專利名稱：真三維高清晰度顯示方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及真三維高清晰度顯示的方法，以及實現這些方法的裝置系統和技術。
背景技術：
現有真三維顯示技術綜述，先對現有真三維顯示技術做一簡要綜述。
(A)基于固體介質能量躍遷的真三維顯示從根本上講，真三維顯示技術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系的三維圖像。固體介質能量躍遷顯示真三維圖像的原理是將特定固體介質充滿三維空間中的一塊區域，然后有選擇地激發體元組合，使其按要求發光，組成真三維體元陣列形成三維圖像。為達到此目的，此技術用兩束可獨立控制的能量射線射入特定固體介質內，任何一根射線的能量不足以激發沿射線上的固體介質材料發生躍遷。但是在兩束射線交叉之處聚集著高于躍遷能級的能量，從而使射線交叉點的材料發生能級躍遷(up-conversion)，導致該點發光。控制射線掃描方式便可控制兩束射線交叉點在三維空間中的掃描方式，從而形成由三維體元點集組成的真三維圖像。
美國專利US4,041476(Swainson，1977)和US5,684,621(Downing，1997)描述了基于固體介質能量躍遷的真三維顯示技術的實現方法。這種方法用兩只紅外激光器掃描固體介質內的三維空間，使其焦點出的能量達到躍遷能級，光子發出可見螢光，隨之釋放能量進入低能級。
目前發現的固體介質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，含有化學元素ZrF1-BaF2-LaF3-AlF3-NaF，應而由他們的第一個字母組成這種材料的名稱。
固體介質能量躍遷顯示真三維圖像的原理無需采用任何移動部件，應而具有非常高的發展潛力。困難之處在于如何產生出實際可用的高清晰度三維顯示器和如何產生彩色顯示。
(B)基于氣體介質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。兩束激光相交在充滿原子蒸汽的容器內。激光相交點產生可見的熒光點(美國專利US4881068，1989)。原子蒸汽可用Rubidium蒸汽。單束激光本身并不可見。當兩束激光同時照射在同一氣體原子上時，兩級能量躍遷發生作用，形成可見熒光點。將兩束激光同步掃描，可以在氣體介質內逐一”畫出”真三維圖像的體元。當掃描速度高于每秒24幀時，人類肉眼即可感受到穩定的三維圖像。
這種技術的優點在于它可以產生很大屏幕三維顯示圖像而無需增加系統的復雜性。在具體實現上的困難在于它需要一個大真空腔，并需要保持其溫度，因而系統維護困難。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)旋轉發光二極管陣列早期開發的真三維顯示技術采用將發光二極管密集安裝在可旋轉平板上。控制每一個發光二極管的發光時序并將其與平板的旋轉位置同步，可以在旋轉體內產生出三維圖像。這一方法最初由Schipper提出(US3,097,261，1963)。在1979年，Berlin發展出一個新方法，用光導方法解決了向旋轉面傳輸大量顯示數據的問題，并用高速LED(Light Emitter Diode)陣列取代了原來用的發光二極管(US4,160,973，1979)。
這一方法采用LED陣列平板旋轉出三維顯示空間。三維圖像的清晰度受到LED陣列密度的限制和LED開關時間的影響。
(D)陰極射線球利用陰極射線球(Cathode Ray Sphere，簡稱CRS)來顯示三維圖像的概念最初由Ketchpel在1960年提出(US3,140,415，1960)。新西蘭學者Blundell在1979年將此概念做了原理性實現(US5,703,606，1997)。這一方法將熒光物質鍍在一個可旋轉的屏幕上。將此可旋轉屏幕置于真空容器內，再用電子射線束掃描處于真空中的可旋轉的屏幕，產生可見光點。如果將電子射線束的掃描時序與屏幕的旋轉同步，便可在屏幕的旋轉區域內顯示出真三維圖像。
由這種方法生成的三維圖像質量較差，受到玻璃容器壁的光線折射，及旋轉屏幕透明度的影響。另外一個影響像質的因素是熒光發光物質的發光啟動時間和余暉。
(E)高速變焦薄膜鏡Sher在1978年提出了另外一個顯示真三維圖像的方法，利用光學虛像原理(US4,130,832，1978)。這一方法利用柔性薄膜制成可變焦的光學鏡面。將此薄膜鏡附在類似于揚聲器紙盆的裝置上。揚聲器紙盆裝置由電子驅動控制其運動行程，導致柔性薄膜鏡有規律形變，改變了它的光學焦距。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現，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械驅動，其運動速度受到限制。
(F)激光掃描旋轉螺旋面德州儀器公司的研究人員對激光掃描旋轉螺旋面產生真三維圖像的技術進行了廣泛的研究(US5,042,909，US5,162,787)。這種方法將一束激光掃描在一個可旋轉的螺旋面上。螺旋面的反射可在三維空間中產生可見光點。激光器的開關時序和掃描方式與螺旋面的旋轉位置同步，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行，在任何一個時刻只能顯示出一個三維體元，因而在一個重復刷新時段內能夠顯示的體元數目有限制，否則體元的亮度和掃描器的速度都受到影響。低密度體元無法產生高清晰度圖像。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，設計太復雜而無法實用。
