CN109696750A - 立体投影显示装置以及立体投影显示方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种立体投影显示装置以及立体投影显示方法，本发明技术方案通过偏振转换模组将光源模组出射的光信号转换为线偏振光，通过图像调制模块组将入射的线偏振光调制为时序出射的第一偏振态的第一图像信号和第二偏振态的第二图像信号，再通过投影镜头在第一图像信号和第二图像信号投射到设定的屏幕上，所述屏幕反射的所述第一图像信号以及所述第二图像信号可以通过偏振立体眼镜向用户展示三维图像信息，进而实现立体投影显示，投影系统结构简单、制作成本低，且提高了能量利用率。
Description
技术领域
本发明涉及投影装置技术领域，更具体的说，涉及一种立体投影显示装置以及立体投影显示方法。
背景技术
与平面二维显示技术相比，三维立体显示技术能够给观众带来无以伦比的视听体验，满足观众不断增长的视听需求，是显示发展的必由之路。
目前投影技术实现三维显示的方案一般是通过外部双光路或者三光路系统实现。这增加了投影系统的成本和复杂度，而且降低了能量利用率。
发明内容
有鉴于此，本发明技术方案提供了一种立体投影显示装置以及立体投影显示方法，投影系统结构简单、制作成本低，且提高了能量利用率。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种立体投影显示装置，所述立体投影显示装置包括：
光源模组，所述光源模组用于出射光信号；
偏振转换模组，所述偏振转换模组用于将所述光信号转换为线偏振光；
图像调制模组，所述图像调制模块用于将入射的线偏振光调制为时序出射的具有第一偏振态的第一图像信号以及具有第二偏振态的第二图像信号，所述第一偏振态与所述第二偏振态不同；
投影镜头，所述投影镜头用于将入射的所述第一图像信号和所述第二图像信号投射到设定屏幕上；
其中，所述屏幕反射的所述第一图像信号以及所述第二图像信号用于通过偏振立体眼镜向用户展示三维图像信息。
优选的，在上述立体投影显示装置中，所述图像调制模组包括：缩束准直模组、相位调制器以及空间光调制器；
所述缩束准直模组用于对入射光进行缩束准直，使得出射的准直平行光束的直径与所述相位调制器和所述空间光调制器的尺寸匹配；
所述相位调制器用于按照帧时序将入射的线偏振光调制为时序切换的第一光信号和第二光信号，所述第一光信号具有所述第一偏振态，所述第二光信号具有所述第二偏振态，该切换时序与外部输入的视频信号时钟同步，奇数帧时，将入射线偏振光调制为所述第一光信号，偶数帧时，将入射线偏振光调制为所述第二光信号；
所述空间光调制器用于基于外部输入的视频信号将入射光信号调制为图像信号。
优选的，在上述立体投影显示装置中，所述偏振转换模组出射的线偏振光依次通过所述缩束准直模组、所述相位调制器以及所述空间光调制器，所述空间光调制器用于将所述相位调制器输出的第一光信号转换为所述第一图像信号，将所述相位调制器输出的第二光信号调制为所述第二图像信号。
优选的，在上述立体投影显示装置中，所述偏振转换模组出射的线偏振光依次通过所述空间光调制器、所述缩束准直模组以及所述相位调制器，所述空间光调制器用于将所述偏振转换模组出射的线偏振光转换为图像信号，该图像信号为线偏振光，该图像信号通过所述缩束准直模组入射所述相位调制器，所述相位调制器用于将该图像信号调制为时序切换的所述第一光信号和所述第二光信号，所述第一光信号作为所述第一图像信号，所述第二光信号作为所述第二图像信号。
优选的，在上述立体投影显示装置中，所述相位调制器为液晶相位可变延迟器，其延迟相位随着驱动电压连续可调，以调节光偏振态，将入射的线偏振光的偏振方向与其快轴的夹角为45°，通过对应的驱动电压使得相位延迟分别为和将线偏振光调制为时序切换的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，切换频率与帧频率匹配。
优选的，在上述立体投影显示装置中，所述空间光调制器包括：数字式微镜光调制器或硅基液晶光调制器。
优选的，在上述立体投影显示装置中，所述光源模组包括：光源模块、合束模组、凸透镜以及匀光整形模组；所述光源模块具有红色激光光源单元、绿色激光光源单元以及蓝色激光光源单元；
