CN101408678B - 立体投影光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种立体投影光学系统，其包括一偏振分束器，一分时轮，其包括一反射区与一透射区，偏振分束器的出射光照射在反射区和透射区中的一个区上，一设置于分时轮的出射光的光路上的数字微镜及一设置于分时轮与数字微镜的光路之间的全内反射棱镜。分别设置于偏振分束器与分时轮之间的第一反射装置及第二反射装置，第一反射装置反射的偏振光能够由分时轮反射到全内反射棱镜上，第二反射装置反射的偏振光能够透过分时轮入射到全内反射棱镜上。上述立体投影光学系统通过分时轮旋转，交替输入不同偏振状态的光，使观看者的左、右眼交替获得不同偏振状态的影像，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。

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、叠合的左眼和右眼图像，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：
一个偏振分束器，用于将入射光转换成偏振状态互相垂直的出射光；
一个用于接收所述偏振分束器的出射光的分时轮，其包括一个反射所述偏振分束器的出射光的反射区，与一个透射所述偏振分束器的出射光的透射区，所述偏振分束器的出射光照射在分时轮的反射区和透射区中的一个区上；
一个数字微镜元件，设置于分时轮的出射光的光路上；
一个全内反射棱镜，设置于所述分时轮与数字微镜元件的光路之间，用于将分时轮的出射光反射到该数字微镜元件上，并数字微镜元件发出的光穿过该全内反射棱镜而发射出去；
第一反射装置以及第二反射装置，其分别设置于所述偏振分束器与所述分时轮之间的光路上，用于将所述偏振分束器的出射光耦合到所述分时轮中，所述第一反射装置反射的偏振光能够由所述分时轮反射到所述全内反射棱镜上，所述第二反射装置反射的偏振光能够透过所述分时轮入射到所述全内反射棱镜上。
上述立体投影光学系统使用时可通过分时轮的旋转，为数字微镜元件交替输入不同偏振状态的光，从而使得观看者的左、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光照射在分时轮的反射区的结构示意图；
图2是图1的立体投影光学系统在光照射在分时轮的透射区的结构示意图；
图3是在图1的立体投影光学系统设置有多个偏振片的结构示意图；
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和图2，为本发明第一实施例提供的一种立体投影系统100的结构示意图。该立体投影系统100包括沿光路依次设置的一个光源组件11，一个偏振分束器12，分别设置于所述偏振分束器12的出射光光路上的第一、第二反射装置13、14，一个设置于所述反射装置13、14出射光光路上的分时轮15，一个全内反射棱镜16，一个数字微镜元件17以及一个投影镜头18。
所述光源组件11包括依光路设置的一个照明光源111、一个色轮112以及一个积分器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、氙灯或LED等。在本实施例中，该光源11为卤素灯。所述色轮112包括红、绿、蓝三色区，其可在电机(图未示)的带动下高速旋转，以给投影光路配以各种色彩。所述积分器113用来均匀化和有效地使用光源11发出的光。
所述偏振分束器12设置于光源组件11的出射光路上，用于将来自光源组件11的非偏振光转换成偏振状态互相垂直的第一偏振光和第二偏振光并出射。在本实施例中所第一偏振光为S偏振光，第二偏振光为P偏振光。该S偏振光被该偏振分束器12反射，而P偏振光透过该偏振分束器12。当然可以想到的是，该S偏振光还可透过该偏振分束器12，而P偏振光被偏振分束器12反射。该偏振分束器12可以为金属栅格型检偏器(Wire Grid Polarizer，简称WGP检偏器)，也可以为偏振分光棱镜，在本实施例中，该偏振分束器12为偏振分光棱镜。该偏振分束器12根据对S偏振光和P偏振光的作用不同，可以分为反射S偏振光而透过P偏振光，与透过S偏振光而反射P偏振光两种形式。在本实施例中，所述偏振分束器12反射S偏振光，而可以让P偏振光透过。
所述第一、第二反射装置13、14可以为一反射镜，设置于所述偏振分束器12出射的光到下述的分时轮15入射的光的光路上，其分别设置于偏振分束器12的两条出射光路上，用于改变偏振分束器12出射的S、P偏振光的光路，以将该偏振分束器12的出射光耦合到分时轮15中。
所述分时轮15设置于所述第一、第二反射装置13、14出射光光路上，用于周期性地让第一偏振光或第二偏振光照射在所述全内反射棱镜16上。所述分时轮15的结构为将一个透明基底分成两个区，其中一个镀上对光反射的反射膜，而在另一个区上镀上可让光穿透的透射膜或者不镀任何膜。该分时轮15可以在一电机的带动下以固定频率旋转，而且其频率是可调的。在本实施例中，所述分时轮15包括一个反射所述偏振分束器的出射光的反射区151，与一个透射所述偏振分束器的出射光的透射区152。所述经第一、第二反射装置13、14耦合到分时轮15上的入射光在同一时间只照射在反射区151和透射区152的其中一个区上。当经第一、第二反射装置13、14耦合到分时轮15上的入射光，即第一偏振光和第二偏振光，照射在反射区151上时，第一偏振光被反射进入全内反射棱镜16，而第二偏振光被该分时轮15反射出去而没有被利用。当经第一、第二反射装置13、14耦合到分时轮15上的入射光照射在透射区152上时，第一偏振光透射过该分时轮15而没有被利用，第二偏振光透过该透射区152而到达全内反射棱镜16。在该分时轮15以一定频率旋转时，第一、第二偏振光便交替进入全内反射棱镜16中。