綜上所述，真三維顯示技術一直是作為顯示技術的最前沿課題受到廣泛重視。但當前現有的真三維顯示技術和專利無法滿足市場對高清晰度真三維顯示的要求。

發明內容
本發明目的是提供一種(系列)真三維高清晰度顯示的方法，以及實現這些方法的裝置系統和技術。所謂”真三維顯示”，是指被顯示圖像的每一個三維象素點(又稱為”三維體元”或”體元”(voxel))都位于三維物理空間中的真實位置，每個體元的亮度和色彩可控，體元之間的相對空間位置關系被真實地體現在三維顯示系統中，從而組成真正意義上的三維圖像。
本發明目的是這樣實現的真三維高清晰度顯示方法，光源通過光學整直透鏡(Collimating lens)投射到極性化分光器，極性化的光線被其反射，投射到空間光調制器(SLM)上；由控制計算機產生高速變換的圖像流調制SLM，通過調制SLM上象素的開啟和關閉，可以控制由其反射的光線，從而調制出高速變換的圖像；SLM上反射出的圖像光束經由極性化分光器和一個光學透鏡系統7投射到旋轉螺旋面8上；投射到旋轉螺旋面上的光束被螺旋面截獲，在截獲處形成可見光點；螺旋面在旋轉，在不同時間投射出的光束被螺旋面在不同高度上截獲；旋轉螺旋面可以用以下數學方程來描述 ；將SLM的調制時序與螺旋面的旋轉位置同步，便可在螺旋面旋轉出的整個空間產生真三維體元分布；SLM設置成分別投射三基色光或其補色，將全真色彩的被顯示圖像分解成三幅單基色的圖像紅、綠、藍三原色或其補色，將這三個圖像分別送到三套獨立的SLM投影子系統上(50，51，52)，由這三套SLM獨立進行圖像調制，完成調制后的三個投影光束再由兩個分色濾波片進行色彩合成，總光源是白光投影機，經由極性化分光器進行分光；或采用三個可獨立控制其時序的彩色光源與一個SLM的調制時序同步，利用分時的原理產生紅綠藍三色圖像成分的順序投影；所有三色光的光路在投影光學元件57上進行色彩合成，形成真三維顯示圖像。
調制SLM的圖像流是由下述方法構成將三維圖像數據按照上述旋轉螺旋面的形狀進行切割分層，數據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，將整個三維顯示數據沿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度空間旋轉角；將原來顯示整套L×M×N個三維體元的工作轉換成為N個沿z軸兩維投影，每個兩維投影具有L×M分辨率；每個兩維投影SLM的調制時序與螺旋面旋轉位置同步，依次順序進行，將所述兩維投影用高速SLM來實現。
SLM的調制是利用線性脈沖寬度調制方法產生投影亮度的灰度級，其主時鐘脈沖的時序式按二進制來排列。數字式亮度信號的最高位(MSB)被加載到內存單元上。每一個微鏡維持MSB狀態達到一個幀周期的一半時間，直到次高位信號被加載，每一個微鏡維持次高位狀態達到一個幀周期的4分之一時間，依此類推。每低一位，維持時間減辦，直至最低位。由于幀周期時間非常短，快速開關的亮度信號會給肉眼感受到不同的亮度。這樣，數字微鏡裝置便將接收到的描述灰度級信息的”電子語言”，將其轉換成人眼可以看到的”光學語言”，讓觀察者感受到每一象素的亮度變化。
光源，數字微鏡芯片，它的控制電路被集成在一個部件(1610)上，它投射出的圖像經反射鏡(1620)投向旋轉螺旋面(1630)，形成三維顯示區域(1650)，旋轉螺旋面由一個驅動裝置(1640)所帶動。它的上面裝有旋轉位置傳感器，其檢測信號被用來同步控制板(1610)的調制時序。控制電腦(未畫在圖中)負責三維數據的預處理，傳送，傳感器信號檢測，同步控制。
所述方法中，光源，數字微鏡芯片，它的控制電路等被集成在一個部件上。它投射出的圖像經反射鏡投向旋轉螺旋面(1630)，形成三維顯示區域(1650)。旋轉螺旋面由一個驅動裝置(1640)所帶動。它的上面裝有旋轉位置傳感器，其檢測信號被用來同步控制板(1610)的調制時序。控制電腦(未畫在圖中)負責三維數據的預處理，傳送，傳感器信號檢測，同步控制。
根據上述方法的真三維高清晰度顯示裝置，包括光源、濾光片、光學整直透鏡、空間光調制器(SLM)”、”旋轉螺旋面”構成，光源經濾光片和光學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，投射到空間光調制器(SLM)上；由控制計算機產生的原始圖像的紅綠藍三色圖像成分產生高速變換的圖像流調制SLM，通過調制SLM上象素的開啟和關閉，SLM上反射出的圖像光束經由極性化分光器和一個光學透鏡系統投射到三維成像裝置，三維成像裝置為旋轉螺旋面8上；將SLM的調制時序與螺旋面的旋轉位置同步，旋轉螺旋面用上述方程來描述。
所述空間光調制器是鐵電液晶陣列器件、垂直腔表面激發激光陣列器件(VCSEL)。采用”背面投影”式設計，光學投影系統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螺旋面下方，顯示區域在頂部，本發明設有三套獨立的SLM分別投射三基色光或其補色，將全真色彩的被顯示圖像分解成三幅單基色的圖像紅、綠、藍三原色或其補色，將這三個圖像分別送到三套獨立的SLM投影子系統上，與藍光相對應的光束由”監光反射片”54反射至”藍色SLM”的光路，經由藍色SLM調制的圖像信號再由藍光反射片送至藍光投影系統。類似地，與紅光相對應的光束由”紅光反射片”53反射至”紅色SLM”的光路，經由紅色SLM調制的圖像信號再由紅光反射片送至紅光投影系統；余下來的光能被送至綠色SLM光路，由其調制產生綠光信號；所有三色光的光路在投影光學元件57上進行色彩合成，投向旋轉螺旋面三維成像裝置；光學位置傳感器同軸安裝在螺旋面的轉軸上。
