立体三维显示器与二维显示器的投影装置与方法

专利名称：立体三维显示器与二维显示器的投影装置与方法
技术领域：
本发明有关一种图像投影装置与方法，特别有关一种适合用于立体三维显示器(volumetric 3D display)以显示彩色或灰阶的立体三维图像的图像投影装置与方法。
(2)背景技术立体三维显示器是一种能将三维图像显示于空间中的技术。所谓立体三维图像(volumetric 3D image)，其图像的每一个像素(voxel)在空间中实际所占的位置就是其几何上所应在的位置，每一个像素所发出的光线射向几乎所有方向，并在观察者的眼中形成实象。因此，观察者可以从几乎任何方向观看此立体三维图像，毋须借助任何特殊眼镜。多位观察者可以围绕显像空间，从不同方向观看同一立体图像。例如，美国专利5,754,147及5,954,414号[Tsao et al.1998；Tsao1999]叙述了一种立体三维显示器，其基本原理为使用一投影装置投出一连串图像画面，然后通过一『图像传递机构』传递到一移动屏幕上显示出来。
屏幕的运动于是将投影其上的一张张图像画面分布显示于空间中。因视觉暂留效果，这些分布于空间中的一张张图像画面便在观察者眼中形成立体三维图像。除了立体三维显示器，本发明也可用于二维显示器，例如二维图像的投影显示，以及用于光相关器(optical correlator)所需的高画面率(high frame rate)显示器。
许多空间光调节器本身没有彩色或灰阶。以液晶显示器(LCD)为例，是以像素单元(pixel cell)中的液晶分子的排列方向来调节通过的或反射的光量。因此，液晶显示器只能显示黑白或灰阶图像，而没有彩色。要使用液晶显示器显示彩色图像，一般方法是在像素单元上加上一层彩色滤光薄膜，一般或称为彩色像素组(color triads)。加了彩色的像素单元即可用来显示彩色图像。此方法的缺点是白色光经彩色滤光后耗损大约2/3的光度。因此，有研究利用干涉光件(diffractive optics)或全像光件(holographics elements)施行空间分光(spatio-chromatic)技术，以降低光度耗损。例如，[Joubert]所描述的装置，是使用微型光栅(grating system)将红绿蓝三原色分离，然后再以一微型透镜列阵(micro-lens array)将红绿蓝光点分别投照于不同的像素单元上。所述微型光栅与透镜列阵的功能也可由一全像微型透镜列阵取代。另一种做法是将微型光栅直接制作于微型透镜表面，如[Morris]所述的装置。以上方式可以产生光度耗损低的彩色像素组图样。
另一种显示彩色图像的方法是使用三片显示面板，如三片液晶显示器，每片分别投以不同颜色的光(如红，绿，蓝三原色)，然后将三个不同颜色的画面投影重叠在一起。又如果液晶显示器的画面率(frame rate)高，例如使用铁电性液晶(ferroelectric liquid crystal)的铁电性液晶显示器，则可以使用连续影面(field sequential)法显示彩色图像，这样只需一片液晶显示器。[参阅Displaytech公司产品目录]除液晶显示器外，尚有其他显示器只能显示黑白或灰阶图像。例如数字微镜显示器(digital micro-mirror device，简称DMD)表面有一个由许多微小反射镜构成的矩阵，外在光源由一侧照射其上，经由偏转每一小反射镜的角度，可以产生任何黑白图形，且可投影显示。[参阅Thompson & Demond]另一个例子是薄膜微镜列阵(thin-film micro-mirror array，简称TMA)显示器，其表面也有一个由许多微小反射镜构成的矩阵，而各微镜的角度可由压电晶体控制，故可显示灰阶图像。此外尚有许多其他以微镜为基础的显示器。
