CN104133297A - 偏振转换装置及利用其的立体投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振转换装置利用其的立体投影系统，偏振分光镜出射的两路光束均是经过反射镜组后形成圆偏振光，无需将偏振转换装置与投影机进行光路进行精确对准，使得偏振转换装置易于使用，采用旋光调制器对偏振态进行切换，能够获得更好的光学投影效果和环境适应性能。旋光调制器可以位于反射镜组前方，可以紧靠偏振分光镜的出射端面，故可以获得更为均匀的光学性能，也降低了偏振转换装置的成本。四分之一波片与旋光调制器组合产生圆偏振光，降低了偏振转换装置中的偏振器件装调难度。

Description

偏振转换装置及利用其的立体投影系统

 

技术领域

本发明涉及显示投影领域，特别涉及一种偏振转换装置及利用其的立体投影系统。

背景技术

现有立体投影技术一般是通过偏振转换装置实现单个投影机在银幕上的立体投影。偏振转换装置将投影机出射的投影光束交替转化为左旋圆偏振和右旋圆偏振光，观众的双眼分别佩戴左旋、右旋圆偏振眼镜即可观看到立体影像。

目前常规的单光路偏振转换装置是由起偏器和两个相位调制器组成，其中相位调制器多采用自补偿弯曲型液晶。两个相位调制器的快轴方向相互垂直，它们组合后的相位延迟量分别在90°、-90°之间切换，与起偏器组合可以获得左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，可以获得快的响应速度、高的一致性并减小色差的影响。由于单光路中的起偏器会损耗一半以上的能量，使得立体投影的光效率很低，影响观众的观影效果。为了提高偏振转换装置的光效率，需要采用双光路或多光路叠加技术。在先技术1（M.H.舒克， M.G.鲁滨逊， G.D.夏普，偏振转换系统和利用偏振光对立体图像编码的投影系统，授权公告号： CN 203433207 U）给出了一种技术方案，所述的偏振转换装置主要包含一个偏振分束器、一个远摄透镜组、一块二分之一波片、一块反射镜和两个相位调制器。二分之一波片处于偏振分束器的反射光路中，将反射光束的偏振方向转换为与透射光束相同的方向。远摄透镜组处于偏振分数器的透射光路中，用来补偿透射光束的倍率差，使其与反射光束具有相同的光学成像倍率，即产生相同大小的清晰投影。最后具有相同偏振方向的线偏振反射光束和透射光束通过两个相位调制器的上、下两个部分（也可以是分成上、下两个相位调制器组合，每组各含两个相位调制器）后转换为圆偏振光，利用两个相位调制器组合后的相位延迟量分别在90°、-90°之间切换则可以获得左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，进而实现立体投影。在先技术2（李艳龙， 邓贤俊， 王叶通，一种低投射比高光效立体投影装置及立体投影系统，授权公告号： CN 203405635 U）给出了另一种技术方案，所述的偏振转换装置利用偏振分光棱镜组产生两路反射光束和一路透射光束，反射光束和透射光束的偏振转换原理与在先技术1类似，但两路反射光束的采用降低了投射比。

在先技术1和2均利用了透射光束，需要采用远摄透镜组补偿倍率差，远摄透镜组的存在使得远摄透镜组与投影机的光轴必须调整为同轴，使得偏振转换装置的安装调试变得复杂，不方便使用。采用相位调制器将线偏振的白光转换为圆偏振光，相位调制器难以实现严格的消色差设计，即它对不同的波长会产生不同的相位延迟量，故只能通过减小最大相位延迟量来降低色差的影响。同时相位调制器容易受温度的影响，故偏振转换装置难以实现消热差设计，降低了其环境适应性能。相位调制器处于反射镜的后方，由于投影光束具有大的发散角，需要采用大面积的相位调制器，且单路光束中需要两个相位调制器，需要制作更大面积的相位调制器并通过区域选择来获得均匀的光学性能，故增加了偏振转换装置的成本。线偏振光通过相位调制器后产生圆偏振光，要求相位调制器的快轴方向与线偏振光的偏振方向严格成45°角，故相位调制器的快轴方向需严格对准，增加了偏振转换装置的装调难度。

