專利名稱：使用多線性機電調制器的立體顯示器的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及顯示設備，尤其涉及使用雙線性和三線性機電光柵裝置的設置的 顯不設備。
背景技術：
隨著成本和性能的不斷改進，固態激光器作為用于顯示系統的照明部件具有潛在 的優勢。它們固有的光譜純度、高亮度以及長的工作壽命在用于數字電影、仿真和其它高性 能成像設備的高端彩色投影系統的設計者中引起了特別的興趣。然而，所提出的針對數字 投影使用激光光源的解決方案不能滿足提供利用這種潛能的魯棒的顯示設備的需要。總的來說，立體投影一直是電影投影的一個特別重要的領域。常規的立體投影的 配置包括使用兩個投影機的配置，一個用于左眼，另一個用于右眼。這種基本模型與來自于 供應商(例如Barco公司)的早期的基于膠片的系統以及數字投影設備一起應用。雖然這 種雙投影機設計成功展示了由立體成像系統提供的可行性和增強的成像能力，但是這些系 統較昂貴，需要彼此準確對準，并對電影院的設計和布局提出了一些額外的要求。針對數字投影機設備，已經出現了用于立體投影的各種解決方案，包括僅使用單 個投影機的配置。這些解決方案通常包括使用兩種類型的空間光調制器(SLM)中的任一種 的系統。在所提出的立體設計中使用的第一種類型的空間光調制器是由德克薩斯州達拉斯 的德州儀器公司開發的數字光處理器(DLP)、數字微鏡裝置(DMD)。廣泛應用于數字投影的 第二種類型的SLM基于液晶技術，可用作透射光調制器、液晶裝置(LCD)以及用作反射硅上 液晶(LCOS)調制器。利用任何一種類型的立體投影系統都需要一些種類的分離機制以便于對組合在 共同顯示屏上但針對觀看者的合適的左、右眼的左圖像和右圖像進行區分。左眼圖像和右 眼圖像可以按時間來分離，可以具有彼此相對正交的不同的偏振，或者可以具有不同的波 長。常規的雙投影機系統可以使用上述這些分離方案中的任何一種。單投影機數字系統也 可以使用這些方法中的任何一種。但是，由于它們必須從同一投影透鏡對光進行導引，所以 單投影機系統固有地傾向于較為低效。時間排序系統使用“頁交換”技術。頁交換交替地顯示左眼圖像和右眼圖像，用以 向帶著與顯示刷新速率同步的快門眼鏡的一個或更多個觀看者提供立體圖像。美國專利 No. 6，535，241 (McDowall等人)中給出了用于向多個觀看者展現立體圖像的這種類型的顯 示系統的一個實例。利用偏振差異的立體系統提供使用各自正交偏振的光的左眼圖像和右眼圖像。向 觀看者提供偏振眼鏡以分離這些左眼圖像和右眼圖像。美國專利No. 7，204，592(0'Donnell 等人)中給出了使用線性偏振光的這種類型的顯示系統的一個實例。美國專利 No. 7，180，554(Divelbiss等人)中描述了使用左圓偏振和右圓偏振的立體顯示設備。立體系統能夠通過波長來分離左眼圖像和右眼圖像，并向觀看者提供濾光 器眼鏡，該濾光器眼鏡被適當地設計成區分針對每個眼睛的合適的圖像。美國專利No. 7，001, 021 (Jorke)中給出了這種類型的光譜分離顯示系統。雖然這些方法中的每種方法在一定程度上提供了可用的立體顯示解決方案，但是 還存在一些遺留的重要問題。快門眼鏡可能比較昂貴，需要板上(on-board)電池電源，并 需要與投影系統同步。所有這些解決方案的光的利用和效率令人失望。利用偏振的立體系 統使用少于一半的在任何時候可用的可用光。利用光譜分離的解決方案需要是其它系統兩 倍的有效光源并且因此所提供的色域減小。這些類型的系統中的每種系統的實施例需要高 刷新速率以避免閃爍，并能夠在其實際刷新速率的上限運用這些空間光調制器。雖然固態 光源在相對光譜純度和潛在的高亮度水平方面優于其它類型的光源，但是它們需要不同的 方法以便有效使用這些優勢。針對數字投影的另一種類型的光調制器解決方案使用線性光調制器，該線性光調 制器使用η個微裝置的一維陣列，并通過形成m個連續的單線圖像(每個單線圖像在第一 方向延伸)，然后在與第一方向垂直的方向掃描這m個連續的線圖像以對mXn個像素的圖 像進行投影來形成二維圖像。在線性光調制器中，有Silicon Light Machines公司(如美國專利 No. 6，215，579 (Bloom等人))提供的光柵光閥(GLV)設計及其它設計。還提出 了使用光柵機電系統(GEMS)裝置的其它解決方案，諸如在共同受讓的美國專利 No. 6, 802, 613 (Agostinelli 等人)中公開的。GLV和GEMS裝置均較好地適于使用激光裝置的投影。但是，出于多種原因，這些裝 置至今也未發展成立體投影的備選方案。利用這些裝置，可以使用快門眼鏡或頁交換立體 分離，但是這種技術仍然存在令人失望的光利用率。可以使用利用偏振或光譜分離的立體 設置，但是到現在為止還需要相對復雜的光學設計，即需要大量的零件以及具有相當困難 的對準方面的挑戰。利用這些方法中的任一種方法，對提高光效率的嘗試也導致系統復雜 性和成本的提高。迄今為止，在立體圖像投影方面的興趣已經指向區域空間光調制器，諸如 DLP(DMD)裝置或IXD裝置。于是，需要數字投影解決方案，其利用在立體圖像投影中使用的 GEMS和其它光柵機電光調制器裝置的固有光效率和高分辨率。
發明內容
