用于向用户显示信息的系统的制作方法

1.本发明涉及一种用于选择性地观看图像和显示这些图像的系统。


背景技术：

2.当在明亮的环境中(例如，通常在白天的户外)使用例如笔记本电脑屏幕或现代智能手机时，很常见的是，该设备的亮度使得不能阅读所显示的内容。简而言之，与屏幕的亮度相比，环境光太亮，以至于无法形成良好的对比度。当然，可以通过将该设备移动到室内环境或通常光线不足的环境来解决该问题。但是，这样做可能不太实际。此外，这样做会降低该设备的易用性。
3.即使是在室内，对于面对强光场景的屏幕(例如当该屏幕被放置在窗前且面向阳光明媚的夏日时)，其对比度也可能会降低。在这种情况下，观看者在注视屏幕时，可感知到较差的对比度，这是由于环境光的强度太高以至于无法舒适地看到该屏幕所显示的内容。
4.类似地，例如，如果来自周围的强光从该屏幕反射从而掩盖所显示的信息，则由于该屏幕本身的反射，也可能感受到对比度降低。
5.与该问题相关(偶然地)的一个文件是us 2012/0194657 a1，其中，对影响对比度的现象进行了说明，如在以下段落中所述：快门式眼镜的一个常见目的是，通过2d显示器实现3d视觉。为了这个目的，一副包括两个反同步的独立快门式眼镜元件的快门式眼镜，被配置为以交替方式将光传输到左眼和右眼，使得两个交错的视频信号(一个用于左眼，一个用于右眼)被去交错，这意味着这两个视频信号被正确地选通到左眼和右眼。简言之，每个快门式镜片打开，使得该快门式镜片后面的眼睛(左或右)暴露于正确的图像，而当显示不正确的图像时关闭该快门式镜片。
6.通常，通过利用左右图像切换时的、短的黑暗间隙，来促进发射屏幕和这种快门式眼镜之间的稳定同步。
7.这些发光间隙具有多种目的，这些目的包括：对作为显示屏一部分的lcd晶体在两个连续图像之间重定向时可能引入的伪影进行抑制。对于快门式镜片与显示屏的同步，这些黑暗间隙由于可用于确保快门开启时间足够长，以至于能够传输每个预期图像帧的大部分光，但不会承担传输属于之前或之后的图像的光的风险，因此这些黑暗间隙可为有益的。在快门式镜片从打开到关闭(反之亦然)的切换时间与整个观看期的大部分时间一样长的情况下，在屏幕黑暗期间切换快门式镜片是尤其有益的。
8.这种3d视频快门式眼镜的典型操作特征是，显示屏的发射率为120hz，这意味着每个快门式眼镜元件为60hz，这相当于完整的周期持续16.66ms，而通常开启时间和关闭时间的总和可达每个完整周期的几毫秒。
9.虽然容易看出，该显示屏发出的多个图像帧之间的短的黑暗期，使慢反应快门式眼镜的选通更加稳健，但结合精确同步来看，这意味着，在整个观看期间的大部分时间内没有一个快门镜片是打开的。其附带影响是，明显减少了环境光。
10.本发明解决的另一要点是节能的需求。在许多应用(例如，当该应用涉及笔记本电
脑或其他类型的便携式计算机时)中，屏幕的能耗相当高，这导致在不对电池充电的情况下，可使用计算机的时长缩短了。特别是在阳光照射的环境中，在这种环境中，为了具有可接受的图像对比度，不得不调高屏幕亮度。然而，调高亮度会导致较高的能耗，从而缩短电池使用时长。
11.为了增加诸如传统便携式计算器的其他计算设备的电池使用时长，已采用太阳能电池板。对于通常具有一无背光源的简单lcd显示器的这类计算器来说，能耗相当低，因此通常较小的太阳能电池就可以为这种计算器供电。然而，对于具有较高功耗的、诸如笔记本电脑的设备，将这种太阳能电池板集成到该电脑而使其为该电脑供电，在现有技术中是完全不可行的。
12.特别是，在现有技术的设备中，笔记本电脑屏幕在明亮的环境中的功耗以笔记本电脑屏幕的光源(通常为led或oled)为主，如果太阳能电池只补偿该功耗，那么太阳能电池在面积上需要比笔记本电脑的屏幕大的多。特别是，为了达到与明亮环境相同的亮度，该太阳能电池与屏幕之间的尺寸比，必须不小于将入射的太阳光转换为可用于笔记本电脑屏幕的光所涉及的所有部件的效率。这设定了太阳能电池的尺寸相对于笔记本电脑屏幕的尺寸的下限：
