CN102402018A - 偏极转换系统及其适用的立体投影光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏极转换系统及其适用的立体投影光学系统，立体投影光学系统包括：光学引擎、中继镜组、偏极转换系统及投影镜头，偏极转换系统具有：偏振分光镜以接收中继镜组的非极化影像光束，并将之分为以第一光径行进的第一状态的第一极化光束及以第二光径行进的第二状态的第二极化光束，第一光径及第二光径的光路长度相同；设置于第二光径的偏极旋转组件，将第二极化光束的第二状态转换为第一状态；偏极开关接收第一极化光束及第二极化光束，选择性地将之转换为第一输出极化光束及第二输出极化光束；两相同的投影镜头，对应接收第一输出极化光束及第二输出极化光束，并将立体影像投射于屏幕上。

Description

偏极转换系统及其适用的立体投影光学系统
技术领域
本发明涉及一种立体投影光学系统，且特别涉及一种偏极转换系统及其适用的立体投影光学系统。
背景技术
近年来，随着立体(3D)影像的盛行，市面上开始广泛研发相关的立体影像产品。传统的立体投影系统主要是通过左右眼分别接受不同的影像，进而叠合形成立体影像。目前业界应用的立体投影方式有两种，第一种是主动式的，通过使用者配戴一立体滤镜眼镜，并在不同的时间点分别开、关不同眼的滤镜，使立体影像光束交错进入左、右眼，进而使两眼接收到具有时间差的影像光束，以进一步叠合为立体影像。然而此方式使用者所配戴的立体滤镜眼镜的体积大、相当笨重，以及，该立体滤镜眼镜更需不定期更换电池，十分不便利。
另一方式则为被动式的接收立体影像，即在立体影像要投射出来的时候，就先将影像分为P及S两不同偏光束，如此一来，使用者仅需配戴较为轻便的、由不同偏光板所组成的立体影像眼镜，即可分别接收到P或S偏光束，进而叠合为立体影像。
为了改善影像亮度损失的问题，美国专利证号US7,857,455揭露一种结合P及S偏光束的立体投影光学系统，如图1所示，该立体投射光学系统1具有分光镜103用以接受镜头102投射出的影像光束，并将之分为主要光径及次要光径，在次要光径上具有反射镜106，以及，在主要光径及次要光径上各具有一组偏光组件104、105以旋转偏光的方向。当影像表面101的光束经由镜头102投射出去后，先由分光镜103将立体影像光束分为主要光径及次要光径，主要光径的水平方向偏极光(P光束)107通过偏光组件104以旋转偏光的方向，次要光径同样通过偏光组件105旋转偏光的方向，再由反射镜106将调变后的偏极光108进行反射，并调整位置，由此使调变后的S光束108及调变后的P光束107变成相同极化方向并分别成像于投射表面109的相同位置。
美国专利证号US7,905,602揭露了另一个具偏光转换的立体投影光学系统，如图2所示，偏极转换系统(Polarization Conversion System，PCS)设置于立体投影光学系统2中，主要由偏振分光镜(Polarization Beam Splitter，PBS)202、偏极旋转组件203、反射组件204及偏极开关205所组成，当立体影像光束通过镜头201进入偏极转换系统中时，首先由偏振分光镜202将立体影像光束分为P光束206及S光束207，P光束206行进的第一光径为直接穿越偏极开关205，而S光束207行进的第二光径则为通过偏极旋转组件203将之转换为P光束208，接着再由反射组件204将转换后的P光束208沿第二光径进入偏极开关205，通过偏极开关205可将来自于第一光径与第二光径的偏光束转换于P光束及S光束之间，使第一光径及第二光径的立体影像光束最终成像于屏幕209上，且其叠合后的影像光束亮度将不会折半。立体投影光学系统不论1或2虽可取得较佳的立体影像质量，然而，由于其偏极转换系统以外加的方式设置于镜头201之后，由于其设置于影像光束发散的位置上的缘故，使得其所需的偏振分光镜202、偏极旋转组件203、反射组件204等组件的体积较大，如此一来，偏极转换系统不仅需要较高的成本，同时也会产生体积庞大等缺失，此外，当立体影像光束穿越偏振分光镜202时也会导致其成像质量受到影像。
