專利名稱：真三維高清晰度顯示方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及真三維高清晰度顯示的方法，以及實(shí)現(xiàn)這些方法的裝置系統(tǒng)和技術(shù)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有真三維顯示技術(shù)綜述，先對(duì)現(xiàn)有真三維顯示技術(shù)做一簡(jiǎn)要綜述。
(A)基于固體介質(zhì)能量躍遷的真三維顯示從根本上講，真三維顯示技術(shù)是將大量的可以控制其亮度和色彩的體元分布在真正三維空間中，從而組成具有真正空間關(guān)系的三維圖像。固體介質(zhì)能量躍遷顯示真三維圖像的原理是將特定固體介質(zhì)充滿三維空間中的一塊區(qū)域，然后有選擇地激發(fā)體元組合，使其按要求發(fā)光，組成真三維體元陣列形成三維圖像。為達(dá)到此目的，此技術(shù)用兩束可獨(dú)立控制的能量射線射入特定固體介質(zhì)內(nèi)，任何一根射線的能量不足以激發(fā)沿射線上的固體介質(zhì)材料發(fā)生躍遷。但是在兩束射線交叉之處聚集著高于躍遷能級(jí)的能量，從而使射線交叉點(diǎn)的材料發(fā)生能級(jí)躍遷(up-conversion)，導(dǎo)致該點(diǎn)發(fā)光?？刂粕渚€掃描方式便可控制兩束射線交叉點(diǎn)在三維空間中的掃描方式，從而形成由三維體元點(diǎn)集組成的真三維圖像。
美國(guó)專利US4,041476(Swainson，1977)和US5,684,621(Downing，1997)描述了基于固體介質(zhì)能量躍遷的真三維顯示技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。這種方法用兩只紅外激光器掃描固體介質(zhì)內(nèi)的三維空間，使其焦點(diǎn)出的能量達(dá)到躍遷能級(jí)，光子發(fā)出可見螢光，隨之釋放能量進(jìn)入低能級(jí)。
目前發(fā)現(xiàn)的固體介質(zhì)是由玻璃中參雜稀土元素顆粒制成，稱為ZBLAN。ZBLAN是一種熒光化玻璃，含有化學(xué)元素ZrF1-BaF2-LaF3-AlF3-NaF，應(yīng)而由他們的第一個(gè)字母組成這種材料的名稱。
固體介質(zhì)能量躍遷顯示真三維圖像的原理無(wú)需采用任何移動(dòng)部件，應(yīng)而具有非常高的發(fā)展?jié)摿Α＠щy之處在于如何產(chǎn)生出實(shí)際可用的高清晰度三維顯示器和如何產(chǎn)生彩色顯示。
(B)基于氣體介質(zhì)能量躍遷的真三維顯示另一種基于能量躍遷原理的三維顯示方法是利用氣體介質(zhì)。兩束激光相交在充滿原子蒸汽的容器內(nèi)。激光相交點(diǎn)產(chǎn)生可見的熒光點(diǎn)(美國(guó)專利US4881068，1989)。原子蒸汽可用Rubidium蒸汽。單束激光本身并不可見。當(dāng)兩束激光同時(shí)照射在同一氣體原子上時(shí)，兩級(jí)能量躍遷發(fā)生作用，形成可見熒光點(diǎn)。將兩束激光同步掃描，可以在氣體介質(zhì)內(nèi)逐一”畫出”真三維圖像的體元。當(dāng)掃描速度高于每秒24幀時(shí)，人類肉眼即可感受到穩(wěn)定的三維圖像。
這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于它可以產(chǎn)生很大屏幕三維顯示圖像而無(wú)需增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。在具體實(shí)現(xiàn)上的困難在于它需要一個(gè)大真空腔，并需要保持其溫度，因而系統(tǒng)維護(hù)困難。三維圖像的清晰度受到激光掃描速度的限制。激光束可能引起肉眼的傷害。
(C)旋轉(zhuǎn)發(fā)光二極管陣列早期開發(fā)的真三維顯示技術(shù)采用將發(fā)光二極管密集安裝在可旋轉(zhuǎn)平板上?？刂泼恳粋€(gè)發(fā)光二極管的發(fā)光時(shí)序并將其與平板的旋轉(zhuǎn)位置同步，可以在旋轉(zhuǎn)體內(nèi)產(chǎn)生出三維圖像。這一方法最初由Schipper提出(US3,097,261，1963)。在1979年，Berlin發(fā)展出一個(gè)新方法，用光導(dǎo)方法解決了向旋轉(zhuǎn)面?zhèn)鬏敶罅匡@示數(shù)據(jù)的問題，并用高速LED(Light Emitter Diode)陣列取代了原來用的發(fā)光二極管(US4,160,973，1979)。
這一方法采用LED陣列平板旋轉(zhuǎn)出三維顯示空間。三維圖像的清晰度受到LED陣列密度的限制和LED開關(guān)時(shí)間的影響。
(D)陰極射線球利用陰極射線球(Cathode Ray Sphere，簡(jiǎn)稱CRS)來顯示三維圖像的概念最初由Ketchpel在1960年提出(US3,140,415，1960)。新西蘭學(xué)者Blundell在1979年將此概念做了原理性實(shí)現(xiàn)(US5,703,606，1997)。這一方法將熒光物質(zhì)鍍?cè)谝粋€(gè)可旋轉(zhuǎn)的屏幕上。將此可旋轉(zhuǎn)屏幕置于真空容器內(nèi)，再用電子射線束掃描處于真空中的可旋轉(zhuǎn)的屏幕，產(chǎn)生可見光點(diǎn)。如果將電子射線束的掃描時(shí)序與屏幕的旋轉(zhuǎn)同步，便可在屏幕的旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)顯示出真三維圖像。
由這種方法生成的三維圖像質(zhì)量較差，受到玻璃容器壁的光線折射，及旋轉(zhuǎn)屏幕透明度的影響。另外一個(gè)影響像質(zhì)的因素是熒光發(fā)光物質(zhì)的發(fā)光啟動(dòng)時(shí)間和余暉。
(E)高速變焦薄膜鏡Sher在1978年提出了另外一個(gè)顯示真三維圖像的方法，利用光學(xué)虛像原理(US4,130,832，1978)。這一方法利用柔性薄膜制成可變焦的光學(xué)鏡面。將此薄膜鏡附在類似于揚(yáng)聲器紙盆的裝置上。揚(yáng)聲器紙盆裝置由電子驅(qū)動(dòng)控制其運(yùn)動(dòng)行程，導(dǎo)致柔性薄膜鏡有規(guī)律形變，改變了它的光學(xué)焦距。將一高速平面顯示器裝在柔性薄膜鏡附近，由此薄膜鏡反射出來的顯示圖像看起來便像是處于三維空間的不同深度。
基于高速變焦薄膜鏡的真三維顯示方法已有原理實(shí)現(xiàn)，但其顯示器尺寸受到柔性薄膜鏡尺寸的限制。由于柔性薄膜鏡需要機(jī)械驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度受到限制。
(F)激光掃描旋轉(zhuǎn)螺旋面德州儀器公司的研究人員對(duì)激光掃描旋轉(zhuǎn)螺旋面產(chǎn)生真三維圖像的技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究(US5,042,909，US5,162,787)。這種方法將一束激光掃描在一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的螺旋面上。螺旋面的反射可在三維空間中產(chǎn)生可見光點(diǎn)。激光器的開關(guān)時(shí)序和掃描方式與螺旋面的旋轉(zhuǎn)位置同步，便可在三維空間中顯示出真三維圖像。
這種真三維顯示方法有不少問題最突出的問題是它的圖像清晰度。由于激光掃描是順序進(jìn)行，在任何一個(gè)時(shí)刻只能顯示出一個(gè)三維體元，因而在一個(gè)重復(fù)刷新時(shí)段內(nèi)能夠顯示的體元數(shù)目有限制，否則體元的亮度和掃描器的速度都受到影響。低密度體元無(wú)法產(chǎn)生高清晰度圖像。有人也提出用多束激光來提高圖像清晰度的方案，但因成本太高，設(shè)計(jì)太復(fù)雜而無(wú)法實(shí)用。
