TW202232186A - 圖像投影儀 - Google Patents

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尤奇 丹齊格
丹尼爾 邁克爾斯
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以色列商魯姆斯有限公司
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Abstract

一種圖像投影儀，採用雷射掃描照明裝置來對空間光調變器(spatial light Modulator,SLM)進行照明，其中，與SLM相鄰或在與SLM的共軛平面中的角光束擴展器元件，通常是漫射器或微透鏡陣列(Micro-lens array,MLA)，增強了出射孔徑的填充，同時使對SLM上雷射照明的掃描精度的影響最小化。還公開了在掃描照明期間用於同步捲簾式更新SLM的各種方案，以及採用二進位可切換SLM的系統。

Description

圖像投影儀
本發明涉及圖像投影儀，並且特別地涉及具有用於對空間光調變器進行照明的各種配置的圖像投影儀。
已知，通過對諸如液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)、數位光處理(digital light processing,DLP)晶片或矽基液晶(liquid crystal on silicon,LCOS)調製器的空間光調變器(spatial light Modulator,SLM)進行照明並且投射圖像以供使用者觀看來投射圖像。這樣的投影儀通常用於近眼式顯示器，其中，通常將投射圖像進行準直並且引入光導中，圖像通過內反射沿光導傳播，直到通常地由部分反射表面或者由衍射元件耦出至用戶的眼睛，這可以有助於擴展將圖像從其朝向眼睛投射的有效光學孔徑。
現有公佈WO 2019/111237 A1公開了一種投影儀，其中通過對跨LCOS調製器的照明源進行切換或掃描來順序地執行SLM的照明。上述公佈的圖9A和圖12B在此處複製為圖1A和圖1B，並且此處在括弧中引用原始圖式標記。雷射器透射由透鏡聚焦的光。會聚光束被掃描鏡反射到偏振分束器(Polarization Beam Splitter,PBS1)上。反射透鏡還經由第二偏振分束器(PBS2)聚焦光束，以被聚焦在LCOS上。反射光束被第三偏振分束器(PBS3)反射到準直反射透鏡上。然後，準直光束離開孔徑，該孔徑也是進入波導的入射孔徑。上述引用還公開了LCOS的啟動可以與一行照明的線性掃描同步(圖1B)。
本發明是圖像投影儀。
根據本發明的實施方式的教導，提供了一種用於經由出射光闌投射圖像的圖像投影儀，圖像是輸入數位圖像的表示，圖像投影儀包括：(a) 空間光調變器(SLM)，其提供限定SLM解析度的像素元件的二維陣列，像素元件中的每一個能夠被控制成調製由像素元件透射或反射的光的屬性；(b)掃描照明裝置，其被部署成以二維掃描模式對跨空間光調變器的二維陣列的照明光束進行掃描，同時同步地調製照明光束的強度；(c)控制器，其與空間光調變器和掃描照明裝置電子連接；以及(d)投影光學器件，其包括被配置成投射來自空間光調變器的照明以生成被引導至出射光闌的輸出圖像的至少一個光學元件，其中，控制器被配置成：(i)處理輸入數位圖像以生成第一修改圖像，該第一修改圖像基本上對應於輸入數位圖像的、解析度在至少一個維度上小於SLM解析度的降低解析度版本；(ii)處理輸入數位圖像以生成第二修改圖像，第二修改圖像包括用於與輸入數位圖像中的高空間頻率變化對應的SLM的像素元件的像素調製資料；(iii)根據第二修改圖像的像素調製資料來激勵SLM；以及(iv)驅動掃描照明裝置在跨二維陣列掃描的同時調製照明光束的強度，以根據第一修改圖像對SLM進行照明，SLM由此提供對照明的高空間頻率調製，以投射具有與數位圖像對應的像素強度的輸出圖像。
根據本發明的實施方式的另一特徵，二維掃描模式具有與SLM的行對準的快方向和與SLM的列對準的慢方向，並且其中，隨著在照明光束之前沿慢方向前進的像素行的捲簾式更新，SLM被激勵。
根據本發明的實施方式的另一特徵，控制器還被配置成：隨著跟隨在照明光束之後的像素行的捲簾式更新，向SLM的像素元件施加反向激勵。
根據本發明的實施方式的另一特徵，SLM是每個像素元件能夠在亮狀態與暗狀態之間切換的鐵電液晶顯示器。
根據本發明的實施方式的另一特徵，控制器被配置成：應用至少一個標準以確定在輸出圖像的對應子場中生成高解析度輸出所需的SLM的子區域，控制器被配置成：激勵SLM的子區域，同時使子區域外部的多個像素元件不被激勵。
根據本發明的實施方式的另一特徵，像素元件在未被激勵時呈現亮狀態，並且其中，控制器被配置成：驅動掃描照明裝置在掃描SLM的子區 域的內部和外部兩者時調製照明光束的強度。
根據本發明的實施方式的另一特徵，至少一個標準包括：確定輸入數位圖像的包含高空間頻率內容的區域。
根據本發明的實施方式的另一特徵，至少一個標準包括：確定輸出圖像的、與觀看者的眼睛的當前注視方向對應的子場。
根據本發明的實施方式的另一特徵，控制器被配置成驅動掃描照明裝置僅對SLM的子區域進行照明。
根據本發明的實施方式的另一特徵，還提供了角光束擴展器，其被部署成與SLM相鄰。
根據本發明的實施方式的另一特徵，還提供了微透鏡陣列(micro-lens array,MLA)，其被部署成非聚焦地接近SLM。
根據本發明的實施方式的另一特徵，MLA針對SLM的每像素元件包括一個透鏡，每個透鏡與對應的像素元件對準。
根據本發明的實施方式的另一特徵，MLA附著至SLM的表面。
根據本發明的實施方式的另一特徵，MLA與覆蓋SLM的透明基板集成。
根據本發明的實施方式的另一特徵，MLA與SLM成面對關係，並且其中，基板提供與MLA背離的平坦表面。
根據本發明的實施方式的另一特徵，MLA由具有第一折射率的材料形成，並且其中，透明黏合劑填充MLA與SLM之間的空間，透明黏合劑具有與第一折射率不同的第二折射率。
根據本發明的實施方式的另一特徵，基板是跨SLM延伸的場透鏡的一部分。
根據本發明的實施方式的另一特徵，場透鏡被實現為雙合透鏡，該雙合透鏡呈現與SLM背離的平坦表面。
根據本發明的實施方式的另一特徵，還提供了：(a)具有正光學功率的中間光學裝置，其部署在SLM與準直裝置之間的光學路徑中，中間光學裝置將來自SLM的照明重新聚焦在圖像平面處；以及(b)角光束擴展器，其部署在圖像平面處，其中，投影光學器件被部署成投射來自圖像平面 的照明，以生成被引導至出射光闌的輸出圖像。
根據本發明的實施方式的另一特徵，還提供了：(a)角光束擴展器，其部署在照明圖像平面處，掃描照明裝置被配置成在照明圖像平面處生成經調製的掃描照明模式；以及(b)具有正光學功率的中間光學裝置，其部署在照明圖像平面與SLM之間的光學路徑中，中間光學裝置將來自照明圖像平面的照明重新聚焦在SLM處。
根據本發明的實施方式的另一特徵，角光束擴展器是微透鏡陣列。
根據本發明的實施方式的教導，還提供了一種用於經由出射光闌投射圖像的圖像投影儀，圖像是輸入數位圖像的表示，圖像投影儀包括：(a)空間光調變器(SLM)，其提供以行和列佈置的像素元件的二維陣列，像素元件中的每一個能夠被控制成調製由像素元件透射或反射的光的屬性；(b)掃描照明裝置，其被部署成以二維掃描模式對跨空間光調變器的二維陣列的照明光束進行掃描，同時同步地調製照明光束的強度，二維掃描模式具有與行對準的快方向和與列對準的慢方向；(c)控制器，其與空間光調變器和掃描照明裝置電子連接；以及(d)投影光學器件，其包括被配置成投射來自空間光調變器的照明以生成被引導至出射光闌的輸出圖像的至少一個光學元件，其中，控制器被配置成：(i)利用對沿所述掃描模式的慢方向前進的像素行的像素資料的捲簾式更新來激勵SLM；(ii)驅動所述掃描照明裝置對在像素資料的所述捲簾式更新之後在所述慢方向上前進的像素行進行照明；以及(iii)隨著跟隨在所述照明光束之後的像素行的捲簾式更新，向所述SLM的像素元件施加反向激勵。
