CN1971340A

CN1971340A - 真三维高清晰度显示方法和装置

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Publication number: CN1971340A
Application number: CN 200510095753
Authority: CN
Inventors: 耿征
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2005-11-21
Publication date: 2007-05-30

Abstract

真三维高清晰度显示方法，光源通过光学整直透镜投射到极性化分光器，极性化的光线被其反射，投射到空间光调制器(SLM)上；由控制计算机产生高速变换的图像流调制SLM，通过调制SLM上象素的开启和关闭，控制由其反射的光线，从而调制出高速变换的图像；投射到旋转螺旋面上的光束被螺旋面截获，螺旋面在旋转，旋转螺旋面符合专门的数学方程，在螺旋面旋转出的整个空间产生真三维体元分布；本发明提供了可以显示高清晰度三维图像的方法，可使三维图像体元个数达到数千万个，使此项技术达到实用化和产品化。从根本上更新了三维显示的概念，使被显示图像栩栩如生，提供了完备的心理和生理的三维感知信息。

Description

真三维高清晰度显示方法和装置

一、技术领域

本发明涉及真三维高清晰度显示的方法，以及实现这些方法的装置系统和技术。

二、背景技术

现有真三维显示技术综述，先对现有真三维显示技术做一简要综述。

(A)基于固体介质能量跃迁的真三维显示

从根本上讲，真三维显示技术是将大量的可以控制其亮度和色彩的体元分布在真正三维空间中，从而组成具有真正空间关系的三维图像。固体介质能量跃迁显示真三维图像的原理是将特定固体介质充满三维空间中的一块区域，然后有选择地激发体元组合，使其按要求发光，组成真三维体元阵列形成三维图像。为达到此目的，此技术用两束可独立控制的能量射线射入特定固体介质内，任何一根射线的能量不足以激发沿射线上的固体介质材料发生跃迁。但是在两束射线交叉之处聚集着高于跃迁能级的能量，从而使射线交叉点的材料发生能级跃迁(up-conversion)，导致该点发光。控制射线扫描方式便可控制两束射线交叉点在三维空间中的扫描方式，从而形成由三维体元点集组成的真三维图像。

美国专利US4,041476(Swainson，1977)和US5,684,621(Downing，1997)描述了基于固体介质能量跃迁的真三维显示技术的实现方法。这种方法用两只红外激光器扫描固体介质内的三维空间，使其焦点出的能量达到跃迁能级，光子发出可见萤光，随之释放能量进入低能级。

目前发现的固体介质是由玻璃中参杂稀土元素颗粒制成，称为ZBLAN。ZBLAN是一种荧光化玻璃，含有化学元素ZrF₁-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF，应而由他们的第一个字母组成这种材料的名称。

固体介质能量跃迁显示真三维图像的原理无需采用任何移动部件，应而具有非常高的发展潜力。困难之处在于如何产生出实际可用的高清晰度三维显示器和如何产生彩色显示。

(B)基于气体介质能量跃迁的真三维显示

另一种基于能量跃迁原理的三维显示方法是利用气体介质。两束激光相交在充满原子蒸汽的容器内。激光相交点产生可见的荧光点(美国专利US4881068，1989)。原子蒸汽可用Rubidium蒸汽。单束激光本身并不可见。当两束激光同时照射在同一气体原子上时，两级能量跃迁发生作用，形成可见荧光点。将两束激光同步扫描，可以在气体介质内逐一”画出”真三维图像的体元。当扫描速度高于每秒24帧时，人类肉眼即可感受到稳定的三维图像。

这种技术的优点在于它可以产生很大屏幕三维显示图像而无需增加系统的复杂性。在具体实现上的困难在于它需要一个大真空腔，并需要保持其温度，因而系统维护困难。三维图像的清晰度受到激光扫描速度的限制。激光束可能引起肉眼的伤害。

(C)旋转发光二极管阵列

早期开发的真三维显示技术采用将发光二极管密集安装在可旋转平板上。控制每一个发光二极管的发光时序并将其与平板的旋转位置同步，可以在旋转体内产生出三维图像。这一方法最初由Schipper提出(US3,097,261，1963)。在1979年，Berlin发展出一个新方法，用光导方法解决了向旋转面传输大量显示数据的问题，并用高速LED(Light Emitter Diode)阵列取代了原来用的发光二极管(US4,160,973，1979)。

这一方法采用LED阵列平板旋转出三维显示空间。三维图像的清晰度受到LED阵列密度的限制和LED开关时间的影响。

(D)阴极射线球

利用阴极射线球(Cathode Ray Sphere，简称CRS)来显示三维图像的概念最初由Ketchpel在1960年提出(US3,140,415，1960)。新西兰学者Blundell在1979年将此概念做了原理性实现(US5,703,606，1997)。这一方法将荧光物质镀在一个可旋转的屏幕上。将此可旋转屏幕置于真空容器内，再用电子射线束扫描处于真空中的可旋转的屏幕，产生可见光点。如果将电子射线束的扫描时序与屏幕的旋转同步，便可在屏幕的旋转区域内显示出真三维图像。

由这种方法生成的三维图像质量较差，受到玻璃容器壁的光线折射，及旋转屏幕透明度的影响。另外一个影响像质的因素是荧光发光物质的发光启动时间和余晖。

(E)高速变焦薄膜镜

Sher在1978年提出了另外一个显示真三维图像的方法，利用光学虚像原理(US4,130,832，1978)。这一方法利用柔性薄膜制成可变焦的光学镜面。将此薄膜镜附在类似于扬声器纸盆的装置上。扬声器纸盆装置由电子驱动控制其运动行程，导致柔性薄膜镜有规律形变，改变了它的光学焦距。将一高速平面显示器装在柔性薄膜镜附近，由此薄膜镜反射出来的显示图像看起来便像是处于三维空间的不同深度。

