CN104081275A - 三维图像投影仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于投影三维图像的系统和方法。该系统包括在第一方向上发射光的第一光源(22)以及在第二方向上发射光的第二光源(24)。第一分束器装置(54)布置为邻近第一光源(22)，第二分束器装置(58)布置为邻近第二光源(24)。第一成像器件(60)放置为邻近第一分束器装置(54)，而第二成像器件(64)放置为邻近第二分束器装置(58)。来自第一光源(22)和第二光源(24)的光在共同的光路上行进到投影仪透镜组件(70)。

Description

三维图像投影仪

技术领域

本发明涉及立体三维图像投影仪，并且更具体地涉及可用被动式眼镜的小型三维投影仪。

背景技术

三维(3D)电影和图片由于图像更加真实而已经成为娱乐的流行形式。3D图像利用人类双目视觉的物理特点。人眼间隔分开大约2英寸(5厘米)，因而每一个眼睛从轻微不同的视角看这个世界。大脑接收两个图像并且具有将每一个眼睛看到的东西之间的差别相关联以确定距离的双目视觉功能。距离的确定提供了人们看到的三维效果。

为了在诸如电影或电视屏幕之类的二维表面上创建双目图像，用户通常佩戴眼镜。眼镜改变了用户观看图像的方式以创建仿真的3D效果。通常存在两类眼镜，被动式眼镜和主动式眼镜。所用的眼镜类型将取决于正在使用的图像投影系统的类型。

被动式眼镜依赖通过对每一个眼睛使用不同透镜而创建的光学效果。投影系统发出一系列顺序图像，其中后续图像被轻微偏置。布置图像以使得用户通过眼镜的第一透镜(例如，右眼)看第一图像，而用另一透镜(例如，左眼)看第二图像。因为图像被迅速投影，所以用户未注意到多个图像，而是看到三维效果。最初，被动式眼镜使用不同颜色的透镜来过滤图像，然而，这限制了3D图像在期望全色彩图像时的使用。为了减轻该问题，开发了偏振透镜，其中眼镜的每一个透镜允许不同偏振光的透射。偏振被动式透镜允许全色彩3D图像透射。被动式透镜在诸如例如电影院之类的投影仪型系统中更普遍，其中可以使用多个投影仪来投影图像在屏幕上。

3D电视系统的开发创造了新的挑战，因为通常没有足够的空间用于多个投影仪。为了解决这个问题，创建了主动式透镜。利用主动式透镜，眼镜无线地与投影仪通信以将眼镜操作与正在显示的图像同步。对于主动式眼镜，透镜通常是可以在透射光和阻挡光之间切换的液晶显示器。这样，眼镜可以迅速地将左右透镜在透明和不透明之间切换。在切换眼镜的同时，电视投影一系列顺序图像。当在电视和眼镜之间同步该切换时，用户体验到三维效果。

因此，尽管现有的三维投影仪适宜于它们意图的目的，但是存在改进的需要，尤其是提供具有可以投影用被动式眼镜可视的图像的单投影仪的系统。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供具有第一光源和第二光源的方法。与第一光源邻近地布置第一偏振分束器(PBS)，并且与该第二光源邻近地布置第二PBS。第一成像器件邻近第一PBS而第二成像器件邻近第二PBS。附加地，第三PBS布置在第一PBS和第二PBS之间。第一光源发射第一光。第一光从第一PBS反射到第一成像器件上。图像从第一成像器件反射到第三PBS。

根据本发明的另一实施例，提供投影三维图像的方法，具有第一光源和第二光源，该第一光源具有第一偏振而第二光源具有第二偏振，其中所述第一偏振与所述第二偏振正交。从第一光源投影第一颜色的第一眼图像。从第二光源投影相同第一颜色的第二眼图像。从第一光源投影第二颜色的第一眼图像。从第二光源投影相同第二颜色的第二眼图像。从第一光源投影第三颜色的第一眼图像。从第二光源投影第三颜色的第二眼图像。

根据本发明的另一实施例，提供用于便携式电子装置的投影仪系统，具有发射具有第一偏振的光的第一光源。第二光源发射具有第二偏振的光。第一偏振分束器装置(PBS)邻近第一光源而第二PBS邻近第二PBS。第一成像器件邻近第一PBS而第二成像器件邻近第二PBS。第三PBS布置在第一PBS和第二PBS之间。投影透镜组件位于第三PBS的一侧，并且反射镜位于第三PBS的相对侧。

通过本发明的技术而实现附加的特征和优势。本发明的其他实施例和方面在这里详细描述并被认为是所要求保护的发明的一部分。为了更好地理解具有优势和特征的本发明，请参考说明书和附图。