根據本發明的實施方式的教導，還提供了一種用於經由出射光闌投射圖像的圖像投影儀，圖像是輸入數位圖像的表示，圖像投影儀包括：(a)空間光調變器(SLM)，其提供像素元件的二維陣列，像素元件中的每一個能夠被控制成調製由像素元件透射或反射的光的屬性；(b)掃描照明裝置，其被部署成以二維掃描模式對跨空間光調變器的二維陣列的照明光束進行掃描，同時同步地調製照明光束的強度；(c)控制器，其與空間光調變器和掃描照明裝置電子連接；以及(d)投影光學器件，其包括被配置成投射來自空 間光調變器的照明以生成被引導至出射光闌的輸出圖像的至少一個光學元件，其中，控制器被配置成：(i)應用至少一個標準以確定在輸出圖像的對應子場中生成輸出所需的SLM的子區域，控制器被配置成：激勵SLM的子區域，同時使子區域外部的多個像素元件不被激勵；以及(ii)驅動掃描照明裝置對SLM的至少該子區域進行照明，以將具有與數位圖像對應的像素強度的輸出圖像投射到至少對應子場中，該像素強度由像素元件的調製狀態和落在像素元件上的來自掃描照明裝置的照明的強度確定。
根據本發明的實施方式的另一特徵，像素元件在未被激勵時呈現亮狀態，並且其中，控制器被配置成：驅動掃描照明裝置在掃描SLM的子區域的內部和外部兩者時調製照明光束的強度。
根據本發明的實施方式的另一特徵，至少一個標準包括：確定輸入數位圖像的包含高空間頻率內容的區域。
根據本發明的實施方式的另一特徵，至少一個標準包括：確定輸出圖像的、與觀看者的眼睛的當前注視方向對應的子場。
根據本發明的實施方式的另一特徵，控制器被配置成驅動掃描照明裝置僅對SLM的子區域進行照明。
根據本發明的實施方式的教導，還提供了一種與來自雷射光源的掃描定向照明一起使用的圖像生成元件，該圖像生成元件包括：(a)空間光調變器(SLM)，其提供像素元件的二維陣列，像素元件中的每一個能夠被控制成調製由像素元件透射或反射的光的屬性；以及(b)角光束擴展器，其被部署成與SLM相鄰。
根據本發明的實施方式的另一特徵，SLM是反射式空間光調變器。
根據本發明的實施方式的另一特徵，角光束擴展器是微透鏡陣列(MLA)，MLA被部署成非聚焦地接近SLM。
根據本發明的實施方式的另一特徵，MLA針對SLM的每像素元件包括一個透鏡，每個透鏡與對應的像素元件對準。
根據本發明的實施方式的另一特徵，MLA附著至SLM的表面。
根據本發明的實施方式的另一特徵，MLA與覆蓋SLM的透明基 板集成。
根據本發明的實施方式的另一特徵，MLA與SLM成面對關係，並且其中，基板提供與MLA背離的平坦表面。
根據本發明的實施方式的另一特徵，MLA由具有第一折射率的材料形成，並且其中，透明黏合劑填充MLA與SLM之間的空間，透明黏合劑具有與第一折射率不同的第二折射率。
根據本發明的實施方式的另一特徵，基板是跨SLM延伸的場透鏡的一部分。
根據本發明的實施方式的另一特徵，場透鏡被實現為雙合透鏡，該雙合透鏡呈現與SLM背離的平坦表面。
10:雷射器
12:光學器件/透鏡
12R:曲面反射器
14:掃描機構/快速掃描鏡/掃描鏡/掃描照明裝置/鏡
15:控制器
16:角光束擴展器/MLA
18:中間光學裝置/聚焦反射透鏡/中間光學器件
20:空間光調製器調變器/圖像生成器/矽基液晶
21:偏振分束器
22:投影光學器件/準直反射透鏡
24:出射光闌/孔徑/出射瞳
30A,30B:場透鏡
34:透鏡
118:矩陣
120:光斑/照明掃描模式/照明掃描/掃描
121:照明掃描模式/光學掃描軌跡
122:虛線/像素驅動
124:間隔/間隙/恒定餘量/圖像間隔
125:時間差/時間/時間間隙
146:時間段/時間
152:照明強度/子控制器
154:子控制器
157:載入
160:區域/反向電壓
161:LCOS的長啟動
218:跨LCOS(圖像平面)
230:像素
232:分佈
234:位置
236:雷射照明光斑分佈/暗像素/區段
238,240:區域
242:殘餘餘量
256:線
260:LCOS
262:有源反射式像素元件/像素
264:微透鏡/散焦
272,274:雷射器/散焦光斑
276:寬光束/模式掃描/掃描線
278:校正線
280:掃描/基板
284:膠介質
291:反射部件
293:折射部件
304:矽基平面
306:像素電極
309:液晶
310:外部視窗
312:MLA/微透鏡
122a,122a2,122b2:捲簾式載入
122a1:捲簾式載入的暫態啟動
122b:捲簾式載入
122b1:捲簾式載入
148A:激勵電壓/像素週期時間段
148B:負電壓/像素週期時間段
150A:對比度回應分佈
150B:衰減
156A:線
156B:載入
158A:區域
158B:下一幀
266,268:繪圖/射線路徑
286,288:部件
307,308:對準層
G1,G2:(綠色)雷射器
PBS1:偏振分束器
PBS2:第二偏振分束器
PBS3:第三偏振分束器
R1:反射透鏡
R1,R2:(紅色)雷射器
本文中參照圖式僅以示例方式描述了本發明，在圖式中：
以上引用的圖1A和圖1B分別對應於現有公佈WO 2019/111237 A1的圖9A和圖12B；
圖2A是根據本發明的實施方式的教導構造和操作的圖像投影儀的示意圖，其在空間光調變器(SLM)之前的共軛焦平面中採用角光束擴展器；
圖2B是根據本發明的另一實施方式的教導構造和操作的圖像投影儀的示意圖，其在SLM之後的共軛焦平面中採用角光束擴展器；
圖3是根據本發明的另一實施方式的教導構造和操作的圖像投影儀的示意圖，其採用與SLM相鄰的角光束擴展器；
圖4A是圖3的佈置的緊湊型實現方式的示意性側視圖，其採用偏振分束器棱鏡；
圖4B是示出了從SLM向前通過光學系統的多個光線路徑的與圖4A類似的局部視圖；
圖5A是示出作為微透鏡陣列(MLA)實現的角光束擴展器對從反射式SLM的表面反射的入射光的光線路徑的影響的放大示意側視圖；
圖5B是示出了入射照明和反射照明的總角度包絡的、與圖5A類似的視圖；
圖6A至圖6G是與反射式SLM相鄰的MLA的替選實現方式的示意圖， 其中MLA分別：在相鄰基板的外側上、在相鄰基板的內側上、以每像素元件一個微透鏡直接施加至SLM的表面、以每個微透鏡與多於一個像素元件交疊來直接施加至SLM的表面、用非折射率匹配的黏合劑接合至SLM、與場透鏡集成以及用負光學功率實現；
圖7是更詳細地示出了SLM的實現方式的與圖6C類似的示意圖；
圖8是與圖7類似的示意圖，但是示出了具有透射式SLM的應用；
圖9A是示出根據本發明的實現方式的SLM像素狀態的捲簾式更新隨後是二維照明掃描模式的進展的示意圖；
圖9B是示出作為自激勵起的時間的函數的LCD像素對比度的示意圖；
圖9C是示出用於圖9A的實現方式的照明掃描鏡在線性掃描方向上的角位移的示意圖；
圖10A和圖10B是示出根據本發明的雙向掃描實現方式的、SLM像素狀態的捲簾式更新隨後是二維照明掃描模式的進展的兩個階段的示意圖；
圖10C是示出用於圖10A和圖10B的實現方式的照明掃描鏡在線性掃描方向上的角位移的示意圖；
圖11A至圖11C是對於變型實現方式的、分別與圖10A至圖10C類似的視圖，其中在第一方向上的照明掃描期間執行多像素更新，並且在不更新的情況下執行反向掃描；
圖12A至圖12D是與圖11A和圖11B類似的視圖，示出了針對在兩個分開的半部中更新的SLM的四個連續的操作階段；
圖13A是示出根據本發明的方面的資料載入、激勵、像素的對比度回應、照明和反向激勵的給定像素元件的時間關係的示意圖；
圖13B是用於實現圖13A的序列的跨SLM的像素元件的捲簾式更新、掃描照明和重定的示意圖；
圖13C是示出了替選、簡化的實現方式的與圖13B類似的視圖；
圖14A是沿像素行的期望像素圖像輸出和可由掃描照明裝置實現的對應照明模式的示意圖；
圖14B是根據本發明的方面的用於實現期望像素圖像輸出的像素啟動模式的示意圖，其中，SLM在某些區域中被選擇性地激勵，而在其他區域中不 被激勵(或以零信號激勵)；