13.尺寸比》效率＝q_solarcell*q_led*q_lcd_matrix＝0.2*0.5*0.5＝1/20，其中，以上数字是保守估计的。在以上等式中，尺寸比定义了笔记本电脑屏幕的面积与太阳能电池面积的比。q_solarcell为太阳能电池的能量转换效率，q_led为产生用于屏幕的光的多个led的效率，q_lcd_matrix是指屏幕中所使用的lcd矩阵的效率。即，换句话说，如果屏幕应达到与阳光照射的环境相同的亮度，则太阳能电池的尺寸需要为屏幕尺寸的大约20倍。
14.使用尺寸大约为20cm*30cm的笔记本电脑屏幕意味着，连接到该屏幕的太阳能电池的面积需要为大约1.2m2。该太阳能电池除了很重以外，也不适用于大多数的桌子。如果观看者对屏幕强度等于阳光强度的1/5感到满意，则该面积仍为0.24m2，或者是屏幕面积的4倍。换句话说，为了显著延长电池的使用时长，需要随身携带巨大的太阳能电池。较小的太阳能电池可延长电池的使用时长，但与笔记本电脑的尺寸相同的太阳能电池无法完全补偿屏幕亮度，由此带来的收益可能较少，并且当故意将系统转移到强烈的阳光下以收获更多的电能时，其可能会事与愿违。


技术实现要素：

15.发明人意识到了两个问题。首先，显然需要提供更节能的便携式计算机，或者更广泛地说，需要提供更节能的用于显示信息的系统。特别是，例如当在没有现成的供电网络的偏远环境中工作时，拥有一台仅使用阳光就能工作的计算机显然是有优势的。当坐在海滩上，或者说，坐在通常没有现成的电源插座的花园或公园中时，这种情况也适用。
16.如上指出的，发明人认为自己面临的另一个问题是提高对比度，特别是当在户外工作时。如上所述，当坐在阳光下时，难以阅读普通笔记本电脑上的计算机屏幕，而调高亮度会消耗大量能量，当使用由电池供电的计算机时，该亮度不容易实现。此外，很明显，对于屏幕所需的高亮度，通过一个太阳能电池板进行供电是不够的。
17.本发明解决了以上两个问题。
18.权利要求1对本发明进行了限定。从属权利要求限定了优选的实施例。
19.发明人注意到，如果将作为屏幕(发射装置)一部分的脉冲光源与用于观看该屏幕的同步护目镜(选择性观看装置)一起使用，则该屏幕的能耗会变得相当低，以使得由大约屏幕大小的太阳能电池板向屏幕供电变得可行。
20.根据权利要求1，一种用于显示信息的系统包括发射装置，该发射装置被设置为发射光以向用户显示信息。这种发射装置例如可以是计算机、或者是笔记本电脑的屏幕。
21.发射装置适于以脉冲的方式发射光，使得光的强度在高值和低值之间变化。那些强度变化使得所感知的光的亮度变化。以脉冲的方式发射光意味着，以通常的重复方式，在一些时间段内以较高的强度值发射光，而在那些时间段之间以较低的强度值发射光。选择高强度脉冲的、足够高的重复频率，以避免明显的闪烁(通常，该重复频率高于50hz)。
22.用于显示信息的系统还包括选择性观看装置，该选择性观看装置包括面板。这种选择性观看装置例如可以是待由用户佩戴的眼镜，其中那些眼镜的镜片则形成该面板。该面板适于使用户可以通过该面板看到由发射装置发出的光，从而在视觉上感知正显示的信息。该面板具有可变化的透明度，该透明度可在高透明度状态和低透明度状态之间变化。就高透明度和低透明度而言，我们解释为：在低透明度状态下，可见光被大量地遮挡，而在高透明度状态下，可见光通过该面板的透过量大大增加。高透明度状态是指其透光量比低透明度的透光量至少高30倍的状态，优选地是指其透光量比低透明度的透光量至少高100倍的状态，更优选地是指其透光量比低透明度的透光量至少高300倍的状态。
23.在本发明的实际实施例中，其中该面板包括多个lcd快门式镜片，可能会出现，时间相关的透射函数偏离理想的顶帽函数，使得边界不太清晰。
24.该系统适于使发射装置和选择性观看装置同步，使得发射装置以高强度值发光的状态与选择性观看装置的面板的高透明度的状态在时间上重叠。就重叠而言，其意味着：上述两种状态至少同时(即同一时间)出现在该选择性观看装置的多个高透明度值/该发射装置的多个高强度值中的某些值处。通过这样做，确保了每当该发射装置以高强度值发射光时，该选择性观看装置也处于高透明度，从而使观看者能够看到所发射的光。这使得可以选择性地观看发射装置所发出的光，而在剩余的时间里消隐或至少抑制可能存在于周围环境中的光。
