微显示器是一种小型化的显示器，通常其屏幕对角线的尺寸小于 1.5″。微显示器通常应用于数据投影仪、头戴式显示器、以及数字相机 的传统取景器中。由于可以观察到完整的计算机屏幕，所以微显示器可 以应用于小型投影仪，应用于手持因特网装置的取景器中，以及应用于 进行上网冲浪和视频会议的移动电话中。
大多数的微显示器利用一由硅芯片制成的光阀作为基板材料。该芯 片还安装有寻址电子装置(至少一个具有集成驱动器的有源矩阵)，通常 以标准的CMOS技术实现，该技术允许非常可靠的和稳定的电路、非常小 的像素间距(小至10μm或者甚至更小)、以及高的显示分辨率。
存在已知的反射式和透射式光阀。反射式光阀将显示图像所发出的 光反射入观察器的透镜或者投影透镜。透射式光阀类似于背照灯，采用 LCD(液晶显示器)以及EL(电致发光)技术的便携式计算机屏幕。通用 的反射式光阀基于硅基液晶(LCOS)以及斜置微镜(DMD)。通用的透射 式光阀基于有源矩阵液晶显示器(AMLCD)。
采用上述透射式微显示器的投影仪通常包括一个光路，该光路包括 一个光源和一个空间光调制器(SLM)，其中在这两者之间布置有光束整 形光学元件和偏振元件。在SLM和投影表面通常设置有另外一个偏振元 件和一放大光学元件。将SLM耦合到视频处理驱动器，以根据输入信号 而产生光的图像调制。
设计公知的基于微显示器的投影仪的普遍光学难题在于：低能量效 率；由于源的非均匀强度分布(即SLM表面上的高斯分布)和强度损失 而导致输出图像的低亮度以及非均匀性；输出图像的低聚焦深度。在激 光投影仪中，激光源的“斑点”现象造成光的粒状图案遍布在图像中， 这也是一个技术难题。其他直接与光学难题以及硬件实现相关的普遍困 难是：尺寸、重量、光学复杂性、功耗以及整个投影装置的便携性。
以下申请公开了旨在解决上述一个或者多个问题的不同方法和装 置。
US 5,971,545公开了一种利用一反射式光阀的紧凑式和节能式投影 显示器。光源的输出光束由至少一个空间光调制器接收。对经过调制的 输出光束进行准直和合并。投影透镜接收被准直和合并的输出光束，并 将其导向投影屏幕。通过采用顺序选通的RGB光源而不是白光源来获得 能量效率。
US 5,777,789公开了一种用于高分辨率投影显示的光学系统，该光 学系统包括反射式双折射(双重折射)光阀。该LCD投影仪包括偏振分 束器，彩色图像合并棱镜，照明系统，投影透镜，用于色彩和对比度控 制的滤光器，以及屏幕。照明系统包括：一个例如金属卤化物弧光灯之 类的光源；在从光源开始的光路中用于滤出从光源所发射的紫外和红外 光的一个或多个紫外线和红外线滤光器；一个光隧道，用于提供均匀的 光强；以及一个中继透镜系统，用于对照明系统输出平面进行放大，并 且将所述平面成像于液晶光阀上。
US 5,975,703公开了一种图像投影装置，该装置具有一个SLM和一 个偏振源系统。该光学系统采用由一个二次曲面或者多个平面光学元件 中的至少一种所控制的偏振光以实现一个折镜系统(folded mirror system)，从而通过利用具有不止一个偏振状态的输入光分量而将图像投 影到屏幕上，因此减少了光学系统因偏振滤光而引起的强度损耗。该系 统向SLM的多个分离区域提供基本正交偏振的光分量以输出到投影屏幕 上。
US 6,183,092公开了一种激光投影仪，该投影仪包括一个激光器和 一个能够通过光束路径位移而抑制光斑的反射式液晶光阀：通过在投影 过程中偏转光束，从而避免了光束的吸收和扩散同时保持了伪准直(非 交叉光线)。而后者对于无限的清晰度来说是重要的。光路位移是通过在 光阀上扫描光束而实现的，该光阀还提供了几种改进—在能量效率、亮 度、对比度，光束均匀性(通过抑制激光模态的波纹和假象信号而实现) 方面，以及用于在装置列之间转移光束的便利的光束转向。该偏转效应 是由安装在用于回旋摆动的检流计或者马达上的镜子而产生的；在光阀 控制级(光学或电子的)的各个连续部分将图像递增地写入，而在输出 级中使激光“读取光束”同步。以很小的遮光能量损失，将光束整形成 一较窄的横截面，该横截面在观测屏幕和光阀上被移位。分束器/分析器 小室(cubes)优选地位于偏振片之上。光阀所提供的并由伪准直所保持 的空间调制使得能够在非规则的投影介质上成像。
US 5,517,263公开了一种小型的投影系统，该系统包括一个偏振光 的亮光源，以及一个空间光调制器，该空间光调制器具有一个调准层， 用于对偏振的投影光进行调制，其中该亮偏振光源利用调准层进行调准， 以使偏振光通过其中而不需要多余的阻光偏振器。利用偏振激光源并配 合以其与光阀的适当的调准，可以使SLM利用基本上所有的激光束来形 成投影图像。由于不与光阀一起使用滤光器和/或偏振器，因此可以降低 激光器光输出的强度损耗。此外，自激光器发射的光线被偏振，并因此 不需要偏振滤光器，否则该器件将减少激光能量。
US 5,704,700公开了一种激光器照明的和基于SLM的投影系统，该 系统包括一个微激光器阵列，该微激光器阵列与一光束整形器相耦合以 产生一个投射到SLM上的明亮的(即具有均匀强度分布的)投影光束。 该光束整形器包括一个二元相位板(binary phase plate)、一个微透镜阵 列装置或一个漫射器装置，用于修改投影光束的形状和强度分布。对光 阀进行照明的激光因此具有用于投射一极其明亮的图像的均匀强度分 布，并且基本被限制于光阀的像素部分。