圖14C是通過將圖14A的照明模式與圖14B的像素激勵模式組合而生成的對應圖像輸出的示例；
圖15A是具有每個RGB顏色的處於並排關係的兩個光束的多光束雷射掃描陣列的示意圖；
圖15B示出了可以通過改變給定顏色的兩個雷射器之間的平衡來實現的光學強度的總體分佈；
圖15C示出了可以如何使用該效果來提供對照明掃描模式中的線性掃描的改進的接近；
圖16是示出根據本發明的另一方面的用於驅動掃描照明裝置和SLM激勵生成輸出圖像的兩個並行影像處理過程的貢獻的流程圖；
圖17A和圖17B分別示出了可以由雷射掃描器單獨實現的和由二進位模式的SLM的操作增強的、隨沿著像素行的距離的圖像輸出強度變化；
圖17C和圖17D分別是與圖17A和圖17B類似的視圖，示出了加寬掃描照明模式的效果；
圖18示出了該過程，示出了輸入數位圖像、對應的雷射照明圖像以及當雷射照明圖像被SLM調製時的輸出；
圖19A是示出跨SLM矩陣掃描的不同顏色的空間變化的示意圖(同時對於每次掃描將矩陣設置為不同的分佈)；
圖19B是與圖9A類似的示意圖，示出了具有捲簾式激勵的二維掃描的應用，其中雷射器同時掃描具有不同顏色的分離的線，同時用對應顏色的適當二進位圖像同步地更新像素值；
圖19C和圖19D示出了與圖18類似的顏色圖像的雷射照明的示例，分別示出了利用和不利用二進位SLM像素矩陣的調製；
圖20A和圖20B示出了使用具有不同SLM像素激勵模式的連續掃描以實現使用二進位可切換像素陣列的像素解析度表觀灰度圖像變化，其中圖20A示出了三次連續掃描的像素模式，並且圖20B示出了整體感知的圖像強度；以及
圖20C和圖20D是分別與圖20A和圖20B類似的視圖，其中不同像素激 勵模式和不同照明強度的組合用於僅在兩個連續掃描中實現與圖20B類似的結果。
本發明是圖像投影儀及其部件和操作模式。
參照圖式和所附說明書，可以更好地理解根據本發明的圖像投影儀的原理和操作。
通過介紹的方式，本發明涉及圖像投影儀的各個方面，其中一個或更多個雷射器用於提供空間光調變器(SLM)的掃描照明。可以將本文中描述的主題細分為本發明的多個方面，每個方面自身獨立存在，但是它們最優選地用於組合地有優勢。
本發明的第一方面涉及通過採用與SLM相鄰或在與SLM的共軛平面中的各種角光束擴展器元件，通常是漫射器或微透鏡陣列(MLA)，以及圖像投影儀設備的對應結構特徵來增強圖像投影儀的出射孔徑上的圖像均勻性。
本發明的另一方面涉及具有新穎方法的圖像投影儀，該方法協同採用SLM和掃描雷射照明以生成高品質的投影圖像，並且在一些情況下，該圖像投影儀適合於與每像素僅具有兩個亮度級的二進位可切換SLM一起使用。
本發明的再一方面涉及用於SLM和掃描照明系統的同步操作的各種改進技術。本發明的這些和其他方面將從以下描述中變得更加清楚。
本發明的各個方面在具有對投射圖像進行準直的投影光學器件的圖像投影儀的環境中呈現。這樣的實現方式特別適合於圖像投影儀，該圖像投影儀將準直圖像引入到光導光學元件(light-guide optical element,LOE，替選地稱為波導)中，該光導光學元件具有兩個主平行外表面，以用於通過全內反射將圖像傳送至使用者的前方，其中，圖像朝向使用者的眼睛耦出，這在虛擬實境和增強現實顯示系統中是常見的。作為本發明的優選實施方式的這樣的系統通常採用與波導主表面或衍射光學元件成斜角的部分反射內表面的佈置，以將圖像照明朝向使用者的眼睛漸進地耦出。這樣的佈置在本領域中是公知的，並且從許多來源可商購獲得，因此在此處將不再進一步詳細 描述。然而，應當注意，本發明不限於基於波導的顯示器，並且可以利用投影光學器件的替選設計來實現，例如，對於一系列不同的應用，具有有限焦距的投影光學器件，包括但不限於：基於非波導的虛擬實境顯示器，以及用於將圖像投射到表面上以用於背投影或正投影到螢幕上的投影儀。
本發明的各個方面還可以應用於採用寬範圍的不同類型的空間光調變器(SLM)的設備，包括諸如液晶顯示器(LCD)的透射式SLM和諸如數位光處理(DLP)晶片或矽基液晶(LCOS)調製器的反射式SLM。在通過偏振的改變來進行調製的LCD和LCOS實現方式中，光學裝置隱含地包括各種偏振器以及/或者從要從圖像排除的照明中選擇圖像照明所需的其他元件。這些部件是這樣的圖像生成裝置的標準特徵，並且即使在未明確地描述時也被理解為存在。在本文中將配置示出為單晶片實現方式，其可以是單色顯示器，或者可以使用通過三種不同顏色的照明來生成彩色輸出圖像(順序地或並行地，如下文在某些實現方式中將討論的)。然而，應當注意，也可以使用本發明的各個方面來實現基於三晶片架構的彩色顯示器，如對於本領域普通技術人員來說將是清楚的。
現在轉向本發明的第一方面，使用雷射照明的掃描光束來對SLM進行照明提供了許多優點(例如以下描述的那些)，但是對於實現出射孔徑的均勻填充提出了挑戰。具體地，掃描雷射照明通常是高度定向的，而SLM的屬性對於透射式SLM通常是非色散的並且對於反射式SLM主要是鏡面反射的。因此，通常由具有相對窄的入射角範圍的光束對SLM的每個區域照明，並且朝向投影光學器件傳播的調製光束因此通常也將覆蓋對應的相對窄的角度範圍，潛在地引起出射孔徑的僅部分填充。另一方面，如果雷射照明在光源處或在掃描光學器件中廣泛地傳播，則這將破壞精確地控制SLM上的照明模式的能力。
為了解決該問題，本發明提供了用於實現與SLM相鄰或在與SLM的共軛平面中的角光束擴展器元件(通常是漫射器或微透鏡陣列(MLA))的各種解決方案，從而實現出射孔徑的有效填充，同時使對SLM上的雷射照明的掃描精度的影響最小化。
現在轉到圖2A，其示出了根據本發明的實施方式構造和操作的 用於經由出射光闌(出射瞳)24投射圖像的圖像投影儀，圖像是輸入數位圖像的表示。一般而言，圖像投影儀包括空間光調變器(SLM)20，該空間光調變器(SLM)20提供像素元件的二維陣列，像素元件中的每一個能夠被控制成調製由像素元件透射或反射的光的屬性。為了簡化示意圖，此處以透射式SLM幾何結構示出SLM 20，但是光學等效系統可以採用反射式SLM。
掃描照明裝置被部署成以二維掃描模式對跨空間光調變器的二維陣列的照明光束進行掃描，同時同步地調製照明光束的強度。在結構上，掃描照明裝置優選地包括：一個或更多個雷射器10，最優選地，一組至少三種不同顏色的雷射器，並且在一些優選的情況下，包括用於三種顏色中的每一種的兩個雷射器的六個雷射器的陣列；光束成形光學器件12；以及掃描機構14，掃描機構14通常包括：兩個快速掃描鏡，其被驅動以用於繞兩個正交軸旋轉，或單個雙軸鏡，所有這些都具有合適的致動器和驅動器電路，如本領域中已知的。此處僅示意性地示出了掃描照明裝置的主要子部件，而結構細節對於本領域普通技術人員來說將是清楚的。
控制器15與SLM 20和掃描照明裝置(雷射器10和掃描機構14)電子連接。控制器15通常包括一個或更多個處理器、資料存儲部件和輸入/輸出部件，其足以執行本文中描述的用於以下的各種功能：接收輸入數位圖像(例如，視頻圖像序列)並且同步地激勵SLM和掃描照明裝置，以生成作為輸入數位圖像的期望視覺表示的投影圖像。控制器15可以被細分為多個不同的子控制器，多個不同的子控制器可以被容納在一起或者可以被分開地定位，並且在一些情況下，可以從設備遠端地執行控制器15的處理中的至少一些，例如通過對經由聯網通信提供給設備的視訊訊號進行預處理。控制器15的所有這樣的實現方式對於本領域普通技術人員來說將是清楚的。在此處省略了控制器部件的細節以簡化本發明的呈現，但是對於本領域普通技術人員來說從以下呈現的對其功能的描述中將是清楚的。在以下大多數圖式中省略了控制器15以簡化呈現，但是應當理解為控制器15存在於每個實施方式中。
