CN101002481A

CN101002481A - 投影装置和用于其的滤光器

Info

Publication number: CN101002481A
Application number: CNA2005800252656A
Authority: CN
Inventors: 奥利弗·斯特凡尼; 马西亚斯·比斯
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2007-07-18
Also published as: EP1772023A1; WO2006013041A1; DE102004036468A1

Abstract

本发明涉及一种用于投影立体图像的投影装置。为此，利用一个投影机产生立体图像的具有不同颜色的至少两个部分图像，其中第一部分图像在第一方向上被线偏振，及第二部分图像在与第一方向垂直的第二方向上被线偏振。在投影方向上在图像生成之后设置择色的偏振旋转装置，它将所述两个部分图像之一的偏振这样旋转，使得第一和第二部分图像的偏振相同。接着设置消色差的偏振旋转装置，它这样地旋转所述两个部分图像的偏振，使得这两个部分图像在相对于垂直轴线的预定的角度下被线偏振或者这两个部分图像同向地被圆偏振。

Description

投影装置和用于其的滤光器

本发明涉及一种用于产生立体3D图像的投影装置和投影系统以及用于这种投影装置的滤光器。

为了产生立体的、计算机生成的图像，基本上使用三种方法：

1.利用CRT或DLP投影机和主动遮光镜的主动式立体显示(aktivesStereo)，

2.利用两个视频投影机、专用的干涉滤光器和相应的干涉眼镜的干涉滤光技术，以及

3.利用两个视频投影机、线形或圆形偏振滤光器和相应的偏振眼镜的被动式立体显示(passives Stereo)(偏振方法)。

所有三种方法共同的是，对于右眼和左眼的图像分别通过一个在观察者处专用的眼镜被分离并且这样相应的眼睛只能看到对应的图像。没有眼镜也应付得了的自动立体方法远远还达不到上述三种方法的质量。

本发明涉及一种被动立体方法，该方法使得使用轻的眼镜成为可能，并且特点在于高的视觉质量以及可使用价格便宜的标准硬件。

以传统的方式，在被动式立体显示中两个通路(对于右眼和左眼各一个图像)的分离迄今为止是通过线偏振滤光器或圆偏振滤光器来进行的，它们被直接安置在投影机的物镜前。这样，从所投射的图像去除一个确定的偏振方向(直线的或圆周的)，由此产生显著的光损失。这导致了，需要使用贵的强光投影机，以便仍然能够在投影面上产生明亮的图像。

本发明的任务是，提供一种投影装置以及用于其的滤光器，利用它在最小的光损失的情况下可产生直线的或圆周的偏振化的图像。

该任务通过根据权利要求1的投影装置、根据权利要求13的投影系统以及根据权利要求14的滤光器来解决。按照本发明的投影装置、按照本发明的投影系统以及按照本发明的滤光器的有利的改进方案在相应的从属权利要求中被给出。

本发明与现有技术的区别根本上在于，它利用了：在LCD投影机的情况下单个的色彩成分的光已经被预偏振。由于这种预偏振，可能的是，产生相应的图像，这些图像对于全部的色彩成分以同样的方式被线偏振或圆偏振。由此，光损失被最小化并且理论上接近零，只要忽略所使用的滤光器的表面反射和透射率。由此，也能使用具有较低的能耗的价格低、光弱的投影机。

在使用者一方使用传统的、包含传统方式的偏振滤光器(缩写为Polfilter)的3D偏振眼镜，这些偏振滤光器只让线偏振的光通过。对于左眼和右眼，在此让相对于该图像的垂直线倾斜+45°(对于一只眼睛)或者倾斜-45°(对于另一只眼睛)的光通过。则这意味着，对于相应的图像在相应的投影机前必须在+45°或-45°方位上设置偏振滤光器，使得在投影机前的偏振滤光器和偏振眼镜的偏振滤光器之间实现最大的透射或最大的阻断。但是在偏振滤光器定向(相对于垂直线倾斜45°)时，只让偏振滤光器的光轴方向上的光的部分通过。这在图1B中被示出，其中用13表示偏振滤光器在角度α＝45°下的偏振方向。10a是落在偏振滤光器上的蓝色的光，而10b表示通过偏振滤光器的蓝光部分。