为方便图像的投影，本领域存在对提供一种新颖的微型投影仪装置 和方法的需求。
本发明的装置是轻便及高效的，而且能够使用高比率的偏振光源、 对待成像的数据进行数字处理的高效SLM以显著减少与斑点相关的影响， 并且对投影的图像进行数字处理以改善其均匀性。
根据本发明的一个广义方面，提供一种图像投影装置，包括：空间 光调制SLM像素装置，具有一包括多个像素的有源表面；第一和第二透 镜阵列，位于所述SLM像素装置的相对两侧，以使第一阵列中的每个透 镜和第二阵列中的对应的相对透镜与多个像素中的一个对应像素相关 联；一个光源系统LSS，可操作地产生一个入射光束，所述入射光束的预 定横截面对应于所述有源表面的大小；以及一放大光学器件，设置在SLM 像素装置的输出侧；该装置的特征在于：所述第一和第二透镜阵列与所 述SLM像素装置集成在一起，并位于SLM像素装置的相对两侧，与SLM 像素装置共同形成一个公共SLM单元，所述第一和第二透镜阵列中的每 个阵列或者与像素装置的相应表面间隔一预定的距离，或者与所述相应 表面物理接触，所述第一和第二透镜阵列分别以聚合物隔块的方式实现， 设置在所述SLM像素装置的两侧相对表面上。
本发明的装置可以利用一种透射式SLM，该透射式SLM不需要对光进 行偏振，或者也可以采用一种利用特别偏振光进行操作的SLM。在后者的 情况中，该装置被设计成提供SLM输入和输出光的特别偏振。这可以通 过利用一个位于SLM的输出的偏振器单元，并且利用一个输入偏振器或 者一个产生高比率偏振光的光源而实现。输入偏振器可以是光源系统的 一部分，或者是SLM单元的一部分。
光源系统可以包括一个光学装置，该光学装置可操作地在入射光束 的横截面内提供基本均匀的强度分布。此光学装置包括一个衍射元件(通 常称为“顶帽(top-hat)”，该衍射元件可操作地修改光束强度分布，以 在其横截面内产生基本均匀的光束强度分布。
优选地，如果要求利用偏振光，则在本发明的装置中所采用的光源 是一种产生高比率偏振光束的光源(因此省去了在SLM单元的输入侧采 用一偏振器)，并且优选地也可以是以下一种光源，其所产生光束的横截 面大小基本等于SLM单元的有源表面的大小(因此可以省去光束整形光 学器件)或者可替换地配备一个光束整形光学器件以提供期望的光束横 截面。
根据本发明的另一广义方面，提供一种投影系统，包括至少两个投 影装置，每个投影装置的结构如上文所述，还包括一个控制单元，该控 制单元可与每个投影装置相连接，并且可操作地在一投影表面上产生一 个大的组合图像，该组合图像是由所述至少两个投影装置所产生的图像 所形成的。
优选地，上述装置还包括一个衍射光学器件，其容置在光线向SLM 单元传播的光路中，以便在所述横截面中提供入射光束的基本均匀的强 度分布。
优选地，本发明的装置包括一个图像处理器系统(控制单元)，该图 像处理器系统可操作地执行至少一个下述过程：对表示待投影的图像的 数据施加数字处理，以避免或者至少显著减少所投影的图像中与斑点相 关的影响；对表示所投影的图像的数据进行处理，以对光强的非均匀性 进行校正；以及对表示环境条件的数据进行分析，以调节入射光束的强 度和/或混色(color mixture)。
因此根据本发明的另一个方面，提供一种图像投影装置，该装置包 括：一个光源系统，可操作地产生一光束以投射到由SLM像素装置所形 成的空间光调制器(SLM)单元的有源表面上，所述入射光束是线性偏振 的并且具有一对应于所述有源表面的大小的预定横截面；以及一个偏振 器单元和一个放大光学器件，相对于光线通过该装置传播的方向而容置 在SLM的输出侧，其特征在于，该装置包括一个图像处理器系统，该图 像处理器系统可操作地执行至少一个下述过程：(i)对表示待投影的数据 施加数字处理，以减少所投影的图像中与斑点的产生相关的影响；(ii) 对表示所投影的图像的数据进行处理，以对光强的非均匀性进行校正； 以及(iii)对表示环境条件的数据进行分析，以调节入射光束的强度和混 色两者中的至少一个。
本发明的装置可以可操作地提供彩色图像。这可以通过采用三个分 立的SLM像素来实现，其中每个SLM像素用于三种基色中的一种对应的 颜色，另一种实现方式是，对所有的基色采用相同的SLM像素，但是对 色彩光分量提供时间调制。可替换地或者附加地，对于表示环境条件的 数据的分析可以用于对入射光束的混色进行调节。
本发明的装置可以配合任何传统的视频发生装置使用，以在外部屏 幕表面上投影图像。该装置可操作地以两个不同的投影角度而投影相同 的图像，从而使得能够由两个不同观测者观测相同图像，并且还可以允 许由每个观测者通过其观测区域而对相应图像进行私人操作。
本发明的技术也考虑了对于对本发明的几个微投影仪所投影的图像 进行组合，从而允许建立一幅大的组合的图像；允许将图像投影在一个 凹形的屏幕表面上；并且可以通过利用两个微投影仪或者配有旋镜的单 个微投影仪而产生立体图像。
