專利名稱：圖像投影裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小型圖像投影裝置和方法。
背景技術(shù)：
微顯示器是一種小型化的顯示器，通常其屏幕對(duì)角線的尺寸小于1.5″。微顯示器通常應(yīng)用于數(shù)據(jù)投影儀、頭戴式顯示器、以及數(shù)字相機(jī)的傳統(tǒng)取景器中。由于可以觀察到完整的計(jì)算機(jī)屏幕，所以微顯示器可以應(yīng)用于小型投影儀，應(yīng)用于手持因特網(wǎng)裝置的取景器中，以及應(yīng)用于進(jìn)行上網(wǎng)沖浪和視頻會(huì)議的移動(dòng)電話中。
大多數(shù)的微顯示器利用一由硅芯片制成的光閥作為基板材料。該芯片還安裝有尋址電子裝置(至少一個(gè)具有集成驅(qū)動(dòng)器的有源矩陣)，通常以標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)允許非?？煽康暮头€(wěn)定的電路、非常小的像素間距(小至10μm或者甚至更小)、以及高的顯示分辨率。
存在已知的反射式和透射式光閥。反射式光閥將顯示圖像所發(fā)出的光反射入觀察器的透鏡或者投影透鏡。透射式光閥類似于背照燈，采用LCD(液晶顯示器)以及EL(電致發(fā)光)技術(shù)的便攜式計(jì)算機(jī)屏幕。通用的反射式光閥基于硅基液晶(LCOS)以及斜置微鏡(DMD)。通用的透射式光閥基于有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)。
采用上述透射式微顯示器的投影儀通常包括一個(gè)光路，該光路包括一個(gè)光源和一個(gè)空間光調(diào)制器(SLM)，其中在這兩者之間布置有光束整形光學(xué)元件和偏振元件。在SLM和投影表面通常設(shè)置有另外一個(gè)偏振元件和一放大光學(xué)元件。將SLM耦合到視頻處理驅(qū)動(dòng)器，以根據(jù)輸入信號(hào)而產(chǎn)生光的圖像調(diào)制。
設(shè)計(jì)公知的基于微顯示器的投影儀的普遍光學(xué)難題在于低能量效率；由于源的非均勻強(qiáng)度分布(即SLM表面上的高斯分布)和強(qiáng)度損失而導(dǎo)致輸出圖像的低亮度以及非均勻性；輸出圖像的低聚焦深度。在激光投影儀中，激光源的“斑點(diǎn)”現(xiàn)象造成光的粒狀圖案遍布在圖像中，這也是一個(gè)技術(shù)難題。其他直接與光學(xué)難題以及硬件實(shí)現(xiàn)相關(guān)的普遍困難是尺寸、重量、光學(xué)復(fù)雜性、功耗以及整個(gè)投影裝置的便攜性。
以下申請(qǐng)公開了旨在解決上述一個(gè)或者多個(gè)問題的不同方法和裝置。
US 5,971,545公開了一種利用一反射式光閥的緊湊式和節(jié)能式投影顯示器。光源的輸出光束由至少一個(gè)空間光調(diào)制器接收。對(duì)經(jīng)過調(diào)制的輸出光束進(jìn)行準(zhǔn)直和合并。投影透鏡接收被準(zhǔn)直和合并的輸出光束，并將其導(dǎo)向投影屏幕。通過采用順序選通的RGB光源而不是白光源來獲得能量效率。
US 5,777,789公開了一種用于高分辨率投影顯示的光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)包括反射式雙折射(雙重折射)光閥。該LCD投影儀包括偏振分束器，彩色圖像合并棱鏡，照明系統(tǒng)，投影透鏡，用于色彩和對(duì)比度控制的濾光器，以及屏幕。照明系統(tǒng)包括一個(gè)例如金屬鹵化物弧光燈之類的光源；在從光源開始的光路中用于濾出從光源所發(fā)射的紫外和紅外光的一個(gè)或多個(gè)紫外線和紅外線濾光器；一個(gè)光隧道，用于提供均勻的光強(qiáng)；以及一個(gè)中繼透鏡系統(tǒng)，用于對(duì)照明系統(tǒng)輸出平面進(jìn)行放大，并且將所述平面成像于液晶光閥上。
US 5,975,703公開了一種圖像投影裝置，該裝置具有一個(gè)SLM和一個(gè)偏振源系統(tǒng)。該光學(xué)系統(tǒng)采用由一個(gè)二次曲面或者多個(gè)平面光學(xué)元件中的至少一種所控制的偏振光以實(shí)現(xiàn)一個(gè)折鏡系統(tǒng)(folded mirrorsystem)，從而通過利用具有不止一個(gè)偏振狀態(tài)的輸入光分量而將圖像投影到屏幕上，因此減少了光學(xué)系統(tǒng)因偏振濾光而引起的強(qiáng)度損耗。該系統(tǒng)向SLM的多個(gè)分離區(qū)域提供基本正交偏振的光分量以輸出到投影屏幕上。
US 6,183,092公開了一種激光投影儀，該投影儀包括一個(gè)激光器和一個(gè)能夠通過光束路徑位移而抑制光斑的反射式液晶光閥通過在投影過程中偏轉(zhuǎn)光束，從而避免了光束的吸收和擴(kuò)散同時(shí)保持了偽準(zhǔn)直(非交叉光線)。而后者對(duì)于無限的清晰度來說是重要的。光路位移是通過在光閥上掃描光束而實(shí)現(xiàn)的，該光閥還提供了幾種改進(jìn)一在能量效率、亮度、對(duì)比度，光束均勻性(通過抑制激光模態(tài)的波紋和假象信號(hào)而實(shí)現(xiàn))方面，以及用于在裝置列之間轉(zhuǎn)移光束的便利的光束轉(zhuǎn)向。該偏轉(zhuǎn)效應(yīng)是由安裝在用于回旋擺動(dòng)的檢流計(jì)或者馬達(dá)上的鏡子而產(chǎn)生的；在光閥控制級(jí)(光學(xué)或電子的)的各個(gè)連續(xù)部分將圖像遞增地寫入，而在輸出級(jí)中使激光“讀取光束”同步。以很小的遮光能量損失，將光束整形成一較窄的橫截面，該橫截面在觀測(cè)屏幕和光閥上被移位。分束器/分析器小室(cubes)優(yōu)選地位于偏振片之上。光閥所提供的并由偽準(zhǔn)直所保持的空間調(diào)制使得能夠在非規(guī)則的投影介質(zhì)上成像。
US 5,517,263公開了一種小型的投影系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)偏振光的亮光源，以及一個(gè)空間光調(diào)制器，該空間光調(diào)制器具有一個(gè)調(diào)準(zhǔn)層，用于對(duì)偏振的投影光進(jìn)行調(diào)制，其中該亮偏振光源利用調(diào)準(zhǔn)層進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)，以使偏振光通過其中而不需要多余的阻光偏振器。利用偏振激光源并配合以其與光閥的適當(dāng)?shù)恼{(diào)準(zhǔn)，可以使SLM利用基本上所有的激光束來形成投影圖像。由于不與光閥一起使用濾光器和/或偏振器，因此可以降低激光器光輸出的強(qiáng)度損耗。此外，自激光器發(fā)射的光線被偏振，并因此不需要偏振濾光器，否則該器件將減少激光能量。
US 5,704,700公開了一種激光器照明的和基于SLM的投影系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)微激光器陣列，該微激光器陣列與一光束整形器相耦合以產(chǎn)生一個(gè)投射到SLM上的明亮的(即具有均勻強(qiáng)度分布的)投影光束。該光束整形器包括一個(gè)二元相位板(binary phase plate)、一個(gè)微透鏡陣列裝置或一個(gè)漫射器裝置，用于修改投影光束的形狀和強(qiáng)度分布。對(duì)光閥進(jìn)行照明的激光因此具有用于投射一極其明亮的圖像的均勻強(qiáng)度分布，并且基本被限制于光閥的像素部分。

發(fā)明內(nèi)容
為方便圖像的投影，本領(lǐng)域存在對(duì)提供一種新穎的微型投影儀裝置和方法的需求。
本發(fā)明的裝置是輕便及高效的，而且能夠使用高比率的偏振光源、對(duì)待成像的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理的高效SLM以顯著減少與斑點(diǎn)相關(guān)的影響，并且對(duì)投影的圖像進(jìn)行數(shù)字處理以改善其均勻性。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)廣義方面，提供一種圖像投影裝置，其包括一個(gè)光源系統(tǒng)，可操作地產(chǎn)生一具有預(yù)定橫截面的入射光束，以入射到由SLM像素裝置形成的空間光調(diào)制器(SLM)單元的有源表面上，入射光束的所述預(yù)定橫截面對(duì)應(yīng)于所述有源表面的大??；以及一個(gè)設(shè)置在該SLM單元的輸出側(cè)的放大光學(xué)器件；該裝置的特征在于，所述SLM單元包括位于SLM像素裝置的相對(duì)兩側(cè)的第一和第二透鏡陣列，使得在第一陣列中的每個(gè)透鏡以及在第二陣列中的相應(yīng)的相對(duì)透鏡與SLM像素中的一個(gè)對(duì)應(yīng)像素相關(guān)聯(lián)。
