专利名称：用于三维显示系统的调制器装置和设备的制作方法
用于三维显示系统的调制器装置和设备
本发明涉及线扫描投影显示系统，并且特别是三维图像生成线扫
描投影系统，其包括具有可调衍射光栅(TDG)元件的调制器和特别 设计的棱镜，其提供作为 一个部件嵌入的光源的不同颜色和/或偏振状 态的分裂、重组或分裂/重组两者。
最近几年，已经发现图像投影机并且特别地数字投影机作为向观 众呈现各种信息的工具越来越流行。典型地，这些投影机用于投影计 算机生成的图像到观看表面上。图像投影机允许用户向观众轻松地呈 现具有宽尺寸范围的高质量图像。因此，现在经常发现这些投影机作 为在会议室和其他会议场所中的常设设备。
由典型的图像投影机投影的图像一般对于观众表现为平的以及 二维的，除了图像的景深外没有任何的深度表现。这样的表现可适合 许多类型的应用。然而，在某些情况下，会期望将例如图像中的深度 或紋理等特征强调到比对于普通的二维表现所可能的更高的程度。
在现有技术中有若干个用于生成三维图像的方案。例如，通过立 体画面地表现图像可对图像的二维表现给予深度的呈现。这些图像包 括单独的、叠加的左眼和右眼图像，其配置以模拟如人的左右眼看到 的由于人脸上眼睛的几何分离而引起的三维对象的外观中的细微差 异。左眼和右眼图像分别被呈现使得左眼图像不被观众的右眼感知， 并且右眼图像不被左眼感知，典型地由观众戴的滤光片提供。
例如，立体画面图像可通过使用分开的图像投影系统以分别投影 左眼图像和右眼图像而在会议室环境中呈现。尽管这样的系统可成功 形成立体画面图像，但是系统的成本和重量可大大高于单一投影机。 此外，两个投影机可要求相对困难和耗时的光学对准。同样，由于两 个系统的重量和体积以及当改变位置时困难的图像对准问题，这样的-系统可特别难在位置之间移动。
现有技术3D成像系统的另一个例子使用具有置于投影机和屏幕 之间的主动偏振片的单个投影机。偏振片循环地在相反方向偏振交替 的图像帧。戴上偏振眼镜的观众当交替分别由右眼和左眼看到的帧时
在屏幕上看到立体3D图像。然而，偏振片将吸收某些光从而产生较 低的光效率。此外，对不同眼睛显示交替帧可以导致在图像中的闪烁 和交错伪像。并且显示调制器的响应必须是在二个投影机配置中使用 的调制器的响应两倍那么快，因为单一投影机图像的刷新率必须是两 倍那么高。
使用激光作为光源的立体画面投影机将提供比目前的投影机大 很多的色域，从而产生更加自然和饱和色彩的图像。EP02U596A公 开了用于产生立体图像的装置，其包含610nm的红色激光器(23)、 514nm的绿色激光器和476nm的蓝色激光器。来自激光器(23， 24， 25)的光在第一组声音调制器(26， 27, 28)中调制为一个零级和两 个第一级光束。调整第一组调制器(26， 27， 28)使得这些第一级光 束具有相对于该零级光束的与对于所有原色相等的偏离角。第一组透 镜(30， 31， 32)使来自第一组光声调制器(26, 27， 28)的光射向 除一组对于还未被衍射的光的阻挡装置(stopper) (33， 34, 35 )外 的第二组透镜(36， 37， 38)。第二组透镜(36, 37， 38)将光聚向 正好在射束扫描器(52)前面的点。来自第二透镜(36)的光束(39, 40 )在被传输通过偏振分裂器(42 )之前被传输通过偏振转子(41 )。 在第二光电调制器(47)中调制第一组偏振光(43， 44)，而相对于 第一组偏振光正交偏振的第二组偏振光(45, 46)被反射器(48)反 射射向第三光电调制器(49)。反射镜(50， 51, 53)收集光(43， 44, 45, 46)并且将收集的光射向第一扫描器(52),并且接着通过
的眼镜来观看图像，该偏振对应于在设备中引入的偏振。
GB2265024A公开包括第一透明层(1)、离第一透明层(1)内侧一定距离(6)的第二可变形层(5)的调制器。棱镜(9)位于第 一透明层(1)上面。可变形层(5)通过施加信号而变形。
