CN1218139C - 一种颜色可变的光纤照射显示装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种照射显示(21)，其利用光纤(29)和可编程控制器(33)改变颜色可变的发光二极管(25)发出的通过光纤(29)的光的亮度和颜色。被照射的光纤显示(21)置于平面(23)上并可被结合用于衣物上。通过将颜色可变的发光二极管(25)与相应的光纤束(27)相连，可以用更少的互连线、更少的光源(25)及更少的光纤(29)来做成引人注目的、颜色变化的显示。

Description

一种颜色可变的光纤照射显示装置及方法

技术领域

本发明涉及一种由光纤构成的照射显示装置，特别是涉及一种利用同一光源及同一光纤但可改变颜色的照射显示装置。

背景技术

以将光纤的末端安置在照射显示装置或模板的方式来把光纤固定在织物(或其它面板)上的技术是已知的。第4,875,144号美国专利(Wainwright)和PCT公开文本WO96/37871都公开了这样的照射显示装置和用于照射它们的系统的例子，上述二发明与本申请的发明人相同。

制作光纤照射显示装置并将其固定于合适的柔性或半刚性材料的动机之一是引起人们的注意。如上述参考专利文件所教导的，增强这样的显示装置的吸引力的一种技术是在不同时间使光纤的不同子集被照射。这样的排序能使图像看来好像“开花”、“闪烁”或动画片断的一部分。尽管如此，最好还是更进一步增强这样的光纤照射显示装置的吸引力。

可惜，如果不相应地增加显示装置的复杂性，则很难增强这样的光纤照射显示装置的吸引力，而增加显示装置的复杂性也从而增加了它的制造成本及用户的购买费用。更引起人们关注的是，引人注目的光纤显示装置太笨重而不易运送，如果是衣物，则太笨重不易穿上、脱下或穿着。例如，在当前的技术条件下，要该变光纤显示装置中给定点的显示颜色一般要求用多光纤束，该多光纤束具有多个独立的光纤，这些光纤终接于要求改变颜色的每一点并与所要求的颜色的光源相联结。结果，为使显示装置的多个点改变颜色，每个点都要有与所要求的与此有关的颜色数目一样多的光纤和彩色光源；这明显地增加了所需要的光纤和彩色光源的数量。

而且，该显示装置越复杂，就越容易由于承载此光纤照射显示装置的柔性材料的磨损和撕裂及彩色照射装置潜在的缺陷而损坏。这样，就需要增强由光纤制作的照射显示装置的视觉效果和吸引力。相应地也需要以更经济的方式实现这种显示。还有一个需要是利用光纤制造吸引人的显示装置，以减少光纤的数量和互相之间连接的复杂性。

发明内容

本发明提供了一种由多根光纤组成的照射图象。光纤的远端部分固定于一载体，该载体本身有一表面，光纤图象组成并显示于该表面上。光纤的近端与光源进行工作性连接，即此光源的光从光纤的近端传输至远端，以使光纤的远端部分在载体的表面是可视的。通过以所要求的时序产生数字信号并将该数字信号传送至光源来照射光纤图象。光源本身又有内部装置及与此有关的装置以使光源随时间变化响应数字信号发出与该数字信号相对应的不同颜色的选定图案。结果，光纤的远端部分就形成了载体的可视表面上的变化颜色的点，每一点对应单一一根传输光的光纤。结果是具有图象的光纤照射显示装置看起来象随时间变化而改变颜色，并且减少了组成光纤照射显示装置的光纤连接的数目和光源的数目。

在一个优选实施例中，该显示装置载于柔性平面材料，例如衣物之类的纺织品。合适的、可移动的电源提供电源以照射该显示装置，可编程的微处理器产生传输至光源的数字信号。优选地，光源包括至少一个发光二极管，该发光二极管发出三种各自不同波长的光。通过改变数字信号产生并传输至发光二极管的频率来改变三种光中的每一种的亮度。

