CN101122685A - 提高立体投影机光能利用率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微显示立体投影显示领域，特别是LCD、LCOS偏振微显示、DLP非偏振微显示立体投影显示领域。本发明采用偏振旋转器件和偏振转换器件提高光能的利用率。偏振旋转器件使投影机输出的红绿蓝三色图像为同一偏振态，使两台投影机输出图像的偏振态互相垂直；或利用1/2波片使第二台投影机输出图像的偏振态旋转90°；偏振转换器件使入射自然光转换为偏振光，再利用1/2波片使其中一台输出的图像偏振态旋转90°，提高了光能利用率。

Description

提高立体投影机光能利用率的方法

所属技术领域

本发明属于微显示立体投影显示领域，特别是LCD、LCOS偏振微显示、DLP非偏振微显示立体投影显示领域。

背景技术

虚拟现实(Virtual Reality-VR)：简单的说是一种可以创建和体验虚拟世界的显示系统。作为一门先进的人机交流技术，虚拟现实技术已被广泛应用于军事模拟、视景仿真、虚拟制造、虚拟设计、虚拟装配、科学可视化等领域。立体显示是虚拟现实显示的一个实现方式。

立体显示主要有以下几种方式：

双色眼镜：这种模式下，通过显示设备显示的图像将先经过颜色过滤，传递给左眼的场景会被过滤掉红色光，传递给右眼的场景会被过滤掉青色光(红色光的补色光，绿光加蓝光)。然后观看者使用一个相应的双色眼镜，这样左眼只能看见左眼的图像，右眼只能看见右眼的图像，彩色图像由大脑合成。这是成本最低的方案，由于丢失了颜色的信息，亮度造成了损失会造成观看者的不适。

主动立体显示：这种模式下，显示设备将交替地传输给左右眼有视差的图像，例如第一帧为左眼的图像，那么下一帧就为右眼的图像，再下一帧传输给左眼，依次交替传递。然后观测者将使用一幅快门眼镜。快门眼镜通过有线或无线的方式和显示设备的输出同步，当显示设备输出左眼图像时，眼镜打开左镜片的快门同时关闭右镜片的快门，当显示设备显示右眼图像时，眼镜打开右镜片的快门同时关闭左镜片的快门。通过视觉暂留在大脑中合成一幅立体图像。这种方法降低图像的一半的亮度，并且要求显示设备和眼镜快门的刷新速度都达到一定的频率，否则也会造成观看者的眼睛疲劳。

被动同步的立体投影设备：这种模式下，显示设备将同时输出左右眼的图像。输出的左右眼图像将分别使用两台投影机投射，在投射左眼图像的投影机前加上偏振镜，然后在投射右眼图像的投影机前也加偏振镜但透光轴旋转90°，观测者也将佩戴眼镜，左眼的偏振镜的透光轴和投射左眼图像的投影机前的偏振镜透光轴平行，右眼的偏振镜的透光轴和投射右眼图像的投影机前的偏振镜透光轴平行。根据偏振原理，左眼只能看见传输给左眼的图像，右眼只能看见传输给右眼的图像。这是至目前为止最佳的立体成像方式。

由于在每台投影机的输出端口加上了偏振片，光能损失了50％，影响了光能的利用率和立体投影机的使用寿命。

发明内容

本发明对提高立体投影机光能利用率提出了解决方法。从每台投影机输出的图像的偏振态往往是不同的。在应用偏振微显示器件作为像源进行投影显示时红色图像的偏振态Rs、蓝色图像的偏振态Bs一般为S波，绿色图像的偏振态Gp一般为P波。在应用非偏振微显示器件作为像源进行投影显示时输出图像的偏振态为自然光。在上述情况下投影机前加上偏振片会有50％的光能损失。

本发明采用偏振旋转器件和偏振转换器件提高光能的利用率。偏振旋转器件使投影机输出的红绿蓝三色图像为同一偏振态，使两台投影机输出图像的偏振态互相垂直；或利用1/2波片使第二台投影机输出图像的偏振态旋转90°；偏振转换器件使入射自然光转换为偏振光，再利用1/2波片使其中一台输出的图像偏振态旋转90°，提高了光能利用率。

偏振旋转器件为双折射器件，性质为波片。偏振旋转器件的设计原理为：设相邻波段的中心波长分别为λ₁、λ₂、λ₃。  设偏振旋转器件的寻常光折射率为n_o，非寻常光的折射率为n_e。为了使不同波段的光能输出转换为同一偏振态，使

$(n_e-n_o)\·d=k\·{\mathrm{\λ}}_1=(k+\frac{1}{2})\·{\mathrm{\λ}}_2=(k+1)\·{\mathrm{\λ}}_3---\left(1\right)$

d为波片的厚度；k为整数。厚度为d的波片相对于中心波长λ₁、λ₃为全波片，相对于中心波长λ₂为半波片。经过这样的偏振旋转器件后G光的中心波长λ₂的偏振态转动了90°，而中心波长λ₁、λ₃的偏振态不变。

同样，使

$(n_e-n_o)\·d=(k+\frac{1}{2})\·{\mathrm{\λ}}_1=k\·{\mathrm{\λ}}_2=(k+\frac{3}{2})\·{\mathrm{\λ}}_3---\left(2\right)$

λ₁、λ₃的偏振态旋转了90°，而  的偏振态没有变。两台投影机的输出图像，通过偏振旋转器件的转换振动方向垂直，分别通过输出端口的偏振片变为两个振动方向垂直的线偏振光，通过透光轴正交的偏振镜可以看到立体图像了。

