Матричный индикатор, его варианты и способ его изготовления
Изобретение относится к области индикаторов для отображения визуальной информации, например, в качестве самосветящихся экранов: для кинозалов (без кинопроекции), отображения видео и телевизионной информации в театрах, концертных залах, видео- и конференц-залах, телестудиях, в качестве экранов телевизоров, домашних кинотеатров, компьютерных дисплеев и других целей. Предлагаемые матричные индикаторы содержат экран с опорным устройством для этого экрана. На экране закреплены одна или несколько автономных видеоматриц с дискретными электронно-оптическими светоизлучателями и транзисторные ключами (управления яркостью этих светоизлучателей), матрица шин электрической коммутации этих светоизлучателей с электронными ключами, источником электропитания и контроллером (для формирования определенной автономной матрицей соответствующего полноэкранного изображения). На каждой экранной полосе сформированы одна или несколько автономных видеоматриц светоизлучателей. Все полосы подвешены на карнизе с возможностью трансформации ширины полного экрана поворотом и раздвижкой этих полос в требуемую площадь и формат экрана или сдвижки части или всех экранных полос в нерабочем состоянии (аналогично конструкции жалюзи). Индикатор обеспечивает максимальное энергосбережение и возможность коллективного и/или конфиденциального просмотра одинаковых или различных экранных изображений разными зрителями из разных секторов наблюдения на общем экране. Предложенный способ изготовления таких индикаторов наиболее эффективен для их ускоренного промышленного массового изготовления на стандартном оборудовании с минимальными затратами с использованием стандартных интегральных и гибридных технологий. При этом обеспечивается возможность многократной быстрой трансформации форматов, геометрической формы экрана с возможностью полной свертки матричного индикатора в минимальный объем в нерабочем состоянии. 4 з.п. ф-лы, 17 ил.
Область техники
Изобретение относится к средствам отображения визуальной информации, а конкретнее к матричным индикаторам разных конструкций, называемых индикатором, информационным табло, видеоэкраном, видеопанелью, монитором или видеомонитором, или дисплеем. Предлагаемые большеэкранные матричные индикаторы с трансформируемыми форматами с размерами площади экранов могут использоваться в машинах, в помещениях и на открытом пространстве в качестве: самосветящихся светодиодных киноэкранов, информационных табло, видеопанелей, телеэкранов, видеоэкранов, видеомониторов компьютеров, видеодекораций театральных сцен, студий, мебели, стен, потолков и пола помещений, маскировочной одежды для людей (с видеоизображением на одежде маскирующего фона), видео маскировочных сеток, материалов и покрытий для машин и объектов, мониторов, экранов ноутбуков, мобильных смартфонов, телефонов и видеотелефонов, экранов цифровых видеокамер и фотоаппаратов, экранов видео- и аудиопроигрывателей и мобильных телефонов, видеоциферблатов часов и для других целей.
Предшествующий уровень техники.
Широко известны аналоги цветных матричных ЖК (жидкокристаллических) индикаторов в виде гибких сворачиваемых в трубочку LCD-панелей в нерабочем положении.
См. книги: Базовые лекции по электронике (в 2-х тт.). Том I. Электровакуумная, плазменная и квантовая электроника. Сб. под общ. ред. В.М. Пролейко. М.: Техносфера, 2009 г., стр. 211-216, 218-222, 225-233, 244-253.
Преимущества ЖК (LCD) мониторов
Хорошая яркость 400 кд/кв.м. Широкий угол обзора до 170°. Высокая частота смены кадров от 100 до 400 Гц в секунду. Контраст изображения до 1 млн. единиц. Высокое разрешение до 4к и выше. Большая площадь целого ЖК-экрана до 3 кв.м. Малая толщина панели менее 20 мм. Малый ток потребления - несколько мкА на см. Большая долговечность ЖК-панелей - до 60 тыс. часов (определяется долговечностью LCD-подсветки).
Недостатки гибких ЖК (LCD) мониторов
Недостатками таких индикаторов является невозможность пропорциональной трансформации формата и размера площади экрана в рабочем положении с сохранением полноэкранного изображения. Прозрачное защитное покрытие LCD-дисплея заметно бликует. Поляризованный свет экранного изображения непривычен для глаз и утомляет зрителя. В ЖК-панелях подсветка пакетами светодиодов ЖК-свет модуляторов, цветные светофильтры, полупрозрачный светомодулирующий ЖК-слой, черная антибликовая защита и диффузное светорассеивание на два порядка снижают суммарную световую эффективность, что существенно завышает потребление электроэнергии до 250 Вт/кв.м. При механическом повреждении части экрана или электрическом пробое пиксельных элементов ЖК-панель не пригодна для ремонта. Жесткая конструкция ЖК-индикаторов не позволяет производить механическую трансформацию формы, площади и форматов, экрана, а также трансформацию световых потоков экранного изображения. Это связано с конструктивной жесткостью дисплея, свертываемого только в одном направлении вокруг оси свертывания в трубку с непропорциональной трансформацией видимого экранного изображения.
Другим аналогом изобретения выбрана LED-панель прямого излучения (из триад светодиодов RGB-цветов, расположенных в растровом порядке на экране). Светодиоды электрически связаны дискретными проводниками матрицы шин в строки и столбцы растра с контроллером (для формирования управляющих сигналов регулирования яркости светодиодов). LED-панель для помещений или улиц содержит черный матовый антибликовый экран. Линзы светодиодов (установленных на панели) формируют диаграмму остронаправленного светорассеивания пучков света от этих светодиодов (в пределах вертикального угла до 45° и горизонтального угла 90°).