在图1B中可看出，只有原始(在蓝光区域的)部分的cos45°即1/通过。这些部分实际上是光的电场(公式符号：E)的幅度。但是因为光学测量装置和人眼不是测量矢量“E”而是测量在确定的时间间隔期间的辐射能量(所谓的照射强度“I”)，所以必须建立E和I之间的关系，以便能够表述所通过的、“可见的”光。按照电磁场理论的定律，照射强度I与电场幅度的平方成比例：I＝ε₀cE²(其中ε0是电场常数，c是真空光速)。对于视觉知觉感兴趣的是滤光器前或后的亮度之比：I_vor/I_nach。在45°定向的偏振滤光器的特殊情况下，有：

I_vor＝ε₀CE_vor2

E_{nach} = \frac{1}{\sqrt{2}} E_{vor}

I_{nach} = ϵ_{0} C {(\frac{1}{\sqrt{2}} E_{vor})}^{2}

I_{nach} = \frac{1}{2} ϵ_{0} C E_{vo r^{2}}

I_{nach} = \frac{1}{2} I_{vor}

也就是说，偏振滤光器后的照射强度仅仅还只是自投影机发出的照射强度的一半大。即失去了投影机的光功率的50％。

这里，现在开始本发明，本发明利用的是，投影机、例如LCD(液晶显示)投影机、LCoS(硅基液晶)投影机、D-ILA-(直接驱动图像光放大)投影机等等的光已经被偏振化。本发明的中心知识在于，LCD投影机通常被这样构造，使得只有偏振光射出。在由红、绿、蓝构成的三色信号的情况下，仅仅是单个的部分的偏振方向相区别。这例如被表示在图1A中，可看出的是，蓝光10和红光11被垂直地线偏振，而绿光12被水平地线偏振。因此，本发明使用一种滤光器，该滤光器为每一个图像而在相应的投影机前设置在光路中，其中设置有：一个择色的偏振旋转装置，它将彩色部分图像(Farbteilbild)的偏振这样旋转，使得它相应于第二彩色部分图像的偏振；以及一个随后设置的消色差的偏振旋转装置，以便产生总图像的、在相对轴的确定的角度下旋转了的偏振面。替代地，借助该消色差的偏振旋转装置也可产生圆偏振的总图像。

在本发明中代替如传统的偏振滤光器使用偏振旋转装置。这种偏振旋转装置作为λ/4(四分之一λ)-和λ/2(二分之一λ)片已公知。λ/4片在两个正交的波之间产生90°的相移，如其在图2A中所示。这里，用9a表示入射的光并且用参考标号15表示λ/4片。用参考标号9b表示当入射的光9a通过λ/4片14时所形成的得到的光。在图2B中示出了λ/2片的作用，其中λ/2片在入射的波9a和出射的波9b之间产生一个180°的相移。由此，例如由线偏振的光变成圆偏振的光(在四分之一λ片的情况下)并且由水平偏振的光变成垂直偏振(在二分之一λ片的情况下)的光。在此，相对于偏振滤光器无损地产生了偏振旋转。

图3A现在示出一个由偏振旋转装置2和3构成的按照本发明的滤光器和与投影机1组合的本发明的投影装置。两个这样的投影装置则共同形成根据本发明的投影系统。

偏振旋转装置2是一个择色的偏振旋转装置、即择色的λ/2片，该片只是将绿光谱旋转90°到垂直方向。由此，图1A中的绿光12的偏振方向被旋转到垂直方向，使得现在由颜色蓝10、红11和绿12构成的总的彩色单帧(Farbeinzelbild)被垂直地线偏振。这在图3B中被示出。该图示出了蓝、红、绿光在穿过择色的偏振旋转装置2之后的偏振方向。线16在此示出了延迟片(λ/2片)的光轴的方向，以便引起绿光10的偏振方向的这种90°的旋转。借助另外的、在本例为消色差的λ/2片的偏振旋转装置3(该片的光轴相对于预偏振的光的偏振方向旋转了+/-22.5°)，现在将光10b、11b、12b的偏振方向旋转45°，使得产生在相对垂直线45°角度下偏振的蓝的图像10c、红的图像11c以及绿的图像12c。通过该消色差的偏振旋转装置3朝另外的方向旋转22.5°会形成其偏振旋转相对于垂直线朝另外的方向被旋转了45°的图像，这样可形成两个图像，它们具有彼此正交的偏振方向。