25.通常，那些峰值的强度会轻微地波动——即，一峰值的强度不具有描述高强度发射的理想的顶帽函数。相应地，占空比是指：在一特定重复周期内，所发射的光的强度不小于该装置所发射的峰值强度的90％的时间段、除以那些高强度峰值的整个重复周期所得到的比。光的强度处于低强度值的时间段，由在该特定重复周期内、小于高强度峰值的50％的强度来定义。
26.虽然优选的实施方式使用屏幕的二元打开和关闭状态，其分别暂时地匹配快门式镜片的二元打开和关闭状态，但该方案的变量也可能导致对比度的一些降低。其实质是，在给定时间段内所发出的所有光中的很大一部分，是在整个周期的一个或多个短子周期内被发出和选通的。其一个特点是，与为3d视觉应用而运行的快门式镜片相比，屏幕的时间相关发射信号具有显著增加的标准差。
27.与现有技术的解决方案(其暗指一基本方案：根据该方案，通过眼镜选择性地抑制环境光，使得显示屏所发射的光可在更高的对比度下被感知)相比，所要求保护的解决方案提供了更高的对比度和更低的能耗。所提出的这些策略的实施例包括多个光学元件和多个
滤波器，这些光学元件和滤波器被定制为选择性地传输某些发光显示屏的频率特性。具体来说，现有技术的解决方案首先基于对这些显示屏所发出的某些窄频率范围(波长范围)的光的选择性的选通，来拒绝环境光。此外，其提出，使用以与时间调制的显示屏相同的频率运行、并与该时间调制的显示屏同步的视频快门式眼镜，可以提高该显示屏的对比度，即使该快门式眼镜以比所发出的光波的振荡频率低许多数量级的频率(通常为50-240hz)运行，也可提高该显示屏的对比度。
28.在符合根据电磁频率(波长)进行选择性的光选通的描述的情况下，在逻辑上有问题的是，现有技术的设备认为，环境光减少的这种现象归因于匹配发射屏幕和快门式眼镜之间的频率特性的方法。在这种情况下，这些现有技术的设备不仅要特别关注精确重复频率的匹配，还要关注可能出现的与时间相关的偏移。根据现有技术的解决方案，可通过快门式眼镜与屏幕的发射时间同步的方案，来使可能的偏移量(可使环境光减少这一效果减弱)最小化。在一些现有技术设备的背景下，由于主要目的不是3d视觉，因此这些现有技术设备提出了使用同时打开两个快门式镜片的方案。可是，每个镜片的开启时间保持为与3d快门式眼镜的单次开启时间相当，因此不会使只有适度环境光衰减这一效果显著改变或提高。
29.现有技术设备当在一些环境下或者与依据波长的选通相结合可能有益时，仅基于快门式眼镜的选通，不能对强烈的环境太阳光进行适当的强选择性衰减。
30.这意味着，现有技术的设备只能够将环境光降低到与us 2012/0194657 a1中所描述的相同的程度，该us 2012/0194657 a1将该现象描述为可能在较低光照条件下出现的问题。特别是，现有技术设备并没有系统地解决以下情况下的问题：强太阳光(亮度很可能超过100000勒克斯)可以比普通笔记本电脑的屏幕(其通常以小于500勒克斯的感知亮度发光)明亮数百倍。
31.通过使现有技术(us 2012/0194657 a1)的用于增加眼睛所感知的环境光的方案完全朝相反方向发展，也不能够解决以下难题：将对比度提高到显示屏在强烈的阳光照射环境中所具有的令人满意的对比度的程度。根据将现有技术方案完全朝相反方向发展的这种推理，可以尝试使快门的开启时间短于屏幕的发射时间。然而，这将导致与使用与发射时间精确同步的快门式眼镜所感知到的对比度相同的对比度，而不会获得进一步的对比度增强。
32.发明人已发现，所要求保护的系统产生了比现有技术的系统更好的对比度。特别是，发明人意识到了具有小的占空比的重要性，而这未被现有技术先实现、规定和/或提及。此外，如果在发射光的那些时间段内，以比“正常”装置的强度更高的强度发射光，则是有利的。因此，在那些时间段内，相比之下，所发射的光“更亮”并且对于观看者而言更容易看到。此外，由于只在某些时间发射光，因此减少了能耗。通过该新的所要求保护的解决方案，使得在us 2012/0194657 a1中作为缺点描述的内容，在质量和数量上都得到了改进和扩展，从而使缺点变成了优点。
33.本发明部分地依赖于使现有技术解决方案未提及和/或未规定的参数变化的方案。
34.在符合通过匹配电磁振荡频率来优化对比度的情况下，现有技术的解决方案集中地将频率以及由同步方案实现的偏移量最小化指定为重要参数。
