用于操作光学显示设备的方法和光学显示设备与流程

用于操作光学显示设备的方法和光学显示设备
1.提出一种用于操作光学显示设备的方法和一种光学显示设备。
2.要实现的目的在于：提出一种用于操作光学显示设备的方法，该方法实现改进地显示图像内容。
3.另一要实现的目的在于：提出一种光学显示设备，借助该光学显示设备实现改进地显示图像内容。
4.光学显示设备尤其是发射辐射的部件，该部件在操作中发射电磁辐射，例如光。
5.根据用于操作光学显示设备的方法的至少一个实施方式，光学显示设备具有第一光电子半导体元件，该第一光电子半导体元件设置成用于发射第一波长的电磁辐射并且具有第一本征接通延迟。光电子半导体元件能够是发光二极管并且具有用于产生电磁辐射的有源区域。有源区域优选包括用于产生辐射的pn结、双异质结构、单量子阱结构(sqw，单量子阱)或多量子阱结构(mqw，多量子阱)。
6.将光电子半导体元件设置成用于产生第一波长的电磁辐射。在此处和在下文中，波长应相应地理解为尤其是所发射光谱的峰值波长或主波长。尤其是，设置成用于发射波长的光电子半导体元件因此不一定是单色发射的半导体元件。相反，能够指具有特定的峰值波长或主波长的宽发射光谱。
7.此外，第一光电子半导体元件具有本征接通延迟。本征接通延迟表示位于光电子半导体元件的接通时间点与通过半导体元件的电磁辐射的开始之间时间跨度。光电子半导体元件的本征接通延迟由死区时间和上升时间组成。在死区时间期间仅进行半导体元件的寄生电容的充电，而在上升时间期间内已经进行了将载流子第一次注入到有源层的量子阱中，从而开始发射电磁辐射。上升时间标记从电磁辐射发射开始直至达到辐射发射最大强度值的10％的时间跨度。
8.因此，本征接通延迟还与寄生电容的大小和光电子半导体元件的所使用的材料体系相关。寄生电容随着半导体元件的横向尺寸而变化。横向尺寸例如能够是边长，但尤其是半导体元件的有源层的面积。随着面积的增加，半导体元件的寄生电容也增加，从而其本征接通延迟也增加。
9.根据用于操作光学显示设备的方法的至少一个实施方式，光学显示设备具有第二光电子半导体元件，该第二光电子半导体元件设置成用于发射第二波长的电磁辐射并且具有第二本征接通延迟。第二本征接通延迟能够不同于第一本征接通延迟。
10.根据用于操作光学显示设备的方法的至少一个实施方式，第二波长不同于第一波长。换言之，第一与第二光电子半导体元件的发射光谱能够彼此不同。
11.根据用于操作光学显示设备的方法的至少一个实施方式，根据相应的第一控制信号或第二控制信号分别以第一操作电流或第二操作电流来操作第一半导体元件和第二半导体元件。第一操作电流和第二操作电流以第一控制信号和第二控制信号的形式单独地施加到第一光电子半导体元件和第二光电子半导体元件。第一半导体元件能够与第二半导体元件分开控制。第一控制信号和第二控制信号尤其具有数字信号形式的、具有离散值的时间周期曲线。因此，例如能够借助于脉冲宽度调制(pwm)来调制第一和第二半导体元件的亮
度。
12.根据用于操作光学显示设备的方法的至少一个实施方式，第一和/或第二控制信号分别具有延迟时钟信号。该延迟时钟信号选择为使得第一和第二半导体元件的电磁辐射的发射相对于彼此具有小于第一与第二本征接通延迟之间的差的接通延迟。延迟时钟信号能够具有离散数量的时钟周期。不同半导体元件的不同长度的延迟时钟信号能够减少或补偿这些半导体元件的本征接通延迟中的差。
13.根据用于操作光学显示设备的方法的至少一个实施方式，
14.‑
光学显示设备具有第一光电子半导体元件，该第一光电子半导体元件设置成用于发射第一波长的电磁辐射并且具有第一本征接通延迟，以及
15.‑
光学显示设备具有第二光电子半导体元件，该第二光电子半导体元件设置成用于发射第二波长的电磁辐射并且具有第二本征接通延迟，其中，
16.‑
第二波长不同于第一波长，
17.‑
根据第一控制信号以第一操作电流操作第一半导体元件，
18.‑
