DE69113718T2

DE69113718T2 - System und Verfahren zum Stützen und Drehen eines Bildschirms.

Info

Publication number: DE69113718T2
Application number: DE69113718T
Authority: DE
Inventors: Felix Garcia; Rodney D Williams; Tommy D Wright
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1990-08-06
Filing date: 1991-08-05
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2011-08-06
Also published as: ES2077805T3; DE69113718D1; JP3238932B2; EP0470799B1; JPH04359279A; US5358377A; EP0470799A1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft einen Träger und eine Steuerung für einen Drehschirm und insbesondere eine Anordnung und ein Verfahren zur genauen Steuerung einer sich drehenden Fläche durch Aufbringen einer Drehkraft an ihrem Umfang.
Die FR-A-1 532 474 offenbart einen Turm mit einer zylindrischen Basis, der in einem zylindrischen Wasserteich treibt und ständig durch den Umlauf zum Drehen gebracht wird, der durch Pumpen im Wasser zwischen der Seitenwand des Teichs und der Seitenwand der Turmbasis bewirkt wird.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es wurde ein relativ neues Anzeigesystem entwickelt, das Bilder in allen drei physikalischen Dimensionen erzeugt. Das System gründet auf die Erzeugung eines Volumens, auf das kohärentes Licht auftrifft, um die Bilder zu erzeugen, innerhalb eines begrenzten Raums, typischerweise einer geschlossenen Kuppel. Jedes Bild besteht aus einer Anzahl von Lichtpixeln (sogenannten Voxels), die gewöhnlich von einem oder mehreren Laserstrahlen erzeugt werden, die auf das erzeugte Volumen innerhalb der Kuppel auftreffen.
Das definierte Volumen kann dadurch erzeugt werden, daß eine spiralförmige Fläche (Scheibe) innerhalb der Kuppel gedreht wird, so daß bei Drehung der Scheibe ein Volumen erzeugt wird, das durch die Scheibenfläche bei ihrer Auf- und Abbewegung in einer Schraubenkurve definiert ist. Zu jedem beliebigen Zeitpunkt befindet sich also eine andere Höhe des Volumens an einem gegebenen physikalischen Ort innerhalb der Kuppel. Dann läßt sich ein Lichtfleck erzeugen, indem ein kohärenter Lichtstrahl zu einem spezifischen Zeitpunkt auf die Scheibe trifft, der sich mit der für diesen Lichtpunkt gewünschten Höhe deckt.
Durch Zeitsteuerung einer großen Zahl solcher Lichtstrahlen lassen sich in der Kuppel dreidimensionale Objekte erzeugen, und diese Objekte können dann aus jeder Position betrachtet werden, da die sich schnell drehende Scheibe (die das Anzeigevolumen erzeugt) für das Auge im wesentlichen durchsichtig ist. Ein solches System ist der Gegenstand der US-A-5 082 350, die nach dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht wurde.
Zahlreiche Probleme werden deutlich. Ein physikalisches Objekt soll mit 600 Umdrehungen/min gedreht werden. Ein Problem liegt im Anbringen der Scheibe. Selbstverständlich besteht die einfache Lösung darin, sie an einer Mittenwelle anzubringen und einen Motor zum Drehen der Scheibe zu verwenden, um den Volumenabstand zu erzeugen. Allerdings ermöglicht dies nur die Erzeugung von Bildern am Außenrand der Scheibe.
Eine Aufgabe der Erfindung ist die Erzeugung eines voll adressierbaren Anzeigevolumens. Ein voll adressierbares Anzeigevolumen ist ein Volumen, in dem Anzeigen überall innerhalb des Raumzylinders erzeugt werden können. Eine weitere Aufgabe liegt darin, eine sehr stabile Scheibe zu erzeugen. Eine stabile Scheibe ist eine Scheibe, die über die Zeit keine übermäßige dynamische Bewegung und keine übermäßigen Vibrationen besitzt. Eine weitere Aufgabe liegt in der Fähigkeit zur genauen Kenntnis, wo genau sich jeder beliebige Punkt auf der Scheibe zu jedem beliebigen Zeitpunkt befindet.
