CN104081276B - 具有单个调制器的三维图像投影仪 - Google Patents

具有单个调制器的三维图像投影仪 Download PDF

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Abstract

提供了投影三维图像的系统和方法。该系统包括第一光源(22)，以第一方向发射光。提供第二光源(24)，以第二偏振发射光，该第二方向与该第一方向相对。分束器装置(54)布置在第一光源(22)和第二光源(24)之间以从第一光源(22)和第二光源(24)接收光，所述分束器装置(54)被布置为关于轴旋转。LCoS图像装置(62)邻近分束器装置(54)布置，该LCoS图像装置(62)具有与第一方向和第二方向基本垂直布置的图像表面。

Description

具有单个调制器的三维图像投影仪
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，但是仍存在改进的需要，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，提供具有第一光源的方法，该第一光源以第一偏振发射光。与第一光源相对地提供第二光源，该第二光源以第二偏振发射光。提供硅基液晶(LCoS)图像器件。与LCoS邻近地在第一光源和第二光源之间提供分束器装置。旋转分束器装置。从第一光源发射第一光。用分束器装置将第一光反射到LCoS图像器件上。在第一光发射之后，从第二光源发射第二光。用分束器装置将第二光反射到LCoS图像器件上。
根据本发明的另一实施例，提供具有第一光源的系统，该第一光源在第一方向上发射光。提供第二光源，该第二光源在第二方向上发射光，该第二方向与第一方向相对。在第一光源和第二光源之间布置分束器装置以从第一光源和第二光源接收光，分束器装置被布置为关于轴旋转。LCoS图像器件邻近分束器装置地布置，该LCoS图像装置具有与第一方向和第二方向基本垂直布置的图像表面。
根据本发明的另一实施例，提供了用于便携式电子装置的投影仪系统。该投影仪系统包括第一光源，布置为在第一方向上引导光。第二光源被布置为在第二方向上引导光，该第二方向与该第一方向差180度。分束器装置被布置为在轴上旋转，该轴与第一方向和第二方向基本垂直。邻近分束器装置布置成像器件。
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是依据本发明另一实施例的操作三维图像投影仪的另一方法的流程图。
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，示出三维投影仪20用于依据本发明的实施例从单个投影镜头投影三维(3D)图像。投影仪20包括第一光源22和相对的第二光源24。布置所述光源以向彼此引导光。换言之，用箭头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的光发射的光偏离了180度。在示例性实施例中，每一个光源包括三个单色发光二极管(LED)，红色LED 30、绿色LED 32和蓝色LED 34。排列LED 30、32、34以形成正方形的3个边，并且向光源22、24的中心引导光。每一个LED 30、32、34可被耦接为向光收集光学元件36引导光。
光收集光学元件36将来自LED 30、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的光以创造期望的光色。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。结果是，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。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。一旦光离开了复眼透镜42，则光可以穿过聚焦光到偏振分束器54(PBS)的聚焦透镜52。
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和预偏振透镜50。在被这些透镜48、50调节之后，光在进入PBS 54之前穿过聚焦透镜56。
