CN104067150B - 使用二向色层和吸收层的立体眼镜 - Google Patents

使用二向色层和吸收层的立体眼镜 Download PDF

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Abstract

一种与立体数字显示系统一起使用的滤光眼镜，该立体数字显示系统对包括左眼图像和右眼图像的立体图像进行显示。左眼图像是由多个左眼光谱带中的光形成的，而右眼图像是由对应的多个光谱相邻的右眼光谱带中的光形成的。滤光眼镜包括左眼滤光片和右眼滤光片，其中每个滤光片包括二向色滤光片堆叠和一个或更多个吸收型滤光片层。每个滤光片对相应的眼睛光谱带中的50％或更多的光进行透射，同时提供少于5％的串扰。框架用于将右眼滤光片定位于观察者的右眼的前面并且将左眼滤光片位于观察者的左眼的前面。

Description

使用二向色层和吸收层的立体眼镜
技术领域
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，更特别地，涉及包含二向色层和吸收层的改进的滤光眼镜。
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。对于传统电影质量投影仪的竞争性的数字投影替代物必须满足高性能标准，提供高分辨率、宽色色域、高亮度以及超过2000:1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，一组针对一只眼睛，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，同时透射正交偏振光图像。
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。
用于从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中的一种。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 forperforming stereoscopic image display based on color selective filters”的美国专利US 7,832,869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。为了实现这个分离，将滤光片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调整的立体内容被呈现给眼睛的每个空间光调制器。观看者佩戴具有相应的滤光片设置的观看眼镜，该滤光片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。
第二种方法是利用偏振光。在Svardal等人的美国专利US 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，对来自两个调制器的偏振光同时投影。观看者佩戴具有相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。通过光谱分离，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)装置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更节省成本。
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Silversstein的题为“Projector using independent multiple wavelength light sources”的美国专利申请公开2009/0153752中已经解决了滤光片损耗，其中由待被有效地引导至空间光调制器的分束器将独立的光谱相邻的源组合。这种方法的一个缺点是，由于调制器仅能适时地提供一个眼睛图像，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，但是两组独立源的成本要求增加了显示器的初始成本。
对于用于分离左眼图像和右眼图像的偏振，光可以被更有效地使用。Silverstein等人的题为“Stereo projection using polarized solid state light sources”的美国专利US 7,891,816和Silverstein等人的题为“Etendue maintaining polarizationswitching system and related methods”的美国专利US 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，这可以改进轴上观看(on axis viewing)，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等级的观看者感知到的斑点。由于难以通过高角度光学器件保持高偏振控制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他问题抵消。
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)的乘积成正比。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和其接收角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的集光率最接近地匹配空间光调制器20的集光率时的光学设计是有利的。
例如，增大数值孔径来增大集光率，以使得光学系统捕获更多的光。类似地，增大光源大小，以使得光来自于较大的面积，进而增大集光率。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。
当光源的集光率很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是光缺乏、不能给空间光调制器提供足够的光，或者效率低、实质上丢弃用于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表现出一些前景，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。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。
特定用于投影应用的激光器阵列是各种类型的VCSEL阵列，包括来自Novalux、Sunnyvale、CA的NESCEL(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片制作及成本的改进，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
本发明表述了一种与立体数字显示系统一起使用的滤光眼镜，该立体数字显示系统在显示表面上显示包括左眼图像和右眼图像的立体图像，左眼图像是利用多个具有对应的左眼光谱带的窄带固态左眼光发射器而形成的，而右眼图像是利用对应的多个具有对应的右眼光谱带的窄带固态右眼光发射器而形成的，左眼光谱带与对应的右眼光谱带是光谱相邻并且基本上不交叠的，滤光眼镜包括：
左眼滤光片，所述左眼滤光片包括：
左眼衬底，具有朝向所述显示表面的前表面和与所述前表面相对的后表面；以及
多个滤光片层，被定位于所述左眼衬底的所述前表面或所述后表面之一或两者之上，所述滤光片层包括：
左眼二向色滤光片堆叠，用于对来自所述左眼光发射器的60％或更多的光进行透射并且对来自所述右眼光发射器的60％或更多的光进行反射；以及
一个或更多个左眼吸收型滤光片层，用于使来自所述左眼光发射器的光以比来自所述右眼光发射器的光更大的百分比透射；
其中，所述左眼滤光片对来自所述左眼光发射器的50％或更多的光进行透射，并且来自所述右眼光发射器的透射光的量小于来自所述左眼光发射器的透射光的5％；
右眼滤光片，所述右眼滤光片包括：
右眼衬底，具有朝向所述显示表面的前表面和与所述前表面相对的后表面；以及
多个滤光片层，被定位于所述右眼衬底的所述前表面或所述后表面之一或两者之上，所述滤光片层包括：
右眼二向色滤光片堆叠，用于对来自所述右眼光发射器的60％或更多的光进行透射并且对来自所述左眼光发射器的60％或更多的光进行反射；以及
一个或更多个右眼吸收型滤光片层，用于使来自所述右眼光发射器的光以比来自所述左眼光发射器的光更大的百分比透射；