显示器如果要用做立体三维显示器或高速光相关器的图像源，则必须有高画面率。高画面率可以使立体三维显示器上每一图像的画面张数增高，亦即提高屏幕运动方向上的图像解析度。高画面率也可以提高光相关器的处理速度。在此类应用中，如果显示器只有黑白能力，那么就算使用传统的彩色显示技术，所能产生的彩色或灰阶也非常有限。例如，连续影面(field sequential)法不能适用，因为每一张画面都必须有彩色或灰阶。又如，三片显示面板(分别以三原色光投照)固然可产生若干彩色，但成本较高。又如，彩色像素组技术固然可用，但是在显示器表面制作彩色滤光薄膜成本高。尤其是许多高画面率显示器，如铁电性液晶显示器及数字微镜显示器，都是反射式显示器，而且像素间距微小，在10微米上下，更增加彩色滤光薄膜的制作难度。再如，前述空间分光(spatio-chromatic)技术也很难用于反射式显示器。用来产生彩色图样的干涉光件或全像光件一般是紧接着或贴附于穿透式液晶显示器上。将干涉光件制作在反射式空间光调节器上，或贴附于上，并非理想方式。
以彩色像素组(color triads)方式显示二维彩色图像时，由于红绿蓝子像素(sub-pixels)并非完全重合，因此可能产生如莫芮图样(Moire Pattern)的假像。
(3)发明内容因此，本发明的目的在于提供一种新的光学投影方法与光学投影装置，可使用一片黑白的空间光调节器就能产生彩色或灰阶图像，而不需将彩色像素组制作于显示面板上；可提高立体三维显示器的彩色与灰阶能力，特别是使用黑白的空间光调节器为图像源的立体三维显示器；此外，可用来提高立体三维显示器在屏幕运动方向上的图像解析度；而且还可用于二维图像投影机，消除因彩色像素组结构造成的假像。
本发明是将一个光的图样投照于一个空间光调节器的显示面板上，此图样是光的某一物理性质的二维分布。在空间光调节器的显示面板上，每数个像素(pixel)(或称子像素sub-pixel)构成一个复合像素。投照于显示面板上的光的图样使复合像素中的每一个子像素受到不同值的物理性质的照射，例如不同的亮度。适当的开关每一个子像素，由许多亮度不同(假如分布的物理性质是亮度)的子像素加以组合，则可构成具有灰阶的图像。投照的光图样可以在一定距离外产生，然后以投影方法投照于空间光调节器上。如果空间光调节器是做为投影机的图像源，则此光的图样同时亦做为投影机的光源。此外，也可使用一盖在空间光调节器的显示面板上的光罩，来产生此一光图样。
因此，本发明是将一个空间光调节器的显示面板区分形成为若干个子显示板，然后将其当作多片显示面板一般地使用。例如，如果将各子显示板形成为犬牙相错的区域，然后各以一不同的原色光投照，则此空间光调节器就像具有彩色像素组结构一样，可以显示有多种彩色的图像。因此也就不需要将彩色像素组制作于显示面板上。
用一个随时间分配光路的光源，可将各子显示板上的不同图像在时间座标上分离，成为子画面，因而提高空间光调节器的有效画面率。
投照于各子显示板的光亮度可设定成一定比例，使各子显示板组合而成的画面能有更多的亮度组合(亦即灰阶)。此种比例照度亦可实施于相邻近的像素之间，并在空间光调节器的显示面板上形成一结构性的光的图样，而达到类似的效果。
数个子显示板可以光学装置在光学上重合成一个子显示板，因而消除因彩色像素组结构造成的假像。
各子显示板也可形成成各自独立分离的连续区域。
光的图样可用许多方法产生，例如将光通过一微型透镜列阵，或一带有微型反射镜列阵的光罩，或一带有透明开口的光圈。
为进一步说明本发明的目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
(4)


图1a和1b示出产生光图样及将其投照在空间光调节器上以形成子显示板的基本方式。
图2a和2b示出在空间光调节器上形成及投照子显示板的光学装置范例。
图3a示出彩色投影装置实施例之一。
图3c示出彩色投影装置实施例之二。
图3f示出将各子显示板上的不同图像在时间座标上分离的原理。
图4a和4b与图5示出将不同空间光调节器所显示的图像画面重合并分布在时间座标上的原理与装置的实施例。
图6a-e示出『比例投照』的基本观念。
图7a与图8a示出将多个子显示板所显示的图像画面重合成一个子显示板的方法。
图9a-c示出形成各子显示板成各自独立分离的连续区域。
图10a-c示出彩色投影装置实施例之三。
图11示出投影装置实施例之四，使用铁电性液晶显示器。
图12a示出投影装置实施例之五，用于显示灰阶图像。
图12b示出投影装置实施例之六，用于显示灰阶图像。
图13a-g示出产生光图样其他方法。
图14a-c示出使用光罩实施『比例投照』。
(5)具体实施方式
本发明是关于图像投影装置与方法，使本身没有彩色或灰阶的空间光调节器也可用投影产生具有彩色或灰阶的图像。