与光纤显示装置一起使用的微处理器改变至发光二极管中的三个衬底中的每一个的脉冲频率，在一个优选实施例中，该三个衬底分别对应于红、绿和蓝光波长。至红、绿和蓝衬底的脉冲频率的变化改变了它们各自的亮度，并改变了发光二极管所发出的合成色。预定的改变脉冲频率的模式可被编程为产生任意数目的随时间变化的所要求的合成色的转换。

微处理器要么通过使用合适的顺序寄存器，要么通过其他时序轮询技术来访问多个上述的发光二极管。因此，按照各个发光二极管组和至每个发光二极管的数字脉冲的变化之间的排序，形成光纤显示装置的发光二极管的子集可在不同时间通过不同的颜色时序而被改变。

附图说明

为了说明本发明，优选方案通过附图形式进行说明，但本发明并不限于图中明确示出的装置和设备。

图1是本发明的光纤束和有关的控制各个光纤的颜色亮度和颜色变化的电路元件的示意图；

图2是本发明的与光源有关的占空度变化的示意图；

图3A和3B是本发明的一种优选的改变光源的三元色的组合内容的方法的图解表示；

图4是本发明在多光源的情形下一种可能的电路配置的方块图；

图5A-5D结合本发明的原理示出了柔性材料上的光纤照射显示装置，也示出了照射的不同时序。

具体实施方式

下面详细描述的是实现本发明的最佳实施方式。该描述并非意在限定本发明，而仅是为了说明本发明的一般原理。参考下面结合附图的详细说明，可更容易地理解本发明各种各样的特征和优点。

如图5A-5D所示，光纤照射显示21优选地在载体23上形成，该载体可是柔性材料，如纺织品，也可是置于衣物或购买点展示上的半刚性面板。图1至4示出了控制和产生光纤显示的系统。一般情况下，控制系统和有关的光源允许该显示装置的各个光纤随时间变化发出变化颜色的花样和亮度的光。由此，引人注目的显示就用减少了数目的光纤和相关的互连制作成了。

现在更具体地参照附图，特别是参照附图1，该图示出了本发明的显示装置和控制系统的一部分。发光二极管25通过合适的连接器31与光纤29的束27工作性地连接，如同第4,875,144号美国专利(Wainwright)所描述的那样，该专利的内容也结合作为参考。“工作性地连接”指发光二极管25发出的彩色光通过束27的光纤29传输。发光二极管25的颜色可变，其包括三个用镓基化合物掺杂的衬底，使该衬底能分别发出红、绿和蓝色光。

发光二极管25由图中33表示的合适的控制电路来控制，该控制电路具有各个子控制装置分别用于红、绿和蓝色衬底。在优选电路中，子控制装置的开和关分别对应于发光二极管的衬底发出三种基本颜色光中的任一种或全部。在每一条控制线上都有一个亮度限制电阻35a-c以获得某一种颜色光的衬底相对于其它衬底的亮度限制。限流电阻36置于电压输入线上以稳定到发光二极管25的公共阳极的电压。任何一种合适的开关、晶体管或继电器37a-c都可完成前述的控制功能。显然，当只有红色衬底开时，只发出红光，兰色和绿色衬底的情形与此相似。相应地，如果两或三个衬底一起开，三种基本色的结合就可以形成如下表1所示的合成色：

红色       绿色        兰色        合成色

开         关          关          红色

关         开          关          绿色

关         关          开          蓝色

开         开          关          黄色

关         开          开          青色

开         关          开          紫色

开         开          开          白色

表1：合成色的生成

控制电路33分别以预定的和要求的频率向发光二极管25的每个衬底发送数字脉冲。这些数字脉冲频率与流向衬底的电流有关，该电流决定从每个衬底发出的彩色光的亮度。通过控制发送给发光二极管的每个衬底的数字脉冲的频率，改变每种主要颜色的亮度。下文讨论的合适的控制手段以预定的模式混合各种数字脉冲频率以形成对应的各种色调和由发光二极管25发出的合成色中的颜色变化的相应图案。

