CN103383494B - 用于立体投影的偏振转换系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于立体投影的偏振转换系统和方法。偏振转换系统将来自非偏振的图像源的光分为第一偏振态(SOP)和正交的第二偏振态，并且在第一和第二光路上引导所述偏振光。所述光路中的仅一个上的光的偏振态被转化为正交的态，从而两个光路均具有相同的偏振态。偏振调制器将在所述第一和第二光路上的光时间调制为第一和第二输出偏振态。第一和第二投影透镜向投影屏幕引导在所述第一和第二光路上的光，以形成基本上重叠的偏振编码图像。所述偏振调制器可以位于所述投影透镜之前或之后。所述偏振编码图像可以采用具有适当的偏振滤光片的眼镜来观看。

Description

用于立体投影的偏振转换系统和方法
本申请是2008年5月9日递交的申请号为200880023761.1、发明名称为“用于立体投影的偏振转换系统和方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开的实施方案总地涉及偏振编码图像的投影，并且，更具体地涉及用于将偏振编码图像传送到投影屏幕的偏振转换系统和方法。
背景技术
图1是示意图，图示示例性保偏(polarization preserving)显示系统100。所述显示系统100包括投影屏幕102和偏振滤光眼镜104。立体三维(3D)图像是通过偏振滤光眼镜104采用顺序地显示左和右透视图像的单个保偏屏幕102来观察的。偏振滤光眼镜104含有交替正交偏振的两个透镜106和108。
3D图像可以采用在投影仪的偏振控制编码，并且采用偏振滤光眼镜解码左和右透视图像而被合成(参见，如：共同拥有的授予Lenny Lipton等人的题为“Method and systememploying a push-pull liquid crystal modulator(采用推拉液晶调制器的方法和系统)”的美国专利号4,792,850以及于2006年6月14日递交的题为“AchromaticPolarization Switches(消色差偏振开关)”的美国专利申请序列号11/424,087，所述专利和专利申请两者针对所有目的通过引用被整体并入本文)。
在投影透镜之后的偏振控制的常规实现示于图2中。从透镜的输出发出接近平行的光线(看起来似乎是源于所述透镜之内的光瞳)，并且会聚以在远端屏幕上形成光斑。图2中的光线束A、B和C是在投影屏幕的底部、中部和上部形成光斑的束。如图2中所描绘的，从投影透镜发出的光被随机地偏振化为S和P偏振光两种。所述光通过线偏振器，导致在所述偏振器之后的单个偏振态。正交的偏振态被吸收(或被反射)，从而偏振器之后的光通量小于原始通量的50％(导致较暗淡的最终图像)。偏振开关与图像帧同步，并且从偏振开关出来的偏振态是交替的，在屏幕上产生交替正交偏振的图像。偏振选择眼镜104允许一种偏振的图像通过到左眼，并且正交偏振的图像通过到右眼。通过对每只眼睛呈现不同的图像，而可以合成3D图像。
该系统目前在电影院中使用。然而，典型地，该系统设计却有这样的不利，即被偏振器吸收了多于50％的光，以及由此得到的图像典型地较之传统的2D影院暗淡50％以上。此外，时序(time-sequential)立体3D还减少了多于50％的亮度。较暗淡的图像可以因此限制用于3D应用的影院的大小和/或为观众提供较不理想的观看体验。
发明内容
本公开针对上面提及的问题以及其他问题，提供用于立体投影的偏振转换系统和方法。总地来说，偏振转换系统将来自非偏振的图像源的光分为第一偏振态(SOP)和正交的第二偏振态，并且在第一和第二光路上引导所述偏振光。所述光路中的仅一个上的光的偏振态被转化为正交的态，从而两个光路均具有相同的偏振态。偏振调制器将在所述第一和第二光路上的光时间调制为第一和第二输出偏振态。第一和第二投影透镜向投影屏幕引导在所述第一和第二光路上的光，以形成基本上重叠的偏振编码图像，所述偏振编码图像较之所引用的现有技术的系统亮得多。所述偏振编码图像可以采用具有适当的偏振滤光片的眼镜来观看。
根据一方面，用于向投影屏幕传送偏振编码图像的偏振转换系统包括第一投影透镜、第二投影透镜、偏振光束分束器(PBS)、反射元件和偏振调制器。PBS可操作来向第一光路上的第一投影透镜传送第一偏振态的光，并且还可操作来向第二光路反射第二偏振态的光。反射元件位于第二光路上，并且可操作来向第二投影透镜反射光。偏振调制器可以位于第一和第二光路上。第一和第二投影透镜可操作来向投影屏幕引导偏振编码图像。
在一些实施方案中，偏振调制器可以是位于第一和第二光路两者上的单个单元。在其他实施方案中，偏振调制器可以包括一第一偏振开关和一第二偏振开关，每个偏振开关分别位于各自的第一和第二光路上。所述一个或两个偏振开关可以位于所述投影透镜之前或之后。
