CN100360986C - 大屏幕三维立体液晶投影显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大屏幕立体液晶投影显示装置，主要包括一组将来自光源的非偏振光分离为P偏振光和S偏振光的偏振光分离器(PBS)，分别对应控制P偏振光和S偏振光的两组偏振光液晶光阀LCD3-1、LCD3-2，两组偏振光液晶光阀共同使用一个投影透镜和一个投影屏幕。LCD3-1和LCD3-2分别组成的集成光路分别显示左眼图像和右眼图像，偏振态不同的左右眼图像分别由配戴相应偏振光眼镜的左眼观看和右眼观看，从而在大脑中形成3D视觉效果。本发明具有与现有技术采用两台单独投影机进行图像投影显示一样的亮度、分辨率、响应时间以及对比度的图像效果，但又省去了一套投影机的投影光学元件因此，大大降低了装置成本，减小了装置体积和重量，并节省了一半光源功耗。

Description

大屏幕三维立体液晶投影显示装置

一、技术领域

本发明涉及三维(3D)投影显示技术领域，更具体地说，本发明涉及大屏幕三维(3D)立体液晶投影偏振眼镜显示技术领域。

二、背景技术

三维(3D)显示是关系国家民经济发展和国防安全的高新技术，各国都投入大量人力和资金进行研究开发，以求取得技术上的优势。三维显示分为配戴眼镜与不戴眼镜两大类，后者正处在研制阶段，前者技术相对成熟。现有技术的3D显示产品主要属于该类。在3D显示产品中，采用偏振眼镜的3D显示是当今主流产品，但由于受成本等的限制，目前主要应用于娱乐(如迪士尼乐园的立体影院)、虚拟现实等特殊领域。已投入使用的偏振型3D立体显示装置，一般采用两台2D(二维)显示器，每台都含有一组偏振光分离器(PBS)、液晶光阀(LCD)和投影透镜，两台2D显示器共用一个投影屏幕，两台2D显示器各显示一种偏振光图像，分别供配戴具有不同偏振光眼镜的两只眼观看，即一台显示一种偏振光图像供配戴同一种偏振光眼镜的一只眼观看，另一台显示另一种偏振光图像供配戴同一种偏振光眼镜的另一只眼观看(见参考文献：田民波.电子显示，北京，清华大学出版社，2001，第9章)。这种结构液晶投影显示装置的优点是响应速度快，这对于显示视频响应速度不够快的液晶来说，大大降低了技术难度，但不足的是，由于该投影显示装置需采用两台2D显示器，因此装置体积庞大，功耗大，生产成本与运行成本高。正是这些问题的存在导致了这类投影显示装置不便推广应用。

专利号为US 5,982,538的美国专利公开了一种新结构的3D液晶投影显示装置，该装置除了含有一组偏振光分离器(PBS)、液晶光阀(LCD)、投影透镜和投影屏幕外，特别设置了一个偏振光转换开关。该液晶投影显示装置，一个时间段投影机投射一种偏振光图像，供配戴同一种偏振光眼镜的一只眼观看，在电控偏振转换开关控制下，另一个时段投影机切换至投射另一种偏振光图像，供配戴同一种偏振光眼镜的另一只眼观看。该3D液晶投影显示装置由于只采用了一台投影机，成本相对降低，但需配备电控偏振转换开关。减少一台投影机减少了成本，但新增加的电控偏振转换开关又增加了成本，两者相抵，成本降低不多，且存在要求投影机具有快速响应的特点(120Hz相对于常规60Hz)，这对于本来就存在显示视频困难的液晶显示来说技术就更难了。该技术另一个不足地方是，只利用了光源一半的光，图像亮度受限。其另一个问题是3D图像对比度受制于偏振转换开关的性能好坏。

三、发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的旨在提供一种可以解决以下技术问题的大屏幕三维立体液晶投影显示装置：

