CN105278224B - 发光装置、投影显示系统和三维投影方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发光装置、投影显示系统，发光装置包括：光源；成像单元，用于接收光源发出的光以形成矩形的中间像；偏振分光器件，用于接收中间像的出射光束，并透射出射光束中具有第一偏振态的光以形成透射光束，同时反射出射光束中具有与第一偏振态正交的第二偏振态的光以形成反射光束；反射器件，用于接收第二光束，并将第二光束沿着大致平行于第一光束的方向反射；偏振转换器件，用于将透射光束转化为具有第二偏振态的第一光束，和/或将反射光束转化为具有第一偏振态的第二光束。发光装置具有减少光学扩展量的增加，提高光利用率的优点；投影显示系统应用了发光装置，减少光浪费、投影效果好。

Description

发光装置、投影显示系统和三维投影方法

技术领域

本发明涉及一种发光装置，尤其是一种偏振的发光装置。本发明还涉及到包括这种发光装置的投影显示系统，以及利用这种发光装置的三维投影方法。

背景技术

偏振发光装置在现有技术中已为人所熟知。例如在LCD、LCOS中经常使用PCS(polarization conversion system，偏振转换系统)来将自然光转换为单一的偏振光。这种偏振转换系统通常包括：复眼透镜对、偏振分光片、反射镜和1/2波片等主要部件。

在一个具体的例子中，一具有一定尺寸的荧光粉光源经准直透镜准直，然后准直光束入射到PCS。由于准直透镜的出射光束在不同位置处的发散角稍有不同，因此被复眼透镜分割的各子光束也各不相同。这会出现光斑中心偏离和光斑大小不一的情况。当光斑近似充满原光斑面积的1/2时，光斑中心稍微偏离，便会出现较多的无用光。另外，光斑的大小不一致时，为了避免木桶效应，即避免合成的光斑面积达不到原光斑面积的1/2倍，复眼的微透镜单元应设计为最大光斑尺寸的2倍，否则也会产生一定的无用光。然而，在这样合成的光斑中，相邻的光斑之间存在有一定的间隙。也就是说，这些子光束的光斑面积减小了一半以上，因此发散角增大到原来的2倍还多。这导致了最终合光光束的光学扩展量增加。

然而，第一复眼透镜的微透镜单元的成像通常来说不太理想。这是因为由于球差、微透镜单元的间隔等因素，第一复眼透镜的微透镜单元在第二复眼透镜上形成的光斑并非很锐利的理想的像，而是边缘有一定模糊和扩大。也就是说，光学扩展量在这一过程已经有所增大。因此，需要增大子光束的发散角，即进一步减小子光斑，留有一定的余量，使扩大后的光斑仍不大于原光斑的1/2。然而，这会增大光学扩展量。否则，不可避免会损失一部分光，导致光利用率降低。此外，当复眼微透镜单元的尺寸越小，透镜单元间隔占复眼总面积的比例也越大，造成的影响也越大，入射到PCS上的光束不理想。

因此，在现有技术中存在着无法在减少光学扩展量的增加的同时仍能提高光亮度和光利用率的缺陷。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种发光装置，用以克服上述技术缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种发光装置，其包括：光源；设置在光源的出射光路中的成像单元，用于接收所述光源发出的光以形成矩形的中间像；设置在所述矩形中间像的出射光路中的偏振分光器件，用于接收所述矩形中间像的出射光束，并透射所述出射光束中的具有第一偏振态的光以形成透射光束，同时反射所述出射光束中具有与第一偏振态正交的第二偏振态的光以形成反射光束；设置在所述偏振分光器件的下游位置的反射器件，用于接收所述反射光束，并将所述反射光束沿着大致平行于所述透射光束的方向反射；设置在所述矩形中间像的出射光路中或设置在所述矩形中间像的出射光路的下游位置的偏振转换器件，用于将所述透射光束转化为具有第二偏振态的第一光束，和/或将所述反射光束转化为具有第一偏振态的第二光束。

较佳的，所述光源的发光面为矩形，所述光源包括运动的荧光粉。

较佳的，所述中间像的出射光束具有小于30度的发散角。

较佳的，所述偏振分光器件是线偏振起偏器，尤其是二分之一波片。

较佳的，所述透射光束为P偏振光而所述反射光束为S偏振光。然而容易理解，所述透射光束也可以为S偏振光而所述反射光束为P偏振光。

较佳的，所述偏振转换器件包括：第一四分之一波片，用于将所述反射光束转化成圆偏振态的第二光束；以及第二四分之一波片，用于将所述透射光束转换成圆偏振态的第一光束。

较佳的，所述偏振分光器件是圆偏振过滤器，所述圆偏振过滤器透射右旋的圆偏振光，而反射与所述右旋的圆偏振光正交的左旋圆偏振光。然而容易理解，所述圆偏振过滤器也以可透射左旋的圆偏振光，而反射与所述左旋的圆偏振光正交的右旋圆偏振光。