基于高速变焦薄膜镜的真三维显示方法已有原理实现，但其显示器尺寸受到柔性薄膜镜尺寸的限制。由于柔性薄膜镜需要机械驱动，其运动速度受到限制。

(F)激光扫描旋转螺旋面

德州仪器公司的研究人员对激光扫描旋转螺旋面产生真三维图像的技术进行了广泛的研究(US5,042,909，US5,162,787)。这种方法将一束激光扫描在一个可旋转的螺旋面上。螺旋面的反射可在三维空间中产生可见光点。激光器的开关时序和扫描方式与螺旋面的旋转位置同步，便可在三维空间中显示出真三维图像。

这种真三维显示方法有不少问题：最突出的问题是它的图像清晰度。由于激光扫描是顺序进行，在任何一个时刻只能显示出一个三维体元，因而在一个重复刷新时段内能够显示的体元数目有限制，否则体元的亮度和扫描器的速度都受到影响。低密度体元无法产生高清晰度图像。有人也提出用多束激光来提高图像清晰度的方案，但因成本太高，设计太复杂而无法实用。

综上所述，真三维显示技术一直是作为显示技术的最前沿课题受到广泛重视。但当前现有的真三维显示技术和专利无法满足市场对高清晰度真三维显示的要求。

三、发明内容

本发明目的是：提供一种(系列)真三维高清晰度显示的方法，以及实现这些方法的装置系统和技术。所谓”真三维显示”，是指被显示图像的每一个三维象素点(又称为”三维体元”或”体元”(voxel))都位于三维物理空间中的真实位置，每个体元的亮度和色彩可控，体元之间的相对空间位置关系被真实地体现在三维显示系统中，从而组成真正意义上的三维图像。

本发明目的是这样实现的：真三维高清晰度显示方法，光源通过光学整直透镜(Collimating lens)投射到极性化分光器，极性化的光线被其反射，投射到空间光调制器(SLM)上；由控制计算机产生高速变换的图像流调制SLM，通过调制SLM上象素的开启和关闭，可以控制由其反射的光线，从而调制出高速变换的图像；SLM上反射出的图像光束经由极性化分光器和一个光学透镜系统7投射到旋转螺旋面8上；投射到旋转螺旋面上的光束被螺旋面截获，在截获处形成可见光点；螺旋面在旋转，在不同时间投射出的光束被螺旋面在不同高度上截获；旋转螺旋面可以用以下数学方程来描述

；将SLM的调制时序与螺旋面的旋转位置同步，便可在螺旋面旋转出的整个空间产生真三维体元分布；SLM设置成分别投射三基色光或其补色，将全真色彩的被显示图像分解成三幅单基色的图像红、绿、蓝三原色或其补色，将这三个图像分别送到三套独立的SLM投影子系统上(50，51，52)，由这三套SLM独立进行图像调制，完成调制后的三个投影光束再由两个分色滤波片进行色彩合成，总光源是白光投影机，经由极性化分光器进行分光；

或采用三个可独立控制其时序的彩色光源与一个SLM的调制时序同步，利用分时的原理产生红绿蓝三色图像成分的顺序投影；所有三色光的光路在投影光学元件57上进行色彩合成，形成真三维显示图像。

调制SLM的图像流是由下述方法构成：将三维图像数据按照上述旋转螺旋面的形状进行切割分层，数据层是按照螺旋面在每一位置的空间形状来分布；真三维空间沿z轴方向有N层体元，将整个三维显示数据沿z轴切割成N片，每一片都具有螺旋面的形状；片与片之间相差360/N度空间旋转角；将原来显示整套L×M×N个三维体元的工作转换成为N个沿z轴两维投影，每个两维投影具有L×M分辨率；每个两维投影SLM的调制时序与螺旋面旋转位置同步，依次顺序进行，将所述两维投影用高速SLM来实现。

SLM的调制是利用线性脉冲宽度调制方法产生投影亮度的灰度级，其主时钟脉冲的时序式按二进制来排列。数字式亮度信号的最高位(MSB)被加载到内存单元上。每一个微镜维持MSB状态达到一个帧周期的一半时间，直到次高位信号被加载，每一个微镜维持次高位状态达到一个帧周期的4分之一时间，依此类推。每低一位，维持时间减办，直至最低位。由于帧周期时间非常短，快速开关的亮度信号会给肉眼感受到不同的亮度。这样，数字微镜装置便将接收到的描述灰度级信息的”电子语言”，将其转换成人眼可以看到的”光学语言”，让观察者感受到每一象素的亮度变化。

光源，数字微镜芯片，它的控制电路被集成在一个部件(1610)上，它投射出的图像经反射镜(1620)投向旋转螺旋面(1630)，形成三维显示区域(1650)，旋转螺旋面由一个驱动装置(1640)所带动。它的上面装有旋转位置传感器，其检测信号被用来同步控制板(1610)的调制时序。控制电脑(未画在图中)负责三维数据的预处理，传送，传感器信号检测，同步控制。

所述方法中，光源，数字微镜芯片，它的控制电路等被集成在一个部件上。它投射出的图像经反射镜投向旋转螺旋面(1630)，形成三维显示区域(1650)。旋转螺旋面由一个驱动装置(1640)所带动。它的上面装有旋转位置传感器，其检测信号被用来同步控制板(1610)的调制时序。控制电脑(未画在图中)负责三维数据的预处理，传送，传感器信号检测，同步控制。

根据上述方法的真三维高清晰度显示装置，包括光源、滤光片、光学整直透镜、空间光调制器(SLM)”、”旋转螺旋面”构成，光源经滤光片和光学整直透镜的光路投射到极性化分光器，极性化的光线被其反射，投射到空间光调制器(SLM)上；由控制计算机产生的原始图像的红绿蓝三色图像成分产生高速变换的图像流调制SLM，通过调制SLM上象素的开启和关闭，SLM上反射出的图像光束经由极性化分光器和一个光学透镜系统投射到三维成像装置，三维成像装置为旋转螺旋面8上；将SLM的调制时序与螺旋面的旋转位置同步，旋转螺旋面用上述方程来描述。