因为市面上常见的偏振眼镜具有在+/-45°角度下的偏振滤光器，因此适于借助市面上常见的偏振镜来使用本实施例。然而，在使用其它的眼镜的情况下，自然也可以将对于左眼和对于右眼的两个图像的偏振方向独立地调节为任意值。

有利的是，现在为偏振旋转装置还使用一个具有与各个所属的眼镜镜片的偏振方向平行的定向、即在本例中+/-45°的偏振滤光器。对此，可使用常规的偏振滤光器。然而因为该偏振滤光器具有准确相应于通过偏振旋转装置3产生的光的偏振方向的偏振方向，所以该光通过该偏振滤光器理想地不被减弱。只有错误地偏振的光才被滤除，使得可以实现双眼的非常好的通道分离。

代替地，作为偏振旋转装置3也使用λ/4片，该片视定向而定地产生右旋或左旋的圆偏振光。λ/4片的光轴则必须相对在第一偏振旋转装置2之后的光10b、11b、12b的偏振方向+/-45°地被定向。因为以这种方式根据λ/4片的定向借助两个投影机和分别不同地被定向的λ/4片可产生对于两只眼睛的两个部分图像，它们具有圆偏振的不同的旋转方向，所以这样也产生在右眼和左眼之间的通道分离，被分配给它们的部分图像可以借助传统的用于产生立体观感的圆偏振眼镜来被观察。

根据本发明的滤光器理想地(在忽略表面反射和透射率的条件下)产生由LCD投影机发出的光的无损的偏振。与此相比，在使用传统的偏振滤光器的情况下出现大约50％的光损失。

图4现在示出了在传统的滤光器的情况下的测量结果(图4A)，借助本发明的滤光器的测量结果(图4B)，借助一个传统的滤光器和一个连接在后面的观察眼镜(Sichtbrille)的测量结果(图4C)，以及借助一个根据本发明的滤光器连同一个连接在后面的观察眼镜的测量结果(图4D)。

这里，可以看出，在如在图4A中的传统的系统中，由投影机所发出的光9a理论上仅仅使用了大约50％用于产生具有光9c的投影图像。产生理论上大约50％的光损失，该光损失在穿过眼镜5之后进一步上升，使得在观察者处作为光9d仅仅只有原始的由投影机所产生的光9a的18.6％(根据图4C的具体测量)到达。在使用根据本发明的由两个偏振旋转装置构成的滤光器的情况下，只要忽略表面反射和透射率，由投影机发出的光9a100％被利用来产生图像(图4B)。图4D示出了具体测量，它示出在观察眼镜5之后还有63.5％的由投影机原始产生的光9a到达观察者处。这意味着：不是如在现有技术中18.6％一样，现在有超过63％的光实际上被使用。由此，这里可实现显著更强光度的图像或者可减小投影机光密度。

Claims

1、一种用于投影具有水平和垂直轴线的立体图像的投影装置，具有产生至少两个不同颜色的部分图像的投影机，其中所述第一部分图像在第一方向上被线偏振，及所述第二部分图像在与所述第一方向垂直的第二方向上被线偏振，

