专利名称：三维立体式投影的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及抗杂光噪声的、用于使信号同步的光同步信号系统中的编码方案。
背景技术：
图1示出了例示三维(3D)图像投影的几个基本要求的现有3D成像系统。首先，譬如通过投影装置显示一个场景的两个二维(“2D”)图像，其中，就透视视线而言，一个图像与另一个图像稍有不同。这些透视图通常将左眼视图与右眼视图区分开。这一般要求双重图像记录，以便提供同一场景的如上所述的两种透视图或视图。但是，这样的透视图可以通过处理而得到，或人工生成。图1图解了两个投影仪101，其中之一投影一个场景的左眼透视图，而另一个同时投影同一场景的右眼透视图。
尽管同时投影需要两个投影仪，但通过在投影期间迅速交替改变左右眼透视图，可以在3D成像系统中实现单个投影仪。本发明不要求利用任何特定的仪器或任何特定数量的摄像机进行3D记录，只要求可从图像数据中获得或导出并能够显示两个透视图。
传统3D成像系统的另一个基本要求是，将投影透视图之一只展示给左眼或右眼之一，并且将投影透视图中的另一个只展示给另一只眼睛，以便每个投影透视图只能被一只眼睛看到。因此，借助于双重同时投影系统，将阻止观看者的一只眼睛看到来自一个投影仪的图像内容，并且将阻止另一只眼睛看到来自另一个投影仪的图像内容。
这种阻止，也称为消除，可以分两个步骤完成。首先，通过分别成角度偏振透明介质102投影同时投影图像中的每一个，以不同偏振角偏振它们中的每一个。观看者戴着无源偏振眼镜103，无源偏振眼镜103的透镜相对于它们每一个的偏振角也是偏移偏振的，以便一个透镜阻止偏振投影图像的第一个，而另一个透镜阻止偏振投影图像的第二个。现有技术中生成两种不同透视图像的方法包括通过红色和蓝色编码来区分图像，譬如，供具有蓝色和红色透镜的无源眼镜使用的那些方法。
对于生成3D图像系统已经作了许多尝试。这里我们关心的是使用可以利用切换系统实现的左右眼视图的偏振编码的系统中的3D成像。例如，在与数字光处理器(“DLP”)或栅状光阀(“GLV”)技术相兼容的系统中，这个领域中的现有技术通常依赖于集成色轮/偏振过滤器。由于随着偏振器旋转，也引起图像的偏振透射轴旋转，所以会产生各种各样的问题。换句话说，随着偏振器旋转，左右眼视图只在偏振器转轮的某些精确旋转位置上完全独立。对于转轮的其它位置，图像将包含不能使用无源偏振视镜分开的左右眼视图两者的少量成分。这导致图像重影；观看者有时将看到左右眼视图的模糊混合，而不是来源于左右眼视图完全分开的清晰图像。
像DLP技术那样的现代前后投影彩色成像系统应用多个滤色器依次将整个彩色图像的各个元素投影在屏幕上。这些滤色器通常被实现成滤色器转轮上的分段，而该滤色器转轮以与输入视频流同步的速率旋转。通常，这种方案使用与高亮度白色光源相结合的三种基本视频成像颜色(红色、蓝色和绿色)。为了便于图像的白平衡和某些类型的图像像差的校正，往往将透明过滤器分段与滤色器转轮合并在一起，使白光穿过而到达屏幕。
像DLP、微镜、光栅、或相关技术那样的现有前后投影图像系统需要高强度白色光源来产生亮图像。尽管在这些系统中使用了导向透镜和光学器件，但在整个投影仪外壳内部反射的杂光可以具有相对较高的水平。在这种情况下，一些杂光也可以通过接缝从投影仪的外部泄漏进来。当我们使用光学传感器使投影仪偏振器过滤器转轮与立体效果成像设备同步时，这种杂光成为一个问题。杂光可以引起传感器假触发并破坏所需频率和相位锁定。
为了修正这些成像系统，以便它们支持立体效果三维图像的传输，有必要让它们提供交替左右眼视图。例如，使用旋转偏振器和让观看者戴上无源眼镜。交替左右眼视图由可能不是用在投影仪中的同一滤色器转轮的组成部分的附加滤光装置提供。在这种情况下，有必要使旋转滤色器转轮的相位、频率、和其它可能属性与外部立体效果成像元件同步。这种同步不必通过访问用于控制滤色器转轮的电子信号而简单实现。
虽然可以从个人计算机和其它数字视频设备中生成立体效果三维图像，但现有视频游戏控制台缺乏生成视频同步信号所需的标准接口。应用旋转光学器件的系统的缺点很多。在这些系统中，光学设备最好不以固定速率旋转。正如这里所述的那样，旋转控制改进是通过每隔如周期性干扰信号和协作处理装置指示的旋转子间隔操纵旋转光学器件的速度实现的。
已公布专利申请US 2005/0041163A1描述了附在数字光处理器(“DLP”)投影仪内滤色器转轮上的分段偏振器的使用。它未描述投影仪透镜光学器件与旋转偏振器之间与偏振敏感度有关的任何所需关系。因此，投影透镜和其它光学器件可能会破坏偏振编码图像信号。它对过滤器转轮与偏振转轮之间所需的同步的细节未加描述，对帧序列与其它类型的视频输入之间的差异也未作任何介绍。这一现有技术不适用于诸如隔行扫描视频流之类的所有类型的视频输入。这里通过引用将上述专利申请全文合并于此。
美国专利5,993,004描述了使用用于调制的偏振维持光学器件和专用控制信号、具有空间光调制器和偏振调制器的立体效果显示器。一般说来，这一方案并不象我们的发明那样使用旋转或交替偏振器或数字反射镜设备(“DMD”)和DLP技术。这里通过引用将上述专利申请全文合并于此。
已公布美国专利申请2005/0046700A1描述了处理至少四个独立视频图像序列、以便将多个图像视图同时投影在屏幕上的两个视频处理设备。在高层次上，这一方案并不象我们的发明那样使用旋转或交替偏振器或DMD/DLP技术。这里通过引用将上述专利申请全文合并于此。
已公布美国申请2003/0112507描述了有关DMD设备的两个实施例，两者都使用依次受到驱动以提供同一图像的不同眼睛视图的DMD设备的不同行或列。这一方案并不象我们的发明那样涉及旋转或交替偏振器或DLP技术的使用。这里通过引用将上述专利申请全文合并于此。
已公布美国申请2003/0214631描述了具有分束器以产生两条光路的投影仪，每条光路穿过固定偏振器，其后用特殊光学系统将它们重新组合在一起。这一方案并不象我们的发明那样使用旋转或交替偏振器或DMD/DLP技术。这里通过引用将上述专利申请全文合并于此。
美国专利1,879,793描述了以某种方式使胶片经过投影仪的速率与外部偏振转轮或滑片同步的原始运动画面投影系统(与后来用在IMAX 3D应用中的那些类似)。由于需要特殊胶片处理技术，这种方案不使用DLP技术，且不可推广到DLP技术。这里通过引用将上述专利申请全文合并于此。
在个人计算机(“PC”)产业中，液晶显示器(“LCD”)的光学快门眼镜已经成为用于观看彩色3D图像的阴极射线管(“CRT”)和投影仪的标准。但是，这需要有源眼镜(在每个透镜中具有小型液晶监视器或快门)，而且需要电池和与数据源连接以便达到同步的目的。这些解决方案也倾向于费用昂贵，每次只可用于有限数量的用户，且在长时间使用之后倾向于引起眼睛疲劳。这些眼镜通常使用包含在每种现代视频适配卡接口中的显示数据通道工业标准。这种数据通道向眼镜发出PC已经调换了它的眼睛视图的信号。
总的来说，现有技术中的各种技术要求对投影仪过滤器转轮的内部进行修改，且未提供利用传统系统的实现。在含糊描述必须使信号与偏振器“同步”、而未提供技术说明的现有技术中，未区分帧顺序和隔行扫描技术。现有技术未规定对于本领域的普通技术人员来说并不显而易见的控制电路的任何形式。
一般说来，由于从过滤器转轮开始经过投影路径的其余部分必须保持光偏振，现有技术要求投影仪使用对偏振不敏感的内部光学器件。这意味着必须使用特殊光学器件，且必须避免对偏振敏感的涂层，从而既增加了复杂性又提高了实现成本。在本发明中不存在这样的要求。
发明内容
本发明包括一种通过使其间的过滤器转轮旋转以检测放置在其上的标记来控制光发射器/接收器对的方法。光发射器是用一旦被光接收器检测到就加以解码的编码可检测位流驱动的。
验证检测到的编码位流中的中断是否由标记引起牵涉到读取解码位流以检测丢失位。
一种能够根据接收数字图像数据来投影3D立体式图像的装置包括接收包括同步信号的立体式图像数据的输入端。同步信号指示在任何特定时刻多个图像位流的哪一个出现在图像数据中。其上放置有标记的电机驱动旋转过滤器位于分别使立体式图像数据中的图像流偏振的投影立体式图像数据的路径中。该标记用于通过中断发射器/接收器环路中的编码LED传输而使装置同步。信号被标记中断，以使发射器/接收器能够验证标记是否存在。
当结合下面的描述和附图来考虑时，本发明的这些和其它方面和优点将得到更好理解。但是，应该明白，虽然下面的描述给出了本发明的优选实施例和它们的许多具体细节，但给出的下面的描述只是说明性的，而不是限制性的。可以在不脱离本发明的精神的情况下，在本发明范围内作出许多改变和修正，并且本发明包括所有这样的修正。
