专利名称：真三维显示器的制作方法
技术领域：
计算机新型外部设备原理及构造现有技术通常的立体图象或三维图像，大体可分成两大类，即(1)双目效应式立体图象就信息量而言，这种方式中左右两眼得到各别的图象信息。
(2)在空间某个地方浮现出被摄景物的立体式重显图象这种方式中当左右移动地点时，能看见图象周围侧面的情况。因此，在信息量上要求多眼式的，甚至连续地从各个不同方向上给出图象信息。
三维图象这个名词原则上只指第二类方式的显示，只在广义场合才兼指上述两类。
三维图象又有用相干光的、不同相干光的、和两者技术的混合。用相干光的是全息摄影，不用相干光的有视差式全景象、透镜板式三维图象。集成摄影，投影式三维图象。属两种技术的混合者为全息编码全息摄影、全息摄影立体象、投影式全息摄影。
从实体上说，除全息摄影外都是“照片或透明胶片”，用光学投影或用双眼分别观察。它们都不易用计算机在线处理，并将处理结果即时显示出来。也不是直接用磁性物质存储其信息。
1986年日本专利J61107379中提出一种三维显示器，它是将许多透明材料制作的平板显示器叠在一起，来实现具有深度的立体图象，此方案的优点是可以用计算机处理。缺点是所需存储量大，要求存取速度高;并且由于基片的厚度较显示材料的厚度大得多，故从侧面及从顶部不能有完整的图象。
该专利中引出的二篇文献(bitVoll6，No8，1984PP110-115及AppliedopticsVol21oct151982P3659)均是反射镜与半反射镜将多个断面图象组成有深度的立体象。前者为了减少镜片数，使用了机械振动设备，它们的体积较大而且笨重，并须要事先取得断面上图象。不能用计算机辅助设计三维物体。
目标根据专家予测(计算机世界报1988年第10期)“到1992年图形技术可能是为数不多的发展到顶的领域之一，这并不是图形处理能力到了极限，而是受生理因素决定，图形功能达到一定水平时，再提高人眼已感觉不出来了”。
目前CAD从二维到三维线框，再发展到三维实体感，但其三维技术是以二维显示为基础，在此基础上发展了许多技术和算法，如图象旋转时的隐线隐面的处理，三维实体感的光线投射算法等，都是在二维显示器的屏幕上显示三维图象。
本发明的目标是实现真三维显示，利用本发明中的三维显示器显示真三维图象，使人看到的就是真空三维体的体象，无论从正面、后面、左右两侧面或是从顶部观看显示器，看到的图象就和从这些方向看真实物体一样，并且可以利用计算机处理，或利用辅助设计技术设计物体形状。也可显示有限个断面图象。
此外，还有一个附带的应用，利用此三维显示器显示多个全页面文件，可以快速切换各个显示页面。
工程师们可以利用计算机与此三维显示器(一种新型工作站)设计各种机械零件或机器，设计时直接设计三维形状，而不是设计它们的三个视图。工人们可以直接根据三维显示器上的图象来加工零件，减低对工人技术水平的要求，并使废品率降低。航天科学工作者可以利用它设计卫星的运行轨道。化学家可以用它显示分子结构等等。总之，三维显示器可以适合许多技术领域，并为它们开创新的应用途径，推动科技进步。为四化作出贡献。
发明内容
及所属技术领域本三维显示器的基本显示单元是透明的单元立方体，它有六个面，我们只取其中三个正交面作显示面，将这些单元立方体按三个轴向堆放起来粘牢，可以形成各种大小的矩形体，按照计算机可实现的技术和显示要求，适当选取三个方向的尺寸与象素数目。
单元显示器的材料必须是透明的，当它们不代表物体的一个象素时不致于遮挡住中心的显示单元，因此应使用晶体或玻璃等透明材料做基底，用液晶、等离子体等做显示材料，它们也必须是透明的。当表示物体的一个象素时，才受激发光或反射光线。另外，电极和引线也用透明金属材料制成，如氧化锡等。
