CN103891276B - 使用光谱相邻色带的立体投影仪 - Google Patents

Abstract

用于投影包括左眼图像和右眼图像的立体图像的立体数字投影系统包括：第一和第二光谱相邻光源，提供相应的第一和第二光束，光谱相邻光源具有落在单个分量色光谱内的相应的第一和第二光谱相邻的基本上非重叠的光谱带；空间光调制器，具有能够根据图像数据被调制以提供成像光的像素的阵列；照明光学器件，布置成接收第一光束和第二光束并提供基本上均匀的第一光带和第二光带；束扫描光学器件，布置成使第一和第二光带在空间光调制器上循环滚动；控制器系统，根据用于立体图像的图像数据同步地调制空间光调制器像素；投影光学器件，用于将成像光传输到显示表面；以及用于观看者的滤光眼镜。

Description

使用光谱相邻色带的立体投影仪

技术领域

本发明总体上涉及用于投影立体数字图像的装置，且更具体地涉及使用用于形成单独的左眼和右眼图像的滚动光谱相邻色带的改进的装置。

背景技术

考虑到对常规电影投影仪的适当替代，数字投影系统必须满足对图像质量的要求。这对于多色电影投影系统尤其如此。对常规电影高质投影仪的有竞争力的数字投影替代物必须满足高性能标准，提供高分辨率、宽色域、高亮度和超过2,000:1的帧连续对比率。

立体投影是电影工业日益特别感兴趣的领域。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，特别是在大剧场中。常规立体系统使用膜来实现，其中两组膜和投影仪同时投影正交偏振（对每只眼有一组膜和投影仪），在本公开的上下文中被称为“左眼图像”和“右眼图像”。观众成员配戴阻挡对于每只眼睛的一个偏振光图像同时透射正交偏振光图像的相应的正交偏振眼镜。

在电影工业到数字成像的正在进行的转变中，一些销售商例如Imax继续利用双投影系统来提供高质量立体图像。然而最近，常规数字投影仪被修改来实现3D投影。

用于从这些数字投影仪形成立体图像的常规方法使用用于区分左眼和右眼图像的两种主要技术之一。由Dolby实验室利用的一种技术例如使用光谱或色空间分离。所使用的方法类似于在Maximus等人的题为“Methodanddeviceforperformingstereoscopicimagedisplaybasedoncolorselectivefilters”的美国专利7,832,869中描述的方法，其中色空间分离用于区分开左眼和右眼图像内容。使用原色红、绿和蓝分量色来投影对于每只眼的图像，但所使用的精确的红、绿和蓝光波长在左和右眼图像之间有所不同。为了实现这个分离，在白光照明系统中利用滤光器来在帧时间的一部分内暂时阻挡每种原色的部分。例如，对于左眼，红、蓝和绿光（RGB）的低波长光谱将被阻挡一段时间。随后对另一只眼阻挡红、蓝和绿光（RGB）的高波长光谱。与每只眼相关联的适当颜色调节立体内容被提供给用于该眼的每个空间光调制器。观看者配戴具有类似地只将两个3色（RGB）光谱组之一透射到每只眼的相应的滤光器组的观看眼镜。

第二种方法利用偏振光。在Svardal等人的美国专利6,793,341中公开的一种方法利用被传输到两个单独的空间光调制器的两个正交偏振态中的每个。来自这两个调制器的偏振光接着被同时投影。观看者配戴具有相对于彼此正交地取向的用于左眼和右眼的偏振透射轴的偏振眼镜。

每种方法都有优点和缺点。光谱分离解决方案例如由于使用廉价的显示屏而更易使用而具有优势。使用光谱分离，调制器或相关联的光学器件的偏振特性并不显著影响性能。然而，所需要的滤光眼镜是昂贵的，且图像质量由诸如角移位、头运动和倾斜的因素而减损。昂贵的滤光眼镜还受到刮擦损坏和失窃的影响。在滤光眼镜设计中的有前途的发展——包括由3M公司通过非蒸发装置生产的分层光学膜的使用——可有助于解决成本问题并使光谱分离技术变得更有成本效益。

光谱分离方法的另一缺点涉及在色空间的调节中的困难和由滤光引起的显著的光损耗，导致较高的所需灯输出或减小的图像亮度。滤光损耗在Silverstein的题为“Projectorusingindependentmultiplewavelengthlightsources”的美国专利申请公布2009/0153752中处理，其中独立的光谱相邻源由分束器组合以有效地引导到空间光调制器。这种方法的一个缺点是，这些光源只被利用大约一半的时间，因为调制器一次仅可提供一眼图像。虽然光源可能具有较长的寿命，显示器的初始成本由于两组独立源的成本要求而增加。

利用用于分离左和右眼图像的偏振，可更有效地使用光。Silverstein等人的题为“Stereoprojectionusingpolarizedsolidstatelightsources”的美国专利7,891,816和Silverstein等人的题为“Etenduemaintainingpolarizationswitchingsystemandrelatedmethods”的美国专利8,016,422描述了对两个偏振态充分利用光源的投影系统配置。然而，偏振技术由于额外的成本和偏振保持屏幕的敏感性而是不利的，偏振保持屏幕一般利用结构化金属涂层。这些涂层是高增益，这提高了同轴观看，但对于离轴观看较差。此外，使用这种方法的镜面反射会对一些观看者造成麻烦。这个效应在使用相干光时进一步恶化，因为它导致较高水平的观看者感受到散斑。由于通过高角度光学器件保持高偏振控制的困难以及对污垢和缺陷更敏感，使用偏振光的投影仪一般更加昂贵。因此，效率的任何增益多多少会被其它问题抵消。