图1图解了用于3D成像的现有技术双重投影系统；图2图解了基本的现有技术DLP投影系统；图3A图解了用图2的示范性DLP系统实现的本发明；图3B图解了具有相应图像数据帧的翻页信号；
图4图解了相位和频率检测器；图5图解了环路滤波器；图6图解了相位和频率锁定；图7图解了具有测速计传感器速度检测器的转轮；图8图解了外部滤色器转轮传感器实现；图9图解了具有带通传感器的调制LED；图10图解了操作图9的调制LED的实现细节；图11图解了游戏平台的通用适配器；图12图解了与USB设备和3D电视耦接的典型游戏平台USB堆栈；图13图解了提取游戏平台vsync信号的流程图；图14A-C图解了双过滤器转轮系统的流程图和实现细节；图15A-C图解了干扰合成器的实现细节；图16图解了干扰合成器；图17图解了干扰合成器的波形分析；图18图解了利用降低了硬件要求的步进电机控制的立体式投影系统；图19A-B图解了步进电机和驱动信号；图20A-B图解了供图18的系统使用的偏振过滤器转轮；图21图解了过滤器转轮的电机控制器使用的相关输入；以及图22图解了电机控制器编程的流程图。
具体实施例方式
为了生成三维(“3D”)图像，需要代表3D场景的两条视线的两个独立二维(“2D”)图像—由人的每只眼睛观看到的一个2D图像对每只眼睛来说是排它的。图1中示出的装置是使用两个投影设备以同时叠加图像并实现立体效果显示的传统3D投影系统。
参照图1，图1图解了现有技术的三维投影系统100。这种现有技术利用了两个分立投影仪101，每个投影仪101投影相同的场景，但每个投影仪101以与人左眼视线和右眼视线之间的不同透视相对应的稍有不同的透视图进行投影。偏振玻璃(或其它材料)过滤器102放在来自两个投影仪中的每一个的投影光束的路径中。这些过滤器的偏振角相互偏移90°。为了使观看者感觉到三维投影图像，观看者的左眼必须能够感觉到来自一个投影仪的指定左眼的二维投影图像，而同时过滤掉来自另一个投影仪的指定右眼的二维投影图像，对于右眼亦如此。这是通过为观看者配备无源偏振眼镜完成的，在无源偏振眼镜中，每个透镜的偏振相对于放在投影仪上的过滤器之一偏移了90°。因此，向观看者左眼和右眼中的每一个展示共同引起观看者三维图像感觉的相应、分立、稍有不同的预选二维图像。
如图1所示的设置要求观看者戴上便宜的偏振眼镜103，但传达丰富多彩的3D图像。上述系统的不足之处在于，需要专用3D转换硬件和软件来预处理图像，而该专用3D转换硬件和软件并不是广泛可得的。这同一个缺点也禁止了包括基于液晶的设备的其它3D投影系统的采用。另外，还需要表面不去偏振的专用屏幕来观看这些图像。最近，人们宣布了几种声称能通过投影来自双投影仪的两个分立图像、无需眼镜就可以提供3D图像的系统；这种方案要求仔细对准观看者和投影仪，不适用于多人观看同一图像。
最后，系统成本至少是单投影仪显示系统的两倍，并且由于要求在两个投影仪和偏振元件之间适当对准，这种系统不容易携带。类似地，现有3D电影是用昂贵的多摄像机系统制作的，利用了数字重新灌制或类似的昂贵胶片处理技术；这种高成本禁止了3D观看系统例如在家庭影院中的广泛采用。
本发明提供了利用无源眼镜的3D观看，因此降低了成本并避免了眼睛疲劳和与各种交替相关联的色彩感受问题。它可以与基于流行的DLP技术的单投影源一起使用，并且可以被实现成投影系统的组成部分或被实现成可以放在投影仪前端的附加外设或台架。本发明利用了配备在流行软件包中的现有技术3D接口支持，譬如，包括像java3DTM那样的变体的OpenGLTM或Direct3DTM应用程序编程接口(“API”)。这种接口与当前使用的绝大多数3D图像软件和程序兼容。所有这些API都生成具有左/右眼透视图的数字内容，供像上述有源快门眼镜那样的可替代技术使用；这种内容无需加以修改就可以供我们提出的发明使用。同步是由设备驱动器提供的，左/右内容是在这些API中自动提供的，你只需告诉OpenGLTM或Direct3DTM立体放映，其同时将图像流存放在存储器中。设备驱动器负责将它发送到它需要去的地方(例如，两个投影仪、具有翻页功能的一个投影仪、具有隔行扫描立体系统的一个投影仪)。其它类型的数字内容可能需要经过预处理，以生成与3D成像技术相容的左/右眼视图；但是，对于像数字电影或电子图像那样的某些类型的内容，这种处理是相当直截了当的(像广播电视那样的其它类型的内容需要另外更复杂的处理以使3D观看成为可能)。
参照图2，图2图解了示范性DLP系统209的基本原理。白色光源201经过聚光透镜202聚焦，然后穿过旋转滤色器转轮203。过滤器转轮可以包含用于产生视频和图形图像的三原色(红色、绿色和蓝色)，或其它不同颜色。本发明不局限于只使用旋转滤色器转轮。可以存在或可以开发出提供包含可以用本发明实现的投影图像(譬如，数字帧顺序图像，不管是不是立体式的)的直接光束的其它技术。所提出的发明一般可应用于任何光源投影系统，通常为不依赖于偏振来产生图像本身的单光源。换句话说，所使用的成像设备的光输出的偏振必须是随机的。当前提出的发明使用偏振技术来产生3D效果，因此，在本发明中，依赖于偏振技术的投影系统本身可能会干扰偏振的实现。
如图2所示，来自视频源，尤其是譬如来自个人计算机、DVD、存储格式、或电视信号的光束穿过滤色器转轮203，穿过聚焦透镜204，照射在受固件驱动的DMD 205上。其它可能的视频源包括栅状光阀和相位改变显示技术。
使被DMD处理后的图像内容与旋转滤色器转轮同步，以便在聚焦后的光穿过旋转过滤器转轮的同时，当红色过滤器分段与DMD对准时，使期望图像的红色内容照射在DMD上。当绿色过滤器分段与DMD对准时，使绿色图像内容照射在DMD上，以此类推。于是，对于通过这样DLP系统投影的每个图像帧，滤色器转轮和DMD一起操作，以便依次投影每个图像帧的几个色彩平面。然后，通过附加投影光学器件206将图像的按顺序的各部分聚焦在屏幕207上，以产生可以是静止图像或运动画面的适当2D图像。前投影系统投影的图像可以从屏幕207上与投影仪器相同的一侧212观看。后投影图像可以从与投影仪仪器相反的一侧211观看。
如果如图2所示的系统以足够高的帧速率处理三色内容，那么视觉暂留将使观看者感觉到屏幕上的全色稳定2D图像，其中帧速率是以每秒的帧数量度的。这种技术有许多种变体，包括使用2或3个DMD设备来产生最终图像的系统、和应用后投影和前投影技术两者的系统。诸如聚光透镜和投影透镜之类用在光路中的光学元件的细节也可以改变，它们不是本发明的本质部分。如图1所示的双投影仪装置可以由例如两个DLP投影仪组成。由于其性能和低成本，DLP正变成许多大屏幕投影电视、便携式个人计算机投影仪、和类似应用的优选技术。
图3A图解了包括旋转偏振过滤器306的本发明优选实施例，其中旋转偏振过滤器306安装在现有DLP投影仪309的前端，现有DLP投影仪309可以作为前或后投影系统来实现。本发明的变体允许供后投影系统使用，并允许将本发明整合在投影仪的内部。在可替代实施例中，也可以用为相同目的(即，以2种不同正交偏振状态交替地调制光)服务的杠杆臂或类似线性位移设备取代旋转偏振部件。在例如时分多路复用(“TDM”)视频流中，PC发送与像上面讨论过的API那样的工业约定相容的翻页立体图像。翻页指的是依次发送交替的左右眼视图或帧，其传输速度或更新速率可以从几Hz到几百Hz变化。尽管它们一起起产生3D效果的作用，但左右眼视图也常常被分开称为图像流。
注意，除了偏振器之外，在光路中不可存在任何附加光学器件，除非它们维持光的偏振状态。如果打算将偏振转轮整合到投影仪内，这是重要的考虑因素。所得图像也必须投影在维持反射光或像在后投影系统中那样的折射光的偏振的屏幕或其它表面上。这样的屏幕可从市场上购买到，例如，由德国汉堡(Hamburg)的ScreenTechTM和美国印地安那州(Indiana)Warsaw的DaliteTM提供的屏幕。我们还应该注意到，我们的发明可以应用于除了DMD/DLP之外的其它类型的图像投影技术，例如，最近提出的栅状光阀(“GLV”，)技术。GLV是DLP和其它光引擎投影技术的替代品，其中，将衍射光栅和液晶技术组合在一起用于生成适合前或后投影系统的2D图像。
借助于本发明，可以用无源偏振眼镜观看全色3D图像。所提出的发明旨在与工业标准线性偏振3D眼镜一起作用，其中工业标准线性偏振3D眼镜在取左眼和右眼的中间为0°的情况下的正交偏振取向为左眼相对于0°为-45°，而右眼相对于0°为+45°。显然，这些角取向不是本发明所要求的，而只是为了工业相容性而选择的。对于利用其它角关系的实现，可以容易地对本发明加以调整。对于本领域的普通技术人员，显而易见，对本发明作少许调整将允许使用其透镜具有不同偏振取向、以及圆或椭圆偏振状态的无源眼镜。圆或椭圆偏振无源眼镜可从市场上购买到。