本发明，根据其另一方面，提供了一种用于投影图像的方法，包括： (i)提供一个空间光调制器SLM单元，该SLM单元包括一个具有有源表 面的SLM像素装置，该有源表面包括多个像素，该SLM单元还包括第一 和第二透镜阵列，所述第一透镜阵列和第二透镜阵列位于SLM像素的相 对两侧，并且所述第一透镜阵列和第二透镜阵列中的每一个或者与所述 SLM像素装置的各对应表面间隔一预定的距离，或者与所述表面物理接 触，所述透镜阵列分别以聚合物隔块的方式实现，并设置在SLM像素装 置的两侧相对表面上，第一阵列中的每个透镜和第二阵列中的相应的相 对透镜与多个像素中的一个对应像素相关联；以及(ii)产生一入射光 束，该光束具有的预定横截面与由SLM像素装置所限定的所述有源表面 的大小对应；(iii)使所述光线通过SLM单元，同时利用表示待投影图 像的成像信号操作SLM像素装置，从而产生调制光；(iv)使从SLM单元 出射的调制光通过一放大光学器件以投影到一投影表面上。
附图说明
为便于对本发明进行理解并且明确如何在实际中实施本发明，现在 通过非限制性的实例，并结合附图对优选的实施例进行说明，其中：
图1所示为根据本发明的投影装置的简要框图，示出一个光传播方 案的主要光学元件；
图2更具体地示出图1所示的装置中所采用的衍射元件(顶帽)的 操作；
图3A所示为图1所示装置中所采用的SLM的开窗口的结构的正视图；
图3B所示为图3A所示的SLM所采用的小透镜阵列的结构；
图4A和图4B所示为分别通过图3A所示的SLM和图3B所示的具有 小透镜阵列的SLM的光束传播方案；
图4C示出SLM单元结构的具体实例；
图5A和5B分别示出通过采用非偏振和偏振的光源而引起的强度损 失的原理；
图6更具体地示出一个根据本发明的图像处理器单元，该图像处理 器单元与图1所示的装置一起使用以改善投影图像的质量；
图7A和图7B更具体地示出图6所示装置的用于改善所投影的图像 之内的亮度的操作；
图8A和图8B更具体地示出图6所示装置的用于解决与斑点相关联 的问题的操作；
图9所示为根据本发明的方法中用于对输入SLM的光进行色混调制 的主要操作步骤的流程图；
图10A至图10E简要地示出适合于在本发明的装置中使用的彩色图 像投影实现方式的不同实例；
图11A至图11H简要地示出根据本发明的投影装置的不同应用。

图1所示为根据本发明的投影装置1的简要框图，显示了一种光传 播方案的光学部件。装置1包括：光源系统LSS，该光源系统包括产生准 直光束4的光源2；一个光学装置，包括一个衍射元件34(“顶帽”)，其 可操作地影响光束4的强度分布，从而产生在光束4的横截面内基本均 匀的光束强度分布；以及光束整形光学器件(光束扩展器)6，该光束整 形光学器件对光束4的横截面进行作用，以使其基本等于由SLM单元12 (诸如可从美国Kopin公司购买到的基于液晶的SLM模块RS170)的像 素装置5(所谓的“开窗口的结构”)所限定的有源表面的大小。
需要注意的是，光束扩展器6是可选的，并且通过提供一个合适的 光源以覆盖SLM上的图像调制区域也可以达到相同的效果，例如，提供 一个光束直径为6mm的激光器二极管/DPSS激光器模块。
还需注意的是，该SLM单元可以是一种利用随机偏振的光而工作的 元件。或者，该SLM单元可以是一种利用特定偏振的光而工作的元件。 在这种情况下，投射在SLM像素装置上的光束具有一种特定的线性偏振， 并且该装置包括一个输出偏振器(分析器)18，由于其配置与否可根据 装置中所使用的SLM的类型而选择，因此在图中用虚线示出。偏振器18 的偏振平面具有一个优选的方向，该方向或者与入射光束4相同或者对 其呈90°旋转，因此阻挡由SLM所旋转的那部分光或者没有受到SLM作 用的那部分光。对于入射光束的偏振，优选地通过利用产生高比率偏振 光的光源来实现，但是通常可以通过利用一个产生随机偏振光的光源并 且利用一设置在有源表面5的输入侧的分立的偏振器(未示出)来实现。 此输入偏振器可以是光源系统的一部分，SLM单元的一部分，或者可以是 一个设置在光源和SLM单元之间的独立的单元。
因此，在图1的实例中，SLM属于利用偏振光而工作的那种SLM，光 源产生高偏振比的光，并且采用了输出偏振器。术语“高偏振比”通常 是指偏振比大约为1∶50，1∶100或以上的偏振光，并且可以例如利用 一个激光器二极管和DPSS激光器模块而实现，诸如可从美国Lasemate 公司购买的GMC-532-XF5激光器模块系列。
SLM像素装置5的结构在本领域是已知的，因此无需进行具体说明， 只是需要注意其包括有源单元(例如，液晶单元)的二维阵列，每个单 元作为图像的一个像素，并且可由调制驱动器11单独操控，以处于ON 或者OFF状态并且对投射其上的光进行偏振旋转，由此可以提供该像素 的相应灰度级。根据驱动器11发送的输入信号，对一些单元进行控制， 以使光线通过其中而不发生偏振的改变，同时对其他的单元进行控制， 从而以特定角度旋转光的偏振。
该SLM单元12还包括一个位于像素装置的输出侧的第一小透镜阵列 10，和位于像素装置的输出侧的第二小透镜阵列14。在实践中，这两个 小透镜阵列可以与安装到其相对两侧表面的像素装置集成为一体。在以 下内容中将结合图3A-3B和图4A-4C对具有小透镜阵列的SLM单元的结 构和操作进一步给予具体说明。小透镜阵列是微型透镜的二维阵列，该 阵列与SLM的有源单元阵列相配合，使得阵列10的每个透镜和阵列14 的相应的相对透镜与有源单元中的一个对应单元相关联。因此小透镜阵 列10通过将投射到其上的光束分成多个分量并且由各相应的小透镜将每 个分量聚焦到对应的像素(即，每个小透镜对应于一个单个像素)，从而 将光束8聚集成束，以使其对应于SLM元件的有源表面5内的图像调制 区域，因此提高了该过程的光效率。
