CN102483520A - 在中间像面使用空间复用的立体投影系统 - Google Patents

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Abstract

用于提供通过无源的偏振眼镜观看的立体图像的投影系统和方法。所述系统涉及在图像调制器上同时创建通常作为并排式图像的左眼图像和右眼图像的投影仪。所述系统用于在投影屏幕上叠合具有交替偏振态的空间上分离的图像。实施方案最适合于基于液晶偏振的投影系统，并且使用先进的偏振控制。

Description

在中间像面使用空间复用的立体投影系统
相关申请的交叉引用：本专利申请涉及并要求以下临时专利申请的优先权：
(1)Robinson等人于2009年6月29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)”的临时专利申请序号No.61/221,482(“Robinson等人提供专利申请”)；
(2)Schuck等人于2009年6月29日递交的、题目为“在孔径光阑附近使用空间复用的立体投影系统(Stereoscopic Projection System Employing Spatial Multiplexing Near theAperture Stop)”的临时专利申请序号No.61/221,516；
(3)Schuck等人于2009年7月9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 an IntermediateImage Plane)”的临时专利申请序号No.61/224,416(“Schuck等人提供专利申请”)；
(4)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)”的临时专利申请序号No.61/249,018；以及
(5)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 Spatial Multiplexing at anIntermediate Image Plane)”的临时专利申请序号No.61/256,854；
这些临时专利申请全都出于所有目的通过引用被并入本文。
技术领域
所公开的实施方案总地涉及投影系统，并且更具体地，涉及可以选择性地在立体模式和非立体模式下工作的投影系统。
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，以使图像在屏幕上成功地叠加。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镜进行观看。尽管基于DLP技术的系统可以提供良好质量的立体影像，但是还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
所公开的是用于立体投影的立体投影系统和方法。
总地来讲，根据一方面，一种投影系统可操作来选择性地投影立体投影模式和非立体投影模式。该投影系统包括中继透镜子系统、立体模块、非立体模块以及投影透镜子系统。该中继透镜子系统可操作来从投影子系统接收输入光并且朝中间光路传递该输入光。该立体模块可操作来从中间光路接收光并且对该光进行处理以用于立体投影具有正交偏振态的左眼图像和右眼图像。非立体模块可操作来从中间光路接收光。该投影透镜子系统可操作来将光从立体模块或非立体模块朝屏幕聚焦。当该投影系统处于立体投影模式时，该立体模块位于中间光路中，当该投影系统处于非立体投影模式时，该非立体模块位于中间光路中。
总地来讲，根据另一方面，该立体投影系统可以包括中继透镜子系统、分光(lightsplitting)子系统、组光(light combining)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通过导光(light directing)元件将该立体图像帧传递到中间像面。该立体图像帧具有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在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。该分光子系统还可操作来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。该组光子系统可操作来组合该第一图像区域的光和该第二图像区域的光，其中，从该组光子系统输出的该第一图像区域的光具有与该第二图像区域的光正交的偏振态。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。
从具体实施方式、附图以及所附的权利要求书，立体投影和非立体投影的其他方面、特征和方法是明显的。
附图说明