众所周知，给定足够快的视频更新速率，和给定一系列适当呈现的2D图像，人眼的视觉暂留将使其感觉到真正彩色的3D图像。这样，通过实现要放置在投影仪的输出孔径上的外部设备，可以将现有DLP投影仪升级以投影3D图像，从而不需要对原投影仪硬件或固件加以修改。注意，为了利用本发明取得这种效果，必须使用帧顺序视频信号。帧顺序视频信号描述了交替的指定左眼和指定右眼的图像的时分多路复用信号。这意味着投影系统依次接收和处理各自代表左眼视图或右眼视图的单独发送的图像。尽管与许多数字立体式系统的设计意图一样，随着每个投影帧交替改变左眼视图和右眼视图可能是理想的，但是通过利用人眼的视觉暂留，其它设计也可以产生基本上3D的效果。
视频输入信号输入立体信号(例如，图3A的301)通常是特意为3D立体成像而生成的信号，例如，用双透镜摄像机拍摄的计算机软件视频。但是，输入图像数据可以来自像视频游戏机、PC、或数字电视数据那样的源。立体VGA信号、和来自数字电缆箱和DVD播放器的像DDC、HDMI、High Def(高清电视)、Multi Media Interface(多媒体接口)、和Y-Pr-Pb那样新添的信息也是适用的。本发明的最低要求是包含立体视频数据的输入，这意味着可以从视频数据中获得、导出、或处理双左/右图像。视频数据也可以通过分组、帧、或信元发送，其中的首标信息可以用于指示有效载荷中的左或右眼内容。在这样的实现中，可以在因特网上发送3D电影，并无限地存储3D电影，或在接收到它时，譬如，以实时视频流的方式投影3D电影以进行观看。像HDMI那样的一些工业标准信号需要实现从输入视频数据中提取同步信号(翻页信号)的初级电路。因此，利用将其输出的提供给相位/频率检测器的翻页提取器使HDMI输入流适用于本发明。HDMI输入配有有关输入数据的翻页信息。对于当前所述的实施例，我们假设输入视频信号是工业标准立体VGA信号。
“DDC”能力嵌在VGA标准中，“DDC”能力是通常用双向串行总线实现的低带宽数字消息接口，与左/右图像并行地发送指示当前正在发送左图像或右图像的哪一种的翻页信号。
像立体VGA那样的工业标准协议为输入帧提供了固定的已知速率，例如，60Hz、85Hz、100Hz、或120Hz，立体图像速率是那个值的一半，从而每秒各发送该数量一半的左右眼帧/图像中的每一种。许多计算机程序也提供了包含立体VGA信号的诸如视频游戏、建筑图形程序、CAD程序、和医学成像程序的数字立体图像源。
参照图3A，图3A图解了用传统DLP投影仪309实现的创造性3D投影系统350。输入立体视频信号(例如，TDM帧顺序)301被传统DLP投影仪接收，然后传统DLP投影仪解码和投影视频图像。与DLP投影仪并行，本发明接收输入立体视频同步信号并提取嵌在其中的立体同步信号302，即，翻页信号，并将它提供给相位和频率检测器(“相位/频率检测器”)303。立体同步信号指示在任何时刻两种立体图像的哪一种出现在视频流中。在本发明中，两种立体图像流中的每一种将被调制成指定左眼的或指定右眼的。提取电路是实现众所周知的DDC翻页协议的众所周知的VGA场转换器电路。佛罗里达州West Palm Beach的eDimensionalTM公司提供了用于连接立体VGA信号、然后与视频流一起输出翻页信号的电路。众所周知的DDC算法也可以通过在各种处理器中的任何一种上执行它而人工实现。
通过在301上实现简单切换器，可以将输入2D信号直接切换到DLP系统并绕过3D成像电路。可选地，3D成像路径上可以配有自动检测输入多图像流并自动将那些信号发送到本发明的3D生成技术的检测电路。这样的自动激活选项也可以被人工禁用。这些可替代实施例被认为是对本发明的简单调整，并不落在本发明权利要求书的范围之外。
场转换器输入信号被提取翻页信号的场转换器接收，如上所述，翻页信号指示左或右眼睛数据的哪一种出现在信号中。在本发明的电路使用翻页数据的同时，继续将视频数据提供给DLP投影仪。场转换器的输出信号361(图3B)在左眼视图的指示符和右眼视图的指示符之间交替改变。在受限制的实施例中，这个输出信号可以像图3B中示出的那样，是简单二进制方波输出，并将它提供给相位/频率检测器。方波361指示例如逻辑“1”(或高电压电平)对应于视频流362中指定为“R”的右眼数据。逻辑“0”指示在图像数据362中发送的指定为“L”的相应左眼图像。
相位/频率检测器本发明的优选实施例使用正边沿触发或边沿敏感触发来生成所需信号。可替代实施例可以使用根据越过预选阈值的信号幅度来切换信号的电平敏感触发。由于信号幅度电平可以因诸如噪声和接地移位那样的影响而漂移或移动，电平敏感性暗示着持续期间中的可变性。因此，在特定移位电平上下必须设有规定的容差，以便在实际设计中顾及这些因素。
参照图3A，相位频率检测器303将过滤器转轮306的旋转速度与场转换器302输出的翻页信号361的频率相比较。当左右眼视图中的每一个透过过滤器并到达可视屏幕上时，有必要使过滤器转轮处在某个旋转位置上。当正在投影左眼图像时，偏振过滤器转轮必须以特定偏振角过滤它，以便阻止图像到达观看者的右眼，其中，观看者戴着适当的偏振无源眼镜。这种阻止是通过让过滤器转轮将图像以相对于观看者眼镜右侧透镜偏移了90°的角度偏振来完成的。因此，相位/频率检测器使输入翻页信号与它从测速计传感器310和311接收的旋转信息同步。如果过滤器转轮不可接受地滞后或超前于翻页信号，则相位/频率检测器将校正信号输出到据此调整过滤器转轮旋转速度的过滤器转轮电机控制器305。与电平敏感设计相比，在相位/频率检测器中实现正边沿触发电路提供了最敏锐的时间检测。
该DLP投影仪输出和视频流同步可以部分地用图4中示出的电路设计实现，图4图解了相位/频率检测器的一个实施例。相位/频率检测器的一个输入端401接收场转换器的输出320。另一个输入端402接收来自测速计传感器电路的输出330。这个电路的输出将是只有当过滤器转轮的旋转速度在相位和频率方面都与输入翻页信号适当同步时，才等于电压源407和408的中点的电压。在当前实施例中，在408上接地电压(0)的情况下实现407上的5V电压源。当在410上输出2.5V时，这个电路将表明同步或静态操作。偏离同步，无论是滞后还是超前，都将引起相位/频率检测器将不同于理想2.5V输出的相应校正信号410输出到电机控制器。如果测速计信号和相位/频率检测器输出漂移成相互不同步，那么，相位/频率检测器的输出将与漂移量成正比，并输出使电机控制器提高或降低电机速度的正或负信号。
参照图4，触发电路401和402可以用芯片类型74LS174实现；AND门403可以是74LS21；而反相器404可以是74LS04。PFET 405和NFET 406构成众所周知的电荷泵配置，并且应该适当设置其规格，以操控驱动电机控制信号所需的电流。
如上所述，相位/频率检测器接收来自场转换器的左/右信号。最后，本发明使用这些左右指示符来控制偏振过滤器转轮，以便当正将左眼数据向屏幕投影时，偏振过滤器转轮处在这样的位置，其中转轮的偏振角使左眼投影图像以预选角度偏振，而右眼投影图像被过滤器转轮以不同的预选角度偏振。这些预选偏振角是借助于对观看者戴的无源眼镜透镜的偏振角的预先了解而选择的。偏振的角度与无源眼镜的偏振角相结合将防止投影的左眼图像被观看者右眼看到，反之亦然。
正如图3A中示出的那样，到相位/频率检测器的第二输入330是旋转过滤器转轮的频率。这个频率是由与过滤器转轮耦接的测速计传感器311检测到的。相位/频率检测器形成到反馈环路的输入，以控制偏振过滤器转轮的旋转速度，从而保持过滤器转轮和立体视频流之间的相位和频率锁定。可以将相位锁定控制在固定的可接受偏移之内。
环路滤波器和电机控制器图5中示出的环路滤波器将在输入端511上接收相位/频率检测器的输出并将其转换成512上的DC输出，该DC输出的幅度与相位/频率检测器检测的偏移量成正比，而其符号与偏移方向相对应。平衡点是相位/频率电路的上下电压干线之间的中点，对于0-5V系统，它将是2.5V，或对于+/-电源，它将是0V。环路滤波器的输出信号将驱动过滤器转轮的电机控制器。
这个环形电路的电容器的规格可以设为电容器510大约0.1μF，电容器509大约0.22μF，而电阻器507是4.7kΩ。这些部件的规格应该选择成顺从整个系统的增益/相位响应，包括电机控制放大器的增益，所有这些都是电子设计中普遍接受的原理。
常常用于像在DVD播放器中那样驱动光盘旋转的现成主轴电机驱动器ASIC可以用作电机控制器305，可以将典型的DVD电机驱动器实现成当前实现中的电机307。也可以用固件或软件313将DSP(微处理器控制器)实现和编程成电机控制器，譬如，德克萨斯仪器公司的TMS320LF2401A。电机最好是包括霍耳效应传感器的三相无刷DC电机。本领域的普通技术人员应该明白，可以针对特定应用和环境选择和/或设计上述部件中的任何一个，而不偏离本发明的精神。例如，可以使用其速度对输入电压作出响应并与输入电压成正比的任何简单电机。也可以将电机与过滤器转轮耦接，以便摩擦轮(例如，橡胶轮)在它的边缘上提供转动力。此外，为了实现成半导体芯片，显然可以修改电路元件的规格。