本發明的目的是解決對改進的立體投影設備的需要。為此目的，本發明提供一種 用于形成包括左眼圖像和右眼圖像的立體圖像的方法，該方法包括被重復的步驟向掃描單元導引作為入射光的左眼圖像的線，同時向掃描單元導引作為入射光的 右眼圖像的線；以及將掃描單元移動到用于向顯示表面的部分導引入射光的位置。本發明的特征在于其提供用于使用多線性GEMS空間光調制器來進行立體投影以 實現改進的亮度、分辨率和光利用率的方法。本發明的優點在于其提供與常規設計相比具有減小的復雜性和降低的光學對準 要求的使用三個或更多個固態光源的立體投影方法。通過參照附圖查閱以下對優選實施例的詳細描述以及所附權利要求，將更加清楚 地理解和認識到本發明的這些和其它方面、目的、特征和優點。
雖然本說明書以特別指出且清楚地要求本發明的主題的權利要求結束，但是相信 根據結合附圖給出的以下描述將更好地理解本發明，其中
圖IA是雙線性GEMS芯片的俯視圖；圖IB是三線性GEMS芯片的俯視圖；圖2是示出在本發明的一個實施例中的立體顯示設備的示意性框圖；圖3是示出在照明路徑中組合分光器的示意性框圖；圖4A是示出常規的用于立體顯示的時間順序的時序圖；圖4B是將使用本發明來實施的立體圖像形成與常規的時間順序相對照的時序 圖；圖5是示出二維圖像的線掃描形成的俯視圖；圖6A、圖6B和圖6C是示出在光路中的各部件如何通過從同一掃描單元對兩幅圖 像一次一條線地進行掃描以形成左眼圖像和右眼圖像的透視圖；圖7是示出在本發明的可替選的實施例中使用色序(color-sequential)照明的 立體顯示設備的示意性框圖；圖8是示出使用三線性GEMS芯片來提供立體投影圖像的實施例的示意圖；圖9是示出用于三色和四色實施例的顏色空間映射的圖示；圖10是示出用于使用光譜分離的立體成像設備的顏色映射的圖示；以及圖11是示出雙觀看者應用中的顯示設備的框圖。
具體實施例方式本發明尤其涉及形成根據本發明的設備的部分或更直接地與根據本發明的設備 合作的單元。應該理解，未具體示出或描述的單元可以采取本領域技術人員熟知的各種形 式。提供這里所示出和描述的附圖以便于說明本發明的操作的關鍵原理而不是旨在示出實 際尺寸或比例。可能需要一些放大來強調相對空間關系或操作原理。在以下公開中，“左眼圖像”一詞是指由顯示設備形成、用來由觀看者的左眼觀看 的圖像。同樣地，“右眼圖像”一詞是指用來由觀看者的右眼觀看的圖像。在本發明的上下文中，“光譜范圍” 一詞是指單個波長或不大于40nm的相對窄的 波長范圍。如先前在背景技術部分描述的，光譜立體視覺分離方案針對每種原色(紅、綠或 藍，通常稱為R、G和B)在不同波長處投影左眼圖像和右眼圖像，并使用濾光器單元針對每 種顏色分離左眼圖像內容和右眼圖像內容。對于圖像分離，本發明的實施例可以使用正交偏振光作為左眼圖像和右眼圖像之 間的區別特征。偏振可以是線偏振、橢圓偏振或圓偏振，用于左眼的經調制的光相對于用于 右眼的經調制的光正交地偏振。本發明的實施例使用諸如多線性光柵機電系統(GEMS)裝置的線性光調制器陣列 來提供立體顯示設備，該設備具有以下優點，諸如激光光源的改進使用以及來自單個投影 機的亮度增強，以及使用與先前提出的設計相比具有較低復雜程度的光學設計。在本公開 的上下文中，“芯片”一詞如微機電裝置領域的技術人員通常使用的那樣被使用。芯片一
6詞是指一片機電電路封裝，其包括一個或更多個形成在單個基底上的線性光調制器陣列， 諸如在共同受讓的美國專利No. 6，411，425 (Kowarz等人)中詳細描述的共形(conformal) 光柵裝置。GEMS芯片不僅包括形成用于光反射和衍射的光調制光柵的伸長的帶狀單元， 還可以包括應用用于驅動這些帶狀單元的靜電力的基礎電路。在制造中，形成芯片(諸如 Kowarz等人的‘425專利中所示的GEMS芯片)的微小的電子和機械部件被制作在單個基底 上。芯片封裝還包括信號導線，用于在電路板或其它合適的表面上進行互連和安裝。在多個共同受讓的美國專利和公布的申請中給出了對GEMS裝置架構和操作的更 加詳細的描述，包括美國專利No. 6，307，663 (Kowarz)、美國專利No. 6，663，788 (Kowarz等 人)、以及美國專利No. 6，802，613 (Agostinelli等人)。在GEMS裝置中，通過衍射對光進 行調制。在GEMS芯片上，形成于單個基底上的共形機電帶狀單元的線性陣列提供光的一種 或更多種衍射順序，以形成用于線掃描投影顯示的每個像素線。特別將多線性GEMS芯片作為用于這里所描述的立體實施例的線性光調制器陣 列。如共同受讓的美國專利申請公開No. 2007/0047061 (Kowarz)中所描述的雙線性GEMS裝 置，提供兩個分離的機電光柵光調制器陣列部分，即，形成在單個基底上的共形機電光柵裝 置的兩個線性陣列。圖IA示出了雙線性GEMS芯片60，其形成在基底62上，具有以85a(I) 和85b(II)標注的兩個分離的機電光柵光調制器陣列部分。為了參考，入射線性照明88的 相對位置被顯示成其將被導引至每個部分。在這種類型的裝置中，光調制裝置的形成部分 I和II的兩個線性陣列85a和85b中的每個能夠被單獨地調制。通常，線性陣列上的光調 制裝置的每個具有其自己的相關電子驅動通道。美國專利No. 7，274，500 (Kowarz)中描述了三線性GEMS裝置。圖IB示出了三線 性GEMS芯片40，其形成在基底62上，并具有以185r (R)、185g (G)和185b (B)標注的三個分 離的機電光柵光調制器陣列部分。