還提供了投影光學器件22，其提供了被配置成投射來自空間光調變器的照明以生成引導至出射光闌24的輸出圖像的至少一個光學元件。在此處，將光學元件示意性地示出為單個折射透鏡，但是可以採用反射光學部 件、附加或複合折射部件或其任意組合來等同地實現。在此處示意性示出的實現方式中，投影光學器件是輸出準直圖像的準直光學器件，其中由具有對應角方向的準直光束傳送圖像的每個像素，該準直光束適合於輸入到用於增強現實顯示器的波導。如上所述，例如，具有在給定距離處聚焦的會聚投影圖像的其他實現方式也落入本發明的範圍內。
到目前為止所描述的系統特徵在很大程度上對以下描述的本發明的所有實施方式是通用的，並且除非另有說明，否則應當被認為適用於所有實施方式。
在此處示出的特別優選的非限制性實施方式中，圖像投影儀還包括角光束擴展器16，該角光束擴展器16被部署在掃描雷射照明所聚焦的照明圖像平面處。因此，掃描照明裝置在該照明圖像平面處生成經調製的掃描照明模式，落在角光束擴展器16上。來自該照明圖像平面的光由具有正光學功率的中間光學裝置18再聚焦，該中間光學裝置18部署在照明圖像平面與SLM 20之間的光路中，使得落在來自照明圖像平面的光在SLM 20處再聚焦。角光束擴展器可以是漫射器，但最優選地是微透鏡陣列(MLA)。
MLA或漫射器的功能由圖2A中的虛線箭頭與實線箭頭之間的差異示出。虛線箭頭描述了在沒有MLA的情況下的雷射光束傳播，其中在出射孔徑24處的照明使相對窄的光束變窄，從而引起進入波導和來自波導的非均勻圖像投射。實線箭頭示出了來自MLA的增大的發散，該增大的發散又引起出射孔徑24的更寬和完全的照明，從而跨孔徑提供更均勻的圖像輸出。
角光束擴散器可以是以最小橫向位移分散光束的任何光學元件，例如漫射器或微透鏡。優選地，光分散在角度上被限制在預定的角度範圍內，使得在孔徑24外部損失最少的光。
在該配置中，為了跨所有掃描角度優化圖像品質、光效率和圖像均勻性，優選的是滿足以下條件中的一個或兩個。在一些情況下，可以引入附加的光學元件以說明滿足這些條件。
1. MLA或其他角光束擴展器16所在的平面應當成像在SLM 20的平面上。這確保了由MLA實現的光束擴展使由掃描照明裝置生成的照明掃描模式基本上不失真。
2.掃描機構14優選地位於成像在出口孔徑24上的平面處，從而確保來自掃描裝置的源照明被有效地引導以到達出射孔徑。在圖2A中由標識共軛焦平面的對應雙端箭頭示意性地表示這兩個條件。
在替選實施方式中，可以通過交換角光束擴展器16和SLM 20的位置來修改圖2A的光學裝置。在這種情況下，掃描照明裝置用相對窄的照明光束直接對SLM 20照明，並且來自SLM的調製光被中間光學裝置18重新聚焦在部署有角光束擴展器16的圖像平面處。投影光學器件22被部署成投射來自圖像平面(即，落在角光束擴展器16上)的照明，以生成引導至出射光闌24的輸出圖像。
在圖2B中示出了該替選實施方式的實現方式，還示出了使用反射式SLM 20的實現方式，並且其中反射式光學器件用於中間光學裝置18，而折射式光學器件用於投影光學器件22。
來自雷射器10的光被透鏡12準直並且被一個或多個快速掃描鏡14掃描到圖像生成器20上。從SLM 20反射的調製光被引導至聚焦反射透鏡18上，該聚焦反射透鏡18將光束重新聚焦到MLA 16上。然後，圖像中針對每個點的角擴展光束被投影光學器件22聚焦並且被引導至出射孔徑24。從掃描裝置到SLM 20和從反射透鏡18到MLA 16的光路在偏振分束器(Polarization Beam Splitter,PBS)21中採用反射，而來自SLM 20的調製圖像照明穿過PBS 21。(在此處和整個檔中，應當理解，無論在何處描述PBS配置，都提供波片以在PBS處提供所描述的反射或透射序列，如本領域的標準實踐。這些元件是隱含的，並且在本文中不再描述)。該配置為LCOS光學器件提供了特別緊湊的配置。
對於投影光學器件，使用反射式中間光學器件隨後使用折射式光學器件被認為是特別有利的，因為這兩種類型的光學器件往往生成相反的場曲率，其因此往往交疊，從而在整個場上給出的更好聚焦的圖像。可選地，MLA 16可以有利地被彎曲以匹配中間圖像平面處的場曲率。在此處示意性地示出為單個透鏡的折射式光學器件優選地被實現為被配置成減小色差和/或其他像差的雙透鏡組或其他多元件透鏡系統，如本領域中已知的。
與圖1A的實施方式相比，在該實施方式中，圖像生成器(在該 情況下是LCOS 20)被較少的發散光束照明，從而使其圖像調製更高效。此外，在該配置中，PBS 21小並且位於遠離出射瞳24，從而使系統更符合人體工程學。應當注意，部分反射和部分折射的混合光學器件也可以用於圖1A的光學配置的實現方式中，其中反射式MLA 16將代替LCOS 20，並且LCOS 20將放置在針對MLA 16示出的位置中，要麼實現為透射式SLM，要麼在投影光學器件的折射式光學裝置之前採用另一PBS棱鏡(未示出)以允許使用反射式SLM。
現在轉到圖3，作為對圖2A和圖2B的選項的更緊湊的替選方案，代替將角光束擴展器定位在與SLM平面共軛的平面中，替選實施方式採用被部署成與SLM本身相鄰的角光束擴展器。在圖3中示意性地示出了該構思的示例，並且在圖4A和圖4B中以採用反射式光學器件和PBS棱鏡的示例性實現方式適應性地示出該構思的示例。
參照圖3，其示出了與SLM 20相鄰放置的角光束擴展器，例如MLA 16。MLA 16可以放置在透射式SLM 20的前面、後面或兩側。在反射式SLM的情況下，相鄰的MLA將在反射之前和反射之後使光折射兩次。明顯的是，在該配置中，光學裝置大幅地被簡化，而不需要中間光學器件18以及相關聯的對準和機械結構。
如前所述，優選的是實現將掃描鏡14的平面成像到出射孔徑24上。這可以可選地借助於場透鏡30A和/或場透鏡30B來促進。
圖4A示出了具有反射式SLM(LCOS 20)的圖3中的配置的光學實現方式。來自雷射器10的光被曲面反射器12R(相當於透鏡12)反射和聚焦。可選地，可以添加透鏡34以改進掃描器14到出射孔徑24上的成像。由PBS 21以高度緊湊和高效的方式限定光路。包括288和286的雙合透鏡起到由圖3的場透鏡30A和30B所示的作用，但是在光被LCOS 20反射之前和反射之後，光穿過它們兩次。MLA 16定位成與LCOS 20相鄰，並且在光被LCOS 20反射之前和反射之後也作用在光上兩次。
圖4B僅示出了由掃描鏡14的不同位置生成的在跨LCOS的不同位置處反射的來自LCOS的色散光束。LCOS上的每個位置生成由MLA 16擴展的一組發散光束，該一組發散光束被投影光學器件22準直，產生用於每 個圖像點的一組平行光束，使得用於每個圖像點的光束填充出射孔徑24，並且全部朝向該孔徑會聚，從而指示掃描器14平面到出射孔徑24平面上的良好成像。
在此處所示的特別優選的實現方式中，投影光學器件22被實現為雙合反射透鏡，該雙合反射透鏡包括：反射部件291和一個或更多個折射部件293，其具有被配置成在LCOS 20上生成平場(焦平面)的組合的折射和反射光學功率。
如上所述，任何上述配置中的角光束擴展器可以實現為漫射器。在使用漫射器的情況下，最優選的是結構化漫射器，其被設計成將入射光漫射成預定的角度分佈，以避免散射到較高角度的光的顯著浪費，該較高角度將對圖像投射沒有貢獻，並且會生成雜訊。可選地，例如可以選擇非圓形分佈，例如矩形。具有不同形式的角度分佈的一系列結構化漫射器可以從諸如可從RPC Photonics(紐約，美國)獲得的工程漫射器(ENGINEERED DIFFUSERSTM)系列漫射器的各種來源商購獲得。
在許多情況下，微透鏡陣列被認為在與SLM結合使用時提供特別的優點。圖5A至圖8示出了關於與SLM相鄰的MLA的組合的各個方面和選項。
圖5A示出了將微透鏡264的矩陣與具有有源反射式像素元件262的LCOS 260進行組合的示例。微透鏡264有利地位於盡可能靠近有源像素。微透鏡可以是凸的或凹的。微透鏡264與像素262之間的距離應當基本上不同於微透鏡的焦距(優選地，小於焦距)，在本文中稱為與像素元件的“非聚焦接近”。這確保反射光束將具有比入射光束更寬的發散。各種射線路徑被示為266和268。因此，入射光束的發散270小於反射光束的發散272。在圖5B中，示意性地示出了照明的入射光束274，而反射的寬光束276具有較寬的發散。
