使用可调光发射器的立体投影系统的制作方法

使用可调光发射器的立体投影系统的制作方法
【专利摘要】一种立体数字投影系统对包括第一眼图像和第二眼图像的立体图像进行投影。该系统包括一个或多个窄带固态可调光发射器，每一个均可控制以交替地提供对应的第一光谱带中的第一状态下的发射光以及对应的第二光谱带中的第二状态下的发射光。包括至少一个空间光调制器的图像形成系统用于通过调制来自可调光发射器的光来形成调制图像。控制器同步地控制可调光发射器的状态和空间光调制器像素，其中，当可调光发射器处于第一状态时，响应于第一眼图像数据而控制空间光调制器像素，而当可调光发射器处于第二状态时，响应于第二眼图像数据而控制空间光调制器。
【专利说明】使用可调光发射器的立体投影系统

【技术领域】
[0001]本发明涉及使用光谱相邻的光源来形成左眼图像和右眼图像的立体数字投影系统，更具体地，涉及使用可调光发射器提供光谱相邻的光源的立体数字投影系统。

【背景技术】
[0002]为了被当作传统胶片投影仪的适合的替代物，数字投影系统必须满足对于图像质量的苛刻要求。这对于多色影院投影系统来说尤其如此。对传统的影院级投影仪的有竞争力的数字投影替换物必须满足高性能标准，从而提供高分辨率、广色域、高亮度和超过2000:1的帧序列对比率。
[0003]立体投影是电影工业尤其关注的日益发展的领域。三维（3D)图像或感知的立体内容向消费者提供了增强的视觉体验，特别是在大型场馆中。使用胶片实现了传统的立体系统，其中，两组胶片与投影仪同时投影正交偏光，一组针对一只眼睛，这在本公开的上下文中被称为“左眼图像”和“右眼图像”。观众佩戴对应的正交偏光眼镜，该正交偏光眼镜在透射正交偏振光图像的同时针对每只眼睛阻挡一个偏振光图像。
[0004]在电影工业正在过渡到数字成像的过程中，诸如IMAX的一些厂商继续使用双投影系统来提供高质量的立体图像。然而，最近，修改了传统的数字投影仪以使得能够进行3D投影。
[0005]用于从这些数字投影仪形成立体图像的传统方法使用了用于区分左眼图像和右眼图像的两种主要技术之一。例如，由Dolby实验室使用的一种技术使用光谱或颜色空间分离。所使用的方法与在Maximus等人的题目为“Method and device for performingstereoscopic image display based on color selective filters，，的美国专利 7, 832, 869 中所描述的方法类似，其中，使用颜色空间分离来区分左眼图像内容和右眼图像内容。使用基色红色、绿色、蓝色分量颜色来投影针对每只眼睛的图像，但是所使用的精确的红色、绿色、蓝色波长在左眼图像与右眼图像之间不同。为了实现该分离，在白光照射系统中使用滤光器来在帧时间的一部分内暂时地阻挡每种基色的部分。例如，针对左眼，将阻挡红色、绿色、蓝色（RGB)中的较短波长光谱一段时间。随后要针对另一只眼睛而阻挡红色、绿色、蓝色(RGB)中的较长波长光谱。将与每只眼睛相关联的适当的颜色调整后的立体内容呈现至针对这只眼睛的每个空间光调制器。观看者佩戴具有相应的滤光器组的观看眼镜，该滤光器组类似地将两个三色（RGB)光谱组中的仅一个透射至每只眼睛。
[0006]第二种方法使用偏振光。授予Svardal等人的美国专利6，793，341中所公开的一种方法使用传递至两个单独的空间光调制器的两个正交偏振状态中的每一个。然后，同时投影来自两个调制器的偏振光。观看者佩戴针对左眼和右眼的偏光透射轴相对于彼此正交定向的偏光眼镜。
[0007]每种方法均存在优点和缺点。例如，光谱分离方案的优点在于能够更容易地与较便宜的显示屏一起使用。利用光谱分离，调制器或者相关联的光学器件的偏振特性不会显著地影响性能。然而，所需要的滤光眼镜昂贵并且图像质量由于诸如角偏移、头部活动和倾斜的因素而降低。昂贵的滤光眼镜也常遭受刮花损坏和被盗。包括使用通过3M公司的非蒸发方法制造的分层的光学膜的滤光眼镜设计的有前途的发展可以有助于解决成本问题并且使得光谱分离技术更节省成本。
[0008]光谱分离方法的另一缺点涉及难以调整颜色空间以及由于滤光引起显著的光损失，从而导致所需的灯输出较高或者图像亮度降低。在Silverstein的题目为“Projector using independent multiple wavelength light sources，，的美国专利申请公布2009/0153752中解决了滤光器损耗，其中，分束器组合独立的光谱相邻源以有效地引导至空间光调制器。此方法的一个缺点是，由于调制器在一定时间内仅可以提供一个眼睛图像，所以只有大约一半时间使用这些光源。虽然光源可能将具有较长的寿命，但是显示器的初始成本由于两组独立光源的成本需求而增加。
[0009]利用用于分离左眼图像和有眼图像的偏振，可以更有效地使用光。在授予Silverstein 等人的题目为 “Stereo project1n using polarized solid state lightsources”的美国专利7，891, 816以及授予Silverstein等人的题目为“Etenduemaintaining polarizat1n switching system and related methods，，的美国专利8，016，422中描述了针对两种偏振状态完全使用光源的投影系统配置。然而，偏振技术的缺点在于通常使用结构化金属涂层的偏振保持屏幕的附加成本和灵敏性。这些涂层是高增益，这改进了轴上观看，但是对于离轴观看来说较差。此外，利用该方法的镜面反射会对一些观看者造成困扰。在使用相干光时该影响进一步加剧，这是因为相干光导致观看者觉察的较高水平的散斑(speckle)。由于难以通过高角度光学器件保持高偏振控制以及对污垢和缺陷更灵敏，所以使用偏振光的投影仪通常更昂贵。因此，效率的任何增益会由其他问题在一定程度上抵消。
