使用倾斜滤光器的立体眼镜的制作方法

使用倾斜滤光器的立体眼镜的制作方法
【专利摘要】由立体数字显示系统的观察者使用的滤光眼镜，该立体数字显示系统对包括第一眼图像和第二眼图像的立体图像进行显示。该滤光眼镜包括基本上对来自第一眼图像的光进行透射并且对来自第二眼图像的光进行阻挡的第一眼滤光器，和基本上对来自第二眼图像的光进行透射并且对来自第二眼图像的光进行阻挡的第二眼滤光器。框架用于使第一眼滤光器位于观察者的第一眼的前面并且使第二眼滤光器位于观察者的第二眼的前面，使得滤光器的前表面以相对于竖直方向至少5度的倾斜角被定向，使得来自显示表面的从第一眼滤光器和第二眼滤光器反射的光被指引越过坐在该观察者前方的其它观察者的头部。
【专利说明】使用倾斜滤光器的立体眼镜

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种使用光谱相邻的光源来形成左眼和右眼图像的立体数字投影系 统，尤其涉及具有倾斜滤光器的滤光眼镜以减少不想要的闪烁。

【背景技术】
[0002] 为了作为传统胶片投影仪的合适替代，数字投影系统必须满足对图像质量的严格 要求。这对于多色电影投影系统更是如此。竞争性的数字投影替代传统电影质量投影仪必 须满足高性能标准，提供高分辨率、宽色域、高亮度以及超过2, 000:1的帧序列对比度。
[0003] 对于电影产业而言，立体投影是特别感兴趣并且正在发展的领域。三维（3D)图像 或所感知的立体内容给消费者提供了增强的视觉体验，尤其是在大型场地中。传统的立体 系统使用胶片来实施，其中两组胶片和投影仪同时投影正交偏振，每个投影针对每只眼睛， 在本公开内容的上下文中被称为"左眼图像"和"右眼图像"。观众成员佩戴对应的正交偏 振眼镜，该正交偏振眼镜针对每只眼睛阻挡一个偏振光图像，同时对正交偏振光图像进行 透射。
[0004] 在电影产业到数字成像的持续过渡中，诸如IMAX的一些供应商不断利用两个投 影系统来提供高质量立体图像。然而，最近，传统的数字投影仪已经被修改为能够进行3D 投影。
[0005] 用于由这些数字投影仪形成立体图像的常规方法已经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，杜比实验室使用的一种技术使用光谱空间分 离或颜色空间分离。所使用的方法类似于Maximus等人在题为"Method and device for performing stereoscopic image display based on color selective filters，' 的美国专利 US7, 832, 869中所描述的方法。其中使用颜色空间分离来在左眼图像内容与右眼图像内 容之间进行区分。使用基本的红色、绿色以及蓝色的分量颜色来对每只眼睛的图像进行投 影，但是在左眼图像和右眼图像之间所使用的精确的红色、绿色以及蓝色的波长是不同的。 为了实现该分离，将滤光器用于白光照明系统中以在部分帧时间内暂时阻挡每个基色的部 分。例如，对于左眼，红色、蓝色和绿色（RGB)的较低的波长光谱被阻挡一段时间。接着对 于另一只眼睛，阻挡红色、蓝色和绿色（RGB)的较高的波长光谱。与每只眼睛相关联的合适 的颜色被调整的立体内容被呈现给针对眼睛的每个空间光调制器。观看者佩戴具有相应的 滤光器设置的观看眼镜，该滤光器设置类似地仅向每只眼睛透射两个3色（RGB)光谱组中 的一个光谱组。
[0006] 第二种方法利用偏振光。在Svardal等人的美国专利6, 793, 341中所公开的一种 方法利用被传送给两个分开的空间光调制器的两个正交偏振状态中的每个偏振状态。然 后，来自两个调制器的偏振光被同时投影。观看者佩戴具有针对彼此正交地定向的左眼和 右眼的偏振透射轴的偏振光眼镜。
[0007] 每种方法都存在优点和缺点。例如，光谱分离解决方案的优点是更便于与较廉 价的显示屏一起使用。对于光谱分离，调制器或相关光学器件的偏振性质不会明显地影 响性能。然而，所需的滤光眼镜是昂贵的并且图像质量由于诸如角偏移、头部运动和倾斜 等的因素而降低。昂贵的滤光眼镜还会遭受擦拭磨损和偷窃。包括由3M公司的非蒸发 (non-evaporative)手段生产的分层光学膜的用途的滤光眼镜设计的发展前景可以有助于 解决成本问题并且使光谱分离技术具有更高的成本效率。
[0008] 光谱分离方法的另一缺点涉及由于滤光所引起的显著的光损失以及调整颜 色空间的困难，导致了较高需求的灯输出或降低的图像亮度。在Silverstein的题为 "Projector using independent multiple wavelength light sources，' 的美国专利申请公 开2009/0153752中已经解决了滤光器损耗，其中由被高效地指引至空间光调制器的分束 器将独立的光谱相邻源组合。这种方法的一个缺点是：由于调制器仅能适时地提供单眼图 像，所以这些光源仅利用大约一半的时间。虽然光源很可能具有更长的寿命，但是由于两组 独立源的成本要求增加了显示器的初始成本。
[0009] 利用用于分离左眼图像和右眼图像的偏振，光可以被更高效地使用。Silverstein 等人的题为 "Stereo projection using polarized solid state light sources，' 的美国专 利 7, 891，816 和 Silverstein 等人的题为"Etendue maintaining polarization switching system and related methods"的美国专利8, 016, 422描述了针对两个偏振状态充分利用光 源的投影系统配置。然而，由于通常利用结构化金属涂层的偏振保持屏幕的附加成本和灵 敏度，偏振技术是有缺点的。这些涂层是高增益的，这可以改进同轴观看，但对于离轴观看 效果较差。此外，使用这种方法的镜面反射可以对某些观看者产生困扰。当使用相干光时， 这种效果还会加重，这是由于使用相干光导致较高层次的观看者感知到的斑点。由于难以 保持高偏振控制通过高角度光学器件以及对灰尘和缺陷更敏感，所以使用偏振光的投影仪 通常更昂贵。因此，任何效率的提高在一定程度上可以通过其它问题抵消。