照明效率的持续问题与扩展量（etendue）或类似地与拉格朗日不变量有关。如在光学领域中公知的，扩展量与光学系统可处理的光的量有关。潜在地，扩展量越大，图像越亮。在数字上，扩展量与两个因子，即，图像面积和数值孔径的乘积成比例。从具有光源12、光学器件18和空间光调制器20的图1所示的简化光学系统方面说，光源的扩展量是光源面积A1和其输出角θ1的乘积。同样，空间光调制器20的扩展量等于调制器面积A2和其接受角θ2的乘积。为了增加的亮度，期望从光源12的面积提供尽可能多的光。作为一般原则，当光源12处的扩展量最接近地匹配空间光调制器20处的扩展量时，光学设计是有优势的。

增加例如数值孔径增加了扩展量，使得光学系统捕获更多的光。类似地，增加光源尺寸使得光在较大的区域上出现增加了扩展量。为了在照明侧利用增加的扩展量，空间光调制器20的扩展量必须大于或等于光源12的扩展量。然而通常，空间光调制器20越大，它将越昂贵。这在使用设备例如LCOS和DLP部件时尤其如此，其中硅衬底和缺陷随着尺寸而增加。一般而言，增加的扩展量导致更复杂和昂贵的光学设计。

当光源的扩展量很好地匹配空间光调制器的扩展量时，效率提高。较差地匹配的扩展量意味着光学系统或者是缺乏光的，无法向空间光调制器提供足够的光，或者是效率低的，显著地丢弃产生用于调制的相当大的一部分光。

固态激光器改善了扩展量、寿命和总光谱和亮度稳定性。最近，诸如VCSEL（垂直腔表面发射激光器）激光器阵列被商业化并当以各种方式组合作为对于数字电影投影的潜在光源时表现出一些希望。然而，亮度本身还不足够高；需要来自多达9个单独阵列的组合光，以便为每种颜色提供必要的亮度。

投影应用的特别感兴趣的激光器阵列是各种类型的VCSEL阵列，包括VECSEL（垂直延伸腔表面发射激光器）和来自加利福尼亚州Sunnyvale的Novalux的NECSEL（Novalux延伸腔表面发射激光器）设备。

然而，即使在激光器技术方面及滤光器制备和成本方面有所改善，在立体成像投影的方法中还有相当大的改善空间。使用左眼和右眼图像的光谱分离的常规解决方案一般是缺乏光的，因为每只眼仅仅可利用所产生的光的至多一半。因此，需要使用具有增加的光效率的光谱分离的立体成像解决方案。

发明内容

本发明描述了用于投影包括左眼图像和右眼图像的立体图像的立体数字投影系统，其包括：

第一和第二光谱相邻光源，提供相应的第一和第二光束，光谱相邻光源具有相应的第一和第二光谱相邻的基本上非重叠的光谱带，两个光谱带落在红色光谱、绿色光谱或蓝色光谱内；

空间光调制器，具有能够根据图像数据被调制以提供成像光的像素的阵列；

照明光学器件，布置成从第一光谱相邻光源接收第一光束并提供基本上均匀的第一光带，并配置成从第二光谱相邻光源接收第二光束并提供基本上均匀的第二光带；

束扫描光学器件，布置成使第一和第二光带在空间光调制器循环滚动，使得第一和第二光带是基本上空间非重叠的；

控制器系统，根据用于立体图像的图像数据同步地调制空间光调制器像素，其中根据用于左眼图像的图像数据来调制由第一光带照射的空间光调制器像素，且根据用于右眼图像的图像数据来调制由第二光带照射的空间光调制器像素；

投影光学器件，用于将来自空间光调制器的成像光传输到显示表面；以及

用于观看者的滤光眼镜，具有将第一光谱带中的光选择性地透射到观看者的左眼的左眼滤光器和将第二光谱带中的光选择性地透射到观看者的右眼的右眼滤光器。

本发明具有的优点在于：光源可持续接通，从而利用用于形成立体图像的所产生的光的高百分比。

具有额外的优点在于：所投影的立体图像可在不是偏振保持的常规投影屏幕上观看。

附图说明

图1是示出在投影系统中的扩展量计算中的因子的表示图；

图2是示出现有技术滚动序列的示意图；

图3是示出根据本发明的实施方式的使用光谱相邻色带的单通道颜色滚动序列的示意图；

图4A是示出在使用单个光束扫描仪来提供两个光谱相邻色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；

图4B是示出在使用单独光束扫描仪来提供每个光谱相邻色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；

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；

图6A是示出用于扫描单个色带的旋转棱镜的使用的示意图；

图6B是示出用于扫描两个色带的旋转棱镜的使用的示意图；

图6C是示出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；

图7A是示出使包括两个小透镜阵列的光学器件均匀化的示意图；

图7B是示出使包括两个积分棒的光学器件均匀化的示意图；

图8是示出根据本发明的实施方式的光束扫描配置的示意图；

图9是具有三个颜色通道并对固态发光器的阵列使用组合光学器件的立体彩色滚动数字投影系统的示意图；

图10是根据使用两个空间光调制器的替代实施方式的具有三个颜色通道的立体彩色滚动数字投影系统的示意图；

图11示出可用于图10的二向色组合器的示例性梳状滤光器的频谱透射率的曲线；

图12A是示出旋转棱镜的使用的示意图，每个旋转棱镜扫描与左眼和右眼图像形成系统相关联的三个色带；以及

图12B是示出使用单个旋转棱镜以扫描左眼和右眼图像形成系统中的每个的三个色带的示意图。

应理解，附图是为了说明本发明的概念的目的，且可以不按比例。

具体实施方式

本发明包括在本文描述的实施方式的组合。对“具体实施方式”等的提及指存在于本发明的至少一个实施方式中的特征。对“实施方式”或“具体实施方式”等的单独提及不一定指相同的一个或多个实施方式；然而，这样的实施方式并不是相互排他的，除非这样指明或如对本领域中的技术人员容易明了的。在提到“方法”等时的单数或复数的使用并不是限制性的。应注意，除非另外明确提出或被上下文要求，词语“或”在本公开中在非排他的意义上被使用。