為了保持良好的圖像解析度，微透鏡264與有源像素262之間的距離應當在投影光學器件22的焦深內。圖6A示出了部署在像素矩陣(如圖5A中的)上的基板外側上的微透鏡，而圖6B示出了優選的替選方案，其中，微透鏡在面向像素元件的基板表面上，因此更靠近像素元件。該配置還具有 以下優點：提供平坦的面向外的基板表面，這有助於元件與諸如PBS棱鏡的其他光學元件的並置。
圖6C示出了直接在SLM晶片表面上的微透鏡的實現方式，從而實現可忽略的圖像劣化。在某些情況下，SLM晶片可以具有比給定應用所需的更高解析度，在這種情況下，可以用比矩陣像素大的微透鏡來實現微透鏡陣列，如圖6D所示。另一方面，優選地通過採用針對SLM的每像素元件具有一個透鏡的MLA來實現最大解析度，每個透鏡與對應的像素元件對準。
通過折射率變化實現MLA也可以實現光束擴展。漸變折射率(graded-index,GRIN)透鏡陣列可從各種供應商獲得，並且可以作為視窗附接至LCOS基板。圖6E示出了另一替選方案，其中具有微透鏡264的基板280通過膠介質284附接至LCOS 260的表面，該膠介質284具有與微透鏡264的折射率不同的折射率。該示例提供了結構完整性和組裝的簡單性，相對於SLM固定MLA並且提供了平坦的面向外的表面。
圖6F示出了圖6E的變型，其中基板是跨SLM延伸的場透鏡的一部分。在此處所示的示例中，場透鏡是具有部件286和288的雙合透鏡，從而引入光學功率，如上面圖4A所示。最優選地，透鏡的最外側部分提供了平坦的面向外的表面，以簡化光學系統中的元件。
圖6G示出了其中每個微透鏡具有負光學功率的等效色散MLA。優選地，在SLM的有源像素元件之間具有最小間隙的情況下使用該配置，從而使光的損失最小化。
相反地，對於每個微透鏡使用具有正光學功率的MLA可以有助於SLM設計的修改以減少像素之間的串擾。圖7示出了LCOS SLM結構的更詳細的圖，其中304是矽基平面，306是像素電極，並且307和308是對準層。層308還包括上電極。液晶是309。外部視窗310支承MLA 312(其可以基於折射、衍射、漸變折射率或其他元件並且根據圖6A至圖6C、圖6E或圖6F所示的結構中的任何來實現)。在該配置中，由於微透鏡312的存在，每個像素元件的較小區域被照明。這允許電極306間隔開，以防止交叉場相互作用(也稱為“邊緣場效應”)。由於非聚焦的MLA 312的實現方式，該電極間隔是可能的。
抑制“邊緣場效應”有助於“垂直對準模式”(VA)SLM結構的實現方式，該SLM結構具有優異的對比度，否則將遭受高的“邊緣場效應”。使用VA配置，大的電極間隔能夠實現具有最小“邊緣場效應”的高對比。
圖8示出了在透射式LCD的兩側上實現相同的非聚焦MLA以實現透射效率的等同實現方式。在一些實現方式中，僅在透射式LCD的一側上實現MLA可能就足夠了。
現在轉向本發明的另一方面，其涉及用於SLM和二維掃描照明系統的同步操作的各種改進技術。掃描照明裝置14通常具有以例如約10kHz振盪的快速掃描軸(也稱為“諧振軸”)，以及通常以幾百Hz振盪的較慢的正交軸(也稱為“線性軸”)。圖9A中的示意性描述示出了SLM 20的平面的示例。通過示例的方式，考慮SLM 20的具有1000×1000的像素並且以100Hz的畫面播放速率操作的圖像生成矩陣，每個顏色幀由三個顏色的分離幀組成，由紅、綠和藍(RGB)照明順序地照明，以形成以100Hz更新的彩色圖像的視覺感知。在該示例中，矩陣(例如，LCOS)調製畫面播放速率應當為300Hz。該速率由線性鏡振盪速率控制，而諧振鏡生成比線性掃描快得多的橫向掃描。
假設諧振鏡以10KHz振盪，則光斑120的寬度(圖9A中的豎直)應當為：
300Hz×1000[線/幀]/10KHz=30[線/光斑]光學掃描軌跡121具有的每幀掃描(限定一個方向作為掃描)為：
1000[線/幀]/30[線/光斑]=33[橫向掃描/幀]
對雷射功率進行調製以照明所需的模式。調製速度確定光斑大小的長度(圖9A中的水準)。在圖9A中，假設快速調製，產生具有比率為30：1的橢圓形的光斑120，其中在諧振軸掃描方向上實現單個像素調製。
該2D雷射掃描速度能夠適用於最簡單的序列，包括：將圖像載入到LCOS上，並且之後在LCOS上僅掃描調製雷射。
更優選地，以捲簾式(rolling)模式將圖像載入到LCOS上，其中與照明掃描同步地逐行地依次載入到行的資料。圖9A將剛載入的行122示出為虛線，其中行載入的進展表示為粗箭頭。行載入在保留間隔124的情況下 在掃描進展之前前進。該間隔被選擇為適應假設在接收到像素資料時立即執行切換液晶的情況下液晶分子對其自身重定向的回應時間。圖9B示出了由液晶像素實現的作為自激勵起的時間的函數的對比度。晶體分子旋轉到其最佳取向所需的時間使得不可能在像素啟動後立即照明。因此，間隔124被選擇為對應於足以進行分子重定向的時間差125。通過在像素驅動122(當它向下行進時)與照明掃描模式121(當它也向下前進時)之間形成寬的間隙124，液晶分子具有更多的時間125以對其自身重定向。
假設只能在一個方向上執行捲簾式載入過程，則線性掃描器將以圖9C所示的鋸齒分佈操作。掃描的線性部分用於幀的雷射照明，而在這些掃略之間，掃描器在沒有照明的情況下執行回溯，以開始照明用於下一幀的矩陣的起始。
可以用具有不同資料載入模式的寬範圍SLM圖像生成器來實現這種捲簾快門方法。作為另一示例，圖10A和圖10B示出了雙向執行像素捲簾式載入的替選方案。因此，同樣雙向地執行線性掃描，首先是向下掃略(圖10A)，並且然後是向上掃略(圖10B)，其中整個掃描運動如圖10C的曲線所示，其中在兩個方向上掃描的同時雷射照明被激勵。可以通過以不同的序列(例如從線的相對側的不同的線路)載入每條線或者通過由不同的線路(線路間)啟動每條第二線來實現兩個方向的捲簾式載入。
圖11A至圖11C示出了另一變型，其中像素資料到SLM的捲簾式載入122a在照明掃描模式120之前執行(如前文)，並且附加地在122b處在照明掃描已經通過之後執行。因此，當線性掃描模式跨SLM向上往回掃描時(圖11B)，像素元件已經載入了適當的圖像。在該往回掃描期間，從利用圖像資料激勵像素直到照明掃描到達這些像素所經過的時間對於每行是不同的。為了解決該問題，如圖11C所示，在正向掃描與反向掃描之間可能需要引入一些延遲，從而為液晶分子以正確的取向重新排列提供更多的時間。
為了減小反向掃描對比度變化，正向捲簾式載入可以是暫態的，即，一旦其資料被載入，就激勵每行(但是在載入之後在照明到達每行之前保持恒定餘量124)，而對於往回掃描，全域觸發器同時啟動矩陣的全部，而與它被載入的順序無關。這將生成跨矩陣的減小的時間變化。
圖12示出了分割的LCOS矩陣，其中每一半的捲簾式載入處於相反的方向。這兩個部分被示出為由點劃線分開。在圖12A中，向下執行掃描，其中122a1是向下捲簾式載入的暫態啟動，即，每行在載入之後被激勵。因此，這些像素的對比度是均勻的，具有恒定的時間差125。掃描之後的捲簾式載入122b1可以是暫態啟動或上方部分的掃描之後的全域。圖12B示出了通過下方部分的連續照明掃描，該下方部分先前由122b2載入和啟動，如此處所示。
在圖12C中，用與圖12A中相同的捲簾式載入(表示為122a2和122b2)執行向上掃描。圖12D再次示出了等同於圖12B的光學掃描，其中圖像已經由122b1載入，並且時間間隔足夠長到在該部分中實現穩定且均勻的對比度。
雷射掃描之後的部分(122b1和122b2)的啟動可以是暫態的(逐行)或觸發的全域啟動。
現在轉到本發明的某些優選實現方式的特別優選的特徵，為了不累積電容(因為恒定電場可能不利地影響液晶材料的屬性)，優選地在照明週期之間使施加到每個像素的電壓反向。通過將該反向激勵與捲簾快門激勵方案組合，有可能實現比其他可能方式更快的切換和更快的畫面播放速率。
對於這樣的實現方式，顯示控制器15(在圖2A中示出並且在整個說明書中隱含)優選地被配置成：
