CN1625905A - 立体光引擎体系结构 - Google Patents

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布伦特·W·霍夫曼
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Abstract

一种用于可以立体观看的画面的液晶显示投影系统，包括：重复三色光序列源(13)；第一与第二成像器(22，20)，对表示来自不同视角的同一画面的各自的驱动信号进行响应；至少第一偏振光束分光器(14)，用来将所述重复三色光序列分割为P偏振三色光序列与S偏振三色光序列，所述S偏振三色光序列照亮所述第一成像器，并且所述P偏振三色光序列照亮所述第二成像器；第一滤光器(26)，用来去除导向所述第一成像器的P偏振光；以及，第二滤光器(24)，用来去除从所述第二成像器反射的P偏振光，其中当通过相应的P与S偏振镜头(70，80)观看时，所述从第一成像器反射的光以及所述由第二滤光器过滤的光形成立体图像。

Description

立体光引擎体系结构
技术领域
本发明涉及投影系统的光引擎领域，更具体地，涉及使能立体观看的光引擎体系结构。
背景技术
现有的投影系统技术是低效的，其需要较大的光学系统以将光转换为可用形式。弧光灯和其他类似光源就其本性而言在输出上是宽带的，并因此生成红外线、紫外线、以及非基本可见光，以及对于投影有用的红、绿、以及蓝光。用来处理光的滤色器的低效也导致了更宽带的色彩，以及因此更小的色彩空间。诸如弧光灯等光源还产生随机“混合”偏振，并因此需要附加的光学系统部件以处理偏振分离。为了进一步提高“聚光本领(etendue)”，需要合成器(integrator)与准直仪(collimator)的复杂系统，以将来自光源(例如弧光灯)的聚焦光束转换为均匀的距形照明(rectangular illumination)。聚光本领一般被认为是辐射通量密度与辐射或接受表面的面积的乘积。这被用来确定所发射的(反射或透射的)能量的绝对值，以控制总体能量平衡。另外，因为来自灯的光一般是白色的，所以需要专用的分色滤光器以产生投影系统所需的红、绿、以及蓝光。作为克服上述问题所需的所有硬件的结果，将会需要大型的笨重的光学系统，以获得足够的通过典型光引擎的光吞吐量。即使使用增加通过光引擎的光吞吐量的所有现有方案，最好的系统也只能达到40～60％的吞吐量。许多现有系统对于每一颜色使用一个LCOS面板，并且试图用使用偏振恢复系统的适当偏振来最大化的照明，例如PBS阵列，以及其他昂贵或低效的方案。因此，需要一种大幅提高光的系统吞吐量同时费用增加最小的光引擎。
其他系统对每个颜色使用多于一个的成像器或面板，需要至少四个成像器。其中三个成像器必须与第四个成像器对准。这三个成像器的每一个必须相对于六个运动度对准。这是非常困难的，不仅是因为像素大小只有大约10微米，且每个成像器的每个对应像素都必须严格对准以使能清晰的画面，而且还因为当光引擎变热时每个成像器都受到热应力并移动。因此，还需要一种不仅能够大幅提高系统吞吐量，而且构造、对准、以及操作的复杂度和费用都大大减少的光引擎。
应该注意，现有的立体显示器一般要求特殊的镜片来观看立体图像。已经存在几种技术，包括使用红与绿以分离单色画面的左右眼图像的技术。如果你有红/绿观看器，这一技术应该是可用的。另一技术是使用并入LCD光闸(shutter)的镜片的帧连续左右眼图像，该LCD光闸与图像同步地切换。这些镜片是有源的，并因此需要电源与控制电路，以及来自显示器的定时信号。另一技术涉及偏振，以分离左右眼图像。这是在电影院中使用的技术。其对于电子显示器的应用不大常见，但可以使用在显示器之前的电可切换偏光器与帧连续图像来实现。该实现与LCD具有可比性，其中将使用滤光器来取得帧连续CRT显示器中的颜色。后两种方法需要帧连续左右眼图像。当一幅图像切换为另一幅时，必须不在显示器上残留来自一只眼睛的剩余图像。因此，对于现有技术，它们只能用快速CRT显示器来实现。因此，还需要一种不需要专门镜头的、使用偏振观看立体图像的方法。
发明内容
