CN104054337B - 使用倾斜滤光器的立体眼镜 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

使用倾斜滤光器的立体眼镜
技术领域
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
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。
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。
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。
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“Methodanddeviceforperformingstereoscopicimagedisplaybasedoncolorselectivefilters”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。
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。
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。
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“Projectorusingindependentmultiplewavelengthlightsources”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。
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“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。
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θ2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。
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LCOS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。
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。
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。
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。
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
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：
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；
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；
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。
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。
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。
附图说明
图1是示出光学系统的集光率计算中的因素的代表性图；
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；
图3A是示出现有技术的颜色滚动序列的示意图；
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示意图；
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；
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；
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是示出用于扫描颜色的单个带的旋转棱镜的使用的示意图；
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；
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；
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；
图7B是示出包括两个集成棒的均匀化光学器件的示意图；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
图16B是示出由图16A的右眼滤光器提供的透射光的曲线图；
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；
图16D是示出由图16A的右眼滤光器提供的反射光的曲线图；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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示意图；
图20B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示意图；
图21A是示出具有倾斜滤光器元件的滤光眼镜的侧视图；
图21B是示出具有倾斜滤光器元件的滤光眼镜的立体图；
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；
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；
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；
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
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示意图。
具体实施方式
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，除非另外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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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34r、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帧的底部时，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。
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：每个图像帧28a、图像帧28b、图像帧28c、图像帧28d和图像帧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。
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高。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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O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。
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。
图6C是示出束流扫描器50的另一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。
图6C的多角度几何结构类似于Conner的题为“Projectionsystemwithscrollingcolorillumination”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。
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n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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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10nm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。
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1nm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。
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“Projectorusingindependentmultiplewavelengthlightsources”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。
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。
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。
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。
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。
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(R1、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)。
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)照射的像素是根据右眼图像的对应颜色通道的图像数据而被调制的。
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。
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。
表1.示例性交织光谱相邻光谱带
分量颜色 右眼图像光谱带 左眼图像光谱带
红 625–640nm 655–670nm
绿 505–520nm 535–550nm
蓝 442–456nm 470–484nm
表2.示例性非交织光谱相邻光谱带
分量颜色 右眼图像光谱带 左眼图像光谱带12 -->
红 625–640nm 655–670nm
绿 535–550nm 505–520nm
蓝 442–456nm 470–484nm
图11A示出根据表1的布置针对每个分量颜色的右眼的光谱带R1、G1和B1和左眼的光谱带R2、G2和B2。每个光谱带具有对应的中心波长(λR1、λG1、λB1、λR2、λG2、λB2)和对应的带宽(WR1、WG1、WB1、WR2、WG2、WB2)。对于图11A的布置，光谱带根据各个光谱带的中心波长来遵守(observe)交织排序：λB1<λB2<λG1<λG2<λR1<λR2。
使用对光谱带的宽度的适当测量来表征带宽。通常地，带宽被限定为在光谱带的下边缘(即，“前进边缘”(cut-onedge))与光谱带的上边缘(即，“截止边缘”(cut-offedge))之间的波长间距。在优选实施例中，带宽是半高全宽的带宽，其中下边缘和上边缘对应于其中光谱带中的光谱功率降低到其峰值水平的一半的波长。在其它实施例中，可以根据其它准则来确定下边缘和上边缘。例如，这些边缘可以被限定为其中光谱功率下降到除了峰值水平的一半以外的特定水平(例如，10％功率水平或25％的功率水平)的波长。或者，可以使用光谱带的宽度的一些其它测量(例如，针对光谱带的光谱功率分布的标准偏差的倍数)来表征带宽。
在图11A中所示的示例中，每个光谱带的带宽为约10nm至15nm，同时相邻光谱带之间的间距是15nm或以上。各种实施例可以使用具有不同带宽的光发射器，或可以在相邻光谱带之间具有不同的间距。用于数字投影系统的常用的光发射器的最小带宽为约1纳米，对应于单个激光器的带宽。
