CN105247602A - 具有均匀间隔的元件的体积三维显示器 - Google Patents

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Abstract

一种体积三维发光显示器包括：发射器阵列，其按照发射器的中心点的相对位置的限定被布置成密堆积关系；以及导体阵列，其与发射器阵列电接触。发射器阵列可以例如包括常规的RGB叠层或类似的全色装配或四种不同颜色的发射器。

Description

具有均匀间隔的元件的体积三维显示器
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2013年3月15日以相同标题提交的美国临时专利申请S.N.61/801,437的优先权，并且通过引用并入所述申请的内容。
技术领域
本发明涉及三维显示器，具体地，涉及体积三维显示器。
背景技术
据信迄今为止，布置包括发光二极管的三维显示器的明显的实际有用的方式一直是利用在z轴上径直向上重复、一个在下一个的顶上的相同层(例如，二维OLED显示器)。至少自从Whitesell的美国专利No.5,929,572和Eickhoff的GB专利申请2376555以后、一直到Uchida等人的美国专利申请公开No.2004/0145538、Tracy的美国专利No.6,720,961、Li等人的美国专利申请公开No.2009/0002266(现在作为美国专利No.8,525,954发表)以及Koo等人的美国专利No.7,587,120，一直是这样做。
LED电视和监视器领域中的工作虽然广泛，但是是“以像素为中心的”(OLED的崛起可能更是如此)，并且常规的二维像素阵列不易于按照除了相同的直接叠层之外的任何布置堆叠来创建三维体积显示器。此外，据信在本领域技术人员谨慎地控制堆叠式体积显示器中的层之间的相对距离(例如，DE2008007287)的情况下，其目的一直都不是为了建立三维规则体素或三维均匀元件间隔(或者一直都不与此一致)。
即使本领域技术人员设想过尝试背离现有模型，即使他们在制程中碰巧考虑过空间填充的概念，利用从球体的密堆积的几何体推导的元件布置的可能性也将不会看似一个好的候选方案。首先，球形体素的构造将会是不切实际的。(体素可能由球形漫射材料形成，但是漫射材料的所得程度的不透明度对于体积三维显示器是不可取的，如果根据元件的密度和深度可行的话)。在任何情况下，当被密集堆积时，球体留下两种不同形状的许多间隙，仅填充空间的大约74％；通过连接密堆积球体的中心点而形成的正四面体同样如此。此外，用于产生全色(例如，256+种颜色)LED显示器的标准的一组发射器包括三个发射器(红色、绿色和蓝色，或RGB)，而由多于或少于三个的发射器组成的其它组现在受到相对较少的(通常逐渐减少的)关注；如果空间填充方法迄今为止一直都愿意被考虑，则该方法也将因缺乏按三维模式布置R、G和B发射器的优点而被排斥。
发明内容
尽管正四面体结构不能完全地嵌合体积是事实，但是申请人已经发现，通过在新颖的体积三维显示器中利用元件的密堆积栅格布置，可以得到产生有意义地提高的性能的、某些关键的功能性的优点。按照该布置利用四种不同颜色的发射器允许这样的方案，即可以实现在常规布置中为不可能的体素和边界的平滑和等流。对于密堆积栅格中的每个元件使用常规的RGB发射器叠层(或类似的全色装配)可以提供相关的独特的益处。
附图说明
图1是例示本发明的实施例的结构和功能布置的部分透视图，该结构和功能布置按面心立方体阵列布置，该立方体阵列具有四组不同颜色的发射器的三维布置。
图2A-5B是基于图1的、但是还包括密封材料的实施例的截面图，其中：
图2A示出与大体上表现为图1的大致立方体形状阵列的顶面的平面平行的平面，所描绘的平面像图1中用RG所指示的一组虚线指示的平面；
图2B示出与图2A的平面平行的平面，所描绘的平面像图1中用BY所指示的一组虚线指示的平面；
图3A示出与大体上表现为图1中的左前面的平面平行的平面，所描绘的平面像图1中用RY所指示的一组虚线指示的平面；
图3B示出与图3A的平面平行的平面，像图1中用GB所指示的一组虚线指示的平面；
