CN116569092A - 对空间光调制器进行激光扫描的图像投影仪 - Google Patents

Abstract

一种图像投影仪，采用激光扫描照明装置来对空间光调制器(SLM)进行照明，其中，与SLM相邻或在与SLM的共轭平面中的角光束扩展器元件，通常是漫射器或微透镜阵列(MLA)，增强了出射孔径的填充，同时使对SLM上激光照明的扫描精度的影响最小化。还公开了在扫描照明期间用于同步卷帘式更新SLM的各种方案，以及采用二进制可切换SLM的系统。

Description

对空间光调制器进行激光扫描的图像投影仪

技术领域

本发明涉及图像投影仪，并且特别地涉及具有用于对空间光调制器进行照明的各种配置的图像投影仪。

背景技术

已知，通过对诸如液晶显示器(liquid crystal display，LCD)、数字光处理(digital light processing，DLP)芯片或硅基液晶(liquid crystal on silicon，LCOS)调制器的空间光调制器(spatial light Modulator，SLM)进行照明并且投射图像以供用户观看来投射图像。这样的投影仪通常用于近眼式显示器，其中，通常将投射图像进行准直并且引入光导中，图像通过内反射沿光导传播，直到通常地由部分反射表面或者由衍射元件耦出至用户的眼睛，这可以有助于扩展将图像从其朝向眼睛投射的有效光学孔径。

现有公布WO 2019/111237 A1公开了一种投影仪，其中通过对跨LCOS调制器的照明源进行切换或扫描来顺序地执行SLM的照明。上述公布的图9A和图12B在此处复制为图1A和图1B，并且此处在括号中引用原始附图标记。激光器(10)透射由透镜(12)聚焦的光。会聚光束被扫描镜(14)反射到偏振分束器(PBS1)上。反射透镜(R1)还经由第二偏振分束器(PBS2)聚焦光束，以被聚焦在LCOS(20)上。反射光束被第三偏振分束器(PBS3)反射到准直反射透镜(22)上。然后，准直光束离开孔径(24)，该孔径也是进入波导的入射孔径。上述引用还公开了LCOS的激活可以与一行照明的线性扫描同步(图1B)。

发明内容

本发明是图像投影仪。

根据本发明的实施方式的教导，提供了一种用于经由出射光阑投射图像的图像投影仪，图像是输入数字图像的表示，图像投影仪包括：(a)空间光调制器(SLM)，其提供限定SLM分辨率的像素元件的二维阵列，像素元件中的每一个能够被控制成调制由像素元件透射或反射的光的属性；(b)扫描照明装置，其被部署成以二维扫描模式对跨空间光调制器的二维阵列的照明光束进行扫描，同时同步地调制照明光束的强度；(c)控制器，其与空间光调制器和扫描照明装置电子连接；以及(d)投影光学器件，其包括被配置成投射来自空间光调制器的照明以生成被引导至出射光阑的输出图像的至少一个光学元件，其中，控制器被配置成：(i)处理输入数字图像以生成第一修改图像，该第一修改图像基本上对应于输入数字图像的、分辨率在至少一个维度上小于SLM分辨率的降低分辨率版本；(ii)处理输入数字图像以生成第二修改图像，第二修改图像包括用于与输入数字图像中的高空间频率变化对应的SLM的像素元件的像素调制数据；(iii)根据第二修改图像的像素调制数据来激励SLM；以及(iv)驱动扫描照明装置在跨二维阵列扫描的同时调制照明光束的强度，以根据第一修改图像对SLM进行照明，SLM由此提供对照明的高空间频率调制，以投射具有与数字图像对应的像素强度的输出图像。

根据本发明的实施方式的另一特征，二维扫描模式具有与SLM的行对准的快方向和与SLM的列对准的慢方向，并且其中，随着在照明光束之前沿慢方向前进的像素行的卷帘式更新，SLM被激励。

根据本发明的实施方式的另一特征，控制器还被配置成：随着跟随在照明光束之后的像素行的卷帘式更新，向SLM的像素元件施加反向激励。

根据本发明的实施方式的另一特征，SLM是每个像素元件能够在亮状态与暗状态之间切换的铁电液晶显示器。

根据本发明的实施方式的另一特征，控制器被配置成：应用至少一个标准以确定在输出图像的对应子场中生成高分辨率输出所需的SLM的子区域，控制器被配置成：激励SLM的子区域，同时使子区域外部的多个像素元件不被激励。

根据本发明的实施方式的另一特征，像素元件在未被激励时呈现亮状态，并且其中，控制器被配置成：驱动扫描照明装置在扫描SLM的子区域的内部和外部两者时调制照明光束的强度。

根据本发明的实施方式的另一特征，至少一个标准包括：确定输入数字图像的包含高空间频率内容的区域。

根据本发明的实施方式的另一特征，至少一个标准包括：确定输出图像的、与观看者的眼睛的当前注视方向对应的子场。

根据本发明的实施方式的另一特征，控制器被配置成驱动扫描照明装置仅对SLM的子区域进行照明。

根据本发明的实施方式的另一特征，还提供了角光束扩展器，其被部署成与SLM相邻。

根据本发明的实施方式的另一特征，还提供了微透镜阵列(micro-lens array，MLA)，其被部署成非聚焦地接近SLM。

根据本发明的实施方式的另一特征，MLA针对SLM的每像素元件包括一个透镜，每个透镜与对应的像素元件对准。

根据本发明的实施方式的另一特征，MLA附着至SLM的表面。

根据本发明的实施方式的另一特征，MLA与覆盖SLM的透明基板集成。

根据本发明的实施方式的另一特征，MLA与SLM成面对关系，并且其中，基板提供与MLA背离的平坦表面。

根据本发明的实施方式的另一特征，MLA由具有第一折射率的材料形成，并且其中，透明粘合剂填充MLA与SLM之间的空间，透明粘合剂具有与第一折射率不同的第二折射率。

根据本发明的实施方式的另一特征，基板是跨SLM延伸的场透镜的一部分。

根据本发明的实施方式的另一特征，场透镜被实现为双合透镜，该双合透镜呈现与SLM背离的平坦表面。

根据本发明的实施方式的另一特征，还提供了：(a)具有正光学功率的中间光学装置，其部署在SLM与准直装置之间的光学路径中，中间光学装置将来自SLM的照明重新聚焦在图像平面处；以及(b)角光束扩展器，其部署在图像平面处，其中，投影光学器件被部署成投射来自图像平面的照明，以生成被引导至出射光阑的输出图像。

根据本发明的实施方式的另一特征，还提供了：(a)角光束扩展器，其部署在照明图像平面处，扫描照明装置被配置成在照明图像平面处生成经调制的扫描照明模式；以及(b)具有正光学功率的中间光学装置，其部署在照明图像平面与SLM之间的光学路径中，中间光学装置将来自照明图像平面的照明重新聚焦在SLM处。

根据本发明的实施方式的另一特征，角光束扩展器是微透镜阵列。

根据本发明的实施方式的教导，还提供了一种用于经由出射光阑投射图像的图像投影仪，图像是输入数字图像的表示，图像投影仪包括：(a)空间光调制器(SLM)，其提供以行和列布置的像素元件的二维阵列，像素元件中的每一个能够被控制成调制由像素元件透射或反射的光的属性；(b)扫描照明装置，其被部署成以二维扫描模式对跨空间光调制器的二维阵列的照明光束进行扫描，同时同步地调制照明光束的强度，二维扫描模式具有与行对准的快方向和与列对准的慢方向；(c)控制器，其与空间光调制器和扫描照明装置电子连接；以及(d)投影光学器件，其包括被配置成投射来自空间光调制器的照明以生成被引导至出射光阑的输出图像的至少一个光学元件，其中，控制器被配置成：(i)利用对沿所述扫描模式的慢方向前进的像素行的像素数据的卷帘式更新来激励SLM；(ii)驱动所述扫描照明装置对在像素数据的所述卷帘式更新之后在所述慢方向上前进的像素行进行照明；以及(iii)随着跟随在所述照明光束之后的像素行的卷帘式更新，向所述SLM的像素元件施加反向激励。