本描述具体涉及形成根据本发明的装置的部分或更直接地与根据本发明的装置协作的元件。应理解，没有特别示出或描述的元件可采取本领域中的技术人员公知的各种形式。

在本文所示和所述的附图被提供来说明根据本发明的操作原理，且不意图以实际尺寸或比例绘出。由于本发明的激光器阵列的组成部分的相对尺寸，一些放大是必要的，以便强调基本结构、形状和操作原理。此外，例如各种部件，例如用于定位和安装光学部件的那些部件没有示出，以便更好地显示和描述与本发明的实施方式更紧密地相关的部件。

在使用是，术语“第一”、“第二”等并不一定表示任何顺序或优先关系，而可以简单地用于更清楚地区分开一个元件与另一元件。

术语“颜色”和“波长带”和“光谱带”通常是同义的，如在本公开的上下文中使用的。例如，激光器或其它固态光源通过其一般色谱例如红色而不是通过其峰值输出波长（例如635nm）或其波长带（例如630-640nm）来指代。在本公开的上下文中，不同的波长带被认为基本上是不重叠的。

本发明的实施方式使用独立的光谱相邻光源来解决对于立体观看系统中的改善亮度的需要。在本发明的上下文中，术语“光谱相邻（spectrally-adjacent）”涉及在色谱的相同的一般部分内的用于分量色的邻近光谱基本上不重叠的光谱带，分量色形成彩色图像，一般是红色、绿色、蓝色，且可能包括第四种颜色和其它额外的颜色。每种分量色的相应光谱相邻颜色位于色谱的同一部分（例如红色、绿色或蓝色）中，但具有相对于波长基本上不重叠的用于左和右眼图像的不同的光谱带（即，波长范围）。

观看者滤光眼镜结合有配置成将适当的光谱带透射到每只眼睛并阻挡用于形成用于另一只眼的图像的光谱带的滤光器。阻挡可以例如借助于反射或吸收。

通过示例而非限制，表1根据本发明的实施方式列出一般分量色谱和示例性光谱相邻光谱带。实际上，为了立体显示目的，具有光谱非重叠颜色意味着没有可感知的串扰（即，来自左眼图像的颜色通道信息基本上是观察者的右眼不可感知的，反之亦然）。这仅在每只眼睛的相关滤光器在操作条件例如视角上也适当地拒绝来自相对的眼睛的光的情况下为真。

表1:示例性光谱相邻光谱带

分量色谱	右眼图像光谱带	左眼图像光谱带
			红色(625-675nm)	630-640nm	655-665nm
绿色(505-555nm)	510-520nm	535-550nm
			蓝色(440-490nm)	444-454nm	468-482nm

在本例中，每个光谱相邻光谱带具有大约10nm的带宽，而在特定的分量色谱的光谱相邻带之间的间隔为大约15nm。激光器的使用在减小相邻光谱的带宽时具有明显的优点，从而实现相邻带之间的更大间隔。这是合乎期望的，因为为每只眼睛提供的滤光器不可避免地对角度敏感，由此，滤光器边缘由于非法向入射而偏移。这是所有滤光器设计中的普遍已知的问题。因此，使用减小带宽的光源有助于解决这个问题，使这个常见的偏移出现，而基本上不影响串扰。很多激光器具有大约1nm量级的带宽。虽然这看起来是理想的，但存在对额外的宽度的期望，以便有助于减少相干伪像，例如激光散斑。更期望的带宽将落在5和10nm之间，作为对增加额外的光谱间隔和减少散斑敏感度的折衷。15和20nm之间的光谱间隔提供对滤光器偏移问题的实际解决方案。

图2的示意图示出颜色滚动序列如何在常规实践中用于为非立体性的投影装置提供来自组成红（R）、绿（G）和蓝（B）光的彩色图像。一系列图像帧28a、28b、28c、28d和28e被显示，当它们在不同的时间被布置时。每个帧具有分别具有红、绿和蓝色分量的三个光带34r、34g和34b，这些颜色分量被扫描通过图像区32，在所示例子中在垂直方向上运动。当带从图像帧的底部滚动时，它滚动到图像帧的顶部，使得图像帧的1/3在任何给定的时间被每个颜色分量覆盖。

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运动的影响，由此，色带可变成可感知的。这常常被称为彩虹效应。在这个序列中的光带可来自照明组件，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光。扫描行动是循环的，对以观看者不可感知的速率、以每秒多次的速率（例如144Hz）重现。如可从这个序列看到的，每个图像帧28a、28b、28c、28d和28e具有在不同的图像区之上扫描的三个分量色中的每个。在使用这个序列形成的图像中，每个帧具有在相应的光带34r、34g和34b中的红色、绿色和蓝色图像内容。

可容易理解，图2的颜色滚动方案虽然可用于非立体彩色成像，但对立体彩色成像系统造成了困难。提供立体颜色需要六个不同的光谱带的滚动，对每个分量色有两个光谱带。每个源具有与其相关联的自身的扩展量。使用六个不同的源照射单个芯片，每个源也需要它们之间的间隙以防止串扰，且考虑从与特定颜色相关的每个颜色数据的芯片过渡时间将快速利用可用的扩展量或需要光学上快的透镜。虽然这是可行的，但其是不期望的，因为投影仪亮度被严重约束，且光学器件的成本由于这样的布置而快速上升。

为了有助于提高图像质量和提供较高的亮度，用于非立体成像的电影高质投影系统常常对每种颜色使用单独的颜色通道，一般提供红色、绿色和蓝色通道中的每个。在每个颜色通道中提供空间光调制器。这个布置使光学设计能够优化组件，例如滤光器和涂层的设计和特征，以例如针对相应波长的光提高其性能。