其基本原理为将一个空间光调节器上的像素区分为若干组，然后以带有不同原色的光分别投照各组。这样，此一空间光调节器的显示板面就相当于由若干个子显示板所组成，每一子显示板由一带有不同原色的光所投照。适当安排及组合带有不同原色的像素，即可显示出含有多种色彩的图像。
从像素的观点来看，本发明是以每数个像素(或称子像素)组成一个复合像素，然后以不同颜色或不同亮度的光分别投照复合像素中的每一个子像素。适当的开关每一个子像素，由许多颜色或亮度不同的子像素加以组合，则可构成具有彩色或灰阶的图像。
为实现所述目的，必须在空间光调节器的显示面板上产生一个光的图样，此图样是光的某一物理性质的二维分布。此物理性质不限于光的频率(颜色)，也可以是亮度，偏光度(polarization)或相位(phase)。例如，若以同一颜色的光投照每一子显示板(亮度可同或不同)，则整个显示面板可以显示带有该颜色的许多灰阶的图像。
形成并投照多个子显示板的方式为首先产生一个微型光点构成的图样，然后以投影方式将此图样投照于各子显示板上。例如，微型光点图样可以用一微型透镜列阵产生。微型透镜列阵是由微制造技术(micro-fabrication)制成的规则排列的微小透镜。如图1a所示，光束101通过二维微透镜列阵110产生微型光点图样100。此图样100于是成为新的光源，可用一对聚光透镜(condenser lens)120a及120b将的投影于一空间光调节器的显示面板上130。经由适当排列微透镜列阵中微透镜的相对位置与间距，以及适当选择聚光透镜的放大率，微型光点可以对正吻合显示面板，并且只投照在所选择的像素上。如图1b所示，每四个相邻的像素1301中，只有一个被微光点100所照射。所有被微光点所照射的像素遂构成显示面板上的一个『子显示板』。
如果使用四组微型光点图样，则可在显示面板上分别形成四个子显示板。事实上，如果利用适当的分光装置，则只要使用一组微型光点图样，即可在显示面板上形成四个子显示板。图2a示意一光学装置实施例。将一组分光光件(如一分光棱镜220及偏分光棱镜(polarizing beamsplitter)2211与2212)置于聚光透镜120a及120b之间，可将光束101分为四路201A-201D，每一路皆携有相同的微型光点图样。这四路可用另一组分光光件(如偏分光棱镜2221与2222及全反射棱镜(total internal reflection prism)223)结合为一，然后投照在显示面板上。经由适当调整反射镜224与225及全反射棱镜223的角度，可使四组微型光点图样投照于不同的像素上，分别形成四个子显示板。如图2b所示，光路201C投射微光点图样100c以形成一个子显示板。同理，光路201A，201B，201D分别投射微光点图样100a，100b，100d以形成其余三个子显示板。
如果将彩色滤光镜分别置入四个光路(201A-201D)中，则可用不同原色的光分别投照各子显示板，如即可在空间光调节器上产生彩色像素组结构，而因此也就不需要将彩色像素组制作于显示面板上。图3a示意一装置范例。图3a与图2a不同处为偏分光棱镜221取代无偏光效果的分光棱镜220，再加上两枚『ColorSelect』(产品名)滤镜321GM与321BY。ColorSelect滤镜的功能是可以从线性偏极化光中滤取指定颜色的光，并旋转其偏光方向90度，而其他颜色的光不受影响。例如，图3a中S偏光进入ColorSelect滤镜321BY，其中蓝光(B) 被转成P偏光，而其余部分(绿+红＝黄，Y) 仍保持为S偏光。因此，其后蓝光可通过偏分光棱镜2212，而其余部分为偏分光棱镜2211所反射。美国科罗拉多州圆石市的ColorLink公司生产ColorSelect滤镜产品。使用两枚不同的ColorSelect滤镜321GM与321BY，可将四个光路分别变为四种不同颜色紫红(红加蓝)，绿，黄，与蓝(301M，301G，301Y，301B)。(特别说明在所述分光装置下，几乎没有光度耗损)四组不同颜色的微型光点图样分别投照对应的四个子显示板，因此空间光调节器上每四个相邻的像素3301各有四种不同颜色紫红(红加蓝)100M，绿100G，黄100Y，与蓝100B。所以每一复合像素3301可显示四位元的彩色，如图3b所示。