[0010]照射效率的持续问题涉及集光率(etendue)，或者类似地涉及拉格朗日不变量。如光学领域中众所周知的那样，集光率涉及可以由光学系统处理的光量。大概地，集光率越大，图像越明亮。从数值上来说，集光率与两个因素(即，图像面积和数值孔径)的乘积成比例。就图1中所表示的具有光发射器12、光学器件18和空间光调制器20的简化光学系统而言，光源的集光率是光源面积Al与其输出角Θ I的乘积。同样地，空间光调制器20的集光率等于调制器面积A2与其接收角Θ 2的乘积。为了提高亮度，期望从光源12的区域提供尽可能多的光。作为一般原理，在光发射器12处的集光率与空间光调制器20处的集光率最紧密匹配时，光学设计是有利的。
[0011]例如，增大数值孔径使集光率增加，以使得光学系统捕获更多的光。类似地，增大光源尺寸以使得在更大的区域上产生光，从而增大了集光率。为了使用在照射侧的增大的集光率，空间光调制器20的集光率必须大于或等于光源12的集光率。然而，通常，空间光调制器20越大，其成本就将越高。这在使用诸如LCOS和DLP部件的装置时尤其如此，其中，硅衬底和缺陷潜在性随着尺寸而增大。作为一般规则，集光率增大导致光学设计更复杂且成本更高。
[0012]在光源的集光率与空间光调制器的集光率很好地匹配时，效率提高。集光率不太匹配意味着光学系统要么光量不足而不能向空间光调制器提供足够的光，要么效率低，从而实际上丢弃了针对调制而生成的光的相当大的部分。
[0013]固态激光器有望改进集光率、持久性以及整体光谱和亮度稳定性。最近，诸如VCSEL (垂直腔面发射激光器）激光器阵列的装置已经商业化，并且在以各种方式组合时展示了作为数字影院投影的潜在光源的一些前景。然而，亮度本身还不足够高；为了提供每种颜色所需的亮度，需要来自多达9个独立阵列的组合光。
[0014]投影应用尤其关注的激光器阵列是各种类型的VCSEL阵列，包括来自美国加利福尼亚州的桑尼维尔的Novalux的VECSEL (垂直延长腔面发射激光器)和NECSEL (Novalux延长腔面发射激光器）装置。
[0015]然而，即使激光器技术以及滤光器制备和成本得到改进，立体成像投影的方法的改进仍然存在相当大的空间。使用左眼图像和右眼图像的光谱分离的传统解决方案通常光量不足，这是由于最多所生成的光的仅一半可用于每只眼睛。因此，需要提供增大的光学效率以及降低的操作和设备成本的立体成像解决方案。


【发明内容】

[0016]本发明提出了一种立体数字投影系统，其将包括第一眼图像和第二眼图像的立体图像投影到显示表面上，该立体数字投影系统包括：
[0017]一个或多个窄带固态可调光发射器，每一个均能够控制以交替地提供具有与相应的第一中心波长相对应的第一光谱带的第一状态下的发射光以及具有与相应的第二中心波长相对应的第二光谱带的第二状态下的发射光，第一光谱带和第二光谱带基本不交叠；
[0018]包括至少一个空间光调制器的图像形成系统，用于通过调制来自可调光发射器的光来形成调制图像，每个空间光调制器均具有可控空间光调制器像素的阵列；
[0019]控制器，同步地控制可调光发射器的状态以及空间光调制器像素，其中，当可调光发射器处于第一状态时，响应于第一眼图像的图像数据而控制空间光调制器像素，从而提供第一眼调制图像，而当可调光发射器处于第二状态时，响应于第二眼图像的图像数据而控制空间光调制器像素，从而提供第二眼调制图像；以及
[0020]投影光学器件，用于将第一眼调制图像和第二眼调制图像传递至显示表面。
[0021]本发明具有下述优点：可调光发射器的使用通过减少所需部件的数量来降低系统成本。
[0022]另外的优点在于：可调光发射器可以用来通过改变相关联的光谱带内的发射光的波长来提供散斑减少。

【专利附图】

【附图说明】
[0023]图I是示出了用于光学系统的集光率计算的因素的表示图；
[0024]图2是示出了使用针对左眼图像和右眼图像的光谱分离的立体投影设备的示意性框图；
[0025]图3A是示出了现有技术的颜色滚动顺序的示意图；
[0026]图3B是示出了根据本发明的实施例的使用光谱相邻的色带的单通道颜色滚动顺序的不意图；
[0027]图4A是示出了使用单个光束扫描器（beam scanner)来提供两个光谱相邻的色带的立体数字投影系统中的单色通道的部分的示意图；
[0028]图4B是示出了使用单独的光束扫描器来提供每个光谱相邻的色带的立体数字投影系统中的单色通道的部分的示意图；
[0029]图5是示出了具有三个颜色通道的立体数字投影系统的示意图，每个颜色通道使用图4A的配置；
[0030]图6A是示出了用于扫描单个色带的旋转棱镜的使用的示意图；
[0031]图6B是示出了用于扫描两个色带的旋转棱镜的使用的示意图；
[0032]图6C是示出了用于使用用于扫描两个色带的旋转棱镜的另一配置的示意图；
[0033]图7A是示出了包括两个微透镜(Ienslet)阵列的均匀化光学器件的示意图；
[0034]图7B是示出了包括两个集成条的均匀化光学器件的示意图；
[0035]图8是示出了根据本发明的实施例的光束扫描配置的示意图；
[0036]图9是使用用于固态光发射器的阵列的组合光学器件并且具有三个颜色通道的立体颜色滚动数字投影系统的示意图；
[0037]图10是使用两个空间光调制器的根据替选实施例的具有三个颜色通道的立体颜色滚动数字投影系统的示意图；
[0038]图1lA是示出了用于在交织布置中使用光谱分离的立体投影的光谱带的曲线图；
[0039]图1lB是示出了用于在替选的非交织布置中使用光谱分离的立体投影的光谱带的曲线图；
[0040]图12A是示出了用于图3A的交织光谱带布置的右眼滤光器和左眼滤光器的光谱透射率的曲线图；
[0041]图12B是示出了用于图3B的非交织光谱带布置的右眼滤光器和左眼滤光器的光谱透射率的曲线图；
[0042]图13是示出了基于波长的立体成像系统中的串扰的来源的曲线图；