发明内容
本发明的目的为提供一种偏极转换系统，其内建于立体投影光学系统。
本发明的另一目的为提供一种立体投影光学系统，其具有偏极转换系统及中继镜组，可将非极化影像光束转换为两等光路长度的极化光束，以使立体投影光学系统达到可薄型化，影像不失真，且具有较高的影像质量的优点。
为达上述目的，本发明的一较佳实施例为提供一种偏极转换系统，包括：偏振分光镜，接收来自中继镜组的非极化影像光束，并将非极化影像光束分为以第一光径行进的第一状态的第一极化光束及以第二光径行进的第二状态的第二极化光束，其中第一光径及第二光径的光路长度为实质上相同；偏极旋转组件，设置于第二光径上，其将第二状态的第二极化光束转换为第一状态的第二极化光束；以及偏极开关，接收第一状态的第一极化光束及第一状态的第二极化光束，并选择性地将之分别转换为具有第一状态及第二状态之一的第一输出极化光束及第二输出极化光束，以输出第一输出极化光束及第二输出极化光束至两对应且相同的投影镜头。
为达上述目的，本发明的另一较佳实施例提供一种立体投影光学系统，包括：光学引擎，用以输出非极化影像光束；中继镜组，用以传送非极化影像光束；偏极转换系统，其中通过中继镜组，非极化影像光束形成一中间影像于偏极转换系统中，且偏极转换系统包括：偏振分光镜，接收来自中继镜组的非极化影像光束，并将非极化影像光束分为以第一光径行进的第一状态的第一极化光束及以第二光径行进的第二状态的第二极化光束，其中第一光径及第二光径的光路长度为实质上相同；偏极旋转组件，设置于第二光径上，其将第二状态的第二极化光束转换为第一状态的第二极化光束；以及偏极开关，接收第一状态的第一极化光束及第一状态的第二极化光束，并选择性地将之分别转换为具有第一状态及第二状态之一的第一输出极化光束及第二输出极化光束；以及两相同的投影镜头，分别设置于第一光径及第二光径上，以对应接收第一输出极化光束及第二输出极化光束，并将中间影像投射于屏幕上。
附图说明
图1显示传统结合P及S偏光束的立体投影光学系统的架构示意图。
图2显示传统具偏光转换的立体投影光学系统的架构示意图。
图3A显示本发明第一较佳实施例的立体投影光学系统的架构示意图。
图3B显示图3A的中继镜组的架构示意图。
图4A显示本发明第二较佳实施例的偏极转换系统的架构示意图。
图4B显示本发明第三较佳实施例的偏极转换系统的架构示意图。
图4C显示本发明第四较佳实施例的偏极转换系统的架构示意图。
图4D显示本发明第五较佳实施例的偏极转换系统的架构示意图。
其中，附图标记说明如下：
1：立体投影光学系统
101：影像表面
102：镜头
103：分光镜
104、105：偏光组件
106：反射镜
107：P光束
108：S光束
109：投射表面
2：立体投影光学系统
201：镜头
202：偏振分光镜
203：偏极旋转组件
204：反射组件
205：偏极开关
206：P光束
207：S光束
208：转换后的P光束
209：屏幕
3：投影光学系统
30：光学引擎
301：数字微镜显示设备
302：内部全反射棱镜
303：菲利浦棱镜
304：非极化影像光束
31：中继镜组
311：透镜
32：偏极转换系统
320：第一极化光束(第一状态)
320’：第一输出极化光束
321：第二极化光束(第二状态)
321’：第二极化光束(第一状态)
321”：第二输出极化光束
322：偏振分光镜
323：偏极旋转组件
324：普罗棱镜
326：偏极开关
327：全反射棱镜
33、330、331：投影镜头
40、50、60、70：偏极转换系统
