CN100345058C - 一种单芯片单色轮立体投影光学引擎 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单芯片单色轮立体投影光学引擎，采用两束光能分布完全相同的光，分别通过两个偏振方向相互垂直的偏振镜片或一对左旋或右旋的偏振片，再射入一个色轮两端使两束光轮流处出射，然后将该两束轮流出射的偏振光通过一棱镜，以同一光路入射至芯片，以得到最终的立体图像。本发明将两束光直接射入到同一色轮的两端，从而减少了色轮个数，并避免了原繁复的色轮棱镜系统，使整个光学引擎的构造更简单，同样达到了单机立体投影的目的。

Description

一种单芯片单色轮立体投影光学引擎

技术领域

本发明涉及一种投影机，具体地说，是一种可以实现立体影像输出的光学引擎。

背景技术

立体影像，是利用了偏光的滤光技术。影像输出时，在两迅速交替输出的图像前设置直线偏光或椭圆偏光，使左眼影像和右眼影像的偏光状态分离，再在屏幕上合成投影。观看者佩戴偏光眼镜，该偏光眼镜只能看到各自的影像，左(右)眼只能看到的影像合成为立体像。

与二维显示相比，立体显示可提供场景更为全面的信息，其优点是显而易见的。

投影机作为视频显示和计算机外设的重要组成部分，以方便灵活、携带方便、画面大、接口多，在各个领域发挥着不可替代的作用。

国际上的立体显示技术的研究工作主要是从20世纪90年代开始，以日本和美国为首，其他国家纷纷跟进。目前，无论是国内还是国际虚拟现实市场最多见的三维动态图像的立体输出显示方式，是利用两台加上偏振镜片的高亮度投影机输出视频信号投影至大屏幕，产生立体画面，观看者配戴偏振光立体眼睛进行观看，从而获得立体感受。

此技术虽颇为有效，但由于在播放时需同时使用两台投影机，故仍存在一些缺点：在安装时必须采取一系列的措施将两台投影机相对固定(安装复杂)；只适合在一些大型场合的固定使用；不易调试；所占空间过大；价格过高。申请号为200410084258的专利公开了一种单芯片双色轮立体投影光学引擎，其不足是两个色轮的色轮棱镜系统过于复杂，所用元器件较多；其驱动系统的组成、安装及同步控制等均须重新设计以符合整个引擎的工作要求；结构要求的复杂致使成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种单芯片单色轮立体投影光学引擎，此用于数码投影的单机立体投影机的光学引擎，使输出的立体视频信号投至屏幕产生立体画面，而观看者通过配戴舒适的偏振光立体眼睛进行观看，从而获得高质量的立体感受，以克服现有的单芯片双色轮立体投影光学引擎的色轮棱镜系统过于复杂，所用元器件较多等不足或缺陷。

本发明是这样构思的，采用两束光能分布完全相同的光，分别通过两个偏振方向相互垂直的偏振镜片或一对左旋或右旋的偏振片，再射入一个色轮两端使两束光轮流出射，然后将该两束轮流出射的偏振光通过一棱镜，以同一光路入射至芯片，以得到最终的立体图像。

如同单芯片双色轮立体投影光学引擎，两束分立且光能分布完全相同的光仍可通过以下两种途径获得：

I.由一已进行了IR、UV截止的光束通过一分光器件，将其分为光能量分布完全相等的两束光。

II.由两个完全相同的经IR、UV截止的光源直接得到。

采用途径I获得两束完全相同的光束，解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种单芯片单色轮立体投影光学引擎，包括沿光线传播方向依次设置的光源1、IR-UV截止器2、色轮16、光棒4、中继透镜组、反射镜6’、棱镜17、棱镜组8、数字微镜芯片9、投影物镜10，还包括分光器12、反射镜6、偏振片13、透镜组7和高精度棱镜14，所述分光器12设在IR-UV截止器2与反射镜6的光路之间，所述反射镜6、棱镜17、偏振片13和透镜组7各为两个，分别沿光线传播方向以高精度棱镜14为对称中心依次对称设置，所述偏振片13为两偏振方向相互垂直的两偏振片或一对左旋及右旋的偏振片，所述的色轮16为单个，所述高精度棱镜14设置在色轮16与光棒4的光路之间。