綜上所述，真三維顯示技術(shù)一直是作為顯示技術(shù)的最前沿課題受到廣泛重視。但當(dāng)前現(xiàn)有的真三維顯示技術(shù)和專利無(wú)法滿足市場(chǎng)對(duì)高清晰度真三維顯示的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種(系列)真三維高清晰度顯示的方法，以及實(shí)現(xiàn)這些方法的裝置系統(tǒng)和技術(shù)。所謂”真三維顯示”，是指被顯示圖像的每一個(gè)三維象素點(diǎn)(又稱為”三維體元”或”體元”(voxel))都位于三維物理空間中的真實(shí)位置，每個(gè)體元的亮度和色彩可控，體元之間的相對(duì)空間位置關(guān)系被真實(shí)地體現(xiàn)在三維顯示系統(tǒng)中，從而組成真正意義上的三維圖像。
本發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的真三維高清晰度顯示方法，光源通過光學(xué)整直透鏡(Collimating lens)投射到極性化分光器，極性化的光線被其反射，投射到空間光調(diào)制器(SLM)上；由控制計(jì)算機(jī)產(chǎn)生高速變換的圖像流調(diào)制SLM，通過調(diào)制SLM上象素的開啟和關(guān)閉，可以控制由其反射的光線，從而調(diào)制出高速變換的圖像；SLM上反射出的圖像光束經(jīng)由極性化分光器和一個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)7投射到旋轉(zhuǎn)螺旋面8上；投射到旋轉(zhuǎn)螺旋面上的光束被螺旋面截獲，在截獲處形成可見光點(diǎn)；螺旋面在旋轉(zhuǎn)，在不同時(shí)間投射出的光束被螺旋面在不同高度上截獲；旋轉(zhuǎn)螺旋面可以用以下數(shù)學(xué)方程來描述 ；將SLM的調(diào)制時(shí)序與螺旋面的旋轉(zhuǎn)位置同步，便可在螺旋面旋轉(zhuǎn)出的整個(gè)空間產(chǎn)生真三維體元分布；SLM設(shè)置成分別投射三基色光或其補(bǔ)色，將全真色彩的被顯示圖像分解成三幅單基色的圖像紅、綠、藍(lán)三原色或其補(bǔ)色，將這三個(gè)圖像分別送到三套獨(dú)立的SLM投影子系統(tǒng)上(50，51，52)，由這三套SLM獨(dú)立進(jìn)行圖像調(diào)制，完成調(diào)制后的三個(gè)投影光束再由兩個(gè)分色濾波片進(jìn)行色彩合成，總光源是白光投影機(jī)，經(jīng)由極性化分光器進(jìn)行分光；或采用三個(gè)可獨(dú)立控制其時(shí)序的彩色光源與一個(gè)SLM的調(diào)制時(shí)序同步，利用分時(shí)的原理產(chǎn)生紅綠藍(lán)三色圖像成分的順序投影；所有三色光的光路在投影光學(xué)元件57上進(jìn)行色彩合成，形成真三維顯示圖像。
調(diào)制SLM的圖像流是由下述方法構(gòu)成將三維圖像數(shù)據(jù)按照上述旋轉(zhuǎn)螺旋面的形狀進(jìn)行切割分層，數(shù)據(jù)層是按照螺旋面在每一位置的空間形狀來分布；真三維空間沿z軸方向有N層體元，將整個(gè)三維顯示數(shù)據(jù)沿z軸切割成N片，每一片都具有螺旋面的形狀；片與片之間相差360/N度空間旋轉(zhuǎn)角；將原來顯示整套L×M×N個(gè)三維體元的工作轉(zhuǎn)換成為N個(gè)沿z軸兩維投影，每個(gè)兩維投影具有L×M分辨率；每個(gè)兩維投影SLM的調(diào)制時(shí)序與螺旋面旋轉(zhuǎn)位置同步，依次順序進(jìn)行，將所述兩維投影用高速SLM來實(shí)現(xiàn)。
SLM的調(diào)制是利用線性脈沖寬度調(diào)制方法產(chǎn)生投影亮度的灰度級(jí)，其主時(shí)鐘脈沖的時(shí)序式按二進(jìn)制來排列。數(shù)字式亮度信號(hào)的最高位(MSB)被加載到內(nèi)存單元上。每一個(gè)微鏡維持MSB狀態(tài)達(dá)到一個(gè)幀周期的一半時(shí)間，直到次高位信號(hào)被加載，每一個(gè)微鏡維持次高位狀態(tài)達(dá)到一個(gè)幀周期的4分之一時(shí)間，依此類推。每低一位，維持時(shí)間減辦，直至最低位。由于幀周期時(shí)間非常短，快速開關(guān)的亮度信號(hào)會(huì)給肉眼感受到不同的亮度。這樣，數(shù)字微鏡裝置便將接收到的描述灰度級(jí)信息的”電子語(yǔ)言”，將其轉(zhuǎn)換成人眼可以看到的”光學(xué)語(yǔ)言”，讓觀察者感受到每一象素的亮度變化。
光源，數(shù)字微鏡芯片，它的控制電路被集成在一個(gè)部件(1610)上，它投射出的圖像經(jīng)反射鏡(1620)投向旋轉(zhuǎn)螺旋面(1630)，形成三維顯示區(qū)域(1650)，旋轉(zhuǎn)螺旋面由一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置(1640)所帶動(dòng)。它的上面裝有旋轉(zhuǎn)位置傳感器，其檢測(cè)信號(hào)被用來同步控制板(1610)的調(diào)制時(shí)序。控制電腦(未畫在圖中)負(fù)責(zé)三維數(shù)據(jù)的預(yù)處理，傳送，傳感器信號(hào)檢測(cè)，同步控制。
所述方法中，光源，數(shù)字微鏡芯片，它的控制電路等被集成在一個(gè)部件上。它投射出的圖像經(jīng)反射鏡投向旋轉(zhuǎn)螺旋面(1630)，形成三維顯示區(qū)域(1650)。旋轉(zhuǎn)螺旋面由一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置(1640)所帶動(dòng)。它的上面裝有旋轉(zhuǎn)位置傳感器，其檢測(cè)信號(hào)被用來同步控制板(1610)的調(diào)制時(shí)序?？刂齐娔X(未畫在圖中)負(fù)責(zé)三維數(shù)據(jù)的預(yù)處理，傳送，傳感器信號(hào)檢測(cè)，同步控制。
根據(jù)上述方法的真三維高清晰度顯示裝置，包括光源、濾光片、光學(xué)整直透鏡、空間光調(diào)制器(SLM)”、”旋轉(zhuǎn)螺旋面”構(gòu)成，光源經(jīng)濾光片和光學(xué)整直透鏡的光路投射到極性化分光器，極性化的光線被其反射，投射到空間光調(diào)制器(SLM)上；由控制計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的原始圖像的紅綠藍(lán)三色圖像成分產(chǎn)生高速變換的圖像流調(diào)制SLM，通過調(diào)制SLM上象素的開啟和關(guān)閉，SLM上反射出的圖像光束經(jīng)由極性化分光器和一個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)投射到三維成像裝置，三維成像裝置為旋轉(zhuǎn)螺旋面8上；將SLM的調(diào)制時(shí)序與螺旋面的旋轉(zhuǎn)位置同步，旋轉(zhuǎn)螺旋面用上述方程來描述。
所述空間光調(diào)制器是鐵電液晶陣列器件、垂直腔表面激發(fā)激光陣列器件(VCSEL)。采用”背面投影”式設(shè)計(jì)，光學(xué)投影系統(tǒng)將圖像投射從與觀察者觀看方向相反的螺旋體表面上投入；螺旋體采用半透半反的半透明材料制成，所有元件均安置在旋轉(zhuǎn)螺旋面下方，顯示區(qū)域在頂部，本發(fā)明設(shè)有三套獨(dú)立的SLM分別投射三基色光或其補(bǔ)色，將全真色彩的被顯示圖像分解成三幅單基色的圖像紅、綠、藍(lán)三原色或其補(bǔ)色，將這三個(gè)圖像分別送到三套獨(dú)立的SLM投影子系統(tǒng)上，與藍(lán)光相對(duì)應(yīng)的光束由”監(jiān)光反射片”54反射至”藍(lán)色SLM”的光路，經(jīng)由藍(lán)色SLM調(diào)制的圖像信號(hào)再由藍(lán)光反射片送至藍(lán)光投影系統(tǒng)。類似地，與紅光相對(duì)應(yīng)的光束由”紅光反射片”53反射至”紅色SLM”的光路，經(jīng)由紅色SLM調(diào)制的圖像信號(hào)再由紅光反射片送至紅光投影系統(tǒng)；余下來的光能被送至綠色SLM光路，由其調(diào)制產(chǎn)生綠光信號(hào)；所有三色光的光路在投影光學(xué)元件57上進(jìn)行色彩合成，投向旋轉(zhuǎn)螺旋面三維成像裝置；光學(xué)位置傳感器同軸安裝在螺旋面的轉(zhuǎn)軸上。