(i)利用對沿掃描模式的慢方向前進的像素行的像素資料的捲簾式更新來激勵SLM；
(ii)驅動掃描照明裝置對在像素資料的捲簾式更新之後在慢方向上前進的像素行進行照明；以及
(iii)隨著跟隨在照明光束之後的像素行的捲簾式更新，向SLM的像素元件施加反向激勵。
圖13A至圖13C示意性地示出了根據本發明的該方面的優選操作序列。圖13A示出了跨給定像素的時間序列。起初(時間段146)，根據所需的像素圖像對像素電容器充電。然後在像素上啟動激勵電壓148A，使得液晶根據對比度回應分佈150A(根據SLM設計，對比度回應分佈150A可以通 過偏振旋轉來透射該像素的狀態(使該像素的狀態亮)或阻擋該像素的狀態(使該像素的狀態暗))進行回應。在該時間段，像素被照明(照明強度152)，在像素被照明之後(或期間)，像素上的電壓停止並且LCD開始衰減150B。此時施加負電壓148B(在148A與148B之間有或沒有間隙)，並且液晶衰減到零對比度回應。
圖13B示出了與跨LCOS的矩陣118的空間進展相同的過程，其中子控制器152控制啟動的線和施加至該線的電壓，而子控制器154驅動所選擇的行的資訊(對像素的電容充電)。此處，線156A表示當前正在像素電容器中載入資料的行(在圖13A中表示為像素週期的時間146)。區域158A表示當前提供有正向電壓的區域(像素週期時間段148A)，並且區域160表示在照明掃描120已經對特定區域照明之後啟動的反向電壓(像素週期時間段148B)。載入156B和下一幀158B的啟動可以在160之後立即開始，從而給予液晶更多的時間來對下一幀回應。該配置適合於包括每掃描幀多載入的激勵方案(例如圖11A的示例中)。
在圖13C中描述了類似但較慢的過程。此處161表示在掃描照明120通過LCOS之前LCOS的長啟動，並且157是在反向電壓160之後的載入。該配置適合於每幀單次掃描(如圖10A中)。
在圖像平面上的照明是可控的並且可以被選擇性地施加的事實有助於通過啟動較少的像素降低附加的操作模式LCOS功耗。例如，當沒有電壓施加至像素時，在混合模式扭曲向列(Mixed mode twisted nematic,MTN)配置中操作的LCOS通常是斷開的(亮的)。阻擋像素(使像素變暗)需要功率。這通常使得圖像具有相對少量的亮像素，並且大部分的圖像是暗的(例如在增強現實應用中是常見的)，這高度消耗能量。
圖14A示出了對應於圖像平面中的暗像素行中的單個亮像素230的、沿圖像的像素行的期望圖像強度分佈。疊加在期望強度分佈上的是用於在圖像平面處(分佈232)跨LCOS掃描的雷射照明光斑(固定的)的強度分佈。生成期望的圖像強度分佈的常規方法是激勵該行中的所有像素，以將它們轉向阻擋(暗)像素，從而消耗大量能量。
作為根據本發明的方面的替選方法，圖14B示出了基於MTN的 LCOS的像素行的激勵的優選形式。適當位置234處的像素被設置為斷開，而需要為暗的區域中與所需像素相鄰並且在雷射照明光斑分佈236的覆蓋區內的像素被設置為盡可能地阻擋光。這些啟動的暗像素236消耗系統功率。位於區域238中遠離期望亮像素的像素未被啟動，因此保持“亮”而不消耗能量。然而，與像素區域238對應的輸出圖像的區域將保持暗，因為當掃描照明系統在該區域中時控制器不激勵雷射照明。因此，暗區域保持暗，但同時將不消耗電力，因為這些LCOS像素未被啟動。可選地，為了部分功率節省，區域240中的像素可以僅被部分阻擋，因為該區域中的光功率低，並且甚至部分像素阻擋將使該區域中的輸出照明強度低於可觀察水準。
為了獲得高對比，必須充分地衰減圖像的暗區段處的光。生成高對比LCOS像素需要留下相對長的回應時間，這會減慢性能。然而，由於選擇性地啟動照明，所以LCOS的較低對比度由於最終的圖像對比度(考慮未被照明的暗區段)是高的而是可接受的。因此，LCOS中的液晶取向可以有利地設置為最大速度而不是最大對比度(本領域已知的實踐)。這可能引起區段236具有一些殘餘透射率，其在照明之後將給出在像素230的每一側上具有殘餘餘量242的輸出照明強度分佈，如圖14C中所示。
上述用於顯示具有暗區域的部分圖像的操作模式是僅部分地激勵SLM的操作模式的一個示例。本發明提供了SLM的激勵僅在像素陣列的一個或更多個子區域上的許多其他有用的操作模式，這將在下面進一步討論。
由疊加在較快振盪上的較慢線性運動生成的鏡14的掃描模式通常產生跨LCOS(圖像平面)218的非線性且不平行於像素行的掃描路徑。出於各種原因，可能優選的是至少部分地對掃描軌跡的該非線性和/或角間距進行補償，例如使得時間間隙125(圖像間隔124)跨掃描線保持更恒定，從而引起液晶(圖9B或圖13A中的150)沿線的更均勻的回應分佈。圖15A至圖15C示出了用於減輕使照明掃描線性化的這種效應的一種方法。
圖15A示出了兩個紅色(R1和R2)、兩個綠色(G1和G2)和兩個紅色(R1和R2)六個雷射器的光斑模式。圖15B示出了實現綠色雷射器(為清楚起見，僅示出了綠色)，其中光斑被散焦264成較大的光斑(在此處 示出為細長)。繪圖266示出了僅雷射器G1分佈，268示出了G1和G2有效的光斑，並且270示出了僅G2有效。明顯的是，雷射器(G1和G2或更多個成行的雷射器，如果存在的話)之間的切換使照明模式的質心移動。圖15C示出了使掃描模式線性化的這種屬性的實現方式。272和274表示G1和G2的散焦光斑。模式掃描276表示由鏡14的雙軸運動生成的非線性掃描模式。校正線278表示將與矩陣118的捲簾式載入線256平行的期望線性水準照明線。通過在G1與G2之間切換照明來近似照明的線性化。在掃描線276的開始處，下方雷射器274被照明(示出為全橢圓)，而在掃描結束時，上方雷射器272被啟動，並且雷射器之間的線性轉換生成近似的校正線278。如果使用，在相反的掃描280上啟動類似的雷射器啟動(但是相反的模式)。
其他掃描模式也是可能的，並且相同的啟動有利地施加至紅色和藍色雷射器。在所有以上內容中，如果矩陣包括顏色過濾像素，則可以同時啟動所有雷射器而不需要每種顏色的幀，因為每個像素將僅作用於對應的顏色。
所有以上內容可以施加至透明LCD，因為其物理屬性與LCOS相同。
本發明的另一方面涉及具有新穎方法的圖像投影儀，該方法協同採用SLM和掃描雷射照明以生成高品質投影圖像，並且在一些情況下，適合於與每像素僅具有兩個亮度級的二進位可切換SLM一起使用。
具體地，根據本發明的某些特別優選的實現方式，控制器15(在圖2A中示出並且在整個說明書中隱含)被配置成：
(i)處理輸入數位圖像以生成第一修改圖像，該第一修改圖像基本上對應於輸入數位圖像的、解析度在至少一個維度上小於SLM解析度的降低解析度版本；
(ii)處理輸入數位圖像以生成第二修改圖像，該第二修改圖像包括用於與輸入數位圖像中的高空間頻率變化對應的SLM的像素元件的像素調製資料；
(iii)根據第二修改圖像的像素調製資料來激勵SLM；以及
(iv)驅動掃描照明裝置在跨二維陣列掃描的同時調製照明光束的強度， 以根據第一修改圖像對SLM進行照明，該SLM由此提供照明的高空間頻率調製，以投射具有與數位圖像對應的像素強度的輸出圖像。
換言之，掃描照明裝置的調製強度用於生成期望數位圖像的降低解析度渲染，而SLM的較高解析度用於“銳化”圖像。該方法可應用於寬範圍類型的SLM，但是在二進位激勵SLM的情況下具有特別的吸引力，在二進位激勵SLM中，每個像素元件可以在亮狀態與暗狀態之間切換，並且特別地，用於鐵電液晶顯示器。
在圖16中示出了由控制器15實現的LCOS上掃描雷射系統的影像處理的可能實現方式的示意圖。“標稱圖像”(輸入數位圖像)被注入到雷射器和LCOS兩者的影像處理中。根據系統中的每一個不同地處理圖像，並且將兩個經處理的圖像注入到它們的適當驅動器中。由雷射器產生的光由雷射驅動器調製，同時掃描鏡跨圖像場進行掃描。來自掃描器的光照明LCOS的、進一步調製圖像以生成高解析度圖像的部分，該高解析度圖像被注入到光學組合器(波導)中或以其他方式被投影以供觀看者觀看。