Ursprünglich wurde eine an einer Welle eines Motors angebrachte flache Scheibe verwendet. Man fand heraus, daß Luftturbulenzen, Vibrationen und andere Gesichtspunkte die Auflösung und Genauigkeit einer solchen Anzeigeanordnung begrenzten.
Demnach besteht auf diesem Gebiet ein Bedarf für ein Drehsystem, das ein voll adressierbares Volumen erzeugt, dynamisch stabil ist und sich für eine genaue Überwachung anbietet.
Die Erfindung sieht eine Anordnung zum Drehen eines Schirms vor, die folgendes enthält: eine Kuppel, mit dessen Innenseite der Schirm verschweißt ist; eine Trägerstruktur zum Halten der Kuppel; und eine Anordnung zum Drehen der Kuppel; mit: einem am Boden der Kuppel befestigten kreisförmigen Kanal; einer auf den Kanal abgestimmten stationären kreisförmigen Fluidkammer, die mit einem Fluidreservoir in Verbindung steht, wobei die Kammer einen Krümmungsradius und einen Querschnitt hat, die mit dem Kanal zusammenpassen; einem Spalt zwischen dem Kanal und der Kammer; und Mitteln in der Kammer zum Freigeben von Fluid in den Spalt.
Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Drehen des Schirms eines Systems nach der Erfindung vor, das die folgenden Schritte enthält: Erzeugen eines Fluidkissens zwischen dem Kanal und der Kammer durch Ausstoßen von Fluid aus der Kammer; und Drehen der Kuppel durch Ausstoßen von Luft durch ein stationäres Betätigungsorgan gegen mehrere um die Kuppel angebrachte Becher.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Wir haben das Problem gelöst, wie eine sich schnell drehende Scheibe starr gemacht wird. Dies ist dadurch erreicht, daß eine Scheibe innerhalb einer Kuppel verschweißt wird, wobei der Seitenrand der Scheibe zur Befestigung an der Kuppel verwendet wird. Bei Verwendung dieser Lösung ist die dynamische Bewegung der Kanten aufgehoben.
Der äußere Drehrand der Kuppel wird bei einer Ausführungsform pneumatisch gehalten und durch einen pneumatischen Antrieb gedreht. Der pneumatische Träger ist ein Luftkanal, der eine Luftdecke erzeugt, die zum Boden der Kuppel gerichtet ist. Die Kuppel schwebt in der Größenordnung von 100 um (ein paar tausendstel Inch) über der Basisstruktur. Der pneumatische Antrieb dreht dann die Kuppel, indem ein gerichteter Luftstrahl gegen eine Reflexionsfläche an der Kuppelkante geblasen wird.
Zusammenfassend beinhaltet die Erfindung drei Gesichtspunkte. Der erste liegt in der Halterung der Kombination aus der Scheibe und der Kuppelstruktur. Der zweite liegt in der tatsächlichen Drehung dieser Kombination um eine Achse. Der dritte liegt in der Wellencodierung oder optischen Codierung zur Bestimmung, wo sich die Scheibe in ihrer Drehung befindet.
Ein technischer Vorteil dieser Erfindung liegt darin, daß eine rotierende Scheibe innerhalb einer definierten Struktur wie einer Kuppel positioniert ist, mechanisch am Umfang der Kuppel befestigt ist und in Verbindung mit der Drehung der Kuppel zum Drehen gebracht wird.
Ein weiterer technischer Vorteil dieser Erfindung liegt darin, daß sie ein System vorsieht, bei dem die Drehung der Scheibe durch pneumatische Mittel genau gesteuert wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obengenannten und weitere Aufgaben, Merkmale und technischen Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Zeichnungen deutlich; darin zeigen
Fig. 1 die Veranschaulichung einer Fläche, die ein definiertes Volumen innerhalb der Kuppel erzeugt;
Fig. 2-4 graphisch die von der rotierenden Fläche erzeugten Volumina;
Fig. 5-6 Drauf- bzw. Vorderansichten eines rotierenden Kuppelsystems, das diese Erfindung verwendet;
Fig. 7 Einzelheiten eines Schnitts 7-7 durch das Kuppelsystem von Fig. 5;
Fig. 8 Einzelheiten des Luftbetätigungsorgans und des Antriebsmechanismus des Kuppelsystems;