其中，所述右眼滤光片对来自所述右眼光发射器的50％或更多的光进行透射，并且来自所述左眼光发射器的透射光的量小于来自所述右眼光发射器的透射光的5％；
框架，所述右眼滤光片和所述左眼滤光片被安装到所述框架中，所述框架适于将所述右眼滤光片定位于观察者的右眼的前面并且将所述左眼滤光片定位于所述观察者的左眼的前面。
本发明的优点是减少了从滤光眼镜的前表面反射的闪耀光的量，从而减少了视觉噪声的量并且提高了图像对比度。
在一些实施方式中，还减少了从滤光眼镜的后表面反射的闪耀光的量。这防止了观察者的观看体验受到来自光源的光的负面影响，诸如受到来自由坐在观察者后面的其他观众成员佩戴的滤光眼镜的反射的影响。
附图说明
图1是示出了光学系统的集光率计算中的因素的代表性图；
图2是示出了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是示出了现有技术的颜色滚动序列的示意图；
图3B是示出了根据本发明的实施方式的、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是示出了在使用单光束扫描仪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是示出了在使用分开的光束扫描仪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；
图6A是示出了用于扫描单个颜色带的旋转棱镜的使用的示意图；
图6B是示出了用于扫描两个颜色带的旋转棱镜的使用的示意图；
图6C是示出了用于使用用于扫描两个颜色带的旋转棱镜的另一配置的示意图；
图7A是示出了包括两个小透镜阵列的均匀化光学器件的示意图；
图7B是示出了包括两个集成棒的均匀化光学器件的示意图；
图8是示出了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方式的、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是示出了使用交错布置中的光谱分离的立体投影的光谱带的曲线图；
图11B是示出了使用替选的非交错布置中的光谱分离的立体投影的光谱带的曲线图；
图12A是示出了对于与图3A的交错光谱带布置一起使用的右眼滤光片和左眼滤光片的光谱透射率的曲线图；
图12B是示出了对于与图3B的非交错光谱带布置一起使用的右眼滤光片和左眼滤光片的光谱透射率的曲线图；
图13是示出了基于波长的立体成像系统中的串扰源的曲线图；
图14是示出了取决于在商业可用的滤光眼镜中所用的左眼滤光片和右眼滤光片的光谱透射特性的角度的曲线图；
图15A和图15B是示出了具有二向色滤光片堆叠的右眼滤光片的实施方式的截面图；
图16A是示出了使用二向色滤光片堆叠的示例右眼滤光片的光谱透射率特性的曲线图；
图16B是示出了由图16A的右眼滤光片提供的透射光的曲线图；
图16C是示出了图16A的右眼滤光片的光谱反射率特性的曲线图；
图16D是示出了由图16A的右眼滤光片提供的反射光的曲线图；
图17A至图17D是示出了具有二向色滤光片堆叠和一个或更多个吸收型滤光片层的右眼滤光片的实施方式的截面图；
图18是示出了适用于右眼滤光片的示例二向色滤光片堆叠和示例吸收滤光片层的光谱透射率特性的曲线图；
图19A是示出了由二向色滤光片堆叠和吸收滤光片层组合的示例混合右眼滤光片的光谱透射率特性的曲线图；
图19B是示出了由图19A的混合右眼滤光片提供的透射光的曲线图；
图19C是图19A的混合右眼滤光片的光谱反射率特性的曲线图；
图19D是示出了由图19A的混合右眼滤光片提供的反射光的曲线图；
图20A是示出了对于头部在相同高度处的两个观看者而言来自滤光眼镜的反射光的光路的示意图；
图20B是示出了对于头部在不同高度处的两个观看者而言来自滤光眼镜的反射光的光路的示意图；
图21A是示出了具有倾斜滤光元件的滤光眼镜的侧视图；
图21B是示出了具有倾斜滤光元件的滤光眼镜的立体图；
图21C是示出了具有用于调整倾斜滤光元件的倾斜角的铰链的滤光眼镜的侧视图；
图22是示出了观看者佩戴具有倾斜滤光元件的滤光眼镜的侧视图；
图23是示出了对于头部在不同高度处的两个观看者而言来自具有倾斜滤光元件的滤光眼镜的反射光的光路的示意图；
图24是示出了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是示出了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方式的组合。参照“特定实施方式”等是指呈现在本发明的至少一个实施方式中的特性。单独参照“实施方式”或“特定实施方式”等未必是指相同的一个或多个实施方式；然而，这些实施方式并不相互排斥，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是限制性的。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方式的部件。
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，激光器或其他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”指的是针对由观察者的左眼观看而形成的图像。相应地，术语“右眼图像”指的是针对由观察者的右眼观看而形成的图像。
本发明实施方式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”涉及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他附加颜色。每个分量颜色的相应的光谱相邻颜色位于同一色谱，但是对于左眼图像和右眼图像而言具有不同的波长范围，以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，示出了立体数字投影系统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他类型的显示表面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。
在优选的实施方式中，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提供的光有效地分离开。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。即使在光谱带之间存在某些低等级的交叠，有时也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一个光谱带的少于5％的光应该与另一光谱带交叠。
滤光眼镜74包括左眼滤光片76L和右眼滤光片76R，连同左眼滤光片76L和右眼滤光片76R被安装到其中的框架62。框架62适于使右眼滤光片76R位于观看者的右眼的前面并且使左眼滤光片76L位于观看者的左眼的前面。右眼滤光片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，左眼滤光片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他方法。本发明的实施方式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的示意图示出了在常规实践中，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。由于是在不同时间布置的图像帧，所以示出了一系列的图像帧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被扫描穿过图像区域32。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，以使得在任意给定的时间图像帧的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”。在这个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循环，以每秒多次的速率(例如，144Hz)。从这个序列可以看出，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。在使用这种序列形成的图像中，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，但是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、各个源之间还需要有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，这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，因为投影仪亮度是被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片和涂层的部件的特性和设计进行优化，以针对各个波长的光改进其性能。