US2004/0008928 A公开从入射光束(26 )分离具有不同波长的光 (26，)的装置(10)。基体(12)具有层结构(14)，其中层结构(14 ) 的构件有不同的光学特征，其提供光的分离和偏振控制。
WO/90/03086 A公开用于在线扫描投影系统中重现立体图像的装 置(1)。该装置包括多个的视场(5)，其带有具有偏振滤光片的分 离单元(6)。在每一个分离单元前设置有双面显示器(14)。
总的来说，先前已知的用投影显示获得立体画面图像的技术方案 典型地包含高复杂性和成本的多个光路系统，或低亮度性能和大的响 应时间要求的单芯片技术方案。
因此，存在对用于显示图像的简单的低成本的立体画面投影系统 的需要，其可以产生具有大色域的无闪烁图像。
在现有技术中，3D立体投影已经用单面板DMD(数字微镜器件) 系统实现，其中对于每只眼的各个左/右帧按顺序显示。当用户戴上具 有与投影机同步的快门功能的眼镜时，分别当投影机显示"左眼帧" 时只有左眼允许看到显示的图像，并且对于右眼类似。
然而，这样的技术方案需要多于双带宽的投影机显示调制器和电 子设备，因为帧速率需要是"单视觉，，图像速率的两倍以避免闪烁伪 像，并且因此实际上用当前DMD部件技术不可能显示例如具有全8 比特的全HDTV分辨率或更高灰度分辨率。
现有技术的技术方案的其他例子使用与单面板DMD系统结合的 立体影片的左/右眼分离，其中观众戴上具有匹配色带的目艮镜。然而， 对于白光源该亮度效率是非常低的。系统的顺序操作模式增加对显示 调制器以及驱动电子设备的响应速度的严苛的要求。
现有技术方法的另一个例子是使用两个LCOS (硅上液晶)显示 器，并且在系统的观众侧在具有被动偏振滤光片的玻璃片上分别提供 左/右眼分离，并且通过匹配这些滤光片的取向与来自投影机的左/右输出，因为在任一 LCOS调制器上入射的光的偏振被正交偏振。
在这个情况下色彩和亮度均匀性和热稳定性，以及来自两个显示 器的偏振光的分裂/重组(其意味着复杂的光学系统)，受到极大关注。
响应速度也是问题，因为每个LCOS调制器必须在给定的帧速率内显 示全RGB彩色帧。
根据本发明的方面，提出提供单芯片3D成像的系统，其中分离 由偏振、色带或这些的组合来提供。
根据本发明实施例的优选例子，使用可调衍射光栅(TDG)，特 别地例如在挪威专利申请号20054834中说明的光栅。这个可调衍射 光栅的工作原理是基于由于薄凝胶层或具有同等光学和功能特性的 膜的表面调制而引起的光衍射。这些调制器的基本原理是众所周知的 并且从超过60年以前引入艾多福投影(Eidophorproject)以来已用于 投影应用。
根据本发明实施例的例子，特别设计的棱镜用于分裂、重组，或 用作对于来自提供的光源的不同颜色和/或偏振状态的组合的分裂/重 组元件，其中技术方案提供作为单个部件。来自光源的单个颜色和/ 或偏振状态被引向在单个TDG表面上的各个调制器部分。通过提供 棱镜作为调制器的一部分，最小化了必要的对准调整，以及提供了非 常紧凑的系统技术方案。
根据本发明的方面，这个概念简化了光学系统并且降低了在生产 装配过程中的成本、努力和投资。
根据本发明的另外的方面，优势是，但不限于，与多芯片技术方 案相比降低的系统复杂性和成本，与当前的单芯片技术方案相比降低 的响应速度要求，改善的刷新率等。
本发明另一方面是通过使用偏振和颜色分裂的组合提供立体成 像是可能的。这个性质的效果是各个图像可呈现给不同的观众组，例 如通过提供"演示者模式"其中演示者能获取比观众更多的图像内容。
图1示出根据本发明基于偏振分裂的调制器装置实施例的例子。图2示出根据本发明基于偏振分裂的调制器装置实施例的另一个 例子。
图3示出包括根据图2的调制器设计的彩色投影系统的实施例的 例子。
图4示出根据本发明基于颜色分裂的调制器装置实施例的另 一个 例子。
图5示出根据本发明基于颜色和偏振分裂的调制器装置实施例的 另一个例子。
