ГИБРИДНОЕ УСТРОЙСТВО ОТОБРАЖЕНИЯ
HYBRID DISPLAY DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройству отображения и к способу представления информации, содержащей визуальное изображение.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Средства представления или отображения визуальной информации являются хорошо известными и содержат неподвижные изображения (например, печатные), а также электронные устройства отображения, например жидкокристаллические экраны, для динамического отображения изображений. Физическая поверхность таких устройств отображения является неподвижной и обычно не связана с отображаемым изображением.
В заявке на патент США US 2009/002205 раскрыто устройство ввода с блоком отображения изображения и с расположенным поверх дисплея полимером, который может использоваться для модуляции высоты поверхности над дисплеем. Предусмотрено наличие твердого слоя, расположенного поверх дисплея, с полостями в твердом слое. Полости заполнены электроактивным полимерным материалом, на стенках полостей предусмотрены электроды, расположенные на противоположных сторонах полимерного материала. Электрические поля, приложенные между электродами, могут быть использованы для расширения полимерного материала, чтобы поверхность поднялась выше уровня твердого слоя. Таким образом, могут быть  сымитированы, например, возвышающиеся клавиши на клавиатуре для ввода данных. Предусмотрено наличие слоя, чувствительного к усилию, который расположен между твердым слоем и блоком отображения изображения, который также продолжается под полостями. Слой, чувствительный к усилию, может использоваться для обнаружения сил, приложенных к клавишам.
В заявке на патент США US 2003/098845 раскрыт блок отображения изображения, состоящий из двух частей, который содержит большой экран отображения и меньшее устройство, которое может быть перемещено по поверхности большого экрана отображения. Меньшее устройство обеспечивает усовершенствованные функции, такие как, например, локальное отображение изображения с более высоким разрешением, увеличение изображения и модуляция высоты. Реализация последней функции не описана.
В заявке на патент США US 2009002205 раскрыто устройство ввода данных с сенсорным механизмом клавиш и со слоем из твердого материала, предусмотренным над сенсорным механизмом клавиш, причем слой из твердого материала включает в себя полость, содержащую электроактивный полимер и два электрода, для создания клавиши, форма которой может быть изменена на основании приложенного напряжения так, чтобы поверхность материала в полости поднялась выше уровня слоя из твердого материала.
В заявке на патент США US 2003098845 раскрыта система отображения, устройство отображения большой площади и устройство небольшой площади, которое может быть перемещено по поверхности устройства отображения большой площади. Малое устройство может быть выполнено с возможностью показа увеличенной версии или версии с высоким разрешением нижележащей части изображения на устройстве отображения большой площади. В документе упомянута возможность того, что малое устройство также может использоваться для обеспечения тактильной обратной связи.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
С учетом этой ситуации, задачей настоящего изобретения является создание средства для более реалистичного представления визуальной информации.
Эта задача реализована посредством устройства отображения по пункту 1 формулы изобретения и способа по пункту 2 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно первому аспекту, изобретение относится к устройству отображения для представления информации, причем упомянутое устройство содержит следующие компоненты:
a) "блок отображения изображения", который имеет "поверхность визуального отображения", на которой может быть отображено визуальное изображение;
b) "блок отображения топологии", который расположен так, что прилегает к вышеупомянутой поверхности визуального отображения, и приспособлен для управляемого изменения топологии "тактильной поверхности отображения" блока отображения топологии. Как обычно, термин "топология" обозначает трехмерную структуру поверхности, где характеристический размер структуры обычно принимает значения в интервале от около 0,1 мкм до около 5 мм. Топология может ощущаться пальцами, например, как текстура, или она может быть настолько мелкой, что является видимой, но не может ощущаться при прикосновении.
Согласно второму аспекту, изобретение относится к способу представления информации посредством устройства отображения, где термин "информация" охватывает любую преднамеренно созданную структуру, включающую в себя символы и орнаменты. Способ содержит следующие этапы, на которых:
a) представляют часть информации оптическим способом в виде визуального изображения на поверхности визуального отображения блока отображения изображения;
b) представляют дополнительную часть информации осязательным способом в виде изменяемой топологии на тактильной поверхности отображения блока отображения топологии, причем эта тактильная поверхность отображения расположена так, что прилегает к поверхности визуального отображения.
Блок отображения изображения и/или блок отображения топологии могут являться жесткими устройствами или, предпочтительно, могут являться гибкими и конформными (например, сворачиваемыми в рулон, гнущимися и т.д.). Соответствующие поверхности визуального отображения и/или тактильные поверхности отображения могут являться плоскими (планарными) или неплоскими, то есть изогнутыми или поверхностями, которым произвольным способом придана нужная форма. В том случае, когда блок отображения изображения является гибким, блок отображения топологии предпочтительно также является гибким (конформным), будучи, соответственно, способным деформироваться в соответствии с деформациями поверхности визуального отображения, расположенной в непосредственной близости.