图4A示出与大体上表现为图1中的右前面的、在图1中用GY所指示的一组虚线指示的平面平行的平面；
图4B示出与图4A的平面平行的平面，像图1中用RB所指示的一组虚线指示的平面；
图5A示出在图3A和3B中所描绘的平面之间找到的类型的平面；以及
图5B示出在图2A和2B中所描绘的平面之间找到的以及在图4A和4B中所描绘的平面之间找到的类型的平面。
具体实施方式
附图描绘了具有发射器101-104的基本的面心立方体布置的体积显示器100的一部分，发射器101-104(通常包括常规的无机或有机发光二极管的层(这里没有描绘这样的层))包括红色发射器101、绿色发射器102、蓝色发射器103和黄色发射器104。该结构被布置为使得存在重复的、相同定向的、均匀间隔的、正四面体形状的、包括每个发射器中的一个的体素。(四面体的边缘由连接发射器的中心点的假想线限定。如本文中所使用的“中心点”一般只是意指发射器结构的几何三维中心，但是对于一些发射器，与整体二极管特征或类似特征相反，发光源可能与几何中心分离地足够远以致理应对源的中心的位置进行数学评定)。导体110和111优选是透明的，并且优选地存在透明的电绝缘的密封材料108。(如本文中所使用的，“密封材料”不隐含任何特定的制造方法，仅仅是指密封材料和显示器的其它部分之间的结构关系)。
导体尖端110t优选地永久地贴附到与图1的阵列的右前面对齐的侧板(未示出)，导体尖端111t就顶面而论同样如此。可拆卸侧板相对而言更需要坚固的设计，但是如果侧板利用X乘Z、X乘Y或Y乘Z驱动连接元件的阵列(其中，X、Y和Z是对应列或行中的导体尖端的数量)，则经济版本将是可行的，所述驱动连接元件仅由或主要由常规的导线和金属组成，适于在一侧连接到控制器连接器(例如，与X+Z或X+Y或Z+Y管脚连接器连接)，在它们的另一侧，设有啮合和连接到导体尖端的接触垫或啮合特征(例如，平的、刷式的、尖的等)。可替代地，侧板可以包括透明的头部，例如注塑的夹层样式的头部，引导和收缩引线成紧凑的不透明的电缆。在任何一种情况下，侧板可以允许连接到常规的接口(例如，HDMI)，优选地用芯片和/或板载固件或软件(以及从连接的另一侧递送的合适的内容)连接以得到可用信号。
小型而高元件密度的实施例可以适合于与能够递送体积三维内容或以其它方式有用地与显示器交互的移动装置兼容。在玩具或艺术显示器实施例中，显示器可优选的由可再充电的板载电池(诸如锂离子电池组)供电，装置的基底附着到侧板中的一个，并且包含电路，该电路允许其显示存储在板载存储器中的和/或由另一个通信装置无线地递送(例如，通过在基底中合并蓝牙或Wi-Fi收发器)的、视觉上有趣的三维图案。
在面心立方体实施例中，导体110和111如附图中所描绘的那样布置(相关联的截面图的平面每个仅包含两种颜色的发射器)，如果d是每个最靠近的元件到下一个元件的中心点之间的距离，则所描绘的元件平面(其中，它们与元件的中心点相交)间距为相邻平面的元件的中心点错开在发射器的中心点被布置在与附图中所描绘的位置相同的位置处、但是导体等改为被铺设为与包含所有四种颜色的正六方体网格形状的平面(这些是面心立方体图案的重复的“A/B/C”平面)平行的实施例中，那么发射器平面的间距为并且每个是相同的，除了同平面上方或下方相比偏移之外。在后一实施例中，不是具有如所描绘的那样彼此排列成90°角的两组导体，而是可以存在彼此排列成120°角的两组导体(但是如果发射器相对于绝缘密封材料108足够小，则它们可替代地也可以被布线成90°角)。这样的布线自然将生成不太熟悉的“打开的书本”形状的布置，这在大多数实施例中将提高显示器的多方向可视性。
密堆积栅格/四面体体素布置使得能够有意义地增强运动、点、边缘和边界的描绘。当与如附图中所描绘的那样按颜色布置的四色发射器组一起使用时，这样的布置的四面体体素可以被向上、向下、向左、向右、来回移动相等距离，但是每一个这样的体素还由两对发射器组成，其中每个可以形成该体素或另一体素的一部分。因此，显示器可以被驱动以将体素“1”所描绘的元件向远处移开一个体素的一小部分以占据占据了原始像素“1”的发射器中的两个的体素(并且布线被布置为促进该移动)。这可以连续地进行，优选地通过由合适的图形处理器执行的相关联的逻辑和计算来进行，允许其它方式不可达到的运动的逼真。类似地，每一个发射器可以形成八个不同的四面体体素的一部分；因此，例如，体素可以摆动或转动通过八个不同的同样接近的位置，这些位置全都占据同一个发射器。
