CN102301275B - 用于在中间像面使用空间复用的立体投影系统和方法 - Google Patents

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Abstract

所提出的是总地提供立体图像的投影系统的各种实施方案。所述投影系统用于分开在立体图像帧中的空间上分离的图像，并且在投影屏幕上叠加具有正交偏振态的左眼图像和右眼图像。一般地，所述实施方案非常适合于基于液晶偏振的投影系统并且可以使用先进的偏振控制。

Description

用于在中间像面使用空间复用的立体投影系统和方法
相关申请的变叉引用：本专利申请涉及并要求Robinson等人于2008年12月1日递交的、题目为“用于立体投影的方法和系统(Methods and systems for stereoscopicprojection)”的临时专利申请No.61/119,014的优先权，其通过引用被并入本文。本专利申请还涉及并要求Schuck等人于2009年10月6日递交的、题目为“在中间像面使用空间复用的立体投影系统(Stereoscopic projection system employing spatial multiplexing at anintermediate image plane)”的临时专利申请No.61/249,018的优先权，其通过引用也被并入本文。本专利申请还涉及并要求Schuck等人于2009年10月30日递交的、题目为“在中间像面使用空间复用的立体投影系统(Stereoscopic projection system employing spatialmultiplexing at an intermediate image plane)”的临时专利申请No.61/256,854的优先权，其通过引用也被并入本文。
背景
技术领域
所公开的实施方案总地涉及立体投影系统，并且更具体地，涉及输出偏振编码的左眼图像和右眼图像的立体投影系统。
背景技术
立体投影始于二十世纪早期并且在二十世纪五十年代首次出现在影院中。这些系统是基于胶片的并且被在机械上限定为最适中的～24Hz的帧率。如此一来，则不可能使用提供无闪烁的顺序的左眼图像和右眼图像的时间方法来进行立体处理。因此，实施了在空间上复用的图像显示系统。一些包括分开的投影仪，而其他的则采用了其中每帧都包括在空间上分开的左眼图像和右眼图像的单个投影仪。在这后一种情况中使用了复杂的帧分割光学器件，以使图像在屏幕上顺利地叠加。如L.Lipton在Van Nostrand-Reinhold于1982年出版的《立体影院基础(Foundations of the Stereoscopic Cinema)》第260页的附录7(其通过引用被并入本文)中所论述的，开发出了许多系统并且其中一些在商业上获得了成功。不幸的是，在二十世纪下半叶，立体体验的质量尚不足以吸引消费者，导致回归到2D影院。
近来，立体投影已经利用包括捕获、分布和显示在内的高质量先进的数字仪器而被复兴。迄今为止，RealD已经开发并安装了最成功的投影系统。基于德州仪器的数字光处理(DLP)技术，系统以无闪烁率提供时序的左眼图像和右眼图像。在投影路径中并入偏振开关提供顺序的左眼图像和右眼图像，以通过无源的偏振眼睛进行观看。然而，基于DLP技术的系统可以提供良好质量的立体图像，也可以考虑可替换的投影平台(例如基于液晶(LC)调制的那些)。基于LC投影仪的平台的令人期待的特征在于潜在地提供改善的分辨率、运动再现(motion rendition)以及光学偏振效率。然而目前，单个LC投影仪并不提供具有足够帧率的时序图像来允许时间上的左眼/右眼偏振调制。
发明内容
公开了用于立体投影的立体投影系统和方法。
总地，根据一个方面，该立体投影系统可以包括中继透镜子系统、分光子系统以及投影透镜子系统。该中继透镜子系统可操作来从输入光路接收立体图像帧并且将该立体图像帧传递到中间像面。该立体图像帧可以包括第一图像区域的光和第二图像区域的光。该分光子系统可操作来从该中间像面接收该立体图像帧并且使该第一图像区域的光和该第二图像区域的光分开，从而在第一图像光路上引导该第一图像区域的光，并且在第二图像光路上引导该第二图像区域的光。该投影透镜子系统可操作来朝屏幕引导该第一图像区域的光和该第二图像区域的光。
根据另一个方面，立体投影的方法可以包括从投影仪光学地接收立体图像帧，使第一图像区域的光和第二图像区域的光分开，在第一光路上引导该第一图像区域的光，在第二光路上引导该第二图像区域的光，以及将该第一光路的光和该第二光路的光朝屏幕聚焦。该立体图像帧包括第一图像区域的光和第二图像区域的光。在另一个方面，该第一图像区域的光与该第二图像区域的光基本上重叠。
参照具体实施方式、附图以及所附的权利要求书，本公开的其他方面将会是明显的。
附图说明
图1为根据本公开的立体投影系统的示意图；
图2为根据本公开的立体投影系统的方框图；
图3为根据本公开的立体投影系统的示意图；
图4A为根据本公开的左/右并排式(side-by-side)图像的示意图；
图4B是根据本公开的变形地叠合在屏幕上的左/右并排式图像的示意图；
图5为根据本公开的立体投影系统的示意图；
图6为根据本公开的立体投影系统的示意图；
图7为根据本公开的立体投影系统的示意图；
图8为根据本公开的立体投影系统的示意图；
图9为根据本公开的立体投影系统的示意图；
图10为根据本公开的立体投影系统的示意图；