為了參考，入射線性照明88的相對位置被顯示成其將被 導引至每個部分。在這種類型的裝置中，光調制裝置的三個線性陣列185r、185g和185b中 的每個能夠被單獨調制。通常，線性陣列上的光調制裝置的每個具有其自己的相關電子驅 動通道。隨后描述的實施例使用GEMS裝置作為示例性線性光調制器陣列。但是，應該注意 到，使用這里所描述的方法，其它類型的線性光調制器陣列也可以用于立體表現。參照圖2，其示出了具有三個光調制子系統的多色顯示設備100的示例，其中三個 光調制子系統被示出為光調制模塊104r、104g和104b，每個對應于一個顏色通道。調制模 塊104r、104g和104b中的每個分別使用雙線性GEMS空間光調制器芯片IlOrUlOg和110b。 每個雙線性GEMS空間光調制器芯片對來自于兩個激光光源(一個用于左眼圖像，一個用于 右眼圖像)的光進行調制。返回參照圖IA的俯視圖，來自于兩個激光光源中的第一個激光 光源的光形成入射到線性陣列85a上的線性照明88，而來自兩個激光光源中的第二個激光 光源的光形成入射到線性陣列85b上的線性照明88。在圖2的實施例中，雙線性GEMS空 間光調制器芯片IlOr對來自紅色激光器112rl和112r2的入射線性照明進行調制。雙線 性GEMS空間光調制器芯片IlOg對來自綠色激光器112gl和112g2的入射線性照明進行調 制。雙線性GEMS空間光調制器芯片IlOb對來自藍色激光器112bl和112b2的入射線性照 明進行調制。應該注意到，在圖2的示意圖中利用放大的空間分離來顯示線性陣列85a和 85b是為了更加清楚地說明它們的功能；在一個實施例中，線性陣列85a和85b之間的實際距離大約為1mm。線性陣列85a和85b中的每個產生針對每只眼睛的圖像；這樣，例如，當 線性陣列85a產生左眼圖像時，線性陣列85b產生右眼圖像。在每個光調制模塊104r、104g和104b中存在空間濾光器108，諸如具有交替的反 射部分和透射部分的圖案化的鏡。空間濾光器108的反射部分將照明從每個激光光源導引 至其對應的雙線性GEMS空間光調制器芯片上的光調制裝置陣列。空間濾光器108的透射 部分隨后將來自雙線性GEMS空間光調制器的經調制的光向組合器64傳送。來自于雙線性 GEMS空間光調制器的不需要的零階反射光也通過空間濾光器108來阻擋。由組合器64合成并沿光路0導引來自每個光調制模塊104r、104g和104b的經調 制的光，其中組合器64諸如是如圖2中所示的為電子投影領域的技術人員熟知的分合色立 方棱鏡(X-Cube)。投影光學器件120隨后沿光路0向單掃描單元122導引經調制的光，其 中單掃描單元122諸如是掃描反射鏡或旋轉棱鏡或多角鏡(polygon)或具有一個或更多個 耦合的掃描反射鏡(其依次向顯示表面124導引用于左眼圖像和右眼圖像的輸入調制光 線)的設備。為了形成二維圖像，掃描單元122因此連續地重新定位以便向顯示表面124 的部分導引來自每個光調制模塊的入射光。解碼裝置用于分離左眼圖像和右眼圖像。圖2 的實施例示出了作為解碼裝置的眼鏡66。由每個觀看者佩戴的這種類型的眼鏡66適于配 備左、右區分單元721和72r，諸如用于分離右眼圖像和左眼圖像的濾光器或偏振器。應該 注意到，眼鏡66是能夠用于左、右眼分離的多種可能的類型的解碼裝置中的一種。對于圖2的實施例，每個光調制模塊104r、104g和104b具有兩個光源，一個光源 提供針對左眼的照明，另一個光源提供針對右眼的照明。以光調制模塊104r的一個實施例 為例，偏振可以用于區分右眼圖像和左眼圖像。光源112rl具有針對左眼的第一偏振的紅 光。光源112r2具有針對右眼的關于第一偏振正交的第二偏振的紅光。在另一個實施例中， 一個或更多個顏色通道中的正交偏振的照明源于同一光源。分光器將原始光束分離為兩個 光束，一個光束隨后被導引通過偏振改變部件(諸如波片)以提供正交偏振。在GEMS空間光調制器芯片IlOr處的調制之后，組合器64使用二向色(dichroic) 表面沿光軸0改變兩個偏振的經調制的紅光的方向。當偏振用于區別左、右眼圖像時，顯示 表面124是保偏顯示表面。對于這種類型的偏振分離的實施例，組合器64基本上是對偏振 不敏感的，對于正交偏振態的光提供基本上相同的光透射或反射行為。仍然參考圖2的示意圖，應用了類似的行為，其中，光譜差異而不是偏振態差異被 用來區分左眼圖像和右眼圖像。在一個這種示例性實施例中，光調制模塊104i 提供紅色通 道，光源112rl和112r2標稱為紅色，其在相同的光譜范圍內，S卩，波長間隔小于40nm。在一 個實施例中，光源112rl具有針對左眼的第一紅色波長(例如620nm)的光。光源112r2發 射針對右眼的第二紅色波長(例如640nm)的光。綠色和藍色通道類似地設置有不同波長 的光源。濾光器眼鏡66由觀看者佩戴，并且包括濾光器作為左、右區分單元721和72r，其 允許來自顏色通道的左眼圖像和右眼圖像可被分別觀看以用于立體顯示。存在多種選擇用于將多個光源導引向同一雙線性空間光調制器芯片IlOrUlOg 或110b。一種方法以略微不同的角度導引來自并排設置的不同源的激光光源，如圖2中所 描繪的實施例所示。圖3的示意性框圖示出另一個實施例，其利用一個顏色通道的部件，在 此示例中為光調制模塊104r。這里，分光器115對來自光源112rl和112r2的光進行組合。 當光源112rl和112r2的波長不同時，分光器115是二向色分光器。當光源112rl和112r2