用於增強現實近眼顯示器的大多數應用需要高解析度來呈現諸如字母、數位或標記的資料。這種類型的資料一般作為二進位圖像呈現給觀看者，其中以最小灰度級調製使像素開或關。
根據本發明的一個實施方式，通過將LCOS設置為以二進位模式啟動像素來實現基本簡化，其中像素是“斷開”或“閉合”的。例如，鐵電液晶可以用於這樣的應用。根據系統的對比度要求，“閉合”位置可以是部分閉合的。此處，為了簡單起見，“閉合”將被認為是指像素不表現出透明度。
圖17A示出了以下示例：其中雷射照明光斑大於像素大小(如前所述)，並且因此成圓角(實線)，並且不能生成還表示像素的邊緣的尖銳邊緣(虛線)。通過實現二進位LCOS，該照明近似於如圖17B所示的期望照明。此處，在標稱圖像沒有強度的位置，LCOS的像素被關閉。圖17C示出了更大的雷射光斑大小的示例，並且圖17D示出了其中LCOS生成更尖銳的強度分佈。
圖18中示出了這種操作模式的示例。“數位圖像”是注入到系統中的圖像。它主要包括黑色像素、一些灰色和一些白色。字母的寬度是一個 或兩個像素。“雷射照明圖像”由具有三個像素寬度的高斯分佈雷射光束生成。字母無法分開且無法觀察到。在啟動二進位LCOS之後，字母是可識別且可分離的。灰度幾乎觀察不到。
可以在用於顏色的順序雷射掃描照明中實現相同的二進位調製。圖19A中的分佈表示在根據每個掃描的對應顏色分隔幀合適地設置矩陣之後按次序施加的、沿矩陣的行的不同的顏色照明分佈。
圖19B示出了該方法可以被實現用於與圖9A概念上類似的利用每個顏色的同步更新的二維掃描照明模式。在這種情況下，最優選地，使用具有可以同時且獨立地操作的間隔開的RGB雷射器的多雷射器源，隨著三個掃描同時在SLM上行進，可以利用像素的捲簾式重置以及將像素值捲簾式更新成下一種顏色所需的二進位像素值來跨SLM執行平行同步光柵掃描。通過同時利用所有三種顏色進行掃描，可以減慢線性掃描速度，由此在給定的整體畫面播放速率下提高雷射照明系統的有效解析度。
圖19C示出了具有與圖18中相同參數的雷射照明的示例，而圖19D示出了在該照明被二進位矩陣調製之後的圖像。
對於進一步的灰度解析度，可以實現相同顏色的順序掃描，如圖20A至圖20D所示。在圖20A中，具有相同功率的三個單獨的順序照明被二進位調製，以被觀察者感知為圖20B的強度分佈。圖20C示出了不同功率的順序照明以生成相同的分佈，但是僅通過兩次掃描。
應當注意的是，各種操作模式並不要求SLM的全部一直被激勵。SLM的選擇性和部分激勵可以提供以下優點：節能(並且因此延長電池操作應用的電池壽命)、減少影像處理負擔以及/或者可以有助於更快的畫面播放速率。
因此，根據本發明的某些特別優選的實現方式，控制器15(在圖2A中示出並且在整個說明書中隱含)被配置成：
(i)應用至少一個標準以確定在輸出圖像的對應子場中生成輸出所需的SLM的子區域，控制器被配置成激勵SLM的子區域，同時使子區域外部的多個像素元件不被激勵；以及
(ii)驅動掃描照明裝置對SLM的至少子區域進行照明，以將具有與數 位圖像對應的像素強度的輸出圖像投射到至少對應子場中，該像素強度由像素元件的調製狀態和落在像素元件上的來自掃描照明裝置的照明強度確定。
這樣的應用的一個示例是當僅在圖像平面的子區域中選擇性地顯示圖像時，如以上參照圖14A至圖14C所描述的。在這種情況下，“標準”是所需圖像僅具有子區域內的非零(或可見)值，並且掃描照明裝置被激勵以不在所需子區域的外部傳遞照明。
其他應用確實在激勵區域的外部傳遞照明。這在像素元件在未被激勵時呈現亮狀態的情況下尤其相關。在這種情況下，控制器15被配置成：驅動掃描照明裝置以調製照明光束的強度，同時掃描SLM的子區域的內部和外部。結果是其中SLM被激勵的圖像的子區域具有以下益處：增強的解析度、清晰的邊緣或者由SLM調製提供的其他高空間頻率特徵，而圖像的其餘區域受到用於形成圖像的掃描照明系統的固有解析度的限制。因此，結果可以被認為是“混合解析度”圖像。
為了繼續其中SLM具有1000x1000像素並且掃描照明裝置以10kHz的諧振掃描頻率操作的應用的以上示例，如果畫面播放速率降低到33Hz，則可以使用覆蓋10行像素矩陣的雷射光斑實現對每個顏色分離幀的覆蓋。如果調製頻率被相應地調整，雷射掃描投影的原始解析度將相當於SLM陣列的10x10像素區域。因此，如上所述，其中SLM未被激勵的區域將以雷射掃描器解析度投影，而其中SLM被激勵的一個或多個子區域通過SLM調製得到增強。
多個不同的標準可以用作確定在圖像的哪個(哪些)子區域內SLM應當被激勵的基礎。在第一示例中，至少一個標準包括：確定輸入數位圖像的包含高空間頻率內容的區域。例如，如果圖像包含具有文本內容的子區域和具有逐漸變化的特徵的其他區域，則掃描雷射投影儀的固有解析度對於非文本內容可能是足夠的，而可以在包含文本的區域中選擇性地激勵SLM以使文本內容清晰。
在另一示例中，至少一個標準可以包括：確定輸出圖像的、與觀看者的眼睛的當前注視方向對應的子場(如由眼睛跟蹤系統──未示出──確定的)。該方法依賴於人眼的週邊視覺具有比中心(中心凹)區域低得多 的解析度的事實，使得眼睛對當前注視方向之外的圖像解析度的降低不敏感。因此，系統可以在當前注視方向周圍的區域內選擇性地激勵SLM，以提供“全解析度”投影圖像，同時以固有掃描雷射投影儀解析度顯示外圍場。
應當理解，以上描述僅旨在用作示例，並且在所附請求項書中限定的本發明的範圍內，許多其他實施方式是可能的。
10:雷射器
12:光學器件/透鏡
14:掃描機構/快速掃描鏡/掃描鏡/掃描照明裝置/鏡
15:控制器
16:角光束擴展器/MLA
18:中間光學裝置/聚焦反射透鏡/中間光學器件
20:空間光調製器調變器/圖像生成器/矽基液晶
22:投影光學器件/準直反射透鏡
24:出射光闌/孔徑/出射瞳

Claims (37)

  1. 一種圖像投影儀，用於經由出射光闌投射圖像，所述圖像是輸入數位圖像的表示，所述圖像投影儀包括：
    (a)空間光調變器SLM，其提供限定SLM解析度的像素元件的二維陣列，所述像素元件中的每一個能夠被控制成調製由所述像素元件透射或反射的光的屬性；
    (b)掃描照明裝置，其被部署成以二維掃描模式對跨所述空間光調變器的所述二維陣列的照明光束進行掃描，同時同步地調製所述照明光束的強度；
    (c)控制器，其與所述空間光調變器和所述掃描照明裝置電子連接；以及
    (d)投影光學器件，其包括被配置成投射來自所述空間光調變器的照明以生成被引導至所述出射光闌的輸出圖像的至少一個光學元件，
    其中，所述控制器被配置成：
    (i)處理所述輸入數位圖像以生成第一修改圖像，所述第一修改圖像基本上對應於所述輸入數位圖像的、解析度在至少一個維度上小於所述SLM解析度的降低解析度版本；
    (ii)處理所述輸入數位圖像以生成第二修改圖像，所述第二修改圖像包括用於與所述輸入數位圖像中的高空間頻率變化對應的所述SLM的像素元件的像素調製資料；
    (iii)根據所述第二修改圖像的像素調製資料來激勵所述SLM；以及
    (iv)驅動所述掃描照明裝置在跨所述二維陣列掃描的同時調製所述照明光束的強度，以根據所述第一修改圖像對所述SLM進行照明，所述SLM由此提供對所述照明的高空間頻率調製，以投射具有與所述數位圖像對應的像素強度的輸出圖像。
  2. 如請求項1所述的圖像投影儀，其中，所述二維掃描模式具有與所述SLM的行對準的快方向和與所述SLM的列對準的慢方向，並且其中，隨著在所述照明光束之前沿所述慢方向前進的像素行的捲簾式更新，所述SLM被激勵。
  3. 如請求項2所述的圖像投影儀，其中，所述控制器還被配置成：隨著跟隨在所述照明光束之後的像素行的捲簾式更新，向所述SLM的像素元件施加反向激勵。
  4. 如請求項1所述的圖像投影儀，其中，所述SLM是每個像素元件能夠在亮狀態與暗狀態之間切換的鐵電液晶顯示器。