本发明的另一个实施例利用一般常规的RGB(或其它全色生成)的、垂直堆叠的发射器(参见例如Fan等人的美国专利申请公开No.2009/0078955，该申请通过引用并入本文)作为密堆积元件。在这种情况下，尽管如所指出的，空间没有被最佳地填充，但是每一个发射器被同样接近的十二个其它的发射器——三个相互正交的平面中的每个中的彼此相隔90°的一组四个发射器——包围。这意味着，对于描绘某个时刻的(指定的可变颜色的)移动元件的给定体素，将存在十二个均匀分布的可用方向，在这些方向上，所描绘的元件可以转到(无论它向哪条路线移动)新体素，该新体素描绘该元素将同样地在十二个方向上具有直接的运动自由度。因为简单的立方体阵列仅允许有六个直接的自由度，所以本实施例使得可以改进所显示的运动的平滑度。该实施例当然需要更复杂的构图来将每个发射器叠层的所有四个电极连接到对应的导体。
中心点是这里所讨论的测量基础，发射器、绝缘体和导体相对于彼此的相对大小可以在大范围上变化。本发明可以使用各种方法以及在广泛变化的尺度上实现。大型(例如，被设计用于户外或其它远距离观看)实施例可以具有多个毫米或者甚至多个厘米的d，并且使用高功率(例如，无机)发射器，而利用透明OLED材料的实施例可以被做成一毫米的分数的间距。如从图3A、3B和5A中所示的发射器和导体的图案将意识到的，至少在所描绘的布线布置中，本发明服从透明OLED制造技术，包括基于以下的那些技术：溶液处理、自旋或狭缝模具涂布、沉积和/或移除(溅射、化学、激光、UV等)、印刷、微压印等、以及它们的组合和混合。Chao的美国专利申请公开No.2007/0126354、Grabowski等人的美国专利申请公开No.2010/0308353、以及Cho等人在OpticsExpress19：2中第1113-21页的在那方面的“Highlytransparentorganiclight-emittingdiodeswithametallictopelectrode：thedualroleofCs2CO3layer”的教导通过引用并入本文。
层在刚刚指出的附图的平面中连串地彼此堆叠地生成，间隔和层高度如以上那样在数学上做出规定，并且通过与给定处理相关的制造控制来监视，导体和发射器被绝缘体108包围。在前述处理中精确地横向对齐层的常规手段是现成的；例如在掩模处理、配准中(参见例如Guizar-Sicairos的在OpticsLetters33：2(2008)上的“Efficientsubpixelimageregistrationalgorithms”，该文献通过引用并入本文)，如果必要的话，对于高分辨率实施例计量，可以利用模式识别和/或其它技术。同样地，某些制造步骤可能需要常规的增强和附件以确保正被制造的部分的一致高度。不是如附图中所描绘的三维厚的单片导体110/111，代替每个导体，可以提供两个平行的薄导体层(未示出)——一个接触(被更换的导体的)一侧的一行发射器，另一个接触另一侧的发射器——密封材料占据导体层之间的区域。
显示器优选地被生产为整体的单片固体部分(但是在不脱离本发明的情况下，可以做出诱捕诸如液晶的流体的区域的实施例)，所述整体的单片固体部分在不通电时是基本透明的，不包含气体，并且具有被选为减轻层处的透射损失、反射和折射(包括由于双折射)并且优化每个体素的光的混合的材料和相对大小。“基本透明”等的意图是，材料(基于其总透射损失的相应部分，所述总透射损失包括来自包括平均可涂覆层的其它材料的贡献)使来自其元件的有用地可见的(为了显示的目的)光通过所讨论的实施例的多个(至少八个)层。绝缘体108优选地包括PMMA，但是它还可以包括聚碳酸酯、或与选定的发射器构成、导体材料、制造方法和预期用途相容的其它聚合物。将引发串扰的布局是要避免的，如将创建破坏性或建设性薄膜干涉或衍射的构造(包括膜厚度等)那样；光学增强(例如，抗反射)层也可以被涂覆。
