CN101398536A

CN101398536A - 立体投影光学系统

Info

Publication number: CN101398536A
Application number: CNA2007102018387A
Authority: CN
Inventors: 许建文; 高嘉宏; 罗焕亮; 黄胜忠
Original assignee: Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2007-09-24
Filing date: 2007-09-24
Publication date: 2009-04-01
Anticipated expiration: 2027-09-24
Also published as: US8164620B2; CN101398536B; US20090079885A1

Abstract

一种立体投影光学系统，其包括沿光路依次设置的一个用于发出加载有图像信息的图像的成像引擎，一个用于将一特定波长的入射光转换为与该入射光的偏振状态相垂直的出射光的特定波长偏振转换元件，一个穿透式光调制器，设置于所述特定波长偏振转换元件的出射光的光路上。上述的立体投影光学系统使用时可通过为穿透式光调制器输入信号使得该穿透式光调制器具有开启和截止两个交替的工作状态，使得观看者的左、右眼交替获得不同偏振状态的影像，当该输入信号的频率足够快时，观看者的左右眼分别戴上检偏方向相互垂直的两片偏振片，就可以观察到立体的图像信息。

Description

立体投影光学系统

技术领域

本发明关于一种投影光学系统，尤其是一种具有立体投影显示功能的立体投影光学系统。

背景技术

近年来，图像投影仪，尤其数字投影仪，作为向观众显示多种信息的工具已经逐渐流行。一般，这些投影仪用于将由计算机生成的图像投影到屏幕上。对观看者来说，图像投影仪投影的图像通常看起来是平面二维图像，除图像本身外无法显示任何图像景深信息。这种显示可以适用于显示多种信息。但是，在某些情况下，观看者希望能有比二维显示能够更大程度地显示图像的景深或结构特征的投影仪。

使二维显示的图像能给出图像景深的一种方式是通过立体地显示图像。立体图像，通常称为“三维”或“3D”图像，在观看者看来具有深度尺寸。这些图像包括分开的、叠全的左眼和右眼图像，这些图像设置成模仿人的左右眼观看时，由于人眼睛间隔引起的三维物体表面的微小差别，而具有的景深图像。左眼和右眼图像是这样显示的，即观看者的右眼看不到左眼图像，左眼看不到右眼图像。这种显示方式一般借助于观看者佩戴的光学滤光镜。

通常显示立体图像的方式是使用两个分开的图像投影系统分别来投影左眼图像和右眼图像。而这种系统在成功地用于形成立体图像的同时，系统的成本和重量则比单个投影仪的要高很多。而且，两个投影仪要求光学对准相对困难并比较费时。还有，由于这两个系统的重量和体积，使这种系统在两个位置之间移动起来特别困难，还有存在潜在的图像对准的问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种单个的能够投影立体图像的立体投影光学系统。

一种立体投影光学系统，其包括沿光路依次设置的：

一个成像引擎，用于发出加载有图像信息的出射光；

一个特定波长偏振转换元件，用于将所述成像引擎的出射的一特定波长的出射光转换为与其偏振状态垂直的光并发射；

一个穿透式光调制器，设置于所述特定波长偏振转换元件的出射光的光路上，该穿透式光调制器具有开启和截止两个交替的工作状态，该穿透式光调制器处于开启状态时，所述特定波长偏振转换元件的出射光穿过该穿透式光调制器，该穿透式光调制器处于截止状态时，所述穿透式光调制器将入射的所述特定波长偏振转换元件的出射光调制转换为与该出射光的偏振状态相垂直的光并出射。

与现有技术相比，上述的立体投影光学系统使用时可通过为穿透式光调制器输入信号使得该穿透式光调制器具有开启和截止两个交替的工作状态，使得观看者的左、右眼交替获得不同偏振状态的影像，当该输入信号的频率足够快时，观看者的左右眼分别戴上检偏方向相互垂直的两片偏振片，就可以观察到立体的图像信息。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的立体投影光学系统在所述穿透式光调制器开启时的结构示意图；

