使用光譜相鄰色帶的立體投影儀的制作方法

使用光譜相鄰色帶的立體投影儀的制作方法
【專利摘要】用于投影包括左眼圖像和右眼圖像的立體圖像的立體數字投影系統包括：第一和第二光譜相鄰光源，提供相應的第一和第二光束，光譜相鄰光源具有落在單個分量色光譜內的相應的第一和第二光譜相鄰的基本上非重疊的光譜帶；空間光調制器，具有能夠根據圖像數據被調制以提供成像光的像素的陣列；照明光學器件，布置成接收第一光束和第二光束并提供基本上均勻的第一光帶和第二光帶；束掃描光學器件，布置成使第一和第二光帶在空間光調制器上循環滾動；控制器系統，根據用于立體圖像的圖像數據同步地調制空間光調制器像素；投影光學器件，用于將成像光傳輸到顯示表面；以及用于觀看者的濾光眼鏡。
【專利說明】使用光譜相鄰色帶的立體投影儀
【技術領域】
[0001 ] 本發明總體上涉及用于投影立體數字圖像的裝置，且更具體地涉及使用用于形成單獨的左眼和右眼圖像的滾動光譜相鄰色帶的改進的裝置。
【背景技術】
[0002]考慮到對常規電影投影儀的適當替代，數字投影系統必須滿足對圖像質量的要求。這對于多色電影投影系統尤其如此。對常規電影高質投影儀的有競爭力的數字投影替代物必須滿足高性能標準，提供高分辨率、寬色域、高亮度和超過2，000:1的幀連續對比率。
[0003]立體投影是電影工業日益特別感興趣的領域。三維(3D)圖像或所感知的立體內容給消費者提供了增強的視覺體驗，特別是在大劇場中。常規立體系統使用膜來實現，其中兩組膜和投影儀同時投影正交偏振(對每只眼有一組膜和投影儀)，在本公開的上下文中被稱為“左眼圖像”和“右眼圖像”。觀眾成員配戴阻擋對于每只眼睛的一個偏振光圖像同時透射正交偏振光圖像的相應的正交偏振眼鏡。
[0004]在電影工業到數字成像的正在進行的轉變中，一些銷售商例如Imax繼續利用雙投影系統來提供高質量立體圖像。然而最近，常規數字投影儀被修改來實現3D投影。
[0005]用于從這些數字投影儀形成立體圖像的常規方法使用用于區分左眼和右眼圖像的兩種主要技術之一。由Dolby實驗室利用的一種技術例如使用光譜或色空間分離。所使用的方法類似于在Maximus等人的題為“Method and device for performingstereoscopic image display based on color selective filters，，的美國專利7，832，869中描述的方法，其中色空間分離用于區分開左眼和右眼圖像內容。使用原色紅、綠和藍分量色來投影對于每只眼的圖像，但所使用的精確的紅、綠和藍光波長在左和右眼圖像之間有所不同。為了實現這個分離，在白光照明系統中利用濾光器來在幀時間的一部分內暫時阻擋每種原色的部分。例如，對于左眼，紅、藍和綠光(RGB)的低波長光譜將被阻擋一段時間。隨后對另一只眼阻擋紅、藍和綠光(RGB)的高波長光譜。與每只眼相關聯的適當顏色調節立體內容被提供給用于該眼的每個空間光調制器。觀看者配戴具有類似地只將兩個3色(RGB)光譜組之一透射到每只眼的相應的濾光器組的觀看眼鏡。
[0006]第二種方法利用偏振光。在Svardal等人的美國專利6，793，341中公開的一種方法利用被傳輸到兩個單獨的空間光調制器的兩個正交偏振態中的每個。來自這兩個調制器的偏振光接著被同時投影。觀看者配戴具有相對于彼此正交地取向的用于左眼和右眼的偏振透射軸的偏振眼鏡。
[0007]每種方法都有優點和缺點。光譜分離解決方案例如由于使用廉價的顯示屏而更易使用而具有優勢。使用光譜分離，調制器或相關聯的光學器件的偏振特性并不顯著影響性能。然而，所需要的濾光眼鏡是昂貴的，且圖像質量由諸如角移位、頭運動和傾斜的因素而減損。昂貴的濾光眼鏡還受到刮擦損壞和失竊的影響。在濾光眼鏡設計中的有前途的發展——包括由3M公司通過非蒸發裝置生產的分層光學膜的使用——可有助于解決成本問題并使光譜分離技術變得更有成本效益。