采用三個(gè)可獨(dú)立控制其時(shí)序的彩色光源與一個(gè)SLM的調(diào)制時(shí)序同步，利用分時(shí)的原理產(chǎn)生紅綠藍(lán)三色圖像成分的順序投影；與藍(lán)光相對(duì)應(yīng)的光束由”藍(lán)光反射片”54反射至”藍(lán)色SLM”的光路，經(jīng)由藍(lán)色SLM調(diào)制的圖像信號(hào)再由藍(lán)光反射片送至藍(lán)光投影系統(tǒng)；與紅光相對(duì)應(yīng)的光束由”紅光反射片”53反射至”紅色SLM”的光路，經(jīng)由紅色SLM調(diào)制的圖像信號(hào)再由紅光反射片送至紅光投影系統(tǒng)；余下來的光能被送至綠色SLM光路，由其調(diào)制產(chǎn)生綠光信號(hào)；所有三色光的光路在投影光學(xué)元件57上進(jìn)行色彩合成，形成真三維顯示圖像。激光，LED，白光投影器加濾色片。
采用高速切換的激光器為彩色光源，該光源的亮暗可以由激光控制器直接調(diào)制?；蚴褂霉鈱W(xué)開關(guān)(shutter)68來控制各色彩光路光源的開啟和關(guān)閉。三路彩色光經(jīng)由光學(xué)反射鏡和分光器63合成為一路光束，投向極性化分光器65。合成后的光束由SLM64進(jìn)行調(diào)制；原始圖像被分解成為三幅單色圖像，在順序送至SLM按照時(shí)序進(jìn)行調(diào)制。采用分時(shí)方案，SLM的刷新速率需要比單獨(dú)用與單色光路快三倍。調(diào)制后的光束經(jīng)由投影光學(xué)元件67投至三維成像裝置形成真三維顯示圖像。
所述空間光調(diào)制器(SLM)采用象素結(jié)構(gòu)數(shù)字微鏡芯片，它的象素由內(nèi)存單元控制的單片集成電路構(gòu)成，每一個(gè)數(shù)字微鏡芯片象素的數(shù)字光交換包括一個(gè)鋁制微鏡(710)，根據(jù)下面的內(nèi)存單元將光線反射到兩個(gè)預(yù)定方向中的一個(gè)，取決于內(nèi)存單元的狀態(tài)。每一片微鏡由兩個(gè)薄片鉸鏈支撐于內(nèi)存單元之上。每一片微鏡可以由內(nèi)存單元兩端的電壓差所產(chǎn)生的電磁吸力來控制；鏡面旋轉(zhuǎn)角度由機(jī)械制動(dòng)(720)為±10°，當(dāng)內(nèi)存單元在“開”的狀態(tài)，鏡面旋轉(zhuǎn)到+10°，當(dāng)內(nèi)存單元在“關(guān)”的狀態(tài)，鏡面旋轉(zhuǎn)到-10°。數(shù)字微鏡的偏轉(zhuǎn)角為正負(fù)10度以內(nèi)，微鏡陣列中每-個(gè)微鏡可以分別進(jìn)行控制。數(shù)字微鏡象素利用微鏡配置角來控制光的開關(guān)，微鏡將入射光反射到投影透鏡上(如果處于”開”狀態(tài))或反射到吸光區(qū)域(750)(如果處于”關(guān)”狀態(tài))。
SLM是基于數(shù)字微鏡芯片的彩色投影裝置，用一只或二只數(shù)字微鏡芯片。白色光源(1310)經(jīng)聚光鏡(1320)將光學(xué)能量集中在一個(gè)旋轉(zhuǎn)色輪上(1330)。這個(gè)色輪由紅綠藍(lán)(RGB)三個(gè)透色窗口組成，分別在不同時(shí)刻將紅綠藍(lán)光傳遞給透鏡組合(1340)。；或由”紅綠(Y)”和”紅藍(lán)(M)”兩個(gè)透色窗口組成，分別在不同時(shí)刻將紅綠和紅藍(lán)兩種光傳遞給透鏡組合；利用一個(gè)折射棱鏡(1350)將光傳遞到數(shù)字微鏡裝置上(1360)，由數(shù)字微鏡裝置上的象素對(duì)光的明暗進(jìn)行調(diào)制，形成投影圖像；這一圖像被反射到投影透鏡(1370)上，投向三維顯示屏幕。
本發(fā)明特點(diǎn)是涉及的真三維顯示技術(shù)與傳統(tǒng)的二維平畫顯示系統(tǒng)(如電腦顯示屏等)的不同之處在于它的”顯示屏”不是平面，而是一塊三維空間區(qū)域，所有三維象素點(diǎn)分布在真三維空間中。本發(fā)明與現(xiàn)有的三維立體顯示技術(shù)(如立體電影等)的不同之處在于它無(wú)需借助于特殊眼鏡或其他輔助裝置才能使觀看者感受到三維空間關(guān)系。觀看者可以通過變換觀察位置從不同角度看到被顯示圖像的不同側(cè)面。多個(gè)觀看者可以同時(shí)從不同角度觀察同一被顯示三維物體，如同觀察真實(shí)的三維物體一樣。本發(fā)明在真三維顯示技術(shù)上的一項(xiàng)關(guān)鍵突破在于提供了可以顯示高清晰度三維圖像的方法，可使三維圖像體元個(gè)數(shù)達(dá)到數(shù)千萬(wàn)個(gè)，從而可使此項(xiàng)技術(shù)達(dá)到實(shí)用化和產(chǎn)品化。本發(fā)明提出的一系列真三維高清晰度顯示的方法，從根本上更新了三維顯示的概念，使被顯示圖像栩栩如生，向觀看者提供了完備的心理和生理的三維感知信息，為理解三維圖像和其中物體之間的空間關(guān)系提供了獨(dú)特的手段，因而具有極高的商業(yè)價(jià)值。
四

圖1.本發(fā)明展示真三維顯示系統(tǒng)工作原理。
圖2.本發(fā)明“正面投影”真三維顯示系統(tǒng)工作原理。
圖3.本發(fā)明“正面投影”與”背面投影”實(shí)現(xiàn)方案比較，3a正面投影3b背面投影圖4.本發(fā)明便攜式真三維顯示系統(tǒng)(背面投影式光學(xué)設(shè)計(jì))圖5.本發(fā)明便攜式真三維顯示系統(tǒng)一種實(shí)現(xiàn)(應(yīng)用高速SLM和旋轉(zhuǎn)螺旋面)圖6.本發(fā)明基于VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)三維顯示方案圖7.本發(fā)明色彩合成方案(單光源多SLM)圖8.本發(fā)明多色光源單SLM調(diào)制的彩色真三維顯示方案圖9.本發(fā)明數(shù)字微鏡芯片(DMD)的象素結(jié)構(gòu)圖10.本發(fā)明數(shù)字微鏡象素利用微鏡配置角來控制光的開關(guān)圖11.本發(fā)明利用線性脈沖寬度調(diào)制方法產(chǎn)生投影亮度的灰度級(jí)圖12.本發(fā)明基于數(shù)字微鏡芯片的彩色投影裝置的光學(xué)設(shè)計(jì)圖13.本發(fā)明基于數(shù)字微鏡芯片的彩色投影裝置實(shí)現(xiàn)方案1(用一只芯片)圖14.本發(fā)明基于數(shù)字微鏡芯片的彩色投影裝置實(shí)現(xiàn)方案之2(用兩只芯片)圖15.本發(fā)明基于數(shù)字微鏡芯片的彩色投影裝置實(shí)現(xiàn)方案之3(用3只芯片)圖16.本發(fā)明基于數(shù)字微鏡裝置的真三維顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案圖17.本發(fā)明真三維顯示方法流程18.本發(fā)明三維數(shù)據(jù)切片分層圖19.本發(fā)明實(shí)時(shí)真三維顯示流程圖五具體實(shí)施方式
圖1展示了真三維顯示系統(tǒng)的工作原理，系統(tǒng)由一個(gè)高速圖像投影裝置(100)和一個(gè)運(yùn)動(dòng)屏幕(110)組成。這個(gè)在三維空間中的運(yùn)動(dòng)屏幕(110)在不同z軸位置截獲高速圖像投影裝置(100)投射的二維圖像流，因而在不同Z-軸位置形成一系列圖像。如果屏幕旋轉(zhuǎn)的很快(比如刷新速率高于每秒24幀)，人的肉眼便會(huì)將這一系列二維圖像合成，感覺到在三維空間中形成的真三維圖像。