所述空间光调制器是铁电液晶阵列器件、垂直腔表面激发激光阵列器件(VCSEL)。采用”背面投影”式设计，光学投影系统将图像投射从与观察者观看方向相反的螺旋体表面上投入；螺旋体采用半透半反的半透明材料制成，所有元件均安置在旋转螺旋面下方，显示区域在顶部，

本发明设有三套独立的SLM分别投射三基色光或其补色，将全真色彩的被显示图像分解成三幅单基色的图像红、绿、蓝三原色或其补色，将这三个图像分别送到三套独立的SLM投影子系统上，与蓝光相对应的光束由”监光反射片”54反射至”蓝色SLM”的光路，经由蓝色SLM调制的图像信号再由蓝光反射片送至蓝光投影系统。类似地，与红光相对应的光束由”红光反射片”53反射至”红色SLM”的光路，经由红色SLM调制的图像信号再由红光反射片送至红光投影系统；余下来的光能被送至绿色SLM光路，由其调制产生绿光信号；所有三色光的光路在投影光学元件57上进行色彩合成，投向旋转螺旋面三维成像装置；光学位置传感器同轴安装在螺旋面的转轴上。

采用三个可独立控制其时序的彩色光源与一个SLM的调制时序同步，利用分时的原理产生红绿蓝三色图像成分的顺序投影；与蓝光相对应的光束由”蓝光反射片”54反射至”蓝色SLM”的光路，经由蓝色SLM调制的图像信号再由蓝光反射片送至蓝光投影系统；与红光相对应的光束由”红光反射片”53反射至”红色SLM”的光路，经由红色SLM调制的图像信号再由红光反射片送至红光投影系统；余下来的光能被送至绿色SLM光路，由其调制产生绿光信号；所有三色光的光路在投影光学元件57上进行色彩合成，形成真三维显示图像。激光，LED，白光投影器加滤色片。

采用高速切换的激光器为彩色光源，该光源的亮暗可以由激光控制器直接调制。或使用光学开关(shutter)68来控制各色彩光路光源的开启和关闭。三路彩色光经由光学反射镜和分光器63合成为一路光束，投向极性化分光器65。合成后的光束由SLM64进行调制；原始图像被分解成为三幅单色图像，在顺序送至SLM按照时序进行调制。采用分时方案，SLM的刷新速率需要比单独用与单色光路快三倍。调制后的光束经由投影光学元件67投至三维成像装置形成真三维显示图像。

所述空间光调制器(SLM)采用象素结构数字微镜芯片，它的象素由内存单元控制的单片集成电路构成，每一个数字微镜芯片象素的数字光交换包括一个铝制微镜(710)，根据下面的内存单元将光线反射到两个预定方向中的一个，取决于内存单元的状态。每一片微镜由两个薄片铰链支撑于内存单元之上。每一片微镜可以由内存单元两端的电压差所产生的电磁吸力来控制；镜面旋转角度由机械制动(720)为±10°，当内存单元在“开”的状态，镜面旋转到+10°，当内存单元在“关”的状态，镜面旋转到-10°。数字微镜的偏转角为正负10度以内，微镜阵列中每-个微镜可以分别进行控制。数字微镜象素利用微镜配置角来控制光的开关，微镜将入射光反射到投影透镜上(如果处于”开”状态)或反射到吸光区域(750)(如果处于”关”状态)。

SLM是基于数字微镜芯片的彩色投影装置，用一只或二只数字微镜芯片。白色光源(1310)经聚光镜(1320)将光学能量集中在一个旋转色轮上(1330)。这个色轮由红绿蓝(RGB)三个透色窗口组成，分别在不同时刻将红绿蓝光传递给透镜组合(1340)。；或由”红绿(Y)”和”红蓝(M)”两个透色窗口组成，分别在不同时刻将红绿和红蓝两种光传递给透镜组合；利用一个折射棱镜(1350)将光传递到数字微镜装置上(1360)，由数字微镜装置上的象素对光的明暗进行调制，形成投影图像；这一图像被反射到投影透镜(1370)上，投向三维显示屏幕。

本发明特点是：涉及的真三维显示技术与传统的二维平画显示系统(如电脑显示屏等)的不同之处在于它的”显示屏”不是平面，而是一块三维空间区域，所有三维象素点分布在真三维空间中。本发明与现有的三维立体显示技术(如立体电影等)的不同之处在于它无需借助于特殊眼镜或其他辅助装置才能使观看者感受到三维空间关系。观看者可以通过变换观察位置从不同角度看到被显示图像的不同侧面。多个观看者可以同时从不同角度观察同一被显示三维物体，如同观察真实的三维物体一样。本发明在真三维显示技术上的一项关键突破在于提供了可以显示高清晰度三维图像的方法，可使三维图像体元个数达到数千万个，从而可使此项技术达到实用化和产品化。本发明提出的一系列真三维高清晰度显示的方法，从根本上更新了三维显示的概念，使被显示图像栩栩如生，向观看者提供了完备的心理和生理的三维感知信息，为理解三维图像和其中物体之间的空间关系提供了独特的手段，因而具有极高的商业价值。

四、附图说明

图1.本发明展示真三维显示系统工作原理。

图2.本发明“正面投影”真三维显示系统工作原理。

图3.本发明“正面投影”与”背面投影”实现方案比较，3a正面投影3b背面投影

图4.本发明便携式真三维显示系统(背面投影式光学设计)

图5.本发明便携式真三维显示系统一种实现(应用高速SLM和旋转螺旋面)

图6.本发明基于VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)三维显示方案

图7.本发明色彩合成方案(单光源多SLM)