400、500、600、700：非极化影像光束
401、501、601、701：第一极化影像光束(第一状态)
402、502、602、702：第二极化影像光束(第二状态)
402’、502’、602’、702’：第二极化影像光束(第一状态)
41、510、511：直角棱镜
42：偏振分光涂层
43、52、62、72：偏极旋转组件
44、53：普罗棱镜
45：梯形棱镜
461、462、561、562、661、662、761、762：偏极开关
51、61：偏振分光立方体
54、64：玻璃板
55：全反射棱镜
63、73：普罗镜面
65、75：折叠镜
71：线栅极分光板
A’：中间影像
X1：第一光径
X2：第二光径
d1、d2、d3、d4、d5：光路长度
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的应用上具有各种的变化，然其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图式在本质上当作说明之用，而非用以限制本案。
请参阅图3A，其为本发明第一较佳实施例的立体投影光学系统的架构示意图。如图所示，本发明的立体投影光学系统3具有光学引擎(OpticalEngine)30、中继镜组(Relay Lens Group)31、偏极转换系统(PolarizationConversion System，PCS)32以及投影镜头33等光学组件。光学引擎30包括数字微镜显示设备(Digital Micro-mirror Device，DMD)301、内部全反射棱镜(TIR Prism)302及菲利浦棱镜(Philip Prism)303等结构，由此以输出一非极化影像光束304，且数字微镜显示设备301可为单片式或三片式架构，并不以此为限。
当非极化影像光束304由光学引擎30输出后，则进入中继镜组31，如图3A及图3B所示，中继镜组31由多个不同的透镜311所组成，于本实施例中，中继镜组31是由5个透镜311相互排列所组成，但不以此为限。中继镜组31是用以使非极化光束304在通过中继镜组31后可于偏极转换系统32中成像，以形成一中间影像A’，并将该非极化影像光束304输出至偏极转换系统32。
偏极转换系统32设置于中继镜组31及镜头33之间，其具有偏振分光镜(Polarization Beam Splitter，PBS)322、偏极旋转组件323以及偏极开关326等光学组件。偏振分光镜322是用以接收来自于中继镜组31所输出的非极化影像光束304，并将该非极化影像光束304分光为第一极化光束320及第二极化光束321，该第一极化光束320以第一光径X1行进，并处于第一状态，第二极化光束321则以第二光径X2行进，且处于第二状态，其中，第一光径X1的光路长度与第二光径X2的光路长度为实质上相同。于本实施例中，第一状态的第一极化光束320可为水平方向偏极光(P偏光)，第二状态的第二极化光束321为垂直方向偏极光(S偏光)，但不以此为限。
以本实施例为例，偏极转换系统32更可具有一全反射棱镜327，其设置于第一光径X1上，用以调整第一光径X1上的第一极化光束320的行进方向，使第一极化光束320朝向偏极开关326的方向行进，以进入偏极开关326。
至于第二极化光束321，当其自偏振分光镜322分光后，是以第二光径X2行进，并进入设置于第二光径X2上的偏极旋转组件323，由此以将第二状态的第二极化光束321转换为第一状态，于本实施例中，即为将S偏光转换为P偏光，其后，再通过同样设置于第二光径X2上的普罗棱镜324调整第一状态的第二极化光束321’的行进方向，使其朝向偏极开关326的方向行进，以进入偏极开关326。也即于本实施例中，第一状态的第一极化光束320及第一状态的第二极化光束321’是可通过设置于第一光径X1的全反射棱镜327以及设置于第二光径X2的普罗棱镜324，而朝向偏极开关326的相同方向行进。