较佳的，所述偏振分光器件是偏振分光立方体，所述反射器件为设置成与偏振分光立方体间隔开的反射棱镜。

较佳的，所述第一光束和所述反射光束共同形成矩形光束，或者所述第一光束和所述反射光束共同形成矩形光束，或者所述投射光束和所述第二光束共同形成矩形光束，或者所述第一光束和所述第二光束共同形成矩形光束。

较佳的，所述矩形光束的长宽比为所述矩形中间像的长宽比的2倍或1/2倍。

本发明还提供一种投影显示系统，包括如上所述的发光装置、匀光棒和成像装置，其中，所述匀光棒设置在所述发光装置和所述成像装置之间。

本发明还提供一种实现三维投影的方法，包括如下步骤：

步骤一：提供如上所述所述的投影显示系统，使该投影显示系统发出单一偏振态的光；

步骤二：通过设置在所述投影显示系统后的随时间可变的偏振态转换装置，在不同的时间点将单一偏振态的光转化为相互正交的两个偏振态的光并输出；

步骤三：将所述相互正交的两个偏振态的光投影到同一屏幕中，形成三维投影。

本发明还提供一种实现三维投影的方法，包括如下步骤：

步骤一：提供两个如上所述的投影显示系统，并使所述两个投影显示系统各自发出偏振态不同的单一偏振态的光；

步骤二：将所述两个投影显示系统发出的光投影到屏幕中，形成三维投影。

本发明还提供一种实现三维投影的方法，包括如下步骤：

步骤一：提供两个如上所述的投影显示系统，分别为第一投影显示系统和第二投影显示系统，并使所述两个投影显示系统发出偏振态相同的单一偏振态的光；

步骤二：在第一投影显示系统之后设置偏振态转换装置，将第一投影显示系统发出的光束的偏振态转换成正交于第二投影显示系统发出的光束的偏振态；

步骤三：将第一投影显示系统发出的经转换的光束和第二投影显示系统发出的光束投影到同一屏幕中，形成三维投影。

根据本发明，首先，将本发明中的偏振分光器件设置在矩形中间像的出射光路中，用于接收所述矩形中间像的出射光束，并透射所述出射光束中的具有第一偏振态的光以形成透射光束，同时反射所述出射光束中具有与第一偏振态正交的第二偏振态的光以形成反射光束。然后，通过反射器件来接收所述反射光束，并将所述反射光束沿着大致平行于所述透射光束的方向反射。

最后，当偏振转换器件设置在所述透射光束的光路中时，将所述透射光束转化为具有第二偏振态的第一光束。

当偏振转换器件设置在所述矩形中间像出射光路的下游位置时，将所述反射光束转化为具有第一偏振态的第二光束。

当偏振转换器件同时分别设置在所述透射光束的光路中以及设置在所述矩形中间像出射光路的下游位置时，则分别将所述透射光束转化为第一光束，并将所述反射光束转化为第二光束，所述第一光束和所述第二光束具有相同的偏振态。

由此，可以减少光学扩展量的增加，得到亮度高的单一偏振态光，从而有效地提高了光的利用率。并且，本发明还通过将该发光装置应用到三维投影系统中，从而降低了光的浪费、简化了设备、降低了成本并且投影效果好。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为根据本发明的发光装置的第一实施例的结构示意图；

图2为在图1所示实施例中两束光束合成在A-A截面上的示意图；

图3为根据本发明的发光装置的第二实施例的结构示意图；

图4为根据本发明的发光装置的第三实施例的结构示意图；

图5为根据本发明的投影显示系统的第一实施例的结构示意图；

图6为根据本发明的投影显示系统的第二实施例的结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

参阅图1，其为本发明的发光装置的第一实施例的结构示意图。如图所示，该发光装置100包括光源10、成像单元20、偏振分光器件40、反射器件50和偏振转换器件60。

光源10用于发出光束，例如为非偏振的光或具有多种偏振态的光的光束。光源10可优选地具有矩形的发光面。在一些具体的例子中，光源10可以为荧光粉、运动的荧光粉或LED等。在一个优选的实施例中，运动的荧光粉是指，在工作状态下，荧光粉相对于发光装置100中的其它器件处于运动的状态。