Преимущества LED-панелей
Панели воспроизводят изображения с высокой яркостью (ночью до 1000 кд/кв.м, днем 5-10 тыс.кд/кв.м) с высоким контрастом только ночью (более 1000 единиц), и существенно меньшим контрастом при дневной засветке экрана солнцем. LED-панели для помещений имеют небольшую толщину (0,05÷0,10 м). Каждый светодиод потребляет электроэнергию пропорционально яркости формируемого им пикселя экранного изображения. Широкие углы обзора до 170°. Узкие углы обзора для остронаправленного светорассеивания экрана в пределах 45° по вертикали и 90° по горизонтали и более. Длительный срок службы (40000 часов). При механическом повреждении LED-панели могут быть отремонтированы, а отдельные нерабочие дискретные светодиоды или модули светодиодов и другие элементы заменены годными.
Недостатками LED-панелей являются высокая стоимость дискретных - светоизлучающих диодов (СИД). Линзы светодиодов уличных панелей оставляют прозрачными без антибликового покрытия, поэтому днем эти линзы на солнце сильно бликуют, что заметно снижает контраст экранного изображения. Это существенно снижает контраст и цветопередачу экранного изображения при засветке солнцем (из-за солнечных бликов на линзах светодиодов). Поэтому днем требуется на порядок более высокое, чем ночью электропотребление LED-панелей до 1500 Вт/кв.м (из-за необходимости повышения на порядок яркости светодиодов до 10000 кд/кв.м). Энергопотребление LED-панелей пока высокое и даже больше, чем у плазменных панелей.
В качестве прототипа, наиболее близкого по технической сущности и достигаемому результату, выбран индикатор на основе матрицы из органических светоизлучающих диодов (ОСИД, OLED). Простота конструкции и технологичность заключаются в том, что OLED-дисплеи выполнены с матрицей пиксельных светодиодов из тонких пленок органических веществ. На поверхность этих светодиодов нанесена матрица из управляющих электродов столбцов и строк. Светодиоды начинают светиться под воздействием электрического тока. На фронтальную сторону светодиодов нанесено черное полупрозрачное антибликовое покрытие. Светодиоды диффузно рассеивают свой свет для формирования широких углов наблюдения (до 170°). Современные разработки OLED материалов позволяют изготовить высокоэкономичный дисплей с большой яркостью свечения до 1000 кд/кв.м. Фирмы производят OLED-телевизоры с активно-матричной подложкой на основе TFT транзисторов с яркостью 300 кд/кв.м. и диагональю экранов до 42 дюймов. Изготавливаются светодиодные дисплеи смартфонов и планшетов и гибкие OLED дисплеи, на основе которых планируют изготавливать гибкие и сворачиваемые в трубку экраны, а также видео маскировочную одежду и покрытия для машин и танков, чтобы сделать их невидимыми. Матричные экраны ЖК-дисплея не пригодны для ремонта.
Преимуществом OLED-дисплеев являются: высокое качество экранных изображений (диапазон цветовых полутонов RGB основных цветов шире на 50% чем у ЖК-дисплеев) и превышает даже качество кинескопных дисплеев; высокий контраст изображения; широкий угол обзора до 170°; отсутствие инерционности; малое энергопотребление при низком напряжении (2-10 В). В перспективе прогнозируются параметры OLED-дисплеев: яркость до 1000 кд/кв.м, световая эффективность до 50 лм/Вт, срок эксплуатации до 10000 часов. OLED-дисплеи (в сравнении с LED-дисплеями) более технологичны, меньше потребляют электроэнергии, имеют меньшую стоимость и при массовом производстве должны стоить очень дешево.
Недостатком OLED-дисплеев является то, что конструкции светодиодных дисплеев аналогов обеспечивают только изгиб их экранов, но исключают возможность механической трансформации формы, площади и формата экранного изображения и трансформации световых потоков, OLED-матрицы. Матричные экраны OLED-дисплея не пригодны для ремонта.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание матричных индикаторов с трансформируемыми по площади и геометрической форме экранами с минимальными толщиной и массой, с максимальным энергосбережением и ремонтопригодных экранов при их механическом локальном повреждении.
Целью и единым техническим результатом изобретения является создание экранов матричных индикаторов из эластичных материалов для обеспечения возможности многократной быстрой трансформации форматов, площади, геометрической формы экрана с возможностью полной свертки матричного индикатора в минимальную площадь или объем в нерабочем положении.
Дополнительной целью согласно п. 2 формулы изобретения является возможностью формирования трансформируемого сенсорного экрана для сенсорного управления экранным изображением аналогично сенсорному управлению изображений на аналогах - светодиодных сенсорных экранов.
Дополнительной целью согласно п. 3 формулы изобретения является обеспечение трансформации вертикальных и горизонтальных углов диаграммы светорассеивания этих экранов при полном разрешении наблюдаемого на этих экранах полноэкранного изображения совместно с указанной трансформацией форматов, площади, геометрической формы этих экранов для выбора зрителями режима наблюдения общего экранного изображения или наблюдения разных полноэкранных изображений из разных секторов наблюдения или для наблюдения полноэкранного изображения одним зрителем из узкого сектора наблюдения.
Дополнительной целью согласно п. 4 формулы изобретения является повышение антибликовой защиты экрана для возможности комфортного наблюдения с высоким контрастом и высокой четкостью при яркой внешней засветке экрана солнцем или лампами.
Дополнительной целью согласно п. 5 формулы изобретения является одновременное обеспечение максимального контраста наблюдаемого экранного изображения с фронтальной и тыльной сторон и четкой видимости зрителем фона за экраном через прозрачные ячейки экрана.