图1A是根据本公开的立体投影模式下的示例性投影系统的示意性框图；
图1B是根据本公开的非立体投影模式下的示例性投影系统的示意性框图；
图2是根据本公开的立体投影系统的实施方案的示意图；
图3是图2的分像和图像组合(image splitting and combining)部分的放大图的示意图；
图4A和图4B是图示说明根据本公开的如显示在LC面板上的失真并排式图像(4A)和显示在屏幕上的变形叠合(4B)的示图；
图5是图示说明根据本公开的立体投影系统的另一实施方案的示意图；
图6是图示说明根据本公开的立体投影系统的另一实施方案的示意图；
图7是图6的分像和图像组合部分的放大图的示意图；
图8是根据本公开的分像和图像组合部分的另一示例性实施方案的放大图的示意图；
图9是根据本公开的立体投影系统的实施方案的自顶向下视图的示意图；
图10是根据本公开的投影透镜在具有圆柱形元件和不具有圆柱形元件的情况下在屏幕上的照明范围图(illumination footprint diagram)；
图11是图示说明根据本公开的用于通过圆柱形元件变形地拉伸图像以生成更亮的屏幕上的图像来提高图像亮度的可替换技术的示意图；
图12是图示说明根据本公开的用于将空间复用的3D投影系统转换为非复用的全分辨率2D系统的技术的示意性光线跟踪图；
图13是图示说明根据本公开的用于将光学系统从3D模式转换为2D全分辨率模式的技术的另一实施例的示意性光线跟踪图；
图14是图示说明根据本公开的具有位于投影透镜之后的光路中的外部变形转换透镜的系统的实施方案的示意图；
图15是图示说明根据本公开的具有外部变形转换透镜的系统的另一实施方案的示意图；
图16是图示说明根据本公开的立体投影系统的另一实施方案的示意图；
图17是图示说明根据本公开的立体投影系统的另一实施方案的示意图；
图18是图17中的分像和图像组合组件的详细视图(close-up view)；
图19是根据本公开的分像和图像组合部分的另一实例性实施方案的放大图的示意图；以及
图20是图示说明根据本公开的立体投影系统的另一实施方案的示意图。
具体实施方式
图1A是立体投影模式下的示例性投影系统100的示意性框图，图1B是非立体投影模式下的示例性投影系统100的示意性框图。图1A和图1B图示说明立体模块150或非立体模块180可以被选择性地置于来自投影仪的光路中的原理。机械组件145可以包含立体模块150和非立体模块180这两个模块，这两个模块可以根据媒体类型是否为立体影像而在立体模式与非立体模式之间选择性地来回滑动。这样的构造在要求操作者具有置于立体或非立体模式的最少的技术技能的影院环境以及家庭和办公室环境下可以具有实际应用。
示例性投影系统100包括中继透镜子系统130、可选的导光元件140、立体模块150、非立体模块180以及投影透镜子系统190。立体模块150可以包括分光子系统160和组光子系统170。非立体模块180可以包括2D旁通子系统182，2D旁通子系统182可以具有与立体模块150类似的光路长度。在实施方案中，立体投影系统100还可以包括视听源134、控制器子系统132和投影子系统110。投影子系统110可以包括，但不限于，LC投影系统或DLP投影系统。
虽然本文示出了示例性多模式立体/非立体系统，但是应该明白，本公开不限于多模式系统。例如，本文所示的示例性立体投影系统架构可以应用于省略非立体模块180的仅立体投影系统。
参照图1A，在立体工作模式下，视听源134将视听信号135提供给立体投影系统100。控制器子系统132可以将立体视频信号137发送到投影子系统110。投影子系统110将图像对投影在输入光路112上。中继透镜子系统130接收输入光路112，并且输出中间光114。可选的导光元件140可以朝立体模块150中的分光子系统160引导中间光114。分光子系统160接收中间光路114，并且输出第一图像光路116和第二图像光路118上的光。组光子系统组合来自第一图像光路116和第二图像光路118的光，并且朝投影透镜子系统190引导基本上重叠的、具有正交偏振态的第一和第二图像光，该第一和第二图像光在屏幕195上聚焦。本文呈现图示说明示例性立体模块的各种不同光学架构。
参照图示说明非立体工作模式的图1B，非立体模块180可以被置于来自导光元件140的光路中，因此2D旁通子系统182朝投影透镜子系统190引导中间光路114。本文呈现图示说明示例性非立体模块的各种不同光学架构。
在实施方案中，两种工作模式的共同之处在于，控制器子系统132接收视听信号135并且输出控制信号136。控制器子系统132可以可操作地耦合到如所示的各种子系统。控制器子系统132可操作来发送控制信号和从各种可操作地耦合的子系统中的任何一个接收反馈信号，以调整它们各自的光学特性。控制器子系统132可以从传感器、从视听源134和/或从用户输入获取输入，以进行调整(比如，使立体投影仪器聚焦在屏幕195上或校正立体投影仪器)。控制器子系统132还可以控制和/或驱动致动器145，致动器145在立体构造模式与非立体构造模式之间移动立体/非立体模块150/180。这样的致动器145可以是本领域的普通技术人员已知的精确驱动机构，诸如步进电动机等。