图3c示意另一装置实施例。此例使用两组分色滤镜(dichroic colorfilter)331R-331B与332R-332B将白光束101分为三路391R-391B，每一路为一不同颜色，且分别投照空间光调节器上的三个子显示板。图3d示意投照的光图样为条纹式300(光条纹也可用微型透镜列阵产生，详后)。此光条纹图样被分光为不同颜色的三组光条纹，分别形成三个子显示板300R-300B，如图3e所示。
各子显示板上的不同图像可在时间座标上分离，成为『子画面』，因而提高空间光调节器的有效画面率。对使用投影方法成像的立体三维显示器来说，提高有效画面率可提高屏幕运动方向上的图像解析度。基本方式是在不同的时刻投照不同的子显示板，且投照每一子显示板的时间短于空间光调节器原来的画面周期。以图3a为例，装置中加入一偏光旋转器(polarizationrotator)350。偏光旋转器的功能是可以把线性偏极化光的偏光方向旋转90度或0度，其状态由输入电压所控制。亦即P偏光可以转成S偏光，反之亦然。偏光旋转器也可设定为『不旋转』，则偏光状态不变。控制偏光旋转器即可选择让光路301B与301M(二者皆为P偏光)或是光路301G与301Y(二者皆为S偏光)通过偏分光棱镜140抵达空间光调节器；亦即选择投照蓝色与紫红色子显示板(100B与100M)或是绿色与黄色子显示板(100G与100Y)。如果在空间光调节器原来的画面周期的中间改变偏光旋转器的状态，则可以先显示蓝色与紫红色两个子显示板上的图像，为时1/2画面周期，然后显示绿色与黄色两个子显示板上的图像，为时1/2画面周期，如图3f所示。亦即一个原始画面在时间座标上分离，成为两个子画面，有效画面率变为两倍。图3g示意两个子画面的模样，子画面M+B的图像来自蓝色与紫红色两个子显示板，子画面G+Y的图像来自绿色与黄色两个子显示板。
对立体三维显示器来说，所述『子画面法』基本上是把像素在屏幕运动的方向上重新分配。因此子画面上的像素总数减为一半。不过应特别指出的是由于子画面上的像素呈西洋棋盘式分布，图像的位置的精度没有改变，而位置的准确度误差为一个像素大小。
使用多个空间光调节器及一个随时间分配光路的光源，也可提高有效画面率。如果一个空间光调节器的画面率是每秒N个画面，则M个空间光调节器每秒可产生M×N个画面。图4a显示一包括两个空间光调节器(130A与130B)的装置实施例。光束101A与101B分别经全反射棱镜140A与140B投照两个空间光调节器。高速光闸450A与450B分别调节光束的开关。两个空间光调节器的像经第三个全反射棱镜140C重合，然后由投影透镜160投影而出。图4b示意如何控制光闸以得到两倍的有效画面率。空间光调节器130A在画面周期中显示图像内容A1。在同一时间内，空间光调节器130B显示图像内容B1。光闸450A在画面周期的前半时间中打开，后半关闭，因此在画面周期的前半将内容A1投影出去。光闸450B的动作则相反，因此在画面周期的后半将内容B1投影出去。于是在一个画面周期中投影显示了两个不同内容的画面，画面率加倍。如使用更多空间光调节器，则使用更多分光光件来重合图像。
图5示意另一使用两个空间光调节器的装置实施例，较图4a稍简单。此装置使用偏分光棱镜540重合图像，而非全反射棱镜。偏分光棱镜将照明光束101分为二束101A与101B，分别投照两个空间光调节器。投向空间光调节器130A的光束101A为P偏光，而投向空间光调节器130B的光束101B为S偏光。当光束自空间光调节器130A反射回来，必须变成S偏光，才能被偏分光棱镜反射到投影透镜160，如101S所示。另方面，当光束自空间光调节器130B反射回来，必须变成P偏光，才能通过偏分光棱镜，如101P所示。亦即反射后偏光方向须旋转90度。如果空间光调节器属微镜类，如数字微镜显示器(DMD)或薄膜微镜列阵(TMA)，在此情况下，偏分光棱镜与空间光调节器之间必须使用一1/4波长波阻器(quarter wave retarder)520A与520B，使投照光往复两次通过后，偏光轴向转90度。如果空间光调节器属液晶显示器类，如铁电性液晶显示器，则显示器本身可以改变反射光偏光方向，因此不需1/4波长波阻器。由于两个图像光束101P与101S的偏光方向相差90度，因此可以用一个偏光选择器550来选择与决定那一个光束进入投影透镜160。偏光选择器可由一个偏光旋转器550a与一线性偏光镜550b组成。此装置的功能与图4a装置的功能相当。