采用三個可獨立控制其時序的彩色光源與一個SLM的調制時序同步，利用分時的原理產生紅綠藍三色圖像成分的順序投影；與藍光相對應的光束由”藍光反射片”54反射至”藍色SLM”的光路，經由藍色SLM調制的圖像信號再由藍光反射片送至藍光投影系統；與紅光相對應的光束由”紅光反射片”53反射至”紅色SLM”的光路，經由紅色SLM調制的圖像信號再由紅光反射片送至紅光投影系統；余下來的光能被送至綠色SLM光路，由其調制產生綠光信號；所有三色光的光路在投影光學元件57上進行色彩合成，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制。或使用光學開關(shutter)68來控制各色彩光路光源的開啟和關閉。三路彩色光經由光學反射鏡和分光器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進行調制；原始圖像被分解成為三幅單色圖像，在順序送至SLM按照時序進行調制。采用分時方案，SLM的刷新速率需要比單獨用與單色光路快三倍。調制后的光束經由投影光學元件67投至三維成像裝置形成真三維顯示圖像。
所述空間光調制器(SLM)采用象素結構數字微鏡芯片，它的象素由內存單元控制的單片集成電路構成，每一個數字微鏡芯片象素的數字光交換包括一個鋁制微鏡(710)，根據下面的內存單元將光線反射到兩個預定方向中的一個，取決于內存單元的狀態。每一片微鏡由兩個薄片鉸鏈支撐于內存單元之上。每一片微鏡可以由內存單元兩端的電壓差所產生的電磁吸力來控制；鏡面旋轉角度由機械制動(720)為±10°，當內存單元在“開”的狀態，鏡面旋轉到+10°，當內存單元在“關”的狀態，鏡面旋轉到-10°。數字微鏡的偏轉角為正負10度以內，微鏡陣列中每-個微鏡可以分別進行控制。數字微鏡象素利用微鏡配置角來控制光的開關，微鏡將入射光反射到投影透鏡上(如果處于”開”狀態)或反射到吸光區域(750)(如果處于”關”狀態)。
SLM是基于數字微鏡芯片的彩色投影裝置，用一只或二只數字微鏡芯片。白色光源(1310)經聚光鏡(1320)將光學能量集中在一個旋轉色輪上(1330)。這個色輪由紅綠藍(RGB)三個透色窗口組成，分別在不同時刻將紅綠藍光傳遞給透鏡組合(1340)。；或由”紅綠(Y)”和”紅藍(M)”兩個透色窗口組成，分別在不同時刻將紅綠和紅藍兩種光傳遞給透鏡組合；利用一個折射棱鏡(1350)將光傳遞到數字微鏡裝置上(1360)，由數字微鏡裝置上的象素對光的明暗進行調制，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。
本發明特點是涉及的真三維顯示技術與傳統的二維平畫顯示系統(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域，所有三維象素點分布在真三維空間中。本發明與現有的三維立體顯示技術(如立體電影等)的不同之處在于它無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面。多個觀看者可以同時從不同角度觀察同一被顯示三維物體，如同觀察真實的三維物體一樣。本發明在真三維顯示技術上的一項關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數達到數千萬個，從而可使此項技術達到實用化和產品化。本發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系提供了獨特的手段，因而具有極高的商業價值。
四

圖1.本發明展示真三維顯示系統工作原理。
圖2.本發明“正面投影”真三維顯示系統工作原理。
圖3.本發明“正面投影”與”背面投影”實現方案比較，3a正面投影3b背面投影圖4.本發明便攜式真三維顯示系統(背面投影式光學設計)圖5.本發明便攜式真三維顯示系統一種實現(應用高速SLM和旋轉螺旋面)圖6.本發明基于VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)三維顯示方案圖7.本發明色彩合成方案(單光源多SLM)圖8.本發明多色光源單SLM調制的彩色真三維顯示方案圖9.本發明數字微鏡芯片(DMD)的象素結構圖10.本發明數字微鏡象素利用微鏡配置角來控制光的開關圖11.本發明利用線性脈沖寬度調制方法產生投影亮度的灰度級圖12.本發明基于數字微鏡芯片的彩色投影裝置的光學設計圖13.本發明基于數字微鏡芯片的彩色投影裝置實現方案1(用一只芯片)圖14.本發明基于數字微鏡芯片的彩色投影裝置實現方案之2(用兩只芯片)圖15.本發明基于數字微鏡芯片的彩色投影裝置實現方案之3(用3只芯片)圖16.本發明基于數字微鏡裝置的真三維顯示系統實現方案圖17.本發明真三維顯示方法流程18.本發明三維數據切片分層圖19.本發明實時真三維顯示流程圖五具體實施方式
