专利名称：显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有多个移动光源的显示装置，其中每一个光源所发出的光的强度随着它们的移动而变化，以便使观察者依靠视觉暂留能够看到图像或者信息。
背景技术：
这种类型的典型装置包括沿其设置发光二极管(LED)阵列的单个臂。该臂以连续或者摆动的方式旋转，以使得每个LED描绘出一个路径。这些LED在旋转时单独打开和关闭，由此使得观察者能够在该臂扫过的区域看到一个点阵图像。
这种装置可以通过加入红、绿和蓝色的LED进行改造，以显示彩色的静态或动态图像。这种技术是特别有用的，因为通过使用相对少量的LED再现了通常需要多几个数量级的LED的图像。所需要的仅在于该LED臂旋转得足够快使得视觉暂留使观察者能够看到图像。
但是，这种类型的显示的问题在于，为了获得高分辨率，在旋转臂上的LED必须是间隔很近并因此是小尺寸的。因此，它们所发出的光强度较低，并且经常该图像不是清楚可见的，尤其是在强太阳光下观察时更是如此。尽管现在有更大功率的LED可用，但是它们的体积太大，因此不能将它们沿着臂排列并维持所需的分辨率。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种图像显示设备，该图像显示设备包括两个或更多个光源阵列，每个阵列能够绕公共轴线旋转，在每个阵列中的光源被布置为使得每个光源绕公共轴线沿着唯一路径经过；和控制器，所述控制器适于对每个光源经过其相应的唯一路径时其所发出的光的强度进行调节，以使得光源组合起来使观察者依靠视觉暂留能够看到预期图像。
通过提供两个或更多个光源阵列，每个阵列沿着各自的唯一路径经过，本发明使得可以使用更大、更强的光源而不会降低所产生的图像的分辨率。仅要求阵列绕公共轴线旋转得足够快。可接受的最小转速取决于环境的光亮级别和光源的亮度。已经发现该设备可在低至每秒5转的速度下工作，但是检测到在最高达到约每秒25转的速度时存在图像闪烁。
阵列可以是线性的，一般来说每个阵列是直线性的。在这种情况下，每个阵列的纵向轴线可以垂直于公共轴线，或者，每个阵列的纵向轴线可以平行于公共轴线。
当每个阵列的纵向轴线垂直于公共轴线时，则这些纵向轴线一般是共面的。
当每个阵列的纵向轴线平行于公共轴线时，则在每个纵向轴线上的对应点可以都在距离公共轴线相等的径向距离处，并且一般来说，在每个纵向轴线上的每个点都在距离公共轴线相等的径向距离处。
在一个替代实施方案中，每个阵列都是弯曲的，在此实施方案中，每个阵列的纵向轴线一般限定为一弧线。通常，每个弧线是半圆形的并且在其每一个末端与公共轴线相交。优选地，每个弧线的半径不同于其他弧线的半径。
每个阵列可包括不同数量的光源。然而，这样制造起来效率低，因此优选每个阵列基本相同并包括相同数量的光源。
在优选实施方案中，该设备包括两个阵列，当沿着垂直于公共轴线的方向观察时，一个阵列的光源经过的路径看起来与另一阵列的光源经过的路径交错。
明显地，当一个阵列的光源经过的面与另一阵列的光源经过的面相同时，则它们看起来总是互相交错，并且观察方向是不重要的。但是，如果一个阵列的光源与另一阵列的光源经过的面不同，则由于视差的原因，只有在沿与公共轴线垂直的方向观察它们才会看起来像是交错的。
本说明书中所使用的术语交错与电视技术中通常所使用的意义相同。也就是说，是指在两套隔行线内的图像的隔行扫描。
通常，每个阵列相对于其他阵列设置在固定位置上，并且所有的阵列共同旋转。
一般来说，每个光源阵列安装在相应的印刷电路板(PCB)上。每个PCB通常安装在与公共轴线共轴的可旋转轴上。在此情况下，可旋转轴具有中央孔，图像数据穿过该孔从外部数据源经由可见光或红外链路(link)传递到控制器，该控制器包括设置在孔一端的发射器和对应的连接到控制器并设置在孔内与发射器远离的位置处的接收器。
在优选实施方案中，每个光源被布置在红、绿、蓝三种光源的三元组(triad)中。典型地，每个光源是发光二极管(LED)。