[0008]光譜分離方法的另一缺點涉及在色空間的調節中的困難和由濾光引起的顯著的光損耗，導致較高的所需燈輸出或減小的圖像亮度。濾光損耗在Silverstein的題為“Projector using independent multiple wavelength light sources，，的美國專利申請公布2009/0153752中處理，其中獨立的光譜相鄰源由分束器組合以有效地引導到空間光調制器。這種方法的一個缺點是，這些光源只被利用大約一半的時間，因為調制器一次僅可提供一眼圖像。雖然光源可能具有較長的壽命，顯示器的初始成本由于兩組獨立源的成本要求而增加。
[0009]利用用于分離左和右眼圖像的偏振，可更有效地使用光。Silverstein等人的題為 “Stereo projection using polarized solid state light sources，，的美國專利7，891，816 和 Silverstein 等人的題為 “Etendue maintaining polarization switchingsystem and related methods”的美國專利8，016, 422描述了對兩個偏振態充分利用光源的投影系統配置。然而，偏振技術由于額外的成本和偏振保持屏幕的敏感性而是不利的，偏振保持屏幕一般利用結構化金屬涂層。這些涂層是高增益，這提高了同軸觀看，但對于離軸觀看較差。此外，使用這種方法的鏡面反射會對一些觀看者造成麻煩。這個效應在使用相干光時進一步惡化，因為它導致較高水平的觀看者感受到散斑。由于通過高角度光學器件保持高偏振控制的困難以及對污垢和缺陷更敏感，使用偏振光的投影儀一般更加昂貴。因此，效率的任何增益多多少會被其它問題抵消。
[0010]照明效率的持續問題與擴展量(etendue)或類似地與拉格朗日不變量有關。如在光學領域中公知的，擴展量與光學系統可處理的光的量有關。潛在地，擴展量越大，圖像越亮。在數字上，擴展量與兩個因子，即，圖像面積和數值孔徑的乘積成比例。從具有光源12、光學器件18和空間光調制器20的圖1所示的簡化光學系統方面說，光源的擴展量是光源面積Al和其輸出角Θ I的乘積。同樣，空間光調制器20的擴展量等于調制器面積A2和其接受角Θ 2的乘積。為了增加的亮度，期望從光源12的面積提供盡可能多的光。作為一般原則，當光源12處的擴展量最接近地匹配空間光調制器20處的擴展量時，光學設計是有優勢的。
[0011]增加例如數值孔徑增加了擴展量，使得光學系統捕獲更多的光。類似地，增加光源尺寸使得光在較大的區域上出現增加了擴展量。為了在照明側利用增加的擴展量，空間光調制器20的擴展量必須大于或等于光源12的擴展量。然而通常，空間光調制器20越大，它將越昂貴。這在使用設備例如LCOS和DLP部件時尤其如此，其中硅襯底和缺陷隨著尺寸而增加。一般而言，增加的擴展量導致更復雜和昂貴的光學設計。
[0012]當光源的擴展量很好地匹配空間光調制器的擴展量時，效率提高。較差地匹配的擴展量意味著光學系統或者是缺乏光的，無法向空間光調制器提供足夠的光，或者是效率低的，顯著地丟棄產生用于調制的相當大的一部分光。
[0013]固態激光器改善了擴展量、壽命和總光譜和亮度穩定性。最近，諸如VCSEL (垂直腔表面發射激光器)激光器陣列被商業化并當以各種方式組合作為對于數字電影投影的潛在光源時表現出一些希望。然而，亮度本身還不足夠高；需要來自多達9個單獨陣列的組合光，以便為每種顏色提供必要的亮度。
[0014]投影應用的特別感興趣的激光器陣列是各種類型的VCSEL陣列，包括VECSEL (垂直延伸腔表面發射激光器)和來自加利福尼亞州Sunnyvale的Novalux的NECSEL(Novalux延伸腔表面發射激光器)設備。
[0015]然而，即使在激光器技術方面及濾光器制備和成本方面有所改善，在立體成像投影的方法中還有相當大的改善空間。使用左眼和右眼圖像的光譜分離的常規解決方案一般是缺乏光的，因為每只眼僅僅可利用所產生的光的至多一半。因此，需要使用具有增加的光效率的光譜分離的立體成像解決方案。

【發明內容】

[0016]本發明描述了用于投影包括左眼圖像和右眼圖像的立體圖像的立體數字投影系統，其包括:
[0017]第一和第二光譜相鄰光源，提供相應的第一和第二光束，光譜相鄰光源具有相應的第一和第二光譜相鄰的基本上非重疊的光譜帶，兩個光譜帶落在紅色光譜、綠色光譜或藍色光譜內；
[0018]空間光調制器，具有能夠根據圖像數據被調制以提供成像光的像素的陣列；
[0019]照明光學器件，布置成從第一光譜相鄰光源接收第一光束并提供基本上均勻的第一光帶，并配置成從第二光譜相鄰光源接收第二光束并提供基本上均勻的第二光帶；
[0020]束掃描光學器件，布置成使第一和第二光帶在空間光調制器循環滾動，使得第一和第二光帶是基本上空間非重疊的；
[0021]控制器系統，根據用于立體圖像的圖像數據同步地調制空間光調制器像素，其中根據用于左眼圖像的圖像數據來調制由第一光帶照射的空間光調制器像素，且根據用于右眼圖像的圖像數據來調制由第二光帶照射的空間光調制器像素；
[0022]投影光學器件，用于將來自空間光調制器的成像光傳輸到顯示表面；以及
[0023]用于觀看者的濾光眼鏡，具有將第一光譜帶中的光選擇性地透射到觀看者的左眼的左眼濾光器和將第二光譜帶中的光選擇性地透射到觀看者的右眼的右眼濾光器。
[0024]本發明具有的優點在于:光源可持續接通，從而利用用于形成立體圖像的所產生的光的高百分比。
[0025]具有額外的優點在于:所投影的立體圖像可在不是偏振保持的常規投影屏幕上觀看。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是示出在投影系統中的擴展量計算中的因子的表示圖；
[0027]圖2是示出現有技術滾動序列的示意圖；
[0028]圖3是示出根據本發明的實施方式的使用光譜相鄰色帶的單通道顏色滾動序列的不意圖；
[0029]圖4A是示出在使用單個光束掃描儀來提供兩個光譜相鄰色帶的立體數字投影系統中的單個顏色通道的部分的示意圖；
[0030]圖4B是示出在使用單獨光束掃描儀來提供每個光譜相鄰色帶的立體數字投影系統中的單個顏色通道的部分的示意圖；
[0031]圖5是示出具有三個顏色通道的立體數字投影系統的示意圖，每個顏色通道使用圖4A的配置；
[0032]圖6A是示出用于掃描單個色帶的旋轉棱鏡的使用的示意圖；
[0033]圖6B是示出用于掃描兩個色帶的旋轉棱鏡的使用的示意圖；
[0034]圖6C是示出用于使用用于掃描兩個色帶的旋轉棱鏡的另一配置的示意圖；
[0035]圖7A是示出使包括兩個小透鏡陣列的光學器件均勻化的示意圖；
[0036]圖7B是示出使包括兩個積分棒的光學器件均勻化的示意圖；
[0037]圖8是示出根據本發明的實施方式的光束掃描配置的示意圖；
[0038]圖9是具有三個顏色通道并對固態發光器的陣列使用組合光學器件的立體彩色滾動數字投影系統的示意圖；
[0039]圖10是根據使用兩個空間光調制器的替代實施方式的具有三個顏色通道的立體彩色滾動數字投影系統的示意圖；
[0040]圖11示出可用于圖10的二向色組合器的示例性梳狀濾光器的頻譜透射率的曲線.[0041]圖12A是示出旋轉棱鏡的使用的示意圖，每個旋轉棱鏡掃描與左眼和右眼圖像形成系統相關聯的三個色帶；以及
[0042]圖12B是示出使用單個旋轉棱鏡以掃描左眼和右眼圖像形成系統中的每個的三個色帶的示意圖。
[0043]應理解，附圖是為了說明本發明的概念的目的，且可以不按比例。
【具體實施方式】
[0044]本發明包括在本文描述的實施方式的組合。對“【具體實施方式】”等的提及指存在于本發明的至少一個實施方式中的特征。對“實施方式”或“【具體實施方式】”等的單獨提及不一定指相同的一個或多個實施方式；然而，這樣的實施方式并不是相互排他的，除非這樣指明或如對本領域中的技術人員容易明了的。在提到“方法”等時的單數或復數的使用并不是限制性的。應注意，除非另外明確提出或被上下文要求，詞語“或”在本公開中在非排他的意義上被使用。
[0045]本描述具體涉及形成根據本發明的裝置的部分或更直接地與根據本發明的裝置協作的元件。應理解，沒有特別示出或描述的元件可采取本領域中的技術人員公知的各種形式。
