專利名稱：真三維顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
計算機新型外部設(shè)備原理及構(gòu)造現(xiàn)有技術(shù)通常的立體圖象或三維圖像，大體可分成兩大類，即(1)雙目效應(yīng)式立體圖象就信息量而言，這種方式中左右兩眼得到各別的圖象信息。
(2)在空間某個地方浮現(xiàn)出被攝景物的立體式重顯圖象這種方式中當左右移動地點時，能看見圖象周圍側(cè)面的情況。因此，在信息量上要求多眼式的，甚至連續(xù)地從各個不同方向上給出圖象信息。
三維圖象這個名詞原則上只指第二類方式的顯示，只在廣義場合才兼指上述兩類。
三維圖象又有用相干光的、不同相干光的、和兩者技術(shù)的混合。用相干光的是全息攝影，不用相干光的有視差式全景象、透鏡板式三維圖象。集成攝影，投影式三維圖象。屬兩種技術(shù)的混合者為全息編碼全息攝影、全息攝影立體象、投影式全息攝影。
從實體上說，除全息攝影外都是“照片或透明膠片”，用光學投影或用雙眼分別觀察。它們都不易用計算機在線處理，并將處理結(jié)果即時顯示出來。也不是直接用磁性物質(zhì)存儲其信息。
1986年日本專利J61107379中提出一種三維顯示器，它是將許多透明材料制作的平板顯示器疊在一起，來實現(xiàn)具有深度的立體圖象，此方案的優(yōu)點是可以用計算機處理。缺點是所需存儲量大，要求存取速度高;并且由于基片的厚度較顯示材料的厚度大得多，故從側(cè)面及從頂部不能有完整的圖象。
該專利中引出的二篇文獻(bitVoll6，No8，1984PP110-115及AppliedopticsVol21oct151982P3659)均是反射鏡與半反射鏡將多個斷面圖象組成有深度的立體象。前者為了減少鏡片數(shù)，使用了機械振動設(shè)備，它們的體積較大而且笨重，并須要事先取得斷面上圖象。不能用計算機輔助設(shè)計三維物體。
目標根據(jù)專家予測(計算機世界報1988年第10期)“到1992年圖形技術(shù)可能是為數(shù)不多的發(fā)展到頂?shù)念I(lǐng)域之一，這并不是圖形處理能力到了極限，而是受生理因素決定，圖形功能達到一定水平時，再提高人眼已感覺不出來了”。
目前CAD從二維到三維線框，再發(fā)展到三維實體感，但其三維技術(shù)是以二維顯示為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了許多技術(shù)和算法，如圖象旋轉(zhuǎn)時的隱線隱面的處理，三維實體感的光線投射算法等，都是在二維顯示器的屏幕上顯示三維圖象。
本發(fā)明的目標是實現(xiàn)真三維顯示，利用本發(fā)明中的三維顯示器顯示真三維圖象，使人看到的就是真空三維體的體象，無論從正面、后面、左右兩側(cè)面或是從頂部觀看顯示器，看到的圖象就和從這些方向看真實物體一樣，并且可以利用計算機處理，或利用輔助設(shè)計技術(shù)設(shè)計物體形狀。也可顯示有限個斷面圖象。
此外，還有一個附帶的應(yīng)用，利用此三維顯示器顯示多個全頁面文件，可以快速切換各個顯示頁面。
工程師們可以利用計算機與此三維顯示器(一種新型工作站)設(shè)計各種機械零件或機器，設(shè)計時直接設(shè)計三維形狀，而不是設(shè)計它們的三個視圖。工人們可以直接根據(jù)三維顯示器上的圖象來加工零件，減低對工人技術(shù)水平的要求，并使廢品率降低。航天科學工作者可以利用它設(shè)計衛(wèi)星的運行軌道。化學家可以用它顯示分子結(jié)構(gòu)等等?？傊?，三維顯示器可以適合許多技術(shù)領(lǐng)域，并為它們開創(chuàng)新的應(yīng)用途徑，推動科技進步。為四化作出貢獻。

發(fā)明內(nèi)容
及所屬技術(shù)領(lǐng)域本三維顯示器的基本顯示單元是透明的單元立方體，它有六個面，我們只取其中三個正交面作顯示面，將這些單元立方體按三個軸向堆放起來粘牢，可以形成各種大小的矩形體，按照計算機可實現(xiàn)的技術(shù)和顯示要求，適當選取三個方向的尺寸與象素數(shù)目。