(1)實(shí)現(xiàn)方案1基于”空間光調(diào)制器”和”旋轉(zhuǎn)螺旋面”的真三維顯示系統(tǒng)圖2所示為一種基于”空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator，SLM)”和”旋轉(zhuǎn)螺旋面”的真三維顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。如圖一所示，光源1產(chǎn)生的光線通過紫外/紅外衰減濾色片2和光學(xué)整直透鏡(Collimating lens)3投射到極性化分光器(polarized beamsplitter)4上。由于極性化分光器的特性，極性化的光線被其反射，投射到空間光調(diào)制器(SLM)5上?？刂朴?jì)算機(jī)6產(chǎn)生高速變換的圖像流調(diào)制SLM，當(dāng)SLM上的象素被開啟(On)時(shí)，通過該象素的光線便被反射回極性化分光器。當(dāng)SLM上的象素被關(guān)閉(Off)時(shí)，通過該象素的光線便被SLM吸收。通過調(diào)制SLM上象素的開啟和關(guān)閉，可以控制由其反射的光線，從而調(diào)制出高速變換的圖像。目前比較先進(jìn)的SLM的最高變換率可達(dá)到每秒7000幀。SLM上反射出的圖像光束經(jīng)由極性化分光器和一個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)7投射到旋轉(zhuǎn)螺旋面8上。投射到旋轉(zhuǎn)螺旋面上的光束被螺旋面截獲，在截獲處形成可見光點(diǎn)。由于螺旋面在不停地旋轉(zhuǎn)，在不同時(shí)間投射出的光束被螺旋面在不同高度上截獲。旋轉(zhuǎn)螺旋面可以用以下數(shù)學(xué)方程來描述 將SLM的調(diào)制時(shí)序與螺旋面的旋轉(zhuǎn)位置同步，便可在螺旋面旋轉(zhuǎn)出的整個(gè)空間產(chǎn)生真三維體元分布。如果螺旋面旋轉(zhuǎn)速度足夠快(大于20赫茲)，人類肉眼便可將其感受為連續(xù)顯示的真三維圖像。這樣產(chǎn)生的真三維圖像”漂浮”在三維空間中，觀看者可以從不同角度觀察圖像的不同側(cè)面，無(wú)需佩戴特殊眼鏡，就像觀察真的三維物體一樣。
這種基于”空間光調(diào)制器”和”旋轉(zhuǎn)螺旋面”的真三維顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)·光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有”并行投影系統(tǒng)”的優(yōu)點(diǎn)，利用SLM可產(chǎn)生高速變換的兩維數(shù)據(jù)投影流的優(yōu)勢(shì)，可以一次同時(shí)產(chǎn)生大量三維體元(高達(dá)1024×1024個(gè)體元，或更高，不像以激光掃描系統(tǒng)為代表的”串行投影系統(tǒng)”，一次只能產(chǎn)生一個(gè)體元。這種”并行投影系統(tǒng)”設(shè)計(jì)思想克服了制約產(chǎn)生高清晰度真三維顯示的瓶頸。
·隨著空間光調(diào)制器技術(shù)的迅速提高，圖像分辨率愈來愈高，轉(zhuǎn)換速度愈來愈快，一億體元的真三維顯示系統(tǒng)已切實(shí)可行。
·所提出的設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，無(wú)需復(fù)雜的激光掃描機(jī)械裝置和精細(xì)的同步控制。光學(xué)校準(zhǔn)也比較容易。
·真三維圖像就像真三維物體一樣”漂浮”在三維空間中，觀看者無(wú)需佩戴特殊眼鏡便可從不同角度觀察三維圖像的不同側(cè)面，因而為人類視覺系統(tǒng)提供了完備的生理和心理的感知條件。
·這里提出的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案可以方便地?cái)U(kuò)充到全真彩色三維顯示系統(tǒng)?？梢圆捎萌齻€(gè)SLM，分別投射紅，綠，藍(lán)三原色(或其他可以產(chǎn)生逼真顏色的色彩組合)，合成后的顯示器便可產(chǎn)生全真彩色真三維顯示。
(2)實(shí)現(xiàn)方案2便攜式真三維顯示系統(tǒng)從投影系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來看，實(shí)現(xiàn)方案1所描述的系統(tǒng)屬于”正面投影”式設(shè)計(jì)。光學(xué)投影系統(tǒng)將圖像投射在與觀察者觀看方向相同的螺旋體表面上。正面投影”式設(shè)計(jì)使得光學(xué)系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)螺旋體機(jī)械系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)比較容易，但確引起了不少其他設(shè)計(jì)問題(a)投影系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)螺旋體系統(tǒng)難以整合成為一個(gè)合為一體的整體設(shè)計(jì)。
(b)觀察者可能遮擋住投影光路，致使系統(tǒng)無(wú)法顯示完整的真三維圖像。
(c)系統(tǒng)維護(hù)困難。
這里提出的第二套實(shí)現(xiàn)方案可以有效地克服以上問題。這一發(fā)明采用”背面投影”式設(shè)計(jì)。如圖3所示，光學(xué)投影系統(tǒng)將圖像投射從與觀察者觀看方向相反的螺旋體表面上投入。螺旋體采用半透半反的半透明材料制成，投射率和反射率約為50％。正反兩面均有可見光點(diǎn)。觀察者可以從幾乎任意角度看到優(yōu)投射的光點(diǎn)形成的體元。
這樣的實(shí)現(xiàn)方案的一大優(yōu)點(diǎn)就是可以使整個(gè)真三維顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合為一體，所有系統(tǒng)元件均可以安置在旋轉(zhuǎn)螺旋面下方的機(jī)箱內(nèi)(圖4和圖5)，顯示區(qū)域在機(jī)箱頂部，形成便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大大地減輕了系統(tǒng)的運(yùn)輸和維護(hù)上的困難。
(3)實(shí)現(xiàn)方案3利用垂直腔表面激發(fā)激光作為投影器自從1989年以來，垂直腔表面激發(fā)激光(vertical cavity surface-emitting lasers，VCSELs)作為光學(xué)通訊和光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)獲得迅速發(fā)展。垂直腔表面激發(fā)激光實(shí)際上就是將大量的垂直激發(fā)的微型激光器陣列集成在一塊半導(dǎo)體材料上?？刂普{(diào)制電路可以對(duì)每一個(gè)微型激光器進(jìn)行獨(dú)立控制。他們的開關(guān)速率可以達(dá)到十億赫茲(Giga Hz)。高密度VCSEL陣列(512下512)的制造已成為可能。這種高密度VCSEL陣列可以成為真三維顯示的理想投影元件。
圖6描述了一個(gè)利用VCSEL器件實(shí)現(xiàn)的真三維顯示系統(tǒng)。VCSEL元件40上的每一個(gè)微型激光器都可以被以極高的開關(guān)速度進(jìn)行獨(dú)立控制。適用于“正面投影”或”背面投影”光學(xué)設(shè)計(jì)。在VCSEL元件的表面放上一層微型光學(xué)透鏡陣列41，以調(diào)整微型激光器輸出光的像質(zhì)，每一微型透鏡的光學(xué)中心軸與相應(yīng)VCSEL元件的光軸一一對(duì)應(yīng)。由VCSEL元件發(fā)出的光線被投射到旋轉(zhuǎn)螺旋面42上?？刂浦鳈C(jī)43對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和發(fā)送時(shí)序及亮度的控制，并與旋轉(zhuǎn)螺旋面的動(dòng)態(tài)位置進(jìn)行同步。
高密度VCSEL的出現(xiàn)已使超高清晰度真三維顯示的實(shí)現(xiàn)成為可能。VCSEL技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展會(huì)導(dǎo)致多波長(zhǎng)微型激光器的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)全真色彩的真三維顯示提供了又一條可行的方案。