35.一重要参数在波长匹配领域不具有对应参数，因此该重要参数可能不会被确定
为，与通过使用快门式眼镜而进行的有效对比度优化高度相关。该重要参数就是占空比，该占空比指定了一个周期内打开(on)时间的比率。
36.实现本文所述的发明的第一步是，将这个占空比从40％左右的典型值降低到低于10％的值、优选地低于2％的值。仅这一修改就能够以大约4到100倍降低显示照明光源的能耗，在某些场景中，与现有技术相比，可以将这一能耗降低250倍。
37.值得注意的是，占空比的这种减少绝不是微不足道的。被广泛接受的120hz或更高的重复频率使用户感受到的闪烁最小化，如果我们考虑该重复频率，那么一完整的周期是8.33ms。10％的占空比要求快门式眼镜仅开启0.83ms。考虑到标准液晶单元对于一完整开-闭周期而言需要大约1ms，则在不显著降低性能的情况下，仅用0.83ms的时间完全开启这种快门会因双向切换速度不足而成为一个挑战。很明显，2％的占空比要求0.166ms的开启时间，这对于标准液晶单元是不够的。为了解决这个问题，发明人使用了两个连续的液晶单元，这两个连续的液晶单元中的一个能够进入打开的透射状态(开启时间0.03ms达到90％的透射率)，同时第二个液晶单元能够同样快速关闭(0.03ms将透射率降低至10％)。由于这些快门式眼镜在液晶方面以及对于驱动电子器件而言复杂性增加，因此通常不会在本发明的领域使用这些快门式眼镜。然而，需要注意的是，也可使用具有足够短的双向响应时间的其他选择性观看装置。
38.第二个参数的优化有利于使得能够在强烈阳光下使用显示屏，该第二个参数的目的是增加屏幕在发射脉冲/闪光的持续时间内的强度。
39.这也可能需要对屏幕进行较大的改造。由于明亮的阳光可以很容易地超过推荐的办公室亮度的100倍，因此对于户外可见屏幕的光源也优选地具有10倍的更高的亮度、更优选地具有30-100倍的更高的亮度。发明人使用的定制光源如图9所示。
40.在图9中，上部示出了在原型中使用的光源，该光源中，共有96个大功率led光源被排列成一矩形阵列。下部示出的是默认内置在计算机中的光源。据估计，新光源的功率为计算机原始光源的功率的大约100倍。
41.综合来看，对占空比(在现有技术设备中不依赖的参数)的正确选择以及对高强度脉冲(在现有技术设备中也不被依赖)的使用，使得可以在强烈的阳光照射的环境中观看显示屏，而不会引入更高的能耗的成本。
42.现有技术设备没有关注这两个参数(占空比和脉冲强度)。因此，现有技术方案仅再现了，所选通的快门将环境光减小到前述us 2012/0194657 a1中所述的同样小的程度。特别是，现有技术设备不能使得在强烈的阳光照射的环境中观看高对比度的显示屏。
43.本发明所实现的另一个优点是，可使系统的光发射装置的尺寸减小。具体地，由于可降低时间平均强度和能耗这一事实，因此作为基于led的光发射装置的一部分的散热器在尺寸上是可缩小的。通常，当产生高强度的光时，产生的热量可为一主要的关注点。该热量可能会导致光源本身、电子器件以及系统的光学元件出现问题。此外，当佩戴头戴式设备时，过度产生的热量可能会给用户带来不适甚至伤害。由于本文所述的发明所消耗的能量较少，因此产生的热量也可减少。在本发明的某些实施例中，这可使得系统的尺寸缩小，特别是在电池、热管理硬件和光源的物理尺寸方面。
44.根据本发明，该系统还包括光电转换装置。该装置例如可以是将环境光转换为电能的太阳能电池。之后，该电能被馈送至该系统。该电能可被直接馈送至发射装置，但也可
以用来驱动中央处理单元(cpu)、存储设备等。也可以选择，将该电能存储在系统中，下面将对其进行进一步的探讨。考虑到该屏幕的能耗因只需要在一小部分时间驱动该屏幕而大幅度地降低，因此使用这种太阳能电池为系统供电成为可能，且无需使用过大的太阳能电池。
45.本发明人认识到，以上所述的技术除了具有提高的对比度，还具有显著降低能量的潜力。本发明人进一步认识到，这种能耗的降低为可完全由太阳能电池驱动的笔记本电脑打开了大门，而完全由太阳能电池驱动的笔记本电脑迄今为止是行不通的。
46.这里实现的是，可通过使发射装置的操作时间比光电转换装置暴露在环境光下的时间更短，而对使太阳能充电时间比户外操作时间更长的策略进行推广。
