CN1267767C - 单芯片双色轮立体投影光学引擎 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可以实现立体影像输出的单芯片双色轮立体投影的光学引擎，包括沿光线传播方向依次设置的光源、IR-UV截止器、色轮、光棒、中继透镜组、反光镜、棱镜组、数字微镜芯片、投影物镜，还包括分光器、反射镜、偏振片、透镜和棱镜，所述分光器设在IR-UV截止器与反射镜的光路之间，所述反射镜、偏振片、透镜组和色轮各为两个，分别沿光线传播方向以棱镜为对称中心依次对称设置，所述棱镜设置在色轮与光棒的光路之间。本发明使光能量分布完全相等的两束光分别透过两偏振方向相互垂直的两偏振片，得到两束偏振方向相互垂直的两束偏振光，实现了单机立体投影。具有调试方便，占据空间小，适用范围广等优点。

Description

单芯片双色轮立体投影光学引擎

技术领域

本发明涉及一种投影机，具体地说，是一种可以实现立体影像输出的光学引擎。

背景技术

立体影像，是利用了偏光的滤光技术。影像输出时，在两迅速交替输出的图像前设置直线偏光或椭圆偏光，使左眼影像和右眼影像的偏光状态分离，再在屏幕上合成投影。观看者佩戴偏光眼镜，该偏光眼镜只能看到各自的影像，左(右)眼只能看到的影像合成为立体像。

与二维显示相比，立体显示可提供场景更为全面的信息，其优点是显而易见的。

投影机作为视频显示和计算机外设的重要组成部分，以方便灵活、携带方便、画面大、接口多，在各个领域发挥着不可替代的作用。

国际上的立体显示技术的研究工作主要是从20世纪90年代开始，以日本和美国为首，其他国家纷纷跟进。目前，无论是国内还是国际虚拟现实市场最多见的三维动态图像的立体输出显示方式，是利用两台加上偏振镜片的高亮度投影机输出视频信号投影至大屏幕，产生立体画面，观看者配戴偏振光立体眼睛进行观看，从而获得立体感受。

此技术虽颇为有效，但由于在播放时需同时使用两台投影机，故仍存在如下一些缺点：

1.在安装时必须采取一系列的措施将两台投影机相对固定(安装复杂)

2.只适合在一些大型场合的固定使用

3.不易调试

4.所占空间过大

5.价格过高

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于数码投影的单机立体投影机的光学引擎，使输出的立体视频信号投至屏幕产生立体画面，而观看者通过配戴舒适的偏振光立体眼睛进行观看，从而获得高质量的立体感受，以克服现有的立体投影采用两台投影机，安装复杂，使用场合受限且价格过高等缺点。

本发明是这样构思的，采用两束光能分布完全相同的光，分别通过两个偏振方向相互垂直的偏振镜片或一对左旋或右旋的偏振片，再由两色轮控制使两束光轮流处出射，然后将该两束轮流出射的偏振光通过一折射棱镜，以同一光路入射至芯片，以得到最终的立体图像。

本发明是在现有的二维数码投影机基础上进行的改进，使之成为立体投影机。两束分立且光能分布完全相同的光可通过以下两种途径获得：

I.由一已进行了IR、UV截止的光束通过一分光器件，将其分为光能量分布完全相等的两束光。

II.由两个完全相同的经IR、UV截止的光源直接得到。

采用途径I获得两束完全相同的光束，解决技术问题的方案如下：

一种单芯片双色轮立体投影的光学引擎，包括沿光线传播方向依次设置的光源、IR-UV截止器、色轮、光棒、中继透镜组、反光镜、棱镜组、数字微镜芯片、、投影物镜，其特征在于，还包括分光器、反射镜、偏振片、透镜和棱镜，所述分光器设在IR-UV截止器与反射镜的光路之间，所述反射镜、偏振片、透镜组和色轮各为两个，分别沿光线传播方向以棱镜为对称中心依次对称设置，所述棱镜设置在色轮与光棒的光路之间。

采用途径II获得两束完全相同的光束，解决技术问题的方案如下：

一种单芯片双色轮立体投影的光学引擎，包括沿光线传播方向依次设置的光源、IR-UV截止器、色轮、光棒、中继透镜组、反光镜、棱镜组、数字微镜芯片、投影物镜，其特征在于，还包括偏振片、透镜组和棱镜，所述光源、IR-UV截止器、偏振片、透镜组(组内透镜数≥1，具体数字是不同情况而定)和色轮各为两个，分别沿光线传播方向以折射单元为对称中心依次对称设置，所述棱镜设置在色轮与光棒的光路之间。

