CN1310836A - 高分辨度容积显示系统 - Google Patents

Abstract

所述为一种三维显示系统。对显示器内的光源发射器进行布置,使得显示容积内可以提供发光源的各向同性的分布阵列。显示器加入一实心的光学透明支撑结构,该结构包括一光源,且可以转动以形成一适当形状的显示容积。显示容积内的该光源可以受到照明,这样三维图象在显示容积内形成。在一实施例中,光源分布在垂直于支撑结构旋转轴的一些平面上,对应任何单个平面来说,光源在对应轨道上互相相对地定位,这样当沿旋转轴观察时,光源形成一螺旋形。这些平面一个位于另一个之上,且相继绕旋转轴布置,这样光源位于螺旋形表面上。光源可以是发光二极管或类似的光电器件。通过并行数据可以驱动光源,当串行/并行混合的程度可控,且根据显示器与电子设备的匹配情况下,并行数据复用。适当的应用还包括医学和类似成像,车辆控制和其他需要用特定图象表示三维的应用中。

Description

高分辨度容积显示系统

本发明领域

本发明涉及三维显示系统，特别的是，虽然并非专有，但本发明涉及容积三维显示装置，该装置适用于包括医学成像，计算机辅助设计和分子建模的应用。这些应用除需要基本不随观察方向改变的图象质量外，还要求高分辨度，高质量的三维图象。

在各个图象更新的周期内，在此讨论的本方法的装置容纳了大量的待照明的三维像素。这能使图象对象和场景得以高分辨度描绘，因此在现有容积显示系统上表现出相当大的进展。而且，此处所述的系统将随观察方向的图象质量的变化降为最低。

本发明背景

本发明涉及容积三维图象的形成。在这样的系统中，图象对象和场景都在一物理三维容积(显示空间)内实现描绘。

目前，有相当多的方法可以实现容积三维显示装置。各种实现方法的基本差别在于通过这些方法形成物理容积(显示空间)。某些系统采用平面、螺旋面或其他表面几何形状的旋转运动。其他系统采用往复运动平面。而且，存在(或已被提议)不需要运动来形成显示空间的静态系统。后种类型的例子对应于一含有一定容积的固态或气态物质的显示空间，或一光电器件的三维矩阵，各个光电器件可以在显示空间内形成一图象三维像素。

可以用很多方式来产生图象(即照明的三维像素)。许多系统采用激光束或电子束的束扫描方法(束扫描装置)。在运用运动来形成显示空间的系统内，光束与半透明表面的交叉点处，适当扫描的和已调制的光束照射三维像素。类似地，在其与荧光涂层表面交界点处，电子束激发出光发射，并可以用来产生三维像素。在完全静态固体或气态系统内，通过在两种不可见光束交界点处的二步激励过程，可以形成三维像素。另一些系统用光电器件来形成三维像素。这些系统可以具体化为位于扫过显示空间的刚性表面上的光电器件的两维平面矩阵。此外，在不采用机械运动的静态系统的情况下，光电阵列可以是三维矩阵。还有各个其他方法，但这些方法通常是上述方法的变形。

所有上述显示类型通常实行或适合已知技术，在要求高图象分辨率的应用中，这些显示类型能表现出固有的显示限制，以下将详细讨论。

通常容积显示技术可以使图像通过一较宽的，有时实际无限制的观察角被看到。但是，许多目前的显示实现形成一与观察位置一同变化的感觉质量的图象。即，仅当从某个位置观察时，图象才逼真地再现。因此限制了观察角。

据认为，本发明表示与传统扫描束装置(例如国际申请号NO.PCT/NZ93/00083和PCT/NZ96/00028)和矩阵装置(例如美国专利NO.4,160,973)非常的不同。

上述资料内描述的那些表面的转动运动所形成的图象空间的系统遇到许多内在的问题。同时这些问题不会是许多应用中的重要不足，这些不足的影响随着更大图象的质量，清晰度，分辨率的要求的提高而增加。这些问题最终限制了系统性能，可以对显示空间的尺寸规定一上限。

在旋转表面体内，由于光的折射引起一个问题。例如，在光束定址系统内，表面层(例如荧光涂层)与光束相互作用，由此发出可见三维像素。该层必须制造在一刚体上。类似地，在采用旋转运动的矩形系统内，光电元件必须粘附在刚体上。该刚体应该是透明的，且厚度有限。当处在斜角位置观察该物体时，由此从该层或矩阵射出的光通过形成刚体的透明材料，这些特性将形成折射效应。在某些情况下，刚体内的全反射将导致三维像素失真和/或减弱。这些畸变的影响是，当刚体是从边缘(或接近此位置的角度上)上观察时，可以看见产生三维像素的装置/材料导致的刚体存在和/或封闭形成的光学畸变。