根据本发明的实施方式的教导，还提供了一种用于经由出射光阑投射图像的图像投影仪，图像是输入数字图像的表示，图像投影仪包括：(a)空间光调制器(SLM)，其提供像素元件的二维阵列，像素元件中的每一个能够被控制成调制由像素元件透射或反射的光的属性；(b)扫描照明装置，其被部署成以二维扫描模式对跨空间光调制器的二维阵列的照明光束进行扫描，同时同步地调制照明光束的强度；(c)控制器，其与空间光调制器和扫描照明装置电子连接；以及(d)投影光学器件，其包括被配置成投射来自空间光调制器的照明以生成被引导至出射光阑的输出图像的至少一个光学元件，其中，控制器被配置成：(i)应用至少一个标准以确定在输出图像的对应子场中生成输出所需的SLM的子区域，控制器被配置成：激励SLM的子区域，同时使子区域外部的多个像素元件不被激励；以及(ii)驱动扫描照明装置对SLM的至少该子区域进行照明，以将具有与数字图像对应的像素强度的输出图像投射到至少对应子场中，该像素强度由像素元件的调制状态和落在像素元件上的来自扫描照明装置的照明的强度确定。

根据本发明的实施方式的另一特征，像素元件在未被激励时呈现亮状态，并且其中，控制器被配置成：驱动扫描照明装置在扫描SLM的子区域的内部和外部两者时调制照明光束的强度。

根据本发明的实施方式的另一特征，至少一个标准包括：确定输入数字图像的包含高空间频率内容的区域。

根据本发明的实施方式的另一特征，至少一个标准包括：确定输出图像的、与观看者的眼睛的当前注视方向对应的子场。

根据本发明的实施方式的另一特征，控制器被配置成驱动扫描照明装置仅对SLM的子区域进行照明。

根据本发明的实施方式的教导，还提供了一种与来自激光光源的扫描定向照明一起使用的图像生成组件，该图像生成组件包括：(a)空间光调制器(SLM)，其提供像素元件的二维阵列，像素元件中的每一个能够被控制成调制由像素元件透射或反射的光的属性；以及(b)角光束扩展器，其被部署成与SLM相邻。

根据本发明的实施方式的另一特征，SLM是反射式空间光调制器。

根据本发明的实施方式的另一特征，角光束扩展器是微透镜阵列(MLA)，MLA被部署成非聚焦地接近SLM。

根据本发明的实施方式的另一特征，MLA针对SLM的每像素元件包括一个透镜，每个透镜与对应的像素元件对准。

根据本发明的实施方式的另一特征，MLA附着至SLM的表面。

根据本发明的实施方式的另一特征，MLA与覆盖SLM的透明基板集成。

根据本发明的实施方式的另一特征，MLA与SLM成面对关系，并且其中，基板提供与MLA背离的平坦表面。

根据本发明的实施方式的另一特征，MLA由具有第一折射率的材料形成，并且其中，透明粘合剂填充MLA与SLM之间的空间，透明粘合剂具有与第一折射率不同的第二折射率。

根据本发明的实施方式的另一特征，基板是跨SLM延伸的场透镜的一部分。

根据本发明的实施方式的另一特征，场透镜被实现为双合透镜，该双合透镜呈现与SLM背离的平坦表面。

附图说明

本文中参照附图仅以示例方式描述了本发明，在附图中：

以上引用的图1A和图1B分别对应于现有公布WO 2019/111237 A1的图9A和图12B；

图2A是根据本发明的实施方式的教导构造和操作的图像投影仪的示意图，其在空间光调制器(SLM)之前的共轭焦平面中采用角光束扩展器；

图2B是根据本发明的另一实施方式的教导构造和操作的图像投影仪的示意图，其在SLM之后的共轭焦平面中采用角光束扩展器；

图3是根据本发明的另一实施方式的教导构造和操作的图像投影仪的示意图，其采用与SLM相邻的角光束扩展器；

图4A是图3的布置的紧凑型实现方式的示意性侧视图，其采用偏振分束器棱镜；

图4B是示出了从SLM向前通过光学系统的多个光线路径的与图4A类似的局部视图；

图5A是示出作为微透镜阵列(MLA)实现的角光束扩展器对从反射式SLM的表面反射的入射光的光线路径的影响的放大示意侧视图；

图5B是示出了入射照明和反射照明的总角度包络的、与图5A类似的视图；

图6A至图6G是与反射式SLM相邻的MLA的替选实现方式的示意图，其中MLA分别：在相邻基板的外侧上、在相邻基板的内侧上、以每像素元件一个微透镜直接施加至SLM的表面、以每个微透镜与多于一个像素元件交叠来直接施加至SLM的表面、用非折射率匹配的粘合剂接合至SLM、与场透镜集成以及用负光学功率实现；

图7是更详细地示出了SLM的实现方式的与图6C类似的示意图；

图8是与图7类似的示意图，但是示出了具有透射式SLM的应用；

图9A是示出根据本发明的实现方式的SLM像素状态的卷帘式更新随后是二维照明扫描模式的进展的示意图；

图9B是示出作为自激励起的时间的函数的LCD像素对比度的示意图；

图9C是示出用于图9A的实现方式的照明扫描镜在线性扫描方向上的角位移的示意图；

图10A和图10B是示出根据本发明的双向扫描实现方式的、SLM像素状态的卷帘式更新随后是二维照明扫描模式的进展的两个阶段的示意图；

图10C是示出用于图10A和图10B的实现方式的照明扫描镜在线性扫描方向上的角位移的示意图；

图11A至图11C是对于变型实现方式的、分别与图10A至图10C类似的视图，其中在第一方向上的照明扫描期间执行多像素更新，并且在不更新的情况下执行反向扫描；

图12A至图12D是与图11A和图11B类似的视图，示出了针对在两个分开的半部中更新的SLM的四个连续的操作阶段；

图13A是示出根据本发明的方面的数据加载、激励、像素的对比度响应、照明和反向激励的给定像素元件的时间关系的示意图；

图13B是用于实现图13A的序列的跨SLM的像素元件的卷帘式更新、扫描照明和复位的示意图；

图13C是示出了替选、简化的实现方式的与图13B类似的视图；

图14A是沿像素行的期望像素图像输出和可由扫描照明装置实现的对应照明模式的示意图；

图14B是根据本发明的方面的用于实现期望像素图像输出的像素激活模式的示意图，其中，SLM在某些区域中被选择性地激励，而在其他区域中不被激励(或以零信号激励)；

图14C是通过将图14A的照明模式与图14B的像素激励模式组合而生成的对应图像输出的示例；

图15A是具有每个RGB颜色的处于并排关系的两个光束的多光束激光扫描阵列的示意图；

图15B示出了可以通过改变给定颜色的两个激光器之间的平衡来实现的光学强度的总体分布；

图15C示出了可以如何使用该效果来提供对照明扫描模式中的线性扫描的改进的接近；

图16是示出根据本发明的另一方面的用于驱动扫描照明装置和SLM激励生成输出图像的两个并行图像处理过程的贡献的流程图；

图17A和图17B分别示出了可以由激光扫描器单独实现的和由二进制模式的SLM的操作增强的、随沿着像素行的距离的图像输出强度变化；

图17C和图17D分别是与图17A和图17B类似的视图，示出了加宽扫描照明模式的效果；

图18示出了该过程，示出了输入数字图像、对应的激光照明图像以及当激光照明图像被SLM调制时的输出；

图19A是示出跨SLM矩阵扫描的不同颜色的空间变化的示意图(同时对于每次扫描将矩阵设置为不同的分布)；

图19B是与图9A类似的示意图，示出了具有卷帘式激励的二维扫描的应用，其中激光器同时扫描具有不同颜色的分离的线，同时用对应颜色的适当二进制图像同步地更新像素值；

图19C和图19D示出了与图18类似的颜色图像的激光照明的示例，分别示出了利用和不利用二进制SLM像素矩阵的调制；

图20A和图20B示出了使用具有不同SLM像素激励模式的连续扫描以实现使用二进制可切换像素阵列的像素分辨率表观灰度图像变化，其中图20A示出了三次连续扫描的像素模式，并且图20B示出了整体感知的图像强度；以及