图11为根据本公开的立体投影系统的示意图；
图12为根据本公开的立体投影系统的示意图；以及
图13为根据本公开的立体投影系统的示意图。
具体实施方式
为解决上述使用单个LC投影仪的缺陷，可以结合复杂的偏振、电子和光学操控使用单独的帧分割子系统。因此，本文所公开的立体帧分割系统的实施方案总地包括三个部分：形成实中间像的中继子系统；分离实像的两个区域的分光子系统；以及利用反向偏振(opposite polarization)创建重叠的屏幕图像的投影子系统。
图1为立体投影系统100的示意图。在实施方案中，系统100包括中继透镜子系统106、分光子系统108以及投影子系统110。
在操作中，系统100在中继透镜子系统106接收来自在输入光路104上的投影子系统120的光。投影子系统120可以包括，但不限于，LC投影系统或DLP投影系统。分光子系统108接收来自在中间光路107上的中继透镜子系统106的光。分光子系统可操作来将中间光路107分为第一图像光路105和第二图像光路109。投影透镜子系统110在第一和第二图像光路105、109上接收来自分光子系统108的光，并且将光输出至屏幕130。
在实施方案中，投影透镜子系统110包括第一和第二投影透镜111、112。第一和第二投影透镜111、112将第一和第二输出光路115、119输出到屏幕130上。
在另一实施方案(未示出)中，投影透镜子系统110可以包括单个透镜。在另一实施方案中(未示出)，投影透镜子系统110可以包括多于两个透镜。
图2为立体投影系统200的方框图。立体投影系统200包括中继透镜子系统202、分光子系统204以及投影透镜子系统206。在实施方案中，立体投影系统200还可以包括视听源220、控制器子系统222以及投影子系统224。投影子系统224可以包括，但不限于，LC投影系统或DLP投影系统。
在操作中，视听源220提供视听信号221至立体投影系统200。控制器子系统222将信号发送至投影子系统224。投影子系统224在输入光路201上对图像对进行投影。中继透镜子系统202接收输入光路201并且输出中间光路203。分光子系统204接收中间光路203并且输出第一图像光路205和第二图像光路209。投影透镜子系统206接收第一和第二图像光路205、209。
在实施方案中，投影透镜子系统206包括第一投影透镜207和第二投影透镜208。第一投影透镜207将第一输出光路215输出到屏幕230上。第二投影透镜将第二输出光路219输出到屏幕230上。
在另一实施方案中，投影透镜子系统206可以包括图像组合元件(未示出)和单个投影透镜(未示出)。图像组合元件(未示出)接收第一和第二图像光路205、209并且单个投影透镜(未示出)将组合的图像光路投影到屏幕230上。
在另一实施方案中，投影透镜子系统206包括多于两个投影透镜并且可以包括至少一个图像组合元件。
在实施方案中，控制器子系统222接收视听信号221并且输出控制信号223。控制器子系统222可操作来经由控制信号223与投影子系统224、中继透镜子系统202、分光子系统204以及投影透镜子系统206同步。控制器子系统222可操作来发送控制信号并且从各种子系统中的任一个接收反馈信号，来调整它们各自的光学特性。控制器可以从传感器、视听源220和/或使用者来输入获取输入以进行调整(例如，在屏幕230上聚焦或校正立体投影仪器)。
在另一实施方案中，系统206为无源系统并且不包括有源开关部件。因此，在该实施方案中，系统206不包括同步信号。
假设本文所公开的中继透镜子系统(例如，图1中的106或图2中的202)是保偏的并且可操作来与投影透镜子系统(例如，图1中的110或图2中的206)并行工作，来以距透镜输出适度的距离提供大致为面板大小(panel-sized)的中间像。然而中继透镜子系统针对所有的实施方案都被呈现为黑盒子，并且其设计并不特定于本文所公开的内容，可以在2008年5月9日提交的、题目为“用于立体投影的偏振转换系统和方法(Polarizationconversion system and method for stereoscopic projection)”的被共同转让的专利申请No.12/118,640中获知中继系统的实例，该申请通过引用被并入本文。以类似的方式，假设用于将中间像中继转送到屏幕上的投影光学器件是常规的并且没有提供具体的设计，因为这些与本公开不是密切相关的。在某些实施方案中(例如，在具有单个投影透镜的实施方案中)，可以使用保偏投影透镜。保偏投影透镜的实例由L.Sun等人在国际光学工程学会的会议论文集(Proc.SPIE)第6288卷中的“用于偏振敏感系统的低双折射透镜设计(LowBirefringence Lens Design for Polarization Sensitive Systems)”中论述，其通过引用被并入本文。
一般地，本公开的偏振方面包括调节用于使输出图像有效分开和对其进行编码的光。一般地，电子方面包括使图像预失真以当只有一半区域被分配全屏幕图像时适应光学像差并且允许变形成像技术保持原始面板的纵横比。一般地，电子对准技术可以被用于屏幕上的图像对准。一般地，本公开的光学方面涵盖物理上分离针对左眼图像和右眼图像中的每个的光路的技术(例如，图1中的分光子系统108或图2中的204)。在实施方案中，该分束架构(splitting architecture)被扩展来在投影之前使得左眼图像和右眼图像的叠合成为可能。