可以使用对光谱带的中心趋势的任何适当的测量来表征光谱带的中心波长。例如，在各种实施例中，中心波长可以是光谱带的峰值波长、光谱带的质心波长、或下边缘波长和上边缘波长的平均。
图11B示出根据表2的布置的每种分量颜色的右眼的光谱带R1、G1和B1和左眼的光谱带R2、G2和B2。在这种情况下，光谱带根据各自光谱带的中心波长来遵守非交织的排序，其中：λB1<λB2<λG2<λG1<λR1<λR2。相对于图11A的布置中的排序，图11B的布置中的G1光谱带和G2光谱带的重新布置通常有利于简化滤光眼镜涂层设计以及用于其它目的，这在随后将更详细地描述。
请注意：在与不同的红、绿和蓝基色的使用相关联的右眼成像路径与左眼成像路径之间通常有轻微的颜色色域的差异。因此，通常需要包括白平衡和颜色校正变换的不同的颜色处理以解决与用于左眼成像路径和右眼成像路径的基色相关联的光谱带。例如，可以通过调整一个或更多光发射器的亮度、通过对各个颜色通道进行变换、通过调整照射定时或通过使用过滤以调整颜色强度来执行白平衡。颜色校正变换用于确定每个颜色通道的控制信号以产生所期望的与输入颜色值组相关联的颜色外观。在输入颜色值超出与用于左眼成像路径和右眼成像路径的颜色基色相关联的颜色色域的情况下，颜色校正变换通常还包括某种形式的色域映射以确定适当的输出颜色。可以通过应用颜色校正矩阵、或通过应用诸如三维查找表(3DLUT)的其它形式的颜色变换来执行颜色校正操作。用于确定适合于特定的颜色基色组的颜色变换的方法在本领域中是公知的。
因为另外的光谱带可以用于基于波长的立体成像系统，所以当系统用于非立体成像应用时，可以有可以使用的另外的可用颜色色域。可以用于这种目的的示例在Ellinger等人的题为2D/3DSwitchableColorDisplayApparatuswithNarrowBandEmitters”的共同转让的美国专利申请公开2011/0285962号中进行了描述。
滤光眼镜74(图5)中的右眼滤光器76R和左眼滤光器76L具有被设计成对与相应的左眼图像或右眼图像相关联的光谱带进行透射并且对与另一只眼睛相关联的光谱带进行阻挡的光谱透射特性。图12A例示可以根据图11A中所示的交织光谱带布置而使用的右眼滤光器76R的右眼滤光器透射率78R和左眼滤光器76L的左眼滤光器透射率78L的示例。右眼滤光器透射率78R对右眼光谱带(R1、G1、B1)中的大部分光进行透射，同时对左眼光谱带(R2、G2、B2)中的大部分光进行阻挡。同样地，左眼滤光器透射率78L对左眼光谱带(R2、G2、B2)中的大部分光进行透射同时对右眼光谱带(R1、G1、B1)中的大部分光进行阻挡。在本示例中，右眼滤光器透射率78R和左眼滤光器透射率78L两者都是“梳状(comb)滤光器”，包括两个邻接的带通滤光透射带77B和一个邻接的边缘滤光透射带77E。透射带被认为是邻接设置成在透射带内的所有波长上具有至少某些最小特定透射百分比(例如50％)。
右眼滤光器76R和左眼滤光器76L通常应当被设计成对来自对应的眼睛光谱带的至少50％的光进行透射，以避免引起图像亮度的明显损失。优选地，该值应当是80％或更高。为了防止不希望的串扰，右眼滤光器76R和左眼滤光器76L通常应当被设计成透射对来自相对的眼睛光谱带的少于5％的光。优选地，该值应当小于2％，以保证串扰是基本上无法察觉到的。
图12B例示可以根据图11B中所示的非交织光谱带布置使用的右眼滤光器76R的右眼滤光器透射率79R和左眼滤光器76L的左眼滤光器透射率79L的示例。与图12B中所示的布置相比，可以看到，图12A的布置中的滤光器的优点是需要较少的边缘过渡。特别地，右眼滤光器透射率78R和左眼滤光器透射率78L两者仅使用单个带通滤光透射带77B，以及单个边缘滤光透射带77E。这通过以下事实而变成可能：由于光谱带的重新排序，在右眼绿色光谱带G1与右眼红色光谱带R1之间不存在介入的左眼光谱带。同样地，在左眼蓝色光谱带B2与左眼绿色光谱带G2之间不存在介入的右眼光谱带。图12B的布置中的每个滤光器仅需要三个边缘过渡(从低透射率到高透射率或从高透射率到低透射率)，而图12A的布置中的滤光器各自需要五个边缘过渡。通常，滤光器设计的复杂度随着边缘过渡的数量以及随着所需边缘过渡的锐度而增加。因此，具有较少的带通滤光透射带(并且因此较少的边缘过渡)的滤光器的制造明显不很复杂，需要较少的滤光器层，并且因此比较便宜。这是个重要的优点，因为滤光眼镜74必须大量生产以供观看投射的立体图像的观众中的每个观看者使用。图12B的布置的另一优点在于存在较少用于产生串扰的机会，因为存在较少的其中相对的眼睛光谱带可以泄漏到透射带的边缘过渡。
可以使用本领域已知的任何制造技术来制造滤光眼镜74(图5)中的左眼滤光器76L和右眼滤光器76R。在一些实施例中，左眼滤光器76L和右眼滤光器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。多层薄膜涂层可以被设计成提供适当的滤光器透射率，诸如如图12A的右眼滤光器透射率78R和左眼滤光器透射率78L以及图12B的右眼滤光器透射率79R和左眼滤光器透射率79L。用于设计和制造具有特定光谱透射特性的多层薄膜涂层的技术在本领域中是公知的。
在其它实施例中，左眼滤光器76L和右眼滤光器76R中的一个或两个是使用共挤拉伸聚合物膜结构制造的多层二向色滤光器。用于制造这种结构的一种方法在Wheatley等人的题为“Opticalfilmwithsharpenedbandedge”的美国专利6,967,778中进行了描述。根据这种方法，共挤装置接收来自诸如热塑化挤压机的源的不同的热塑性聚合物材料流。挤压机挤压出聚合物材料的多层结构。机械操控部分用于对多层结构进行拉伸以获得期望的光学厚度。
串扰是可以发生在立体成像系统中的不期望的伪影，其中打算供观察者的一只眼睛使用的图像内容被打算供另一只眼睛使用的图像内容所污染。这会导致出现可察觉的“重影”，其中观看者在空间上偏离主图像的场景中看到物体的模糊图像。为了避免不想要的串扰，重要的是来自由右眼滤光器76R透射的左眼光发射器12L的光量是来自由右眼滤光器76R透射的右眼光发射器12R的光量的一小部分。同样地，来自由左眼滤光器76L透射的右眼光发射器12R的光量是来自由左眼滤光器76L透射的左眼光发射器12L的光量的一小部分。
图13例示基于波长的立体成像系统中的串扰源。该图示出包括右眼红色光谱带R1和左眼红色光谱带R2的波长范围的特写。示出左眼滤光器透射率79L透射左眼红色光谱带R2中的大部分光同时阻挡右眼红色光谱带R1中的大部分光。然而，可以看出，存在一个小的交叠区域75，其中来自右眼红色光谱带R1的少量光由左眼滤光器透射率79L透射。这个被透射的右眼光线将到达观察者的左眼，产生串扰并且导致模糊的重影。