根据另一方面，用于投影偏振编码立体图像的方法包括在偏振光束分束器接收非偏振的图像源光。所述方法包括在偏振光束分束器向位于第一光路上的投影透镜传送第一偏振态的图像源光。所述方法还包括在偏振光束分束器向第二光路反射第二偏振态的图像光。所述方法还包括在第二光路上向第二投影透镜反射光。所述方法另外还包括将第一和第二光路中的一个上的光的偏振态旋转到正交的偏振态。所述方法还包括在第一偏振输出态和第二偏振输出态之间时间调制在所述第一和第二光路上的光的偏振态。
本发明提供一种用于将偏振编码图像传送到投影屏幕的偏振转换系统，所述系统包括：第一投影透镜；第二投影透镜；偏振光束分束器，所述偏振光束分束器可操作来向第一光路上的所述第一投影透镜传送第一偏振态的光，并且可操作来向第二光路反射第二偏振态的光；位于所述第二光路上的反射元件，所述反射元件可操作来向所述第二投影透镜反射光；以及位于所述第一和第二光路上的偏振调制器，其中，所述第一和第二投影透镜可操作来向所述投影屏幕引导所述偏振编码图像。
其中，偏振转换系统还包括位于所述第一和第二光路之一上并且位于所述偏振调制器之前的半波片。
其中，所述偏振调制器包括：位于所述第一光路上并且在所述第一投影透镜之后的第一偏振开关；以及位于所述第二光路上并且在所述第二投影透镜之后的第二偏振开关。
其中，所述第一和第二偏振开关同步时间调制偏振光。
其中，所述偏振调制器包括：位于所述第一光路上并且在所述偏振光束分束器和所述第一投影透镜之间的第一偏振开关；以及位于所述第二光路上并且在所述偏振光束分束器和所述第二投影透镜之间的第二偏振开关。
其中，所述偏振调制器包括单个偏振开关。
其中，所述偏振调制器包括基于液晶的调制器。
其中，所述偏振调制器包括旋转分段偏振器轮。
其中，所述旋转分段偏振器轮包括：各向同性段；以及旋转器段，其中旋转轮可操作来将偏振输入转换为一组时间交替的正交偏振输出态。
其中，偏振转换系统还包括初始中继透镜，所述初始中继透镜可操作来向所述偏振光束分束器引导来自图像源的非偏振光。
其中，偏振转换系统还包括位于所述第一光路上并且可操作来向所述第一投影透镜引导光的第一中继透镜，以及位于所述第二光路上并且可操作来向所述第二投影透镜引导光的第二中继透镜。
其中，偏振转换系统还包括位于所述偏振调制器之前的预偏振器。
其中，所述反射元件包括玻璃棱镜，反射镜，以及第二偏振光束分束器中的一个。
本发明提供一种用于投影偏振编码图像的方法，所述方法包括：在偏振光束分束器接收非偏振的图像源光；在所述偏振光束分束器向位于第一光路上的投影透镜传送第一偏振态的图像源光；在所述偏振光束分束器向第二光路反射第二偏振态的图像光；在所述第二光路上向第二投影透镜反射光；将所述第一和第二光路中的一个上的光的偏振态旋转到正交的偏振态；以及在第一偏振输出态和第二偏振输出态之间时间调制在所述第一和第二光路上的光的偏振态。
其中，所述第一偏振输出态包括圆偏振光，并且所述第二偏振输出态包括相反手性的圆偏振光。
其中，所述第一偏振输出态包括线偏振光，并且所述第二偏振输出态包括正交的线偏振光。
其中，在所述第一光路上的光在被时间调制之前通过所述第一投影透镜。
其中，在所述第一光路上的光在被时间调制之后通过所述第一投影透镜。
其中，所述时间调制包括向液晶调制器施加偏置电压。
其中，所述时间调制包括旋转分段偏振器轮。
参考前面的详述，其他特征将是明显的。
附图说明
在附图中，以举例的方式图示了实施方案，图中相同的数字指代相似的部件，并且其中：
图1是示意图，图示根据本公开的示例性保偏显示系统；
图2图示在利用偏振开关的电影3D系统中的偏振控制的已知实现；
图3是示意图，图示根据本公开的偏振转换系统(PCS)的第一实施方案；
图3B是示意图，图示根据本公开的偏振转换和开关模块；
图4是示意图，图示根据本公开的PCS的第二实施方案；
图5是示意图，图示根据本公开的PCS的第三实施方案；
图6是示意图，图示根据本公开的PCS的第四实施方案；
图7是示意图，图示根据本公开的PCS的第五实施方案；
图8是示意图，图示根据本公开的PCS的第六实施方案；
图9是示意图，图示根据本公开的PCS的第七实施方案；
图10是示意图，图示根据本公开的PCS的第八实施方案；
图11是根据本公开的PCS的第九实施方案的示意图；以及
图12是根据本公开的PCS的第十实施方案的示意图。
具体实施方式
第一实施方案：
图3是示意图，图示偏振转换系统(PCS)300的第一实施方案。总地来说，PCS 300可以包括如所示排布的图像源304(如，来自光调制面板或传统的胶片)、初始中继透镜302、偏振光束分束器(PBS)310、第一和第二中继透镜306和308、偏振开关312、折叠反射镜318、偏振转换和开关模块320，以及第一和第二投影透镜328和330。如图3B所图示的，偏振转换和开关模块320可以包括偏振转换器322和偏振开关324，并可以可选地包括预偏振器326以改进对比度，其全部如图示排布。偏振转换器322是可操作来将输入偏振态转化为正交的偏振态的光学组件(如半波片)。