根据本发明的技术方案可知，本发明将一光源分为光能量分布完全相等的两束光或直接选用两个光能量分布完全相等光源，使光能量分布完全相等的两束光分别透过两偏振方向相互垂直的两偏振片，得到两束偏振方向相互垂直的两束偏振光，实现了单机立体投影。与现有的两台式立体投影机相比：现有投影机在安装方面是十分不便的，需要较大空间来专门固定机器。而且由于两台机器是分立的，在成像定位时极其复杂，对安装人员的经验和耐心的要求很高。而本发明不但大大减小了体积，而且在装校上也省去了很多不必要的麻烦。因为将双机合成为单机，所以也减少了部分硬件的使用，使生产成本大大下降。因此本发明克服现有的立体投影采用两台投影机，安装复杂，使用场合受限且价格过高等缺点。具有调试方便，占据空间小，适用范围广等优点。

附图说明

图1：一种现有的二维光学引擎略图；

图2：本发明第一种方案略图；

图3：本发明第二种方案略图；

图4：本发明中色轮棱镜系统的示意图。

具体实施方式

参见图1，二维光学引擎，所需光束从白光光源1输出，经IR-UV截止器2滤去IR、UV光线后入射至色轮3。通过色轮3的快速旋转轮流得到红、绿、蓝三色光束。其后再通过光棒4、透镜组5，经由反光镜6’反射后，透过透镜组7’进入棱镜组8，并在棱镜组8及DMD 9间进行一系列的透射、反射和折射后出射，最后通过投影物镜10在屏幕11上成像。

本发明是在上述二维光学引擎上进行的改进，下面结合附图进一步说明本发明三维光学引擎。

第一种方案

本方案以途径I获得分立光束。需要将一光源分为光能量分布完全相等的两束光，因此在本方案中增加相应的分光单元，具体如下：

如图2，本发明立体投影的光学引擎，包括沿光线传播方向依次设置的光源1、IR-UV截止器2、色轮16、光棒4、中继透镜组、反光镜6’、棱镜组8、数字微镜芯片9、投影物镜10，还包括分光器12、反射镜6、偏振片13、透镜组7和高精度棱镜14，所述分光器12设在IR-UV截止器2与反射镜6的光路之间，所述反射镜6、偏振片13、透镜组7和色轮16分别为两个，沿光线传播方向以棱镜14为对称中心依次对称设置，所述棱镜14设置在色轮16与光棒4的光路之间。

本发明还可在在棱镜14与光棒4的光路之间设置透镜组5’。

所述中继透镜组包括沿光路依次设置的透镜组5和透镜组7’。

光学原理，所需光束从白光光源1输出，经IR-UV截止器2滤去IR、UV光线后通过一分光器件12，将其分为光能量分布完全相等的两束光。此两束光分别经由反光镜6的反射后透过两偏振方向相互垂直的两偏振片(或一对左旋及右旋的偏振片)13，再由透镜组7会聚后射入6段色轮16A、16B的快速旋转得到的红、绿、蓝三色光束轮流通过高精度棱镜14，通过色轮出射的两束光轮流射入一棱镜，以保证两束射光束出射以后在同一光路上，其后再通过光棒4、透镜组5，经由反光镜6’反射后，透过透镜组7’进入棱镜组8，并在其内及DMD 9间进行一系列的透射、反射和折射后出射，最后通过投影物镜10在屏幕11上成像。

其中，色轮棱镜系统需另作详细说明。

如图四，本发明中的色轮被分为六块，阴影部分为对全光谱截止的滤色片，其余三块则分别是红、绿、蓝光的滤色片，可分别透过红光、绿光与蓝光，且排布时需使透与不透相互间隔。6段色轮16A与16B完全相同，但在安装时需使其中心转轴位于同一轴线上，此轴线应为同一马达的同一转轴。在两色轮光束射入处光束透与不透的滤色片位置一一对应，安装时色轮在转轴的两端固定，以确保透与不透相对的精确无误。由此如图1、图4，入射光线亦应同轴入射至色轮上端滤色片处，以保证在色轮旋转时红、绿、蓝三单色光轮流射出。

而该系统中的驱动系统的主要作用是使色轮旋转，但又与一般投影系统中的有所不同。因为现有的二维光学引擎中仅使用一个色轮，而现系统中的驱动系统需同时带动两个6段色轮。因此，此驱动系统可有以下两种方案：