各种度量可以用于表征串扰的量。一种这种度量由下述式子给出：
C R &RightArrow; L = &Integral; P R ( &lambda; ) T L ( &lambda; ) d&lambda; &Integral; P L ( &lambda; ) T L ( &lambda; ) d&lambda; &times; 100 - - - ( 1 A )
C L &RightArrow; R = &Integral; P L ( &lambda; ) T R ( &lambda; ) d&lambda; &Integral; P R ( &lambda; ) T R ( &lambda; ) d&lambda; &times; 100 - - - ( 1 B )
其中CR→L是来自对左眼图像进行污染的右眼图像的串扰的量，CL→R是来自对右眼图像进行污染的左眼图像的串扰的量，PL(λ)和PR(λ)分别是针对来自左眼光发射器12L和右眼光发射器12R的光的光谱功率分布，TL(λ)和TR(λ)分别是针对左眼滤光器76L和右眼滤光器76R的光谱透射率，以及λ是波长。可以看出，由式子(1A)和式子(1B)给出的度量计算了通过滤光器的不期望的光量相对于通过滤光器光的期望的光量的百分比。通常地，在所有观察条件下，串扰的量应小于5％，以避免不想要的伪像，并且优选地串扰的量应小于2％，以保证串扰基本上是无法被察觉到的。
许多因素影响在立体数字投影系统110(图2)中发生的串扰的水平。这些因素包括左眼光谱带与右眼光谱带之间的波长间距的量、光发射器光谱段的边缘过渡的锐度、滤光器透射带的边缘过渡的锐度以及光发射器光谱带与滤光器透射带之间的对齐。由于滤光器透射带的边缘过渡的位置有时是入射角的函数(例如，对于二向色滤光器)，所以串扰的量可以是视角的函数。
左眼光谱带与右眼光谱带之间的波长间距是特别重要的因素，在数字投影系统的设计期间必须考虑该因素以避免串扰。波长间距可以被限定为在较低光谱带的上边缘(即，“截止边缘”)到较高光谱带的下边缘(即，“前进边缘”)之间的波长间隔。这个距离在特性上从每个带边缘上的半最大点处进行测量。例如，图13示出右眼红色光谱带R1与左眼红色光谱带R2之间的波长间距S。消除不希望的串扰所需要的波长间距的量取决于滤光器透射率中的边缘过渡的锐度，以及诸如随着入射角而边缘过渡位置变化的其它影响。
图14中例示对于意图与基于波长的立体成像系统一起使用的商业可用的滤光器组随着入射角的边缘过渡的位置的变化。曲线图130示出对于垂直入射(normallyincident)的光以及以20°的入射角入射的光的右眼滤光器的一对被测量的光谱透射率曲线。可以看出，边缘过渡朝向短波长方向偏移约5nm至10nm。这些波长偏移造成光通过二向色滤光器堆叠的较长的路径长度。由于朝向短波长方向发生偏移，所以该偏移有时被称为“蓝色偏移”。曲线图135示出左眼滤光器的一对类似的光谱透射率曲线，该曲线在边缘过渡中呈现出类似的偏移。
由于边缘过渡的位置中的可变性，通常期望左眼光谱带与右眼光谱带之间的波长间距足够大以容纳与所期望的观看角度的范围相关联的边缘过渡位置的范围而不引起不想要的串扰伪影。例如，Richards等人的题为“Systemfor3DImageProjectionSystemsandViewing”的美国专利申请公开2010/0060857号中提到了这个问题并且建议修改在每只眼睛的相应光谱带之间例如在绿色通道光谱频带G1与G2之间的“保护带”或槽口的大小。
在优选实施例中，光发射器是具有不超出约15nm的带宽的窄带光源，诸如固态激光器。因此，如果针对特定颜色的每个光谱带的中心波长被选择为相隔至少25nm，这将在各带之间提供至少10nm至15nm的波长间距，这足以提供防止给出适当设计的滤光器的串扰的基本保护。对于这个原因以及其它原因，使用窄带固态光源优于使用被滤光的白光源的传统方法，其中各个基色的光谱带的带宽通常超过40nm。(因为光谱进一步变窄而减小了系统光学效率，所以在常规的被滤光的白光源中需要更大的带宽)。
可以使用本领域已知的任何光谱滤光器技术来制造左眼滤光器76L和右眼滤光器76R。对于基于波长的立体成像系统特别感兴趣的一种类型的光谱滤光器是使用薄膜二向色滤光器堆叠制成的二向色滤光器。二向色滤光器是通过将具有明显不同的折射率的多个透明薄膜层涂覆到衬底上而制造的。薄膜层可以以各种形式并且使用各种方法例如包括真空涂覆和离子沉积而被沉积。材料被沉积在厚度为涂层被设计的范围内的入射光的约1/4波长的替选层中。用于涂层的材料可以包括电介质、金属、金属氧化物和非金属氧化物、透明的聚合物材料或其组合。在替选实施例中，二向色滤光器堆叠层的一个或更多层被沉积为纳米颗粒的溶液。当使用聚合物材料时，滤光器堆叠层的一个或更多层可以由被挤压的材料形成。
二向色滤光器堆叠中的薄膜层的厚度和折射率可以被调整以控制光谱透射率特性。采用通过使用二向色滤光器堆叠制造的滤光器的一个重要的优点在于给出了足够多的层，光谱透射率曲线的形状可以被精确控制，并且可以实现非常尖锐的边缘过渡。这使得滤光器能够提供选择性地透射一组光谱带同时阻挡其它组光谱带。
然而，对于立体成像应用不利的二向色滤光器的一种特性是没有透射穿过滤光器的光被反射回滤光器。图15A示出这种效果的不期望的效果。来自显示表面72的成像光被指向佩戴包括设置在观察者的右眼194前面的右眼滤光器76R的滤光眼镜74(图15A中未示出)的观察者。在这种情况下，右眼滤光器76R包括在诸如玻璃衬底或塑料衬底的透明衬底88的前表面66F上的二向色滤光器堆叠86。(前表面66F面向显示表面72，同时相对的后表面66R面向观察者。)
入射光包括包含右眼图像数据的右眼入射光196R和包含左眼图像数据的左眼入射光196L。右眼入射光196R基本上透射穿过右眼滤光器76R作为右眼透射光198R，并且被入射到观察者的右眼194上以使观察者能够观看右眼图像。左眼入射光196L基本上被反射回到观察环境中作为左眼反射光197L。这种反射光可以被四周散射在观察环境中并且可以污染所观看的图像作为将会透射穿过左眼滤光器76L(图5)进入观察者的左眼的“闪烁”光。闪烁光的问题是随着观众数量的增加而加剧的。来自每对滤光眼镜74的反射光可以被无意地指引回显示屏幕或被指引到观看区域中的其它对象或结构，增加了视觉噪声的量并降低了图像对比度。
来自观看者后面的方向的一些左眼闪烁光可以入射到右眼滤光器76R的后表面66R上。这个光被显示为左眼入射光186L，左眼入射光186L基本上从二向色滤光器堆叠被反射并且被指引回右眼194作为左眼反射光187L。这个光的来源可以是由坐在观察者后方的其它观看者佩戴的滤光眼镜74的反射的光，或者可以是可以被其它表面反射的光。