在实施方案中，假设的是投影仪提供圆偏振的光，其中绿光具有与红光和蓝光相反的旋向性(handedness)。这一点是使用组合X-cube的三个液晶面板投影仪的特点。源自该元件的颜色相关的线偏振以常规的方式被变换为圆偏振，以避免来自投影透镜的可能会影响ANSI对比度的背向反射(back reflection)。针对奇绿光波长的左旋向偏振或右旋向偏振的精确分配是任意的，但可以被正确地预调节。在此假设的是，和市场上大部分商用投影仪一样，有效修正可以使用交叉匹配的延迟片。尽管适合混合的圆偏振输出，系统实施方案不应被限制到假设为源自投影仪的精确的偏振态。因为等同输入偏振的创建可以容易地由可用部件提供，本文所涵盖的概念可以被应用到可替换的投影仪(例如，DLP等)。例如，ColorSelect技术可以在所限定的波长相关偏振态之间进行映射，并且在被共同转让的美国专利No.5,751,384中被描述，其通过引用被并入本文。
图3为立体投影系统300的示意图。立体投影系统300可以包括投影仪302、中继透镜304、分像(image splitting)元件306、第一投影透镜308以及第二投影透镜310。在该示例性实施方案中，系统300还可以包括用于重新引导第一和第二图像光路328、326的反射镜316，以致所述光路平行于中继透镜304和投影透镜308、310。
在操作中，中继透镜304接收来自输入光路320上的投影仪302的光。中继透镜304将中间光路322朝分像元件306输出。分像元件306可操作来将中间光路322分为第一图像光路328和第二图像光路326。分像元件306将第一和第二图像光路328、326朝第一和第二投影透镜308、310输出。第一和第二投影透镜308、310接收第一和第二图像光路328、326并且将第一和第二输出光路329、330朝屏幕350输出。在该示例性实施方案中，旋转器332被置于第一投影透镜308和屏幕350之间的第一输出光路329中。旋转器332可以包括消色差偏振旋转器元件(例如，以45°定向的消色差半波片)。消色差偏振旋转器元件332可操作来旋转第一输出光路329的偏振，以致第一和第二输出光路329、330具有反向偏振。然后，与两个光束相关联的左眼图像和右眼图像使用分开的透镜被投影和叠加到保偏屏幕上。
在实施方案中，来自投影仪302的被中继转送的输入光路320可以为圆偏振的图像光。来自投影仪302的被中继转送的圆偏振中间像334可以使用保偏分像元件306(例如，高反射银反射镜)被光学地分为两个光束。一个光束的偏振使用消色差偏振变换器332(例如，以45°定向的消色差半波片)被变换到其正交态。然后，与两个光束相关联的左眼图像和右眼图像使用分开的投影透镜308、310被投影(在第一和第二输出光路329、330上)和叠加到保偏屏幕350上。
投影系统300的优势包括最少的偏振操控和最少的特定光学硬件。利用该方法，图像的洋红和绿颜色分量源自不同的光束和投影透镜。如此，投影系统300可以使用细致的图像会聚，例如使用潜在图像(underlying image)的手动或电子操纵来获得适合的图像会聚。
使用常规的光学器件，投影系统300可能会是不足的。例如，用于分离中间像的左眼区和右眼区的屏幕图像的纵横比可能会留有仍会被照射的空白区域。这可能会是当屏幕形状(screen aspect)接近匹配整个投影面板时发生的情况。为避免这种潜在的光损失，更好的是，使图像在投影仪的面板上失真以填充整个被照射的区域，并且然后利用变形的投影恢复所需的纵横比。
图4A为有效的并排式失真图像400当被有效地显示在LC面板上时的示意图。并排式失真图像400包括左眼图像402和右眼图像404。尽管以并排方式绘制，但对本领域普通技术人员来说应当是明显的是，该实施方案还可以应用于上下方式。
图4B为由左眼图像402和右眼图像404的平行变形投影获得的最终叠加的图像450的示意图。
回过来参照图3，在可替换的实施方案中，可以在中继透镜304中实施变形成像，来针对左眼图像和右眼图像中的每个提供具有修正形状的中间像334。在这种情况下，在复杂中继系统中期望的失真可以使用电子修正，或者更好的，使用关于光轴成对的图像的相对倒置(inversion)。然后，可以使用如L.Lipton由Van Nostrand-Reinhold于1982年出版的《立体影院基础(Foundations of the Stereoscopic Cinema)》第260页的附录7(其通过引用被并入本文)中所论述的旋转分离棱镜(未示出)实现图像中的一个的旋转。
还可以在投影透镜308、310中实施变形成像或者在投影透镜308、310之后使用变形无焦转换器附件。
图5为立体投影系统500的示意图。立体投影系统500可以包括投影仪502、中继透镜504、分像元件506、第一投影透镜508以及第二投影透镜510。