В простейшем случае блоком отображения изображения может являться просто неподвижное изображение, например печатное изображение. Однако, предпочтительно, блоком отображения изображения является устройство отображения, на котором по выбору могут быть отображены различные визуальные изображения. В частности, такое устройство отображения может содержать электронно-лучевую трубку (CRT), жидкокристаллический дисплей (LCD), дисплей на органических светоизлучающих диодах (OLED) и/или диэлектрофоретическое устройство. Такой блок отображения изображения может являться как жестким, так и гибким объектом.
Блок отображения топологии не только способен изменять топологию на тактильной поверхности отображения, но дополнительно приспособлен для предоставления сигналов от датчиков, которые указывают то, что к поверхности приложены внешние силы (или давление). В некоторых вариантах реализации блока отображения топологии такая сенсорная функция соответствует обратной функции отображения топологии и, следовательно, может быть реализована с небольшими дополнительными трудозатратами. Поскольку тактильная поверхность отображения обычно предусмотрена и предназначена для осязательного обследования пользователем, то часто происходит то, что к этой поверхности прикладывают силы. При помощи сигналов от датчиков эти силы могут быть обнаружены, и, например, в том случае, если эти силы становятся слишком большими, и устройство отображения может быть повреждено, может быть дан аварийный сигнал. Блок отображения топологии предпочтительно является, по меньшей мере, частично прозрачным, позволяя видеть изображение на поверхности визуального отображения. В дополнение к этому или в альтернативном варианте блок отображения топологии может иметь иные оптические свойства, например, являться отражающим, пропускающим (например, может представлять собой цветной слой, зеркальный или черный слой с отверстиями), поглощающим, цветным и т.д. Следует отметить, что все упомянутые оптические свойства могут относиться к произвольному диапазону электромагнитного спектра.
Гибридное устройство отображения и способ, которые описаны выше, имеют преимущество, заключающееся в том, что они объединяют представление оптической информации в визуальном изображении с представлением информации о форме, представленной топологией, где упомянутая топология наложена на изображение. Кроме того, топология может быть избирательно изменена и, следовательно, может быть адаптирована для динамического представления топологической информации. Следовательно, предложенное устройство отображения улучшает взаимодействие с пользователем за счет объединения изменений совместно как формы, так и цвета, для передачи большего объема информации и/или для более реалистичной передачи информации. Это усиливает впечатления и расширяет использование известных средств визуального отображения, и обеспечивает возможность новых применений, таких как, например, изменение внешнего вида поверхности, объединенное визуальное и осязательное воспроизведение. Топология усиливает реализм внешнего вида поверхности, поскольку это влияет на падающий, отраженный и проходящий свет более реалистично, чем чисто визуальное отображение. Например, блок отображения топологии может создавать ощущение воды, текущей по тактильной поверхности отображения, делая ее такой, что она кажется мокрой.
Ниже будет приведено описание различных дополнительных разработок изобретения, которые относятся как к устройству отображения, так и к способу описанного выше типа.
Устройство отображения предпочтительно содержит (первый) блок управления, приспособленный для управления топологией, отображаемой на тактильной поверхности отображения. Следовательно, посредством этого устройства могут быть представлены совершенно произвольные пространственные и/или временные картины топологии. Блок управления может быть реализован, например, при помощи специализированных электронных аппаратных средств и/или аппаратных средств цифровой обработки данных с соответствующим программным обеспечением.
Вышеупомянутый блок управления предпочтительно приспособлен для связывания топологии, отображаемой на тактильной поверхности отображения, с визуальным изображением, отображаемым на блоке отображения изображения (в иной момент времени или, предпочтительно, одновременно). В частности, блок управления может пространственно связывать топологию и изображение, то есть, регулировать топологию в точке тактильной поверхности отображения согласно соответствующему информационному содержимому изображения в этой точке. Следовательно, может быть обеспечен реалистичный осязаемый внешний вид изображений, на которых показаны различные материалы, такие как, например, древесина или металл.
В простейшем случае блоком отображения изображения может являться просто неподвижное изображение, например печатное изображение. Однако, предпочтительно, блоком отображения изображения является устройство отображения, на котором по выбору могут быть отображены разные визуальные изображения. В частности, такое устройство отображения может содержать электронно-лучевую трубку (CRT), жидкокристаллический дисплей (LCD), дисплей на органических светоизлучающих диодах (OLED) и/или диэлектрофоретическое устройство. Такой блок отображения изображения может являться как жестким, так и гибким объектом.