附图说明

在说明书的结论处的权利要求书中具体地指出并且清楚地要求保护被认作本发明的主题。结合附图，本发明的前述和其他的特征以及优势从以下详细描述中是显然的，在附图中：

图1是依据本发明实施例的三维图像投影仪的示意图；

图2是依据本发明实施例的操作三维图像投影仪的方法的流程图；并且

图3是依据本发明实施例的操作三维图像投影仪的方法的另一流程图。

具体实施方式

使用被动式眼镜的当代三维(3D)图像投影仪通常使用两个投影仪。仅使用单个投影仪的在先努力依赖于投影仪内在顺序图像之间切换的主动式透镜。应当理解，可观的支出可能出现在使用冗余投影仪或具有昂贵的主动式透镜。此外，随着用户期望从越来越小的投影仪封装获得相当的性能时，这些技术无法良好地缩放。

第二类投影仪使用具有与投影仪(通常是电视)协调工作的液晶二极管(LCD)的主动式眼镜。主动式眼镜交替阻挡透镜中的一个，以使得用户将通过交替的透镜看到顺序图像。尽管主动式眼镜良好地运行以为用户创建3D效果，但是它们也具有一些较不期望的特性。主动式眼镜要求诸如需要周期性充电或替换的电池之类的能量来源。如果在电视和眼镜之间的通信中断，则可能丢失3D效果。此外，由于系统的复杂性，主动式眼镜往往昂贵许多。

现在参考图1，示出依据本发明实施例的用于投影三维(3D)图像的三维投影仪20。投影仪20包括布置为在相对方向上发射光的第一光源22和第二光源24。由箭头26指示的来自第一光源22的光的方向与由箭头28指示的来自第二光源24的光的方向基本上偏离180度。第一和第二光源22、24可以布置在中线23的相对侧上。在一个实施例中，第一和第二光源22、24彼此偏移。第一光源22与投影仪的中线23间隔距离D1，而第二光源24与中线23间隔距离D2。第一和第二光源22、24可以与中线23间隔等距离，以使得距离D1等于距离D2。在示例性实施例中，每一个光源包括三个单色发光二级管(LED)，红色LED30、绿色LED32和蓝色LED34。LED30、32、34排列为形成正方形的三个边并且将光引导向第一和第二光源22、24的中心。每一个LED30、32、34可被耦接来引导光到光收集光学元件36。

光收集光学元件36将来自LED30、32、34的光引导到二分色组合器38。二分色组合器38组合来自LED的光以创建期望的光色。来自第一光源22的光经由开口侧40出去并且穿过复眼透镜42和第一预偏振器透镜44。复眼透镜42由小透镜(lenslet)阵列构成，该小透镜具有将所透射的光分解为很多分量并且将它们均匀地投影在视场上的效果。结果，甚至在所投影的光的周围都没有任何光强减弱的明亮照明。第一预偏振器透镜44改变外射光的偏振以具有期望的偏振特性，该偏振特性适宜于正在使用的成像器件。一旦光离开了第一偏振透镜44，则光穿入到第一偏振分束器装置54(PBS)。

类似于第一光源22，来自第二光源24的光离开开口侧46并且进入复眼透镜48和第二预偏振透镜50。在被这些透镜48、50调节之后，第二光进入第二PBS58。

PBS54、56、58是将入射光线分为第一(透射)偏振分量和第二(反射)偏振分量的光学组件。第一PBS54放置为邻近预偏振透镜44，而第二PBS58位于邻近预偏振透镜50。第一和第二成像器件60、64分别放置为邻近第一和第二PBS54、58的每一个。在一个实施例中，第一PBS54和第一成像器件60相对于中线23布置在第二PBS58和第二成像器件64的相对侧上。可以布置第一成像器件60和第二成像器件64以使得成像表面62、66在中线23的相对侧上。在再一实施例中，成像表面布置为在与箭头26、28基本垂直的方向上反射光。在示例性实施例中，成像器件60、64可以是硅基液晶(LCoS)型器件，其具有邻近每一个相应PBS54、58的成像表面62、66。在操作中，来自光源22、24之一的光从相应成像器件60、64的表面62、66反射出并返回穿过相应PBS54、58到中间或第三PBS56。例如，如果由第一光源22发射光，则从第一成像器件60的表面62反射出的第一光将穿过第一PBS54到达第三PBS56，其继而反射第一光到投影透镜组件70并且离开装置20。类似地，如果由第二光源24发射光，则第二光将在第二成像器件64的表面66反射出并且穿过第二PBS58到达第三PBS56。因为第二光的偏振与第一光的偏振正交，所以第三PBS56在与投影透镜组件70相对的方向上向外反射光并反射向反射镜68。第二光在反射镜68反射出并且重新进入第三PBS56。因为第二光从不同的角度进入第三PBS56，所以光穿过PBS56并继续沿着和第一光相同的光学路径向外朝向投影透镜组件70。因此来自第一和第二光源22、24的光都离开投影仪20并且沿着共同的光学路径传输。在本实施例中，LCoS成像器件60、64的使用提供LCoS器件固有地偏振反射光的优势。