因此，具有基本均匀强度分布4的入射光束(例如，线性偏振的光 束)被扩展，从而得到其横截面基本与SLM的有源表面大小相等的光束8。 光束8通过小透镜阵列10，产生聚集成束的光并通过SLM像素装置，并 且根据待投影的图像而得到调制。从SLM出射的调制光由第二小透镜阵 列14接收，该第二小透镜阵列抵消了第一小透镜阵列10的汇聚效应， 因此产生一光束16，该光束具有与光束8在通过第一小透镜阵列10之前 的横截面一致的横截面。以下结合图3A-3B和4A-4B对SLM单元的工作过 程给予更加具体详尽的说明。
在装置1中还设有一个放大光学器件22，位于自SLM单元出射(或 者例如在本实例中从偏振器18出射)并且向投影(或者屏幕)表面26 传播的光的光路中。因此，光束16通过偏振器18，该偏振器18产生一 偏振的强度调制的光束20，该光束表示即将由放大光学器件22投影到屏 幕表面26的图像。如本领域的技术人员所公知的情况，由于光源的本质 及其在给定光路中的相干性，对于投影装置1和屏幕表面26之间的很多 种距离，投影图像28都将保持焦点对准。或者，当光是非相干的时，可 以通过沿光路移动放大透镜22而手动进行调焦。
图2特别地示出在图1所示的装置中所采用的衍射元件34(顶帽) 的操作。该顶帽元件自身并不构成本发明的一部分并且其结构和操作是 已知的，该元件包括以下结构。光源30产生光束32，该光源30可以是 一个激光器二极管或者任何其他光源，在光束32中接近光束轴的光强高 于光束周边附近的光强(高斯强度分布)。该光束将用于在整个图像中(即 在光束的横截面内)要求基本均匀的光强分布的成像(例如由图1所示 的装置1进行)。因此该衍射光学元件34可用于修改光束强度分布以产 生具有基本均匀的强度分布的光束38，其可向屏幕36提供基本均匀的照 明。
但是，应该注意到，到达投影表面的光束多少会有些非均匀，这是 由于顶帽部件34的限制(透射效率约为96％)和/或由于光路中其他部件 的非均匀透射。通过调节发送至像素装置的每个像素的控制信号并提供 一图像方面的补偿偏差，可以对这种非均匀性进行数字方式的补偿，这 一点将在以下内容中结合图6和图7A-7B给予进一步的说明。
参考图3A-3B和4A-4B。图3A所示为在图1所示的装置中所采用的 SLM单元12的开窗口结构的前视图，而图3B所示为同图3A的SLM配合 使用的小透镜阵列10的结构。图4A和4B所示为光束分别通过图3A的 SLM和图3B的具有小透镜阵列的SLM的传播方案。
因此，如图3A所示，典型的SLM的像素装置(开窗口的结构)40是空 间上分离的单元42的二维阵列。结构40的总表面的约40％(随不同的 SLM而不同)是由有源单元42构成的，而表面的其余部分是由框架44构 成的，该框架起到机械支撑和像素的控制信号的作用。图4A示出像素装 置40的侧视图，以及其中传输通过的平行光束50。如图所示，框架分隔 件44阻挡了部分入射光线50，而只有光线50的剩余部分通过有源单元 42。因此这种典型SLM结构的占空因子(即，有效透射)约为40％。
图3B示出为增加SLM的占空因子而在根据本发明的SLM单元中的像 素装置40的相对两侧使用的小透镜阵列46的结构。小透镜阵列46是微 型透镜48的二维阵列，该二维阵列与有源单元42的像素装置40相匹配。 每个透镜48可以具有类似正方形的形状，并且邻近的透镜彼此相切，因 此填充了由透镜阵列46所限定的大部分表面(即，占空因子接近100％)。
如图4B所示，给出具有第一小透镜阵列46和第二小透镜阵列46’ 的像素装置40，将第一小透镜阵列46置于非常接近于(直至物理接触) 像素装置40的输入侧，而第二小透镜阵列46’置于非常接近像素装置40 的输出侧，直至物理接触。在实践中，也可以将第一和第二小透镜阵列 集成在像素装置40上，并安装于其两侧的相对表面上。第一阵列46的 每个透镜48以及第二阵列46’的相应的相对透镜48’与有源单元42中 的一个对应单元相关联。将透镜组46中的每个透镜光学地设计为将光束 50的对应分量聚焦在围绕光束轴的，在阵列后相距几个微米的小区域内。 透镜组46的节距与有源单元42的节距相匹配，这样使得一个有源单元 42恰好在每个透镜后居中，并且单元42的中心点分别位于各相应小透镜 48和48’的前和后焦点上。因此，第一小透镜阵列46通过将入射在其 上的光束50分成多个分量64，并且由各相应的小透镜将每个分量聚焦在 对应像素上，从而汇聚光束50以使其对应于装置40的区域(SLM单元的 有源表面)。第二小透镜阵列46’基本与第一小透镜阵列相同，并与阵列 46相对置于像素装置40的另一侧。第二小透镜阵列起第一阵列的光学效 应的镜像作用，因此对从有源单元42出射的分光束66产生相反的光学 操作。第二阵列46’使经像素装置40空间调制的各个分光束66发散， 从而产生光束80。阵列中的小透镜的光学特性以及第一和第二阵列46和 46’与装置40之间的距离可以由本领域已知的简单的光学调准方法来确 定，这样使分光束64在到达有源单元42时其直径小于单元42的孔径， 因此分光束64的所有光线都通过有源单元42。
