CN100384239C - 高对比度立体投影系统 - Google Patents

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Abstract

提出了一种具有两个通道的立体投影系统，每一个通道均具有两个LCOS成像器，用于逐像素地对光进行调制。配置第一偏振分束器将第一偏振光引导到第一通道第一级LCOS成像器上，并且将与第一偏振反向的第二偏振光引导到第二通道第一级LCOS成像器上。中继透镜系统将第一级成像器的输出引导到第二偏振分束器。配置所述第二偏振分束器将第二偏振光引导到第一通道第二级LCOS成像器上，并且将第一偏振光引导到第二通道第二级LCOS成像器上。

Description

高对比度立体投影系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2002年12月4日递交的题为“高对比度立体投影系统”的美国专利申请序列号No.60/430,896(代理记录号No.PUO20472)的权益，其全文包括在此作为参考。
技术领域
本申请大体上涉及光学投影系统，更具体地，涉及一种高对比度立体投影系统。
背景技术
液晶显示器(LCD)、以及尤其是利用反射型光引擎或成像器的硅上液晶(LCOS)系统正在日益在如背投电视(RPTV)等成像设备中得到普及。在LCOS系统中，由偏振分束器(PBS)对投影光进行偏振，并且将所述光引导到包括像素矩阵的LCOS成像器或光引擎上。在整个该说明书中，与相关技术的实践一致，术语“像素”用于指定较小的图像区域或点、光透射的相应部分、以及产生该光透射的成像器部分。
成像器的每一个像素根据输入到成像器或光引擎的灰度级因子，调制输入到其上的光，以形成离散调制光信号或像素的矩阵。从成像器反射或输出已调制光信号的矩阵，并且引导到投影透镜系统，该投影透镜系统将已调制光投影到显示屏上，组合光的像素以形成可视图像。在该系统中，由用于处理图像信号的比特数来限制从像素到像素的灰度级变化。由成像器中的光泄漏来限制从亮状态(即，最大光)到暗状态(最小光)的对比度。
现有LOS系统的一个主要缺点在于：难以减小暗状态下的光量，并且导致难以提供优异的对比度。部分地，这是由于LCOS系统中所固有的光泄漏。
此外，由于输入是固定数量的比特(例如8、10个等)，其必须描述全尺寸的光，因此，趋向于非常少的比特可用于描述图像的较暗区中的细微差别。这可能导致轮廓假象。
提高暗区中的LCOS对比度的一个方法是使用COLORSWITCHTM或类似的设备来根据特定框中的最大值来定标整个图像。这改善了某些图像，但是对包含高和低光电平的图像而言几乎没有影响。解决该问题的一个尝试涉及到制造更好的成像器，等，但是这些最多是增量改进。
例如，在3D影院中使用立体投影系统，以通过向观众的眼睛提供不同的反向偏振图像，创建三维图像。在LCOS成像系统中，必须将偏振光提供到LCOS成像器中进行调制。典型地，不使用反向偏振光。作为替代，远离投影路径来引导该光。
所需的是一种立体投影系统，能够增强视频图像的对比度，特别是在暗状态下，并且减少轮廓假象。
发明内容
本发明提出了一种立体投影系统，利用了两个反向偏振的光信号，增强视频图像的对比度，特别是在暗状态下，并且减少了轮廓假象。所述立体投影系统包括两个通道，每一个通道均具有两个LCOS成像器，逐像素地对光进行调制。第一偏振分束器配置用于将第一偏振光引导到第一通道第一级LCOS成像器上，并且将与第一偏振反向的第二偏振光引导到第二通道第一级LCOS成像器上。中继透镜系统将第一级成像器的输出引导到第二偏振分束器。所述第二偏振分束器配置用于将第二偏振光引导到第一通道第二级LCOS成像器上，并且将第一偏振光引导到第二通道第二级LCOS成像器上。由于在整个立体投影系统中使用了两个光偏振，因此可以实现更大的照明效率。由于以两级对每一个通道进行调制，因此，可以实现更大的对比度和寻址深度。