在一个优选实施例中，控制电路33包括一个可编程微控制器，该微控制器的机载存储器中置有合适的程序以在大约每秒30至200个脉冲的范围内改变数字脉冲的频率。脉冲频率的范围称为占空度，用于调整前面讨论过的各个衬底的亮度。如图2所示，如果在此范围内，数字脉冲以100％的时间发出，即每秒200个脉冲，相应的衬底被认为以100％的输出发光。同样，如果数字脉冲以占空度的50％或30％发出，亮度分别就是满亮度的1/2或1/3(大约地)。有重要意义的是，通过结合发光二极管的三个衬底的变化的亮度水平，可从发光二极管25发出许多种合成色，可能有2亿种之多。

控制电路33还进一步包括合适的指令以按照预定的模式或时序改变三个衬底的亮度。图3A和3B示出了一个作为实例的模式，其中占空度的下限示为0而上限示为1，时间t以x轴表示，三个子控制装置35的每一个的数字脉冲频率以下面所描述的一系列的交叉路径表示。合成色在相应的数字颜色转轮40中变化，该旋转在图3A和3B中描述为随时间变化的线性图形。

在开始时刻t₀，控制电路33增加其中不超过两个衬底的亮度，如图所示，优选增加对应于红色波长的衬底的亮度。第一个被选中的衬底在t₀之后的t₁被增至它的上限。此后，在t₁之后的时刻t₂，不超过两个衬底的亮度被增加，优选绿色衬底的亮度被增加。此第二个被选中的衬底在t₂之后的t₃达到它的上限。在时刻t₂和t₃之间，当绿色衬底的亮度不断增加时，如数字颜色转轮40所示，合成色由红色移向橙色再移向黄色。

变化的颜色循环以相似的方式继续以产生如图3A和3B所示的数字颜色转轮40中接下来的颜色。至少一种在时刻t₃为满的亮度被减少，然后在时刻t₄回到它的下限。在这种情况下，红色被减少，结果颜色由黄色移向绿色。在时刻t₄之后，蓝色衬底的亮度增加，同时保持绿色在满亮度。当蓝色在满亮度时，如数字颜色转轮40所示，青色在时刻t₅产生。为得到蓝色，亮度的循环持续地减少绿色直到在时刻t₅和t₆之间得到蓝色。亮度的循环如图3B所示继续，红色不断地增加以在t₆t₇产生红色和蓝色的混合色(紫色)。当蓝色和红色保持在满亮度时，在t₈绿色增加以在时刻t₉得到白色。然后所有的颜色亮度在t₉之后都开始减少以指示向时刻t₁₀的无色(发光二极管关闭状态)的回复，时刻t₁₀的无色与时刻t₀的无色一样。

当亮度变化时可产生多种色调，但只有其中的一部分在数字颜色转轮中标出，这部分与表1中所列出的满亮度的结合所产生的那些颜色相对应。可想而知，通过恰当地设计发光二极管25的红、蓝和绿色衬底的亮度变化模式，可产生几乎无数个和无限种颜色，从而通过利用所述的数字控制产生任意数目的所要求的引人注目的效果。

图1所示的各个发光二极管25的控制电路33可与产生图5A-5D所示的光纤显示21更大的程序控制系统相连。图4中45的方块图示出了这样的控制系统的优选实施例。一般情况下，多个发光二极管25可象前面所讨论的那样以所要求的亮度模式或顺序来循环，并且有合适的装置用于选择发光二极管25的那一个衬底被选中及决定何时这样的选择发生。程序时序控制系统41包括可寻址灯光亮度寄存器45；可寻址灯光时序寄存器47；主时钟49；时钟发生器51和合适的微处理器或程序控制器43。程序控制器43按照主时钟49发出的同步时钟脉冲有选择地访问灯光亮度和时序寄存器46、47，该同步时钟脉冲提供预定的有关发光器件，发光二极管25的任意数目的衬底的指令或时序、选择和亮度的信息。程序控制器43和时钟发生器51在由同步脉冲发生器49所提供的同步时钟内，通过灯光指令时序/亮度寄存器53，合作提供一系列或模式的脉冲频率(占空度)选择的亮度给选择的发光二极管衬底驱动器。灯光指令时序/亮度寄存器53也可以传送有关所选的灯光、颜色、所选颜色的脉冲频率(占空度)、颜色或颜色混合的亮度及“开”的时间的长度的信息。所有的信息都预存进程序控制器43，灯光控制时钟信号施于灯光指令时序/亮度寄存器53以适当地控制选择信息的传输。