本發(fā)明的裝置可以利用一種透射式SLM，該透射式SLM不需要對(duì)光進(jìn)行偏振，或者也可以采用一種利用特別偏振光進(jìn)行操作的SLM。在后者的情況中，該裝置被設(shè)計(jì)成提供SLM輸入和輸出光的特別偏振。這可以通過利用一個(gè)位于SLM的輸出的偏振器單元，并且利用一個(gè)輸入偏振器或者一個(gè)產(chǎn)生高比率偏振光的光源而實(shí)現(xiàn)。輸入偏振器可以是光源系統(tǒng)的一部分，或者是SLM單元的一部分。
光源系統(tǒng)可以包括一個(gè)光學(xué)裝置，該光學(xué)裝置可操作地在入射光束的橫截面內(nèi)提供基本均勻的強(qiáng)度分布。此光學(xué)裝置包括一個(gè)衍射元件(通常稱為“頂帽(top-hat)”，該衍射元件可操作地修改光束強(qiáng)度分布，以在其橫截面內(nèi)產(chǎn)生基本均勻的光束強(qiáng)度分布。
優(yōu)選地，如果要求利用偏振光，則在本發(fā)明的裝置中所采用的光源是一種產(chǎn)生高比率偏振光束的光源(因此省去了在SLM單元的輸入側(cè)采用一偏振器)，并且優(yōu)選地也可以是以下一種光源，其所產(chǎn)生光束的橫截面大小基本等于SLM單元的有源表面的大小(因此可以省去光束整形光學(xué)器件)或者可替換地配備一個(gè)光束整形光學(xué)器件以提供期望的光束橫截面。
根據(jù)本發(fā)明的另一廣義方面，提供一種圖像投影裝置，該裝置包括一個(gè)光源系統(tǒng)，可操作地產(chǎn)生一個(gè)光束，以投射到由SLM像素裝置所形成的空間光調(diào)制器(SLM)單元的有源表面上，所述入射光束經(jīng)過線性偏振，具有對(duì)應(yīng)于所述有源表面大小的預(yù)定橫截面；以及一個(gè)偏振器單元和一個(gè)放大光學(xué)器件，相對(duì)于光通過該裝置傳播的方向而容置在SLM的輸出側(cè)，該裝置的特征在于所述光源系統(tǒng)包括一個(gè)光源，該光源產(chǎn)生所述線性偏振光束，該光束的橫截面基本與SLM單元的有源區(qū)域的大小相等；并且所述SLM單元包括第一和第二透鏡陣列，分別位于SLM像素裝置的相對(duì)兩側(cè)，使得在第一陣列中的每個(gè)透鏡和在第二陣列中一個(gè)相應(yīng)的相對(duì)透鏡與SLM像素中的一個(gè)對(duì)應(yīng)SLM像素相關(guān)聯(lián)。
優(yōu)選地，上述裝置還包括一個(gè)衍射光學(xué)器件，其容置在光線向SLM單元傳播的光路中，以便在所述橫截面中提供入射光束的基本均勻的強(qiáng)度分布。
優(yōu)選地，本發(fā)明的裝置包括一個(gè)圖像處理器系統(tǒng)(控制單元)，該圖像處理器系統(tǒng)可操作地執(zhí)行至少一個(gè)下述過程對(duì)表示待投影的圖像的數(shù)據(jù)施加數(shù)字處理，以避免或者至少顯著減少所投影的圖像中與斑點(diǎn)相關(guān)的影響；對(duì)表示所投影的圖像的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以對(duì)光強(qiáng)的非均勻性進(jìn)行校正；以及對(duì)表示環(huán)境條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以調(diào)節(jié)入射光束的強(qiáng)度和/或混色(color mixture)。
因此根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種圖像投影裝置，該裝置包括一個(gè)光源系統(tǒng)，可操作地產(chǎn)生一光束以投射到由SLM像素裝置所形成的空間光調(diào)制器(SLM)單元的有源表面上，所述入射光束是線性偏振的并且具有一對(duì)應(yīng)于所述有源表面的大小的預(yù)定橫截面；以及一個(gè)偏振器單元和一個(gè)放大光學(xué)器件，相對(duì)于光線通過該裝置傳播的方向而容置在SLM的輸出側(cè)，其特征在于，該裝置包括一個(gè)圖像處理器系統(tǒng)，該圖像處理器系統(tǒng)可操作地執(zhí)行至少一個(gè)下述過程(i)對(duì)表示待投影的數(shù)據(jù)施加數(shù)字處理，以減少所投影的圖像中與斑點(diǎn)的產(chǎn)生相關(guān)的影響；(ii)對(duì)表示所投影的圖像的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以對(duì)光強(qiáng)的非均勻性進(jìn)行校正；以及(iii)對(duì)表示環(huán)境條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以調(diào)節(jié)入射光束的強(qiáng)度和混色兩者中的至少一個(gè)。
本發(fā)明的裝置可以可操作地提供彩色圖像。這可以通過采用三個(gè)分立的SLM像素來實(shí)現(xiàn)，其中每個(gè)SLM像素用于三種基色中的一種對(duì)應(yīng)的顏色，另一種實(shí)現(xiàn)方式是，對(duì)所有的基色采用相同的SLM像素，但是對(duì)色彩光分量提供時(shí)間調(diào)制?？商鎿Q地或者附加地，對(duì)于表示環(huán)境條件的數(shù)據(jù)的分析可以用于對(duì)入射光束的混色進(jìn)行調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的裝置可以配合任何傳統(tǒng)的視頻發(fā)生裝置使用，以在外部屏幕表面上投影圖像。該裝置可操作地以兩個(gè)不同的投影角度而投影相同的圖像，從而使得能夠由兩個(gè)不同觀測(cè)者觀測(cè)相同圖像，并且還可以允許由每個(gè)觀測(cè)者通過其觀測(cè)區(qū)域而對(duì)相應(yīng)圖像進(jìn)行私人操作。
本發(fā)明的技術(shù)也考慮了對(duì)于對(duì)本發(fā)明的幾個(gè)微投影儀所投影的圖像進(jìn)行組合，從而允許建立一幅大的組合的圖像；允許將圖像投影在一個(gè)凹形的屏幕表面上；并且可以通過利用兩個(gè)微投影儀或者配有旋鏡的單個(gè)微投影儀而產(chǎn)生立體圖像。
本發(fā)明，根據(jù)其另一方面，提供了一種用于投影圖像的方法，該方法包括以下步驟(a)產(chǎn)生一入射光束，該光束具有與由SLM像素裝置所形成的空間光調(diào)制器(SLM)單元的有源表面的大小相對(duì)應(yīng)的橫截面；(b)使所述光線通過SLM單元，該SLM單元在SLM像素裝置的相對(duì)兩側(cè)具有第一和第二透鏡陣列，在第一陣列中的每個(gè)透鏡和第二陣列中的一個(gè)相應(yīng)的相對(duì)透鏡與SLM像素中的一個(gè)對(duì)應(yīng)像素相關(guān)聯(lián)，同時(shí)利用一個(gè)表示待投影的圖像的成像信號(hào)操作SLM像素裝置；(c)使從SLM單元出射的調(diào)制光通過一放大光學(xué)器件而投影入一投影表面。


為便于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行理解并且明確如何在實(shí)際中實(shí)施本發(fā)明，現(xiàn)在通過非限制性的實(shí)例，并結(jié)合附圖對(duì)優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行說明，其中圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的投影裝置的簡要框圖，示出一個(gè)光傳播方案的主要光學(xué)元件；
圖2更具體地示出圖1所示的裝置中所采用的衍射元件(頂帽)的操作；圖3A所示為圖1所示裝置中所采用的SLM的開窗口的結(jié)構(gòu)的正視圖；圖3B所示為圖3A所示的SLM所采用的小透鏡陣列的結(jié)構(gòu)；圖4A和圖4B所示為分別通過圖3A所示的SLM和圖3B所示的具有小透鏡陣列的SLM的光束傳播方案；圖4C示出SLM單元結(jié)構(gòu)的具體實(shí)例；圖5A和5B分別示出通過采用非偏振和偏振的光源而引起的強(qiáng)度損失的原理；圖6更具體地示出一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的圖像處理器單元，該圖像處理器單元與圖1所示的裝置一起使用以改善投影圖像的質(zhì)量；圖7A和圖7B更具體地示出圖6所示裝置的用于改善所投影的圖像之內(nèi)的亮度的操作；圖8A和圖8B更具體地示出圖6所示裝置的用于解決與斑點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的問題的操作；圖9所示為根據(jù)本發(fā)明的方法中用于對(duì)輸入SLM的光進(jìn)行色混調(diào)制的主要操作步驟的流程圖；圖10A至圖10E簡要地示出適合于在本發(fā)明的裝置中使用的彩色圖像投影實(shí)現(xiàn)方式的不同實(shí)例；圖11A至圖11H簡要地示出根據(jù)本發(fā)明的投影裝置的不同應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式
圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的投影裝置1的簡要框圖，顯示了一種光傳播方案的光學(xué)部件。裝置1包括光源系統(tǒng)LSS，該光源系統(tǒng)包括產(chǎn)生準(zhǔn)直光束4的光源2；一個(gè)光學(xué)裝置，包括一個(gè)衍射元件34(“頂帽”)，其可操作地影響光束4的強(qiáng)度分布，從而產(chǎn)生在光束4的橫截面內(nèi)基本均勻的光束強(qiáng)度分布；以及光束整形光學(xué)器件(光束擴(kuò)展器)6，該光束整形光學(xué)器件對(duì)光束4的橫截面進(jìn)行作用，以使其基本等于由SLM單元12(諸如可從美國Kopin公司購買到的基于液晶的SLM模塊RS170)的像素裝置5(所謂的“開窗口的結(jié)構(gòu)”)所限定的有源表面的大小。
需要注意的是，光束擴(kuò)展器6是可選的，并且通過提供一個(gè)合適的光源以覆蓋SLM上的圖像調(diào)制區(qū)域也可以達(dá)到相同的效果，例如，提供一個(gè)光束直徑為6mm的激光器二極管/DPSS激光器模塊。
還需注意的是，該SLM單元可以是一種利用隨機(jī)偏振的光而工作的元件?；蛘撸揝LM單元可以是一種利用特定偏振的光而工作的元件。在這種情況下，投射在SLM像素裝置上的光束具有一種特定的線性偏振，并且該裝置包括一個(gè)輸出偏振器(分析器)18，由于其配置與否可根據(jù)裝置中所使用的SLM的類型而選擇，因此在圖中用虛線示出。偏振器18的偏振平面具有一個(gè)優(yōu)選的方向，該方向或者與入射光束4相同或者對(duì)其呈90°旋轉(zhuǎn)，因此阻擋由SLM所旋轉(zhuǎn)的那部分光或者沒有受到SLM作用的那部分光。對(duì)于入射光束的偏振，優(yōu)選地通過利用產(chǎn)生高比率偏振光的光源來實(shí)現(xiàn)，但是通?？梢酝ㄟ^利用一個(gè)產(chǎn)生隨機(jī)偏振光的光源并且利用一設(shè)置在有源表面5的輸入側(cè)的分立的偏振器(未示出)來實(shí)現(xiàn)。此輸入偏振器可以是光源系統(tǒng)的一部分，SLM單元的一部分，或者可以是一個(gè)設(shè)置在光源和SLM單元之間的獨(dú)立的單元。
因此，在圖1的實(shí)例中，SLM屬于利用偏振光而工作的那種SLM，光源產(chǎn)生高偏振比的光，并且采用了輸出偏振器。術(shù)語“高偏振比”通常是指偏振比大約為1∶50，1∶100或以上的偏振光，并且可以例如利用一個(gè)激光器二極管和DPSS激光器模塊而實(shí)現(xiàn)，諸如可從美國Lasemate公司購買的GMC-532-XF5激光器模塊系列。
SLM像素裝置5的結(jié)構(gòu)在本領(lǐng)域是已知的，因此無需進(jìn)行具體說明，只是需要注意其包括有源單元(例如，液晶單元)的二維陣列，每個(gè)單元作為圖像的一個(gè)像素，并且可由調(diào)制驅(qū)動(dòng)器11單獨(dú)操控，以處于ON或者OFF狀態(tài)并且對(duì)投射其上的光進(jìn)行偏振旋轉(zhuǎn)，由此可以提供該像素的相應(yīng)灰度級(jí)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)器11發(fā)送的輸入信號(hào)，對(duì)一些單元進(jìn)行控制，以使光線通過其中而不發(fā)生偏振的改變，同時(shí)對(duì)其他的單元進(jìn)行控制，從而以特定角度旋轉(zhuǎn)光的偏振。
該SLM單元12還包括一個(gè)位于像素裝置的輸出側(cè)的第一小透鏡陣列10，和位于像素裝置的輸出側(cè)的第二小透鏡陣列14。在實(shí)踐中，這兩個(gè)小透鏡陣列可以與安裝到其相對(duì)兩側(cè)表面的像素裝置集成為一體。在以下內(nèi)容中將結(jié)合圖3A-3B和圖4A-4C對(duì)具有小透鏡陣列的SLM單元的結(jié)構(gòu)和操作進(jìn)一步給予具體說明。小透鏡陣列是微型透鏡的二維陣列，該陣列與SLM的有源單元陣列相配合，使得陣列10的每個(gè)透鏡和陣列14的相應(yīng)的相對(duì)透鏡與有源單元中的一個(gè)對(duì)應(yīng)單元相關(guān)聯(lián)。因此小透鏡陣列10通過將投射到其上的光束分成多個(gè)分量并且由各相應(yīng)的小透鏡將每個(gè)分量聚焦到對(duì)應(yīng)的像素(即，每個(gè)小透鏡對(duì)應(yīng)于一個(gè)單個(gè)像素)，從而將光束8聚集成束，以使其對(duì)應(yīng)于SLM元件的有源表面5內(nèi)的圖像調(diào)制區(qū)域，因此提高了該過程的光效率。
因此，具有基本均勻強(qiáng)度分布4的入射光束(例如，線性偏振的光束)被擴(kuò)展，從而得到其橫截面基本與SLM的有源表面大小相等的光束8。光束8通過小透鏡陣列10，產(chǎn)生聚集成束的光并通過SLM像素裝置，并且根據(jù)待投影的圖像而得到調(diào)制。從SLM出射的調(diào)制光由第二小透鏡陣列14接收，該第二小透鏡陣列抵消了第一小透鏡陣列10的匯聚效應(yīng)，因此產(chǎn)生一光束16，該光束具有與光束8在通過第一小透鏡陣列10之前的橫截面一致的橫截面。以下結(jié)合圖3A-3B和4A-4B對(duì)SLM單元的工作過程給予更加具體詳盡的說明。
在裝置1中還設(shè)有一個(gè)放大光學(xué)器件22，位于自SLM單元出射(或者例如在本實(shí)例中從偏振器18出射)并且向投影(或者屏幕)表面26傳播的光的光路中。因此，光束16通過偏振器18，該偏振器18產(chǎn)生一偏振的強(qiáng)度調(diào)制的光束20，該光束表示即將由放大光學(xué)器件22投影到屏幕表面26的圖像。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的情況，由于光源的本質(zhì)及其在給定光路中的相干性，對(duì)于投影裝置1和屏幕表面26之間的很多種距離，投影圖像28都將保持焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。或者，當(dāng)光是非相干的時(shí)，可以通過沿光路移動(dòng)放大透鏡22而手動(dòng)進(jìn)行調(diào)焦。
圖2特別地示出在圖1所示的裝置中所采用的衍射元件34(頂帽)的操作。該頂帽元件自身并不構(gòu)成本發(fā)明的一部分并且其結(jié)構(gòu)和操作是已知的，該元件包括以下結(jié)構(gòu)。光源30產(chǎn)生光束32，該光源30可以是一個(gè)激光器二極管或者任何其他光源，在光束32中接近光束軸的光強(qiáng)高于光束周邊附近的光強(qiáng)(高斯強(qiáng)度分布)。該光束將用于在整個(gè)圖像中(即在光束的橫截面內(nèi))要求基本均勻的光強(qiáng)分布的成像(例如由圖1所示的裝置1進(jìn)行)。因此該衍射光學(xué)元件34可用于修改光束強(qiáng)度分布以產(chǎn)生具有基本均勻的強(qiáng)度分布的光束38，其可向屏幕36提供基本均勻的照明。
但是，應(yīng)該注意到，到達(dá)投影表面的光束多少會(huì)有些非均勻，這是由于頂帽部件34的限制(透射效率約為96％)和/或由于光路中其他部件的非均勻透射。通過調(diào)節(jié)發(fā)送至像素裝置的每個(gè)像素的控制信號(hào)并提供一圖像方面的補(bǔ)償偏差，可以對(duì)這種非均勻性進(jìn)行數(shù)字方式的補(bǔ)償，這一點(diǎn)將在以下內(nèi)容中結(jié)合圖6和圖7A-7B給予進(jìn)一步的說明。
參考圖3A-3B和4A-4B。圖3A所示為在圖1所示的裝置中所采用的SLM單元12的開窗口結(jié)構(gòu)的前視圖，而圖3B所示為同圖3A的SLM配合使用的小透鏡陣列10的結(jié)構(gòu)。圖4A和4B所示為光束分別通過圖3A的SLM和圖3B的具有小透鏡陣列的SLM的傳播方案。
因此，如圖3A所示，典型的SLM的像素裝置(開窗口的結(jié)構(gòu))40是空間上分離的單元42的二維陣列。結(jié)構(gòu)40的總表面的約40％(隨不同的SLM而不同)是由有源單元42構(gòu)成的，而表面的其余部分是由框架44構(gòu)成的，該框架起到機(jī)械支撐和象素的控制信號(hào)的作用。圖4A示出像素裝置40的側(cè)視圖，以及其中傳輸通過的平行光束50。如圖所示，框架分隔件44阻擋了部分入射光線50，而只有光線50的剩余部分通過有源單元42。因此這種典型SLM結(jié)構(gòu)的占空因子(即，有效透射)約為40％。