所述全内反射棱镜16(Total Internal Reflection Prism，TIR)15、16用玻璃或透明树脂制成，利用光的全反射原理，使入射光在一定入射角度范围内全部反射，而在其它入射角度范围内，入射光将透过该全内反射棱镜16。该全内反射棱镜16设置于分时轮15的出射光的光路上，其将分时轮15的出射的第一偏振光或第二偏振光耦合到数字微镜元件17上。
所述数字微镜元件(Digital Mirror Device，DMD)17是用硅作基底，并用大规模集成电路技术在硅片基底上制出多个存储器，每个存储器有两条寻址电极(Addressing Electrodes)和两个搭接电极(Landing Electrodes)。再在基底上设置两个支撑柱，通过臂梁铰链(torsion Hinge)安装一个微形反射镜，从而形成一个微镜单元。工作时，由视频信号驱动，并根据入射光与光学系统光轴的夹角，利用两寻址电极的差动电压使反射镜绕臂梁旋转直到触及搭接电极，从而决定一个微镜单元的开关，以加载图像信息。该数字微镜元件17设置于分时轮15的出射光的光路上，并且经数字微镜元件17发射的加载有图像信息的第一偏振光或第二偏振光透射过该全内反射棱镜16到达投影镜头18
所述投影镜头18设置于所述全内反射棱镜16的出射光路上，用于将出射光所形成的图像放大，并将放大的图像投影到屏幕(图未示)上。
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多个检偏器19，该检偏器19可以为一个偏光片。如图3所示，该检偏器19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。该多个检偏器19的具体的放置位置可以为沿光路的偏振分束器12和第一或/与第二反射装置13、14之间；第一或/与第二反射装置13、14与分时轮15之间。在本实施例中在第一、第二反射装置13、14与分时轮15之间设置有检偏器19。
上述立体投影光学系统使用时可通过分时轮的旋转，为数字微镜元件交替输入不同偏振状态的光，从而使得观看者的左、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 (9)

1.一种立体投影光学系统，其特征在于，其包括：
一个偏振分束器，用于将入射光转换成偏振状态互相垂直的两条出射光；
一个用于接收所述偏振分束器的出射光的分时轮，其包括一个反射所述偏振分束器的出射光的反射区，与一个透射所述偏振分束器的出射光的透射区，所述偏振分束器的出射光照射在分时轮的反射区和透射区中的一个区上；
一个数字微镜元件，设置于分时轮的出射光的光路上；
一个全内反射棱镜，设置于所述分时轮与数字微镜元件的光路之间，用于将分时轮的出射光反射到该数字微镜元件上，并使数字微镜元件发出的光穿过该全内反射棱镜而发射出去；
第一反射装置以及第二反射装置，其分别设置于所述偏振分束器与所述分时轮之间的光路上，用于将所述偏振分束器的出射光耦合到所述分时轮中，所述第一反射装置反射的偏振光能够由所述分时轮反射到所述全内反射棱镜上，所述第二反射装置反射的偏振光能够透过所述分时轮入射到所述全内反射棱镜上。
2.如权利要求1所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述偏振分束器为金属栅格型偏振片。
3.如权利要求1所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述偏振分束器为偏振分光棱镜。
4.如权利要求1所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述偏振分束器的出射光包括偏振状态互相垂直的第一偏振光和第二偏振光。
5.如权利要求4所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述第一、二偏振光为S偏振光和P偏振光。
6.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多个检偏 器，该多个检偏器分别设置于偏振分束器与分时轮之间。
7.如权利要求7所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述检偏器为一个偏振片。
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全内反射棱镜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。
9.如权利要求1所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述分时轮的结构为将一个透明基底分成两个区，其中一个镀上对光反射的反射膜，而在另一个区上镀上可让光穿透的透射膜或者不镀任何膜。
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