本发明的一个方面是使用TDG调制器，其包括一组位于离凝胶、 膜或聚合物等功能距离的电极，使得当在电极上施加适当的电压时衍 射网格在凝胶或膜等的表面上形成。这样的TDG调制器的特征中的 一个是若干组独立电极可以结合在离凝胶或膜一功能距离，因而分别 提供在位于各个电极组上的凝胶或膜的表面的不同部分上入射的光 的单独衍射。因此，根据本发明实施例的例子，例如激光的入射光束 的分裂以及提供偏振，然后引导偏振光束朝TDG部件的凝胶或膜表 面的相应部分，使得分别调制对于左右眼的图像成为可能。例如在调 制器前和/或调制器后设置的光学装置提供必需的装置以实现3D投影 系统。根据本发明的方面这样的调制器可设置为单芯片元件。
图1示出根据本发明基于偏振分裂的调制器装置的单芯片实施例 的例子。激光，1,入射在调制器棱镜上。光被反射离开偏振滤光片2， 其将光束分成两个分离的偏振光束，ls和lp，其中它们的单独偏振状 态关于彼此正交。各光束入射在单个TDG调制器表面4的独立调制 部分上。不同的栅格图案通过施加在电极3s和3p上的电压提供，使 分别控制衍射激光光束的角度成为可能，并且3D效果可以通过如本 领域内的技术人员已知的用适当的光学器件来观看衍射光而获得。
图2示出根据本发明基于偏振分裂的单芯片调制器装置实施例的 另一个例子。红、绿以及蓝色激光5入射在调制器棱镜上。光被反射 离开一叠偏振颜色滤光片2。反射的效果是入射光5被分成六束分离光束，4RS、 4RP、 4GS、 4GP、 4Bs和4Bp。各光束特征在于波长和偏振 状态的唯一组合。每个波长的偏振状态关于彼此正交。各光束然后入 射到TDG调制器表面4的独立调制部分。由施加在电极3RS、 3RP、 3GS、 3GP、 3Bs和3Bp上的电压提供的不同的栅格图案使分別控制衍 射激光光束的角度成为可能，如本领域内技术人员已知的。图3描绘 根据本发明包括在图2中描述的调制器的3D显示系统的例子。
参考图3，不同的激光颜色，R、 G和B(红、绿和蓝)借助于两 个二向色滤光片(其他部件，例如X-棱镜也可以用于实施这个对准) 9R和9G被同轴对准，并且被引导通过光束整形中继光学装置(所有 颜色共用的)10到调制器11,其将光束分裂为它的颜色和偏振分量 并且单独地调制这些不同的光束然后引导它们朝向^:影光学装置12 。 施利仑光阑(schlieren stop) 13，用于过滤掉不需要的衍射级并且扫 描反射镜14用于在偏振保持屏幕15上生成具有正交偏振性质的两个 2D图像的重叠。3D图像借助于观众戴的被动偏光眼镜产生。眼镜的
叠(polarizing stack)来配置使得来自投影图像中之一的光只到i^见众 的左眼，而来自另一投影图像的光只到达观众的右眼。当左眼看见不 同于右眼看见的图像时立体画面效果产生三维图像，如本领域内技术 人员已知的。
图4示出根据本发明基于颜色分裂的调制器装置的实施例的另一 个例子。具有不同波长的六束同轴对准的激光束(两束红色，两束绿 色和两束蓝色)7入射到调制器棱镜上。光净皮反射离开一叠颜色分光 镜8。反射的效果是入射光7被分成六束具有不同波长的分离光束 7R。 7R2、 7Gi、 7G2、 7B>7B2。然后各光束入射到单个TDG调制 器表面4的独立调制部分上。由施加在电极3R!、 3R2、 3G。 3G2、 3B! 和3B2上的电压提供的不同的栅格图案使控制分开的(或不同的)波 长的衍射激光光束的角度成为可能。两个重叠的2D图像使用与在图 3中描绘的投影系统中的相似的投影光学装置投影在屏幕上。3D图像借助于观众戴的被动滤光眼镜产生。眼镜的各个镜片使不同波长通过
使得右眼(例如)看见用颜色7& 、 7Gi和7B!产生的图像，而左眼(例 如)看见用颜色7R2、 7G2和7B2产生的图像。当左眼看见不同于右眼 看见的图像时立体画面效果产生三维图像，如本领域内技术人员已知 的。