在以上叙述中，是用以不同颜色的子显示板来产生多彩图像为例来说明本发明。以亮度成一定比例的单色光(如白色)分别投照于各子显示板，则可使各子显示板组合而成的画面能有更多的灰阶。以图2a的装置为例，在四个光路中分别置入适当尺寸的光圈，可将四个光束的强度比例设定为8∶4∶2∶1。相对应的四个子显示板的亮度也就成为8∶4∶2∶1，如图6a所示。一个包含四个子像素的复合像素便能显示16个灰阶(0到15)。此法可称为『比例投照』。
比例投照亦可只用一组微型光点图样，实施于相邻近的像素之间。如图6b所示，微型光点图样中每一个光点100可以投照在四个相邻近的像素之间，使四个像素分配到的强度比为8∶4∶2∶1，如图中数字所示。同理，方型光点也可行，如图6c所示。(相互交叠的两组微型柱状透镜可用来产生方型光点)如果实施于相邻近的六个子像素之间，则可产生64个灰阶，如图6d所示。如果图样是光条纹，则可使每一条纹投照于三列像素之间，产生1∶2∶4的亮度比，如图6e所示。
用前述方式投影产生的彩色图像依然有彩色像素组的『模样』，因为不同原色的子像素并非完全重合，因此可能产生假像。用类似前述分光装置的光学装置，可以在光学上将数个子显示板重合成一个子显示板，因而消除因彩色像素组结构造成的假像。基本观念如图7a所示，透镜120将微型光点图样100投向一组光路分合装置780，光路被分开成多路781然后投照于四个子显示板700。同一光路分合装置780复将四个子显示板的像重合成一个，由投影透镜投出，重合后的显示板上每一像素皆由四枚分别来自四个子显示板的像素重合而成790。图7b示意一装置实施例。此例取用图3a中的分光装置为光路分合装置。透镜120a与120b负责将微型光点图样投照于空间光调节器上130，其间分为四个光路。透镜120b与160则合为投影透镜。全反射棱镜740将照明光路与图像投影光路分开。图7c示意另一装置实施例。此例取用图3c中的分光装置，即两组分色滤镜331与332，将投照光束分为红绿蓝RGB三路。透镜120负责将微型光点图样投照于空间光调节器上。调整分色滤镜的角度可使三组微型光点图样分别对正吻合三个子显示板。同一分光装置将自三个子显示板反射的光路重合为一。
所述光路分合装置是置于空间光调节器与投影透镜之间，因此二者间需要较大的距离。另种安排是把分光装置780A放在空间光调节器的前(即光路的上游)，把重合装置780B放在投影透镜的后。基本观念如图8a所示。
图8b示意一装置实施例，此例的分光与投影部分与图3c装置相同，重合装置则是在投影透镜的后使用两组分色滤镜333与333。适当调整分色滤镜的角度可将三个子显示板重合成一个。
如果投照在各子显示板上的光的物理性质相同，则光路重合装置就无法依颜色来区别不同的子显示板。在此情况下，可以将通过各子显示板的光路在空间上分开，然后将各光路分别导向一反射镜，最后调整各反射镜角度，再将投影画面重合。图8c示意一装置实施例。为便于图示，此例以穿透式显示面板为例，反射式的原理相同。三道光束801A-C分别投照于显示面板130上相对应的子显示板，三片反射镜820A-C可分别用来调整三道光束的角度，以对正子显示板。安排三道光束的投照角度，使其通过显示面板一定距离后，即无重叠。于是可用三个透镜160A-C分别将三个子显示板上的图像投影出去。亦即自投影透镜的后，三个子显示板的投影光路在空间上完全分开独立。最后可用一组反射镜830，藉调整各反射镜角度，将投影画面在一定距离外重合。
前述各例，各子显示板均形成为犬牙相错的区域，如图2b的形式。各子显示板也可形成成各自独立分离的连续区域(130R，130G，130B)，然后分别用不同颜色的矩形光图样投照的(900R，900G，900B)，如图9b所示。将光束通过一带有透明矩形开口900的光圈或光罩910，可产生矩形光图样，如图9a所示。光路重合装置可将三个子显示板重合成一个，如图9c所示。前面各节所述的分光与重合装置依然适用，不过对正光路时，反射镜的调整角度增大。将各子显示板形成成各自独立分离的连续区域有两个优点，一是光圈或光罩的制作简化，二是投照光图样的透镜组的精度要求较低。以下各装置范例的叙述皆以此形成为例。不过各方式依然适用于犬牙相错的子显示板形成法。