[0043]图14是示出了在市售的滤光眼镜中使用的左眼滤光器和右眼滤光器的光谱透射特性的角度依赖性的曲线图；
[0044]图15A和图15B是示出了具有二向色滤光器叠层(filter stack)的右眼滤光器的实施例的截面图；
[0045]图16A是示出了使用二向色滤光器叠层的示例右眼滤光器的光谱透射率特性的曲线图；
[0046]图16B是示出了由图16A的右眼滤光器提供的透射光的曲线图；
[0047]图16C是示出了图16A的右眼滤光器的光谱反射率特性的曲线图；
[0048]图16D是示出了由图16A的右眼滤光器提供的反射光的曲线图；
[0049]图17A至图17D是示出了具有二向色滤光器叠层和一个或多个吸收滤光器层的右眼滤光器的实施例的截面图；
[0050]图18是示出了适用于右眼滤光器的示例二向色滤光器叠层和示例吸收滤光器层的光谱透射率特性的曲线图；
[0051]图19A是示出了将二向色滤光器叠层与吸收滤光器层组合的示例混合型右眼滤光器的光谱透射率特性的曲线图；
[0052]图19B是示出了由图19A的混合型右眼滤光器提供的透射光的曲线图；
[0053]图19C是示出了针对图19A的混合型右眼滤光器的光谱反射率特性的曲线图；
[0054]图19D是示出了由图19A的混合型右眼滤光器提供的反射光的曲线图；
[0055]图20A是示出了来自头部处于同一高度的两个观察者的滤光眼镜的反射光的光路径的不意图；
[0056]图20A是示出了来自头部处于不同高度的两个观察者的滤光眼镜的反射光的光路径的不意图；
[0057]图21A是示出了具有倾斜的滤光器元件的滤光眼镜的侧视图；
[0058]图21B是示出了具有倾斜的滤光器元件的滤光眼镜的透视图；
[0059]图21C是示出了具有用于调整倾斜的滤光器元件的倾斜角的铰链的滤光眼镜的侧视图；
[0060]图22是示出了佩戴具有倾斜的滤光器元件的滤光眼镜的观察者的侧视图；
[0061]图23是示出了来自头部处于不同高度的两个观察者的具有倾斜的滤光器元件的滤光眼镜的反射光的光路径的示意图；
[0062]图24是示出了用于使用可调光发射器形成右眼图像和左眼图像的立体成像系统的一个颜色通道的示意图；以及
[0063]图25是示出了用于使用可调光发射器形成右眼图像和左眼图像的彩色立体成像系统的不意图。

【具体实施方式】
[0064]本发明包括本文中所描述的实施例的组合。提及“特定实施例”等是指本发明的至少一个实施例中存在的特征。单独提及“实施例”或“特定实施例”等不一定是指相同的一个或多个实施例；然而，这样的实施例不是相互排斥的，除非这样指出或者对于本领域技术人员而言显而易见。在提及“方法(method)”或“方法(methods)”等时对单数或复数的使用是非限制性的。应当注意的是，除非另外明确指出或者上下文要求，否则在本公开中以非排它性意义使用词语“或者”。
[0065]本描述具体涉及形成根据本发明的设备的一部分的元件或者与根据本发明的设备更直接协作的元件。要理解的是，未具体示出或描述的元件可以采用本领域技术人员众所周知的各种形式。
[0066]提供本文中所示出和描述的附图以说明根据本发明的操作原理而不是意图示出实际尺寸或比例而描绘。由于用于本发明的激光器阵列的组成部分的相对尺寸，所以需要一定的放大以便重点突出基本结构、形状及操作原理。此外，例如，未示出诸如用于放置并安装光学部件的部件的各种部件，以便更好地示出和描述与本发明的实施例更紧密相关的部件。
[0067]在使用这些部件的情况下，术语“第一”、“第二”等不一定表示任何顺序或优先关系，而是可以仅仅用于更清楚地将一个元件与另一个元件区分开。
[0068]如在本公开的上下文中使用一样，术语“颜色”、“波长带”和“光谱带”通常是同义的。例如，激光器或其他固态光源由其一般色谱(诸如，红色)来指代，而不是由其峰值输出波长(诸如，635nm)或其光谱带(诸如,630nm-640nm)来指代。在本公开的上下文中，不同的光谱带被认为是基本上不交叠的。
[0069]等同地使用术语“观看者”或“观察者”来指代观看本发明的立体显示的人。术语“左眼图像”是指为了供观察者的左眼观看而形成的图像。相应地，术语“右眼图像”是指为了供观察者的右眼观看而形成的图像。
[0070]本发明的实施例实现了使用独立的相邻光谱源改进立体观看系统中的亮度的需求。
[0071]在本发明的上下文中，术语“透射带”和“通带”被认为是等同的。
[0072]在本发明的上下文中，术语“光谱相邻”涉及用于形成彩色图像的分量颜色（通常是红色、绿色、蓝色并且可以包括第四种颜色和其他附加颜色）的通用色谱内的邻近光谱带。每个分量颜色的对应的光谱相邻颜色位于同一色谱内，但是针对左眼图像和右眼图像具有不同的波长范围，以使得光谱带相对于波长基本上不交叠。
[0073]图2是示出了立体数字投影系统110的主要部件中的一些部件的图像形成系统的示意性框图，立体数字投影系统110包括使用光谱分离来在观看屏幕或者其他类型的显示表面72上形成左眼图像和右眼图像的投影设备120。第一组右眼光发射器12R发射处于第一红色光谱带R1、第一绿色光谱带Gl和第一蓝色光谱带BI中的光。右眼光发射器12R用于形成供观察者的右眼观看的右眼图像。类似地，第二组左眼光发射器12L发射处于第二红色光谱带R2、第二绿色光谱带G2和第二蓝色光谱带B2中的光。左眼光发射器12L用于形成供观察者的左眼观看的左眼图像。
[0074]在优选实施例中，与左眼光发射器12L和右眼光发射器12R相关联的光谱带基本上彼此不交叠，以使得滤光眼镜74可以用于有效地将由左眼光发射器12L提供的光与由右眼光发射器12R提供的光分离。基本上不交叠是指来自一个光谱带的光谱功率对于另一光谱带不可忽略的任何波长都是可忽略的。即使在光谱带之间存在一些小范围的交叠，有时候也可以获得可接受的结果。实践中可以使用的一个准则是，来自一个光谱带的少于5%的光可以与其他光谱带交叠。