Блок отображения топологии может быть не только способным изменять топологию на тактильной поверхности отображения, но дополнительно может быть приспособлен для предоставления сигналов от датчиков, которые указывают то, что к поверхности приложены внешние силы (или давление). В некоторых вариантах реализации блока отображения топологии такая сенсорная функция соответствует обратной функции отображения топологии и, следовательно, может быть реализована с небольшими дополнительными трудозатратами. Поскольку тактильная поверхность отображения обычно предусмотрена и предназначена для осязательного обследования пользователем, то часто происходит то, что к этой поверхности прикладывают силы. При помощи сигналов от датчиков эти силы могут быть обнаружены, и, например, в том случае, если эти силы становятся слишком большими, и устройство отображения может быть повреждено, может быть дан аварийный сигнал.
Согласно дополнительной разработке вышеупомянутого варианта осуществления изобретения, устройство отображения содержит (второй) блок управления, приспособленный для оценки сигналов от датчиков, подаваемых из блока отображения топологии, о местоположении приложенных и обнаруженных внешних сил. В таком случае место приложения силы может быть поставлено в соответствие определенным значениям или кодам, что позволяет, например, реализовать функциональные возможности клавиатуры. Следует отметить, что второй блок управления может быть объединен с вышеупомянутым первым блоком управления.
В предпочтительном варианте реализации блок отображения топологии содержит, по меньшей мере, один "пакет активных слоев" со следующими компонентами:
a) Слой электроактивного полимера, ниже именуемого "EAP", предпочтительно из диэлектрического электроактивного полимера, который изменяет свою геометрическую форму во внешнем электрическом поле. Примеры электроактивных полимеров (EAPs) могут быть найдены в литературе (например, в следующих публикациях: Bar-Cohen, Y.: "Electroactive polymers as artificial muscles: reality, potential and challenges", SPIE Press, 2004; Koo, I.M., et al.: "Development of Soft-Actuator-Based Wearable Tactile Display", IEEE Transactions on Robotics, 2008, 24(3): p. 549-558; Prahlad, H., et al.: "Programmable surface deformation: thickness-mode electroactive polymer actuators and their applications", в "Dielectric Elastomers as Electromechanical Transducers; Fundamentals, materials, devices, models and applications of an emerging electroactive polymer technology", под редакцией F. Carpi, et al., Editors, 2008, Elsevier, p. 227-238; в публикации заявки на патент США US-2008 0289952 A; причем все эти документы включены в настоящую заявку на изобретение путем ссылки).
b) Матрица электродных элементов, которые расположены на первой стороне вышеупомянутого слоя EAP. Электродные элементы предпочтительно являются избирательно адресуемыми, то есть на каждый из них может быть подан отдельный электрический потенциал.
c) По меньшей мере, один противоэлектрод, расположенный на второй стороне слоя EAP, которая является противоположной первой стороне.
Приложение соответствующего напряжения между электродным элементом в матрице и противоэлектродом вызывает деформацию слоя EAP в месте между электродами, которая приводит к локальному изменению конфигурации трехмерной поверхности слоев. Таким образом, могут быть реализованы различные топологии тактильной поверхности отображения.
Вышеупомянутый вариант реализации блока отображения топологии может дополнительно содержать, по меньшей мере, один дополнительный электрод, именуемый ниже "управляющим электродом", на который может независимо подаваться его собственный потенциал, но это не является обязательным условием. В частности, управляющий электрод может быть расположен рядом с электродными элементами матрицы или с противоэлектродом (то есть в том же самом слое, что они), или может быть расположен в промежуточном пространстве между ними. При помощи управляющего электрода можно воздействовать на электрические поля внутри слоя EAP, что обеспечивает возможность более универсального управления результирующими деформациями слоя.
Слой EAP предпочтительно является (по меньшей мере, частично) прозрачным, то есть он пропускает более 10%, в предпочтительном варианте более 50%, а в наиболее предпочтительном варианте более 90% падающего на него видимого света. Следовательно, через слой EAP можно видеть изображение на поверхности визуального отображения.
В конкретном варианте осуществления устройства отображения блок отображения топологии содержит множество вышеупомянутых пакетов активных слоев, каждый из которых имеет слой EAP, расположенный между матрицей электродных элементов на первой стороне и, по меньшей мере, одним противоэлектродом на второй стороне. Соседние пакеты слоев предпочтительно совместно используют промежуточный электродный слой, то есть матрица электродов на первой стороне данного EAP одновременно образует противоэлектрод соседнего слоя EAP. Посредством описанной последовательности пакетов активных слоев может быть увеличена степень деформации и/или расширены типы топологических структур на тактильной поверхности отображения. Кроме того, разделение общей толщины материала EAP на множество слоев EAP имеет преимущество, заключающееся в том, что напряжение, необходимое для управления каждым слоем, является, соответственно, более низким. Это снижает требования к электронным схемам возбуждения и, прежде всего, повышает безопасность использования устройства отображения.