可以使用商业上占主导地位的导体材料，或者可以通过利用具有优越的性质并且更便于处理的材料来提高性能，诸如纳米银(例如，Cambrios的Allemand等人的美国专利No.8,018,568、KeChuang的AW030；还参见Chung等人的在NanoRes(Springer2012)上的“Solution-ProcessedFlexibleTransparentConductorsComposedofSilverNanowireNetworksEmbeddedinIndiumTinOxideNanoparticleMatrices”、Zeng等人的在AdvancedMaterials22：4484-85(Wiley2010)上的“ANewTransparentConductor：SilverNanowireFilmBuriedattheSurfaceofaTransparentPolymer”、Hu等人的在ACSNano4：5，pages2955-63(2010)上的“ScalableCoatingandPropertiesofTransparent，Flexible，SilverNanowireElectrodes”、Kuriki的美国专利申请公开No.2011/0094651、以及Spechler等人的在AppliedPhysicsA(Springer2012)上的“Direct-writepulsedlaserprocessedsilvernanowirenetworksfortransparentconductingelectrodes”，其中每篇都通过引用并入本文)、碳纳米管(参见例如Hecht等人在J.Soc.InfoDisplay19：2，pages157-62(2011)上的“Transparentconductivecarbon-nanotubefilmsdirectlycoatedontoflexibleandrigidpolycarbonate”，该文献通过引用并入本文)、以及石墨烯(参见例如Moon等人的在ScientificReports3：1112(2013)上的“2DGrapheneOxideNanosheetsasanAdhesiveOver-CoatingLayerforFlexibleTransparentConductiveElectrodes”，该文献通过引用并入本文)。
在大多数实施例中，密封材料和导体材料(一种或多种)的选择将部分地彼此限制或者导致附加步骤，诸如折射率调谐、抗反射层、光学贴合或层压等。每个的折射率应很好地与另一个匹配(并且如果需要，进行调谐——参见例如Hanemann的“Tuningthepolymer[]indexwithnanosizedorganicdopants”，该文献通过引用并入本文)。PMMA的折射率相当接近于PEDOT：PSS以及纳米银和碳纳米管解决方案的一些实施例。就使用双折射材料而言，可以采取减轻这的影响的步骤，包括优化各向异性取向以及可能地负双折射膜的添加。玻璃封装的实施例可以利用被选为更好地与ITO等匹配的高折射率玻璃，在这种情况下，也可以利用光学贴合，如OLED/聚合物实施例的情况下的层压可以的那样。
范围广泛的发射器类型是合适的，包括无机LED、OLED、混合LED/OLED结构、纳米线LED(参见例如Cho等人的美国专利No.8,129,701)以及其它发射器类型。大多数实施例中的发射器应是针对低角谱依赖性而选择的形式、形状和材料，特别是在阵列具有很深的深度(意味着八个或更多个层)并且显示器意图用于广角度范围观看的优选实施例中。一个实施例利用OLED发射器和相容的透明材料，但是具有远大于包括至少八个RGBY层(优选地一打或几打)的第三尺寸的两个尺寸。这样的实施例可以呈现出像三维体积“鱼缸”样式的显示器那样，用户可以近距离观看所述三维体积“鱼缸”样式的显示器，以查看正被描绘的若干个单个的物体，其中相对于常规的和现有技术的堆叠式OLED显示器运动的清晰度和平滑度得到了提高。