在另一实施方案中，系统100是无源系统，并且不包括有源开关/控制组件。因此，在这样的实施方案中，系统100不包括控制信号136。
假设本文所公开的中继透镜子系统(比如，图1中的130等)是保偏的，并且可操作来与投影透镜子系统(比如，图1中的190等)并行工作，以在距投影输出最适中的距离处提供大致为面板大小(panel-sized)的中间像。虽然对于所有实施方案都假设中继透镜子系统是黑盒子，并且中继透镜子系统的设计不特定于本文所公开的内容，但是可以在2008年5月9日递交的、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中获知中继系统的示例，该专利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为常规结构，并且没有提供具体设计，因为这些与本公开不是密切相关的。在某些实施方案中，可以使用保偏投影透镜。保偏透镜的示例由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(Low Birefringence Lens Design for PolarizationSensitive Systems)”中论述，该论文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160)。在实施方案中，该分束架构(splittingarchitecture)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，假设投影子系统110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-立方(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影响ANSI对比度的背向反射(back reflection)。针对奇数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的匹配延迟片。尽管是针对混合的圆偏振输出，但是系统实施方案不应限于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，所以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，
Figure BDA0000139378630000051
技术可以在所限定的波长相关偏振态之间进行映射，并且所限定的波长相关偏振态在被共同转让的美国专利No.5,751,384中进行了描述，该美国专利通过引用被并入本文。
图2是立体投影系统200的实施方案的示意图。一般来讲，系统200可以包括投影子系统210、中继透镜230、导光元件240、立体子系统250以及投影透镜290。在该示例性系统200中，立体子系统250可以包括分光子系统260、第一导光元件262和第二导光元件264以及组光子系统270。组光子系统270可以包括偏振光束分束器(PBS)272和位于PBS 272的输入端口上的消色差旋转器242。系统200还可以包括匹配波片222a、222b和波长选择性偏振滤光片224(比如，如专利No.5,751,384和5,953,083中所教导的ColorSelect滤光片，该专利通过引用被并入本文)，这二者都如所示那样布置，位于投影子系统210与中继透镜230之间的光路中。另外，该系统可以包括将来自中继透镜子系统230的光朝立体子系统250引导的导光元件240。
在操作中，中继透镜子系统230接收来自投影子系统210的、输入光路212上的光。在实施方案中，匹配波片222a、222b和波长选择性偏振滤光片224被定位在投影子系统210与中继透镜子系统230之间的输入光路212上。可替换地，匹配波片222a、222b可以被定位在中继透镜子系统230与分像元件260之间、中间像面255附近。作为另一种可替换方案，第一匹配波片222a被定位在投影子系统210与中继透镜子系统230(如所示)之间，第二匹配波片222b被定位在中继透镜子系统230与分光元件260之间、中间像面255附近。中继透镜子系统230朝导光元件240输出中间光路214，导光元件240在分光元件260的输入处朝中间像面255引导光214。应该指出，无论波片222b被置于光路中的何处，波长选择性滤光片224都将在后面的、到达组光子系统270之前的光路中的下游某个地方跟在它后面。