8的偏振態不同時，分光器115是偏振分光器。使用線性光調制器的技術人員熟悉用于形成圖像的掃描順序。例如，在先前引用 的美國專利申請No. 2007/0047061中公開了多線性陣列的掃描和列時序操作的附加細節。當利用圖2中所示的實施例在顯示表面124上形成(nxm)像素的立體圖像時，左 眼圖像的每個連續的線作為入射光被依次導引至掃描單元122，并且從掃描單元122導引 至顯示表面124上。同時，右眼圖像的每個連續的線作為入射光類似地被依次導引至掃描 122，并且從掃描單元122導引至顯示表面124上。每個線的長度為η個像素。通過從掃描 單元122將m個連續的線掃描到顯示表面124上而形成完整的左眼圖像或右眼圖像。通過連續地改變位置，典型地通過在一定的角度范圍內的旋轉來操作掃描單元 122。其用于導引入射光的角位置由控制邏輯電路(未示出)來跟蹤和同步，該控制邏輯電 路相應地控制將數據傳遞到雙線性GEMS空間光調制器芯片IlOrUlOg和IlOb的時序。如 圖2和在隨后示出的實施例的圖中放大的，針對左眼圖像和右眼圖像而同時投影的兩條線 在顯示表面124上可以不重疊，而是其間具有固定的偏移距離。電子圖像領域的技術人員 可以理解，這還能夠影響沿顯示表面124上的圖像的最外邊緣投影的圖像內容。因此，例 如，掃描的后沿(最接近掃描行程的最外端)可以包括僅用于左眼圖像的圖像數據線。類 似地，掃描前沿(最接近掃描行程的開始)可以包括僅用于右眼圖像的圖像數據線。在這 些最外邊緣之間的顯示區域的實質部分中，左、右眼圖像內容均被投影。如果需要，圖像邊 緣處的不成對的線可以被刪除。存在圖2以及隨后的附圖中所示的實施例的特別引人注意的多種觀察結果。(i)來自同一 GEMS芯片的左、右眼圖像的投影。雖然這不適合于隨后描述的三線 性的實施例，但是這種特征存在一些優點，尤其對于在顯示表面124上準確記錄左、右眼圖 像而言。(ii)同時掃描針對左、右眼圖像的光線。這種順序與諸如“頁交換”的其它已知的 單投影機立體成像方法形成對比，“頁交換”方法循環顯示針對左眼的完整圖像以及針對右 眼的完整圖像，如隨后將更加詳細地描述的。如先前所描述的，在任何具體的時刻向掃描單 元122導引的光線可以重疊或可以在空間上彼此偏離。為了易于描述和理解，在本公開中 的附圖示出針對左眼圖像和右眼圖像同時投影的線之間的一定的偏移距離。雖然經調制的 光的左線和右線可以在某一時間點同時投影，但是在投影每條線的相應開始時間和結束時 間之間可能存在一定的定時偏移。不同顏色的光可以重疊或不重疊。(iii)使用單個掃描單元。利用本發明的實施例，同一掃描單元122用于在顯示表 面124上掃描左眼圖像和右眼圖像的線。有利地，可以從掃描單元122向顯示表面124同 時投影左眼圖像和右眼圖像的各個線。圖2中所示的基本模式允許多種實施例和修改，包括使用組合二向色表面或偏振 表面，其允許對三種以上的顏色或三個以上的光譜范圍進行調制，所有這些均在本發明的 范圍之內。為了更好地掌握本發明的設備和方法及其優點，將其與常規的立體技術以及使 用單投影機數字投影設備的實踐進行比較和對照是有益的。圖4A和4B是將常規的立體成像順序的操作與根據本發明的多線性光柵機電系統 或其它線性調制器陣列的操作進行比較的時序圖。對于之后的討論，僅考慮一種顏色；應記 住，通常采用三種或更多的顏色用于彩色圖像投影。圖4A的時序圖示出了常規的立體顯示順序，在本領域中稱為“頁交換”，其中完整的左、右眼圖像被交替顯示。它們的組合形成立 體幀90。該示例示出了代表性的典型時間間隔，該時間間隔中，顯示完整的左眼圖像或完整 的右眼圖像。例如，在時刻、和、之間的時間間隔中僅顯示左眼圖像。然后，在下一個時 間間隔，即時間tb和t。之間，僅顯示右眼圖像。繼續該循環，在下一個時間間隔，即時間t。 和td之間，僅顯示左眼圖像，等等。相對于圖4A，應該注意到，單投影設備的實施例可以提供同時的左、右眼圖像，并 且不需要頁交換，然而，這將需要昂貴且復雜的分離空間光調制器，每個分離空間光調制器 針對一只眼睛，并且需要在每個顏色路徑上支持光學系統。可替選地，雙投影機可以用來提 供同時的左、右眼圖像，但是這伴隨著成本、復雜性、設備設置和對準方面的困難。由于這兩 種可替選方案的缺點，圖4A的頁交換順序已知被用作較好的立體解決方案。圖4B示出了圖4A的時間將間隔tb_ta，并將這種間隔的常規設置與本發明的時序 進行了對照。在時間間隔tb-ta中，利用常規的順序僅顯示左眼圖像，如在圖4B的上部再次 示出的。利用本發明，同一時間間隔tb-ta可以被認為被再分成幾百個子間隔，在圖4B中表 示為tal、ta2……tax。在每個子間隔中，以本發明的掃描順序同時形成左眼圖像和右眼圖像 132。在任何一個子間隔中，具有η個像素的左眼圖像的線圖像1301被投影，并且右眼圖像 的線圖像130r也被投影。在從ta到tb的時間間隔中的任何時間點都不對完整的左眼圖像 或右眼圖像132進行投影，而是分別由數量為m的單個圖像線1301和130r的快速掃描來 形成完整的左眼圖像或右眼圖像132。作為尺度的概念，可以通過掃描幾百個單獨的線圖像 1301、130ι 來形成典型的圖像132。使用足夠快的高幀速率以排除閃爍。通常這意味著在 這種眼同時(eye-simultaneous)方法中，針對兩個眼睛的圖像使用大約為60Hz的幀速率。 