图3示出根据本发明的第一实施方式的立体投影系统的颜色扫描布置。在这个配置中，在单个分量色谱内的光谱相邻光谱带滚动通过整个图像区32，而不是如在图2的布置中的对应于不同颜色分量的带。在本例中，根据本发明的实施方式，光谱相邻红色光谱带R1和R2如光带36a和36b一样滚动通过图像帧38a、38b、38c、38d和38e。对于所投影的立体图像，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。为立体图像的每个颜色通道提供类似的光谱滚动机制，如随后将更详细描述的。滚动的光谱相邻光带在光谱上基本是不重叠的，使得来自滚动带之一的小于5%的光与另一光谱带重叠。此外通过将相同颜色的光保持在其自己的颜色通道内，与特定的颜色分量相关联的光学部件的光学涂层可继续被优化以用于相应的颜色分量。

图4A和4B的示意图示出与本发明的实施方式兼容的在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发射在R1光谱带中的光束，而另一光源42b发射在R2光谱带中的光束。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的每个的调制。包括光束扫描仪50的束扫描光学器件92提供光带的循环滚动。将理解，照明光学器件90可包括多个透镜48，其中一些透镜可位于均匀化光学器件44和束扫描光学器件92之间，其它透镜位于束扫描光学器件92和空间光调制器60之间。在优选实施方式中，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。这种方法的优点在于，光源42a和42b可在投影期间持续接通，从而提供优于其它立体投影方法的增加的光输出。

在图4A的配置中，束组合器46将来自光源42a和42b的光束组合到平行的光轴上，并将空间相邻光束引导到均匀化光学器件44，例如一个或多个小透镜阵列或均匀化棒上，以提供基本上均匀的空间相邻光束。光束扫描仪50接着使组合的均匀光循环滚动并通过照明光学器件90将所滚动的组合光束引导到空间光调制器60上，照明光学器件90提供光束成像、成形和调节。在图4A中，照明光学器件90被表示为透镜48，然而在各种实施方式中，照明光学器件90可包括不同的（或多个）光学组件。可通过使用到光束扫描仪50的进入光束的空间或角分离来提供防止光带之间的串扰所需的光束分离。在不同的角被利用的情况下，通常期望的是，另一元件，例如二向色束组合器，设置在光束扫描仪50的下游以将所扫描的光束返回到平行光轴上。

空间光调制器60形成具有相应光带36a和36b的图像帧38。光带36a和36b如前所述被循环滚动。空间光调制器60具有可根据图像数据单独地调制以提供成像光的像素的阵列。根据左眼图像的图像数据来调制由R1光谱带照射的空间光调制器像素，并根据右眼图像的图像数据来调制由R2光谱带照射的空间光调制器像素。

在图4B的替代配置中，在来自每个光源42a和42b的光束中利用单独的均匀化光学器件44和光束扫描仪50以提供两个扫描的光束。束组合器46接着组合所扫描的光束以形成组合的扫描光束，其使用照明光学器件90被引导到空间光调制器60。在这种情况下，束扫描光学器件92包括两个光束扫描仪50。

图5的示意图示出具有三个颜色通道（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包括光谱相邻红色光谱带R1和R2；绿色通道40g包括光谱相邻绿色光谱带G1和G2；以及蓝色通道40b包括光谱相邻蓝色光谱带B1和B2。投影光学器件70将成像光从三个空间光调制器60传输到显示表面72。观看者通过具有用于左眼的滤光器76L和用于右眼的滤光器76R的观看眼镜74观察显示表面72。滤光器76L选择性地透射左眼图像的成像光（即，在R1、G1和B1光谱带中的光），同时吸收（或反射）右眼图像的成像光（即，在R2、G2和B2光谱带中的光）。类似地，滤光器76R选择性地透射右眼图像的成像光（即，在R2、G2和B2光谱带中的光），同时吸收（或反射）左眼图像的成像光（即，在R1、G1和B1光谱带中的光）。

滤光器76L和76R可使用本领域中已知的任何制造技术来制成。在一些实施方式中，滤光器76L和76R中的一个或两个是包括具有多层薄膜涂层的光学表面的二向色滤光器。多层薄膜涂层被设计成提供光谱梳状滤光器，其具有透射对应于一只眼的成像光的光谱带，同时吸收或反射对应于另一只眼的成像光的光谱带的一系列凹口。用于设计和制造具有指定的光谱透射特征的多层薄膜涂层的技术在本领域中是公知的。

在其它实施方式中，滤光器76L和76R中的一个或两个是使用共挤塑伸展聚合物膜结构制造的多层二向色滤光器。在Wheatley等人的题为“Opticalfilmwithsharpenedbandedge”的美国专利6,967,778中描述了用于制造这样的结构的一种方法。根据该方法，共挤塑设备从例如热塑化挤压机的源接收各种热塑性聚合材料的流。挤压机挤压聚合材料的多层结构。机械操纵部分用于拉伸多层结构以实现期望的光学厚度。

控制器系统80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耦合到光束扫描仪50，使得它知道哪些空间光调制器像素在任何给定的时间被不同的光谱相邻带照射。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。因为第一和第二光谱带持续地滚动，使用左眼和右眼图像的图像数据调制的空间调制器像素的子集也持续地改变。

投影光学器件70可组合来自三个颜色通道的光束（例如使用束组合光学器件），并通过单个投影透镜投影组合光束。可选地，投影光学器件70可使用三个单独的投影透镜来以校准的方式将每个颜色通道投影到显示表面72上。