В вышеупомянутом варианте осуществления изобретения с множеством пакетов активных слоев толщина слоев EAP в пакетах слоев предпочтительно увеличивается с увеличением расстояния этих слоев от тактильной поверхности отображения. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что напряжения, необходимые для управления слоями EAP, являются более низкими ближе к наружной поверхности, что, следовательно, повышает безопасность устройства отображения, поскольку в случае неисправности (электрического пробоя) пользователь, прикасающийся к наружной поверхности, может подвергнуться воздействию более низкого (безопасного) напряжения.
Показатели преломления прозрачных компонентов блока отображения топологии предпочтительно являются сходными друг с другом; то есть они отличаются обычно менее чем на 25%, предпочтительно менее чем на 10%, а еще более предпочтительно менее чем на 5%. Такое согласование показателей преломления гарантирует, что оптические искажения, которые могут быть вызваны различными прозрачными компонентами, сведены к минимуму или имеют четко определенный уровень, и что блок отображения топологии, следовательно, не ухудшает вид находящегося позади него изображения, имея естественный внешний вид.
В пакете активных слоев вышеупомянутого устройства отображения электродные элементы матрицы, и/или множество противоэлектродов и/или множество управляющих электродов (при их наличии) могут, в частности, покрывать менее 100%, предпочтительно менее 20%, а наиболее предпочтительно менее 5% имеющейся общей площади в соответствующем им слое. Вышеупомянутое согласование показателей преломления и использование надлежащих соотношений между площадью электродов и площадью поверхности образуют важные аспекты более естественного внешнего вида (соответствие оптики и осязательной чувствительности).
Электродные элементы блока отображения топологии со слоем EAP и/или с множеством его противоэлектродов и/или с множеством его управляющих электродов (при их наличии) могут быть расположены в виде регулярной или нерегулярной матрицы (структуры). Размещение, по меньшей мере, одного из них в виде нерегулярной структуры помогает предотвратить появление оптических артефактов, например муара.
Согласно другому варианту блока отображения топологии со слоем EAP, имеется дополнительный пассивный слой, который не создает свои собственные конформационные изменения, но только лишь изменяется в соответствии с изменениями других слоев. Следовательно, пассивный слой может использоваться для преобразования конформационных изменений активных слоев, например, для их усиления.
В еще одном варианте осуществления изобретения блок отображения топологии содержит, по меньшей мере, один (электрически) изолирующий слой, который обеспечивает тактильную поверхность отображения. В частности, изолирующий слой может включать в себя вышеупомянутый пассивный слой или может быть идентичным ему. Изолирующий слой защищает пользователя, который прикасается к наружной поверхности блока отображения топологии, от электрических напряжений в блоке отображения топологии.
Устройство отображения может дополнительно содержать электропроводящий слой, который расположен между блоком отображения изображения и блоком отображения топологии и/или между тактильной поверхностью отображения и любым другим электропроводящим компонентом блока отображения топологии, но это не является обязательным условием. Кроме того, на этот проводящий слой может быть подан заданный электрический потенциал. Электропроводящий слой предпочтительно является прозрачным или охватывает лишь очень малую часть соответствующей площади поверхности; эта площадь должна быть меньшей чем 100%, предпочтительно, меньшей чем 20%, и, более предпочтительно, меньшей чем 5% общей имеющейся площади поверхности. Проводящий слой на поверхности отображения изображения может использоваться для предотвращения электрических помех между блоком отображения изображения и блоком отображения топологии в том случае, если оба из них приводят в действие (различными) управляющими напряжениями. Проводящий слой на тактильной поверхности отображения повышает безопасность, поскольку в случае неисправности у пользователя, прикасающегося к блоку отображения топологии, сначала возникает электрический контакт с этим самым ближним внешним слоем с его заданным электрическим потенциалом, который может быть выбран в безопасной области (например, равным потенциалу земли).
В еще одном варианте осуществления изобретения устройство отображения может содержать блок управления для управления блоком отображения топологии и/или блоком отображения изображения, где упомянутый блок управления приспособлен для обнаружения неисправного состояния и прерывания подачи электроэнергии в управляемый компонент в том случае, если было обнаружено неисправное состояние. Такое неисправное состояние может, например, включать в себя обнаружение токов утечки, поскольку они могут быть вызваны электрическим пробоем на тактильной поверхности отображения, когда к ней прикасается пользователь.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие объекты настоящего изобретения станут очевидными из описанного ниже варианта (описанных ниже вариантов) осуществления изобретения и будут разъяснены со ссылкой на него (на них). Эти варианты осуществления изобретения будут описаны посредством примеров при помощи сопроводительных чертежей, на которых изображено следующее:
Фиг. 1 схематично показывает разрез вдоль линии I-I Фиг. 2, проходящий через часть устройства отображения согласно настоящему изобретению;
Фиг. 2 схематично показывает вид сверху устройства отображения Фиг. 1;
Фиг. 3 схематично показывает использование регулярного расположения электродов в устройстве отображения;
Фиг. 4 схематично показывает использование нерегулярного расположения электродов в устройстве отображения;
Фиг. 5 схематично показывает различные расположения возбуждающих электродов и управляющих электродов;
Фиг. 6 схематично показывает разрез устройства отображения, которое содержит два слоя EAP;
Фиг. 7 схематично показывает разрез устройства отображения, которое содержит несколько слоев EAP переменной толщины.