在這種幀速率下，對于具有1080X1902像素的大型顯示設備來說，用于掃描單個線的每個 子間隔可以為大約8微秒。圖5示出了在一個時刻(此處為時間ta6)對經調制的光的“快照”。在該單獨的 時刻，針對左眼圖像和右眼圖像的線圖像1301和130r被同時導向顯示屏。相對于圖5以 及后續的附圖，應該注意到，在同一時刻投影的特定的左線圖像1301和右線圖像1301 之間 存在一定的空間分離。在這些附圖中可能將該空間分離放大，左線圖像1301和右線圖像 130r的位置可以非常接近，例如彼此在幾個像素之內，或者甚至重疊。使用圖2的實施例并 考慮紅色通道，從光調制模塊104r的雙線性GEMS空間光調制器芯片IlOr的線性陣列之一 85a(圖1A)產生線圖像1301 ；從光調制模塊104r的雙線性GEMS空間光調制器芯片IlOr 的另一個線性陣列85b產生線圖像130r。其它顏色通道類似地工作。在圖5中也顯示線圖 像1301和130r之間具有一定的分離距離，雖然它們可以重疊。圖6A、圖6B和圖6C的順序示出了如何從單個雙線性GEMS空間光調制器芯片IlOr 產生左線圖像1301和右線圖像130r。在這些簡化的光路圖中，GEMS芯片IlOr被描繪成從 后方觀看，有源陣列85a和85b如同從后面被看到。空間和尺度關系被不考慮其比例顯示。 為了清楚，在圖6A-6C的透視圖中未示出投影光學器件120和空間濾光器108。在圖6A中， 來自激光光源112rl并由照明光學器件106整形的光在陣列85a處被調制，并通過空間濾 光器108被導引至掃描單元122 (圖2中所示)。掃描單元122隨后將針對左眼的經調制的 光線作為線圖像1301掃描到顯示表面124上。圖6B示出了用于產生針對右眼圖像的線圖像130r的相應光路。來自激光光源112r2的光通過照明光學器件106來整形并在陣列85b處被調制，然后通過空間濾光器 108 (圖2)而被導引至同一掃描單元122。圖6C示出了針對左線圖像1301和右線圖像130r 的組合光路。同樣地，為了清楚地描述，可以如這里所示的放大左線圖像1301和右線圖像 130r之間的分離距離，實際上，同時被導引至顯示表面124上的左線圖像1301和右線圖像 130r更可能是鄰接的或重疊的。再次有益地注意到，先前對圖4A到圖6C的描述僅涉及單個顏色通道。在全色顯 示設備中，與之相同的時序和光路設置適用于三個或更多個原色通道中的每個。如特別參照圖4B、圖5和圖6C中示出的定時所注意到的，可以利用本發明的設備 和方法來同時投影左眼圖像和右眼圖像兩者，一次投影單個線地投影每個圖像。由此，不需 要降低圖像分辨率和光效率。與參照圖4A描述的常規定時設置(其中，在任何一時刻都有 一半的光源保持空閑)不同，本發明的光源能夠在圖像形成期間持續提供能量，提高了光 的利用率的效率。有益的是，由于GEMS芯片的響應速度，能夠以相對較快的刷新速率來提 供運動圖像，這使得閃爍現象最小化。圖4B到圖6C的實施例中示出的操作順序可以與采 用偏振分離或光譜分離來區分左、右眼圖像的系統一起使用。用于在雙線性GEMS空間調制器芯片110r、110g、110b處調制光而提供的圖像數據 與總體掃描定時同步，通過該總體掃描定時，掃描單元122在其角度范圍內旋轉以將光重 導引至顯示表面124。將圖像數據提供給GEMS裝置或其它雙線性光調制裝置的準確定時由 諸如線圖像1301、130r是否重疊或是否空間偏離等因素來控制，由掃描單元122的旋轉速 率來控制，由線圖像的厚度來控制，以及由線性調制器硬件本身的刷新速率來控制。可以理解，本發明允用于立體顯示的多個相關實施例中的任何一個。也可以使用 諸如色序照明的其它已知技術，以便為立體顯示設備提供更加簡單的光路。作為一個示例， 圖7的實施例的立體顯示設備可以使用單個的雙線性GEMS空間光調制器芯片110或類似 的雙線性空間光調制器來設計。在所示的光調制模塊150的配置中，利用電子成像領域的 技術人員熟知的色序定時設置，通過按順序提供原色(RGB)中的每個的照明光束1521將用 于左眼圖像的線的照明提供給陣列85a。類似地，對于右眼圖像，照明光束1521 提供用于通 過陣列85b連續調制的原色。如前所述，這種單調制器配置可以用于基于偏振的或光譜分 離方案以區分左、右眼圖像。照明光束1521和1521 優選地利用不同主波長的激光光源，但 是可替選地可以使用其它固態光源。在圖7的實施例中，光調制模塊150使用光源112r、112g和112b來產生用于順序 顏色照明的照明束1521和152r。例如，光源112r、112g和112b是偏振的，諸如偏振激光 器。每個光源112r、112g和112b被導引至組合器154，諸如分合色立方棱鏡(X-Cube)，組合 器154將其照明沿同一路徑導引至分光器156，分光器156在該圖中示為橫向位移分光器。 使用常規的S和P標記來示出偏振態。分光器156將照明分離為兩路，均具有相同的偏振 態(所示為S)。半波片158沿一個路徑(在該圖中為右眼圖像路徑)對偏振進行旋轉。偏 振光隨后被導引通過空間濾光器108，并通過一個或更多個透鏡160被導引至投影光學器 件120。對于使用圓偏振的實施例，四分之一波片162可以被設置在經調制的光的路徑中。利用圖7的設置，針對每個眼睛將紅、綠和藍原色光連續導引至雙線性GEMS空間 光調制器芯片110以用于調制。雖然這種配置可能缺乏這里所描述的其它實施例的效率和 亮度，但是其提供使用單個雙線性GEMS芯片來進行立體顯示的能力。