[0075]滤光眼镜74包括左眼滤光器76L和右眼滤光器76R以及其中安装有被滤光的左眼滤光器76L和右眼滤光器76R的框架62。框架62适于将右眼滤光器76R放置在观察者的右眼的前方并且将左眼滤光器76L放置在观察者的左眼的前方。右眼滤光器76R具有适于透射来自右眼光发射器12R的R1、G1和BI光谱带中的光并且阻挡（即，吸收或反射）来自左眼光发射器12L的R2、G2和B2光谱带中的光的光谱透射特性。同样地，左眼滤光器76L具有适于透射来自左眼光发射器12L的R2、G2和B2光谱带中的光并且阻挡来自右眼滤光器12R的R1、G1和BI光谱带中的光的光谱透射特性。
[0076]投影设备120可以具有两个分离的投影装置，一个具有意在用作对来自左眼光发射器12L的光进行投影的左眼成像路径的颜色通道，而另一个用作对来自右眼光发射器12R的光进行投影的右眼成像路径。然而，许多设计将左眼成像功能和右眼成像功能组合到单个投影仪中，诸如利用固有的准直特性的优点以及降低与诸如投影透镜的部件相关联的成本。本公开中的后续描述给出了关于使用颜色滚动来组合左眼成像路径与右眼成像路径的一种类型的投影仪的详细信息。图像投影领域的技术人员应理解的是，也存在可用于组合立体左眼图像和右眼图像的其他方法。本发明的实施例可以与利用光谱分离技术的多种类型的立体投影系统中的任一种一起使用。
[0077]图3A的示意图针对非立体的投影设备而示出了如何在传统实践中使用颜色滚动序列来根据分量红色（R)、绿色（G)和蓝色（B)光提供彩色图像。一系列图像帧28a、28b、28c、28d和28e被示为按不同时间布置。每帧包括在所示的示例中的垂直方向上移动的、分别具有红色分量、绿色分量和蓝色分量的三个光带34r、34g和34b，这三个光带在图像区域32上被扫描。随着带滚动离开图像帧的底部，其滚动至图像帧的顶部以使得1/3的图像帧在任何给定时间由各颜色分量覆盖。
[0078]垂直滚动运动通常是优选的，因为水平滚动会受到观看者的左右移动的影响，从而色带可能变得可以察觉到。这经常被称为“彩虹效应”。该序列中的光带可以来自照射部件，扫描到空间光调制器上或者可以是来自空间光调制器的成像光。扫描动作以每秒多次的速率(例如，144Hz)、以观看者不易察觉的速率反复循环。如从该序列中可以看到，每个图像帧28a、28b、28c、28d和28e具有在不同图像区域上扫描的三个分量颜色中的每一个。在使用该序列形成的图像中，每帧在各个光带34r、34g和34b中具有红色、绿色和蓝色图像内容。
[0079]可以容易理解，图3A的颜色滚动方案虽然可用于非立体彩色成像，但是难以用于立体彩色成像系统。提供立体彩色需要六个不同光谱带的滚动，两个针对每个分量颜色。每个源具有与其相关联的其自身集光率。用六个不同的源照射单个芯片，每个源还要求在它们之间存在间隙以防止串扰，并且根据与特定颜色相关联的颜色数据中的每个颜色数据考虑芯片转换时间会快速地利用可用的集光率或需要光学上快速的透镜。虽然这是可行的，但是不是期望的，因为严格地约束了投影仪亮度，并且光学器件的成本由于这样的布置而迅速提闻。
[0080]为了有助于改进图像质量并且传递更高的亮度，用于非立体成像的影院级投影系统通常采用针对每种颜色分离的颜色通道，通常提供红色通道、绿色通道和蓝色通道中的每一个。在每个颜色通道中设置空间光调制器。例如，该布置使得光学设计能够优化诸如滤光器和涂层的部件的设计和特征，以改进它们针对各个波长的光的性能。
[0081]图3B示出了用于根据本发明的示例性实施例的立体投影系统的彩色扫描布置。在该配置中，单个分量颜色光谱中的光谱相邻的光谱带滚动跨越图像区域32，而不是与如图2的布置中那样的不同颜色分量对应的带。在该示例中，根据本发明的实施例，光谱相邻的红色光谱带Rl和R2作为光带36a和光带36b滚动跨越图像帧38a、38b、38c和38d。Rl光谱带用于提供投影的立体图像的左眼图像并且R2光谱带用于提供投影的立体图像的右眼图像。如随后将更详细地描述的那样，针对立体图像的每个颜色通道提供类似的光谱滚动机制。此外，通过在其自身的颜色通道中保持同一颜色的光，可以继续针对各个颜色分量优化用于与特定颜色分量相关联的光学部件的光学涂层。
[0082]图4A和图4B的示意图示出了与本发明的实施例一致的用于在单个颜色通道中对光谱相邻的颜色进行颜色滚动的红色通道40r的部分。光源42a发射Rl光谱带内的光束，并且另一光源42b发射R2光谱带内的光束。照射光学器件90将基本上均匀的光带提供到空间光调制器60上以在两个光谱相邻的光谱带中的每个光谱带中进行调制。包括光束扫描器50的光束扫描光学器件92提供光带的循环滚动。要认识到的是，照射光学器件90可以包括多个透镜48，其中部分透镜可以放置在均匀化光学器件44与光束扫描光学器件92之间，并且其他透镜放置在光束扫描光学器件92与空间光调制器60之间。在优选实施例中，照射光学器件90将均匀化光学器件44的输出面成像到空间光调制器60上，从而提供均匀的光带。该方法的优点是，光源42a和光源42b在投影期间可以连续工作，从而与其他立体投影方法相比提供了增大的光输出。
[0083]在图4A的配置中，光束组合器46将来自光源42a和42b的光束组合到平行光轴上并且将空间相邻的光束引导到均匀化光学器件44(诸如，一个或多个微透镜阵列或均匀化条）中，以提供基本上均匀的空间相邻的光束。光束扫描器50然后循环地滚动所组合的均匀光并且通过提供用于光束成像、成形和调节的照射光学器件90将所滚动的组合光束引导到空间光调制器60上。在图4A中，照射光学器件90被表示为透镜48 ;然而，在各种实施例中，照射光学器件90可以包括不同的（或多个）光学部件。可以利用对至光束扫描器50的入射光束的空间或角度分离来提供防止光带之间的串扰所需的光束分离。在采用不同角度的情况下，通常期望在光束扫描器50的下游设置诸如二向色光束组合器的另一元件以将经扫描的光束返回到平行光轴上。