第一和第二中继透镜306和308优选地关于各自的孔径光阑301和303对称，所述孔径光阑301和303分别位于偏振开关312以及偏振转换和开关模块320之后，在每个像位置314和316提供面板304的基本上不失真的像。在替换的实施方案中，孔径光阑301和303，可以位于各自的光路305和307上，直接在偏振开关312以及偏振转换和开关模块320之前。在另一个替换的实施方案中，图3描绘了针对偏振开关312在第一光路306中的替换的(alternate)位置332，以及针对偏振转换和开关模块320在第二光路308中的替换的位置334。如果通过中继系统300的透镜元件302的双折射削减了系统对比度，这些位置可以证明是有益的选择。作为另一个替换的位置，偏振开关312和324可以改为被放置在投影透镜之后，而非之前。这样的实施方案可以提供系统对比度优势。注意，半波片322不是必须直接与偏振开关324相邻——半波片322可以位于光路中PBS 310和偏振开关324之间的任何位置。实际上，在替换的实施方案中，偏振开关312以及偏振转换和开关模块320的位置可以被颠倒，使得偏振开关312位于第二光路307上，并且偏振转换和开关模块320位于第一光路305上。
操作中，用来自光源(未显示)的随机偏振光照明面板304(如，来自德州仪器(Texas Instruments)的数字光处理(DLP)面板或传统的胶片)，以提供非偏振的图像源光。所述光源可以是，例如常规的UHP灯、氙灯、发光二极管光源，或者在一些实施方案中是在2007年7月18日递交、题为“用于投影系统的集光器(Light Collector for projectionsystems)”的共同拥有的美国专利申请号11/779,708中所教导的光源，所述专利申请通过引用被并入本文。来自面板304的非偏振的图像源光通过初始中继透镜302向PBS310引导。PBS 310可以在第一光路305上传送P-偏振光，并向第二光路307反射S-偏振光。在第一光路305上，P-偏振光通过偏振开关312，所述偏振开关312操作来旋转通过开关312的在交替的帧中的光，与图2中的所述束A、B和C相似。
在第二光路307上，被PBS 310反射的S-偏振光传到折叠反射镜318(或任何用来反射光，而不改变偏振态的光学组件，如棱镜)。然后，S-偏振光通过偏振转换和开关模块320。偏振转换器322(其可以是半波片)优选地将实质上所有的可见光波长转化为正交的偏振(在此情况中，从S-偏振光到P-偏振光)。然后，现在是P-偏振的光通过偏振开关324。在一些实施方案中，为了更高的对比度，可以在模块320之前或之后增加预偏振器326。包含在偏振和开关模块320中的偏振开关324操作来以基本上与第一光路305中的开关312等同的方式创建交替的正交态。
偏振转换系统300可以形成面板304的两个分开的像314和316，其每一个具有1X的放大率(即，314和316处的输出像可以具有与来自面板304的输入图像基本上相同的尺寸)。应认识到，在该实施方案和其他实施方案中，放大率可以不是1X，并且该放大率被提供来作为实施例。第一和第二投影透镜328和330分别使中间像314和316成像在投影屏幕102上。投影透镜328和330被允许横向移动，使得屏幕102上来自两个光路305和307的图像优选地以最小梯形失真叠加(基本上重叠)。由于几乎所有来自面板304的随机偏振光都以单个偏振态在屏幕102成像，图3中系统得到的图像较之用于图2中的系统的屏幕102上的图像更亮，大致为两倍。
该系统也可以被用于电影的、专业的和消费者应用，如家庭影院和背投电视(RPTV)，假设采用了保偏屏幕102。
第二实施方案：
图4是示意图，图示偏振转换系统(PCS)400的第二实施方案。PCS 400提供与图3中所示的系统相似的中继系统，其中组件的排布具有基本上相似的结构和功能，除了玻璃棱镜410已经被插入第二光路407中，如图示排布。玻璃棱镜410可以是高折射率玻璃棱镜。
操作中，玻璃棱镜410允许面板404的两个像414和416基本上并列在单个平面中，提供投影透镜428和430的更方便的包装和调整。优选地，中继系统400被这样设计，使得来自物(即，面板404)的单个场点的光线在孔径光阑401和403产生准直束(来自场点的所有光线具有相同的角度)。这允许在孔径光阑插入玻璃棱镜410，而不影响透镜402的性能。玻璃棱镜410允许两个像414和416为并列的。再一次，在替换的实施方案中，偏振转换和开关模块420与偏振开关412可以每一个具有分别针对每条光路的替换的位置404和406，或在投影透镜之前，或在投影透镜之后。