如在前参考图4A和4B提到的，包括一个或多个光束扫描仪50的束扫描光学器件92可配置成使用多种不同的布置提供光带滚动，并可位于沿着照明路径的任何适当的点处。与本发明的一个实施方式一致的，图6A示出包括单个扫描元件，即旋转棱镜52的光束扫描仪50的示意图。在这个配置中，可为在每个分量色带中的每个光谱相邻光谱带提供旋转棱镜52。棱镜52的旋转通过折射重定向对于R1光谱带显示的光束，使得光束位置在空间光调制器60循环滚动。图6A的布置例如在图4B所示的颜色通道实施方式中使用。

在图6A的顶部图中，棱镜52定位成使得入射光束法向地入射在棱镜的面上。在这种情况下，光束以未偏转的方式穿过棱镜52。在中间图中，棱镜52绕轴O旋转，使得光束以一倾角入射在棱镜的面上。在这种情况下，光束向下折射，使得它在较低的位置处与空间光调制器相交。在下部图中，棱镜52旋转，使得入射光束射到棱镜42的不同小面。在这种情况下，光束向上折射，使得它在较高的位置处与空间光调制器60相交。应注意，入射光束通常将具有相当大的空间（和角）度，使得在一些棱镜方位处，入射光束中的一些光线可射到棱镜的不同面。以这种方式，一些光线将向上折射，而其它光线可向下折射。这提供光带在图像帧的上部分和下部分之间分开，如在图3的图像帧38e中示出的。

图6B是示出光束扫描仪50的替代实施方式的示意图，其中旋转棱镜52同时扫描单个颜色通道中的两个光谱相邻光谱带（在本例中是光谱带R1和R2）。这个配置适合于在图4A的示例性实施方式中使用。在这种情况下，R1和R2光谱带的光束都入射在棱镜52上。当棱镜52旋转时，光束都同时通过折射重定向。

图6C是示出光束扫描仪50的另一替代实施方式的示意图，其中旋转棱镜52同时扫描单个颜色通道中的两个光谱相邻光谱带（在本例中是光谱带R1和R2）。在这种情况下，入射在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用于均匀化每个光谱相邻光束。在本例中，均匀化光学器件44包括积分棒58。照明光学器件90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布置成提供在积分棒58的输出面和棱镜52之间的远心。类似地，第二级96中的透镜48布置成提供在棱镜52和空间光调制器60之间的远心。包括一个或多个二向色表面84的二向色组合器82用于将所扫描的光束引导到平行光轴上用以照射空间光调制器60。

图6C的多角几何结构类似于Conner在题为“Projectionsystemwithscrollingcolorillumination”的美国专利7,147,332中教导的几何结构。Connor教导了具有滚动棱镜组件的投影系统，使用不同的色带同时照射空间光调制器的不同部分。白光被分成通过滚动棱镜在不同的方向上传播的不同色带。滚动的色带反射地组合，使得不同的色带不平行地穿过滚动棱镜组件。然而，Conner没有教导来自独立光源的滚动光谱相邻光谱带用于提供立体投影。

旋转棱镜或其它折射元件是可用于光束扫描仪50的一种类型的设备。术语“棱镜”或“棱镜元件”如在光学器件中所理解的一样在本文用于指通常以具有平坦表面的n侧多面体的形式的透明光学元件，光入射在平坦表面上，且平坦表面由折射光的透明固体材料形成。应理解，从形状和表面轮廓方面来说，什么构成棱镜的光学理解比棱镜的正式几何定义的限制性更少，并包括更正式的定义。虽然图6A-6C描绘了具有正方形横截面的矩形棱镜，在很多实例中期望具有多于四个小面以便提供改进的扫描结果。例如，在各种实施方式中可使用六边形棱镜或八边形棱镜。

可用于光束扫描仪50的替代类型的部件包括旋转镜或其它反射部件、平移通过光束路径并提供可变的光折射的设备、往复运动元件例如电流计驱动镜或绕轴转动棱镜、镜子或透镜。

当利用多个光束扫描仪50时，关键的是使所有光束扫描仪50的旋转同步和随后与不同光谱带相关的图像数据。未描述的一种方法是配置光学布置，使得单个电机用于控制至少两个光束扫描仪50的运动光学元件。例如，单个轴可用于使用单个电机驱动多个棱镜52。在一些实施方式中，单个旋转棱镜52可用于通过从多个方向引导光束穿过棱镜52或通过引导光束穿过棱镜52的不同部分（如图6B所示的）来扫描多个光谱带。

如在图4A、4B和5的例子中所示的，光谱相邻光谱带的光束路径可彼此对准以使用束组合器46照射空间光调制器60。束组合器46可以是二向色束组合器，或可使用本领域中已知的任何其它类型的束组合光学器件。

均匀化光学器件44调节来自光源42a和42b的光束以提供基本上均匀的光束用于扫描。在本公开的上下文中，术语“基本上均匀”意味着入射在空间光调制器20上的光束的强度看起来在视觉上对观察者是均匀的。实际上，均匀化光束的强度应在大约30%内是不变的，大部分变化出现为朝着均匀化光束的边缘的较低光水平。可使用在本领域中已知的任何类型的均匀化光学器件44，包括积分棒或小透镜阵列。

图7A示出可用于图4A的实施方式的均匀化光学器件44的例子。均匀化光学器件44使用一对小透镜阵列54来均匀化光束。空间相邻光束之一（例如对于R1光谱带）穿过小透镜阵列54的上半部分，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的下半部分。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。以这种方式，可以每色带利用单个小透镜阵列结构，从而减少成本。

图7B示出可用于图4A的实施方式的均匀化光学器件44的另一例子。在这种情况下，均匀化光学器件44使用一对积分棒58来均匀化光束。空间相邻光束之一（例如对于R1光谱带）穿过上积分棒58，而另一空间相邻光束（例如对于R2光谱带）穿过下积分棒58。

