CN102520575A - 一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统 - Google Patents

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王安廷
明海
董磊
崔哲
顾春
许立新
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本发明公开了一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，解决现有三维投影显示系统，尤其是左右两视角图像需要使用两个投影机分别投影以及由此而导致的调整繁琐的问题；本发明中，该三维投影显示系统包括：光源；光束整形匀场装置；投影显示芯片；液晶偏振旋转器；时序控制电路；投影镜头；投影屏幕；两镜片检偏方向正交的的观看眼镜。本发明能够实现单投影机三维投影，并且结构简单、稳定性高、成本低、立体效果好，适用于影剧院、家庭娱乐三维投影显示。

Description

一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统
技术领域
本发明涉及三维显示和液晶偏振旋转的技术领域，特别涉及一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统。
背景技术
偏振立体投影是目前市场化最高且效果最好的一种显示技术。通常的实现方法需要使用两台投影机投射，并通过特殊的硬件输出和同步，将左、右眼图像将分别投射，观察者佩戴偏振眼镜，分别接收左右眼的图像。但是这样的系统成本高，使用过程中需要严格校正两投影机的位置，操作繁琐。随着液晶板的市场化及性能提升，液晶偏振旋转器可以简化偏振立体投影系统为一个投影仪，而且不会大幅增加产品成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、稳定，使用液晶偏振旋转器调制投影光束的偏振态来实现单投影机偏振三维投影显示系统。
为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其包括：
白色光源；
光束整形匀场装置，用于将光源发出的光线进行整形匀场，获得平行光场；
投影显示芯片，用于产生投影图像；
宽带液晶偏振旋转器，通过调节加载电压，改变o光-e光位相延迟等于0和π；
时序控制电路，用于控制投影图像与液晶偏振旋转器的信号同步，左右两眼图像投影光线o光-e光位相延迟分别为0和π；
投影镜头，用于将芯片显示图像投影到屏幕上；
投影屏幕，用于将图像投影到其上，并且散射光场的偏振方向与入射光相同，即屏幕是保偏的；
两镜片偏振方向正交的的观看眼镜，供观察者观察分时偏振投影图像。
其中，所述白色光源，可以是单个白光LED灯，单个卤素灯，或者由三个不同颜色(RGB)的LED灯合束。
其中，所述光束整形匀场装置为复眼透镜、微复眼透镜或阵列反射镜，或者为其组合光学系统。
其中，所述用于产生图像的投影显示芯片是滤色型彩色芯片，可以为LCD或LCoS的一种，这种类型的出射光线是线偏振的。
其中，分时投影对应于观察者左眼和右眼的显示图像。
其中，所述宽带液晶偏振旋转器，通过调节所加电压，调节出射光的o光和e光的位相延迟，经0位相和π位相调制的两个出射光线偏振态正交；这种调制对红绿蓝三种颜色同时成立；液晶偏振旋转调制器的位置可以在投影镜头之前也可以在之后。
其中，所述时序控制电路，根据投影芯片投影左右眼图像信号，同步调节；液晶偏振旋转器的加载电压，实现其o光-e光零位相和π位相延迟的切换。
其中，所述投影屏幕可以是反射式或者透射式的屏幕。
其中，所述两镜片偏振方向正交的的观看眼镜，如果投影左眼图像时对应的位相调制为0，则左眼镜偏振方向与投影芯片出射光线的偏振方向平行，如果投影左眼图像时对应的o光-e光位相延迟调制为π，则左眼镜偏振方向与投影芯片出射光线的偏振方向垂直；观察位置可以在投影屏的后方也可以在前方。
另外，本发明提供一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其包括：
三个单色光源，分别分时发射RGB三种颜色的光；
光束整形匀场装置，用于将光源发出的光线进行整形匀场，获得平行光场；
用于产生图像的投影显示芯片，时序产生一个图像的RGB信号；
液晶偏振旋转器，加载不同的电压，改变对应RGB三个单色信号的偏振态；
时序控制电路，用于同步RGB三个光源与投影芯片，旋转调制器；
投影镜头，用于将芯片显示图像投影到屏幕上；
投影屏幕，投影屏幕必须是保偏振的；
两镜片偏振方向正交的的观看眼镜，供观察者观察分时偏振投影图像。
其中，所述三个单色光源分别为产生RGB光，可以是颜色分别为RGB的三个LED灯或者三个激光器，三个光源时序打开。