三線件實施例參照圖8，示出了使用兩個光調制模塊104a和104b的顯示設備100的另一個實施 例，其中每個光調制模塊分別具有相應的三線性GEMS空間光調制器芯片140r和140b。在 所示的實施例中，偏振用于提供分離的左、右眼圖像。使用常規的標記，光調制模塊104a使 用一種偏振(在此示例中為P偏振光)的照明；光調制模塊104b使用正交偏振(在此示例 中為S偏振光)的光。來自諸如固態激光器陣列的裝置的激光通常是高度偏振的。在所示 實施例中，提供半波片68來改變來自一個光模塊(這里為104b)的經調制的光的偏振。對 于電子成像領域的技術人員來說明顯的是，可替選的實施例可以使用兩個四分之一波片來 代替半波片68。一個四分之一波片可以放置在來自光調制模塊104a的經調制的光的路徑 上，不同取向的另一個四分之一波片被放置在來自光調制模塊104b的經調制的光的路徑 上。經調制的光被偏振分光器(PBS)導引至光軸0上，被投影并掃描到顯示表面124， 如圖2和圖7的實施例。對于使用圓偏振的實施例，四分之一波片162可以被設置在經調 制的光的路徑上。光譜分離的實施例也可以被設置成使用在主色光源之間具有適當光譜分離的兩 個三線性GEMS空間光調制器芯片140a和140b。對于這種實施例，將不使用半波片68，并 且PBS 114將被二向色組合器代替。下面將對色域的考慮進行描述。電子彩色投影領域中的技術人員已知的是，綠色通道對于亮度以及所感知的圖像 分辨率尤其重要，并且，紅色和藍色通道對于該目的沒有那么重要。本發明的其它實施例可 以通過以不同的分辨率對不同的顏色通道進行調制來利用這種特性。因此，例如光調制模 塊104g的綠色通道將處于全分辨率。由光調制模塊104r和104b提供的紅色和藍色通道 各自沿陣列軸以及可選地還沿掃描軸為綠色通道的分辨率的一半。降低的分辨率設置可以在許多方面有利。能夠放寬對多線性GEMS空間光調制器 芯片110的響應定時的要求。另外，能夠降低制造要求，在多線性GEMS基底上留出額外空 間用于傳送控制信號線路，其可以收到全分辨率雙線性設計的限制。餼域考慮增加能夠被顯示的色域(color gamut)的范圍是相當有利的，其便于提供比 在具有膠片染料或熒光粉的域限制的情況下可能的情形更加逼真更加生動的圖像。由 Commission International de 1 ’Eclairage (國際照明委員會)開發的所熟知的三色CIE 顏色模型示出了由標準的人類觀看者感知的顏色空間。圖9示出了 u’、v’空間中的CIE顏 色模型，其將可見域200呈現為熟知的“馬蹄形”曲線。在可見域200中，常規顯示裝置的 域可以由三邊裝置域202(例如標準的電影和電視工程師協會(SMPTE)等級的熒光粉)來 表示。如在彩色投影領域所熟知的，希望顯示裝置提供盡可能多的可見域200，以便于如實 展現圖像的實際顏色或例如提供用于圖形或計算機產生的影像的較寬的顏色范圍。參照圖9，純飽和光譜顏色被映射到可見域200的“馬蹄形”邊界。顯示器的組成 顏色(通常為原色紅、綠和藍(RGB))限定色域的多邊形的頂點，由此限定裝置域202的形 狀和界限，將其以虛線示出以更加顯著。理想情況下，這些組成顏色盡可能地靠近可見域 200的邊界。因此“馬蹄形”的內部包含所有顏色混合的映射，包括純色與白色的混合，諸如 光譜紅色添加白色，其變為粉色。
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增加裝置域202的尺寸的簡單策略是使用在光譜上純的光源，或至少具有良好的 光譜純度。激光器(由于其固有的光譜純度)尤其有利于最大化裝置域202。擴展色域的 第二種策略是從圖8中所示的裝置域202的常規三角形區域移動到以擴展的裝置域204示 出的多邊形區域。為了實現這種情況，需要添加一種或更多種其它的主光譜顏色。主光譜 顏色C1、C2、C3和C4以點來表示，其形成擴展的裝置域204的頂點。在電子成像領域已知 的用于將其它顏色合并到同一光路上所需的方法。激光器被示出為用于本發明的實施例中的顯示設備100的光源。激光器可以被持 續地提供能量，并且由于其相對光譜純度和空間相干性而具有優勢。當光譜分離用于區分 左、右眼圖像時，激光器尤其具有優勢。特別引人注意的用于投影應用的激光器陣列是各種 垂直腔表面發射激光器(VCSEL)陣列，包括加利福尼亞州Sunnyvale的Novalux公司的垂 直擴展腔表面發射激光器(VECSEL)和Novalux擴展腔表面發射激光器(NECSEL)裝置。然 而，其它類型的光源可以用于向GEMS空間光調制器芯片提供線性照明。用于從單光源提供 兩個正交偏振態的光的方法對于電子成像領域的技術人員來說是熟知的。還可以存在用于針對左、右眼圖像使用光譜分離的立體實施例的其它色域考慮。 利用光譜分離機制，采用兩組原色，第一組{Cl，C2，C3}用于左眼圖像，第二組{Cl’，C2’， C3’}用于右眼圖像。如圖10所示，第一組原色{C1，C2，C3}限定裝置域202(虛線)。第二 組原色{C1，，C2，，C3，}限定裝置域302 (實線)。裝置域202和302在可見域200的相當 大的一部分上交叉；然而，裝置域202和302的每個中存在不同的部分。實際上，立體觀看 的可用域為交叉部分，在圖10中著重繪出。(使用該交叉部分之外的顏色表現得使觀看者 產生不適)。