  5. 如請求項1所述的圖像投影儀，其中，所述控制器被配置成：應用至少一個標準以確定在所述輸出圖像的對應子場中生成高解析度輸出所需的所述SLM的子區域，所述控制器被配置成：激勵所述SLM的所述子區域，同時使所述子區域外部的多個像素元件不被激勵。
  6. 如請求項5所述的圖像投影儀，其中，所述像素元件在未被激勵時呈現亮狀態，並且其中，所述控制器被配置成驅動所述掃描照明裝置在掃描所述SLM的所述子區域的內部和外部兩者時調製所述照明光束的強度。
  7. 如請求項6所述的圖像投影儀，其中，所述至少一個標準包括：確定所述輸入數位圖像的包含高空間頻率內容的區域。
  8. 如請求項6所述的圖像投影儀，其中，所述至少一個標準包括：確定所述輸出圖像的、與觀看者的眼睛的當前注視方向對應的子場。
  9. 如請求項5所述的圖像投影儀，其中，所述控制器被配置成驅動所述掃描照明裝置僅對所述SLM的所述子區域進行照明。
  10. 如請求項1所述的圖像投影儀，還包括角光束擴展器，所述角光束擴展器被部署成與所述SLM相鄰。
  11. 如請求項1所述的圖像投影儀，還包括微透鏡陣列MLA，所述MIA被部署成非聚焦地接近所述SLM。
  12. 如請求項11所述的圖像投影儀，其中，所述MLA針對所述SLM的每像素元件包括一個透鏡，每個透鏡與對應的像素元件對準。
  13. 如請求項11所述的圖像投影儀，其中，所述MLA附著至所述SLM的表面。
  14. 如請求項11所述的圖像投影儀，其中，所述MLA與覆蓋所述SLM的透明基板集成。
  15. 如請求項14所述的圖像投影儀，其中，所述MLA與所述SLM成面對關係，並且其中，所述基板提供與所述MLA背離的平坦表面。
  16. 如請求項15所述的圖像投影儀，其中，所述MLA由具有第一折射率的材料形成，並且其中，透明黏合劑填充所述MLA與所述SLM之間的空間，所述透明黏合劑具有與所述第一折射率不同的第二折射率。
  17. 如請求項15所述的圖像投影儀，其中，所述基板是跨所述SLM延伸的場透鏡的一部分。
  18. 如請求項17所述的圖像投影儀，其中，所述場透鏡被實現為雙合透鏡，所述雙合透鏡呈現與所述SLM背離的平坦表面。
  19. 如請求項1所述的圖像投影儀，還包括：
    (a)具有正光學功率的中間光學裝置，其部署在所述SLM與準直裝置之間的光學路徑中，所述中間光學裝置將來自所述SLM的照明重新聚焦在圖像平面處；以及
    (b)角光束擴展器，其部署在所述圖像平面處，
    其中，所述投影光學器件被部署成投射來自所述圖像平面的照明，以生成被引導至所述出射光闌的輸出圖像。
  20. 如請求項1所述的圖像投影儀，還包括：
    (a)角光束擴展器，其部署在照明圖像平面處，所述掃描照明裝置被配置成在所述照明圖像平面處生成經調製的掃描照明模式；以及
    (b)具有正光學功率的中間光學裝置，其部署在所述照明圖像平面與所述SLM之間的光學路徑中，所述中間光學裝置將來自所述照明圖像平面的照明重新聚焦在所述SLM處。
  21. 如請求項19或20所述的圖像投影儀，其中，所述角光束擴展器是微透鏡陣列。
  22. 一種圖像投影儀，用於經由出射光闌投射圖像，所述圖像是輸入數位圖像的表示，所述圖像投影儀包括：
    (a)空間光調變器SLM，其提供以行和列佈置的像素元件的二維陣列，所述像素元件中的每一個能夠被控制成調製由所述像素元件透射或反射的光的屬性；
    (b)掃描照明裝置，其被部署成以二維掃描模式對跨所述空間光調變器的所述二維陣列的照明光束進行掃描，同時同步地調製所述照明光束的強度，所述二維掃描模式具有與所述行對準的快方向和與所述列對準的慢方向；
    (c)控制器，其與所述空間光調變器和所述掃描照明裝置電子連接；以及
    (d)投影光學器件，其包括被配置成投射來自所述空間光調變器的照明以生成被引導至所述出射光闌的輸出圖像的至少一個光學元件，
    其中，所述控制器被配置成：
    (i)利用對沿所述掃描模式的慢方向前進的像素行的像素資料的捲簾式更新來激勵所述SLM；
    (ii)驅動所述掃描照明裝置對在像素資料的所述捲簾式更新之後在所述慢方向上前進的像素行進行照明；以及
    (iii)隨著跟隨在所述照明光束之後的像素行的捲簾式更新，向所述SLM的像素元件施加反向激勵。
  23. 一種圖像投影儀，用於經由出射光闌投射圖像，所述圖像是輸入數位圖像的表示，所述圖像投影儀包括：
    (a)空間光調變器SLM，其提供像素元件的二維陣列，所述像素元件中的每一個能夠被控制成調製由所述像素元件透射或反射的光的屬性；
    (b)掃描照明裝置，其被部署成以二維掃描模式對跨所述空間光調變器的所述二維陣列的照明光束進行掃描，同時同步地調製所述照明光束的強度；
    (c)控制器，其與所述空間光調變器和所述掃描照明裝置電子連接；以及
    (d)投影光學器件，其包括被配置成投射來自所述空間光調變器的照明以生成被引導至所述出射光闌的輸出圖像的至少一個光學元件，
    其中，所述控制器被配置成：
    (i)應用至少一個標準以確定在所述輸出圖像的對應子場中生成輸出所需的所述SLM的子區域，所述控制器被配置成：激勵所述SLM的所述子區域，同時使所述子區域外部的多個像素元件不被激勵；以及
    (ii)驅動所述掃描照明裝置對所述SLM的至少所述子區域進行照明，以將具有與所述數位圖像對應的像素強度的輸出圖像投射到至少所述對應子場中，所述像素強度由所述像素元件的調製狀態和落在所述像素元件上的來自所述掃描照明裝置的照明的強度確定。
  24. 如請求項23所述的圖像投影儀，其中，所述像素元件在未被激勵時呈現亮狀態，並且其中，所述控制器被配置成驅動所述掃描照明裝置在掃描所述SLM的所述子區域的內部和外部兩者時調製所述照明光束的強度。
  25. 如請求項24所述的圖像投影儀，其中，所述至少一個標準包括：確定所述輸入數位圖像的包含高空間頻率內容的區域。
  26. 如請求項24所述的圖像投影儀，其中，所述至少一個標準包括：確定所述輸出圖像的、與觀看者的眼睛的當前注視方向對應的子場。
  27. 如請求項23所述的圖像投影儀，其中，所述控制器被配置成驅動所述掃描照明裝置僅對所述SLM的所述子區域進行照明。
  28. 一種圖像生成元件，用於與來自雷射光源的掃描定向照明一起使用，所述圖像生成元件包括：
    (a)空間光調變器SLM，其提供像素元件的二維陣列，所述像素元件中的每一個能夠被控制成調製由所述像素元件透射或反射的光的屬性；以及
    (b)角光束擴展器，其被部署成與所述SLM相鄰。
  29. 如請求項28所述的圖像生成元件，其中，所述SLM是反射式空間光調變器。
  30. 如請求項28所述的圖像生成元件，其中，所述角光束擴展器是微透鏡陣列MLA，所述MLA被部署成非聚焦地接近所述SLM。
  31. 如請求項30所述的圖像生成元件，其中，所述MLA針對所述SLM的每像素元件包括一個透鏡，每個透鏡與對應的像素元件對準。
  32. 如請求項30所述的圖像生成元件，其中，所述MLA附著至所述SLM的表面。
  33. 如請求項30所述的圖像生成元件，其中，所述MLA與覆蓋所述SLM的透明基板集成。
  34. 如請求項30所述的圖像生成元件，其中，所述MLA與所述SLM成面對關係，並且其中，所述基板提供與所述MLA背離的平坦表面。
  35. 如請求項34所述的圖像生成元件，其中，所述MLA由具有第一折射率的材料形成，並且其中，透明黏合劑填充所述MLA與所述SLM之間的空間，所述透明黏合劑具有與所述第一折射率不同的第二折射率。
  36. 如請求項34所述的圖像生成元件，其中，所述基板是跨所述SLM延伸的場透鏡的一部分。
  37. 如請求項36所述的圖像生成元件，其中，所述場透鏡被實現為雙合透鏡，所述雙合透鏡呈現與所述SLM背離的平坦表面。
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