例如，在采用平面刚体的情况下，刚体，产生图象，当按照与旋转轴成一直线观察时，该图象被强衰减的带或区域变形失真。

刚体的挠曲可能经常会加剧上述的问题。因此该刚体必须阻止任何由其运动产生的挠曲。随着显示空间尺寸的增大，为了避免挠曲，须要提高刚体的厚度。但是，随着刚体厚度增加，上述的光学畸变可能变得更严重。

沿转动轴又出现了进一步的问题。为了使刚体尽量薄，(与此同时保证机械稳定性)，通常需要提供中轴形式的附加支撑。螺旋形状的刚体的机械强度比平面形状更好。但是，在这两种情况下，为了从平行观察者位置的转轴或与观察者位置的转轴相对的位置观察图象，需要透过转轴观察从而视线穿过刚体和中轴(若存在的话)。这也会导致图象的光学畸变。即使在采用平面刚体，且没有实体中轴的系统内，刚体产生一人工的中轴，其直径等于刚体厚度。

采用转动的矩阵系统可能具有更显著的相关问题，其光电器件增加了刚体的厚度，并可能在显示空间内遮断位于更深位置的其他元件发出的光。而且，需要启动各个装置的电联接的较高密度有助于图象的失真或封闭。

扫描束器件顺序地或由多光束启动三维像素。这种扫描系统能够说明并行度的程度(degree of parallelism)(并行程度不大于且常小于光束扫描器件的总数)。因为各个图象三维像素的形成消耗有限的时间，故在各次图象更新期间，对各个光束扫描系统来说，可以产生的三维像素的个数有一上限。图像更新周期一般等于刚体的运动周期。为了产生基本不闪烁的图象，就不能将刚体运动的周期降低到低于所需周期。因此，不可能延伸每次图象更新的时间超过可容忍图象闪烁所需的周期。由此，在各次更新周期中，所阐述过的提高三维像素个数的唯一方法是，通过采用更多光束和光束扫描器件。

采用多光束和光束扫描器件时，光束之间的配准成为一个主要问题。因此光束源，光束扫描器件，以及驱动电子设备的高精度机械校准必须具有可靠性。所需要的校准准确度随着可达到三维像素密度的增加而提高。在采用带电荷波束的系统内，波束并不能按照直线方式传播。因此需要电子校准方法，例如国际专利号NO.PCT/NZ93/00083中公开的方法。在使用激光束的系统内，容易实现电子校准方法。

总之，为了提高图象细节(通过在高密度下使大量三维像素得以照明)，需要提高三维像素启动的并行度。在扫描光束器件的情况下，这须要多束装备，且光束扫描设备可以高准确性地为三维像素的定位。随着三维像素密度增加，所需要的定位准确性更大，因此光束扫描器件必须机械和电气对准的程度也更大。

在整个显示系统的使用寿命中，该结果是一个复杂的校准过程。在可能采用的特定电子校准方法中，这可能引起更复杂和附加的计算开销。

上述国际申请提出的方法克服了这些困难和畸变中的一部分，当提出对图象更高分辨率的要求时，校准的困难变得重要。

来考虑未使用运动来形成显示空间的系统，该系统包括光电(或其他)元件的静态三维矩阵。矩阵的各个构件形成单个三维像素。考虑一个含光学器件(如LED)的相互规则间隔的阵列的立方体。光源依次或同时受激，形成所需要图象。该光源固定，因此仅能照到空间内的单个位置。这种装置的缺点是需要很多光源。例如，如果该立方体的边长20cm，且三维像素间距0.1mm，将需要8百万个光源。这形成相应的较大数量的引起相关遮断畸变的联接。

通过刚体的运动，形成的显示空间将联接数和光源数大大降低。值得注意的是，通过多路复用，可以将外部联接数降低。例如，一个n×n阵列的光学元件，可以用2n+1个联接来编址。该阵列内的元件进行顺序编址。通过使元件分组，可以调整在按照串联和并联模式编址显示空间内的元件的次数。但是，多路复用并未减少使元件成为一整体的联接数。各个元件必须直接编址，如果给定所需大量的元件，在显示空间内需要大量的联接。这就导致了图象封闭和失真。值得注意的是，各个光学元件的联接可以采取非电气形式。

在3D阵列实现过程中，如果按照已知光学器件和联接的结构来构造，可能出现更潜在的问题。在某些观察角，光学器件和有关元件将得到校准。由此，遮断畸变可以作为条纹线看见。根据不透明元件的几何布置，这可能出现在一个以上的观察方向。