于本实施例中，偏极旋转组件323可为一四分之一波长板(1/4λ)，但不以此为限。偏极开关326可为一片式，或可为双片式，分别设置于第一光径X1及第二光径X2上，且偏极开关326可为光学补偿弯曲模式(πcell)液晶，但不以此为限。
偏极开关326接收该第一状态的第一极化光束320及第一状态的第二极化光束321’后，可选择性地将之分别转换为具有第一状态及第二状态之一的第一输出极化光束320’及第二输出极化光束321”。于本实施例中，当未施加偏压于偏极开关326时，第一输出极化光束320’及第二输出极化光束321”则同为第一状态，也即P光束；以及当施加偏压于偏极开关326时，第一输出极化光束320’及第二输出极化光束321”同时转换为第二状态，也即S光束，因此通过偏极开关326的选择与转换，可使第一输出极化光束320’及第二输出极化光束321”通过时间差切换于S光束及P光束之间。于第一光径X1及第二光径X2上分别设置有两相同的投影镜头330、331，其用以对应接受该第一输出极化光束320’及该第二输出极化光束321”，并将该中间影像A’投射于一屏幕(未图式)上，再通过使用者配戴较为轻便的、且左、右眼分别由不同偏极的偏光板所组成的立体影像眼镜，即可分别接收到屏幕上的不同偏光束(P偏光及S偏光)，进而叠合为立体影像。如此一来，由于偏极转换系统32设置于投影镜头33之前，故其所使用的偏振分光镜322、偏极旋转组件323、偏极开关326等光学组件的体积可大幅缩减，且可内建于立体投影光学系统3中，故可节省此相关光学组件的成本，同时也可缩小整体立体投影光学系统3的体积。以及，通过中继镜组31先形成一中继影像A’，更可使立体影像于屏幕上叠合后更为明亮、清晰，以获得较佳的立体影像质量。
请参阅图4A，其为本案第二较佳实施例的偏极转换系统的架构示意图。于本实施例中，偏极转换系统40的偏振分光镜可由一直角棱镜41、一偏振分光涂层42及一梯形棱镜45所形成，其中，偏振分光涂层42涂布于直角棱镜41与梯形棱镜45之间。当非极化影像光束400进入偏极转换系统40后，通过偏振分光涂层42，使该非极化影像光束400分为以第一光径X1行进的第一状态的第一极化光束401，以及以第二光径X2行进的第二状态的第二极化光束402。第一极化光束401穿越梯形棱镜45，并改变行进方向，以进入偏极开关462中，此时，第一光径X1的光路长度总合为穿越梯形棱镜45的d4及d5的总合。第二极化光束402则在经过偏振分光涂层42的分光后，进入设置于第二光径X2上的偏极旋转组件43，由此以将第二状态的第二极化光束402转换为第一状态，其后，再通过设置于第二光径X2上的普罗棱镜44调整第一状态的第二极化光束402’的行进方向，使其朝向偏极开关461的方向行进，以进入偏极开关461，此第二光径X2的光路长度总合为穿越直角棱镜41及普罗棱镜44的d1、d2及d3的总合。其中，第一光径X1的光路长度总合(即d4及d5的总合)与第二光径X2的光路长度总合(即d1、d2及d3的总合)为实质上相同。
请参阅图4B，其为本案第三较佳实施例的偏极转换系统的结构示意图。于本实施例中，偏极转换系统50的偏振分光镜由偏振分光立方体51、玻璃板54及全反射棱镜55所组成，其中，该偏振分光立方体51由两直角棱镜510及511所组成。与前述实施例相似地，当非极化影像光束500进入偏极转换系统50后，通过设置于偏振分光立方体51，使该非极化影像光束500分为以第一光径X1行进的第一状态的第一极化光束501，以及以第二光径X2行进的第二状态的第二极化光束502。