[0010] 对于照明效率一直存在的问题涉及集光率或者，类似地，涉及拉格朗日 (Lagrange)不变量。如光学领域所公知的，集光率涉及能够由光学系统处理的光量。潜在 地，集光率越大，图像越明亮。在数值上，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的简化的光 学系统而言，光源的集光率是光源面积A1和其输出角度Θ1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和其受光角Θ 2的乘积。为了增大亮度，期望从光源12 的区域提供尽可能多的光。作为一般原则，当光发射器12处的集光率最接近地匹配空间光 调制器20处的集光率时，光学设计是有利的。
[0011] 例如，增大数值孔径来增大集光率，使得光学系统捕获更多的光。类似地，增大光 源大小，使得光来自于较大的面积，增大集光率。为了利用照明侧上的增大的集光率，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的 集光率越大，成本越高。这对于当使用诸如LC0S或DLP部件的装置时尤其如此，其中硅衬 底和潜在的缺陷随着大小而增加。作为一般规则，增大的集光率会导致更复杂并且昂贵的 光学设计。
[0012] 当光源的集光率较好地匹配空间光调制器的集光率时，效率改进。集光率匹配较 差意味着光学系统或者是不能给空间光调制器提供足够的光的光缺乏，或者是效率低的、 显著地丢弃为调制所生成的光的大部分。
[0013] 固态激光器有望改进集光率、寿命以及整个光谱和亮度稳定性。最近，诸如 VCSEL (垂直腔表面发射激光器）激光器阵列的装置已经商业化并且当以各种方式对其进 行组合时，作为用于数字电影投影的潜在光源表现出一些前景。然而，亮度本身还不够高； 需要来自多达9个独立阵列的组合光，以便对每个颜色提供必要亮度。
[0014] 对于投影应用特别感兴趣的激光器阵列是各种类型的VCSEL阵列，包括来自 Novalux、Sunnyvale、CA的NECSEL (Novalux延伸腔表面发射激光器)装置和VECSEL (垂直 延伸腔表面发射激光器）装置。
[0015] 然而，即使随着激光技术和滤光器制作及成本的改进，针对立体成像投影的方法 仍然有相当大的改进空间。使用左眼图像和右眼图像的光谱分离的常规解决方案通常是光 缺乏的，因为所生成的光的最多仅一半可以用于每只眼睛。因此，需要一种可以提供增大的 光学效率以及减少的操作成本和设备成本的立体成像方案。


【发明内容】

[0016] 本发明描述由立体数字显示系统的观察者使用的滤光眼镜，该立体数字显示系统 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，该滤光眼镜包括：
[0017] 第一眼滤光器，其具有面对显示表面的前表面和相对的后表面，并且具有基本上 对来自第一眼图像的光进行透射并且对来自第二眼图像的光进行阻挡的透射特性；
[0018] 第二眼滤光器，其具有面对显示表面的前表面和相对的后表面，并且具有基本上 对来自第二眼图像的光进行透射并且对来自第二眼图像的光进行阻挡的透射特性；
[0019] 框架，第一眼滤光器和第二眼滤光器被安装到框架中，框架适于使第一眼滤光器 位于观察者的第一眼的前面并且使第二眼滤光器位于观察者的第二眼的前面，第一眼滤光 器的前表面和第二眼滤光器的前表面以相对于竖直方向至少5度的倾斜角被定向，使得来 自显示表面的从第一眼滤光器和第二眼滤光器反射的光被指引越过坐在观察者前方的其 它观察者的头部。
[0020] 本发明的优点是减少了从滤光眼镜的前表面反射的指向坐在观察者的前方的其 它观众成员的闪烁光的量，从而减少了视觉噪声的量并且提高了图像对比度。
[0021] 本发明的优点是还减少了从滤光眼镜的前表面反射的、被指引至显示表面上的闪 烁光的量。

【专利附图】

【附图说明】
[0022] 图1是示出光学系统的集光率计算中的因素的代表性图；
[0023] 图2是示出针对左眼图像和右眼图像使用光谱分离的立体投影设备的示意框图；
[0024] 图3A是示出现有技术的颜色滚动序列的示意图；
[0025] 图3B是示出根据本发明实施例的使用颜色的光谱相邻带的单通道颜色滚动序列 的不意图；
[0026]图4A是示出在使用单束流扫描器来提供颜色的两个光谱相邻带的立体数字投影 系统中的单个颜色通道的部分的示意图；
[0027]图4B是示出在使用分开的束流扫描器来提供颜色的每个光谱相邻带的立体数字 投影系统中的单个颜色通道的部分的示意图；
[0028] 图5是示出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；
[0029] 图6A是示出用于扫描颜色的单个带的旋转棱镜的使用的示意图；
[0030] 图6B是示出用于扫描颜色的两个带的旋转棱镜的使用的示意图；
[0031] 图6C是示出用于使用用于扫描颜色的两个带的旋转棱镜的另一配置的示意图；
[0032] 图7A是示出包括两个小透镜阵列的均匀化光学器件的示意图；
[0033] 图7B是示出包括两个集成棒的均匀化光学器件的示意图；
[0034] 图8是示出根据本发明实施例的束流（beam)扫描配置的示意图；
[0035] 图9是具有三个颜色通道并且针对固态光发射器的阵列使用组合光学器件的立 体颜色滚动数字投影系统的示意图；
[0036] 图10是根据使用两个空间光调制器的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；
[0037] 图11A是示出使用交织布置中的光谱分离的立体投影的光谱带的曲线图；