如在前提到的，在优选实施方式中，均匀化光学器件44的输出面使用照明光学器件90被成像到空间光调制器60上，其中成像光穿过束扫描光学器件92。对本领域中的技术人员明显的，照明光学器件90的许多不同配置可用于提供这个特征。图8示出一个实施方式，其中照明光学器件90被分成第一级94和第二级96，每级包括两个透镜48。第一级94中的透镜48在对应于棱镜52的位置的中间图像平面98处形成积分棒58的输出面的图像，棱镜52是光束扫描仪50的部件。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36b。随着棱镜52旋转，光带扫描通过空间光调制器。透镜48可用于根据棱镜52的尺寸来调节中间图像的放大，并根据空间光调节器60的尺寸来调节所扫描的光带的放大。

控制器系统80（图5）根据立体图像的图像数据同时调制每个空间光调制器60的像素。控制器系统80中的逻辑使用每个光带36a和36b的相应位置调节左眼和右眼图像内容的图像数据。控制器系统80可以是例如与投影仪系统相关联的计算机或专用处理器或微处理器，或可以在硬件中实现。

本发明的实施方式完全适合于使用诸如激光器、发光二极管（LED）的固态光源和诸如具有10nm或更小的光谱带宽的光源的其它窄带光源。可使用的其它类型的光源包括量子点光源。在又一些其它实施方式中，可使用一个或多个白光源，连同用于获得每个颜色通道的期望光谱分量的相应滤光器。用于将多色或白光分成单独色谱的光的方法是图像投影领域中的技术人员公知的，并可使用标准设备例如X立方体和飞利浦棱镜，例如使用用于光调节和传输的已接受的技术。

图9的示意图示出使用投影光学器件70的公共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40r、绿色通道40g和蓝色通道40b。每个颜色通道包括用于每对光谱相邻光谱带的一个或多个光源阵列（例如激光阵列源）。光源42a发射在第一光谱相邻光谱带中的光束，而光源42b发射在第二光谱相邻光谱带中的光束。光重定向棱镜30在每个颜色通道中用于将来自光源42a和42b的光束重定向到公共方向上以形成包括R1和R2光谱带的光谱相邻光束的组合光束。来自第一光谱相邻光谱带（例如R1）的光束将聚集在组合光束的一侧，而来自第二光谱相邻光谱带（例如R2）的光束将聚集在组合光束的另一侧。在前面提到的、共同转让的、共同未决的Silverstein的题为“Projectorusingindependentmultiplewavelengthlightsources”的美国专利申请公开2009/0153752中描述了可用于这个目的的一种类型的光重定向棱镜30。

每个分量颜色通道的组合光束通过均匀化光学器件44、束扫描光学器件92和照明光学器件90引导，并从二向色表面68反射以将所扫描的第一和第二光带36a和36b提供到相应的空间光调制器60。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，其中根据左眼图像的图像数据来调制由第一光带（例如R1）照射的空间光调制器像素，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。

由空间光调制器60提供的经调制的成像光束透射穿过二向色表面68，并使用具有多个二向色表面84的二向色组合82组合到公共光轴上。组合光束使用投影光学器件70透射到显示表面（未示出）上用于由配戴观看眼镜74（图5）的观察者观看。

图9所示的实施方式使用三个空间光调制器60，每个分量色通道（即，红色、绿色和蓝色）有一个空间光调制器。使用具有在特定的分量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的更昂贵和复杂的部件之一。

图10示出只利用两个空间光调制器60L和60R的立体数字投影系统110的可选实施方式的示意图，一个空间光调制器与左眼图像形成系统41L相关联，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，每个分量色谱（R1、G1和B1）有一个左眼光源43L。类似地，右眼图像形成系统41R包括三个右眼光源43R，每个分量色谱（R2、G2和B2）有一个右眼光源43R。右眼光源43R在光谱上相邻于相应的左眼光源43L。

每个图像形成系统包括均匀化光学器件44、束扫描光学器件92、照明光学器件90和二向色表面68以将所扫描的光束引导到空间光调制器60L和60R上。在这种情况下，左眼图像形成系统41L提供分别对应于红色、绿色和蓝色光谱带（R1、G1和B1）的三个所扫描的光带34r、34g和34b。同样，右眼图像形成系统41R提供分别对应于红色、绿色和蓝色光谱带（R2、G2和B2）的三个所扫描的光带35r、35g和35b。

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相应颜色通道的图像数据来调制由每个光带（R1、G1和B1）照射的像素。同样，控制器系统根据右眼图像的图像数据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相应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。

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优选地是具有透射对应于右眼光源43R的成像光的光谱带（R2、G2和B2）同时反射对应于左眼光源43L的成像光的光谱带（R1、G1和B1）的一系列凹口的光谱梳状滤光器。如在前讨论的，可使用本领域中已知的任何技术例如多层薄膜涂覆方法和共挤塑伸展聚合物膜结构制造方法来制造光谱梳状滤光器。可用于提供光谱梳状滤光器以用作二向色表面84的另一类型的二向色滤光器是皱纹状（rugate）滤光器设计。皱纹状滤光器是具有深的窄拒绝带同时还对光谱的其余部分提供高的等幅透射的干扰滤光器。使用在整个光学膜层中产生持续变化的折射率的制造工艺来制造皱纹状滤光器。与使用具有不同的折射率的材料的分立层制成的标准凹口滤光器比较，皱纹状滤光器以低波纹和无谐波反射为特征。