47.特别是，如前所述，通过以小的占空比选通屏幕中的光源，以及通过快门式眼镜将短图像选择性地选通到用户的眼睛，可以使用本技术向用户仅显示这些短图像。在这段时间内可达到高屏幕强度，例如，该强度可具有比操作笔记本电脑的屏幕时的通常强度高20倍的强度，从而引起例如10000勒克斯的峰值亮度，其此时解释了所感知的屏幕亮度具有甚至更高的值是可行的。
48.重要的是，对于使用该用于显示信息的系统而言，由于较低的能耗，因此暴露在阳光下不再是一个劣势。相反，暴露在阳光下会引起更高的能量产生，该能量可以高到足以使一储能装置中具有正的净能量存储。
49.因此，该系统优选地还包括一储能装置。这一储能装置可以是一个或多个可充电电池的配置。该储能装置也可以包括一个或多个电容器。该储能装置被设置为向发射装置提供能量。这一储能装置可用作多次高强度峰值发射之间的缓冲器，也可用于补偿环境光强度的波动。
50.优选地是，该储能装置至少包括第一储能部件和第二储能部件。那些储能部件可以是可充电电池。然而，那些储能部件也可以是电容器。该系统可以设置成使得该第一储能部件和该第二储能部件中的一个充电，而相应的另一个向发射装置提供能量。该系统被设置为交换该第一储能部件和该第二储能部件，使得先前被充电的相应的储能部件现在被用于向发射装置提供能量，而相应的另一个储能部件被充电。因为该充电操作具有大致恒定或至少缓慢变化的电压，而这有利于对电池进行有效充电，所以认为这种操作储能装置的方式是有利的。与之不同的是，由于操作发射装置的脉冲方式，向该发射装置提供能量的储能部件可能会经受稍微不稳定的电压。如果在该储能部件向发射装置提供能量的同时尝试对该储能部件进行充电，则充电性能将受到不利影响。如果这样的波动在向储能部件充电时是不存在的，则是有益的。用于向电池充电的电流也可用于驱动cpu。这是有利的，这是由于由此产生的电流与来自用于驱动发射装置的另一电池的电流相比，可具有降低的噪声。
51.优选地是，该光电转换装置包括太阳能电池，该太阳能电池具有暴露于环境光的、在50cm2至5000cm2的范围内的面积，优选地200cm2至2000cm2的范围内的面积，甚至更优选地400cm2至1200cm2的范围内的面积。这样的面积使得太阳能电池和光电转换装置可易于携带、且其尺寸与现有技术解决方案相比显著减小。
52.在本发明的优选变型中，发射装置的占空比优选地小于或等于1/20，更优选地小于或等于1/100，甚至更优选地小于或等于1/250。这样的占空比更明显地改善了观看体验。
53.优选地是，发射装置被设置为环境对比度大于1，优选地大于4，更优选地达到大于10。环境对比度如在下文中所定义的：由陈海威等人在《光：科学与应用(2018)》中的第7卷
17168发表的“液晶显示器和有机发光二极管显示器：现状和未来展望”(h.-w.chen et al.,"liquid crystal display and organic light-emitting diode display:present status and future perspectives",light:science&applications(2018)7,17168)。这种发射装置使光和屏幕均具有高可见性。
54.优选地是，发射装置被设置成使得处于低值的强度小于高值强度的强度的20％，优选地小于高值强度的强度的10％，其中甚至更优选地，当发射装置被设置为以低值强度发射光时，没有光出射。这确保了高水平强度和低水平强度之间的显著差异。
55.该系统被设置成使得发射装置的功耗小于光电转换装置的电力产生。优选地，该功耗小于光电转换装置的电力产生的90％，更优选地，小于光电转换装置的电力产生的70％，甚至更优选地，小于光电转换装置的电力产生的50％。这使得可以在操作该系统的同时对电池进行充电。
56.优选地是，该系统是便携式计算机系统的一部分，这是使用本发明的一种特别有利的方式。
57.在这种背景下，更优选地是，便携式计算机包括具有前部和后部的屏幕。该前部包括作为该屏幕的显示区域的发射装置。该屏幕的后部包括光电转换装置。这种布置特别节省空间。该光电转换装置优选地覆盖超过屏幕的后部的面积的70％，更优选地，覆盖屏幕的后部的面积的90％至100％之间。具有这种空间利用是特别有效的。