为了创建3D图像，左右眼的图像内容需要用正交偏振的光独立地调制。从每一个光源发射的光具有与从另一光源发射的光正交的偏振；因此，第一光源提供用于第一眼的全部图像内容，而第二光源提供用于另一或第二眼的全部图像内容。参考图2中的流程图，投影仪装置20通过顺序激活第一和第二光源而工作，以使得第一颜色的左眼图像和右眼图像两者均在第二颜色的左眼或右眼图像之前被投影。在框90，诸如光源22之类的光源发射光，以使得用于诸如左眼的第一眼的图像从投影仪20投影。该图像将是来自光源内的多个LED的第一颜色，诸如红色。在框110，诸如光源24之类的另一光源将类似地发射相同颜色的光，以使得用于例如右眼的第二眼的图像从投影仪20投影。一旦两个光源均已经投影了第一颜色的图像，则第一光源22将随后投影诸如蓝色的第二颜色的图像，如框130中那样。在框132，第二光源将随后投影相同第二颜色的图像。该模式在框134和136中重复，以使得第一和第二光源22、24从两个光源内的多个LED中顺序地产生第三颜色的图像，诸如绿色。尽管不需要以任何特定的次序投影颜色，但是传统系统通常首先发射红色光，然而发射绿色光，最后发射蓝色光。

在一些实施例中，应当理解光源22和24、偏振分束器(PBS)54、56和58以及LCoS器件60、64的组合提供了将投影仪的尺寸减小到极微(pico)投影仪或微(micro)投影仪的类别的优势。这些小型投影仪可以适宜于用在便携式电子装置中，诸如但不限于例如移动电话、平板计算机、笔记本电脑和手持游戏装置。本发明的实施例还可以用在非便携式装置中，诸如但不限于例如桌面计算机或电视。

投影仪20还可以包括可选的反馈电路25。反馈电路25被电耦接为与第一光源22、第二光源24、第一和第二PBS54、58以及第一和第二成像器件60、64通信。反馈电路25提供调制信号到光源22、24以在操作期间保持光源和LCoS器件同步。反馈电路25可以附加地包括用于第一和第二光源22、24两者的LED驱动器以控制在每一个光源发射的图像中使用的LED颜色的次序。反馈电路25提供了使得每一个光源22、24能够发射正确颜色的光的功能，该正确颜色的光对应于正显示在相应成像器件的表面62、66上的图像。

现在参考图3，示出用于操作三维图像投影仪的另一方法80。方法80首先在框84同步光源并在框90中创建第一眼图像。为了创建第一图像，在框92，诸如第一光源22的光源从第一光源内的多个LED发射第一颜色LED的第一光，例如红色。在框94，光由二分色组合器38组合并穿过第一复眼透镜42，其在视场上均匀地投影透射光。如框96所示，光随后穿过预偏振器透镜44，其中给予光特定偏振以使得其从第一PBS54反射。来自第一光源的光在第一PBS54上发射出并且反射到第一成像器件60上，诸如LCoS成像器件。在框98，第一光在第一成像器件60上反射出并且穿过第一PBS54到达布置在第一和第二PBS54、58之间的中间或第三PBS56。光从第三PBS56反射出到投影透镜组件70以投影第一颜色的第一眼图像，诸如用于左眼的红色图像。在投影了第一颜色的第一眼图像之后，随后投影相同的第一颜色的第二眼图像，如框110所示。为了投影该第二眼图像，在框112，诸如第二光源24的光源发射与第一光源22发射的第一光相同颜色的第二光。第二光类似地由二分色组合器38组合并穿过第二复眼透镜48，第二复眼透镜48在由二分色反射镜收集的视场上均匀地投影透射光。在框116，由第二预偏振器透镜50偏振第二光，以使得它从第二PBS58反射并且反射到第二成像器件64上。在框118，光随后在第二成像器件64的表面66上反射出，并且穿过第二PBS58到第三PBS56。