采用途径II获得两束完全相同的光束，解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种单芯片单色轮立体投影光学引擎，包括沿光线传播方向依次设置的光源1、IR-UV截止器2、色轮16、光棒4、中继透镜组、反射镜6’、棱镜17、棱镜组8、数字微镜芯片9、投影物镜10，还包括偏振片13、透镜组7和高精度棱镜14，所述光源1、IR-UV截止器2、偏振片13、透镜组7和棱镜17各为两个，分别沿光线传播方向以棱镜14为对称中心依次对称设置，所述偏振片13为两偏振片方向相互垂直的两偏振片或一对左旋及右旋的偏振片，所述的色轮16为单个，所述高精度棱镜14设置在色轮16与光棒4的光路之间。

作为优选的技术方案：所述的色轮16为6段色轮，排布时需使透与不透相互间隔，不透光部分被用以阻止所有光的透过，其余三块透光部分则分别是红、绿、蓝光的滤色片，可分别透过红光、绿光与蓝光。

所述的色轮在静止不转时两光束射入位置应分别同时对准透与不透的滤色片，而在色轮旋转时应确保两光束轮流出射。且两入射光线经由色轮出射后应保证平行，再由两棱镜17改变方向后同轴射入高精度棱镜。

所述的两光束必须同时射入色轮16两端，而由两棱镜17出射后亦必须同轴射入高精度棱镜。

所述棱镜17与反射镜6作用相同，可相互替代。

在高精度棱镜14与光棒4的光路之间设置透镜组5。

所述的中继透镜组包括沿光路依次设置的透镜组5和透镜组7’。

本发明的有益效果是：本发明将两束光直接射入到同一色轮的两端，从而减少了色轮个数，并避免了双色轮复杂的色轮棱镜系统，使整个光学引擎的构造更简单，单色轮可继续沿用现有二维投影机的驱动装置的结构，省去了同步控制的要求，同样达到了单机立体投影的目的。

附图说明

图1单芯片双色轮立体投影光学引擎第一种方案略图

图2本发明第一种方案略图

图3单芯片双色轮立体投影光学引擎第二种方案略图

图4本发明第二种方案略图

具体实施方式

本发明是在原单芯片双色轮立体投影光学引擎上进行的改进，下面结合附图进一步说明本发明立体光学引擎。

第一种方案

根据原单芯片双色轮立体投影光学引擎第一种方案略图改进。

原单芯片双色轮立体投影光学引擎，如图1，以途径I获得分立光束，本方案包括沿光线传播方向依次设置的光源1、IR-UV截止器2、色轮16、光棒4、中继透镜组、反光镜6’、棱镜组8、数字微镜芯片9、投影物镜10，还包括分光器12、反射镜6、偏振片13、透镜组7和高精度棱镜14，所述分光器12设在IR-UV截止器2与反射镜6的光路之间，所述反射镜6、偏振片13、透镜组7和色轮16分别为两个，沿光线传播方向以高精度棱镜14为对称中心依次对称设置，所述高精度棱镜14设置在色轮16与光棒4的光路之间。

本发明还可在高精度棱镜14与光棒4的光路之间设置透镜组5。

所述中继透镜组包括沿光路依次设置的透镜组5和透镜组7’。

光学原理，所需光束从白光光源1输出，经IR-UV截止器2滤去IR、UV光线后通过一分光器件12，将其分为光能量分布完全相等的两束光。此两束光分别经由反光镜6的反射后透过两偏振方向相互垂直的两偏振片(或一对左旋及右旋的偏振片)13，再由透镜组7会聚后射入6段色轮16A、16B的快速旋转得到的红、绿、蓝三色光束轮流通过高精度棱镜14，通过色轮出射的两束光轮流射入一棱镜，以保证两束射光束出射以后在同一光路上，其后再通过光棒4、透镜组5，经由反光镜6’反射后，透过透镜组7’进入棱镜组8，并在其内及DMD 9间进行一系列的透射、反射和折射后出射，最后通过投影物镜10在屏幕11上成像。

其中，本发明中的色轮被分为六块，阴影部分为对全光谱截止的滤色片，其余三块则分别是红、绿、蓝光的滤色片，可分别透过红光、绿光与蓝光，且排布时需使透与不透相互间隔。6段色轮16A与16B完全相同，但在安装时需使其中心转轴位于同一轴线上，此轴线应为同一马达的同一转轴。在两色轮光束射入处光束透与不透的滤色片位置一一对应，安装时色轮在转轴的两端固定，以确保透与不透相对的精确无误。由此如图1、图3，入射光线亦应同轴入射至色轮上端滤色片处，以保证在色轮旋转时红、绿、蓝三单色光轮流射出。本发明中的色轮被分为六块，三块为对全光谱截止的滤色片，其余三块则分别是红、绿、蓝光的滤色片，可分别透过红光、绿光与蓝光，且排布时需使透与不透相互间隔。6段色轮16A与16B完全相同，但在安装时需使其中心转轴位于同一轴线上，此轴线应为同一马达的同一转轴。在两色轮光束射入处光束透与不透的滤色片位置一一对应，安装时色轮在转轴的两端固定，以保证在色轮旋转时红、绿、蓝三单色光轮流射出。