在操作中，中继透镜504接收来自输入光路520上的投影仪502的光。中继透镜504在中间光路522上将光朝分像元件506的输入处的中间像面534输出。分像元件506可操作来将中间光路522上的光分为第一图像光路528和第二图像光路526。在实施方案中，分像元件506可以为全内反射(TIR)棱镜516。TIR棱镜516可操作来将在第一和第二图像光路528、526之间的中间光路522上的光分开，并且重新引导第一和第二图像光路528、526，以致其相对于中继透镜504和投影透镜508、510是平行的。分像元件506在第一和第二图像光路528、526上将光朝第一和第二投影透镜508、510输出。第一和第二投影透镜508、510接收第一和第二图像光路528、526上的光并且在第一和第二输出光路529、530上将光朝屏幕550输出。在实施方案中，旋转器532被置于第一投影透镜508和屏幕550之间的第一输出光路529中。旋转器532可以包括消色差偏振旋转器元件(例如，以45°定向的消色差半波片)。在操作中，消色差偏振旋转器元件532可操作来旋转第一输出光路529上的光的偏振，以致第一和第二输出光路529、530上的光具有反向偏振。然后，与两个光束相关联的左眼图像和右眼图像使用分开的透镜被投影和叠加到保偏屏幕上。
在实施方案中，立体投影系统500还可以包括如所示地被布置在投影仪502和中继透镜504之间的匹配波片512。可替换地，匹配波片512可以被置于中继透镜504和分像元件506之间，靠近中间像面534。作为另一可替换的方式，第一匹配波片512被置于投影仪502和中继透镜504之间(如示出的)，并且第二匹配波片512被置于中继透镜504和分像元件506之间，靠近中间像面534。为获得经过分束元件的更好保偏效果，线偏振光可以被射入系统。在实施方案中，分像元件506可以包括非理想的分离反射镜。在此，为重新引导圆偏振光束，几何结构可以使用偏振混合，特别是当使用全内反射(TIR)棱镜516的时候。在实施方案中，TIR棱镜因其较高的反射性和较小的物理尺寸而优选于反射镜。对s-偏振分量和p-偏振分量之间的反射所赋予的相位延迟将偏振快速变换为与传播相关的状态。一般地，这导致被投影图像的非均匀性，这可以通过引入强度和位(bit)深度损失来修正。为减少这些作用，可以在进入系统之前创建线偏振态。偏振可以在很大程度上得到保持，因为这些状态将会与出现于成像系统中的大部分光线的s-本征态或p-本征态非常相像。
图6为立体投影系统600的示意图，该立体投影系统600使用在进入系统600之前创建的线偏振态。立体投影系统600可以包括投影仪602、中继透镜604、分像元件606、第一投影透镜608以及第二投影透镜610。
在实施方案中，立体投影系统600还可以包括匹配波片612，波长选择性偏振滤波片618(例如，如专利No.5,751,384和No.5,953,083(其通过引用被并入本文)中所教导的ColorSelect滤波片)、线偏振器640和/或45°四分之一波片632。
在操作中，中继透镜604接收来自输入光路620上的投影仪602的光。在实施方案中，如所示地布置，匹配波片612和波长选择性偏振滤波片618被置于投影仪602和中继透镜604之间的输入光路620上。可替换地，匹配波片612可以被置于中继透镜604和分像元件606之间，靠近中间像面634。作为另一可替换的方式，第一匹配波片612被置于投影仪602和中继透镜604之间(如示出的)，并且第二匹配波片612被置于中继透镜604和分像元件606之间，靠近中间像面634。中继透镜604将中间光路622朝分像元件606的输入处的中间像面634输出。分像元件606可操作来将中间光路622分为第一图像光路628和第二图像光路626。在实施方案中，分像元件606可以为全内反射(TIR)棱镜616。TIR棱镜616可操作来将中间光路622分为第一和第二图像光路628、626，并且重新引导第一和第二图像光路628、626，以致其相对于中继透镜604和投影透镜608、610是平行的。分像元件606将第一和第二图像光路628、626朝第一和第二投影透镜608、610输出。第一和第二投影透镜608、610接收第一和第二图像光路628、626并且将第一和第二输出光路629、630朝屏幕650输出。在该示例性实施方案中，线偏振器640被置于第一和第二投影透镜608、610和屏幕650之间的第一和第二图像光路628、626中的至少一个中；并且45°四分之一波片632被置于第一和第二投影透镜608、610和屏幕650之间的第一和第二图像光路628、626中的至少一个中。
如上所述的，立体投影系统600可以包括波长选择性偏振滤波片618(例如，ColorSelect偏振滤波片)以创建线偏振输入光束620，所述线偏振输入光束620在整个系统中被保持并且为了良好的偏振保真度在系统输出629、630处被清除(clean up)并且被圆偏振地编码。为与现用系统的容许头倾斜(head tilt tolerant)圆偏振相兼容，可以在投影透镜608、610的输出处引入正交定向的四分之一波片632，其中消色差旋转器元件被移除。如上所述的，出于效率考虑还可以引入消色差成像技术。
低串扰立体系统所期望的偏振完整性(polarization integrity)取决于基本上整个光学系统的保偏效果。尽管这对于一些系统来说可能是充分的，为获得高端性能，清除步骤是优选的。在实施方案中，中性线偏振器640可以被引入第一和第二输出光路629、630以清除偏振。立体投影系统600使用波长选择性偏振滤波片618选择性地将绿光偏振变换为红光和蓝光的偏振(因而，光束具有基本上一致的偏振)。创建一致偏振的白光光束的附加优点在于，针对左眼和右眼最终所投影的图像并不使用经由透镜移动进行的内部对准。换言之，左眼图像和右眼图像将会使其颜色分量独立于透镜对准而被对准。只有敏感程度小的多的相对对准会通过机械或电子操纵来确定。在实施方案中，用于绿光变换滤波片的优选位置在系统600中将会是更靠前的而不是更靠后的，以致右眼图像或左眼图像的颜色分量遵循相同的路径通过光学系统。等同路径可以避免任一个图像中的不期望的颜色相关失真。