Fig. 9 eine Explosionsansicht des Betätigungsorgans;
Fig. 10 die Veranschaulichung des von der spiralförmigen Fläche erzeugten Volumens; und
Fig. 11 und 12 alternative Ausführungsformen der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Vor Beginn der Erläuterung des optischen Systems sei ein kurzer Überblick über die Art und Weise gegeben, in der Bilder in einem definierten Volumen erzeugt werden. Diese Erläuterung findet unter Bezug auf FIG. 10 statt, bei der die Fläche 12, die bei einer Ausführungsform eine sich rasch drehende Wendel sein kann, ein Volumen V definiert, während sie sich um einen bestimmten zentralen Punkt dreht. Jeder Zeitpunkt A, B und C zeigt die Wendel am gleichen physikalischen (räumlichen) Ort, allerdings zu einer leicht unterschiedlichen Zeit. Da sich die Wendel oder, bei einer anderen Ausführungsform, die Doppelwendel mit einer Drehzahl von 600 Umdrehungen/min oder mehr dreht, behandelt das menschliche Auge die Oberfläche als transparent. Durch diese Transparenz lassen sich eben dreidimensionale Bilder erzeugen, wenn kohärentes Licht auftrifft.
Das System 10 mit kohärenter Lichtquelle und Optik, das im einzelnen in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel "Volume Display Optical System and Method" erläutert ist, liefert einen Lichtimpuls 102, der auf solche Weise räumlich positioniert und zeitlich gesteuert ist, daß er auf die Oberfläche 12 auftrifft, um einen Lichtpunkt 105 in einer Höhe d1 von einer Grundlinie 40 zu bilden. Dieser Impuls könnte derart zeitlich gesteuert werden, daß er in der Zeit etwas später ankommt; dann würde er auf die Fläche 12 auftreffen, um einen Lichtpunkt 105' zu erzeugen, der von der Grundlinie 40 um eine Höhe d2 verschoben ist. Eine weitere Verzögerung des Strahls 102 würde einen Lichtpunkt 105" in einer Höhe d3 von der Basislinie 40 ergeben.
Unter Verwendung dieser Technik und mit dem Verständnis, daß die Lichtquelle 10 mehrfache Lichtstrahlen über einen weiten Raumbereich zu jedem Zeitpunkt liefern kann, lassen sich aus den Lichtpunkten dreidimensionale Bilder erstellen. Da die sich rasch drehende Wendel für das menschliche Auge durchsichtig ist, erscheinen die Lichtflecken frei schwebend und können aus jedem Winkel und von jeder Seite betrachtet werden.
FIG. 1 zeigt das System 10, bei dem die Fläche 12 in die umgekehrte Kuppel 11 geschweißt ist. Die Fläche 12 ist tatsächlich eine flache kreisförmige Scheibe, die sich zur Bildung des Volumens dreht, wie dies oben erläutert wurde. Der Motor 13 dreht die Kombination aus der Scheibe und der Kuppel.
FIG. 2 zeigt die Kuppel 11 in tatsächlichem Kontakt mit der Fläche 12. Die Fläche 12 veranschaulicht den Betrachtungsbereich, der durch die Tangentialität der Kuppel 11 und der Fläche 12 gebildet ist. Die Fläche 12 ist bei dieser Ausführungsform eine Wendel.
FIG. 3 zeigt eine Draufsicht der Fläche 12. Bei dieser Ausführungsform ist die Fläche 12 eine Doppelwendel.
FIG. 4 zeigt die geometrische Auslegung einer 60cm-(2Fuß)-Anstiegsfläche 12. Der Anstieg ist der Volumenbetrag, der ein Bild anzeigen kann. Diese Figur stellt die vertikale Höhe der Fläche am höchsten Punkt als radialen Abstand dar.
FIG. 5 zeigt eine Draufsicht des neuen Kuppeldrehsystems 50, das durch den Mechanismus 90 gedreht wird, der aus einem luftbetätigten System besteht. Dieses System ist teilweise zentrifugal ausgeglichen, was an den Rädern 73 zu sehen ist, die gleichmäßig um den Umfang der Kuppel 11 beabstandet sind. Innerhalb der Kuppel 11 dreht sich die Fläche 12 wie oben erläutert, um den Volumenraum zu bilden.
Die Luftbetätigung wird gesteuert, indem selektiv Luft auf die Betätigungsorgane 90 aufgebracht wird, die um den Umfang des Systems 50 im Abstand angeordnet sein können.