图20C和图20D是分别与图20A和图20B类似的视图，其中不同像素激励模式和不同照明强度的组合用于仅在两个连续扫描中实现与图20B类似的结果。

具体实施方式

本发明是图像投影仪及其部件和操作模式。

参照附图和所附说明书，可以更好地理解根据本发明的图像投影仪的原理和操作。

通过介绍的方式，本发明涉及图像投影仪的各个方面，其中一个或更多个激光器用于提供空间光调制器(SLM)的扫描照明。可以将本文中描述的主题细分为本发明的多个方面，每个方面自身独立存在，但是它们最优选地用于组合地有优势。

本发明的第一方面涉及通过采用与SLM相邻或在与SLM的共轭平面中的各种角光束扩展器元件，通常是漫射器或微透镜阵列(MLA)，以及图像投影仪设备的对应结构特征来增强图像投影仪的出射孔径上的图像均匀性。

本发明的另一方面涉及具有新颖方法的图像投影仪，该方法协同采用SLM和扫描激光照明以生成高质量的投影图像，并且在一些情况下，该图像投影仪适合于与每像素仅具有两个亮度级的二进制可切换SLM一起使用。

本发明的再一方面涉及用于SLM和扫描照明系统的同步操作的各种改进技术。本发明的这些和其他方面将从以下描述中变得更加清楚。

本发明的各个方面在具有对投射图像进行准直的投影光学器件的图像投影仪的环境中呈现。这样的实现方式特别适合于图像投影仪，该图像投影仪将准直图像引入到光导光学元件(light-guide optical element，LOE，替选地称为波导)中，该光导光学元件具有两个主平行外表面，以用于通过全内反射将图像传送至用户的前方，其中，图像朝向用户的眼睛耦出，这在虚拟现实和增强现实显示系统中是常见的。作为本发明的优选实施方式的这样的系统通常采用与波导主表面或衍射光学元件成斜角的部分反射内表面的布置，以将图像照明朝向用户的眼睛渐进地耦出。这样的布置在本领域中是公知的，并且从许多来源可商购获得，因此在此处将不再进一步详细描述。然而，应当注意，本发明不限于基于波导的显示器，并且可以利用投影光学器件的替选设计来实现，例如，对于一系列不同的应用，具有有限焦距的投影光学器件，包括但不限于：基于非波导的虚拟现实显示器，以及用于将图像投射到表面上以用于背投影或正投影到屏幕上的投影仪。

本发明的各个方面还可以应用于采用宽范围的不同类型的空间光调制器(SLM)的设备，包括诸如液晶显示器(LCD)的透射式SLM和诸如数字光处理(DLP)芯片或硅基液晶(LCOS)调制器的反射式SLM。在通过偏振的改变来进行调制的LCD和LCOS实现方式中，光学装置隐含地包括各种偏振器以及/或者从要从图像排除的照明中选择图像照明所需的其他元件。这些部件是这样的图像生成装置的标准特征，并且即使在未明确地描述时也被理解为存在。在本文中将配置示出为单芯片实现方式，其可以是单色显示器，或者可以使用通过三种不同颜色的照明来生成彩色输出图像(顺序地或并行地，如下文在某些实现方式中将讨论的)。然而，应当注意，也可以使用本发明的各个方面来实现基于三芯片架构的彩色显示器，如对于本领域普通技术人员来说将是清楚的。

现在转向本发明的第一方面，使用激光照明的扫描光束来对SLM进行照明提供了许多优点(例如以下描述的那些)，但是对于实现出射孔径的均匀填充提出了挑战。具体地，扫描激光照明通常是高度定向的，而SLM的属性对于透射式SLM通常是非色散的并且对于反射式SLM主要是镜面反射的。因此，通常由具有相对窄的入射角范围的光束对SLM的每个区域照明，并且朝向投影光学器件传播的调制光束因此通常也将覆盖对应的相对窄的角度范围，潜在地引起出射孔径的仅部分填充。另一方面，如果激光照明在光源处或在扫描光学器件中广泛地传播，则这将破坏精确地控制SLM上的照明模式的能力。

为了解决该问题，本发明提供了用于实现与SLM相邻或在与SLM的共轭平面中的角光束扩展器元件(通常是漫射器或微透镜阵列(MLA))的各种解决方案，从而实现出射孔径的有效填充，同时使对SLM上的激光照明的扫描精度的影响最小化。

现在转到图2A，其示出了根据本发明的实施方式构造和操作的用于经由出射光阑(出射曈)24投射图像的图像投影仪，图像是输入数字图像的表示。一般而言，图像投影仪包括空间光调制器(SLM)20，该空间光调制器(SLM)20提供像素元件的二维阵列，像素元件中的每一个能够被控制成调制由像素元件透射或反射的光的属性。为了简化示意图，此处以透射式SLM几何结构示出SLM 20，但是光学等效系统可以采用反射式SLM。

扫描照明装置被部署成以二维扫描模式对跨空间光调制器的二维阵列的照明光束进行扫描，同时同步地调制照明光束的强度。在结构上，扫描照明装置优选地包括：一个或更多个激光器10，最优选地，一组至少三种不同颜色的激光器，并且在一些优选的情况下，包括用于三种颜色中的每一种的两个激光器的六个激光器的阵列；光束成形光学器件12；以及扫描机构14，扫描机构14通常包括：两个快速扫描镜，其被驱动以用于绕两个正交轴旋转，或单个双轴镜，所有这些都具有合适的致动器和驱动器电路，如本领域中已知的。此处仅示意性地示出了扫描照明装置的主要子部件，而结构细节对于本领域普通技术人员来说将是清楚的。

控制器15与SLM 20和扫描照明装置(激光器10和扫描机构14)电子连接。控制器15通常包括一个或更多个处理器、数据存储部件和输入/输出部件，其足以执行本文中描述的用于以下的各种功能：接收输入数字图像(例如，视频图像序列)并且同步地激励SLM和扫描照明装置，以生成作为输入数字图像的期望视觉表示的投影图像。控制器15可以被细分为多个不同的子控制器，多个不同的子控制器可以被容纳在一起或者可以被分开地定位，并且在一些情况下，可以从设备远程地执行控制器15的处理中的至少一些，例如通过对经由联网通信提供给设备的视频信号进行预处理。控制器15的所有这样的实现方式对于本领域普通技术人员来说将是清楚的。在此处省略了控制器部件的细节以简化本发明的呈现，但是对于本领域普通技术人员来说从以下呈现的对其功能的描述中将是清楚的。在以下大多数附图中省略了控制器15以简化呈现，但是应当理解为控制器15存在于每个实施方式中。

还提供了投影光学器件22，其提供了被配置成投射来自空间光调制器的照明以生成引导至出射光阑24的输出图像的至少一个光学元件。在此处，将光学元件示意性地示出为单个折射透镜，但是可以采用反射光学部件、附加或复合折射部件或其任意组合来等同地实现。在此处示意性示出的实现方式中，投影光学器件是输出准直图像的准直光学器件，其中由具有对应角方向的准直光束传送图像的每个像素，该准直光束适合于输入到用于增强现实显示器的波导。如上所述，例如，具有在给定距离处聚焦的会聚投影图像的其他实现方式也落入本发明的范围内。

到目前为止所描述的系统特征在很大程度上对以下描述的本发明的所有实施方式是通用的，并且除非另有说明，否则应当被认为适用于所有实施方式。

在此处示出的特别优选的非限制性实施方式中，图像投影仪还包括角光束扩展器16，该角光束扩展器16被部署在扫描激光照明所聚焦的照明图像平面处。因此，扫描照明装置在该照明图像平面处生成经调制的扫描照明模式，落在角光束扩展器16上。来自该照明图像平面的光由具有正光学功率的中间光学装置18再聚焦，该中间光学装置18部署在照明图像平面与SLM 20之间的光路中，使得落在来自照明图像平面的光在SLM 20处再聚焦。角光束扩展器可以是漫射器，但最优选地是微透镜阵列(MLA)。