图2是图1的立体投影光学系统在所述穿透式光调制器截止时的结构示意图；

图3是图1的所述穿透式光调制器的输入信号以及相对于左右眼输出的光的偏振状态的波形图；

图4是在图1的立体投影光学系统设置有一个偏振片的结构示意图；

图5是本发明第二实施例的立体投影光学系统的结构示意图。

图6是本发明第三实施例的立体投影光学系统的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明作更进一步的说明，举以下较佳实施例并配合附图详细描述如下。

请参阅图1，为本发明所提供的第一实施例的立体投影光学系统100的结构示意图。该立体投影光学系统100包括沿光路方向依次设置的一光源组件11、第一、第二分光镜12a、12b，多个反光镜13，三个分别与多个反光镜13相对应设置的穿透式空间光调制器14R、14G、14B，一个设置于穿透式空间光调制器14R、14G、14B出射光方向上的合光棱镜16，一个设置于穿透式空间光调制器14G与合光棱镜16之间的偏振转换元件15，一个设置于合光棱镜16的出射光方向上的特定波长偏振转换元件17和一个穿透式光调制器18，以及一个投影镜头19。

需要说明的是，在本实施例中，由所述光源组件11、第一、第二分光镜12a、12b，多个反光镜13，三个穿透式空间光调制器14R、14G、15B，一个偏振转换元件14以及一个合光棱镜16，一起组成了一个成像引擎，其发射出加载有图像信息的光。

所述光源组件11包括依光路设置的一个照明光源111、一个积分器112以及偏振光转换器113。所述照明光源111发射包括显示彩色图像所需的红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)的白光。该光源11可以为卤素灯、金属卤化物灯或氙灯等。在本实施例中，该光源11为卤素灯。所述积分器112用来均匀化和有效地使用光源11发出的光。所述偏振光转换器113用于将入射白光转换成同一偏振状态的光。在本实施例中，该偏振光转换器113将入射白光转换成S偏振光，并将该S偏振白光作为出射光输出。

所述第一分光镜12a用于将来自偏振光转换器113的出射光中的蓝光B分离出来，其反射分离出来的蓝光B而透射混合有红光R和绿光G的混合光。

所述第二分光镜12b用于将第一分光镜12a出射的混合有红光R和绿光G的混合光分离为红光R和绿光G，其反射分离出来的绿光G而透射红光R。

所述多个反光镜13分别设置在所述穿透式空间光调制器14R、14G、14B与第一、第二分光镜12a、12b之间，用于将第一、第二分光镜12a、12b出射的红光R、绿光G和蓝光B耦合到所对应的穿透式空间光调制器14R、14G、14B中。

所述穿透式空间光调制器14R、14G、14B的工作原理都是一样的，下面以穿透式空间光调制器14R为例来说明其工作原理。

该穿透式空间光调制器14R可以为液晶显示装置(Liquid Crystal Dispaly，LCD)。所述穿透式空间光调制器14R通过控制输入光的偏振状态来调制入射光并给入射光加入图像信息，形成包括该图像信息的经过调制的出射光。所述图像信息可以为所述穿透式空间光调制器14R所加载的控制信号电压，该控制信号电压直接控制薄膜晶体管的开关状态，再利用该薄膜晶体管来控制所述液晶分子的偏转状态，而液晶分子具有明显的光学各向异性，能够控制来自入射光的光线，从而实现为入射光加载图像信号的目的。在本实施例中，该所述穿透式空间光调制器14R对入射的S偏振光进行调制，并在所述S偏振光上叠加图像信息，以产生一个包括图像信息的出射光，即包括有图像信息的P偏振光。

同理，所述穿透式空间光调制器14G、14B分别出射叠加有图像信息的P偏振状态的绿光G和蓝光B。

所述偏振转换元件15设置于所述穿透式空间光调制器14G与合光棱镜16的光路之间，用于将所述穿透式空间光调制器14G的P偏振状态的绿光G转换为S偏振状态的绿光G，以穿过所述合光棱镜16。该偏振转换元件15可以为通过拉伸等方法获得的具有光学各向异性的有机薄膜。其分为二分之一波片与四分之一波片。当光束通过二分之一波片时，只通过一次即可该光束的振动方向旋转90度，而对于四分之一波片，要反复经过四分之一波片两次才可以将该光束的振动方向旋转90度。在本实施例中，所使用的偏振转换元件15为二分之一波片，其可以通过将两个四分之一波片叠加而成。