圖3B示出為增加SLM的占空因子而在根據(jù)本發(fā)明的SLM單元中的像素裝置40的相對(duì)兩側(cè)使用的小透鏡陣列46的結(jié)構(gòu)。小透鏡陣列46是微型透鏡48的二維陣列，該二維陣列與有源單元42的像素裝置40相匹配。每個(gè)透鏡48可以具有類似正方形的形狀，并且鄰近的透鏡彼此相切，因此填充了由透鏡陣列46所限定的大部分表面(即，占空因子接近100％)。
如圖4B所示，給出具有第一小透鏡陣列46和第二小透鏡陣列46’的像素裝置40，將第一小透鏡陣列46置于非常接近于(接近于物理接觸)像素裝置40的輸入側(cè)，而第二小透鏡陣列46’置于非常接近像素裝置40的輸出側(cè)，接近于物理接觸。在實(shí)踐中，也可以將第一和第二小透鏡陣列集成在像素裝置40上，并安裝于其兩側(cè)的相對(duì)表面上。第一陣列46的每個(gè)透鏡48以及第二陣列46’的相應(yīng)的相對(duì)透鏡48’與有源單元42中的一個(gè)對(duì)應(yīng)單元相關(guān)聯(lián)。將透鏡組46中的每個(gè)透鏡光學(xué)地設(shè)計(jì)為將光束50的對(duì)應(yīng)分量聚焦在圍繞光束軸的，在陣列后相距幾個(gè)微米的小區(qū)域內(nèi)。透鏡組46的節(jié)距與有源單元42的節(jié)距相匹配，這樣使得一個(gè)有源單元42恰好在每個(gè)透鏡后居中，并且單元42的中心點(diǎn)分別位于各相應(yīng)小透鏡48和48’的前和后焦點(diǎn)上。因此，第一小透鏡陣列46通過將入射在其上的光束50分成多個(gè)分量64，并且由各相應(yīng)的小透鏡將每個(gè)分量聚焦在對(duì)應(yīng)像素上，從而匯聚光束50以使其對(duì)應(yīng)于裝置40的區(qū)域(SLM單元的有源表面)。第二小透鏡陣列46’基本與第一小透鏡陣列相同，并與陣列46相對(duì)置于像素裝置40的另一側(cè)。第二小透鏡陣列起第一陣列的光學(xué)效應(yīng)的鏡像作用，因此對(duì)從有源單元42出射的分光束66產(chǎn)生相反的光學(xué)操作。第二陣列46’使經(jīng)象素裝置40空間調(diào)制的各個(gè)分光束66發(fā)散，從而產(chǎn)生光束80。陣列中的小透鏡的光學(xué)特性以及第一和第二陣列46和46’與裝置40之間的距離可以由本領(lǐng)域已知的簡單的光學(xué)調(diào)準(zhǔn)方法來確定，這樣使分光束64在到達(dá)有源單元42時(shí)其直徑小于單元42的孔徑，因此分光束64的所有光線都通過有源單元42。
因此，像素裝置40結(jié)合第一和第二小透鏡陣列46和46’的整體效應(yīng)如下入射光束50在通過小透鏡陣列后分成單獨(dú)聚焦的分光束64，然后分光束64通過像素裝置40的單元42，在該處根據(jù)控制信號(hào)(表示即將成像的數(shù)據(jù))對(duì)分光束進(jìn)行調(diào)制從而產(chǎn)生從像素裝置出射的多個(gè)聚焦的分光束66。
分光束66通過小透鏡48’，并從該處產(chǎn)生空間調(diào)制光的平行光束80。這樣，組合裝置(小透鏡陣列和像素裝置)的占空因子實(shí)質(zhì)高于像素裝置40自身的占空因子，因此調(diào)制過程的總效率得到充分的改善。小透鏡陣列的配置把SLM的透射效率提高高達(dá)30％以上。應(yīng)該理解的是，當(dāng)采用具有所有有源像素的SLM時(shí)，由于在SLM單元的兩側(cè)都采用了小透鏡陣列，因此該SLM單元的效率可以得到系數(shù)為2的提高。
如圖4C所示，SLM單元的厚度可以為100μm，其中像素裝置(例如LC單元)的厚度為10μm，而每個(gè)聚合物隔塊P1和P2的厚度為45μm。SLM單元可以采用模鍛(stamping)和帽模壓(hat embossing)技術(shù)制造。
如上所述，本發(fā)明的裝置優(yōu)選地利用偏振光源。圖5A和圖5B示出分別采用非偏振光源和偏振光源所引起的強(qiáng)度損失的原理。圖5A示出適合在投影儀(或者顯示器)中使用的基本光路，并且其利用一個(gè)典型的非偏振光源74。因此這種光路包括光源74、第一偏振器81、SLM84以及第二偏振器96。非偏振光源74產(chǎn)生一光束，該光束可以用具有相反線性偏振的兩個(gè)分量76和78來表示。兩個(gè)分量76和78都入射到第一偏振器81上，根據(jù)裝置81的偏振平面的取向，其中只有一個(gè)分量能夠通過偏振器81，而另一分量被濾去。因此由偏振器81所出射的偏振光束82的能量是非偏振光束的入射能量的一半。SLM84接收偏振光束82并且利用輸入信號(hào)86對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，以根據(jù)輸入信號(hào)86而對(duì)光束82的對(duì)應(yīng)光分量的偏振加以影響。為便于說明，將SLM84表示為包括兩個(gè)偏振區(qū)88和90的元件，即，兩個(gè)單元或者像素，其中的一單元90當(dāng)前由控制信號(hào)86操作而另一單元88當(dāng)前不受控制。因此，從區(qū)域88出射的那部分光92具有其初始的偏振，而對(duì)于從區(qū)域90出射的那部分光94，其偏振根據(jù)輸入信號(hào)86而受到影響，例如，具有相對(duì)與其初始偏振狀態(tài)正交的偏振。部分光92和94都入射到第二偏振器96上，該第二偏振器96僅透射其偏振與第一偏振器81所透射的光相同的光。因此，僅有部分光92可以通過偏振器96，因?yàn)槠淦裎词躍LM84影響，并且輸出光束98的強(qiáng)度是由第一偏振器所出射的光強(qiáng)的一半，并且實(shí)際上為光源所產(chǎn)生的光強(qiáng)的四分之一。
圖5B所示為在投影儀(或者顯示器)中所采用的基本光路，并且利用了本發(fā)明所提出的高比率偏振光源。為便于理解，對(duì)于圖5A和5B所示的實(shí)例中的相同的元件采用相同的標(biāo)號(hào)來標(biāo)識(shí)。因此，圖5B的光路包括高比率偏振光源75、SLM84、以及偏振器96(因此在此不需要圖5A中所示的第一偏振器81)。由光源75所產(chǎn)生的光100是線性偏振的。從SLM區(qū)88出射的未經(jīng)控制信號(hào)作用的部分光92具有其初始的偏振狀態(tài)，而由SLM區(qū)90出射的部分光94的偏振經(jīng)控制信號(hào)86作用，例如改變?yōu)檎坏钠瘛２糠止?2和94都入射到偏振器96上，該偏振器96僅透射其偏振態(tài)與光源所產(chǎn)生光的偏振態(tài)相同的光。因此，僅有其偏振未經(jīng)SLM84影響的部分光92可以通過偏振器96。與圖5A的實(shí)例相同，輸出光束98的強(qiáng)度是由部分光92和94所提供的光強(qiáng)的一半。然而，由于采用偏振光源，部分光92和94的強(qiáng)度，即入射到SLM84上的光的強(qiáng)度，為光源所產(chǎn)生的強(qiáng)度，即為圖5A的實(shí)例中的SLM入射光82的強(qiáng)度的兩倍。因此，圖5B的光路的光效率較圖5A中的光路的光效率可以得到系數(shù)為2的提高。
現(xiàn)在參考圖6，所示為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的圖像投影裝置3。在裝置1(圖1)和3中采用相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部件。裝置3還包括一個(gè)控制單元CU(通常為一計(jì)算機(jī)設(shè)備)，其中，在此特定實(shí)例中，調(diào)制驅(qū)動(dòng)器11是控制單元的一部分?？刂茊卧狢U因此包括驅(qū)動(dòng)器11以及處理器設(shè)備(processor utility)330，并且與圖像記錄裝置332和環(huán)境檢測(cè)器334相關(guān)聯(lián)。驅(qū)動(dòng)器11向SLM像素裝置產(chǎn)生控制信號(hào)(調(diào)制信號(hào))，可由表示待投影圖像的信號(hào)(“圖像信號(hào)”)操作。圖像信號(hào)是由一個(gè)合適的信號(hào)發(fā)送裝置(此處未示出)產(chǎn)生的，該裝置可以是也可以不是投影儀裝置的控制單元的一部分，并且通常可以是外部計(jì)算機(jī)設(shè)備(例如PC、電話機(jī)、PDA等)的一部分，在該設(shè)備中產(chǎn)生待成像的數(shù)據(jù)。在圖6的該特定實(shí)例中，通過處理器設(shè)備330向驅(qū)動(dòng)器11提供圖像信號(hào)，但應(yīng)該理解，可以直接向驅(qū)動(dòng)器11供應(yīng)圖像信號(hào)。圖像記錄裝置332是一個(gè)諸如攝像機(jī)等的成像裝置，其被定向并可操作地產(chǎn)生表示投影圖像28的數(shù)據(jù)。環(huán)境檢測(cè)器可以包括一個(gè)或者多個(gè)用于檢測(cè)環(huán)境條件的檢測(cè)單元，所述檢測(cè)條件定義所要求的強(qiáng)度和/或投影光線的混色，例如，所述環(huán)境檢測(cè)器是能夠檢測(cè)在屏幕表面26附近的周圍光線的強(qiáng)度并產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)據(jù)的光強(qiáng)檢測(cè)器(例如CCD RGB/溫度單像素檢測(cè)器)。