测速计传感器转轮测速计311的示范性实施例是过滤器转轮在它的外围附近包含标记312的那一种，该测速计传感器包含与光敏二极管(检测器)对准的光源，同时，过滤器转轮在它们之间旋转，它的标记直接在光源和检测器之间经过。每当标记在光源和光敏二极管之间经过时，就生成电脉冲并将该电脉冲发送到相位/频率检测器。这样的实施例可以在过滤器转轮上实现黑斑或光斑，或某种其它标记或多个其它标记，这使测速器件针对每个完整圈、或过滤器转轮的已知几分之一圈生成一个脉冲。
图6图解了两个方波信号之间的相位和频率锁定的例子。第一方波601可以代表相位/频率检测器接收的同步信号，而第二方波602可以代表测速计传感器系统310和311的输出。起边沿触发器件作用的相位和频率检测器将输出控制信号以提高或降低过滤器转轮电机使过滤器转轮旋转的速度，以使得从测速计传感器系统接收的测速计信号602趋向于与同步信号601的相位匹配。这种相位锁定图示为两个信号的上升前沿都出现在同一时刻603。频率锁定图示为这两个信号波的上升沿的持续同时性604。
参照图7，图7图解了测速计传感器的实施例。如箭头所指的那样，具有标记712的偏振过滤器转轮703在红外发光二极管702和光敏检测器701之间旋转。
随着标记经过LED光路，检测器将脉冲705发送到如下所述的n份分配电路。假触发的可能来源也许是704所示的进入系统的杂光。
“n份分配”电路310与测速计传感器的输出端连接，以便针对配备在过滤器转轮上的分立偏振窗的数量加以调整。根据过滤器转轮的一圈所代表的不同偏振角的数量，“n份分配”电路将变更发送到相位/频率检测器的脉冲频率。这样的“n份分配”电路在现有技术中是众所周知的，因此，这里无需作进一步讨论。举例来说，“4份分配”电路在过滤器转轮的每一圈内从测速计传感器接收一个电子脉冲，并在过滤器转轮的每四分之一圈内输出一个脉冲，即，“4份分配”电路使脉冲计数提高到四倍。如果旋转过滤器转轮由诸如偏振玻璃那样的偏振材料的均匀完整样本制成，那么，与通过过滤器转轮的中心投影图像相比，在投影图像的光束有点接近转轮的边缘地穿过过滤器转轮的假设下(例如，参见图15C)，将存在四个过滤投影图像的分立90°偏振角状态。因此，“n份分配”电路将使输出脉冲增加到四倍，一些其它数字取决于在过滤器转轮中提供多少个分立过滤状态“n”。
显而易见，本发明允许旋转转轮拥有任意个偏振分段。根据上面的讨论，还显而易见，在相位/频率转换器产生的信号的最大相位偏移与转轮中的偏振状态数之间存在某种关系。例如，如果来自测速计的每个输出脉冲代表转轮的一圈，那么，我们拥有系统可以工作的四个分立状态空间。将整个旋转周期分为4份得出用度数表示为任意常数k加位周期的几分之一的最大相位偏移(即，最大相位偏移＝k+360/4)。这指的是场转换器的四分之一位周期的最大相位偏移(在整个讨论中，为了便于说明，我们假设使用了没有窗口分段的单一偏振轮；本领域的普通技术人员可以容易地对细节加以改变，以顾及不同的设计点)。
过滤器转轮过滤器转轮可以由任何透明材料构成，最好由均一偏振的匀称玻璃盘构成。均一偏振盘使制造较简单。也可以实现与DLP的色轮类似、含有选择性偏振扇区的透明轮。也可以使用在盘外围附近含有选择性偏振材料的紧密排列窗口的、由一些刚性材料制成的转轮，或者如果希望投影图像的光束通过过滤器转轮的中心投影，可以使单个这样的窗口处在转轮的中心。也可以使用有偏振片材粘在其上的标准CD大小的清晰塑料制品。可替代实施例将偏振转轮系统用作DLP投影仪的一体化内部组成部件。
与顺序制颜色呈现装置的同步在传统彩色图像投影系统(譬如，DLP、微镜、或其它技术)中，应用具有白平衡分段的旋转滤色器转轮以提供良好的图像质量。为了扩展这些系统的功能以使立体效果三维成像成为可能，如上所述，必须使分立立体效果元件(例如，旋转偏振器转轮)在相位、频率、或其它属性上与现有滤色器转轮同步。通过避免对投影仪电路的修改，本发明也完全与用于提高图像质量(譬如，对相邻像素求平均以使图像平滑化和防止像差)的各种投影系统电路相容。
参照图8，有效同步信号，或翻页信号，可从放在投影仪的输出光路820中的任何地方的一组三个光电检测器801中导出，这一组三个光电检测器801截取极少一部分输出光。这种技术取代了通过上述的场转换器从视频数据流本身中提取翻页信号的需要。使这些光电检测器801的每一个与XOR耦接，以便每当相应颜色出现在投影仪光输出中时，它们提供输出脉冲。XOR电路的输出被耦接到相位/频率检测器，以取代来自场转换器的翻页信号。这三个检测器被三个不同滤色器覆盖，与投影仪过滤器转轮802使用的红、绿和蓝原色，或其它相应过滤器转轮颜色相配。这些检测器的输出可单独访问(对于可选的可替代实施例，例如，可以使用与XOR电路结合在一起的单个检测器的输出，以确定给定滤色器分段的位置)，另外，对所有这三个信号的组合执行异或电路803的功能(当所有这三个光电检测器都输出脉冲时，XOR将输出单个脉冲)。它们最好位于照明束820的边缘附近，以便最低程度地阻挡光束。通过对于本领域的普通技术人员来说显而易见的各种方法，例如，应用小型局部反射镜对光输出取样并将它重定向到光电检测器，也有助于这一点。因此，检测器阵列801与XOR电路803一起提供了四个可能独立输出信号。
为了说明本发明的操作，考虑当过滤器转轮802定位为红色分段在光源的前端时会发生什么情况。在这种情况下，只有具有红色检测器的外部光电检测器产生信号，而其它两个因红光不能穿过它们的过滤器而保持黑暗。当红色检测器输出是高电平而其它检测器输出是低电平时，表示红色滤色器转轮位于光源的前端。类似地，我们可以检测何时蓝色或绿色过滤器转轮位于这样的位置。注意，如果转轮802只包含三种颜色，现在就可以从任何给定颜色的位置触发立体效果元件。但是，如果过滤器转轮包含白色分段，那么，在过滤器转轮的每一圈中每个检测器将触发两次(例如，由于白光在它的成分中包含红色，红色检测器在出现红色过滤器时和在出现白色过滤器时都将触发)。此外，如果过滤器转轮的红色/绿色/蓝色/白色分段尺寸不等时，多个触发事件将延续不同的持续时间。
我们引入了只有当所有这三个光电检测器801同等照明(表示存在白光)时才触发的异或(XOR)电路803。这样，无需对过滤器转轮电路进行修改就可以确定所有过滤器转轮分段的准确位置和持续时间。应该记住，正如上面所讨论的那样，滤色器转轮以帧速率整数倍的速率旋转，并且在将信号转送到相位/频率检测器之前，将适当的分配电路(未示出)与XOR电路的输出端耦接。这种方案适用于过滤器转轮上任意尺寸的颜色分段。通过跟踪包括白色在内的每个颜色分段的准确位置和持续时间，可以更精确地使偏振过滤器转轮806(或其它立体效果元件)与滤色器转轮同步，并且即使使用了较高速过滤器转轮，也可以保持同步。在立体效果投影期间可以校正色轮平衡中的误差(例如，尺寸与蓝色分段不相同的红色分段)。本发明使我们可以检测包括白色在内的任何滤色器分段的位置和尺寸/持续时间；借助于这个信息，我们可以控制偏振转轮806(或类似立体效果元件)的位置，使其在频率和相位上与任何所需滤色器转轮分段同步。
为了验证特定颜色分段的持续时间、分段的个数、非标准颜色分段、和每帧旋转次数等，可以有利地实现来自每个颜色光电检测器的各自输出。
抗噪声光编码器为了帮助保持相位和频率同步，通过避免杂光或过滤器转轮上的其它污点引起的假检测，可以使测速计传感器更精确地工作。通过将编码(加密)脉冲串源和检测器加入测速计传感器中，将过滤掉入射在光传感器上产生假触发的杂光。
可以用相对低数据速率(几百kHz或更小)的信号(譬如，从机载振荡器中取出的正弦波)调制红外发光二极管(LED)发射器，而不是不作这一改进地保持不调制。可以使红外接收器滤波电路调谐到只接受落在这个信号的通带范围内的信号。在这种方案中，只在检测到发射器调制的情况下登记有效传感器信号，从而杂光不产生假传感器信号。这可以利用简单电容性带通滤波电路来完成，简单电容性带通滤波电路的通带集中在机载电子振荡器的中心频率上，并且它的带宽窄到足以避免这个振荡器频率的谐波通过(通常在几十kHz以下就足够了)。图9图解了如上所述的在图7的标准测速计传感器配置基础之上的这种简单改进。正如上面参照图8所述的那样，LED 902和光敏检测器901布置在过滤器转轮905的附近。另外，低频振荡器904与LED耦接，以使它发出要经过带通滤波器903过滤的预选可检测数据。这样，可以过滤掉要不然可能引起测速计传感器假触发的不希望有的杂光。只有过滤器转轮标记引起的位流合法中断才会触发测速计传感器脉冲。