Одинаковые номера позиций или номера, отличающиеся на число, кратное 100, относятся на чертежах к идентичным или к аналогичным компонентам.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Несколько технологий отображения, известных в данной области техники, способны изменять визуальный вид изделия (например, цвет или прозрачность) за счет использования подходов, основанных на излучении и/или отражении. Несмотря на то, что эти подходы предоставляют большие возможности для изменения зрительного восприятия поверхности, они тем не менее не могут обеспечивать соответствующее представление естественной топологии поверхности динамическими средствами, то есть обеспечивать как внешний вид, так и ощущение прожилок в древесине или в камне, на коже, крацованном алюминии и т.д. электронным способом.
С учетом этого, в настоящем изобретении предложено использование электронного возбуждения диэлектрического слоя эластомера для электроактивной генерации топологий поверхности. Когда такой слой является прозрачным, то он может быть объединен со способами активного или пассивного оптического отображения, посредством чего обеспечивают возможность одновременного манипулирования оптическими и тактильными свойствами поверхности в двух или более слоях, уложенных один на другой. В результате, впечатление, которое поверхность производит на пользователя, становится намного более убедительной, поскольку может быть сделано так, что наибольшая часть информации, воспринимаемой органами чувств, если не вся эта информация, соответствует ожиданиям (или в альтернативном варианте может быть сделано так, что она преднамеренно не соответствует им; например, для игр, основанных на зрительном/тактильном восприятии).
На Фиг. 1 на виде в разрезе (не в масштабе) показано "гибридное" устройство 100 отображения согласно вышеупомянутым принципам. На чертеже изображена только одна ячейка из множества, по существу, аналогичных ячеек всего устройства отображения. Устройство 100 отображения (его ячейка) содержит следующие компоненты:
- "Блок отображения изображения" (IDU) с "поверхностью визуального отображения" (VDS), на которой может быть представлено визуальное изображение. В простейшем случае блоком отображения изображения IDU для визуального отображения может являться неподвижное изображение, такое как, например, фотография или печатное изображение. Однако, предпочтительно, блоком отображения изображения IDU для визуального отображения является устройство, представляющее собой электронное устройство отображения с множеством пикселей (не показаны), индивидуальное управление которыми может осуществлять соответствующий блок управления (CU). Возможные технологии отображения (основанные как на излучении, так и на отражении), которые могут использоваться для этого устройства, включают в себя диэлектрофоретические устройства, OLED-дисплеи, жидкокристаллические дисплеи с задней (или с боковой) светодиодной подсветкой и т.п.
- "Блок отображения топологии" (TDU), который соединен с блоком управления (CU), и управление которым может осуществлять этот блок, для показа конформационных изменений на "тактильной поверхности отображения" (TDS).
Кроме того, блок отображения топологии (TDU) содержит
- (пассивный) слой PL1, служащий подложкой,
- слой L1 электроактивного полимера (EAP) (типичная толщина: 1-100 мкм), и
- пассивный усиливающий слой PL2 (типичная толщина: 0,1-5 мм).
Слой L1 EAP представляет собой активизирующий слой. Как правило, такие активизирующие слои способны деформироваться (механически растягиваться) более чем на 10%, предпочтительно, более чем на 20 %, еще более предпочтительно, более чем на 50%. Примером такого активизирующего слоя является слой полимерного электромеханического преобразователя (также известный как искусственный мускул). Электроактивные полимеры разработаны, например, фирмами SRI International (штат Калифорния, США) и PolyPower (г. Нордборг, Дания), где фирмой PolyPower предложена действительно рулонная обработка электроактивных полимеров (EAPs). Диэлектрические эластомеры представляют собой материалы, которые изменяют форму под воздействием электрического поля (электрострикция). Они представляют собой класс полимерных электромеханических преобразователей, которые являются особо подходящими для использования в относительно тонких (возможно конформных) слоях.
Между подложкой PL1 и слоем L1 EAP расположен противоэлектрод E1. Противоположно ему на противоположной стороне слоя L1 EAP расположен электродный элемент E2. По меньшей мере, один из электродов E1, E2 предпочтительно является растягиваемым и (по меньшей мере, частично) прозрачным. Примерами материалов для электродов являются, например, графитовый порошок или графитовая смазка, углеродные нанотрубки, графен (монослой графита), PEDOT (PEDOT-PSS, используемый в пластиковых солнечных батареях), полипиррол (проводящий полимер) или ITO (проводящий оксид металла). Следует отметить, что эти материалы являются лишь примерами возможных материалов, не ограничивающими объем настоящего изобретения.