1.如图4所示，由单个步进电机驱动两个6段色轮。将两6段色轮安装于同一马达的同一转轴。两6段色轮安装的安装可为图中的马达两侧；亦可安装于马达的同一侧。

2.由两个步进电机驱动两个6段色轮，需满足：

1)由电路控制起始位置；

2)由电路控制两个色轮的透射区与不透射区的对应位置；

3)由电路控制两个电机的相同转速。

第二种方案

本方案以途径II获得分立光束。由两个完全相同的经IR、UV截止的光源直接得到。

如图3，本发明立体投影的光学引擎，包括沿光线传播方向依次设置的光源1、IR-UV截止器2、色轮16、光棒4、透镜组5、反光镜6’、棱镜组8、数字微镜芯片9、投影物镜10，还包括偏振片13、透镜7和高精度棱镜14，所述光源1、IR-UV截止器2、偏振片13、透镜组7和色轮16各为两个，分别沿光线传播方向以棱镜14为对称中心依次对称设置，所述棱镜14设置在色轮16与光棒4的光路之间。

两所需光束同时从两光能量分布完全相等白光光源1输出，分别经IR-UV截止器2滤去IR、UV光线后透过两偏振方向相互垂直的两偏振片(或一对左旋及右旋的偏振片)13，再由透镜组7会聚后射入快速旋转的6段色轮16A、16B以得到的红、绿、蓝三色光束轮流通过高精度棱镜14，通过色轮出射的两束光轮流射入一棱镜，以保证两束射光束出射以后在同一光路上，再通过光棒4、透镜组5，经由反光镜6’反射后，透过透镜组7’进入棱镜组8，并在其内及数字微镜芯片9间进行一系列的透射、反射和折射后出射，最后通过投影物镜10在屏幕11上成像。

其中，色轮棱镜系统与第一实施例相同。

现有的投影机通过色轮的快速旋转轮流将红、绿、蓝三色光送入芯片。而与之相对应的，通过电路控制在红光输入时，向屏幕输出红色图像；在绿光输入时，向屏幕输出绿色图像；在蓝光输入时，向屏幕输出蓝色图像。由于各图像切换的速度足够快，再肉眼看来便不是三幅单色图像，而是一幅彩色图像。在本发明中，将现有的二维光学引擎中的3段色轮改为6段，即我们最终所获得的彩色立体图像是由6幅单色图像叠加而成。

Claims (7)

1.一种用于单芯片双色轮立体投影的光学引擎，包括沿光线传播方向依次设置的光源(1)、IR-UV截止器(2)、色轮(16)、光棒(4)、中继透镜组、反光镜(6’)、棱镜组(8)、数字微镜芯片(9)、投影物镜(10)，其特征在于，还包括分光器(12)、反射镜(6)、偏振片(13)、透镜组(7)和棱镜(14)，所述分光器(12)设在IR-UV截止器(2)与反射镜(6)的光路之间，所述反射镜(6)、偏振片(13)、透镜组(7)和色轮(16)各为两个，分别沿光线传播方向以棱镜(14)为对称中心依次对称设置，所述棱镜(14)设置在色轮(16)与光棒(4)的光路之间，所述偏振片(13)为两偏振方向相互垂直的两偏振片或一对左旋及右旋的偏振片。

2.一种用于单芯片双色轮立体投影的光学引擎，包括沿光线传播方向依次设置的光源(1)、IR-UV截止器(2)、色轮(16)、光棒(4)、中继透镜组、反光镜(6’)、棱镜组(8)、数字微镜芯片(9)、投影物镜(10)，其特征在于，还包括偏振片(13)、透镜组(7)和棱镜(14)，所述光源(1)、IR-UV截止器(2)、偏振片(13)、透镜组(7)和色轮(16)各为两个，分别沿光线传播方向以棱镜(14)为对称中心依次对称设置，所述棱镜(14)设置在色轮(16)与光棒(4)的光路之间，所述偏振片(13)为两偏振方向相互垂直的两偏振片或一对左旋及右旋的偏振片。

3.根据权利要求1或2所述的用于单芯片双色轮立体投影的光学引擎，其特征在于，所述的色轮(16)为6段色轮，排布时需使透与不透相互间隔，不透光部分被用以阻止所有光的透过，其余三块透光部分则分别是红、绿、蓝光的滤色片，可分别透过红光、绿光与蓝光。

4.根据权利要求3所述的用于单芯片双色轮立体投影的光学引擎，其特征在于，所述的两个6段色轮(16)的中心转轴位于同一轴线上，两个色轮的滤色片位置一一对应，且两色轮光束射入处光束透与不透的一一对应。

5.根据权利要求4所述的用于单芯片双色轮立体投影的光学引擎，其特征在于，所述的两个6段色轮(16)采用同一马达或由2个步进电机驱动。

6.根据权利要求1或2所述的用于单芯片双色轮立体投影的光学引擎，其特征在于，在棱镜(14)与光棒(4)的光路之间设置透镜组(5’)。

7.根据权利要求1或2所述的用于单芯片双色轮立体投影的光学引擎，其特征在于，所述的中继透镜组包括沿光路依次设置的透镜组(5)和透镜组(7’)。

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