CN104272199A - 多视图3d腕表 - Google Patents

Abstract

公开了多视图3D腕表。腕表具有确定时间的时钟电路以及产生多个输入平面光束的多个光源。具有多个定向像素的定向背板将多个输入平面光束散射为多个定向光束，每个定向光束具有通过多个定向像素中的定向像素的特性控制的方向和角展度。光闸层接收来自时钟电路的时间并且调制多个定向光束以产生3D时间视图。

Description

多视图3D腕表

相关申请的交叉引用

本申请涉及提交于2012年4月27日的名称为“Directional Pixel for Usein a Display Screen”的PCT专利申请序列号PCT/US2012/035573(律师案号No.82963238)、提交于2012年5月31日的名称为“Directional Backlight”的PCT专利申请序列号PCT/US2012/040305(律师案号No.83011348)、提交于2012年6月1日的名称为“Directional Backlight with a Modulation Layer”的PCT专利申请序列号PCT/US2012/040607(律师案号No.82963242)以及提交于2012年9月28日的名称为“Directional Waveguide-Based Backlightwith Integrated Hybrid Lasers for Use in a Multiview Display Screen”的PCT专利申请序列号PCT/US2012/058026(律师案号No.82963246)，它们被转让给本申请的受让人并且通过引用被结合于此。

背景技术

自从20世纪20年代开始流行以来，腕表数十年来已经成为人类文化和着装的一部分。最初的一些款式只是在战时出于必要而通过带子保持在适当位置的怀表。士兵发现在战斗中间将表从他们的口袋中拖出不现实，并且开始更频繁地依赖于腕表。随着腕表变得流行，其设计也随着时间改善和进化。最初的设计为纯机械的。接下来一代的款式采用具有石英振荡器的电子机构。数字表在20世纪70年代成为产品，并且自那时起，出现了各种款式以增加客户的需求，包括计算器表、防水表、照相机表、GPS表等。目前的时尚潮流表明腕表在输给智能手机和其他设备一些地盘之后正重新迎来生机。

附图说明

联系下述结合附图进行的详细描述，可以更为全面地理解本申请，在附图中相似的参考标号自始至终表示相似的部件，并且在附图中：

图1图示了根据各种示例而设计的腕表的示意图；

图2图示了根据各种示例的具有定向背板(directional backplane)的腕表的示意图；

图3A-B图示了根据图2的定向背板的示例性顶视图；

图4A-B图示了根据图2的定向背板的其他示例性顶视图；

图5图示了具有三角形形状的图2的示例性定向背板；

图6图示了具有六边形形状的图2的示例性定向背板；

图7图示了具有圆形形状的图2的示例性定向背板；以及

图8是利用根据本申请的多视图3D腕表产生3D时间视图的流程图。

具体实施方式

公开了一种多视图3D腕表。多视图3D腕表能够以3D显示时间，使得用户可以看到如同漂浮在空中的时间。腕表采用独特的用于以定向光束的形式提供光场的定向背板。定向光束被定向背板中的多个定向像素散射。每个定向光束源自不同的定向像素，并且根据定向像素的特性而具有给定的方向和角展度。该指定的方向性使得定向光束能够利用多个调制器而被调制(即，开启、关闭或者改变亮度)并且产生不同的3D时间视图。

在各种示例中，定向像素排列在由多个输入平面光束照射的定向背板中。定向像素接收输入平面光束并且将它们的一部分散射为定向光束。光闸(shutter)层被放置在定向像素之上以按照需要调制定向光束。光闸层可以包括多个具有有源矩阵寻址的调制器(例如，液晶显示(“LCD”)单元、MEMS、流体的、磁性的、电泳的等)，其中每个调制器调制来自单个定向像素的单个定向光束或者来自一组定向像素的一组定向光束。光闸层使得能够产生3D时间视图，其中每个视图由一组定向光束提供。根据需要，3D时间视图可以是单一颜色的或者是多种颜色的。

在各种示例中，定向背板中的定向像素具有排列在定向背板中或定向背板顶部上的基本上平行的沟槽的图案化光栅。定向背板例如可以是将输入平面光束引入定向像素的透明材料的板(slab)，所述透明材料例如为氮化硅(“SiN”)、玻璃或石英、塑料、铟锡氧化物(“ITO”)或其他材料。图案化光栅可以由直接刻蚀在定向背板中的沟槽构成，或者可以由用沉积在定向背板顶部上的材料(例如，任何可以被沉积和刻蚀或剥离的材料，包括任何电介质或金属)制成的沟槽构成。沟槽也可以是倾斜的。