因此，像素装置40结合第一和第二小透镜阵列46和46’的整体效 应如下：入射光束50在通过小透镜阵列后分成单独聚焦的分光束64，然 后分光束64通过像素装置40的单元42，在该处根据控制信号(表示即 将成像的数据)对分光束进行调制从而产生从像素装置出射的多个聚焦 的分光束66。
分光束66通过小透镜48’，并从该处产生空间调制光的平行光束 80。这样，组合装置(小透镜阵列和像素装置)的占空因子实质高于像 素装置40自身的占空因子，因此调制过程的总效率得到充分的改善。小 透镜阵列的配置把SLM的透射效率提高高达30％以上。应该理解的是，当 采用具有所有有源像素的SLM时，由于在SLM单元的两侧都采用了小透 镜阵列，因此该SLM单元的效率可以得到系数为2的提高。
如图4C所示，SLM单元的厚度可以为100μm，其中像素装置(例如 LC单元)的厚度为10μm，而每个聚合物隔块P1和P2的厚度为45μm。SLM 单元可以采用模锻(stamping)和帽模压(hat embossing)技术制造。
如上所述，本发明的装置优选地利用偏振光源。图5A和图5B示出 分别采用非偏振光源和偏振光源所引起的强度损失的原理。图5A示出适 合在投影仪(或者显示器)中使用的基本光路，并且其利用一个典型的 非偏振光源74。因此这种光路包括光源74、第一偏振器81、SLM84以及 第二偏振器96。非偏振光源74产生一光束，该光束可以用具有相反线性 偏振的两个分量76和78来表示。两个分量76和78都入射到第一偏振 器81上，根据装置81的偏振平面的取向，其中只有一个分量能够通过 偏振器81，而另一分量被滤去。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 用输入信号86对其进行调制，以根据输入信号86而对光束82的对应光 分量的偏振加以影响。为便于说明，将SLM84表示为包括两个偏振区88 和90的元件，即，两个单元或者像素，其中的一单元90当前由控制信 号86操作而另一单元88当前不受控制。因此，从区域88出射的那部分 光92具有其初始的偏振，而对于从区域90出射的那部分光94，其偏振 根据输入信号86而受到影响，例如，具有相对与其初始偏振状态正交的 偏振。部分光92和94都入射到第二偏振器96上，该第二偏振器96仅 透射其偏振与第一偏振器81所透射的光相同的光。因此，仅有部分光92 可以通过偏振器96，因为其偏振未受SLM 84影响，并且输出光束98的 强度是由第一偏振器所出射的光强的一半，并且实际上为光源所产生的 光强的四分之一。
图5B所示为在投影仪(或者显示器)中所采用的基本光路，并且利 用了本发明所提出的高比率偏振光源。为便于理解，对于图5A和5B所 示的实例中的相同的元件采用相同的标号来标识。因此，图5B的光路包 括高比率偏振光源75、SLM84、以及偏振器96(因此在此不需要图5A 中所示的第一偏振器81)。由光源75所产生的光100是线性偏振的。从 SLM区88出射的未经控制信号作用的部分光92具有其初始的偏振状态， 而由SLM区90出射的部分光94的偏振经控制信号86作用，例如改变为 正交的偏振。部分光92和94都入射到偏振器96上，该偏振器96仅透 射其偏振态与光源所产生光的偏振态相同的光。因此，仅有其偏振未经 SLM84影响的部分光92可以通过偏振器96。与图5A的实例相同，输出 光束98的强度是由部分光92和94所提供的光强的一半。然而，由于采 用偏振光源，部分光92和94的强度，即入射到SLM84上的光的强度， 为光源所产生的强度，即为图5A的实例中的SLM入射光82的强度的两 倍。因此，图5B的光路的光效率较图5A中的光路的光效率可以得到系 数为2的提高。
现在参考图6，所示为根据本发明的另一实施例的图像投影装置3。 在装置1(图1)和3中采用相同的标号表示相同的部件。装置3还包括 一个控制单元CU(通常为一计算机设备)，其中，在此特定实例中，调 制驱动器11是控制单元的一部分。控制单元CU因此包括驱动器11以及 处理器设备(processor utility)330，并且与图像记录装置332和环境检 测器334相关联。驱动器11向SLM像素装置产生控制信号(调制信号)， 可由表示待投影图像的信号(“图像信号”)操作。图像信号是由一个合 适的信号发送装置(此处未示出)产生的，该装置可以是也可以不是投 影仪装置的控制单元的一部分，并且通常可以是外部计算机设备(例如 PC、电话机、PDA等)的一部分，在该设备中产生待成像的数据。在图6 的该特定实例中，通过处理器设备330向驱动器11提供图像信号，但应 该理解，可以直接向驱动器11供应图像信号。图像记录装置332是一个 诸如摄像机等的成像装置，其被定向并可操作地产生表示投影图像28的 数据。环境检测器可以包括一个或者多个用于检测环境条件的检测单元， 所述检测条件定义所要求的强度和/或投影光线的混色，例如，所述环境 检测器是能够检测在屏幕表面26附近的周围光线的强度并产生相应数据 的光强检测器(例如CCD RGB/温度单像素检测器)。