合适的数模转换器和有关的灯光驱动器55获取依次传送给它们的数字脉冲信号并进行译码，沿着合适的预定的信号线发出脉冲电压以有选择地打开所要求的发光二极管25的红、绿和蓝色衬底，从而由发光二极管25发出相应的所选颜色的光并以所选的颜色照射光纤29中所要求的那些光纤。这个过程通过一整个预定的改变植于载体或面板23上的光纤图案的照度(或动画)的指令或时序来继续，包括颜色的变化，直到一个照射时序完成，除非电源关掉，照射的时序将继续重复。

已发现的两种合适的发光二极管25是Nichia NSTM 515 S-5mm发光二极管和Nichia NSCM 310表面安装发光二极管。经过实验，发现对应于这些发光二极管的红光波长的衬底的合适的数字信号的值大约是1.8伏和50毫安，对应于绿光波长的衬底的是3.5伏和30毫安，对应于蓝光波长的衬底的是3.6伏和30毫安。

如图1所示，控制系统41的多个发光二极管25中的每一个都通过连接器31与各自的光纤29的束27相连接。结果得到的多光纤的远端固定在合适的载体23的所要求的位置，例如一种衣物的纺织品上，以形成所要求的光纤照射显示，这样的一个例子由图5A-5D示出。一种合适的固定光纤29远端的技术在第5,738,753号美国专利(Schwar等人)中被公开，其内容在此结合作为参考。

通过以这种方式连接光纤29的远端，在载体23的可视表面24上以所要求的设计形成多个改变颜色的点57。有重要意义的是，根据“以数字颜色转轮的模式变化的颜色由相应的发光二极管25发出”这一事实，点57中的每一个仅对应于光纤29中的单一一根。结果是悦人的光纤图像21对观察者来说随时间而变化。这样的图像可置于衣物、壁挂、购买点展示和其他许多技术和想象所能提出的应用上的任何要求的位置。

光纤29的颜色变化可与合适的程序手段结合以指示给定的一组光纤29的活动时序，从而模拟动画。这样模拟的动画在图5A-5D中示出，其中光纤29中被照射的纤维以黑体或大的横断面表示，而光纤29中不活动的光纤以相对较小的直径表示。特别地，做成了焰火显示21，其中模拟动画用于形成焰火的行进路径和它之后的爆炸。图5A-5D的系列图画，有次序地描述了焰火弹向上射、弹在空中爆炸、爆炸了的弹仍在空中时颜色的变化、另外的焰火弹向上射、它们的爆炸和颜色的变化、其它在地上的焰火显示的闪光及这些显示的颜色变化等情景。本发明的包括一个或更多的颜色可变的发光二极管的数字颜色转轮40和有关的系统控制器41被用于通过预定的有顺序的模式来改变光点57(各个光纤的顶端)的颜色。以这种方式所得到的焰火显示21也可模拟在实际的焰火爆发中常常能够看到的颜色变化。

除了前述的优点外，本发明利用减少了数目的光纤和相应的减少了复杂程度的有关连结和光源形成了吸引注意的光纤照射显示。

一个进一步的优点是由各个光源发出并通过了光纤的颜色及颜色亮度可随时间有选择地变化以增加该显示的视觉效果。

本发明的另一个优点是引起视觉兴趣的显示可通过使用更少的材料而更经济地做成。

本发明还有一个优点是所得到的显示装置更轻因此更易移动，而这对于与衣物有关的显示装置尤其重要。

本发明在不脱离其精神和实质特征的条件下，可以其它具体形式实施，相应地，前述实施例应理解为说明性的而非限制性的，在说明本发明的范围时，应以后附的权利要求书为准而非以前面的详细描述为准，除此之外，所有可能落入等效范围的改进也应包含在内。

Claims (12)

