CN104081278A - 具有双色成像的三维图像投影仪 - Google Patents

具有双色成像的三维图像投影仪 Download PDF

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Abstract

提供了投影三维图像的系统和方法。该系统包括在第一方向上发射光的第一光源(30)和在第二方向上发射光的第二光源(40)。第一光源(30)和第二光源(40)各自发射单一颜色光，其组合来生成白光。分束器装置(50)布置在第一光源(30)和第二光源(40)之间。邻近该分束器装置(50)地布置成像器件(60)。

Description

具有双色成像的三维图像投影仪
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。与第一光源和第二光源邻近地布置偏振分束器(PBS)。成像器件邻近该PBS。邻近PBS与该成像器件相对地布置偏振翻转元件，邻近该偏振翻转元件布置反射镜。从第一光源发射第一光。将第一光偏振，以使得它通过PBS反射到偏振翻转元件。第一光穿过偏振翻转元件两次以使得它将到达成像器件的表面。在发射第一光之后，从第二光源发射第二光。将第二光偏振以使得该光穿过PBS到成像器件上。
根据本发明的另一实施例，提供具有第一光源和第二光源的、用于投影图像的方法。第一PBS位于邻近第一光源而第二PBS位于邻近第二光源。邻近第一PBS布置第一成像器件，而邻近第二PBS布置第二成像器件。偏振翻转元件放置在第一PBS和第二PBS之间，并且至少一个投影光学装置位于邻近第一PBS和第二PBS。第一光源发射第一光以使得它从第一PBS反射到第一成像器件上。第一光从第一成像器件上反射出并且穿过第一PBS到偏振翻转元件。偏振翻转元件改变第一光的偏振，使得它从第二PBS反射出去朝向投影光学装置。在第一光被发射之后从第二光源发射第二光，以使得第二光从第二PBS反射出到第二成像器件。第二光从第二成像器件反射出并且穿过第二PBS到偏振翻转元件。偏振翻转元件改变第二光的偏振以使得它从第一PBS反射出去朝向投影光学装置。
根据本发明的另一实施例，提供一种系统。该系统包括发射第一颜色的光的第一光源以及发射第二颜色的光的第二光源。邻近第一和第二光源布置至少一个PBS，并且邻近该至少一个PBS布置至少一个成像器件。
根据本发明的另一个实施例，提供了用于便携式电子装置的投影仪系统，其具有发射第一颜色的光的第一光源以及发射第二颜色的光的第二光源。第二颜色不同于第一颜色并且来自第一光源和第二光源的光的组合生成白光。邻近第一光源和第二光源放置至少一个PBS。邻近该至少一个PBS放置至少一个成像器件。
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是依据本发明另一实施例的三维图像投影仪的示意图；
图3是用于描述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4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。
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包括布置为在由箭头31指示的第一方向上引导光的第一光源30，以及布置为在由箭头41指示的第二方向上引导光的第二光源40。在本发明的示例性实施例中，第一光源的方向和第二光源的方向基本上彼此垂直。每一个光源可以包括多个非偏振发光二极管(LED)。传统光源通常包括红色、绿色和蓝色LED并且发射组合全部三个颜色的光。在本发明的一个实施例中，第一光源发射第一颜色光而第二光源发射第二颜色光，以使得来自第一和第二光源的光的组合或重叠生成白光。在第一和第二光源30、40中的多个LED可以在颜色上一致或在颜色上不同，以创建单一发射颜色。例如，第一光源的LED可以是全绿，因而由第一光源30发射的光将是绿色的。第二光源40的LED可以红绿交替以使得第二光源发射紫红色(magenta)。这产生期望的颜色组合，因为绿色和紫红色组合生成白光。
从第一光源30发出的第一颜色的非偏振第一光穿过线偏振器32，其改变光的偏振以具有适宜于正在使用的成像器件的期望偏振特性。在替代实施例中，第一或第二光源30、40内的多个LED可以偏振以使得线偏振器对于本发明不是必须的。在穿过线偏振器32之后，第一光进入偏振分束器50(PBS)。PBS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。线偏振器32偏振从第一光源发射的光，以使得该光将在第二光源40的方向上从PBS 50反射。在到达第二光源40之前，第一光穿过偏振翻转元件52，其在光波的两个垂直偏振分量之间造成一波长相移。换言之，偏振翻转元件52改变了光波的偏振轴。在示例性实施例中，偏振翻转元件可以是四分之一波片。第一光随后从分色镜54反射出，沿着其原路径逆转方向，由此再次穿过偏振翻转元件52。因为光现在已经第二次穿过了偏振翻转元件52，所以第一光的偏振再次改变并且现在与从第一光源30原始发射的光正交。在向成像器件60行进时，第一光的偏振如此穿过PBS50。第一光一旦从成像器件60反射出就不能穿过PBS 50而转向到投影仪光学元件62(如箭头51所示)以投影第一颜色的第一图像。