[0046]在本文所示和所述的附圖被提供來說明根據本發明的操作原理，且不意圖以實際尺寸或比例繪出。由于本發明的激光器陣列的組成部分的相對尺寸，一些放大是必要的，以便強調基本結構、形狀和操作原理。此外，例如各種部件，例如用于定位和安裝光學部件的那些部件沒有示出，以便更好地顯示和描述與本發明的實施方式更緊密地相關的部件。
[0047]在使用是，術語“第一”、“第二”等并不一定表示任何順序或優先關系，而可以簡單地用于更清楚地區分開一個元件與另一元件。
[0048]術語“顏色”和“波長帶”和“光譜帶”通常是同義的，如在本公開的上下文中使用的。例如，激光器或其它固態光源通過其一般色譜例如紅色而不是通過其峰值輸出波長(例如635nm)或其波長帶(例如630_640nm)來指代。在本公開的上下文中，不同的波長帶被認為基本上是不重疊的。[0049]本發明的實施方式使用獨立的光譜相鄰光源來解決對于立體觀看系統中的改善亮度的需要。在本發明的上下文中，術語“光譜相鄰(spectrally-adjacent)”涉及在色譜的相同的一般部分內的用于分量色的鄰近光譜基本上不重疊的光譜帶，分量色形成彩色圖像，一般是紅色、綠色、藍色，且可能包括第四種顏色和其它額外的顏色。每種分量色的相應光譜相鄰顏色位于色譜的同一部分(例如紅色、綠色或藍色)中，但具有相對于波長基本上不重疊的用于左和右眼圖像的不同的光譜帶(即，波長范圍)。
[0050]觀看者濾光眼鏡結合有配置成將適當的光譜帶透射到每只眼睛并阻擋用于形成用于另一只眼的圖像的光譜帶的濾光器。阻擋可以例如借助于反射或吸收。
[0051]通過示例而非限制，表1根據本發明的實施方式列出一般分量色譜和示例性光譜相鄰光譜帶。實際上，為了立體顯示目的，具有光譜非重疊顏色意味著沒有可感知的串擾(即，來自左眼圖像的顏色通道信息基本上是觀察者的右眼不可感知的，反之亦然)。這僅在每只眼睛的相關濾光器在操作條件例如視角上也適當地拒絕來自相對的眼睛的光的情況下為真。
[0052]表1:示例性光譜相鄰光譜帶
[0053]
【權利要求】
1.一種立體數字投影系統，用于投影包括左眼圖像和右眼圖像的立體圖像，所述立體數字投影系統包括: 第一光譜相鄰光源和第二光譜相鄰光源，提供相應的第一光束和第二光束，所述第一光譜相鄰光源和第二光譜相鄰光源具有相應的第一光譜相鄰的基本上非重疊的光譜帶和第二光譜相鄰的基本上非重疊的光譜帶，兩個光譜帶落在紅色光譜、綠色光譜或藍色光譜內； 空間光調制器，具有能夠根據圖像數據而被調制以提供成像光的像素的陣列； 照明光學器件，布置成接收來自所述第一光譜相鄰光源的所述第一光束并提供基本上均勻的第一光帶，并布置成接收來自所述第二光譜相鄰光源的所述第二光束并提供基本上均勻的第二光帶； 束掃描光學器件，布置成使所述第一光帶和所述第二光帶在所述空間光調制器上循環滾動，以使得所述第一光帶和所述第二光帶是基本上空間非重疊的； 控制器系統，根據用于所述立體圖像的圖像數據同步地調制所述空間光調制器像素，其中根據用于所述左眼圖像的圖像數據來調制由所述第一光帶照射的空間光調制器像素，且根據用于所述右眼圖像的圖像數據來調制由所述第二光帶照射的空間光調制器像素；投影光學器件，用于將來自所述空間光調制器的所述成像光傳輸到顯示表面；以及用于觀看者的濾光眼鏡，具有將所述第一光譜帶中的光選擇性地透射到所述觀看者的左眼的左眼濾光器和將所述第二光譜帶中的光選擇性地透射到所述觀看者的右眼的右眼濾光器。
2.如權利要求1所述的立體數字投影系統，其中所述束掃描光學器件包括至少一個運動光學元件。
3.如權利要求2所述的立體數字投影系統，其中所述運動光學元件的運動是旋轉、平移、往復運動或繞軸旋轉運動。
4.如權利要求2所述的立體數字投影系統，其中所述運動光學元件是棱鏡、鏡子或透鏡。
5.如權利要求1所述的立體數字投影系統，其中所述束掃描光學器件包括: 第一運動光學元件，使所述第一光帶滾動； 第二運動光學元件，使所述第二光帶滾動；以及 二向色束組合器，將所滾動的光帶組合到平行光軸上。
6.如權利要求1所述的立體數字投影系統，其中所述束掃描光學器件包括: 運動光學元件；以及 束引導光學器件，將所述第一光束和第二光束引導到平行光軸上，提供空間相鄰的第一光束和第二光束，其中所述空間相鄰的第一光束和第二光束都被引導到所述運動光學兀件上，從而提供所滾動的第一光帶和第二光帶。