其特征在于，

在投影方向上在图像生成之后设置择色的偏振旋转装置，它将所述两个部分图像之一的偏振这样旋转，使得所述第一和第二部分图像的偏振相同；以及

一个消色差的偏振旋转装置，它这样地旋转所述两个部分图像的偏振，使得所述两个部分图像在相对于垂直轴线的预定的角度下被线偏振或者这两个部分图像被同向地圆偏振。

2、根据上述权利要求的投影装置，其特征在于，所述投影机产生另一种颜色的至少一个另外的部分图像，其中所述另外的部分图像具有相应于另两个所述部分图像之一的偏振。

3、根据上述权利要求中的任一项所述的投影装置，其特征在于，所述投影机是LCD投影机、LCoS投影机、D-ILA-投影机等等。

4、根据上述权利要求中的任一项所述的投影装置，其特征在于，所述投影机是产生被垂直线偏振的蓝色和红色部分图像以及被水平线偏振的绿色部分图像的LCD投影机。

5、根据上述权利要求中的任一项所述的投影装置，其特征在于，所述预定的角度为45°。

6、根据上述权利要求中的任一项所述的投影装置，其特征在于，所述择色的偏振旋转装置将所述第二部分图像旋转90°。

7、根据上述权利要求中的任一项所述的投影装置，其特征在于，所述择色的偏振旋转装置是择色的λ/2片。

8、根据上述权利要求中的任一项所述的投影装置，其特征在于，所述消色差的偏振旋转装置将所述光旋转45°。

9、根据上述权利要求中的任一项所述的投影装置，其特征在于，所述消色差的偏振旋转装置是λ/2片，所述λ/2片以其光轴相对于所述部分图像的光的所述线偏振方向倾斜+/-22.5°。

10、根据权利要求1至7中的任一项所述的投影装置，其特征在于，所述消色差的偏振旋转装置将所述光圆偏振。

11、根据权利要求1至7或10中的任一项所述的投影装置，其特征在于，所述消色差的偏振旋转装置是λ/4片，所述λ/4片以其光轴相对于所述部分图像的光的所述线偏振方向倾斜+/-45°。

12、根据上述权利要求中的任一项所述的投影装置，其特征在于，在投影方向上在所述消色差的偏振旋转装置之后设置偏振滤光器，所述偏振滤光器让所述部分图像的所述这样地偏振的光通过。

13、具有至少两个根据上述权利要求中的任一项的、用于产生和投影立体投影的各个立体视图的投影装置的投影系统，其特征在于，所述两个投影装置的偏振旋转装置被这样选择和/或设置，使得所述两个投影装置的投射的图像或者具有彼此垂直的线偏振或者具有彼此相反的偏振。

14、用于视频投影机的滤光器，所述视频投影机用于产生具有水平和垂直轴线并且由分别至少两个不同颜色的部分图像构成的立体图像，其中第一部分图像在第一方向上被线偏振，及第二图像在与所述第一方向垂直的第二方向上被线偏振，

其特征在于，设置：

随后的择色的偏振旋转装置，它这样地旋转所述两个部分图像之一的偏振，使得所述第一和第二部分图像的偏振相同，以及

消色差的偏振旋转装置，它这样地旋转所述两个部分图像的偏振，使得所述两个部分图像在相对于所述垂直的轴线的预定的角度下被线偏振或者所述两个部分图像被同向地圆偏振。

15、根据上述权利要求所述的滤光器，其特征在于，所述预定的角度为45°。

16、根据以上两项权利要求的任一项所述滤光器，其特征在于，所述择色的偏振旋转装置将所述第二部分图像旋转90°。

17、根据权利要求14至16的任一项所述的滤光器，其特征在于，所述择色的偏振旋转装置是择色的λ/2片。

18、根据权利要求14至17的任一项所述的滤光器，其特征在于，所述消色差的偏振旋转装置将所述光旋转45°。

19、根据权利要求14至18的任一项所述的滤光器，其特征在于，所述消色差的偏振旋转装置是λ/2片，所述λ/2片以其光轴相对于所述部分图像的光的线偏振方向倾斜+/-22.5°。

20、根据权利要求14至17中的任一项所述的滤光器，其特征在于，所述消色差的偏振旋转装置将所述光圆偏振。

21、根据权利要求14至17中的任一项或20所述的滤光器，其特征在于，所述消色差的偏振旋转装置是λ/4片，所述λ/4片以其光轴相对于所述部分图像的光的线偏振方向倾斜+/-45°。

22、根据权利要求14至21中的任一项所述的滤光器，其特征在于，在投影方向上在所述消色差的偏振旋转装置之后设置偏振滤光器，它让所述部分图像的所述这样被偏振的光通过。