Согласно п. 1 формулы изобретения матричный индикатор содержит экран с опорным устройством для формирования и фиксации геометрической формы и пространственной ориентации этого экрана. На экране закреплены матрица дискретных электронно-оптических светоизлучателей, формирующих пиксельные элементы наблюдаемого экранного изображения, электронные транзисторные ключи для электронного управления яркостью этих светоизлучателей, матрица шин из проводников для электрической коммутации этих светоизлучателей с электронными ключами и коммутации этих светоизлучателей и электронных ключей с источником электропитания и контроллером. Контроллер электрически подключен к источнику электропитания, к источнику видеосигнала и матрице шин и предназначен для формирования синхросигналов и сигналов управления яркостью светоизлучателей, подаваемых на эти электронные ключи. Светоизлучатели расположены на экране в растровом порядке для формирования растрового экранного изображения с заданной геометрической формой, площадью и форматом экранного изображения. В качестве светоизлучателей используются, например, цветные светоизлучающие полупроводниковые диоды или цветные органические светоизлучающие диоды основных цветов.
Существенными общими признаками с идентичными функциями, отличающими заявленный матричный индикатор от прототипа, являются следующие признаки. На экране в каждой ячейке указанной матрицы светоизлучателей эти светоизлучатели с электронным ключом и проводниками матрицы шин закреплены подвижно относительно соседних светоизлучателей с электронными ключами и проводниками матрицы шин. Для этого светоизлучатели с электронными ключами и проводниками в каждой ячейке выполнены с установочными размерами, меньшими размеров этой ячейки. Проводники матрицы шин выполнены в форме гибких петелек. В первом варианте экран матричного индикатора выполнен из эластичного, сминаемого или гибкого материала, выполненного на основе пленки, ткани или сетки. В другом варианте на опорном устройстве экрана индикатора закреплены вертикально и/или горизонтально эластичные нити для самостоятельного сжатия экрана и нерастяжимые гибкие или сминаемые нити для фиксации растяжки экрана предпочтительно на шаг растра. Во всех вариантах экран с опорным устройством выполнен с возможностью для зрителя механически трансформировать экран для трансформации геометрической формы и/или площади, и/или формата, наблюдаемого на этом экране экранного изображения, а также для сжатия или свертки экрана в нерабочем положении индикатора. Для этого опорное устройство экрана выполнено в виде ряда альтернативных вариантов конструкций:
1) на опорном устройстве экрана выполнены фиксаторы в виде игл, крючков, липучек и других элементов поддержки экрана для многократной фиксации геометрической формы, и/или площади, и/или формата сетчатого или матерчатого экрана в рабочем положении путем сцепления экрана с этими фиксаторами, с возможностью многократного снятия экрана с фиксаторов в нерабочем положении;
2) опорное устройство экрана выполнено в виде надувной полноэкранной или контурной опорной подушки для многократной фиксации надутой подушкой экрана индикатора по всей поверхности или по контуру;
3) опорное устройство экрана выполнено в виде аэростатических подушек или шаров для аэростатической растяжки и фиксации экрана индикатора и вертикальной аэростатической растяжки, удержания и подъема экрана в воздухе;
4) на опорном устройстве экрана и на самом экране индикатора сформированы магнитные фиксаторы для закрепления экрана по всей площади или по контуру;
5) опорное устройство экрана выполнено в виде горизонтального карниза с фиксаторами для вертикальной растяжки экрана, например гравитационной вытяжки экрана собственной массой, или грузиками с возможностью горизонтальной развертки экрана в рабочее положение и свертки экрана в нерабочем положении смещением фиксаторов по карнизу по типу «шторы»;
6) опорное устройство экрана выполнено в виде горизонтальной телескопически выдвигающейся трубы для растяжения экрана индикатора в рабочем положении и стяжки экрана в нерабочем положении;
7) опорное устройство экрана выполнено в виде вертикальной или горизонтальной катушек для размотки экрана с этой катушки в рабочее положение и свертки экрана намоткой на эту катушку в нерабочем положении;
8) опорное устройство экрана выполнено в виде плоских, контурных или спиральных пружин, вмонтированных в контур экрана для разворачивания экрана в рабочее положение и свертки экрана этими пружинами в нерабочем положении.
Согласно п. 2 формулы изобретения матричный индикатор дополнительно отличается тем, что на его экране наложена и закреплена или технологически сформирована совместно с матрицей светоизлучателей эластичная матрица сенсорных датчиков. Эта сенсорная матрица выполнена с матрицей шин из проводников для электрической коммутации этих сенсорных датчиков с источником электропитания и контроллером для считывания электрических сигналов от этих сенсорных датчиков и передачи этих сигналов на компьютер или периферийную электронную аппаратуру, подключенную к этому индикатору для автоматического интерактивного управления процессом отображения информации на этом экране.
Согласно п. 3 формулы изобретения матричный индикатор дополнительно отличается тем, что в первом варианте на экране индикатора установлена одна матрица светоизлучателей для формирования одного полноэкранного цветного изображения. В каждой ячейке этой матрицы установлен цветной светоизлучатель из RGB-светодиода для излучения основных цветов: R-красного цвета, G-зеленого цвета и В-синего цвета, формирующих RGB-пиксель полноцветного экранного изображения. Каждый RGB-светодиод выполнен с одним общим фокон-линзовым конденсором света, оптически сопряженным с этими RGB-источниками света для захвата широким входным окном фокона световых лучей RGB-пикселя с последующим сведением и сужением этих лучей боковыми зеркальными гранями фокона в узком выходном окне этого фокона. А это выходное окно фокона оптически сопряжено с фокальной плоскостью положительной линзы этого конденсора для фокусировки и ориентации этих пучков света этой линзой в расчетный сектор наблюдения полноэкранного цветного изображения (формируемого всеми светорассеивателями этой матрицы).