如下面在这里更为详细地描述的，每个定向像素可以通过光栅长度(即，沿输入平面光束的传播轴的尺寸)、光栅宽度(即，与输入平面光束的传播轴交叉的尺寸)、沟槽取向、间距和占空比来确定。每个定向像素可以发出定向光束，该定向光束具有由沟槽取向和光栅间距决定的方向和由光栅长度和宽度决定的角展度。通过使用50％或50％左右的占空比，图案化光栅的第二(second)傅里叶系数变为零，从而防止了在其他不需要的方向上的光的散射。这确保了无论其输出角度如何，只有一个定向光束从每个定向像素发出。

如下面在这里进一步详细地描述的，定向背板可以被设计为具有定向像素，所述定向像素具有被选择以产生给定3D时间视图的某个光栅长度、光栅宽度、沟槽取向、间距和占空比。3D时间视图是从由定向像素发出并且由光闸层调制的定向光束产生的，其中来自一组定向像素的经过调制的定向光束产生给定的时间视图。

应理解的是，在以下描述中，给出了很多具体的细节以提供对实施例的透彻理解。但是，应理解的是可以实践所述实施例而不限于这些具体细节。在其他实例中，可能不会详细描述已知的方法和结构以避免与对实施例的描述产生不必要的混淆。另外，实施例可以相互结合使用。

现参考图1，描述了根据各种示例而设计的腕表的示意图。腕表100是在像圆形的显示器中显示时间的多视图3D表，数字被布置在显示器周围。腕表105是在像矩形的显示器中显示时间的多视图3D表，其中数字位指示时间。腕表100-105两者都在3D时间视图中示出时间，使得用户可以看到如同漂浮在空中的时间。根据用户眼睛的位置，用户可以感知到不同的时间视图；就是说，用户可以以和大脑在现实世界中3D地感知视觉信息很像的、自然并且真实的方式看到时间。

应理解的是，按照需要，腕表100和105中示出的时间视图可以是单一颜色或者多种颜色的。还应理解的是，3D时间视图可以是不同形状的、具有不同效果并且除时间之外可以包括其他影像。例如，3D时间视图可以是有阴影的、有轮廓的、图案化的等。腕表显示器可以是矩形的、圆形的、多边形的或任何其他可以设计用于腕表的形状。时间视图还可以包括腕表的标志、背景图片以及其他补充所显示的时间的图片。如下所述，使用能够产生定向光束的独特的定向背板产生3D时间视图，由光闸层根据3D时间视图中所要显示的时间(例如，8:13am、10:34pm等)调制该定向光束。

现参考图2，描述了根据各种示例的具有定向背板的腕表的示意图。腕表200包括接收来自多个光源的一组输入平面光束210的定向背板205。所述多个光源例如可以包括一个或者多个频谱带宽约为30nm或者更小的窄带宽光源，例如发光二极管(“LED”)、激光器(例如，混合激光器)或任何其他用于在腕表中提供照明的光源。输入平面光束210基本上在与定向背板205相同的平面中传播，该定向背板205被设计为基本上为平面。

定向背板205可以由透明材料(例如，SiN、玻璃或石英、塑料、ITO等)的板构成，该透明材料的板具有排列在定向背板205中或者定向背板205顶部上的多个定向像素215a-d。定向像素215a-d将输入平面光束210的一部分散射为定向光束220a-d。在各种示例中，每个定向像素215a-d具有基本上平行的沟槽(例如，用于定向像素215a的沟槽225a)的图案化光栅。光栅沟槽的厚度可以对于所有沟槽基本上相同，从而产生基本上为平面的设计。沟槽可以刻蚀在定向背板中或者由沉积在定向背板205顶部上的材料(例如，任何可以沉积和刻蚀或剥离的材料，包括任何电介质或金属)制成。

每个定向光束220a-d具有给定的方向和角展度，所述方向和角展度由形成相应定向像素215a-d的图案化光栅决定。具体地，每个定向光束220a-d的方向由图案化光栅的取向和光栅间距决定。每个定向光束的角展度则是由图案化光栅的光栅长度和宽度决定。例如，定向光束215a的方向由图案化光栅225a的取向和光栅间距决定。

应理解的是，该基本上平面的设计以及从输入平面光束210形成定向光束220a-d需要具有比传统衍射光栅小得多的间距的光栅。例如，在利用基本上穿过光栅平面传播的光束照射时，传统衍射光栅将光散射。这里，每个定向像素215a-d中的光栅在产生定向光束220a-d时与输入平面光束210基本上在相同的平面上。