[0038] 图11B是示出使用替选的非交织布置中的光谱分离的立体投影的光谱带的曲线 图；
[0039] 图12A是示出对于与图3A的交织光谱带布置一起使用的右眼滤光器和左眼滤光 器的光谱透射率的曲线图；
[0040] 图12B是示出对于与图3B的非交织光谱带布置一起使用的右眼滤光器和左眼滤 光器的光谱透射率的曲线图；
[0041] 图13是例示基于波长的立体成像系统中的串扰源的曲线图；
[0042] 图14是例示取决于在商业可用的滤光眼镜中所用的左眼滤光器和右眼滤光器的 光谱透射特性的角度的曲线图；
[0043] 图15A和图15B是示出具有二向色滤光器堆叠的右眼滤光器的实施例的截面图；
[0044] 图16A是示出使用二向色滤光器堆叠的示例右眼滤光器的光谱透射率特性的曲 线图；
[0045] 图16B是示出由图16A的右眼滤光器提供的透射光的曲线图；
[0046] 图16C是示出图16A的右眼滤光器的光谱反射率特性的曲线图；
[0047] 图16D是示出由图16A的右眼滤光器提供的反射光的曲线图；
[0048] 图17A至图17D是示出具有二向色滤光器堆叠和一个或更多吸收型滤光器层的右 眼滤光器的实施例的截面图；
[0049] 图18是示出适用于右眼滤光器的示例二向色滤光器堆叠和示例吸收型滤光器层 的光谱透射率特性的曲线图；
[0050] 图19A是示出组合二向色滤光器堆叠和吸收型滤光器层的示例混合右眼滤光器 的光谱透射率特性的曲线图；
[0051] 图19B是示出由图19A的混合右眼滤光器提供的透射光的曲线图；
[0052] 图19C是图19A的混合右眼滤光器的光谱反射率特性的曲线图；
[0053] 图19D是示出由图19A的混合右眼滤光器提供的反射光的曲线图；
[0054] 图20A是示出对于头部在相同高度处的两个观察者而言来自滤光眼镜的反射光 的光路的不意图；
[0055] 图20A是示出对于头部在不同高度处的两个观察者而言来自滤光眼镜的反射光 的光路的不意图；
[0056] 图21A是示出具有倾斜滤光器元件的滤光眼镜的侧视图；
[0057] 图21B是示出具有倾斜滤光器元件的滤光眼镜的立体图；
[0058] 图21C是示出具有用于调整倾斜滤光器元件的倾斜角的铰链的滤光眼镜的侧视 图；
[0059] 图22是示出观察者佩戴具有倾斜滤光器元件的滤光眼镜的侧视图；
[0060] 图23是示出对于头部在不同高度处的两个观察者而言来自具有倾斜滤光器元件 的滤光眼镜的反射光的光路的示意图；
[0061] 图24是示出用于使用可调谐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
[0062] 图25是示出用于使用可调谐光发射器形成右眼图像和左眼图像的颜色立体成像 系统的不意图。

【具体实施方式】
[0063] 本发明包括本文中所描述的实施例的组合。参照"特定实施例"等是指呈现在本 发明的至少一个实施例中的特征。单独参照"实施例"或"特定实施例"等未必是指相同的 一个或多个实施例；然而，这些实施例并不相互排斥，除非明示或者对本领域的技术人员而 言是明显的。提及"方法"或"多个方法"等的单数或复数的使用不限制。应注意，除非另 夕卜明确指出或根据上下文的要求，否则本公开内容中所使用的词"或"是非排他的意思。
[0064] 本说明书尤其致力于形成根据本发明的设备的部分的元件或更直接与本发明的 设备协作的元件。应当了解，没有具体示出或描述的元件可以采用本领域技术人员已知的 各种形式。
[0065] 本文中所示出且描述的附图被提供来说明根据本发明的操作的原理，并且不意图 示出实际大小或比例来绘制附图。因为本发明的激光器阵列的组成部分的相对尺寸，所以 需要一些放大以强调操作的基本结构、形状以及原理。另外，例如，没有示出诸如那些用于 定位和安装光学部件的各种部件，以便更好的示出和描述更接近于本发明的实施例的部 件。
[0066] 当使用时，术语"第一"、"第二"等并不一定表示任何顺序或者优先级关系，而是可 以简单地用于更清楚地区分一个元件与另一个元件。
[0067] 如在本公开内容的上下文中所使用的术语"颜色"和"波长带"及"光谱带"一般是 同义的。例如，激光器或其它固态光源以其一般色谱（诸如红色）被提及，而不是以其峰值 输出波长（诸如635nm)或其光谱带（诸如630nm至640nm)被提及。在本公开内容的上下 文中，不同的光谱带被认为是基本上不交叠的。
[0068] 术语"观看者"和"观察者"等同使用，是指观看本发明的立体显示的人。术语"左 眼图像"指的是用于由观察者的左眼观看而形成的图像。相应地，术语"右眼图像"指的是 用于由观察者的右眼观看而形成的图像。
[0069] 本发明实施例使用独立的相邻光谱源解决了对立体观看系统中的改进亮度的需 要。
[0070] 在本发明的上下文中，术语"传输频带"和"通带"被认为是等同的。
[0071] 在本发明的上下文中，术语"光谱相邻"指的是被在用于形成颜色图像的分量颜色 的一般色谱内邻近的光谱带，该分量颜色通常为红色、绿色、蓝色，并且可能包含第四种颜 色和其它附加颜色。每个分量颜色的相应的光谱相邻颜色属于同一色谱，但是对于左眼图 像和右眼图像而言具有不同的波长范围，使得光谱带关于波长基本上是不交叠的。
[0072] 图2是图像形成系统的示意框图，其例示立体数字投影系统110的一些主要部件， 立体数字投影系统110包括使用光谱分离用于在观看屏幕上或其它类型的显示表面72上 形成左眼图像和右眼图像的投影仪设备120。第一组右眼光发射器12R发射第一红色光谱 带R1的光、第一绿色光谱带G1的光以及第一蓝色光谱B1的光。右眼光发射器12R用于形 成右眼图像用于由观看者的右眼进行观看。类似地，第二组左眼光发射器12L发射第二红 色光谱带R2的光、第二绿色光谱带G2的光以及第二蓝色光谱B2的光。左眼光发射器12L 用于形成左眼图像用于由观看者的左眼进行观看。