FIG. 6 ist eine Vorderansicht des Systems 50. Die Fläche 12 ist mit der Kuppel 11 verschweißt und dreht sich mit ihr, um das definierte Volumen zu bilden.
FIG. 7 ist eine Schnittansicht durch die Linie 7-7 von FIG. 5. Der Lufthohlraum 76 ermöglicht die Zufuhr von Luft über den Eingang 75 um den Umfang des Systems 50 und enthält mehrere Luftlöcher 77 in diesem Hohlraum, um das Trieborgan 51 zu halten. Das Trieborgan 51 läuft in der Drehung um den kreisförmigen Träger 54, wobei es von einer dünnen Luftschicht gehalten wird.
Das Trieborgan 51 ist durch den Schlitz 74 mit der Kuppel 11 verbunden und läuft mit der Kuppel, um diese zu drehen. Gummibeschichtete Stützräder 73 sind an der Welle 52 angebracht und um den Außenumfang des Trieborgans 51 positioniert. Das Zentrifugalkugelausgleichssystem 53 gleicht die Anordnung aus Kuppel 11 und Trieborgan 51 in der Drehung aus. Ebenso ist der Magnet 79 gezeigt.
In FIG. 8 ist gezeigt, daß das Antriebsorgan 90, das in FIG. 9 im einzelnen dargestellt ist, mit dem Trieborgan 51 durch die Schraube 96 verbunden ist, die durch das Antriebsorgan 90 in die Nut 82 des Trieborgans 51 eingeführt ist. Über den Schlauch 81 wird selektiv Luft in das Antriebsorgan 90 eingebracht, die auf Becher 83 am Umfang des Trieborgans 51 auftrifft und dadurch das Trieborgan 51 in Drehung um den Träger 54 antreibt. Das Antriebsorgan 90 wird über den durch das Loch 92 eingepaßten Stift 91 an Position gehalten. Der in FIG. 9 gezeigte Stift 91 wird durch die in FIG. 6 gezeigte Basis 54 gehalten, wie dies in FIG. 6 gezeigt ist.
Unter Bezug auf FIG. 9 ist das Antriebsorgan 90 nun über das Loch 92 an dem Stift 91 angebracht, und Luft wird über die Öffnung 93 eingebracht und die Öffnung 94 ausgebracht; sie trifft auf den Becher 83 am Rande des Trieborgans 51 auf, wie dies in FIG. 8 gezeigt ist. Die Schrauben 96 und 95 sind durch die Löcher 97 bzw. 98 eingepaßt, um in die (in FIG. 8 nicht gezeigten) Nuten 82 bzw. 72 des Trieborgans 51 einzugreifen. Die Nuten 82 und 72 sind in Fig. 7 gezeigt.
Wird also wie in FIG. 8 Luft auf das Antriebsorgan 90 aufgebracht, dann wird das Trieborgan 51 nach vorne gezwungen und die gesamte Anordnung einschließlich der Kuppel 11 gedreht. Die Positionsgenauigkeit des Mechanismus läßt sich auf verschiedene Arten bestimmen; eine Möglichkeit besteht darin, einen Magnetaufnehmer 99 innerhalb des Antriebsorgans 90 anzubringen, um die Drehung des Magneten 79 zu erfassen. Die Position des Trieborgans 51 läßt sich auch dadurch bestimmen, daß eine kleine Lichtquelle und ein Photodetektor oder jede andere Erfassungsvorrichtung eingebaut werden.
Die Kuppel 11 läßt sich auch durch andere mechanische Mittel drehen. FIG. 11 zeigt einen straffen flexiblen Riemen 1102, der über verrastende Nuten oder durch Reibung am äußeren Umfang der Kuppel 11 angreift. Der Riemen läuft auch um die Drehwelle eines Motors 1101. FIG. 12 zeigt einen direkt mit der Kuppel 11 verbundenen Motor. Der Motor 1201 befindet sich direkt angrenzend an den Umfang der Kuppel 11, und verrastende Zahnräder 1202 und 1203 synchronisieren den Motor 1201 und die Kuppel 11.
Diese Beschreibung erläutert zwar die Erfindung unter Bezug auf die oben angegebenen Ausführungsformen; allerdings sind die Ansprüche und nicht die Beschreibung auf den Bereich der Erfindung beschränkt. Zahlreiche Modifizierungen der offenbarten Ausführungsform sowie alternative Ausführungsformen der Erfindung werden dem Fachmann unter Bezug auf die obige Beschreibung deutlich. Demnach decken die beigefügten Ansprüche die Modifizierungen ab, die tatsächlich unter den Bereich der Erfindung fallen.