所述合光棱镜16具有混合预定偏振分量的彩色光，以发射被混合的彩色光的功能。该合光棱镜16具有三个入射面和一个出射面。该合光棱镜16是一种具有两个相互垂直的平面的光学元件，即第一平面161和第二平面162。第一平面161是一个二向色滤光片，该二向色滤光片被配置成用来透射具有第一波长的光，而反射具有第二波长的光，在本实施例中，透射绿光G，反射蓝光B。同理，与所述第一平面161垂直的第二平面162也具有一个二向色滤光片，其透射绿光G，反射红光R。当然，可以理解的是，该合光棱镜16也具有同一般偏振分束器对偏振方向不同的光进行分离的功能。

所述特定波长偏振转换元件17是由多层延迟薄膜组成的叠片，其可无损耗地将一个频带内，即特定波长的偏振光转换为与其正交的偏振光，该特定波长偏振转换元件17可以将一定波段的任意颜色的入射光如红光R、绿光G以及蓝光B的偏振方向转换为与其正交的偏振出射光。在本实施例中，该特定波长偏振转换元件17用来将入射的绿光G的偏振方向转换为与其正交的偏振光出射绿光G，而其他颜色的光如红光R、蓝光B直接通过，其偏振方向不会发生偏转。

所述穿透式光调制器18设置于所述特定波长偏振转换元件17出射光路上。该穿透式光调制器18可以为液晶显示装置(Liquid Crystal Display，LCD)。通过为该穿透式光调制器18输入脉冲信号来控制该穿透式光调制器18的开启与截止。如图3所示，为输入穿透式光调制器18的输入信号以及相对于左右眼输出光的偏振状态的波形图。在本实施例中，所述穿透式光调制器18按照图3所示的输入信号波形图开启或截止，从而交替为左右眼提供不同偏振方向的S偏振光和P偏振光。当为该穿透式光调制器18输入该信号时，该穿透式光调制器18便可交替输出S偏振光或P偏振光以提供观看者左右眼之不同偏振方向的光。可以理解的是，该输入信号的周期是可以调整的。通过穿透式光调制器18的开启与截止可以控制所输入偏振光的偏振方向，在本实施例中，输入穿透式光调制器18的是P偏振光，下以P偏振光为例，来说明该穿透式光调制器18的作用原理。当然，可以想到的是，对S偏振光的作用是与P偏振光相同的。

在该穿透式光调制器18开启时，如图1所示，该P偏振光直接穿过该穿透式光调制器18而不会对该P偏振光的偏振状态进行调制。但是，在穿透式光调制器18截止时，如图2所示，就会对穿过的P偏振光进行调制，即把输入的P偏振光调制为S偏振光输出，从而可以交替地为观看者左右眼提供不同偏振方向的光。

可以理解的是，为了进一步提高系统的对比度，还可以在上述的立体投影光学系统中加入一个偏振片20，如图4所示，该偏振片20可以让一定偏振方向的光通过，而吸收其它偏振方向的光，例如让P偏振光通过，而吸收S偏振光或者让S偏振光通过，而吸收P偏振光。该偏振片20设置于所述特定波长偏振转换元件17与光调制器18之间。

请参阅图5，为本发明第二实施例的提供的一种投影光学系统200的结构示意图。该立体投影光学系统200包括沿光路方向依次设置的一光源组件21、第一、第二分光镜22a、22b，一个反光镜23，三个偏振分束器24R、24G、24B，三个分别与偏振分束器24R、24G、24B相对应设置的反射式空间光调制器25R、25G、25B，一个设置于反射式空间光调制器25R、25G、25B出射光方向上的合光棱镜26，一个设置于穿透式空间光调制器25G与合光棱镜26之间的偏振转换元件27，一个设置于合光棱镜26的出射光方向上的特定波长偏振转换元件28和一个穿透式光调制器29，以及一个投影镜头202。