根据第二控制信号以第二操作电流操作第二半导体元件，并且其中，
19.‑
第一控制信号和/或第二控制信号具有延迟时钟信号，该延迟时钟信号选择为使得第一和第二半导体元件的电磁辐射的发射相对于彼此具有小于第一与第二本征接通延迟之间的差的接通延迟。
20.本文所述的用于操作光学显示设备的方法还基于以下考虑：用于显示多色图像内容的显示设备能够设计有多个不同的半导体元件，这些半导体元件设置成用于发射具有不同波长的电磁辐射。与此同时，不同的材料体系以及不同的材料被用于制造不同的光电子半导体元件。从不同的材料体系中能够得到不同的半导体器件的例如由二极管的不同的正向电压决定的不同的本征接通延迟。在显示彩色图像内容时，能够使用混合辐射，例如从三原色的叠加中产生混合辐射。本征接通延迟中的过大的差能够使这种混合辐射难以产生。与红色份额相比，蓝色和绿色份额的接通延迟的过大的差能够在观察者中引起偏移的颜色印象，例如红色偏色。在图像内容特别暗的和/或图像刷新率高的情况下，如果发射蓝色和绿色的半导体元件的接通延迟较大到使得在那里发射蓝色和绿色的半导体元件不再进行足够的发射，则该问题还能够加剧。
21.本文所述的用于操作光学显示设备的方法还利用以下想法：借助于光电子半导体元件的横向扩展与延迟时钟信号的适当匹配来减小或补偿不同光电子半导体元件的接通延迟。横向扩展的匹配已经能够引起寄生电容的均衡从而引起不同光电子半导体元件的本征接通延迟。然后，本征接通延迟的例如由于制造公差产生的可能剩余的差能够随后借助不同长度的延迟时钟信号来进一步减小或补偿。
22.根据用于操作光学显示设备的方法的至少一个实施方式，第一控制信号和第二控制信号具有10mhz至30mhz的频率。在典型的显示系统中通常使用60hz的图像刷新率。从中产生1/60s的可用的显示时间。为了能够在显示时间内借助于pwm设置具有足够高的动态的期望亮度，则控制信号的频率至少高一个数量级是有利的。控制信号频率的上限还通过用于提供控制信号的驱动电路和所使用的半导体元件的响应时间得出。
23.根据用于操作光学显示设备的方法的至少一个实施方式，延迟时钟信号具有10mhz至30mhz的频率。延迟时钟信号尤其具有与第一和第二控制信号相同的频率。由此能
够简化地实现用于产生控制信号的驱动器电路。
24.根据用于操作光学显示设备的方法的至少一个实施方式，延迟时钟信号具有预设数量的时钟周期。因此，延迟时钟信号具有与时钟周期的数量相关的、离散的长度。优选地，延迟时钟信号具有最多16个时钟周期。通过这种离散化可以补偿本征接通延迟，该本征接通延迟的长度大于或等于延迟时钟信号的时钟周期的长度。使用尽可能少的时钟周期能够提高可用于显示图像内容的时间，由此这不利地提高了可显示的亮度的动态。
25.根据用于操作光学显示设备的方法的至少一个实施方式，光学显示设备具有第三光电子半导体元件，该第三光电子半导体元件设置成用于发射第三波长的电磁辐射，具有第三本征接通延迟并且该第三光电子半导体元件根据具有延迟时钟信号的第三控制信号以第三操作电流来操作。第三波长不同于第一和第二波长。延迟时钟信号选择为使得第一和第三半导体元件的电磁辐射的发射相对于彼此具有小于第一本征接通延迟与第三本征接通延迟的差的接通延迟，和/或第二和第三半导体元件的电磁辐射的发射相对彼此具有小于第二本征接通延迟与第三本征接通延迟之间的差的接通延迟。
26.根据用于操作光学显示设备的方法的至少一个实施方式，第一波长处于红色光谱范围内，第二波长处于绿色光谱范围内，并且第三波长处于蓝色光谱范围内。例如，如此能够形成用于显示彩色图像内容的显示设备。如此展开的色彩空间的色域通过色表上的第一、第二和第三波长的角点展开。
27.根据用于操作光学显示设备的方法的至少一个实施方式，第一半导体元件的光密度与第二半导体元件的光密度比为1/10至1/2，其中包括边界值，和/或第二半导体元件的光密度与第三半导体元件的光密度比为4/1至15/1，其中包括边界值。第一、第二和第三半导体元件的光密度比为3.1/10.7/1，这使得能够在dci