根据本发明的第一方面，一种用于使用液晶显示投影系统来生成立体图像的设备，所述液晶显示投影系统包括：至少第一与第二成像器；以及至少第一偏振光束分光器，用来基本地分离P偏振光与S偏振光，并且将P偏振光导向第一成像器，将S偏振光导向第二成像器。该系统还包括：第一滤光器，用来滤出从第一成像器反射的任何P偏振光的大部分；以及第二滤光器，用来滤出在由所述至少第一偏振光束分光器分出的S偏振光中的任何P偏振光的大部分。
根据本发明的第二方面，一种用来生成立体图像的光引擎结构包括：至少第一成像器与第二成像器；以及用于基本分离P偏振光与S偏振光，并且将P偏振光导向第一成像器以及将S偏振光导向第二成像器的装置。该光引擎结构还包括：第一滤光器，用来滤出从第一成像器反射的任何P偏振光的大部分；以及第二滤光器，用来滤出在由所述用于基本分离的装置分出的S偏振光中的任何P偏振光的大部分。
根据本发明的第三方面，一种使用偏振观看立体图像的方法，包括以下步骤：使用为S偏振调制的第一图像信号来驱动第一成像器，并且使用为P偏振调制的第二图像信号驱动第二成像器，其中第一图像信号与第二图像信号结合提供立体视图，以通过投影镜头进行投影。该方法还包括以下步骤：将非偏振光注入系统，并且从所注入的非偏振光中分离P偏振光与S偏振光。另外，该方法还包括以下步骤：将P偏振光导向第一成像器，在对于杂散P偏振光过滤反射S偏振光之后，将从第一成像器反射的反射S偏振光导向投影镜头；以及在对于杂散P偏振光过滤S偏振光以及将从第二成像器发射的反射P偏振光导向投影镜头之后，将S偏振光导向第二成像器。
附图说明
图1为根据本发明的光引擎体系结构的方框图；
图2为根据本发明的使用线栅偏振器的光引擎体系结构的另一方框图；
图3为显示根据本发明的增加光引擎中亮度以及可选地能够立体观看图像的方法的流程图；
图4为根据本发明的图1的光引擎体系结构的方框图，该光引擎体系结构用第一成像器显示相应于右眼图像的信息；
图5为根据本发明的图1的光引擎体系结构的方框图，该光引擎体系结构用第二成像器显示相应于左眼图像的信息。
具体实施方式
参照图1，其中显示了一种新颖的体系结构10，用于使用光引擎的偏振来生成立体图像。就光亮度而言，所公开的体系结构还显著地增加了系统吞吐量。虽然现有的系统试图使用单个面板或成像器来增加吞吐量，但本发明使用至少第二个面板或成像器。如对数字微镜设备(DMD)类型系统中所做的，向系统增加第二面板，并且使用色轮有效地将总光通量翻倍。非偏振光被注入该系统。在第一PBS，P偏振光从S偏振光中分离，其中P偏振光到达一个成像器，而S偏振光到达另一成像器。因此具有通过增加一个成像器或面板来操作的偏振恢复。费用损失为需要附加的面板，并且需要一种取得这两个分离的成像器的适当对准的方法。附加的成像器的费用通过总体费用上的节省得到了很好的补偿。这两个面板可以用同一信号来驱动，以提高系统吞吐量，例如将光输出翻倍。可替换地，这两个成像器可以用两个不同的信号来驱动，以取得上述的立体效果。
这样的系统获得了减少复杂度与费用的益处，这是因为该发明可以用仅仅两个成像器来实施，并且可以提供几乎与具有四个或更多个成像器的系统一样多的光吞吐量。
液晶显示投影系统体系结构或系统10包括至少第一成像器22以及第二成像器20。优选地，这些成像器为硅液晶(LCOS)显示设备。系统10可以进一步包括至少第一偏振光束分光器14，用来基本分离P偏振光与S偏振光，并且将P偏振光导向第一成像器22，将S偏振光导向第二成像器20。另外，该系统包括：第一滤光器26，用来滤出从第一成像器22反射的任何P偏振光的大部分；以及第二滤光器24，用来滤出由至少第一偏振光束分光镜14分出的S偏振光中的任何P偏振光的大部分。优选地，该系统包含四个PBS，包括第一PBS 14、用来将从第一PBS分出的S偏振光导向第二成像器的第二PBS 18、用来将从第一成像器反射的S偏振光导向第四PBS 20的第三PBS16，其中第四PBS 20将从第一成像器反射的S偏振光以及从第二成像器反射的P偏振光导向投影镜头28。在这样的系统中，液晶显示投影系统10优选地还包括在第三PBS 16与第一成像器22之间的第一四分波片(quarer waveplate)23，以及在第二PBS 18与第二成像器20之间的第二四分波片21。应该理解，如在下面将进一步讨论的，在使用线栅偏光器的系统中，可以省略使用四分波片。该系统还包括诸如弧光灯等非偏振光光源12，以及放置在至少第一PBS与非偏振光光源之间的可旋转色轮13。所述灯与色轮是用来提供诸如红、绿、蓝、红、绿、蓝等色光的重复序列的装置。如现有技术中所公知的，旋转轮与提供给成像器的相应驱动信号同步。