采用转动的矩阵显示器例子包括美国专利NO.4,160,973(Berlin)所介绍的示例中。这种装置采用一LED的2D矩阵，LED旋转通过一容积，产生一形状为正圆柱体的显示空间。虽然减少光源数和相应联接导线数，但这种结构无法提供所需的光学均匀性和各向同性。LED所固定的刚体的出现可能干扰图象。这种畸变不仅是由刚体本身引起，而且还源于平面阵上LED的规则布置。对任何观察方向来说，总有一个位置(在完整的一转内)，该位置处所有的LED处于平行于观察者肉眼与显示装置中心连线的平面内。而且，在刚体上，存在许多的联接器。联接器的总体布置遵循一规则的图形。当LED，阵列和相关元件成一直线时，可以看到图象条纹形式的模糊畸变。折射和可能的全反射影响会导致进一步图象失真(如上所述，系统采用旋转运动的情况下)。在刚体旋转运动的系统内，这些失真是隐含的，且直接由刚体折射率和刚体扫过的空的显示空间的折射率之间的差异引起。

中央安装轴也会与光的发射相干扰。虽然在许多应用中，这可能不是一个严重的缺点，而是希望含有均匀中心核的完全光学上均匀的各向同性的图象空间。

对已知容积显示的进一步限制与数据写入显示空间的方式有关。考虑一个控制和图形处理系统，该系统决定着从主机中取出三维像素数据，然后将数据按照适当的方式传递，并在适当的时间显示。理想情况下，操作员可以将显示空间处理为3D笛卡尔空间(用任何形式的坐标系统也适合)。即显示空间应该可以表示规则栅格状间距上的数据点(三维像素)。由此，坐标值与图形空间三维像素之间有直接映射关系。因此显示空间表现出均匀性和各向同性；图象的性能并不随显示空间内的图象位置变动。结果，可观察到的图象质量也不随观察方位变化。

有可能的是，这些条件可能完全无法实现。但是，本发明提供一种解决方案，该方案希望使显示空间的尺寸最大化。本发明提供的进一步的好处是，在各个图象更新之内，增加可能受照的三维像素的数目。通过检查对各个当前系统的限制，这一点可以得到最好的说明。

源于主机且受到图形处理系统适当处理的三维像素数据通过许多数据路径传递到显示空间。因此，可以认为，数据路径作为图形处理硬件和显示空间硬件三维像素之间的联接。例如考虑一个采用转动的光束扫描系统。在该结构中，各个光束偏转系统造成顺序的三维像素启动。为了在整个显示空间产生三维像素，可能需要许多光束(见国际专利NO.PCT/NZ93/00083为例)。因此这种显示表现出来的并行度并不大于(可能小于)光束偏转机构个数。增加光束偏转机构的个数将提高平行度。但是，在这些装置中并行度固有地受到限制。如上所述，提高光束/光束扫描机构的数量将导致校准和图样配准问题。

在采用静态元件的3D矩阵系统中，通过复用光学元件，可以降低并行度。元件个数仍较多，且复用硬件和元件的3D阵列之间的互联程度也很高。

在采用旋转运动矩阵显示器的情况下，如美国专利NO.4,160,973(柏林)所介绍的，数据传输中存在的问题停留在于每图象更新周期内将足够的数据写到旋转平面LED阵列。该装置可以使并行的数据从旋转显示电子设备传递到LED阵列。但是，通过一系列光线路，旋转显示电子设备存储器得到更新。因此，很明显，数据传输速率的固有上限将限制各个图象更新周期内可能调整的三维像素的个数。Berlin系统考虑到图像的增大的更新(即，可用三维像素总数的百分比)。但是，可能的是，涉及总运动和覆盖图象生成容积的较大区域的高分辨率图象将超出数据传输线路的数据传输容量。即，尽管图形处理系统表现出任何所需的并行度，且将构成2D光电阵列展现并行度，但数据传输线路固有地串行，且最终限制进入显示系统内的整个信息。

与如前段中所述运用2D光电矩阵旋转运动的技术相关的进一步影响在于光电元件的变化工作负荷。各个光电器件扫过的路径(轨迹)长度与其距离转轴的径向长度成比例。假设在整个显示空间恒定的间隔位置(轨迹)，各个器件造成了沿环形周边的三维像素的生成，则各个器件的工作负荷与偏离旋转轴的径向距离成正比例。因此，越是靠近转轴的器件造成每转比位于距转轴径向距离更远的器件所生成的三维像素更少。距离转轴最远的器件具有最大的潜性工作负荷，距离转轴最近的器件具有最小的潜性工作负荷。由此，对阵列内的所有元件而言，虽然复用电子设备和光电元件之间的互联带宽必须一致，但在各个图象更新周期内，可能潜性传递给各个元件的数据总量将随各个元件距离转轴的径向长度而变化。进一步的问题是提高小型无线电装置的三维像素密度。光发射装置具有非常有限的尺寸，接近转轴时，出现无法接受的密度。