[0084]空间光调制器60形成具有对应的光带36a和光带36b的图像帧38。如之前描述的那样，循环地滚动光带36a和光带36b。空间光调制器60具有可以根据图像数据单独地调制以提供成像光的像素阵列。根据左眼图像的图像数据调制由Rl光谱带照射的空间光调制器像素，并且根据右眼图像的图像数据调制由R2光谱带照射的空间光调制器像素。
[0085]在图4B的替选配置中，在来自光源42a和42b中的每个光源的光束中使用分离的均匀化光学器件44和光束扫描器50以提供两个经扫描的光束。然后，光束组合器46组合经扫描的光束以形成组合的扫描光束，使用照射光学器件90将该组合的扫描光束引导到空间光调制器60上。在这种情况下,光束扫描光学器件92包括两个光束扫描器50。
[0086]图5的示意图示出了具有三个颜色通道（即，红色通道40r、绿色通道40g和蓝色通道40b)的立体数字投影系统100。红色通道40r包括光谱相邻的红色光谱带Rl和R2;绿色通道40g包括光谱相邻的绿色光谱带Gl和G2 ；以及蓝色通道40b包括光谱相邻的蓝色光谱带BI和B2。投影光学器件70将来自三个空间光调制器60的成像光传递到显示表面72。观看者通过具有用于左眼的左眼滤光器76L和用于右眼的右眼滤光器76R的滤光眼镜74观察显示表面72。左眼滤光器76L选择性地透射用于左眼图像的成像光（即，Rl光谱带、Gl光谱带和BI光谱带中的光），同时阻挡（通过吸收或反射）用于右眼图像的成像光（即，R2光谱带、G2光谱带和B2光谱带中的光)。类似地，右眼滤光器76R选择性地透射用于右眼图像的成像光（即，R2光谱带、G2光谱带和B2光谱带中的光），同时阻挡用于左眼图像的成像光（即，Rl光谱带、Gl光谱带和BI光谱带中的光）。
[0087]控制器系统80根据立体图像的图像数据来同步地调制每个空间光调制器60的像素。控制器系统80还耦接至光束扫描器59以使其知道在任何给定时间由不同的光谱相邻带照射哪些空间光调制器像素。根据左眼图像的图像数据来调制由第一光谱带照射的空间光调制器像素，并且根据右眼图像的图像数据来调制由第二光谱带照射的空间光调制器像素。由于第一光谱带和第二光谱带持续地滚动，所以利用左眼图像和右眼图像的图像数据调制的空间光调制器像素的子集也持续地变化。
[0088]投影光学器件70可以组合来自三个颜色通道的光束（例如，使用光束组合光学器件），并且通过单个投影透镜投影所组合的光束。可替选地，投影光学器件70可以使用三个分离的投影透镜以分别地将每个颜色通道以准直的形式投影到显示表面72上。
[0089]如参照图4A和图4B较早地指出的那样，包括一个或多个光束扫描器50的光束扫描光学器件92可以被配置成使用多种不同的布置来提供滚动的光带，并且可以放置在沿着照射路径的任何适当点处。与本发明的一个实施例一致，图6A示出了包括单个扫描元件(即，旋转棱镜52)的光束扫描器50的示意图。在该配置中，可以针对每个分量颜色带中的光谱相邻的光谱带中的每一个来设置旋转棱镜52。通过折射，棱镜52的旋转重定向此处针对Rl光谱带所示出的光束，使得光束位置循环地滚动跨越空间光调制器60。例如，在图4B中示出的颜色通道实施例中使用图6A的布置。
[0090]在图6A的顶部图中，放置有棱镜52以使得入射光束正常地入射至棱镜的面上。在此情况下，光束以未偏转的方式通过棱镜52。在中间图中，棱镜52围绕轴O旋转以使得光束以倾斜的角度入射到棱镜的面上。在此情况下，光束向下折射以使得其在较低的位置处横穿空间光调制器。在下部图中，棱镜52旋转以使得入射光束现在撞击棱镜42的不同面。在此情况下，光束向上折射以使得其在较高的位置横穿空间光调制器60。应当注意，入射光束通常将具有相当大的空间(和角度)范围，使得在一些棱镜方位下入射光束中的部分光线可撞击棱镜的不同面。以该方式，部分光线将向上偏转，同时其他光线向下偏转。这提供了如图3B的图像帧38e中示出的在图像帧的上部与下部之间要分离的光带。
[0091]图6B是不出了光束扫描器50的替选实施例的不意图，其中，旋转棱镜52同时扫描单色通道中的两个光谱相邻的光谱带(在该示例中，光谱带Rl和R2)的光带。该配置适用于图4A的示例实施例中。在该情况下，Rl光谱带和R2光谱带的光束入射至棱镜52上。随着棱镜52旋转,两个光束通过折射而同时重定向。
[0092]图6C是不出了光束扫描器50的另一替选实施例的不意图，其中，旋转棱镜52同时扫描单色通道中的两个光谱相邻的光谱带(在该示例中，光谱带Rl和R2)的光带。在该情况下，入射至旋转棱镜上的光束来自两个不同的角度方向。均匀化光学器件44用于对光谱相邻的光束中的每一个进行均匀化。在该示例中，均匀化光学器件44包括集成条58。照射光学器件90被分成第一级94和第二级96，每个级均包括多个棱镜48。在该配置中，第一级94中的棱镜48被布置成提供集成条58的输出面与棱镜52之间的远心率(telecentricity)。类似地,第二级96中的棱镜48被布置成提供棱镜52与空间光调制器60之间的远心率。包括一个或多个二向色表面84的二向色组合器82用于将经扫描的光束引导至平行光轴上以照射空间光调制器60。
[0093]图6C 的多角几何结构与由 Conner 在题目为“Project1n system with scrollingcolor illuminat1n”的美国专利7，147, 332中教导的多角几何结构类似。Conner教导了利用不同的色带同时照射空间光调制器的不同部分的具有滚动棱镜组件的投影系统。将白光划分成在不同的方向上通过滚动棱镜传播的不同色带。反射地组合滚动的色带以使得不同色带平行穿过滚动棱镜组件。然而，Conner没有教导滚动来自独立光源的光谱相邻的光谱带以提供立体投影。