[0073] 在优选的实施例中，与左眼光发射器12L和右眼光发射器12R相关联的光谱带基 本上都是相互不交叠的，以使得滤光眼镜74可以用于将由左眼发射器12L提供的光与由右 眼发射器12R提供的光高效地分离开。基本上不交叠是指对于任意波长来说来自一个光谱 带的光谱功率是可忽略的，而另一个光谱带是不可忽略的。尽管在光谱带之间存在一些小 程度的交叠，但是有时可以获得可接受的结果。在实践中可以使用的一个准则是来自光谱 带中的一个光谱带的光的少于5%可以与另一光谱带交叠。
[0074] 滤光眼镜74包括左眼滤光器76L和右眼滤光器76R，连同左眼滤光器76L和右眼 滤光器76R被安装到其中的框架62。框架62适于使右眼滤光器76R位于观看者的右眼前 面并且使左眼滤光器76L位于观看者的左眼前面。右眼滤光器76R具有适于对来自右眼光 发射器12R的R1光谱带、G1光谱带和B1光谱带中的光进行透射并且对来自左眼光发射器 12L的R2光谱带、G2光谱带和B2光谱带中的光进行阻挡（即吸收或反射）的光谱透射特 性。同样地，左眼滤光器76L具有适于对来自左眼光发射器12L的R2光谱带、G2光谱带和 B2光谱带中的光进行透射并且对来自右眼光发射器12R的R1光谱带、G1光谱带和B1光谱 带的光进行阻挡的光谱透射特性。
[0075] 投影仪设备120可以具有两个分开的投影仪装置，具有颜色通道的一个投影仪装 置旨在提供对来自左眼光发射器12L的光进行投影的左眼成像路径而另一个投影仪装置 旨在提供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，诸如利用固有的排列特性并且减小与诸如 投影透镜的部件相关联的成本。本公开内容中的随后说明给出了关于一种类型的投影仪的 详细信息，该投影仪使用颜色滚动将左眼成像路径和右眼成像路径组合。图像投影领域的 技术人员应当了解：还存在可用于组合立体左眼图像和立体右眼图像的其它方法。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立体投影系统 一起使用。
[0076] 图3A的示意图示出在常规实践中，对于不是立体的投影设备，颜色滚动序列如何 用于从分量红（R)光、分量绿（G)光和分量蓝（B)光来提供颜色图像。作为在不同时间布 置的图像帧，示出一系列的图像帧28a、图像帧28b、图像帧28c、图像帧28d和图像帧28e。 在所示的示例中，每个帧具有分别具有红色分量、绿色分量和蓝色分量的三个光带34ι、光 带34g和光带34b，光带沿垂直方向运动穿过图像区域32被扫描。当光带滚动离开图像中贞 的底部时，光带滚动到图像帧的顶部，使得在任意给定的时间时图像帧的1/3被每个颜色 分量所覆盖。
[0077] 因为观看者由一侧到另一侧的移动会影响水平滚动，所以垂直滚动运动通常是优 选的，从而色带可以变得可察觉。这通常被称为"彩虹效应"。在该序列中的光带可以来自 照明部件，被扫描到空间光调制器上或可以是来自空间光调制器的成像的光。扫描行为是 周期性的，以观看者察觉不到的速率重复循环，以每秒多次的速率（例如，144Hz)。从该序 列可以看出：每个图像巾贞28a、图像巾贞28b、图像巾贞28c、图像巾贞28d和图像巾贞28e具有在不 同图像区域上扫描的三个分量颜色中的每个分量颜色。在使用该序列形成的图像中，在各 个光带34r、光带34g和光带34b中每个帧具有红色图像内容、绿色图像内容和蓝色图像内 容。
[0078] 容易理解的是：图3A的颜色滚动方案虽然可用于非立体颜色成像，但对立体颜色 成像系统造成了很大的困难。提供立体颜色需要六个不同光谱带的滚动，针对每个分量颜 色需要两个光谱带。每个光源具有与其相关联的本身的集光率。用六个不同源照射单个 芯片，每个源还需要各源之间的间隙以防止串扰以及考虑来自与特定颜色相关联的每个颜 色数据的芯片过渡时间将迅速利用可用的集光率或需要光学快速透镜。虽然这是可行的， 但是不期望的，因为投影仪亮度是严格限制的并且具有这种布置的光学器件的成本迅速升 商。
[0079] 为了有助于提高图像质量并且实现较高的亮度，对于非立体成像的电影质量投影 系统通常针对每个颜色采用分开的颜色通道，通常提供红色通道、绿色通道和蓝色通道中 的每一个。在每个颜色通道中提供一种空间光调制器。例如，这种布置使光学设计能够对 诸如滤光器和涂层的部件的特征和设计进行优化，以针对各个波长的光改进其性能。
[0080] 图3B示出根据本发明的示例性实施例的立体投影系统的颜色扫描布置。在这种 配置中，在单一分量颜色光谱内的光谱相邻光谱带滚动穿过图像区域32,而不是与如图2 的布置中的不同颜色分量对应的带。在本示例中，根据本发明的实施例，光谱相邻的红色光 谱带R1和R2如光带36a和光带36b滚动穿过图像帧38a、图像帧38b、图像帧38c、图像帧 38d和图像帧38e。对于投影的立体图像，R1光谱带用于提供左眼图像而R2光谱带用于提 供右眼图像。对于立体图像的每个颜色通道，设置类似的光谱滚动机构，这将在随后更详细 地描述。此外，通过维持在其自身的颜色通道内的相同颜色的光，与特定的颜色分量相关联 的光学部件的光学涂层可以继续被优化用于各个颜色分量。
[0081] 图4A和图4B的示意图示出符合本发明实施例的用于单个颜色通道中的颜色滚动 光谱相邻颜色的红色通道40r的部分。光源42a发射R1光谱带的光束，而另一光源42b发 射R2光谱带的光束。照明光学器件90将基本上均匀的光带提供到空间光调制器60上用 于在两个光谱相邻光谱带中的每个光谱带中进行调制。包括束流扫描器50的束流扫描光 学器件92提供光带的周期性滚动。应当了解，照明光学器件90可以包括多个透镜48,透镜 48中的一些透镜可以被定位在均匀化光学器件44与束流扫描光学器件92之间，以及其它 的透镜可以被定位在束流扫描光学器件92与空间光调制器60之间。在优选实施例中，照 明光学器件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。这种方法的优点是在投影期间光源42a和光源42b可以连续地使用，提供比其它立 体投影方法增强的光输出。