此外，處理器330還包括一個(gè)控制器CL，以及三個(gè)裝置部件(utilitypart)(適當(dāng)?shù)能浖?或硬件)U1、U2、以及U3，用于分別對(duì)來自控制器的圖像信號(hào)、來自圖像記錄裝置的數(shù)據(jù)、以及來自檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為減少投影圖像中的斑點(diǎn)效應(yīng)，裝置U1被預(yù)編程，以根據(jù)SLM像素裝置分析圖像信號(hào)，以(通過驅(qū)動(dòng)器11)對(duì)像素裝置進(jìn)行數(shù)字圖像抖動(dòng)和衰減(改變灰度級(jí))，這將在以下內(nèi)容中結(jié)合圖8A和8B給予更加具體的說明。裝置U2被預(yù)編程以分析表示投影圖像28的數(shù)據(jù)，并且對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，由此對(duì)投影圖像內(nèi)的光強(qiáng)(亮度)的非均勻性進(jìn)行補(bǔ)償。這將在下面結(jié)合圖7A-7B給予說明。裝置U3被預(yù)編程以對(duì)表示環(huán)境條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且相應(yīng)地對(duì)激光源2進(jìn)行調(diào)制，以對(duì)強(qiáng)度和混色的其中之一或者二者進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，通過提供控制單元和相關(guān)的檢測(cè)裝置(例如攝像機(jī)、RGB/溫度檢測(cè)器)，以及圖像信號(hào)的數(shù)字處理，提高了投影圖像的質(zhì)量以及投影裝置的能量效率。
圖7A-7B舉例說明了配備了處理器330以提供目標(biāo)(屏幕表面)上的光調(diào)制圖像的數(shù)字補(bǔ)償?shù)耐队把b置的操作。圖7A示出包含非均勻區(qū)并具有過強(qiáng)的光點(diǎn)110的光調(diào)制圖像108。將被設(shè)計(jì)用于減少區(qū)域114內(nèi)光強(qiáng)的數(shù)字光罩(mask)112應(yīng)用于光調(diào)制圖像108，從而導(dǎo)致目標(biāo)116上的最終輸出圖像具有均勻的亮度。圖7B示出數(shù)字光罩的一個(gè)基本校準(zhǔn)過程。處理器330(控制器CL)接收一個(gè)模式圖像信號(hào)(由視頻發(fā)生裝置(PC、VCR等)外部生成，或者在控制器CL內(nèi)部生成)，并且產(chǎn)生一個(gè)表示模式圖像的控制信號(hào)(步驟I)。此模式圖像信號(hào)由處理器傳送到驅(qū)動(dòng)器11(步驟II)，以相應(yīng)地操作SLM像素裝置，以實(shí)現(xiàn)在亮度方面具有初始非均勻度的圖像投影。將投影圖像的光擴(kuò)散投影在屏幕表面(圖1和圖6中的26)上。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(圖6中為332)，或者任何其他類型的光學(xué)記錄裝置，對(duì)投影圖像進(jìn)行掃描(步驟III)。攝像機(jī)332的表示所記錄圖像的數(shù)字輸出數(shù)據(jù)由裝置(圖6中為U2)所接收，該裝置分析此數(shù)據(jù)并同控制器CL協(xié)同工作，將表示所記錄圖像的數(shù)據(jù)和所生成的圖像(根據(jù)初始輸入信號(hào)而生成的)進(jìn)行比較，如果圖像一致，則產(chǎn)生一個(gè)最終數(shù)字光罩形式的校準(zhǔn)結(jié)果。如果確定出信號(hào)中無相似處，則相應(yīng)地生成一個(gè)更新的圖像，以獲得最終數(shù)字光罩(步驟IV和V)。然后控制器CL將校準(zhǔn)結(jié)果(數(shù)字光罩狀態(tài))保存在驅(qū)動(dòng)器11中，以采用亮度級(jí)的正確參數(shù)對(duì)投影裝置進(jìn)行更新(步驟VI)。應(yīng)該理解，裝置U2可以不是處理器的一部分，而可以是一個(gè)可與圖像記錄裝置332和處理器330連接的獨(dú)立的圖像處理單元。
圖8A和8B更具體地示出根據(jù)本發(fā)明的旨在去除在投影屏幕中所出現(xiàn)的斑點(diǎn)效應(yīng)的裝置的操作過程。如圖8A所示，初始投影圖像240表現(xiàn)為具有顆粒性質(zhì)(所謂的“斑點(diǎn)效應(yīng)”)的圖像。當(dāng)屏幕表面不完全平滑時(shí)，利用高度相干的照明可以觀察到這種效應(yīng)。為解決這個(gè)問題，將初始圖像240進(jìn)行抖動(dòng)，并且還通過在已移位的投影圖像242中出現(xiàn)的一個(gè)像素的位移最大值來衰減灰度級(jí)?，F(xiàn)在以使人眼不能感覺到這種效應(yīng)的速度對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行抖動(dòng)和衰減。例如，將一初始像素244抖動(dòng)到一個(gè)新位置246，使得這種運(yùn)動(dòng)至少部分地破壞了照明的相干性，并且在此投影處理過程中將斑點(diǎn)“沖掉”，因此產(chǎn)生一個(gè)干凈的(無斑點(diǎn)的)圖像248。圖8B顯示了此過程的主要操作步驟。依據(jù)情況的不同，初始圖像(即待投影圖像)是從SLM的驅(qū)動(dòng)器11捕捉到的，或者也可以是從控制器CL捕捉到的，(步驟A)，并且由裝置U1進(jìn)行處理以調(diào)整該圖像的大小，以釋放用于抖動(dòng)目的的有效像素空間(步驟B)，這樣在SLM像素裝置的角部和面板(panel)中留出更多的額外空間。將表示如此產(chǎn)生的已調(diào)整大小的圖像的數(shù)據(jù)傳送到驅(qū)動(dòng)器11(步驟C)，在該處通過把一個(gè)或者多個(gè)圖像像素移動(dòng)到被定義為非使用區(qū)域的像素區(qū)域中，從而在一平面內(nèi)沿兩個(gè)垂直軸相應(yīng)地對(duì)圖像進(jìn)行移動(dòng)，并且對(duì)圖像進(jìn)行調(diào)制以提供灰度級(jí)的改變(步驟D)。通過這種方式，以高頻率循環(huán)提供在SLM表面上的圖像的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，確保該循環(huán)處理保持不被觀察者所注意并且同時(shí)確保該SLM表面上的圖像沿兩個(gè)軸反復(fù)移動(dòng)，從而導(dǎo)致觀察者所觀察到的斑點(diǎn)現(xiàn)象的減少。應(yīng)該注意，諸如循環(huán)頻率、移動(dòng)像素的數(shù)量、以及沿兩個(gè)軸中的任一個(gè)軸或者兩個(gè)軸而進(jìn)行的移動(dòng)的步長等這些參數(shù)，是由對(duì)于不同給定情況下的不同的輸出結(jié)果所給定的算法控制的。
圖9所示為處理器330通過利用輸入到SLM像素裝置上的光的混色調(diào)制以滿足環(huán)境要求的主要操作步驟的流程圖。在本實(shí)例中，環(huán)境檢測(cè)器是溫度檢測(cè)器(即，檢測(cè)周圍光強(qiáng))。處理器通過根據(jù)環(huán)境光條件改變混色的開關(guān)調(diào)制，從而利用檢測(cè)數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)光源總消耗的最佳化，因此相對(duì)于環(huán)境的干涉光線接收更多人眼能看到的最強(qiáng)圖像。這是以如下的方式實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)器吸收屏幕表面附近的室光溫度(具有不同的波長)(步驟1)。處理器(圖6中的裝置U3)接收表示所吸收光的數(shù)據(jù)，并對(duì)最佳環(huán)境中的所需最佳(缺省)圖像/溫度和在投影表面所檢測(cè)的光溫度進(jìn)行比較(步驟2)。如果確定沒有相似性，則處理器對(duì)比最佳條件對(duì)光源的混色調(diào)制進(jìn)行更新(步驟3)，然后根據(jù)新的色彩調(diào)制對(duì)圖像進(jìn)行投影(步驟4)。