图15A中未示出的左眼滤光器76L具有类似的结构和互补的行为，基本上透射对于左眼图像发射的所希望的载像光同时基本上阻挡对于右眼图像的不需要的光。
图15B示出与图15A中所示的布置类似的布置，其中二向色滤光器堆叠是在衬底88的后表面66R上。尽管这个配置具有二向色滤光器堆叠86因为较少的暴露而较不可能通过划伤被损坏的优点，但是右眼滤光器76R的所有行为与图15A的行为是相同的。
为了进一步说明不需要的反射光的问题，图16A示出可以与基于波长的立体投影系统一起使用的常用的右眼二向色滤光器透射率170R，该基于波长的立体投影系统使用具有右眼光谱带R1、G1和B1的右眼光发射器和具有左眼光谱带R2、G2和B2的左眼光发射器。可以看出，二向色滤光器透射率170R被布置成对右眼光谱带R1、G1、B1中的大部分光进行透射，同时对左眼光谱带R2、G2、B2中的大部分光进行阻挡。
图16B是示出根据作为波长的函数的右眼二向色滤光器透射率170R透射穿过右眼滤光器76R的光的曲线图。在本示例中，透射的右眼光175R包括右眼带中的超过90％的入射光，而透射的左眼光175L包括左眼光谱带中的约3％的光。如前面所讨论的，透射的左眼光175L是在被观看的立体图像中的串扰源。
对于二向色滤光器，二向色滤光器反射率RD(λ)将约等于：
RD(λ)≈(1-TD(λ))(2)
其中，TD(λ)是二向色滤光器透射率。图16C示出与图16A的右眼二向色滤光器透射率对应的右眼二向色滤光器反射率171R。可以看出，右眼二向色滤光器反射率171R对左眼光谱带R2、G2、B2中的大部分光进行反射。
图16D是示出根据作为波长的函数的右眼二向色滤光器透射率170R从右眼滤光器76R反射的光的曲线图。在本实施例中，反射的右眼光176R包括右眼带中的小于10％的入射光，而反射的左眼光176L包括左眼光谱带中的约97％的光。如前面所讨论的，反射光可以是观看环境中的不希望的闪烁的源。
在一些实施例中，使用如图17A中所示的混合滤光器设计来减少不需要的反射光的问题。采用这个方法，右眼滤光器76R包括二向色滤光器堆叠86，以及至少一个可变波长吸收型滤光器层87二者。吸收型滤光器吸收特定波长处的光的一部分，同时透射其余的光。(光的一小部分还可以被反射。)通常不可能产生具有有着如采用二向色滤光器设计出的在任意波长处具有尖锐的边缘过渡的光谱透射特性的吸收型滤光器。因此，吸收型滤光器通常不适合于提供基于波长的立体成像系统所需要的高程度的颜色分离。然而，相对于纯的二向色光片的使用，发现了吸收型滤光器层与二向色滤光器层的组合提供显著的性能优点。
根据本发明的实施例，二向色滤光器堆叠被设计成透射来自右眼光发射器的60％或更多的光并且反射来自左眼光发射器的60％或更多的光。优选地，二向色滤光器堆叠可以透射来自右眼光发射器的至少90％或更多的光并且反射来自左眼光发射器的至少90％的光。
同样地，相比于左眼光谱带中的光，吸收型滤光器层87被设计成对右眼光谱带中的光的较大的百分比进行透射。优选地，吸收型滤光器层87应透射右眼光谱带中的大部分光，而吸收左眼光谱带中的大部分光。
总的来说，混合右眼滤光器适于透射来自右眼光发射器的50％或更多的光，同时阻挡左眼光发射器中的大部分光，以使得来自左眼光发射器的透射光量小于来自右眼光发射器的透射光量的5％。吸收型滤光器层87的吸收特性使得从右眼滤光器76R反射的左眼入射光196L的量相对于仅使用二向色滤光器堆叠86的配置(例如，图15A至图15B中所示的配置)来说基本上减小。在优选实施例中，右眼滤光器76R应该吸收左眼入射光196L的大部分以使得左眼入射光196L的少于50％被反射。理想地，右眼滤光器76R应该吸收左眼入射光196L的大部分(例如，大于90％)。
在一些实施例中，吸收型滤光器层87可以被涂覆在二向色滤光器堆叠86的顶部上。在其它实施例中，可以通过使薄膜层或衬底掺杂来提供吸收型滤光器层87。
可用于提供吸收型滤光器层87的波长可变的吸收型材料包括相对窄带吸收性染料和颜料，诸如购自ExcitonofDaytonOhio的ABS647和ABS658；购自GentexCorp.ofSimpson的FiltronA系列染料吸收剂和对比度增强槽口吸收剂、PA或其它分子化学物质。
根据本发明可以使用的其它类的波长可变的吸收型材料包括超材料或共振等离子体结构。超材料是在结构上呈可以被调谐成对光进行吸收的纳米结构，这种材料的示例在由Padilla的题为“Newmetamaterialprovestobea‘perfect’absorberoflight”的文章(ScienceDaily，2008年5月29日)中进行了描述。类似地，例如通过以亚波长尺度的常见的反射金属结构化的使用而产生的等离子体吸收剂在由Aydin等人的题为“Broadbandpolarization-independentresonantlightabsorptionusingultrathinplasmonicsuperabsorbers”的文章(NatureCommunications，1-7页，2011年11月1日)中进行了描述。
还可以使用诸如光子晶体的其它吸收剂结构，其中光子晶体被用来引导光多次穿过吸收材料。例如，Zhou等人在题为“Photoniccrystalenhancedlight-trappinginthinfilmsolarcells”的文章(JournalofAppliedPhysics，103卷，093102页，2008)中描述了使用光子晶体的吸收增强。
光谱过滤的另一方法使用通过将衬底浸泡在病毒或蛋白质分子的溶液中而产生的诸如有色膜的天然衍生的纳米颗粒吸收剂。在一些实施例中，病毒或蛋白质分子可以是自组织的。使用非颗粒病毒分子的吸收剂的一个示例已经由Berkeley的加利福尼亚大学的Seung-WakLee开发出并且在题为“Nopaintneeded！Viruspatternsproducedazzlingcolour”的文章(NewScientist，18页，2011年10月29日)中进行了描述。
在一些实施例中，可以使用多个吸收型滤光器层87。例如，各个吸收型滤光器层87可以被设置成选择性地吸收包括左眼入射光196L的光谱带R2、G2、B2中的每个光谱带中的光。替选地，单个吸收型滤光器层87可以用来选择性地吸收多个光谱带R2、G2、B2的一部分中的光。
在图17A的配置中，二向色滤光器堆叠86位于衬底88的前表面66F上，而吸收型滤光器层87位于二向色滤光器堆叠86上。为了实现上述优点，吸收型滤光器层87必须位于光源(例如，显示表面72)与二向色滤光器堆叠86之间，以使得不需要的光在由二向色滤光器堆叠86反射之前被吸收。如图17B所示，吸收型滤光器层87和二向色滤光器堆叠86可以交替地位于其它布置中，只要吸收型滤光器层87和二向色滤光器堆叠86保持适当的相对位置即可。在这个示例中，二向色滤光器堆叠86位于后表面66R上同时吸收型滤光器层87位于前表面66F上。