圖1展示了真三維顯示系統的工作原理，系統由一個高速圖像投影裝置(100)和一個運動屏幕(110)組成。這個在三維空間中的運動屏幕(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。如果屏幕旋轉的很快(比如刷新速率高于每秒24幀)，人的肉眼便會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)實現方案1基于”空間光調制器”和”旋轉螺旋面”的真三維顯示系統圖2所示為一種基于”空間光調制器(Spatial Light Modulator，SLM)”和”旋轉螺旋面”的真三維顯示系統實現方案。如圖一所示，光源1產生的光線通過紫外/紅外衰減濾色片2和光學整直透鏡(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，投射到空間光調制器(SLM)5上。控制計算機6產生高速變換的圖像流調制SLM，當SLM上的象素被開啟(On)時，通過該象素的光線便被反射回極性化分光器。當SLM上的象素被關閉(Off)時，通過該象素的光線便被SLM吸收。通過調制SLM上象素的開啟和關閉，可以控制由其反射的光線，從而調制出高速變換的圖像。目前比較先進的SLM的最高變換率可達到每秒7000幀。SLM上反射出的圖像光束經由極性化分光器和一個光學透鏡系統7投射到旋轉螺旋面8上。投射到旋轉螺旋面上的光束被螺旋面截獲，在截獲處形成可見光點。由于螺旋面在不停地旋轉，在不同時間投射出的光束被螺旋面在不同高度上截獲。旋轉螺旋面可以用以下數學方程來描述 將SLM的調制時序與螺旋面的旋轉位置同步，便可在螺旋面旋轉出的整個空間產生真三維體元分布。如果螺旋面旋轉速度足夠快(大于20赫茲)，人類肉眼便可將其感受為連續顯示的真三維圖像。這樣產生的真三維圖像”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面，無需佩戴特殊眼鏡，就像觀察真的三維物體一樣。
這種基于”空間光調制器”和”旋轉螺旋面”的真三維顯示系統實現方案具有如下優點·光學系統設計具有”并行投影系統”的優點，利用SLM可產生高速變換的兩維數據投影流的優勢，可以一次同時產生大量三維體元(高達1024×1024個體元，或更高，不像以激光掃描系統為代表的”串行投影系統”，一次只能產生一個體元。這種”并行投影系統”設計思想克服了制約產生高清晰度真三維顯示的瓶頸。
·隨著空間光調制器技術的迅速提高，圖像分辨率愈來愈高，轉換速度愈來愈快，一億體元的真三維顯示系統已切實可行。
·所提出的設計方案結構簡單，易于實現，無需復雜的激光掃描機械裝置和精細的同步控制。光學校準也比較容易。
·真三維圖像就像真三維物體一樣”漂浮”在三維空間中，觀看者無需佩戴特殊眼鏡便可從不同角度觀察三維圖像的不同側面，因而為人類視覺系統提供了完備的生理和心理的感知條件。
·這里提出的設計和實現方案可以方便地擴充到全真彩色三維顯示系統。可以采用三個SLM，分別投射紅，綠，藍三原色(或其他可以產生逼真顏色的色彩組合)，合成后的顯示器便可產生全真彩色真三維顯示。
(2)實現方案2便攜式真三維顯示系統從投影系統設計的角度來看，實現方案1所描述的系統屬于”正面投影”式設計。光學投影系統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”式設計使得光學系統和旋轉螺旋體機械系統的工程實現比較容易，但確引起了不少其他設計問題(a)投影系統與旋轉螺旋體系統難以整合成為一個合為一體的整體設計。
(b)觀察者可能遮擋住投影光路，致使系統無法顯示完整的真三維圖像。
(c)系統維護困難。
這里提出的第二套實現方案可以有效地克服以上問題。這一發明采用”背面投影”式設計。如圖3所示，光學投影系統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。觀察者可以從幾乎任意角度看到優投射的光點形成的體元。
這樣的實現方案的一大優點就是可以使整個真三維顯示系統的設計合為一體，所有系統元件均可以安置在旋轉螺旋面下方的機箱內(圖4和圖5)，顯示區域在機箱頂部，形成便攜式系統設計，大大地減輕了系統的運輸和維護上的困難。
(3)實現方案3利用垂直腔表面激發激光作為投影器自從1989年以來，垂直腔表面激發激光(vertical cavity surface-emitting lasers，VCSELs)作為光學通訊和光學數據存儲的關鍵技術獲得迅速發展。垂直腔表面激發激光實際上就是將大量的垂直激發的微型激光器陣列集成在一塊半導體材料上。控制調制電路可以對每一個微型激光器進行獨立控制。他們的開關速率可以達到十億赫茲(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描述了一個利用VCSEL器件實現的真三維顯示系統。VCSEL元件40上的每一個微型激光器都可以被以極高的開關速度進行獨立控制。適用于“正面投影”或”背面投影”光學設計。在VCSEL元件的表面放上一層微型光學透鏡陣列41，以調整微型激光器輸出光的像質，每一微型透鏡的光學中心軸與相應VCSEL元件的光軸一一對應。由VCSEL元件發出的光線被投射到旋轉螺旋面42上。控制主機43對三維數據進行預處理和發送時序及亮度的控制，并與旋轉螺旋面的動態位置進行同步。