MLA或漫射器的功能由图2A中的虚线箭头与实线箭头之间的差异示出。虚线箭头描述了在没有MLA的情况下的激光束传播，其中在出射孔径24处的照明使相对窄的光束变窄，从而引起进入波导和来自波导的非均匀图像投射。实线箭头示出了来自MLA的增大的发散，该增大的发散又引起出射孔径24的更宽和完全的照明，从而跨孔径提供更均匀的图像输出。

角光束扩散器可以是以最小横向位移分散光束的任何光学元件，例如漫射器或微透镜。优选地，光分散在角度上被限制在预定的角度范围内，使得在孔径24外部损失最少的光。

在该配置中，为了跨所有扫描角度优化图像质量、光效率和图像均匀性，优选的是满足以下条件中的一个或两个。在一些情况下，可以引入附加的光学元件以帮助满足这些条件。

1.MLA或其他角光束扩展器16所在的平面应当成像在SLM 20的平面上。这确保了由MLA实现的光束扩展使由扫描照明装置生成的照明扫描模式基本上不失真。

2.扫描机构14优选地位于成像在出口孔径24上的平面处，从而确保来自扫描装置的源照明被有效地引导以到达出射孔径。

在图2A中由标识共轭焦平面的对应双端箭头示意性地表示这两个条件。

在替选实施方式中，可以通过交换角光束扩展器16和SLM 20的位置来修改图2A的光学装置。在这种情况下，扫描照明装置用相对窄的照明光束直接对SLM 20照明，并且来自SLM的调制光被中间光学装置18重新聚焦在部署有角光束扩展器16的图像平面处。投影光学器件22被部署成投射来自图像平面(即，落在角光束扩展器16上)的照明，以生成引导至出射光阑24的输出图像。

在图2B中示出了该替选实施方式的实现方式，还示出了使用反射式SLM 20的实现方式，并且其中反射式光学器件用于中间光学装置18，而折射式光学器件用于投影光学器件22。

来自激光器10的光被透镜12准直并且被一个或多个快速扫描镜14扫描到图像生成器20上。从20反射的调制光被引导至聚焦反射透镜18上，该聚焦反射透镜18将光束重新聚焦到MLA16上。然后，图像中针对每个点的角扩展光束被投影光学器件22聚焦并且被引导至出射孔径24。从扫描装置到SLM 20和从反射透镜18到MLA16的光路在偏振分束器(PBS)21中采用反射，而来自SLM 20的调制图像照明穿过PBS 21。(在此处和整个文件中，应当理解，无论在何处描述PBS配置，都提供波片以在PBS处提供所描述的反射或透射序列，如本领域的标准实践。这些元件是隐含的，并且在本文中不再描述)。该配置为LCOS光学器件提供了特别紧凑的配置。

对于投影光学器件，使用反射式中间光学器件随后使用折射式光学器件被认为是特别有利的，因为这两种类型的光学器件往往生成相反的场曲率，其因此往往交叠，从而在整个场上给出的更好聚焦的图像。可选地，MLA16可以有利地被弯曲以匹配中间图像平面处的场曲率。在此处示意性地示出为单个透镜的折射式光学器件优选地被实现为被配置成减小色差和/或其他像差的双透镜组或其他多元件透镜系统，如本领域中已知的。

与图1A的实施方式相比，在该实施方式中，图像生成器(在该情况下是LCOS 20)被较少的发散光束照明，从而使其图像调制更高效。此外，在该配置中，PBS 21小并且位于远离出射曈24，从而使系统更符合人体工程学。应当注意，部分反射和部分折射的混合光学器件也可以用于图1A的光学配置的实现方式中，其中反射式MLA16将代替LCOS 20，并且LCOS20将放置在针对MLA16示出的位置中，要么实现为透射式SLM，要么在投影光学器件的折射式光学装置之前采用另一PBS棱镜(未示出)以允许使用反射式SLM。

现在转到图3，作为对图2A和图2B的选项的更紧凑的替选方案，代替将角光束扩展器定位在与SLM平面共轭的平面中，替选实施方式采用被部署成与SLM本身相邻的角光束扩展器。在图3中示意性地示出了该构思的示例，并且在图4A和图4B中以采用反射式光学器件和PBS棱镜的示例性实现方式适应性地示出该构思的示例。

参照图3，其示出了与SLM 20相邻放置的角光束扩展器，例如MLA16。MLA 16可以放置在透射式SLM 20的前面、后面或两侧。在反射式SLM的情况下，相邻的MLA将在反射之前和反射之后使光折射两次。明显的是，在该配置中，光学装置大幅地被简化，而不需要中间光学器件18以及相关联的对准和机械结构。

如前所述，优选的是实现将扫描镜14的平面成像到出射孔径24上。这可以可选地借助于场透镜30A和/或场透镜30B来促进。

图4A示出了具有反射式SLM(LCOS 20)的图3中的配置的光学实现方式。来自激光器10的光被曲面反射器12R(相当于透镜12)反射和聚焦。可选地，可以添加透镜34以改进扫描器14到出射孔径24上的成像。由PBS 21以高度紧凑和高效的方式限定光路。包括288和286的双合透镜起到由图3的场透镜30A和30B所示的作用，但是在光被LCOS 20反射之前和反射之后，光穿过它们两次。MLA 16定位成与LCOS 20相邻，并且在光被LCOS 20反射之前和反射之后也作用在光上两次。

图4B仅示出了由扫描镜14的不同位置生成的在跨LCOS的不同位置处反射的来自LCOS的色散光束。LCOS上的每个位置生成由MLA16扩展的一组发散光束，该一组发散光束被投影光学器件22准直，产生用于每个图像点的一组平行光束，使得用于每个图像点的光束填充出射孔径24，并且全部朝向该孔径会聚，从而指示扫描器14平面到出射孔径24平面上的良好成像。

在此处所示的特别优选的实现方式中，投影光学器件22被实现为双合反射透镜，该双合反射透镜包括：反射部件291和一个或更多个折射部件293，其具有被配置成在LCOS20上生成平场(焦平面)的组合的折射和反射光学功率。

如上所述，任何上述配置中的角光束扩展器可以实现为漫射器。在使用漫射器的情况下，最优选的是结构化漫射器，其被设计成将入射光漫射成预定的角度分布，以避免散射到较高角度的光的显著浪费，该较高角度将对图像投射没有贡献，并且会生成噪声。可选地，例如可以选择非圆形分布，例如矩形。具有不同形式的角度分布的一系列结构化漫射器可以从诸如可从RPC Photonics(纽约，美国)获得的工程漫射器(ENGINEERED DIFFUSERS^TM)系列漫射器的各种来源商购获得。

在许多情况下，微透镜阵列被认为在与SLM结合使用时提供特别的优点。图5A至图8示出了关于与SLM相邻的MLA的组合的各个方面和选项。

图5A示出了将微透镜264的矩阵与具有有源反射式像素元件262的LCOS 260进行组合的示例。微透镜264有利地位于尽可能靠近有源像素。微透镜可以是凸的或凹的。微透镜264与像素262之间的距离应当基本上不同于微透镜的焦距(优选地，小于焦距)，在本文中称为与像素元件的“非聚焦接近”。这确保反射光束将具有比入射光束更宽的发散。各种射线路径被示为266和268。因此，入射光束的发散270小于反射光束的发散272。在图5B中，示意性地示出了照明的入射光束274，而反射的宽光束276具有较宽的发散。

为了保持良好的图像分辨率，微透镜264与有源像素262之间的距离应当在投影光学器件22的焦深内。图6A示出了部署在像素矩阵(如图5A中的)上的基板外侧上的微透镜，而图6B示出了优选的替选方案，其中，微透镜在面向像素元件的基板表面上，因此更靠近像素元件。该配置还具有以下优点：提供平坦的面向外的基板表面，这有助于组件与诸如PBS棱镜的其他光学元件的并置。

图6C示出了直接在SLM芯片表面上的微透镜的实现方式，从而实现可忽略的图像劣化。在某些情况下，SLM芯片可以具有比给定应用所需的更高分辨率，在这种情况下，可以用比矩阵像素大的微透镜来实现微透镜阵列，如图6D所示。另一方面，优选地通过采用针对SLM的每像素元件具有一个透镜的MLA来实现最大分辨率，每个透镜与对应的像素元件对准。