第一极化光束501穿越偏振分光立方体51、玻璃板54及全反射棱镜55后，于全反射棱镜55中改变行进方向，以进入偏极开关562中，此时，第一光径X1的光路长度总合为穿越偏振分光立方体51、玻璃板54及全反射棱镜55的总合。第二极化光束502则在经过偏振立方体51的分光后，进入设置于第二光径X2上的偏极旋转组件52，以将第二状态的第二极化光束502转换为第一状态，其后，再通过设置于第二光径X2上的普罗棱镜53调整第一状态的第二极化光束502’的行进方向，使其朝向偏极开关561的方向行进，以进入偏极开关561，此第二光径X2的光路长度总合为穿越偏极立方体51及普罗棱镜53的总合。于本实施例中，第一光径X1的光路长度总合与第二光径X2的光路长度总合也为实质上相同。
请参阅图4C，其为本发明第四较佳实施例的偏极转换系统的结构示意图。于本实施例中，偏极转换系统60的偏振分光镜与前述实施例相仿，为由偏振分光立方体61、玻璃板64及折叠镜65所组成，即于本实施例中，是以折叠镜65取代前述实施例的全反射棱镜55，由此以改变第一极化光束601的行进方向。至于非极化影像光束600进入偏极转换系统60后，通过偏振分光立方体61进行分光、通过偏极旋转组件62将第二状态的第二极化光束602调整为第一状态的第二极化光束602’。此外，于本实施例中，也以两普罗镜面63取代设置于第二光径X2上的普罗棱镜53，由此以改变第一状态的第二极化光束602’的行进方向，使其朝向偏极开关661的方向行进。但于本实施例中，设置于第一光径X1上的偏极开关662设置于玻璃板64及折叠镜65之间，然而其仅设置方式不同，其功能及作用均与前述实施例相仿。以及，相同地，偏极旋转组件62可为一四分之一波长板(1/4λ)，但不以此为限。偏极开关661、662可为光学补偿弯曲模式(πcell)液晶，但不以此为限，以及，第一光径X1的光路长度总合与第二光径X2的光路长度总合为实质上相同。
请参阅图4D，其为本发明第五较佳实施例的偏极转换系统的结构示意图。于本实施例中，偏极转换系统70与前述实施例相仿，但于本实施例中，偏振分光镜为一线栅极分光板71，当非极化影像光束700进入偏极转换系统70后，通过线栅极分光板71进行分光，使其分为第一极化光束701及第二极化光束702，再通过设置于第一光径X1的折叠镜75改变第一状态的第一极化光束701的行进方向，使其朝向偏极开关762的方向行进，以及通过偏极旋转组件72将第二状态的第二极化光束702调整为第一状态的第二极化光束702’。此外，通过设置于第二光径X2的两普罗镜面73，改变第一状态的第二极化光束702’的行进方向，使其朝向偏极开关761的方向行进。也即，第一状态的第一极化光束701及第一状态的第二极化光束702’分别通过折叠镜75及普罗镜面73以朝向同一方向行进。以及，于本实施例中，设置于第一光径X1上的偏极开关762设置于线栅极分光板71及折叠镜75之间，然而其仅设置方式不同，其功能及作用均与前述实施例相仿。以及，偏极旋转组件72可为一四分之一波长板(1/4λ)，但不以此为限。偏极开关761、762可为光学补偿弯曲模式(πcell)液晶，但不以此为限，以及，第一光径X1的光路长度总合与第二光径X2的光路长度总合为实质上相同。
由前述该等实施例可见，本发明的偏极转换系统的偏振分光镜可具有多样的实施例变化，例如可为直角棱镜、偏振分光涂层及梯形棱镜的组合、可为偏振分光立方体、玻璃板及全反射棱镜的组合、可为偏振分光立方体、玻璃板及折叠镜的组合，或可单独为线栅极分光板。再者，偏极开关设置的位置也不受局限。该偏极转换系统仅需设置于中继镜组及投影镜头之间，且其分光后的第一光径的光路长度总合与第二光径的光路长度总合为实质上相同，则其间的光学组件及排列方式则可依实际施作而任施变化，并不以此为限。