Приложение напряжения между противоэлектродом E1 и электродным элементом E2 блоком управления (CU) вызывает конформационные изменения слоя L1 EAP. Слой L1 EAP может быть, в частности, сжат в пространстве между электродами E1 и E2, где его материал выдавливается в соседние граничащие области, которые, следовательно, становятся выпуклыми. Вследствие усредняющего влияния пассивного усиливающего слоя PL2, эти конформационные изменения слоя L1 EAP преобразуются в появление гладкой впадины D над электродным элементом E2 на тактильной поверхности отображения (TDS). Во всем устройстве 100 отображения большое количество таких малых локальных конформационных изменений (впадин D) вызывает то, что тактильная поверхность отображения (TDS) принимает форму определенной топологии.
На границе раздела между блоком отображения изображения (IDU) и блоком отображения топологии (TDU) должны быть предприняты меры для того, чтобы высокие напряжения (сильные электрические поля) при отображении топологии не оказывали воздействие на электрическое поле в течение отображения изображения. Это может быть достигнуто путем обеспечения наличия нижнего электрода E0 блока отображения топологии (TDU) и подачи на него того же самого напряжение, что и на верхние электроды блока отображения изображения. Таким образом, электрическое поле между ними равно нулю, и емкостная зарядка не происходит.
Фиг. 2 схематично показывает вид сверху всего устройства 100 отображения Фиг. 1, где разрез, который изображен на Фиг. 1, указан пунктирной линией I-I. Кроме того, на Фиг. 2 показаны только несколько электродных элементов E2 из матрицы электродов на верхней поверхности слоя L1 EAP.
Во избежание дифракции, преломления и отражения на границах раздела между различными слоями показатели преломления на всех границах раздела предпочтительно должны быть реализованы так, чтобы совпадали друг с другом в максимально возможной степени. Во избежание муара, предпочтительными являются схемы нерегулярного расположения электродных элементов E2.
opt
tac
Кроме того, на чертеже Фиг. 2 указан вариант реализации функционального компонента, которым является, например, кнопка управления или клавиша клавишной панели. Эта клавиша или кнопка оптически отображается на блоке отображения изображения (IDU) как круг K и дополнительно представлена в том же самом месте конкретной топологией K посредством блока отображения топологии (TDU).
В кратком изложении, отличительным признаком настоящего изобретения является обеспечение динамических, предпочтительно, гибких и конформных топологий поверхности с электронным управлением для статической или динамической поверхности, ощущаемой пальцами, или интерактивной фактуры, где электронная топология поверхности, по существу, соответствует ожидаемой топологии и/или текстуре поверхности, что приводит к тактильно-визуальному отображению.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения это реализовано путем сегментированной или матричной адресации слоя прозрачного, непрозрачного или полупрозрачного эластомера, размещенного между, по меньшей мере, одним из возбуждающих электродов, имеющих регулярное или нерегулярное (структурированное) расположение, который, возможно, но не обязательно, дополнен, по меньшей мере, одним противоположным, расположенным рядом или расположенным в промежутке между ними управляющим электродом, причем эти электроды и управляющий электрод являются либо прозрачными, либо полупрозрачными, либо непрозрачными, либо отражающими, поглощающими или цветными, либо непрозрачными, либо представляют собой любую их комбинацию, но расположены в виде многослойной структуры так, что сгенерированная топология поверхности и выбранная конфигурация электродов не искажают имеющуюся оптическую информацию, не исключая необязательное улучшение (направление, соответствие, совпадение изображения и структуры рельефа) оптических свойств и/или внешнего вида отображающей поверхности.
Что касается вышеупомянутых конструкций, то на Фиг. 3 на виде сверху на устройство отображения Фиг. 1 (или аналогичное устройство) показано расположение возбуждающих электродов E1, E2 в виде регулярной матрицы по отдельности (верхняя часть чертежа) и их комбинация в устройстве отображения (нижняя часть чертежа). Видно, что эта комбинация создает муар.
На Фиг. 4 на виде сверху на устройство отображения Фиг. 1 (или аналогичное устройство) показано расположение возбуждающих электродов E2 в виде нерегулярной матрицы и регулярное расположение возбуждающих электродов E1 по отдельности (верхняя часть чертежа.) и их комбинация в устройстве отображения (нижняя часть чертежа). В этом случае муар не может возникать.
Поскольку комбинация двух регулярных матриц обычно вызывает оптические искажения (муар), то предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, один из электродов в матрице имел нерегулярное расположение, чтобы при его объединении со второй (регулярной или нерегулярной) матрицей под углом 90° муар не мог наблюдаться. Также в этом случае не могут наблюдаться какие-либо искажения.