图8.本发明多色光源单SLM调制的彩色真三维显示方案

图9.本发明数字微镜芯片(DMD)的象素结构

图10.本发明数字微镜象素利用微镜配置角来控制光的开关

图11.本发明利用线性脉冲宽度调制方法产生投影亮度的灰度级

图12.本发明基于数字微镜芯片的彩色投影装置的光学设计

图13.本发明基于数字微镜芯片的彩色投影装置：实现方案1(用一只芯片)

图14.本发明基于数字微镜芯片的彩色投影装置：实现方案之2(用两只芯片)

图15.本发明基于数字微镜芯片的彩色投影装置：实现方案之3(用3只芯片)

图16.本发明基于数字微镜装置的真三维显示系统实现方案

图17.本发明真三维显示方法流程图

图18.本发明三维数据切片分层

图19.本发明实时真三维显示流程图

五、具体实施方式

图1展示了真三维显示系统的工作原理，系统由一个高速图像投影装置(100)和一个运动屏幕(110)组成。这个在三维空间中的运动屏幕(110)在不同z轴位置截获高速图像投影装置(100)投射的二维图像流，因而在不同Z-轴位置形成一系列图像。如果屏幕旋转的很快(比如刷新速率高于每秒24帧)，人的肉眼便会将这一系列二维图像合成，感觉到在三维空间中形成的真三维图像。

(1)实现方案1：基于”空间光调制器”和”旋转螺旋面”的真三维显示系统

图2所示为一种基于”空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)”和”旋转螺旋面”的真三维显示系统实现方案。如图一所示，光源1产生的光线通过紫外/红外衰减滤色片2和光学整直透镜(Collimating lens)3投射到极性化分光器(polarized beamsplitter)4上。由于极性化分光器的特性，极性化的光线被其反射，投射到空间光调制器(SLM)5上。控制计算机6产生高速变换的图像流调制SLM，当SLM上的象素被开启(On)时，通过该象素的光线便被反射回极性化分光器。当SLM上的象素被关闭(Off)时，通过该象素的光线便被SLM吸收。通过调制SLM上象素的开启和关闭，可以控制由其反射的光线，从而调制出高速变换的图像。目前比较先进的SLM的最高变换率可达到每秒7000帧。SLM上反射出的图像光束经由极性化分光器和一个光学透镜系统7投射到旋转螺旋面8上。投射到旋转螺旋面上的光束被螺旋面截获，在截获处形成可见光点。由于螺旋面在不停地旋转，在不同时间投射出的光束被螺旋面在不同高度上截获。旋转螺旋面可以用以下数学方程来描述

将SLM的调制时序与螺旋面的旋转位置同步，便可在螺旋面旋转出的整个空间产生真三维体元分布。如果螺旋面旋转速度足够快(大于20赫兹)，人类肉眼便可将其感受为连续显示的真三维图像。这样产生的真三维图像”漂浮”在三维空间中，观看者可以从不同角度观察图像的不同侧面，无需佩戴特殊眼镜，就像观察真的三维物体一样。

这种基于”空间光调制器”和”旋转螺旋面”的真三维显示系统实现方案具有如下优点：

·光学系统设计具有”并行投影系统”的优点，利用SLM可产生高速变换的两维数据投影流的优势，可以一次同时产生大量三维体元(高达1024×1024个体元，或更高，不像以激光扫描系统为代表的”串行投影系统”，一次只能产生一个体元。这种”并行投影系统”设计思想克服了制约产生高清晰度真三维显示的瓶颈。

·随着空间光调制器技术的迅速提高，图像分辨率愈来愈高，转换速度愈来愈快，一亿体元的真三维显示系统已切实可行。

·所提出的设计方案结构简单，易于实现，无需复杂的激光扫描机械装置和精细的同步控制。光学校准也比较容易。

·真三维图像就像真三维物体一样”漂浮”在三维空间中，观看者无需佩戴特殊眼镜便可从不同角度观察三维图像的不同侧面，因而为人类视觉系统提供了完备的生理和心理的感知条件。

·这里提出的设计和实现方案可以方便地扩充到全真彩色三维显示系统。可以采用三个SLM，分别投射红，绿，蓝三原色(或其他可以产生逼真颜色的色彩组合)，合成后的显示器便可产生全真彩色真三维显示。

(2)实现方案2：便携式真三维显示系统

从投影系统设计的角度来看，实现方案1所描述的系统属于”正面投影”式设计。光学投影系统将图像投射在与观察者观看方向相同的螺旋体表面上。正面投影”式设计使得光学系统和旋转螺旋体机械系统的工程实现比较容易，但确引起了不少其他设计问题：

(a)投影系统与旋转螺旋体系统难以整合成为一个合为一体的整体设计。

(b)观察者可能遮挡住投影光路，致使系统无法显示完整的真三维图像。

(c)系统维护困难。

这里提出的第二套实现方案可以有效地克服以上问题。这一发明采用”背面投影”式设计。如图3所示，光学投影系统将图像投射从与观察者观看方向相反的螺旋体表面上投入。螺旋体采用半透半反的半透明材料制成，投射率和反射率约为50％。正反两面均有可见光点。观察者可以从几乎任意角度看到优投射的光点形成的体元。

这样的实现方案的一大优点就是可以使整个真三维显示系统的设计合为一体，所有系统元件均可以安置在旋转螺旋面下方的机箱内(图4和图5)，显示区域在机箱顶部，形成便携式系统设计，大大地减轻了系统的运输和维护上的困难。

(3)实现方案3：利用垂直腔表面激发激光作为投影器

自从1989年以来，垂直腔表面激发激光(vertical cavity surface-emitting lasers，VCSELs)作为光学通讯和光学数据存储的关键技术获得迅速发展。垂直腔表面激发激光实际上就是将大量的垂直激发的微型激光器阵列集成在一块半导体材料上。控制调制电路可以对每一个微型激光器进行独立控制。他们的开关速率可以达到十亿赫兹(Giga Hz)。高密度VCSEL阵列(512下512)的制造已成为可能。这种高密度VCSEL阵列可以成为真三维显示的理想投影元件。