图3B示出了根据本发明的示例性实施方式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的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，根据本发明的实施方式，光谱相邻的红色光谱带R1和红色光谱带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，通过在其自身的颜色通道内维持相同颜色的光，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的示意图示出了符合本发明实施方式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。包括光束扫描仪50的光束扫描光学器件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48，一些透镜可以被定位在均匀化光学器件44与光束扫描光学器件92之间，其他的透镜可以被定位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。这种方法的优点是在投影期间光源42a和光源42b可以是连续的开启，提供比其他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引导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，光束扫描仪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引导至空间光调制器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；然而在不同的实施方式中，照明光学器件90可以包括不同的(或多个)光学部件。可以通过将入射光束的空间分离或角度分离用于光束扫描仪50来提供防止光带之间串扰所需的光束分离。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光束扫描仪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和光束扫描仪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引导至空间光调制器60上。在这种情况下，光束扫描光学器件92包括两个光束扫描仪50。
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R1和红色光谱带R2；绿色通道40g包括光谱相邻的绿色光谱带G1和绿色光谱带G2；以及蓝色通道40b包括光谱相邻的蓝色光谱带B1和蓝色光谱带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片76L和用于右眼的右眼滤光片76R的滤光眼镜74来观察显示表面72。左眼滤光片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，右眼滤光片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还耦合至光束扫描仪50，以使光束扫描仪50知道在任意给定时间时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，包括一个或更多个光束扫描仪50的光束扫描光学器件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。与本发明的实施方式相一致，图6A示出了光束扫描仪50的示意图，光束扫描仪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色带中的每个光谱相邻的光谱带。棱镜52的旋转使得通过折射来改变光束(文中所示的对于R1光谱带)的方向，以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方式中。
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转，而另一些光线可以向下偏转。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是示出了光束扫描仪50的替选实施方式的示意图，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的光谱带的光带(在本示例中，光谱带R1和光谱带R2)。这个配置适合用于图4A的示例实施方式中。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是示出了光束扫描仪50的另一替选实施方式的示意图，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的光谱带的光带(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，第二级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引导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“Projection system withscrolling color illumination”的美国专利US 7,147,332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色带。滚动色带被反射性组合，以使得不同的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。
旋转棱镜或其他折射元件是能够用于光束扫描仪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定义而言，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，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方式中。
可以用于光束扫描仪50的替选类型的部件包括旋转镜子或其他反射部件、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。
当使用多个光束扫描仪50时，关键是使所有光束扫描仪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至少两个光束扫描仪50的移动光学元件。例如，单个轴可以用于使用单个电机来驱动多个棱镜52。在一些实施方式中，单个旋转棱镜52可以用于通过引导光束从多个方向穿过棱镜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，光谱相邻的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他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，大部分变化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示出了可以用于图4A的实施方式的均匀化光学器件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。空间相邻光束之一(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设置在光谱相邻的光谱带的光束之间，以有助于防止串扰。以此方式，可以每个色带使用单个小透镜阵列结构从而降低成本。