为了出现灰度和调色，需要将模拟信号传递给各个元件，该模拟信号的幅值决定了受照三维像素的亮度。图形处理硬件处理的数据通常是按照模拟形式。为了促进显示系统内的并行三维像素的生成，当提高图形处理硬件之外的数据路径数时，需要更多数量的数模转换器(DAC)。通常每个数据路径至少有一个模数转换器。例如，在上述的光束定址系统内，DAC的数量一般对应能同时确定显示地址的光束数量的三倍。对每个数据路径三个DAC转换器的要求反映了光束定址系统情况下的总体需要，提供两个DAC的来决定光束的偏转，提供一个DAC来决定灰度。大量的DAC也相应提高了图形处理硬件的成本，尺寸和能量消耗。进一步需要将大量数据传递通过旋转界面。Berlin装置中介绍的串行方法并不被认为能够产生预期传输速率的效果。

本发明的目的是提供一高分辨率的三维容积显示器，通过提供一具有基本上光学各向同性均匀的图象容积的显示器，该三维容积显示器克服了许多上述缺点，其中光学各向同性图象容积显示器很少或根本不出现遮断畸变效应，为了使控制系统与显示电子设备相匹配，这些图象容积具有来自串行与并行数据复用的传输特征的数据，同时使DAC的数量减少，并进一步为公众提供有益的选择。

本发明揭示

本发明的一个方面是，提供一个三维容积显示器，包括：

一坚固的，基本上为光学透明的支撑结构，适合于绕转轴旋转；

一光源阵列，通过所述结构分散排列，该光源电气上与联接装置相连，该联接装置适合于接收来自显示电路的控制信号，其中将光源阵列分散的支撑转动时，与此同时的光源也以此方式受照，这样在显示结构内部形成三维图象。

整个显示结构中的光源可各向同性地分散。

当显示结构转动时，光源轨迹为绕转轴的环状，其中光源任意分散在环状轨迹上的位置，且是以光源空间密度在整个显示结构内基本均匀的方式。

通过观察各个启动光源在此方式下在此时间的照明，光源阵列可以得到标准化，这样确定在其对应轨迹上的相关位置。

在较佳实施例中，光源位于与支撑结构的转轴垂直的平面上，对任何单个平面来说，光源的位置与对应轨迹上另一个光源的位置有关，这样沿转轴观察时，光源形成一个螺旋形，螺旋状经过从转轴向外至支撑结构的外边缘的路径。

这样的平面安排在另一个平面上，且互相按顺序绕转轴布置，这样光源位于螺旋形的表面上。

在另一个实施例中，轨迹上的光源数可以变化，成为与转轴偏移量的函数，或者在单轨迹上的光源可以选取出来影响所选色彩的发射。

支撑结构可以是正圆柱体形状，球形或适合于打算观察的其他三维形状。

支撑结构可以置入固定的辅助支撑结构中，辅助支撑结构的折射率与支撑结构的折射率基本相同，这种结构使支撑和辅助结构之间有尽可能小的间隙，同时可以进行支撑和辅助结构之间的相对运动，此时辅助支撑结构的形成使所形成的三维图象视觉上的各向同性得到了提高。

光源可以是发光二极管、由受不可见辐射激发的光电材料，这些器件具有双态(开/关)或三态(开/关/不透明)的工作状态。

光源阵列联接到显示器电子设备，使能通过复用的并行数据启动，此处，并行/串行混合的程度受控，且根据与显示匹配来控制电子设备。

显示电子设备的工作过程完全是并行的，从而确保串行数据线路并不限制系统带宽。

光源被分成并行驱动的各个区，这些区域作为一个整体受到串行驱动，为了使各数据路径具有基本一致的潜性数据传输容量，各个区具有一些较高和较低的工作负荷，其中工作负荷与光源所处的轨道的半径成比例。

借助于多通道光学数据联接，容积显示器的旋转元件与静态元件耦合。

支撑结构可以加上一个往复式内芯，该内芯装入了数量减少的光源，当与产生多个虚拟轨道的旋转运动耦合时，产生往复运动。

通过示例并参考附图，现在对本发明进行说明。

图1给出一简化的分散光源显示器，其具有位于平面螺旋线上的光源；

图2给出图1中分散光源显示器的俯视图；

图3给出单个平面的分散光源显示器简化结构示意图；

图4给出图3中所示的显示装置的俯视图；

图5给出适合于图4中显示装置的详细校准方法；

图6给出N×M平面发射阵列的示意图；以及

图7给出通过显示容积的光学发射源配置的表示法。

本发明可以被归入移动矩阵型容积显示器。据本发明申请人所知的最接近的现有技术是美国专利NO.4,160,973(柏林)。

如上所指出，三维容积显示器将理想地产生图像，所述图像逼真地重现有关物体而不用由其本身引起产生光学伪像的显示系统。

这要求三维像素的折射率与待生成图象的容积的折射率一致。“一致”的表述理解为，当图象发出的光横过显示装置时，其基本上会遇到相同的光学情况。因此，在限定的情况下，在图象生成容积内发光的物理装置(通过受照的光源)完全是透明的，且并不与所扫过容积内的三维像素产生的光发射相干扰。