其中，各色激光光源单元出射光信号通过所述合束模组合束后，再通过所述凸透镜汇聚进入所述匀光整形模组进行匀光整形后，入射所述偏振转换模组。
优选的，在上述立体投影显示装置中，所述合束模组为X棱镜、或光纤耦合器、或双分色镜。
优选的，在上述立体投影显示装置中，所述匀光整形模组为积分棒、或复眼照明透镜、或衍射光学元件。
本发明还提供了一种立体投影显示方法，通过上述任一项所述的立体投影显示装置进行立体投影显示。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的立体投影显示装置以及立体投影显示方法中，通过偏振转换模组将光源模组出射的光信号转换为线偏振光，通过图像调制模块组将入射的线偏振光调制为时序出射的第一偏振态的第一图像信号和第二偏振态的第二图像信号，再通过投影镜头在第一图像信号和第二图像信号投射到设定的屏幕上，所述屏幕反射的所述第一图像信号以及所述第二图像信号可以通过偏振立体眼镜向用户展示三维图像信息，进而实现立体投影显示，投影系统结构简单、制作成本低，且提高了能量利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种立体投影显示装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供一种偏振转换模组的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种立体投影显示装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种立体投影显示装置的结构示意图，该立体投影显示装置包括：光源模组100，所述光源模组100用于出射光信号；偏振转换模组200，所述偏振转换模组200用于将所述光信号转换为线偏振光；图像调制模组300，所述图像调制模块300用于将入射的线偏振光调制为时序出射的具有第一偏振态的第一图像信号以及具有第二偏振态的第二图像信号，所述第一偏振态与所述第二偏振态不同；投影镜头400，所述投影镜头400用于将入射的所述第一图像信号和所述第二图像信号投射到设定屏幕上；其中，所述屏幕反射的所述第一图像信号以及所述第二图像信号用于通过偏振立体眼镜向用户展示三维图像信息。可以通过调节所述投影镜头400的投影距离，调节最后投影屏幕上展示图像的放大倍数。
由于激光显示技术具有色域宽广、亮度高、饱和度高以及可以更真实的再现自然界多姿多彩的颜色等优点，本发明实施例中，采用激光光源进行立体投影显示，具体的，所述光源模组100包括：光源模块1、合束模组2、凸透镜3以及匀光整形模组4；所述光源模块1具有红色激光光源单元R、绿色激光光源单元G以及蓝色激光光源单元B；其中，各色激光光源单元出射光信号通过所述合束模组2合束后，再通过所述凸透镜3汇聚进入所述匀光整形模组4进行匀光整形后，入射所述偏振转换模组200。
其中，所述红色激光光源单元R由单个红色激光器或是多个红色激光器排布组成；所述绿色激光光源单元G由单个绿色激光器或是多个绿色激光器排布组成；所述蓝色激光光源单元B由单个蓝色激光器或是多个蓝色激光器排布组成。利用激光高偏振特性，直接在光路设计集成偏振态转换器件来代替外部偏振态转换装置，成本低廉，结构紧凑，体积小。
可选的，所述合束模组2用于将光源模组100出射的激光进行合束，包括但不局限于X棱镜、或光纤耦合器、或双分色镜等合束装置。所述匀光整形模组4用于匀场整形，输出适合的矩形光斑，包括但不局限于积分棒、或复眼照明透镜、或衍射光学元件(DOE)等器件。图1所示方式中，所述匀光整形模组4为积分棒。
本发明实施例中，所述偏振转换模组200如图2所示，图2为本发明实施例提供一种偏振转换模组的结构示意图，所示偏振转换模组200用于将部分偏振光转换为线偏振光，提高后续光路中入射光的偏振纯度，提高了能量利用率。所示偏振转换模组包括偏振分光棱镜51、二分之一波片52以及全反镜53。