通过定向像素215a-d中的光栅的特性精确地控制定向光束220a-d，所述特性包括光栅长度L、光栅宽度W、沟槽取向θ以及沟槽间距Λ。具体地，光栅225a的光栅长度L控制沿输入光传播轴的定向光束220a的角展度ΔΘ，并且光栅宽度W控制与输入光传播轴交叉的定向光束220a的角展度ΔΘ，如下：

$\mathrm{\Δ\Θ}\≈\frac{4\mathrm{\λ}}{\mathrm{\πL}}\left(\frac{4\mathrm{\λ}}{\mathrm{\πW}}\right)$   (等式1)

其中λ是定向光束220a的波长。由光栅取向角θ确定的沟槽取向以及由Λ确定的光栅间距或周期控制定向光束220a的方向。

光栅长度L和光栅宽度W可以在0.1至200μm的范围内变化尺寸。沟槽取向角θ和光栅间距Λ可以设置为满足定向光束220a的所需的方向，其中例如沟槽取向角θ在-40至+40度的量级上，并且光栅间距Λ在200-700nm的量级上。

在各种示例中，光闸层230(例如，LCD单元)位于定向像素215a-d之上以调制由定向像素215a-d散射的定向光束220a-d。定向光束220a-d的调制包括利用光闸层230控制其亮度(例如，将其开启、关闭或者改变其亮度)。例如，光闸层230中的调制器可以用来开启定向光束220a和220d并且关闭定向光束220b和220c。

为定向光束220a-d提供调制的能力使得能够产生许多不同的3D时间视图，诸如时间视图240。调制器由时钟电路245控制，该时钟电路245确定在腕表200中所要显示的时间，从而确定哪些定向光束220a-d将开启或关闭以产生与在表200中所要显示的时间(例如，03:07am)对应的时间视图240。

光闸层230可以放置在间隔层235的顶部上，该间隔层235可以在定向像素215a-d和光闸层230的调制器之间由材料制成或者简单地由空间(即，空气)构成。间隔层235例如可以具有0-100μm量级上的宽度。

应理解的是，仅出于说明的目的，定向背板205被示出为具有四个定向像素215a-d。取决于如何使用定向背板(例如，在3D显示屏中、在3D表中、在移动装置中等)，根据各种示例的定向背板可以设计为具有很多定向像素(例如，多于100)。还应理解的是，定向像素可以具有任何形状，例如包括圆形、椭圆形、多边形或其他几何形状。

现参考图3A-B，其图示了根据图2的定向背板的顶视图。在图3A中，示出了具有定向背板305的腕表300，该定向背板305包括多个排列在透明板中的多边形定向像素(例如，定向像素310)。每个定向像素能够将输入平面光束315的一部分散射为输出定向光束(例如，定向光束320)。每个定向光束由调制器(例如用于定向光束320的LCD单元325)调制。由定向背板305中的所有定向像素散射并且被调制器(例如，LCD单元325)调制的定向光束可以表现出多个图像视图，所述多个图像视图在被合成时形成3D时间视图360。

相似地，在图3B中，示出了具有定向背板335的腕表330，该定向背板335包括多个排列在透明板中的圆形定向像素(例如，定向像素340)。每个定向像素能够将输入平面光束345的一部分散射为输出定向光束(例如，定向光束350)。每个定向光束由调制器(例如，用于定向光束350的LCD单元355)调制。由定向背板335中所有定向像素散射并且被调制器(例如，LCD单元355)调制的定向光束可以表现出多个图像视图，所述多个图像视图在被合成时形成3D时间视图365。

在各种示例中，可以使用单个调制器来调制来自一组定向像素的一组定向光束。就是说，给定的调制器可以放置在一组定向像素之上，而不是如图3A-B所示的每个定向像素具有一个调制器。

现参考图4A-B，描述了根据图2的定向背板的顶视图。在图4A中，示出了具有定向背板405的腕表400，该定向背板405包括多个排列在透明板中的多边形定向像素(例如，定向像素410a)。每个定向像素能够将输入平面光束415的一部分散射为输出定向光束(例如，定向光束420a)。一组定向光束(例如，由定向像素410a-d散射的定向光束420a-d)被调制器(例如，调制定向光束420a-d的LCD单元425a)调制。例如，用LCD单元425a开启定向像素410a-d同时用LCD单元425d关闭定向像素430a-d。由定向背板405中所有定向像素散射并且被LCD单元425a-d调制的定向光束可以表现出多个视图，所述多个视图在被合成时形成3D时间视图475。

