CN111448506A - 具有短投射比的立体三维投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及时分多路复用立体3d投影系统，其中来自数字电影投影仪的像束通过偏振分束元件分离为具有第一偏振状态的一个初级像束和具有第二偏振状态的至少一个次级像束。偏振调制器被提供以便对其所述初级像束和次级像束中的每一个的偏振状态进行调制，并且偏振调制器被布置为使得所有左眼图像具有第一偏振调制状态，而所有右眼图像具有第二偏振调制状态。附加地，提供了一个单轴聚光透镜和至少一个单轴扩展透镜，以将其所述初级像束和次级像束中的每一个的光学路径长度最小化，从而使得与其他现有技术相比，根据本发明的所述立体3d投影系统能够与具有较短投射比的投影仪一起操作。

Description

具有短投射比的立体三维投影系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年10月11日提交的美国临时申请号62/570,924的优先权的权益，其通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及具有短投射比的立体三维(3d)投影系统，并且更具体地涉及时分多路复用立体3d投影系统，时分多路复用立体3d投影系统被设计为在与数字电影激光投影仪一起使用时，提供具有良好光学质量和屏幕上均匀性的立体3d图像。

背景技术

立体三维(3d)投影系统已使用了很多年。一种本领域已知的并且例如在日期为2006年1月23日的、题为“Achromatic Polarization Switches”的美国专利号US7528906B2中描述的技术描述了如何将偏振调制器放置在单透镜投影仪(例如，3芯片DLP数字电影投影仪等)的前部。

投影仪被布置为生成单个像束，该单个像束包括以通常为144Hz(赫兹)的高速度快速连续地交替的左眼图像和右眼图像。偏振调制器将光学偏振状态赋予由所述投影仪生成的图像，并且所述偏振调制器与所述投影仪同步地操作，以使得所有左眼图像具有第一圆偏振状态，并且使得所有右眼图像具有第二圆偏振状态，其中所述第一和第二圆偏振状态相互正交(即，具有相对的旋转方向，例如，所述第一光学状态包括顺时针或右旋圆偏振，所述第二光学状态包括逆时针或左旋圆偏振)。

此后，将所述左眼图像和右眼图像聚焦在诸如银幕或其他屏幕的保偏投影屏幕的表面上，从而使得能够通过利用无源圆偏振观测镜来观看时分多路复用立体3d图像。

此外，本领域技术人员将知道，所述偏振调制器可以包括堆叠在一起的至少一个或多个液晶元件来实现所需的电光切换特性。用于实现该指标的本领域已知的并且例如在日期为2005年12月6日的、题为“Enhanced ZScreen modulator techniques”的美国专利号US 7477206B2中描述的一种技术描述了所述偏振调制器如何可以包括以相互交叉的定向堆叠在一起的两个单独的pi单元液晶元件，使得第一pi单元中的表面对准指向器与其第二pi单元中的表面对准指向器正交。Pi单元液晶元件是本领域已知的，并且特征在于每个衬底上的表面对准指向器相互平行地对准。因此，在至少一种光学状态下，构成所述pi单元的液晶材料在所述衬底之间形成螺旋结构，螺旋结构的总扭转为180度(即，pi或π弧度)。关于pi单元液晶元件的设计和功能的详细描述可以在根据现有技术的文献中的其他地方找到。

此外，每个pi单元液晶元件可以例如在第一光学状态和第二光学状态之间快速切换，第一光学状态具有在以高电压(例如，25伏特)驱动时基本上等于零的光学延迟值，以将所述液晶材料切换到垂直纹理，第二光学状态具有在以低电压(例如，3伏特)驱动时基本上等于140nm(纳米)的光学延迟值，以将所述液晶材料切换到倾斜纹理。垂直纹理的特征在于所述液晶材料的分子轴基本垂直于所述衬底的表面对准，而倾斜纹理的特征在于所述分子轴与所述衬底基本平行地对准，并且此外所述液晶材料内的扭转基本上等于零。此外，所述pi单元液晶元件能够以大于通常250μs(微秒)的高速度在其第一光学状态和第二光学状态之间快速切换，因此在根据现有技术设计这样的偏振调制器时经常使用。

本领域技术人员还将知道，当所述pi单元液晶元件具有基本等于140nm的延迟值时，所述pi单元构成针对可见波长光谱(即，绿色波长)的中心部分的光学四分之一波板(QWP)，并因此将入射的线性偏振可见光转换为圆偏振。