高密度VCSEL的出現已使超高清晰度真三維顯示的實現成為可能。VCSEL技術的進一步發展會導致多波長微型激光器的出現，為實現全真色彩的真三維顯示提供了又一條可行的方案。
實現彩色真三維顯示的方案除去真三維顯示系統的光學和結構設計，真三維顯示技術的另一前沿方向就是發展真彩色顯示能力。在此提出幾種實現方案。
(1)彩色真三維顯示方案1三套獨立的SLM分別投射三基色，產生真彩色顯示圖7給出了一個利用三套獨立的SLM分別投射三基色，產生真彩色顯示的實現方案。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，藍三原色，或其補色)。將這三個圖像分別送到三套獨立的SLM投影子系統上(50，51，52)，由這三套SLM獨立進行圖像調制。完成調制后的三個投影光束再由兩個分色濾波片(dichronic filters)53，54進行色彩合成總光源是白光投影機56，經由極性化分光器(polarized beam splitter cube)55進行分光。與藍光相對應的光束由”藍光反射片”54反射至”藍色SLM”的光路，經由藍色SLM調制的圖像信號再由藍光反射片送至藍光投影系統。類似地，與紅光相對應的光束由”紅光反射片”53反射至”紅色SLM”的光路，經由紅色SLM調制的圖像信號再由紅光反射片送至紅光投影系統。余下來的光能被送至綠色SLM光路，由其調制產生綠光信號。所有三色光的光路在投影光學元件57上進行色彩合成，投向三維成像裝置(比如，旋轉螺旋面)，形成真三維顯示圖像。
(2)彩色真三維顯示方案2三套獨立的彩色光源，使用同一SLM分時產生三基色投影另一種彩色真三維顯示的實現方案是采用三個可獨立控制其時序的彩色光源(例如紅，綠，藍)與一個SLM的調制時序同步，利用分時的原理產生紅綠藍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，從而產生真三維彩色顯示。
如圖8所示，我們采用三個獨立的單色光源(激光，LED，白光投影器加濾色片等)產生紅綠藍三色投影。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制。如用其他無高速調制能量的光源器件，則可以使用光學開關(shutter)68來控制各色彩光路光源的開啟和關閉。三路彩色光經由光學反射鏡和分光器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進行調制。
原始圖像被分解成為三幅單色圖像，在順序送至SLM按照時序進行調制。由于采用分時方案，SLM的刷新速率需要比單獨用與單色光路快三倍。調制后的光束經由投影光學元件67投至三維成像裝置(比如，旋轉螺旋面)，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，產生真三維彩色顯示。我們提出了使用數字微鏡芯片(DMD)來實現高速率高分辨率的彩色投影光源的方法。
圖9展示了數字微鏡芯片的典型象素結構，它的象素由內存單元控制的單片集成電路構成。如圖9所示，每一個數字微鏡芯片象素的數字光交換包括一個鋁制微鏡(710)，尺寸大約為13.7μm2，可以根據下面的內存單元將光線反射到兩個預定方向中的一個，取決于內存單元的狀態。每一片微鏡由兩個薄片鉸鏈支撐于內存單元之上。每一片微鏡可以由內存單元兩端的電壓差所產生的電磁吸力來控制。鏡面旋轉角度由機械制動(720)為±10°。當內存單元在“開”的狀態，鏡面旋轉到+10°，當內存單元在“關”的狀態，鏡面旋轉到-10°。不像傳統的光學投影儀的照明和光學含有一個共同的光學軸線，數字微鏡設備的光學軸線必須有一定角度，在示范中角度大約為20度。
數字微鏡象素利用微鏡配置角來控制光的開關，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)或反射到吸光區域(750)(如果處于”關”狀態)。由于微鏡的偏轉角為正負10度，如果將裝置設計成投影透鏡垂直于芯片表面(0度)，則吸光區域在于垂直軸成40度的角度。微鏡陣列中每一個微鏡可以分別進行控制。
數字微鏡象素的結構設計的非常精巧，具有非常短的機械轉換時間(大約為15μs)和光學轉換時間(大約為2μs)。鏡面的轉換時間非常快，以至于可以用脈沖寬度調制(PWM)來實現圖像的灰度級。圖11展示了一個利用線性脈沖寬度調制方法產生投影亮度的灰度級的例子。其主時鐘脈沖的時序式案二進制來排列。數字式亮度信號的最高位(MSB)被加載到內存單元上。每一個微鏡維持MSB狀態達到一個幀周期的一半時間，直到次高位信號被加載，每一個微鏡維持次高位狀態達到一個幀周期的4分之一時間，依此類推。每低一位，維持時間減辦，直至最低位。由于幀周期時間非常短，快速開關的亮度信號會給肉眼感受到不同的亮度。這樣，數字微鏡裝置便將接收到的描述灰度級信息的”電子語言”，將其轉換成人眼可以看到的”光學語言”，讓觀察者感受到每一象素的亮度變化。
圖12展示了一種基于數字微鏡芯片的彩色投影裝置的光學設計。投影裝置包括光學系統元件(800)，燈泡(805)(例如UHP燈泡)，棱鏡(810)，聚光鏡頭(820)，兩個反射鏡(830-1，830-2)，和一個共用UV濾鏡(840)。從UHP燈泡發出的光首先經過光學棱鏡(810)，聚光鏡內部是由四個反射鏡片組成的燈管。經過多重反射，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，兩個折疊反射鏡(830-1，830-2)放置在光學路徑上。鏡片1(830-1)是一個簡單平面反射鏡，鏡片2(830-2)是一個非球形的凹透鏡，進一步減小光路，提高光線分布的均勻性。在一系列單獨DMD芯片(860)的前面，放置了一個UV濾鏡(840)用來擋開UV光。UV濾鏡也被投影光所使用。