[0094]旋转棱镜或其他折射元件是可以用于光束扫描器50的一种类型的装置。如在光学中所理解的那样，在本文中使用术语“棱镜”或“棱镜元件”来指代透明的光学元件，该透明的光学元件通常是具有光入射到其上的平坦表面的η边多面体的形式并且由折射光的透明固体材料形成。要理解的是，就形状和表面轮廓而言，构成棱镜的光学理解比棱镜的正式几何定义限制少并且包括该更正式的定义。虽然图6Α至图6C描绘了具有方形截面的矩形棱镜，但是在许多示例中，期望具有不止四个面以便提供改进的扫描结果。例如，可以在各个实施例中使用六角形棱镜或者八角形棱镜。
[0095]可以用于光束扫描器50的替选类型的部件包括旋转反射镜或者平移穿过光束路径并且提供可变光折射的其他反射部件、装置、诸如检流计驱动的反射镜的往复式元件或枢转棱镜、反射镜或透镜。
[0096]当使用多光束扫描器50时，关键的是使所有的光束扫描器50的旋转同步、随后使与不同光谱带相关联的图像数据同步。未描绘的一种方法是配置光学布置以使得使用单个电动机来控制用于至少两个光束扫描器50的移动光学元件。例如，单个轮轴可以用于使用单个电动机来驱动多个棱镜52。在一些实施例中，单个旋转棱镜52可以用于通过引导光束从多个方向通过棱镜52或者通过引导光束通过棱镜52的不同部分来扫描多个光谱带（如图6B中所示）。
[0097]如图4A、图4B和图5的示例中所示，可以使用光束组合器46来使用于光谱相邻的光谱带的光束路径彼此准直以照射空间光调制器60。光束组合器46可以是二向色光束组合器，或者可以使用本领域中已知的任何其他类型的光束组合光学器件。
[0098]均匀化光学器件44调节来自光源42a和光源42b的光束以提供基本上均匀的光束来进行扫描。在本公开的上下文中，术语“基本上均匀”是指入射到空间光调制器20上的光束的强度对观察者来说仿佛视觉上是均匀的。在实践中，均匀化光束的强度应当保持恒定在约30%内，其中发生的大多数变化是光级朝向均匀化光束的边缘较低。可以使用本领域中已知的任何类型的均匀化光学器件44，包括集成条或微透镜阵列。
[0099]图7A示出了可以用于图4A的实施例的均匀化光学器件44的示例。均匀化光学器件44使用一对微透镜阵列54以均匀化光束。空间相邻的光束之一（例如，针对Rl光谱带）通过微透镜阵列54的上半部分，而其他空间相邻的光束（例如，针对R2光谱带）通过微透镜阵列54的下半部分。不透明块56设置在光谱相邻的光谱带的光束之间，以有助于防止串扰。以该方式，可以每个色带使用单个微透镜阵列结构，从而减少成本。
[0100]图7B示出了可以用于图4A的实施例的均匀化光学器件44的另一示例。在该情况下，均匀化光学器件44使用一对集成条58来均匀化光束。空间相邻的光束之一（例如，针对Rl光谱带）通过上部集成条58，而其他空间相邻的光束（例如，针对R2光谱带）通过下部集成条58。
[0101]如较早提及的那样，在优选实施例中，使用照射光学器件90将均匀化光学器件44的（一个或多个）输出面成像到空间光调制器60上,其中,成像光通过光束扫描光学器件92。对本领域技术人员来说明显的是，照射光学器件90的许多不同配置可以用于提供该特征。图8示出了其中照射光学器件90被划分成第一级94和第二级96的一个实施例，每级均包括两个透镜48。第一级94中的透镜48在与作为光束扫描器50的部件的棱镜52的位置相对应的中间图像平面98处形成集成条58的输出面的图像。第二级96在空间光调制器60上形成中间图像平面98的图像，从而提供基本上均匀的光带36a和光带36b。随着棱镜52旋转，光带扫描跨越空间光调制器。透镜48可以用于根据棱镜52的大小调整中间图像的放大率，并且根据空间光调制器60的大小调整所扫描的光带的放大率。
[0102]控制器系统80 (图5)根据立体图像的图像数据同步地调制每个空间光调制器60的像素。控制器系统80中的逻辑使左眼图像内容和右眼图像内容的图像数据与各光带36a和光带36b的对应位置相协调。控制器系统80可以例如是与投影系统相关联的计算机或者专用处理器或微处理器，或者可以以硬件实现。
[0103]本发明的实施例非常适于使用固态光源，诸如激光器、发光二极管（LED)以及其他窄带光源，其中，窄带光源被定义为具有不大于约15nm FWHM (半峰全宽）并且优选地不大于IOnm的光谱带宽的光源。可以使用的其他类型的光源包括量子点光源或者有机发光二极管（OLED)光源。在其他实施例中，可以使用一个或多个白光光源以及用于获得每个颜色通道期望的光谱内容的相应滤光器。用于将多色光或白光分成各个色谱的光的方法对于图像投影领域的技术人员来说是众所周知的，并且例如可以采用利用用于光调节和传递的完善技术的标准装置，诸如合色（X-cube)棱镜和Phillips棱镜。
[0104]使用激光器在减小光谱相邻的光谱带的带宽方面提供了明显的优势，从而允许在相邻带之间的更大间隔以及增加色域。这是期望的原因在于，在每只眼睛上的滤光器不可避免地对角度敏感，从而滤光器边缘过渡的波长由于非垂直入射而偏移。该角度敏感性是所有光学滤光器设计中公知的问题。因此，使用减少的带宽发射有助于解决此问题，从而使得该普遍的偏移能够发生而基本上不影响串扰。许多激光器具有大约Inm的带宽。虽然这可能看起来是理想的，但是存在得益于较宽的光谱带的其他因素，诸如散斑减少。（散斑是由于来自光学部件上的缺陷的相干光的干涉而产生的）。虽然使用任何类型的光源都会出现散斑，但是在诸如LED的窄带光源的情况下散斑最明显，以及在激光器的情况下甚至更加明显。作为在减少对散斑的敏感性的同时提供足够的光谱分离的折衷，更理想的带宽会在5nm至IOnm之间。15nm至20nm之间的光谱间隔通常足以减轻滤光器角度敏感性问题。