[0082] 在图4A的配置中，光束组合器46将来自光源42a和光源42b的光束组合到平行 光轴上，并且将空间相邻光束指引至诸如一个或更多个小透镜阵列或均匀化棒的均匀化光 学器件44中，以提供基本上均匀的空间相邻光束。然后，束流扫描器50使组合的均匀化光 周期性滚动并且将滚动的组合光束通过照明光学器件90指引至空间光调制器60上，这提 供光束成像、成型和调节。在图4A中，照明光学器件90被表示为透镜48 ;然而在不同的实 施例中，照明光学器件90可以包括不同的（或多个）光学部件。可以通过使用入射光束的 空间分离或角度分离将需要防止光带之间的串扰的光束分离提供给束流扫描器50。在利 用不同角度的情况下，通常期望将诸如二向色光束组合器的另一元件设置在束流扫描器50 的下游以将被扫描的光束返回到平行光轴上。
[0083] 空间光调制器60形成具有相应的光带36a和光带36b的图像帧38。光带36a和 光带36b如先前所描述的那样周期地滚动。空间光调制器60具有可以根据图像数据被分 别进行调制以提供成像光的像素阵列。通过R1光谱带进行照射的空间光调制器像素是根 据左眼图像的图像数据被调制的，而通过R2光谱带进行照射的空间光调制器像素是根据 右眼图像的图像数据被调制的。
[0084] 在图4B的替选配置中，分开的均匀化光学器件44和束流扫描器50被用于来自光 源42a和光源42b中的每个光源的光束中，以提供两个被扫描的光束。然后，光束组合器46 将被扫描的光束进行组合以形成组合的被扫描光束，使用照明光学器件90将该组合的被 扫描光束指引至空间光调制器60上。在这种情况下，束流扫描光学器件92包括两个束流 扫描器50。
[0085] 图5的示意图示出具有三个颜色通道（即，红色通道4〇1、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R1和R2 ;绿 色通道40g包括光谱相邻的绿色光谱带G1和G2 ;以及蓝色通道40b包括光谱相邻的蓝色 光谱带B1和B2。投影光学器件70将来自三个空间光调制器60的成像光传送至显示表面 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来观察显示表面72。左眼滤光器76L选择性地透射左眼图像的成像光（即，R1光谱带、 G1光谱带和B1光谱带中的光），同时阻挡（通过吸收或反射）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），同时阻挡左眼图像的成像光（即， R1光谱带、G1光谱带和B1光谱带中的光）。
[0086] 控制器系统80根据立体图像的图像数据对每个空间光调制器60的像素进行同步 地调制。控制器系统80还耦合至束流扫描器50,使得其在任意给定时间知道通过不同的光 谱相邻带照射哪些空间光调制器像素。通过第一光谱带照射的空间光调制器像素根据左眼 图像的图像数据被调制而通过第二光谱带照射的空间光调制器像素根据右眼图像的图像 数据被调制。因为第一光谱带和第二光谱带连续地滚动，所以采用左眼图像和右眼图像的 图像数据调制的空间调制器像素的子组也连续变化。
[0087] 投影光学器件70可以（例如，使用光束组合光学器件）将来自三个颜色通道的光 束进行组合，并且通过单个投影透镜对组合的光束进行投影。或者，投影光学器件70可以 使用三个分开的投影透镜来以对齐的方式将每个颜色通道分开地投影到显示表面72上。
[0088] 正如前面参照图4A和图4B所描述的那样，包括一个或更多束流扫描器50的束流 扫描光学器件92可以被配置成使用多个不同的布置来提供光带滚动，并且可以被定位在 沿着照明路径的任何合适的点处。与本发明的一个实施例相一致，图6A示出束流扫描器50 的示意图，束流扫描器50包括单个扫描元件，即旋转棱镜52。在这种配置中，旋转棱镜52 可以被提供给每个分量颜色带中的每个光谱相邻光谱带。棱镜52的旋转通过折射来改变 光束（文中所示的对于R1光谱带）的方向，使得光束位置周期性地滚动穿过空间光调制器 60。例如，图6A的布置被用于图4B中所示的颜色通道实施例中。
[0089] 在图6A的顶部图中，棱镜52被定位以使得入射光束是垂直入射到棱镜的面部上。 在这种情况下，光束以未偏转的方式穿过棱镜52。在中间的图中，棱镜52已经围绕轴0旋 转，以使得光束以一个斜角入射到棱镜的面上。在这种情况下，光束被向下折射从而使光束 在较低的位置处横穿空间光调制器。在下面的图中，棱镜52已经被旋转以使得入射光束现 在照在棱镜42的不同面上。在这种情况下，光束被向上折射以使光束在较高的位置处横穿 空间光调制器60。应注意，入射光束通常具有相当大的空间（和角度）范围，以使得入射光 束中的一些光线在一些棱镜方向处可以照在棱镜的不同面上。以此方式，一些光线将被向 上偏斜，而另一些光线可以向下偏斜。这提供了如图3B的图像帧38e中所示的在图像帧的 上部与下部之间分割的光带。
[0090] 图6B是示出束流扫描器50的替选实施例的示意图，其中旋转棱镜52同时扫描单 个颜色通道中的两种光谱相邻光谱带的光带（在本示例中，光谱带R1和光谱带R2)。这个 配置适合用于图4A的示例实施例中。在这种情况下，R1光谱带和R2光谱带两者的光束入 射到棱镜52上。随着棱镜52旋转，通过折射使两个光束同时改变方向。
[0091] 图6C是不出束流扫描器50的另一替选实施例的不意图，其中旋转棱镜52同时扫 描单个颜色通道中的两种光谱相邻光谱带的光带（在本示例中，光谱带R1和R2)。在这种 情况下，入射到旋转棱镜上的光束来自两个不同的角方向。均匀化光学器件44用于使每个 光谱相邻光束均匀化。在本示例中，均匀化光学器件44包括集成棒58。照明光学器件90 被划分成第一级94和第二级96,每级包括多个透镜48。在这种配置中，第一级94中的透 镜48被布置成提供集成棒58的输出面与棱镜52之间的远心度。类似地，第二阶段96中 的透镜48被布置成提供棱镜52与空间光调制器60之间的远心度。包括一个或更多个二 向色表面84的二向色组合器82用于将被扫描的光束指引至平行光轴上用于照射空间光调 制器60。