PBS 54是将入射光线分为第一(透射)偏振分量和第二(透射)偏振分量的光学组件。在示例性实施例中，PBS 54是被布置为关于轴58旋转的器件。PBS 54具有随着它旋转而交替将来自光源22的光反射到成像器件62上的表面60。光具有偏振地从成像器件62反射掉并随后基本上透过PBS 54且离开投影仪20。
在一个实施例中，光源22、24排列在距PBS 54基本相同的距离(等距)上。这提供了如下优势：来自每一个源的光将沿着基本上相同的路径长度行进以投影来自投影仪20的图像。这简化了光源22、24到偏振分束器的调制。
在示例性实施例中，成像器件62是硅基液晶(LCoS)型器件，其具有邻近PBS 54的成像表面64。在操作中，来自光源22、24的光从表面60反射到成像器件62上，成像器件62将光反射回穿过PBS 54并反射到投影透镜组件66并离开器件20。LCoS图像器件62的使用提供了如下优势：LCoS器件62固有地偏振反射光。
在一些实施例中，应当理解，光源22、24，PBS 54和LCoS器件62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。在一个实施例中，投影仪20可以包含在5-10.5mm x20-37mm x20-37mm的外壳中。
投影仪20还可以包括可选的反馈电路68。电耦接反馈电路68以与第一光源22、第二光源24以及LCoS图像器件62通信。反馈电路68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62同步。换言之，反馈电路68确保了期望的光源22、24发射与正在图像表面64上显示的图像对应的光。在示例性实施例中，PBS 54以调制信号的频率的两倍的速度旋转。在一个实施例中，投影仪20在操作期间消耗了30毫瓦或更少的电能。
现在参考图2，示出用于操作诸如例如投影仪20之类的三维图像投影仪的方法70。该方法70在框72以旋转PBS 54开始。随后在框74，该方法70从诸如例如光源22之类的第一光源发射光。来自第一光源的光在PBS 54上反射出并反射到成像器件上，诸如例如LCoS器件62。在框76，光在成像器件上反射出并穿过一个或多个透镜66以将图像N投影到投影仪20之外。顺序地，在框78，诸如例如光源24之类的第二光源发射光，其在PBS 54上反射出并反射到成像器件上。在框80，光在成像器件上反射出并投影到投影仪20之外。方法70随后循环回到框74以继续从投影仪20投影图像。应当理解，图像N和图像N+1类似但是轻微偏移，以为佩戴偏振被动式眼镜的用户创建三维效果。
现在参考图3，示出用于操作诸如例如投影仪20之类的三维图像投影的方法82的另一实施例。方法82在起始框84开始并前进到框86，在框86中，旋转诸如例如PBS 54之类的偏振分束器。偏振分束器可以以恒定的速度或以可变的速度旋转。方法82随后前进框86，其中诸如例如光源22、24之类的光源接收调制信号以将从光源发射光的定时与偏振分束器同步。在框90，在成像器件上创建图像“N”。在框92，从第一光源发射光。在框94，该第一光诸如用复眼透镜散布并且在框96通过预偏振透镜引导。在框98，该第一光从偏振分束器反射到成像器件。在框100，第一光将图像从成像器件反射出并穿过投影透镜以从投影仪发射图像N。
方法82随后前进到框102，在框102中，在成像器件上创建图像N+1。在框104激活第二光源以发射光。在框106，该第二光源随后用诸如例如复眼透镜之类的透镜散布，并且在框108透镜预偏振第二光。在框110，第二透镜随后在偏振分束器上反射出并反射到成像器件。在成像器件上反射出的光以不同于从成像器件反射的第一光的偏振偏振。在框112，第二反射光透射穿过投影透镜以从投影仪发射图像N+1。应当理解，图像N和图像N+1类似但是轻微偏置以为佩戴偏振被动式眼镜的用户创建三维效果。
在一个实施例中，偏振分束器以恒定的旋转速度旋转。这提供了优势并且简化了光源的调制，因为一旦光源和偏振分束器同步，调制信号就可以不需要了。在另一实施例中，偏振分束器的旋转速度可以改变或摇摆(stagger)。在一个实施例中，偏振分束器的旋转可以在操作期间停止。这提供了减少投影仪的功耗的优势并且可以进一步允许使用仅光源中的一个来发射二维图像。
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 (25)