导光元件240位于中继透镜子系统230之后的光路214中。导光元件240可以是折叠反射镜(如这里所示)或棱镜。导光元件240重新引导光路214，以使得投影透镜子系统290的光轴平行于中继透镜子系统230的光轴。这改善了系统与现有投影引擎和剧场几何结构的兼容性。
分光子系统260可以由保偏的、反射性高的银反射镜或具有镜像或TIR表面的棱镜提供。分光子系统260可以可替换地由可以使光分开的任何其他设备提供，例如，可以使用圆偏振光栅。分光元件260可操作来将中间光路214分为第一图像光路216和第二图像光路218。在实施方案中，第一导光元件262和第二导光元件264包括第一反射镜和第二反射镜，该第一反射镜和第二反射镜被构造为使它们各自的第一图像光路216和第二图像光路218朝组光子系统270的第一输入端口和第二输入端口反射。PBS 272可操作来将第一图像光路216和第二图像光路218组合为第三图像光路219。投影透镜子系统290接收第三图像光路219上的光，并且朝屏幕(未示出)投影输出图像光路292。
示例性系统200包括：在相对偏振的左眼图像路径和右眼图像路径(比如，第一图像光路216和第二图像光路218)被单个透镜290投影之前，在PBS 272的界面处实现这些图像路径的叠合。通过对具有正交偏振的两幅图像进行编码并且将它们对称地引导到偏振光束分束元件272中，这两幅图像表现出源自同一平面。单个保偏投影透镜290然后可以将图像投影到屏幕上。
在某些实施方案中，偏振旋转器元件274可能引入光路失配(mismatch)，该光路失配在实践中可以由在到PBS 272的另一输入端口处的虚设材料(dummy material)来匹配。
“抖动调制处理(Wobulation)”是用于对图像进行空间抖动以提高图像的感知质量的技术术语。空间抖动涉及及时地在一个实例呈现图像，并且及时地在下一个实例呈现空间移位的图像。空间移位通常是像素的一小部分。从一个实例到下一个实例的图像可以是相同的(对于更平滑的整体图像)，或者它们可以是不同的(对于更平滑的且更锐利的图像)。用于实现抖动调制处理的方法包括如Bommerbach等人在美国专利No.7,330,298中所论述的与图像的两个实例同步地使光路中的反射镜(比如，导光元件240)振动，该美国专利出于所有目的通过引用被并入本文。反射镜振动被调制，以在一幅图像中产生偏移，该偏移相对于另一图像通常是像素的一小部分。另一种方法是如Fergason的美国专利No.5,715,029中所论述的使用与开关液晶元件耦合的双折射材料来引起图像移位，该美国专利出于所有目的通过引用被并入本文。
在实施方案中，将上述立体投影系统改动为包括抖动调制处理。例如，在图2中，导光元件240可以与图像数据同步地振动，以在屏幕上呈现空间移位的图像。可替换地或附加地，LC单元和双折射片可以被添加到分像之前的光路，以一起使能两幅图像的抖动调制处理。附加的LC单元可以被置于双折射片之后(PBS 272之前)，以恢复所需的正交偏振态。可替换地，LC单元和双折射片可以被添加在分像之后(PBS 272之前)，以分别对每幅图像使能抖动调制处理。再次，附加的LC单元将被用在双折射片之后，以在重组PBS 272中的光束之前恢复所需的正交偏振态。
图3是图2的分像和图像组合部分的放大图的示意图，该分像和图像组合部分包括匹配波片222b、波长选择性滤光片224、导光元件240、分光子系统(镜像棱镜)260、导光元件262、264、PBS 272以及用于叠合图像的旋转器274。在该示例性实施方案中，匹配波片222b和绿色/品红(G/M)波长选择性(Colorselect)滤光片224在光路中跟在中继透镜230之后，以通过基本上移除中继透镜虚反射来提供更高的对比度。该示图还图示说明系统的光线跟踪分析。
导光元件(反射镜)240被置于某一角度，以使得投影透镜(未示出)和中继透镜光轴平行。镜像棱镜260被置于中间像位置255处，以将中间像分为两半。可以选择具有极尖角(比如，宽度为～50um)的镜像棱镜260，以使中间像上的不可用区域最小。V反射镜布置(两个平面镜的组合)也可以用于分像子系统260。镜像棱镜260之后是两个折叠反射镜262、264。两个折叠反射镜262、264将光线重新引导到PBS 272的入射表面中。在PBS 272之前，旋转器274位于一个路径中，而各向同性片276(光学厚度与旋转器匹配)被置于另一路径中。旋转器274将入射偏振态之一旋转90度，以使得这两个态变为正交。PBS 272组合沿着投影透镜(未示出)之前的同一光路的两个正交偏振态。偏振光束分束器272被示为管状偏振光束分束器。PBS表面可以包括电介质涂层或线栅偏振片。另外，PBS可以用片代替管来实施，在该情况下，该片被涂布合适的电介质层或线栅涂层。然而，在这种情况下，光束发散，并且厚的片将在图像路径中引起像散，该像散可以在系统中稍后被修正。
图4A和图4B是图示说明如显示在LC面板上的失真并排式图像(4A)和它们在屏幕上的变形叠合(4B)的示图。尽管并排地绘制，但是该实施方案还可涵盖上下方式。