尽管可以根据实施例使用许多公知的处理，但是一些实施例仍将采用不常规的处理方式。例如，预成型的聚合物(或玻璃)矩形剖面棒(优选地嵌入或附连的发射器)的阵列可以被配准地装配，并且被按压在一起，并且被同时一起地或逐层地加热，在真空下被密封；这样的棒可以由在它们的表面上被相关的导体材料涂布的绝缘体的平面层形成(诸如用上述Chung等人所使用的nanoAG方法，该方法可以减小折射率变化的影响)，然后，例如，被激光切割成条。作为另一个例子，可以部分地通过模塑像图3A、3B和5A的那些片材的片材、然后结合这些片材来生成实施例(优选地，膜的两个层代替所描绘的导体中的每个用作导体)。
感知颜色的子体素混合可以在结构上通过下述方式来增强，即，选择发射器并将这些发射器配置为具有最大程度重叠的展度，并且利用适合于给定实施例的技术，诸如光导、漫射，或者在定向(例如，侧发光)发射器的情况下，两个发射器(诸如包括所描绘的实施例中的四面体体素的两对)之间的相互反射。可能的混合LED实施例可以包括非常小的、低功率的无机LED，可变电导率引线朝向较大的透明导体接触区域，逐渐地变宽，导电性逐渐地变低。布置在面心立方体栅格中的小型无机LED可以包括侧发光LED(在给定体素中有或没有Lambertian或OLED剖面发射器)，并且可能增加电致变色混合。
根据本发明制成的显示器还有利地采用多种布线方法，许多方法包括单一颜色发射器的线路(诸如在附图中如果导体被如上所述的两个相对膜层取代)以便促进得益于物理分割的颜色通道的驱动方案。如所指出的，可以利用多个90°或120°方位(以及它们对应的装置形状)。还可以进行布线以复用(通过使用脉宽调制)实施例的发射器，诸如附图中所描绘的发射器，但是在一些实施例中，该选项的范围受在视觉效果的持久性的明显边界被通过之前导体材料的容量(或其它性能相关问题，诸如过密集布局中的串扰)的限制。在一些实施例(诸如小型8×8×4或8×8×8玩具等或适度地更多的体素视觉艺术显示器实施例)中，显示器可能由于本文中所描述的原因而不具有足以渲染现实内容、但是仍可以产生光和图案的更平滑的流动的体素。同不具有本文中所描述的布置的显示器中的视觉(“p.o.v”)效果相比，还可以利用p.o.v效果的持久性来增强感知的移动。
四色发射器组的使用可创建驱动发射器来描绘颜色空间的设计选择，与三色组一样，对于给定的期望的光频率，不存在唯一的(相对亮的强度或等同地脉宽调制值的)解决方案。目前的各种商用产品制造商利用RGBY(或RGBA(与RGB区分开))来实现，包括Sharp和NorluxCorp.ofIllinois(包括RGBY的to-specLED发光驱动电路系统的提供商)以及其它制造商。四元件程序设计的有些通用的解决方案可以包括计算RGB值集、RBY值集、RGY和GBY、针对单个RGBY值对它们进行平均值求取或进行插值；另外，对于玩具或艺术视觉显示器实施例的过多的视觉区分和娱乐解决方案(优选地用平滑体素运动强调)可以被普通技术人员容易地设计。
本发明的不同实施例有可能通过亮瞳或暗瞳眼跟踪来进一步增强，以定位观看者相对于阵列的位置，并且有可能利用(板载的、在图形处理器组件中的等等)处理器向用户提供不同时间不同视角的均匀的控制有效的显示，驱动从用户的角度来讲“向后的”、具有更高功率和/或不同驱动特性的单元，以便基于它们目前预期的相对光损失来规范化元件相对于彼此的输出。还可以根据配置，应用该效果，以通过改变用户的位置和发射器的展度的相对对齐来规范化元件的感知的输出，以及修改输出颜色，以通过所使用的材料来抵消发射器的可见输出的任何角谱依赖性和/或波长相关的差别损失率。
存在在三个维度上规则地、对称地重复的非密堆积结构和布置，即，简单的立方体布置(由发射器的中心点的相对位置限定)，其中每个立方体形状的体素包括八个发射器，这八个发射器是八个不同颜色的发射器或四对相似颜色，其中体素中的每个发射器被放置在离其相似颜色最远的对角处。在x、y和z轴上如此相同地组织和重复的简单的立方体栅格在如下的上下文或应用中可能是有用的，在这些上下文或应用中，与每单个体素具有八个完全间隔的发射器相关联的发射器密度不是不适当的障碍，并且期望选择性地控制体积三维显示器的定向光输出。在该实施例中，显示器可以适于选择性地将功率提供给体素的发射器的子组(或者可替代地，不提供功率)，该发射器可以例如被分组成使得在奇数层中，发射器被定向在一个方向上，在偶数层中，它们被定向在另一个方向上。它还可以进一步适于执行眼跟踪以及基于由此查明的用户的位置来选择性地将功率提供给发射器。可替代地，功率的选择性控制可以与来自以下装置的输入关联：陀螺仪、触摸或压力敏感元件、运动和/或光检测器、或可以与显示器的期望的输出方向相关的任何其它可感知的信息源。