其中，所述投影显示芯片是时序彩色型芯片，可以为LCD或LCoS的一种，这种类型的出射光线是线偏振的；也可以是DLP，但需在光源位置插入一个偏振片，保证投影光束是线偏振的。
其中，左右眼的彩色图像的RGB分量分时投影；液晶偏振旋转器再根据不同颜色和左右眼图像加载不同的电压准确调制o光-e光延迟相位0和π。
另外，本发明还提供一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其包括：
三个单色光源，分别同时发射RGB三种颜色的光；
三个光束整形匀场装置，每一个用于将对应光路中光源发出的光线进行整形匀场，获得平行光场；
三个用于产生图像的投影显示芯片，每个芯片只投影对应RGB信号之一的图像；
三个液晶偏振旋转器，加载不同的电压，改变对应RGB中某一个单色信号的偏振态；
时序控制电路，用于同步显示芯片和液晶旋转调制器之间的信号同步；
合色棱镜，将RGB三个光路合成一条光路；
投影镜头，用于将芯片显示图像投影到屏幕上；
投影屏幕，用于将图像投影到其上，并且散射光场的偏振方向与入射光相同，即屏幕是保偏的；
两镜片偏振方向正交的的观看眼镜，供观察者观察分时偏振投影图像。
其中，所述三个单色光源分别为产生RGB光，可以是颜色分别为RGB的三个LED灯或者三个激光器，三个灯连续发光；也可以是单个白光LED灯或者单个卤素灯，此时经分色镜片形成RGB三色光。
其中，所述用于产生图像的投影显示芯片是一种无滤色片的芯片，可以为LCD或LCoS的一种，这种类型的出射光线是线偏振的。
其中，三个投影显示芯片在同一时刻出射光偏振方向相同。
其中，投影图像的RGB分量分别经各自独立的子光路投影；每个子光路包含有独立的光束整形匀场装置、用于产生图像的投影显示芯片和液晶偏振旋转器；各光路中的液晶偏振旋转器是针对相应颜色工作，均保证调制o光-e光延迟位相在0和π两个值之间的切换；最后，三个颜色的光信号经合色棱镜合成一个光路，并经投影镜头投影至投影屏幕。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、能够有效降低三维投影显示系统成本；
2、系统安装和使用更方便，且同步控制系统性能要求降低；
3、稳定性高、立体效果好，适用于影剧院、家庭娱乐三维投影显示。
附图说明
图1示意性地给出了根据本发明总体构思的实施例1的三维投影显示系统；
图2示意性地给出了滤色型彩色LCD投影显示芯片结构图；
图3示意性地给出了使用偏振眼镜观看时光的偏振分布情形；
图4示意性地给出了另一种根据本发明总体构思的实施例2的三维投影显示系统；
图5示意性地给出了另一种根据本发明总体构思的实施例3的三维投影显示系统。
图中，11为白光光源；12为光束整形匀场装置；13为滤色型彩色投影显示芯片；14为宽带液晶偏振旋转器；时序控制电路15；投影镜头16；投影屏幕17；观看眼镜18；起偏器19；液晶板20；滤色片21；检偏器22；红色光源23、绿色光源24、蓝色光源25；合色棱镜26和27；用于产生投影图像的时序型彩色投影显示芯片28，30，32和34；液晶偏振旋转器29，31，33和35；三色合色棱镜36。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描叙。
实施例1：
参照图1，该三维投影显示系统包括：白光光源11；光束整形匀场装置12，用于将光源发出的光线进行整形匀场，获得平行均匀的光场；用于产生投影图像的滤色型彩色投影显示芯片13；宽带液晶偏振旋转器14，通过调节加载电压，可以改变o光-e光位相延迟0和π，这样出射光的偏振方向将会不旋转和旋转至垂直入射光偏振方向；时序控制电路15协调投影显示芯片13和液晶偏振旋转器14之间的信号同步；投影镜头16，用于将图像投影到屏幕上；投影屏幕17；在投影屏幕17后面的一两镜片偏振方向正交的的观看眼镜18。
白光光源11可以是单个白光LED灯，单个卤素灯，或者由三个不同颜色(RGB)的LED灯或者激光器光束经合色棱镜合束。
图2示意性地给出了滤色型彩色LCD投影显示芯片13结构图，它由起偏器19，液晶板20，滤色片21和检偏器22组成。由于检偏器22的存在，投影出射光线是线偏振的。
在投影过程中，投影显示芯片13出射的光线再经液晶偏振旋转器14，为了实现偏振三维显示，对应左右两眼投影图像的偏振状态应相互垂直，即液晶偏振旋转器14的o光-e光位相延迟需在0和π两个值之间切换。时序控制电路15则是根据投影芯片投影左右眼图像信号，同步液晶偏振旋转器14的加载电压和投影显示芯片13的显示信号。经14调制的投影信号经投影镜头16成像在投影显示屏幕17上，投影显示屏幕17的散射光场偏振方向与入射光线的偏振方向相同，使用偏振眼睛可以独立分时观察到左右眼的投影图像。图3示意性地给出了使用偏振眼镜观看时光的偏振分布情形，通过如图1所示系统，左右眼分别看到两套图像，经大脑合成，产生立体效果。
实施例2：