3.1基于數字微鏡芯片的彩色投影系統實現方案之一用一只數字微鏡芯片圖13展示了一種基于數字微鏡芯片的彩色投影系統實現方案。它的特點是只用一只數字微鏡芯片。白色光源(1310)經聚光鏡(1320)將光學能量集中在一個旋轉色輪上(1330)。這個色輪由紅綠藍(RGB)三個透色窗口組成，分別在不同時刻將紅綠藍光傳遞給透鏡組合(1340)。利用一個折射棱鏡(1350)將光傳遞到數字微鏡裝置上(1360)。由數字微鏡裝置上的象素對光的明暗進行調制，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。
彩色投影是由旋轉色輪和數字微鏡裝置的同步來實現的。每當旋轉色輪轉到紅色窗口時，數字微鏡裝置便切換到對應于紅色分量的圖像。每當旋轉色輪轉到綠色窗口時，數字微鏡裝置便切換到對應于綠色分量的圖像。對于藍色圖像也是同樣處理。有一種設計延伸，可以在色輪上加上一個”白色”窗口，投射紅綠藍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基于數字微鏡芯片的彩色投影系統實現方案之二用兩只數字微鏡芯片圖14展示了另一種基于數字微鏡芯片的彩色投影系統實現方案。它的特點是只用兩只數字微鏡芯片。白色光源(1410)經聚光鏡(1420)將光學能量集中在一個旋轉色輪上(1430)。這個色輪由”紅綠(Y)”和”紅藍(M)”兩個透色窗口組成，分別在不同時刻將紅綠和紅藍兩種光傳遞給透鏡組合(1440)。利用一個折射棱鏡(1450)將光分別傳遞到”紅藍”數字微鏡裝置(1460)和”紅綠”數字微鏡裝置上(1465)。由兩個數字微鏡裝置上的象素對光分量的明暗進行調制，經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。
彩色投影是由旋轉色輪和數字微鏡裝置的同步來實現的。每當旋轉色輪轉到紅綠色窗口時，紅綠數字微鏡裝置便切換到對應于紅綠色分量的圖像。每當旋轉色輪轉到紅藍色窗口時，紅藍數字微鏡裝置便切換到對應于紅藍色分量的圖像。有一種設計延伸，可以在色輪上加上一個”白色”窗口，投射紅綠藍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基于數字微鏡芯片的彩色投影系統實現方案之三用三只數字微鏡芯片圖15展示了又一種基于數字微鏡芯片的彩色投影系統實現方案。它的特點是只用三只數字微鏡芯片。白色光源(1510))經聚光鏡(1520)將光學能量集中透鏡組合(1540)。利用一套折射棱鏡(1550)將光分別傳遞到”紅色”數字微鏡裝置(1560)，”綠色”數字微鏡裝置(1565)和”藍色”數字微鏡裝置(1566)。由三個數字微鏡裝置上的象素對光分量的明暗進行調制，形成投影彩色圖像。這三個圖像再經折射棱鏡合成，經影透鏡(1570)上，投向三維顯示屏幕。
彩色投影的實現無需采用旋轉色輪，也沒有和數字微鏡裝置的同步問題。
以上這三種實現方案，以及它們的各種變形，都有它們各自的優點和不足。它們部可以用來實現真三維顯示系統。方案1只用一只芯片，因而系統設計相對簡單，造價低，重量輕，體積小。但是它應用了分時的方式來實現彩色投影，完整彩色圖像的投影速率只有數字微鏡芯片的3分之一。方案2用了兩只芯片，特別適合于一些低成本長壽命光源的應用。這些低成本長壽命燈泡的光譜中缺乏紅色成分，因而在設計方案中將顏色分為”紅綠”和”紅藍”，可以在兩幅圖像中，人為加強紅光成分，以彌補光源的不足。方案3采用三只獨立的芯片，具有最高的光學效率，但是成本很高，將三個顏色的光路對準的調整非常困難。
基于數字微鏡芯片的真三維顯示系統設計和實現方案圖16展示了一個基于數字微鏡芯片的真三維顯示系統設計方案和實現方法。光源，數字微鏡芯片，它的控制電路等被集成在一個部件(1610)上。它投射出的圖像經反射鏡(1620)投向旋轉螺旋面(1630)，形成三維顯示區域(1650)。旋轉螺旋面由一個驅動裝置(1640)所帶動。它的上面裝有旋轉位置傳感器，其檢測信號被用來同步控制板(1610)的調制時序。控制電腦(未畫在圖中)負責三維數據的預處理，傳送，傳感器信號檢測，同步控制，用戶界面等功能。
真三維顯示系統的數據處理算法和軟件實現按照系統各模塊的功能來劃分，本發明提出的真三維顯示系統由以下兩個主要模塊構成(1)三維數據的預處理和時序控制(2)SLM投影部件的實時控制在這里，我們假設所討論的真三維顯示系統在X軸方向有L個體元，y軸方向有M個體元，z軸方向有N個體元，此真三維顯示系統的空間分辨率為L(X)乘M(Y)乘N(Z)個體元。現在來討論真三維顯示系統的控制算法和軟件設計。
模塊1三維數據的預處理和時序控制圖17給出了數據預處理和時序控制算法的流程圖。基本步驟簡述如下(a)三維數據預處理本模塊執行各種數據變換(圖像縮放，旋轉，平移)使得原始三維數據能夠被顯示在真三維顯示器的中央區域。比如說，如果需要將一條100米長的船顯示在1米長的顯示器內，圖像縮放算法便會自動計算縮放系數(1/100)，并用此系數將所有三維數據進行縮放。除圖像大小之外，圖像的取向，中心位置等參數均需作相應調整，以適應具體物體的要求。