在这种方案中，只在检测到LED发射器调制信号的情况下登记来自旋转转轮的有效传感器信号。如果来自另一个光源的杂光照射在接收器上，所得信号将落在接收器滤波电路的通带之外，因此不被检测。这样，杂光将不产生假传感器信号。预计这种方法将旋转转轮测量的信噪比提高3dB或更多。这种方案也可推广到多传感器情况，譬如，用于区分滤色器转轮位置的那些。事实上，倘若它们使用的调制信号在任何一个接收器滤波器上都不重叠，同一投影仪中的多个旋转元件可以同时使用这种方案。例如，可以用两个分立调制频率来驱动两个LED，其中，第一LED测量滤色器转轮的旋转速度，而第二LED测量立体效果转轮的旋转速度。只要两个接收器电路可以区分两个LED调制频率，两个LED就不会相互干扰。可以将这种方案推广到单个成像系统中的任意个旋转元件。
参照图10，示范性测速计传感器实现1004在过滤器转轮1005的一侧将LED用作光源1001，而在过滤器转轮的另一侧使用光敏二极管1003。过滤器转轮上的标记1007在输出端1006对过滤器转轮的每一圈触发来自光电检测器1003的输出脉冲，而该输出脉冲耦接到上述“n份分配”电路。优选实施例包含位流验证电路1002，它生成微处理器1002通过检测重复16或24位序列而验证的可识别且可重复16位或20位模式(这个数字不是本发明的关键所在，只要它大到足以避免假触发，即避免投影仪环境下的随机光噪声重复该位模式即可)。这种实现不是本实施例必需的，但对避免假触发有用处。
编码位流几百kHz的传输速率和过滤器转轮上盘圆周大约2-3度的标记足以中断位流中的数千个编码并发送的位，因此，与可能出现在过滤器转轮上的其它随机妨碍物例如灰尘不同，为验证标记的检测提供了高度可靠的目标，其中，对于85Hz视频信号，四方位(four-aspect)盘以大约21.5Hz的速率旋转。从这些设计点出发的变体只是不偏离本发明实施例的精神的设计选择。
电子仪器的通用立体式触发外设包括苹果公司的MacintoshTM个人计算机在内的许多PC具有在3D模式下运行的能力，其中，3D应用程序编程接口(“API”)(例如，OpenGLTMAPI或微软公司的Direct3DTMAPI)借助于3D模式例示两个摄像机对象。PC要求设备驱动器触发外部设备(譬如，上述的快门眼镜)以阻止一只眼睛视图或另一只眼睛视图。上面我们已将这种触发称为“翻页信号”和“同步信号”。与用于生成3D图像对的软件一样，这些API技术是一种工业标准。我们的发明可以容易地与这些标准接口一起使用，也允许使用无源眼镜和单投影源，以便在这些系统上实现立体式投影。这些还允许用户改变计算机上的视频卡的输出频率，包括翻页信号。这使更宽范围的计算机和投影仪都可以利用本发明。另外，允许使用翻页立体图像驱动器的软件将使本发明得到更广泛应用，譬如，应用于全动感数字视频。
标准视频游戏平台含有连接外围设备的USB、或其它工业标准连接器接口。根据当前的实现，配备了与游戏平台USB总线连接的硬件，并且该硬件在适合与立体效果成像/投影系统连接的输出端上提供同步信号。这个硬件可以包括在一侧具有USB连接器接口而在另一端具有电子连线的电子电路，它将兼容信号提供给外围设备(许多类型的连接器都可以满足这个要求，例如，具有纵向对齐键的三脚设备)。
换句话说，本发明包括容纳与含有USB端口的视频游戏平台和用本文所述的立体式投影装置实现的3D电视耦接的部件的外壳。本发明可用于转换游戏平台信号，以便以3D形式显示它们。本发明对PC或DVD播放器的输出起作用，也可以修改成对许多个视频游戏平台起作用。同步信号可以利用本发明的一个方面从视频游戏USB接口中提取。然后，可以在与有3D能力的电视连接的标准三脚输出连接器上缓冲输出游戏平台视频信号，以提供视频和同步信号。
可选认证I2C盒可以控制哪些游戏提供者可以获得3D显示能力。驱动所有游戏平台的软件是3D兼容的，但未提供自动3D能力，因为这些游戏不提供交换眼睛视图的翻页信号，尽管它们能够提供立体视频输出。视频游戏盒内部生成同步信号(即，翻页信号)，本发明允许USB堆栈例示旗语以查看视频引擎，并且当存在同步信号时提供指示。因此，本发明的一个方面是访问USB堆栈以提取同步信号(关闭USB端口)。有关左/右眼视图的信息可通过USB端口访问，并修改USB信号堆栈来提取所需信号。
本发明适用于任何串行型端口(firewire、CAN、SM总线、I2C、vaporwire)和任何外围扩充总线。通过利用本发明的一个方面，使视频游戏操作系统能够例示视频引擎中具有观察器的设备驱动器，以直接与下至硬件并通过USB端口的USB堆栈通信。
这种方案显示在图11中。在优选实施例中，我们从USB接口1108上的视频输出中提取(1103)游戏平台1101的定时信号1109，将其缓冲和放大(1104)，并将它改道发送到引向成像设备(例如，后投影的基于DLP的电视)1106的立体效果触发输出端1107。可选地，我们可以使用电子滤波，以利用可用在电子设计中的标准方法移去不希望有的噪声或其它信号成分。可以通过USB集线器111将视频信号分解成多个输出1105，以便一个游戏平台可以驱动几个显示器，或可以选择由游戏平台驱动哪个显示器，或简单地取代游戏控制台上的USB端口1108，以便能够使用其它USB设备，例如，游戏控制器。通过与例如DLP投影仪系统连接的常用电缆将输入视频数据流1112从游戏平台发送到3D TV。
参照图12，在1201上图解了游戏平台的相关内部构件，游戏平台的相关内部构件主要包括主控制器驱动器、USB主驱动器、USB类驱动器、操作系统、和视频子系统。本实施例在图12中被表示成USB设备1210，其在1207上输出提取的同步信号。用于本实施例的软件设备驱动器1113通过经USB堆栈与视频子系统通信将翻页信号发送出USB端口，来使能立体式显示模式。这被认为是未分类USB设备和需要专门驱动器。当将立体式投影适配器插入USB端口中时，驱动器被激活，开始通过操作系统查看视频子系统状态，譬如，指示正在发送左眼视图还是右眼视图的vsync和立体页面寄存器，从中提取同步脉冲数据，并在图11中标成1108的USB输出端上输出同步脉冲。驱动器在提取同步脉冲的同时，激活游戏系统的立体式输出能力，以便与同步脉冲一起通过USB端口输出标准游戏系统多立体式图像流。
同样重要的是，当缓冲信号时，我们的发明可以实施对附接设备的认证(例如，利用I2C接口或类似方法)。例如，当前，I2C用作当将可插电子部件插入插座时进行认证的工业标准接口。在可插设备和插座之间存在电子信号的简单交换，该电子信号可以包括诸如可插设备的零件号、制造者等的信息。根据I2C标准，如果部件来自已许可的源，则允许它与系统的其余部分连接，否则，禁用它。
这种方案可以用于只允许所选设备附加在立体效果系统上(例如，只有来自合格销售商、或来自已知兼容技术的游戏平台)。在本发明中通过I2C接口提供许可，并且只向同意提供兼容部件或发放平台使用许可证的那些外设制造商公开许可。不是来自授权源的部件不允许与系统连接。I2C接口的信号交换协议被整理成完善的文档，例如，通过在“semiconductors.philips.com/acrobat_download/literature/9398/39340011.pdf”上将任意万维网浏览器指向环球网，参阅RoyalPhillips网站，其可以用作所需类型的认证的例子。
可替代地，可以用模拟VGA电视端口作为我们发明的接口，且可以通过这个接口实施认证。也可以将认证用于实施其它标准，例如，通过控制游戏玩耍平台与游戏开发平台的附接。尤其，PlayStationTM通过发布其可以创建和测试新游戏的控制台版本，使开放源开发成为可能。在三维游戏的开发期间，就像可以利用我们的发明完成的那样，可能期望动态地启用或禁用立体效果接口。图11图解了与同步信号输出端合并在一起的可选触发(toggle)功能。由于许多游戏平台也起DVD播放器的作用，当在游戏平台上播放DVD时，本发明也可用于控制对立体效果特征的访问(例如，如有需要，启用或禁用这些特征)。
当前，PC生成的立体VGA数据流是模拟信号，带宽为大约300MHz(或每个2D图像为大约150MHz)，这可以分解如下(1024×768×4个位×1个字节/8个位)×120Hz更新速率＝279,429,120个字节每秒到达视频卡上的RAMDAC存储器(大多数视频卡伴随着300MHz RAMDAC，且可以从大约120Hz(或每只眼睛视图60Hz)的处理中获得可接受视频)。显然，随着视频图像和光学技术不断进步，这些数字将发生改变，但是，本发明的利用仍然是适用。