因此，通过将相互交叉定向的两个单独的pi单元液晶元件与位于所述堆叠的输入表面处的线性偏振滤光片堆叠在一起，以将由所述投影仪生成的初始随机偏振(即，非偏振)入射光首先转换为线性偏振，则由所述投影仪生成的图像可以根据现有技术，通过相互异相地操作所述pi单元液晶元件，而在左右圆偏振状态之间快速调制。具体地，根据现有技术，当所述第一pi单元以高电压操作(即，液晶材料被切换为所述垂直纹理)时，所述第二pi单元同时以低电压操作(即，液晶材料被切换为所述倾斜纹理)，反之亦然。

然而，由于通常的3芯片DLP数字电影投影仪生成的图像初始是随机偏振的(即，非偏振)，因此位于所述偏振调制器的输入表面处的线性偏振滤波器将吸收由所述投影仪初始生成的入射光的大约50％。因此，根据现有技术，这将显著降低所述单个像束系统的总体光学光效率，从而导致创建严重缺乏屏幕上图像亮度的立体3d图像。

本领域已知的用于增加立体3d投影系统的整体光学光效率且例如在日期为2006年10月18日的、题为“Combining P and S rays for bright stereoscopic projection”的美国专利号US7857455B2中描述并再次在日期为2006年9月29日的、题为“Polarizationconversion systems for stereoscopic projection”的美国专利号US8220934中描述的一个技术使用偏振分束元件，以将入射的随机偏振入射像束(由单透镜投影仪生成)分解为一个初级像束(在与所述原始入射像束相同的方向上传播并具有第一线性偏振状态)和一个次级像束(在与所述入射像束垂直的方向上传播并且具有第二线性偏振状态)，其中所述第一线性偏振状态与所述第二线性偏振状态相互正交。

此后，反射镜或其他方式被用于修改所述次级像束的光学路径并将所述次级像束朝向投影屏幕的表面偏转，从而使得所述初级像束和次级像束能够均被布置为在其所述投影屏幕的表面上在很大程度上相互重叠。根据现有技术的这种双像束系统因此使得能够使用构成由所述投影仪生成的所述初始入射像束的两个偏振分量，以重建整个屏幕上图像，从而增加了所产生的图像亮度。

附加地，通常需要偏振旋转器，以将所述次级像束的线性偏振状态旋转大致90度，并确保此后所述初级像束和次级像束均具有相同的线性偏振状态。此外，一个或多个偏振调制器然后被放置在其所述初级像束和次级像束中的至少一个的光学路径内，并与所述投影仪同步操作来使得所有左眼图像具有第一圆偏振状态且所有右眼图像具有第二圆偏振状态，其中所述第一圆偏振状态和第二圆偏振状态相互正交。因此，通过利用无源圆偏振观察镜，可以在所述投影屏幕的表面上观察到立体3d图像。

然而，根据现有技术的上述双像束系统具有的缺点在于，在所述初级像束和次级像束之间存在较大的光程长度差，因此通常为了补偿所述光程长度差，需要使用远摄透镜对。远摄透镜是如下的光学透镜：其具有相对较长的焦距，并且可以将入射的且相互平行的光束聚焦到基本上单个点(即，焦点)。远摄透镜因此被要求具有至少一个表面，该至少一个表面同时围绕两个相互正交的轴线弯曲来创建球形或椭圆形表面(例如，所述表面同时围绕水平轴线和竖直轴线弯曲)。然而，这样的球形或椭圆形透镜通常遭受高水平的光学像差的困扰，并且也相对难以制造，这增加了整个系统的复杂性和成本。

本领域的技术人员还将理解，以上描述的前述双像束系统也将在所述投影仪可实现的最小投射比方面受到限制。投射比定义为所述投影仪的透镜与所述屏幕表面之间的距离D除以在所述屏幕上创建的图像的宽度W(即，投射比＝D/W)。

具体地，当需要短的投射比时，由所述投影仪生成的像束被要求具有较大的发散角。而且，由于在所述双像束系统内至少次级像束的总光程长度相对较长，因此光束发散的高角度将需要使用相对较大的光学组件(例如但不限于分束元件、反射镜、偏振旋转器和偏振调制器)。然而，由于从实用和工程角度来看，所述光学组件的最大可能尺寸的限制，这限制了可以使用的所述像束的角度发散的最大值，从而也限制了所述双像束系统可以实现的最小投射比。此外，由于许多电影院礼堂经常需要使用具有短投射比的投影仪，因此根据现有技术，这限制了所述双像束系统的潜在用途。

