像亮度之间做出取舍选择。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的旨在提出一种非栅格像素发光的显示装置及其显示方法，以满足透明度和成像亮度的双方面优化。

本发明实现上述目的的一个技术解决方案是，一种非栅格像素发光的显示装置，其特征在于包括：显示屏，由荧光发光材料制成且自身去栅格和像素化物理结构，能对投射特征光进行复合强度谱处理并发出新的显示特征光；以及投射模组，朝向显示屏传递光束，所述光束在平行于显示面的光束截面内具有光能量的分立特征，且由显示屏接收光束并继承分立特征。

上述非栅格像素发光的显示装置，进一步地，所述显示屏上每个显示特征单元接收投射特征光的最大立体角为2π球面度，且发射新的显示特征光的最大立体角为4π球面度。

上述非栅格像素发光的显示装置，进一步地，在任意时间点或时间段内的所述分立特征为分立或连续点状、分立或连续线段状、栅格像素状及两种以上组合，且各个分立特征具有对应独立受控的光谱强度、光谱强度调制幅度及调制频次。

上述非栅格像素发光的显示装置，进一步地，所述显示特征光的光谱强度极大值或接近极大值对应的波长与投射特征光的光谱强度极大值或接近极大值对应的波长具有10nm~550nm差异值，而且显示特征光的光谱强度极小值或接近极小值对应的波长与投射特征光的光谱强度极小值或接近极小值对应的波长具有10nm~1000nm差异值。

本发明实现上述目的的另一个技术解决方案是，一种非栅格像素发光的显示方法，其特征在于包括步骤：

由投射模组朝向显示屏传递光束，所述光束为在平行于显示面的光束截面内具有光能量的分立特征的投射特征光，且分立特征由投射模组调制；

显示屏接收光束并显示，显示屏对投射特征光进行至少包括表面反射、内部反射、部分透射、内部散射、内部吸收受激发光、指定光谱滤光的复合强度谱处理，其中内部吸收受激发光为显示屏内的荧光发光材料吸收投射特征光的部分光能量并激发辐射出新的光能量；经复合强度谱处理后，部分继承的投射特征光光谱强度与滤波留存的辐射光光谱强度相叠加，形成新的显示特征光及其光谱强度分布结构。

上述非栅格像素发光的显示方法，进一步地，新的显示特征光继承投射特征光的光谱强度分布结构，所述继承的类型为线性比例、部分线性比例或非线性比例。

上述非栅格像素发光的显示方法，进一步地，随投射模组对分立特征的调制，所述显示屏响应转换并形成新的显示特征光的时间带宽为0.2ns~800ms，且响应时间曲线具有0.1ns~400ms的上升沿陡度或下降沿陡度。

上述非栅格像素发光的显示方法，更进一步地，所述显示屏形成新的显示特征光的响应时间小于或等于投射特征光的单帧时间。

上述非栅格像素发光的显示方法，进一步地，所形成新的显示特征光的光谱强度分布通过叠加构成，其中内部吸收受激发光的第一类光谱强度分布为必须包含其中的基础，而投射特征光透射部分的第二类光谱强度分布，投射特征光被显示屏表面反射、内部反射部分的第三类光谱强度分布，以及指定光谱滤光的第四类光谱强度分布在基础上的部分叠加或全部叠加。

上述非栅格像素发光的显示方法，进一步地，所述投射特征光的光谱强度分布为：光谱强度值的范围介于极大值的0.0001%~100%，对应的光谱区间介于深紫外至近红外。

应用本发明该显示装置及其显示方法，具备突出的实质性特点和显著的进步性：由于自身去栅格和像素化物理结构，提升了透明度并简化了显示屏的制作工艺，更易于实现大幅面和显示幅面尺寸的调节；从发光机制和显示原理上，通过设置投射激发源的光谱强度分布侧重于非可见光区域，克服了传统显示设备中透明度和成像亮度的矛盾。