通过折射率变化实现MLA也可以实现光束扩展。GRIN(渐变折射率)透镜阵列可从各种供应商获得，并且可以作为窗口附接至LCOS基板。图6E示出了另一替选方案，其中具有微透镜264的基板280通过胶介质284附接至LCOS 260的表面，该胶介质284具有与微透镜264的折射率不同的折射率。该示例提供了结构完整性和组装的简单性，相对于SLM固定MLA并且提供了平坦的面向外的表面。

图6F示出了图6E的变型，其中基板是跨SLM延伸的场透镜的一部分。在此处所示的示例中，场透镜是具有部件286和288的双合透镜，从而引入光学功率，如上面图4A所示。最优选地，透镜的最外侧部分提供了平坦的面向外的表面，以简化光学系统中的组件。

图6G示出了其中每个微透镜具有负光学功率的等效色散MLA。优选地，在SLM的有源像素元件之间具有最小间隙的情况下使用该配置，从而使光的损失最小化。

相反地，对于每个微透镜使用具有正光学功率的MLA可以有助于SLM设计的修改以减少像素之间的串扰。图7示出了LCOS SLM结构的更详细的图，其中304是硅基平面，306是像素电极，并且307和308是对准层。层308还包括上电极。液晶是309。外部窗口310支承MLA312(其可以基于折射、衍射、渐变折射率或其他元件并且根据图6A至图6C、图6E或图6F所示的结构中的任何来实现)。在该配置中，由于微透镜312的存在，每个像素元件的较小区域被照明。这允许电极306间隔开，以防止交叉场相互作用(也称为“边缘场效应”)。由于非聚焦的MLA312的实现方式，该电极间隔是可能的。

抑制“边缘场效应”有助于“垂直对准模式”(VA)SLM结构的实现方式，该SLM结构具有优异的对比度，否则将遭受高的“边缘场效应”。使用VA配置，大的电极间隔能够实现具有最小“边缘场效应”的高对比度。

图8示出了在透射式LCD的两侧上实现相同的非聚焦MLA以实现透射效率的等同实现方式。在一些实现方式中，仅在透射式LCD的一侧上实现MLA可能就足够了。

现在转向本发明的另一方面，其涉及用于SLM和二维扫描照明系统的同步操作的各种改进技术。扫描照明装置14通常具有以例如约10kHz振荡的快速扫描轴(也称为“谐振轴”)，以及通常以几百Hz振荡的较慢的正交轴(也称为“线性轴”)。图9A中的示意性描述示出了SLM 20的平面的示例。通过示例的方式，考虑SLM 20的具有1000×1000的像素并且以100Hz的帧速率操作的图像生成矩阵，每个颜色帧由三个颜色的分离帧组成，由红、绿和蓝(RGB)照明顺序地照明，以形成以100Hz更新的彩色图像的视觉感知。在该示例中，矩阵(例如，LCOS)调制帧速率应当为300Hz。该速率由线性镜振荡速率控制，而谐振镜生成比线性扫描快得多的横向扫描。

假设谐振镜以10KHz振荡，则光斑120的宽度(图9A中的竖直)应当为：

300Hz×1000[线/帧]/10KHz＝30[线/光斑]

光学扫描轨迹121具有的每帧扫描(限定一个方向作为扫描)为：

1000[线/帧]/30[线/光斑]＝33[横向扫描/帧]

对激光功率进行调制以照明所需的模式。调制速度确定光斑大小的长度(图9A中的水平)。在图9A中，假设快速调制，产生具有比率为30：1的椭圆形的光斑120，其中在谐振轴扫描方向上实现单个像素调制。

该2D激光扫描速度能够适用于最简单的序列，包括：将图像加载到LCOS上，并且之后在LCOS上仅扫描调制激光。

更优选地，以卷帘式(rolling)模式将图像加载到LCOS上，其中与照明扫描同步地逐行地依次加载到行的数据。图9A将刚加载的行122示出为虚线，其中行加载的进展表示为粗箭头。行加载在保留间隔124的情况下在扫描进展之前前进。该间隔被选择为适应假设在接收到像素数据时立即执行切换液晶的情况下液晶分子对其自身重定向的响应时间。图9B示出了由液晶像素实现的作为自激励起的时间的函数的对比度。晶体分子旋转到其最佳取向所需的时间使得不可能在像素激活后立即照明。因此，间隔124被选择为对应于足以进行分子重定向的时间差125。通过在像素驱动122(当它向下行进时)与照明扫描模式121(当它也向下前进时)之间形成宽的间隙124，液晶分子具有更多的时间125以对其自身重定向。

假设只能在一个方向上执行卷帘式加载过程，则线性扫描器将以图9C所示的锯齿分布操作。扫描的线性部分用于帧的激光照明，而在这些扫略之间，扫描器在没有照明的情况下执行回溯，以开始照明用于下一帧的矩阵的起始。

可以用具有不同数据加载模式的宽范围SLM图像生成器来实现这种卷帘快门方法。作为另一示例，图10A和图10B示出了双向执行像素卷帘式加载的替选方案。因此，同样双向地执行线性扫描，首先是向下扫略(图10A)，并且然后是向上扫略(图10B)，其中整个扫描运动如图10C的曲线所示，其中在两个方向上扫描的同时激光照明被激励。可以通过以不同的序列(例如从线的相对侧的不同的线路)加载每条线或者通过由不同的线路(线路间)激活每条第二线来实现两个方向的卷帘式加载。

图11A至图11C示出了另一变型，其中像素数据到SLM的卷帘式加载122a在照明扫描模式120之前执行(如前文)，并且附加地在122b处在照明扫描已经通过之后执行。因此，当线性扫描模式跨SLM向上往回扫描时(图11B)，像素元件已经加载了适当的图像。在该往回扫描期间，从利用图像数据激励像素直到照明扫描到达这些像素所经过的时间对于每行是不同的。为了解决该问题，如图11C所示，在正向扫描与反向扫描之间可能需要引入一些延迟，从而为液晶分子以正确的取向重新排列提供更多的时间。

为了减小反向扫描对比度变化，正向卷帘式加载可以是瞬时的，即，一旦其数据被加载，就激励每行(但是在加载之后在照明到达每行之前保持恒定余量124)，而对于往回扫描，全局触发器同时激活矩阵的全部，而与它被加载的顺序无关。这将生成跨矩阵的减小的时间变化。

图12示出了分割的LCOS矩阵，其中每一半的卷帘式加载处于相反的方向。这两个部分被示出为由点划线分开。在图12A中，向下执行扫描，其中122a1是向下卷帘式加载的瞬时激活，即，每行在加载之后被激励。因此，这些像素的对比度是均匀的，具有恒定的时间差125。扫描之后的卷帘式加载122b1可以是瞬时激活或上方部分的扫描之后的全局。图12B示出了通过下方部分的连续照明扫描，该下方部分先前由122b2加载和激活，如此处所示。

在图12C中，用与图12A中相同的卷帘式加载(表示为122a2和122b2)执行向上扫描。图12D再次示出了等同于图12B的光学扫描，其中图像已经由122b1加载，并且时间间隔足够长到在该部分中实现稳定且均匀的对比度。

激光扫描之后的部分(122b1和122b2)的激活可以是瞬时的(逐行)或触发的全局激活。

现在转到本发明的某些优选实现方式的特别优选的特征，为了不累积电容(因为恒定电场可能不利地影响液晶材料的属性)，优选地在照明周期之间使施加到每个像素的电压反向。通过将该反向激励与卷帘快门激励方案组合，有可能实现比其他可能方式更快的切换和更快的帧速率。