所述图像调制模组300包括：缩束准直模组6、相位调制器7以及空间光调制器8。所述缩束准直模组6用于对入射光进行缩束准直，使得出射的准直平行光束的直径与所述相位调制器7和所述空间光调制器8的尺寸匹配。所述相位调制器7用于按照帧时序将入射的线偏振光调制为时序切换的第一光信号和第二光信号，所述第一光信号具有所述第一偏振态，所述第二光信号具有所述第二偏振态，该切换时序与外部输入的视频信号时钟同步，奇数帧时，将入射线偏振光调制为所述第一光信号，偶数帧时，将入射线偏振光调制为所述第二光信号。所述空间光调制器8用于基于外部输入的视频信号将入射光信号调制为图像信号。在光传播方向上，入射相位调制器7之前的光均为线偏振光，入射相位调制器7的线偏振光通过相位调制器7调制后形成具有第一偏振态的第一光信号和具有第二偏振态的第二光信号，也就是说，在光传播方向上，相位调制器7后端光路传播包括两种偏振态的光信号。
本发明实施例所述相位调制器7可以为液晶相位可变延迟器(LCVR)，其延迟相位随着驱动电压连续可调，以调节光偏振态，将入射的线偏振光的偏振方向与其快轴的夹角为45°，通过对应的驱动电压使得相位延迟分别为和将线偏振光调制为时序切换的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，切换频率与帧频率匹配。设置第一偏振态和第二偏振态中的一者与左旋圆偏振光的偏振态相同，另一者与右旋圆偏振光的偏振态相同。利用相位调制器7，可以将激光显示与立体显示深度融合，为画面提供深度感，形成优异的立体显示效果。
所述的偏振立体眼镜是用于与相位调制器7联合使用达到立体显示的效果，所述偏振立体眼镜具有左眼镜片和右眼镜片，该两个镜片中的一者仅能通过第一偏振态的光，另一者仅能通过第二偏振态的光，故对于屏幕反射的第一图像信号和第二图像信号，每个镜片仅能接收对应偏振态的图像信号，其中一个镜片仅能通过第一图像信号，另一个镜片仅能通过第二图像信号，最终在用户左右眼形成视差，最终在用户大脑合成三维图像，形成立体显示效果。
显然，第一偏振态和第二偏振态的实现方式不局限于本发明实施例给出的偏振态实现方式，只需要设置第一偏振态和第二偏振态为两种不同的偏振态，二者对应的图像信号可以分别通过偏振立体眼镜进行立体显示即可。
所述空间光调制器8的实现方式包括但不局限于数字式微镜(DMD)光调制器或硅基液晶(LCOS)光调制器。图1所示方式中，所示空间光调制器8为DMD光调制器。
所述图像调制模组300中，在光传播方向上，相位调制器7以及空间光调制器8的前后顺序可以基于选择的器件以及设计需求而改变，不局限于某一特定顺序，缩束准直模组6需要位于相位调制器7以及空间光调制器8任一者的前端光路即可。故缩束准直模组6、相位调制器7以及空间光调制器8不局限于本发明附图所示方式，可以根据需求设定三者在光传播方向上的顺序。
在图1所示方式中，所述偏振转换模组200出射的线偏振光依次通过所述缩束准直模组6、所述相位调制器7以及所述空间光调制器8，所述空间光调制器8用于将所述相位调制器7输出的第一光信号转换为所述第一图像信号，将所述相位调制器输出的第二光信号调制为所述第二图像信号。
对于图1所示方式，其立体投影显示原理如下：
各色激光器出射的激光信号由合束模组2合束后，通过凸透镜3汇聚到匀光整形模组4进行匀光，以输出适合的矩形光斑，然后进入偏振转换模组200。由于匀光整形模组4具有一定的退偏效果，所有进入偏振转换模组200的为部分偏振光，该部分偏振光进入偏振分光棱镜51被分成两束不同偏振方向的线偏振光，反射光为S偏振光，透射光为P偏振光，S偏振光向上直接进入到二分之一波片52被转换成P偏振光，再由全反镜53反射，使光线传播方向变成水平方向，然后由缩束准直模组6进行缩束准直，获得准直平行光并且控制光束直径与相位调制器7和空间光调制器8的尺寸大小相匹配。
偏振转换模组200出射的线偏振光通过相位调制器7，相位调制器7按照帧顺序将入射的线偏振光调制为时序切换为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，切换时序与外部输入视频信号的时钟同步。奇数帧时，将入射线偏振光调制为左旋圆偏振光(右旋圆偏振光)；偶数帧时，将入射线偏振光调制为右旋圆偏振光(左旋圆偏振光)。
相位调制器7是一种液晶相位可变延迟器(LCVR)，其延迟相位随着其驱动电压具有连续可调的特性，可以实现对光偏振态的控制。通过调节入射的线偏振光的偏振方向与LCVR快轴的夹角为45°并且调节合适的驱动电压，使相位延迟分别为和把线偏振光转换为左旋或者右旋的圆偏振光，其切换频率与帧速率匹配。