第三实施方案：
图5是示意图，图示偏振转换系统(PCS)500的第三实施方案。图5提供与图4所示相似的PCS 500，除了图4的偏振开关412已经被旋转轮550代替，所述旋转轮550可操作来将偏振输入转换为一组时间交替的正交偏振输出态。在一个实施方案中，旋转轮550可以包含传送来自非偏振输入的交替的正交偏振的段。在另一实施方案中，旋转轮550前面可以为一固定偏振器。然后，旋转轮550可以包含表征单式(unitary)偏振转化(如来自一叠延迟膜)的段。
一个由偏振器(旋转轮550)的物理旋转造成的问题是输出以模拟的方式变化，除非每一段都被图形化以补偿该效应。功能上，二元(binary)偏振开关效应是期望的，根据本公开，该效应使用具有圆本征偏振的元件来最优地实现。例如，无论轮的取向如何，真圆偏振器(相对于，例如后面接着有延迟片或延迟片叠(stack)的线偏振器)将传送圆偏振态的特定旋向性(handedness)(如右旋或左旋)。
选择地，固定偏振器之后可以为具有圆本征偏振，或者纯圆延迟片的单式偏振转化系统。例如，线偏振器之后可以为旋转轮550，所述旋转轮550包含各向同性段，以及纯消色差的偏振旋转元件的组合。纯消色差旋转器具有零线性延迟(无光轴)，但具有正交圆偏振态之间期望量的相位延迟。在此情况中，无论轮的取向如何，圆本征态之间的π相移将把输入转换为正交的线性输出(linear output)。由此，模拟轮将在正交的线偏振之间提供二元开关。
纯消色差的偏振旋转器可以使用线性延迟片叠来制造。一种设计方法是以特定的对称排布来使叠配对。例如，产生特定延迟和旋转的叠可以与具有反顺序，或反顺序反射对称的完全相同的叠配对(参见，如Wiley&Sons 2005年出版的、Robinson等人的“用于LCD投影的偏振工程”(POLARIZATION ENGINEERING FOR LCD PROJECTION)第5章，其通过引用被并入本文)。反顺序叠使净延迟加倍而消除旋转，然而，反射的增加有加倍旋转而消除延迟的作用。设计为(在所关心的所有波长上)将0-取向的线性输入转换为π/4取向的线性输出的叠可以被设计，所述叠一般包含线性延迟。然而，当与反顺序反射的叠配对时，净效应为零延迟和期望的π/2取向转化。这样的透明元件可以被层压为各向同性盘上的段，以生成带旋转轮550的二元偏振开关。
表1提供针对示例性延迟片叠的设计，所述延迟片叠呈现具有反顺序反射对称性的基本上消色差的π/2旋转。注意，该对称性对于达到期望的偏振转化是充分的，但不是必要的条件。很容易证明，第6层之后的偏振态是45°线性，尽管所述叠具有线性延迟，所述延迟通过随后的叠而被消除。在该实施例中，所有的层都有1/2-波(典型地跨可见区240-270nm)的零级面内延迟。应明白，根据本公开，可以使用其他具有不同取向和延迟特性的延迟片组合设计。
表1
层数 方向
1 -19.6°
2 2.4°
3 18.1°
4 -65.6°
5 -54.3°
6 -15.0°
7 15.0°
8 54.3°
9 65.6°
10 -18.1°
11 -2.4°
12 19.6°
还是参照图5，操作中，来自较低光路505的光是P-偏振的，并且通过轮550的各向同性段504。所述光保持为P-偏振的，通过像2516、通过投影透镜530并且到达屏幕102上。在这个例子中，较高光路507中的光是S-偏振的，并且通过轮550的旋转器段506。所述S-偏振光通过轮550被旋转到P-偏振光，并且通过投影透镜528，以及以P-偏振光到达屏幕102上。然后将轮550与视频同步，以在屏幕102上产生具有交替偏振的图像。偏振态的变化也是可能的，其中每条光路通过在光路中增加四分之一波片而产生圆偏振，或者通过在每条路中增加旋转器而产生旋转后的线偏振态(如，+/-45度)。
第四实施方案：
图6是示意图，图示偏振转换系统(PCS)600的第四实施方案。图6图示PCS 600，其中放大率已被增加到2X(相对于先前的1X)。在此情况中，PCS 600的第一半部分可以在结构和功能上与图4中描述的组件完全相同，所述第一半部分包括PBS 610和光路匹配的玻璃棱镜602。然而，PCS 600的第二半部分已被放大为2倍，以使第二半部分的焦距增加为2倍。PCS600产生是面板604尺寸的两倍的像，而维持相同的f-数(或数值孔径)。在该示例性实施方案中，可以使用单个中继透镜608，以提供中间像，并且可以利用单个投影透镜630(如，70mm电影镜头)，以将中间像成像到屏幕102。偏振转换和开关模块620及其替换的位置625也被显示。
第五实施方案：