В другом варианте экран индикатора выполнен из нескольких автономных матриц светоизлучателей, совмещенных в общей площади экрана. Каждая матрица предназначена для формирования одного полноэкранного цветного изображения. В каждой одной ячейке экрана установлены по одному цветному RGB-светодиоду от каждой автономной матрицы, формирующих RGB-светодиодами цветной пиксель экранного изображения, формируемого отдельной автономной матрицей. В этой ячейке все указанные светодиоды от разных матриц выполнены с общим фокон-линзовым конденсором света, оптически сопряженным с этими источниками света с учетом возможности раздельной фокусировки и ориентации этой линзой светового пучка отдельного RGB-светодиода в этой ячейке в соответствующий сектор наблюдения полноэкранного изображения, формируемого всеми светодиодами этой автономной матрицы. Этим обеспечивается возможность выбора зрителем разных вариантов наблюдения экранных изображений для наблюдения одного полноэкранного изображения в любом узком секторе, формируемого одной автономной матрицей светоизлучателей. Для коллективного наблюдения одного полноэкранного изображения в широком секторе наблюдения, сформированном несколькими узкими секторами наблюдения одинаковых полноэкранных экранных изображений, формируемых несколькими автономными матрицами или для одновременного наблюдения разными зрителями в разных секторах различных полноэкранных изображений, формируемых разными автономными матрицами светоизлучателей.
Согласно п. 4 формулы изобретения матричный индикатор дополнительно отличается тем, что все поверхности видимых зрителем на экране элементов: светоизлучателей, электрических шин, оптических конденсоров света, сенсорных датчиков, сплошного материала или нитей сетчатого экрана со стороны, видимой зрителем, окрашены в черный цвет. Оптические конденсоры выполнены с антибликовым покрытием или закрыты антибликовой дырочной маской. При этом для обоих таких вариантов антибликовой защиты в площади антибликовой защиты в точке фокусировки этим конденсором пучков света светоизлучателей сформировано прозрачное выходное окно минимальной площади. Сетчатый матово-черный экран может быть расположен на черном антибликовом фоне или наложен на матово-черный материал или на внешнюю черную антибликовую поверхность.
Согласно п. 5 формулы изобретения матричный индикатор дополнительно отличается тем, что все поверхности видимых зрителем на экране элементов: светоизлучателей, электрических шин, оптических конденсоров света, сенсорных датчиков, сплошного материала или нитей сетчатого экрана со стороны, видимой зрителем, окрашены в черный цвет Оптические конденсоры вместо такой окраски могут быть закрыты матово-черной антибликовой маской. При этом для обоих вариантов антибликовой зашиты в площади антибликовой защиты в точке фокусировки этим конденсором пучков света светоизлучателей сформировано прозрачное выходное окно минимальной площади. Площади матричных ячеек экрана между светоизлучателями и проводниками выполнены прозрачными или просветными для возможности наблюдения сквозь эти ячейки фона за экраном.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 на виде А изображен матричный индикатор с сетчатым трансформируемым экраном (с трансформируемыми просветными ячейками матрицы светоизлучателей с матрицей сенсорных датчиков и матрицами шин). Экран показан сжатым с минимальной площадью экранного изображения или для транспортировки в нерабочем положении.
На фиг. 1 с видами В, С и D показаны сетчатые экраны матричного индикатора, развернутые в рабочем положении формирования различных площадей и форматов наблюдаемого экранного изображения.
На фиг. 2 с видом А1 изображена ячейка сетчатого экрана матричного индикатора, трансформированная (при сжатии экрана в минимальной площади) с просветным окном этой ячейки со светоизлучателями матрицы светоизлучателей этого экрана, сенсорными датчиками и изогнутыми и сжатыми электрическими шинами матриц шин.
На фиг. 2 с видом А2 изображена ячейка сетчатого экрана матричного индикатора, трансформированная (при максимальной растяжке площади экрана) для формирования максимальной площади наблюдаемого экранного изображения на экране.
На фиг. 3 и фиг. 3 с видом В показана конструкция одного пиксельного элемента матричного индикатора с одним моноцветным светодиодом, открытым для диффузно-рассеянного свечения в широкий сектор коллективного наблюдения экранного изображения зрителями с антибликовой защитой экрана.
На фиг. 4 (вид С) и фиг. 4 (разрез по D - D) показаны конструкция и оптическая схема одного пиксельного элемента матричного индикатора из цветного RGB-светодиода, закрытого двухлинзовым оптическим конденсором с антибликовой маской с прозрачным окном для формирования остронаправленного светоизлучения от этого светодиода, направленного в сектор наблюдения экранного изображения зрителями с матово-черной антибликовой защитой экрана.
На фиг. 5 и фиг. 5 (вид А) показаны конструкция и оптическая схема одного пиксельного элемента матричного индикатора из отдельных светодиодов R-красного цвета, G-зеленого цвета и B-синего цветов, открытых для диффузно-рассеянного свечения в широкий сектор коллективного наблюдения экранного изображения зрителями с антибликовой защитой экрана.
На фиг. 6 с разрезом В-В и фиг. 6 (с видом С-С) показаны конструкция и оптическая схема одного пиксельного элемента матричного индикатора из отдельных светодиодов, закрытых общим двухлинзовым оптическим конденсором с антибликовой защитой экрана и с антибликовой маской для оптического формирования остронаправленного излучения, направленного в сектор конфиденциального наблюдения зрителем экранного изображения.
На фиг. 7 показан вид со стороны зрителей конструкции одного комплексного пиксельного элемента матричного индикатора с тремя модулями RGB-светодиодов, закрытых общим двухлинзовым оптическим конденсором и антибликовой маской.