图7B示出了可以用于图4A的实施方式的均匀化光学器件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。空间相邻光束之一(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，在优选实施方式中，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，其中成像光穿过光束扫描光学器件92。对于本领域的技术人员来说，可以使用照明光学器件90的许多不同的配置来提供这个功能是明显的。图8示出了其中照明光学器件90被划分成第一级94和第二级96、每级包括两个透镜48的一个实施方式。第一级94中的透镜48在与作为光束扫描仪50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。
本发明的实施方式很适合于使用诸如激光器、发光二极管(LED)和其他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15nm FWHM(半高全宽)并且优选地不超过10nm的光谱带宽的光源。可以使用其他类型的光源包括量子点光源或有机发光二极管(OLED)光源。在其他实施方式中，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片。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的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色域。这是所希望的情况，因为每只眼睛上的滤光片不可避免地对角度敏感，从而滤光片边缘过渡的波长由于非法线入射而偏移。这个角灵敏度在所有光学滤光片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他因素，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为明显。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片的角灵敏度问题。
图9的示意图示出了对于投影光学器件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的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“Projectorusing 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。
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中所示的实施方式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的光谱带的滚动光带来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示出了立体数字投影系统110的替选实施方式的示意图，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、光束扫描光学器件92、照明光学器件90和二向色表面68以将被扫描的光束引导至空间光调制器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优选的是具有一系列如下槽口的光谱梳状滤光片：其透射与右眼光源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)。光谱梳状滤光片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片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片以用作为二向色表面84的另一类型的二向色滤光片是皱褶滤光片设计。皱褶滤光片是具有深的、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片。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片。皱褶滤光片特性与标准槽口滤光片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。
通过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方式的示例光谱相邻的光谱带。
表1.示例性交错的光谱相邻的光谱带
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.示例性非交错的光谱相邻的光谱带
分量颜色 右眼图像光谱带 左眼图像光谱带
红 625–640nm 655–670nm
绿 535–550nm 505–520nm
蓝 442–456nm 470–484nm
图11A示出了根据表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，光谱带根据各种光谱带的中心波长来遵守交错排序：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，带宽被限定为在光谱带的下边缘(即，“前进边缘”(cut-on edge))与光谱带的上边缘(即，“截止边缘”(cut-off edge))之间的波长间距。在优选实施方式中，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电平的一半的波长。在其他实施方式中，可以根据其他准则来确定下边缘和上边缘。例如，这些边缘可以被定义为其中光谱功率下降到除了峰值电平的一半以外的特定电平(例如，10％功率电平或25％的功率电平)的波长。或者，可以使用对其他光谱带的宽度测量(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。各种实施方式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，在各种实施方式中，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示出了根据表2的布置的用于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错的排序，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他目的，这在随后将更详细地描述。
应注意，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色域的差异。因此，包括白平衡和颜色校正变换的不同的颜色处理通常需要计算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个光发射器的亮度、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滤光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需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。可以通过应用颜色修正矩阵、或通过应用诸如三维查找表(3D LUT)的其他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/3D Switchable Color Display Apparatus with Narrow Band Emitters”的共同转让的美国专利申请公开No.2011/0285962中进行了描述。
滤光眼镜74(图5)中的右眼滤光片76R和左眼滤光片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示出了可以依照图11A中所示的交错光谱带布置而使用的右眼滤光片76R的右眼滤光片透射率78R和左眼滤光片76L的左眼滤光片透射率78L的示例。右眼滤光片透射率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，左眼滤光片透射率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，右眼滤光片透射率78R和左眼滤光片透射率78L两者都是“梳状(comb)滤光片”，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％)。