58.还优选地是，该光电转换装置被设置成从便携式计算机折叠出或滑出。这是储存该光电转换装置的一种特别有效的方式。
59.替代地，该光电转换装置是与便携式计算机系统的其余部件分开的、且可在不使用工具的情况下与那些部件分离的部件。例如，该光电转换装置可使用插头简单地插入，并可通过电缆连接到该便携式计算机系统。这使得具有高度的灵活性。
60.也可以使用激光投影仪和/或视频投影仪作为发射装置来实现该系统。在这些系统中，也存在前面所提及的优点。
61.根据另一优选的设置，发射装置和光电转换装置被结合到一平板电脑中。该发射装置可以是该平板电脑的屏幕，该光电转换装置可以被设置在该屏幕的后面，以便将从前面入射的光转换成电能，或者该光电转换装置可以设置在该平板电脑的背面上，以便将入射到该平板电脑背面的光转化为电能。
附图说明
62.图1示出了来自us 2013/0290743 a1的现有技术设计。
63.图2为根据本发明的一种系统的示意图。
64.图3示出了选择性观看装置和发射装置的时间同步。
65.图4示出了现有技术的笔记本电脑和根据本发明的笔记本电脑的对比图。
66.图5和图6示出了根据本发明的笔记本电脑的视图。
67.图7示出了多个图，这些图示出了现有技术的设备的功耗和根据本发明的设备的功耗。
68.图8示出了笔记本电脑屏幕的功耗随亮度级别的变化。
69.图9示出了现有技术的光源(底部)和在本发明中使用的光源(顶部)。
附图说明
[0070][0071]
图1为示出了现有技术的设备的图。一太阳能电池板106连接至一电子设备(笔记本电脑)102，并为该电子设备102提供能量。此外，一电源适配器104连接至该电子设备102，以提供附加的能量。然而，考虑到笔记本电脑的屏幕的功耗，为了为该电子设备102供电，预计该太阳能电池板106需要非常大。
[0072]
图2示意性地示出了本发明的第一实施例。设置有一光源12，以照亮lcd矩阵13。这种光源12可以是计算机屏幕的led背光源。连接到该光源12的是一驱动器14b，该驱动器14b继而连接到一函数发生器15。该函数发生器15连接到第二驱动器14a，该第二驱动器14a继而连接到快门式眼镜16。一观看者18观看由光源12发射的、穿过lcd矩阵13的光11'所产生的图像。值得注意的是，还存在一环境光源10(例如太阳)，并且该环境光源10发出光11。
[0073]
如图3所示，该快门式眼镜16被设置为在高透明度状态和低透明度状态之间周期性地变化。此处，图3的b)示出了该光源12的强度随时间的变化。与这种强度的变化同步的是该快门式眼镜16，如图3的c)所示，其中，标签“打开”是指该快门式眼镜具有高透明度，而标签“关闭”是指该快门式眼镜具有低透明度。与此不同的是，环境光源10所发射的光总是处于同一水平(参见图3的a))。通过仅在快门式眼镜16具有高透明度的那些时间段内、为光源12发射的光11'选择性地打开该快门式眼镜16，观察者18选择性地感知到该光11'。由于人眼通常仅感知平均光强度，又由于在以高强度发射光的那些时间段内，光源发射的光至少与环境光一样亮甚至比环境光更亮，因此主要观看到的是光源12发射的光。因此，即使在具有高环境强度的环境中，所感知的图像对比度也会增加，且足以使屏幕获得令人满意的视觉效果。我们还注意到，第一驱动器14b和第二驱动器14a使用一共同的函数发生器15，会使该快门式眼镜16和该光源12更容易实现同步。我们还注意到，在图3的c)中，将时间段标为t
on
和t
off
，其示出了该快门式眼镜具有高透明度的时间段(t
on
)和具有低透明度的时间段(t
off
)。在这种背景下，可将占空比定义为t＝t
on
/(t
on
t
off
)。t
on
为100μs，t
off
为0.00990s，使得理论上的对比度增强为100。
[0074]
连接到该光源12的有光电转换元件(太阳能电池)17。来自环境光源10的光照射在该光电转换元件17上从而产生能量。该能量被提供给可存储能量的储能装置19。该能量随后用于驱动该发射装置12并被提供给该系统的其他部件。
[0075]