附图说明
现在，将参考附图来描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明典型实施例的立体投影系统的方框图；以及
图2示出了根据本发明的典型实施例，通过图1所示的立体投影系统的两个反向偏振通道的两级调制。
具体实施方式
本发明提出了一种两级立体投影系统。在本发明的典型实施例中，如图1所示，两级立体投影系统包括两个第一级成像器10、20和两个第二级成像器30、40。第一级成像器10、20包括第一通道第一级成像器10和第二通道第一级成像器20，所述成像器定位于第一偏振分束器60附近，并且配置用于调制偏振光束，以提供偏振光像素的矩阵。第二级成像器30、40包括第一通道第二级成像器30和第二通道第二级成像器40，所述成像器定位于第二偏振分束器70附近，并且用于通过动态地第二次调制每一个偏振和通道，提升来自相应第一级成像器10、20的偏振光像素矩阵的对比度，从而利用附加成像器来控制黑色状态。因此，如图1所示的投影系统同时利用了高对比度、寻址深度、偏振恢复和3D可视化。
在图1所示的典型投影系统中，照明系统2向第一偏振分束器60随机提供偏振光。照明系统2包括灯(未示出)，用于发光；积分器(未示出)，例如光导管或蝇眼(fly eye)透镜，用于收集由所述灯所发出的光，并且将所述光引向第一偏振分束器60；用于卷动颜色或针对场序制颜色生成的系统(未示出)；以及用于投影该照射的中继透镜(未示出)。
来自照明系统2的随机偏振光3(如图2所示)进入偏振分束器60的第一面61。由第一偏振分束器60的偏振表面62对随机偏振光偏振为s偏振光7(如图2所示)的光束和p偏振光5的光束(如图2所示)。s偏振光7的光束发生偏转，通过第一偏振分束器60的第二面63，并且到达第一通道第一级LCOS成像器10。第一通道第一级LCOS成像器10包括像素矩阵，根据提供给成像器的针对该像素的灰度级值，分别调制输入到其上的光。由成像器将入射到成像器上的光旋转90度并进行反射。因此，第一通道第一级LCOS成像器引导已调制光像素15的第一通道矩阵(如图2所示)，包括通过第一偏振分束器60的第二面63返回的p偏振光。然后，已调制像素15的第一通道矩阵通过偏振表面62和第一偏振分束器60的第四面65。
p偏振光5的光束通过偏转表面62和第三面64，并且到达第二通道第一级LCOS成像器20。第二通道第一级LCOS成像器20还包括像素矩阵，根据提供给成像器的针对该像素的灰度级值，分别调制输入到其上的光。由成像器将入射到成像器上的光旋转90度并进行反射。因此，第二通道第一级LCOS成像器20引导已调制光像素25的第二通道矩阵(如图2所示)，包括通过第一偏振分束器60的第三面64返回的s偏振光。然后，由偏振表面62对已调制光像素25的s偏振第二通道矩阵进行偏转，通过第一偏振分束器60的第四面65。
由配置用于将来自第一级成像器的已调制光像素的矩阵逐像素地聚焦到第二级成像器的相应像素上的中继透镜系统80，同时聚焦已调制像素15的第一通道矩阵和已调制光像素25的第二通道矩阵。该中继透镜系统提供等于大约-1的放大和高度包围矩形的能量(highlyensquared energy)，由此，将较大百分比的来自第一级成像器10、20的特定像素的光能量包围在第二级成像器的相应像素的方形区域内。在典型实施例中，该中继透镜系统80包括双高斯透镜组，优选地，其是对称的，并且由围绕一对玻璃消色差透镜82、84的一对消球差丙烯酸透镜81、85构成，具有处于消色差透镜之间的透镜光阑83。可以使用ZEMAXTM软件来开发适当的透镜表面。在美国专利申请(代理记录号No.PUO20473)中描述了典型透镜系统，其包括在此作为参考。