附图说明

图1是本发明无栅格像素化发光屏的显示装置示意图。

图2是基于图1显示装置投射模组传递分立特征与显示屏继承分立特征的实施示意图。

图3是显示屏进行复合强度谱处理及显示特征光的光谱强度分布示意图。

图4是自带滤光设置的显示屏进行复合强度谱处理的光谱强度分布示意图。

图5是显示屏对投射模组的光谱强度响应关系示意图。

图6是显示屏对投射模组调制投射特征光响应的光谱强度分布示意图。

具体实施方式

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。

为克服传统各类显示器难于在透明度和成像亮度之间做出取舍选择。本发明创新提出了一种屏幕不带栅格像素化的发光显示系统和方法。

为实现上述目的，具体涉及一种屏幕自身无栅格和像素化物理结构，能对特定入射光进行复合强度谱处理并发出新的显示特征光。此外，还带有配合显示屏的投射模组，该投射模组能传递平行于显示面的光束截面内光能量的分立特征到显示屏，显示屏能大体继承投射光的分立特征，从而使新的显示特征光呈现出像素化图像。

上述技术方案中，显示屏能对投射模组输出光进行复合强度谱处理，包括表面反射、内部反射、部分透射、内部散射、内部吸收受激发光、指定光谱滤光等处理，最后发出新的显示特征光。其中受激吸收发光，能通过内部荧光发光材料部分吸收发射模组传递的投射光能量，然后受激并辐射出新的光能量，形成光谱能量转换。投射光可能有部分在显示屏表面或内部反射、内部散射、透射，或者被光谱滤光层过滤，最后没有损失的部分投射光光谱强度、和未被过滤掉的显示屏的辐射光光谱强度产生叠加，从而形成显示屏发射出显示特征光的光谱强度分布。这种复合强度谱处理都是在常规环境下进行，包括光致发光转换过程，不需要像CRT和等离子显示那样的真空环境。因此显示屏幕无边框约束，其尺寸理论上无边界无限扩展，实际中可以通过有限无缝拼接扩展。另一方面，该新的显示特征光的光谱强度谱分布，也与显示屏自身的表面处理和内部结构、发光材料种类与排布、投射模组的光谱强度谱分布、过滤层的设计、显示屏制作工艺等相关联。

上述技术方案中，配合显示屏的投射模组，能传递平行于显示面的光束截面内光能量的分立特征到显示屏，并由显示屏继承投射光的强度排列分布特征结构。这种继承可能是线性比例的，也可能是部分线性比例的，或者非线性比例的。可以有少量差异。由于存在可能的显示屏上特征单元发光的扩散/弥散/散射，相邻近投射光特征单元之间的串扰，相邻近显示特征单元之间辐射光串扰，临近其它显示特征单元的发光波导传输串扰，投射模组像差和畸变变形，反射叠加，透射叠加等因素，造成投射的光分立特征在传递给显示屏时存在一定的偏差，这种偏差相对影响较小，因此，显示屏能大体继承投射光的分立特征，从而使新的显示特征光呈现出像素化图像，并且新的显示特征光光谱强度与投射模组输出的投射光谱强度成一定比例关系，新的显示特征光对投射输出光响应时间很短，不会存在残留辉光效应对显示的帧切换产生影响。新的显示特征光的光谱强度大小，光谱强度调制幅度和某个时段内的调制频次可分别独立调节控制，这种调节控制由投射特征光的调节控制决定，两者基本同步。

如图1所示，是本发明无栅格像素化发光屏的显示装置示意图。投射模组101投射出具有特定光谱强度分布的光束102到显示屏104上，在与显示屏104平行的光束截面103内，某一时间点，该光束截面103含有特定光谱强度分布的特征光，投射模组101能将光束截面103的特征传递到显示屏104，进一步，显示屏104能吸收光束102的能量和光束截面103的特征光，并发出新的显示特征光。图2更进一步说明了这一过程。