(b)切割三維數據顯示空間在確定完三維數據的縮放和走向之后，三維處理算法需要將三維圖像數據按照旋轉螺旋面的形狀進行切割分層，重新組合(圖18)。重組后的數據層是按照螺旋面在每一位置的空間形狀來分布。因為真三維空間沿z軸方向有N層體元，我們把整個三維顯示數據沿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度空間旋轉角。這樣我們就把原來顯示整套L×M×N個三維體元的工作轉換成為N個沿z軸兩維投影，每個兩維投影具有L×M分辨率。每個兩維投影暗的時序與螺旋面旋轉位置同步，依次順序進行。兩維投影可以用高速SLM來實現。
數據的切割分片導致數三維據的存儲結構上的改變。我們可用N個L×M矩陣結構來儲存一幅三維圖像。N個矩陣中的每一個元素儲存該體元的亮度(或顏色)值。
三維圖像數據量極大。如何有效地對數據進行壓縮以顯著減少數據的傳輸量合處理量成為實現本發明的重要環節。因為一般三維圖像數據中通常發亮的體元只占有很小比例，我們可以用壓縮算法(如鏈表結構等)將數據量減少。
模塊2SLM投影部件的實時控制實時控制算法和軟件程序是用來實時檢測光學位置傳感器的觸發信號(以確定螺旋面的旋轉位置)，并根據此信號的時序來發送控制信號到SLM去控制N幅圖像切片的發送時序和刷新。圖19描述了我們的實時控制算法流程圖。
在系統初始化之后，控制主機不斷檢測光學位置傳感器的觸發信號。光學位置傳感器同軸安裝在螺旋面的轉軸上因而可以準確獲得螺旋面的位置信息。一旦獲得光學位置傳感器的觸發信號，控制主機便開始控制SLM按順序產生N個序列圖像，通過光學投影系統在旋轉螺旋面的N個位置上產生發光體元面，這N個發光體元面形成一幅真三維圖像。在系統完成了一組N個投影后，控制主機返回等待狀態，不斷檢測光學位置傳感器的觸發信號，準備下一幅三維圖像的生成，對三維圖像進行刷新。根據肉眼的生理特征，如果本三維顯示系統的刷新頻率達到每秒20幅以上，觀察者便可獲得觀看連續三維動態圖像的感知。
本發明申請書中的描述僅供說明之用。在本領域的同行可以根據本發明提供的原理進行各種明顯可見的改進和變種，但是這些改進和變種都在本發明的方案和涵蓋范圍之內。
權利要求
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，投射到空間光調制器(SLM)上；由控制計算機產生高速變換的圖像流調制SLM，通過調制SLM上象素的開啟和關閉，控制由其反射的光線，從而調制出高速變換的圖像；SLM上反射出的圖像光束經由極性化分光器和一個光學透鏡系統(7)投射到旋轉螺旋面(8)上；投射到旋轉螺旋面上的光束被螺旋面截獲，在截獲處形成可見光點；螺旋面在旋轉，在不同時間投射出的光束被螺旋面在不同高度上截獲；旋轉螺旋面可以用以下數學方程來描述 ；將SLM的調制時序與螺旋面的旋轉位置同步，在螺旋面旋轉出的整個空間產生真三維體元分布；SLM設置成分別投射三基色光或其補色，將全真色彩的被顯示圖像分解成三幅單基色的圖像紅、綠、藍三原色或其補色，將這三個圖像分別送到三套獨立的SLM投影子系統上(50，51，52)，由這三套SLM獨立進行圖像調制，完成調制后的三個投影光束再由兩個分色濾波片進行色彩合成，總光源是白光投影機，經由極性化分光器進行分光；或采用三個可獨立控制其時序的彩色光源與一個SLM的調制時序同步，利用分時的方法產生紅綠藍三色圖像成分的順序投影；所有三色光的光路在投影光學元件(57)上進行色彩合成，形成真三維顯示圖像。
2.由權利要求1所述的真三維高清晰度顯示方法，其特征是調制SLM的圖像流是由下述方法構成將三維圖像數據按照上述旋轉螺旋面的形狀進行切割分層，數據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，將整個三維顯示數據沿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度空間旋轉角；將原來顯示整套L×M×N個三維體元的工作轉換成為N個沿z軸兩維投影，每個兩維投影具有L×M分辨率；每個兩維投影SLM的調制時序與螺旋面旋轉位置同步，依次順序進行，將所述兩維投影用高速SLM來實現，N大于101。
3.由權利要求1所述的真三維高清晰度顯示方法，其特征是SLM的調制是利用線性脈沖寬度調制方法產生投影亮度的灰度級，其主時鐘脈沖的時序式按二進制來排列；每一個微鏡維持MSB狀態達到一個幀周期的一半時間，直到次高位信號被加載，每一個微鏡維持次高位狀態達到一個幀周期的1/4時間，依此類推；每低一位，維持時間減辦，直至最低位；幀周期時間非常短，快速開關的亮度信號會給人眼感受到不同的亮度，數字微鏡裝置將接收到的描述灰度級信息的”電子語言”，將其轉換成人眼可以看到的”光學語言”，讓觀察者感受到每一象素的亮度變化。