右眼滤光片76R和左眼滤光片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，这个值应当是80％或更高。为了防止不希望的串扰，右眼滤光片76R和左眼滤光片76L通常应当被设计成对来自相对的眼睛光谱带的少于5％的光进行透射。优选地，这个值应当小于2％，以保证串扰是基本上无法察觉到的。
图12B示出了可以根据图11B中所示的非交错光谱带布置使用的右眼滤光片76R的右眼滤光片透射率79R和左眼滤光片76L的左眼滤光片透射率79L的示例。与图12B中所示的布置相比，可以看到，图12A的布置中的滤光片的优点是需要较少的边缘过渡。特别地，右眼滤光片透射率78R和左眼滤光片透射率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之间不存在介于中间的左眼光谱带。同样地，在左眼蓝色光谱带B2与左眼绿色光谱带G2之间不存在介于中间的右眼光谱带。图12B的布置中的每个滤光片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的布置中的滤光片分别需要五个边缘过渡。通常，滤光片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)的滤光片的制造明显不很复杂，需要较少的滤光片层，并且因此比较便宜。这是个重要的优点，因为滤光眼镜74必须大量生产以供正在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)中的左眼滤光片76L和右眼滤光片76R。在一些实施方式中，左眼滤光片76L和右眼滤光片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片。多层薄膜涂层可以被设计成提供适当的滤光片透射率，诸如如图12A的右眼滤光片透射率78R和左眼滤光片透射率78L以及图12B的右眼滤光片透射率79R和左眼滤光片透射率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。
在其他实施方式中，左眼滤光片76L和右眼滤光片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片。用于制造这种结构的一种方法在Wheatley等人的题为“Optical film with sharpened bandedge”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所需的光学厚度。
串扰是发生在立体成像系统中的不期望的伪影，其中用于观看者的一只眼睛的图像内容被用于另一只眼睛的图像内容所污染。这会导致出现可察觉的“重像”，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。为了避免不希望的串扰，重要的是来自左眼光发射器12L的、由右眼滤光片76R透射的光量是来自右眼光发射器12R的、由右眼滤光片76R透射的光量的一小部分。同样地，来自右眼光发射器12R的、由左眼滤光片76L透射的光量是来自左眼光发射器12L的、由左眼滤光片76L透射的光量的一小部分。
图13示出了基于波长的立体成像系统中的串扰源。该图示出了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(close up)。示出了左眼滤光片透射率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片透射率79L透射。这个被透射的右眼光线将到达观看者的左眼，产生串扰并且导致模糊的重像。
各种度量可以用于表征串扰的量。一种此这样量由下述公式给出：
其中CR→L是来自污染左眼图像的右眼图像的串扰量，CL→R是来自污染右眼图像的左眼图像的串扰量，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片76L和右眼滤光片76R的光谱透射率，以及λ是波长。可以看出，由公式(1A)和公式(1B)给出的度量计算了通过滤光片的不期望的光量相对于通过滤光片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％，以避免不期望的伪像，并且优选地串扰的量应小于2％，以保证串扰基本上是不被察觉到的。
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、滤光片透射带的边缘过渡的锐度以及光发射器光谱带与滤光片透射带之间的对齐。由于滤光片透射带的边缘过渡的位置有时是入射角的函数(例如，对于二向色滤光片)，所以串扰的量可以是观看角度的函数。
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示出了右眼红色光谱带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片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他影响。
图14中示出了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片组、随着入射角而边缘过渡的位置变化。曲线图130示出了对于垂直入射光以及以20°的入射角入射的光的右眼滤光片的一对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片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示出了左眼滤光片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希望的串扰伪影。例如，Richards等人的题为“System for 3D Image Projection Systemsand Viewing”的美国专利申请公开No.2010/0060857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。
在优选实施方式中，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，这足以提供防止带给适当设计的滤光片串扰的基本保护。对于这个原因以及其他原因，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片技术来制造左眼滤光片76L和右眼滤光片76R。对于基于波长的立体成像系统特别感兴趣的一种光谱滤光片是使用薄膜二向色滤光片堆叠制成的二向色滤光片。二向色滤光片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近似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。在替选实施方式中，二向色滤光片堆叠层的一个或更多个层被沉积为纳米颗粒的溶液。当使用聚合物材料时，滤光片堆叠层的一个或更多个层可以由被挤压的材料形成。
二向色滤光片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片堆叠制造的滤光片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。这使得能够提供选择性地透射一组光谱带同时阻挡其他组光谱带的滤光片。
然而，对于立体成像应用不利的、二向色滤光片的一种特性是没有透射穿过滤光片的光被反射回滤光片。图15A示出了这种效果的不期望的效果。来自显示表面72的成像光被引向佩戴滤光眼镜74(图15A中未示出)的观察者，该滤光眼镜74包括设置在观察者的右眼194前面的右眼滤光片76R。在这种情况下，右眼滤光片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上的二向色滤光片堆叠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片76R作为右眼透射光198R，并且将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。这种反射光可以被散射在观察环境中四周并且可以污染所观看的图像作为将会透射穿过左眼滤光片76L(图5)进入观察者的左眼的“闪耀”光。闪耀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引导回显示屏幕或被引导到观看区域中的其他对象或结构，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耀光可以入射到右眼滤光片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片堆叠被反射并且被引导回右眼194作为左眼反射光187L。这个光的来源可以是反射离开由坐在观察者后方的其他观看者佩戴的滤光眼镜74的光，或者可以是可以反射离开其他表面的光。