在例如日期为2013年4月2日的、题为“Stereoscopic image apparatus”的美国专利申请公开号2015/0103318A1以及日期为2013年5月29日的、题为“Optical polarizationdevice for a stereoscopic image projector”的美国专利号US9740017B2中描述了根据现有技术的用于显示高亮度立体3d图像的改进系统。在此，分束元件用于将由单透镜投影仪生成的随机偏振入射像束分离为一个初级像束(在与所述原始入射像束相同的方向上传播并具有第一线性偏置状态)和两个次级像束(在也基本上垂直于所述原始入射像束的彼此相对的方向上传播并具有第二线性偏振状态)，其中所述第一线性偏振状态和第二线性偏振状态相互正交。根据现有技术，分束元件通常包括两个板，两个板沿一个边缘连接在一起而形成人字形或V形结构，并且所述板中的每一个的连接边缘都以大致45度的角度倾斜，以允许所述板均可以紧密放置在一起。

此后，诸如反射镜或其他方式的反射表面被用于将所述次级像束中的每一个的光学路径引导朝向保偏投影屏幕，并被布置为使得所述初级像束和次级像束部分地重叠，以相互组合并在所述投影屏幕的表面上重建完整图像。这样的三重像束系统因此再次使得能够使用构成由所述投影仪生成的所述原始入射像束的两个偏振分量来生成整个屏幕上图像，从而确保与其先前描述的单像束系统相比更高的图像亮度。

附加地，偏振调制器被放置在所述初级像束和次级像束中的每一个的光学路径内，并且被操作以与由所述投影仪生成的图像同步地对所述像束的偏振状态进行调制。具体地，所述偏振调制器被通常布置为将第一圆偏振状态赋予所有左眼图像，并将第二圆偏振状态赋予所有右眼图像，其中所述第一圆偏振状态和第二圆偏振状态彼此正交。因此通过利用根据现有技术的合适的无源圆偏振观察镜，可以在所述投影屏幕的表面上观看立体3d图像。

本领域技术人员将理解，与前述双像束系统相比，以上描述的所述三重像束系统在所述初级像束和次级像束之间具有相对较小的光程长度差，从而消除了使用远摄透镜对补偿所述光程长度差的必要性。因此，这降低了系统的整体复杂度和成本。

此外，本领域技术人员还将理解，由于在所述三重像束系统内所述初级像束和次级像束中的每一个的总光程长度相对较小，因此与前述双像束系统相比，所述三重像束系统将能够与具有较短投射比的投影仪一起操作。

然而，由于与通常的氙气型电影投影仪相比其较高的光输出水平，最近在电影应用中使用激光投影仪已被广泛接受。这使得能够生成具有更高水平的屏幕上图像亮度的立体3d图像。但是，由于由通常的激光投影仪生成的光是高度相干且单色的，因此，根据现有技术的通常在所述三重像束系统中使用的人字形或V形分束元件中的中心接点通常会生成相对较高水平的光学衍射和其他相关缺陷，从而导致在所述投影屏幕的中间附近感觉到屏幕上图像伪像。此外，当使用激光投影仪时，根据现有技术，所述屏幕上伪像的生成限制了所述三重像束系统的实用性。

发明内容

本发明的一个目的是，提供与其他现有技术相比能够与具有较短投射比的投影仪一起操作的时分多路复用立体3d投影系统。本发明的另一目的是，提供当与激光投影仪一起使用时具有改进的图像质量和屏幕上均匀性的立体3d图像。

本发明基于这样的见解：为了能够与具有短投射比的投影仪一起操作，像束通过所述立体3d系统的光程长度被要求最小化，以确保组成所述立体3d系统的光学组件的尺寸保持在实际限制之下。此外，为了在使用激光投影仪时改进光学清晰度和屏幕上均匀性，要求将在所述立体3d系统中使用的任何分束元件的中心处的光学衍射和其他相关缺陷的发生最小化。

此外，本发明还基于这样的见解：为了满足将所述像束通过所述立体3d投影系统的光程长度最小化的要求，主要是竖直方向上的角光束发散度、而不是水平方向上的角光束发散度决定了整个光程长度。因此，这使得能够根据本发明使用单轴聚光透镜，以首先减小竖直方向上的入射像束的发散，同时基本上不干扰所述入射像束在水平方向上的发散角，从而使得所述像束的光程长度显著减小。此后，然后使用单轴扩展透镜来将竖直方向上的发散角扩展回到所述像束离开所述立体3d系统的其原始值，从而使得与其他现有技术相比，根据本发明的所述立体3d投影系统能够提供较短的投射比。

此外，本发明的另一优选实施例是，在分束元件包括单个平面或板的情况下，优选地使用双像束架构，从而减轻了所述单个板的表面处的光学衍射和其他相关缺陷的发生。这提供了根据本发明的立体3d投影系统，该立体3d投影系统在与激光投影仪一起使用时生成改进水平的光学清晰度和屏幕上均匀性。