На фиг. 7 (разрез по А-А) показаны конструкция и оптическая схема этого пиксельного элемента в разрезе по А-А. Каждый модуль этого элемента содержит триаду светодиодов R-красного, G-зеленого и В-синего цвета, закрытых зеркальным полым фоконом. Все три модуля предназначены для оптического формирования раздельных трех остронаправленных определенных потоков излучения, формируемых каждой триадой светодиодов в каждом модуле, ориентированных раздельно в соответствующий сектор для одновременного наблюдения зрителями разных экранных изображений
На фиг. 7 (вид Е): показан вид Е с тыльной стороны экрана подложки этого пиксельного элемента, с закрепленными на этой подложке эластичными и фиксирующими сминаемыми нитями для фиксированной трансформации ячеек экрана.
Варианты осуществления изобретения
На фиг. 1 предлагаемый трансформируемый матричный индикатор 1, содержащий опорное устройство 2, на котором закреплен сеточный экран 3, выполненный в виде опорной черной антибликовой экранной сетки 4 из нитей 5 с просветными ячейками 6, в узлах которой закреплены светоизлучающие пиксельные элементы с черным антибликовым покрытием или маской. Экранная сетка натянута на опорном устройстве 2 в виде прямоугольной распорной рамки 7 для фиксации площади и формата растянутого экрана и угла наклона плоскости экрана к зрителю или к сектору коллективного наблюдения зрителям. На виде А экран 3 трансформирован в нерабочее состояние сжатием ячеек 6 экранной сетки 4 и опорной рамки или распорной контурной пружины экрана 7а. На видах В, С и D экран 5 трансформирован в рабочее состояние фиксированной растяжкой сетки экрана на экранной опоре 7 с учетом выбранных форматов или площади экранного изображения.
На фиг. 2 показана ячейка 8 сетки экрана с пиксельным элементом 9 или с сенсорным датчиком 9а, закрепленным в каждом узле этой ячейке. Каждый пиксельный элемент для формирования растра пикселей экранного изображения содержит светоизлучатель с несколькими светодиодами с электронными ключами и оптическим конденсором света, сформированных и собранных на общей подложке в виде микросборки. На пиксельных элементах и сетке экрана закреплена матрица шин 10 из проводников, электрически коммутирующих светоизлучатели с электронными ключами и сами электронные ключи с источником питания и контроллером.
На виде А1 (фиг. 2) показана матричная ячейка экрана 8 индикатора, сжатая (вместе с пиксельными элементами 9 или 9а проводниками) в минимальную площадь для нерабочего состояния. На фиг. 2 на видах В, С и D - матричная ячейка экрана 8а индикатора, растянутая на распорной рамке 7 в рабочее положение с фиксированным квадратным или прямоугольным форматом элемента растра экранного изображения. Пиксельные элементы индикатора закреплены в узлах сетки 4 экрана 2. Экранная сетка выполнена из вертикальных и горизонтальных эластичных нитей 11 (для самостоятельного сжатия экрана в нерабочем положении и вытяжки экрана в плоскую площадь или в другую геометрическую форму) и гибких нерастяжимых нитей 12 (для фиксации растянутых ячеек экрана шага растра пиксельных элементов до требуемого формата экранного изображения без геометрических искажений). Пиксельный элемент 9 выполнен в виде электронно-оптического микроблока 13а (обведенного по контуру штриховой линией). Микроблок выполнен гибридной интегральной технологией на диэлектрической подложке 14. На этой подложке закреплен светодиод 15R (G, В). Светодиод одноцветный 15R-красного цвета или 15G-зеленого цвета или 15В-синего цвета). На подложке установлен транзисторный ключ 16 и сформированы планарные проводники с контактными площадками 17, электрически соединяющими этот светодиод с транзисторным ключом. Этот открытый светодиод формирует пиксельный элемент экранного изображения монохроматическим диффузно-рассеиваемым световым пучком соответствующего цвета с широкой диаграммой направленности с углами светорассеивания βR (G, B) для наблюдения экранного изображения в максимально широких горизонтальных и вертикальных углах до 180°.
На фиг. 3 пиксельный элемент выполнен в виде электронно-оптического микроблока 13а (обведенного по контуру штриховой линией). Микроблок выполнен гибридной интегральной технологией на диэлектрической подложке 14. На этой подложке закреплены один светодиод 15R (G, B), одноцветный светодиод 15R-красного цвета или 15G-зеленого цвета, или 15В-синего цвета). На подложке установлен транзисторный ключ 16 и сформированы планарные проводники с контактными площадками 17, электрически соединяющие этот светодиод с транзисторным ключом. Микроблок закрыт колпачком 18 с черной антибликовой маской 19.
Над светодиодом в колпачке закреплен оптический конденсор света из двух линз 20 и 21. Линза 20 оптически сопряжена с источником света этого светодиода, расположенного в фокальной плоскости этой линзы для проекции пучка света светодиода во вторую линзу 21. Вторая линза 21 этого конденсора расположена перед первой линзой и оптически сопряжена с линзой 20 для фокусировки светового пучка светодиода в минимальную площадь прозрачного выходного окна 22, сформированного в центре маски 19. На колпачке 18 снаружи и на маске 19 вокруг прозрачного окна 22 нанесено черное антибликовое покрытие 23.