对于这样的实现方式，显示控制器15(在图2A中示出并且在整个说明书中隐含)优选地被配置成：

(i)利用对沿扫描模式的慢方向前进的像素行的像素数据的卷帘式更新来激励SLM；

(ii)驱动扫描照明装置对在像素数据的卷帘式更新之后在慢方向上前进的像素行进行照明；以及

(iii)随着跟随在照明光束之后的像素行的卷帘式更新，向SLM的像素元件施加反向激励。

图13A至图13C示意性地示出了根据本发明的该方面的优选操作序列。图13A示出了跨给定像素的时间序列。起初(时间段146)，根据所需的像素图像对像素电容器充电。然后在像素上激活激励电压148A，使得液晶根据对比度响应分布150A(根据SLM设计，对比度响应分布150A可以通过偏振旋转来透射该像素的状态(使该像素的状态亮)或阻挡该像素的状态(使该像素的状态暗))进行响应。在该时间段，像素被照明(照明强度152)，在像素被照明之后(或期间)，像素上的电压停止并且LCD开始衰减150B。此时施加负电压148B(在148A与148B之间有或没有间隙)，并且液晶衰减到零对比度响应。

图13B示出了与跨LCOS的矩阵118的空间进展相同的过程，其中子控制器152控制激活的线和施加至该线的电压，而子控制器154驱动所选择的行的信息(对像素的电容充电)。此处，线156A表示当前正在像素电容器中加载数据的行(在图13A中表示为像素周期的时间146)。区域158A表示当前提供有正向电压的区域(像素周期时间段148A)，并且区域160表示在照明扫描120已经对特定区域照明之后激活的反向电压(像素周期时间段148B)。加载156B和下一帧158B的激活可以在160之后立即开始，从而给予液晶更多的时间来对下一帧响应。该配置适合于包括每扫描帧多加载的激励方案(例如图11A的示例中)。

在图13C中描述了类似但较慢的过程。此处161表示在扫描照明120通过LCOS之前LCOS的长激活，并且157是在反向电压160之后的加载。该配置适合于每帧单次扫描(如图10A中)。

在图像平面上的照明是可控的并且可以被选择性地施加的事实有助于通过激活较少的像素降低附加的操作模式LCOS功耗。例如，当没有电压施加至像素时，在混合模式扭曲向列(MTN)配置中操作的LCOS通常是断开的(亮的)。阻挡像素(使像素变暗)需要功率。这通常使得图像具有相对少量的亮像素，并且大部分的图像是暗的(例如在增强现实应用中是常见的)，这高度消耗能量。

图14A示出了对应于图像平面中的暗像素行中的单个亮像素230的、沿图像的像素行的期望图像强度分布。叠加在期望强度分布上的是用于在图像平面处(分布232)跨LCOS扫描的激光照明光斑(固定的)的强度分布。生成期望的图像强度分布的常规方法是激励该行中的所有像素，以将它们转向阻挡(暗)像素，从而消耗大量能量。

作为根据本发明的方面的替选方法，图14B示出了基于MTN的LCOS的像素行的激励的优选形式。适当位置234处的像素被设置为断开，而需要为暗的区域中与所需像素相邻并且在激光照明光斑分布236的覆盖区内的像素被设置为尽可能地阻挡光。这些激活的暗像素236消耗系统功率。位于区域238中远离期望亮像素的像素未被激活，因此保持“亮”而不消耗能量。然而，与像素区域238对应的输出图像的区域将保持暗，因为当扫描照明系统在该区域中时控制器不激励激光照明。因此，暗区域保持暗，但同时将不消耗电力，因为这些LCOS像素未被激活。可选地，为了部分功率节省，区域240中的像素可以仅被部分阻挡，因为该区域中的光功率低，并且甚至部分像素阻挡将使该区域中的输出照明强度低于可观察水平。

为了获得高对比度，必须充分地衰减图像的暗区段处的光。生成高对比度LCOS像素需要留下相对长的响应时间，这会减慢性能。然而，由于选择性地激活照明，所以LCOS的较低对比度由于最终的图像对比度(考虑未被照明的暗区段)是高的而是可接受的。因此，LCOS中的液晶取向可以有利地设置为最大速度而不是最大对比度(本领域已知的实践)。这可能引起区段236具有一些残余透射率，其在照明之后将给出在像素230的每一侧上具有残余余量242的输出照明强度分布，如图14C中所示。

上述用于显示具有暗区域的部分图像的操作模式是仅部分地激励SLM的操作模式的一个示例。本发明提供了SLM的激励仅在像素阵列的一个或更多个子区域上的许多其他有用的操作模式，这将在下面进一步讨论。

由叠加在较快振荡上的较慢线性运动生成的镜14的扫描模式通常产生跨LCOS(图像平面)218的非线性且不平行于像素行的扫描路径。出于各种原因，可能优选的是至少部分地对扫描轨迹的该非线性和/或角间距进行补偿，例如使得时间间隙125(图像间隔124)跨扫描线保持更恒定，从而引起液晶(图9B或图13A中的150)沿线的更均匀的响应分布。图15A至图15C示出了用于减轻使照明扫描线性化的这种效应的一种方法。

图15A示出了两个红色(R1和R2)、两个绿色(G1和G2)和两个红色(R1和R2)六个激光器的光斑模式。图15B示出了实现绿色激光器(为清楚起见，仅示出了绿色)，其中光斑被散焦264成较大的光斑(在此处示出为细长)。绘图266示出了仅激光器G1分布，268示出了G1和G2有效的光斑，并且270示出了仅G2有效。明显的是，激光器(G1和G2或更多个成行的激光器，如果存在的话)之间的切换使照明模式的质心移动。图15C示出了使扫描模式线性化的这种属性的实现方式。272和274表示G1和G2的散焦光斑。模式扫描276表示由镜14的双轴运动生成的非线性扫描模式。线278表示将与矩阵118的卷帘式加载线256平行的期望线性水平照明线。通过在G1与G2之间切换照明来近似照明的线性化。在扫描线276的开始处，下方激光器274被照明(示出为全椭圆)，而在扫描结束时，上方激光器272被激活，并且激光器之间的线性转换生成近似的校正线278。如果使用，在相反的扫描280上激活类似的激光器激活(但是相反的模式)。

其他扫描模式也是可能的，并且相同的激活有利地施加至红色和蓝色激光器。在所有以上内容中，如果矩阵包括颜色过滤像素，则可以同时激活所有激光器而不需要每种颜色的帧，因为每个像素将仅作用于对应的颜色。

所有以上内容可以施加至透明LCD，因为其物理属性与LCOS相同。

本发明的另一方面涉及具有新颖方法的图像投影仪，该方法协同采用SLM和扫描激光照明以生成高质量投影图像，并且在一些情况下，适合于与每像素仅具有两个亮度级的二进制可切换SLM一起使用。

具体地，根据本发明的某些特别优选的实现方式，控制器15(在图2A中示出并且在整个说明书中隐含)被配置成：

(i)处理输入数字图像以生成第一修改图像，该第一修改图像基本上对应于输入数字图像的、分辨率在至少一个维度上小于SLM分辨率的降低分辨率版本；

(ii)处理输入数字图像以生成第二修改图像，该第二修改图像包括用于与输入数字图像中的高空间频率变化对应的SLM的像素元件的像素调制数据；

(iii)根据第二修改图像的像素调制数据来激励SLM；以及

(iv)驱动扫描照明装置在跨二维阵列扫描的同时调制照明光束的强度，以根据第一修改图像对SLM进行照明，该SLM由此提供照明的高空间频率调制，以投射具有与数字图像对应的像素强度的输出图像。

换言之，扫描照明装置的调制强度用于生成期望数字图像的降低分辨率渲染，而SLM的较高分辨率用于“锐化”图像。该方法可应用于宽范围类型的SLM，但是在二进制激励SLM的情况下具有特别的吸引力，在二进制激励SLM中，每个像素元件可以在亮状态与暗状态之间切换，并且特别地，用于铁电液晶显示器。

在图16中示出了由控制器15实现的LCOS上扫描激光系统的图像处理的可能实现方式的示意图。“标称图像”(输入数字图像)被注入到激光器和LCOS两者的图像处理中。根据系统中的每一个不同地处理图像，并且将两个经处理的图像注入到它们的适当驱动器中。由激光器产生的光由激光驱动器调制，同时扫描镜跨图像场进行扫描。来自扫描器的光照明LCOS的、进一步调制图像以生成高分辨率图像的部分，该高分辨率图像被注入到光学组合器(波导)中或以其他方式被投影以供观看者观看。