图10a-10c示意一彩色投影装置实施例。其空间光调节器属不需偏光投照的类，如数字微镜显示器(DMD)或薄膜微镜列阵(TMA)。为便于图示，此例假设空间光调节器为穿透式，因原理与反射式相同。适当调整分色滤镜331R-B的角度，可将光罩910矩形开口的像分别投照在空间光调节器的三个子显示板130R-B上，各为一不同的原色。适当调整投影透镜的后的分色滤镜333R-B的角度，可将三个子显示板的投影图像叠合成一个，产生多彩图像。
为达最佳效果，照明与投影装置应避免光度耗损。基本方式是使照明光路与投影光路相匹配。如图10a所示，第一枚聚光透镜120a将来自光罩910的光转为平行光，分色滤镜331R-B将此平行光分为三路1001R-B，各为一不同的原色。安排三道光束的投照角度，使其通过第二枚聚光透镜120b后，分别对正相对应的子显示板，而且通过子显示板一定距离后，即重叠与投影透镜上。如此，每一路光只投照相对应的子显示板，且皆为投影透镜完全捕捉。
如空间光调节器为反射式，可用一偏分光棱镜或全反射棱镜来折叠投影光路，如图10b所示。为达最佳效果，照明光路的分光与投影光路的折叠应在不同平面实施。如图10b所示，投影光路1050的折叠在x-z平面上。图10c为图10b的上视图，示意照明光路的分光在x-y平面上。如此，分光光路的角度差异对偏分光棱镜或全反射棱镜的作用的影响最小。
依铁电性液晶显示器的特性，使用时须考虑施于像素单元上电荷的平衡。其方式为每显示一画面，随后须显示一负像画面(inverted frame)来平衡电荷。负像与正像的各像素的偏光方向互为相反(P与S)。投影时如欲使所有画面全为正像，可用一偏光旋转器将负像画面转为正像画面。在此情况下，应使用全反射棱镜140来折叠投影光路，如图11所示，偏光镜1160将所有照明光偏极化，偏光旋转器可置于1170A或1170B或1170C，且视显示器为负像画面或正像画面而改变状态。投影透镜的后则使用另一偏光镜1161，以确定所有画面全为正像。
一般情况下，铁电性液晶显示器每显示一画面，随后立即显示一负像画面来平衡电荷。在高画面率时，此种做法会使图像对比降低。较佳的做法是以正像画面一次显示所有图像画面，然后再以负像画面一次显示所有图像画面，然后重复。此法改善高画面率时的图像对比。
图12a示意用于显示灰阶图像的投影装置实施例。其空间光调节器属不需偏光投照的类，如数字微镜显示器(DMD)。为便于图示，此例也假设空间光调节器为穿透式，因原理与反射式相同。偏分光棱镜1220，全反射棱镜223与反射镜224及225将照明光分为两路，一路为P偏光，一路为S偏光，分别投照两个子显示板。在投影透镜之后，另组相似的装置将两个子显示板的像重合。第二片光圈911置入两照明光路的一，使两路的光强度呈一定比例。例如，假设每一子显示板上，每四个子像素成一复合像素，则可有5个灰阶(0-5)。如果两子显示板的照明光强度呈1∶5，则两子显示板重合后可有25个灰阶(5×5)。
图12b示意另一用于显示灰阶图像的投影装置实施例。其空间光调节器属需要偏光投照的类，如铁电性液晶显示器。此装置基本上类似图12a，惟增加若干元件。由于此例中光路的分合控制是依两光路的偏光方向不同，但因图像显示本身也是以偏光方向不同为原理，因而需特殊处理。首先，两子显示板上显示的图像须互为相反的偏光状态，亦即当子显示板130A显示P偏光的图像与S偏光的背景时，子显示板130B则显示S偏光的图像与P偏光的背景。如此，偏分光棱镜1221才能『区别』两子显示板，将其图像光完全分开，然后加以叠合180。其次，需要一1/2波长波阻器1265将两子显示板的图像光的偏光状态转成一致。再其次，需要一屏幕光圈1212遮去无用的两个带负像的子显示板的像。最后，偏光旋转器1270是用来显示负像画面。
在光学上将数个子显示板重合成一个子显示板的方式也可用于本身就具备彩色像素组结构或子显示板结构的显示器。
除微型透镜列阵以外，尚有许多其他方式可产生微型光点或光条纹等的图样。依处理光的方式，可分为三类(1)使用折光光件以改变光的行进方向来形成光图样。微型球面透镜列阵可产生圆形光点，已述于前。微型柱面透镜列阵(如图13a)则可产生光条纹(如图3d)。将两组微型柱面透镜相互交叠(如图13b)可用来产生方型光点(如图6b与6c)。此外，将许多光纤维排列集束，自一端照明，另一端亦可产生光点列阵，如图13c。又微形凹面镜列阵亦可用来产生光点或光条纹，如图13d。