單元顯示器的材料必須是透明的，當它們不代表物體的一個象素時不致于遮擋住中心的顯示單元，因此應(yīng)使用晶體或玻璃等透明材料做基底，用液晶、等離子體等做顯示材料，它們也必須是透明的。當表示物體的一個象素時，才受激發(fā)光或反射光線。另外，電極和引線也用透明金屬材料制成，如氧化錫等。
平面顯示器顯示斜線及弧線時用折線近似表示，三維顯示器顯示斜面及曲面用多面形表示，單元立方體是空心的，它代表一個象素時有三個顯示面，因此一個象素根據(jù)它在物體表面上的位置，選擇三個顯示面的一個來顯示，這樣，存儲器必須用三個單元來表示一個立體二值化象素，所需存儲量將比前述專利中的方案更大，是它的三倍。
但是，我們觀察物體時一般只是觀察其表面，(透明體除外)，其內(nèi)部象素看不見。因此顯示時主要顯示物體的表面，只是在必要時才有選擇地顯示幾個剖面，因此其內(nèi)部象素也是有選擇地顯示，甚至不必顯示。為了減少存儲量及掃描速度，本設(shè)計采用有一定占空比的立方顯示單元，如果立方顯示單元的每個顯示面有多個象素，例如有2×2個象素時，該立方單元將包圍8個象素，它們應(yīng)有24個象素顯示面，而現(xiàn)在只是在三個顯示面上有12個單面象素，我們把顯示面之比3∶24＝1/8叫體積占空比，把象素顯示面之比12∶24＝1/2叫顯示占空比，當每個顯示面有4×4個象素時，單元立方體包圍64個象素，體積占空比為1/64，它們有192個象素顯示面，而現(xiàn)在只有48個單面象素，顯示占空比為1/4，占空比愈大，三維量化誤差愈大，但不影響三個垂直面上二維圖象的量化誤差，為了減少三維量化誤差，可以在單元立方體內(nèi)增加一個對角斜面，一般情況，一個立方體內(nèi)有六個可能的斜面位置，根據(jù)單元體在三維顯示器中所處位置，增加一個最有可能使用位置上的斜面?？梢栽O(shè)想顯示同心球體時，此球體的中心與顯示器的中心重合，與球體表面在各個部位的切面方向最接近的立方單元內(nèi)對角面，可作為增加的對角面。這些對角面也必須有相對應(yīng)的顯示存儲器單元，這樣，每個單元顯示體等于有四個顯示面。
此外，在有一定占空比時，每個顯示面上的多個象素可以用來表現(xiàn)一定的灰度，這是空間灰度表現(xiàn)法。每個顯示面為2×2時可以顯示成一個象素的四級灰度，4×4時可以顯示一個象素的16級灰度，也可以顯示四個象素各有四級灰度。
顯示器體的技術(shù)涉及液晶顯示器的制造，這是已經(jīng)成熟的技術(shù)，顯示器的驅(qū)動與控制屬電子學及計算機技術(shù)，整個顯示體的組裝涉及玻璃加工，金屬蒸發(fā)濺射或電鍍工藝，以及本顯示器的專用工藝步驟。
進一步開發(fā)，可以實現(xiàn)真三維彩色顯示，現(xiàn)在已有彩色平板顯示器，利用同樣方法就可制成三維彩色顯示器，只是所須存儲量更大，顯示掃描速度達不到會產(chǎn)生閃爍，有待存儲器及驅(qū)動線路的速度提高才能解決。從結(jié)構(gòu)上本發(fā)明也包含了真三維彩色顯示器。
如果能解決傳輸頻帶的障礙，本發(fā)明也可用于三維電視接收機，黑白及彩色均可。
立方單元的結(jié)構(gòu)可以有不同的設(shè)計方案，本設(shè)計提出了一個具體方案，它用三個相同形狀的顯示片嵌裝而成(見附圖)，完成嵌裝的邊緣凹凸部分還起到電連接的作用，為了防止接觸不良，可以采用焊接或電鍍，蒸發(fā)等工藝使之連接。
本發(fā)明所述的真三維顯示器的優(yōu)點1.本發(fā)明的顯示器是一個真三維顯示體，它能真實地顯示物體的形狀，可以從前、后、左、右、頂部觀察圖象各個面的情況，與從這些方向觀察真實物體一樣。觀察者不須配載任何特別眼鏡，也不必采用參考光源。
2.本顯示器可以作計算機的外部設(shè)備使用，顯示的圖象信息可以存在計算機的存儲器中或存在附加在計算機中的擴展幀(體)存儲器中，并可被計算機加工處理，或用計算機算法產(chǎn)生圖象3.本顯示器構(gòu)造簡單，主要是小片液晶顯示單元組裝而成，設(shè)有顯象管那么多的制造程序。
4.本顯示器根據(jù)實際情況可以很方便地做成各種大小，不同的分辨率及占空比，也可以使用不同的顯示材料，得到有存儲圖象能力的顯示功能，甚至可以顯示彩色三維圖象及活動圖象，解決播送頻帶的障礙后，可以用于真三維電視接收機中。