[0092] 图6C的多角度几何结构类似于Conner的题为"Pro jection system with scrolling color illumination"的美国专利US7, 147, 332 中所教导的结构。Connor 教导了 具有滚动棱镜组件以使用不同颜色带同时照射空间光调制器的不同部分的投影系统。白色 光被划分成沿不同的方向传播通过滚动棱镜的不同的颜色带。滚动颜色带被反射性组合， 以使得不同的颜色带穿过滚动棱镜组件平行向外。然而，Conner没有教导来自独立光源的 滚动的光谱相邻光谱带以提供立体投影。
[0093] 旋转棱镜或其它折射元件是能够用于束流扫描器50的一种类型的装置。如在光 学器件中所了解的，本文中所用的术语"棱镜"或"棱镜元件"指的是指透明光学元件，该透 明光学元件通常是具有光入射在其上的平坦表面的η面的多面体的形式，并且该透明元件 是由使光折射的透明的固体材料形成的。应了解，在形状和表面轮廓方面，相比于棱镜的正 规几何结构限定而言，对于什么构成棱镜的光学理解受到较少的限制并且包括那些更多的 正规限定。虽然图6A至图6C描绘了具有正方形截面的矩形棱镜，但是在许多情况下，需要 具有多于四个面的面，以提供改进的扫描结果。例如，六角棱镜或八角棱镜可以用于各种实 施例中。
[0094] 可以用于束流扫描器50的替选类型的部件包括旋转镜子或其它反射部件、平移 穿过光束路径并且提供可变化的光折射的装置、往复元件，如电流计驱动的镜子、或枢转棱 镜、镜子或透镜。
[0095] 当使用多个束流扫描器50时，关键是使所有束流扫描器50的旋转同步，并且随后 图像数据与不同的光谱带相关联。未示出的一种方法是将光学布置配置成使得单个电动机 用于控制束流扫描器50中的至少两个束流扫描器50的移动光学元件。例如，单个轴可以 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 指引光束从多个方向穿过棱镜52或通过指引光束穿过棱镜52的不同部分（如图6B中所 示）来扫描多个光谱带。
[0096] 如图4A、图4B和图5中的示例所示，光谱相邻光谱带的光束路径可以彼此对齐以 使用光束组合器46对空间光调制器60进行照射。光束组合器46可以是二向色的光束组 合器，或可以使用本领域已知的任何其它类型的光束组合光学器件。
[0097] 均匀化光学器件44对来自光源42a和光源42b的光束进行调节以提供用于扫描 的基本上均匀的光束。在本公开内容的上下文中，术语"基本上均匀"意指入射到空间光调 制器20上的光束的强度对于观看者而言看起来是视觉上均匀的。实际上，均匀化光束的 强度应该恒定在约30%内，以及大部分变量的发生在朝向均匀化光束的边缘的较低的光水 平。可以使用本领域已知的包括集成棒或小透镜阵列的任何类型的均匀化光学器件44。
[0098] 图7A示出可以用于图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使用一对小透镜阵列54来使光束均匀化。空间相邻光束中的一束（例如，对于R1光 谱带）穿过小透镜阵列54的上半部，而另一空间相邻光束（例如，对于R2光谱带）穿过小 透镜阵列54的下半部。不透明块56设置在光谱相邻光谱带的光束之间，以有助于防止串 扰。以此方式，可以每个颜色带使用单个小透镜阵列结构从而降低成本。
[0099] 图7B示出可以用于图4A的实施例的均匀化光学器件44的另一示例。在这种情况 下，均匀化光学器件44使用一对集成棒58来使光束均匀化。空间相邻光束中的一束（例 如，对于R1光谱带）穿过集成棒58的上部，而另一空间相邻光束（例如，对于R2光谱带） 穿过集成棒58的下部。
[0100] 如前所述，在优选实施例中，使用照明光学器件90将均匀化光学器件44的一个或 更多个输出面成像到空间光调制器60上，其中成像光穿过束流扫描光学器件92。对于本领 域的技术人员来说，使用照明光学系统90的许多不同的配置来提供这个功能是明显的。图 8示出其中照明光学系统90被划分成第一级94和第二级96,每级包括两个透镜48的一个 实施例。第一级94中的透镜48在与为束流扫描器50的部件的棱镜52的位置对应的中间 图像平面98处形成集成棒58的输出面的图像。第二级96将中间图像平面98的图像形成 到空间光调制器60上，从而提供基本上均匀的光带36a和光带36b。随着棱镜52的旋转， 光带被扫描穿过空间光调制器。透镜48可以用于根据棱镜52的大小来调节中间图像的放 大率，并且根据空间光调制器60的大小来调节被扫描光带的放大率。
[0101] 控制器系统80 (图5)根据立体图像的图像数据同步地对每个空间光调制器60的 像素进行调制。控制器系统80中的逻辑对左眼图像内容和右眼图像内容的图像数据与每 个光带36a和光带36b的对应位置进行协调。例如，控制器系统80可以是与投影仪系统相 关联的计算机或专用处理器或专用微处理器，或者可以在硬件中实现。
[0102] 本发明的实施例很适合于使用诸如激光器、发光二极管（LED)和其它窄带光源的 固态光源，其中窄带光源被限定为那些具有不超出约15nmFWHM(半高全宽）并且优选地不 超过l〇nm的光谱带宽的光源。可以使用其它类型的光源，包括量子点光源或有机发光二 极管（OLED)光源。在其它实施例中，可以使用一个或更多个白光光源，以及用于获得所期 望的每个颜色通道的光谱内容的相应滤光器。例如，用于将多色光或白光分割成单色光谱 的光的方法是图像投影领域中的技术人员所公知的，并且可以使用诸如X立方体和菲利浦 (Philips)棱镜的标准装置，以及针对光调节和传送的已被接受的技术。