實(shí)現(xiàn)彩色真三維顯示的方案除去真三維顯示系統(tǒng)的光學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，真三維顯示技術(shù)的另一前沿方向就是發(fā)展真彩色顯示能力。在此提出幾種實(shí)現(xiàn)方案。
(1)彩色真三維顯示方案1三套獨(dú)立的SLM分別投射三基色，產(chǎn)生真彩色顯示圖7給出了一個(gè)利用三套獨(dú)立的SLM分別投射三基色，產(chǎn)生真彩色顯示的實(shí)現(xiàn)方案。首先將全真色彩的被顯示圖像分解成三幅單基色的圖像(比如，紅，綠，藍(lán)三原色，或其補(bǔ)色)。將這三個(gè)圖像分別送到三套獨(dú)立的SLM投影子系統(tǒng)上(50，51，52)，由這三套SLM獨(dú)立進(jìn)行圖像調(diào)制。完成調(diào)制后的三個(gè)投影光束再由兩個(gè)分色濾波片(dichronic filters)53，54進(jìn)行色彩合成總光源是白光投影機(jī)56，經(jīng)由極性化分光器(polarized beam splitter cube)55進(jìn)行分光。與藍(lán)光相對(duì)應(yīng)的光束由”藍(lán)光反射片”54反射至”藍(lán)色SLM”的光路，經(jīng)由藍(lán)色SLM調(diào)制的圖像信號(hào)再由藍(lán)光反射片送至藍(lán)光投影系統(tǒng)。類似地，與紅光相對(duì)應(yīng)的光束由”紅光反射片”53反射至”紅色SLM”的光路，經(jīng)由紅色SLM調(diào)制的圖像信號(hào)再由紅光反射片送至紅光投影系統(tǒng)。余下來的光能被送至綠色SLM光路，由其調(diào)制產(chǎn)生綠光信號(hào)。所有三色光的光路在投影光學(xué)元件57上進(jìn)行色彩合成，投向三維成像裝置(比如，旋轉(zhuǎn)螺旋面)，形成真三維顯示圖像。
(2)彩色真三維顯示方案2三套獨(dú)立的彩色光源，使用同一SLM分時(shí)產(chǎn)生三基色投影另一種彩色真三維顯示的實(shí)現(xiàn)方案是采用三個(gè)可獨(dú)立控制其時(shí)序的彩色光源(例如紅，綠，藍(lán))與一個(gè)SLM的調(diào)制時(shí)序同步，利用分時(shí)的原理產(chǎn)生紅綠藍(lán)三色圖像成分的順序投影。由于三色成分的切換速度很快，肉眼感覺不出色彩分離，從而產(chǎn)生真三維彩色顯示。
如圖8所示，我們采用三個(gè)獨(dú)立的單色光源(激光，LED，白光投影器加濾色片等)產(chǎn)生紅綠藍(lán)三色投影。如果采用可高速切換的激光器，該光源的亮暗可以由激光控制器直接調(diào)制。如用其他無(wú)高速調(diào)制能量的光源器件，則可以使用光學(xué)開關(guān)(shutter)68來控制各色彩光路光源的開啟和關(guān)閉。三路彩色光經(jīng)由光學(xué)反射鏡和分光器63合成為一路光束，投向極性化分光器65。合成后的光束由SLM64進(jìn)行調(diào)制。
原始圖像被分解成為三幅單色圖像，在順序送至SLM按照時(shí)序進(jìn)行調(diào)制。由于采用分時(shí)方案，SLM的刷新速率需要比單獨(dú)用與單色光路快三倍。調(diào)制后的光束經(jīng)由投影光學(xué)元件67投至三維成像裝置(比如，旋轉(zhuǎn)螺旋面)，形成真三維顯示圖像。
(3)彩色真三維顯示方案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，則可以直接利用其高速彩色投影功能，產(chǎn)生真三維彩色顯示。我們提出了使用數(shù)字微鏡芯片(DMD)來實(shí)現(xiàn)高速率高分辨率的彩色投影光源的方法。
圖9展示了數(shù)字微鏡芯片的典型象素結(jié)構(gòu)，它的象素由內(nèi)存單元控制的單片集成電路構(gòu)成。如圖9所示，每一個(gè)數(shù)字微鏡芯片象素的數(shù)字光交換包括一個(gè)鋁制微鏡(710)，尺寸大約為13.7μm2，可以根據(jù)下面的內(nèi)存單元將光線反射到兩個(gè)預(yù)定方向中的一個(gè)，取決于內(nèi)存單元的狀態(tài)。每一片微鏡由兩個(gè)薄片鉸鏈支撐于內(nèi)存單元之上。每一片微鏡可以由內(nèi)存單元兩端的電壓差所產(chǎn)生的電磁吸力來控制。鏡面旋轉(zhuǎn)角度由機(jī)械制動(dòng)(720)為±10°。當(dāng)內(nèi)存單元在“開”的狀態(tài)，鏡面旋轉(zhuǎn)到+10°，當(dāng)內(nèi)存單元在“關(guān)”的狀態(tài)，鏡面旋轉(zhuǎn)到-10°。不像傳統(tǒng)的光學(xué)投影儀的照明和光學(xué)含有一個(gè)共同的光學(xué)軸線，數(shù)字微鏡設(shè)備的光學(xué)軸線必須有一定角度，在示范中角度大約為20度。
數(shù)字微鏡象素利用微鏡配置角來控制光的開關(guān)，如圖10所示。在配上合適的光源(730)和投影透鏡(740)后，微鏡將入射光反射到投影透鏡上(如果處于”開”狀態(tài))或反射到吸光區(qū)域(750)(如果處于”關(guān)”狀態(tài))。由于微鏡的偏轉(zhuǎn)角為正負(fù)10度，如果將裝置設(shè)計(jì)成投影透鏡垂直于芯片表面(0度)，則吸光區(qū)域在于垂直軸成40度的角度。微鏡陣列中每一個(gè)微鏡可以分別進(jìn)行控制。
數(shù)字微鏡象素的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的非常精巧，具有非常短的機(jī)械轉(zhuǎn)換時(shí)間(大約為15μs)和光學(xué)轉(zhuǎn)換時(shí)間(大約為2μs)。鏡面的轉(zhuǎn)換時(shí)間非?？?，以至于可以用脈沖寬度調(diào)制(PWM)來實(shí)現(xiàn)圖像的灰度級(jí)。圖11展示了一個(gè)利用線性脈沖寬度調(diào)制方法產(chǎn)生投影亮度的灰度級(jí)的例子。其主時(shí)鐘脈沖的時(shí)序式案二進(jìn)制來排列。數(shù)字式亮度信號(hào)的最高位(MSB)被加載到內(nèi)存單元上。每一個(gè)微鏡維持MSB狀態(tài)達(dá)到一個(gè)幀周期的一半時(shí)間，直到次高位信號(hào)被加載，每一個(gè)微鏡維持次高位狀態(tài)達(dá)到一個(gè)幀周期的4分之一時(shí)間，依此類推。每低一位，維持時(shí)間減辦，直至最低位。由于幀周期時(shí)間非常短，快速開關(guān)的亮度信號(hào)會(huì)給肉眼感受到不同的亮度。這樣，數(shù)字微鏡裝置便將接收到的描述灰度級(jí)信息的”電子語(yǔ)言”，將其轉(zhuǎn)換成人眼可以看到的”光學(xué)語(yǔ)言”，讓觀察者感受到每一象素的亮度變化。
圖12展示了一種基于數(shù)字微鏡芯片的彩色投影裝置的光學(xué)設(shè)計(jì)。投影裝置包括光學(xué)系統(tǒng)元件(800)，燈泡(805)(例如UHP燈泡)，棱鏡(810)，聚光鏡頭(820)，兩個(gè)反射鏡(830-1，830-2)，和一個(gè)共用UV濾鏡(840)。從UHP燈泡發(fā)出的光首先經(jīng)過光學(xué)棱鏡(810)，聚光鏡內(nèi)部是由四個(gè)反射鏡片組成的燈管。經(jīng)過多重反射，從聚光鏡出來的光(810)很接近均勻。然后聚光鏡頭(820)控制光束的形狀和尺寸。為了減小整體尺寸，兩個(gè)折疊反射鏡(830-1，830-2)放置在光學(xué)路徑上。鏡片1(830-1)是一個(gè)簡(jiǎn)單平面反射鏡，鏡片2(830-2)是一個(gè)非球形的凹透鏡，進(jìn)一步減小光路，提高光線分布的均勻性。在一系列單獨(dú)DMD芯片(860)的前面，放置了一個(gè)UV濾鏡(840)用來?yè)蹰_UV光。UV濾鏡也被投影光所使用。