相似地，在图4B中，示出了具有定向背板445的腕表440，该定向背板445包括多个排列在透明板中的圆形定向像素(例如，定向像素450a)。每个定向像素能够将输入平面光束455的一部分散射为输出定向光束(例如，定向光束360a)。一组定向光束(例如，由定向像素450a-d散射的定向光束460a-d)被调制器(例如，调制定向光束460a-d的LCD单元470a)调制。例如，用LCD单元470a开启定向像素450a-d同时用LCD单元470d关闭定向像素465a-d。由定向背板445中所有定向像素散射并且被诸如LCD单元470a-d的调制器调制的定向光束可以表现出多个视图，所述多个视图在被合成时形成3D时间视图480。

应理解的是，定向背板可以设计成具有不同的形状，像是例如三角形形状(如图5中所示)、六边形形状(如图6中所示)或者圆形形状(如图7中所示)。图5中，定向背板505接收来自三个不同空间方向的输入平面光束，例如输入平面光束510-520。该构造可以在输入平面光束表示不同颜色的光，其中例如输入平面光束510表示红色、输入平面光束515表示绿色以及输入平面光束520表示蓝色时使用。输入平面光束510-520的每一个被布置在三角形定向背板505的一侧以将其光会聚在一组定向像素上。例如，输入平面光束510被一组定向像素525-535散射为定向光束。该定向像素525-535的子集也可以接收来自输入平面光束515-520的光。但是，通过设计，该光不会被散射进入腕表500的预期可视区域中。

例如，假设输入平面光束510被定向像素525-535的子集GA散射到预期可视区域中。该预期可视区域可以由通过从定向背板的法线504测量的最大射线角θ_max确定。输入平面光束510也可以被定向像素G_B540-550的子集散射，但是只要满足以下等式，那些不想要的光线就在预期可视区域之外：

$\sin {\mathrm{\θ}}_{\max }\≤\frac{{\mathrm{\λ}}_A+{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_A{\mathrm{\λ}}_B}\sqrt{{\left(\frac{n_{\mathrm{eff}}^A}{{\mathrm{\λ}}_A}\right)}^2+{\left(\frac{n_{\mathrm{eff}}^B}{{\mathrm{\λ}}_B}\right)}^2-\left(\frac{n_{\mathrm{eff}}^A}{{\mathrm{\λ}}_A}\right)\left(\frac{n_{\mathrm{eff}}^B}{{\mathrm{\λ}}_B}\right)}$   (等式2)

其中λ_A是输入平面光束510的波长，n_eff ^A是输入平面光束510在定向背板505中水平传播的有效折射率(effective index)，λ_B是输入平面光束520(将被定向像素540-550散射)的波长，以及n_eff ^B是输入平面光束520在定向背板505中水平传播的有效折射率。在其中有效折射率和波长基本上相同的情况下，等式2简化为：

$\sin {\mathrm{\θ}}_{\max }\≤\frac{n_{\mathrm{eff}}}{2}$   (等式3)

对于折射率n大于2并且输入平面光束在掠射角附近传播的定向背板，可以看到显示器的预期可视区域可以扩展至整个空间(n_eff≥2并且sinθ_max～1)。对于诸如玻璃(例如，n＝1.46)的折射率较低的定向背板，预期可视区域被限制在大约θ_max<arcsin(n/2)(对于玻璃为±45°)。

应理解的是，每束定向光束可以被调制器调制，所述调制器像是例如LCD单元555。因为可以通过定向背板505中的每个定向像素实现定向光束的精确的方向和角度控制，并且定向光束可以被诸如LCD单元的调制器调制，因此定向背板405可以设计为产生3D图像的多个不同视图。

还应该理解的是，通过实现可将三角形板的顶角(extremity)切掉以形成如图6所示的六边形形状，图5中所示的定向背板505可以被形成为更为紧凑的设计。定向背板605接收来自三个不同空间方向的输入平面光束，例如，输入平面光束610-620。输入平面光束610-620的每一个被布置在六边形定向背板605相隔的侧边(alternating side)上以将其光会聚在定向像素(例如，定向像素625-635)的子集上。在各种示例中，六边形定向背板605具有范围可以在10-30mm量级上的侧边长度，其中定向像素的大小在10-30μm的量级上。