图4是另一种根据本发明总体构思的实施例2的三维投影显示系统。该三维投影显示系统包括：红色光源23、绿色光源24、蓝色光源25；合色棱镜26和27；光束整形匀场装置12；用于产生投影图像的时序型彩色投影显示芯片28，该芯片没有滤色片，三种颜色的信号分时投影；液晶偏振旋转器29，通过调节加载电压，改变o光-e光位相延迟0和π；时序控制电路15协调红色光源23、绿色光源24、蓝色光源25、投影显示芯片28和液晶偏振旋转器29之间的信号同步；投影镜头16；投影屏幕17；一两镜片偏振方向正交的的观看眼镜18。
投影显示芯片28是时序型彩色芯片，RGB三色光是分离的，并分时通过无滤色片的时序型彩色投影芯片，彩色图像的RGB分量分时投影，同时左右眼的图像进一步分时投影。在液晶偏振旋转器29上根据不同颜色和左右眼图像加载不同的电压准确调制位相，此时投影芯片帧频和液晶偏振旋转器的调制频率均为360Hz。
其它结构同实施例1。
实施例3：
图5是另一种根据本发明总体构思的实施例3的三维投影显示系统。该三维投影显示系统包括：红色光源23、绿色光源24、蓝色光源25；每个子光路包含有光束整形匀场装置12、用于产生投影图像的无滤色片的投影显示芯片30/32/34及液晶偏振旋转器31/33/35；时序控制电路15；合色棱镜36，用于将三色光合束；投影镜头16；投影屏幕17；一两镜片偏振方向正交的的观看眼镜18。该方式不同于实施例2之处是：三种颜色的光源23/24/25是连续发光，RGB信号经过独立的光路进行投影显示芯片30/32/34信号加载和液晶偏振旋转器31/33/35位相调制，二者的调制频率降为120Hz。而且时序控制电路45需要协调投影显示芯片30/32/34和液晶偏振旋转器31/33/35之间的信号同步。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。本领域的技术人员应当理解，对于本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应该涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (20)

1.一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其特征在于：包括：
白色光源；
光束整形匀场装置，用于将光源发出的光线进行整形匀场，获得平行光场；
投影显示芯片，用于产生投影图像；
宽带液晶偏振旋转器，通过调节加载电压，改变o光-e光位相延迟等于0和π；
时序控制电路，用于控制投影图像与液晶偏振旋转器的信号同步，左右两眼图像投影光线o光-e光位相延迟分别为0和π；
投影镜头，用于将芯片显示图像投影到屏幕上；
投影屏幕，用于将图像投影到其上，并且散射光场的偏振方向与入射光相同，即屏幕是保偏的；
两镜片偏振方向正交的的观看眼镜，供观察者观察分时偏振投影图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其特征在于：所述白色光源，可以是单个白光LED灯，单个卤素灯，或者由三个不同颜色(RGB)的LED灯合束。
3.根据权利1要求所述的一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其特征在于：所述光束整形匀场装置为复眼透镜、微复眼透镜或阵列反射镜，或者为其组合光学系统。
4.根据权利要求1所述的一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其特征在于：所述用于产生图像的投影显示芯片是滤色型彩色芯片，可以为LCD或LCoS的一种，这种类型的出射光线是线偏振的。
5.根据权利要求1所述的一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其特征在于：所述的投影显示芯片，分时投影对应于观察者左眼和右眼的显示图像。
6.根据权利要求4所述的一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其特征在于：所述的投影显示芯片，分时投影对应于观察者左眼和右眼的显示图像。
7.根据权利要求1所述的一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其特征在于：所述宽带液晶偏振旋转器，通过调节所加电压，调节出射光的o光和e光的位相延迟，经0位相和π位相调制的两个出射光线偏振态正交；这种调制对红绿蓝三种颜色同时成立；液晶偏振旋转调制器的位置可以在投影镜头之前也可以在之后。
8.根据权利要求1、4、5、6或7所述的一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其特征在于：所述时序控制电路，根据投影芯片投影左右眼图像信号，同步调节；液晶偏振旋转器的加载电压，实现其o光-e光零位相和π位相延迟的切换。