[0105]图9的示意图示出了使用用于投影光学器件70的共同光学路径的立体数字投影系统100。立体数字投影系统包括红色通道40i 、绿色通道40g和蓝色通道40b。每个颜色通道包括针对一对光谱相邻的光谱带的一个或多个光源阵列（例如，激光器阵列源）。光源42a发射左眼光谱带（R2、G2和B2)中的光束，以及光源42b发射光谱相邻的右眼光谱带（Rl、Gl和BI)中的光束。在每个颜色通道中使用光重定向棱镜30以将来自光源42a和光源42b的光束重定向到共同方向上以形成包括用于右眼光谱带和左眼光谱带（例如，Rl光谱带和R2光谱带）的空间相邻光束的组合光束。来自右眼光谱带（例如，Rl光谱带）的光束将聚集在组合光束的一侧，并且来自左眼光谱带（例如，R2光谱带）的光束将聚集在组合光束的另一侧。在前面提及的共同转让的、共同未决的Silverstein的题目为“Projector using independent multiple wavelength light sources，，的美国专利申请公布2009/0153752中描述了可以用于此目的的一种类型的光重定向棱镜30。
[0106]用于每个分量颜色通道的组合光束被引导通过均匀化光学器件44、光束扫描光学器件92和照射光学器件90,并且从二向色表面68反射以将经扫描的第一光带36a和第二光带36b提供到对应的空间光调制器60上。控制器系统80 (图5)根据立体图像的图像数据同步地调制空间光调制器像素，其中，根据左眼图像的图像数据来调制由第一光带（例如，Rl)照射的空间光调制器像素并且根据右眼图像的图像数据来调制由第二光带（例如，R2)照射的空间光调制器像素。
[0107]由空间光调制器60提供的经调制的成像光束透过二向色表面68，并且使用具有多个二向色表面84的二向色组合器82来将其组合到公共光轴上。使用投影光学器件70将组合光束投影到显示表面（未示出）上以便佩戴滤光眼镜74的观察者观看（图5)。
[0108]图9中所示的实施例使用三个空间光调制器60，针对每个分量颜色通道（即，红色、绿色和蓝色），有一个空间光调制器60。利用具有特定分量颜色通道中的光谱相邻的光谱带的滚动光带照射每个空间光调制器60。空间光调制器往往是立体数字投影系统100的更昂贵且复杂的部件之一。
[0109]图10示出了仅使用两个空间光调制器60L和60R的立体数字投影系统110的替选实施例的示意图，一个空间光调制器与左眼图像形成系统41L相关联，并且另一个空间光调制器与右眼图像形成系统41R相关联。左眼图像形成系统41L包括三个左眼光源43L，每个左眼光源针对每个分量颜色光谱(R1、G1和BI)。类似地，右眼图像形成系统41R包括三个右眼光源43R，每个右眼光源针对每个分量颜色光谱(R2、G2和B2)。右眼光源43R与对应的左眼光源43L光谱相邻。
[0110]每个图像形成系统均包括均匀化光学器件44、光束扫描光学器件90和二向色表面68以将经扫描的光束引导至空间光调制器60L和60R上。在此情况下，左眼图像形成系统41L提供分别与红色光谱带、绿色光谱带和蓝色光谱带(R1、G1和BI)相对应的三个经扫描的光带34r、34g和34b。同样地，右眼图像形成系统41R提供分别与红色光谱带、绿色光谱带和蓝色光谱带(R2、G2和B2)相对应的三个经扫描的光带35r、35g和35b。
[0111]控制器系统(未示出)根据左眼图像的图像数据同步地调制左眼图像形成系统41L中的空间光调制器60L的像素，其中，根据左眼图像的针对对应的颜色通道的图像数据来调制由每个光带(R1、G1和BI)照射的像素。同样地，控制器系统根据右眼图像的图像数据来同步地调制右眼图像形成系统41R中的空间光调制器60R的像素，其中，根据左眼图像的针对对应的颜色通道的图像数据来调制由每个光带(R2、G2和B2)照射的像素。
[0112]包括二向色表面84的二向色组合器82用于将来自左眼图像形成系统41L和右眼图像形成系统41R的成像光组合到公共光轴上以便于使用投影光学器件70投影到显示表面上。二向色表面84优选地是具有透射与右眼光源43R的成像光对应的光谱带(R2、G2和B2)、而反射与左眼光源43L的成像光对应的光谱带(Rl、Gl和BI)的一系列凹口(notch)的光谱梳状滤光器。可以使用本领域中已知的任何技术来制造光谱梳状滤光器，诸如多层薄膜二向色滤光器涂层方法和共挤拉伸的聚合物薄膜结构制造方法。可以用来提供用作二向色表面84的光谱梳状滤光器的另一类型的二向色滤光器是皱褶滤光器(rugate filter)设计。皱褶滤光器是具有深且窄的抑制带同时也对剩余的光谱提供高且平的透射的干涉滤光器。使用贯穿光学薄膜层产生连续变化的折射指数的制造工艺来制造皱褶滤光器。与用具有不同折射指数的材料的离散层制造的标准凹口滤光器相比，皱褶滤光器以低纹波和无谐波反射为特征。
[0113]作为示例而不作为限制，表1和表2列出了根据本发明的实施例的示例光谱相邻的光谱带。
[0114]表1.示例性交织的光谱相邻的光谱带
[0115]

【权利要求】
1.一种立体数字投影系统，其将包括第一眼图像和第二眼图像的立体图像投影到显示表面上，所述立体数字投影系统包括： 一个或多个窄带固态可调光发射器，每一个均能够控制以交替地提供具有与相应的第一中心波长对应的第一光谱带的第一状态下的发射光以及具有与相应的第二中心波长对应的第二光谱带的第二状态下的发射光，所述第一光谱带与所述第二光谱带基本不交叠； 包括至少一个空间光调制器的图像形成系统，用于通过调制来自所述可调光发射器的光来形成调制图像，每个空间光调制器均具有可控空间光调制器像素的阵列； 控制器，同步地控制所述可调光发射器的状态以及所述空间光调制器像素，其中，当所述可调光发射器处于所述第一状态时，响应于所述第一眼图像的图像数据来控制所述空间光调制器像素，从而提供第一眼调制图像，而当所述可调光发射器处于所述第二状态时，响应于所述第二眼图像的图像数据来控制所述空间光调制器像素，从而提供第二眼调制图像；以及 投影光学器件，用于将所述第一眼调制图像和所述第二眼调制图像传递至显示表面。
2.根据权利要求1所述的立体数字投影系统，其中，所述可调光发射器中的至少一个可调光发射器是可调激光器。