该第二实施例与第一实施例的不同点在于成像引擎的组成结构不同，在第二实施例的光学元件为反射式空间光调制器25R、25G、25B，该反射式空间光调制器25R、25G、25B可以为硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)显示面板。该反射式空间光调制器25R、25G、25B所叠加的图像信息可以为该LCoS所加载的控制信号电压，该控制信号电压直接控制薄膜晶体管的开关状态，再利用该薄膜晶体管来控制所述液晶分子的偏转状态，而液晶分子具有明显的光学各向异性，能够控制来自入射光的光线，从而实现为入射光加载图像信号的目的。

另外因所用到的为投影光束叠加图像信息的光学元件为反射式空间光调制器25R、25G、25B，因此配合该反射式空间光调制器25R、25G、25B的光路传播，相应设置有三个偏振分束器24R、24G、24B。该偏振分束器24R、24G、24B让相对应的反射式空间光调制器25R、25G、25B的入射光穿过，而反射经反射式空间光调制器25R、25G、25B调制后的出射光。在本实施例中，S偏振光穿过相应的偏振分束器24R、24G、24B到达反射式调制器25R、25G、25B后，经反射式调制器25R、25G、25B调制后，该S偏振光变成了P偏振光，而偏振分束器反射该P偏振光，从而使得该叠加有图像信息的红光R、绿光G及蓝光B射入合光棱镜26。

可以理解的是，红光R、绿光G及蓝光B在其它光学元件如特定波长偏振转换元件28中的传输光路与第一实施例是相同的。

同理，为了进一步提高系统的对比度，还可以在第二实施例的立体投影光学系统200中加入一个偏振片201，其设置位置与第一实施例相同。

请参阅图6，为本发明第三实施例的提供的一种投影光学系统300的结构示意图。该投影光学系统300的成像引擎包括沿光路依次设置的一个光源组件31，一个对蓝光B的偏振方向转换的蓝光偏振转换元件32B，二个对红光R的偏振方向转换的红光偏振转换元件32R，四个偏振分束器33a、33b、33c、33d，三个反射式空间光调制器34R、34B、34G。同第一、第二实施例，该投影光学系统300也包括一个特定波长偏振转换元件35，一个设置于所述特定波长偏振转换元件35出射光路上的偏振片37，一个穿透式光调制器36以及一个投影镜头38。

所述蓝光偏振转换元件32B及红光偏振转换元件32R与第一实施例的特定波长偏振转换元件17结构与工作原理相似，唯一不同的是，该蓝光偏振转换元件32B及红光偏振转换元件32R分别是将入射的蓝光B及红光R转换为与其偏振状态垂直的光并发射。

其他的光学元件的结构及工作原理在第一及第二实施例中已陈述，在此不再赘述。下面对图6中光束所行进之光路以及所列之光学元件对该光束所起的作用进行说明。

当光源31所发出的S偏振光经过蓝光偏振转换元件32B时，所对应的蓝光B的偏振方向被转换，即转换为P偏振光。该处于P偏振的蓝光B透过两个偏振分束器33a和33b到达反射式空间光调制器34B，经该反射式空间光调制器34B调制，并发射出加载有图像信息的S偏振光。该处于S偏振的蓝光B经偏振分束器33b和33c反射后出射。在这里需要说明的是，偏振分束器33c设置在偏振分束器33b、33d的出射光的光路上。

没有被蓝光偏振转换元件32B偏振转换的红光R或绿光G仍处于S偏振状态并到达偏振分束器33a，被该偏振分束器33a反射出去。所述偏振分束器33d设置在偏振分束器33a的反射光的光路上，且在偏振分束器33a与33d之间设置有红光偏振转换元件32R以将处于S偏振的红光R转换为P偏振的红光R，从而透过偏振分束器33d到达反射式空间光调制器34R。经反射式空间光调制器34R对红光R调制，并反射出加载有图像信息的红光R，即处于S偏振的红光。所述偏振分束器33c设置在偏振分束器33d的出射光的光路上，且在偏振分束器33c与33d之间设置有红光偏振转换元件32R以将处于S偏振的红光R转换为P偏振的红光R，从而透过偏振分束器33c发射出去。