图17A和图17B的布置不能有效地防止对(例如，在由其它观看者佩戴的滤光眼镜反射后)入射到右眼滤光器76R的后表面66R上的左眼入射光186L的反射。这个光将在到达滤光器层87之前与二向色滤光器堆叠86相互作用，并且因此仍将被反射作为左眼反射光187L。
图17C和图17D分别示出类似于图17A和图17B的布置，其中第二吸收型滤光器层86位于后表面66R上。以此方式，左眼入射光196L和左眼入射光186L两者将基本上被吸收，但是以右眼入射光196R略低的透射率为代价。在这样的实施例中，右眼滤光器76R应该优先地吸收左眼入射光186L的大部分以使得左眼入射光186L的少于50％被反射。理想地，右眼滤光器76R应该吸收左眼入射光186L的大部分(例如，大于90％)。
在其它实施例中，层可以被分布在其它布置中，或可以与附加层结合。例如，附加的保护层可以位于二向色滤光器堆叠86或吸收型滤光器层87中的一个或两个上以提供抗划伤或抗褪色性。也可以使用抗反射涂层以减少第一表面反射。在一些实施例中，抗反射涂层可以由多个薄膜层形成，抗反射涂层可以可选地被包括作为二向色滤光器叠层86的一部分。
图18示出结合图16A的右眼二向色滤光器透射率170R、可以用于吸收型滤光器层87(图17A)的右眼吸收型滤光器透射率172R的示例。如果具有这些光谱性能的二色性滤光器堆叠86和吸收型滤光器层87用于图17A或图17B的混合滤光器布置中，则混合滤光器的组合透射率TH(λ)可以如下计算：
TH(λ)≈TD(λ)TA(λ)(3)
其中，TD(λ)是二向色滤光器透射率而TA(λ)是吸收型滤光器透射率。(这假定衬底透射率近似等于1.0。)混合滤光器的组合反射率RH(λ)可以如下计算：
RH(λ)≈RD(λ)(TA(λ))2＝(1-TD(λ))(TA(λ))2(4)
其中RD(λ)是二向色滤光器反射率，借助于式子(2)，RD(λ)等于1-TD(λ)。该式子基于下述假设：反射光被透射通过吸收型滤光器层87，由二向色滤光器堆叠86进行反射，并且然后第二次被透射通过吸收型滤光器层87。假设第一表面反射率可以忽略不计。
图19A示出使用式子(3)根据图18中的光谱透射率所计算的右眼混合滤光器透射率173R。右眼混合滤光器透射率173R叠加在右眼光谱带组R1、G1和B1和左眼光谱带组R2、G2和B2上。比较图19A和图16A，可以看到，右眼混合滤光器透射率173R非常类似于右眼二向色滤光器透射率170R。
图19B是示出根据作为波长的函数的右眼混合滤光器透射率173R透射通过右眼滤光器76R的光的曲线图。在本示例中，透射的右眼光175R包括右眼带中的约81％的入射光，这相对于绘制在图16B中的仅二向色配置来说略微下降。然而，透射的左眼光175L包括左眼光谱带中仅约1％的光。这表示相对于仅二向色配置来说串扰的量减少了约3x。这种串扰的减少是混合滤光器方法的附加好处。
图19C示出使用式子(4)所计算的右眼混合滤光器反射率174R。与图16C相比，可以看出，与左眼光谱带R2、G2、B2对应的波长区域中的反射率明显降低。
图19D是示出根据作为波长的函数的右眼混合滤光器反射率174R从右眼滤光器76R反射的光的曲线图。在本示例中，反射的右眼光176R包括右眼带中的少于7％的入射光，而反射的左眼光176L包括左眼光谱带中的约8％的光。这表示相对于仅二向色方案来说被反射的左眼光的量减少了超过12x。这将提供由滤光眼镜74的反射导致的闪烁光的量的显著减少。
应注意，不论立体成像系统是使用交织的光谱带(如对于图12A和图19A至图19D所讨论的示例)还是使用非交织的光谱带(如图12B中所示的配置)，吸收型滤光器层87可以用来补充由二向色滤光器堆叠86提供的光谱分离以形成混合滤光器。一般设计原理是，与针对特定眼睛的滤光器一起使用的吸收型滤光器层87应该吸收与相对的眼睛图像相关联的更多的光谱带，并且吸收与针对特定眼睛的图像形成光相关联的更少的光谱带。
如上所述，从由其它观看者佩戴的滤光眼镜74反射的“闪烁光”的反射可以减小由观看者看到的投影图像的对比度并且可以增大有损于立体观看体验的视觉噪声。为了说明这一点，图20A和图20B示出下述情况：来自显示表面72的一些射入光线230从由后方观察者160佩戴的滤光眼镜74被反射并且作为反射光235被指引至由前方观察者162佩戴的滤光眼镜74的后侧面上。正如对于图15A和图15B所讨论的那样，这些光中的一些光可以被反射回前方观察者的眼睛162中。这种效应或多或少的发生，这取决于后方观察者160的头部和前方观察者162的头部是否处于如图20A中所示的相同高度，或处于如图20B中所示的不同的高度。对于常规的座椅布置，正如图20B中所示的配置那样，前方观察者162的头部在高度上低于后方观察者160的头部。在最坏的情况下，滤光眼镜74使用对来自没有被透射到后方观察者160的眼睛的光谱带的大部分光或所有光进行反射的二向色滤光器。当前方观察者162是在后方观察者160的正前方并且与后方观察者160相对一样高时，前方观察者162上的那些功能相同的滤光眼镜74现在将对来自恰好照在滤光器的后表面上的任何光的错误光谱内容进行高度反射，这基本上降低了立体图像质量和对比度。即使当滤光眼镜74的反射光不直接落在前方观察者162的滤光眼镜74的背面上时，那些光的一些光仍将返回到投影屏幕，对于所有观看者而言进一步降低图像质量和对比度。虽然弯曲的滤光器比平坦的滤光器传播出更多这种光，但是很多光将仍然落在屏幕上。
图21A和图21B示出根据本发明的实施例的具有改进设计的滤光眼镜200，以减小由于从右眼滤光器76R和左眼滤光器76L反射的光而造成的图像质量的降低。图21A的侧视图和图21B的立体图示出下述滤光眼镜200，该滤光眼镜200被配置成通过相对于观看者的位置以斜角向上改变反射光的方向来减少由于背反射而造成的图像退化，以使得反射光被指引远离显示表面72(图20A)，远离坐在滤光眼镜200的佩带者前方的其它观看者。包括轮缘215的框架210以相对于垂直方向的倾斜角θ设置右眼滤光器76R和左眼滤光器76L，以使得反射光被向上指引并且远离坐在滤光眼镜200的佩带者的前面的其它观看者。