用于增强现实近眼显示器的大多数应用需要高分辨率来呈现诸如字母、数字或标记的数据。这种类型的数据一般作为二进制图像呈现给观看者，其中以最小灰度级调制使像素开或关。

根据本发明的一个实施方式，通过将LCOS设置为以二进制模式激活像素来实现基本简化，其中像素是“断开”或“闭合”的。例如，铁电液晶可以用于这样的应用。根据系统的对比度要求，“闭合”位置可以是部分闭合的。此处，为了简单起见，“闭合”将被认为是指像素不表现出透明度。

图17A示出了以下示例：其中激光照明光斑大于像素大小(如前所述)，并且因此成圆角(实线)，并且不能生成还表示像素的边缘的尖锐边缘(虚线)。通过实现二进制LCOS，该照明近似于如图17B所示的期望照明。此处，在标称图像没有强度的位置，LCOS的像素被关闭。图17C示出了更大的激光光斑大小的示例，并且图17D示出了其中LCOS生成更尖锐的强度分布。

图18中示出了这种操作模式的示例。“数字图像”是注入到系统中的图像。它主要包括黑色像素、一些灰色和一些白色。字母的宽度是一个或两个像素。“激光照明图像”由具有三个像素宽度的高斯分布激光束生成。字母无法分开且无法观察到。在激活二进制LCOS之后，字母是可识别且可分离的。灰度几乎观察不到。

可以在用于颜色的顺序激光扫描照明中实现相同的二进制调制。图19A中的分布表示在根据每个扫描的对应颜色分隔帧合适地设置矩阵之后按次序施加的、沿矩阵的行的不同的颜色照明分布。

图19B示出了该方法可以被实现用于与图9A概念上类似的利用每个颜色的同步更新的二维扫描照明模式。在这种情况下，最优选地，使用具有可以同时且独立地操作的间隔开的RGB激光器的多激光器源，随着三个扫描同时在SLM上行进，可以利用像素的卷帘式重置以及将像素值卷帘式更新成下一种颜色所需的二进制像素值来跨SLM执行平行同步光栅扫描。通过同时利用所有三种颜色进行扫描，可以减慢线性扫描速度，由此在给定的整体帧速率下提高激光照明系统的有效分辨率。

图19C示出了具有与图18中相同参数的激光照明的示例，而图19D示出了在该照明被二进制矩阵调制之后的图像。

对于进一步的灰度分辨率，可以实现相同颜色的顺序扫描，如图20A至图20D所示。在图20A中，具有相同功率的三个单独的顺序照明被二进制调制，以被观察者感知为图20B的强度分布。图20C示出了不同功率的顺序照明以生成相同的分布，但是仅通过两次扫描。

应当注意的是，各种操作模式并不要求SLM的全部一直被激励。SLM的选择性和部分激励可以提供以下优点：节能(并且因此延长电池操作应用的电池寿命)、减少图像处理负担以及/或者可以有助于更快的帧速率。

因此，根据本发明的某些特别优选的实现方式，控制器15(在图2A中示出并且在整个说明书中隐含)被配置成：

(i)应用至少一个标准以确定在输出图像的对应子场中生成输出所需的SLM的子区域，控制器被配置成激励SLM的子区域，同时使子区域外部的多个像素元件不被激励；以及

(ii)驱动扫描照明装置对SLM的至少子区域进行照明，以将具有与数字图像对应的像素强度的输出图像投射到至少对应子场中，该像素强度由像素元件的调制状态和落在像素元件上的来自扫描照明装置的照明强度确定。

这样的应用的一个示例是当仅在图像平面的子区域中选择性地显示图像时，如以上参照图14A至图14C所描述的。在这种情况下，“标准”是所需图像仅具有子区域内的非零(或可见)值，并且扫描照明装置被激励以不在所需子区域的外部传递照明。

其他应用确实在激励区域的外部传递照明。这在像素元件在未被激励时呈现亮状态的情况下尤其相关。在这种情况下，控制器15被配置成：驱动扫描照明装置以调制照明光束的强度，同时扫描SLM的子区域的内部和外部。结果是其中SLM被激励的图像的子区域具有以下益处：增强的分辨率、清晰的边缘或者由SLM调制提供的其他高空间频率特征，而图像的其余区域受到用于形成图像的扫描照明系统的固有分辨率的限制。因此，结果可以被认为是“混合分辨率”图像。

为了继续其中SLM具有1000x1000像素并且扫描照明装置以10kHz的谐振扫描频率操作的应用的以上示例，如果帧速率降低到33Hz，则可以使用覆盖10行像素矩阵的激光光斑实现对每个颜色分离帧的覆盖。如果调制频率被相应地调整，激光扫描投影的原始分辨率将相当于SLM阵列的10x10像素区域。因此，如上所述，其中SLM未被激励的区域将以激光扫描仪分辨率投影，而其中SLM被激励的一个或多个子区域通过SLM调制得到增强。

多个不同的标准可以用作确定在图像的哪个(哪些)子区域内SLM应当被激励的基础。在第一示例中，至少一个标准包括：确定输入数字图像的包含高空间频率内容的区域。例如，如果图像包含具有文本内容的子区域和具有逐渐变化的特征的其他区域，则扫描激光投影仪的固有分辨率对于非文本内容可能是足够的，而可以在包含文本的区域中选择性地激励SLM以使文本内容清晰。

在另一示例中，至少一个标准可以包括：确定输出图像的、与观看者的眼睛的当前注视方向对应的子场(如由眼睛跟踪系统——未示出——确定的)。该方法依赖于人眼的外围视觉具有比中心(中心凹)区域低得多的分辨率的事实，使得眼睛对当前注视方向之外的图像分辨率的降低不敏感。因此，系统可以在当前注视方向周围的区域内选择性地激励SLM，以提供“全分辨率”投影图像，同时以固有扫描激光投影仪分辨率显示外围场。

应当理解，以上描述仅旨在用作示例，并且在所附权利要求书中限定的本发明的范围内，许多其他实施方式是可能的。

Claims (37)

1.一种图像投影仪，用于经由出射光阑投射图像，所述图像是输入数字图像的表示，所述图像投影仪包括：

(a)空间光调制器SLM，其提供限定SLM分辨率的像素元件的二维阵列，所述像素元件中的每一个能够被控制成调制由所述像素元件透射或反射的光的属性；

(b)扫描照明装置，其被部署成以二维扫描模式对跨所述空间光调制器的所述二维阵列的照明光束进行扫描，同时同步地调制所述照明光束的强度；

(c)控制器，其与所述空间光调制器和所述扫描照明装置电子连接；以及

(d)投影光学器件，其包括被配置成投射来自所述空间光调制器的照明以生成被引导至所述出射光阑的输出图像的至少一个光学元件，

其中，所述控制器被配置成：

(i)处理所述输入数字图像以生成第一修改图像，所述第一修改图像基本上对应于所述输入数字图像的、分辨率在至少一个维度上小于所述SLM分辨率的降低分辨率版本；

(ii)处理所述输入数字图像以生成第二修改图像，所述第二修改图像包括用于与所述输入数字图像中的高空间频率变化对应的所述SLM的像素元件的像素调制数据；

(iii)根据所述第二修改图像的像素调制数据来激励所述SLM；以及

(iv)驱动所述扫描照明装置在跨所述二维阵列扫描的同时调制所述照明光束的强度，以根据所述第一修改图像对所述SLM进行照明，所述SLM由此提供对所述照明的高空间频率调制，以投射具有与所述数字图像对应的像素强度的输出图像。

2.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述二维扫描模式具有与所述SLM的行对准的快方向和与所述SLM的列对准的慢方向，并且其中，随着在所述照明光束之前沿所述慢方向前进的像素行的卷帘式更新，所述SLM被激励。

3.根据权利要求2所述的图像投影仪，其中，所述控制器还被配置成：随着跟随在所述照明光束之后的像素行的卷帘式更新，向所述SLM的像素元件施加反向激励。

4.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述SLM是每个像素元件能够在亮状态与暗状态之间切换的铁电液晶显示器。