1、减小三维立体液晶投影显示装置的体积和功耗，降低生产和运行成本；

2、降低投影机对快速响应的要求，以适应液晶显示视频的技术要求；

3、提高三维立体液晶投影显示的效率(亮度、功耗)。

本发明的上述技术问题可通过具有以下技术方案的大屏幕三维立体液晶投影显示装置实现。

大屏幕立体液晶投影显示装置，主要包括偏振光分离器(PBS)、偏振光液晶光阀(LCD)、投影透镜和投影屏幕，所述偏振光分离器为一组，它将来自光源的非偏振光分离为P偏振光和S偏振光，所述偏振光液晶光阀为两组，两组偏振光液晶光阀分别对应控制由偏振光分离器分离出的P偏振光和S偏振光，两组偏振光液晶光阀共同使用一个投影透镜和一个投影屏幕。

上述所说的偏振光液晶光阀为反射性偏振光液晶光阀，主要由其构成的投影光路为反射性偏振光投影光路。所说的反射性偏振光液晶光阀，由单色的红色偏振光光阀(R)、绿色偏振光光阀(G)、蓝色偏振光光阀(B)和一个分色棱镜构成，三个单色偏振光光阀依次设置在分色棱镜的三个反射方向，即设置在分色棱镜除偏振光入射方向外的三个棱镜面。

上述所说的偏振光液晶光阀为透射性偏振光液晶光阀，透射性偏振光液晶光阀与偏振光分离器、反射镜和棱镜阵列构成透射性偏振光投影光路，反射镜将从透射性偏振光液晶光阀透射出来的偏振光以45°出射角反射至棱镜阵列。所说的棱镜阵列为将入射角为45°偏振光变为垂直入射面透射的锯齿型棱镜阵列。所说的透射性偏振光液晶光阀由将线性偏振光分离为单色偏振光的彩色分离器、单色光阀和分色棱镜组成，单色光阀位于彩色分离器出射面与分色棱镜入射面之间的光路上。所说的将线性偏振光分离为单色偏振光的彩色分离器，其单元光路由红色光分离器、绿色光分离器、蓝色光分离器和平面反射镜组成。

LCD3-1和LCD3-2分别组成的集成光路分别显示左眼图像和右眼图像，偏振态不同的左右眼图像，须分别由配戴相应偏光眼镜的左眼观看和右眼观看。由于左右眼观看到的图像不同，从而在大脑中形成3D视觉效果。

本发明还采取了其他一些技术措施。

本发明的技术核心是采用两组偏振光液晶光阀分别对应控制由一组偏振光分离器分离出的P偏振光和S偏振光，两组偏振光液晶光阀共同使用一个投影透镜和一个投影屏幕，从而获得了与现有技术用两台单独投影机进行图像投影显示一样的亮度、分辨率、响应时间以及对比度的图像效果，又省去了一套投影机的投影光学元件(投影透镜，光源，偏振光分离器等)，这对投影光学元件在制造成本中占相当比例的投影机来说，大大降低了装置成本，减小了装置体积和重量，并节省了一半光源功耗。

本发明的大屏幕三维立体液晶投影显示装置性能同已有技术的大屏幕三维立体液晶投影显示装置((1)采用两个投影机，(2)采用一个投影机和偏振转换器，以下简称方法1和方法2)进行比较，具有以下优点效果：

(1)高效率

与方法1相比，获得同样的亮度，本发明由于仅采用一个光源灯泡，功耗仅为方法1的一半；在光源灯泡功耗相同的情况下，本发明能获得二倍于方法1的亮度。即效率为方法1的二倍。与方法2相比，两者效率相同。

(2)响应速度要求低

本发明的两组LCD只要求具有二维(2D)显示器一样的响应速度(60Hz)则可，不象方法2，其LCD需要具有二倍于2D显示器的响应速度(120Hz)，这对于在显示视频时响应速度不够快的液晶来说，大大降低了技术难度。

(3)技术相对简单

本发明相对于方法2，其光路构成原件增加了一组LCD，不存在新的技术问题，而方法2需要设置偏振光转换器，这是一个新器件，技术难度大，且若偏振光转换器对比度不高，左右眼图像会互相串扰。