图5示出根据本发明基于颜色和偏振分裂的调制器装置的实施例 的另一个例子。具有不同波长的六束同轴对准的激光束(两束红色， 两束绿色以及两束蓝色)16入射到调制器棱镜上。光^^良射离开一叠 颜色和偏振滤光片17。所述的反射的效果是入射光16被分成十二束 分离光束16R,s、 16Rlp、 16Gls、 16Glp、 16Bls、 16Blp、 16R2s、 16R2p、 16G2s、 16G2p、 16B&和16B2p。各光束具有波长和偏振状态的唯一组 合。每个波长的偏振状态关于彼此正交。各光束特征在于波长和偏振 状态的唯一组合。每个波长的偏振状态关于彼此正交。然后各光束入 射到单个TDG调制器表面4的独立调制部分上。由施加在电极3Rls、 3Rlp、 3Gls、 3Glp、 3Blp、 3B2s、 3R2s、 3R2p、 3G2s、 3G2p、 3B2s和3B^ 上的电压提供的不同栅格图案使分别控制衍射激光光束的角度成为 可能。四个重叠的2D图像使用与在图3中描绘的投影系统中的相似 的投影光学装置投影在偏振保持屏幕上。3D图像借助于观众戴的被 动滤光眼镜产生。眼镜的各个镜片使与不同偏振状态结合的不同波长 通过。 一位观众的右眼，例如，看见用颜色和偏振组合，例如16Rls、 16Gk和16Bk所产生的图像，而左眼看见用颜色和偏振组合，例如 16R2s、 16G^和16B2s所产生的图像。另一名戴不同眼镜的观众的右眼 看见用颜色和偏振组合，例如16Rlp、 16Gtp和16B^所产生的图像， 而左眼看见用颜色和偏振组合，例如16R2p、 16G化和16B2p所产生的 图像。当左眼看见不同于右眼看见的图像时立体画面效果对每位观众 产生三维图像。因为四个不同的2D图像重叠，两个不同的3D图像可 以呈现给戴不同目艮镜的观众。这可以具有许多应用，例如，多任务用 途其中包括信息的各个图像呈现给不同的观众组，例如"演示者的模式"其中演示者能获取比观众更多的图像内容。
本发明的方面是利用TDG调制器的性质以才是供至少两组电极，
它们分別与构成要显示的图像的光的每个状态相关，例如通过分别在 电极组上施加适当的电压以用于控制各衍射激光光束的角度，然后通 过显示光学装置和扫描反射镜装置。根据本发明的实施例的另一个例 子，各衍射光束的角度分别通过与那束衍射光束相关的电极图形的几 何形状来控制。
权利要求
1.用于在线扫描投影系统中提供三维图像的调制器装置，其中图像由用户通过光学滤光片观看，所述调制器装置包括可调衍射光栅(TDG)部件(4)，其中多个独立电极分组提供所述TDG部件中的多个独立调制器部分，其中所述调制器装置还包括引导入射光(1，5，7，16)朝向反射装置(2，6，8，17)的棱镜，其提供分成所述入射光的分量的分裂，其中来自所述入射光的所述分裂的每个各自的分量由所述棱镜引导朝向所述TDG部件(4)的对应调制部分，其中每个通过所述棱镜从所述调制器装置引导出的衍射光束的角度由施加在每个各自电极分组中的各自电极上的电压控制以提供偏振分裂或颜色分裂或偏振分裂和颜色分裂二者的组合。
2. 如权利要求1所述的调制器，其中所述分裂由一叠偏振滤光 片提供。
3. 如权利要求1所述的调制器，其中所述分裂由一叠颜色滤光 片提供。
4. 如权利要求1所述的调制器，其中所述分裂由一叠颜色和偏 振滤光片提供。
5. 如权利要求1所述的调制器装置，其中所述调制器装置设置 有一个偏振滤光片(2)，其反射并且分裂来自一个激光源的入射光(1 )为两束分离的偏振光束(ls， lp),其中各光束(ls， lp)的偏 振状态关于彼此正交，其中反射光束(ls, lp)由所述棱镜引导朝向 所述调制器部件(4),所述调制器部件(4)包括调制所述反射光束 中的一束(ls)的调制器部分(3s)和调制另一束反射光束(lp)的 另一个调制器部分(3p)，并且其中施加在对于每个调制器部分(3s， 3p)的对应的各自电极组上的电压控制通过所述棱镜从所述调制器装 置引导出的衍射光束的角度。