图11示出对于可用于图10的二向色表面84的理想光谱梳状滤光器表示光谱透射率与波长的关系的光谱透射率曲线200。光谱梳状滤光器具有透射对应于右眼光源43R的成像光的光谱带（R2、G2和B2）（图10）同时反射对应于左眼光源43L的成像光的光谱带（R1、G1和B1）（图10）的一系列凹口。在本例中，左眼光源43L的光谱带（R1、G1和B1）和右眼光源43R的光谱带（R2、G2和B2）对应于早些时候在表1中给出的光谱相邻光谱带。注意，在光谱透射率曲线200中透射率低的任何地方，相应的光谱反射率将是高的，反之亦然。（理想地，反射率和透射率之和在每个波长处将是1.0，虽然实际上一些光也将被吸收。）实际滤光器将优选地不在任何给定的波长处透射或反射，如在理想光谱透射率曲线200中的，凹口也将优选地没有尖锐边缘。然而，可设计和制造可足够接近这里所示的理想函数的实际滤光器，使得性能不受到明显影响。

图12A示出束扫描光学器件92的一个实施方式，其中为图10的配置中的每个图像形成系统提供旋转棱镜52L和52R。在这种情况下，来自左眼光源（R1、G1和B1）的光束以三个平行光束入射在旋转棱镜52L上，并被提供到空间光调制器60L上作为扫描光带34r、34g和34b。同样，来自右眼光源（R2、G2和B2）的光束以三个平行光束入射在旋转棱镜52R上，并被提供到空间光调制器60L上作为扫描光带34r、34g和34b。

图12B示出可选的实施方式，其中束扫描光学器件92包括单个棱镜52，其用于同时扫描左眼图像形成系统41L（图10）和右眼图像形成系统41R（图10）的光带。在这种情况下，来自左眼光源（R1、G1和B1）的光束以三个平行光束在第一方向上入射在旋转棱镜52上，并被提供到空间光调制器60L上作为扫描光带34r、34g和34b。来自右眼光源（R2、G2和B2）的光束以三个平行光束从与来自左眼光源的光束的方向基本上垂直的方向入射在旋转棱镜52上，并被提供到空间光调制器60R上作为扫描光带35r、35g和35b。这个配置具有仅仅需要单个旋转棱镜52的优点。这降低了系统成本。此外，它简化了系统，因为不必同步两个棱镜的旋转。

应注意，图12B的单个棱镜配置可与图6C的多角配置组合。在这种情况下，来自左眼光源（R1、G1和B1）的光束从不同的方向而不是作为平行光束入射在旋转棱镜52上。同样，来自右眼光源（R2、G2和B2）的光束也从不同的方向入射在旋转棱镜52上。二向色组合器82（图6C）可接着用于将来自每个图像形成系统的所扫描的光束组合到平行光轴上。

本发明特别参考其某些优选实施方式被详细描述，但将理解，可在本发明的精神和范围内实现变化和修改。例如，光源可具有各种类型，并可包括使用棱镜或其它组合光学器件组合到同一光轴上的激光器或其它发射设备的阵列。一般由在所提供的示意图中的透镜或块表示的光学系统可包括引导和调节照明或成像光所需的任何数量的光学部件。在每个颜色通道60中的空间光调制器60可以是很多不同类型的空间光调制器中的任一种，例如来自德克萨斯州达拉斯的德州仪器公司的数字光处理器——一种类型的数字微镜阵列，或例如液晶阵列。可在照明路径中提供额外的滤光以使来自一个或多个光源的光谱内容衰减，使得相邻光谱带基本上是非重叠的。

因此，所提供的是使用用于形成立体图像的单独的左眼和右眼图像的滚动色带的装置和方法，其中用于每只眼睛的组成光谱带是光谱相邻的。

部件列表

12光源

18光学器件

20空间光调制器

28a图像帧

28b图像帧

28c图像帧

28d图像帧

28e图像帧

30光重定向棱镜

32图像区

34b光带

34g光带

34r光带

35b光带

35g光带

35r光带

36a光带

36b光带

38图像帧

38a图像帧

38b图像帧

38c图像帧

38d图像帧

38e图像帧

40r红色通道

40g绿色通道

40b蓝色通道

41L左眼图像形成系统

41R右眼图像形成系统

42a光源

42b光源

43L左眼光源

43R右眼光源

44均匀化光学器件

46束组合器

48透镜

50光束扫描仪

52棱镜

52L棱镜

52R棱镜

54小透镜阵列

56块

58积分棒

60空间光调制器

60L空间光调制器

60R空间光调制器

68二向色表面

70投影光学器件

72显示表面

74观看眼镜

76L滤光器

76R滤光器

80控制器系统

82二向色组合器

84二向色表面

90照明光学器件

92束扫描光学器件

94第一级

96第二级

98中间图像平面

100立体数字投影系统

110立体数字投影系统

200光谱透射率曲线

A1光源面积

A2调制器面积

B1光谱带

B2光谱带

G1光谱带

G2光谱带

O轴

R1光谱带

R2光谱带

θ1输出角

θ2接受角

Claims (20)

1.一种立体数字投影系统，用于投影包括左眼图像和右眼图像的立体图像，所述立体数字投影系统包括：

第一光谱相邻光源和第二光谱相邻光源，提供相应的第一光束和第二光束，所述第一光谱相邻光源和第二光谱相邻光源具有相应的第一光谱相邻的基本上非重叠的光谱带和第二光谱相邻的基本上非重叠的光谱带，两个光谱带落在红色光谱、绿色光谱或蓝色光谱内；

空间光调制器，具有能够根据图像数据而被调制以提供成像光的像素的阵列；

照明光学器件，布置成接收来自所述第一光谱相邻光源的所述第一光束并提供基本上均匀的第一光带，并布置成接收来自所述第二光谱相邻光源的所述第二光束并提供基本上均匀的第二光带；