因此，存在選擇波長接近的相似顏色(諸如Cl和Cl’)的動機，使得交叉區域 最大化。另一方面，由于不完善的濾光特性導致的相似顏色之間的串擾應該被最小化。這 樣，可以理解的是，選擇用于左眼圖像的{C1，C2，C3}和用于右眼圖像的{C1’，C2’，C3’ }這 兩個原色組需要在優化色域與最小化顏色通道串擾之間達到平衡。可以理解的是，許多使用多線性機電陣列的其它立體配置在本發明的范圍之內。 可以使用與另外的雙線性或三線性陣列的組合來添加其它原色。圖2、圖7和圖8中所示的立體實施例可以轉換模式，在三維立體模式或二維成像 模式下操作。關于圖2，例如，針對左、右眼圖像使用相同的圖像內容可以是有利的，其使得 偏振或光譜差異對于觀看者來說不可見。因此，當立體圖像內容可用時，成像模式可以相應 轉換。眼鏡66或其它類型的解碼裝置因此可以僅用于立體成像部分。雙觀看者實施例可替選地，立體顯示設備100可以用于雙觀看者投影。相當引人注意的用于游戲 和仿真應用的主題，即雙觀看者操作是立體操作的變型，其以使用立體投影設備和技術為 前提，只是在觀看者端有些許改變。對于雙觀看者模式，改變是簡單明了的所說的“左眼 圖像”現在針對第一觀看者，所說的“右眼圖像”針對第二觀看者。圖11示出了一個實施例中的雙觀看者顯示系統190。立體顯示設備100以與先前 參照圖2、圖7和圖8所示的實施例描述的方式相同的方式運行，其提供左、右眼圖像。第一 觀看者170a具有配備安裝在雙眼前面的區分單元721的眼鏡66a或其它類型的解碼裝置， 由此僅看到左眼圖像。類似地，第二觀看者170b使用配備有針對雙眼的區分單元72r的眼 鏡66b，僅看到右眼圖像。從圖11可以看到，對用于雙觀看的立體顯示系統所需的修改只是用眼鏡66a和66b (或其它合適的解碼裝置)來代替圖2、圖7和圖8中所示的眼鏡66。該 設置允許兩種不同的畫面，使得一個或更多個觀看者170a能夠看到左側觀看者圖像(在圖 11的示例性實施例中對應于左眼圖像)并且一個或更多個觀看者170b能夠看到右側觀看 者圖像(在圖11的示例性實施例中對應于右眼圖像)。對于消費者顯示器應用特別感興趣的是，雙觀看者操作允許兩個觀看者同時欣賞 不同的節目，或者允許兩個競爭游戲者各自具有他們均參與的同一游戲的全屏的各自的場 景。可以向多個觀看者提供眼鏡66a和66b以用于雙觀看者顯示。已經特別參考本發明的一些優選實施例對本發明進行了詳細描述，但是本領域普 通技術人員應該理解，可以在如上所述以及如所附權利要求中所記錄的本發明的范圍中進 行改變和修改，而不脫離本發明的范圍。例如，雖然在這里描述的示例性實施例中使用GEMS 裝置，但是可以想到使用其它類型的線性光調制器。在一些實施例中，光柵光閥(GLV)部件 可替選地被用于形成左眼線圖像和右眼線圖像。在圖2、圖7和圖8中示出了用于對圖像調 制的定時和掃描單元122的定位進行同步的控制邏輯電路，但是其對于電子成像領域的技 術人員來說是熟知的。而且，對于本領域的技術人員來說已知的是，可以將偏振清除部件添 加到光學系統中，以保持左眼圖像和右眼圖像的分離以及對光的水平進行平均。這些偏振 清除部件可以包括清除偏光鏡或補償器。因此，提供了一種用于使用多線性機電光柵裝置來實現立體彩色投影的設備和方 法。
部件列表40 GEMS 芯片60 GEMS 芯片62 基底64 組合器66 眼鏡66a 眼鏡66b 眼鏡68 半波片721 右區分單元72r 左區分單元85a 陣列85b 陣列88 線性照明90 立體幀100 顯示設備104a光調制模塊104r光調制模塊104g光調制模塊104b光調制模塊106 照明光學器件0111]108空間濾光器
0112]110雙線性GEMS空間光調制器芯片
0113]IlOr雙線性GEMS空間光調制器芯片
0114]IlOg線性GEMS空間光調制器芯片
0115]IlOb線性GEMS空間光調制器芯片
0116]112r光源
0117]112g光源
0118]112b光源
0119]112rl激光光源
0120]112r2激光光源
0121]112gl激光光源
0122]112g2激光光源
0123]112bl激光光源
0124]112b2激光光源
0125]114偏振分光器
0126]115分光器
0127]120投影光學器件
0128]122掃描單元
0129]124 顯示表面
0130]1301 線圖像
0131]130r 線圖像
0132]132 圖像
0133]140a 三線性GEMS空間光調制器芯片
0134]140b 三線性GEMS空間光調制器芯片
0135]150 光調制模塊
0136]1521 照明束
0137]152r 照明束
0138]154 組合器
0139]156 分光器
0140]158 半波片
0141]160 透鏡
0142]162 分之一波片
0143]170a 觀看者
0144]170b 觀看者
0145]185r 陣列
0146]185g 陣列
0147]185b 陣列
0148]190 雙觀看者顯示系統
0149]200 可見域
15
202裝置域
204擴展的裝置域
302裝置域
A區域
Cl原色
C2原色
C3原色
C4原色
Cl，原色
C2，原色
C3，原色
0光軸
R部分
G部分
B部分
I部分
II部分
權利要求