中继透镜系统80配置为通过第二偏振分束器70，将来自第一级成像器10、20的已调制光像素15、25的矩阵逐像素聚焦到第二级成像器30、40的相应像素上。因此，透镜系统80位于第一偏振分束器60和第二偏振分束器70之间。
光像素15的第一通道调制矩阵通过第一面71，进入第二偏振分束器70，并且由于其是p偏振光，因此，其通过偏振表面72和第二面73，到达第一通道第二级LCOS成像器30。第一通道第二级LCOS成像器30包括像素矩阵，根据提供给成像器的针对该像素的灰度级值，分别调制输入到其上的光。由成像器将入射到成像器上的光旋转90度并进行反射。因此，第一通道第二级LCOS成像器30引导两次调制光像素35的第一通道矩阵(如图2所示)，包括通过第二偏振分束器70的第二面73返回的s偏振光。然后，由偏振表面72对两次调制像素35的第一通道矩阵进行偏转，通过第二偏振分束器70的第四面75。
由于将第一通道第一级LCOS成像器10的每一个像素的输出聚焦到第一通道第二级成像器30的相应像素上，因此，对第一通道第二级成像器30的每一个像素的输出进行两次调制，一次通过第一通道第一级LCOS成像器10而再一次通过第一通道第二级LCOS成像器30。第一级成像器和第二级成像器的组合的优点在于：其提升了通道的对比度。如果使用一个成像器和围绕成像器使用的光学系统的对比度为c，则使用两级系统导致了等于c2的对比度。另一优点在于：如果针对一个成像器的寻址深度是8比特，则使用两个成像器引起了得到16比特等级进行寻址的优点，因此改善了轮廓和进一步的图像处理。
光像素25的第二通道调制矩阵通过第一面71，进入第二偏振分束器70，并且由于其是s偏振光，因此，其由偏振表面72偏振，通过第三面74，到达第二通道第二级LCOS成像器40。第二通道第二级LCOS成像器30包括像素矩阵，根据提供给成像器的针对该像素的灰度级值，分别调制输入到其上的光。由成像器将入射到成像器上的光旋转90度并进行反射。因此，第二通道第二级LCOS成像器40引导两次调制光像素45的第二通道矩阵(如图2所示)，包括通过第二偏振分束器70的第三面74返回的p偏振光。然后，两次调制像素45的第二通道矩阵通过偏振表面72和第二偏振分束器70的第四面75。
对于第一通道，将第二通道第一级LCOS成像器20的每一个像素的输出聚焦到第二通道第二级成像器40的相应像素上，因此，对第二通道第二级成像器40的每一个像素的输出进行两次调制，一次通过第二通道第一级LCOS成像器20而再一次通过第二通道第二级LCOS成像器40。
在本发明的一个典型实施例中，利用与第二通道成像器20、40相同的视频信号对第一通道成像器10、30进行寻址。因此，由第二通道重复使用(recycle)来自第一偏振分束器60的第二偏振光束，并且可视图像的强度或亮度大约为其中未使用一个光的偏振化的单一通道两级投影系统的可视图像的级别的两倍。在该实施例中，可以增加灯的寿命，这是由于对第二通道或光的偏振的再次使用，需要来自灯的较少光以在可视图像中实现相同级别的光。
在本发明的可选实施例中，利用观众的第一眼所需的第一视频信号对第一通道成像器10、30进行寻址，并且利用观众的第二眼所需的第二视频信号对第二通道成像器20、40进行寻址。通过具有正交偏振化的投影透镜系统4，将两次调制第一通道光像素35的矩阵和两次调制第二通道光像素45的矩阵投影在屏幕(未示出)上。提供三维(3D)观看系统，其中利用一只眼所需的视频信号对一个通道进行寻址，而利用第二眼所需的视频信号对另一通道进行寻址。由观众所佩戴的偏振护目镜选择针对每一只眼的正确图像，得到了立体观看。
本发明提供了多个优点。通过每一个通道的两级成像器提供了非常高的对比度和寻址深度。可以通过附加通道的偏振化再次使用，提供光效率。可以通过利用针对观众的不同眼的不同视频信号对第一通道成像器和第二通道成像器进行寻址，提供3D能力。此外，除了成像器之外，第一通道和第二通道可以使用相同的组件(即，照明系统、偏振分束器、中继透镜系统和投影透镜系统)，以最少的部件提供立体投影。