图2的实施例中，光束截面103具有光谱强度分立的特征单元201和202，其中特征单元201具有边界203，在边界内，特征单元201的光谱强度等级和开关时间可以任意被调节控制。同样地，特征单元202具有边界204，在边界内，特征单元202的光谱强度等级和开关时间可以任意被调节控制。在某一时间点，特征单元201具有205所示的强度谱分布，特征单元202具有206所示的强度谱分布。特征单元201和202特征光的分布形状可以是分立或连续点状、分立或连续线段状、栅格状N×M（N和M大于1）个特定尺寸的像元，或者接近上述特征，或者上述特征组合。本实施例中，特征单元201和202是矩形单元。

图2实施例中，显示屏104能吸收光束102的能量，并通过受激辐射出新的强度谱光线。显示屏104能基本继承光束截面103的强度谱分布特征，例如，显示屏上新的特征单元207大致继承了特征单元201的分立特征，也具有相似于特征单元201的形状，新的特征单元具有边界209，由于可能存在着显示屏上特征单元发光的扩散/弥散/散射，相邻近显示特征单元之间辐射光波导串扰等，导致边界209和边界203锐利度不一样，但大体也具有相似的形状。同样，显示屏上显示的新的特征单元208，大致继承了特征单元202的分立特征，也具有相似于特征单元202的形状，以及边界204相似形状的边界210。特征单元201和202在光束截面103范围内的相对位置，相似于特征单元207和208在显示屏显示范围内的相对位置。

独立特征单元207和208，吸收分布位置相对应的投射光特征单元201和202的立体光锥角可以不同，显示屏上每个显示特征单元接收投射特征光的最大立体角为2π球面度，每个显示特征单元发射新的显示特征光的最大立体角为4π球面度。

图2实施例中，在某一时间点，显示屏上特征单元207具有最终的强度谱分布211，而强度谱分布211完全不同于相对应投射特征单元201的强度谱分布205，既包含了显示屏部分吸收特征单元201后辐射出的新的强度谱，也包含了其它部分未吸收的特征单元201强度谱。同样，特征单元208具有最终的强度谱分布212，而强度谱分布212完全不同于相对应投射特征单元202的强度谱分布206，既包含了显示屏部分吸收特征单元202后辐射出的新的强度谱，也包含了其它部分未吸收的特征单元202的强度谱。

如图3所示，是显示屏进行复合强度谱处理及显示特征光的光谱强度分布示意图。图示可见，其中（a）中，当投射特征光301入射到显示屏104以后，显示屏因部分吸收投射特征光的能量而受激产生发光302，且发光最大立体角为4π球面度，这里，光能量转换效率可以从5%～95%。同时，有部分投射特征光在显示屏的外表面或者内部某个表面产生部分反射或多次反射，最后部分残余反射光303从显示屏的前表面出射，如果观看者是从投影方向看向屏，即正投模式时，这部分残余反射光将会成为显示屏104的显示特征光谱强度谱的一部分。进一步，有部分投射特征光因为显示屏吸收的不彻底，从而在显示屏的内部透射出去，或者经过内部多次反射后再透射出去，最后部分残余透射光304从显示屏的后表面出射，如果观看者是从逆投影方向看向屏，即背投模式时，这部分残余透射光304会成为显示屏104的显示特征光谱强度谱的一部分。

其中（b）是投射特征光301的强度谱305的一个实施例，其中点P0对应强度极大值，相应波长对应值是λa0，点P1和点P2对应的纵坐标归一化强度为t，t值可以是0.0001%~100%之间的任意值，相应的横坐标波长对应分别为λa1和λa2，而λa1范围最小可以到深紫外，例如100nm，λa2最大可以到达中远红外区域，例如2500nm。

