CN101968573A

CN101968573A - 一种偏振式立体双投影光学系统

Info

Publication number: CN101968573A
Application number: CN2010102795819A
Authority: CN
Inventors: 黄凤仙
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2011-02-09

Abstract

一种实现偏振式立体双投影的光学系统，此系统包括一对偏光发生器，一对光调制器，以及一对投影对位器组成。偏光发生器包括了非偏振光源组件及偏振转换器件或者包括了偏振光源组件，光调制器包括了光阀或者还有偏振分束器，投影对位器包括了投射镜和对位调整机构。一对偏光发生器产生两束偏振方向相互垂直的线偏振光，然后分别经过各自的光调制器得到左右眼图像信息，通过投影对位器投射出具有互相垂直偏振方向特性的左右眼图像在屏幕上对位重合。从而人佩戴相应的偏光眼镜能够看到左右眼合成的立体图像。

Description

一种偏振式立体双投影光学系统

技术领域

本发明涉及一种偏振式立体双投影光学系统

背景技术

近年来，投影仪随着成本的降低，逐渐在商务会议，大型展示，家庭影院等很多方面占据了一席之地，且不断向高亮度，高解像度和小型化发展。目前主流显示终端除平面图像本身外无法显示任何图像景深信息，但在自然环境里人眼所观察的都是立体的世界，观看者有希望看到立体显示的需求，这样首先在高端影院里出现了立体显示的偏振式双投影系统。由于人眼睛间隔引起的左右眼看到物体表面的微小差别，而在大脑里合成具有的景深尺寸的立体图像，也通常称为三维或3D图像。立体显示设备可以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，借助于观看者佩戴的光学滤光镜，观看者的右眼看不到左眼图像，左眼看不到右眼图像，从而实现立体感。然而这种系统在成功地用于形成立体图像的同时，因为光学滤光镜的缘故，系统的光能量损失至少一半以上。因此，有必要解决目前这个偏振式立体双投影的光利用效率低的问题。

发明内容

本发明提供一种偏振式立体双投影光学系统，此系统投射出相互垂直偏振方向的偏振光，两台光引擎分别接受左右眼的图像信号输入后调制成各自的图像投影到金属屏幕上，从而人佩戴相应偏光眼镜以后左右眼分别看到了各自的图像，经大脑合成立体图像。

本发明也是一种高效利用光能的立体投影光学系统，传统的双投影光学系统都是采用偏光器件截取非偏振光中的其中一个偏振方向的光线，亮度损失一半以上。而本系统能够采用互相垂直偏振方向的双投影达到亮度无损的目的。

本发明也是一种成本较低的立体投影光学系统，由于效率高，同样投影画面大小同样立体亮度所需要的设备综合成本相对更低。

附图说明

图1是本发明提供的第一实施例的偏振式立体双投影光学系统的结构示意图。

图2是本发明提供的第二实施例的偏振式立体双投影光学系统的结构示意图。

图3是本发明提供的第三实施例的偏振式立体双投影光学系统的结构示意图。

图4是图2的立体双投影光学系统中的偏光转换器件的结构示意图。

图5是本发明提供的第四实施例的偏振式立体双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，为本发明提供的第一实施例的偏振式立体双投影系统的光学结构示意图。图上半部分左右两个虚框内是两台光引擎在不同坐标系下的平面图，左图是在xz坐标平面图，y坐标箭头从里向外。偏光发生器11由非偏振照明光源111，复眼透镜组合112，偏光转换器件113组成，照明光源111可以是LED，非偏振态激光等非偏振光源，发出的光会聚后经过复眼透镜组合112匀光，再经过偏光转换器件PCS光栅113转变成S线偏振光。应当理解，不使用复眼透镜组合，或者使用积分棒进行匀光，都不脱离本发明的范围。

光调制器12由反射式硅基液晶LCOS121和偏振分光棱镜122(又称PBS棱镜，Polarization Beam Splitter)组成，由偏光发生器11产生的S线偏振光通过PBS棱镜122反射S偏振光后照射到LCOS121(在这个坐标截面图中对应的是LCOS的长边)上，光经过LCOS调制后变成带有图像信息的P线偏振光。

投影对位器13由投射镜131和对位调整机构132组成，P线偏振光透过PBS棱镜经投射镜131投射出去成像在屏幕上，而对位调整机构132调整光引擎的位置来控制图像在屏幕上的相对位置。

右图是在yz坐标平面图，x坐标箭头从外向里。非偏振光源111的光线经过复眼透镜组合112匀光，再经过偏光转换器件PCS光栅113转变成S线偏振光，通过PBS棱镜122反射S偏振光后照射到LCOS121(在这个坐标截面图中对应的是LCOS的窄边)上，光经过LCOS调制后变成带有图像信息的P线偏振光经投射镜141投射出去，对位调整机构142可以调整投射镜或者光引擎的位置来控制图像在屏幕上的位置。两台光引擎放在同一个坐标系中按图1下半部分位置关系放置，图为xy坐标平面图，z坐标箭头从外向里，那么光线偏振方向是相互垂直的。投影画面可以由投影对位器13，14配合调整，使得聚焦重合在金属幕上。可以理解，对位调整机构是辅助实现两台光引擎的投影画面重合的结构件，不管是电动调整机构还是手动调整机构，不管是调整光阀和投射镜相对位置来改变两画面相对位置还是调整光引擎间相对位置来改变两画面相对位置，都不脱离本发明的范围。