束扫描光学器件，布置成使所述第一光带和所述第二光带在所述空间光调制器上循环滚动，以使得所述第一光带和所述第二光带是基本上空间非重叠的；

控制器系统，根据用于所述立体图像的图像数据同步地调制所述空间光调制器像素，其中根据用于所述左眼图像的图像数据来调制由所述第一光带照射的空间光调制器像素，且根据用于所述右眼图像的图像数据来调制由所述第二光带照射的空间光调制器像素；

投影光学器件，用于将来自所述空间光调制器的所述成像光传输到显示表面；以及

用于观看者的滤光眼镜，具有将所述第一光谱带中的光选择性地透射到所述观看者的左眼的左眼滤光器和将所述第二光谱带中的光选择性地透射到所述观看者的右眼的右眼滤光器。

2.如权利要求1所述的立体数字投影系统，其中所述束扫描光学器件包括至少一个运动光学元件。

3.如权利要求2所述的立体数字投影系统，其中所述运动光学元件的运动是旋转运动、平移运动、往复运动。

4.如权利要求3所述的立体数字投影系统，其中所述旋转运动是绕轴旋转运动。

5.如权利要求2所述的立体数字投影系统，其中所述运动光学元件是棱镜、反射镜或透镜。

6.如权利要求1所述的立体数字投影系统，其中所述束扫描光学器件包括：

第一运动光学元件，使所述第一光带滚动；

第二运动光学元件，使所述第二光带滚动；以及

二向色束组合器，将所滚动的光带组合到平行光轴上。

7.如权利要求1所述的立体数字投影系统，其中所述束扫描光学器件包括：

运动光学元件；以及

束引导光学器件，将所述第一光束和第二光束引导到平行光轴上，提供空间相邻的第一光束和第二光束，其中所述空间相邻的第一光束和第二光束都被引导到所述运动光学元件上，从而提供所滚动的第一光带和第二光带。

8.如权利要求1所述的立体数字投影系统，其中所述束扫描光学器件包括：

运动光学元件；

束引导光学器件，将所述第一光束和第二光束引导到非平行光轴上，提供非平行的第一光束和第二光束，其中所述非平行的第一光束和第二光束都被引导到所述运动光学元件上，从而提供滚动的第一光带和第二光带；以及

束组合光学器件，将所滚动的第一光束和第二光束组合到平行光轴上，从而提供所滚动的第一光带和第二光带。

9.如权利要求7所述的立体数字投影系统，其中所述束引导光学器件包括光束重定向棱镜，用以提供所述空间相邻的第一光束和第二光束。

10.如权利要求7所述的立体数字投影系统，其中所述束引导光学器件包括二向色束组合器，用以提供所述空间相邻的第一光束和第二光束。

11.如权利要求1所述的立体数字投影系统，其中所述照明光学器件包括提供基本上均匀的光束的均匀化光学器件。

12.如权利要求11所述的立体数字投影系统，其中所述均匀化光学器件包括积分棒或小透镜阵列。

13.如权利要求11所述的立体数字投影系统，其中所述照明光学器件包括沿着光学路径将所述均匀化光学器件的输出表面成像到所述空间光调制器上的透镜，其中所述束扫描光学器件位于所述均匀化光学器件的所述输出表面和所述空间光调制器之间的所述光学路径中。

14.如权利要求1所述的立体数字投影系统，其中所述第一光谱相邻光源和所述第二光谱相邻光源是独立的光源。

15.如权利要求1所述的立体数字投影系统，其中所述第一光谱相邻光源和所述第二光谱相邻光源是具有小于10nm的光谱带宽的窄带光源。

16.如权利要求1所述的立体数字投影系统，其中所述第一光谱相邻光源和所述第二光谱相邻光源是激光源、LED光源或量子点光源。

17.如权利要求1所述的立体数字投影系统，其中所述左眼滤光器和右眼滤光器是二向色光谱梳状滤光器。

18.如权利要求17所述的立体数字投影系统，其中所述二向色光谱梳状滤光器包括具有多层薄膜涂层的光学表面。

19.如权利要求17所述的立体数字投影系统，其中所述二向色光谱梳状滤光器包括多层伸展聚合物膜结构。

20.一种彩色立体数字投影系统，用于投影包括左眼图像和右眼图像的彩色立体图像，所述彩色立体数字投影系统包括：

多个图像形成系统，每个图像形成系统对应于所述彩色立体图像的不同颜色通道并且包括：

第一光谱相邻光源和第二光谱相邻光源，提供相应的第一光束和第二光束，所述光谱相邻光源具有相应的第一光谱相邻的基本上非重叠的光谱带和第二光谱相邻的基本上非重叠的光谱带，两个光谱带落在红色光谱、绿色光谱或蓝色光谱内；

空间光调制器，具有能够根据图像数据而被调制以提供成像光的像素的阵列；

照明光学器件，布置成接收来自所述第一光谱相邻光源的所述第一光束并提供基本上均匀的第一光带，并布置成接收来自所述第二光谱相邻光源的所述第二光束并提供基本上均匀的第二光带；

束扫描光学器件，布置成使所述第一光带和所述第二光带在所述空间光调制器上循环滚动，以使得所述第一光带和所述第二光带是基本上空间非重叠的；以及

控制器系统，根据用于所述彩色立体图像的相应颜色通道的图像数据同步地调制空间光调制器像素，其中根据用于所述左眼图像的图像数据来调制由所述第一光带照射的空间光调制器像素，且根据用于所述右眼图像的图像数据来调制由所述第二光带照射的空间光调制器像素；

颜色通道组合光学器件，将来自所述多个图像形成系统的所述成像光组合到公共光轴上；

投影光学器件，用于将所组合的成像光传输到显示表面；以及

用于观看者的滤光眼镜，具有将所述第一光谱带中的光选择性地透射到所述观看者的左眼的左眼滤光器和将所述第二光谱带中的光选择性地透射到所述观看者的右眼的右眼滤光器。