[0103] 激光器的使用在减少光谱相邻光谱带的带宽方面提供了显著的优势，从而允许相 邻带之间更大的间距并且增加颜色色域。这是所希望的情况，因为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法向入射而偏移。这个角灵敏度 在所有光学滤光器设计中是普遍公知的问题。因此，使用减小的带宽发射有助于解决这个 问题，使这个常见偏移在基本上不影响串扰的情况下发生。很多激光器具有lnm量级的带 宽。虽然这可能看起来是理想的，但是还存在诸如斑点减少的其它因素，这受益于更宽的光 谱带。（斑点是通过来自光学部件上的缺陷的相干光的干扰而产生的。）虽然使用任何类 型的光源可以产生斑点，但是使用诸如LED的窄带光源最明显，甚至使用激光器会更多。作 为折衷方案，较理想的带宽将落在5nm至10nm之间以提供适当的光谱分离，同时减小斑点 的灵敏度。在15nm至20nm之间的光谱分离通常足以减轻滤光器的角灵敏度问题。
[0104] 图9的示意图示出对于投影光学器件70使用公共光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40r、绿色通道40g和蓝色通道40b。每个颜色通道 包括针对每对光谱相邻光谱带中的每个光谱带的一个或更多个光源阵列（例如，激光器阵 列光源）。光源42a发射左眼光谱带（R2、G2和B2)中的光束，而光源42b发射光谱相邻的 右眼光谱带（R1、G1和B1)中的光。光改向棱镜30用于每个颜色通道以将来自光源42a和 光源42b的光束改向到同一方向中以形成包括右眼光谱带和左眼光谱带（例如，R1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，R1光谱）的光束将被 分组到组合光束的一侧上，而来自左眼光谱带（例如，R2光谱）的光束将被分组到组合光 束的另一侧上。可以用于此目的的一种类型的光改向棱镜30已经在前述的、Silversstein 的题为"Projector using independent multiple wavelength light sources，'的共同转让、 共同未决的美国专利申请公开2009/0153752中进行了描述。
[0105] 每个分量颜色通道的组合光束被指引通过均匀化光学器件44、束流扫描光学器件 92和照明光学器件90,并且从二向色表面68反射以将被扫描的第一光带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对 空间光调制器像素进行同步地调制，其中通过由第一光带（例如，R1)照射的空间光调制器 像素是根据左眼图像的图像数据而被调制的而由第二光带（例如，R2)照射的空间光调制 器像素是根据右眼图像的图像数据而被调制的。
[0106] 由空间光调制器60提供的被调制的成像光束透射穿过二向色表面68并且使用具 有多个二向色表面84的二向色组合器82被组合到公共光轴上。使用投影光学器件70将 组合光束投影到显示表面（未示出）上用于由佩戴滤光眼镜74(图5)的观看者观看。
[0107] 图9中所示的实施例使用三个空间光调制器60,每个空间光调制器用于每个分量 颜色（即，红色、绿色和蓝色）通道。使用具有在特定分量颜色通道内的光谱相邻光谱带的 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的较昂贵 且复杂的部件中的一个部件。
[0108] 图10示出立体数字投影系统110的替选实施例的示意图，立体数字投影系统110 仅利用两个空间光调制器60L和空间光调制器60R，一个空间光调制器与左眼图像形成系 统41L相关联，而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，每个左眼光源用于每个分量颜色光谱（R1、G1和B1)。类似地， 右眼图像形成系统41R包括三个右眼光源43R，每个右眼光源用于每个分量颜色谱（R2、G2 和B2)。右眼光源43R是与对应的左眼光源43L光谱相邻的。
[0109] 每个图像形成系统包括均匀化光学器件44、束流扫描光学器件92、照明光学器件 90和二向色表面68以将被扫描的光束指引至空间光调制器60L和空间光调制器60R上。 在这种情况下，左眼图像形成系统41L提供三个被扫描的光带34r、光带34g和光带34b，分 别对应于红色光谱带、绿色光谱带和蓝色光谱带（Rl、G1和B1)。同样地，右眼图像形成系 统41R提供三个被扫描的光带35r、光带35g和光带35b，分别对应于红色光谱带、绿色光谱 带和蓝色光谱带（R2、G2和B2)。
[0110] 控制器系统（未示出）根据左眼图像的图像数据在左眼图像形成系统41L中对空 间光调制器60L的像素进行同步地调制，其中由每个光带（R1、G1和B1)照射的像素是根据 左眼图像的对应颜色通道的图像数据而被调制的。同样地，控制器系统根据右眼图像的图 像数据在右眼图像形成系统41R中对空间光调制器60R的像素进行同步地调制，其中由每 个光带（R2、G2和B2)照射的像素是根据左眼图像的对应颜色通道的图像数据而被调制的。
[0111] 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，用于使用投影光学器件70投影到显示表面 上。二向色表面84优选的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)同时反射与左眼光源43L的成像光对应的光谱带（R1、G1和B1)的一系列槽口的光谱 梳状滤光器。光谱梳状滤光器可以使用本领域已知的任何技术诸如多层薄膜二向色滤光器 涂层方法和共挤拉伸聚合物膜结构制造方法而被制造。可以用于提供光谱梳状滤光器以用 作为二向色表面84的另一类型的二向色滤光器是皱褶滤光器设计。皱褶滤光器是具有深 的、窄的抑制带同时对于光谱的其余部分还提供高的、平的透射的干涉滤光器。使用产生贯 穿光学膜层的连续变化的折射率的制作工艺来制造皱褶滤光器。皱褶滤光器特性与标准槽 口滤光器相比降低了涟波并且没有谐波反射，这是由具有不同折射率的材料的不连续层制 造的。