图7是示意图，图示PCS 700的第五实施方案。图7描绘与图6中所示相似的PCS700，除了图6的偏振转换和开关模块620已被分段轮750(与图5中描述的分段轮相似)代替。分段轮750和替换的分段轮位置752也被指明。再一次，可以利用单个投影透镜730，以将中间像成像到屏幕102。
第六实施方案：
图8是示意图，图示PCS 800的第六实施方案。PCS 800可以包括面板804、初始中继透镜802、PBS 810、第一光路上的偏振开关812、带反射器(如，反射镜倾斜表面)816的玻璃棱镜814、偏振转换和开关模块818，以及第一和第二投影透镜820和822，其全部如所示排布。与图3B的偏振转换和开关模块320的描述相似，偏振转换和开关模块818可以具有可选的预偏振器、偏振旋转器和偏振开关。投影透镜系统800可以形成面板304的两个分开的像，每个像有大的放大率。该PCS 800也可以被用于专业的和消费者应用，如家庭影院和RPTV，假设保偏屏幕102是可以获得的。
操作中，用随机偏振光照明面板804(如数字光处理，或DLP，来自德州仪器的面板)。在该实施方案中，来自面板804的光通过第一和第二投影透镜820和822被投影到屏幕102，所述第一和第二投影透镜820和822可以是反远摄(reverse telephoto)类型。PBS 810沿第一光路传送P-偏振光，并且沿第二光路反射S-偏振光。P-偏振光通过偏振开关812并且在交替的帧中被偏振开关812旋转，与图2中的束A、B和C相似。
被PBS 810反射的S-偏振光(在第二光路上)传到棱镜814。棱镜814可以包含充当折叠反射镜的倾斜表面816。反射可以用全内反射来实现，或通过用反射镜层(如，银)覆盖所述斜面来实现完成。为了将这样的棱镜814插入到PCS 800内部，而不在最终像中产生过度的像差，来自物(面板304)的场点的光线优选在一个或两个孔径光阑830和832处被准直(即，所述束中的光线具有相同的角度)。在一些实施方案中，孔径光阑830可以沿第一光路位于偏振开关812之前，和/或沿第二光路位于棱镜结构814之前的某个位置(即，832)。由此，准直的光线通过棱镜结构814，而不会引入像差。然后，S-偏振光从棱镜814传出，通过偏振转换和开关模块818，并且被旋转到P-偏振光。偏振转换和开关模块818内的偏振开关作用于P-偏振光，旋转在交替的帧中的光线束的偏振，与非反射镜光路中的束的旋转同步。
透镜820和822的两个基本上完全相同的第二半部分将两个图像投影到屏幕102上。为了使所述两个图像在屏幕102上重叠，可以调节偏振光束分束器810倾斜和/或可以调节棱镜808倾斜。投影透镜组件，可以作为整体，被允许横向移动，使得屏幕102上来自第一和第二光路的图像能针对各种影院配置而被垂直偏移(offset)。第一半部分透镜820可以在较低光路中被切割，以允许光在较高光路中无遮挡地传递，如图8中描绘的。
由于几乎所有来自面板804的随机偏振光都以单个偏振态在屏幕102成像，图8中系统得到的图像较之用于图2中的系统的屏幕102上的图像更亮，大致为两倍。
第七实施方案：
图9描绘与图8中相似的偏振转换系统900，除了偏振开关812已被旋转轮902代替。如先前描述的，轮902被分段为两个或更多个区。在该实例中，来自较低光路904的光是P-偏振的，并且通过(例如)轮902的各向同性段901。光保持P-偏振，通过投影透镜系统900的其余部分并且到达屏幕102上。在该实例中，较高光路906中的光是S-偏振的，并且通过(例如)轮902的旋转器段903。S-偏振光被轮902旋转为P-偏振光，并且通过投影透镜系统900的其余部分，以及以P-偏振光到达屏幕102上。然后，轮902与视频帧同步，以在屏幕102上产生具有交替的偏振的图像。偏振态的变化也是可能的，其中光路904和906的每一条通过在光路中增加四分之一波片(未显示)，而产生圆偏振，或通过在每条光路中增加旋转器，而产生旋转后的线偏振态(如，+/-45度)。
第八实施方案：
图10描绘与图9相似的偏振转换系统1000。在该示例性实施方案中，PCS 1000的组件的结构和功能基本上与PCS 900的相似，除了实施两个旋转器轮1002和1004，而不是一个，这部分地为了缓解棱镜808附近的封装约束。旋转器轮1002和1004可以彼此同步地操作。
第九实施方案：
图11是示例性电影PCS系统1100的示意图，其实施了变焦透镜。电影PCS系统1100可以包括面板1102、远心物镜1104(即，初始中继透镜)、偏振光束分束器(PBS)1106、第一和第二孔径光阑1108和1110、第一和第二机械补偿的连续变焦装置(afocal zooms)1112和1132、反射元件1130、旋转器1136，以及第一和第二z-屏(z-screen)1124和1138。