参照图13，图13图解了通过编程代码1113实现的本实施例的方法。当将USB(或像它那样的任何总线设备)设备插入游戏平台USB端口中时，为其指定唯一ID。这被称为枚举，而本实施例的第1步骤1301确定设备是否已被枚举。一旦插入，设备就通告它在那里且想要一个地址，它还告诉USB集线器它的功率要求(在USB堆栈授予更多之前，只允许USB设备使用100mA)。
接着，在1302中，在已经插入和枚举设备之后，当设备作好使用准备时，驱动器将也许以1KHz数量级或更高的极高速率，轮询视频设备驱动器、或vsync寄存器、或视频地址空间，来查看正在显示左页还是右页。视频驱动器通告这个结果，而轮询是获取这个信息的一种方法。同时，设备驱动器自动向游戏平台发信号，以进入翻页立体模式，开始在多个图像流中发送两种图像视图。当在1303中检测到翻页信号时，触发输出端(1304)，以发送与检测到的翻页信号相对应的同步脉冲。可替代方法利用了视频子系统在它输出的垂直同步信号上生成中断。可以让USB驱动器知道这种中断，且USB驱动器可以将代码附在上面，以便只对垂直同步脉冲轮询。这样就更有效，因为翻页显然总是出现在垂直同步脉冲中。然后，通过输出端(在本例中，通过三脚立体输出端)提供以这种方式从翻页平台中检测(1303)到的同步信号。
多偏振过滤器本发明的另一个实施例可操作以在投影仪未处在3D或立体模式下时，增加立体式投影仪硬件的光输出。当关闭3D模式时，立体式投影仪视频数据绕过立体投影仪装置3D电路，而由DLP投影仪装置以2D模式直接投影。在投影仪市场中，为更高的亮度支付了额外费用，当希望以最佳亮度观看正常内容时，这往往阻碍人们使用立体投影仪。其理由是，如果实现偏振器的当前投影仪未与传输轴对齐，它们就通过吸收使光束衰减。这种影响可以通过使用更高的照明，譬如，通过控制灯泡电流/电压以便在更高功率下工作和当处在立体模式下时产生更多的光来降低。但是，这降低了灯泡的寿命和可靠性、浪费了能量，且需要一些附加灯泡控制硬件。期望当系统未在立体模式下工作时，无需改变灯泡亮度就可以提高图像亮度。
参照图14A，图14A图解了多偏振器实施例的实现。使多个相位锁定的转轮在相位上与可操作以控制复合转轮组的相位和频率的更高级系统1400锁定。这个实现系统并行地利用了两个如前所述的3D电路。第一和第二立体式投影系统(“SPA”)1401和1402中的每一个并行与分立偏振器转轮1409耦接。这些立体式投影系统中的每一个都包含相位/频率检测器、环路滤波器、电机控制器、和n份分配电路，所有这些都在上面参照图3A作过详细描述。这些立体式投影系统中的每一个都接收来自与它们各自的偏振器转轮耦接的测速计传感器1408的测速计信号和来自场转换器1403的翻页信号，其中场转换器1403直接与SPA1 1401耦接，并通过反相器1405与SPA2 1402耦接。正如上面结合图3A所述的那样，将视频流输入1404并行地提供给DLP投影仪1406和场连接器1403两者。反相器的使用假设了测速计传感器有效地处在每个过滤器转轮上的相同位置。这个反相器的使用是可选的，且必须在对处在每个过滤器转轮上的测速计传感器标记的位置加以考虑之后作出选择。如果标记在过滤器转轮上处在这样的位置，且测速计传感器也适当地位于圆周位置上，使得当转轮相对于它们清晰且偏振区域有180°异相时触发测速计传感器，那么，就不需要反相器。每个SPA电机控制器据此控制相应电机1407，以便偏振转轮之一当中的偏振分段总是处在DLP投影仪1406投影的投影图像1410的路径中。当除去立体同步信号时，投影仪固件将在透明状态下实施对准。
参照图14B，图14B图解了操作这种实现的方法。在步骤1451中，系统确定3D立体模式是否已激活。如果是，那么，在步骤1452和1453中，如下面讨论的那样，激活两个立体式投影电路。如果在步骤1451中，系统确定3D立体模式未激活，那么，在步骤1454和1455中，系统固件(可选地，电机控制器的一部分)将指引电机控制器在投影光束路径中对准清晰分段，以便将这两个分段“停放”在使投影图像的亮度最大的位置中。因此，过滤器转轮上标记的所选位置和测速计传感器的圆周位置必须这样定位当停放好过滤器转轮时，转轮标记直接停留在传感器LED路径中，且过滤器转轮的清晰分段处在投影仪的光束路径中。在电机控制器中实现的、经过适当编程的公知电机控制固件将利用这样的定位进行校正操作。
使用与视频信号相位锁定地旋转的单个偏振器总是使光线衰减，即使在不需要偏振器或偏振器未激活时，譬如，当观看非立体内容时也如此。因此，参照图14C，这个问题可以利用两个或更多个旋转偏振过滤器转轮1456来解决，每个旋转偏振过滤器转轮1456包含清晰部分1458、和偏振部分1457，或换句话说，由整数倍个偏振和清晰分段组成。过滤器转轮的偏振部分被偏振成相互正交，以便当它们交替过滤投影光束时，正交地(90°偏移)交替偏振它—一个用于左眼而另一个用于右眼。通过用分立电机驱动每个过滤器转轮，当不希望3D操作时，可以使过滤器转轮停放在两个透明分段在投影仪光束路径1459中重叠在一起的位置中，从而消除了与单个偏振器系统相联系的光束衰减问题。在立体式显示模式期间，对于每个转轮包含单个偏振分段和单个清晰分段的情况，转轮将相互180°异相地旋转，使得转轮之一的一个偏振分段总是处在光输出流1459的前面。转轮的旋转方向在这个实现中并不重要。
周期性加速和减速的信号合成器如图3A所示并进行了描述的本发明实施例可以通过更准确地控制过滤器转轮的旋转而得到改进。由于过滤器转轮包含对于产生3D效果更有效的区域，对于转轮上位于最可取的偏振区域之间的那些部分，可以增大角旋转。当中间区域处在光投影路径中，即，它们正在过滤投影图像时，可以提高转轮速度，以缩短中间区域处在投影光源前面的持续时间。这会使转轮上期望偏振的区域以期望的偏振角在较长持续时间内过滤投影图像。这在图15C中示出，图15C图解了过滤器转轮1550和上面包含四个期望的偏振状态的区域1530，这些区域1530被标成左“L”或右“R”区域，其中，偏振角是0°、90°、180°或270°。最好，当这些区域1530处在图像投影路径中时，即，当它们正在过滤投影图像时，转轮旋转得较慢，而在这些区域之间的区域1540，过滤器转轮旋转得较快。
参照图15A-C，这种性能可以通过让电机驱动放大器1504受双极截断指数误差或扰动信号支配而实现，双极截断指数误差或扰动信号可以按如下生成并施加给电机。参照图16，图16图解了生成施加给过滤器转轮驱动电机的干扰或“误差”信号的、基于ROM的频率自适应干扰合成器。本领域的普通技术人员可以容易地认识到，这样的波形也可以利用泰勒级数、矩阵运算、三角函数、对数、和其它数学方法实时计算。在图16中，干扰合成器1603从1601上的测速计传感器、和波形ROM 1605中取得输入，例如，DAC中的数据阵列，并且干扰合成器1603包括正向分配器，其输入1602依赖于旋转过滤器转轮的特性，譬如，RPM和配备在转轮中的方位的个数。期望的输出干扰信号从存储在存储器中的查用表中获得，例如，波形ROM 1605可以用作存储相当于单个周期的数据(譬如，显示在1611上的2π弧度波形)的触发引擎。
在这种设计中，从测速计传感器输出并在1601上接收的过滤器转轮的速度决定对ROM单个周期数据加索引的速度。分配比从每个转轮的偏振状态的个数(例如，4)得出。因此，如果ROM存储的输出是2π弧度，那么，对于每个测速计信号脉冲，正向分配比是1。这是图16的例子，其中，存储的ROM表1605将包含显示在1611上的输出。干扰合成器本身调整幅度和频率，以产生经过调整的实际输出1606。
这个干扰信号具有对于本发明适当工作来说为基本要素的两个重要特性这个信号与相位和频率锁定的系统中的相位和频率基准同步；且对于相位锁定不重要的系统，信号在频率上同步。换句话说，信号相对于旋转光设备是循环稳定的。这种创造性改进被实现成类伺服电机控制系统，从而对速度和位置加以控制，以实现速度的这种周期性变化。对于本领域的普通技术人员，显然，用模拟电路、(像数字信号处理器、微处理器、微控制器、分立逻辑电路和半导体器件那样的)数字控制设备、软件、固件、或它们的任何组合可以容易地实现这样的控制器。在这种技术中需要观察一些实际考虑事项。在电机逐渐慢下来的情况下，储存在旋转物质中的能量被转换成驱动放大器中的热量，或重新回到电源，在那里，它将提升电源干线电压或耗散成热量。
参照图17，存储在ROM中的波形数据可以根据诸如转动惯量、电机转矩等的系统性能和特性一次性计算出来，然后，在如下的方程中用常数值k代表它。计算双极截断指数驱动函数的方程是例如，对于0到π为ke-x，而对于π到2π为-ke-x，得出如图17所示的波形，然后，针对作为基于相移容差的函数计算的度数的带截断它。将可用相位余量除以提供如图所示的最小消隐期的过滤器转轮中的方位位置的个数。如果消隐期不充分截断干扰信号，则与反馈控制的干扰可能会引起不希望有的不稳定。