本实施例中，在光源10发出的光束路径的一侧的下游设有成像单元20。该成像单元20构造成使得光源10发出的光束在经过成像单元20之后可形成一定比例放缩的矩形像，即矩形中间像30。

成像单元20可以是一个凸透镜，其可以不必贴近光源10而收集到光源10发出的光。此外，当光源10的发光面为矩形时，光经过成像单元20后可以不经整形而呈一个矩形的像。

在一个优选的实施例中，在矩形中间像30下游的附近设有偏振分光器件40。例如，偏振分光器件40可设置成以与水平面呈一定角度、例如45°角的形式倾斜地放置。矩形中间像30的出射光经过偏振分光器件40后分成偏振态正交的两束光，例如分别为P偏振光70和S偏振光80。其中，P偏振光70可透射过偏振分光器件40，并按照原方向传播，从而形成了透射光束。S偏振光80被偏振分光器件40反射，并被反射器件50反射成沿着与P偏振光70大致相同的方向传播。在图示实施例中，反射器件50设置在矩形中间像30和偏振分光器件40的下方位置，并与水平面成相应角度地倾斜放置。也就是说，反射器件50布置成与偏振分光器件40大致平行，从而将S偏振光80反射成具有与P偏振光70大致相同的方向。在本申请中，用语“大致平行”包括了属于本领域的技术人员能够理解的合理偏差，如±5度。

根据本发明，在反射器件50的下游还设置有偏振转换器件60。该偏振转换器件60用于将S偏振光80的偏振态转换成与P偏振光70的偏振态相同。具有与P偏振光70相同偏振态的S偏振光80沿着与P偏振光70大致相同的方向传播，从而形成了反射光束。

这样，通过根据本发明的发光装置，可以提供相同偏振态的两束光束，即透射光束和反射光束。这两束光束最终能够形成一个矩形光束。由于在分束和合束的过程中透射光束和反射光束之间的间隙很小，因此所合成的矩形光束的亮度大大提高，进而提高了光利用率。

根据本发明的一个优选实施例，矩形中间像30的光束发散角度θ优选设置为小于30度。通常来说，偏振分光器件40对光束发散角θ较为敏感。光束发散角θ越小，分光的串扰越小。另一方面，反射光路与透射光路的光程不同会造成光斑合成时尺寸不同，因此光束发散角θ越小，这一影响也越小。因此，将矩形中间像30的光束发散角度θ设置为小于30度能够有利地减小串扰，并且提高成像质量。

参阅图2，其为根据本发明的发光装置第一实施例两光束合成在A-A截面上的示意图。如图所示，透射光束201和反射光束202最终合成为一个矩形光束200。矩形光束200的尺寸、长宽比可根据具体的应用进行设置，从而设计出矩形中间像30的尺寸和长宽比。在一个具体的实施方式中，透射光束201和反射光束202的间隙可为零。矩形光束200的长宽比为矩形中间像的长宽比的2倍或1/2。比如，如果最终要得到1:2的矩形光束200，则光源10可以选择为1:1的方形或1:4的矩形。再比如，如果要在某投影显示系统中得到16:9的矩形光束200，则光源10可以选择为8:9或16:4.5的矩形。

由于在整个过程中通过矩形中间像的出射光束经过分束和合束后来形成矩形光束，并且透射光束201和反射光束202的间隙较小，因此可以得到亮度高的矩形光束。同时，可以减少光源的光学扩展量的增加，由此得到了高亮度的单一偏振态光源。

在一个示例中，偏振分光器件40可以为线偏振片。该线偏振片可透射沿一个方向上的线偏振光，而反射与之正交的另一方向的线偏振光。例如，偏振转换器件60可以为二分之一波片，其用于使反射光束202的偏振方向旋转90度，从而与透射光束201的偏振态相同。二分之一波片的结构和原理是本领域的技术人员所熟知的，在此不作详述。

利用上述示例进行了验证实验。其中，采用现有技术中的PCS光源对本示例进行仿真，其中，中间像的光束的发散角度为15度。结果发现，在保持光学扩展量仅扩大为原来的2倍、即合光光斑面积为原来的2倍的条件下，本示例中的发光装置的光利用率为90％，这远远高于现有技术中的PCS的光利用率(其通常不超过80％)。

在另一个示例中，偏振分光器件40可以为圆偏振过滤器。例如，该圆偏振过滤器可透射出右旋的圆偏振光，而反射与所述右旋的圆偏振光正交的左旋圆偏振光。偏振转换器件60设置在透射光束的下游，并将左旋的圆偏振光的偏振态转换为与右旋的圆偏振光的偏振态相同。由此，得到了单一偏振态的右旋圆偏振光。