‑
p3色彩空间中以delta u’v’≤ /
‑
0.007的偏差来映射白点，。dci
‑
p3色彩空间尤其与数字电影放映相关。
28.根据用于操作光学显示设备的方法的至少一个实施方式，第一、第二和第三操作电流为0.5ma至2ma，优选地为0.8ma至1.2ma并且尤其优选地为0.9ma至1.1ma。在光电子半导体元件操作中，操作电流的实际下限通常约为1ma。该下限还从随电流强度而降低的精度中得出，其中由所提供的驱动器电路能够以该精度提供恒定电流。此外，在操作电流非常低的情况下，在光电子半导体元件内会出现不期望的低电流效应。对于第一、第二和第三光电子半导体元件而言最佳的操作电流值为1ma。尽可能低的操作电流值有利地使得显示设备能够特别有效地操作。
29.根据用于操作光学显示设备的方法的至少一个实施方式，在第一、第二和第三半导体元件中寄生电容与操作电流的比是相同的，其偏差最大为
‑
50％、优选最大为
‑
15％、尤其优选最大为
‑
5％。第一、第二和第三半导体元件的寄生电容还受这些半导体元件的横向面积和所使用的材料体系的影响。半导体元件的本征接通延迟和寄生电容与半导体元件的操作电流之比成正比。为了实现不同半导体元件的尽可能相同的本征接通延迟，使寄生电容与操作电流的比尽可能相同是有利的。
30.根据用于操作光学显示设备的方法的至少一个实施方式，第一、第二和第三操作电流在
‑
50％的偏差内、优选在
‑
20％的偏差内并且尤其优选在
‑
10％的偏差内是相同的。光学显示设备的一个特别有利的设计方案对所有光电子半导体元件使用相同的操作电流。由此能够实现有利的高能量效率。
31.还提出一种光学显示设备。光学显示设备尤其能够借助于本文所述的用于操作的方法来操作。也就是说，在用于操作光学显示设备的方法的上下文中公开的所有特征也为光学显示设备公开，反之亦然。
32.根据光学显示设备的至少一个实施方式，光学显示设备具有第一光电子半导体元件，该第一光电子半导体元件设置成用于发射第一波长的电磁辐射并且具有第一本征接通延迟。
33.根据光学显示设备的至少一个实施方式，光学显示设备具有第二光电子半导体元件，该第二光电子半导体元件设置成用于发射第二波长的电磁辐射并且具有第二本征接通延迟。
34.根据光学显示设备的至少一个实施方式，第一波长和第二波长彼此不同。
35.根据光学显示设备的至少一个实施方式，第一和/或第二光电子半导体元件能够借助于延迟时钟信号来控制。
36.根据光学显示设备的至少一个实施方式，能够借助于延迟时钟信号来减小第一和第二本征接通延迟之间的差。
37.光电子半导体元件的横向尺寸能够选择为使得第一和第二半导体元件的本征接通延迟之间的差减小。光电子半导体元件的横向尺寸尤其能够包括有源面的边长或面积。特别地，能够借助于合适的横向尺寸将本征接通延迟的差减小到使得能够利用预设数量的延迟时钟信号来补偿还剩余的差。
38.根据光学显示设备的至少一个实施方式，光学显示设备具有第三光电子半导体元件，该第三光电子半导体元件设置成用于发射第三波长的电磁辐射，其中，第三波长不同于第一和第二波长。
39.根据光学显示设备的至少一个实施方式，第一波长处于红色光谱范围内，第二波长处于绿色光谱范围内，并且第三波长处于蓝色光谱范围内。
40.根据光学显示设备的至少一个实施方式，第一光电子半导体元件基于磷化物化合物半导体材料并且第二和第三光电子半导体元件基于氮化物化合物半导体材料。第一光电子半导体元件优选地用ingaalp构成并且第二和第三光电子半导体元件用ingan构成。
41.在本文中，“基于磷化物化合物半导体材料”表示：半导体元件或其至少一部分、尤其优选至少有源区具有磷化物化合物半导体材料，优选al
n
ga
m
in1‑
n
‑
m
p或as
n
ga
m
in1‑
n
‑
m