5.根据权利要求1所述的图像投影仪，其中，所述控制器被配置成：应用至少一个标准以确定在所述输出图像的对应子场中生成高分辨率输出所需的所述SLM的子区域，所述控制器被配置成：激励所述SLM的所述子区域，同时使所述子区域外部的多个像素元件不被激励。

6.根据权利要求5所述的图像投影仪，其中，所述像素元件在未被激励时呈现亮状态，并且其中，所述控制器被配置成驱动所述扫描照明装置在扫描所述SLM的所述子区域的内部和外部两者时调制所述照明光束的强度。

7.根据权利要求6所述的图像投影仪，其中，所述至少一个标准包括：确定所述输入数字图像的包含高空间频率内容的区域。

8.根据权利要求6所述的图像投影仪，其中，所述至少一个标准包括：确定所述输出图像的、与观看者的眼睛的当前注视方向对应的子场。

9.根据权利要求5所述的图像投影仪，其中，所述控制器被配置成驱动所述扫描照明装置仅对所述SLM的所述子区域进行照明。

10.根据权利要求1所述的图像投影仪，还包括角光束扩展器，所述角光束扩展器被部署成与所述SLM相邻。

11.根据权利要求1所述的图像投影仪，还包括微透镜阵列MLA，所述MIA被部署成非聚焦地接近所述SLM。

12.根据权利要求11所述的图像投影仪，其中，所述MLA针对所述SLM的每像素元件包括一个透镜，每个透镜与对应的像素元件对准。

13.根据权利要求11所述的图像投影仪，其中，所述MLA附着至所述SLM的表面。

14.根据权利要求11所述的图像投影仪，其中，所述MLA与覆盖所述SLM的透明基板集成。

15.根据权利要求14所述的图像投影仪，其中，所述MLA与所述SLM成面对关系，并且其中，所述基板提供与所述MLA背离的平坦表面。

16.根据权利要求15所述的图像投影仪，其中，所述MLA由具有第一折射率的材料形成，并且其中，透明粘合剂填充所述MLA与所述SLM之间的空间，所述透明粘合剂具有与所述第一折射率不同的第二折射率。

17.根据权利要求15所述的图像投影仪，其中，所述基板是跨所述SLM延伸的场透镜的一部分。

18.根据权利要求17所述的图像投影仪，其中，所述场透镜被实现为双合透镜，所述双合透镜呈现与所述SLM背离的平坦表面。

19.根据权利要求1所述的图像投影仪，还包括：

(a)具有正光学功率的中间光学装置，其部署在所述SLM与准直装置之间的光学路径中，所述中间光学装置将来自所述SLM的照明重新聚焦在图像平面处；以及

(b)角光束扩展器，其部署在所述图像平面处，

其中，所述投影光学器件被部署成投射来自所述图像平面的照明，以生成被引导至所述出射光阑的输出图像。

20.根据权利要求1所述的图像投影仪，还包括：

(a)角光束扩展器，其部署在照明图像平面处，所述扫描照明装置被配置成在所述照明图像平面处生成经调制的扫描照明模式；以及

(b)具有正光学功率的中间光学装置，其部署在所述照明图像平面与所述SLM之间的光学路径中，所述中间光学装置将来自所述照明图像平面的照明重新聚焦在所述SLM处。

21.根据权利要求19或20所述的图像投影仪，其中，所述角光束扩展器是微透镜阵列。

22.一种图像投影仪，用于经由出射光阑投射图像，所述图像是输入数字图像的表示，所述图像投影仪包括：

(a)空间光调制器SLM，其提供以行和列布置的像素元件的二维阵列，所述像素元件中的每一个能够被控制成调制由所述像素元件透射或反射的光的属性；

(b)扫描照明装置，其被部署成以二维扫描模式对跨所述空间光调制器的所述二维阵列的照明光束进行扫描，同时同步地调制所述照明光束的强度，所述二维扫描模式具有与所述行对准的快方向和与所述列对准的慢方向；

(c)控制器，其与所述空间光调制器和所述扫描照明装置电子连接；以及

(d)投影光学器件，其包括被配置成投射来自所述空间光调制器的照明以生成被引导至所述出射光阑的输出图像的至少一个光学元件，

其中，所述控制器被配置成：

(i)利用对沿所述扫描模式的慢方向前进的像素行的像素数据的卷帘式更新来激励所述SLM；

(ii)驱动所述扫描照明装置对在像素数据的所述卷帘式更新之后在所述慢方向上前进的像素行进行照明；以及

(iii)随着跟随在所述照明光束之后的像素行的卷帘式更新，向所述SLM的像素元件施加反向激励。

23.一种图像投影仪，用于经由出射光阑投射图像，所述图像是输入数字图像的表示，所述图像投影仪包括：

(a)空间光调制器SLM，其提供像素元件的二维阵列，所述像素元件中的每一个能够被控制成调制由所述像素元件透射或反射的光的属性；

(b)扫描照明装置，其被部署成以二维扫描模式对跨所述空间光调制器的所述二维阵列的照明光束进行扫描，同时同步地调制所述照明光束的强度；

(c)控制器，其与所述空间光调制器和所述扫描照明装置电子连接；以及

(d)投影光学器件，其包括被配置成投射来自所述空间光调制器的照明以生成被引导至所述出射光阑的输出图像的至少一个光学元件，

其中，所述控制器被配置成：

(i)应用至少一个标准以确定在所述输出图像的对应子场中生成输出所需的所述SLM的子区域，所述控制器被配置成：激励所述SLM的所述子区域，同时使所述子区域外部的多个像素元件不被激励；以及

(ii)驱动所述扫描照明装置对所述SLM的至少所述子区域进行照明，以将具有与所述数字图像对应的像素强度的输出图像投射到至少所述对应子场中，所述像素强度由所述像素元件的调制状态和落在所述像素元件上的来自所述扫描照明装置的照明的强度确定。

24.根据权利要求23所述的图像投影仪，其中，所述像素元件在未被激励时呈现亮状态，并且其中，所述控制器被配置成驱动所述扫描照明装置在扫描所述SLM的所述子区域的内部和外部两者时调制所述照明光束的强度。

25.根据权利要求24所述的图像投影仪，其中，所述至少一个标准包括：确定所述输入数字图像的包含高空间频率内容的区域。

26.根据权利要求24所述的图像投影仪，其中，所述至少一个标准包括：确定所述输出图像的、与观看者的眼睛的当前注视方向对应的子场。

27.根据权利要求23所述的图像投影仪，其中，所述控制器被配置成驱动所述扫描照明装置仅对所述SLM的所述子区域进行照明。

28.一种图像生成组件，用于与来自激光光源的扫描定向照明一起使用，所述图像生成组件包括：

(a)空间光调制器SLM，其提供像素元件的二维阵列，所述像素元件中的每一个能够被控制成调制由所述像素元件透射或反射的光的属性；以及

(b)角光束扩展器，其被部署成与所述SLM相邻。

29.根据权利要求28所述的图像生成组件，其中，所述SLM是反射式空间光调制器。

30.根据权利要求28所述的图像生成组件，其中，所述角光束扩展器是微透镜阵列MLA，所述MLA被部署成非聚焦地接近所述SLM。

31.根据权利要求30所述的图像生成组件，其中，所述MLA针对所述SLM的每像素元件包括一个透镜，每个透镜与对应的像素元件对准。

32.根据权利要求30所述的图像生成组件，其中，所述MLA附着至所述SLM的表面。

33.根据权利要求30所述的图像生成组件，其中，所述MLA与覆盖所述SLM的透明基板集成。

34.根据权利要求30所述的图像生成组件，其中，所述MLA与所述SLM成面对关系，并且其中，所述基板提供与所述MLA背离的平坦表面。

35.根据权利要求34所述的图像生成组件，其中，所述MLA由具有第一折射率的材料形成，并且其中，透明粘合剂填充所述MLA与所述SLM之间的空间，所述透明粘合剂具有与所述第一折射率不同的第二折射率。

36.根据权利要求34所述的图像生成组件，其中，所述基板是跨所述SLM延伸的场透镜的一部分。

37.根据权利要求36所述的图像生成组件，其中，所述场透镜被实现为双合透镜，所述双合透镜呈现与所述SLM背离的平坦表面。