附图说明

通过参考附图，可以更好地理解本发明，并且其目的和优点对于本领域技术人员将变得显而易见，其中在多个附图中，相同的附图标记指代相同的元素。

图1：根据现有技术，使用单像束架构以及无源偏振观察镜(未示出)的时分多路复用立体3d投影系统。

图2：根据现有技术，使用双像束架构以及无源偏振观察镜(未示出)的时分多路复用立体3d投影系统。

图3：根据现有技术，使用三重像束架构以及无源偏振观察镜(未显示)的时分多路复用立体3d投影系统。

图4：根据本发明的一个优选实施例的使用具有至少一个单轴聚光透镜和一个单轴扩展透镜以及无源偏振观察镜(未示出)的双像束架构的时分多路复用立体3d投影系统。

图5：根据本发明的一个优选实施例的单轴聚光透镜。

图6：根据本发明的另一优选实施例的单轴扩展透镜。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的基于单像束架构的时分多路复用立体3d投影系统，其中包括一个或多个液晶元件的堆叠(未示出)的偏振调制器12被直接放置在投影仪1(例如，3芯片DLP数字电影投影仪等)的透镜的前面。

投影仪1生成入射像束3，入射像束3包括通常为144Hz的高频的连续交替的左眼图像和右眼图像，并且所述偏振调制器12被通常布置为分别向所有左眼图像赋予第一圆偏振状态并向所有右眼图像赋予第二圆偏振状态，其中所述第一圆偏振状态和第二圆偏振状态相互正交。

此后，所述左眼图像和右眼图像被聚焦到保偏投影屏幕2(例如，银幕或其他屏幕)的表面上，从而使得能够通过利用无源圆偏振观察镜(未示出)，在所述投影屏幕的表面上观看到时分多路复用立体3d图像。

此外，由于当前市场上的通常的电影投影仪(例如，3芯片DLP投影仪)生成的图像最初被随机偏振，因此本领域技术人员将知道线性偏振滤光器(未示出)通常需要放置在靠近所述偏振调制器12的输入表面的位置。但是，所述线性偏振滤光器将吸收最初由所述投影仪1生成的入射光的大约50％，从而显著减少了根据现有技术的所述单像束系统的整体光学光效率，并导致创建严重缺乏屏幕上图像亮度的立体3d图像。

图2示出了根据现有技术的包括双像束架构的备选时分多路复用立体3d投影系统。在此，投影仪1发射入射像束3，入射像束3包括通常为144Hz的高频的连续交替的左眼图像和右眼图像。像束3撞击在偏振分束元件4上，偏振分束元件4将所述入射像束3划分为一个初级像束5(在与所述入射像束3相同的方向上传播并且具有第一线性偏振状态)和一个次级像束6(在相对于所述原始入射像束3垂直的方向上传播并具有第二线性偏振状态)，所述第一线性偏振状态和第二线性偏振状态相互正交。根据现有技术，所述分束元件4通常包括单个分束板或备选地包括单个分束表面。

还提供了反射表面8(例如，银反射镜等)，反射表面8被布置为将所述次级像束6的光学路径朝向保偏投影屏幕2(例如，银幕等)偏转。通过所述初级和次级像束5、6在所述投影屏幕2的表面上生成的图像然后被布置为彼此大量重叠，以在所述投影屏幕2的表面上重建完整图像。这允许使用构成所述原始入射像束3的两个偏振分量来生成整个屏幕上图像，从而与根据现有技术的前述单像束架构相比，确保了更高水平的图像亮度。

附加地，偏振旋转器10通常位于所述次级像束6的光学路径上，并且被布置为将所述次级像束6的线性偏振状态转换为所述初级像束5的线性偏振状态，从而确保所述初级像束5和次级像束6之后均具有相同的线性偏振状态。此外，一个或多个偏振调制器11、12被用于与由所述投影仪1生成的图像同步地将所述初级和次级像束5、6中的每一个的偏振状态在左和右圆偏振状态之间快速地调制。具体地，其被布置为使得在所述投影屏幕2的表面上生成的所有左眼图像具有第一圆偏振状态，并且在所述投影屏幕2的表面上生成的所有右眼图像具有第二圆偏振状态，所述第一圆偏振状态和第二圆偏振状态相互正交。这使得能够根据现有技术，通过利用无源圆偏振观察镜(未示出)在所述投影屏幕2的表面上观看立体3d图像。

此外，本领域的技术人员将理解，由于当使用根据现有技术的所述双像束系统时，在所述初级像束5和所述次级像束6之间存在相对较大的光程长度差，因此通常将远摄透镜对14放置在所述初级像束5的光学路径中，以补偿所述光程长度差。远摄透镜的特征在于，所述透镜具有相对较长的焦距，并且能够将相互平行的入射光束基本上聚焦到单个点(被称为焦点)。因此，所述远摄透镜被要求具有围绕两个相互正交轴线弯曲的至少一个表面来形成球形或椭圆形，并将导致入射光同时在竖直和水平方向上会聚或发散。