来自具有第二颜色的第二光源40的非偏振光类似地穿过线偏振器34，其偏振光以使得它与从第一光源30发射的光正交。由于其偏振，第二光随后穿过分色镜54并且跨越偏振翻转元件52，其改变光的偏振以使得光可以透射过PBS 50并且透射到成像器件60上。第二光随后从成像器件60反射回到PBS 50，在PBS 50中，该光随后沿着和来自第一光源30的光相同的投影轴转出，以投影第二颜色的第二图像。来自第一和第二光源的与成像器件60的图像内容同步地交替发射创造了顺序的左眼和右眼投影，其具有第一和第二光源的第一和第二颜色中的交替偏振。
在示例性实施例中，成像器件60是硅基液晶(LCoS)型器件，其具有邻近PBS 50的成像表面。LCoS图像器件的使用提供的优势在于LCoS器件固有地偏振反射光。
在图2表示的另一实施例中，投影仪包括第一光源30和第二光源40，其均被布置为在由箭头33、43指示的基本平行的方向上引导光。在一个实施例中，第一和第二光源均可以布置为在第一方向上引导它们相应的光。来自第一光源30的非偏振光穿过第一线偏振器32并进入第一PBS 50，以使得第一光被反射到第一成像器件60。第一光照射第一成像器件60并且反射回穿过第一PBS 50到偏振翻转元件52。在该实施例中，偏振翻转元件52可以是半波片。第一光穿过偏振翻转元件52，其改变光的偏振，使得第一光随后进入第二PBS 55并且反射出去朝向投影仪光学元件62。在一个示例性实施例中，投影仪跨偏振翻转元件52对称，使得来自第二光源40的非偏振光在与来自第一光源30的光对称的路径上行进。当来自第二光源40的非偏振光穿过第二偏振器件34，该来自第二光源40的非偏振光变得偏振，使得它从第二PBS 55反射到第二成像器件65。第二光照射第二成像器件65并且反射回穿过第二PBS 55到偏振翻转元件52。偏振翻转元件52改变光的偏振以使得当光穿过第一PBS 50时，其被类似地反射出去朝向投影光学装置62。成像器件60、65可以包括LCoS或者可替代地包括偏振翻转元件和反射镜的组合，以使得光的偏振被改变并反射回穿过邻近的PBS。
在一个实施例中，投影光学装置62可以是单个集成透镜组件(assembly)，其接收并投影从光源30、40两者接收到的光。在另一实施例中，投影光学装置62可以包括两个分离的透镜组件，其均布置为接收来自光源之一的光并将其投影到共同图像表面。
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仪的方法70。在框73中，第一光源30发射第一颜色的第一光。该光行进穿过投影仪内部的组件，以使得从投影仪该第一颜色的图像投影，如框80中所示。在框83中，从第二光源发射第二颜色的光。在框87中，该光行进穿过投影仪内部的组件，以使得投影该第二颜色的图像。通过顺序地闪现第一和第二颜色的图像，可以生成具有立体3D的全彩图像。
参考图4，示出了操作3D投影仪的方法的另一实施例。从诸如光源30的第一光源发射第一颜色的第一光。如框74所示，向该第一光施加特定偏振，使得它在第二光源的方向上从诸如PBS 50之类的器件反射。在框76-78，第一光的偏振在其反射回到PBS 50之前改变两次。来自第一光源30的光随后如框79所示穿过PBS 50到达成像器件上，诸如例如LCoS成像器件60。在框79中，光从成像器件反射出并且通过投影透镜组件62的一个或多个透镜以在框83中投影图像N到投影仪20外。顺序地，在框83中，诸如光源40的第二光源发射第二颜色的光。在框84和85中，光在反射到成像器件60上之前行进穿过偏振器件34、偏振改变器件52以及PBS 50。在框87中，光从成像器件反射出并且投影到投影仪20外。方法70随后循环回框72以继续从投影仪20投影图像。应当理解，图像N和N+1是具有交替偏振的顺序投影的左右眼视图，它们为佩戴偏振被动式眼镜的用户创造了三维效果。
应当明白，各自产生组合来生成白光的独一颜色的第一和第二光源30、40使用提供了在保持生成全彩图像的能力的同时减少投影仪的尺寸的有益效果。这样的投影仪适宜于诸如便携式电子装置之类的非常微小的封装，便携式电子装置包括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。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 (24)