可以在中继透镜子系统中实施变形成像，以针对左眼图像或右眼图像中的每个为中间像提供正确的形状(aspect)。在这种情况下，在复杂中继系统中预期的失真可以使用电子修正，或者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在以上引用的《立体影院基础(Foundations of the Stereoscopic Cinema)》中所论述的旋转分离棱镜来执行图像中的一个的旋转。
另一相关实施方案使用非理想的分离反射镜，在该分离反射镜中，几何结构将要求偏振混合，特别是当使用内反射(TIR)棱镜重新引导圆偏振的光束时。对于更小的系统，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。其对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。这通常导致投影图像非均匀性可以通过引入强度和位深度损失来修正。为将该问题减轻到可接受的水平，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5是立体投影系统500的实施方案的示意图，在立体投影系统500中，三角棱镜(deltaprism)540用作导光元件以提供更紧凑的系统。一般来讲，系统500可以包括投影子系统510、中继透镜530和投影透镜590。系统500还可以包括匹配波片522a、522b和波长选择性偏振滤光片524。
三角棱镜540包括三棱镜，其中，一个面542被涂布反射镜涂层。光进入透射面544，行进到第二透射面546，并且在第二透射面546处全内反射(TIR)。反射光然后行进到镜像面542，反射，并且行进到第一透射面544。光再次在输入面544处TIR，并且行进到第二透射面546。棱镜的角度和折射率被设计为使得光将在该通路上离开第二面546。在这种情况下，光现在与中继透镜530的光轴成45度入射在分光子系统560上，与图2中的反射镜系统的情况相同。三角棱镜540提供比图2的反射镜240更紧凑的方案。期望三角棱镜540具有低双折射率以提高效率，并且包括用于输入面544和输出面546的抗反射涂层。
在该示例性实施方案中通过使棱镜540围绕中继透镜530的光轴旋转来使能抖动调制处理。该旋转引起屏幕上的图像位置的移位。可替换地，每幅图像的抖动调制处理可以通过使PBS 572之前的两个重导(re-directing)反射镜562、564振动来使能。
图6是投影系统600的示意性光线跟踪图，该图示出了中继透镜子系统630、三角棱镜640、立体子系统650和投影透镜子系统690。立体子系统650包括镜像分束棱镜660、重导反射镜662、664和用于组合光路的PBS 672。为支持系统操作，还包括匹配波片622b、波长选择性滤光片624和旋转器674。
图7是图示说明图6的立体子系统650的放大图的示意性光线跟踪图。如以上参照图6所述，立体子系统650包括镜像分束棱镜660、反射镜662、664、PBS 672和旋转器元件674。如该实施例所示，匹配波片622b和波长选择性(或G/M)滤光片624包括在中继透镜630之后。偏振光以基本上相同的偏振进入并离开三角棱镜640。镜像棱镜660分开图像，两个平面镜662、664将图像重新引导到PBS 672。在PBS 672之前，旋转器674改变一个路径的偏振，而各向同性片676保持另一路径中的偏振。PBS 672在投影之前将两个路径组合为一个路径。再次，抖动调制处理可以通过旋转三角棱镜640和/或振动两个重导反射镜662、664来使能。
图8是导光元件840及分光和组光子系统860的另一实施方案的示意图。分光和组光子系统860可以包括三角棱镜862、864、PBS 872以及可选的各向同性片876和旋转器874。在该示例性实施方案中，两个三角棱镜862、864取代结合图7论述的实施方案中的反射表面(660、662、664)。为补偿三角棱镜组中引起的斜光线相位差，还可以包括可选的旋转器854。与重导反射镜相对比，使用三角棱镜840、862、864导致使系统紧凑。这允许旋转器854插入在三角棱镜840与两个后面的三角棱镜862、864之间。旋转器854考虑近乎完美地补偿由三角棱镜840、862、864中的斜光线的几何效应引起的相位误差。因为就光线路径而言棱镜全都具有基本上相同的几何结构，所以棱镜之间的旋转器854将最佳地补偿斜光线偏振效应。在这种情况下，抖动调制处理通过旋转第一三角棱镜840和/或旋转后面的三角棱镜862、864中的每个来使能。