由于与第一光源发射的光正交的第二光的偏振，第二光从第三PBS56在与投影透镜组件70相对的方向上反射到反射镜68，如框120所示。第二光在反射镜68反射出，返回穿过第三PBS56并且沿着和第一光相同的光学路径向外朝向投影透镜组件70。在一个示例中，该第二光可以是用于右眼的红色图像。一旦第一和第二光源两者均使用相同第一颜色的LED的发射了图像，则第一光源将随后使用来自第一光源内的多个LED的第二颜色的LED发射用于第一眼的另一图像，如框130所示。一旦已经投影了来自第一光源的第二颜色图像，则第二光源将使用与在先第一光源发射相同颜色的LED(但是与之前第二光源图像不同颜色的LED)类似地产生图像。例如，如果第一组左右眼图像是红色，则来自第一和第二光源的下一组左右眼图像在颜色上可以是绿色或蓝色。该循环在框134和136中继续，以使得第一光源和第二光源产生的图像均是来自光源内的多个LED的剩余颜色。全部三组左右眼图像的投影产生了对于佩戴被动式眼镜的观众可视的三维彩色图像。该方法随后循环回框90以继续以颜色顺序从投影仪装置20投影图像。

本发明的实施例提供小型可靠的三维投影仪。本发明的实施例提供具有布置为具有用于投影图像的相同路径长度的多个光源的优势。实施例在发射可用被动式眼镜的三维图像方面提供了优势。

这里使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的而不是为了限制本发明。如这里使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也意图包括复数形式，除非上下文以其他方式明确指示。将进一步明白，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时，指定了声明特征、整数、步骤、操作、要素和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、要素组件和/或它们的组的存在或增加。

以下权利要求中的全部装置或步骤外加功能要素的对应结构、材料、动作和等同意图包括用于结合如具体主张的其他主张的要素来执行功能的任何结构、材料或动作。本发明的描述已经出于说明和描述的目的而呈现，但是不意图为穷尽或限制于所公开的形式的发明。很多修改和变型将对于本领域普通技术人员是显然的，而不背离本发明的范围和精神。选择并描述实施例以便于最佳地说明本发明和实际应用的原理，并且使得本领域普通技术人员能够理解对于具有各种修改的各种实施例的本发明，只要适于所计划的特定用途。

这里描绘的流程图仅为一个示例。对于这里描述的这个示图或步骤(或操作)可以存在很多变型，而不背离本发明的精神。例如，步骤可以以不同次序进行或步骤可以增加、删除或修改。全部这些变型认为是所声明的发明的一部分。

尽管已经描述了本发明的优选实施例，但是将明白本领域技术人员无论现在还是将来都可以做出落入如下权利要求的范围内的各种改进和增强。这些权利要求将认为保持首先描述的本发明的恰当保护。

Claims (23)

1.一种方法，包括：

提供第一光源和第二光源；

提供邻近所述第一光源的第一偏振分束器装置(PBS)和邻近所述第二光源的第二PBS；

提供邻近所述第一PBS的第一成像器件和邻近所述第二PBS的第二成像器件；

在所述第一PBS和所述第二PBS之间提供第三PBS；

提供邻近所述第三PBS的反射镜；

从所述第一光源发射第一光；

用所述第一PBS将所述第一光反射到所述第一成像器件上；并且

将所述第一光从所述第一成像器件反射出到所述第三PBS。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一成像器件和所述第二成像器件是LCoS器件。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

在发射所述第一光之后从所述第二光源发射第二光；

用所述第二PBS将所述第二光反射到所述第二成像器件上；

将所述第二光从所述第二成像器件反射出到所述第三PBS；

将所述第二光反射到所述反射镜；并且

将所述第二光从所述反射镜反射出并回到所述第三PBS。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一光源发射的第一光具有第一偏振并且所述第二光源发射的第二光具有第二偏振，并且所述第一偏振和所述第二偏振互相正交。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一光源发射的第一光在第一方向上而所述第二光源发射的第二光在第二方向上，并且所述第一方向和所述第二方向彼此相对。