作为替代，每个光源可以是三色LED。在这两种情况下，光源或者光源三元组都可以被控制地用来发射选定颜色的光。
相邻的唯一的路径可以是重叠或不重叠的。
控制器一般包括多个脉冲宽度调制器，每个该脉冲宽度调制器连接到相应的光源，并且对输入信号作出响应来调节每个光源发射的光的强度。
如果光源可被控制地用来发射选定颜色的光，那么每个脉冲宽度调制器还可适于对输入信号作出响应来控制光源所发出的颜色。
该图像显示设备还可包括至少一个可径向移动的平衡配重、振动传感器和平衡控制器，该平衡控制器适于对所接收到的来自振动传感器的信号进行响应而改变平衡配重距离公共轴线的径向距离。振动传感器设置在公共轴线上。
根据本发明的第二方面，一种显示系统包括多个根据本发明的第一方面的图像显示设备，其中该多个图像显示设备的阵列被构型为围绕公共轴线同步旋转，以使得通过每个显示设备所生成的能看到的预期图像共同形成合成图像。
如果每个阵列的纵向轴线平行于它们各自的公共轴线，则公共轴线可以位于共有平面内。在此情况下，公共轴线一般位于共有平面的一行内。
或者，如果每个阵列的纵向轴线垂直于它们相应的公共轴线，则公共轴线可垂直于共有平面。
典型的，每个图像显示设备的阵列连接到位于公共轴线上的各自的轴上并且每个设备的轴借助于齿轮装置共同连接。
优选地，每个轴相对于相邻显示设备的轴被布置为使得由连接到其上的阵列所描绘的旋转体积与连接到相邻显示设备的轴上的阵列所描述的旋转体积重叠，并且该两阵列绕其各自的轴被布置为使得当它们旋转时不与相邻的阵列冲突。这使得合成图像在观察者看来好像是连续的。
现在参照附图描述本发明的实施方案，其中图1显示了本发明的第一实施方案的立体图；图2显示了本发明的第二实施方案的立体图；图3显示了适合用于第一和第二实施方案的控制器；图4显示了在PCB上的LED的排列；图5显示了一种平衡机构；图6显示了向控制器提供数据的一种方法；图7和8显示了由多个根据本发明的第二实施方案的装置形成的显示系统；和图9显示了本发明的第三实施方案。
具体实施例方式
图1显示了容纳两个相同PCB 2a、2b的壳体1。两个PCB 2a和2b安装在臂3的相对端，其中臂3连接到电机(未示出)驱动的轴4。
每个PCB 2a、2b载有各自的LED阵列5a和5b。每个阵列5a、5b包括独立的红、绿、蓝LED三元组。图4显示了这些三元组的排列。如图中所示，每个包括红LED 23a、绿LED 23b和蓝LED 23c的三元组沿着LED 23a、23b和23c的旋转路径排列成一行。三元组中的每个LED 23a、23b和23c与在该三元组中相邻的LED 23a、23b和23c间隔2个像素的距离。像素的大小取决于当PCB 2a、2b转动时LED 23a、23b和23c受激发的时间长度。这一时间长度通过控制器(下文描述)来控制。该2个像素的间距足够使得大的、明亮的LED安装在PCB 2a、2b上。
为了使显示的图像准确，图像的红、绿和蓝分量互相偏移2个像素，以使得这些分量看起来都像发射自同一个准确的光源。这种偏移可以通过调节提供到控制器的图像数据来提供，或者通过作用于图像数据的控制器本身来提供。
当使PCB 2a、2b转动时，单独激活每个三元组的LED 100、101和102，以便于当旋转时由LED三元组在所描绘的环形路径的任意点发射出所需颜色的光。因此，通过同时控制单个LED三元组100、101和102发出的光，能够产生用户依靠视觉暂留可看到的图像。为了产生这种效果，PCB 2a、2b必须转动得足够快，例如每秒25转或者更快。
然而，存在接近臂3中心的区域，在该处PCB 2a、2b的线速度对于产生图像的视觉暂留是不够的。因此，提供了在此区域提供图像的小的静态LED显示件6。此外，通常需要的是矩形而不是圆形的图像，因此提供了四个外围显示件7a、7b、7c和7d来填充壳体1角落的区域，在这些区域内不可能使用PCB 2a和2b来显示图像。