平面显示器显示斜线及弧线时用折线近似表示，三维显示器显示斜面及曲面用多面形表示，单元立方体是空心的，它代表一个象素时有三个显示面，因此一个象素根据它在物体表面上的位置，选择三个显示面的一个来显示，这样，存储器必须用三个单元来表示一个立体二值化象素，所需存储量将比前述专利中的方案更大，是它的三倍。
但是，我们观察物体时一般只是观察其表面，(透明体除外)，其内部象素看不见。因此显示时主要显示物体的表面，只是在必要时才有选择地显示几个剖面，因此其内部象素也是有选择地显示，甚至不必显示。为了减少存储量及扫描速度，本设计采用有一定占空比的立方显示单元，如果立方显示单元的每个显示面有多个象素，例如有2×2个象素时，该立方单元将包围8个象素，它们应有24个象素显示面，而现在只是在三个显示面上有12个单面象素，我们把显示面之比3∶24＝1/8叫体积占空比，把象素显示面之比12∶24＝1/2叫显示占空比，当每个显示面有4×4个象素时，单元立方体包围64个象素，体积占空比为1/64，它们有192个象素显示面，而现在只有48个单面象素，显示占空比为1/4，占空比愈大，三维量化误差愈大，但不影响三个垂直面上二维图象的量化误差，为了减少三维量化误差，可以在单元立方体内增加一个对角斜面，一般情况，一个立方体内有六个可能的斜面位置，根据单元体在三维显示器中所处位置，增加一个最有可能使用位置上的斜面。可以设想显示同心球体时，此球体的中心与显示器的中心重合，与球体表面在各个部位的切面方向最接近的立方单元内对角面，可作为增加的对角面。这些对角面也必须有相对应的显示存储器单元，这样，每个单元显示体等于有四个显示面。
此外，在有一定占空比时，每个显示面上的多个象素可以用来表现一定的灰度，这是空间灰度表现法。每个显示面为2×2时可以显示成一个象素的四级灰度，4×4时可以显示一个象素的16级灰度，也可以显示四个象素各有四级灰度。
显示器体的技术涉及液晶显示器的制造，这是已经成熟的技术，显示器的驱动与控制属电子学及计算机技术，整个显示体的组装涉及玻璃加工，金属蒸发溅射或电镀工艺，以及本显示器的专用工艺步骤。
进一步开发，可以实现真三维彩色显示，现在已有彩色平板显示器，利用同样方法就可制成三维彩色显示器，只是所须存储量更大，显示扫描速度达不到会产生闪烁，有待存储器及驱动线路的速度提高才能解决。从结构上本发明也包含了真三维彩色显示器。
如果能解决传输频带的障碍，本发明也可用于三维电视接收机，黑白及彩色均可。
立方单元的结构可以有不同的设计方案，本设计提出了一个具体方案，它用三个相同形状的显示片嵌装而成(见附图)，完成嵌装的边缘凹凸部分还起到电连接的作用，为了防止接触不良，可以采用焊接或电镀，蒸发等工艺使之连接。
本发明所述的真三维显示器的优点1.本发明的显示器是一个真三维显示体，它能真实地显示物体的形状，可以从前、后、左、右、顶部观察图象各个面的情况，与从这些方向观察真实物体一样。观察者不须配载任何特别眼镜，也不必采用参考光源。
2.本显示器可以作计算机的外部设备使用，显示的图象信息可以存在计算机的存储器中或存在附加在计算机中的扩展帧(体)存储器中，并可被计算机加工处理，或用计算机算法产生图象3.本显示器构造简单，主要是小片液晶显示单元组装而成，设有显象管那么多的制造程序。
4.本显示器根据实际情况可以很方便地做成各种大小，不同的分辨率及占空比，也可以使用不同的显示材料，得到有存储图象能力的显示功能，甚至可以显示彩色三维图象及活动图象，解决播送频带的障碍后，可以用于真三维电视接收机中。
5.由于将二维显示发展到三维显示，必然会推动与计算机图形学有关的各技术领域的技术进步，并产生出新的学科与新的技术领域。