对于常见的视觉环境，倾斜角θ优选的在约5度至20度之间。对于其中滤光眼镜200的佩带者与显示表面72之间有非常短的距离的实施例，较大的倾角可以是优选的。一个极端的示例是观看者坐在距离底部约1/4的屏幕高度的垂直位置处远离显示表面约一个屏幕高度。在这种情况下，来自显示表面72的底部的光从水平线下约14度的方向到达滤光眼镜200，以及来自显示表面72的顶部的光从水平线上约37度的方向到达滤光眼镜。因此，滤光器需要倾斜至约37度的倾斜角，以使得所有反射光被指引到显示表面72的顶部之上。角度倾斜的水平从美学观点来看可能是不实际的。大多数受众观看者更愿意在中心水平或更高水平处具有建议26度的最大顶端的屏幕是更实用的。即使当倾斜角θ小于这个水平时，也可以实现非常明显的优势，因为从所有观看者返回到屏幕的光是相加的，因此杂散光的任意减少提供了对应的图像质量的改善。
如前面所讨论的，对于其中左眼滤光器76L和右眼滤光器76R包括二向色滤光器堆叠的情况，滤光器的倾斜通常使光谱透射率曲线中的边缘过渡发生偏移。在这种情况下，可以期望调整二向色滤光器设计，以提供所需的光谱透射率特性。
在一些实施例中，框架210包括可选的不透明侧防护板220，侧防护板220阻挡至少一些杂散光阻止到达左眼滤光器76L和右眼滤光器76R的后表面。在优选实施例中，轮缘215是用可模制材料制成的并且倾斜角θ是由适当地模制轮缘215的成型而提供的。在图21C所示的替选实施例中，框架210包括能够使轮缘215以枢转的方式运动的铰链机构225，以提供可变的倾斜角θ。以此方式，倾斜角可以被调节以适合观看环境。
在所示的实施例中，左眼滤光器76L和右眼滤光器76R的前表面和后表面被显示为基本平面，并且表现为平板。在其它实施例中，左眼滤光器76L和右眼滤光器76R可以被设置为具有球面或非球面曲表面的曲面板。在这种情况下，相对于通过曲表面的最佳拟合平面来限定倾斜角。
图22和图23示出根据本发明的实施例的由后方观察者160和前方观察者162佩戴的滤光眼镜200。滤光眼镜200中的轮缘215被布置成以适当的倾斜角来定向左眼滤光器76L和右眼滤光器76R定向，以使得当来自显示表面72(图22中未示出)的射入光线230从由后方观察者160佩戴的滤光眼镜200的左眼滤光器76L和右眼滤光器76R被反射时所产生的反射光235被指引越过其它观察者(例如，前方观察者162)的头部。因此，来自后方观察者160的滤光眼镜200的反射光235不太可能负面地影响前方观察者162所看到的图像质量。优选地，反射光235被指引越过显示表面72的顶部，以使反射光235不给显示的图像增加闪烁光。
在本发明的替选实施例中，提供了一种使用一个或更多个可调谐光源来在至少一个颜色通道中提供不同的光谱带的立体成像装置。例如，参照图24，示出具有诸如可调谐窄带固态激光器的红色可调谐光发射器152r的红色成像通道140r的示意图。红色可调谐光发射器152r可以选择性地提供至少两个不同状态下的光。在第一状态下，红色可调谐光发射器152r提供用于形成右眼图像的R1光谱带中的光，而在第二状态下，红色可调谐光发射器152r提供用于形成左眼图像的R2光谱带中的光。如时序图154中所示，控制器系统80适于控制红色可调谐光发射器152r，以使其根据所限定的时间序列来交替地发射R1光谱带和R2光谱带中的光。为了进行切换而不被观看者觉察，红色可调谐光发射器152r必须能够在颜色状态之间高速地切换，例如，如在约60Hz的速度下进行切换。
由光学部件(例如，均匀化光学器件44和一个或更多个透镜48)调整所发射的光以对空间光调制器60进行照射。根据对应的右眼图像的图像数据或左眼图像的图像数据由控制器系统80对空间光调制器60的像素进行同步控制。然后使用如前所述的投影光学器件70将所得的图像投影到显示表面72。
如图25所示，图24中的红色可调谐光发射器152r可以与在蓝色通道和绿色通道中分别提供右眼图像内容和左眼图像内容的绿色可调谐光发射器152g和蓝色可调谐光发射器152b进行组合，以形成具有红色成像通道140r、绿色成像通道140g和蓝色成像通道140b的颜色立体成像系统150。每个可调谐光发射器发出至少两种不同光谱带的光，通常有相同的基色(红色、绿色或蓝色)。例如，在这个配置中，投影光学器件70可以包括光束组合系统，如参照图9所描述的二向色组合器82。
应理解，相较于需要多个光源或需要用于对来自单个多色(白光)光源的光进行过滤的多个滤光器组的其它类型的基于波长的立体成像系统，使用可调谐光发射器的立体成像系统150具有优势。例如，对于图5所描述的配置，需要六个不同的光发射器而不是图25中的三个光发射器。此外，图5的配置还需要三个束流扫描器50以在两个颜色状态之间进行切换。
某些类型的可调谐光发射器的另一有用的特性是其可以通过多个同时发生模式的创建、围绕中心光谱带的高频模式跳跃或更高频率的调谐来用于提供一些关于中心波长的波长“抖动(jitter)”，以使得所发射的光在每一时刻相对于波长而变化。在这种情况下，当控制器系统80控制可调谐光发射器以在可调谐光发射器的第一状态下进行工作时，可调谐光发射器可以配置成顺序地发射在第一光谱带内的具有两个或更多不同峰值波长的光，以及当该可调谐光发射器在其第二状态下工作时，可调谐光发射器可以被配置成顺序地发射在与第一光谱带光谱相邻的第二谱带内具有两个或更多个不同峰值波长的光。在光谱带的波长范围内光谱输出的随机性减少了对于多种类型的激光投影系统常有的高度相干光的不希望的效果，诸如斑点。
图25中的红色可调谐光发射器152r、绿色可调谐光发射器152g和蓝色的可调谐光发射器152b可以是本领域已知的任何类型的可调谐光源。在一些实施例中，可调谐光发射器是固态光源，如可调谐发光二极管(LED)或者可调谐激光器。可调谐激光器使用多个不同的可能机制中之一来改变所发射的输出波长。这样的一种方法包括使用如在Overton的“760kHzOCTscanningpossiblewithMEMS-tunableVCSEL”的文章(LaserFocusWorld，页15，2011年7月)中所描述的能够快速在各机械状态之间进行切换的微机电系统(MEMS)装置对光学共振腔进行控制。在所描述的装置中，静电激励电介质反光镜被悬挂在激光器结构的顶部，以调整波长。
提供适当的可调谐激光器的替选方法是使用双稳态激光器。Feng等人在题为“Wavelengthbistabilityandswitchingintwo-sectionquantum-dotdiodelasers”的文章(IEEEJournalofQuantumElectronics,46卷,951-958页,2010年)中公开了在50皮秒内以离散的整数倍切换的双节锁模量子点激光器的使用。本装置的操作基于增益及吸收剂中的自身饱和特性与交叉饱和的相互作用以及吸收剂中的量子限制斯塔克效应。可以通过改变电流注入水平或电压水平来容易地调谐这种类型的激光器。
根据本发明可以使用的一种类型的可调谐LED在Hong等人的题为“Visible-Color-TunableLight-EmittingDiodes”的文章(AdvancedMaterials,卷23,页3284–3288(2011))中进行了描述。这些装置基于涂覆有氮化铟镓的层的氮化镓纳米棒来形成量子阱。当产生层时，层的厚度自然发生变化，并且通过改变所施加的电压，电流可以穿过不同的层，从而提供不同颜色的发射光。