当每个PCB 2a、2b转动时，每个红、绿、蓝LED三元组都描绘单独的路径。例如，当在PCB 2b上的某些LED三元组描绘路径8b时，在PCB 2a上的某些LED三元组描绘路径8a。因此，可以实现特定的分辨率而无需将LED密集地安装到单个PCB板上。相反，在两个PCB 2a、2b上分布有LED阵列5a和5b，以允许使用更大和更亮的LED。PCB 2a、2b经过空气的旋转运动具有为LED提供冷却的附加优点。
在图2中所示的第二实施方案中，显示装置安装在任选透明塑料外壳10内，该外壳的底部装有交流电机11。此交流电机11的电枢连接到轴12，其中轴12穿过滑动环13沿外壳10的长度延伸并且被支撑在外壳10顶部的轴承14内。滑动环用于提供动力给旋转的PCB 16a、16b。
在轴12上装有两个支撑臂15，其支撑两个直径方向相对的PCB16a、16b。这些PCB 16a、16b中的每一个载有各自的LED阵列17a、17b(在此视图中，在PCB 16b上的LED阵列17b不可见)。这些PCB16a、16b类似与关于图1中的实施方案中描述的PCB，并且每一个LED阵列17a、17b载有红、绿和蓝LED的三元组，该三元组排列成使得当两PCB 16a、16b绕轴12旋转时在阵列17a中的三元组描绘的路径与在阵列17b上的三元组描绘的路径交错。因此所合成的图像具有朝向它的圆柱形示像并且可通过外壳对其观看。如已经描述和图4中所示的，LED三元组也排列成行。
每个PCB 16a、16b连接到通过光纤19a接收图像数据的控制器PCB 18，该光纤19a与沿轴12中心而下镗出的孔的一端处的接收器光学连接。在该孔的另一端，发射器与另一光纤19b光学连接。因此图像数据可以使用该孔作为导光管在光纤19a和19b之间传送。
图6显示了横穿轴12和电机11的横截面。该图显示了连接到光纤19b的发射器200b和连接到光纤19a的接收器200a。图像数据通常以红外线辐射形式沿轴12在发射器和接收器之间传输，不过当然可以使用光辐射替代。发射器200b松结合地安装在轴12内以使得轴12能够自由绕其转动。
在图1中的实施方案中也提供了控制器PCB。但是，该PCB在图1的视图中是不可见的。在图1的实施方案中，图像数据可以以图6中示出和上述相同的方式传输到控制器PCB。
图3中示出了用于在阵列5a、5b、17a、17b的一个三元组中的位于控制器PCB18上的适合的控制器电子器件20的示意图。图像数据经由光纤19被控制器21接收，该控制器可以由单个元件制成，或者可以是适于编程的微处理器或者现场可编程门阵列(FPGA)。图像数据包含了关于在三元组中的每一个LED需要产生的亮度信息。每个三元组具有与其相连的控制器21，在其内提供了三个独立的脉冲宽度调制(PWM)控制器22a、22b和22c。这些脉冲宽度调制PWM控制器经由LED驱动器24a、24b和24c连接到组成一个三元组的相应的LED 23a、23b和23c。LED驱动器24a、24b和24c将来自PWM控制器22a、22b和22c的输出信号转换成用于驱动LED 23a、23b和23c的大功率信号。
PWM控制器22a、22b和22c根据图像信号作出响应来产生用于控制每一个LED 23a、23b和23c的亮度的脉冲宽度调制输出，以使得每一个LED发出所需强度的光。如前文所说明的，图像数据的红、绿和蓝分量互相偏离。因此，当远端的观察者观察时，每个LED 23a、23b和23c所产生的颜色汇聚并且三元组看起来像是发射预期颜色和亮度的光的点光源。
因此，通过在PCB 2a、2b或者16a、16b旋转时改变提供给控制器21的输入信号，可以使该装置显示预期的固定或移动图像。显然，在图1中示出的装置会产生平面图像，而图2中图像会在圆柱体的表面形成。
如在第一实施方案中已经提到的，在阵列5a、5b中那些最靠近轴4的三元组与最远离轴4的三元组相比具有较低的线速度。这样，如果在阵列5a、5b中的每个LED被激励相同的时间长度来显示像素，那么最靠近轴4的像素会小于最远离轴4的像素。这可以通过根据三元组距离轴4的径向距离调整激励特定三元组中的LED的时长来进行校正。如果做了校正，则无论像素与轴4之间的径向距离如何，每一个像素的大小都相同。