图6描述了一个利用VCSEL器件实现的真三维显示系统。VCSEL元件40上的每一个微型激光器都可以被以极高的开关速度进行独立控制。适用于“正面投影”或”背面投影”光学设计。在VCSEL元件的表面放上一层微型光学透镜阵列41，以调整微型激光器输出光的像质，每一微型透镜的光学中心轴与相应VCSEL元件的光轴一一对应。由VCSEL元件发出的光线被投射到旋转螺旋面42上。控制主机43对三维数据进行预处理和发送时序及亮度的控制，并与旋转螺旋面的动态位置进行同步。

高密度VCSEL的出现已使超高清晰度真三维显示的实现成为可能。VCSEL技术的进一步发展会导致多波长微型激光器的出现，为实现全真色彩的真三维显示提供了又一条可行的方案。

实现彩色真三维显示的方案

除去真三维显示系统的光学和结构设计，真三维显示技术的另一前沿方向就是发展真彩色显示能力。在此提出几种实现方案。

(1)彩色真三维显示方案1：三套独立的SLM分别投射三基色，产生真彩色显示

图7给出了一个利用三套独立的SLM分别投射三基色，产生真彩色显示的实现方案。首先将全真色彩的被显示图像分解成三幅单基色的图像(比如，红，绿，蓝三原色，或其补色)。将这三个图像分别送到三套独立的SLM投影子系统上(50，51，52)，由这三套SLM独立进行图像调制。完成调制后的三个投影光束再由两个分色滤波片(dichronic filters)53，54进行色彩合成总光源是白光投影机56，经由极性化分光器(polarized beam splitter cube)55进行分光。与蓝光相对应的光束由”蓝光反射片”54反射至”蓝色SLM”的光路，经由蓝色SLM调制的图像信号再由蓝光反射片送至蓝光投影系统。类似地，与红光相对应的光束由”红光反射片”53反射至”红色SLM”的光路，经由红色SLM调制的图像信号再由红光反射片送至红光投影系统。余下来的光能被送至绿色SLM光路，由其调制产生绿光信号。所有三色光的光路在投影光学元件57上进行色彩合成，投向三维成像装置(比如，旋转螺旋面)，形成真三维显示图像。

(2)彩色真三维显示方案2：三套独立的彩色光源，使用同一SLM分时产生三基色投影

另一种彩色真三维显示的实现方案是采用三个可独立控制其时序的彩色光源(例如红，绿，蓝)与一个SLM的调制时序同步，利用分时的原理产生红绿蓝三色图像成分的顺序投影。由于三色成分的切换速度很快，肉眼感觉不出色彩分离，从而产生真三维彩色显示。

如图8所示，我们采用三个独立的单色光源(激光，LED，白光投影器加滤色片等)产生红绿蓝三色投影。如果采用可高速切换的激光器，该光源的亮暗可以由激光控制器直接调制。如用其他无高速调制能量的光源器件，则可以使用光学开关(shutter)68来控制各色彩光路光源的开启和关闭。三路彩色光经由光学反射镜和分光器63合成为一路光束，投向极性化分光器65。合成后的光束由SLM64进行调制。

原始图像被分解成为三幅单色图像，在顺序送至SLM按照时序进行调制。由于采用分时方案，SLM的刷新速率需要比单独用与单色光路快三倍。调制后的光束经由投影光学元件67投至三维成像装置(比如，旋转螺旋面)，形成真三维显示图像。

(3)彩色真三维显示方案3：直接采用高速率高分辨率的彩色投影光源

如果采用高速率高分辨率的彩色投影光源，则可以直接利用其高速彩色投影功能，产生真三维彩色显示。我们提出了使用数字微镜芯片(DMD)来实现高速率高分辨率的彩色投影光源的方法。

图9展示了数字微镜芯片的典型象素结构，它的象素由内存单元控制的单片集成电路构成。如图9所示，每一个数字微镜芯片象素的数字光交换包括一个铝制微镜(710)，尺寸大约为13.7μm²，可以根据下面的内存单元将光线反射到两个预定方向中的一个，取决于内存单元的状态。每一片微镜由两个薄片铰链支撑于内存单元之上。每一片微镜可以由内存单元两端的电压差所产生的电磁吸力来控制。镜面旋转角度由机械制动(720)为±10°。当内存单元在“开”的状态，镜面旋转到+10°，当内存单元在“关”的状态，镜面旋转到-10°。不像传统的光学投影仪的照明和光学含有一个共同的光学轴线，数字微镜设备的光学轴线必须有一定角度，在示范中角度大约为20度。

数字微镜象素利用微镜配置角来控制光的开关，如图10所示。在配上合适的光源(730)和投影透镜(740)后，微镜将入射光反射到投影透镜上(如果处于”开”状态)或反射到吸光区域(750)(如果处于”关”状态)。由于微镜的偏转角为正负10度，如果将装置设计成投影透镜垂直于芯片表面(0度)，则吸光区域在于垂直轴成40度的角度。微镜阵列中每一个微镜可以分别进行控制。

数字微镜象素的结构设计的非常精巧，具有非常短的机械转换时间(大约为15μs)和光学转换时间(大约为2μs)。镜面的转换时间非常快，以至于可以用脉冲宽度调制(PWM)来实现图像的灰度级。图11展示了一个利用线性脉冲宽度调制方法产生投影亮度的灰度级的例子。其主时钟脉冲的时序式案二进制来排列。数字式亮度信号的最高位(MSB)被加载到内存单元上。每一个微镜维持MSB状态达到一个帧周期的一半时间，直到次高位信号被加载，每一个微镜维持次高位状态达到一个帧周期的4分之一时间，依此类推。每低一位，维持时间减办，直至最低位。由于帧周期时间非常短，快速开关的亮度信号会给肉眼感受到不同的亮度。这样，数字微镜装置便将接收到的描述灰度级信息的”电子语言”，将其转换成人眼可以看到的”光学语言”，让观察者感受到每一象素的亮度变化。