图7为立体投影系统700的示意图，该立体投影系统700在TIR棱镜中包括偏振变换部件。立体投影系统700可以包括投影仪702、中继透镜704、分像元件706、第一投影透镜708以及第二投影透镜710。
在该示例性实施方案中，立体投影系统700还可以包括匹配波片712、波长选择性偏振滤波片718、偏振变换器760、棱镜716、线偏振器740和/或45°四分之一波片732。
在操作中，中继透镜704接收来自输入光路720上的投影仪702的光。匹配波片712和波长选择性偏振滤波片718可以被置于投影仪702和中继透镜704之间的输入光路720上。可替换地，匹配波片712可以被置于中继透镜704和分像元件706之间，靠近中间像面734。作为另一可替换方式，第一匹配波片712被置于投影仪702和中继透镜704之间(如示出的)，并且第二匹配波片712被置于中继透镜704和分像元件706之间，靠近中间像面734。中继透镜704将中间光路722朝分像元件706的输入处的中间像面734输出。分像元件706可操作来将中间光路722分为第一图像光路728和第二图像光路726。在该示例性实施方案中，分像元件706可以为棱镜716。棱镜716可操作来将中间光路722分为第一图像光路728和第二图像光路726并且重新引导第一和第二图像光路728、726，以致其相对于中继透镜704和投影透镜708、710是平行的。在另一实施方案中，棱镜716还可以包括偏振变换器760。偏振变换器760可操作来变换偏振态(例如，从p-偏振本征态变换为s-偏振本征态)。分像元件706将第一和第二图像光路728、726朝第一和第二投影透镜708、710输出。第一和第二投影透镜708、710接收第一和第二图像光路728、726并且将第一和第二输出光路729、730朝屏幕750输出。在实施方案中，线偏振器740被置于第一和第二投影透镜708、710和屏幕750之间的第一和第二图像光路728、726中的至少一个中；并且45°四分之一波片732被置于第一和第二投影透镜708、710和屏幕750之间的第一和第二图像光路728、726中的至少一个中。
上述的系统700在全内反射(TIR)棱镜716中包括偏振补偿和偏振变换部件760，造成TIR棱镜内改善的偏振保持。即使利用线偏振，TIR反射可以针对图6的示意图中的平面内的光线保偏。对于该平面之外的所有光线，s-偏振轴和p-偏振轴相对于输入偏振定向以几何的方式被旋转。全内反射(TIR)的显著相位差可能会造成椭圆性。在该实施方案中，其中单个棱镜716的两个反射面基本上是平行的，s-偏振轴和p-偏振轴的定向基本上是相同的，并且净相位差是第一反射所赋予的二倍。针对所有光线方向的s-轴和p-轴的该精确几何对准使得能够通过轴交换(axis swapping)来修正该去偏振。可能的是，通过在两次反射之间的光路中(即，棱镜716内部)引入特定偏振变换元件760，将s-偏振分量和p-偏振分量交换而不影响其相对相位。然后，针对基本上所有的光线，发生在第二TIR面762的反射在s-回向(returning)线偏振和p-回向线偏振之间引入反向相位差。在实施方案中，变换部件760由独立于部件的定向而创建90°偏振变换的延时片堆构成，并且该变换部件760在Robinson等人由Wiley & Sons于2004年出版的《用于LCD投影的偏振工程(Polarization Engineering for LCD Projection)》第6章(其通过引用被并入本文)中被详细描述。
图8为立体投影系统800的示意图，该立体投影系统800包括空间偏振操纵和偏振光束分束。立体投影系统800可以包括投影仪802、中继透镜804、分像元件806、第一投影透镜808以及第二投影透镜810。
在实施方案中，立体投影系统800还可以包括匹配波片812、波长选择性偏振滤波片818、偏振变换器860、线偏振器840、消色差旋转器834和/或45°四分之一波片832。
在操作中，中继透镜804接收来自输入光路820上的投影仪802的光。在实施方案中，匹配波片812和波长选择性偏振滤波片818被置于投影仪802和中继透镜804之间的输入光路820上。可替换地，匹配波片812可以被置于中继透镜804和分像元件806之间，靠近中间像面834。作为另一可替换的方式，第一匹配波片812被置于投影仪802和中继透镜804之间(如示出的)，并且第二匹配波片812被置于中继透镜804和分像元件806之间，靠近中间像面834。中继透镜804将中间光路822朝分像元件806的输入处的中间像面834输出。分像元件806可操作来将中间光路822分为第一图像光路828和第二图像光路826。在实施方案中，分像元件806包括偏振光束分束器886。偏振光束分束器(PBS)886被置于输入光路822的一部分中。结果，中间光路822的一部分朝第二投影透镜810通过PBS 886(成为具有很少光学变换或没有光学变换的第二图像光路826)，而中间光路822的通过PBS 886的另一部分在反射器816处被反射，并且朝第一投影透镜808被输出(成为第一图像光路828)。反射器816可以为反射镜、PBS、TIR棱镜表面或者任何其他适合的反射元件。