На фиг. 4 пиксельный элемент выполнен в виде электронно-оптического микроблока 13с (обведенного по контуру штриховой линией). Микроблок выполнен гибридной интегральной технологией на диэлектрической подложке 14. На этой подложке закреплены три светодиода 15R-красного, 15G-зеленого и 15B-синего цвета или один светодиод с тремя источниками 75R-красного, 15G-зеленого и 15B-синего цвета, три транзисторных электронных ключа 16 (по одному для управления яркостью каждого источника света светодиода) и контактные площадки 17 для электрической коммутации каждого светодиода со своим транзисторным ключом. Трехцветный (RGB) светодиод или все три светодиода формируют трехцветный (RGB) диффузно-рассеиваемый пучок света для широкой диаграммы направленности с углами светорассеивания βRGB до 180° для наблюдения экранного изображения в углах до 180°. Над светодиодом в колпачке закреплен оптический конденсор света из двух линз 20 и 21. Линза 20 оптически сопряжена с источником света этого светодиода, расположенного в фокальной плоскости этой линзы для проекции пучка света светодиода во вторую линзу 21. Вторая линза 21 этого конденсора расположена перед первой линзой и оптически сопряжена с линзой 20 для фокусировки светового пучка светодиода в минимальную площадь прозрачного выходного окна 22, сформированного в центре маски 19. На колпачке 18 снаружи и на маске 19 вокруг прозрачного окна 22 нанесено черное антибликовое покрытие 23.
На фиг. 5 пиксельный элемент 13d выполнен в виде электронно-оптического микроблока 13с (обведенного по контуру штриховой линией). Микроблок выполнен гибридной интегральной технологией на диэлектрической подложке 14. На этой подложке закреплены три светодиода 15R-красного, 15G-зеленого и 15В-синего цвета или один светодиод с тремя источниками 15R-красного, 15G-зеленого и 15B-синего цвета, три транзисторных электронных ключа 16R, 16G и 16В (для управления яркостью каждого источника света в светодиоде) и контактные площадки 17 для электрической коммутации каждого светодиода со своим транзисторным ключом. Микроблок закрыт колпачком 18 с черной антибликовой маской 19. Над светодиодом в колпачке закреплен оптический конденсор света из двух линз 20 и 21. Линза 20 оптически сопряжена с источником света этого светодиода, расположенного в фокальной плоскости этой линзы для проекции пучка света светодиода во вторую линзу 21. Вторая линза 21 этого конденсора расположена перед первой линзой и оптически сопряжена с линзой 20 для фокусировки светового пучка светодиода в минимальную площадь прозрачного выходного окна 22, сформированного в центре маски 19. На колпачке 18 снаружи и на маске 19 вокруг прозрачного окна 22 нанесено черное антибликовое покрытие 23.
На фиг. 6 пиксельный элемент 13е выполнен в виде электронно-оптического микроблока 13е (обведенного по контуру штриховой линией). Микроблок выполнен гибридной интегральной технологией на диэлектрической подложке 14. На тыльной стороне подложки 14 закреплены эластичные нити 11 и фиксирующие сминаемые нити 12 (для трансформации ячейки экрана путем раздвижки или сдвижки пиксельных элементов в узлах каждой ячейки). На этой подложке (со стороны, видимой зрителем) установлен колпачок 18 с антибликовой маской 19 с прозрачным окном 22. Микроблок закрыт колпачком 18 с черной антибликовой маской 19.
На фиг. 7 на видах разрезов А-А и В-В, С-С и D-D показано: на подложке 14 нанесено зеркальное покрытие 14а (для отражения света светодиодов сквозь прозрачные светодиоды в фоконы), проводники и контактные площадки 17, закреплены девять светодиодов и девять транзисторных ключей (на чертеже не показаны) по одному для управления каждым из девяти светодиодов. Светодиоды расположены на подложке 14 в трех площадках расположения пиксельных элементов из трех разноцветных светодиодов 15RGB-1 в одной площадке, 15RGB-2 в соседней площадке и 15RGB-1 в другой площадке. В каждой такой площадке сформированы три диэлектрически разделенных прозрачных слоя, в каждом слое расположен одноцветный светодиод 15R-красного, или 15G-зеленого, или 15B-синего цвета для формирования в этой площадке RGB полноцветного пикселя с тремя транзисторными электронными ключами 16R, 16G и 16В (для управления яркостью каждого источника света в этих светодиодах) и контактные площадки 17 для электрической коммутации каждого светодиода со своим транзисторным ключом. Каждая площадка с тремя светодиодами трех цветов формирует пиксельный полноцветный элемент определенной автономной матрицы, формирующей одно экранное изображение. Для этого над светодиодами закреплен оптический концентратор света этих светодиодов из трех зеркальных пирамидальных фоконов 25-1, 25-2 и 25-3. Над выходными просветными окнами трех фоконов 26-1 26-2 и 26-3 закреплен общий оптический конденсор света из двух линз 20 и 21. Линза 20 оптически сопряжена с выходными окнами каждого фокона, а линза 21 оптически сопряжена с линзой 20 с выходным окном 22 в антибликовой маске 19 с возможностью фокусировки светового пучка всех светодиодов в минимальную площадь прозрачного этого выходного окна и раздельной ориентации каждого светового пучка из определенного выходного окна фокона в соответствующий сектор наблюдения экранного изображения зрителями. На колпачке 18 снаружи и на маске 19 вокруг прозрачного окна 22 нанесено черное антибликовое покрытие 23. Во всех вариантах антибликовое покрытие 23 нанесено на все видимые зрителями на экране поверхности пиксельного элемента, на поверхности конденсора, проводников и сетки экрана. В другом варианте на фокальной плоскости линзы 21 (вне площади прозрачного входного окна 22) закреплена черная антибликовая маска 19.
Матричный индикатор работает следующим образом.