参阅图3，其为根据本发明的第二实施例的发光装置300的结构示意图。为节约篇幅起见，以下仅描述与第一实施例的不同之处。

在本实施例中，偏振转换器件包括两个四分之一波片，即四分之一波片130和四分之一波片140，其分别设置在透射光束的光路和反射光束的光路中。

这样，光源10发出的光束经过成像单元20后形成矩形中间像30。矩形中间像30的出射光束经过线偏振起偏器301分成偏振态正交的两个线偏振态光，分别为P偏振光和S偏振光。其中，P偏振光透射过线偏振起偏器301，并经过四分之一波片130而将该P偏振光的偏振态转化成沿一定方向的右旋圆偏振光。此外，S偏振光经过反射器件50的反射而形成与右旋圆偏振光正交的左旋圆偏振光，该左旋圆偏振光经过设置在反射光路中的四分之一波片140而转化为沿同样方向的右旋圆偏振光。由此，获得了单一偏振态的右旋圆偏振光。

参阅图4，其为本发明的第三实施例的发光装置400的结构示意图。为节约篇幅起见，以下仅描述与第一实施例的不同之处。

在本实施例中，偏振分光装置为偏振分光立方体450。偏振分光立方体450由两个直角棱镜的斜边胶合而成，并且在斜面上涂覆偏振分光膜。偏振分光立方体的原理和具体结构是本领域的技术人员所熟知的。

由此，来自矩形中间像30的出射光束中的P偏振光被透射而S偏振光被反射。在本实施例中，反射器件可为反射棱镜401，其设置在偏振分光立方体450的正下方，使得在反射棱镜401与偏振分光立方体450之间存在有空气间隙。因此，在偏振分光立方体450或反射棱镜401与空气接触的界面处可发生全内反射，从而可以起到导光棒的作用，限制光束在传播过程中光斑的增大。在这种情况下，偏振分光立方体450与反射棱镜401的尺寸可以尽量接近中间像的尺寸，从而降低最终合成光斑的光学扩展量，提高光亮度。

本发明还涉及一种包括上述发光装置的投影显示系统。图5显示了本发明的投影显示系统的第一实施例。如图所示，该投影显示系统500包括如上所述的发光装置100、匀光棒120和成像装置160。其中，匀光棒120和成像装置160都是本领域的技术人员所熟知的。来自发光装置100的光直接进入到匀光棒120，之后进入成像装置160，最终在屏幕上成像。

图6显示了本发明的投影显示系统的第二实施例。如图所示，该投影显示系统600与上述投影显示系统500基本上相同，不同之处在于，来自发光装置100的光经过一成像单元110而进入到匀光棒120中，之后进入成像装置160，最终在屏幕上成像。

容易理解，在图5和6所示的投影显示系中的发光装置100也可由上述发光装置300或发光装置400所替代。

由于本发明中的发光装置100出射单一偏振态的光，因此其既适用于2D投影，又适用于三维投影。在应用于三维投影时，发光装置之后的光学器件如匀光棒和成像装置等基本上不改变光束的偏振态，从而可以采用不同偏振态来区分开左右眼睛的图像。