На чертеже Фиг. 5 на виде сбоку на устройство отображения, подобное устройству отображения Фиг. 1, проиллюстрированы различные схемы расположения электродов, а именно:
a) (регулярное или нерегулярное) расположение возбуждающих электродов E1, E2;
b)+f) расположение возбуждающих электродов E1, E2 с управляющими электродами (EC), расположенными рядом в верхнем слое;
c)+d) расположение возбуждающих электродов E1, E2 с расположенными в промежутке между ними управляющими электродами (EC);
e) расположение возбуждающих электродов E1, E2 с управляющими электродами (EC), расположенными рядом в нижнем слое.
Серийно выпускаемые электроактивные полимеры (EAPs) в настоящее время отличаются тем, что для их возбуждения необходимы сильные электрические поля. Соответственно, в блоке отображения топологии, содержащем такие электроактивные полимеры (EAPs), необходимы высокие возбуждающие напряжения (в пределах киловольт), что затрудняет их работу и создает опасность. Следовательно, должны быть предприняты надлежащие меры предосторожности, чтобы люди могли прикасаться к этим устройствам отображения и использовать их. В качестве одного из этапов, могут быть предприняты внешние меры по ограничению тока от источника высокого напряжения, а также накопленного энергетического потенциала. В дополнение к этому здесь предложены две основные внутренние меры:
- Электрическая изоляция и экранирование между блоком отображения топологии и пальцем пользователя или иными внешними электрическими приборами.
- Надлежащее электрическое экранирование между блоком отображения топологии и блоком отображения изображения, чтобы высокие напряжения/сильные электрические поля первого не влияли на работу последнего.
Первая из этих мер делает отображение, по существу, безопасным, и она может, в частности, включать в себя нанесение описанных ниже двух слоев на внешнюю сторону устройства отображения:
- электрода, соединенного с заземлением, и расположенного поверх него
- электроизоляционного слоя.
Таким образом, пользователь, прикасающийся к устройству отображения, всегда сначала соприкасается с изолирующим слоем. И если изоляция неисправна, то пользователь соприкасается с заземленным слоем. Предпочтительно, это может быть обнаружено блоком управления электронным способом, например, посредством измерения емкости, и использовано для отключения возбуждения блока отображения топологии высоким напряжением в качестве дополнительного средства обеспечения безопасности.
Кроме того, также может быть реализовано снижение рабочих напряжений, например, следующими средствами:
- Наложение n активизирующих слоев в виде многослойной структуры. Вместо одной большой разности ΔV напряжений, приложенной ко всему пакету слоев, в этом случае можно разделить электрическое поле на n более мелких частей, чтобы необходимая разность напряжений между соответствующими электродами была равна лишь части ΔV.
- Использование активизируемого материала с низким модулем упругости (модулем Юнга). Это облегчает сжатие материала, для активизации которого опять-таки требуются относительно слабые электрические поля и, следовательно, низкие напряжения.
На Фиг. 6 схематично показано устройство 200 отображения, которое включает в себя вышеупомянутые признаки. Следует отметить, что этот чертеж (так же, как и Фиг. 7) изображен не в масштабе (в частности, толщины слоев увеличены), и что внутреннее структурирование матриц электродов не показано. Устройство 200 отображения содержит блок отображения изображения (IDU), поверх которого расположен блок отображения топологии (TDU). Блок отображения топологии (TDU) имеет следующую последовательность слоев, перечисленных в направлении от поверхности визуального отображения (VDS) к поверхности отображения топологии (TDS):
- Электроизоляционный слой PL1, расположенный поверх поверхности визуального отображения (VDS).
- Первый электрод E1, который предпочтительно соединен с заземлением и экранирует блок отображения изображения (IDU) от электрических полей в блоке отображения топологии (TDU).
- Первый слой L1 EAP.
- Второй электрод E2, на который может подаваться высокое напряжение.
- Второй слой L2 EAP.
- Верхний электрод ET, который предпочтительно соединен с заземлением.
- Электроизоляционный слой PL2, который обеспечивает тактильную поверхность отображения (TDS).
Слои E1, E2, и E3 с электродами соединены с блоком управления (CU), который подает на них надлежащие напряжения. Следует отметить, что, по меньшей мере, один из этих слоев (например, центральный слой E2) обычно подразделен на матрицу из одиночных электродных элементов (не показаны).
На границе раздела между блоком отображения изображения (IDU) и блоком отображения топологии (TDU) должны быть предприняты меры для того, чтобы высокие напряжения (сильные электрические поля) в последнем не воздействовали на электрическое поле в первом. В устройстве 200 отображения это может быть реализовано путем подачи на нижний электрод E1 того же самого напряжения, что и на верхние электроды блока отображения изображения (IDU). Таким образом, электрическое поле между ними равно нулю, и емкостная зарядка не происходит.