現(xiàn)參考圖10A-10E簡要地示出適合于在本發(fā)明的裝置中使用的彩色圖像投影的不同實(shí)施例。圖10A示出根據(jù)采用此原理的一個(gè)實(shí)例的裝置的簡要框圖，圖10B所示為圖10A所示裝置的一種可能的實(shí)施方式。圖10C所示為根據(jù)另一實(shí)例的裝置的簡要框圖，而圖10D和10E示出此實(shí)例的兩種可能的實(shí)施方式。在圖10A-10B所示的實(shí)例中，通過三個(gè)光路對(duì)基色R、G和B進(jìn)行調(diào)制，每個(gè)光路具有其相關(guān)的SLM，而在圖10C-10E所示的實(shí)例中，利用時(shí)間光束調(diào)制器(time beam modulator)，通過相同的光路和相同的SLM對(duì)基色R、G和B進(jìn)行調(diào)制。
如圖10A中以顯而易見的方式所示，R、G和B光分量250、252和254分別由三個(gè)激光源(例如，具有適當(dāng)功率的小型激光器二極管)產(chǎn)生以獲得白光源。每個(gè)光分量被其相關(guān)聯(lián)的光束擴(kuò)展器展寬，該光束擴(kuò)展器通常位于256，然后通過SLM264將加寬的RGB光束258、260以及262進(jìn)行投影，每個(gè)光束包括一個(gè)對(duì)應(yīng)于輸入圖片的空間調(diào)制信號(hào)。然后，由一組光束組合器(分束器)272將該空間調(diào)制的RGB光束266、268以及270組合成一白光束274，該白光束通過成像透鏡276，并將如此生成的輸出光束278投影到屏幕表面280上，在該屏幕表面顯示輸出圖像。該裝置通常是已知的，并且其本身并不構(gòu)成本發(fā)明的一部分，但是可以在如圖1和圖6所示的本發(fā)明的投影裝置中利用，并且如圖10B中以顯而易見的方式進(jìn)一步示出。
如圖10C所示，光束調(diào)制器296對(duì)RGB激光束290、292以及294進(jìn)行時(shí)間調(diào)制(在通過光束擴(kuò)展器之前或者之后)。然后，將時(shí)間調(diào)制的光束298投射通過一個(gè)單獨(dú)的SLM300。然后使經(jīng)過空間(和時(shí)間)調(diào)制的光束302通過成像透鏡304，并將如此產(chǎn)生的輸出光束306投影到屏幕表面308上，在該處顯示輸出圖像。同樣地，通常此方案是已知的，并且可以用于本發(fā)明的裝置中。如圖10D和10E中以顯而易見的方式示出，分別通過在RGB激光束290、292以及294前面的三個(gè)頂帽元件或者通過一個(gè)公共頂帽元件，來利用一個(gè)衍射元件。
本發(fā)明的投影裝置可以用于各種可連接到計(jì)算機(jī)設(shè)備和/或形成計(jì)算機(jī)設(shè)備的部分的應(yīng)用設(shè)備中，例如PC、電話機(jī)、PDA等。圖11A和11H簡要地示出根據(jù)本發(fā)明的投影裝置的不同應(yīng)用。
在圖11A所示實(shí)例中，本發(fā)明的微投影儀裝置138配合膝上型計(jì)算機(jī)134的雙向半透明屏幕136使用，并使得能夠在屏幕的兩面進(jìn)行圖像內(nèi)容觀測(cè)。在本實(shí)例中，裝置138由支架140支撐，并且與膝上型計(jì)算機(jī)的對(duì)應(yīng)裝置相連接，以接收成像信號(hào)而在屏幕136上產(chǎn)生一投影圖像142，該投影圖像可分別由位于屏幕相對(duì)兩側(cè)的兩個(gè)觀察者144和148以兩個(gè)觀測(cè)角146和150進(jìn)行觀察。
圖11B所示為如何配合傳統(tǒng)的膝上型計(jì)算機(jī)利用本發(fā)明的裝置而不需要這些計(jì)算機(jī)中通常使用的LCD屏幕的過程。為便于理解，在圖11A和11B所示的實(shí)例中采用相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部件。如圖所示，以投射角142將圖像投射在正對(duì)用戶眼睛的外部屏幕表面160上，即，用戶將以觀測(cè)角164進(jìn)行觀察。應(yīng)該理解，盡管沒有特別示出，可以調(diào)節(jié)投影儀裝置138的方向，以將圖像投射到鄰近該計(jì)算機(jī)的桌子的表面，或者投射到膝上型計(jì)算機(jī)蓋的內(nèi)/外表面。因此，當(dāng)用戶144在便攜式膝上型計(jì)算機(jī)上工作時(shí)可以方便地操作較大的屏幕，或者在根本沒有顯示器的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行操作時(shí)能夠利用本發(fā)明的投影儀裝置將數(shù)據(jù)成像在外部表面上。應(yīng)該理解，這種將圖像在外部屏幕表面進(jìn)行的投影可以用于任何通信裝置，例如，電話機(jī)。
圖11C例舉采用本發(fā)明的幾個(gè)微投影儀(通常位于190)，可操作地共同工作以通過將幾個(gè)小的屏幕194進(jìn)行組合而得到一個(gè)大的投影屏幕192(視頻墻)，每個(gè)小屏幕由一個(gè)對(duì)應(yīng)的微投影儀產(chǎn)生。攝像機(jī)196捕捉一大的圖像198，并且將其傳送到處理器(圖像分析器)200，該處理器將表示大圖像198的數(shù)據(jù)和表示小圖像194的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并且產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)以發(fā)送到多個(gè)控制器202，使控制器202再現(xiàn)該信號(hào)，從而使投影儀190以作為一個(gè)整體排列并且無縫的方式顯示這些圖像194?？梢圆捎孟嗤呐渲脤D像投射到任何所需的形狀的凹面無縫顯示器上。圖11D中簡要示出這種情況。主支架206支撐幾個(gè)投影儀裝置204，每個(gè)投影儀裝置位于一個(gè)分立的分支架208上。每個(gè)投影儀204將一個(gè)小的圖像212投射在將由觀察者216所觀察的凹形表面210上，作為由小圖像彼此部分重疊而形成的大的凹形無縫圖像214。
圖11E所示為利用本發(fā)明將相同圖像投射在半透明屏幕的相對(duì)兩側(cè)，以由兩個(gè)用戶觀察的情況，同時(shí)允許將用于相應(yīng)用戶想要私人使用的圖像成像在屏幕表面的相應(yīng)一側(cè)。在此應(yīng)用中，圍繞桌子254的至少兩個(gè)人250和252可彼此面對(duì)面通信，例如，為了商業(yè)討論的目的或者為了玩計(jì)算機(jī)游戲。通常，伴隨這種通信會(huì)存在一個(gè)圖形圖像，并且雙方都需要對(duì)其進(jìn)行察看并進(jìn)行輸入(contribute to it)。由于信息安全和控制方便的原因，每一方都希望由自己監(jiān)管他們自己對(duì)聯(lián)合圖像進(jìn)行的輸入。在此實(shí)例中，人250具有一個(gè)微投影裝置258，該裝置與一個(gè)控制裝置256相連。投影裝置258由空間調(diào)節(jié)裝置260支持，以將圖像投射到位于兩個(gè)人之間并由基座270支撐的垂直半透明屏幕268上。另一個(gè)人252利用類似的投影裝置264，該裝置由支持件266支撐并連接到控制裝置262上，以將圖像投影在垂直屏幕268上。兩束投影光束272和273投射到屏幕268的相對(duì)側(cè)面上，并且產(chǎn)生兩個(gè)不同的但是準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)的圖像。調(diào)節(jié)一個(gè)投影儀以將待成像數(shù)據(jù)的鏡像進(jìn)行投影，以使兩個(gè)圖像彼此匹配。人250以集光角274觀察到一個(gè)圖像，該圖像是通過疊加在半透明光束273上的光束272的反射而形成的，而另一個(gè)人以集光角276觀察到疊加在半透明圖像272上的反射圖像273。這兩個(gè)人都觀察到相同的有效圖像。每個(gè)人可以修改自己投影儀上的圖形信息，以產(chǎn)生視覺效果，諸如戰(zhàn)爭游戲中的礦山與坦克之間的關(guān)系、建筑物的圖畫和水管布局、城市的地圖以及新提出的居民建筑群(residential complex)的布局、一個(gè)解剖器官的X光片、以及一個(gè)計(jì)劃實(shí)施的方案等。在圖像邊緣的相同位置的定位標(biāo)記起到對(duì)兩個(gè)圖像進(jìn)行手工對(duì)準(zhǔn)以精確重疊的作用。