在实施方案中，系统800还包括置于中继透镜804和PBS 886之间的中间光路822的一部分上的偏振变换器860。分像元件806将第一和第二图像光路828、826朝第一和第二投影透镜808、810输出。第一和第二投影透镜808、810接收第一和第二图像光路828、826，并且将第一和第二输出光路829、830朝屏幕850输出。在实施方案中，线偏振器840被置于第一和第二投影透镜808、810和屏幕850之间的第一和第二图像光路828、826中的至少一个中；并且45°四分之一波片832被置于第一和第二投影透镜808、810和屏幕850之间的第一和第二图像光路828、826中的至少一个中。消色差旋转器834可以被置于第一和第二投影透镜808、810和屏幕850之间的第一和第二图像光路828、826中的至少一个中。
在本示例性实施方案中，偏振完整性通过使用PBS 886替代反射分束元件(例如，图3、5、6和7中所示的反射分束元件)来保持。通过以这种方式使光束分开，使用单对反射面。如图8所示的，以其最简单的形式，这赋予通道之间的光路差。在中间像834和底部投影透镜810之间引入额外的玻璃(glass)可以将光路匹配到透镜。到屏幕850的路径长度中的最终差在射程(throw)大的影院系统中是可以被容许的。在较短射程的情况中可以使用去放大(De-magnifying)修正光学器件，或者可替换地，在面板处可以使用电子修正。在实施方案中，四分之一波片832可以被移除并且从而系统800被变换为一个传递被投影的线偏振光的系统。对该示例性实施方案的另一种变通是在发生TIR反射的反射面816处引入附加的PBS界面。具有两次顺序的PBS反射可以充分降低不期望的p-偏振泄露的水平，从而在透镜输出处不使用有损失的清除偏振器(clean-up polarizer)。
图9为立体投影系统900的示意图。系统900可以包括投影元件902、中继透镜904、分像元件906、图像组合元件910以及投影透镜908。
在操作中，中继透镜904接收来自输入光路920上的投影仪902的光。在实施方案中，匹配波片912和波长选择性偏振滤波片918被置于投影仪902和中继透镜904之间的输入光路920上。可替换地，匹配波片912可以被置于中继透镜904和分像元件906之间，靠近中间像面934。作为另一可替换的方式，第一匹配波片912被置于投影仪902和中继透镜904之间(如示出的)，并且第二匹配波片912被置于中继透镜904和分像元件906之间，靠近中间像面934。中继透镜904将中间光路922朝分像元件906的输入处的中间像面934输出。分像元件906可操作来将中间光路922分为第一图像光路928和第二图像光路926。在实施方案中，分像元件906包括反射镜907。初始的一组反射镜917(即，接收中间光路922的两个反射镜907)将中间光路922分为第一和第二图像光路928、926。然后，第二组反射镜927(即，从初始的该组反射镜917接收第一和第二图像光路928、926的两个反射镜907)将第一和第二图像光路928、926朝图像组合元件910反射。在实施方案中，图像组合元件包括偏振光束分束器。消色差旋转器可以被置于第二组反射镜927的一个或二者和PBS 910之间的第一和第二图像光路928、926中的一个或二者中。PBS 910可操作来将第一和第二图像光路928、926组合为第三图像光路938。投影透镜908接收第三图像光路938并且将输出图像光路948朝屏幕(未示出)投影。
在实施方案中，系统900包括在被单个透镜908投影之前在PBS 910的界面处实现的反向偏振的左眼图像路径和右眼图像路径(例如，第一和第二图像光路928、926)的叠合。通过编码具有正交偏振的两个图像并且将其对称地引导到偏振光束分束元件910中，这两个图像似乎是源自同一平面的。然后，单个保偏投影透镜908可以将图像投影到屏幕上。
所投影的光束948以相对于原始投影方向成45°地输出。额外的折光反射镜和/或棱镜可以被引入来避免这样做，但为更清楚起见已经从附图中省略。再者，偏振旋转器元件934可能引入光路不匹配，该光路不匹配在实践中可以在顶部入口处利用虚设材料(dummymaterial)被匹配至PBS 910。对该实施方案的细微修改包括出于效率和尺寸原因，使用TIR反射玻璃棱镜替代反射镜。再有，出于效率目的，采用具有适当修正的变形成像。这包括与中继透镜一同使用布拉维系统(Bravais system)，或者在投影透镜之后使用变形无焦转换器。
本系统的优势在于使外部透镜操纵最少化的图像内部对准。系统大小、成本和操作的复杂度也是显著的优势。
布拉维系统
如W.Smith在McGraw-Hill于1990年出版的《现代光学工程(Modern OpticalEngineering)》(描述电影制作中的布拉维光学器件的使用)第272页(出于各种目的，其通过引用被并入本文)所论述的，布拉维光学系统已经被用来沿图像的一个方向提供变形拉伸或压缩。一般地，布拉维系统包括被分离有限距离并且位于透镜系统的有限轭距(finite conjugate)内的正和反柱形元件。
布拉维系统可以邻近面板被插入，靠近中继透镜输出或者靠近投影透镜输入。在某些情况下，偏振和颜色操控光学器件可能会使得邻近面板插入布拉维光学器件变得困难。靠近投影透镜实现的布拉维系统也会变得困难。布拉维系统使投影透镜后焦距(BFL)变短，而对于插入PBS、分束棱镜以及反射镜而言，长BFL是优选的。