进入DMD光调制器，DMD光调制器是由微镜阵列组成，每一个微镜即为一个显示像素，其有开关两种状态，可以调制入射光形成显示图像，其时序调制时间由外部输入视频信号控制，基于两路视频信号将入射光调制为图像信号。
图像信号入射到投影镜头400内，时序显示左旋和右旋圆偏振态的左右眼镜画面，利用偏振立体眼镜，其左(右)眼镜片仅能透过左旋圆偏振光(右旋圆偏振光)；其右(左)眼镜片仅能透过右旋圆偏振光(左旋圆偏振光)，每一个镜片仅能接受一路视频信号的显示图像，形成视差，最终通过大脑合成，形成立体显示效果。
参考图3，图3为本发明实施例提供的另一种立体投影显示装置的结构示意图，该方式中匀光整形模组4为复眼照明透镜，也可以为上述其他任一种匀光整形模组4。
图3所示方式中，所述偏振转换模组200出射的线偏振光依次通过所述空间光调制器8、所述缩束准直模组6以及所述相位调制器7，所述空间光调制器8用于将所述偏振转换模组200出射的线偏振光转换为图像信号，该图像信号为线偏振光，其偏振方向相对于入射偏振光旋转90°。该图像信号通过所述缩束准直模组6入射所述相位调制器7，所述相位调制器7用于将该图像信号调制为时序切换的所述第一光信号和所述第二光信号，所述第一光信号作为所述第一图像信号，所述第二光信号作为所述第二图像信号。
图3所示方式中，所述空间光调制器8为LCOS光调制器，其入射光必须为线偏振光。这是由于LCOS光调制器会改变光的偏振态。LCOS光调制器包括LCOS芯片81和偏振分光棱镜82。偏振分光棱镜82反射一偏振方向的线偏振光到LCOS芯片8，LCOS光调制器基于入射线偏振光形成图像信号，该图像信号为线偏振光，但是偏振方向相对于入射线偏振光旋转了90°，此时该图像信号将会透过偏振分光棱镜82。
图3所示方式的立体投影显示原理如下：
偏振转换模组200前端光路传播原理与图1所示方式相同，偏振转换模组200出射的线偏振光通过偏振分光棱镜82反射到LCOS芯片81，LCOS芯片81根据外部输入两路视频信号进行调制，将入射线偏振光转换为图像信号，LCOS芯片81出射的图像信号为线偏振光，但是偏振方向相对于入射线偏振光旋转了90°。LCOS芯片81中像素点有亮暗两种开关状态，当处于亮态时入射P偏振光被反射并调制转换为S偏振光，可以通过偏振分光棱镜82，进入缩束准直模组6；而处于暗态时，入射的P偏振光无调制被直接反射，无法透过偏振分光棱镜82进入缩束准直模组6。
缩束准直模组6用于获得准直平行光并且控制光束直径与相位调制器7的尺寸大小相匹配。相位调制器7按照帧顺序将入射的线偏振光时序切换为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，切换时序与外部输入视频信号的时钟同步。奇数帧时，将一路视频信号调制为左旋圆偏振光(右旋圆偏振光)；偶数帧时，将另一路视频信号调制为右旋圆偏振光(左旋圆偏振光)。相位调制器7可以为液晶相位可变延迟器(LCVR)，工作原理与图1所示方式相同，在此不再赘述。
最后将调制完成的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光对应的图像信号时序地投射到投影镜头400内，结合偏振立体眼镜，其左右镜片只能允许通过一种圆偏振光，即仅能接受一路视频信号调制的图像信号，进而在左右眼形成视差，经过大脑合成，最终形成立体显示效果。
所述立体投影显示装置采用同一光路将部分偏振的激光信号转换为线偏振光，基于该线偏振光形成偏振态不同的第一图像信号和第二图像信号，以实现立体投影显示，相对于现有技术中的双光路或是三光路系统，装置结构简单、制作成本低，而且由于激光高偏振的特性，可以在光路中直接实现立体投影显示，提高了集成度和能量利用率。
本发明实施例所述立体投影显示装置是一种时序偏振切换的立体投影系统，利用激光高偏振特性，直接在光路中设置偏振态变换的器件来代替外部三维立体偏振系统，如可以利用相位调制器7将入射线偏振光转换为两种不同偏振态的光信号，可以结合偏振立体眼镜实现立体显示，适用于立体显示领域。
本发明实施例所述立体投影显示装置中，采用多个分离的不同颜色的激光光源单元，便于激光器散热，后续通过聚光合束以及准直缩束处理，可以使得光束与空间光调制器和相位调制器的芯片尺寸匹配，便于适用于小尺寸芯片。
基于上述立体投影显示装置，本发明另一实施例还提供了一种立体投影显示方法，该立体投影显示方法通过上述实施例所述的立体投影显示装置进行立体投影显示。