所述偏光转换器件，是实现把光源发出的非偏振光转换成固定偏振方向的线偏振光的光学器件，可以是PCS光栅如图4左，也可以是SCP光栅如图4右等。PCS光栅原理是，非偏振光从光栅41侧入射，经过PCS膜42分离成S线偏振光和P线偏振光，S偏振光反射后经过反射膜43再次反射出去，P偏振光透过PCS膜后经过1/2波片转变成S偏振光再次透射出去。这样就完成了从非偏振光到S线偏振光的转变。SCP光栅原理是，非偏振光从光栅41侧入射，经过PCS膜42分离成S线偏振光和P线偏振光，S偏振光反射后经过反射膜43再次反射后经过1/2波片转变成P偏振光透射出去，P偏振光透过PCS膜后直接透射出去。这样就完成了从非偏振光到P线偏振光的转变。应当理解，PCS光栅，SCP光栅以及不同放置方法和不同配对关系，都只是一种偏光转换器件，只是示意性的，可以使用任一其他合适的偏光转换器件来实现非偏振光转换成偏振光功能，不脱离本发明的范围。

请参阅图2，为本发明提供的第二实施例的偏振式立体双投影系统的光学结构示意图。图示是在同一坐标系下两台光引擎的相对位置关系，如图2左，非偏振光源211的光线经过复眼透镜组合212匀光，再经过偏光转换器件PCS光栅213转变成S线偏振光，通过光调制器23调制后变成带有图像信息的P线偏振光经投射镜251投射到金属幕上。如图2右，非偏振光源221的光线经过复眼透镜组合222匀光，再经过偏光转换器件SCP光栅223转变成P线偏振光，光调制器24由LCOS242和线栅偏振片241(又称WGP偏振片，Wire Grid Polarizer)组成。偏光发生器22产生P线偏振光，透过线栅偏振片241后照射到LCOS242上，经过LCOS调制后变成带有图像信息的S线偏振光再由线栅偏振片反射，经投射镜251投射到金属幕上。同实例一所述一样，两台光引擎的相对位置可以由对位调整机构252或者手动校正，使得两个投影画面基本重合在金属幕上。观察者在佩戴上相应的线偏光眼镜时，左眼将只能看到左投影机投射出的图像，右眼同样只能看到右投影机投射出的图像，从而在大脑中形成立体图像。

请参阅图3，为本发明提供的第三实施例的偏振式立体双投影系统的光学结构示意图。图示中两台光引擎在同一坐标系中，图左侧光引擎的光源311经过复眼透镜组合312匀光，再将PCS光栅313转换成S线偏振光。光调制器33是穿透式液晶LCD33，偏光发生器31产生S偏振光经由LCD33调制后变成携带光信息的P线偏振光出射，通过投射镜341投影到金属幕上。图右侧光引擎的PCS光栅323与图左侧光引擎的PCS光栅313在xy平面内是互相垂直的，光源321经过复眼透镜组合322匀光，再将PCS光栅323转换成P线偏振光，经由LCD33调制光信息后变成S线偏振光出射，通过投射镜341投影到金属幕上，从而两台光引擎的出射光仍然是偏振方向互相垂直的。对位调整机构342工作原理同第一、第二实施例，在此不再重述。

请参阅图5，为本发明提供的第四实施例的偏振式立体双投影系统的光学结构示意图。图示中光源511是偏振态激光光源，可以是全固态高功率激光。由于光源本身发出的是线性偏振光，所以通过控制光源可以容易在xz平面内实现产生S偏振光的目的。偏光发生器51由偏振态光源511，扩束器512，复眼透镜组合513组成，光源511通过扩束器512扩束整形后经过复眼透镜组合513匀光，再经由光调制器52调制成带有信息的P偏振光，通过投影对位器53投影到屏幕上成像。立体投影实现原理由于同第一实施例相似，不再一一重述了。可以理解，针对激光光源增加的扩束，整形，消相干器件，都可以视为偏光发生器的一个组成部分，不脱离本发明的范围。

另外，本人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

1.一种立体双投影光学系统，其特征是：两台光引擎中，包含一对偏光发生器，一对光调制器，以及一对投影对位器。偏光发生器产生两束偏振方向相互垂直的偏振光，偏振光经过各自的光调制器调制后，带有各自图像信息的光线经过投影对位器投影到观看面上并使图像重合，出射光仍然是偏振方向相互垂直的偏振光。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征是：偏光发生器为非偏振光源组件和偏振光源组件中的一种。

3.如权利要求2所述的光学系统，其特征是：非偏振光源组件中光源是LED等非偏振光源。偏振光源组件中光源是全固态激光等偏振光源。

4.如权利要求2所述的光学系统，其特征是：非偏振光源组件中还包含偏光转换器件，用于将非偏振光转换为偏振光。

5.如权利要求1所述的光学系统，其特征是：一对偏光发生器发出的光线是偏振方向相互垂直的偏振光。

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征是：光调制器是穿透式液晶LCD，或者是反射式硅基液晶LCOS和偏振分束器的组合中的一种。

7.如权利要求6所述的光学系统，其特征是：偏振分束器用于改变S偏振光光路方向。

8.如权利要求1所述的光学系统，其特征是：投影对位器包括投射镜和对位调整机构。

9.如权利要求8所述的光学系统，其特征是：对位调整机构具有调整投影图像在观看面上对位重合的作用。