图15A中未示出的左眼滤光片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示出了与图15A中所示的布置类似的布置，其中二向色滤光片堆叠是在衬底88的后表面66R上。尽管这个配置具有二向色滤光片堆叠86因为较少的暴露而较不可能通过划伤被损坏的优点，但是右眼滤光片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示出了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片透射率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，二向色滤光片透射率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是示出了根据作为波长的函数的右眼二向色滤光片透射率170R透射穿过右眼滤光片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是在观看的立体图像中的串扰源。
对于二向色滤光片，二向色滤光片反射率RD(λ)将约等于：
RD(λ)≈(1-TD(λ)) (2)
其中，TD(λ)是二向色滤光片透射率。图16C示出了与图16A的右眼二向色滤光片透射率对应的右眼二向色滤光片反射率171R。可以看出，右眼二向色滤光片反射率171R对左眼光谱带R2、G2、B2中的大部分光进行反射。
图16D是示出了根据作为波长的函数的右眼二向色滤光片透射率170R从右眼滤光片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耀的源。
在一些实施方式中，使用如图17A中所示的混合滤光片设计来减少不需要的反射光的问题。采用这个方法，右眼滤光片76R包括二向色滤光片堆叠86，以及至少一个可变波长吸收型滤光片层87二者。吸收型滤光片吸收特定波长处的一部分光，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片设计出的、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片。因此，吸收型滤光片通常不适合于提供基于波长的立体成像系统所需要的高度的颜色分离。然而，相对于纯的二向色光片的使用，发现了吸收型滤光片层与二向色滤光片层的组合提供显著的性能优点。
根据本发明的实施方式，二向色滤光片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，二向色滤光片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，吸收型滤光片层87被设计成对右眼光谱带中的较大的百分比的光进行透射。优选地，吸收型滤光片层87可以透射右眼光谱带中的大部分光，同时吸收右眼光谱带中的大部分光。
总的来说，混合右眼滤光片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％。吸收型滤光片层87的吸收特性使得从右眼滤光片76R反射的左眼入射光196L的量相对于仅使用二向色滤光片堆叠86的配置(例如，图15A至图15B中所示的配置)来说基本上减小。在优选实施方式中，右眼滤光片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，右眼滤光片76R应该吸收左眼入射光196L的大部分(例如，大于90％)。
在一些实施方式中，吸收型滤光片层87可以被涂覆在二向色滤光片堆叠86的顶部上。在其他实施方式中，可以通过将薄膜层或衬底掺杂来提供吸收型滤光片层87。
可用于提供吸收型滤光片层87的波长可变的吸收型材料包括相对窄带的吸收性染料和颜料，诸如可以从Exciton of Dayton Ohio获得的ABS 647和ABS658；可以从GentexCorp.of Simpson获得的Filtron A系列染料吸收剂和对比度增强槽口吸收剂、PA或其他分子化学物质。
根据本发明可以使用的其他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“New metamaterial proves to be a‘perfect’absorber of light”的文章(Science Daily，2008年5月29日)中进行了描述。类似地，例如通过使用以子波长尺度构建的常见的反射金属而产生的等离子体吸收剂在由Aydin等人的题为“Broadbandpolarization-independent resonant light absorption using ultrathin plasmonicsuper absorbers”的文章(Nature Communications，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他吸收剂结构，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“Photonic crystal enhanced light-trapping inthin film solar cells”的文章(Journal of Applied Physics，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。在一些实施方式中，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“No paint needed！Virus patterns producedazzling colour”的文章(New Scientist，18页，2011年10月29日)中进行了描述。
在一些实施方式中，可以使用多个吸收型滤光片层87。例如，各个吸收型滤光片层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，单个吸收型滤光片层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，二向色滤光片堆叠86位于衬底88的前表面66F上，而吸收型滤光片层87位于二向色滤光片堆叠86上。为了实现上述优点，吸收型滤光片层87必须位于光源(例如，显示表面72)与二向色滤光片堆叠86之间，以使得不需要的光在由二向色滤光片堆叠86反射之前被吸收。如图17B所示，吸收型滤光片层87和二向色滤光片堆叠86可以交替地位于其他布置中，只要吸收型滤光片层87和二向色滤光片堆叠86保持适当的相对位置即可。在这个示例中，二向色滤光片堆叠86位于后表面66R上同时吸收型滤光片层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，在由其他观看者佩戴的滤光眼镜反射后)入射到右眼滤光片76R的后表面66R上的左眼入射光186L的反射。这个光将在到达吸收型滤光片层87之前与二向色滤光片堆叠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分别示出了类似于图17A和图17B的布置，其中第二吸收型滤光片层87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。在这样的实施方式中，右眼滤光片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，右眼滤光片76R应该吸收左眼入射光186L的大部分(例如，大于90％)。
在其他实施方式中，层可以分布在其他布置中，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片堆叠86或吸收型滤光片层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。在一些实施方式中，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片叠层86的一部分。