因此，理想的图象生成容积是整个容积内折射率恒定的透明固体。这与扫过的容积扫描光束装置形成对照(例如荧光屏上冲击的电子束)。那里，支撑荧光的玻璃体结构的折射率与其他部分的折射率不同，且在屏幕与观察者成斜角时，引入了折射率畸变。由于来自三维像素的折射变形光，以及玻璃内全反射，导致了这样的畸变。

为了克服这些问题，平面矩阵显示器可以嵌入一与矩阵显示器折射率相同的支撑结构中。这样就避免了折射率畸变。但是，因为光学反射装置和有关电联接的高度有序的结构，模糊畸变仍然是一个问题。

对此的解决方法是通过显示容积分散发射装置。

图1给出光源分散的显示装置的简化示例。参考图1和图2，圆柱形透明支撑结构20包括光源21a,21b等等的平面阵列15a,15b,15c。为清晰起见，仅给出间隔较宽的三个平面。平面阵列结构并不能限制本发明的范围，仅表示为便于制造和构成的一种实现方式。因此，这种显示器可以概括为含分布光源的旋转容积。在解释随机性以排除统计的群集范围内，这种分散度可以描述成随机的。为了阐述光学发射源的分散原理，图7给出按照圆柱形显示系统布置的发射源的示意图。X轴和Y轴对应于穿过圆柱的截面，X轴为径向方向，Y轴为高度方向。这些轴都不同于其他图形中给出的轴。Z轴对应于相距转轴测得的半径成比例的轨道长度，平面L对应于作为半径的函数的轨道长度，可以清晰看到，为了保持发射源指向该轴的密度，给定发射源限定的尺寸，在近中心处会出现拥塞问题。这在下面将进一步讨论。参考图7，Solomon内的矩阵阵列可以由发射源位置T的平面(与x、y轴同平面)和本发明发射源位置沿字母S表示的轨道路径的例如作为显示器的人工侧面(artside)来表示。

在图1所示的实施例中，光源是按照以显示器转轴横穿螺旋的路径向外侧排列的。光源所在位置的各个平面相互可旋转的布置(绕支撑结构的转轴)。因此，当从任何方向观察显示容积时，没有较佳的对准方向。

在沿轨道不同位置定位的光学发射源位置，可能出现适当的分散状态。虽然发射源按照环形轨道形成，但其位置可以分散布置，这样在整个显示系统容积内，发射源密度均匀。按此方法，就不再有较佳方向这引起发射源相互模糊的结果。在相邻平面上的发射源按照螺旋状布置的特殊情况下，如果平面顺序分布，最终的发射源分散模式将降低模糊度(但并未消除)。该较佳的方法是在轨道上的发射源位置(即，其静止位置)按照即使在显示时发射源也均匀展开那种方式分散。

(例如)通过在轨道上确定三个发射器的位置并为其发射定时，本实施方式中还包括色彩或灰度能力，这样形成适当的色彩。

图3给出另一个较佳方案。该实施例中，在构成支撑结构的平面上分散多个光源。该平面相互采用夹层结构。光源是一均匀的折射率容积，由此降低分布导线/联接阵列的影响，以避免相关元件/结构的局部高密度集结。

鉴于支撑结构的折射率，与大气相似，在图象内可能存在“透镜状的”可视效应。但是，在某种环境下，通过增大图象细节，并降低位于图象显示空间相对侧的实物引起的干扰，这会提高图象的景色。在球形显示空间内，这一点非常明显。在大气/显示器相关的折射率产生无法接受的失真时，如果折射率不相等，有可能在类似折射率的物体内嵌入旋转显示支撑。例如，旋转球形显示容积装置可以嵌入一个静态立方块。旋转和静态部分光学耦合，这样在这两部分之间几乎很少或没有折射梯度或交界。这种结构适合于需要特别形状显示单元应用的情况。在中心处，由于被光源横穿的路径比在边缘处横穿的路径短，三维像素密度将较高。因此通过减少内芯区光源数量，较理想地降低了三维像素的密度。下面将对这种拥塞进行讨论。