前面的描述示出了用于实施本发明的一些可能方案。许多其他实施例在本发明的范围和精神内也是可行的。例如，图1和图2所示且如上所述的典型实施例的第一通道成像器10、30分别接收p偏振光和s偏振光，并且第二通道成像器20、40分别接收s偏振光和p偏振光。然而，在本发明的范围内，可以通过交换成像器的位置来反转这些偏振。因此，应该注意，前面的描述应看作说明性而非限定性的，并且本发明的范围由所附权利要求及其完整范围的等价物来给定。

Claims (12)

1.一种立体投影系统，包括：
第一通道第一级成像器和第二通道第一级成像器，每一个均配置用于调制逐像素输入的、与提供给成像器的每一个像素的灰度级值成正比的偏振光，旋转光的偏振，并反射已调制光像素的矩阵；
第一通道第二级成像器和第二通道第二级成像器，每一个均配置用于调制逐像素输入的、与提供给成像器的每一个像素的灰度级值成正比的偏振光，旋转光的偏振，并反射两次调制光像素的矩阵；
中继透镜系统，配置用于将来自第一级成像器的已调制光像素的矩阵逐像素地聚焦到第二级成像器的相应像素上；
第一偏振分束器，配置用于将光输入偏振为反向偏振光输入，将反向偏振光输入分别引导到第一通道第一级成像器和第二通道第一级成像器，并且将来自第一通道第一级成像器和第二通道第二级成像器的已调制光像素的矩阵引导到中继透镜系统中；以及
第二偏振分束器，配置用于将来自第一通道第一级成像器和第二通道第一级成像器的的已调制光像素的反向偏振矩阵分别引导到第一通道第二级成像器和第二通道第二级成像器，并且将来自第二级成像器的两次调制光像素的矩阵引导到投影透镜系统中。
2.根据权利要求1所述的立体投影系统，其特征在于利用相同的信号来寻址第一通道成像器和第二通道成像器，以提高立体投影系统的亮度和对比度。
3.根据权利要求1所述的立体投影系统，其特征在于利用观众的第一眼所需的视频信号对第一通道成像器进行寻址，并且利用观众的第二眼所需的视频信号对第二通道成像器进行寻址，以提供三维图像。
4.根据权利要求3所述的立体投影系统，其特征在于还包括反向偏振透镜，配置用于观看来自第一通道和第二通道的图像。
5.根据权利要求1所述的立体投影系统，其特征在于所述中继透镜系统包括双高斯中继透镜组。
6.一种立体投影系统，包括：
第一通道，具有第一级LCOS成像器和第二级LCOS成像器；
第二通道，具有第一级LCOS成像器和第二级LCOS成像器；
第一偏振分束器，配置用于将第一偏振光引导到第一通道第一级LCOS成像器上，并且将与第一偏振反向的第二偏振光引导到第二通道第一级LCOS成像器上；以及
第二偏振分束器，配置用于将第二偏振光引导到第一通道第二级LCOS成像器上，并且将第一偏振光引导到第二通道第二级LCOS成像器上。
7.根据权利要求6所述的立体投影系统，其特征在于利用相同的视频信号对第一通道LCOS成像器和第二通道LCOS成像器进行寻址，以投影具有增强的光强度的公共图像。
8.根据权利要求6所述的立体投影系统，其特征在于利用不同的视频信号对第一通道LCOS成像器和第二通道LCOS成像器进行寻址，以提供立体观看。
9.根据权利要求6所述的立体投影系统，其特征在于还包括中继透镜系统，将两个第一级LCOS成像器的输出逐像素地引导到第二级LCOS成像器上。
10.根据权利要求9所述的立体投影系统，其特征在于所述中继透镜系统包括双高斯中继透镜组。
11.根据权利要求9所述的立体投影系统，其特征在于还包括投影透镜，用于将第一通道图像和第二通道图像投影到观看屏幕上。
12.根据权利要求11所述的立体投影系统，其特征在于还包括照明系统，用于向第一偏振分束器提供随机偏振光。
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