进一步的实现细节和所得性能改善在图15A-C中示出。参照这些图形，电机1506通常由放大器1504的输出电压驱动。按照基本控制理论，这个放大器通常具有用于设置由典型视频信号公用更新速率决定的静态工作点或空转速度的基准输入信号1510，在这个实现中，它是在上面针对图4的讨论中所述的2.5V，其中，供应的电压是5V和0V。命令输入信号1511控制相对于基准的偏离。如上所述，在图15A中表示成D(s)1503合成干扰信号，并将其与来自如上所述的环路滤波器1505的正常电机控制输出一起施加在放大器输入端之一1511上。如图15B所示且如上所述的干扰信号与正常电机控制信号一起被施加，并扰动电机控制信号，使得电机以如图15B的转轮速度曲线所示且如上所述的规定方式周期性地加速和减速。随着如上所述从测速计传感器接收到触发信号，提供给干扰合成器的触发信号1502由相位/频率1501提供。在所示的图形中，干扰信号是双极截断指数，但是，本领域的普通技术人员应该认识到，这个信号可以是锯齿形、正弦曲线、斜坡形、或适当合成器供应的任意信号，只要它与电机转矩常数、和转动惯量相关即可。
在电机正在加速的情况下，放大器将能量供应给电机，以在给定间隔内将旋转物质加速到所需速度。在每一种情况中，通过向电机放大器提供足够去耦电容量可以减轻电源干扰(电容器的1/2C×V2对1/2质量×角速度2)。如果所述系统由非理想部件组成，则这个电容量可以是系统的重要性能元素。
使光机过滤器与一系列视频同步脉冲同步本发明的另一个优选实施例可操作以使用于控制图像投影系统中的光学过滤器元件的旋转或线性/角致动机构同步。旋转机电机构的一个例子是无刷DC旋转器，但这样的实施例只是一个例子，权利要求书不只局限于这样的实施例。可以用于在成像系统内定位光学过滤器或偏振器的机电实施例的其它例子包括永久磁体同步设备、无传感器BLDC、开关磁阻、机械整流电机、AC感应、同步AC感应、和场偏转伺服装置，以及对于本领域的普通技术人员显而易见的其它机电系统。同步是指与从与工业标准视频信令和编码系统兼容的模拟或数字视频源中导出的一系列脉冲、或这些脉冲的衍生物同步。
这种同步通过对在图3A中介绍的发明加以改进来完成，并且尽管纯硬件或软件实现也是可行的，但优选用固件实现。这种系统提供足够的相位和频率响应；但是，对于固有转动惯量大的系统，利用这种方法往往难以达到性能要求标准。明白地说，大型机械致动器可能需要迅速加速或减速。如果这样的机器具有足够大的惯性，将出现本实施例需要克服的两个基本问题。第一个问题是，根据系统动力学，发生这种改变可能需要花费长得不切实际的时间。引起的第二个问题是，为了迅速做到这一点，需要消耗大量能量。这可以转换成高的环路增益，而高的环路增益将引起过分的噪声敏感性、减小的相位余量、和伴随着的稳定性潜在丧失。
图18图解了本发明的这种优选实施例的系统实现。与图3A的系统类似，图18的实现包括通过切换器1801进入系统的立体式视频数据，其中，场转换器1802提取同步信号或翻页信号1820，并将其转送到包含电机控制程序逻辑1850的电机控制器1805。步进电机1807(如图19A及相应描述所给出的例子)与主轴1808耦接，而主轴1808进而使过滤器转轮1806旋转。这个实施例中的过滤器转轮包含四个标记1812和两个测速计传感器1811和1815，如下面更详细说明的那样，测速计传感器1811和1815中的每一个都能够检测相对的一对标记1812。来自相应测速计传感器1811和1815的测速计传感器信号1830和1840被电机控制器1805接收，电机控制器1805通过内部编程1850使示范在图19B中的步进电机波形驱动信号与翻页信号同步，以便过滤器转轮1806的偏振状态1832暂停在DLP投影仪1809的图像投影路径1833中。DLP投影仪投影通过切换器1801接收的视频数据1831。这个优选实施例不需要前面参照图3A的系统描述的相位/频率检测器、环路滤波器、或n份分配电路。
图19A图解了步进角为45°的永久磁体步进电机1904，永久磁体步进电机1904具有四条定子腿1901，定子腿1901含有绕组1905，当通过将电压施加在绕组1905上而依次向其供应能量时，其感应标有南北极的转子1902的旋转。传统可编程正交驱动波形显示在图19B中，当编号为1-8的步进电压波形施加在相应编号绕组端子上时，它们将感应转子1902连续静态旋转。在这个示范性实施例(为了便于描述)中，每一步都将感应步进转矩并使转子转动45°。随着定子腿的相应增加，许多电机设备都可在15、7.5、3.6、1.8等的步进度数下适用，这在我们的实施例中可以容易地得到实现，完全可以认为在本发明的范围之内。通过实现图19B中示出的空转功能，即使在缺乏相位/频率基准的情况下，系统也将在加电事件期间达到静态速度。在任何时刻，图19B的电压波形表示的DC电压都保持不变，且电机受感应保持转矩牵引。
参照图20A，图20A图解了根据本发明这个优选实施例的带标记偏振过滤器转轮2002。过滤器转轮包含多个标记，例如，标记2006和标记2005，标记2006是转轮上基本上相隔180°设置的一对标记，标记2005在过滤器转轮上基本上也相隔180°，每对标记彼此相隔90°。标记2006是这样设置在上面的，它们处在相同的径向路径上，但与标记2005的径向路径分开。在图20A的例子中，标记2006处在与过滤器转轮的边缘较接近的径向路径上。左传感器2001和右传感器2003基本上与上述的测速计传感器相似，它们位于基本上相隔90°的位置上，以分别检测它们相应的两个标记2005和2006，但不检测与另一个传感器相对应的标记。
参照图20B，图20B图解了通过左右测速计传感器2001和2003实现的测速计传感器电路。盘2002在发光半导体2010(例如，LED)与光敏晶体管2011之间旋转，其中，盘标记2005能够阻挡LED 2010发射的光2016。当光被阻挡时，晶体管2011关断，在输出端2012上将逻辑高信号发送到电机控制器1805。光敏晶体管2011与地2015耦接，且如图所示，通过电阻2014与电压源2013耦接。类似地，LED 2010与地耦接，且通过电阻由电压加电。
参照图21，图21图解了与翻页信号2101和图20A的旋转偏振过滤器的位置同步的示范性控制波形2104，用于在投影图像数据的路径中在其四个正交偏振状态2004的每一个下暂停旋转过滤器。为了使描述简单起见，与在图19A-B的实现中所示的八个波形相比，只为电机步进脉冲2104示出了一个控制波形。通过推广，本领域的普通技术人员可以容易地将如下的描述应用于含有任何数量的定子腿的任何规格的步进电机。在示范性波形2104中，图解了使过滤器转轮前进到期望的偏振方位所需的四个电机驱动脉冲2107。由于在图20A的过滤器转轮实现中这些方位相隔90°，所以这些电机驱动脉冲表示目标驱动电机是22.5°步进电机。
参照图21，左偏振器有效(“高”)2102表示当戴着如上所述的无源眼镜时，不阻挡观看者的左眼视图，以便看到投影图像，而右眼过滤器转轮偏振与戴着无源眼镜的观看者的右侧眼镜偏振正交，从而阻挡了他的右眼视图。右偏振器有效(“高”)2103表示当戴着如上所述的无源眼镜时，不阻挡观看者的右眼视图，以便看到投影图像，而左眼过滤器转轮偏振与戴着无源眼镜的观看者的左侧眼镜偏振正交，从而阻止了他的左眼视图。简而言之，当左或右传感器检测到它的相应标记时，步进电机停止一段时间，下面将作更详细描述。
翻页信号2101输入电机控制器中，它包含电机控制器逻辑驱动过滤器转轮的基准。翻页信号的高状态2106和低状态2105中的每一个对应于投影仪发送的左或右眼视图。在本示范性实施例中，正如参照图3B的讨论所述的那样，我们用逻辑高2106表示右眼数据。在分别来自左右传感器2102和2103的接收信号中，高电压电平对应于检测标记的传感器。这些是过滤器转轮暂停的时间间隔，因为过滤器转轮相对于投影图像束呈现的偏振状态处在与观看者眼镜中的一个透镜的偏振角正交的期望偏振角上。示范性电机驱动信号2104表示由于在任何一个传感器检测状态(“高”)期间没有驱动脉冲而导致的暂停。对于左偏振器传感器“有效”信号，间隔2108表示驱动电压的暂停，从而使电机在那个间隔内停止。对于右偏振器传感器“有效”信号，间隔2109表示驱动电压的暂停，从而使电机在那个间隔内停止。只要图18的投影实现在运行，这些控制信号和脉冲就无限地延续下去。正如下面更全面描述的那样，这些脉冲是响应电机控制器中的编程电机控制逻辑1850生成的。