本发明的系统的一个基本的益处在于即使通过偏振分割来增加了聚光本领，其也不会导致亮度损失，这是因为使用第二成像器来增强系统的聚光本领，并且当信号S1与S2为相同驱动信号时将其与照明的聚光本领相匹配。可替换地，信号S1与S2可以是不同的，以根据立体视觉体验来产生偏振。在立体实施方式中，用户只需要偏振镜片，而不需要LCD光闸。该双面板系统将要求用于第二面板以及用于面板的相应驱动器的增加的机械复杂度以及对准。
再次参照图1，第一滤光器26以及第二滤光器24有利地并大大地提高了图像对比度，而在现有技术中是个显著的问题，因为在现有技术中，在恰在镜头之前的输出处不能有检偏器，在输出处不能有清理偏光器。第一与第二滤光器作为每个通道中的清理偏光器。在以下讨论的替换玻璃PBS的有关线栅PBS的可替换实施方式中，将就数字示例进一步讨论这些清理偏光器的作用。应该理解，在本发明的设想之内，可以使用附加的滤光器。例如，在PBS 14与PBS 16的界面之间的以及在PBS 18与PBS 20之间的滤光器(未显示)还可以进一步地提高对比度，并且清理来自另一不希望的偏振的照明。这些滤光器可以是染色类型或线栅偏光器。还应该注意，设置在从成像器反射出来的光中的滤光器或偏光器作为检偏器，其用来清理来自成像器(参看滤光器26或位于PBS 18与PBS 20之间的滤光器(未显示))的残余偏振。因为成像器是非完美的并且可能反射回椭圆偏振光而非线性光，所以当在光的成像路径中的PBS没有充分清理残余偏振时，此处所述的附加滤光器是适当的。
参照图2，可以用Moxtek公司生产的线栅偏振器(WGP)来制造光引擎结构或系统50。通过在玻璃基底上形成一系列间隔紧密的铝条来构成WGP。换言之，WGP由在玻璃基底上的铝线薄层构成，其形成了优越的PBS。与多种PBS一样，该格栅在透射正交偏振状态的光的同时反射一种偏振状态的光。这种与WGP的不平的(rugged)结构相结合的反射特性使能了投影系统中的许多新应用。WGP比玻璃PBS便宜。可以以片状形式或夹在其他部件之间来构造所示的WGP。对于线栅PBS，P偏振光的典型透射率为85％(蓝色通道，入射角45度)，从而15％的P偏振光从PBS上反射。系统50包括在照明的直接路径中的线栅偏振器52与第一成像器56，其中箭头51表示作为系统50的输入的非偏振光。第二成像器58接收全反射路径上的照明。对于直接路径，来自输入照明的0.852＝0.7225的P偏振光的到达第一成像器56。在黑状态下，第一成像器理想地反射所有光，并且在输出时，其在从系统中出去之前在WGP 52上反弹两次。因此，黑状态光吞吐量为0.852×0.152。对于白状态，第一成像器56将偏振旋转到S，然后因为对于S的一般反射系数为0.0033，所以白状态光吞吐量为0.852×0.99672，从而对比度最终为0.99672/0.152＝44∶1，其中通过将白状态光吞吐量除以黑状态光吞吐量来确定对比度。不幸地是，对比度比值非常低。对于其他通道，类似的计算给出一模一样的结果。对于低对比度的主要贡献因素是在两个线栅PBS上的P反射光，由虚线箭头表示。
本发明通过添加清理偏振器或滤光器54从而取消两个通道中的两个反射P偏振状态，提高了对比度。如果在染色偏振器表面上的辐照度不毁坏它们，则可以使用所述染料偏振器，但是最好使用线栅偏振器，例如Proflux牌的WGP。优选地，可以定向高透射率的WGP使得其刚好透射0.10％的P光，并且放置于两个通道中的P偏振光的第一反射之后。在这种情况下，黑电平下降至0.852×0.152×0.001，白状态至0.852×0.99672×0.835，其中0.835是对于白状态偏振，高透射率线栅偏振器的一般透射率。在这种情况下，对比度超过35000∶1。由此，没有清理偏振器或滤光器54，则由于黑状态中的P偏振光的高残余反射将导致对比度损失。使用清理偏振器，可以将对比度增大500-1000倍。图2中的实施方式中使用WGP也消除了使用图1实施方式中所使用的四分波片的必要性，其中在图1的实施方式中使用常规的玻璃PBS。还应该注意，具有分别在WGP 52与54上的线53与55的格栅最好应该如图2所示地定向。