图12展示了一种基于数字微镜芯片的彩色投影装置的光学设计。投影装置包括光学系统元件(800)，灯泡(805)(例如UHP灯泡)，棱镜(810)，聚光镜头(820)，两个反射镜(830-1，830-2)，和一个共用UV滤镜(840)。从UHP灯泡发出的光首先经过光学棱镜(810)，聚光镜内部是由四个反射镜片组成的灯管。经过多重反射，从聚光镜出来的光(810)很接近均匀。然后聚光镜头(820)控制光束的形状和尺寸。为了减小整体尺寸，两个折叠反射镜(830-1，830-2)放置在光学路径上。镜片1(830-1)是一个简单平面反射镜，镜片2(830-2)是一个非球形的凹透镜，进一步减小光路，提高光线分布的均匀性。在一系列单独DMD芯片(860)的前面，放置了一个UV滤镜(840)用来挡开UV光。UV滤镜也被投影光所使用。

3.1基于数字微镜芯片的彩色投影系统实现方案之一：用一只数字微镜芯片

图13展示了一种基于数字微镜芯片的彩色投影系统实现方案。它的特点是只用一只数字微镜芯片。白色光源(1310)经聚光镜(1320)将光学能量集中在一个旋转色轮上(1330)。这个色轮由红绿蓝(RGB)三个透色窗口组成，分别在不同时刻将红绿蓝光传递给透镜组合(1340)。利用一个折射棱镜(1350)将光传递到数字微镜装置上(1360)。由数字微镜装置上的象素对光的明暗进行调制，形成投影图像。这一图像被反射到投影透镜(1370)上，投向三维显示屏幕。

彩色投影是由旋转色轮和数字微镜装置的同步来实现的。每当旋转色轮转到红色窗口时，数字微镜装置便切换到对应于红色分量的图像。每当旋转色轮转到绿色窗口时，数字微镜装置便切换到对应于绿色分量的图像。对于蓝色图像也是同样处理。有一种设计延伸，可以在色轮上加上一个”白色”窗口，投射红绿蓝分量的共同亮度成分，可以有效地增加图像的整体亮度。

3.2基于数字微镜芯片的彩色投影系统实现方案之二：用两只数字微镜芯片

图14展示了另一种基于数字微镜芯片的彩色投影系统实现方案。它的特点是只用两只数字微镜芯片。白色光源(1410)经聚光镜(1420)将光学能量集中在一个旋转色轮上(1430)。这个色轮由”红绿(Y)”和”红蓝(M)”两个透色窗口组成，分别在不同时刻将红绿和红蓝两种光传递给透镜组合(1440)。利用一个折射棱镜(1450)将光分别传递到”红蓝”数字微镜装置(1460)和”红绿”数字微镜装置上(1465)。由两个数字微镜装置上的象素对光分量的明暗进行调制，经折射棱镜合成后形成彩色投影图像。这一图像被反射到投影透镜(1470)上，投向三维显示屏幕。

彩色投影是由旋转色轮和数字微镜装置的同步来实现的。每当旋转色轮转到红绿色窗口时，红绿数字微镜装置便切换到对应于红绿色分量的图像。每当旋转色轮转到红蓝色窗口时，红蓝数字微镜装置便切换到对应于红蓝色分量的图像。有一种设计延伸，可以在色轮上加上一个”白色”窗口，投射红绿蓝分量的共同亮度成分，可以有效地增加图像的整体亮度。

3.3基于数字微镜芯片的彩色投影系统实现方案之三：用三只数字微镜芯片

图15展示了又一种基于数字微镜芯片的彩色投影系统实现方案。它的特点是只用三只数字微镜芯片。白色光源(1510))经聚光镜(1520)将光学能量集中透镜组合(1540)。利用一套折射棱镜(1550)将光分别传递到”红色”数字微镜装置(1560)，”绿色”数字微镜装置(1565)和”蓝色”数字微镜装置(1566)。由三个数字微镜装置上的象素对光分量的明暗进行调制，形成投影彩色图像。这三个图像再经折射棱镜合成，经影透镜(1570)上，投向三维显示屏幕。

彩色投影的实现无需采用旋转色轮，也没有和数字微镜装置的同步问题。

以上这三种实现方案，以及它们的各种变形，都有它们各自的优点和不足。它们部可以用来实现真三维显示系统。方案1只用一只芯片，因而系统设计相对简单，造价低，重量轻，体积小。但是它应用了分时的方式来实现彩色投影，完整彩色图像的投影速率只有数字微镜芯片的3分之一。方案2用了两只芯片，特别适合于一些低成本长寿命光源的应用。这些低成本长寿命灯泡的光谱中缺乏红色成分，因而在设计方案中将颜色分为”红绿”和”红蓝”，可以在两幅图像中，人为加强红光成分，以弥补光源的不足。方案3采用三只独立的芯片，具有最高的光学效率，但是成本很高，将三个颜色的光路对准的调整非常困难。

基于数字微镜芯片的真三维显示系统设计和实现方案

图16展示了一个基于数字微镜芯片的真三维显示系统设计方案和实现方法。光源，数字微镜芯片，它的控制电路等被集成在一个部件(1610)上。它投射出的图像经反射镜(1620)投向旋转螺旋面(1630)，形成三维显示区域(1650)。旋转螺旋面由一个驱动装置(1640)所带动。它的上面装有旋转位置传感器，其检测信号被用来同步控制板(1610)的调制时序。控制电脑(未画在图中)负责三维数据的预处理，传送，传感器信号检测，同步控制，用户界面等功能。