9.根据权利要求1所述的一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其特征在于：所述投影屏幕可以是反射式或者透射式的屏幕。
10.根据权利要求1、4、5、6或9所述的一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其特征在于：所述两镜片偏振方向正交的的观看眼镜，如果投影左眼图像时对应的位相调制为0，则左眼镜偏振方向与投影芯片出射光线的偏振方向平行，如果投影左眼图像时对应的o光-e光位相延迟调制为π，则左眼镜偏振方向与投影芯片出射光线的偏振方向垂直；观察位置可以在投影屏的后方也可以在前方。
11.一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其特征在于：包括：
三个单色光源，分别分时发射RGB三种颜色的光；
光束整形匀场装置，用于将光源发出的光线进行整形匀场，获得平行光场；
用于产生图像的投影显示芯片，时序产生一个图像的RGB信号；
液晶偏振旋转器，加载不同的电压，改变对应RGB三个单色信号的偏振态；
时序控制电路，用于同步RGB三个光源与投影芯片，旋转调制器；
投影镜头，用于将芯片显示图像投影到屏幕上；
投影屏幕，投影屏幕必须是保偏振的；
两镜片偏振方向正交的的观看眼镜，供观察者观察分时偏振投影图像。
12.根据权利要求11所述的一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其特征在于：所述三个单色光源分别为产生RGB光，可以是颜色分别为RGB的三个LED灯或者三个激光器，三个光源时序打开。
13.根据权利要求11所述的一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其特征在于：所述投影显示芯片是时序彩色型芯片，可以为LCD或LCoS的一种，这种类型的出射光线是线偏振的；也可以是DLP，但需在光源位置插入一个偏振片，保证投影光束是线偏振的。
14.根据权利要求的11、12或13所述的一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其特征在于：左右眼的彩色图像的RGB分量分时投影；液晶偏振旋转器再根据不同颜色和左右眼图像加载不同的电压准确调制o光-e光延迟相位0和π。
15.一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其特征在于：包括：
三个单色光源，分别同时发射RGB三种颜色的光；
三个光束整形匀场装置，每一个用于将对应光路中光源发出的光线进行整形匀场，获得平行光场；
三个用于产生图像的投影显示芯片，每个芯片只投影对应RGB信号之一的图像；
三个液晶偏振旋转器，加载不同的电压，改变对应RGB中某一个单色信号的偏振态；
时序控制电路，用于同步显示芯片和液晶旋转调制器之间的信号同步；
合色棱镜，将RGB三个光路合成一条光路；
投影镜头，用于将芯片显示图像投影到屏幕上；
投影屏幕，用于将图像投影到其上，并且散射光场的偏振方向与入射光相同，即屏幕是保偏的；
两镜片偏振方向正交的的观看眼镜，供观察者观察分时偏振投影图像。
16.根据权利要求15所述的一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其特征在于：所述三个单色光源分别为产生RGB光，可以是颜色分别为RGB的三个LED灯或者三个激光器，三个灯连续发光；也可以是单个白光LED灯或者单个卤素灯，此时经分色镜片形成RGB三色光。
17.根据权利要求15所述的一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其特征在于：所述用于产生图像的投影显示芯片是一种无滤色片的芯片，可以为LCD或LCoS的一种，这种类型的出射光线是线偏振的。
18.根据权利要求15所述的投影显示芯片，其特征在于：三个投影显示芯片在同一时刻出射光偏振方向相同。
19.根据权利要求17所述的投影显示芯片，其特征在于：三个投影显示芯片在同一时刻出射光偏振方向相同。
20.根据权利要求15、16、17、18或19所述的一种基于液晶偏振旋转的三维投影显示系统，其特征在于：投影图像的RGB分量分别经各自独立的子光路投影；每个子光路包含有独立的光束整形匀场装置、用于产生图像的投影显示芯片和液晶偏振旋转器；各光路中的液晶偏振旋转器是针对相应颜色工作，均保证调制o光-e光延迟位相在0和π两个值之间的切换；最后，三个颜色的光信号经合色棱镜合成一个光路，并经投影镜头投影至投影屏幕。
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