p，或由这些材料组成，其中0≤n≤1，0≤m≤1并且n m≤1。但这些材料不必强制性地具有根据上述分子式的数学上的精确组成。相反，这些材料能够具有一种或更多种掺杂材料以及附加的组成部分。然而为了简单起见，上述分子式仅包含晶格的主要组成部分(al或as、ga，in，p)，即使当这些组成部分能够部分地通过少量其他物质取代时也如如此。
42.在本文中，“基于氮化物化合物半导体材料”表示：半导体元件或其至少一部分、尤其优选至少有源区具有氮化物化合物半导体材料，优选al
n
ga
m
in1‑
n
‑
m
n，或由这些材料组成，其中0≤n≤1，0≤m≤1并且n m≤1。但这些材料不必强制性地具有根据上述分子式的数学上的精确组成。相反，这些材料能够具有一种或更多种掺杂材料以及附加的组成部分。然而为了简单起见，上述分子式仅包含晶格的主要组成部分(al，ga，in，n)，即使当这些组成部分能够部分地通过少量其他物质取代时也如如此。
43.根据光学显示设备的至少一个实施方式，第一和第二半导体元件具有横向面，它
们的横向面的面积比为3/1.5至4/1，其中包括边界值，和/或第二光电子半导体元件和第三半导体元件具有横向面，它们的横向面的面积比为1/1.5至1.5/1，其中包括边界值。此外，通过设置面积，能够实现寄生电容的设置。如果根据本文所述的面积设置寄生电容的比，则得到第一、第二和第三半导体元件的近似相同的本征接通延迟。在第一、第二和第三半导体元件的面积比为4/1.2/1的情况下得到第一、第二和第三半导体元件的本征接通延迟的有利小的差。
44.根据光学显示设备的至少一个实施方式，多个第一、第二和第三光电子半导体元件彼此相邻地设置在共同的平面中并且具有共同的放射方向。例如，显示设备因此能够以显示器或大面积视频墙的形式实现。
45.光学显示设备和用于操作光学显示设备的方法的其他的优点以及有利的改进和设计方案从下面的、结合附图中示出的实施例中得出。
46.附图示出：
47.图1以俯视图示出本文所述的光学显示设备的示意性图示，
48.图2示出根据第一实施例的具有第一、第二和第三光电子半导体元件的光学显示设备的光通量的时间曲线的图表，
49.图3示出根据第二实施例的具有第一、第二和第三光电子半导体元件的光学显示设备的光通量的时间曲线的图表，
50.图4示出根据第三实施例的具有第一、第二和第三光电子半导体元件的光学显示设备的光通量的时间曲线的图表，
51.图5示出根据第四实施例的具有第一、第二和第三光电子半导体元件的光学显示设备的光通量的时间曲线的图表，以及
52.图6示出用于操控具有第一、第二和第三光电子半导体元件的光学显示设备的第一、第二和第三控制信号的时间曲线。
53.相同的、同类的或起相同作用的元件在附图中设有相同的附图标记。附图和附图中示出的元件彼此间的大小比例不能够视为是合乎比例的。更确切地说，为了更好的可视性和/或为了更好的理解，能够夸大地示出各个元件。
54.图1以俯视图示出本文所述的光学显示设备1的示意性图示。光学显示设备1包括第一光电子半导体元件10、第二光电子半导体元件20和第三光电子半导体元件30。光电子半导体元件的控制借助于控制信号110、210、310来进行。第一控制信号110控制第一光电子半导体元件10，第二控制信号210控制第二光电子半导体元件20并且第三控制信号310控制第三光电子半导体元件30。
55.例如，光学显示设备1包括多个第一光电子半导体元件10、第二光电子半导体元件20和第三光电子半导体元件30。光电子半导体元件10、20、30横向地彼此相邻地设置并且具有共同的放射方向。光电子半导体元件10、20、30中的每一个能够设置成用于发射具有不同波长的电磁辐射。例如，这样能够以简单的方式和方法制造用于显示彩色图像内容的大型屏幕或显示器。光电子半导体元件10、20、30具有不同的横向面。例如，第一、第二和第三半导体元件的面积的比为4/1.3/1。