图4示出了使用原型系统所获得的结果。在左边的视图中，可以看到发明人的笔记本电脑在居家环境中的正常视图(即，未使用本发明的技术)。虽然可以看到笔记本电脑的屏幕，但仍值得注意的是对比度并不是特别高。此外，容易注意到的是，该环境光更亮。在该图像的右侧，示出了在相同的环境下使用所要求保护的发明的情形。值得注意的是，环境光以显著的程度变暗，而且计算机屏幕上的对比度也更高。即，通过选择性地“遮挡”环境光并选择性地“选通”笔记本电脑的光，就可以实现待在笔记本电脑屏幕上看到的图像的更高的对比度。在这种情况下，屏幕可以充当眼镜的“奴隶”。
[0076]
图5示出了根据本发明的一种笔记本电脑的照片。可以看出，该笔记本电脑的背面覆盖有一块与其背面尺寸大致相同的光伏板。
[0077]
这也可以从图6看出，图6中示出了该笔记本电脑的正面。再次可以确认的是，太阳能电池板覆盖的面积与笔记本电脑的屏幕的面积大致相同。
[0078]
图7的a)和b)示意性地示出了笔记本电脑在暴露于阳光的环境中使用时，其功耗随阳光亮度的变化。这些附图是基于以下假设而获得的：调节笔记本电脑的屏幕的亮度以具有足够的对比度。
[0079]
我们将首先讨论图7的a)。水平的虚线表示，笔记本电脑的多个部件的功耗与强度无关。该功耗例如可以是硬盘驱动器、cpu、wi-fi适配器等的功耗。因为无论环境光有多少，这种能量都会被消耗，因此随着阳光亮度的增加，该功耗是恒定的。
[0080]
附图标记为i的斜线表示太阳能产生量。很明显，这种产生量随着阳光的亮度而大致呈线性地增加，并且在没有阳光的情况下，不会产生能量。
[0081]
线iii表示该屏幕的光源的功耗随阳光强度的变化。可以理解的是，阳光越亮，屏幕就必须越亮，以便提供可接受的对比度。而且，这种功耗与阳光的亮度大致成正比。最后，线ii示出了该笔记本电脑整体的净功耗，其中考虑了太阳能电池产生的能量，使得示出的是剩余净能量的需求。从该示意图中可以看出，太阳能电池板产生的能量显著小于线iii所描述的消耗的能量，使得所产生的净功耗ii保持正值并随着亮度的增加而增加。
[0082]
图7的b)示出了根据本发明的一种笔记本电脑的功耗。此处，使用了与图7的a)中相同的符号，并附加了一个“'”来表示差异。同样地，如线i'(其应与图7的a)中的线i相同)所表明的，太阳能电池所产生的能量随着阳光的亮度而大致呈线性地增加。然而，由于屏幕的光源只需要在一小部分时间工作，因此该屏幕的能耗显著降低(参见线iii')。由于如虚线所示，其他部件的功耗大致恒定，因此净功耗(线ii')减小并呈现负斜率。特别是，该净功耗从点a开始变为负值。因此，利用根据本发明的笔记本电脑，当在户外操作该笔记本电脑时，甚至可以产生能量。
[0083]
图8示意性地示出了屏幕的功耗随着亮度级别而增加。
[0084]
现在描述图5和图6中所示的原型的操作。该原型是一台标准的笔记本电脑pc，其屏幕经过了改良并配备了光电部件，以使该屏幕仅以特定的重复频率发射光。用户佩戴有具有透明度、且与该屏幕同步的护目镜。该屏幕使用250hz的重复频率，以避免明显的闪烁。
[0085]
接下来的情况是，光源仅在光发射的期间消耗电能，对于该光源我们使用了例如250hz的重复频率和1/40的占空比，这意味着打开时间为0.1ms。使用例如比平常亮20倍的充足光源时，峰值功耗也会比之前高20倍。然而，因为占空比为1/40，所以屏幕的时间平均能耗将减少一半。换句话说，与按照惯例操作笔记本电脑的情况相比，屏幕对比度被视为比之前高20倍，而能耗降低。替代地，使用比正常使用增加5倍的峰值时，该屏幕的电池消耗甚至会减少8倍。
[0086]
对这种笔记本电脑是否能在阳光下使用进行了测试。发现该对比度是令人满意的，这也可以从图4中看出，该图4示出了使用没有安装太阳能电池板的原型时获得的照片。此外，用户现在可以从强烈的环境阳光中受益。特别是，在整个工作周期内，周围环境的光强度都是可用的，并可用于向笔记本电脑的电池充电，使得笔记本电脑大小的、尺寸例如为20cm x 30cm的太阳能电池板，甚至足以(超过)补偿屏幕光源的全部功耗。
[0087]