На Фиг. 7 показан еще один вариант осуществления устройства 300 отображения, содержащего блок отображения топологии (TDU), расположенный поверх блока отображения изображения (IDU). Как и в предыдущем варианте осуществления изобретения, поверхность визуального отображения (VDS) покрыта электрической изоляцией PL1, которая, в свою очередь, покрыта электропроводящим слоем ET (обычно заземленным). Аналогичным образом, тактильная поверхностью отображения (TDS) является наружной поверхностью изолирующего слоя PL2, который расположен на самом верхнем (и обычно заземленном) электропроводящем электроде ET.
Между вышеупомянутыми компонентами имеется множество "пакетов активных слоев", причем каждый пакет активных слоев содержит слой (L1, L2, L3, L4 или L5) EAP, расположенный между двумя слоями (E1 и E2, E2 и E3, E3 и E4, E4 и E5, или E5 и ET) с электродами. Следовательно, промежуточный электродный слой совместно используется соседними пакетами активных слоев.
В направлении от тактильной поверхности отображения (TDS) к поверхности визуального отображения (VDS) толщина слоев EAP увеличивается, вследствие чего при приведении в действие к слоям, расположенным ближе к коже пользователя, могут быть приложены более низкие безопасные напряжения. Толщина слоев L1-L5 EAP адаптирована для генерации достаточно сильного электрического поля между электродами E1-ET при приложенных напряжениях. В типичном примере эти напряжения могут быть равными 1 кВ, 100 В, 10 В и 1 В, соответственно, для слоев E2, E3, E4 и E5 с электродами (слои E0 и ET заземлены).
Дополнительное преимущество описанной конструкции состоит в том, что отсутствует необходимость в наличии каких-либо заземляющих электродов между электродами E2-E5, на которые подают (высокое) напряжение. Начиная с высокого напряжения (кВ), в блоке управления (CU) могут быть сгенерированы более низкие напряжения путем деления напряжения, выполняемого резистивной структурой. К тому же, поскольку электрод E2, на который подают самое высокое напряжение, расположен глубоко в пакете слоев, то токи электрического пробоя будут течь к этому электроду.
В только что описанной системе соотношение между напряжениями, приложенными к различным слоям, предопределено структурой деления напряжения. В более усовершенствованном варианте осуществления изобретения может быть реализована индивидуальная адресация каждого слоя, и конкретное напряжение может быть приложено к каждому слою по отдельности.
Подход настоящего изобретения и описанные устройства отображения имеют следующие преимущества:
- Более естественный внешний вид различных поверхностей за счет усовершенствованных визуальных эффектов: приведение в действие показывает вмятины или выступы, дополнительный визуальный эффект, трехмерный эффект и т.д.
- Реальный тактильный эффект: трехмерная топология, которую может ощущать пользователь, вследствие чего поверхность не только выглядит как конкретная поверхность, но и ощущается также. Стимуляция слуховых, зрительных, тактильных и тепловых ощущений.
- Поддержка визуального (или графического) интерфейса пользователя с программируемыми тактильными элементами: большой перспективой для активируемых полимеров являются интерфейсы пользователя, в которых по желанию в любом месте на поверхности могут быть созданы элементы управления, такие как, например, 'реальные кнопки' и ощущаемые текстуры. Обеспечение поддержки этих тактильных элементов с соответствующими визуальными эффектами повышает удобство использования и естественность.
- В альтернативном варианте топологии текстур могут быть исследованы для подбора конкретного цвета до фактической реализации, например, одежды.
- Интеграция тактильного восприятия: активизирующий слой полимера образует конденсатор, емкость которого изменяется при сжатии слоя. Это может быть использовано для обнаружения тактильного ввода от пользователя и, наоборот, для обеспечения тактильной обратной связи с пользователем при обнаружении прикосновения.
- Создание оптотактильной обратной связи/оптотактильного восприятия за счет приведения в действие топографии. Например, генерация топографии в слое, который иначе является полностью прозрачным (например, рябь на поверхности, подобной поверхности воды), или в окрашенных диэлектрических эластомерных материалах. Этот эффект может представлять собой любое сочетание между чисто оптическим или чисто тактильным эффектом.
Области применения настоящего изобретения включают в себя устройства отображения с изменяющейся формой (топологией) поверхности, поверхности интерфейсов пользователя (которые объединяют графический интерфейс пользователя (GUI) с топологией реальной кнопки) и сенсорные экраны.
В заключение, следует отметить, что в данной заявке на изобретение термин "содержащий" не исключает наличия других элементов или операций, что признак единственного числа не исключает множество, и что одно устройство обработки или иной блок может выполнять функции нескольких средств. Настоящее изобретение охватывает собой все отличительные признаки новизны и все комбинации отличительных признаков. Кроме того, ссылочные позиции в формуле изобретения не следует истолковывать как ограничивающие ее объем.