[0112] 以示例的方式而不是以限制的方式，表1和表2列出了根据本发明的实施例的示 例光谱相邻光谱带。
[0113] 表1.示例性交织光谱相邻光谱带
[0114]

【权利要求】
1. 由立体数字显示系统的观察者使用的滤光眼镜，所述立体数字显示系统将包括第一 眼图像和第二眼图像的立体图像显示在显示表面上，所述滤光眼镜包括： 第一眼滤光器，其具有面对所述显示表面的前表面和相对的后表面，并且具有基本上 对来自所述第一眼图像的光进行透射并且对来自所述第二眼图像的光进行阻挡的透射特 性； 第二眼滤光器，其具有面对所述显示表面的前表面和相对的后表面，并且具有基本上 对来自所述第二眼图像的光进行透射并且对来自所述第二眼图像的光进行阻挡的透射特 性； 框架，所述第一眼滤光器和所述第二眼滤光器被安装到所述框架中，所述框架适于使 所述第一眼滤光器位于所述观察者的第一眼的前面并且使所述第二眼滤光器位于所述观 察者的第二眼的前面，所述第一眼滤光器的所述前表面和所述第二眼滤光器的所述前表面 以相对于坚直方向至少5度的倾斜角被定向，使得来自所述显示表面的从所述第一眼滤光 器和所述第二眼滤光器反射的光被指引越过坐在所述观察者前方的其它观察者的头部。
2. 根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述第一眼图像利用具有对应的红色、绿色 和蓝色第一眼光谱带的窄带固态红色、绿色和蓝色第一眼光发射器形成，并且所述第二眼 图像利用具有对应的红色、绿色和蓝色第二眼光谱带的窄带固态红色、绿色和蓝色右眼光 发射器形成，所述第一眼光谱带与所述第二眼光谱带基本上不交叠。
3. 根据权利要求2所述的滤光眼镜，其中，所述第一眼滤光器基本上透射所述第一眼 光谱带并且反射所述第二眼光谱带，以及所述第二眼滤光器基本上透射所述第二眼光谱带 并且反射所述第一眼光谱带。
4. 根据权利要求3所述的滤光眼镜，其中，所述第一眼滤光器基本上透射所述第一眼 光谱带中60%或更多的光并且反射所述第二眼光谱带中60%或更多的光，以及所述第二 眼滤光器透射所述第二眼光谱带中60%或更多的光并且反射所述第一眼光谱带中60%或 更多的光。
5. 根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述倾斜角被指定，使得来自所述显示表面 的从所述第一眼滤光器和所述第二眼滤光器反射的光被指引越过所述显示表面的顶部。
6. 根据权利要求1所述的滤光眼镜，还包括：安装至所述框架的不透明侧防护板，所述 防护板被定位成阻挡观看环境中的至少一些杂散光照在所述第一眼滤光器的所述后表面 和所述第二眼滤光器的所述后表面上。
7. 根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述框架是利用可模制材料制成的，并且其 中，所述框架被模制成容纳所述第一眼滤光器和所述第二眼滤光器并且以所述倾斜角将它 们定向。
8. 根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述框架包括使得所述第一眼滤光器与所 述第二眼滤光器的所述倾斜角能够调节的铰链机构。
9. 根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述倾斜角相对于坚直方向不大于20度。
10. 根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述第一眼滤光器和所述第二眼滤光器的 所述前表面和所述后表面中的一个或两个是平坦表面。
11. 根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述第一眼滤光器和所述第二眼滤光器的 所述前表面和所述后表面中的一个或两个是弯曲表面。
12. 根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述第一眼滤光器和所述第二眼滤光器中 的一个或两个利用包括二向色滤光器堆叠的多个滤光器层形成。
13. 根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述第一眼滤光器和所述第二眼滤光器中 的一个或两个包括一个或更多吸收型滤光器层。
14. 根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述第一眼滤光器和所述第二眼滤光器分 别利用包括二向色滤光器堆叠和一个或更多吸收型滤光器层两者的多个滤光器层形成。
15. 根据权利要求14所述的滤光眼镜，其中，所述吸收型滤光器层中的至少一些吸收 型滤光器层位于相应的所述二向色滤光器堆叠与相应的述观察者的眼睛之间。
16. 根据权利要求15所述的滤光眼镜，其中，所述第一眼滤光器反射来自所述第二眼 光发射器的从所述第一眼滤光器的后面入射到所述第一眼滤光器上的光的50%或更少，以 及所述第二眼滤光器反射来自所述第一眼光发射器的从所述第二眼滤光器的后面入射到 所述第二眼滤光器上的光的50%或更少。
17. 根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述立体数字显示系统是立体数字投影系 统。
【文档编号】H04N13/04GK104054337SQ201380005858
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年1月14日 优先权日:2012年1月17日
【发明者】巴里·大卫·西尔弗斯坦 申请人:伊斯曼柯达公司