(2)使用遮光光件如图13e-g，光罩可由在透明玻璃表面镀上反射图样制成，可为正光罩(照明光穿透处形成光点)(图13f)或负光罩(照明光反射处形成光点)(图13g)。图中斜线部分表示反射镀膜。
(3)使用滤光光件微型滤光镜列阵可产生具有特定物理性质的光图样。例如彩色滤光镜可以产生彩色的光图样。又如偏光滤镜可产生由不同偏光状态构成的光图样。又如穿透度不同的滤镜可产生由灰阶构成的光图样。而要产生由相位差构成的光图样，可用一表面布满厚薄不同的单元的玻璃片，或使各单元有不同的折射系数，或使各单元含有排列方向不同的液晶材料等方法。
除以投影方法投照光图样外，也可使用一盖在空间光调节器的显示面板上方的光罩，以白光照射，在显示面板上产生光图样。图14a与b示意使用微型透镜列阵做为光罩例子。照明光1701A通过微透镜列阵1710，在每一微透镜后形成一光点100。适当安排微透镜列阵的位置，使每一光点投于四个像素之间，造成1∶2∶4∶8的亮度比例。显示面板130为反射式，位于微透镜列阵的焦距处。使用偏分光棱镜1740或全反射棱镜，可将反射的图像光1701B与照明光分开。如此显示的图像可有16灰阶。同理，也可使用一有微形透明开口列阵的光罩取代微透镜列阵，如图14c所示。
虽然以上叙述以使用本身没有彩色或灰阶的空间光调节器为主，但这些装置与方法仍可用于有灰阶甚至有彩色的显示器，以产生更高的灰阶或更多的彩色。
以上叙述的装置与方法也可用于多个空间光调节器。例如，可用一分色棱镜(dichroic color cube)将携有微型光点图样的白光分为红绿蓝三路，分别投照三个显示器，然后再将三个画面重合。又如，可使用类似图10a的装置，使其中130R-130B分别代表一个空间光调节器。
虽然以上叙述以投影图像显示为主，但这些装置与方法仍可用于直接图像显示，必要时可用一目镜放大图像，或用一45度分光镜将照明光路分与目视光路分开。直接图像显示也可用于光相关器。由于光相关器的应用通常不需人眼直接观察空间光调节器上的图像，因此显示图像的『信息』比图像的『模样』来得重要。例如以图14a与b的装置应用于光相关器时，即使将光罩1710去除，每四个子像素依然保存了一个复合像素的内容的『位元信息』。因此应用于光相关器时有两种方法来表现灰阶。方法一是使用光罩，一如人眼直接观察一般。方法二是去除光罩，但仍保存原来形成的子像素与复合像素的结构及两者之间的『数值转换关系』，也就是保存了目标图像的位元信息的内容。如此虽然人眼已看不出灰阶，但光相关器的光学计算仍可自其位元信息的内容区别目标图像的灰阶。
所述装置与方法也可用于提高立体三维显示器的彩色与灰阶能力，特别是(但不限于)使用黑白的空间光调节器为图像源的立体三维显示器。立体三维显示器也不限于移动屏幕型式，例如可用于二步能阶(2-stepexcitation)式的投影装置中。此外，本发明可用来提高立体三维显示器在屏幕运动方向上的图像解析度。此外，本发明也可用于二维图像投影机，消除因彩色像素组结构造成的假像。
当然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种使用空间光调节器显示图像的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)将空间光调节器上的像素区分为若干组，每组形成为一子显示板；(2)以不同物理性质的光分别投照所述各子显示板；(3)适当安排空间光调节器上的像素的内容，以显示所需要的图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述投照各子显示板的步骤包括以下步骤(1)产生一投照用的光图样；(2)以投影方式将所述光图样投影在空间光调节器上。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述投影方式的步骤包括以下步骤(1)将所述光图样沿若干条光路投影；(2)所述每一条光路的光图样分别投影在一个所述的子显示板上。