На фиг. 1 сетчатый матричный индикатор 2 с трансформируемым экраном 3 в виде сетки 4 с просветными ячейками 8 в нерабочем состоянии с помощью эластичных нитей в сетке экрана самостоятельно сжимается в минимальную площадь (многократно меньшую площади экрана индикатора в рабочем состоянии). Дополнительно для компактной упаковки экран индикатора сворачивают в несколько слоев для минимального объема упаковки для хранения, переноски и транспортировки. Для рабочего состояния матричного индикатора сеточный гибкий экран 3 разворачивается и растягивается с полной вытяжкой в каждой ячейке сетки экрана вертикальных и горизонтальных фиксирующих и нерастяжимых нитей сетки экрана для формирования точного формата ячеек растрового экранного изображения. Для трансформации экрана для формирования требуемого формата кадра распорную рамку 7 трансформируют на ширину и высоту этого формата и на этой рамке растягивают сетку экрана на размер выбранного формата кадра экранного изображения. При необходимости наблюдения фона за экраном просветные ячейки сетки экрана оставляют открытыми. Для антибликовой полной защиты от внешней засветки экрана и просвечивания ячеек экран с задней стороны закрывают черным бархатом или располагают на темном фоне или на матово-черной поверхности. Подключают одну или несколько матриц светоизлучателей к источнику видеосигнала и просматривают экранное изображение. В этих конструкциях индикатора для индивидуально просмотра экранного изображения в узком секторе с минимальным электропотреблением включают только одну автономную матрицу светоизлучателей. Для коллективного просмотра одного экранного изображения в широком секторе включают несколько автономных матриц или одну матрицу светоизлучателей с широким сектором наблюдения. Для индивидуального просмотра одинаковых или разных экранных изображений в разных секторах на общем экране индикатора включают разные автономные матрицы. Для трансформации зрителем световых потоков используют переключатель автономных матриц экрана.
Для оптимального энергосбережения при коллективном наблюдении экранного изображения 5-ю зрителями в секторе с горизонтальным углом 90° и вертикальным углом 30° и с коэффициентом усиления экрана может составлять более 5 единиц. Снижение электропотребления предлагаемых LED-индикаторов по сравнению с LED или OLED - панелями (с диффузным светорассеиванием и антибликовым чернением) может достигать 15 крат и выше в зависимости от световой эффективности светодиодов (светоотдачи и прозрачности) и величины коэффициента усиления экрана. Для дополнительного энергосбережения в таких матричных индикаторах обеспечивается трансформация световых потоков путем выбора углов светорассеивания для формирования узких секторов наблюдения экранных изображений зрителями, формируемых разными автономными матрицами светоизлучателей, с возможностью наблюдения зрителями одинаковых и различных экранных изображений в таких секторах. Масса предлагаемых экранов LED-индикаторов, выполняемых из тонких и легких сетчатых материалов, может быть на два и более порядка меньше массы аналогов и прототипов с одинаковыми размерами экрана. В нерабочем положении предлагаемые индикаторы могут быть свернуты в минимальную площадь и минимальный объем для хранения, переноски и транспортировки.
Промышленная применимость
Предлагаемые варианты конструкций матричных индикаторов в настоящее время можно серийно производить промышленным способом на стандартном оборудовании по стандартным и предлагаемым интегральным и гибридным технологиям формирования дискретных пиксельных элементов на гибких эластичных или сетчатых экранах.
1. Матричный индикатор, содержащий экран с опорным устройством для формирования и фиксации геометрической формы и пространственной ориентации этого экрана, на экране закреплены: матрица дискретных электронно-оптических светоизлучателей, формирующих пиксельные элементы наблюдаемого экранного изображения, электронные транзисторные ключи для электронного управления яркостью этих светоизлучателей, матрица шин из проводников для электрической коммутации этих светоизлучателей с электронными ключами и коммутации этих светоизлучателей и электронных ключей с источником электропитания и контроллером, формирующим сигналы управления яркостью светоизлучателей, подаваемые на эти электронные ключи; светоизлучатели расположены на экране в растровом порядке для формирования растрового экранного изображения с заданной геометрической формой, площадью и форматом экранного изображения; в качестве светоизлучателей используются, например, цветные светоизлучающие полупроводниковые диоды или цветные органические светоизлучающие диоды основных цветов, отличающийся тем, что: на экране в каждой ячейке матрицы светоизлучателей эти светоизлучатели с электронным ключом и проводниками матрицы шин закреплены подвижно относительно соседних светоизлучателей с электронными ключами и проводниками матрицы шин, для чего светоизлучатели с электронными ключами и проводниками в каждой ячейке выполнены с установочными размерами, меньшими размеров этой ячейки, а проводники матрицы шин выполнены в форме гибких петелек; в первом варианте экран индикатора выполнен из эластичного, сминаемого или гибкого материала, например из пленки, ткани, сетки; в другом варианте на экране индикатора закреплены вертикально и/или горизонтально эластичные нити для самостоятельного сжатия экрана и нерастяжимые гибкие или сминаемые нити для фиксации растяжки экрана, например, на шаг растра; во всех вариантах экран с опорным устройством выполнен с возможностью механической трансформации этого экрана зрителем геометрической формы и/или площади и/или формата экранного изображения, а также для сжатия или свертки экрана в нерабочем положении индикатора, для чего опорное устройство экрана выполнено в виде ряда альтернативных вариантов конструкций, например:
- на опорном устройстве экрана выполнены фиксаторы в виде: игл, крючков, липучек и др. элементов поддержки экрана для многократной фиксации геометрической формы, и/или площади и/или формата сетчатого или матерчатого экрана в рабочем положении, путем сцепления экрана с этими фиксаторами, с возможностью многократного снятия экрана с фиксаторов в нерабочем положении;
- опорное устройство экрана выполнено в виде надувной полноэкранной или контурной опорной подушки для многократной фиксации надутой подушкой экрана индикатора по всей поверхности или по контуру;
- опорное устройство экрана выполнено в виде аэростатических подушек или шаров для аэростатической растяжки и фиксации экрана индикатора и вертикальной аэростатической растяжки, удержания и подъема экрана в воздухе;
- на опорном устройстве экрана и на самом экране индикатора сформированы магнитные фиксаторы для закрепления экрана по всей площади или по контуру;
- опорное устройство экрана выполнено в виде горизонтального карниза с фиксаторами для вертикальной растяжки экрана, например, гравитационной вытяжки экрана собственной массой, или грузиками с возможностью горизонтальной развертки экрана в рабочее положение и свертки экрана в нерабочем положении смещением фиксаторов по карнизу по типу «шторы»;
- опорное устройство экрана выполнено в виде горизонтальной телескопически выдвигающейся трубы для растяжения экрана индикатора в рабочем положении и стяжки экрана в нерабочем положении;
- опорное устройство экрана выполнено в виде вертикальной или горизонтальной катушек для размотки экрана с этой катушки в рабочее положение и свертки экрана намоткой на эту катушку в нерабочем положении;
- опорное устройство экрана выполнено в виде плоских, контурных или спиральные пружин, вмонтированных в контур экрана для разворачивания экрана в рабочее положение и свертки экрана этих пружинами в нерабочем положении.