参照图22，图22图解了根据本发明优选方法的电机控制逻辑编程1850的流程图。在初始化之后，在2201中确定翻页信号的状态。如果翻页信号是低，表示在输入视频数据中存在左眼视图数据，那么，程序转移到2202，检查左传感器的状态，而如果翻页信号是高，表示在输入视频数据中存在右眼视图数据，那么，程序转移到2207，检查右传感器的状态。如果翻页信号是低，那么，在步骤2203中，检查左传感器，看看左传感器是否在过滤器转轮上检测到左标记，例如，左传感器是否是可用逻辑高电平表示的“有效”。如果未检测到标记，即，左传感器不“有效”，那么，与在2107中发送一个电机步进脉冲(总共示出四个脉冲)相对应，在2205中使电机前进一步，并在步骤2201中再次检查翻页信号的状态。如果实现图19A中步长为45°的电机，那么，在这种状况下，通过该算法循环两次将使电机前进大约90°。
如果在2202中检查左传感器之后，在步骤2203中检测到标记，那么，在步骤2204中，使电机停止，因为检测到的标记表示过滤器转轮处在正确有效的正交偏振位置，并在步骤2201中，再次检查翻页信号的状态。(这也用图21的电机步进波形2104表示，其中，当传感器处在“有效”位置时，电压在保持电平上)。在标记出现在左传感器中的持续时间内维持这个保持位置，这可以通过编程算法循环许多次。
如果在步骤2201中，翻页信号是高，那么，在步骤2207中，检查右传感器，看看右传感器是否在过滤器转轮上检测到右标记，例如，右传感器是否是可用逻辑高电平表示的“有效”。如果在步骤2208中未检测到标记，即，左传感器不“有效”，那么，与在2107中发送一个电机步进脉冲相对应，在2210中使电机前进一步，并在步骤2201中再次检查翻页信号的状态。如果实现图19A中步长为45°的电机，那么，在这种状况下，通过该算法循环两次将使电机前进大约90°。
如果在2207中检查右传感器之后，在步骤2208中检测到标记，那么，在步骤2209中，使电机停止，因为检测到的标记表示过滤器转轮处在正确有效的正交偏振位置，并在步骤2201中，再次检查翻页信号的状态。(这也用图21的电机步进波形2104表示，其中，当传感器处在“有效”位置时，电压在保持电平上)。在标记出现在右传感器中的持续时间内维持这个保持位置，这可以通过编程算法循环许多次。
本发明的优点我们的发明可以在具有一个、两个、或三个数字反射镜设备(“DMD”)的投影系统上起作用，其中，更多的设备用于提高颜色对比度和分辨率。我们的发明允许将第二旋转偏振器放在投影仪的外面。这样，可以对任何现有投影仪加以改进来提供3D效果。除了别的之外，我们的发明还包括提供旋转偏振器和投影仪信号之间的频率和相位锁定、或处理隔行扫描或帧顺序视频的能力的一个实施例。隔行扫描没有闪烁，但隔行扫描轴上的分辨率降低一半。帧顺序存在一些闪烁，但沿着两个轴都维持完全的分辨率。
我们的发明的另一个实施例实现了四级反馈控制环路和电路设计，它为DMD信号和旋转偏振器之间的频率/相位同步提供了四个独特锁定和捕获点。在反馈控制电路的根轨迹上存在四个稳定点。这保证了提供频率/相位同步的反馈环路的稳定性。对于本领域的普通技术人员来说，显而易见，可以对我们的四级控制系统加以修改，这基本上不会改变本发明的基础。
我们的发明只要求单片线性偏振材料，而不是偏振分段。我们的发明包括使偏振转轮以与DMD信号或过滤器转轮不同的速率旋转的能力，这为调整DMD信号(例如，调节相邻像素之间的平滑化)或为提高系统分辨率(例如，通过引入DMD和偏振器信号之间的频率或相位偏移)提供另一个控制变数。
我们的发明包括能够100％区分两个偏振状态的实施例，我们已经通过实验验证了这一点。这之所以成为可能，是因为只使用了单个偏振薄片。由于我们的发明不要求对投影仪过滤器转轮(它是以数千RPM或更高旋转的精确平衡部件)加以修改，使得非常容易以低成本实现。此外，我们的发明可以使偏振转轮以比过滤器转轮低得多的速度旋转，这简化了系统机械设计并提高了可靠性。此外，我们的发明允许旋转偏振元件的速度发生变化，使它们在旋转循环内的一些点上移动得较快而在其它点上移动得较慢，从而几乎消除了图像中的色斑和闪烁。
可替代实施例应该认识到，尽管本文为了例示的目的已经描述了本发明的特定实施例，但可以作出各种各样的修改而不偏离本发明的精神和范围。尤其是，在一个实施例中，本发明通过在各种角度上可控制地加速和减速一体或分立的旋转盘的旋转，解决了如上所述的问题。利用步进电机，可以在任意时间周期内将旋转元件固定在产生左右眼图像的完全分离的那些位置(即，透射轴与观看者眼镜中的左或右眼过滤器对准的那些位置)上。取决于偏振转轮和观看眼镜的设计，这可以出现在旋转转轮上的几个不同位置上。另一个实施例可以利用在3D立体式投影装置关闭期间维持过滤器转轮的静态旋转速度的特点，从而避免了在电机达到满意工作速度之前通常需要的斜坡上升延迟。又一个实施例提供了修改携带3D信号的输入标准ATSC电视信号以便可与当前立体式投影装置一起操作的装置。因此，本发明的保护范围只受所附权利要求书及其等同物的限制。
权利要求
1.一种方法，包括以下步骤将光发射器指向光检测器，包括使其间的过滤器转轮旋转，其中，过滤器转轮包括布置在其上的标记；用一旦被光检测器检测到就加以解码的已编码可检测位流驱动光发射器；和验证检测到的编码位流中的中断是否是由中断来自光发射器的光以避免使其在光检测器上被接收到的标记引起的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，将光发射器指向光检测器的步骤包括提供LED和提供光敏晶体管的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，驱动光发射器的步骤包括以至少比过滤器转轮的旋转速率大大约一个数量级的位流数据速率驱动光发射器的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，验证步骤包括监视检测到的位流并测量检测到的位流中的中断是否是编码位模式至少出现大约五十次的步骤。
5.一种3D立体式投影装置，包括输入端，用于接收立体式图像数据，立体式图像数据包括与图像数据中的图像流相对应的同步信号；数字光投影仪，用于投影立体式图像数据；电机驱动的旋转过滤器，其上布置有标记，且位于投影立体式图像数据的路径中，用于分别地偏振立体式图像数据中的图像流；与输入端耦接的电机驱动电路，用于接收同步信号并使过滤器的旋转与同步信号同步；和测速计传感器，包含与旋转过滤器耦接的光发射器和检测器，用于检测标记并输出指示已检测到标记的标记信号。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，测速计传感器进一步包括与光发射器耦接的位流发生器，用于对光发射器的光传输进行编码。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，位流发生器包括用于检测已编码的光传输的位流验证器。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，位流验证器包括标记验证器，用于对位流中与被标记中断的数量相对应的丢失位的数量计数。
9.一种检测并验证盘的旋转的方法，包括以下步骤在盘上布置光可检测标记；和提供光传输和检测系统，以在盘的每一圈旋转期间至少检测一次标记。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括将光传输和检测系统与位流发生器耦接、以对光传输和检测系统的传输进行编码的步骤。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括将光传输和检测系统与位流发生器耦接、以对光传输和检测系统的光学传输进行编码、并检测已编码的光学传输的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括验证对标记进行检测的步骤，该步骤包括确定位流中的中断位的数量的步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括用位流对光学传输进行编码，该位流具有重复位模式长度以使得到达光传输和检测系统的随机光学噪声基本上不会冒充该位模式。
14.根据权利要求12所述的方法，进一步包括选择标记的大小，以便能够至少中断位流中的大约50个位。
全文摘要
一种与接收器电子设备上的位流过滤器相结合的立体式投影系统中的光学传感器使用的红外光源的位流调制方法和装置。
文档编号G03B35/20GK1988674SQ200610135520
公开日2007年6月27日 申请日期2006年10月16日 优先权日2005年12月21日
发明者蒂莫西·M.·特里菲罗, 卡斯莫·M.·德库萨蒂斯 申请人:国际商业机器公司