5.由于將二維顯示發(fā)展到三維顯示，必然會推動與計算機圖形學有關(guān)的各技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)進步，并產(chǎn)生出新的學科與新的技術(shù)領(lǐng)域。
6.雖然三維顯示已經(jīng)有各種方案，但至今沒有一個商品化的三維顯示器作為計算機的外部設(shè)備出售，本發(fā)明如能迅速解決生產(chǎn)中各種工藝，并投入批量生產(chǎn)，必然會帶來巨大的經(jīng)濟效益。


圖一是立方顯示單元的基本顯示片，如液晶顯示片，形狀基本上是正方形，相鄰二邊有凹凸部分，用以在組成單元立方體時鑲接之用，它們分別為邊長的三分之一左右，位于該邊的中部，不計凹凸不整齊部分，此兩邊長度相等，設(shè)為9毫米，如顯示片厚度為1毫米，則考慮慮不整齊部分，其包圍凹凸部分的最小矩形也是正方形，邊長為1厘米。
顯示片上現(xiàn)為了方便起見畫了四個象素，液晶上下兩面的電極和引線如圖所示圖二是立方顯示單元，它是用三片上述顯示片嵌裝粘接而成，凸出部分還用作內(nèi)層引線的連接部位，為此必須使內(nèi)層引線引至凸出部位的邊沿時向厚度部分轉(zhuǎn)90°，并最好能延伸過厚度部分再轉(zhuǎn)90°至正面少許。同時另二端也同樣制作，使各立方單元的引線可以互相連接。
圖三是三維顯示體，將各立方顯示單元沿三個軸向排列粘接起來，每個方向數(shù)目根據(jù)要求的象素而定。然后再將內(nèi)外層引線用或蒸發(fā)或電鍍沉積的方法連通，最后形成與三個軸平行的許多平行驅(qū)動線，與垂直軸平行的驅(qū)動線向下引焊至底座板上，另兩組驅(qū)動線須經(jīng)一特制的透明轉(zhuǎn)接板使之轉(zhuǎn)向底部，并引焊至底座板上。
實施例子為了減少顯示信息所需的存儲量及降低掃描速度，又要有一定的分辨率能達到實際應(yīng)用，本例子的顯示器采用的x、y、z三個方向的點陣為256×128×64即橫向256點，垂直方向128點，深度方向64點。因為從前面看，深度方向受壓縮，64點產(chǎn)生的效果比其它方向128點還要好，因此深度方向點之間的距離也可以大些。橫向部分象素可以用作說明窗口或標準圖形或光按鈕。這樣尺寸的顯示器顯示一些三個方向有大小的零件是很實用的，后面的計算證明，某些方向的象素數(shù)目還可以增加一倍以上。
這樣的顯示器所含總象素為28·27·26·＝221＝2M位如每次傳送8位，則一立體幀要傳送221/23＝218＝256K字節(jié)與512×512有8位灰度平面的二維圖象相同。但這里只能顯示二值化三維體形。
本專利采用單元立方體結(jié)構(gòu)，每個立方體有三面作顯示平面，而不是在體心用一個顯示元件顯示，因此象素數(shù)目應(yīng)是三倍上述數(shù)字。而且要2M個立方單元來構(gòu)造一個顯示體數(shù)目也嫌太大。
為了進一步減少象素數(shù)目及立方單元個數(shù)，而不顯著影響分辨率，本例采用有占空比的顯示方案。將每個顯示面上安排4×4個顯示象素，只需要26·25·24＝32K個立方單元。
總象素現(xiàn)在變?yōu)?x·y·z)正面 28·27·24＝219位＝512K位側(cè)面 26·27·26＝219位＝512K位頂面 28·25·26＝219位＝512K位總共1.5M位。(有下橫線的取決于該方向立方單元數(shù))
下面再說明可實現(xiàn)的顯示及傳送方式顯示方式上例中的顯示器可以有以下幾種顯示方式(1)二值體形顯示，體積占空比為1/64，正面為256×128，側(cè)面為128×64，頂面為256×64的分辨率。
(2)二值體形顯示，體積占空比為1/8，每個顯示面為2×2個較大象素，即用2×2個基本象素組成一個較大象素。正面為128×64側(cè)面為64×32頂面為128×32的分辨率。共有象素384K位。
(3)二值圖形，占空比為1，每個顯示面為1個大象素，即16個基本象素作一個象素。正面為64×32側(cè)面為32×16，頂面為64×16的分辨率。即各面的立方單元個數(shù)。共有象素96K位，此時各面總象素按x·y·z次序均為26·25·24＝32K位，(因為有下橫線的數(shù)字當降低分辨率時并不改變)。