图10为包括布拉维光学器件1008的立体投影系统1000的示意图。系统1000包括面板1002(或者被置于面板1002之后)；中继透镜1006；分像子部分1040；以及投影透镜子系统1050。系统1000还可以包括被设置于邻近中继透镜1006的四分之一波片1004和/或被设置于邻近投影透镜子系统1050中的至少一个投影透镜1016、1018的四分之一波片1014。
在操作中，中继透镜1006从面板1002接收光。中继透镜1006将该光输出到布拉维光学器件1008。布拉维光学器件1008将光输出到中间像板1010。在实施方案中，在中间像板1010处，由面板1002输入的光已经被布拉维光学器件1008垂直地放大两倍(2x)并且水平地放大一倍(1x)。接着，中间像光被分像子系统1040分开。在实施方案中，分像子系统1040包括用于将中间像光分开的两个棱镜1012、1013。两个棱镜1012、1013将光输出到投影透镜子系统1050。在实施方案中，投影透镜子系统1050包括两个投影透镜1016、1018。每个投影透镜1016、1018从棱镜1012、1013中的一个接收光，并且每个投影透镜1016、1018输出分离的图像。在另一实施方案中，投影透镜子系统1050包括图像组合元件(未示出的)并且仅包括单个投影透镜。图像组合元件将从棱镜1012、1013接收的光组合为一个光束并且单个投影透镜对该光进行投影。
在实施方案中，四分之一波片1004可以被置于面板1002和中继透镜1006之间。在另一实施方案中，四分之一波片1014可以被置于至少一个棱镜1012、1013和投影透镜1016、1018之间。
布拉维1008可以被放置在中继透镜1006之后并且在分束棱镜1012、1013之前。在该示例性实施方案中，布拉维1008将中间像在垂直方向上放大两倍(2x)并且在水平方向上放大一倍(1x)，允许全面板尺寸被用于3D模式。在实施方案中，布拉维1008被移除，并且分束棱镜1012、1013和投影透镜1016、1018被垂直地平移，以致整个中间像通过单个TIR棱镜和单个投影透镜，来自面板的全分辨率图像可以被用于2D展示。
外部变形无焦转换器
图11为立体投影系统1100的示意图。系统1100可以包括面板1102(或者被置于面板1102之后)；中继透镜1106；分像子部分1140；以及投影透镜子系统1150。系统1100还可以包括被设置于邻近中继透镜1106的四分之一波片1104和/或被设置于邻近投影透镜子系统1150中的至少一个投影透镜1116、1118的四分之一波片1114。在实施方案中，投影透镜子系统包括变形无焦转换器1120。
在操作中，中继透镜1106从面板1102接收光。中继透镜1106将该光输出到中间像面1110。中间像光被分像子系统1140分开。在实施方案中，分像子系统1140可以包括用于将中间像光分开的两个棱镜1112、1113。两个棱镜1112、1113将光输出到投影透镜子系统1150。在实施方案中，投影透镜子系统1150包括两个投影透镜1116、1118。每个投影透镜1116、1118从棱镜1112、1113中的一个接收光，并且每个投影透镜1116、1118输出分离的图像。在实施方案中，变形无焦转换器1120被置于每个投影透镜1116、1118之后。在实施方案中，四分之一波片1104可以被置于面板1102和中继透镜1106之间。在另一实施方案中，四分之一波片1114可以被置于至少一个棱镜1112、1113和投影透镜1116、1118之间。
外部变形无焦转换器1120可以改善系统的流明输出。如图11所示，转换器1120可以位于投影透镜1116、1118之后。可替换地，投影透镜1116、1118自身可以被制为变形的(例如，如在美国专利No.5,930,050(其通过引用被并入本文)中的单个投影透镜被制为变形的)以改善流明输出。
尽管以上已描述了根据公开的原理的各种实施方案，应理解这些实施方案仅以实施例的方式被提出，而非限制性的。由此，所述一个或多个发明的宽度和范围不应受任何上述的示例性实施方案限制，而应仅根据本公开公布的权利要求以及它们的等同物来限定。而且，以上优点和特征提供在所描述的实施方案中，但不应将这些公布的权利要求的应用限制为实现以上优点的任一或全部的方法和结构。
此外，本文的段落标题是被提供来与37CFR 1.77的建议一致，或者用于提供本文的结构线索。这些标题不应限制或特征化可以从该公开公布的任何权利要求中所阐述的一个或多个发明。具体地并且以举例的方式，尽管标题指“技术领域”，权利要求书不应被该标题下所选择的语言限制为描述所谓的技术领域。进一步，“背景技术”中的技术的描述不是要被解读为承认某项技术是该公开中的任意一个或多个发明的现有技术。“发明内容”也不是要被认为是在公布的权利要求书中所阐述的一个或多个发明的特征描述。另外，该公开中对单数的“发明”的任何引用不应被用于证明在该公开中仅有一个新颖点。根据从该公开公布的多个权利要求的限定，可以阐述多个发明，并且这些权利要求相应地定义了由其保护的一个或多个发明，以及它们的等同物。在所有例子中，这些权利要求的范围根据该公开按照这些权利要求本身的实质来理解，而不应被本文的标题限制。

Claims (19)

1.一种立体投影系统，所述立体投影系统包括：
中继透镜子系统，所述中继透镜子系统被配置来从输入光路接收立体图像帧并且沿中间光路将所述立体图像帧传递到中间像面，所述立体图像帧包括第一图像区域的光和第二图像区域的光；