没有被红光偏振转换元件32R偏振转换绿光G经偏振分束器33d反射到达反射式空间光调制器34G。经反射式空间光调制器34G对绿光G调制，并反射出加载有图像信息的绿光G，即处于P偏振的绿光G。该处于P偏振的绿光G透过偏振分束器33c、33d及特定波长偏振转换元件32R后发射出去。

可以理解的是，此处对蓝光B及红光R进行偏振转换的蓝光偏振转换元件32B及红光偏振转换元件32R的位置可以互换，同时还可以是对绿光G的偏振转换。当然，当对蓝光B及红光R进行偏振转换的蓝光偏振转换元件32B及红光偏振转换元件32R的位置互换以后，相对应的反射式空间光调制器34B、34R的位置也需要互换。

特定波长偏振转换元件35，偏振片37以及穿透式光调制器36对从偏振分束器33c出射的处于P偏振的红光R、绿光G以及处于S偏振的蓝光B的作用及传输光路与第一、第二实施例相同。

上述的立体投影光学系统使用时可通过为穿透式光调制器输入信号使得该穿透式光调制器具有开启和截止两个交替的工作状态，使得观看者的左、右眼交替获得不同偏振状态的影像，当该输入信号的频率足够快时，观看者的左右眼分别戴上检偏方向相互垂直的两片偏振片，就可以观察到立体的图像信息。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，只要其不偏离本发明的技术效果，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims

【权利要求1】一种立体投影光学系统，其特征在于：其包括沿光路依次设置的：

一个成像引擎，用于发出加载有图像信息的出射光；

一个特定波长偏振转换元件，用于将所述成像引擎的出射的一特定波长的出射光转换为与其偏振状态垂直的光并发射；

一个穿透式光调制器，设置于所述特定波长偏振转换元件的出射光的光路上，该穿透式光调制器具有开启和截止两个交替的工作状态，该穿透式光调制器处于开启状态时，所述特定波长偏振转换元件的出射光穿过该穿透式光调制器，该穿透式光调制器处于截止状态时，所述穿透式光调制器将入射的所述特定波长偏振转换元件的出射光调制转换为与该出射光的偏振状态相垂直的光并出射。
【权利要求2】如权利要求1所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述成像引擎包括一光源组件、设置于光源组件出射光光路上的第一、第二分光镜，三个设置于第一、第二分光镜出射光光路上的穿透式空间光调制器，多个分别与穿透式空间光调制器相对应设置的反光镜，一个设置于穿透式空间光调制器出射光方向上的合光棱镜，一个设置于穿透式空间光调制器与合光棱镜之间的偏振转换元件。
【权利要求3】如权利要求2所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述穿透式空间光调制器为液晶显示装置。
【权利要求4】如权利要求1所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述成像引擎包括一光源组件、设置于光源组件出射光光路上的第一、第二分光镜，三个分别设置于第一、第二分光镜出射光光路上的偏振分束器，三个分别与偏振分束器相对应设置的反射式空间光调制器，一个设置于反射式空间光调制器出射光方向上的合光棱镜，一个设置于穿透式空间光调制器与合光棱镜之间的偏振转换元件。
【权利要求5】如权利要求1所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述成像引擎包括沿光路依次设置的一个光源组件，一个对蓝光的偏振方向转换的蓝光偏振转换元件，二个对红光的偏振方向转换的红光偏振转换元件，四个依次设置于所述蓝光偏振转换元件、红光偏振转换元件的偏振分束器，三个分别与蓝光偏振转换元件、红光偏振转换元件相对应设置的反射式空间光调制器。
【权利要求6】如权利要求4或5所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述反射式空间光调制器为硅基液晶面板。
【权利要求7】如权利要求1所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述特定波长偏振转换元件将入射的红光、绿光及蓝光中的一种光转换为与其偏振状态垂直的光并出射。
【权利要求8】如权利要求1所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述立体投影光学系统还包括一个设置于所述穿透式光调制器的出射光方向上的投影透镜，用于将出射光所形成的图像放大。
【权利要求9】如权利要求1所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述立体投影光学系统还包括一个偏振片，该偏振片设置于所述特定波长偏振转换元件与穿透式光调制器的光路之间。