6.虽然三维显示已经有各种方案，但至今没有一个商品化的三维显示器作为计算机的外部设备出售，本发明如能迅速解决生产中各种工艺，并投入批量生产，必然会带来巨大的经济效益。
图一是立方显示单元的基本显示片，如液晶显示片，形状基本上是正方形，相邻二边有凹凸部分，用以在组成单元立方体时镶接之用，它们分别为边长的三分之一左右，位于该边的中部，不计凹凸不整齐部分，此两边长度相等，设为9毫米，如显示片厚度为1毫米，则考虑虑不整齐部分，其包围凹凸部分的最小矩形也是正方形，边长为1厘米。
显示片上现为了方便起见画了四个象素，液晶上下两面的电极和引线如图所示图二是立方显示单元，它是用三片上述显示片嵌装粘接而成，凸出部分还用作内层引线的连接部位，为此必须使内层引线引至凸出部位的边沿时向厚度部分转90°，并最好能延伸过厚度部分再转90°至正面少许。同时另二端也同样制作，使各立方单元的引线可以互相连接。
图三是三维显示体，将各立方显示单元沿三个轴向排列粘接起来，每个方向数目根据要求的象素而定。然后再将内外层引线用或蒸发或电镀沉积的方法连通，最后形成与三个轴平行的许多平行驱动线，与垂直轴平行的驱动线向下引焊至底座板上，另两组驱动线须经一特制的透明转接板使之转向底部，并引焊至底座板上。
实施例子为了减少显示信息所需的存储量及降低扫描速度，又要有一定的分辨率能达到实际应用，本例子的显示器采用的x、y、z三个方向的点阵为256×128×64即横向256点，垂直方向128点，深度方向64点。因为从前面看，深度方向受压缩，64点产生的效果比其它方向128点还要好，因此深度方向点之间的距离也可以大些。横向部分象素可以用作说明窗口或标准图形或光按钮。这样尺寸的显示器显示一些三个方向有大小的零件是很实用的，后面的计算证明，某些方向的象素数目还可以增加一倍以上。
这样的显示器所含总象素为28·27·26·＝221＝2M位如每次传送8位，则一立体帧要传送221/23＝218＝256K字节与512×512有8位灰度平面的二维图象相同。但这里只能显示二值化三维体形。
本专利采用单元立方体结构，每个立方体有三面作显示平面，而不是在体心用一个显示元件显示，因此象素数目应是三倍上述数字。而且要2M个立方单元来构造一个显示体数目也嫌太大。
为了进一步减少象素数目及立方单元个数，而不显著影响分辨率，本例采用有占空比的显示方案。将每个显示面上安排4×4个显示象素，只需要26·25·24＝32K个立方单元。
总象素现在变为(x·y·z)正面 28·27·24＝219位＝512K位侧面 26·27·26＝219位＝512K位顶面 28·25·26＝219位＝512K位总共1.5M位。(有下横线的取决于该方向立方单元数)
下面再说明可实现的显示及传送方式显示方式上例中的显示器可以有以下几种显示方式(1)二值体形显示，体积占空比为1/64，正面为256×128，侧面为128×64，顶面为256×64的分辨率。
(2)二值体形显示，体积占空比为1/8，每个显示面为2×2个较大象素，即用2×2个基本象素组成一个较大象素。正面为128×64侧面为64×32顶面为128×32的分辨率。共有象素384K位。
(3)二值图形，占空比为1，每个显示面为1个大象素，即16个基本象素作一个象素。正面为64×32侧面为32×16，顶面为64×16的分辨率。即各面的立方单元个数。共有象素96K位，此时各面总象素按x·y·z次序均为26·25·24＝32K位，(因为有下横线的数字当降低分辨率时并不改变)。