2. Матричный индикатор по п. 1, отличающийся тем, что на его экране наложена и закреплена или технологически сформирована совместно с матрицей светоизлучателей эластичная матрица сенсорных датчиков с матрицей шин из проводников для электрической коммутации этих сенсорных датчиков с источником электропитания и контроллером для считывания электрических сигналов от этих сенсорных датчиков и передачи этих сигналов на компьютер или периферийную электронную аппаратуру, подключенную к этому индикатору для автоматического интерактивного управления процессом отображением информации на этом экране.
3. Матричный индикатор по п. 1, отличающийся тем, что в первом варианте на экране индикатора установлена одна матрица светоизлучателей для формирования одного полноэкранного цветного изображения, для чего в каждой ячейке этой матрицы установлен цветной светоизлучатель из RGB-светодиода для излучения основных цветов: R-красного цвета, G-зеленого цвета и В-синего цвета, формирующих RGB-пиксель полноцветного экранного изображения, каждый RGB-светодиода выполнен с одним общим фокон-линзовым конденсором света, оптически сопряженным с этими RGB-источниками света для захвата широким входным окном фокона световых лучей RGB-пикселя с последующим сведением и сужением этих лучей боковыми зеркальными гранями фокона в узком выходном окне этого фокона, выходное окно фокона оптически сопряжено с фокальной плоскостью положительной линзы этого конденсора для фокусировки и ориентации этих пучков света этой линзой в расчетный сектор наблюдения полноэкранного цветного изображения (формируемого всеми светорассеивателями этой матрицы); в другом варианте экран индикатора выполнен из нескольких автономных матриц светоизлучателей, совмещенных в общей площади экрана, каждая матрица предназначена для формирования одного полноэкранного цветного изображения; для чего в каждой одной ячейке экрана установлены по одному цветному RGB-светодиоду от каждой автономной матрицы, формирующих RGB-светодиодами цветной пиксель экранного изображения, формируемого отдельной автономной матрицей, при этом в этой ячейке все указанные светодиоды от разных матриц выполнены с общим фокон-линзовым конденсором света, оптически сопряженным с этими источниками света с учетом возможности раздельной фокусировки и ориентации этой линзой светового пучка отдельного RGB-светодиода в этой ячейке в соответствующий сектор наблюдения полноэкранного изображения, формируемого всеми светодиодами этой автономной матрицы для возможностью выбора зрителем разных вариантов наблюдения экранных изображений: для наблюдения одного полноэкранного изображения в любом узком секторе, формируемого одной автономной матрицей светоизлучателей; для коллективного наблюдения одного полноэкранного изображения в широком секторе наблюдения, сформированном несколькими узкими секторами наблюдения одинаковых полноэкранных экранных изображений, формируемых несколькими автономными матрицами; для одновременного наблюдения разными зрителями в разных секторах различных полноэкранных изображений, формируемых разными автономными матрицами светоизлучателей.
4. Матричный индикатор по п. 1, отличающийся тем, что все поверхности видимых зрителем на экране элементов: светоизлучателей, электрических шин, оптических конденсоров света, сенсорных датчиков, сплошного материала или нитей сеточного экрана со стороны, видимой зрителем, окрашены в черный цвет, а оптические конденсоры выполнены с антибликовым покрытием или закрыты антибликовой дырочной маской, при этом для обоих вариантов антибликовой защиты в площади антибликовой защиты в точке фокусировки этим конденсором пучков света светоизлучателей сформировано прозрачное выходное окно минимальной площади, а сеточный матово-черный экран может быть расположен на черном фоне или наложен на матово-черный материал, или на внешнюю черную антибликовую поверхность.
5. Матричный индикатор по п. 1, отличающийся тем, что все поверхности видимых зрителем на экране элементов: светоизлучателей, электрических шин, оптических конденсоров света, сенсорных датчиков, сплошного материала или нитей сеточного экрана со стороны, видимой зрителем, окрашены в черный цвет, или оптические конденсоры вместо такой окраски могут быть закрыты матово-черной антибликовой маской, при этом для обоих вариантов антибликовой защиты в площади антибликовой защиты в точке фокусировки этим конденсором пучков света светоизлучателей сформировано прозрачное выходное окно минимальной площади, площади матричных ячеек экрана между светоизлучателями и проводниками выполнены прозрачными или просветными, а экран предназначен для его расположения на прозрачном материале или в воздухе с возможностью наблюдения сквозь эти ячейки фона за экраном.