图9是立体投影系统900的实施方案的自顶向下视图的示意性光线跟踪图。该实施方案包括中继透镜930、导光元件940、分光子系统960、组光子系统970和投影透镜990。投影透镜990包括用于使能变形成像的圆柱形元件。如Willey的美国专利No.3,658,410中所公开的，圆柱形元件已包括在投影透镜990中，以在屏幕上生成变形压缩的图像，该美国专利出于所有目的通过引用被并入本文。
图10是投影透镜在具有圆柱形元件和不具有圆柱形元件的情况下在屏幕上的照明范围图。圆柱形元件使能变形功能。区域1002包括变形元件，区域1004没有变形元件。在实施方案中，在包括圆柱形元件的情况下，当与标准投影透镜情况相比时，由于添加了变形功能，所以估计整体屏幕亮度提高了大约57.5％。变形元件改变屏幕上的投影图像的纵横比。
图11是图示说明用于通过圆柱形元件对图像进行变形拉伸以生成更亮的屏幕上的图像来提高图像亮度的可替换技术的示意图。图像在垂直方向上被拉伸，以基本上填充现有的屏幕区域。区域1102是变形拉伸的区域。垂直方向上的拉伸允许同一投影透镜用于2D和3D呈现。
图12是图示说明用于将空间复用的3D投影系统转换为非复用的全分辨率2D系统的技术的示意性光线跟踪图。在该示例性实施方案中，从光路移除孔径光阑附近的分束和重组光学器件，并且使投影透镜1290枢转，以使得它平行于中继透镜1230光轴。可以移动投影透镜1290，以使得中间像1255位于投影透镜1290的后焦距附近。为适当地呈现，然后可以使投影透镜1290聚焦和变焦。
图13是图示说明用于将光学系统从3D模式转换为2D全分辨率模式的技术的另一实施例的示意性光线跟踪图。在该实施方案中，移除分束和重组光学器件的一部分(镜像棱镜、反射镜和PBS)，并且将2D旁通子系统1380插入到光路中。在该实施例中，2D旁通子系统1380为第二三角棱镜。第二三角棱镜1380与第一三角棱镜1340组合垂直地移动来自中继透镜1330的光路的光轴，以与投影透镜1390光轴对齐。投影透镜1390可以沿着光轴移动，以使图像重新聚焦。棱镜不必为三角棱镜；相反，可以使用将光轴重新引导大约45度的棱镜或反射镜。可替换的棱镜包括图16中所示的TIR棱镜类型。
图14是图示说明系统1400的实施方案的示意性光线跟踪图，其中，外部变形转换透镜1495位于投影透镜1490之后的光路中，参见，比如，Dewald的美国专利No.5,930,050(图14中的放大倍率的极性与Dewald相反)。
图15是图示说明具有外部变形转换器透镜1595的系统1500的另一实施方案的示意性光线跟踪图。如所示，对于3D操作，变形转换器1595(即，变形无焦转换器)被置于投影透镜1590之后的适当位置上，以从复用面板生成更亮的3D图像。对于2D全分辨率操作，可以从光路移除变形转换器1595，以允许呈现非复用的全2D面板分辨率，而没有变形失真。图14描绘在水平方向上放大倍率为0.5X的变形转换器，而图15描绘在垂直方向上放大倍率为2X的变形转换器。
图16是图示说明立体投影系统1600的另一实施方案的示意性光线跟踪图。系统1600还包括在中继透镜1630的输出处、分像子系统1660之前实施的布拉维(Bravais)子系统1632。TIR棱镜1640已被改变为适应来自布拉维1632的非远心光束。如果使用远心投影透镜，则还示出可选的圆柱形场镜1636，以用于创建远心束。变形拉伸已在垂直方向上实施，允许同一投影透镜1690用于2D和3D呈现这二者，其中，投影透镜变焦设置变化很小或者没有变化。
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(出于所有目的，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。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(finiteconjugate)内的正和反圆柱形元件。
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。偏振和颜色管理光学器件使得难以邻近面板插入布拉维光学器件。布拉维系统使投影透镜后焦距(BFL)变短，而长BFL优选用于插入PBS、分束棱镜以及反射镜。
图17是图示说明与图16中所示的实施方案类似的立体投影系统1700的另一实施方案的示意性光线跟踪图，不同之处在于镜像棱镜和折叠反射镜已被更紧凑的三角棱镜1760取代。系统1700还包括在中继透镜1730的输出处实施的布拉维子系统1732。
图18是图17中的分像和图像组合组件的详细视图，该详细视图具体示出旁轴布拉维系统1732、滤光片1714、场镜1736和棱镜1764、1762。布拉维变形透镜1732(被描绘为旁轴透镜)在中继透镜之后。匹配四分之一波片1722b和波长选择性滤光片1714在布拉维1732之后。接着是TIR转角棱镜(turning prism)1734其后为圆柱形场镜1736，以在中间像提供远心性。两个改进的三角棱镜1762、1764在圆柱形场镜1736之后。三角棱镜1762、1764在中间像附近具有切角，以便利分像，同时对于边缘光线，保持通光孔径通过棱镜。PBS 1772在两个三角棱镜之后，并且组合图像。旋转器1774被包括在三角棱镜之后的光路之一中，可选的清除偏振片(cleanup polarizer)(未示出)也可以在三角1762、1764与PBS 1774之间实施。整个组件紧凑，在投影透镜中提供小的后焦距。这帮助降低成本和/或改进投影透镜的性能。