操作中，来自面板1102的s-和p-偏振光朝着PBS1106通过远心物镜1104。远心物镜1104被用于针对所有变焦设置在PBS1106维持准直的光。PBS 1106可以是立方体或线栅板(wire grid plate)，或本领域已知的任何其他PBS。在该实施方案中，p-偏振光向第一方向被传送通过PBS 1106，而s-偏振光在PBS 1106被反射向第二方向。
p-偏振光朝着第一机械补偿的连续变焦装置1112通过孔径光阑1108。变焦装置1112可以包括各种具有正的或负的光学倍率的各种元件。连续变焦可以被机械补偿或光学补偿，例如，使用来自Warren Smith的“现代光学工程(Modern Optical Engineering)”(McGraw-Hill，1990年)的变焦透镜设计中的技术，所述文献通过引用被并入本文。该示例性实施方案中的变焦装置1112可以在光路上具有固定光学元件，如凹透镜1114，然后是移动元件凸透镜1116和凹透镜1118，然后是另一固定元件，凸透镜1120。总地来说，在图11中，凸透镜由在其两端各有点的线来表示，并且一般具有正光学倍率，并可以包括单个或多个光学元件，以提供这样的正光学倍率。相反地，凹透镜(由凹面图形来表示)一般具有负光学倍率，并可以包括单个或多个光学元件，以提供这样的负光学倍率。移动元件1222可以沿光轴移动，以按照需要调节像的缩放。然后，来自变焦装置1112的光通过第一Z-屏1124，并且然后向屏幕1150传送，以形成第一图像。
朝第二方向反射的来自PBS 1106的S-偏振光通过孔径光阑1110。随后，所述光被反射元件1130(如带反射镜1130的直角棱镜)反射约90度。然后s-偏振光通过第二机械补偿的连续变焦装置1132。变焦装置1132可以采用与针对变焦装置1112所描述的结构和操作相似的结构，并以相似的方式操作。当然，移动元件1134可以被不一样地调节，以按照需要提供不同的缩放。来自变焦装置1132的S-偏振光可以然后通过旋转器1136，所述旋转器1136可以是消色差的半波片。旋转器1136起将s-偏振光旋转为p-偏振光的作用。第二光路上的p-偏振光然后通过第二z-屏1138，并且然后传向屏幕1150，以形成第二图像。所述第一和第二图像在屏幕1150被重叠。
以下讨论涉及其他实施方案，所公开的实施方案中所使用的组件，以及本文公开的实施方案的变体。
偏振光束分束器：图3到图12所示的示例性PBS被描绘为PBS片。该PBS片可以使用玻璃上的线栅层(例如，来自犹他州俄勒姆市的Moxtek的Proflux偏振器)、偏光回收膜(例如，来自明尼苏达州圣保罗市3M的双倍亮度增强膜)、玻璃上的偏光回收膜(以获得平面度)或玻璃上的多层介电层来构建。PBS也可以被实施为玻璃立方体(具有线栅、偏光回收膜，或沿对角的介电层)。
图像位置的调节：图3中，针对每条光路的图像位置的主要调节是投影透镜328和330的横向位移。图像位置的额外调节可以通过调节PBS 310和/或反射镜318来实现。在图4和图5中，针对每条光路的图像位置的主要调节是投影透镜428/430和528/530的横向位移。图像位置的额外精细调节可以通过横向位移和倾斜棱镜结构402来实现。在图6和图7中，图像重叠的调节可以通过棱镜位置和倾斜的精细调节来实现。屏幕上图像位置的调节可以通过投影透镜(630或730)的横向位移来完成。图8到图10中，图像重叠的调节可以通过倾斜偏振光束分束器(810、910或1010)和/或倾斜棱镜(814、914或1014)来完成。前面提到的用于控制图像位置的组件(PBS、反射镜和/或投影透镜)的调节可以使用机电致动器来实现。反馈控制系统和传感器可以提供对致动器的处理、控制和驱动指令，以在屏幕102上定位第一和第二图像的位置。
偏振开关：偏振开关，如在公开的实施方案中所图示的，可以是圆偏振开关或线偏振开关(如，授予Lipton的美国专利号4,792,850的Z-屏，或如美国专利申请序列号11/424,087中所公开的消色差偏振开关中的一个，所述这些专利和专利申请在前面通过引用被并入本文)。本文公开的针对转换偏振的另一技术包括使用旋转偏振轮，如在参照图5、7、9和10教导的实施方案中所显示的。就此而言，偏振开关312可以为任何在正交偏振态之间交替的开关，从而使得眼镜104可以解码所述偏振态，并将合适的图像送到每只眼睛。偏振开关可以在两条光路之间被分开(例如，以增加设备的收益)。
透射与杂散光控制：所有透射性元件可以是抗反射覆层的，以提供高透射和低反射。来自透射性元件的反射可以引起系统中的杂散光，所述杂散光降低对比度和/或在最终图像中产生干扰假象。非光学表面(如，棱镜侧边)可以被涂黑，以增强对比度。额外的吸收性偏振器可以被放置在任一条光路中的PBS 310之后，以控制偏振泄露并且改进最终图像对比度。