一種用于形成包括左眼圖像和右眼圖像的立體圖像的方法，所述方法包括被重復的步驟向掃描單元導引作為入射光的所述左眼圖像的線，同時向所述掃描單元導引作為入射光的所述右眼圖像的線；將所述掃描單元移動到用于向顯示表面的部分導引入射光的位置。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，導引所述左眼圖像的線包括使用第一線性光調 制器形成所述左眼圖像的所述線。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，導引所述右眼圖像的線還包括使用第二線性光 調制器形成所述右眼圖像的所述線。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述第一線性光調制器和所述第二線性光調制 器被形成在同一基底上。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，所述左眼圖像的所述線處于第一波長，而所述右 眼圖像的所述線處于第二波長，其中所述第一波長距離所述第二波長40nm以內。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，導引所述左眼圖像的線包括導引所述線通過至 少一個透鏡。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，所述左眼圖像的所述線和所述右眼圖像的所述 線具有基本正交的偏振態。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述左眼圖像的所述線和所述右眼圖像的所述 線是圓偏振的。
9.根據權利要求2所述的方法，其中，所述第一線性光調制器是光柵機電系統裝置。
10.一種用于形成包括左眼圖像和右眼圖像的多色立體圖像的方法，對于至少第一顏 色通道、第二顏色通道和第三顏色通道中的每個，所述方法包括被重復的步驟向掃描單元導引作為入射光的所述左眼圖像的線，同時向所述掃描單元導引作為入射 光的所述右眼圖像的線；以及將所述掃描單元移動到用于向顯示表面的部分導引入射光的位置。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，對于每個顏色通道，所述左眼圖像的所述線具 有第一波長，而所述右眼圖像的所述線具有第二波長，其中所述第一波 長距離所述第二波 長40nm以內。
12.根據權利要求10所述的方法，其中，固態光源提供照明以用于在所述第一顏色通 道中形成所述左眼圖像以及形成所述右眼圖像。
13.根據權利要求10所述的方法，其中，用于所述左眼圖像的光關于用于所述右眼圖 像的光具有正交的偏振。
14.根據權利要求10所述的方法，其中，導引所述左眼圖像的線包括使用多線性光柵 機電系統裝置形成所述左眼圖像的所述線。
15.根據權利要求10所述的方法，其中，所述掃描單元選自由反射鏡和多角鏡構成的組。
16.一種用于形成包括左眼圖像和右眼圖像的多色立體圖像的方法，對于至少兩個顏 色通道中的每個顏色通道，所述方法包括被重復的步驟使用第一多線性光調制器形成所述左眼圖像的線，同時，使用所述第一多線性光調制器形成所述右眼圖像的線；向掃描單元導引作為入射光的所述左眼圖像的所述線和所述右眼圖像的所述線；以及將所述掃描單元移動到用于向顯示表面的部分導引由投影透鏡提供的入射光的位置。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，使用第一多線性光調制器形成所述左眼圖像 的線包括使用多線性光柵機電系統裝置形成所述左眼圖像的所述線。
18.根據權利要求16所述的方法，其中，由固態光源形成所述左眼圖像的所述線。
19.根據權利要求16所述的方法，其中，所述左眼圖像的所述線為圓偏振的。
20.一種用于形成包括左眼圖像和右眼圖像的多色立體圖像的方法，對于至少兩個顏 色通道中的每個顏色通道，所述方法包括被重復的步驟使用第一多線性光調制器形成所述左眼圖像的線，同時，使用第二多線性光調制器形 成所述右眼圖像的線；向掃描單元導引作為入射光的所述左眼圖像的所述線和所述右眼圖像的所述線；以及將所述掃描單元移動到用于向顯示表面的部分導引由投影透鏡提供的入射光的位置。
21.一種用于形成包括第一觀看者圖像和第二觀看者圖像的一對圖像的方法，所述方 法包括被重復的步驟向掃描單元導引作為入射光的所述第一觀看者圖像的線，同時向所述掃描單元導引作 為入射光的所述第二觀看者圖像的線；以及將所述掃描單元移動到用于向顯示表面的部分導引入射光的位置。
22.根據權利要求21所述的方法，其中，導引所述第一觀看者圖像的線包括使用第一 線性光調制器形成所述第一觀看者圖像的所述線。
23.根據權利要求21所述的方法，其中，導引所述第二觀看者圖像的線包括使用第二 線性光調制器形成所述第二觀看者圖像的所述線。
全文摘要
一種用于形成包括左眼圖像和右眼圖像的立體圖像的方法重復以下步驟向掃描單元導引作為入射光的左眼圖像的線，同時向掃描單元導引作為入射光的右眼圖像的線；將掃描單元移動到用于向顯示表面的部分導引入射光的位置。
文檔編號H04N13/00GK101965736SQ200980108274
公開日2011年2月2日 申請日期2009年2月12日 優先權日2008年3月13日
發明者約翰·阿方斯·阿戈斯蒂內利, 邁克爾·艾倫·馬庫斯, 馬雷克·沃齊米日·科瓦日 申請人:伊斯曼柯達公司