图19是与图18中所示的实施方案类似的另一图像组合组件的详细视图，但是适用于非变形系统(即，没有布拉维变形透镜的系统)。该实施方案包括滤光片1914、匹配四分之一波片1922b、TIR棱镜1934、棱镜1964、1962、PBS 1972和旋转器1774。在该实施方案中，不包括图17的圆柱形场镜1736，圆柱形场镜1736可以用在非变形系统(即，没有布拉维变形透镜的系统)中。
图20是图示说明3D透镜系统2000的另一实施方案的示意性光线跟踪图。在该实施方案中，变形远心中继透镜2099插入在标准中继透镜2030与投影透镜2090之间。变形中继透镜2099创建由标准中继透镜2030生成的中间图像的实像。投影透镜2090然后将变形中继透镜2099的图像投影到屏幕2095上。
在该实施方案中，变形远心中继透镜2099可以是具有位于其孔径光阑附近的无焦变形转换器的远心中继透镜。无焦变形转换器可以为用圆柱形透镜实施的无焦转换器。圆柱形透镜可以改变中继在一个方位的放大倍率(比如，垂直方向上为2X放大倍率)，而在正交方位上具有单位放大倍率(比如，水平方向上为1X放大倍率)。在任何变形实施方式中，每个方位上的放大倍率可以不同，以被认为是变形的(即，方位可以是除了单位放大倍率之外的放大倍率)。如果两个方位都具有不等于1的放大倍率，则复曲面元件在转换器中是所期望的，或者可以使用具有正交旋转轴的多个圆柱形元件。变形中继优选为远心的，以保持光通过量(throughput)和对比度。在该示例性实施方案中，远心变形中继透镜2099被示出在棱镜组件2060与投影透镜2090之间，但是它还可以在标准中继透镜2030与棱镜组件2060之间实施。
注意的是，在该实施方案中，圆柱形场镜不被包括在第一中间像。当变形转换器被置于透镜的孔径光阑附近时，它对准直光束进行操作，就像差修正而言这是个优点。因此可以在不使用场镜的情况下保持远心性。另外，变形转换器可以在第一中继透镜或投影透镜的孔径光阑附近实施，将变形功能移到这些位置之一，这可以顾及缺少变形远心中继的情况。使用变形远心中继的系统的优点是可以移除变形远心中继，并且系统可以以所有方向上放大倍率相等的方式工作(比如，对于使用全面板分辨率的2D呈现)。美国专利No.6,995,920描述了与照相机(摄像)透镜一起使用的远心变形中继透镜，并且通过引用被并入本文。
应该意识到，布拉维变形透镜可以被添加到本文所公开的各个实施方案，以便改善系统的流明输出。布拉维可以被置于中继透镜之后、分束棱镜之前。布拉维将中间像在垂直方向上放大2X，在水平方向上放大1X，允许在3D模式下使用全面板大小。如果移除布拉维，并且垂直平移分束棱镜和投影透镜以使得整个中间像通过单个TIR棱镜和单个投影透镜，则来自面板的全分辨率图像可以被用于2D呈现。
另外，应该意识到，外部变形无焦转换器可以应用于本文所公开的各个实施方案，以便改善系统的流明输出。这样的外部变形转换器可以位于投影透镜之后。可替换地，可以使得投影透镜本身是变形的(比如，如US专利No.5,930,050中使单个投影透镜变形那样，该申请通过引用被并入本文)，以改善流明输出。
尽管以上已描述了根据所公开的原理的各种实施方案，但是应理解这些实施方案仅以示例的方式被提出，而非限制性的。因此，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形式来限定。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处理和结构。
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表征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。具体地并且作为示例，尽管标题指“技术领域”，但是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该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，以及它们的等同形式。在所有例子中，这些权利要求的范围应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 (22)