折叠反射镜和偏振纯度(purity)：图3到图10中的折叠反射镜可以用PBS元件(例如，线栅板)代替。在此情况中，可以在折叠元件之后维持更纯的偏振，并且可以消除对偏振开关上的输入偏振器的需要。另外，在棱镜的倾斜面反射的光可以使用针对该反射机构的全内反射。介电和金属层也可以在倾斜面被加到棱镜，以增强反射并且保持偏振纯度。
投影透镜：尽管图3-10的实施方案图示具有反远摄构造的投影透镜的使用，本文所公开的偏振转换系统并不限于使用这样的投影透镜。紧凑形式的反远摄镜头在美国专利号6,473,242(′242专利)中被描述，所述专利通过引用被并入本文。举例来说，图12图示了偏振转换系统1200的第十实施方案，所述偏振转换系统1200提供在投影透镜内部的偏振光束分束器，与′242专利的反远摄镜头设计不同。在该实施方案中，偏振光束分束器1210在孔径光阑被并入到透镜中(1230a、1230b和1230c)，并且存在两条光路1212和1214用于重叠离开投影仪的两个偏振态。在该实施例中，反射镜1216、旋转器1218以及偏振开关1220和1222被设置在投影透镜(1230b和1230c)的第二半部分之后，在透镜1230和银屏幕之间。透镜的配置已被修改，以从孔径光阑的每个场点产生准直的光线。该修改导致与′242专利中所描述的透镜的两个特定不同。第一，与′242专利不同，′242专利的透镜满足妥协条件(conciliation)“0.18＜r4/f＜0.45”，而这里描述的透镜在r4上没有这样的限制(例如，在该例子中r4/f可以是0.6)。第二，与′242专利不同，′242专利的透镜包括“具有正折射率的第三透镜组”，这里描述的透镜可以包括具有负折射率的第三透镜。作为所述修改的结果，这里描述的透镜不再是反远摄镜头。PBS 1210、反射镜1216以及一个或两个偏振开关1220和1222被包括来用于PCS功能。反射镜1216可以被倾斜，以使两个图像在屏幕对准。在一些实施方案中，直角玻璃棱镜可以替代反射镜1216。在一些实施方案中，PBS 1210可以用PBS立方体代替。在图中，偏振开关被放置在透镜的输出处，以获得最高的偏振纯度。可以在输出使用一个或两个偏振开关。一条光路可以包括在开关前面的消色差旋转器。
尽管以上已描述了根据本文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。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任何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37 CFR 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，而不应被本文所陈述的标题限制。

Claims (21)

1.一种用于以不同偏振态编码图像光的系统，所述系统包括：
偏振光束分束器，所述偏振光束分束器可操作来接收来自非偏振图像源的被时间提供的第一眼图像光和第二眼图像光，沿第一光路传送具有第一偏振态的第一光束并且沿第二光路反射具有第二偏振态的第二光束；
位于所述第二光路上的偏振旋转器，所述偏振旋转器可操作来将所述第二偏振态转化为所述第一偏振态；以及
偏振开关，所述偏振开关可操作来分别接收来自所述第一光路和所述第二光路的第一光束和第二光束，并且将所述第一光束和所述第二光束的偏振态时间调制为第一输出偏振态和第二输出偏振态中的一个，所述第一输出偏振态和第二输出偏振态分别时间相应于所述第一眼图像光和第二眼图像光。
2.如权利要求1所述的系统，还包括位于所述第二光路上的反射器，所述反射器可操作来将第二光束引导到投影屏幕上与所述第一光束基本上相似的位置。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述偏振开关包括接收来自所述第一光路和所述第二光路的光的单个面板。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述偏振开关包括：
第一和第二偏振开关面板，所述第一偏振开关面板接收来自所述第一光路的光，并且所述第二偏振开关面板接收来自所述第二光路的光。
5.如权利要求4所述的系统，还包括处于反远摄排布并且位于所述第二光路上在所述偏振光束分束器之后的镜头。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述第一输出偏振态正交于所述第二输出偏振态。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述偏振开关以与投影仪的图像帧的传送同步的方式在所述第一输出偏振态和所述第二输出偏振态之间进行选择。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述偏振旋转器包括延迟片叠。