根据本发明的第一种方法利用单台投影机实现三维步骤如下：

步骤一：提供一个投影显示系统，使该投影显示系统发出单一偏振态的光；

步骤二：通过设置在所述投影显示系统后的随时间可变的偏振态转换装置，在不同的时间将所述单一偏振态的光转化为相互正交的两个偏振态的光并输出；

步骤三：将所述相互正交的两个偏振态的光投影到同一屏幕中，形成三维投影

根据本发明第二种方法利用两台投影机实现三维步骤第一示例如下：

步骤一：提供两个投影显示系统，并使所述两个投影显示系统各自发出偏振态不同的单一偏振态的光，如：分别为左旋偏振光和右旋偏振光；

步骤二：该步骤用于将上述的单一偏振态的光产生三维效果，具体办法与上述第一种方法利用单台投影机实现三维步骤中的所述第三步骤相同，这里不再赘述。

根据本发明第二种方法利用两台投影机实现三维步骤第二示例如下：

步骤一：提供两个所述的投影显示系统，分别为第一投影显示系统和第二投影显示系统，并使所述两个投影显示系统发出偏振态相同的单一偏振态的光；

步骤二：在第一投影显示系统之后设置偏振态转换装置，将第一投影显示系统发出的光束的偏振态转换成正交于第二投影显示系统发出的光束的偏振态；

步骤三：将第一投影显示系统发出的经转换的光束和第二投影显示系统发出的光束投影到同一屏幕中，形成三维投影。

根据本发明第二种方法利用两台投影机实现三维步骤第二示例如下：

由于本发明的发光装置能发出单一偏振态的光，因此在相应的三维显示中提高了光利用率，可以尽量少地浪费光。同时，可以减小投影机的之后的三维设备的复杂度，甚至可以不用任何后续的三维设备，从而进一步降低成本。另外，发光装置的亮度也尽量得到了保持，使之可应用于高亮度的投影显示。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (15)

1.一种发光装置，其包括：

光源；

设置在光源的出射光路中的成像单元，用于接收所述光源发出的光以形成矩形的中间像，所述中间像的出射光束具有小于30度的发散角；

设置在所述矩形中间像的出射光路中的偏振分光器件，用于接收所述矩形中间像的出射光束，并透射所述出射光束中的具有第一偏振态的光以形成透射光束，同时反射所述出射光束中具有与第一偏振态正交的第二偏振态的光以形成反射光束；

设置在所述偏振分光器件的下游位置的反射器件，用于接收所述反射光束，并将所述反射光束沿着大致平行于所述透射光束的方向反射；

设置在所述矩形中间像的出射光路中或设置在所述矩形中间像的出射光路的下游位置的偏振转换器件，用于将所述透射光束转化为具有第二偏振态的第一光束，和/或将所述反射光束转化为具有第一偏振态的第二光束。

2.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述光源的发光面为矩形。

3.根据权利要求1或2所述的发光装置，其特征在于，所述光源包括运动的荧光粉。

4.根据权利要求1或2所述的发光装置，其特征在于，所述偏振分光器件是线偏振起偏器。

5.根据权利要求4所述的发光装置，其特征在于，所述线偏振起偏器是二分之一波片。

6.根据权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述透射光束为P偏振光；所述反射光束为S偏振光。

7.根据权利要求4所述的发光装置，其特征在于，所述偏振转换器件包括：第一四分之一波片，用于将所述反射光束转化成圆偏振态的第二光束；以及第二四分之一波片，用于将所述透射光束转换成圆偏振态的第一光束。

8.根据权利要求1或2所述的发光装置，其特征在于，所述偏振分光器件是圆偏振过滤器，所述圆偏振过滤器透射右旋的圆偏振光，而反射与所述右旋的圆偏振光正交的左旋圆偏振光。

9.根据权利要求1或2所述的发光装置，其特征在于，所述偏振分光器件是偏振分光立方体，所述反射器件为设置成与偏振分光立方体间隔开的反射棱镜。

10.根据权利要求1或2所述的发光装置，其特征在于，所述第一光束和所述反射光束共同形成矩形光束，或者所述投射光束和所述第二光束共同形成矩形光束，或者所述第一光束和所述第二光束共同形成矩形光束。

11.根据权利要求10所述的发光装置，其特征在于，所述矩形光束的长宽比为所述矩形中间像的长宽比的2倍或1/2倍。

12.一种投影显示系统，包括匀光棒、成像装置以及根据权利要求1至11中任一项所述的发光装置，所述匀光棒设置在所述发光装置和所述成像装置之间。

13.一种实现三维投影的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：提供根据权利要求12所述的投影显示系统，使该投影显示系统发出单一偏振态的光；

步骤二：通过设置在所述投影显示系统后的随时间可变的偏振态转换装置，在不同的时间将所述单一偏振态的光转化为相互正交的两个偏振态的光并输出；

步骤三：将所述相互正交的两个偏振态的光投影到屏幕中，形成三维投影。

14.一种实现三维投影的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：提供两个根据权利要求12所述的投影显示系统，并使所述两个投影显示系统各自发出偏振态不同的单一偏振态的光；

步骤二：将所述两个投影显示系统发出的光投影到同一屏幕中，形成三维投影。

15.一种实现三维投影的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：提供两个根据权利要求12所述的投影显示系统，分别为第一投影显示系统和第二投影显示系统，并使所述两个投影显示系统发出偏振态相同的单一偏振态的光；

步骤二：在第一投影显示系统之后设置偏振态转换装置，将第一投影显示系统发出的光束的偏振态转换成正交于第二投影显示系统发出的光束的偏振态；

步骤三：将第一投影显示系统发出的经转换的光束和第二投影显示系统发出的光束投影到同一屏幕中，形成三维投影。