7.如權利要求1所述的立體數字投影系統，其中所述束掃描光學器件包括: 運動光學元件； 束引導光學器件，將所述 第一光束和第二光束引導到非平行光軸上，提供非平行的第一光束和第二光束，其中所述非平行的第一光束和第二光束都被引導到所述運動光學兀件上，從而提供滾動的第一光帶和第二光帶；以及束組合光學器件，將所滾動的第一光束和第二光束組合到平行光軸上，從而提供所滾動的第一光帶和第二光帶。
8.如權利要求6所述的立體數字投影系統，其中所述束引導光學器件包括光束重定向棱鏡，用以提供所述空間相鄰的第一光束和第二光束。
9.如權利要求6所述的立體數字投影系統，其中所述束引導光學器件包括二向色束組合器，用以提供所述空間相鄰的第一光束和第二光束。
10.如權利要求1所述的立體數字投影系統，其中所述照明光學器件包括提供基本上均勻的光束的均勻化光學器件。
11.如權利要求10所述的立體數字投影系統，其中所述均勻化光學器件包括積分棒或小透鏡陣列。
12.如權利要求10所述的立體數字投影系統，其中所述照明光學器件包括沿著光學路徑將所述均勻化光學器件的輸出表面成像到所述空間光調制器上的透鏡，其中所述束掃描光學器件位于所述均勻化光學器件的所述輸出表面和所述空間光調制器之間的所述光學路徑中。
13.如權利要求1所述的立體數字投影系統，其中所述第一光譜相鄰光源和所述第二光譜相鄰光源是獨立的光源。
14.如權利要求1所述的立體數字投影系統，其中所述第一光譜相鄰光源和所述第二光譜相鄰光源是具有小于IOnm的光譜帶寬的窄帶光源。
15.如權利要求1所述的立體數字投影系統，其中所述第一光譜相鄰光源和所述第二光譜相鄰光源是激光源、LE D光源或量子點光源。
16.如權利要求1所述的立體數字投影系統，其中所述左眼濾光器和右眼濾光器是二向色光譜梳狀濾光器。
17.如權利要求16所述的立體數字投影系統，其中所述二向色光譜梳狀濾光器包括具有多層薄膜涂層的光學表面。
18.如權利要求16所述的立體數字投影系統，其中所述二向色光譜梳狀濾光器包括多層伸展聚合物膜結構。
19.一種彩色立體數字投影系統，用于投影包括左眼圖像和右眼圖像的彩色立體圖像，所述彩色立體數字投影系統包括: 多個圖像形成系統，每個圖像形成系統對應于所述彩色立體圖像的不同顏色通道并且包括: 第一光譜相鄰光源和第二光譜相鄰光源，提供相應的第一光束和第二光束，所述光譜相鄰光源具有相應的第一光譜相鄰的基本上非重疊的光譜帶和第二光譜相鄰的基本上非重疊的光譜帶，兩個光譜帶落在紅色光譜、綠色光譜或藍色光譜內； 空間光調制器，具有能夠根據圖像數據而被調制以提供成像光的像素的陣列； 照明光學器件，布置成接收來自所述第一光譜相鄰光源的所述第一光束并提供基本上均勻的第一光帶，并布置成接收來自所述第二光譜相鄰光源的所述第二光束并提供基本上均勻的第二光帶； 束掃描光學器件，布置成使所述第一光帶和所述第二光帶在所述空間光調制器上循環滾動，以使得所述第一光帶和所述 第二光帶是基本上空間非重疊的；以及控制器系統，根據用于所述彩色立體圖像的相應顏色通道的圖像數據同步地調制空間光調制器像素，其中根據用于所述左眼圖像的圖像數據來調制由所述第一光帶照射的空間光調制器像素，且根據用于所述右眼圖像的圖像數據來調制由所述第二光帶照射的空間光調制器像素； 顏色通道組合光學器件，將來自所述多個圖像形成系統的所述成像光組合到公共光軸上； 投影光學器件，用于將所組合的成像光傳輸到顯示表面；以及用于觀看者的濾光眼鏡，具有將所述第一光譜帶中的光選擇性地透射到所述觀看者的左眼的左眼濾光器和將所述第二光譜帶中的光選擇性地透射到所述觀看者的右眼的右眼濾光器。`
【文檔編號】H04N13/04GK103891276SQ201280048597
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年9月14日 優先權日:2011年10月3日
【發明者】B·D·西爾弗斯坦 申請人:伊斯曼柯達公司