图18示出了结合图16A的右眼二向色滤光片透射率170R、可以用于吸收型滤光片层87(图17A)的右眼吸收型滤光片透射率172R的示例。如果具有这些光谱性能的二色性滤光片堆叠86和吸收型滤光片层87用于图17A或图17B的混合滤光片布置中，则混合滤光片的组合透射率TH(λ)可以如下计算：
TH(λ)≈TD(λ)TA(λ) (3)
其中，TD(λ)是二向色滤光片透射率而TA(λ)是吸收型滤光片透射率。(这假定衬底透射率近似等于1.0。)混合滤光片的组合反射率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)是二向色滤光片反射率，借助于公式(2)，RD(λ)等于1-TD(λ)。这个公式基于下述假设：反射光被透射通过吸收型滤光片层87，由二向色滤光片堆叠86进行反射，并且然后第二次被透射通过吸收型滤光片层87。假设第一表面反射率可以忽略不计。
图19A示出了使用公式(3)根据图18中的光谱透射率所计算的右眼混合滤光片透射率173R。右眼混合滤光片透射率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，右眼混合滤光片透射率173R非常类似于右眼二向色滤光片透射率170R。
图19B是示出了根据作为波长的函数的右眼混合滤光片透射率173R透射通过右眼滤光片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倍。这种串扰的减少是混合滤光片方法的附加好处。
图19C示出了使用公式(4)所计算的右眼混合滤光片反射率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是示出了根据作为波长的函数的右眼混合滤光片反射率174R从右眼滤光片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12倍。这将提供反射离开滤光眼镜74的闪耀光的量的显著减少。
应注意，不论立体成像系统是使用交错的光谱带(如对于图12A和图19A至图19D所讨论的示例)还是使用非交错的光谱带(如图12B中所示的配置)，吸收型滤光片层87都可以用来补充由二向色滤光片堆叠86提供的光谱分离以形成混合滤光片。一般设计原理是，与针对特定眼睛的滤光片一起使用的吸收型滤光片层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，从由其他观看者佩戴的滤光眼镜74反射的“闪耀光”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示出了下述情况：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反射并且作为反射光235被引导至由前方观察者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片。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片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，那些光中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。虽然弯曲的滤光片比平坦的滤光片传播出更多这种光，但是很多光将仍然落在屏幕上。
图21A和图21B示出了根据本发明的实施方式的具有改进设计的滤光眼镜200，以减小由于从右眼滤光片76R和左眼滤光片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的立体图示出了下述滤光眼镜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，以使得反射光被引导远离显示表面72(图20A)，远离坐在滤光眼镜200的佩带者前方的其他观看者。包括轮缘215的框架210以相对于垂直方向成倾斜角θ设置右眼滤光片76R和左眼滤光片76L，以使得反射光被向上引导并且远离坐在滤光眼镜200的佩带者的前面的其他观看者。
对于常见的观看环境，倾斜角θ优选在约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方式，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，滤光片需要倾斜至约37度的倾斜角，以使得所有反射光被引导到显示表面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，对于其中左眼滤光片76L和右眼滤光片76R包括二向色滤光片堆叠的情况，滤光片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片设计，以提供期望的光谱透射率特性。
在一些实施方式中，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到达左眼滤光片76L和右眼滤光片76R的后表面。在优选实施方式中，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的形状而提供的。在图21C所示的替选实施方式中，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。
在所示的实施方式中，左眼滤光片76L和右眼滤光片76R的前表面和后表面被显示为基本平面，并且表现为平板。在其他实施方式中，左眼滤光片76L和右眼滤光片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示出了根据本发明的实施方式的由后方观察者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片76L和右眼滤光片76R，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的左眼滤光片76L和右眼滤光片76R反射时，所产生的反射光235被引导越过其他观察者(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被引导越过显示表面72的顶部，以使反射光235不给显示的图像增加闪耀光。
在本发明的替选实施方式中，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，示出了具有红色可调谐光发射器152r(诸如可调谐窄带固态激光器)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片组的其他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的配置还需要三个光束扫描仪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征是其可以用于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具有第一光谱带内两个或更多个不同峰值波长的光，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具有在与第一光谱带光谱相邻的第二光谱带内的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共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。在一些实施方式中，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“760kHz OCT scanning possible with MEMS-tunable VCSEL”的文章(Laser FocusWorld，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，以调节波长。