综上所述，本发明提供一种立体投影光学系统，其由光学引擎、中继镜组、偏极转换系统以及两相同的投影镜头依序光学连接，并通过设置于中继镜组及投影镜头之间的偏极转换系统，以将非极化影像光束转换为两等光路长度的极化光束，进而使立体投影光学系统达到可薄型化，影像不失真，且具有较高的影像质量的优点。
纵使本发明已由上述的实施例详细叙述而可由熟悉本技艺的人员任施改动而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。

Claims (9)

1.一种偏极转换系统，其特征在于，包括：
一偏振分光镜，接收来自一中继镜组的非极化影像光束，并将该非极化影像光束分为以一第一光径行进的一第一状态的第一极化光束及以一第二光径行进的一第二状态的第二极化光束，其中该第一光径及该第二光径的光路长度为实质上相同；
一偏极旋转组件，设置于该第二光径上，其将该第二状态的第二极化光束转换为一第一状态的第二极化光束；以及
一偏极开关，接收该第一状态的第一极化光束及该第一状态的第二极化光束，并选择性地将之分别转换为具有该第一状态及第二状态之一的一第一输出极化光束及一第二输出极化光束，以输出该第一输出极化光束及该第二输出极化光束至两对应且相同的投影镜头。
2.根据权利要求1所述的偏极转换系统，其特征在于，该偏极转换系统还包括一全反射棱镜以及一普罗棱镜，该全反射棱镜设置于第一光径上，该普罗棱镜设置于第二光径上，用以使该第一状态的第一极化光束及该第一状态的第二极化光束分别通过该全反射棱镜及该普罗棱镜以朝向同一方向行进。
3.根据权利要求1所述的偏极转换系统，其特征在于，该偏极旋转组件为一四分之一波长板，以及该偏极开关为一光学补偿弯曲模式液晶。
4.根据权利要求1所述的偏极转换系统，其特征在于，该偏振分光镜由一偏振分光涂层、一直角棱镜以及一梯形棱镜所组成，该偏振分光涂层涂布于该直角棱镜与该梯形棱镜之间。
5.根据权利要求1所述的偏极转换系统，其特征在于，该偏振分光镜由一偏振分光立方体、一玻璃板及一全反射棱镜所组成，该偏振分光立方体为两直角棱镜所组成。
6.根据权利要求1所述的偏极转换系统，其特征在于，该偏振分光镜由一偏振分光立方体及一玻璃板所组成；以及，一折叠镜设置于该第一光径上，一普罗镜面设置于该第二光径上，用以使该第一状态的第一极化光束及该第一状态的第二极化光束分别通过该折叠镜及该普罗镜面以朝向同一方向行进。
7.根据权利要求1所述的偏极转换系统，其特征在于，该偏振分光镜为一线栅极分光板；以及，一折叠镜设置于该第一光径上，一普罗镜面设置于该第二光径上，用以使该第一状态的第一极化光束及该第一状态的第二极化光束分别通过该折叠镜及该普罗镜面以朝向同一方向行进。
8.一种立体投影光学系统，其特征在于，包括：
一光学引擎，用以输出一非极化影像光束；
一中继镜组，用以传送该非极化影像光束；
一偏极转换系统，其中通过该中继镜组，该非极化影像光束形成一中间影像于该偏极转换系统中，且该偏极转换系统包括：
一偏振分光镜，接收来自该中继镜组的非极化影像光束，并将该非极化影像光束分为以一第一光径行进的一第一状态的第一极化光束及以一第二光径行进的一第二状态的第二极化光束，其中该第一光径及该第二光径的光路长度为实质上相同；
一偏极旋转组件，设置于该第二光径上，其将该第二状态的第二极化光束转换为一第一状态的第二极化光束；以及
一偏极开关，接收该第一状态的第一极化光束及该第一状态的第二极化光束，并选择性地将之分别转换为具有该第一状态及第二状态之一的一第一输出极化光束及一第二输出极化光束；以及
两相同的投影镜头，分别设置于该第一光径及该第二光径上，以对应接收该第一输出极化光束及该第二输出极化光束，并将该中间影像投射于一屏幕上。
9.根据权利要求8所述的立体投影光学系统，其特征在于，该光学引擎包含一数字微镜显示设备、一内部全反射棱镜及一菲利浦棱镜。
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