其中（c）中，强度谱曲线307对应的是受激发光302的强度谱实施例，而强度谱曲线306是残余透射光304的一个实施例，如果观看者是从逆投影方向看向屏，即背投模式时，显示屏104最终的显示特征光谱强度谱308是强度谱曲线306和307的复合叠加。叠加所得的光谱强度谱308的强度极大值对应光波长为λb0，λb0和λa0大小有明显差异，两者可以差异值10nm~600nm。类似于图3（b）中的t值设定，光谱强度谱308对应的光谱范围从λb1到λb2，范围可以从紫外到红外。λb1和λa1两者可以差异值10nm~1000nm。

更进一步，在图3的实施例基础上，图4是一种自带滤光的显示屏的复合强度谱处理实施例。显示屏104可以是单层结构，也可能是多层结构的组合，其中包括能选择性吸收、反射或滤波的表面或结构体。通过特定的滤波，有增加显示色域、提升显示对比度、提升亮度等作用。图4（a）中，假设显示屏104后表面含有透光曲线401的过滤层，如果观看者是从逆投影方向看向屏，即背投模式时，则图3（c）中的光谱强度谱308将再次与过滤曲线401进行复合，产生图4（b）中新的显示特征光谱强度谱402。除了上述的实施例外，在其它实施例中，显示屏能对投射模组输出光进行复合强度谱处理，包括表面反射、内部反射、透射、散射、受激吸收发光，指定光谱滤光等处理，最后发出新的显示特征光。

如图5和图6所示，进一步举例说明了显示屏对投射模组的光谱强度响应和光谱强度调制响应。

在图2的实施例中，特征单元207和208大体继承了特征单元201和202的分立特征，两者既有强度大小上的关联，也有强度调制上的关联。特征单元201和202的光谱强度等级和开关时间可以任意被调节控制，相对应的新的显示特征单元207和208的调节控制由投射特征单元201和202的调节控制决定，两者基本同步。

新的显示特征光大体上继承了投射光的光谱强度分布特征结构，显示特征光的光谱强度与投射模组输出的投射光谱强度成一定比例关系，这种关系可以是线性的，分段线性的，近似线性的，分段近似线性的，非线性的，分段非线性的，或者以上组合关系。在图5的示例中，增加投射光的光谱强度，显示屏上的显示光谱强度也随之增加，两者关系如图所示，其中显示光谱强度曲线501，它并不是完全像透射光光谱强度曲线502那样线性的，而是分段接近或相似的。在任意时间点上，显示屏的显示特征光光谱强度可以由投射光输出光谱强度来调节。进一步，在某个时段内，可以调节投射模组输出投射光的开/关或调制频次，形成该时段内投射光谱强度变化的叠加效应，从而传递到显示屏上形成显示特征光谱强度变化的暂留叠加。

如图6所示，投射特征光具有（a）所示的光谱强度曲线601，相对应的显示特征光具有（b）所示的光谱强度曲线603。如果对光谱强度曲线601实施如（c）中的方波602调制，则得到显示特征光如（d）中光谱强度曲线604的调制响应。其中，光谱强度曲线604具有的时间响应上升沿宽度605和下降沿宽度606具有非常小的间隔，可以是0.1纳秒～400毫秒。无论是进行方波调制还是其它调制，当对投射的特征光做强度调制时，显示屏响应转换并形成新的显示特征光的过程时间很短，其时间响应曲线的时间带宽可以是0.2纳秒～800毫秒。

更进一步，当投射特征光按一定帧频率变化时，显示屏形成单帧特征光的响应时间不大于投射特征光的单帧时间，以避免残留辉光效应对显示特征光的影响。显示屏接收投射特征光的位置和角度，对形成显示屏新的显示特征光的响应时间无影响或影响小。