 

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种新的偏振转换装置及立体投影系统，利用旋光调制器和四分之一波片控制光的偏振状态来实现单台投影机产生立体影像。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种偏振转换装置，包括沿光路依次设置的：

一个偏振分光镜，用于将入射光束分成偏振方向相互垂直的第一光束和第二光束；

一第一反射镜组，设置于偏振分光镜射出的第一光束的出射光路上并对的第一光束的出射方向进行转折；

一第二反射镜组，设置于偏振分光镜射出的第二光束的出射光路上并对的第二光束的出射方向进行转折；

一第一四分之一波片，将经过第一反射镜组转折后的第一光束变为圆偏振光；

一第二四分之一波片，将经过第二反射镜组转折后的第二光束变为圆偏振光；

所述的偏振分光镜出射的第一光束行进的光路上，第一反射镜组之前或者之后设有第一旋光调制器；所述的偏振分光镜出射的第二光束行进的方向上，第二反射镜组之前或者之后设有第二旋光调制器，所述第一旋光调制器和第二旋光调制器分别用于对偏振分光镜分出的第一光束和第二光束的偏振方向产生旋转；

还设有一接收同步信号并产生所述的第一旋光调制器、第二旋光调制器的驱动电压的同步控制电路，同步控制电路与第一旋光调制器、第二旋光调制器通过电气相连。

作为本发明的进一步改进，在所述的第一光束的产生和行进过程中，所述的偏振分光镜的反射次数、第一旋光调制器的反射次数与第一反射镜组的反射次数的总和为偶数次；在所述的第二光束的产生和行进过程中，所述的偏振分光镜的反射次数、第二旋光调制器的反射次数与第二反射镜组的反射次数的总和为偶数次。

作为本发明的进一步改进，所述的偏振分光镜可以为双折射晶体棱镜、偏振分光光栅、偏振分光平板、偏振分光立方棱镜，也可以是上述偏振分光镜与反射镜的组合。

作为本发明的进一步改进，所述的第一反射镜组、第二反射镜组可以为单个平面反射镜、单个反射棱镜，也可以为多个平面反射镜的组合、多个反射棱镜的组合，还可以为多个平面反射镜与反射棱镜的组合。

作为本发明的进一步改进，所述的第一旋光调制器、第二旋光调制器可以是磁光调制器、旋光液晶盒、高速转动的二分之一波片阵列，所述的第一旋光调制器、第二旋光调制器可以在一个表面上镀制反射薄膜形成反射式光路。

作为本发明的进一步改进，所述的第一旋光调制器和第二旋光调制器分别为一个旋光调制器的两个部分。

作为本发明的进一步改进，所述的第一四分之一波片、第二四分之一波片为相位延迟薄膜型四分之一波片、双折射晶体型四分之一波片、反射棱镜型四分之一波片或多元复合型四分之一波片。

作为本发明的进一步改进，所述的第一四分之一波片和第二四分之一波片分别为一块四分之一波片的两个部分。

一种立体投影系统，包括投影机和如权利要求1所述的偏振转换装置，投影机出射的光线经过偏振转换装置后产生投影。

作为本发明的进一步改进，所述的投影机为采用数字微镜技术、液晶显示技术、硅上液晶技术或者激光显示技术的数字投影机。

    作为本发明的进一步改进，所述的偏振转换装置置于所述的投影机的外部，或内置在所述的投影机中。

 本发明的有益效果是：与在先技术相比，本发明的技术效果如下：

1、偏振分光镜出射的两路光束均是经过反射镜组后形成圆偏振光，两路光束容易调整为等光程，不再存在用补偿倍率差的远摄透镜组，无需将偏振转换装置与投影机进行光路进行精确对准，使得偏振转换装置易于使用。

2、采用旋光调制器对偏振态进行切换，旋光调制器对光束偏振方向的旋转可以与波长、温度等无关，故偏振转换装置可以实现消色差设计和消热差设计，能够获得更好的光学投影效果和环境适应性能。