圖11F和11G分別示出本發(fā)明的包括多個(gè)投影立體圖像(可以為一非立體投影，但仍然為一視網(wǎng)膜投影)的另外一種應(yīng)用的兩個(gè)實(shí)例。使用基于空間相干光源的微投影儀允許獲得采用普通非相干投影裝置所不能夠獲得的圖像的定向投影。在圖11F所示的實(shí)例中，用戶310用其肉眼向立體投影儀322的開口320里面觀看。本發(fā)明的兩個(gè)相干投影儀設(shè)置在立體投影儀的內(nèi)部，采用激光器二極管作為它們的光源324和326，每個(gè)投影儀指向用戶眼睛312和314。由于人類對(duì)雙眼所看到圖像的解釋過程，用戶將兩個(gè)單獨(dú)的圖像316和318認(rèn)為是一個(gè)三維物體的兩個(gè)投影。如果由兩個(gè)相干投影儀所產(chǎn)生的圖像是由一個(gè)立體圖像組成的，則用戶將看到一個(gè)三維景象。該景象可以是彩色的并且也可以是動(dòng)態(tài)的。如圖所示，兩個(gè)投影儀324和326通過兩個(gè)數(shù)據(jù)線328和330連接，并且被連接到視頻輸入源(處理器)332，該視頻輸入源對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)線和其視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，并確定將把哪部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的一個(gè)投影儀，以部分地使一些數(shù)據(jù)在兩個(gè)投影儀之間共享，但是主要是為了在單元內(nèi)將相關(guān)數(shù)據(jù)分離到相關(guān)的投影儀。兩個(gè)視頻數(shù)據(jù)源334和336是設(shè)置在單獨(dú)的物體338的不同角度的兩個(gè)攝像機(jī)，并且從不同的角度進(jìn)行拍攝，然后作為立體輸出圖像再現(xiàn)該物體338。應(yīng)該注意，該視頻源可以是任意類型的視頻源，采用攝像機(jī)334和336僅是演示一種給定的非限制性的實(shí)例。
由于激光輸出并不投射在屏幕上而是投影于用戶，所以采用高光學(xué)輸出功率是不必要的，并且所采用的光學(xué)功率不超過由Microvision Ltd.，所生產(chǎn)的視網(wǎng)膜投影目鏡中所一貫采用的光學(xué)功率，已知該目鏡也為美國軍隊(duì)使用。
使用相干光的重要性與避免光分散而不需要對(duì)此效應(yīng)進(jìn)行控制的可能性相關(guān)聯(lián)，并且和將光束移動(dòng)到期望的方向的可能性相關(guān)聯(lián)，而任何其他類型的光將被分散。
圖11G所示為相同原理的另選實(shí)施方式，其中使用一個(gè)單獨(dú)的投影儀。這里，為使功耗達(dá)到最佳，使用旋鏡352以改變光束角，并由此產(chǎn)生利用圖11F的兩個(gè)投影儀而獲得的相同的效果。這種配置省去了對(duì)另一個(gè)投影單元和相關(guān)光學(xué)器件的使用，并且也節(jié)約了整個(gè)系統(tǒng)的占用面積和重量。當(dāng)用戶注視投影裝置350時(shí)，光束348和346都指向用戶的眼睛342和344。以高速率連續(xù)旋轉(zhuǎn)的旋鏡352對(duì)眼睛342和344之間的光束進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)同步單元(sync unit)354將所需的數(shù)據(jù)傳送到每個(gè)眼睛，以對(duì)用戶產(chǎn)生3D立體效應(yīng)。利用與上述實(shí)例中相同的方式傳送視頻數(shù)據(jù)，但是僅有一個(gè)輸入視頻線356與同步單元相連，該同步單元利用不同的控制線358控制輸入和旋鏡。
本發(fā)明可用于可佩帶的立體3D眼鏡以提供圖像的高效3D投影。其原理在圖11H中給予了簡要說明。為產(chǎn)生一個(gè)立體的3D圖像，通常需要具有兩個(gè)投影通道，可操作地提供兩個(gè)圖像之間的差異。在大多數(shù)普通系統(tǒng)中，將可佩帶的眼鏡用于保持所需的效應(yīng)。然而，眼鏡的透射度的缺乏導(dǎo)致返回觀察者眼睛的大部分光的退化，導(dǎo)致亮度的減小以及對(duì)更高功率的投影儀的需求。在這種特定應(yīng)用中使用DLP投影儀(基于MEMS技術(shù)的數(shù)字光處理投影儀)，與利用LCD投影儀獲得的效果相比，導(dǎo)致低效率和低的對(duì)用戶眼睛的亮度，即使通常情況下，在所投影的表面自身上的效率要高于不利用3D眼鏡的情況。這是由于眼鏡是基于偏振器的事實(shí)，并且由于從普通LCD系統(tǒng)發(fā)射的光是偏振化的，當(dāng)光從投影表面反射向觀察者眼鏡時(shí)，它以更高的效率通過眼鏡而不導(dǎo)致與利用隨機(jī)偏振時(shí)所發(fā)生的同樣大的損失，[類似來自基于微鏡調(diào)制器的投影儀(DLP投影儀)]。
通過對(duì)圖1或圖6所例舉的本發(fā)明的投影儀裝置進(jìn)行簡單的改進(jìn)，本發(fā)明的技術(shù)與兩種已知的概念(通常的LCD，DMD/DLP)相比提高了總效率。這種改進(jìn)包括去除SLM單元的輸出側(cè)的偏振器，因此根本沒有偏振器(考慮使用偏振光源)。這樣，對(duì)于沒有佩戴眼鏡的用戶，屏幕表面上的投影圖像將是不可見的，并且該圖像將在表面上顯示為一個(gè)光斑。佩戴眼鏡觀看圖像的用戶將可以清晰地看到圖像，這是由于其眼鏡起到SLM的輸出端的偏振器的作用。因此，可以在觀察者的3D眼鏡上得到高亮度、高效率的圖像。
應(yīng)該理解的是，如上所述本發(fā)明的裝置的各種實(shí)施方式的所有功能元件可以集成在單個(gè)復(fù)合組件中，該組件可以是一個(gè)通信和計(jì)算裝置的組成部分。本發(fā)明適于利用多重光源實(shí)現(xiàn)以產(chǎn)生全彩色來實(shí)現(xiàn)，或者可利用白光源來實(shí)現(xiàn)。該光源可以是任何類型的光源，例如激光器二極管。
本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員可以很容易地理解，在不超出在后附權(quán)利要求及其所限定的范圍的情況下，可以對(duì)如上述例舉的本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行各種修改和變化。
權(quán)利要求
1.具有預(yù)定橫截面的入射光束，該入射光束入射到空間光調(diào)制(SLM)單元的有源表面上，該SLM單元是由SLM像素裝置形成的，入射光束的所述預(yù)定橫截面對(duì)應(yīng)于所述有源表面的大?。缓驮O(shè)置在該SLM單元的輸出側(cè)的放大光學(xué)器件；該裝置的特征在于，所述SLM單元包括第一和第二透鏡陣列，分別位于該SLM像素裝置的相對(duì)兩側(cè)，使得第一陣列中的每個(gè)透鏡和第二陣列中的對(duì)應(yīng)的相對(duì)透鏡與SLM像素中的一個(gè)對(duì)應(yīng)像素相關(guān)聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中入射到SLM單元上的入射光經(jīng)過特別的偏振，該裝置包括一個(gè)設(shè)置在SLM單元的輸出側(cè)的偏振器單元，并且其偏振平面具有一個(gè)優(yōu)選的取向，以基本上與入射光束的偏振平面方向相同或者相對(duì)其旋轉(zhuǎn)90度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中光源系統(tǒng)包括一個(gè)高比率偏振的光束。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，包括一個(gè)輸入偏振器，位于SLM像素裝置的輸入側(cè)。
5.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其中光源系統(tǒng)包括一個(gè)光學(xué)裝置，該光學(xué)裝置可操作地提供入射光束橫截面內(nèi)的基本均勻的強(qiáng)度分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述光學(xué)裝置包括一個(gè)衍射元件，該衍射元件可操作地修改光束強(qiáng)度分布，以產(chǎn)生在光束橫截面內(nèi)基本均勻的強(qiáng)度分布。
7.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其中光源系統(tǒng)包括一個(gè)光束擴(kuò)展器，該光束擴(kuò)展器對(duì)由光源生成的光束的橫截面進(jìn)行作用，以提供具有與SLM單元的有源表面的大小基本相等的光束橫截面。
8.根據(jù)權(quán)利要1到6中的任一項(xiàng)所述的裝置，其中光源系統(tǒng)包括一光源，所述光源產(chǎn)生其橫截面與SLM單元的有源表面大小基本相等的光束。