参考图3，给出的单个平面24具有5个光源25a-e。当然，这个数量仅是示例性的，实际的显示器会加上大量的光源。当该平面绕z轴转动时(z轴垂直于x和y轴)，各光源将沿着同心的环形路径或轨道26。光源与支撑结构旋转运动同步启动，因此三维像素可以在显示空间内按照需要进行定位。为了形成图象，光源需要在空间内准确的已知位置受照。在本实施例中，光源的位置应该参考支撑结构的旋转位置进行校准。如果光发射源位于轨道上的已知分散区，在各个平面内，采用光源的已知位置，可以实现校准。此外，所有的光源可以同时暂时启动并进行标准化，或在穿过支撑结构的转轴的平面(或任何其他参考平面)上旋转。该结构如图5所示，其中光源25a-e的任意阵列在Y轴上相应位置26a-e得到提前或延迟。通过从上面用一视频摄像机对该显示器成像，并用一位于参考平面上的参考光源(或其他已知位置)，然后使其他光源相对于此光源的启动延迟，实现这一过程。这种未知的光源使启动延迟或提前它们的开启，这样它们就位于Y轴上。另一些校准方法也可能可行并会考虑，这些同步方法的实施也会被纳入熟悉本领域的技术人员的范围。

光源可以被认为是由导线电气联接形成供电启动的发光装置。由于该显示容积内光源分散的影响，导线也得到分散，由此显示装置并不能表现出任何优先的遮掩畸变。可行的是，通过均匀折射率支撑介质内嵌入的非常细的，实质上无法看见的金属纤维，实现电气联接。

由于数据流的约束，如果我们设定一平面阵为N×M个光源，联接的总数通常为2NM(假设每个光源有2个联接，或对公共接地时有NM+1个联接)。这些联接完全独立时，可以并行寻址。如果提供数据的机构能在任何时间载送NM数据通道这才有效。在这种模式中，各个图象路径线通道和各个光源之间的联接将采取一对一映射的形式。但是，在含有灰度能力或具体分辨率的显示前提下，各个光源要求用到模拟电平，且对各个具有中等三维像素容量的系统来说，驱动电路的尺寸将会非常大。例如对30cm高，15cm半径的显示器，元件间隔为1mm，那么将会有45,000个元件。即，未串联线路为45,000条路径。为此，非常需要应用一种部分序列数据的传输方法。为此，高度并行的阵列可在一系列平面中相互联接。这可以认为是将N×M显示器再细分成一系列单个平行联接阵列，而细分部分可以复用。这将导致相互联接数大大减少。这种减少的影响是在各个2D段内包括元件的顺序启动。但是，可以知道，对并行度进行调整以同控制系统匹配。为了取得所需分辨率水平，容积显示器设计的可调性优化了特殊显示器，使三维像素的间隔和接下来的图象质量与控制系统的性能相联系。通常认为，具有这种可适应的复用表示本新系统具有较高的希望属性。上述复用技术容易适应于分散的光学元件显示器。

如上所述，光电元件扫过的轨道尺寸与距离转轴的半径长度R成比例。因为对接近该转轴的元件即对具有R下降的元件的影响，在显示空间内几乎没有空间使这些元件分散。而且，在显示空间每转的时间内，各个元件形成的三维像素的可能数量与该元件距离转轴的径向距离R成正比。

因此，当接近转轴时，对各个元件来说，元件的分散几乎没有空间，且可能的工作负荷也会下降。对R数值较小且光学元件尺寸有限的情况，这将导致拥塞。缺少分散空间可能导致光学问题(例如图象失真)，使各个元件的折射率无法与显示器空间材料的折射率恰当匹配。如果观察者观察位于转轴相对侧的图象部分，这一点将更加突出。通过降低较小R的光电元件的密度，可以将这个问题降为最低。

简单地降低元件密度将影响显示器空间的均匀性。为了克服这个影响，在向中心位置的显示器空间旋转位移基础上，可以叠加一平移(或往复)运动。因此，显示器空间材料可以包括一外旋转部分和一内圆柱芯。

这两种材料非常近似，且折射率匹配。两种材料都以高于闪烁融合频率的速度转动外芯。内圆柱芯也转动，但是其转速与外材料的转速不同。

而且，叠加在内圆柱芯上的还有一振动。内芯的转速通常高于外显示器空间材料的转速。振动的幅值可以使各个光电元件在Y方向上穿过许多轨道位置。例如，一旦振动的幅值足以使各个光电元件穿过Y方向上的两个轨道位置，那么可将Y方向上所需要的元件数量减半。这就引入了虚拟轨道的概念。虚拟轨道可以认为是在显示器空间内的轨道，该显示器空间并不包括虚拟轨道内生成三维像素的显示器空间内，不同位置的光电元件。