此外，处理器330还包括一个控制器CL，以及三个装置部件(utility part)(适当的软件和/或硬件)U1、U2、以及U3，用于分别对来自控制器 的图像信号、来自图像记录装置的数据、以及来自检测装置的数据进行 处理。为减少投影图像中的斑点效应，装置U1被预编程，以根据SLM像 素装置分析图像信号，以(通过驱动器11)对像素装置进行数字图像抖 动和衰减(改变灰度级)，这将在以下内容中结合图8A和8B给予更加具 体的说明。装置U2被预编程以分析表示投影图像28的数据，并且对图像 信号进行数字处理，由此对投影图像内的光强(亮度)的非均匀性进行 补偿。这将在下面结合图7A-7B给予说明。装置U3被预编程以对表示环 境条件的数据进行分析，并且相应地对激光源2进行调制，以对强度和 混色的其中之一或者二者进行调节。因此，通过提供控制单元和相关的 检测装置(例如摄像机、RGB/温度检测器)，以及图像信号的数字处理， 提高了投影图像的质量以及投影装置的能量效率。
图7A-7B举例说明了配备了处理器330以提供目标(屏幕表面)上 的光调制图像的数字补偿的投影装置的操作。图7A示出包含非均匀区并 具有过强的光点110的光调制图像108。将被设计用于减少区域114内光 强的数字光罩(mask)112应用于光调制图像108，从而导致目标116上 的最终输出图像具有均匀的亮度。图7B示出数字光罩的一个基本校准过 程。处理器330(控制器CL)接收一个模式图像信号(由视频发生装置 (PC、VCR等)外部生成，或者在控制器CL内部生成)，并且产生一个表 示模式图像的控制信号(步骤I)。此模式图像信号由处理器传送到驱动 器11(步骤II)，以相应地操作SLM像素装置，以实现在亮度方面具有 初始非均匀度的图像投影。将投影图像的光扩散投影在屏幕表面(图1 和图6中的26)上。数字摄像机(图6中为332)，或者任何其他类型的 光学记录装置，对投影图像进行扫描(步骤III)。摄像机332的表示所 记录图像的数字输出数据由装置(图6中为U2)所接收，该装置分析此 数据并同控制器CL协同工作，将表示所记录图像的数据和所生成的图像 (根据初始输入信号而生成的)进行比较，如果图像一致，则产生一个 最终数字光罩形式的校准结果。如果确定出信号中无相似处，则相应地 生成一个更新的图像，以获得最终数字光罩(步骤IV和V)。然后控制器 CL将校准结果(数字光罩状态)保存在驱动器11中，以采用亮度级的正 确参数对投影装置进行更新(步骤VI)。应该理解，装置U2可以不是处理 器的一部分，而可以是一个可与图像记录装置332和处理器330连接的 独立的图像处理单元。
图8A和8B更具体地示出根据本发明的旨在去除在投影屏幕中所出 现的斑点效应的装置的操作过程。如图8A所示，初始投影图像240表现 为具有颗粒性质(所谓的“斑点效应”)的图像。当屏幕表面不完全平滑 时，利用高度相干的照明可以观察到这种效应。为解决这个问题，将初 始图像240进行抖动，并且还通过在已移位的投影图像242中出现的一 个像素的位移最大值来衰减灰度级。现在以使人眼不能感觉到这种效应 的速度对每个像素进行抖动和衰减。例如，将一初始像素244抖动到一 个新位置246，使得这种运动至少部分地破坏了照明的相干性，并且在此 投影处理过程中将斑点“冲掉”，因此产生一个干净的(无斑点的)图像 248。图8B显示了此过程的主要操作步骤。依据情况的不同，初始图像 (即待投影图像)是从SLM的驱动器11捕捉到的，或者也可以是从控制 器CL捕捉到的，(步骤A)，并且由装置U1进行处理以调整该图像的大小， 以释放用于抖动目的的有效像素空间(步骤B)，这样在SLM像素装置的 角部和面板(panel)中留出更多的额外空间。将表示如此产生的已调整大 小的图像的数据传送到驱动器11(步骤C)，在该处通过把一个或者多个 图像像素移动到被定义为非使用区域的像素区域中，从而在一平面内沿 两个垂直轴相应地对图像进行移动，并且对图像进行调制以提供灰度级 的改变(步骤D)。通过这种方式，以高频率循环提供在SLM表面上的图 像的循环运动，确保该循环处理保持不被观察者所注意并且同时确保该 SLM表面上的图像沿两个轴反复移动，从而导致观察者所观察到的斑点现 象的减少。应该注意，诸如循环频率、移动像素的数量、以及沿两个轴 中的任一个轴或者两个轴而进行的移动的步长等这些参数，是由对于不 同给定情况下的不同的输出结果所给定的算法控制的。
图9所示为处理器330通过利用输入到SLM像素装置上的光的混色 调制以满足环境要求的主要操作步骤的流程图。在本实例中，环境检测 器是温度检测器(即，检测周围光强)。处理器通过根据环境光条件改变 混色的开关调制，从而利用检测数据以实现对光源总消耗的最佳化，因 此相对于环境的干涉光线接收更多人眼能看到的最强图像。这是以如下 的方式实现的：
检测器吸收屏幕表面附近的室光温度(具有不同的波长)(步骤1)。 处理器(图6中的装置U3)接收表示所吸收光的数据，并对最佳环境中 的所需最佳(缺省)图像/温度和在投影表面所检测的光温度进行比较(步 骤2)。如果确定没有相似性，则处理器对比最佳条件对光源的混色调制 进行更新(步骤3)，然后根据新的色彩调制对图像进行投影(步骤4)。