9.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，包括一個(gè)圖像處理器系統(tǒng)，該圖像處理器系統(tǒng)可操作地執(zhí)行至少一項(xiàng)下述過程(i)對(duì)表示待投影圖像的數(shù)據(jù)施加數(shù)字處理，以避免或者至少顯著減少投影圖像中與斑點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的影響；(ii)對(duì)表示所投影圖像的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以校正光強(qiáng)的非均勻性；以及(iii)對(duì)表示環(huán)境條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以調(diào)節(jié)入射光束的強(qiáng)度和混色兩者中的至少一個(gè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9(ii)所述的裝置，包括一個(gè)圖像記錄裝置，該圖像記錄裝置可操作地生成表示投影圖像的數(shù)據(jù)，并將所述數(shù)據(jù)傳送到圖像處理器系統(tǒng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9(iii)所述的裝置，包括一個(gè)環(huán)境檢測(cè)器，該環(huán)境檢測(cè)器可操作地產(chǎn)生表示環(huán)境條件的數(shù)據(jù)，并將所述數(shù)據(jù)傳送到圖像處理器系統(tǒng)。
12.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，包括一個(gè)調(diào)制驅(qū)動(dòng)器，該調(diào)制驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)于表示待投影圖像的成像信號(hào)，以產(chǎn)生發(fā)送到SLM像素裝置的調(diào)制信號(hào)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9和12所述的裝置，其中所述調(diào)制驅(qū)動(dòng)器可與圖像處理器系統(tǒng)連接，以從其接收所述成像信號(hào)。
14.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，包括一個(gè)時(shí)間調(diào)制器，該時(shí)間調(diào)制器與所述SLM像素裝置相連，并可操作地對(duì)光源系統(tǒng)的不同光分量施加時(shí)間調(diào)制。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述不同的光分量是不同的色彩分量。
16.根據(jù)權(quán)利要求1到13中的任一項(xiàng)所述的裝置，其中光源系統(tǒng)產(chǎn)生空間分立的、不同色彩的光分量，該裝置包括附加的多個(gè)SLM像素裝置，每個(gè)SLM像素裝置與色彩光分量中的一個(gè)對(duì)應(yīng)分量相關(guān)聯(lián)。
17.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，包括一個(gè)旋鏡，該旋鏡容置在投影表面的前側(cè)，該裝置由此可以產(chǎn)生一個(gè)立體圖像。
18.根據(jù)權(quán)利要求2到17中的任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述偏振器單元是由能夠模擬三維圖像的可佩戴眼鏡的表面構(gòu)成的。
19.一種投影系統(tǒng)，包括至少兩個(gè)投影裝置，每個(gè)投影裝置的結(jié)構(gòu)如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，包括一個(gè)控制單元，該控制單元可與每一個(gè)投影裝置相連接，并且可操作地能夠在投影表面上產(chǎn)生一個(gè)大的組合圖像，該組合圖像是由各投影裝置所產(chǎn)生的圖像而形成的。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述投影表面是凹形的。
22.一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可操作地產(chǎn)生待成像數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)包括根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的裝置，其中所述裝置連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)生裝置，并且進(jìn)行操作以將圖像投影在至少一個(gè)外部投影表面上。
23.一種圖像投影方法，包括(a)產(chǎn)生一入射光束，該光束具有與由SLM像素裝置所形成的空間光調(diào)制器(SLM)單元的有源表面的大小對(duì)應(yīng)的橫截面，并且將所述入射光束導(dǎo)向所述有源表面；(b)使所述光線通過SLM單元，該SLM單元具有位于SLM像素裝置的相對(duì)兩側(cè)的第一和第二透鏡陣列，在第一陣列中的每個(gè)透鏡和第二陣列中的對(duì)應(yīng)的相對(duì)透鏡與SLM像素中的一個(gè)對(duì)應(yīng)SLM像素相關(guān)聯(lián)，同時(shí)利用表示待投影圖像的成像信號(hào)操作SLM像素裝置；(c)使從SLM單元出射的調(diào)制光通過一放大光學(xué)器件以投影到投影表面。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，包括對(duì)向SLM像素裝置傳播的入射光束提供特定的偏振，并且使調(diào)制光通過一偏振器，該偏振器的偏振平面的優(yōu)選取向與入射光束的偏振平面方向基本相同，或者相對(duì)于其旋轉(zhuǎn)90度。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，包括使一光源所生成的隨機(jī)偏振光束通過設(shè)置在SLM像素裝置輸入側(cè)的一偏振器。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中入射光束是由一高比率的偏振光源產(chǎn)生的。
27.根據(jù)權(quán)利要求23到26中的任一項(xiàng)所述的方法，其中入射光束是由一光源產(chǎn)生的，該光源發(fā)射的光束具有與SLM像素裝置的有源表面大小基本相等的橫截面。
28.根據(jù)權(quán)利要求23到26中的任一項(xiàng)所述的方法，其中入射光束的產(chǎn)生包括使由光源發(fā)射的光束通過一光束整形光學(xué)器件，以產(chǎn)生具有預(yù)定橫截面的入射光束。
29.根據(jù)權(quán)利要求23到28中的任一項(xiàng)所述的方法，包括在操作SLM像素裝置前對(duì)所述成像信號(hào)進(jìn)行處理，以施加像素的數(shù)字抖動(dòng)和衰減，從而能夠減少投影圖像中的斑點(diǎn)效應(yīng)。
30.根據(jù)權(quán)利要求23到29中的任一項(xiàng)所述的方法，包括獲得表示投影圖像的數(shù)據(jù)，對(duì)所述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且在操作SLM像素裝置前處理所述成像信號(hào)，從而提供投影圖像內(nèi)基本均勻的強(qiáng)度。
31.根據(jù)權(quán)利要求23到30中的任一項(xiàng)所述的方法，包括獲得表示環(huán)境條件的數(shù)據(jù)，分析所述數(shù)據(jù)，并在操作SLM像素裝置之前處理所述成像信號(hào)，從而對(duì)形成投影圖像的調(diào)制光的強(qiáng)度和混色中的至少一項(xiàng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種圖像投影裝置和方法。該裝置包括一光源系統(tǒng)，可操作地產(chǎn)生一光束，以投射至由SLM像素裝置所形成的空間光調(diào)制器(SLM)單元的有源表面上；以及一個(gè)設(shè)置在SLM單元輸出側(cè)的放大光學(xué)器件。投射至SLM像素裝置上的光束具有一個(gè)預(yù)定的橫截面，其與所述有源表面的大小相對(duì)應(yīng)。該SLM單元包括第一和第二透鏡陣列，分別位于像素裝置的兩相對(duì)側(cè)，使得第一陣列中的每個(gè)透鏡和在第二陣列中的相應(yīng)的相對(duì)透鏡與SLM像素中的一個(gè)對(duì)應(yīng)像素相關(guān)聯(lián)。
文檔編號(hào)H04N9/31GK1541483SQ02815709
公開日2004年10月27日 申請(qǐng)日期2002年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月6日
發(fā)明者尤瓦爾·卡佩爾納, 莎倫·卡佩爾納, 伊扎克·波梅蘭茨, 澤夫·扎萊夫斯基, 埃蘭·沙博, 波梅蘭茨, 卡佩爾納, 尤瓦爾 卡佩爾納, 扎萊夫斯基, 沙博 申請(qǐng)人:以克斯普雷有限公司