(4)成本低

本发明与方法1相比少了一组PBS，投影透镜和灯泡，大大降低了制造成本，且具有体积小、重量轻的特点。

(5)其他

本发明适用于反射型投影显示和透射型投影显示，包括薄膜晶体管(TFT-LCD)、液晶光阀(LCLV)、硅上液晶(LCOS)、数字微镜显示(DMD)，而方法2仅适用于透射型投影显示。

四、附图说明

附图1是本发明公开的三维立体投影显示装置的结构原理示意图。

附图2是本发明中采用的反射型LCD显示系统光路图。

附图3是本发明中采用的透射型LCD显示系统光路图。

附图4是透射型LCD显示系统光路图中的棱镜阵列原理图。

附图5是透射型LCD显示系统光路图中的透射LCD单元光路图。

上述各附图中的图示标号为：1光源灯泡，2偏振光分离器PBS，3-1、3-2偏振光液晶光阀LCD，4投影透镜，5投影屏幕，6偏振光眼镜，7分色棱镜，8红色偏振光液晶光阀R，9绿色偏振光液晶光阀G，10蓝色偏振光液晶光阀B，11-1、11-2透射型偏振光液晶光阀LCD，12-1、12-2反射镜，13棱镜阵列，14彩色分离器，15分色棱镜，16红色光阀，17，绿色光阀，18蓝色光阀，19红色光分离片，20绿色光分离片，21蓝色光分离片，22平面反射镜。

五、具体实施方式

以下通过实施例对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

三维立体投影显示装置的LCD显示系统光路为反射型LCD显示系统光路，三维立体投影显示装置的基本结构和反射型LCD显示系统光路如附图1和附图2所示。

可适应大屏幕显示的立体液晶投影显示装置，其三维立体液晶投影显示光路由将来自光源1的非偏振光分离为P偏振光和S偏振光的一组偏振光分离器(PBS)2，两组反射型偏振光液晶光阀LCD3-1、LCD3-2，投影透镜4和投影屏幕5组成，两组偏振光液晶光阀LCD3-1、LCD3-2分别对应控制由偏振光分离器分离出的P偏振光和S偏振光，两组偏振光液晶光阀共同使用一个投影透镜和一个投影屏幕，经两组偏振光液晶光阀LCD3-1、LCD3-2投影显示的P偏振光图像和S偏振光图像，分别供使用者配戴具有不同偏振光眼镜6的两只眼观看，即由控制P偏振光的一组偏振光液晶光阀LCD3-1投影显示的P偏振光图像，供配戴P偏振光眼镜的一只眼观看，控制S偏振光的一组偏振光液晶光阀LCD3-2投影显示的S偏振光图像，供配戴S偏振光眼镜的一只眼观看。上述所说的反射性偏振光液晶光阀LCD3-1、LCD3-2，由单色的红色偏振光光阀(R)8，绿色偏振光光阀(G)9，蓝色偏振光光阀(B)10和一个分色棱镜7构成，三个单色偏振光光阀依次设置在分色棱镜的三个反射方向，即设置在分色棱镜除偏振光入射方向外的三个棱镜面。由反射性偏振光液晶光阀构成的投影光路为反射性偏振光投影光路。

可适用于反射型液晶显示的液晶有LCOS(硅上液晶)、LCLV(液晶光阀)等

在本实施例中，来自光源的非偏振光经过PBS分离后，P偏振光进入由LCD3-1组成的光路，S偏振光进入由LCD3-2组成的光路，这对于单台二维LCD投影机不用的S偏振光(占光源的一半)在这里被得到了利用。且两组LCD3-1、LCD3-2共用投影透镜和PBS。

实施例2

三维立体投影显示装置的LCD投影显示系统光路为透射型LCD投影显示系统光路，三维立体投影显示装置的基本结构、透射型LCD投影显示系统光路和透射型LCD的单元光路如附图1、附图3、附图4和附图5所示。