3.1基于數(shù)字微鏡芯片的彩色投影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案之一用一只數(shù)字微鏡芯片圖13展示了一種基于數(shù)字微鏡芯片的彩色投影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。它的特點(diǎn)是只用一只數(shù)字微鏡芯片。白色光源(1310)經(jīng)聚光鏡(1320)將光學(xué)能量集中在一個(gè)旋轉(zhuǎn)色輪上(1330)。這個(gè)色輪由紅綠藍(lán)(RGB)三個(gè)透色窗口組成，分別在不同時(shí)刻將紅綠藍(lán)光傳遞給透鏡組合(1340)。利用一個(gè)折射棱鏡(1350)將光傳遞到數(shù)字微鏡裝置上(1360)。由數(shù)字微鏡裝置上的象素對(duì)光的明暗進(jìn)行調(diào)制，形成投影圖像。這一圖像被反射到投影透鏡(1370)上，投向三維顯示屏幕。
彩色投影是由旋轉(zhuǎn)色輪和數(shù)字微鏡裝置的同步來實(shí)現(xiàn)的。每當(dāng)旋轉(zhuǎn)色輪轉(zhuǎn)到紅色窗口時(shí)，數(shù)字微鏡裝置便切換到對(duì)應(yīng)于紅色分量的圖像。每當(dāng)旋轉(zhuǎn)色輪轉(zhuǎn)到綠色窗口時(shí)，數(shù)字微鏡裝置便切換到對(duì)應(yīng)于綠色分量的圖像。對(duì)于藍(lán)色圖像也是同樣處理。有一種設(shè)計(jì)延伸，可以在色輪上加上一個(gè)”白色”窗口，投射紅綠藍(lán)分量的共同亮度成分，可以有效地增加圖像的整體亮度。
3.2基于數(shù)字微鏡芯片的彩色投影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案之二用兩只數(shù)字微鏡芯片圖14展示了另一種基于數(shù)字微鏡芯片的彩色投影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。它的特點(diǎn)是只用兩只數(shù)字微鏡芯片。白色光源(1410)經(jīng)聚光鏡(1420)將光學(xué)能量集中在一個(gè)旋轉(zhuǎn)色輪上(1430)。這個(gè)色輪由”紅綠(Y)”和”紅藍(lán)(M)”兩個(gè)透色窗口組成，分別在不同時(shí)刻將紅綠和紅藍(lán)兩種光傳遞給透鏡組合(1440)。利用一個(gè)折射棱鏡(1450)將光分別傳遞到”紅藍(lán)”數(shù)字微鏡裝置(1460)和”紅綠”數(shù)字微鏡裝置上(1465)。由兩個(gè)數(shù)字微鏡裝置上的象素對(duì)光分量的明暗進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)折射棱鏡合成后形成彩色投影圖像。這一圖像被反射到投影透鏡(1470)上，投向三維顯示屏幕。
彩色投影是由旋轉(zhuǎn)色輪和數(shù)字微鏡裝置的同步來實(shí)現(xiàn)的。每當(dāng)旋轉(zhuǎn)色輪轉(zhuǎn)到紅綠色窗口時(shí)，紅綠數(shù)字微鏡裝置便切換到對(duì)應(yīng)于紅綠色分量的圖像。每當(dāng)旋轉(zhuǎn)色輪轉(zhuǎn)到紅藍(lán)色窗口時(shí)，紅藍(lán)數(shù)字微鏡裝置便切換到對(duì)應(yīng)于紅藍(lán)色分量的圖像。有一種設(shè)計(jì)延伸，可以在色輪上加上一個(gè)”白色”窗口，投射紅綠藍(lán)分量的共同亮度成分，可以有效地增加圖像的整體亮度。
3.3基于數(shù)字微鏡芯片的彩色投影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案之三用三只數(shù)字微鏡芯片圖15展示了又一種基于數(shù)字微鏡芯片的彩色投影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。它的特點(diǎn)是只用三只數(shù)字微鏡芯片。白色光源(1510))經(jīng)聚光鏡(1520)將光學(xué)能量集中透鏡組合(1540)。利用一套折射棱鏡(1550)將光分別傳遞到”紅色”數(shù)字微鏡裝置(1560)，”綠色”數(shù)字微鏡裝置(1565)和”藍(lán)色”數(shù)字微鏡裝置(1566)。由三個(gè)數(shù)字微鏡裝置上的象素對(duì)光分量的明暗進(jìn)行調(diào)制，形成投影彩色圖像。這三個(gè)圖像再經(jīng)折射棱鏡合成，經(jīng)影透鏡(1570)上，投向三維顯示屏幕。
彩色投影的實(shí)現(xiàn)無(wú)需采用旋轉(zhuǎn)色輪，也沒有和數(shù)字微鏡裝置的同步問題。
以上這三種實(shí)現(xiàn)方案，以及它們的各種變形，都有它們各自的優(yōu)點(diǎn)和不足。它們部可以用來實(shí)現(xiàn)真三維顯示系統(tǒng)。方案1只用一只芯片，因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，重量輕，體積小。但是它應(yīng)用了分時(shí)的方式來實(shí)現(xiàn)彩色投影，完整彩色圖像的投影速率只有數(shù)字微鏡芯片的3分之一。方案2用了兩只芯片，特別適合于一些低成本長(zhǎng)壽命光源的應(yīng)用。這些低成本長(zhǎng)壽命燈泡的光譜中缺乏紅色成分，因而在設(shè)計(jì)方案中將顏色分為”紅綠”和”紅藍(lán)”，可以在兩幅圖像中，人為加強(qiáng)紅光成分，以彌補(bǔ)光源的不足。方案3采用三只獨(dú)立的芯片，具有最高的光學(xué)效率，但是成本很高，將三個(gè)顏色的光路對(duì)準(zhǔn)的調(diào)整非常困難。
基于數(shù)字微鏡芯片的真三維顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案圖16展示了一個(gè)基于數(shù)字微鏡芯片的真三維顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法。光源，數(shù)字微鏡芯片，它的控制電路等被集成在一個(gè)部件(1610)上。它投射出的圖像經(jīng)反射鏡(1620)投向旋轉(zhuǎn)螺旋面(1630)，形成三維顯示區(qū)域(1650)。旋轉(zhuǎn)螺旋面由一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置(1640)所帶動(dòng)。它的上面裝有旋轉(zhuǎn)位置傳感器，其檢測(cè)信號(hào)被用來同步控制板(1610)的調(diào)制時(shí)序?？刂齐娔X(未畫在圖中)負(fù)責(zé)三維數(shù)據(jù)的預(yù)處理，傳送，傳感器信號(hào)檢測(cè)，同步控制，用戶界面等功能。
真三維顯示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理算法和軟件實(shí)現(xiàn)按照系統(tǒng)各模塊的功能來劃分，本發(fā)明提出的真三維顯示系統(tǒng)由以下兩個(gè)主要模塊構(gòu)成(1)三維數(shù)據(jù)的預(yù)處理和時(shí)序控制(2)SLM投影部件的實(shí)時(shí)控制在這里，我們假設(shè)所討論的真三維顯示系統(tǒng)在X軸方向有L個(gè)體元，y軸方向有M個(gè)體元，z軸方向有N個(gè)體元，此真三維顯示系統(tǒng)的空間分辨率為L(zhǎng)(X)乘M(Y)乘N(Z)個(gè)體元?，F(xiàn)在來討論真三維顯示系統(tǒng)的控制算法和軟件設(shè)計(jì)。
模塊1三維數(shù)據(jù)的預(yù)處理和時(shí)序控制圖17給出了數(shù)據(jù)預(yù)處理和時(shí)序控制算法的流程圖。基本步驟簡(jiǎn)述如下(a)三維數(shù)據(jù)預(yù)處理本模塊執(zhí)行各種數(shù)據(jù)變換(圖像縮放，旋轉(zhuǎn)，平移)使得原始三維數(shù)據(jù)能夠被顯示在真三維顯示器的中央?yún)^(qū)域。比如說，如果需要將一條100米長(zhǎng)的船顯示在1米長(zhǎng)的顯示器內(nèi)，圖像縮放算法便會(huì)自動(dòng)計(jì)算縮放系數(shù)(1/100)，并用此系數(shù)將所有三維數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放。除圖像大小之外，圖像的取向，中心位置等參數(shù)均需作相應(yīng)調(diào)整，以適應(yīng)具體物體的要求。