1.一种颜色可变的光纤照射显示装置，包括：

载体，具有图像的可视表面；

多根光纤，其远端部分固定在载体的可视表面上以形成多个照射点，其近端与颜色可变的光源工作性连接以使光源的光传输至载体表面的照射点；

产生数字信号的装置，该装置还将数字信号传输至光源以使光源根据数字信号选中的模式发出随时间变化的不同颜色的光；

载体的可视表面上变化颜色的点，每个点只对应单一一根光纤，在其中传输变化颜色的光，由此，使得图像看起来象是随时间变化颜色。

2.根据权利要求1所述的照射显示装置，其中载体包括柔性平面材料。

3.根据权利要求2所述的照射显示装置，其中载体包括衣物。

4.根据权利要求1所述的照射显示装置，其中产生数字信号的装置包括可编程控制器和由该控制器控制的信号发生器。

5.根据权利要求1所述的照射显示装置，其中光源包括至少一个具有发射装置的发光二极管，该发射装置包括发光二极管的多个衬底，每个衬底都具有：响应数字信号、在各个波长发射光以确定合成色的装置；以及响应前述已产生的数字信号的频率，随时间改变每个衬底所发出的光的亮度、随时间改变合成色及改变由所述的发光二极管发出的合成光的亮度的装置。

6.据权利要求1所述的照射显示装置，其中数字信号包括以在每秒30个脉冲到每秒200个脉冲的范围内的频率传输的脉冲。

7.一种由一束或多束中的多根光纤产生变化颜色的光纤图像的方法，所述的光纤的远端固定于具有用于所述图像的可视表面的载体，该方法包括以下步骤：

将光纤的近端工作性连接到至少一个能够发出多种颜色的光的发光二极管；

产生用于选择所要求的颜色的信号并将该信号传输至所述的至少一个发光二极管；

改变所生成的信号传输至所述的至少一个发光二极管的频率以使得从所述的至少一个发光二极管发出的光的颜色变化，所发出的彩色光传输至光纤的远端以形成颜色变化的光纤图像。

8.根据权利要求7所述的方法，其中改变频率的步骤包括改变所生成的信号至所述的至少一个发光二极管的多个不同衬底的频率以控制其发出的颜色的亮度，所述的每个衬底对应于不同的颜色。

9.一种用于平面的光纤照射显示装置，该装置包括：

多个颜色可变的发光二极管，每个所述的发光二极管具有多个用镓基化合物掺杂的衬底，该衬底分别用于发出红、绿和蓝色光；

以各自不同的频率将数字脉冲传送至每个衬底以限定所述的衬底的占空度的装置，所述的衬底的占空度决定从其中发出的彩色光的亮度；发光二极管中多个衬底的亮度的组合决定各个发光二极管的合成色；

多根光纤，其近端置于束中而远端与所述的平面相连以限定其上的显示；

用于固定光纤束与相应的发光二极管进行工作性连接以将发光二极管发出的颜色传输至光纤束的装置；

用于有次序地选择相应的发光二极管来照射并随时间以某种模式改变占空度以改变相应的所述的选中的发光二极管的多个衬底的亮度，从而改变所述的发光二极管所发出的各个合成色的可编程控制装置；

由此，按照时序模式，发光二极管所发出光的颜色的变化改变了相关的光纤的颜色以形成混合色的光纤照射显示。

10.根据权利要求9所述的照射显示装置，其中可编程装置在每秒30至200个脉冲的范围内改变脉冲的频率，对于相应于红光波长的衬底脉冲值大约为1.8伏50毫安，对于相应于绿光波长的衬底脉冲值为3.5伏30毫安，对于相应于蓝光波长的衬底脉冲值为3.6伏30毫安。

11.根据权利要求9所述的照射显示装置，其中占空度的范围为从100％至30％，相应的亮度范围为100％至30％。

12.根据权利要求9所述的照射显示装置，其中可编程控制装置包括合适的指令，以改变各个发光二极管的多个衬底所发出的光的亮度，亮度以下述模式改变：(1)在时刻t₀增加不超过两个衬底的亮度；(2)在t₀之后的时刻t₁增加不超过两个衬底的亮度以在时刻t₃得到所要求的上限；(3)在时刻t₃之后减少至少一个衬底的亮度。

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