(4)四级灰度图象显示，占空比为1/8，每个单元显示面有2×2个较大象素，基本同(2)，只是每个由2×2的基本象素组成的较大象素可以有四种发光情况，构成四个灰极，同时发光的基本象素愈多，亮度愈大，这是空间灰级表示法。适用于液晶显示。
(5)十六级灰度图象显示，占空比为1，每个单元显示面为一个大象素，情况同(3)，灰级表示同(4)。
(6)多页面二维显示，同普通文件显示，只是可以有16个全屏幕页面，由线路控制，实现页面快速切换。
传送方式及帧频由于每个象素有三个显示面，传送方式与线路也多种多样，在象素密度为上述显示方式(1)时，正面有16个点阵为28·27的显示平面，为32K字，可以按深度方向16位并行传送。侧面有64个点阵为27×26象素平面，如还是深度方向并行传送，则x方向为1/4取样，共取64点，深度方向64位分4组，每组16位，各组串行传送。另一个方案是x方向分4组，每组16个平面，类似正面传送方法，每次每个平面送一点，各组间依次传送。上下面也有二个方法，一是按深度方向并行传送，y方向作1/4取样，共取32点，深度方向如上分4组。另一法是y方向分2组，每组16个平面，并行传送，每次每个平面送一点，二组依次传送。
这是两种容易分划的方法，当然也可以统一在x或y方向并行传送，每一种方法中先后次序也可有不同方法，都可以实现。
三个面可以按正面、侧面、上下面的次序，也可以其它顺序。
在上述每次送一个字16位的情况下，1.5M位共约200K字节，不到100K字。在CRT上显示512×512字节时，为128K字，而且液晶显示没有回扫期，10M主频可以逐行传送100帧/秒，所以不会产生闪烁。如果y方向增至256，深度增至128，每秒可传25帧。利用向列型液晶中添加少量胆甾醇可以增加记忆效应，减少闪烁。所以较高分辨率三维显示的扫描速度也是可以解决的。
权利要求
1.用以实现真三维显示的基本单元是立方显示单元，它具有三个互相垂直的显示面。每个显示面可以有一个或多个显示象素，体积占空比为1或1/n，n=K3/2，K为每个单元显示面上的象素数。
2.权利要求1中所述的显示面是由两片透明材料制的基片，上面有透明金属材料做的矩阵式电极，中间夹有发光或反射光线的显示材料，如液晶或等离子体或电致发光材料，它们在不显示象素时应是透明的。
3.根据权利要求1中所述的立方显示单元可以有不同的尺寸，用它组成三维显示体时，三个方向的立方显示单元个数根据需要而设定，或者设计成有不同型号的系列。
4.权利要求2中所述的显示面中的显示材料，可以在其中加入少量颜料，只要不显著影响透明度，可以实现权利1，2，3中所述的三维显示体的彩色显示。
5.权利要求1中所述立方显示单元中还可以增加一个或几个对角显示平面，以求减少量化误差，位于显示体不同部位的立方单元体中的对角显示面的方向可以不同。
6.权利要求1，2，3中所述立方显示单元是由三片同样形状，相邻两边具有凹凸缘的矩形显示片嵌接而成，并用粘接剂粘固，电极引线用电镀沉积法连通。
7.用权利要求1至6制成的三维显示体，将各个方向的电极引线连成驱动线并用驱动线转向板将各方向驱动线引至底座板上，制成计算机三维显示器或三维电视的显象器。
8.权利要求7中所述三维显示器，配以驱动电路后，并用接口电路与计算机相联结，组成计算机三维显示系统。
全文摘要
本发明提出一个真三维显示器的构造设计，并给出对存储器的容量要求和传送方式，可以满足帧频的要求。此三维显示器可以作为计算机的外部设备使用，其工艺简单，重量也轻，无机械部分，特别适用于CAD系统。
文档编号G09F9/40GK1041234SQ8810643
公开日1990年4月11日 申请日期1988年9月15日 优先权日1988年9月15日
发明者李文余 申请人:李文余