4.由權利要求2所述的真三維高清晰度顯示方法，其特征是光源，數字微鏡芯片，它的控制電路被集成在一個部件(1610)上，它投射出的圖像經反射鏡(1620)投向旋轉螺旋而(1630)，形成三維顯示區域(1650)，旋轉螺旋面由一個驅動裝置(1640)所帶動。它的上面裝有旋轉位置傳感器，其檢測信號被用來同步控制板(1610)的調制時序。控制電腦(未畫在圖中)負責三維數據的預處理，傳送，傳感器信號檢測，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、光學整直透鏡、空間光調制器(SLM)”、”旋轉螺旋面”構成，光源經濾光片和光學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，投射到空間光調制器(SLM)上；由控制計算機產生的原始圖像的紅綠藍三色圖像成分產生高速變換的圖像流調制SLM，通過調制SLM上象素的開啟和關閉，SLM上反射出的圖像光束經由極性化分光器和一個光學透鏡系統投射到三維成像裝置，三維成像裝置為旋轉螺旋面(8)；將SLM的調制時序與螺旋面的旋轉位置同步，旋轉螺旋面可以用以下數學方程來描述 所述空間光調制器是鐵電液晶陣列器件、垂直腔表面激發激光陣列器件(VCSEL)。采用”背面投影”式結構光學投影系統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螺旋面下方，顯示區域在頂部。
6.由權利要求5所述的真三維高清晰度顯示裝置，其特征是設有三套獨立的SLM分別投射三基色光或其補色，將全真色彩的被顯示圖像分解成三幅單基色的圖像紅、綠、藍三原色或其補色，將這三個圖像分別送到三套獨立的SLM投影子系統上，與藍光相對應的光束由”藍光反射片”(54)反射至”藍色SLM”的光路，經由藍色SLM調制的圖像信號再由藍光反射片送至藍光投影系統；類似地，與紅光相對應的光束由”紅光反射片”(53)反射至”紅色SLM”的光路，經由紅色SLM調制的圖像信號再由紅光反射片送至紅光投影系統；余下來的光能被送至綠色SLM光路，由其調制產生綠光信號；所有三色光的光路在投影光學元件(57)上進行色彩合成，投向旋轉螺旋面三維成像裝置；光學位置傳感器同軸安裝在螺旋面的轉軸上。
7.由權利要求5所述的真三維高清晰度顯示裝置，其特征是采用三個可獨立控制其時序的彩色光源與一個SLM的調制時序同步，利用分時的原理產生紅綠藍三色圖像成分的順序投影；與藍光相對應的光束由”藍光反射片”(54)反射至”藍色SLM”的光路，經由藍色SLM調制的圖像信號再由藍光反射片送至藍光投影系統；與紅光相對應的光束由”紅光反射片”(53)反射至”紅色SLM”的光路，經由紅色SLM調制的圖像信號再由紅光反射片送至紅光投影系統；余下來的光能被送至綠色SLM光路，由其調制產生綠光信號；所有三色光的光路在投影光學元件(57)上進行色彩合成，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制；或使用光學開關(68)來控制各色彩光路光源的開啟和關閉；三路彩色光經由光學反射鏡和分光器(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)進行調制；原始圖像被分解成為三幅單色圖像，在順序送至SLM按照時序進行調制；采用分時方案，SLM的刷新速率需要比單獨用與單色光路快三倍；調制后的光束經由投影光學元件(67)投至三維成像裝置形成真三維顯示圖像。
9.由權利要求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制器(SLM)采用象素結構數字微鏡芯片，它的象素由內存單元控制的單片集成電路構成，每一個數字微鏡芯片象素的數字光交換包括一個鋁制微鏡(710)，根據下面的內存單元將光線反射到兩個預定方向中的一個，取決于內存單元的狀態；每一片微鏡由兩個薄片鉸鏈支撐于內存單元之上。每一片微鏡可以由內存單元兩端的電壓差所產生的電磁吸力來控制；鏡面旋轉角度由機械制動(720)為±10°，當內存單元在“開”的狀態，鏡面旋轉到+10°，當內存單元在“關”的狀態，鏡面旋轉到-10°；數字微鏡的偏轉角為正負10度以內，微鏡陣列中每一個微鏡可以分別進行控制；數字微鏡象素利用微鏡配置角來控制光的開關，微鏡將入射光反射到投影透鏡上或反射到吸光區域(750)。
10.由權利要求5所述的真三維高清晰度顯示裝置，其特征是SLM是基于數字微鏡芯片的彩色投影裝置，用一只或二只數字微鏡芯片；白色光源(1310)經聚光鏡(1320)將光學能量集中在一個旋轉色輪上(1330)，這個色輪由紅綠藍(RGB)三個透色窗口組成，分別在不同時刻將紅綠藍光傳遞給透鏡組合(1340)；或由”紅綠(Y)”和”紅藍(M)”兩個透色窗口組成，分別在不同時刻將紅綠和紅藍兩種光傳遞給透鏡組合；利用一個折射棱鏡(1350)將光傳遞到數字微鏡裝置上(1360)，由數字微鏡裝置上的象素對光的明暗進行調制，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，投射到空間光調制器(SLM)上；由控制計算機產生高速變換的圖像流調制SLM，通過調制SLM上象素的開啟和關閉，控制由其反射的光線，從而調制出高速變換的圖像；投射到旋轉螺旋面上的光束被螺旋面截獲，螺旋面在旋轉，旋轉螺旋面符合專門的數學方程，在螺旋面旋轉出的整個空間產生真三維體元分布；本發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數達到數千萬個，使此項技術達到實用化和產品化。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H04N13/00GK1971340SQ20051009575
公開日2007年5月30日 申請日期2005年11月21日 優先權日2005年11月21日
發明者耿征 申請人:耿征