1.一种用于投影图像的方法，包括：
提供第一光源和第二光源；
与所述第一光源和所述第二光源邻近地提供分束器装置(PBS)；
邻近所述PBS提供成像器件；
邻近所述PBS与所述成像器件相对地提供偏振翻转元件；
邻近所述偏振翻转元件提供反射镜；
从所述第一光源发射第一光；
将所述第一光偏振，以使得其通过所述PBS反射到所述偏振翻转元件；
使所述第一光穿过所述偏振翻转元件两次以使得该光穿过所述PBS到所述成像器件上；
在所述第一光被发射之后，从所述第二光源发射第二光；并且
将所述第二光偏振以使得其穿过所述PBS到所述成像器件上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中从所述第一光源发射的第一光是第一颜色，而从所述第二光发射的第二光是第二颜色。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括组合所述第一光和所述第二光以生成白光。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述成像器件是硅基液晶(LCoS)器件。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述偏振翻转元件是四分之一波片。
6.一种用于投影图像的方法，包括：
提供第一光源和第二光源；
邻近所述第一光源提供第一分束器装置(PBS)；
邻近所述第二光源提供第二PBS；
邻近所述第一PBS提供第一成像器件；
邻近所述第二PBS提供第二成像器件；
提供放置在所述第一PBS和所述第二PBS之间的偏振翻转元件；
邻近所述第一PBS和所述第二PBS提供至少一个投影光学装置；
从所述第一光源发射第一光使得其通过所述第一PBS反射到所述第一成像器件；
将所述第一光从所述第一成像器件上反射出以使得其行进穿过所述第一PBS到所述偏振翻转元件；
改变所述第一光的偏振，使得其从所述第二PBS反射出到所述至少一个投影光学装置；
在所述第一光被发射之后从所述第二光源发射第二光，以使得其通过所述第二PBS反射到所述第二成像器件；
反射所述第二光以使得其行进穿过所述第二PBS到所述偏振翻转元件；并且
改变所述第二光的偏振以使得其从所述第一PBS反射出到所述至少一个投影光学装置。
7.根据权利要求6所述的方法，其中从所述第一光源发射的第一光是第一颜色，而从所述第二光源发射的第二光是第二颜色。
8.根据权利要求6所述的方法，进一步包括组合所述第一光和所述第二光以生成白光。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一成像器件包括LCoS器件。
10.一种系统，包括：
第一光源，发射第一颜色的光；
第二光源，发射第二颜色的光；
至少一个分束器装置(PBS)，其布置为邻近所述第一光源和所述第二光源；并且
至少一个成像器件，其布置为邻近所述至少一个PBS。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一颜色和所述第二颜色的组合生成白光。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第一光源包括基本相同颜色的多个第一发光二极管(LED)，而所述第二光源包括不同颜色的多个第二LED，所述不同颜色组合来发射单一颜色的光。
13.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一光源包括组合来发射单一颜色光的不同颜色的多个第一LED，而所述第二光源包括组合来发射单一颜色光的不同颜色的多个第二LED。
14.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一光源在第一方向上发射光，而所述第二光源在第二方向上发射光，所述第一方向与所述第二方向基本平行。
15.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一光源在第一方向上发射光，而所述第二光源在第二方向上发射光，所述第一方向与所述第二方向基本垂直。
16.根据权利要求10所述的系统，其中所述至少一个成像器件是LCoS器件。
17.根据权利要求10所述的系统，进一步包括：
第一PBS，邻近所述第一光源；
第二PBS，邻近所述第二光源；以及
偏振翻转元件，布置在所述第一PBS和所述第二PBS之间。
18.一种用于便携式电子装置的投影仪，包括：
第一光源，发射第一颜色的光；
第二光源，发射第二颜色的光，其中所述第二颜色不同于所述第一颜色，并且来自所述第一光源和所述第二光源的光的组合生成白光；
至少一个分束器装置(PBS)，布置为邻近所述第一光源和所述第二光源；以及
至少一个成像器件，布置为邻近所述至少一个PBS。
19.根据权利要求18所述的投影仪，其中，所述第一光源包括基本相同颜色的多个第一LED，而所述第二光源包括基本相同颜色的多个第二LED。
20.根据权利要求18所述的投影仪，其中所述第一光源包括基本相同颜色的多个第一LED，而所述第二光源包括不同颜色的多个第二LED，所述不同颜色组合来发射单一颜色的光。
21.根据权利要求18所述的投影仪，其中所述第一光源在第一方向上发射光，而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基本平行。
22.根据权利要求18所述的投影仪，其中所述第一光源在第一方向上发射光，而所述第二光源在第二方向上发射光，所述第一方向与所述第二方向基本垂直。
23.根据权利要求18所述的投影仪，其中所述至少一个成像器件包括LCoS器件。
24.根据权利要求18所述的投影仪，进一步包括：
第一PBS，邻近所述第一光源；
第二PBS，邻近所述第二光源；以及
偏振翻转元件，置于所述第一PBS和所述第二PBS之间。
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