此外，使用所述远摄透镜对14使得能够改变和控制所述初级像束5的放大率，从而补偿所述光程长度差，并根据现有技术提供具有高水平的屏幕上图像对准的立体3d图像。

然而，许多现代电影礼堂要求使用具有短投射比的投影仪。此外，为了实现短投射比，本领域技术人员将理解，由所述投影仪1发射的所述入射像束3的角度发散被要求相对较高。例如，为了实现1.2的投射比(无量纲单位)，水平方向上的角光束发散度必须为45.2度，并且对于等于1.0的投射比，水平角光束发散度增加到53.1度。此外，对于仅0.8的投射比，所要求的水平角光束发散度增加到64.0度。

然而，本领域技术人员将理解，由于至少所述次级像束6的总路径长度相对较长，因此在使用具有短投射比的投影仪时，所述入射像束3的大的角发散度将要求使用非常大的光学组件。这包括所述分束元件4、反射表面8、偏振旋转器10、偏振调制器11、12和远摄透镜对14。但是，由于在实际和工程上对所述光学组件的最大可能尺寸的限制，根据现有技术的所述双像束系统受到可实现的最小投射比的严重限制。

图3示出了根据现有技术的基于三重像束架构的备选时分电路立体3d投影系统。这里，分束元件4用于将由单透镜投影仪1生成的随机偏振的入射像束3分离为一个初级像束5(在与所述原始入射像束3相同的方向上传播并具有第一线性偏振状态)和两个次级像束6、7(在基本上垂直于所述原始入射像束3的彼此相对的方向上传播并具有第二线性偏振状态)，其中所述第一和第二线性偏振状态相互正交。所述分束元件4通常包括沿一个边缘连接在一起以形成人字形或V形结构的两个单独板或平面，并且所述板中的每一个的连接边缘被倾斜成大致45度，以允许两个板彼此紧密相邻放置，从而将所述连接板之间的间隙最小化。

此后，反射表面8、9(例如，银反射镜等)被提供来将其所述次级像束6、7中的每一个的光学路径朝向保偏投影屏幕2偏转，并被布置为使得所述初级和次级像束5、6、7部分重叠，以相互组合并在所述投影屏幕的表面上重建完整图像。这样的三重像束系统因此允许使用组成所述原始入射像束3的两个偏振分量来生成整个屏幕上图像，从而与前述单像束系统相比，确保更高水平的图像亮度。

附加地，偏振调制器11、12、13被放置在其所述初级和次级像束5、6、7中的每一个的光学路径内，并与由所述投影仪1生成的图像同步地操作来对所述像束的偏振状态进行调制。此外，所述偏振调制器11、12、13通常各自包括两个单独pi单元液晶元件的堆叠(未示出)，该两个单独pi单元液晶元件以相互交叉的定向对准并与由所述投影仪生成的图像同步地操作，以将所述初级和次级像束5、6、7的线性偏振状态在左右圆偏振状态之间快速调制。

具体地，其通常被布置为使得在所述投影屏幕2的表面上生成的所有左眼图像具有第一圆偏振状态，并且在所述投影屏幕2的表面上生成的所有右眼图像具有第二圆偏振状态，所述第一圆偏振状态和第二圆偏振状态相互正交。这使得能够根据现有技术，通过利用无源圆偏振观察镜(未示出)在所述投影屏幕2的表面上观看时分多路复用3d图像。

此外，本领域技术人员将理解，在构成所述三重像束系统的所述初级像束5与所述次级像束6、7中的每一个之间的光程长度差相对较小，因此不再要求使用远摄透镜对等来补偿光程长度中的所述小差异。

此外，本领域技术人员还将理解，由于在根据现有技术的所述三重像束系统内，所述初级像束5和所述次级像束6、7中的每一个的总光程长度相对较短，因此，与上述的双像束系统相比，所述三重像束系统将能够实现较短的投射比。

然而，由于激光投影仪与通常的基于氙气的电影投影仪相比具有更高水平的光输出和色彩饱和度，因此最近在电影院应用中的使用已被广泛接受。这使得能够生成具有更高水平的屏幕上图像亮度的立体3d图像。但是，由于由通常的激光投影仪生成的光是高度相干且单色的，因此，根据现有技术，通常在所述三重像束系统中使用的人字形或V形分束元件4的中心接点通常生成相对较高水平的光学衍射和其他相关缺陷，从而导致在所述投影屏幕2的中间附近感觉到屏幕上图像伪像。此外，所述屏幕上伪像的生成限制了当使用激光投影仪时，根据现有技术的所述三重像束系统的实用性。