56.图2示出根据第一实施例的具有第一光电子半导体元件10、第二光电子半导体元件20和第三光电子半导体元件30的光学显示设备1的光通量i
v
的时间曲线的图表。光电子
半导体元件10、20、30中的每一个设置成用于发射具有不同波长的电磁辐射。由此针对光电子半导体元件10、20、30中的每一个产生不同的本征接通延迟100、200、300。例如通过相应的光电子半导体元件10、20、30的不同大小的寄生电容能够产生不同大小的本征接通延迟100、200、300。不同寄生电容的原因例如能够是有源面的不同的横向尺寸，或者尤其是光电子半导体元件10、20、30的不同材料体系中的不同大小的带隙。
57.根据第一实施例的光电子半导体元件10、20、30的有源区域的横向面在制造公差的范围内设置成相同大小。第一半导体元件10的第一本征接通延迟100最低，而第二半导体元件20的第二本征接通延迟200稍高，并且第三半导体元件30的第三本征接通延迟300最高。因此，在同时控制第一半导体元件10、第二半导体元件20和第三半导体元件30的情况下，首先发射第一光电子半导体元件10的电磁辐射，然后第二光电子半导体元件20和第三光电子半导体元件30彼此之间以较短的时间间隔发射其电磁辐射。
58.这种具有不同波长的电磁辐射的交错发射对于观察者而言在某些情况下不再被感知为单一的混合颜色，而是能够引起一系列不同颜色感知的印象。此外，接通时间点之间的如此高的时间差能够导致：具有最高本征接通延迟100、200、300的半导体元件10、20、30在显示移动的图像内容时在有限的时间窗口内仅能够部分地被激发发射或完全不再被激发发射。在此所示的实施例中，这涉及第二半导体元件20和第三半导体元件30。因此，在所示的混合颜色中能够产生不期望的偏差，因为第二半导体元件20和第三半导体元件30的份额能够对混合颜色做出过少量贡献或完全没有贡献。
59.图3示出根据第二实施例的具有第一光电子半导体元件10、第二光电子半导体元件20和第三光电子半导体元件30的光学显示设备1的光通量i
v
的时间曲线的图表。借助于限定长度的延迟时钟信号40，已经能够部分地补偿第一光电子半导体元件10和第二光电子半导体元件20的不同的本征接通延迟100、200。
60.第二光电子半导体元件20的第二本征接通延迟200与第三光电子半导体元件30的第三本征接通延迟300之间的差小于或等于延迟时钟信号40的长度从而几乎能够被完全补偿。然而，对第一光电子半导体元件10的明显更小的第一本征接通延迟100的补偿仅能够部分地进行，因为延迟时钟信号40的最大长度小于第一本征接通延迟100与第三本征接通延迟300之间的差。因此，第一光电子半导体元件10和第二光电子半导体元件20和第三光电子半导体元件30的接通延迟仍总是出现可感知的差异。
61.图4示出根据第三实施例的具有第一光电子半导体元件10、第二光电子半导体元件20和第三光电子半导体元件30的光学显示设备1的光通量i
v
的时间曲线的图表。本文所使用的光电子半导体元件10、20、30具有匹配的横向扩展。换言之，光电子半导体元件10、20、30的横向面相互匹配成使得产生尽可能相同的本征接通延迟100、200、300。例如，与第一半导体元件10的横向面相比，能够减小第二半导体元件20和第三半导体元件30的横向扩展以减小寄生电容从而减小第二本征接通延迟200和第三本征接通延迟300。
62.图5示出根据第四实施例的具有第一光电子半导体元件10、第二光电子半导体元件20和第三光电子半导体元件30的光学显示设备1的光通量i
v
的时间曲线的图表。第四实施例示出第二实施例与第三实施例的组合。借助于通过用延迟时钟信号40控制半导体元件10、20、30来进一步补偿本征接通延迟100、200、300，在对半导体元件10、20、30的有源区域的横向扩展进行匹配之后能够进一步减小接通延迟的剩余的差。第一接通延迟、第二接通
延迟和第三接通延迟具有近似相同的值。