3、旋光调制器可以位于反射镜组前方，可以紧靠偏振分光镜的出射端面，可以采用更小面积的调制器，且单路光束中只需要一个旋光调制器，故可以获得更为均匀的光学性能，也降低了偏振转换装置的成本。

4、四分之一波片与旋光调制器组合产生圆偏振光，由于旋光调制器的旋转角度可以通过同步控制电路调整，故四分之一波片的快轴方向无需严格对准，降低了偏振转换装置中的偏振器件装调难度。

 

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图中标示：10-投影机；11A-第一光束；11B-第二光束；13-第一旋光调制器；14-第一反射镜组；15-第一四分之一波片；16-第二旋光调制器；17-第二反射镜组；18-第二四分之一波片；19-同步控制电路。

 

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

图1是本发明立体投影系统的结构示意图，由图可见，本发明的偏振转换装置由偏振分光镜12、第一旋光调制器13、第一反射镜组14、第一四分之一波片15、第二旋光调制器16、第二反射镜组17、第二四分之一波片18和同步控制电路19组成。

偏振分光镜12为消色差沃拉斯顿棱镜。第一旋光调制器13、第二旋光调制器16为一个表面上镀有反射薄膜的磁光调制器。第一反射镜组14、第二反射镜组17为平面反射镜。第一反射镜组14、第二反射镜组17的入射面与偏振分光镜12的入射面相同。第一四分之一波片15、第二四分之一波片18为相位延迟薄膜型四分之一波片。同步控制电路19与第一旋光调制器13、第二旋光调制器16通过电气相连。同步控制电路19接收同步信号并产生第一旋光调制器13、第二旋光调制器16的驱动电压。同步控制电路19作用于第一旋光调制器13、第二旋光调制器16的驱动电压为某一高电平时，可使第一旋光调制器13、第二旋光调制器16产生最大的旋光量为90°。同步控制电路19作用于第一旋光调制器13、第二旋光调制器16的驱动电压为零电平时，可使第一旋光调制器13、第二旋光调制器16不产生旋光量。

偏振分光镜12将入射光束分成偏振方向相互垂直的第一光束11A和第二光束11B。第一光束11A的偏振方向垂直于入射面，为s偏振光。第二光束11B的偏振方向平行于入射面，为p偏振光。在第一光束11A行进的光路上，依次是第一旋光调制器13、第一反射镜组14和第一四分之一波片15。在第二光束11B行进的光路上，依次是所述的第二旋光调制器16、第二反射镜组17、第二四分之一波片18。调整第一反射镜组14和第二反射镜组17的反射角度，可以使第一光束11A和第二光束11B在一定的空间位置上重合。调整偏振分光镜12、第一旋光调制器13、第一反射镜组14之间的距离和偏振分光镜12、第二旋光调制器16、第二反射镜组17之间的距离，可以使第一光束11A、第二光束11B分别到达重合位置处的光程相等。

第一四分之一波片15、第二四分之一波片18的快轴方向分别与偏振分光镜12的入射面成+45°、-45°角。同步控制电路19作用于第一旋光调制器13、第二旋光调制器16的驱动电压为零电平，使第一旋光调制器13、第二旋光调制器16对入射光的偏振方向不产生旋转，则第一光束11A、第二光束11B分别经过第一四分之一波片15、第二四分之一波片18后均变成右旋圆偏振光。同步控制电路19作用于第一旋光调制器13、第二旋光调制器16的驱动电压为某一高电平，使第一旋光调制器13、第二旋光调制器16对入射光的偏振方向产生90°旋转，则第一光束11A、第二光束11B分别从第一旋光调制器13、第二旋光调制器出射后变成了p偏振光、s偏振光，它们从第一四分之一波片15、第二四分之一波片18出射后均变成左旋圆偏振光。因此同步控制电路19交替输出零电平和高电平，偏振转换装置可以将入射光束交替转化为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，即可以产生立体影像。

    根据如上所述的偏振转换装置，本发明还提供一种立体投影系统，同图1所示，该系统包括投影机10和如上所述的偏振转换装置。投影机10为采用数字微镜技术的数字投影机，偏振转换装置置于投影机10的外部。投影机10出射的光线经过偏振转换装置后交替转化为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，从而投射出立体影像。