3.根据权利要求2所述的立体数字投影系统，其中，所述可调激光器包括微型机电系统MEMS可调控制装置。
4.根据权利要求2所述的立体数字投影系统，其中，所述可调激光器包括量子点。
5.根据权利要求2所述的立体数字投影系统，其中，所述可调激光器是双稳态激光器。
6.根据权利要求5所述的立体数字投影系统，其中，所述双稳态可调激光器是通过调整电流注入电平或电压电平来调节的。
7.根据权利要求1所述的立体数字投影系统，其中，所述可调光发射器中的至少一个可调光发射器是可调发光二极管LED。
8.根据权利要求1所述的立体数字投影系统，其中，当控制所述可调光发射器以提供所述第一状态下的发射光时，进一步控制所述可调光发射器以改变在相应的第一光谱带内的发射光的波长，而当控制所述可调光发射器以提供所述第二状态下的发射光时，进一步控制所述可调光发射器以改变在相应的第二光谱带内的发射光的波长，从而提供散斑减少。
9.根据权利要求1所述的立体数字投影系统，其中，所述第一光谱带和所述第二光谱带均具有小于15nm的半峰全宽带宽。
10.根据权利要求1所述的立体数字投影系统，其中，所述第一光谱带和所述第二光谱带二者均落入红色光谱、绿色光谱或蓝色光谱内。
11.根据权利要求1所述的立体数字投影系统，其中，所述窄带固态可调光发射器包括： 红色可调光发射器，能够调节和控制以交替地提供具有对应的第一红色光谱带的第一状态下的发射光以及具有对应的第二红色光谱带的第二状态下的发射光； 绿色可调光发射器，能够调节和控制以交替地提供具有对应的第一绿色光谱带的第一状态下的发射光以及具有对应的第二绿色光谱带的第二状态下的发射光；以及 蓝色可调光发射器，能够调节和控制以交替地提供具有对应的第一蓝色光谱带的第一状态下的发射光以及具有对应的第二蓝色光谱带的第二状态下的发射光； 并且其中，控制所述红色可调光发射器、所述绿色可调光发射器和所述蓝色可调光发射器在其相应的第一状态下发光以提供所述第一眼调制图像，并且控制所述红色可调光发射器、所述绿色可调光发射器和所述蓝色可调光发射器在其相应的第二状态下发光以提供所述第二眼调制图像。
12.根据权利要求11所述的立体数字投影系统，其中，所述图像形成系统包括三个空间光调制器，对于所述红色可调光发射器、所述绿色可调光发射器和所述蓝色可调光发射器中的每一个，有一个所述空间光调制器与其相关联。
13.根据权利要求12所述的立体数字投影系统，还包括光束组合系统，所述光束组合系统用于将由所述三个空间光调制器提供的光组合到公共光轴上以使用所述投影光学器件投影到所述显示表面上。
14.根据权利要求11所述的立体数字投影系统，其中，第一白平衡操作用于对所述第一眼图像进行白平衡，并且不同于所述第一白平衡操作的第二白平衡操作用于对所述第二眼图像进行白平衡，所述第一白平衡操作适用于红色第一眼光谱带、绿色第一眼光谱带和蓝色第一眼光谱带中的发射光，以及所述第二白平衡操作适用于红色第二眼光谱带、绿色第二眼光谱带和蓝色第二眼光谱带中的发射光。
15.根据权利要求11所述的立体数字投影系统，其中，第一颜色校正变换用于变换与所述第一眼图像相关联的数字图像数据，并且不同于所述第一颜色校正变换的第二颜色校正变换用于变换与所述第二眼图像相关联的数字图像数据，所述第一颜色校正变换适用于红色第一眼光谱带、绿色第一眼光谱带和蓝色第一眼光谱带中的发射光，并且所述第二颜色校正变换适用于红色第 二眼光谱带、绿色第二眼光谱带和蓝色第二眼光谱带中的发射光。
16.根据权利要求1所述的立体数字投影系统，还包括滤光眼镜，所述滤光眼镜包括: 第一眼滤光器，当所述一个或多个可调光发射器被控制以在所述第一状态下发射光时，所述第一眼滤光器透射多于50%的来自所述一个或多个可调光发射器的光，并且当所述一个或多个可调光发射器被控制以在所述第二状态下发射光时，所述第一眼滤光器透射少于5%的来自所述一个或多个可调光发射器的光； 第二眼滤光器，当所述一个或多个可调光发射器被控制以在所述第二状态下发射光时，所述第二眼滤光器透射多于50%的来自所述一个或多个可调光发射器的光，并且当所述一个或多个可调光发射器被控制以在所述第一状态下发射光时，所述第二眼滤光器透射少于5%的来自所述一个或多个可调光发射器的光； 所述第一眼滤光器和所述第二眼滤光器安装到其中的框架，所述框架适于将所述第一眼滤光器放置在观察者的第一眼的前方并且将所述第二眼滤光器放置在所述观察者的第二眼的前方。
17.一种立体数字显示系统，其将包括第一眼图像和第二眼图像的立体图像显示在显示表面上，所述立体数字显示系统包括: 一个或多个窄带固态可调光发射器，每一个均能够控制以交替地提供具有与相应的第一中心波长相对应的第一光谱带的第一状态下的发射光以及具有与相应的第二中心波长相对应的第二光谱带的第二状态下的发射光，所述第一光谱带与所述第二光谱带基本不交置; 具有可控像素的阵列的图像显示系统，用于通过调制来自所述可调光发射器的光强度来在所述显示表面上形成显示图像； 控制器，同步地控制所述可调光发射器的状态以及所述可控像素，其中，当所述可调光发射器处于所述第一状态时，响应于所述第一眼图像的图像数据而控制所述可控像素，从而提供第一眼调制图像，而当所述可调光发射器处于所述第二状态时，响应于所述第二眼图像的图像数据而控制所述可控像素，从而提供第二眼调制图像。
18.根据权利要求19所述的立体数字显示系统，其中，所述立体数字显示系统是立体数字投影系统。
19.根据权利要求19所述的立体数字显示系统，其中，所述立体数字显示系统是立体数字软拷贝显示 系统。
【文档编号】H04N13/04GK104054336SQ201380005840
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年1月9日 优先权日:2012年1月17日
【发明者】巴里·D·西尔弗斯坦 申请人:伊斯曼柯达公司