图4示出了根据本发明的一个优选实施例的时分多路复用立体3d投影系统。在此，投影仪1以通常为144Hz的高频发射入射像束3，入射像束3包括连续交替的左眼图像和右眼图像。像束3然后撞击在偏振分束元件4上，偏振分束元件4将所述入射像束3分离为一个初级像束5(在与所述入射像束3相同的方向上传播并且具有第一线性偏振状态)和至少一个次级像束6(在相对于所述原始入射像束3垂直的方向上传播并且具有第二线性偏振状态)，所述第一线性偏振状态和第二线性偏振状态相互正交。

还提供了反射表面8(例如，银反射镜等)，反射表面8被布置为将所述次级像束6的光学路径朝向保偏投影屏幕2(例如，银幕等)偏转。通过其初级和初级像束5、6在所述投影屏幕2的表面上生成的图像被布置为彼此重叠，以在所述投影屏幕的表面上重建完整图像。这允许使用构成所述原始入射像束3的两个偏振分量来生成整个屏幕上图像，从而确保高水平的图像亮度。

附加地，偏振调制器11、12用于与由所述投影仪1生成的图像同步地，将所述初级和次级像束5、6中的每一个的偏振状态在第一和第二偏振调制状态之间快速地调制。例如，所述第一偏振调制状态可以是左圆偏振，并且所述第二偏振调制状态可以是右圆偏振。然而，在不脱离本文公开的发明思想的情况下，所述第一和第二偏振调制状态可以替代地包括其他类型的偏振(例如但不限于线性偏振或椭圆形偏振)。

此外，本发明的一个优选实施例是，在所述投影屏幕2的表面上生成的所有左眼图像被布置为具有第一圆偏振状态，并且在所述投影屏幕2的表面上生成的所有右眼图像被布置为具有第二圆偏振状态，所述第一和第二圆偏振状态相互正交。这使得能够通过利用无源圆偏振观察镜(未示出)在所述投影屏2的表面上观看立体3d图像。

附加地，根据本发明的一个优选实施例，提供了单轴聚光透镜15，单轴聚光透镜15放置在所述入射像束3的光学路径内并且位于所述投影仪1和所述偏振分束元件4之间。单轴聚光透镜的特征在于，所述透镜具有围绕单个轴线弯曲(例如，围绕水平轴线弯曲)的至少一个表面，并且因此将仅减小所述入射像束3在竖直方向上的角光束发散度，而使得在水平方向上的角光束发散度基本不受干扰。此外，本领域技术人员将理解，主要是竖直方向上的角光束发散度确定了所述次级像束6的整体光程长度，因此使用根据本发明的所述单轴聚光透镜15使得组成所述立体3d投影系统的光学组件的尺寸能够保持在实际限制之下。

此外，还提供了单轴扩展透镜16、17，单轴扩展透镜16、17分别放置在所述初级和次级像束5、6中的每一个的光学路径内，并且被布置为增加所述初级像束和次级像束中的每一个在竖直方向上的发散角度，而使得所述初级像束和次级像束中的每一个在水平方向上的发散角度基本不受干扰。根据本文所公开的本发明的一个优选实施例，所述单轴扩展透镜16、17中的每一个优选地位于所述偏振分束元件4和所述保偏投影屏幕2之间。单轴扩展透镜的特征在于，所述透镜具有围绕单个轴线弯曲的至少一个表面(例如，所述表面围绕水平轴线弯曲)，因此将仅增加所述初级像束和次级像束5、6在竖直方向上的角光束发散度，而在水平方向上的角光束发散度基本不受干扰。与其他现有技术相比，这使得根据本发明的所述立体3d投影系统能够提供较短的投射比。

偏振分束元件4优选地包括单个分束板(例如，线栅偏振器等)，或者备选地包括单个分束表面(例如但不限于可以或可以不夹在两个或更多个玻璃板或棱镜之间的多层涂层)。此外，本领域技术人员将理解，使用单个偏振分束板或表面将使得在所述板或表面的表面上发生的光学衍射和其他缺陷的量最小化，从而使得根据本发明的一个优选实施例的所述立体3d投影系统当与激光投影仪一起使用时，能够提供具有良好光学质量和屏幕上均匀性的立体3d图像。