利用PBS阵列可以使自然光转换为部分偏振光，再利用偏振片使它成为偏振光。

附图简要描述

图1为本发明偏振旋转器件工作原理图。

图2为本发明偏振旋转器件实施例光谱曲线图。

图3为本发明偏振转换器件工作原理图。

图4为本发明应用X-Cube合色偏振旋转器件工作原理图。

图5为本发明应用CQ3合色偏振旋转器件工作原理图。

具体实施方式

图1为本发明偏振旋转器件工作原理图。它由双折射材料组成。图a中红光R和蓝光B的偏振态旋转了90°，而绿光G的偏振态没有改变。

图b中绿光G的偏振态旋转90°，而R、B光的偏振态没有改变。通过优化设计使偏振旋转器件的光谱特性近似于方波。

图2为本发明偏振旋转器件实施例的光谱曲线图。从曲线202看出R、B光的偏振态旋转了90°，而G光的偏振态没有改变。

波片的数学表示式为

$L(\mathrm{\θ},\mathrm{\δ}):=\begin{array}{c}\left(\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& e^{i-\mathrm{\δ}}\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)& \sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{\θ}\right)& \cos \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right)---\left(3\right)\end{array}$

θ为入射偏振光电矢量和波片光轴的夹角，δ为光线经过波片产生的相位差。

$\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\λ}\right):=\frac{(325\·2\·\mathrm{\π}\·N\left(\mathrm{\λ}\right))}{\mathrm{\λ}}---\left(4\right)$

$F\left(\mathrm{\λ}\right):=L(7\·\frac{\mathrm{\π}}{180},\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\λ}\right))\·L(-10\·\frac{\mathrm{\π}}{180},\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\λ}\right))\·L(15\·\frac{\mathrm{\π}}{180},\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\λ}\right))\·L(33\·\frac{\mathrm{\π}}{180},\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\λ}\right))\·$

$\·L(-21\·\frac{\mathrm{\π}}{180},\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\λ}\right))\·L(-16\·\frac{\mathrm{\π}}{180},\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\δ}\right))\·L(50\·\frac{\mathrm{\π}}{180},\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\λ}\right))\·L(38\·\frac{\mathrm{\π}}{180},\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\λ}\right))\·\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right)$

(5)

I(λ)：＝[|(F(λ)^T)^<0>|]²    J(λ)：＝[|(F(λ)^T)^<1>|]²    (6)

本实施例由多层满足公式(2)的波片组成。每层波片的厚度为325μm，N(λ)为O光和e光的折射率差。I(λ)为P波的透过率，J(λ)为S波的透过率。调整每层波片光轴和入射偏振光电矢量的夹角，可以获得近似方波的光谱曲线。

图3为本发明偏振转换器件工作原理图。入射自然光由复眼透镜304、305会聚到PBS阵列306上，由PBS 306转化为部分偏振光，由1/2波片转化为同一态的部分偏振光。照明透镜307、308把照明光斑成像到微显示器件309上。偏振片312提高投射图像的偏振度。310为导光棱镜，311为投影镜头。

图3b中经过复眼透镜305入射到PBS阵列透光部分313的自然光线，由PBS膜314分成P波、S波，透射的P波经1/2波片转化为S波；由图3C透射的光线为P波。315为1/2波片，316为反射膜，317为遮光片。

图4为本发明偏振旋转器件的应用原理图。S波入射的红光经X-Cube 418的反红透蓝膜419反射，S波入射的蓝光经反蓝透红膜420反射，P波入射的绿光透过反红透蓝膜419和反蓝透红膜420，由X-Cube完成合色；S波的红蓝光图像和P波的绿光图像由偏振旋转器件401转化为P波图像，由在偏振旋转器件和接收屏幕之间安装的1/2波片，可以把投影图像的偏振态转化为S波。

图5为本发明偏振旋转器件的工作原理图。S波入射的偏振光由二向色镜521反射红绿光透射蓝光；红绿光经偏振旋转器件501后红光转化为P波，透过PBS棱镜522、1/4波片524到红光偏振微显示器件525上；绿光由PBS棱镜522反射，经524入射到绿光偏振微显示器件523上；由红绿光微显示器件525、523反射的光线偏振态分别旋转90°，分别以S和P波经过PBS棱镜522，由偏振旋转器件501转化为P波光线，透过PBS棱镜528；蓝光经过偏振片512由PBS棱镜527反射到蓝光偏振微显示器件526上；由526反射的光线偏振态旋转了90°，由1/2波片515转化为S波，PBS棱镜528反射蓝光，红绿蓝光线经过偏振旋转器件501转化为同一态偏振光线。

Claims (8)

1.本发明用于微显示立体投影显示。

2.如权利1所述的微显示器件包括偏振微显示器件和非偏振微显示器件。

3.如权利2所述的偏振旋转器件用于偏振微显示投影显示。

4.如权利2所述的偏振转换器件用于非偏振微显示投影显示。

5.如权利3所述的偏振旋转器件使红绿蓝三色图像输出为同一偏振态。

6.如权利4所述的偏振转换器件利用PBS棱镜分束，利用1/2波片使P、S波转为同一态。

7.如权利5所述的偏振旋转器件为波片，相邻波段的波片级数相差1/2级。

8.如权利7所述的偏振旋转器件的光谱特性近似方波。

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