本单芯片单色轮立体投影光学引擎，如图2，比原单芯片双色轮立体投影光学引擎第一种方案减少一个色轮，而增加了两个关于高精度棱镜14对称改变光束入射方向的棱镜。

光学原理，所需光束从白光光源1输出，经IR-UV截止器2滤去IR、UV光线后通过一分光器件12，将其分为光能量分布完全相等的两束光。此两束光分别经由反光镜6的反射后透过两偏振方向相互垂直的两偏振片(或一对左旋及右旋的偏振片)13，再由透镜组7会聚后射入6段色轮16两端，经快速旋转得到的红、绿、蓝三色光束轮流通过高精度棱镜14，通过色轮出射的两束光经棱镜17改向后轮流射入一棱镜，以保证两束射光束出射以后在同一光路上，其后再通过光棒4、透镜组5，经由反光镜6’反射后，透过透镜组7’进入棱镜组8，并在其内及DMD 9间进行一系列的透射、反射和折射后出射，最后通过投影物镜10在屏幕11上成像。

其中，将原单芯片双色轮立体投影光学引擎中的色轮棱镜系统中的两个色轮，以单个六段色轮16(与原系统中的色轮相同)代替。在色轮静止不转时两光束射入位置应分别同时对准透与不透的滤色片，而在色轮旋转时应确保两光束轮流出射。由此如图2，两入射光线经由色轮出射后应保证平行，再由两棱镜17改变方向后同轴射入高精度棱镜。

第二种方案

根据原单芯片双色轮立体投影光学引擎第二种方案略图改进。

本方案由两个完全相同的经IR、UV截止的光源直接得到。

如图3，以途径II获得分立光束。本方案包括沿光线传播方向依次设置的光源1、IR-UV截止器2、色轮16、光棒4、透镜组5、反光镜6’、棱镜组8、数字微镜芯片9、投影物镜10，还包括偏振片13、透镜7和高精度棱镜14，所述光源1、IR-UV截止器2、偏振片13、透镜组7和色轮16各为两个，分别沿光线传播方向以高精度棱镜14为对称中心依次对称设置，所述高精度棱镜14设置在色轮16与光棒4的光路之间。

两所需光束同时从两光能量分布完全相等白光光源1输出，分别经IR-UV截止器2滤去IR、UV光线后透过两偏振方向相互垂直的两偏振片(或一对左旋及右旋的偏振片)13，再由透镜组7会聚后射入快速旋转的6段色轮16A、16B以得到的红、绿、蓝三色光束轮流通过高精度棱镜14，通过色轮出射的两束光轮流射入一棱镜，以保证两束射光束出射以后在同一光路上，再通过光棒4、透镜组5，经由反光镜6’反射后，透过透镜组7’进入棱镜组8，并在其内及数字微镜芯片9间进行一系列的透射、反射和折射后出射，最后通过投影物镜10在屏幕11上成像。

本单芯片单色轮立体投影光学引擎，见图4，如同方案一，比原单芯片双色轮立体投影光学引擎第一种方案减少一个色轮，增加了两个关于高精度棱镜14对称改变光束入射方向的棱镜。

其中，色轮棱镜系统与原单芯片双色轮立体投影光学引擎第一种方案相同。

光学原理，两所需光束同时从两光能量分布完全相等白光光源1输出，分别经IR-UV截止器2滤去IR、UV光线后透过两偏振方向相互垂直的两偏振片(或一对左旋及右旋的偏振片)13，再由透镜组7会聚后射入快速旋转的6段色轮16两端以得到的红、绿、蓝三色光束轮流通过高精度棱镜14，通过色轮出射的两束光经棱镜17改向后轮流射入一高精度棱镜，以保证两束射光束出射以后在同一光路上，再通过光棒4、透镜组5，经由反光镜6’反射后，透过透镜组7’进入棱镜组8，并在其内及数字微镜芯片9间进行一系列的透射、反射和折射后出射，最后通过投影物镜10在屏幕11上成像。

Claims (14)