Claims (10)

1.一种偏振转换装置，其特征在于，包括沿光路依次设置的：

一个偏振分光镜(12)，用于将入射光束分成偏振方向相互垂直的第一光束(11A)和第二光束(11B)；

一第一反射镜组(14)，设置于偏振分光镜(12)射出的第一光束(11A)的出射光路上并对的第一光束(11A)的出射方向进行转折；

一第二反射镜组(17)，设置于偏振分光镜(12)射出的第二光束(11B)的出射光路上并对的第二光束(11B)的出射方向进行转折；

一第一四分之一波片(15)，将经过第一反射镜组(14)转折后的第一光束(11A)变为圆偏振光；

一第二四分之一波片(18)，将经过第二反射镜组(17)转折后的第二光束(11B)变为圆偏振光；

所述的偏振分光镜(12)出射的第一光束(11A)行进的光路上，第一反射镜组(14)之前或者之后设有第一旋光调制器(13)；所述的偏振分光镜(12)出射的第二光束(11B)行进的方向上，第二反射镜组(17)之前或者之后设有第二旋光调制器(16)，所述第一旋光调制器(13)和第二旋光调制器(16)分别用于对偏振分光镜(12)分出的第一光束(11A)和第二光束(11B)的偏振方向产生旋转；

还设有一接收同步信号并产生所述的第一旋光调制器(13)、第二旋光调制器(16)的驱动电压的同步控制电路(19)，同步控制电路(19)与第一旋光调制器(13)、第二旋光调制器(16)通过电气相连。

2.根据权利要求1所述的偏振转换装置，其特征在于：在所述的第一光束(11A)的产生和行进过程中，所述的偏振分光镜(12)的反射次数、第一旋光调制器(13)的反射次数与第一反射镜组(14)的反射次数的总和为偶数次；在所述的第二光束(11B)的产生和行进过程中，所述的偏振分光镜(12)的反射次数、第二旋光调制器(16)的反射次数与第二反射镜组(17)的反射次数的总和为偶数次。

3.根据权利要求1所述的偏振转换装置，其特征在于：所述的偏振分光镜(12)可以为双折射晶体棱镜、偏振分光光栅、偏振分光平板、偏振分光立方棱镜，也可以是上述偏振分光镜(12)与反射镜的组合。

4.根据权利要求1所述的偏振转换装置，其特征在于：所述的第一反射镜组(14)、第二反射镜组(17)可以为单个平面反射镜、单个反射棱镜，也可以为多个平面反射镜的组合、多个反射棱镜的组合，还可以为多个平面反射镜与反射棱镜的组合。

5.根据权利要求1所述的偏振转换装置，其特征在于：所述的第一旋光调制器(13)、第二旋光调制器(16)可以是磁光调制器、旋光液晶盒、高速转动的二分之一波片阵列，所述的第一旋光调制器(13)、第二旋光调制器(16)可以在一个表面上镀制反射薄膜形成反射式光路。

6.根据权利要求1所述的偏振转换装置，其特征在于：所述的第一四分之一波片(15)、第二四分之一波片(18)为相位延迟薄膜型四分之一波片、双折射晶体型四分之一波片、反射棱镜型四分之一波片或多元复合型四分之一波片。

7.根据权利要求6所述的偏振转换装置，其特征在于：所述的第一四分之一波片(15)和第二四分之一波片(18)分别为一块四分之一波片的两个部分。

8.一种立体投影系统，其特征在于：包括投影机(10)和如权利要求1所述的偏振转换装置，投影机(10)出射的光线经过偏振转换装置后产生投影。

9.根据权利要求8所述的立体投影系统，其特征在于：所述的投影机(10)为采用数字微镜技术、液晶显示技术、硅上液晶技术或者激光显示技术的数字投影机(10)。

10.根据权利要求8所述的立体投影系统，其特征在于：所述的偏振转换装置置于所述的投影机(10)的外部，或内置在所述的投影机(10)中。