1.一种用于提供投影三维图像的方法，包括：
提供第一光源，所述第一光源以第一偏振发射光；
与第一光源相对地提供第二光源，所述第二光源以第二偏振发射光；
提供硅基液晶LCoS图像器件；
在所述第一光源和所述第二光源之间且邻近所述LCoS图像器件处提供分束器装置；
旋转所述分束器装置；
从所述第一光源发射第一光；
用所述分束器装置反射所述第一光到所述LCoS图像器件上；
在所述第一光被发射之后，从所述第二光源发射第二光；以及
用所述分束器装置反射所述第二光到所述LCoS图像器件上。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在邻近所述分束器装置处提供投影透镜，所述投影透镜与所述LCoS图像器件相对；
通过所述投影透镜发射从所述LCoS图像器件反射的所述第一光；并且
通过所述投影透镜发射从所述LCoS图像器件反射的所述第二光。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：
传送调制信号到所述第一光源和所述第二光源；以及，
其中，所述分束器装置以所述调制信号的频率的两倍的频率旋转。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：
在所述第一光源和所述分束器装置之间提供第一复眼阵列；
在所述第一复眼阵列和所述分束器装置之间提供第一预偏振器透镜；
在所述第一预偏振器透镜和所述分束器装置之间提供第一聚焦透镜；
在所述第二光源和所述分束器装置之间提供第二复眼阵列；
在所述第二复眼阵列和所述分束器装置之间提供第二预偏振器透镜；
在所述第二预偏振器透镜和所述分束器装置之间提供第二聚焦透镜。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：
所述第一光源包括第一红色发光二极管、第一绿色发光二极管和第一蓝色发光二极管；
所述第一光包括从所述第一红色发光二极管、所述第一绿色发光二极管和所述第一蓝色发光二极管发射的光，从所述第一红色发光二极管、所述第一绿色发光二极管和所述第一蓝色发光二极管发射的光由第一二分色组合器组合；
所述第二光源包括第二红色发光二极管、第二绿色发光二极管和第二蓝色发光二极管；
所述第二光包括从所述第二红色发光二极管、所述第二绿色发光二极管和所述第二蓝色发光二极管发射的光，从所述第二红色发光二极管、所述第二绿色发光二极管和所述第二蓝色发光二极管发射的光由第二二分色组合器组合。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述分束器装置以恒定速度旋转。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述分束器装置以可变速度旋转。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一光源、所述第二光源、所述LCoS图像器件和所述分束器装置布置在5-10.5mm高、20-37mm宽且20-37mm长的空间内。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一光源、所述第二光源、所述LCoS图像器件和所述分束器装置使用小于或等于30毫瓦的电力。
10.一种用于提供投影三维图像的系统，包括：
第一光源，所述第一光源在第一方向上发射光；
第二光源，所述第二光源在第二方向上发射光，所述第二方向与所述第一方向相对；
分束器装置，布置在所述第一光源和所述第二光源之间，以接收来自所述第一光源和所述第二光源的光，所述分束器装置被布置为关于轴旋转；以及
LCoS图像器件，被与所述分束器装置邻近地布置，所述LCoS图像器件具有与所述第一方向和所述第二方向基本垂直布置的图像表面。
11.根据权利要求10所述的系统，进一步包括与所述LCoS图像器件相对、与所述分束器装置邻近的投影透镜，所述投影透镜被放置为接收从所述LCoS图像器件反射的光。
12.根据权利要求11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分束器装置之间；以及
第一预偏振器透镜，布置在所述第一复眼透镜和所述分束器装置之间。
13.根据权利要求12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分束器装置之间；
第二预偏振器透镜，布置在所述第二复眼透镜和所述分束器装置之间。
14.根据权利要求10所述的系统，进一步包括：反馈电路，耦接到所述第一光源、所述第二光源、所述分束器装置以及所述LCoS图像器件，所述反馈电路提供调制信号到所述第一光源和所述第二光源，其中所述分束器装置以所述调制信号的频率的两倍的频率旋转。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述第一光源包括：
多个第一发光二极管器件；
多个第一光收集光学元件，每一个所述第一光收集光学元件与所述多个第一发光二极管器件之一关联；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引导来自所述多个第一发光二极管器件的光到所述第一复眼透镜中。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述第二光源包括：
多个第二发光二极管器件；
多个第二光收集光学元件，每一个所述第二光收集光学元件与所述多个第二发光二极管器件之一关联；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引导来自所述多个第二发光二极管器件的光到所述第二复眼透镜中。
17.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一光源、所述第二光源、所述LCoS图像器件和所述分束器装置布置在5-10.5mm高、20-37mm宽且20-37mm长的空间内。
18.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一光源、所述第二光源、所述LCoS图像器件和所述分束器装置使用小于或等于30毫瓦的电力。
19.一种用于便携式电子装置的投影系统，包括：
第一光源，布置为在第一方向上引导光；
第二光源，布置为在第二方向上引导光，所述第二方向与所述第一方向差180度；
分束器装置，布置为在轴上旋转，所述轴与所述第一方向和所述第二方向基本垂直；并且
成像器件，邻近所述分束器装置。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述分束器装置与所述第一光源和所述第二光源基本等距。
21.根据权利要求20所述的系统，进一步包括：投影透镜，被布置为与所述分束器装置邻近，与所述成像器件相对。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述成像器件是LCoS图像器件。
23.根据权利要求19所述的系统，进一步包括：
反馈装置，耦接为与所述第一光源、所述第二光源、所述分束器装置和所述成像器件通信，所述反馈装置提供具有调制频率的调制信号；并且
其中所述分束器装置以所述调制频率基本两倍的频率旋转。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述分束器装置以恒定速度旋转。
25.根据权利要求23所述的系统，其中所述分束器装置以可变速度旋转。
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