这也从建立的原型中得到了证实。发明人在使用该原型时发现，大致这种尺寸(对照图7)的太阳能电池板足以产生比笔记本电脑的光源所消耗的电能更多的电能。特别是，发明人通过最大功率点跟踪(maximum-power-point-tracking，mppt)电源转换器将这块太阳能电池板连接到驱动笔记本电脑的屏幕发光的电池，以在操作该屏幕时向电池充电。这
样，发明人发现，3.4
±
0.5瓦的电力足以运行光源，并在相同的环境中舒适地观看屏幕，在这种情况下，位于笔记本电脑背面的太阳能电池板产生了4.8-5.2瓦的太阳能(如图6所示，全部使用在线功率计测量)。这一概念性验证表明，即使是次佳的设计，且即使使用了一台相当老旧且效率较低的计算机，屏幕背面的太阳能电池也可用于补偿屏幕光源的能耗，甚至提供一些超出的额外的能量。由此可见，太阳能电池板产生足够的能量来驱动屏幕，同时也有大约1w的能量剩余。这足以驱动像计算机这样的现代节能电子器件，因此表明该原型可扩展为独立运行的笔记本电脑。
[0088]
这表明，辅以小型太阳能电池的笔记本电脑在明亮的环境下操作时，与在较暗的环境中相比，其电池的使用时长可能会出乎意料地增加。这意味着将笔记本电脑从暗处的位置带到被阳光直射的位置可延长电池的使用时长，而不会损失图像对比度。
[0089]
发明人还考虑了，这是否允许人们使用笔记本电脑在明亮的海滩上看电影，同时完全依靠太阳能驱动该笔记本电脑。
[0090]
首先，以下数字应适合于使笔记本电脑屏幕在明亮环境中的能耗比该笔记本电脑的其他部件的能耗高得多。一台普通的笔记本电脑(即macbook air 2018)据说具有50.3瓦时(wh)的电池容量，根据苹果(apple)的说法，利用该电池，基于使用情况，该笔记本电脑可运行长达12小时。这意味着这段时间内的平均功耗大约为4.2瓦。在正常(办公)使用时，屏幕将使用其中的1-2瓦，而最高部分用于该笔记本电脑的照亮。
[0091]
此外，联想thinkpad型号410s具有4瓦的内置led光源。类似地，对于老一代笔记本电脑而言，据说耗电量为3.5瓦。这意味着，普通笔记本电脑使用其功耗的很大一部分(即使不是大部分)来运行屏幕内的光源，尤其是当在明亮环境中尝试通过强度调节来产生良好对比度时。特别是，当从室内办公室(在德国通常具有500lx的推荐亮度)移动到室外时，可能需要将屏幕亮度提高10倍或更多，以便获得给定的所需的对比度。然而，这将引发无法由太阳能电池板补偿的能量消耗。作为参考，尺寸为32x22cm2的板将产生高达10瓦的电力(参考1000瓦/m2的最大日照强度)。根据目前的工艺水平，当将该太阳能电池板连接到笔记本电脑屏幕进行测试时，在正常的观看条件下，所获得的5瓦电能远不能产生所诉求的环境对比度。
[0092]
辅以仅发射脉冲光的技术，屏幕光源的能量需求显著下降。作为一个示例，与标准(室内)使用相比，该技术可用于获得10倍的感知亮度(对比度)增加，同时将屏幕的能耗降低甚至4倍。
[0093]
这种能量平衡对一特定示例有效，但当考虑笔记本电脑在户外运行的净能量平衡时，该能量平衡的含义可以被广义理解。图7中的图将普通的太阳能笔记本电脑的户外使用与没有太阳能的笔记本电脑的户外使用进行了比较。可以看出，由于占空比使屏幕能耗降低1/40倍，且这意味着占空比降低至2.5％，因此即使对于固定的环境对比度，净能量平衡也会有利地随着太阳光强度的增加而增加。这意味着，使用与笔记本电脑的尺寸相当的太阳能电池，可以在使用该笔记本电脑的同时为电池充电。
[0094]
当在海滩看电影时，这允许向笔记本电脑充电吗？这取决于该笔记本电脑需要多少能量来运行其他部件。我们已经在上文解释，设法使用该原型获得合适的环境对比度。考虑到该原型的运行远不是最佳的(作为一个示例，移除一个对非lcd透射光进行反向反射的重要的金属薄片，从而不出所料地减少了大于25％的能耗)，仍具有很大的改进空间，且显
然可以减少能耗中的大部分，使得可以使超过1瓦的电力非常可靠地一直为其他部件供电。正如从苹果手机7的网站上所了解到的那样，该手机允许使用11.1wh的电池观看长达13小时的视频，而1瓦的电力足以运行硬件，以向屏幕发送高分辨率的视频信号。总之，本文所介绍的系统能够在操作笔记本电脑时，通过屏幕大小的太阳能电池板为笔记本电脑充电。