所述立体投影显示方法相对于现有技术中的双光路或是三光路系统，装置结构简单、制作成本低，而且由于激光高偏振的特性，可以在光路中直接实现立体投影显示，提高了集成度和能量利用率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的立体投影显示方法而言，由于其与实施例公开的立体投影显示装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见立体投影显示装置对应部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种立体投影显示装置，其特征在于，所述立体投影显示装置包括：
光源模组，所述光源模组用于出射光信号；
偏振转换模组，所述偏振转换模组用于将所述光信号转换为线偏振光；
图像调制模组，所述图像调制模块用于将入射的线偏振光调制为时序出射的具有第一偏振态的第一图像信号以及具有第二偏振态的第二图像信号，所述第一偏振态与所述第二偏振态不同；
投影镜头，所述投影镜头用于将入射的所述第一图像信号和所述第二图像信号投射到设定屏幕上；
其中，所述屏幕反射的所述第一图像信号以及所述第二图像信号用于通过偏振立体眼镜向用户展示三维图像信息。
2.根据权利要求1所述的立体投影显示装置，其特征在于，所述图像调制模组包括：缩束准直模组、相位调制器以及空间光调制器；
所述缩束准直模组用于对入射光进行缩束准直，使得出射的准直平行光束的直径与所述相位调制器和所述空间光调制器的尺寸匹配；
所述相位调制器用于按照帧时序将入射的线偏振光调制为时序切换的第一光信号和第二光信号，所述第一光信号具有所述第一偏振态，所述第二光信号具有所述第二偏振态，该切换时序与外部输入的视频信号时钟同步，奇数帧时，将入射线偏振光调制为所述第一光信号，偶数帧时，将入射线偏振光调制为所述第二光信号；
所述空间光调制器用于基于外部输入的视频信号将入射光信号调制为图像信号。
3.根据权利要求2所述的立体投影显示装置，其特征在于，所述偏振转换模组出射的线偏振光依次通过所述缩束准直模组、所述相位调制器以及所述空间光调制器，所述空间光调制器用于将所述相位调制器输出的第一光信号转换为所述第一图像信号，将所述相位调制器输出的第二光信号调制为所述第二图像信号。
4.根据权利要求2所述的立体投影显示装置，其特征在于，所述偏振转换模组出射的线偏振光依次通过所述空间光调制器、所述缩束准直模组以及所述相位调制器，所述空间光调制器用于将所述偏振转换模组出射的线偏振光转换为图像信号，该图像信号为线偏振光，该图像信号通过所述缩束准直模组入射所述相位调制器，所述相位调制器用于将该图像信号调制为时序切换的所述第一光信号和所述第二光信号，所述第一光信号作为所述第一图像信号，所述第二光信号作为所述第二图像信号。
5.根据权利要求2所述的立体投影显示装置，其特征在于，所述相位调制器为液晶相位可变延迟器，其延迟相位随着驱动电压连续可调，以调节光偏振态，将入射的线偏振光的偏振方向与其快轴的夹角为45°，通过对应的驱动电压使得相位延迟分别为和将线偏振光调制为时序切换的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，切换频率与帧频率匹配。
6.根据权利要求2所述的立体投影显示装置，其特征在于，所述空间光调制器包括：数字式微镜光调制器或硅基液晶光调制器。
7.根据权利要求1所述的立体投影显示装置，其特征在于，所述光源模组包括：光源模块、合束模组、凸透镜以及匀光整形模组；所述光源模块具有红色激光光源单元、绿色激光光源单元以及蓝色激光光源单元；
其中，各色激光光源单元出射光信号通过所述合束模组合束后，再通过所述凸透镜汇聚进入所述匀光整形模组进行匀光整形后，入射所述偏振转换模组。
8.根据权利要求7所述的立体投影显示装置，其特征在于，所述合束模组为X棱镜、或光纤耦合器、或双分色镜。
9.根据权利要求7所述的立体投影显示装置，其特征在于，所述匀光整形模组为积分棒、或复眼照明透镜、或衍射光学元件。
10.一种立体投影显示方法，其特征在于，通过权利要求1-9任一项所述的立体投影显示装置进行立体投影显示。
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