现参考图10A-10E简要地示出适合于在本发明的装置中使用的彩色 图像投影的不同实施例。图10A示出根据采用此原理的一个实例的装置 的简要框图，图10B所示为图10A所示装置的一种可能的实施方式。图 10C所示为根据另一实例的装置的简要框图，而图10D和10E示出此实例 的两种可能的实施方式。在图10A-10B所示的实例中，通过三个光路对 基色R、G和B进行调制，每个光路具有其相关的SLM，而在图10C-10E 所示的实例中，利用时间光束调制器(time beam modulator)，通过相同 的光路和相同的SLM对基色R、G和B进行调制。
如图10A中以显而易见的方式所示，R、G和B光分量250、252和 254分别由三个激光源(例如，具有适当功率的小型激光器二极管)产生 以获得白光源。每个光分量被其相关联的光束扩展器展宽，该光束扩展 器通常位于256，然后通过SLM 264将加宽的RGB光束258、260以及262 进行投影，每个光束包括一个对应于输入图片的空间调制信号。然后， 由一组光束组合器(分束器)272将该空间调制的RGB光束266、268以 及270组合成一白光束274，该白光束通过成像透镜276，并将如此生成 的输出光束278投影到屏幕表面280上，在该屏幕表面显示输出图像。 该装置通常是已知的，并且其本身并不构成本发明的一部分，但是可以 在如图1和图6所示的本发明的投影装置中利用，并且如图10B中以显 而易见的方式进一步示出。
如图10C所示，光束调制器296对RGB激光束290、292以及294进 行时间调制(在通过光束扩展器之前或者之后)。然后，将时间调制的光 束298投射通过一个单独的SLM300。然后使经过空间(和时间)调制的 光束302通过成像透镜304，并将如此产生的输出光束306投影到屏幕表 面308上，在该处显示输出图像。同样地，通常此方案是已知的，并且 可以用于本发明的装置中。如图10D和10E中以显而易见的方式示出， 分别通过在RGB激光束290、292以及294前面的三个顶帽元件或者通过 一个公共顶帽元件，来利用一个衍射元件。
本发明的投影装置可以用于各种可连接到计算机设备和/或形成计 算机设备的部分的应用设备中，例如PC、电话机、PDA等。图11A和11H 简要地示出根据本发明的投影装置的不同应用。
在图11A所示实例中，本发明的微投影仪装置138配合膝上型计算 机134的双向半透明屏幕136使用，并使得能够在屏幕的两面进行图像 内容观测。在本实例中，装置138由支架140支撑，并且与膝上型计算 机的对应装置相连接，以接收成像信号而在屏幕136上产生一投影图像 142，该投影图像可分别由位于屏幕相对两侧的两个观察者144和148以 两个观测角146和150进行观察。
图11B所示为如何配合传统的膝上型计算机利用本发明的装置而不 需要这些计算机中通常使用的LCD屏幕的过程。为便于理解，在图11A 和11B所示的实例中采用相同的标号表示相同的部件。如图所示，以投 射角142将图像投射在正对用户眼睛的外部屏幕表面160上，即，用户 将以观测角164进行观察。应该理解，尽管没有特别示出，可以调节投 影仪装置138的方向，以将图像投射到邻近该计算机的桌子的表面，或 者投射到膝上型计算机盖的内/外表面。因此，当用户144在便携式膝上 型计算机上工作时可以方便地操作较大的屏幕，或者在根本没有显示器 的计算机上进行操作时能够利用本发明的投影仪装置将数据成像在外部 表面上。应该理解，这种将图像在外部屏幕表面进行的投影可以用于任 何通信装置，例如，电话机。
图11C例举采用本发明的几个微投影仪(通常位于190)，可操作地 共同工作以通过将几个小的屏幕194进行组合而得到一个大的投影屏幕 192(视频墙)，每个小屏幕由一个对应的微投影仪产生。摄像机196捕 捉一大的图像198，并且将其传送到处理器(图像分析器)200，该处理 器将表示大图像198的数据和表示小图像194的数据进行比较，并且产 生一个输出信号以发送到多个控制器202，使控制器202再现该信号，从 而使投影仪190以作为一个整体排列并且无缝的方式显示这些图像194。 可以采用相同的配置将图像投射到任何所需的形状的凹面无缝显示器 上。图11D中简要示出这种情况。主支架206支撑几个投影仪装置204， 每个投影仪装置位于一个分立的分支架208上。每个投影仪204将一个 小的图像212投射在将由观察者216所观察的凹形表面210上，作为由 小图像彼此部分重叠而形成的大的凹形无缝图像214。
图11E所示为利用本发明将相同图像投射在半透明屏幕的相对两侧， 以由两个用户观察的情况，同时允许将用于相应用户想要私人使用的图 像成像在屏幕表面的相应一侧。在此应用中，围绕桌子254的至少两个 人250和252可彼此面对面通信，例如，为了商业讨论的目的或者为了 玩计算机游戏。通常，伴随这种通信会存在一个图形图像，并且双方都 需要对其进行察看并进行输入(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监管他们自己对联合图像进行的输 入。在此实例中，人250具有一个微投影装置258，该装置与一个控制装 置256相连。投影装置258由空间调节装置260支持，以将图像投射到 位于两个人之间并由基座270支撑的垂直半透明屏幕268上。另一个人 252利用类似的投影装置264，该装置由支持件266支撑并连接到控制装 置262上，以将图像投影在垂直屏幕268上。两束投影光束272和273 投射到屏幕268的相对侧面上，并且产生两个不同的但是准确对准的图 像。调节一个投影仪以将待成像数据的镜像进行投影，以使两个图像彼 此匹配。人250以集光角274观察到一个图像，该图像是通过叠加在半 透明光束273上的光束272的反射而形成的，而另一个人以集光角276 观察到叠加在半透明图像272上的反射图像273。这两个人都观察到相同 的有效图像。每个人可以修改自己投影仪上的图形信息，以产生视觉效 果，诸如战争游戏中的矿山与坦克之间的关系、建筑物的图画和水管布 局、城市的地图以及新提出的居民建筑群(residential complex)的布局、 一个解剖器官的X光片、以及一个计划实施的方案等。在图像边缘的相 同位置的定位标记起到对两个图像进行手工对准以精确重叠的作用。