本文中所讨论的实施例假定实际期望通过无源寻址来避免诸如TFT的有源电子器件的中间层，然而，可以认为(至少对于较小型阵列)甚至可以用现有的透明TFT来合理地实现这种情况。这些以及其它的易于明白的实现和修改在本发明的范围内；除非指明，否则上述优选实施例的细节不意图作为对权利要求的限制。

Claims (22)

1.一种体积三维发光显示器，包括发射器阵列；以及与所述发射器阵列电接触的导体阵列；其特征在于，所述发射器阵列按照所述发射器的中心点的相对位置的限定被布置成密堆积关系。
2.一种三维发光显示器，所述三维发光显示器具有包括以下部分的层：发射器的第一平面阵列；发射器的第二平面阵列；在所述第一平面阵列和所述第二平面阵列之间的至少一组导体；以及在所述第一平面阵列或所述第二平面阵列中的一个的另一侧的至少一个第二组导体；其特征在于：
a.所述发射器的第一平面阵列包括第一颜色的第一组和第二颜色的第二组；
b.所述发射器的第二平面阵列包括第三颜色的第三组和第四颜色的第四组；并且
c.所述第二平面阵列被抬高到所述第一平面阵列之上并且它们的中心点错开其中，d是最紧密邻近的发射器的中心点之间的距离。
3.根据权利要求1或2所述的显示器，其中，所述导体基本上是透明的。
4.根据权利要求1所述的显示器，其中，所述显示器能够产生全色。
5.根据权利要求4所述的显示器，其中，所述显示器包括四色发射器。
6.根据权利要求5所述的显示器，其中，所述发射器被布置成体素，所述体素是由所述四色中的每种颜色的一个发射器组成的正四面体。
7.根据权利要求3所述的显示器，还包括基本上透明的电绝缘材料。
8.根据权利要求7所述的显示器，其中，所述电绝缘材料的折射率和所述导体折射率剖面在选自以下组的值内是匹配的：5％，2％，1％或0.5％。
9.根据权利要求1所述的显示器，其中，所述密堆积布置是面心立方体。
10.根据前面的任何一个权利要求所述的显示器，其中，所述发射器是发光二极管或OLED。
11.根据权利要求7或8所述的显示器(除了对于权利要求2的依赖程度之外)，其中，所述显示器是单片的，并且所有的发射器和导体都被所述电绝缘材料基本上完全封装。
12.根据权利要求11所述的显示器，还包括第一卸除板和第二卸除板，所述第一卸除板包括与第一组导体接触的触头的阵列或第一组导体的延续部分的阵列，所述第二卸除板包括与第二组导体接触的触头的阵列或第二组导体的延续部分的阵列。
13.根据权利要求12所述的显示器，其中，所述卸除板基本上是透明的，并且包括汇集成更紧凑的不透明的导体的夹层头部。
14.根据权利要求4所述的显示器，其中，所述发射器是RGB发射器叠层。
15.根据前面的任何一个权利要求所述的显示器，其中，所述显示器包括第一组平行导体和第二组平行导体。
16.根据权利要求15所述的显示器，其中，所述两组导体相对于彼此排列成120°角。
17.根据权利要求15所述的显示器，其中，至少一组导体包括nanoAG、碳纳米管或石墨烯。
18.根据前面的任何一个权利要求所述的显示器(除了对权利要求2的依赖程度之外)，其中，所述显示器是电池供电的。
19.根据前面的任何一个权利要求所述的显示器(除了对权利要求2的依赖程度之外)，其中，所述显示器适于执行眼跟踪。
20.根据权利要求7、8、11、12或13所述的显示器，其中，所述电绝缘材料是PMMA。
21.根据权利要求20所述的显示器，其中，所述PMMA被掺杂或被以其它方式调谐以更好地与所述导体的折射率匹配。
22.根据权利要求1所述的显示器，其中，所述密堆积布置是六角形。
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