综上关于本发明显示装置及显示方法的方案介绍及实施例详述可见，本方案具备突出的实质性特点和显著的进步性：由于自身去栅格和像素化物理结构，不像LCD或者OLED那样带有阵列的不透明栅格电极导线，因此提升了透明度并简化了显示屏的制作工艺，更易于实现大幅面和显示幅面尺寸的调节；而且，通过投射模组传递光能量分立特征到发光屏，最后呈现发光显示图像的像素化是通过外来激发光引入的。而为了使屏幕本身对可见光范围的透光率高，可以设置投射激发源的强度谱分布侧重在非可见光区域，从发光机制和显示原理上，通过设置投射激发源的光谱强度分布侧重于非可见光区域，克服了传统显示设备中透明度和成像亮度的矛盾。

以上所述仅为本发明的部分优选实施例，并非以此限制本发明的专利保护范围，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种非栅格像素发光的显示装置，其特征在于包括：

显示屏，由荧光发光材料制成且自身去栅格和像素化物理结构，能对投射特征光进行复合强度谱处理并发出新的显示特征光，其中复合强度谱处理至少包括表面反射、内部反射、部分透射、内部散射、内部吸收受激发光、指定光谱滤光，并由未损失的部分投射光光谱强度和未被滤除的显示屏辐射光光谱强度相叠加，形成显示屏发射出显示特征光的光谱强度分布；以及投射模组，朝向显示屏传递光束，所述光束在平行于显示面的光束截面内具有光能量的分立特征，且由显示屏接收光束并继承分立特征。

2.根据权利要求1所述非栅格像素发光的显示装置，其特征在于：所述显示屏上每个显示特征单元接收投射特征光的最大立体角为2π球面度，且发射新的显示特征光的最大立体角为4π球面度。

3.根据权利要求1所述非栅格像素发光的显示装置，其特征在于：所述分立特征为分立或连续点状、分立或连续线段状、栅格像素状及两种以上组合，且新的显示特征光具有对应独立受控的光谱强度、光谱强度调制幅度及调制频次。

4.根据权利要求1所述非栅格像素发光的显示装置，其特征在于：所述显示特征光的光谱强度极大值或接近极大值对应的波长与投射特征光的光谱强度极大值或接近极大值对应的波长具有10nm~600nm差异值，而且显示特征光的光谱强度极小值或接近极小值对应的波长与投射特征光的光谱强度极小值或接近极小值对应的波长具有10nm~1000nm差异值。

5.一种非栅格像素发光的显示方法，其特征在于包括步骤：

由投射模组朝向显示屏传递光束，所述光束为在平行于显示面的光束截面内具有光能量的分立特征的投射特征光，且分立特征由投射模组调制；

显示屏接收光束并显示，显示屏对投射特征光进行至少包括表面反射、内部反射、部分透射、内部散射、内部吸收受激发光、指定光谱滤光的复合强度谱处理，其中内部吸收受激发光为显示屏内的荧光发光材料吸收投射特征光的部分光能量并激发辐射出新的光能量；经复合强度谱处理后，部分继承的投射特征光光谱强度与滤波留存的辐射光光谱强度相叠加，形成新的显示特征光及其光谱强度分布结构。

6.根据权利要求5所述非栅格像素发光的显示方法，其特征在于：新的显示特征光继承投射特征光的光谱强度分布结构，所述继承的类型为线性比例、部分线性比例或非线性比例。

7.根据权利要求5所述非栅格像素发光的显示方法，其特征在于：随投射模组对分立特征的方波调制，所述显示屏响应转换并形成新的显示特征光的时间带宽为0.2ns~800ms，且响应时间曲线具有0.1ns~400ms的上升沿陡度或下降沿陡度。

8.根据权利要求7所述非栅格像素发光的显示方法，其特征在于：所述显示屏形成新的显示特征光的响应时间小于或等于投射特征光的单帧时间。

9.根据权利要求5所述非栅格像素发光的显示方法，其特征在于：所述投射特征光的光谱强度分布为：光谱强度值的范围介于极大值的0.0001%~100%，对应的光谱区间介于深紫外至近红外。

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