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可操作来从输入光路接收立体图像帧并且将所述立体图像帧传递到中间像面，所述立体图像帧具有第一图像区域的光和第二图像区域的光；
分光子系统，所述分光子系统可操作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；
组光子系统，所述组光子系统可操作来组合所述第一图像区域的光和所述第二图像区域的光，其中从所述组光子系统输出的所述第一图像区域的光具有与所述第二图像区域的光正交的偏振态；以及
投影透镜子系统，所述投影透镜子系统可操作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。
2.如权利要求1所述的立体投影系统，其中所述组光子系统包括偏振光束分束器(PBS)。
3.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单个投影透镜。
4.如权利要求1所述的立体投影系统，还包括液晶(LC)投影仪。
5.如权利要求4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投影仪内的波片基本上色散匹配。
6.如权利要求4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中间光路上的匹配波片，所述匹配波片与所述LC投影仪内的波片基本上色散匹配。
7.如权利要求1所述的立体投影系统，还包括：
波长选择性偏振滤光片，所述波长选择性偏振滤光片位于所述输入光路和中间光路之一上。
8.如权利要求1所述的立体投影系统，还包括位于输出光路上的四分之一波片。
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反射镜和第二反射镜。
10.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全内反射棱镜、镜像棱镜和一对全内反射棱镜之一。
11.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可操作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可操作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。
12.如权利要求1所述的立体投影系统，其中所述立体图像帧通过导光元件被传递到所述中间像面。
13.如权利要求12所述的立体投影系统，其中所述导光元件包括反射镜和棱镜之一。
14.一种投影系统，所述投影系统可操作来选择性地投影立体投影模式和非立体投影模式，所述投影系统包括：
中继透镜子系统，所述中继透镜子系统可操作来从投影子系统接收输入光并且朝中间光路传递所述输入光；
立体模块，所述立体模块可操作来从所述中间光路接收所述光并且对所述光进行处理以立体投影具有正交偏振态的左眼图像和右眼图像；
非立体模块，所述非立体模块可操作来从所述中间光路接收所述光；
投影透镜子系统，所述投影透镜子系统可操作来将来自所述立体模块或所述非立体模块的光朝屏幕聚焦；并且
其中，当处于立体投影模式时，所述立体模块位于所述中间光路中，并且其中当处于非立体投影模式时，所述非立体模块位于所述中间光路中。
15.如权利要求14所述的投影系统，还包括用于在所述立体模式与所述非立体模式之间选择的选择器。
16.如权利要求14所述的投影系统，还包括下述机构，所述机构可操作来选择性地当处于所述立体模式时将所述立体模块定位到所述中间光路中，并且当处于所述非立体模式时将所述非立体模块定位到所述中间光路中。
17.如权利要求16所述的投影系统，还包括可操作来在所述立体模式与所述非立体模式之间移动所述机构的致动器。
18.如权利要求14所述的投影系统，还包括位于所述中继透镜子系统之后的导光元件，所述导光元件可操作来朝所述中间光路引导光。
19.如权利要求18所述的投影系统，其中所述导光元件选自包括反射镜和棱镜的组。
20.如权利要求14所述的投影系统，其中所述立体模块包括：
分光子系统，所述分光子系统可操作来：
在中间像面接收具有第一图像区域的光和第二图像区域的光的立体图像帧，
将所述第一图像区域的光和所述第二图像区域的光分开，
在第一图像光路上引导所述第一图像区域的光，以及
在第二图像光路上引导所述第二图像区域的光；以及
组光子系统，所述组光子系统可操作来组合所述第一图像区域的光和所述第二图像区域的光，其中从所述组光子系统输出的所述第一图像区域的光具有与所述第二图像区域的光正交的偏振态。
21.如权利要求14所述的投影系统，还包括液晶(LC)投影仪。
22.如权利要求14所述的投影系统，还包括位于输出光路上的四分之一波片。
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