例如，如果内芯半径为5cm，那么该内芯上最外侧的元件振动将不扫过显示器空间每转约30cm的距离。如果三维像素的间隔为1mm，将会形成300个可能的三维像素。如果由于振动使元件密度减半，必须有一至少为显示空间旋转频率的300倍的振动。对约1mm的Y方向上的三维像素间隔来说，振动幅值在3-4mm之间。值得注意的是，通过提高内芯的旋转频率，可以降低振动频率。

振动可以受各种装置例如受机电激励的影响，或由外显示器空间和内芯之间的旋转速度之差导出。提高运动幅值使Y方向上，即平行转轴方向上所需的光电元件的数量得到进一步降低。

显示器空间材料作为一整体，也具有弹性和较高的可控性，从而使振动可以在经常增长的幅值处由外向内得到。这就避免了上面的外芯和内振动芯引起的不连续。

如上所述，本发明提供一种并行发生三维像素的方法和装置，并在各个图象更新或显示器空间旋转过程中，使大量三维像素得以生成。一个重要的实现方面是将图形发生器或控制系统发出的三维像素数据耦合到光电元件通道的显示空间。如果这种线路仅仅采用串行光学联接的形式，那么很可能，如果显示空间内含有大量元件，但在显示空间每转或图形更新过程中，只有一部分元件可以编址/更新。即串行光学线路限制图形发生器和显示空间光电元件复用系统之间连接的带宽。为了保持较高的带宽联接，同时在显示空间每转过程中允许大量元件得以更新(如果不是可能的全部)，因此本发明可能采用静态外部和旋转/振动显示空间之间的并行光学联接。

在较佳实施例中，这种联接采取两个同心圆柱体的形式。其中一个圆柱体为静止，另一个与显示空间一并旋转。在固定的圆柱体表面为一2D阵列的发光器件，在旋转圆柱体上为一2D阵列光学接收器，每个光学接收器可以将发射器发出的光信号转化为电信号。两个圆柱体都绕显示空间的旋转轴定位。其工作原理最好认为其中一个为光接收器成像。发射器的物理布局将使观察者(接收器)看到一系列按照顺序的光源起伏。某个周期内，观察者看不到光源。在光源极强的周期内，为了可以使光源发出的信息传输给观察者，控制硬件将调制光源。光源和接收器的物理布置确保最大多数的光源能够在任何时间发射到最大数目的接收器。多个发射器和接收器的使用允许并行接线的数据传输。如果考虑的是发射器和接受器的单环(该环绕圆柱体的周长定位)，那么可以明白，通过改变接收器连同其间隔和接收器旁配置的任何对准系统一起，我们可以使程度改变到发生并行数据传输的程度。通过沿两个圆柱体长度方向上复制发射器和接收器的单环，可以复制并行度。值得注意的是，这些环可以绕周长定位。

为了影响适当的数据传输，对控制硬件来说，需要将(路径)信息指引到适当的发射器，且清晰地认识到哪一个接收器含有被传输信息。因此该系统采用了一个光电同步线路，为了在显示空间内生成图形，从该线路中，可以导出路径信息，并进一步提供时间信息必要的控制系统，(见国际阵列申请PCT/NZ93/00083)。光电线路采用单个发射器和单个接收器的形式，发射器位于含有2D阵列光电接收器的圆柱体上，光电接收器位于含2D阵列光电发射器的圆柱体上。发射装置连续工作，将显示空间的单脉冲高分辨率提供给接收器，该高分辨率对应于装有光电接收器的圆柱体的单旋转。该脉冲被用来得到三维像素输出到显示空间的计时信息，并进一步通过光电并行数据传输线路得到信息通道的路径信息。

为了容忍光电发射器和接收器阵列定位内较小程度的机械不同轴性，传递通过并行数据传输线路的信息内，需要一定程度的复制，以及与显示空间共同旋转并能实现输入数据合并，误差校正，和与三维像素元件信号复用的智能硬件。进一步注意的是，为了通过并行数据传输线路得到最大带宽，非常需要将夜晚时间的范围最小化。这些周期内，发射器无法将信号传递给任何一个特定接收器(这是由两个阵列之间的几何布置引起，并对应于足够地高过接收器水平(校准水平)的发射器)。当发射器移动到接收器水平面以上时，为了接收器得到幅值足够大的信号，不仅必须知道会遇到哪一个接收器，而且还必须知道升高到足够程度的时间。在一特定实施例中，每个发射器将从每转一圈的同步信号得到的信息中判断，在什么位置应开始将信息传输给特定接收器以及在什么位置应停止。在这两个周期之间，发射器将传输整数的三维像素描述符。通过按照接收器需要的信号量警告，无误差地接受被传输的信息。通常认为，并不一定需要误差校正。但是这降低了各个发射器和接收器可利用的带宽。并行数据传输线路表现出来的并行度容许一个信息通道到显示空间的足够高的带宽，在各个图象更新周期阶段内，如果待更新的三维像素元件位置不包括全部，那么还可以形成较高百分比的可能性。