(b)切割三維數(shù)據(jù)顯示空間在確定完三維數(shù)據(jù)的縮放和走向之后，三維處理算法需要將三維圖像數(shù)據(jù)按照旋轉(zhuǎn)螺旋面的形狀進(jìn)行切割分層，重新組合(圖18)。重組后的數(shù)據(jù)層是按照螺旋面在每一位置的空間形狀來分布。因?yàn)檎嫒S空間沿z軸方向有N層體元，我們把整個(gè)三維顯示數(shù)據(jù)沿z軸切割成N片，每一片都具有螺旋面的形狀。片與片之間不重合，相差360/N度空間旋轉(zhuǎn)角。這樣我們就把原來顯示整套L×M×N個(gè)三維體元的工作轉(zhuǎn)換成為N個(gè)沿z軸兩維投影，每個(gè)兩維投影具有L×M分辨率。每個(gè)兩維投影暗的時(shí)序與螺旋面旋轉(zhuǎn)位置同步，依次順序進(jìn)行。兩維投影可以用高速SLM來實(shí)現(xiàn)。
數(shù)據(jù)的切割分片導(dǎo)致數(shù)三維據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)上的改變。我們可用N個(gè)L×M矩陣結(jié)構(gòu)來儲(chǔ)存一幅三維圖像。N個(gè)矩陣中的每一個(gè)元素儲(chǔ)存該體元的亮度(或顏色)值。
三維圖像數(shù)據(jù)量極大。如何有效地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮以顯著減少數(shù)據(jù)的傳輸量合處理量成為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的重要環(huán)節(jié)。因?yàn)橐话闳S圖像數(shù)據(jù)中通常發(fā)亮的體元只占有很小比例，我們可以用壓縮算法(如鏈表結(jié)構(gòu)等)將數(shù)據(jù)量減少。
模塊2SLM投影部件的實(shí)時(shí)控制實(shí)時(shí)控制算法和軟件程序是用來實(shí)時(shí)檢測(cè)光學(xué)位置傳感器的觸發(fā)信號(hào)(以確定螺旋面的旋轉(zhuǎn)位置)，并根據(jù)此信號(hào)的時(shí)序來發(fā)送控制信號(hào)到SLM去控制N幅圖像切片的發(fā)送時(shí)序和刷新。圖19描述了我們的實(shí)時(shí)控制算法流程圖。
在系統(tǒng)初始化之后，控制主機(jī)不斷檢測(cè)光學(xué)位置傳感器的觸發(fā)信號(hào)。光學(xué)位置傳感器同軸安裝在螺旋面的轉(zhuǎn)軸上因而可以準(zhǔn)確獲得螺旋面的位置信息。一旦獲得光學(xué)位置傳感器的觸發(fā)信號(hào)，控制主機(jī)便開始控制SLM按順序產(chǎn)生N個(gè)序列圖像，通過光學(xué)投影系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)螺旋面的N個(gè)位置上產(chǎn)生發(fā)光體元面，這N個(gè)發(fā)光體元面形成一幅真三維圖像。在系統(tǒng)完成了一組N個(gè)投影后，控制主機(jī)返回等待狀態(tài)，不斷檢測(cè)光學(xué)位置傳感器的觸發(fā)信號(hào)，準(zhǔn)備下一幅三維圖像的生成，對(duì)三維圖像進(jìn)行刷新。根據(jù)肉眼的生理特征，如果本三維顯示系統(tǒng)的刷新頻率達(dá)到每秒20幅以上，觀察者便可獲得觀看連續(xù)三維動(dòng)態(tài)圖像的感知。
本發(fā)明申請(qǐng)書中的描述僅供說明之用。在本領(lǐng)域的同行可以根據(jù)本發(fā)明提供的原理進(jìn)行各種明顯可見的改進(jìn)和變種，但是這些改進(jìn)和變種都在本發(fā)明的方案和涵蓋范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.真三維高清晰度顯示方法，其特征是光源通過光學(xué)整直透鏡投射到極性化分光器，極性化的光線被其反射，投射到空間光調(diào)制器(SLM)上；由控制計(jì)算機(jī)產(chǎn)生高速變換的圖像流調(diào)制SLM，通過調(diào)制SLM上象素的開啟和關(guān)閉，控制由其反射的光線，從而調(diào)制出高速變換的圖像；SLM上反射出的圖像光束經(jīng)由極性化分光器和一個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)(7)投射到旋轉(zhuǎn)螺旋面(8)上；投射到旋轉(zhuǎn)螺旋面上的光束被螺旋面截獲，在截獲處形成可見光點(diǎn)；螺旋面在旋轉(zhuǎn)，在不同時(shí)間投射出的光束被螺旋面在不同高度上截獲；旋轉(zhuǎn)螺旋面可以用以下數(shù)學(xué)方程來描述 ；將SLM的調(diào)制時(shí)序與螺旋面的旋轉(zhuǎn)位置同步，在螺旋面旋轉(zhuǎn)出的整個(gè)空間產(chǎn)生真三維體元分布；SLM設(shè)置成分別投射三基色光或其補(bǔ)色，將全真色彩的被顯示圖像分解成三幅單基色的圖像紅、綠、藍(lán)三原色或其補(bǔ)色，將這三個(gè)圖像分別送到三套獨(dú)立的SLM投影子系統(tǒng)上(50，51，52)，由這三套SLM獨(dú)立進(jìn)行圖像調(diào)制，完成調(diào)制后的三個(gè)投影光束再由兩個(gè)分色濾波片進(jìn)行色彩合成，總光源是白光投影機(jī)，經(jīng)由極性化分光器進(jìn)行分光；或采用三個(gè)可獨(dú)立控制其時(shí)序的彩色光源與一個(gè)SLM的調(diào)制時(shí)序同步，利用分時(shí)的方法產(chǎn)生紅綠藍(lán)三色圖像成分的順序投影；所有三色光的光路在投影光學(xué)元件(57)上進(jìn)行色彩合成，形成真三維顯示圖像。
2.由權(quán)利要求1所述的真三維高清晰度顯示方法，其特征是調(diào)制SLM的圖像流是由下述方法構(gòu)成將三維圖像數(shù)據(jù)按照上述旋轉(zhuǎn)螺旋面的形狀進(jìn)行切割分層，數(shù)據(jù)層是按照螺旋面在每一位置的空間形狀來分布；真三維空間沿z軸方向有N層體元，將整個(gè)三維顯示數(shù)據(jù)沿z軸切割成N片，每一片都具有螺旋面的形狀；片與片之間相差360/N度空間旋轉(zhuǎn)角；將原來顯示整套L×M×N個(gè)三維體元的工作轉(zhuǎn)換成為N個(gè)沿z軸兩維投影，每個(gè)兩維投影具有L×M分辨率；每個(gè)兩維投影SLM的調(diào)制時(shí)序與螺旋面旋轉(zhuǎn)位置同步，依次順序進(jìn)行，將所述兩維投影用高速SLM來實(shí)現(xiàn)，N大于101。
3.由權(quán)利要求1所述的真三維高清晰度顯示方法，其特征是SLM的調(diào)制是利用線性脈沖寬度調(diào)制方法產(chǎn)生投影亮度的灰度級(jí)，其主時(shí)鐘脈沖的時(shí)序式按二進(jìn)制來排列；每一個(gè)微鏡維持MSB狀態(tài)達(dá)到一個(gè)幀周期的一半時(shí)間，直到次高位信號(hào)被加載，每一個(gè)微鏡維持次高位狀態(tài)達(dá)到一個(gè)幀周期的1/4時(shí)間，依此類推；每低一位，維持時(shí)間減辦，直至最低位；幀周期時(shí)間非常短，快速開關(guān)的亮度信號(hào)會(huì)給人眼感受到不同的亮度，數(shù)字微鏡裝置將接收到的描述灰度級(jí)信息的”電子語(yǔ)言”，將其轉(zhuǎn)換成人眼可以看到的”光學(xué)語(yǔ)言”，讓觀察者感受到每一象素的亮度變化。
4.由權(quán)利要求2所述的真三維高清晰度顯示方法，其特征是光源，數(shù)字微鏡芯片，它的控制電路被集成在一個(gè)部件(1610)上，它投射出的圖像經(jīng)反射鏡(1620)投向旋轉(zhuǎn)螺旋而(1630)，形成三維顯示區(qū)域(1650)，旋轉(zhuǎn)螺旋面由一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置(1640)所帶動(dòng)。它的上面裝有旋轉(zhuǎn)位置傳感器，其檢測(cè)信號(hào)被用來同步控制板(1610)的調(diào)制時(shí)序?？刂齐娔X(未畫在圖中)負(fù)責(zé)三維數(shù)據(jù)的預(yù)處理，傳送，傳感器信號(hào)檢測(cè)，同步控制。