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述投影在子显示板上的步骤包括以下步骤以彩色滤光装置分别处理所述每一条光路，使不同颜色光分别投照所述的各子显示板。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤将所述各子显示板显示的图像在时间座标上分开。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述投影在子显示板上的步骤包括以下步骤以光学装置分别调整所述每一条光路的光强度，使不同强度光的分别投照所述的各子显示板。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的光图样投影在空间光调节器上，使相邻近的像素所受的照明度为一定比例。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述产生光图样的步骤包括以下步骤将光通过一微型透镜列阵，或一带有微型反射镜列阵的光罩，或一带有透明开口的光圈。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光的物理性质为光的颜色或灰度。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤将空间光调节器显示的图像投影于一定距离外的图像平面上。
11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤将所述各子显示板的投影画面叠合，使其图像合为一个图像。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各子显示板的像素呈犬牙相错的位置。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各子显示板成各自独立分离的连续区域。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤(1)另外增加使用至少一个空间光调节器；(2)将所述各空间光调节器显示的图像投影于一定距离外的图像平面上，并叠合成一个图像。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤将所述空间光调节器显示的图像在时间座标上分开。
16.一种显示图像的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)使用一显示器，将其上的像素区分为若干组，每组以不同物理性质的光分别投照；(2)将所述各组像素的图像画面叠合，使其图像合为一个图像；(3)适当安排显示器上的像素的内容，以显示所欲的图像。
17.一种显示目标图像的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)使用一空间光调节器；(2)形成一复合像素的结构，使每一复合像素包含一定数目的子像素；(3)形成复合像素与子像素间的数值转换关系；(4)将所述目标图像转换为复合像素型式的数值数据；(5)将所述复合像素型式的数值数据依所述数值转换关系转换成代表子像素状态的数值；(6)将所述子像素的状态显示在空间光调节器上。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤将一光罩置于所述空间光调节器的上方近处。
全文摘要
本发明是关于图像投影装置与方法，它是将一个空间光调节器上的像素区分为若干组，然后以带有不同原色的光分别投照各组。此一空间光调节器的显示板面由若干个子显示板组成，每一子显示板由一带有不同原色的光投照。适当安排及组合带有不同原色的像素，即可显示出含有多种色彩的图像。光的投照方式，可用投影方式将一个带有彩色或灰阶分布的图样投射于空间光调节器的显示板面，并使该图样对正吻合事先区分的各组像素；此外，也可使用一盖在空间光调节器的显示板面上的光罩来产生彩色或灰阶分布的图样。本发明可用于立体三维显示器，二维显示器，及光相关器。
文档编号H04N15/00GK1392437SQ0212460
公开日2003年1月22日 申请日期2002年6月14日 优先权日2001年6月16日
发明者曹哲之 申请人:亚特科研公司