6. 如权利要求1所述的调制器装置，其中所述调制器装置设置有一叠颜色偏振滤光片(6),其反射并且分裂来自一个红色、 一个绿色和一个蓝色激光源的入射光(5),其中所述红色激光分裂为两 束分离的具有关于彼此正交的偏振状态的偏振光束(5Rs， 5Rp)，所 述绿色激光分裂为两束分离的具有关于彼此正交的偏振状态的偏振 光束(5Gs, 5Gp),所述蓝色激光分裂为两束分离的具有关于彼此正 交的偏振状态的偏振光束(5Bs， 5Bp)，其中反射光束(5Rs, 5Rp, 5Gs， 5Gp， 5Bs， 5Bp)由所述棱镜引导朝向所述调制器部件(4)， 所述调制器部件(4)包括6个调制器部分(3Rs， 3Rp, 3Gs, 3Gp, 3Bs， 3Bp),其每个分别调制对应的反射光束，其中所述棱镜将各自 的衍射光束通过所述棱镜从所述调制器装置以一定角度引导出，所述 角度由施加在每个各自的调制器部分(3Rs, 3Rp， 3Gs， 3Gp， 3Bs， 3Bp)中的电极上的电压控制。
7. 如权利要求1所述的调制器装置，其中所述调制器装置设置 有一叠颜色滤光片(8),其反射并且分裂来自六个具有不同波长的 同轴对准激光的入射光(7)，其中所述入射光(7)包括两个红色、 两个绿色和两个蓝色激光源，并且所述一叠颜色滤光片(8)提供六 束具有不同波长的反射光束(7R!， 7R2, 7G" 7G2, 7B!， 7B2),其 中所述棱镜引导所迷六束反射光束朝向所述TDG调制器部件(4)中 的六个独立的调制器部分，其中在所述TDG调制器部件中的每个各 自的调制器部分中的电极上施加的电压控制通过所述棱镜从所述调 制器装置出来的衍射光束的角度，其中所述衍射光束可由光学装置设 置为两个分别叠加的二维图像。
8. 如权利要求1所述的调制器装置，其中所述调制器装置设置 有一叠颜色和偏振滤光片(17),其4是供六束具有不同波长的同轴对 准激光束，两个红色、两个绿色和两个蓝色，的反射，其中所述滤光 片堆叠(17)提供十二束分离光束，其中每个各自的光束具有波长和 偏振状态的唯一组合，其中所述棱镜引导所述十二束反射光束朝向包 括十二个独立的调制器部分的TDG调制器装置(4)，其中在每个各自的十二个调制器部分中的电极上的电压控制通过所述棱镜从所述 调制器装置出来的衍射光束的角度，并且其中所述衍射光束可以由光 学装置设置为包括两个不同的三维图像的四个分别叠加的二维图像。
9. 如权利要求1至5中任一项所述的调制器装置，其中从所述 调制器装置出来的衍射光束的角度由在每个各自的调制器部分中的 电极的几何形状控制。
10. 如权利要求1-9中任一项所述的调制器装置，其中所述调制 器装置提供为单个集成电子元件。
11. 用于在线扫描投影系统中提供三维图像的、包括如权利要求 5、 6、 7或8所述的调制器装置(11)的设备，其中所述设备包括两 个二向色滤光片(9R， 9G),同轴地对准三个不同的激光颜色红、绿 和蓝，其接着被引导通过光束整形中继光学装置(10)朝向所述调制 器装置(11)，其将所述光束分裂为它的颜色和偏振分量并且单独地 调制该不同的光束，然后引导所述光束朝向投影光学装置(12)，其 中在所述^t殳影光学装置(12)后的施利仑光阑(13)过滤掉来自所述 调制器装置(11)中的调制器部分的不需要的衍射级，之后通过扫描 反射镜(14)的光束在偏振保持屏幕(15)上提供具有正交偏振性质 的多个二维图像的重叠。
12. 如权利要求11所述的设备，其中所述同轴对准由X棱镜提供。
全文摘要
一种调制器以及包括该调制器的设备，该调制器包括可调衍射光栅(TDG)元件，该调制器设置有多个单独的调制器部分，其中具有合适的颜色和偏振滤光片的棱镜提供至少两个独立重叠的二维图像，其提供对于三维图像的立体画面显示。
文档编号H04N13/00GK101632312SQ200780050860
公开日2010年1月20日 申请日期2007年12月4日 优先权日2006年12月4日
发明者B·斯瓦达尔, R·伯格林 申请人:珀莱特公司