真三维显示系统的数据处理算法和软件实现

按照系统各模块的功能来划分，本发明提出的真三维显示系统由以下两个主要模块构成：

(1)三维数据的预处理和时序控制

(2)SLM投影部件的实时控制

在这里，我们假设所讨论的真三维显示系统在X轴方向有L个体元，y轴方向有M个体元，z轴方向有N个体元，此真三维显示系统的空间分辨率为L(X)乘M(Y)乘N(Z)个体元。现在来讨论真三维显示系统的控制算法和软件设计。

模块1：三维数据的预处理和时序控制

图17给出了数据预处理和时序控制算法的流程图。基本步骤简述如下：

(a)三维数据预处理

本模块执行各种数据变换(图像缩放，旋转，平移)使得原始三维数据能够被显示在真三维显示器的中央区域。比如说，如果需要将一条100米长的船显示在1米长的显示器内，图像缩放算法便会自动计算缩放系数(1/100)，并用此系数将所有三维数据进行缩放。除图像大小之外，图像的取向，中心位置等参数均需作相应调整，以适应具体物体的要求。

(b)切割三维数据显示空间

在确定完三维数据的缩放和走向之后，三维处理算法需要将三维图像数据按照旋转螺旋面的形状进行切割分层，重新组合(图18)。重组后的数据层是按照螺旋面在每一位置的空间形状来分布。因为真三维空间沿z轴方向有N层体元，我们把整个三维显示数据沿z轴切割成N片，每一片都具有螺旋面的形状。片与片之间不重合，相差360/N度空间旋转角。这样我们就把原来显示整套L×M×N个三维体元的工作转换成为N个沿z轴两维投影，每个两维投影具有L×M分辨率。每个两维投影暗的时序与螺旋面旋转位置同步，依次顺序进行。两维投影可以用高速SLM来实现。

数据的切割分片导致数三维据的存储结构上的改变。我们可用N个L×M矩阵结构来储存一幅三维图像。N个矩阵中的每一个元素储存该体元的亮度(或颜色)值。

三维图像数据量极大。如何有效地对数据进行压缩以显著减少数据的传输量合处理量成为实现本发明的重要环节。因为一般三维图像数据中通常发亮的体元只占有很小比例，我们可以用压缩算法(如链表结构等)将数据量减少。

模块2：SLM投影部件的实时控制

实时控制算法和软件程序是用来实时检测光学位置传感器的触发信号(以确定螺旋面的旋转位置)，并根据此信号的时序来发送控制信号到SLM去控制N幅图像切片的发送时序和刷新。图19描述了我们的实时控制算法流程图。

在系统初始化之后，控制主机不断检测光学位置传感器的触发信号。光学位置传感器同轴安装在螺旋面的转轴上因而可以准确获得螺旋面的位置信息。一旦获得光学位置传感器的触发信号，控制主机便开始控制SLM按顺序产生N个序列图像，通过光学投影系统在旋转螺旋面的N个位置上产生发光体元面，这N个发光体元面形成一幅真三维图像。在系统完成了一组N个投影后，控制主机返回等待状态，不断检测光学位置传感器的触发信号，准备下一幅三维图像的生成，对三维图像进行刷新。根据肉眼的生理特征，如果本三维显示系统的刷新频率达到每秒20幅以上，观察者便可获得观看连续三维动态图像的感知。

本发明申请书中的描述仅供说明之用。在本领域的同行可以根据本发明提供的原理进行各种明显可见的改进和变种，但是这些改进和变种都在本发明的方案和涵盖范围之内。

Claims

1、真三维高清晰度显示方法，其特征是光源通过光学整直透镜投射到极性化分光器，极性化的光线被其反射，投射到空间光调制器(SLM)上；由控制计算机产生高速变换的图像流调制SLM，通过调制SLM上象素的开启和关闭，控制由其反射的光线，从而调制出高速变换的图像；SLM上反射出的图像光束经由极性化分光器和一个光学透镜系统(7)投射到旋转螺旋面(8)上；投射到旋转螺旋面上的光束被螺旋面截获，在截获处形成可见光点；螺旋面在旋转，在不同时间投射出的光束被螺旋面在不同高度上截获；旋转螺旋面可以用以下数学方程来描述

；将SLM的调制时序与螺旋面的旋转位置同步，在螺旋面旋转出的整个空间产生真三维体元分布；SLM设置成分别投射三基色光或其补色，将全真色彩的被显示图像分解成三幅单基色的图像红、绿、蓝三原色或其补色，将这三个图像分别送到三套独立的SLM投影子系统上(50，51，52)，由这三套SLM独立进行图像调制，完成调制后的三个投影光束再由两个分色滤波片进行色彩合成，总光源是白光投影机，经由极性化分光器进行分光；

或采用三个可独立控制其时序的彩色光源与一个SLM的调制时序同步，利用分时的方法产生红绿蓝三色图像成分的顺序投影；所有三色光的光路在投影光学元件(57)上进行色彩合成，形成真三维显示图像。

2、由权利要求1所述的真三维高清晰度显示方法，其特征是调制SLM的图像流是由下述方法构成：将三维图像数据按照上述旋转螺旋面的形状进行切割分层，数据层是按照螺旋面在每一位置的空间形状来分布；真三维空间沿z轴方向有N层体元，将整个三维显示数据沿z轴切割成N片，每一片都具有螺旋面的形状；片与片之间相差360/N度空间旋转角；将原来显示整套L×M×N个三维体元的工作转换成为N个沿z轴两维投影，每个两维投影具有L×M分辨率；每个两维投影SLM的调制时序与螺旋面旋转位置同步，依次顺序进行，将所述两维投影用高速SLM来实现，N大于10¹。

3、由权利要求1所述的真三维高清晰度显示方法，其特征是SLM的调制是利用线性脉冲宽度调制方法产生投影亮度的灰度级，其主时钟脉冲的时序式按二进制来排列；每一个微镜维持MSB状态达到一个帧周期的一半时间，直到次高位信号被加载，每一个微镜维持次高位状态达到一个帧周期的1/4时间，依此类推；每低一位，维持时间减办，直至最低位；帧周期时间非常短，快速开关的亮度信号会给人眼感受到不同的亮度，数字微镜装置将接收到的描述灰度级信息的”电子语言”，将其转换成人眼可以看到的”光学语言”，让观察者感受到每一象素的亮度变化。