分光子系统，所述分光子系统被配置来在所述中间像面接收所述立体图像帧并且使所述第一图像区域的光和所述第二图像区域的光分开，从而在第一图像光路上引导所述第一图像区域的光，并且在第二图像光路上引导所述第二图像区域的光；以及
投影透镜子系统，所述投影透镜子系统被配置来朝屏幕引导所述第一图像区域的光和所述第二图像区域的光；
偏振调制器，所述偏振调制器被配置来旋转所述第一图像光路或所述第二图像光路中的一个的偏振，以致第一输出光路和第二输出光路具有反向偏振。
2.如权利要求1所述的立体投影系统，其中所述投影透镜子系统包括第一透镜和第二透镜；
其中所述第一透镜被配置来在第一输出图像路径上将所述第一图像区域的光朝所述屏幕聚焦；
其中所述第二透镜被配置来在第二输出图像路径上将所述第二图像区域的光朝所述屏幕聚焦；并且
其中所述第一图像区域的光和所述第二图像区域的光在所述屏幕上基本上重叠。
3.如权利要求1所述的立体投影系统，还包括液晶(LC)投影仪。
4.如权利要求3所述的立体投影系统，还包括位于所述中继透镜子系统之前的所述输入光路上的匹配波片，所述匹配波片与所述LC投影仪中的波片基本上色散匹配。
5.如权利要求3所述的立体投影系统，还包括位于所述中继透镜子系统之后的所述中间光路上的匹配波片，所述匹配波片与所述LC投影仪中的波片基本上色散匹配。
6.如权利要求1所述的立体投影系统，还包括：
位于所述输入光路和所述中间光路中的一个上的波长选择性偏振滤光片；
位于第一输出光路上的第一线偏振器和第一四分之一波片；以及
位于第二输出光路上的第二线偏振器和第二四分之一波片，
其中所述第一四分之一波片以相对于所述第一线偏振器成+45度被定向，其中所述第二四分之一波片以相对于所述第二线偏振器成-45度被定向，从而所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片正交。
7.如权利要求1所述的立体投影系统，还包括位于第一输出光路和第二输出光路中的一个上的消色差旋转器。
8.如权利要求1所述的立体投影系统，其中所述分光子系统包括第一对反射镜和第二对反射镜。
9.如权利要求1所述的立体投影系统，其中所述分光子系统包括第一全内反射棱镜和第二全内反射棱镜。
10.如权利要求9所述的立体投影系统，其中所述分光子系统还包括第一偏振变换器和第二偏振变换器。
11.如权利要求1所述的立体投影系统，其中所述分光子系统包括偏振变换器和偏振光束分束器(PBS)，
其中所述偏振变换器被配置来在所述第一图像区域的光进入所述PBS之前在所述中间像面变换所述第一图像区域的光的偏振态，
其中所述第二图像区域的光的偏振态不被变换。
12.如权利要求1所述的立体投影系统，其中所述第一图像区域的光和所述第二图像区域的光包括视频游戏立体图像和电影立体图像中的一个。
13.如权利要求1所述的立体投影系统，其中所述投影透镜子系统包括偏振光束分束器(PBS)和单个投影透镜；
其中所述PBS被配置来组合所述第一图像区域的光和所述第二图像区域的光；
其中所述单个投影透镜被配置来将所述组合的第一图像区域的光和所述第二图像区域的光朝所述屏幕投影；并且
其中所述第一图像区域的光和所述第二图像区域的光在所述屏幕上基本上重叠。
14.如权利要求2所述的立体投影系统，还包括位于第一输出光路和第二输出光路中的一个上的消色差旋转器，其中所述分光子系统包括第一对反射镜和第二对反射镜。
15.如权利要求2所述的立体投影系统，还包括
位于第一输出光路和第二输出光路中的一个上的消色差旋转器；以及
位于所述输入光路和所述中间光路中的一个上的匹配波片；
其中所述分光子系统包括第一全内反射棱镜和第二全内反射棱镜。
16.如权利要求2所述的立体投影系统，还包括：
位于所述输入光路和所述中间光路中的一个上的匹配波片；
位于所述输入光路和所述中间光路中的一个上的波长选择性偏振滤波片；
位于第一输出光路上的第一线偏振器和第一四分之一波片；以及
位于第二输出光路上的第二线偏振器和第二四分之一波片；
其中所述第一四分之一波片以相对于所述第一线偏振器成+45度被定向，其中所述第二四分之一波片以相对于所述第二线偏振器成-45度被定向，从而所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片正交。
17.一种立体投影的方法，所述方法包括：
沿输入光路从投影仪光学地接收立体图像帧，所述立体图像帧包括第一图像区域的光和第二图像区域的光；
沿中间光路将所述立体图像帧引导到中间像面；
使所述第一图像区域的光和所述第二图像区域的光分开；
在第一光路上引导所述第一图像区域的光；
在第二光路上引导所述第二图像区域的光；以及
将所述第一光路的光和所述第二光路的光朝屏幕聚焦，其中所述第一图像区域的光和所述第二图像区域的光基本上重叠；
偏振调制器，所述偏振调制器被配置来旋转所述第一光路或所述第二光路中的一个的偏振，以致第一输出光路和第二输出光路具有反向偏振。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述第一图像区域包括左眼图像，并且所述第二图像区域包括右眼图像。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述左眼图像和所述右眼图像包括电影立体图像；
其中所述立体图像帧包括偏振光；并且
其中所述投影仪是液晶投影仪。
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