5.真三維高清晰度顯示裝置，其特征是包括光源、濾光片、光學(xué)整直透鏡、空間光調(diào)制器(SLM)”、”旋轉(zhuǎn)螺旋面”構(gòu)成，光源經(jīng)濾光片和光學(xué)整直透鏡的光路投射到極性化分光器，極性化的光線被其反射，投射到空間光調(diào)制器(SLM)上；由控制計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的原始圖像的紅綠藍(lán)三色圖像成分產(chǎn)生高速變換的圖像流調(diào)制SLM，通過調(diào)制SLM上象素的開啟和關(guān)閉，SLM上反射出的圖像光束經(jīng)由極性化分光器和一個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)投射到三維成像裝置，三維成像裝置為旋轉(zhuǎn)螺旋面(8)；將SLM的調(diào)制時(shí)序與螺旋面的旋轉(zhuǎn)位置同步，旋轉(zhuǎn)螺旋面可以用以下數(shù)學(xué)方程來描述 所述空間光調(diào)制器是鐵電液晶陣列器件、垂直腔表面激發(fā)激光陣列器件(VCSEL)。采用”背面投影”式結(jié)構(gòu)光學(xué)投影系統(tǒng)將圖像投射從與觀察者觀看方向相反的螺旋體表面上投入；螺旋體采用半透半反的半透明材料制成，所有元件均安置在旋轉(zhuǎn)螺旋面下方，顯示區(qū)域在頂部。
6.由權(quán)利要求5所述的真三維高清晰度顯示裝置，其特征是設(shè)有三套獨(dú)立的SLM分別投射三基色光或其補(bǔ)色，將全真色彩的被顯示圖像分解成三幅單基色的圖像紅、綠、藍(lán)三原色或其補(bǔ)色，將這三個(gè)圖像分別送到三套獨(dú)立的SLM投影子系統(tǒng)上，與藍(lán)光相對(duì)應(yīng)的光束由”藍(lán)光反射片”(54)反射至”藍(lán)色SLM”的光路，經(jīng)由藍(lán)色SLM調(diào)制的圖像信號(hào)再由藍(lán)光反射片送至藍(lán)光投影系統(tǒng)；類似地，與紅光相對(duì)應(yīng)的光束由”紅光反射片”(53)反射至”紅色SLM”的光路，經(jīng)由紅色SLM調(diào)制的圖像信號(hào)再由紅光反射片送至紅光投影系統(tǒng)；余下來的光能被送至綠色SLM光路，由其調(diào)制產(chǎn)生綠光信號(hào)；所有三色光的光路在投影光學(xué)元件(57)上進(jìn)行色彩合成，投向旋轉(zhuǎn)螺旋面三維成像裝置；光學(xué)位置傳感器同軸安裝在螺旋面的轉(zhuǎn)軸上。
7.由權(quán)利要求5所述的真三維高清晰度顯示裝置，其特征是采用三個(gè)可獨(dú)立控制其時(shí)序的彩色光源與一個(gè)SLM的調(diào)制時(shí)序同步，利用分時(shí)的原理產(chǎn)生紅綠藍(lán)三色圖像成分的順序投影；與藍(lán)光相對(duì)應(yīng)的光束由”藍(lán)光反射片”(54)反射至”藍(lán)色SLM”的光路，經(jīng)由藍(lán)色SLM調(diào)制的圖像信號(hào)再由藍(lán)光反射片送至藍(lán)光投影系統(tǒng)；與紅光相對(duì)應(yīng)的光束由”紅光反射片”(53)反射至”紅色SLM”的光路，經(jīng)由紅色SLM調(diào)制的圖像信號(hào)再由紅光反射片送至紅光投影系統(tǒng)；余下來的光能被送至綠色SLM光路，由其調(diào)制產(chǎn)生綠光信號(hào)；所有三色光的光路在投影光學(xué)元件(57)上進(jìn)行色彩合成，形成真三維顯示圖像，激光、LED和白光投影器加濾色片。
8.由權(quán)利要求5所述的真三維高清晰度顯示裝置，其特征是采用高速切換的激光器為彩色光源，該光源的亮暗可以由激光控制器直接調(diào)制；或使用光學(xué)開關(guān)(68)來控制各色彩光路光源的開啟和關(guān)閉；三路彩色光經(jīng)由光學(xué)反射鏡和分光器(63)合成為一路光束，投向極性化分光器(65)；合成后的光束由SLM(64)進(jìn)行調(diào)制；原始圖像被分解成為三幅單色圖像，在順序送至SLM按照時(shí)序進(jìn)行調(diào)制；采用分時(shí)方案，SLM的刷新速率需要比單獨(dú)用與單色光路快三倍；調(diào)制后的光束經(jīng)由投影光學(xué)元件(67)投至三維成像裝置形成真三維顯示圖像。
9.由權(quán)利要求5所述的真三維高清晰度顯示裝置，其特征是所述空間光調(diào)制器(SLM)采用象素結(jié)構(gòu)數(shù)字微鏡芯片，它的象素由內(nèi)存單元控制的單片集成電路構(gòu)成，每一個(gè)數(shù)字微鏡芯片象素的數(shù)字光交換包括一個(gè)鋁制微鏡(710)，根據(jù)下面的內(nèi)存單元將光線反射到兩個(gè)預(yù)定方向中的一個(gè)，取決于內(nèi)存單元的狀態(tài)；每一片微鏡由兩個(gè)薄片鉸鏈支撐于內(nèi)存單元之上。每一片微鏡可以由內(nèi)存單元兩端的電壓差所產(chǎn)生的電磁吸力來控制；鏡面旋轉(zhuǎn)角度由機(jī)械制動(dòng)(720)為±10°，當(dāng)內(nèi)存單元在“開”的狀態(tài)，鏡面旋轉(zhuǎn)到+10°，當(dāng)內(nèi)存單元在“關(guān)”的狀態(tài)，鏡面旋轉(zhuǎn)到-10°；數(shù)字微鏡的偏轉(zhuǎn)角為正負(fù)10度以內(nèi)，微鏡陣列中每一個(gè)微鏡可以分別進(jìn)行控制；數(shù)字微鏡象素利用微鏡配置角來控制光的開關(guān)，微鏡將入射光反射到投影透鏡上或反射到吸光區(qū)域(750)。
10.由權(quán)利要求5所述的真三維高清晰度顯示裝置，其特征是SLM是基于數(shù)字微鏡芯片的彩色投影裝置，用一只或二只數(shù)字微鏡芯片；白色光源(1310)經(jīng)聚光鏡(1320)將光學(xué)能量集中在一個(gè)旋轉(zhuǎn)色輪上(1330)，這個(gè)色輪由紅綠藍(lán)(RGB)三個(gè)透色窗口組成，分別在不同時(shí)刻將紅綠藍(lán)光傳遞給透鏡組合(1340)；或由”紅綠(Y)”和”紅藍(lán)(M)”兩個(gè)透色窗口組成，分別在不同時(shí)刻將紅綠和紅藍(lán)兩種光傳遞給透鏡組合；利用一個(gè)折射棱鏡(1350)將光傳遞到數(shù)字微鏡裝置上(1360)，由數(shù)字微鏡裝置上的象素對(duì)光的明暗進(jìn)行調(diào)制，形成投影圖像；這一圖像被反射到投影透鏡(1370)上，投向三維顯示屏幕。
全文摘要
真三維高清晰度顯示方法，光源通過光學(xué)整直透鏡投射到極性化分光器，極性化的光線被其反射，投射到空間光調(diào)制器(SLM)上；由控制計(jì)算機(jī)產(chǎn)生高速變換的圖像流調(diào)制SLM，通過調(diào)制SLM上象素的開啟和關(guān)閉，控制由其反射的光線，從而調(diào)制出高速變換的圖像；投射到旋轉(zhuǎn)螺旋面上的光束被螺旋面截獲，螺旋面在旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)螺旋面符合專門的數(shù)學(xué)方程，在螺旋面旋轉(zhuǎn)出的整個(gè)空間產(chǎn)生真三維體元分布；本發(fā)明提供了可以顯示高清晰度三維圖像的方法，可使三維圖像體元個(gè)數(shù)達(dá)到數(shù)千萬(wàn)個(gè)，使此項(xiàng)技術(shù)達(dá)到實(shí)用化和產(chǎn)品化。從根本上更新了三維顯示的概念，使被顯示圖像栩栩如生，提供了完備的心理和生理的三維感知信息。
文檔編號(hào)H04N13/00GK1971340SQ20051009575
公開日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2005年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月21日
發(fā)明者耿征 申請(qǐng)人:耿征