如上所述，本发明并不限于圆柱形支撑结构，本发明的范围内还包括另一些几何结构，例如球形，锥形，或其他旋转对称体。

可以了解到，本发明提供一基本光学各向同性和均匀性的图象发生容积，以及可以按照复用串联/并行混合的程度来调整的联接状况的能力，这样与控制系统匹配。

因为大量的均匀平面光源阵列可以由圆柱形支撑结构通过将一个置于另一个之上而形成来制造，所以无论是分散光源区或是其他配置可以特别适合于制造。各个平面可以随意旋转，通过显示容积生成光源的分散散射。如果是螺旋光源阵列，紧邻平面元件的偏移将导致扫过图形容积的随意螺旋面。

上述描述中，已经对元件或已知等效的整体做出了参考，因为都是单个列举的，所以也包含这些等效。

虽然本发明通过示例做出说明，且参考特定实施例，应该理解在不违背附加的权利要求的范围内，还可以进行改进和/或提高。

Claims (16)

1．一种三维容积显示器，其特征在于，包括：

一实心的，基本光学透明的支撑结构，适合于绕转轴旋转；

一光源阵列，通过所述结构分散，该光源电气上与联接装置相连，该联接装置适合于接受显示器电路发出的控制信号，其中当支撑分散的光源阵列随其同步旋转时，光源被照明，这样在显示器结构内生成三维图象。

2．根据权利要求1所述的显示器，其特征在于，光源在整个显示器结构上各向同性地分散。

3．根据权利要求1或2所述的显示器，其特征在于，显示器结构旋转，光源的轨迹为绕旋转轴的环形轨迹，其中光源随意分散在环道上的位置，这样在整个显示器结构的光源空间密度基本均匀。

4．一种如前权利要求中任一项所述的显示器，其特征在于，通过观察各个启动光源的照明，校准光源的阵列，这样可以确定其对应轨道上相关位置。

5．一种如前权利要求中任一项所述的显示器，其特征在于，光源位于垂直于支撑结构旋转轴的平面上，对任何一单个平面，光源位于对应轨道上相互相关的位置，这样当沿旋转轴观察时，光源形成一螺旋形，该螺旋横过从旋转轴到支撑结构外侧的路径。

6．一种如前权利要求中任一项所述的显示器，其特征在于，这些平面排列成一个在另一个之上，并一个个相继绕旋转轴布置，这样光源位于一螺旋面上。

7．根据权利要求1到5中任一项所述的显示器，其特征在于，轨道上的光源数量随偏离旋转轴的函数而变化，或者可以选取单数轨道上的光源来影响所选色彩的发射。

8．一种如前权利要求中任一项所述的显示器，其特征在于，支撑结构可以是正圆柱形，球形，或其他适合于观察应用的三维形状。

9．一种如前权利要求中任一项所述的显示器，其特征在于，该支撑结构嵌入一固定的辅助支撑结构中，辅助支撑结构的折射率基本上与支撑结构折射率一致，这种结构使得在支撑结构和辅助结构之间有尽可能小的间隙，同时可进行支撑结构和辅助结构之间的相对运动，从而辅助支撑结构的构成使得所生成的三维图象的视觉各向同性得到了提高。

10．一种如前权利要求中任一项所述的显示器，其特征在于，光源为发光二极管、受不可见射线激发的光电材料，工作状态可能具有双态(开/关)或三态(开/关/不透明)的器件。

11．一种如前权利要求中任一项所述的显示器，其特征在于，光源阵列与显示电子设备相连，这样光源阵列可以通过复用的并行数据得到启动，串行/并行混合的程度可控，且根据显示与控制电子设备的匹配。

12．一种如前权利要求中任一项所述的显示器，其特征在于，显示电子设备的工作完全并行，这样串行数据线路并不限制系统带宽。

13．一种如前权利要求中任一项所述的显示器，其特征在于，光源分组形成区域，各个区域并行驱动，这些区域作为一个整体串行驱动，为了使各个数据通道具有基本一致的可能数据传输容量，各个区域具有一些较高的工作负荷和较低的工作负荷，其中工作负荷与光源所处位置的轨道半径成比例。

14．一种如前权利要求中任一项所述的显示器，其特征在于，容积显示器的旋转元件通过多通道光学数据线路与静止元件耦合。

15．一种如前权利要求中任一项所述的显示器，其特征在于，支撑结构将一含有数量减少的光源的往复式内芯，当与形成多个虚拟轨道的旋转运动耦合时，产生往复运动。

16．一种显示器，其特征在于，所述的显示器基本如参考附图所描述的。

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