可适应大屏幕显示的立体液晶投影显示装置，其三维立体液晶投影显示光路由将来自光源1的非偏振光分离为P偏振光和S偏振光的一组偏振光分离器(PBS)2，主要由透射型偏振光液晶光阀LCD11-1、LCD11-2构成的两组集成光路，投影透镜4和投影屏幕5组成，两组透射型偏振光液晶光阀集成光路分别对应控制由偏振光分离器分离出的P偏振光和S偏振光，两组偏振光液晶光阀集成光路共同使用一个投影透镜和一个投影屏幕，经两组偏振光液晶光阀LCD11-1、LCD11-2集成光路投影显示的P偏振光图像和S偏振光图像，分别供使用者配戴具有不同偏振光眼镜6的两只眼观看，即由控制P偏振光的一组偏振光液晶光阀LCD11-1集成光路投影显示的P偏振光图像，供配戴P偏振光眼镜的一只眼观看，控制S偏振光的一组偏振光液晶光阀LCD11-2集成光路投影显示的S偏振光图像，供配戴S偏振光眼镜的一只眼观看。

上述所说的反射性偏振光液晶光阀LCD11-1、LCD11-2集成光路，如附图3所示，由透射性偏振光液晶光阀LCD11-1、LCD11-2，反射镜12-1、12-2和棱镜阵列13构成，反射镜为平面镜，将从透射性偏振光液晶光阀透射出来的偏振光以45°反射角反射至棱镜阵列。所说的棱镜阵列13为锯齿型棱镜阵列，其入射镜面为平面，出射镜面为锯齿面，以45°为入射角入射的偏振光经锯齿型棱镜阵列变为以垂直入射面方向平行透射至投影透镜。

所说的透射性偏振光液晶光阀的单元光路，由将线性偏振光分离为单色偏振光的彩色分离器14、分色棱镜15和依次设置在分色棱镜除偏振光透射方向以外的三个棱镜面周围的红色光阀16、绿色光阀17及蓝色光阀18组成，单色光阀位于彩色分离器出射面与分色棱镜入射面之间的光路上。而所说的彩色分离器又由红色光分离片19、绿色光分离片20、蓝色光分离片21和平面反射镜22组成，如附图5所示。

在本实施例中，来自光源的非偏振光经过PBS分离后，P偏振光进入主要由LCD11-1组成的集成光路，S偏振光进入主要由LCD11-2组成的集成光路，这对于单台二维LCD投影机不用的S偏振光(占光源的一半)在这里被得到了利用。且两组LCD11-1、LCD11-2共用投影透镜和PBS。

Claims (5)

1、一种大屏幕立体液晶投影显示装置，主要包括偏振光分离器(2)、液晶光阀(3)、投影透镜(4)和投影屏幕(5)，其特征在于将来自光源的非偏振光分离为P偏振光和S偏振光的偏振光分离器为一组，液晶光阀为两组，两组液晶光阀分别对应控制由偏振光分离器分离出的P偏振光和S偏振光，两组偏振光液晶光阀共同使用一个投影透镜和一个投影屏幕，所述液晶光阀为透射性液晶光阀，与偏振光分离器(2)、反射镜(12)和棱镜阵列(13)构成透射性偏振光投影光路，反射镜将从透射性液晶光阀透射出来的偏振光反射至棱镜阵列。

2、根据权利要求1所述的大屏幕立体液晶投影显示装置，其特征在于从透射性液晶光阀透射出来的偏振光以45°入射角入射至反射镜。

3、根据权利要求1所述的大屏幕立体液晶投影显示装置，其特征在于所说的棱镜阵列为将入射角为45°偏振光变为垂直入射面透射的锯齿型棱镜阵列。

4、根据权利要求1所述的大屏幕立体液晶投影显示装置，其特征在于所说的透射性液晶光阀由将线性偏振光分离为单色偏振光的彩色分离器(14)、单色光阀(16、17、18)和分色棱镜(15)组成，单色光阀位于彩色分离器出射面与分色棱镜入射面之间的光路上。

5、根据权利要求4所述的大屏幕立体液晶投影显示装置，其特征在于所说的将线性偏振光分离为单色偏振光的彩色分离器，由红色光分离片、绿色光分离片、蓝色光分离片和反射镜组成。

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