应理解的是，腕表600被示出为具有调制器的多个构造。例如，可以用单个调制器调制来自一组定向像素的定向光束，例如，用于定向像素625-635的LCD单元640，或者可以用单个调制器调制单个定向像素，例如，用于定向像素660的LCD单元655。本领域的技术人员应理解的是，可以使用任何用于定向像素的调制器构造来调制被定向像素散射的定向光束。使用时钟电路(未示出)来控制光闸层中的调制器。本领域的技术人员还应理解任何光闸层构造可以用于调制定向光束。

还应该理解的是，只要从三个不同方向引入来自三原色的光，用于彩色输入平面光束的定向背板就可以具有除了三角形(图5)或六边形(图6)形状之外的任何几何形状。例如，定向背板可以是多边形、圆形、椭圆形或能够接收来自三个不同方向的光的其他形状。现参考图7，描述了具有圆形形状的定向背板。腕表700中的定向背板705接收来自三个不同方向的输入平面光束710-720。每个定向像素具有圆形形状，例如定向像素720，并且散射由例如LCD单元725的调制器调制的定向光束。每个LCD单元具有矩形形状，并且圆形的定向背板705被设计为容纳用于圆形定向像素(或多边形定向像素，如果需要的话)的矩形LCD单元。

图8中图示了利用根据本申请的多视图3D腕表产生3D时间视图的流程图。多视图3D腕表如上所述利用定向背板和由时钟电路控制的光闸层产生3D时间视图。首先，时钟电路确定所要显示的时间(800)。来自多个窄带宽光源的光以输入平面光束的方式输入至定向背板(805)。时钟电路然后控制光闸层以根据所要显示的时间调制定向背板中的一组定向像素(810)。最后，从由定向背板中的定向像素所散射的调制后的定向光束产生3D时间视图(815)。

有利的是，多视图3D腕表使得能够产生3D时间视图，使得用户可以看到如同漂浮在空中的时间。可以调制由定向像素产生的定向光束以在所产生的时间视图中生成任何所需的效果。

应理解的是，提供上述公开实施例的描述，以使得本领域任何技术人员制造或使用本公开。对于本领域的技术人员来说，对这些实施例的各种修改将显而易见，并且在这里定义的一般原理可以在不脱离本公开精神或范围的情况下应用于其他实施例。因此，本公开无意限于这里所示的实施例，而是符合与这里所公开的原理和新颖的特征相一致的最宽的范围。

Claims (15)

1.一种多视图3D腕表，包括：

时钟电路，确定时间；

多个光源，产生多个输入平面光束；

定向背板，具有将该多个输入平面光束散射为多个定向光束的多个定向像素，每个定向光束具有通过该多个定向像素中的定向像素的特性控制的方向和角展度；以及

光闸层，接收来自该时钟电路的时间并调制该多个定向光束以产生3D时间视图。

2.根据权利要求1所述的多视图3D腕表，还包括位于该定向背板之上的间隔层。

3.根据权利要求2所述的多视图3D腕表，其中该光闸层位于该间隔层之上。

4.根据权利要求1所述的多视图3D腕表，其中该定向背板基本上为平面的。

5.根据权利要求1所述的多视图3D腕表，其中该多个定向像素中的每个定向像素包括具有多个基本上平行的沟槽的图案化光栅。

6.根据权利要求5所述的多视图3D腕表，其中定向像素的特性包括光栅长度、光栅宽度、光栅取向、光栅间距和占空比。

7.根据权利要求6所述的多视图3D腕表，其中定向像素的间距和取向控制由该定向像素所散射的定向光束的方向。

8.根据权利要求6所述的多视图3D腕表，其中定向像素的长度和宽度控制由定向像素所散射的定向光束的角展度。

9.根据权利要求1所述的多视图3D腕表，其中该光闸层包括多个调制器。

10.根据权利要求1所述的多视图3D腕表，其中该定向背板包括透明材料的多边形板。

11.根据权利要求1所述的多视图3D腕表，其中该定向背板包括透明材料的圆形板。

12.根据权利要求1所述的多视图3D腕表，其中该多个定向像素包括多个多边形的定向像素。

13.根据权利要求1所述的多视图3D腕表，其中该多个定向像素包括多个圆形的定向像素。

14.一种在多视图3D腕表中产生3D时间视图的方法，包括：

确定在该腕表中所要显示的时间；

接收来自该腕表中的多个光源的多个输入平面光束；

控制光闸层以调制该腕表中的定向背板所产生的多个定向光束；以及

从调制后的定向光束产生3D时间视图。

15.根据权利要求1所述的方法，包括将该多个输入平面光束散射为由该定向背板所产生的该多个定向光束，每个定向光束具有通过该定向背板中的多个定向像素中的定向像素的特性控制的方向和角展度。