4、由权利要求2所述的真三维高清晰度显示方法，其特征是光源，数字微镜芯片，它的控制电路被集成在一个部件(1610)上，它投射出的图像经反射镜(1620)投向旋转螺旋而(1630)，形成三维显示区域(1650)，旋转螺旋面由一个驱动装置(1640)所带动。它的上面装有旋转位置传感器，其检测信号被用来同步控制板(1610)的调制时序。控制电脑(未画在图中)负责三维数据的预处理，传送，传感器信号检测，同步控制。

5、真三维高清晰度显示装置，其特征是包括光源、滤光片、光学整直透镜、空间光调制器(SLM)”、”旋转螺旋面”构成，光源经滤光片和光学整直透镜的光路投射到极性化分光器，极性化的光线被其反射，投射到空间光调制器(SLM)上；由控制计算机产生的原始图像的红绿蓝三色图像成分产生高速变换的图像流调制SLM，通过调制SLM上象素的开启和关闭，SLM上反射出的图像光束经由极性化分光器和一个光学透镜系统投射到三维成像装置，三维成像装置为旋转螺旋面(8)；将SLM的调制时序与螺旋面的旋转位置同步，旋转螺旋面可以用以下数学方程来描述

所述空间光调制器是铁电液晶阵列器件、垂直腔表面激发激光阵列器件(VCSEL)。采用”背面投影”式结构：光学投影系统将图像投射从与观察者观看方向相反的螺旋体表面上投入；螺旋体采用半透半反的半透明材料制成，所有元件均安置在旋转螺旋面下方，显示区域在顶部。

6、由权利要求5所述的真三维高清晰度显示装置，其特征是设有三套独立的SLM分别投射三基色光或其补色，将全真色彩的被显示图像分解成三幅单基色的图像红、绿、蓝三原色或其补色，将这三个图像分别送到三套独立的SLM投影子系统上，与蓝光相对应的光束由”蓝光反射片”(54)反射至”蓝色SLM”的光路，经由蓝色SLM调制的图像信号再由蓝光反射片送至蓝光投影系统；类似地，与红光相对应的光束由”红光反射片”(53)反射至”红色SLM”的光路，经由红色SLM调制的图像信号再由红光反射片送至红光投影系统；余下来的光能被送至绿色SLM光路，由其调制产生绿光信号；所有三色光的光路在投影光学元件(57)上进行色彩合成，投向旋转螺旋面三维成像装置；光学位置传感器同轴安装在螺旋面的转轴上。

7、由权利要求5所述的真三维高清晰度显示装置，其特征是采用三个可独立控制其时序的彩色光源与一个SLM的调制时序同步，利用分时的原理产生红绿蓝三色图像成分的顺序投影；与蓝光相对应的光束由”蓝光反射片”(54)反射至”蓝色SLM”的光路，经由蓝色SLM调制的图像信号再由蓝光反射片送至蓝光投影系统；与红光相对应的光束由”红光反射片”(53)反射至”红色SLM”的光路，经由红色SLM调制的图像信号再由红光反射片送至红光投影系统；余下来的光能被送至绿色SLM光路，由其调制产生绿光信号；所有三色光的光路在投影光学元件(57)上进行色彩合成，形成真三维显示图像，激光、LED和白光投影器加滤色片。

8、由权利要求5所述的真三维高清晰度显示装置，其特征是采用高速切换的激光器为彩色光源，该光源的亮暗可以由激光控制器直接调制；或使用光学开关(68)来控制各色彩光路光源的开启和关闭；三路彩色光经由光学反射镜和分光器(63)合成为一路光束，投向极性化分光器(65)；合成后的光束由SLM(64)进行调制；原始图像被分解成为三幅单色图像，在顺序送至SLM按照时序进行调制；采用分时方案，SLM的刷新速率需要比单独用与单色光路快三倍；调制后的光束经由投影光学元件(67)投至三维成像装置形成真三维显示图像。

9、由权利要求5所述的真三维高清晰度显示装置，其特征是所述空间光调制器(SLM)采用象素结构数字微镜芯片，它的象素由内存单元控制的单片集成电路构成，每一个数字微镜芯片象素的数字光交换包括一个铝制微镜(710)，根据下面的内存单元将光线反射到两个预定方向中的一个，取决于内存单元的状态；每一片微镜由两个薄片铰链支撑于内存单元之上。每一片微镜可以由内存单元两端的电压差所产生的电磁吸力来控制；镜面旋转角度由机械制动(720)为±10°，当内存单元在“开”的状态，镜面旋转到+10°，当内存单元在“关”的状态，镜面旋转到-10°；数字微镜的偏转角为正负10度以内，微镜阵列中每一个微镜可以分别进行控制；数字微镜象素利用微镜配置角来控制光的开关，微镜将入射光反射到投影透镜上或反射到吸光区域(750)。

10、由权利要求5所述的真三维高清晰度显示装置，其特征是SLM是基于数字微镜芯片的彩色投影装置，用一只或二只数字微镜芯片；白色光源(1310)经聚光镜(1320)将光学能量集中在一个旋转色轮上(1330)，这个色轮由红绿蓝(RGB)三个透色窗口组成，分别在不同时刻将红绿蓝光传递给透镜组合(1340)；或由”红绿(Y)”和”红蓝(M)”两个透色窗口组成，分别在不同时刻将红绿和红蓝两种光传递给透镜组合；利用一个折射棱镜(1350)将光传递到数字微镜装置上(1360)，由数字微镜装置上的象素对光的明暗进行调制，形成投影图像；这一图像被反射到投影透镜(1370)上，投向三维显示屏幕。