Claims

1. Anordnung zum Drehen eines Schirms, enthaltend: eine Kuppel (11) mit dessen Innenseite der Schirm (12) verschweißt ist; eine Trägerstruktur (50) zum Halten der Kuppel; und eine Anordnung (90, 1101-2, 1201-3) zum Drehen der Kuppel; mit: einem am Boden der Kuppel befestigten kreisförmigen Kanal (78); einer auf den Kanal (78) abgestimmten stationären kreisförmigen Fluidkammer (76), die mit einem Fluidreservoir in Verbindung (75) steht, wobei die Kammer (76) einen Krümmungsradius und einen Querschnitt hat, die mit dem Kanal (78) zusammenpassen; einem Spalt zwischen dem Kanal (78) und der Kammer (76); und Mitteln (77) in der Kammer zum Freigeben von Fluid in den Spalt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Kammer (76) und der Kanal (78) einen rechtwinkligen Querschnitt haben.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welcher die Anordnung zum Drehen der Kuppel (11) enthält: mehrere Becher (83), die in einer gemeinsamen Ebene um die Kuppel herum befestigt sind; und ein stationäres Antriebsorgan (90) zum Aufnehmen und Lenken von Luft gegen das offene Ende der Becher.

4. Anordnung nach Anspruch 3, enthaltend: mehrere rund um den Rand der Kuppel (11) im Abstand angeordnete Antriebsorgane (90).

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welcher die Anordnung zum Drehen der Kuppel (11) enthält: einen Motor (1101); und einen Riemen (1102), der mit der Welle des Motors und mit dem Umfang der Kuppel verbunden ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welcher das System zum Drehen der Kuppel (11) enthält: einen Motor (1201); und ein mit der Welle des Motors und mechanisch mit dem Umfang der Kuppel verbundenes Zahnrad (1202).

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, enthaltend ein Überwachungsorgan (79, 99) zum Überwachen der Drehung der Kuppel.

8. Anordnung nach Anspruch 7, bei welchem das Überwachungsorgan einen stationären Sensor enthält, der für von der sich drehenden Kuppel (11) reflektiertes Licht empfindlich ist.

9. Anordnung nach Anspruch 7, bei welcher das Überwachungsorgan ein stationärer Sensor (99) ist, der für durch die rotierende Kuppel (11) erzeugte Magnetfelder empfindlich ist.

10. Verfahren zum Drehen des Schirms eines Systems nach Anspruch 3, enthaltend die Schritte: Erzeugen eines Fluidkissens zwischen dem Kanal (78) und der Kammer (76) durch Ausstoßen von Fluid aus der Kammer; und Drehen der Kuppel (11) durch Ausstoßen von Luft durch das Betätigungsorgan (90) gegen die Becher (83).

11. Verfahren nach Anspruch 10, enthaltend den Schritt des Überwachens der Drehung der Kuppel.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der Überwachungsschritt den Schritt des Anbringens eines für von der drehenden Kuppel reflektiertes Licht empfindlichen stationären Sensors angrenzend an die Kuppel enthält.

13. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der Überwachungsschritt das Anbringen eines für durch die drehende Kuppel (11) erzeugte Magnetfelder empfindlichen stationären Sensors (99) angrenzend an die Kuppel enthält.