图5示出了根据本发明的一个优选实施例的所述单轴聚光透镜15的详细设计。公开了所述单轴聚光透镜的至少一个表面围绕单个轴线15a弯曲，例如，所述表面围绕水平轴线弯曲。因此，所述单轴聚光透镜将在竖直方向上具有正光学倍率(optical-power)，并因此将相互平行的入射光束聚焦到基本上一维的线。所述单轴聚光透镜可以包括柱透镜，并且当所述单轴聚光透镜在一个维度上会聚光束(即，在竖直方向上放大)时，其可以被称为平凸的。此外，所述单轴聚光透镜的所述弯曲表面可以优选地被设计为将色差的发生最小化，例如，所述单轴聚光透镜可以包括一个或多个非球面柱透镜(acylindrical lens)，或者备选地，所述单轴聚光透镜可以包括柱面消色差双合透镜。此外，所述单轴聚光透镜可以替代地包括菲涅耳透镜，菲涅耳透镜在一个维度上提供放大率，以减小根据本发明的另一实施例的所述立体3d投影系统的整体尺寸和重量。

图6示出了根据本发明的另一优选实施例的所述单轴扩展透镜16、17中的每一个的详细设计。公开了所述单轴扩展透镜中的每一个的至少一个表面围绕单个轴线16a弯曲，例如，所述表面围绕水平轴线弯曲。因此，所述单轴扩展透镜将在竖直方向上具有负的光学倍率，并且将导致入射像束在一个维度上扩展。再次，所述单轴扩展透镜可以包括柱透镜，并且当所述单轴扩展透镜提供在一个维度上的光束发散时，其通常被称为平凹的。此外，所述单轴扩展透镜可以优选地包括非球面柱透镜，或者备选地包括柱面消色差双合透镜，以将色差的发生最小化。此外，为了减小根据本发明的另一实施例的所述立体3d投影系统的整体尺寸和重量，所述单轴扩展透镜可以备选地包括在一个维度上将像束发散的一个或多个菲涅耳透镜。

此外，在本发明的另一优选实施例中，对于所述单轴扩展透镜16、17中的每一个，所述单轴聚光透镜15的正光学倍率被布置为在幅度上基本上等于负光学倍率的绝对值。这确保了在竖直方向和水平方向上用于出射的初级像束5和出射的次级像束6的角光束发散度与其用于所述入射像束3的角光束发散度基本相同。

本领域技术人员将理解，与其他现有技术相比，对于根据本发明的所述立体3d投影系统，利用所述单轴聚光透镜15和所述单轴扩展透镜16、17中的每一个将确保所述初级像束5和所述次级像束6之间的光程长度差较小，从而确保由所述初级像束5生成的屏幕上图像的尺寸与由所述次级像束6生成的屏幕上图像的尺寸类似。这使得所述两个屏幕上图像能够高精度地相互对准。

此外，为了进一步改进屏幕上图像的对准，公开了可以优选地调整所述单轴扩展透镜17的位置，以使得由所述次级像束6生成的屏幕上图像的高度少量改变，从而确保此后所述屏幕上图像中的每一个均具有基本相同的高度。为了满足该标准，本领域的技术人员将理解，通常，与所述单轴扩展透镜16相比，所述单轴扩展透镜17需要朝向所述投影屏幕2稍微靠近一点，以减小由所述次级像束6生成的屏幕上图像的高度。备选地，根据本发明的另一实施例，通过替代地调整所述单轴扩展透镜16的位置，可以将所述屏幕上图像中的每一个的高度布置为基本相同来实现相同的效果。

此外，还公开了所述反射表面8的平面可以围绕单个轴线少量变形，以减小由所述次级像束6生成的屏幕上图像的宽度，从而确保随后由所述初级和次级像束5、6中的每一个生成的所述屏幕上图像均具有相同的宽度。与其他现有技术相比，这使得所述屏幕上图像中的每一个具有基本相同的尺寸，从而进一步改进了整个屏幕上图像对准。

此外，本领域技术人员还将理解，可以调整所述反射表面8的角度定位或定向，以确保由所述初级和次级像束5、6生成的所述屏幕上图像中的每一个在所述投影屏幕2的表面上在很大程度上相互重叠，因此提供了高水平的屏幕上图像对准。

在本文中已使用其中入射像束被分离为一个初级像束和一个次级像束的双像束架构对本发明进行了说明。然而，所述发明还可以使用其中入射像束被划分为一个初级像束和两个次级像束的三重像束架构来实践。此外，然后可以将单轴聚光透镜放置在所述入射像束的光学路径内，并放置在所述投影仪和所述偏振分束元件之间，并且可以将至少一个单轴扩展透镜放置在所述次级像束的至少一个的光学路径内，并位于所述偏振分束元件与所述保偏投影屏幕之间。根据本发明的另一实施例，这将减小所述三重像束系统内所述次级像束中的每一个的光程长度，并因此与其他现有技术相比，改进了整体的屏幕上图像对准。