此外，由于最靠近轴4的LED所描绘的环形路径的圆周小于最远离轴4的LED所描绘的环形路径的圆周，因此在最靠近轴4的路径上比最远离轴4的路径上有更少的像素。这可以通过计算在每个LED所描绘的每一个环形路径上有多少个像素可用并且重新映射(remap)图像数据来符合可用数量的像素而进行校正。
应该理解的是，虽然所描述的实施方案中只有两个臂，但也可以用更多数量的臂来等效实施本发明，每个臂具有附带的LED阵列。实际上，可以设置更多的臂以获得任意的高分辨率显示。而且，使用更多数量的臂，其必须旋转的速度可以较低。在一个具体实施方案中，具有以10赫兹的速度旋转的八个臂，这提供了特别适用于显示移动图像的80赫兹的视频刷新率。
在任一个实施方案中的设备可以用于显示静态或者动态图像，例如来自电视或者视频信号的图像。第一实施方案中的装置特别适用于这种应用并且可用于广告和其他应用中。第二实施方案中的装置也可用于产品促销中，例如可以用于再现一个饮料罐的图像。
由于包含LED的PCB可以高速旋转，所以当失去平衡时该系统可能会产生很大振动。因此，建议邻近每个PCB设置一套平衡配重，该平衡配重例如通过电机可以朝向或者远离轴4的轴线移动以对不平衡进行校正。
在图5中示出了这样的系统，其中振动传感器110安装在中央静态显示件6的中心上。控制器(未示出)接收来自此振动传感器110的信号并作为响应提供了到一对步进电机111的输出信号，每个步进电机安装在PCB 2a、2b中的相应一个上。步进电机连接到相应的其上装有配重113a和113b的蜗杆传动件112a和112b。轨道114a、114b邻近每一个蜗杆驱动件112a、112b设置，并且每一轨道114a、114b与在每一个配重113a和113b上的凸出部115a、115b共同作用来防止配重113a、113b转动，因此在步进电机111a、111b工作时，配重沿着蜗杆驱动件112a、112b在相对于轴4的径向方向上移动。端板116a、116b防止配重113a、113b被推出蜗杆驱动件112a和112b。控制器响应振动传感器110所检测到的振动而为步进电机111a、111b提供驱动信号。通过将配重113a、113b定位在沿着各自的蜗杆驱动件112a、112b的恰当的径向距离上，可以降低高速旋转所引起的振动。
图7和8示出了显示系统300，其包括例如由透明塑料制成的外壳301。在外壳301内是六个根据参照图2所描述的第二实施方案的显示件302a-302f，但是这一数量是任意的，并且可以提供更多或更少的显示件。
在图7中也示出了它们中的三个显示件302a-302b的立体图。为清楚起见，剩余的三个显示件302d-302f未在此视图中示出。但是，显示件302a-302f中的每一个的结构是相同的。如从图7中可见，每个显示件302a-302c具有对应的上臂303a-303c和下臂304a-304c，这些臂中的每一个都安装在对应的轴305a-305c上。一对阵列连接到每个上臂和下臂的相对端上。例如，阵列306a和307a连接到上臂303a和下臂304a的相对端上。如上文所述的，每个阵列306a-306c相对于与其对应的阵列307a-307c偏移半个像素。
所有显示件302a-302f通过例如图8所示的齿轮装置之类的适宜的防滑连接器连接在一起。在该图中，各自的齿轮308a-308f连接到每一个轴305a-305f的一端，并且每一个齿轮与连接到相邻显示件302a-302f的齿轮啮合。因此，所有这些显示件可以由一个电机同步驱动。