图11F和11G分别示出本发明的包括多个投影立体图像(可以为一 非立体投影，但仍然为一视网膜投影)的另外一种应用的两个实例。使 用基于空间相干光源的微投影仪允许获得采用普通非相干投影装置所不 能够获得的图像的定向投影。在图11F所示的实例中，用户310用其肉 眼向立体投影仪322的开口320里面观看。本发明的两个相干投影仪设 置在立体投影仪的内部，采用激光器二极管作为它们的光源324和326， 每个投影仪指向用户眼睛312和314。由于人类对双眼所看到图像的解释 过程，用户将两个单独的图像316和318认为是一个三维物体的两个投 影。如果由两个相干投影仪所产生的图像是由一个立体图像组成的，则 用户将看到一个三维景象。该景象可以是彩色的并且也可以是动态的。 如图所示，两个投影仪324和326通过两个数据线328和330连接，并 且被连接到视频输入源(处理器)332，该视频输入源对两个数据线和其 视频数据进行同步，并确定将把哪部分数据发送到相应的一个投影仪， 以部分地使一些数据在两个投影仪之间共享，但是主要是为了在单元内 将相关数据分离到相关的投影仪。两个视频数据源334和336是设置在 单独的物体338的不同角度的两个摄像机，并且从不同的角度进行拍摄， 然后作为立体输出图像再现该物体338。应该注意，该视频源可以是任意 类型的视频源，采用摄像机334和336仅是演示一种给定的非限制性的 实例。
由于激光输出并不投射在屏幕上而是投影于用户，所以采用高光学 输出功率是不必要的，并且所采用的光学功率不超过由Microvision Ltd.， 所生产的视网膜投影目镜中所一贯采用的光学功率，已知该目镜也为美 国军队使用。
使用相干光的重要性与避免光分散而不需要对此效应进行控制的可 能性相关联，并且和将光束移动到期望的方向的可能性相关联，而任何 其他类型的光将被分散。
图11G所示为相同原理的另选实施方式，其中使用一个单独的投影 仪。这里，为使功耗达到最佳，使用旋镜352以改变光束角，并由此产 生利用图11F的两个投影仪而获得的相同的效果。这种配置省去了对另 一个投影单元和相关光学器件的使用，并且也节约了整个系统的占用面 积和重量。当用户注视投影装置350时，光束348和346都指向用户的 眼睛342和344。以高速率连续旋转的旋镜352对眼睛342和344之间的 光束进行旋转，同时同步单元(sync unit)354将所需的数据传送到每个 眼睛，以对用户产生3D立体效应。利用与上述实例中相同的方式传送视 频数据，但是仅有一个输入视频线356与同步单元相连，该同步单元利 用不同的控制线358控制输入和旋镜。
本发明可用于可佩带的立体3D眼镜以提供图像的高效3D投影。其 原理在图11H中给予了简要说明。为产生一个立体的3D图像，通常需要 具有两个投影通道，可操作地提供两个图像之间的差异。在大多数普通 系统中，将可佩带的眼镜用于保持所需的效应。然而，眼镜的透射度的 缺乏导致返回观察者眼睛的大部分光的退化，导致亮度的减小以及对更 高功率的投影仪的需求。在这种特定应用中使用DLP投影仪(基于MEMS 技术的数字光处理投影仪)，与利用LCD投影仪获得的效果相比，导致低 效率和低的对用户眼睛的亮度，即使通常情况下，在所投影的表面自身 上的效率要高于不利用3D眼镜的情况。这是由于眼镜是基于偏振器的事 实，并且由于从普通LCD系统发射的光是偏振化的，当光从投影表面反 射向观察者眼镜时，它以更高的效率通过眼镜而不导致与利用随机偏振 时所发生的同样大的损失，[类似来自基于微镜调制器的投影仪(DLP投 影仪)]。
通过对图1或图6所例举的本发明的投影仪装置进行简单的改进， 本发明的技术与两种已知的概念(通常的LCD，DMD/DLP)相比提高了总 效率。这种改进包括去除SLM单元的输出侧的偏振器，因此根本没有偏 振器(考虑使用偏振光源)。这样，对于没有佩戴眼镜的用户，屏幕表面 上的投影图像将是不可见的，并且该图像将在表面上显示为一个光斑。 佩戴眼镜观看图像的用户将可以清晰地看到图像，这是由于其眼镜起到 SLM的输出端的偏振器的作用。因此，可以在观察者的3D眼镜上得到高 亮度、高效率的图像。
应该理解的是，如上所述本发明的装置的各种实施方式的所有功能 元件可以集成在单个复合组件中，该组件可以是一个通信和计算装置的 组成部分。本发明适于利用多重光源实现以产生全彩色来实现，或者可 利用白光源来实现。该光源可以是任何类型的光源，例如激光器二极管。
本领域的那些技术人员可以很容易地理解，在不超出在后附权利要 求及其所限定的范围的情况下，可以对如上述例举的本发明的实施例进 行各种修改和变化。