6.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：

在所述第三PBS的针对所述反射镜的相对侧上提供投影透镜组件；

从所述第三PBS反射所述第一光到所述投影透镜组件；并且

将从所述反射镜反射的第二光发射穿过所述第三PBS到达所述投影透镜组件。

7.根据权利要求6所述的方法，其中沿着相同的光学路径在所述第三PBS和所述投影透镜组件之间传输所述第一光和所述第二光。

8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

在所述第一光源和所述第一PBS之间提供第一复眼透镜；

在所述第一复眼透镜和所述第一PBS之间提供第一预偏振器透镜；

在所述第二光源和所述第二PBS之间提供第二复眼透镜；以及

在所述第二复眼透镜和所述第二PBS之间提供第二预偏振器透镜。

9.根据权利要求3所述的方法，其中：

所述第一光源包括多个第一LED，所述多个第一LED包括第一红色LED、第一绿色LED和第一蓝色LED；

所述第一光由从所述第一红色LED、所述第一绿色LED和所述第一蓝色LED发射的光构成；

所述第二光源包括多个第二LED，所述多个第二LED包括第二红色LED、第二绿色LED和第二蓝色LED；以及

所述第二光由从所述第二红色LED、所述第二绿色LED和所述第二蓝色LED发射的光构成。

10.根据权利要求9所述的方法，其中由所述第一光源发射的第一光包括从所述多个第一LED的第一LED发射的光，由所述第二光源发射的第二光包括从所述多个第二LED的第一LED发射的光，并且所述第一光和所述第二光是相同的第一颜色。

11.根据权利要求10所述的方法，其中在初始发射具有相同第一颜色的所述第一光和所述第二光之后，由所述第一光源发射的第一光随后包括从所述多个第一LED的第二LED发射的光，并且由所述第二光源发射的第二光随后包括从所述多个第二LED的第二LED发射的光，并且所述第一光和所述第二光是相同的第二颜色。

12.一种用于投影3D图像的方法，包括：

提供发射第一眼图像的第一光源和发射第二眼图像的第二光源，其中所述第一光源的偏振与所述第二光源的偏振正交；

从所述第一光源投影第一颜色的第一眼图像；

从所述第二光源投影第一颜色的第二眼图像；

从所述第一光源投影第二颜色的第一眼图像；

从所述第二光源投影第二颜色的第二眼图像；

从所述第一光源投影第三颜色的第一眼图像；以及

从所述第二光源投影第三颜色的第二眼图像。

13.根据权利要求12所述的方法，其中：

所述第一光源包括多个第一LED，所述多个第一LED包括第一红色LED、第一绿色LED和第一蓝色LED；

所述第一颜色的第一眼图像包括从所述多个第一LED的第一LED发射的光；

所述第二光源包括多个第二LED，所述多个第二LED包括红色LED、绿色LED和蓝色LED；并且

所述第一颜色的第二眼图像包括从所述多个第二LED的第一LED发射的光，以使得所述多个第一LED的第一LED以及所述多个第二LED的第一LED是相同的颜色。

14.一种系统，包括：

第一光源，发射具有第一偏振的光；

第二光源，发射具有第二偏振的光；

第一分束器装置(PBS)，邻近所述第一光源，；

第二PBS，邻近所述第二光源；

第一成像器件，邻近所述第一PBS；

第二成像器件，邻近第二PBS；

第三PBS，布置在所述第一PBS和所述第二PBS之间；

投影透镜组件，位于邻近所述第三PBS；以及

反射镜，布置在所述第三PBS的与所述投影透镜组件相对的一侧。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一偏振与所述第二偏振正交。

16.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一光源在第一方向上发射第一光并且所述第二光源在第二方向上发射第二光，所述第二方向与所述第一方向相对。

17.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一成像器件和所述第二成像器件是LCoS器件。

18.根据权利要求14所述的系统，其中沿着相同的光学路径从所述第三PBS到所述投影透镜组件传输由所述第一光源发射的光和由所述第二光源发射的光。

19.根据权利要求14所述的系统，进一步包括：

第一复眼透镜，布置在所述第一光源和所述第一PBS之间；以及

第一预偏振器透镜，布置在所述第一复眼透镜和所述第一PBS之间。

20.根据权利要求19所述的系统，进一步包括：

第二复眼透镜，布置在所述第二光源和所述第二PBS之间；以及

第二预偏振器透镜，布置在所述第二复眼透镜和所述第二PBS之间。

21.根据权利要求19所述的系统，其中所述第一光源包括：

多个第一LED器件；

多个第一光收集光学元件，所述多个第一光收集光学元件的每一个与所述多个第一LED器件之一关联；以及

第一二分色组合器，布置在所述多个第一光收集光学元件之间，所述第一二分色组合器被布置为从所述多个第一LED器件引导光到所述第一复眼透镜中。

22.根据权利要求20所述的系统，其中所述第二光源包括：

多个第二LED器件；

多个第二光收集光学元件，所述多个第二光收集光学元件的每一个与所述多个第二LED器件之一关联；以及

第二二分色组合器，布置在所述多个第二光收集光学元件之间，所述第二二分色组合器被布置为从所述多个第二LED器件引导光到所述第二复眼透镜中。

23.根据权利要求14的系统，进一步包括反馈电路，其被耦接到所述第一光源、所述第二光源、所述第一PBS、所述第二PBS、所述第一成像器件和所述第二成像器件。