每个上臂303a-303f和下臂304a-304f安装在其各自的轴305a-305f上，以使得它们总是处在与相邻的上臂和下臂偏移的位置上(即每一对阵列绕其各自的轴被布置为使得当它们旋转时与相邻显示件的阵列不冲突)。这样做的目的在于使得每个显示件302a-302f的轴305a-305f(并因阵列306a-306f和307a-307f)间隔紧密(即，每对阵列转动时所描绘的旋转体积与相邻显示件上的阵列对所描绘的旋转体积重叠或相交)，以使得当它们转动时可以用每个独立的显示件所产生的图像生成连续的合成图像而且在相邻阵列之间没有冲突。
如前所述，通过足够快地旋转显示件302a-302f并且在它们旋转时调制在其上的光源所发出的光的强度，每个显示件可产生图像。这样产生了围绕外壳301的整个周边可以看到的合成图像。这种显示系统300在广告或者其他大型显示系统中尤其适用，在这些应用中以前使用LED等来提供大型显示件的费用是非常高的。
图9显示了本发明的第三实施方案。在此实施方案中，底座400容纳有电机(未示出)。该电机驱动轴401，在该轴上连接有三个半圆形阵列402、403和404。阵列402、403和404分别具有不同的半径，因此当它们旋转时描绘出不同半径的球面。在该图中示出了臂404所描绘的球面405。
如前所述，多个诸如LED(可以是单一的或者三个一组的，或者甚至是其他结构的)之类的光源沿着臂间隔设置。当阵列402、403和404旋转时，可以将这些光源所发出的光的强度进行调制，因此每个阵列能够在其所描绘的球面上生成图像。在此情况下，能够产生三个这样的图像，并且这样产生了真实的三维效果。这一实施方案具有各种各样的应用，不过一个应用是产生一个地球图像，其中外层阵列404和403产生云的图像，而内层阵列402产生地球本身的图像。
通常的意图是，该合成图像应该从垂直于轴401的纵轴线的方向可观看到，以避免由于每一阵列402、403和404在不同的表面产生图像这一事实所引起的视差。当然，也可以构造其中的阵列具有相同的半径的类似的装置，但是由于光源互相偏移，从而提高了分辨率，该分辨率超过前文所述装置可能得到的分辨率(如在前述实施方案中)。在此情况下，每个阵列在相同的表面产生其图像并且不会产生视差。
权利要求
1.一种图像显示设备，包括两个或更多个光源阵列，每个阵列能够绕公共轴线旋转，在每个阵列中的光源被布置为使得每个光源绕公共轴线沿唯一路径经过；和控制器，所述控制器适于对每个光源经过其相应的唯一路径时其所发出的光的强度进行调节，以使得光源组合起来使观察者依靠视觉暂留能够看到预期图像。
2.根据权利要求1所述的图像显示设备，其特征在于，每个阵列是线性的。
3.根据权利要求2所述的图像显示设备，其特征在于，每个阵列是直线性的。
4.根据权利要求2或3所述的图像显示设备，其特征在于，所述每个阵列的纵向轴线垂直于公共轴线。
5.根据权利要求2或3所述的图像显示设备，其特征在于，所述每个阵列的纵向轴线平行于公共轴线。
6.根据权利要求4所述的图像显示设备，其特征在于，所述两个阵列的纵向轴线是共面的。
7.根据权利要求5所述的图像显示设备，其特征在于，所述每个阵列的纵向轴线上的对应点距离公共轴线相等的径向距离。
8.根据权利要求7所述的图像显示设备，其特征在于，所述每个阵列的纵向轴线上的每个点都位于距离公共轴线相等的径向距离处。
9.根据权利要求1所述的图像显示设备，其特征在于，每个阵列是弯曲的。
10.根据权利要求9所述的图像显示设备，其特征在于，所述每个阵列的纵向轴线限定一弧线。
11.根据权利要求10所述的图像显示设备，其特征在于，所述每个弧线是半圆形的并且在其每个末端与所述公共轴线相交。
12.根据权利要求10或11所述的图像显示设备，其特征在于，每个弧线的半径不同于其他弧线的半径。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的图像显示设备，其特征在于，所述每个阵列包括相同数量的光源。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的图像显示设备，其特征在于，所述设备包括两个阵列，当沿着垂直于公共轴线的方向观察时，一个阵列的光源经过的路径看起来与另一阵列的光源经过的路径交错。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的图像显示设备，其特征在于，所述每个阵列相对于其他阵列设置在固定位置上，并且所有的阵列共同旋转。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的图像显示设备，其特征在于，每个光源阵列安装在相应的印刷电路板(PCB)上。