63.已经借助于在第三实施例中描述的方法设置为的较小差值的本征接通延迟100、200、300现在能够借助于通过延迟时钟信号40进行延迟来几乎完全地补偿。补偿能够进行直至通过延迟时钟信号40的离散化预设的极限。例如，能够保留不同接通延迟之间的小于延迟时钟信号40的时钟周期50的长度的剩余时间偏差。不同半导体元件10、20、30的几乎同时的发射由观察者感知为混合颜色。因此，即使以半导体元件10、20、30的由此缩短的接通时间显示暗图像内容时，在所有半导体元件10、20、30参与的情况下也有利地简化了混合颜色的显示。
64.图6示出用于控制具有第一光电子半导体元件10、第二光电子半导体元件20和第三光电子半导体元件30的光学显示设备1的第一控制信号110、第二控制信号210和第三控制信号310的时间曲线。第一控制信号110分配给第一半导体芯片10，第二控制信号210分配给第二半导体芯片20并且第三控制信号310分配给第三半导体芯片30。第一半导体芯片10设置用于发射红色光谱范围内的电磁辐射，第二半导体芯片20设置用于发射绿色光谱范围内的电磁辐射，并且第三半导体芯片30设置用于发射蓝色光谱范围内的电磁辐射。该控制实现了以具有特定的图像刷新率的视频信号形式显示移动的图像内容。该图像刷新率典型地为60hz。因此产生1/60秒的显示时间60。在此，在可用的显示时间60内，在每个控制信号110、210、310中都包含延迟时钟信号40和显示信号70。延迟时钟信号40实现半导体元件10、20、30的不同的本征接通延迟100、200、300的补偿，从而实现接通时间点的时间同步。
65.显示信号70用于以期望强度显示期望颜色值。颜色值和辐射强度的设置通过经由脉冲宽度调制对半导体元件10、20、30的辐射发射的各个强度的调节来进行。显示信号70的频率对应于延迟时钟信号40的频率。根据相应的光电子半导体元件10、20、30的现有的本征接通延迟100、200、300，实施延迟时钟信号40的更多或更少的时钟周期50，以相互协调相应的光电子半导体元件10、20、30的接通时间点。借助横向尺寸的匹配，对本征接通延迟100、200、300的匹配越好，就需要越少的延迟时钟信号40。由此，可用的显示时间70增加。这对显示设备1的颜色动态和最大可实现亮度产生有利的影响。
66.设置用于发射红色光谱范围内的电磁辐射的第一光电子半导体元件10具有最小的本征接通延迟100，从而仅具有延迟时钟信号40的两个时钟周期50。设置用于发射绿色光谱范围中的电磁辐射的第二光电子半导体元件20具有第二大的本征接通延迟200从而具有延迟时钟信号40的四个时钟周期50。设置用于发射蓝色光谱范围中的电磁辐射的第三光电子半导体元件30具有最大的本征接通延迟300从而具有延迟时钟信号40的八个时钟周期50。
67.本发明不受根据所述实施例描述的限制。相反地，本发明包括各个新的特征以及特征的各个组合，这尤其包含权利要求中的特征的各个组合，即使这些特征或这些组合本身没有在权利要求或实施例中明确地说明时也是如此。
68.本技术要求德国专利申请10 2019 106 527.5的优先权，其公开内容通过引用并入本技术。
69.附图标记列表
[0070]1ꢀꢀꢀꢀ
光学显示设备
[0071]
10
ꢀꢀꢀ
第一光电子半导体元件
[0072]
20
ꢀꢀꢀ
第二光电子半导体元件
[0073]
30
ꢀꢀꢀ
第三光电子半导体元件
[0074]
40
ꢀꢀꢀ
延迟时钟信号
[0075]
50
ꢀꢀꢀ
时钟周期
[0076]
60
ꢀꢀꢀ
显示时间
[0077]
70
ꢀꢀꢀ
显示信号
[0078]
100
ꢀꢀ
第一本征接通延迟
[0079]
200
ꢀꢀ
第二本征接通延迟
[0080]
300
ꢀꢀ
第三本征接通延迟
[0081]
110
ꢀꢀ
第一控制信号
[0082]
210
ꢀꢀ
第二控制信号
[0083]
310
ꢀꢀ
第三控制信号