9.如权利要求2所述的系统，还包括处于反远摄排布并且位于所述第二光路上的镜头，其中所述偏振开关包括第一和第二偏振开关面板，所述第一偏振开关面板接收来自所述第一光路的光，并且所述第二偏振开关面板接收来自所述第二光路的光，并且所述镜头被安置在所述第二偏振开关面板之前。
10.一种用于以不同偏振态编码图像光的系统，所述系统包括：
偏振光束分束器，所述偏振光束分束器可操作来引导第一光路和第二光路上的被时间提供的第一眼图像光和第二眼图像光；
位于所述第二光路上的偏振旋转元件；
位于所述第二光路上的反射器元件；以及
位于所述第一光路上并且位于所述第二光路上在所述反射器元件之后的偏振开关，其中所述反射器元件可操作来向投影屏幕上与所述第一光路基本上相似的位置引导所述第二光路；并且进一步其中所述偏振开关可操作来将所述第一光束和第二光束的偏振态时间调制为第一输出偏振态和第二输出偏振态中的一个，所述第一输出偏振态和第二输出偏振态分别时间相应于所述第一眼图像光和第二眼图像光。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述偏振开关包括接收来自所述第一光路和所述第二光路的光的单个面板。
12.如权利要求10所述的系统，其中所述偏振开关包括：
第一和第二偏振开关面板，所述第一偏振开关面板接收来自所述第一光路的光，以及所述第二偏振开关面板接收来自所述第二光路的光。
13.如权利要求12所述的系统，还包括处于反远摄排布并且位于所述第二光路上在所述偏振光束分束器之后的镜头。
14.如权利要求12所述的系统，还包括处于反远摄排布并且位于所述第二光路上在所述第二偏振开关面板之前的镜头。
15.如权利要求10所述的系统，其中所述偏振开关以与投影仪的图像帧的传送同步的方式在所述第一输出偏振态和所述第二输出偏振态之间进行选择。
16.一种使用偏振光编码立体图像的投影系统，所述投影系统包括：
投影仪，所述投影仪包括投影透镜，所述投影透镜可操作来时间输出随机偏振的第一眼图像光和第二眼图像光；
偏振转换系统，所述偏振转换系统以光学方式耦合到所述投影透镜，所述偏振转换系统包括：
偏振光束分束器，所述偏振光束分束器可操作来引导第一光路和第二光路上的被时间提供的所述第一眼图像光和第二眼图像光；
位于所述第二光路上的偏振旋转元件；
位于所述第二光路上的反射器元件；以及
位于所述第一光路和所述第二光路上的偏振开关，其中所述第一光路在投影屏幕上形成图像，并且其中所述反射器元件向所述投影屏幕引导所述第二光路上的光；并且进一步其中所述偏振开关可操作来将所述第一光路和所述第二光路上的光时间调制为具有第一输出偏振态和第二输出偏振态中的一个，所述第一输出偏振态和第二输出偏振态分别时间相应于所述第一眼图像光和第二眼图像光。
17.如权利要求16所述的投影系统，其中所述偏振开关位于所述第二光路上的反射元件之后。
18.如权利要求16所述的投影系统，其中所述偏振开关位于所述第二光路上的反射元件之前。
19.一种用于以不同偏振态编码图像光的方法，所述方法包括：
接收来自投影仪的随机偏振的、被时间提供的第一眼图像光和第二眼图像光；
引导第一光路上的第一偏振态的图像光；
引导第二光路上的第二偏振态的图像光；
将所述第二光路上的所述第二偏振态的图像光转化为第一偏振态的图像光；
将两个光路上的所述第一偏振态的图像光选择性地转化为第一输出偏振态和第二输出偏振态中的一个，所述第一输出偏振态和第二输出偏振态分别时间相应于所述第一眼图像光和第二眼图像光。
20.如权利要求19所述的方法，还包括向投影屏幕引导所述第一光路和所述第二光路的步骤。
21.如权利要求19所述的方法，还包括使所述第一输出偏振态和第二输出偏振态与来自所述投影仪的图像帧的传送同步。
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Application publication date: 20131106

Assignee: Rudi (Shanghai) 3D Equipment Rental Co., Ltd.

Assignor: REALD Inc.

Contract record no.: X2022990000447

Denomination of invention: Polarization conversion system and method for stereo projection

Granted publication date: 20211029

License type: Common License

Record date: 20220801