17.根据从属于权利要求5时的权利要求16所述的图像显示设备，其特征在于，每个PCB安装在与公共轴线共轴的可旋转轴上。
18.根据权利要求17所述的图像显示设备，其特征在于，所述可旋转轴具有中央孔，图像数据通过该孔从外部数据源经由可见光或红外链路传递到控制器，该控制器包括设置在孔一端的发射器和对应的连接到控制器并设置在孔内与发射器远离的位置处的接收器。
19.根据前述权利要求中的任一项所述的图像显示设备，其特征在于，每个光源被布置在红、绿、蓝三种光源的三元组中。
20.根据前述权利要求中的任一项所述的图像显示设备，其特征在于，所述光源是发光二极管(LED)。
21.根据权利要求1-18中的任一项所述的图像显示设备，其特征在于，每个光源是三色LED。
22.根据权利要求19-21中的任一项所述的图像显示设备，其特征在于，每个光源或者光源三元组可被控制地用来发射选定颜色的光。
23.根据前述权利要求中的任一项所述的图像显示设备，其特征在于，相邻的唯一的路径是重叠的。
24.根据前述权利要求中的任一项所述的图像显示设备，其特征在于，相邻的唯一的路径是不重叠的。
25.根据前述权利要求中的任一项所述的图像显示设备，其特征在于，所述控制器包括多个脉冲宽度调制器，每个脉冲宽度调制器连接到相应的光源，并且对输入信号作出响应来调节每一个光源发射的光的强度。
26.根据从属于权利要求22时的权利要求25所述的图像显示设备，其特征在于，每个脉冲宽度调制器还适于对输入信号作出响应来控制光源所发出的颜色。
27.根据权利要求26所述的图像显示设备，还包括至少一个可径向移动的平衡配重、振动传感器和平衡控制器，该平衡控制器适于对所接收到的来自振动传感器的信号进行响应而改变平衡配重距离公共轴线的径向距离。
28.根据权利要求27所述的图像显示设备，其特征在于，所述振动传感器设置在公共轴线上。
29.一种包括多个根据前述权利要求的任一项所述的图像显示设备的显示系统，其特征在于，所述多个图像显示设备的阵列被构型为围绕公共轴线同步旋转，以使得通过每个设备所生成的能看到的预期图像共同形成合成图像。
30.根据从属于权利要求5的权利要求29所述的显示系统，其特征在于，所述公共轴线位于共有平面内。
31.根据权利要求30所述的显示系统，其特征在于，所述公共轴线位于所述共有平面的一行内。
32.根据从属于权利要求4的权利要求29所述的显示系统，其特征在于，所述公共轴线垂直于共有平面。
33.根据权利要求29-32中的任一项所述的显示系统，其特征在于，所述每个图像显示设备的阵列连接到位于公共轴线上的各自的轴上并且每个设备的轴借助于齿轮装置共同连接。
34.根据权利要求33所述的显示系统，其特征在于，所述每个轴相对于相邻显示设备的轴被布置为使得由连接到其上的阵列所描绘的旋转体积与连接到相邻显示设备的轴上的阵列所描绘的旋转体积重叠，并且该两阵列绕其各自的轴被布置为使得当它们旋转时不与相邻的阵列冲突。
全文摘要
本发明描述了包括两个或者更多个光源阵列的图像显示设备。每个阵列能够围绕公共轴线旋转，并且每个阵列中的光源被布置为使得每个光源能够绕公共轴线沿着唯一的路径经过。控制器适于调节每个光源沿其唯一路径经过时所发出的光的强度，以使得光源组合起来使观察者依靠视觉暂留能够看到预期图像。
文档编号G09G3/20GK101036396SQ200580033682
公开日2007年9月12日 申请日期2005年8月25日 优先权日2004年8月26日
发明者J·西莫, A·科尔 申请人:莱特逻辑有限公司