1.一种单芯片单色轮立体投影光学引擎，包括沿光线传播方向依次设置的光源(1)、IR-UV截止器(2)、色轮(16)、光棒(4)、中继透镜组、反射镜(6’)、棱镜(17)、棱镜组(8)、数字微镜芯片(9)、投影物镜(10)，还包括分光器(12)、反射镜(6)、偏振片(13)、透镜组(7)和高精度棱镜(14)，所述分光器(12)设在IR-UV截止器(2)与反射镜(6)的光路之间，所述反射镜(6)、棱镜(17)、偏振片(13)和透镜组(7)各为两个，分别沿光线传播方向以高精度棱镜(14)为对称中心依次对称设置，所述偏振片(13)为两偏振方向相互垂直的两偏振片或一对左旋及右旋的偏振片，其特征在于，所述的色轮(16)为单个，所述高精度棱镜(14)设置在色轮(16)与光棒(4)的光路之间。

2.根据权利要求1所述的单芯片单色轮立体投影光学引擎，其特征在于，所述的色轮(16)为6段色轮，排布时需使透与不透相互间隔，不透光部分被用以阻止所有光的透过，其余三块透光部分则分别是红、绿、蓝光的滤色片，可分别透过红光、绿光与蓝光。

3.根据权利要求2所述的单芯片单色轮立体投影光学引擎，其特征在于，所述的色轮在静止不转时两光束射入位置应分别同时对准透与不透的滤色片，而在色轮旋转时应确保两光束轮流出射，且两入射光线经由色轮出射后应保证平行，再由两棱镜(17)改变方向后同轴射入高精度棱镜。

4.根据权利要求3所述的单芯片单色轮立体投影光学引擎，其特征在于，所述的两光束必须同时射入色轮(16)两端，而由两棱镜(17)出射后亦必须同轴射入高精度棱镜。

5.根据权利要求1所述的单芯片单色轮立体投影光学引擎，其特征在于，所述棱镜(17)与反射镜(6)作用相同，可相互替代。

6.根据权利要求1所述的单芯片单色轮立体投影光学引擎，其特征在于，在高精度棱镜(14)与光棒(4)的光路之间设置透镜组(5)。

7.根据权利要求1所述的单芯片单色轮立体投影光学引擎，其特征在于，所述的中继透镜组包括沿光路依次设置的透镜组(5)和透镜组(7’)。

8.一种单芯片单色轮立体投影光学引擎，包括沿光线传播方向依次设置的光源(1)、IR-UV截止器(2)、色轮(16)、光棒(4)、中继透镜组、反射镜(6’)、棱镜(17)、棱镜组(8)、数字微镜芯片(9)、投影物镜(10)，还包括偏振片(13)、透镜组(7)和高精度棱镜(14)，所述光源(1)、IR-UV截止器(2)、偏振片(13)、透镜组(7)和棱镜(17)各为两个，分别沿光线传播方向以棱镜(14)为对称中心依次对称设置，所述偏振片(13)为两偏振方向相互垂直的两偏振片或一对左旋及右旋的偏振片，其特征在于，所述的色轮(16)为单个，所述高精度棱镜(14)设置在色轮(16)与光棒(4)的光路之间。

9.根据权利要求8所述的单芯片单色轮立体投影光学引擎，其特征在于，所述的色轮(16)为6段色轮，排布时需使透与不透相互间隔，不透光部分被用以阻止所有光的透过，其余三块透光部分则分别是红、绿、蓝光的滤色片，可分别透过红光、绿光与蓝光。

10.根据权利要求9所述的单芯片单色轮立体投影光学引擎，其特征在于，所述的色轮在静止不转时两光束射入位置应分别同时对准透与不透的滤色片，而在色轮旋转时应确保两光束轮流出射，且两入射光线经由色轮出射后应保证平行，再由两棱镜(17)改变方向后同轴射入高精度棱镜。

11.根据权利要求10所述的单芯片单色轮立体投影光学引擎，其特征在于，所述的两光束必须同时射入色轮(16)两端，而由两棱镜(17)出射后亦必须同轴射入高精度棱镜。

12.根据权利要求8所述的单芯片单色轮立体投影光学引擎，其特征在于，所述棱镜(17)与反射镜(6)作用相同，可相互替代。

13.根据权利要求8所述的单芯片单色轮立体投影光学引擎，其特征在于，在高精度棱镜(14)与光棒(4)的光路之间设置透镜组(5)。

14.根据权利要求8所述的单芯片单色轮立体投影光学引擎，其特征在于，所述的中继透镜组包括沿光路依次设置的透镜组(5)和透镜组(7’)。

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