(4)四級灰度圖象顯示，占空比為1/8，每個單元顯示面有2×2個較大象素，基本同(2)，只是每個由2×2的基本象素組成的較大象素可以有四種發(fā)光情況，構(gòu)成四個灰極，同時發(fā)光的基本象素愈多，亮度愈大，這是空間灰級表示法。適用于液晶顯示。
(5)十六級灰度圖象顯示，占空比為1，每個單元顯示面為一個大象素，情況同(3)，灰級表示同(4)。
(6)多頁面二維顯示，同普通文件顯示，只是可以有16個全屏幕頁面，由線路控制，實現(xiàn)頁面快速切換。
傳送方式及幀頻由于每個象素有三個顯示面，傳送方式與線路也多種多樣，在象素密度為上述顯示方式(1)時，正面有16個點陣為28·27的顯示平面，為32K字，可以按深度方向16位并行傳送。側(cè)面有64個點陣為27×26象素平面，如還是深度方向并行傳送，則x方向為1/4取樣，共取64點，深度方向64位分4組，每組16位，各組串行傳送。另一個方案是x方向分4組，每組16個平面，類似正面?zhèn)魉头椒?，每次每個平面送一點，各組間依次傳送。上下面也有二個方法，一是按深度方向并行傳送，y方向作1/4取樣，共取32點，深度方向如上分4組。另一法是y方向分2組，每組16個平面，并行傳送，每次每個平面送一點，二組依次傳送。
這是兩種容易分劃的方法，當然也可以統(tǒng)一在x或y方向并行傳送，每一種方法中先后次序也可有不同方法，都可以實現(xiàn)。
三個面可以按正面、側(cè)面、上下面的次序，也可以其它順序。
在上述每次送一個字16位的情況下，1.5M位共約200K字節(jié)，不到100K字。在CRT上顯示512×512字節(jié)時，為128K字，而且液晶顯示沒有回掃期，10M主頻可以逐行傳送100幀/秒，所以不會產(chǎn)生閃爍。如果y方向增至256，深度增至128，每秒可傳25幀。利用向列型液晶中添加少量膽甾醇可以增加記憶效應(yīng)，減少閃爍。所以較高分辨率三維顯示的掃描速度也是可以解決的。
權(quán)利要求
1.用以實現(xiàn)真三維顯示的基本單元是立方顯示單元，它具有三個互相垂直的顯示面。每個顯示面可以有一個或多個顯示象素，體積占空比為1或1/n，n=K3/2，K為每個單元顯示面上的象素數(shù)。
2.權(quán)利要求1中所述的顯示面是由兩片透明材料制的基片，上面有透明金屬材料做的矩陣式電極，中間夾有發(fā)光或反射光線的顯示材料，如液晶或等離子體或電致發(fā)光材料，它們在不顯示象素時應(yīng)是透明的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的立方顯示單元可以有不同的尺寸，用它組成三維顯示體時，三個方向的立方顯示單元個數(shù)根據(jù)需要而設(shè)定，或者設(shè)計成有不同型號的系列。
4.權(quán)利要求2中所述的顯示面中的顯示材料，可以在其中加入少量顏料，只要不顯著影響透明度，可以實現(xiàn)權(quán)利1，2，3中所述的三維顯示體的彩色顯示。
5.權(quán)利要求1中所述立方顯示單元中還可以增加一個或幾個對角顯示平面，以求減少量化誤差，位于顯示體不同部位的立方單元體中的對角顯示面的方向可以不同。
6.權(quán)利要求1，2，3中所述立方顯示單元是由三片同樣形狀，相鄰兩邊具有凹凸緣的矩形顯示片嵌接而成，并用粘接劑粘固，電極引線用電鍍沉積法連通。
7.用權(quán)利要求1至6制成的三維顯示體，將各個方向的電極引線連成驅(qū)動線并用驅(qū)動線轉(zhuǎn)向板將各方向驅(qū)動線引至底座板上，制成計算機三維顯示器或三維電視的顯象器。
8.權(quán)利要求7中所述三維顯示器，配以驅(qū)動電路后，并用接口電路與計算機相聯(lián)結(jié)，組成計算機三維顯示系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提出一個真三維顯示器的構(gòu)造設(shè)計，并給出對存儲器的容量要求和傳送方式，可以滿足幀頻的要求。此三維顯示器可以作為計算機的外部設(shè)備使用，其工藝簡單，重量也輕，無機械部分，特別適用于CAD系統(tǒng)。
文檔編號G09F9/40GK1041234SQ8810643
公開日1990年4月11日 申請日期1988年9月15日 優(yōu)先權(quán)日1988年9月15日
發(fā)明者李文余 申請人:李文余