尽管在本文中已示出和描述了本发明的优选实施例，但是在不脱离本发明的发明思想的情况下可以对其进行各种修改。具体地，已将本发明与双像束架构一起说明，但是应当理解，在不脱离本文所公开的发明思想的情况下，所公开的发明也可以与基于单像束架构或备选地三重像束架构的立体3d投影系统一起实践。因此，应当理解，已通过例示而非限制的方式描述了本发明。

Claims (15)

1.一种时分多路复用立体3d投影系统，包括：

投影仪，所述投影仪发射入射像束，所述入射像束包括快速连续交替的左眼图像和右眼图像；

偏振分束元件，所述偏振分束元件被布置为将所述入射像束分离为一个初级像束和至少一个次级像束，所述一个初级像束基本上在与所述入射像束相同的方向上传播并且具有第一偏振状态，所述至少一个次级像束基本上在与所述入射像束相互正交的方向上传播并且具有第二偏振状态；

反射表面，所述反射表面可操作以将所述初级像束和所述次级像束中的至少一个像束的光学路径朝向保偏投影屏幕的表面偏转；

至少一个偏振调制器，所述至少一个偏振调制器被放置在所述初级像束和所述次级像束中的每个像束的所述光学路径内，并且被布置为：与由所述投影仪生成的图像同步地，将所述初级像束和所述次级像束中的每个像束的所述偏振状态在第一偏振调制状态和第二偏振调制状态之间进行调制；

单轴聚光透镜，所述单轴聚光透镜被置于所述入射像束的所述光学路径内，并且位于所述投影仪和所述偏振分束元件之间；以及

至少一个单轴扩展透镜，至少一个单轴扩展透镜被置于所述初级像束和所述次级像束中至少一个像束的所述光学路径内，并且位于所述偏振分束元件和所述保偏投影屏幕之间。

2.根据权利要求1所述的时分多路复用立体3d投影系统，其中所述单轴聚光透镜具有围绕单个轴线弯曲的至少一个表面。

3.根据权利要求1所述的时分多路复用立体3d投影系统，其中所述至少一个单轴扩展透镜具有围绕单个轴线弯曲的至少一个表面。

4.根据权利要求1所述的时分多路复用立体3d投影系统，其中所述第一偏振调制状态是左圆偏振，并且所述第二偏振调制状态是右圆偏振。

5.根据权利要求1所述的时分多路复用立体3d投影系统，其中所述第一偏振调制状态和所述第二偏振调制状态中的每个偏振调制状态包括线性偏振。

6.根据权利要求1所述的时分多路复用立体3d投影系统，其中所述第一偏振调制状态和所述第二偏振调制状态中的每个偏振调制状态包括椭圆偏振。

7.根据权利要求1所述的时分多路复用立体3d投影系统，其中所述偏振分束元件包括至少一个平面，所述至少一个平面还包括线栅偏振器和多层涂层中的一者。

8.根据权利要求1所述的时分多路复用立体3d投影系统，其中所述入射像束被所述偏振分束元件分离为一个初级像束和两个次级像束，以创建三重光束架构。

9.根据权利要求1所述的时分多路复用立体3d投影系统，其中所述单轴聚光透镜在至少一个轴线具有正光学倍率的第一值，并且所述单轴扩展透镜在至少一个轴线具有负光学倍率的第二值，其中所述第一光学倍率和所述第二光学倍率的绝对值基本相等。

10.根据权利要求1所述的时分多路复用立体3d投影系统，其中提供了第一单轴扩展透镜和第二单轴扩展透镜，所述第一单轴扩展透镜被置于所述初级像束的所述光学路径内，所述第二单轴扩展透镜被置于所述次级像束的所述光学路径内，其中所述第一单轴扩展透镜和所述第二单轴扩展透镜均位于所述偏振分束元件和所述保偏投影屏幕之间。

11.根据权利要求10所述的时分多路复用立体3d投影系统，其中所述第一单轴扩展透镜和所述第二单轴扩展透镜的光学倍率基本相同。

12.根据权利要求10所述的时分多路复用立体3d投影系统，其中所述第二单轴扩展透镜的位置被调整，以便修改由所述次级像束所生成的屏幕上图像的高度。

13.根据权利要求1所述的时分多路复用立体3d投影系统，其中所述反射表面的平面被调整或变形，以便修改由所述次级像束所生成的屏幕上图像的宽度。

14.根据权利要求1所述的时分多路复用立体3d投影系统，其中所述反射表面的定向被调整，以便修改由所述次级像束所生成的屏幕上图像的位置。

15.根据权利要求1所述的时分多路复用立体3d投影系统，其中所述单轴聚光透镜和所述单轴扩展透镜中的至少一个透镜包括以下中的至少一项：柱透镜、非球面柱透镜、柱面消色差双合透镜、菲涅耳透镜、或其任何组合。

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