特别参考了某些优选实施例详细描述了本发明，但是应理解，在本发明的精神和范围内可以实施变化和修改。例如，在各种实施例中所使用的光发射器可以是本领域已知的任何类型的光发射器，并且可以包括激光器阵列或使用棱镜或其它组合光学器件被组合到同一光轴上的其它发射器件阵列。
通常由所提供的示意图中的透镜或块所表示的光学系统可以包括需要引导和调整照明或成像光的任意数量的光学部件。
每个颜色通道中的空间光调制器60可以是任意数量的不同类型的空间光调制器，例如，诸如可购自TexasInstruments、Dallas、TX的数字光处理器(数字微型反射镜阵列类型)或液晶阵列。
在一些实施例中，颜色通道可以具有两个空间光调制器，每个空间光调制器对应于观察者的每只眼睛，从而在立体数字投影系统中有六个空间光调制器。或者，正如图5那样，每个颜色通道可以具有单个空间光调制器，使用颜色滚动或诸如根据定时模式交替地激活不同光谱带的一些其它资源共享方法将单个空间光调制器在左眼图像内容和右眼图像内容之间共享。
在一些实施例中，附加的滤光器可以被设置在照明路径中以对来自一个或更多光发射器的光谱内容进行衰减，以使得相邻的光谱带基本上是不交叠的。
虽然已经参考将图像投影到显示屏幕上的立体数字投影系统描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言明显的是本发明还可以应用于不涉及投影的其它类型的立体数字显示系统。例如，可以使用立体数字软拷贝显示器以直接在显示表面上形成左眼立体图像和右眼立体图像。软拷贝显示器可以使用诸如LED显示器和LCD显示器的本领域已知的任何类型的显示器技术。
部件列表
12光发射器
12L左眼光发射器
12R右眼光发射器
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光改向棱镜
32图像区域
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光源
43R光源
44均匀化光学器件
46光束组合器
48透镜
50束流扫描器
52棱镜
54小透镜阵列
56块
58集成棒
60空间光调制器
60L空间光调制器
60R空间光调制器
62框架
66F前表面
66R后表面
68二向色表面
70投影光学器件
72显示表面
74滤光眼镜
75交叠区域
76L左眼滤光器
76R右眼滤光器
77B带通滤光透射带
77E边缘滤光透射带
78L左眼滤光器透射率
78R右眼滤光器透射率
79L左眼滤光器透射率
79R右眼滤光器透射率
80控制系统
82二向色组合器
84二向色表面
86二向色滤光器堆叠
87吸收型滤光器层
88衬底
90照明光学器件
92束流扫描光学器件
94第一级
96第二级
100立体数字投影系统
110立体数字投影系统
120投影仪设备
130曲线图
135曲线图
140b蓝色成像通道
140g绿色成像通道
140r红色成像通道
150立体成像系统
152b蓝色可调谐光发射器
152g绿色可调谐光发射器
152r红色可调谐光发射器
154时序图
160后方观察者
162前方观察者
170R右眼二向色滤光器透射率
171R右眼二向色滤光器反射率
172R右眼吸收型滤光器透射率
173R右眼混合滤光器透射率
174R右眼混合滤光器反射率
175R透射的右眼光
175L透射的左眼光
176R反射的右眼光
176L反射的左眼光
186L左眼入射光
187L左眼反射光
194右眼
196R右眼入射光
196L左眼入射光
197L左眼反射光
198R右眼透射光
200滤光眼镜
210框架
215轮缘
220侧防护板
225铰链机构
230射入光线
235反射光
A1面积
A2面积
B光谱带
B1光谱带
B2光谱带
G光谱带
G1光谱带
G2光谱带
O轴
R光谱带
R1光谱带
R2光谱带
S波长间距
θ倾斜角
θ1角
θ2角

Claims (16)

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，并且具有对来自所述第二眼图像的光进行透射并且对来自所述第一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被定向为使得通过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的最佳拟合平面以至少5度的倾斜角向上倾斜，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全部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，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。
6.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。
7.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。
8.根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述倾斜角相对于竖直方向不大于20度。
9.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。
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弯曲表面。
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。
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包括一个或更多吸收型滤光器层。
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。
14.根据权利要求13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所述观察者的眼睛之间。
15.根据权利要求14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。
16.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。
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