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“Wavelength bistability and switching in two-section quantum-dot diodelasers”的文章(IEEE Journal of Quantum Electronics,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。该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电平或电压电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-Tunable Light-Emitting Diodes”的文章(Advanced Materials,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方式详细描述了本发明，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，在各种实施方式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他组合光学器件被组合到同一光轴上的其他发射器件阵列。
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指引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，诸如可从Texas Instruments、Dallas、TX获得的数字光处理器(数字微型反射镜阵列类型)或液晶阵列。
在一些实施方式中，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，使用颜色滚动或一些其他资源共享方法(诸如根据定时模式交替地激活不同光谱带)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。
在一些实施方式中，附加的滤光片可以被设置在照明路径中以对来自一个或更多个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他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 光束扫描仪
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 左眼滤光片
76R 右眼滤光片
77B 带通滤光透射带
77E 边缘滤光透射带
78L 左眼滤光片透射率
78R 右眼滤光片透射率
79L 左眼滤光片透射率
79R 右眼滤光片透射率
80 控制系统
82 二向色组合器
84 二向色表面
86 二向色滤光片堆叠
87 吸收型滤光片层
88 衬底
90 照明光学器件
92 光束扫描光学器件
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 右眼二向色滤光片透射率
171R 右眼二向色滤光片反射率
172R 右眼吸收型滤光片透射率
173R 右眼混合滤光片透射率
174R 右眼混合滤光片反射率
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 (15)

1.一种用于观看立体图像的滤光眼镜，所述立体图像包括位于显示表面上的左眼图像和右眼图像，所述左眼图像是利用多个窄带左眼光谱带而形成的，所述右眼图像是利用对应的多个窄带右眼光谱带而形成的，所述左眼光谱带与对应的所述右眼光谱带是光谱相邻并且基本上不交叠的，所述滤光眼镜包括：
左眼滤光片，所述左眼滤光片包括：
左眼衬底，具有朝向所述显示表面的前表面和与所述前表面相对的后表面；以及
多个滤光片层，在所述左眼衬底的所述前表面或所述后表面之一或两者之上形成左眼二向色滤光片堆叠和左眼吸收滤光片；
所述左眼二向色滤光片堆叠对所述左眼光谱带中的60％或更多的光进行透射并且对所述右眼光谱带中的60％或更多的光进行反射；以及
所述左眼吸收滤光片具有一个或更多个左眼吸收型滤光片层，用于使所述左眼光谱带中的光以比所述右眼光谱带中的光更大的百分比透射；
其中，所述左眼滤光片对所述左眼光谱带中的50％或更多的光进行透射，并且所述右眼光谱带中的透射光的量小于所述左眼光谱带中的透射光的5％；
右眼滤光片，所述右眼滤光片包括：
右眼衬底，具有朝向所述显示表面的前表面和与所述前表面相对的后表面；以及
多个滤光片层，在所述右眼衬底的所述前表面或所述后表面之一或两者之上形成右眼二向色滤光片堆叠和右眼吸收滤光片；
所述右眼二向色滤光片堆叠对所述右眼光谱带中的60％或更多的光进行透射并且对所述左眼光谱带中的60％或更多的光进行反射；以及
所述右眼吸收滤光片具有一个或更多个右眼吸收型滤光片层，用于使所述右眼光谱带中的光以比所述左眼光谱带中的光更大的百分比透射；
其中，所述右眼滤光片对所述右眼光谱带中的50％或更多的光进行透射，并且所述左眼光谱带中的透射光的量小于所述右眼光谱带中的透射光的5％；
框架，所述右眼滤光片和所述左眼滤光片被安装到所述框架中，所述框架适于将所述右眼滤光片定位于观察者的右眼的前面并且将所述左眼滤光片定位于所述观察者的左眼的前面；
其中，至少一些所述左眼吸收型滤光片层被定位于所述左眼二向色滤光片堆叠与所述显示表面之间，以及其中，至少一些所述右眼吸收型滤光片层被定位于所述右眼二向色滤光片堆叠与所述显示表面之间。
2.根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述左眼滤光片对从所述显示表面的方向入射到所述左眼滤光片上的、所述右眼光谱带中的光的50％或更少进行反射，以及其中，所述右眼滤光片对从所述显示表面入射到所述右眼滤光片上的、所述左眼光谱带中的光的50％或更少进行反射。
3.根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，至少一些所述左眼吸收型滤光片层被定位于所述左眼二向色滤光片堆叠与所述观察者的左眼之间，以及其中，至少一些所述右眼吸收型滤光片层被定位于所述右眼二向色滤光片堆叠与所述观察者的右眼之间。
4.根据权利要求3所述的滤光眼镜，其中，所述左眼滤光片对从所述左眼滤光片的后面入射到所述左眼滤光片上的、所述右眼光谱带中的光的50％或更少进行反射，以及其中，所述右眼滤光片对从所述右眼滤光片的后面入射到所述右眼滤光片上的、所述光谱带中的光的50％或更少进行反射。
5.根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述左眼二向色滤光片堆叠位于所述左眼衬底的一侧上并且至少一些所述左眼吸收型滤光片层位于所述左眼衬底的另一侧上，以及其中，所述右眼二向色滤光片堆叠位于所述右眼衬底的一侧上并且至少一些所述右眼吸收型滤光片层位于所述右眼衬底的另一侧上。
6.根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述右眼滤光片的滤光片层和所述左眼滤光片的滤光片层还包括用于形成抗反射涂层的一个或更多个滤光片层。
7.根据权利要求6所述的滤光眼镜，其中，所述抗反射涂层被形成为对应的所述二向色滤光片堆叠的一部分。
8.根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述左眼二向色滤光片堆叠和所述右眼二向色滤光片堆叠包括真空沉积材料的层，所述真空沉积材料包括电介质、金属、金属氧化物或非金属氧化物、或者其组合。
9.根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，至少一个滤光片层被沉积为纳米颗粒的溶液。
10.根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述左眼二向色滤光片堆叠和所述右眼二向色滤光片堆叠是由挤压材料制造的。
11.根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述左眼吸收型滤光片层和所述右眼吸收型滤光片层之一或两者包括吸收性染料或吸收性颜料。
12.根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述左眼吸收型滤光片层和所述右眼吸收型滤光片层之一或两者包括超材料或光子晶体。
13.根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述左眼吸收型滤光片层和所述右眼吸收型滤光片层包括纳米颗粒。
14.根据权利要求13所述的滤光眼镜，其中，所述纳米颗粒包括病毒或蛋白质分子。
15.根据权利要求1所述的滤光眼镜，其中，所述左眼光谱带和所述右眼光谱带具有小于15nm的全宽半高带宽。
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