参照图3，显示了增加液晶显示投影系统中的亮度的方法100的流程图。在步骤102，将非偏振光注入到系统内。可选地，在步骤103，可以用不同的信号来驱动第一成像器与第二成像器，以产生基于偏振的立体视觉。作为步骤104上的另一个可选项，可以在将非偏振光注入系统之前使非偏振光经过旋转的色轮。因此，在步骤105，从所注入的非偏振光中将P偏振光与S偏振光分离。在步骤106，将P偏振光导向第一成像器，并在为了杂散P偏振光过滤反射S偏振光之后，将从第一成像器反射的反射S偏振光导向投影镜头。如先前在图2中所示的，虚线箭头显示杂散P偏振光。在步骤108，在为了杂散P偏振光过滤S偏振光以及将从第二成像器反射的反射P偏振光导向投影镜头之后，将S偏振光导向第二成像器。这里，可以在步骤110组合从第一与第二成像器反射的光。如果图像被适当地调制，则可以组合第一与第二图像，以使用偏振提供立体图像。
参照图4与5，第一成像器22显示对应于针对观看者右眼的第一图像的信息。第二成像器20显示对应于针对观看者左眼的第二图像的信息。该结构导致导向右眼的S偏振光以及导向左眼的P偏振光。为了过滤会进入观看者右眼的任何不希望的P偏振光或者会进入观看者左眼的任何不希望的S偏振光，观看者将佩带偏振眼镜。偏振眼镜具有被定向为只有S偏振光会到达右眼的偏振器70，以及被定向为只有P偏振光会到达左眼的另一偏振器80。当然，应该理解，在本发明的设想之内，根据需要，通过逆转相应的偏振，可以同样地生成并观看立体图像。
应该理解可以在权利要求的范围之内，以无数种不同的其他构造来描述本发明，或者可以使用除了此处所述的LCOS微显示器之外的其他成像器。虽然结合此处所公开的实施方式描述了本发明，但应该理解以上描述意在说明，而不是限制权利要求所限定的本发明的范围。

Claims (19)

1.一种用于可以立体观看的画面的液晶显示投影系统(10)，包括：
用于提供重复三色光序列的装置；
第一与第二成像器(22，20)，对表示来自不同视角的同一画面的各自的驱动信号进行响应；
至少第一偏振光束分光器(14)，用来将所述重复三色光序列分割为P偏振三色光序列与S偏振三色光序列，所述S偏振三色光序列照亮所述第一成像器，并且所述P偏振三色光序列照亮所述第二成像器；
第一滤光器(26)，用来去除导向所述第一成像器的P偏振光；以及，
第二滤光器(24)，用来去除从所述第二成像器反射的P偏振光，
其中当通过相应的P与S偏振镜头观看时，所述从第一成像器反射的光以及所述由第二滤光器过滤的光形成立体图像。
2.根据权利要求1的系统，其中所述第一成像器与第二成像器为硅液晶(LCOS)显示设备。
3.根据权利要求1的系统，只包含所述第一与第二成像器。
4.根据权利要求1的系统，其中所述系统还包括投影镜头。
5.根据权利要求4的系统，其中所述至少第一偏振光束分光器(PBS)包括四个PBS，包括第一PBS、用来将从第一PBS分出的S偏振光导向第二成像器的第二PBS(18)、用来将从第一成像器反射的S偏振光导向第四PBS的第三PBS(16)，其中第四PBS(20)将从第一成像器反射的S偏振光以及从第二成像器反射的P偏振光导向所述投影镜头。
6.根据权利要求5的系统，其中所述系统还包括在所述第三PBS与第一成像器之间的第一四分波片(23)，以及在所述第二PBS与第二成像器之间的第二四分波片(21)。
7.根据权利要求4的系统，其中所述至少第一偏振光束分光器(PBS)包含线栅偏振器(52)。
8.根据权利要求3的系统，其中所述系统还包括在所述第一偏振光束分光器与非偏振光源之间放置的色轮。
9.根据权利要求1的系统，其中所述液晶显示投影系统还包括由设备观看者佩带的偏振眼镜(70)，其中所述偏振眼镜具有被定向为只允许S偏振光通过的右镜头偏振器(20)以及被定向为只允许P偏振光通过的左镜头偏振器(80)。
10.根据权利要求9的系统，其中所述通过右镜头偏振器的S偏振光对应于右图像，并且通过左镜头偏振器的P偏振光对应于左图像。
11.一种用来生成可以立体观看的画面的光引擎结构，包括：
仅仅第一与第二成像器(22，20)，对表示来自不同视角的同一画面的各自的驱动信号进行响应；
用于基本地分离P偏振光与S偏振光，并且将该P偏振光导向所述第一成像器以及将该S偏振光导向所述第二成像器的装置；
第一滤光器(26)，用来去除导向所述第一成像器的P偏振光；以及，
第二滤光器(24)，用来去除从所述第二成像器反射的P偏振光，
其中当通过相应的P与S偏振镜头观看时，所述从第一成像器反射的光以及所述由第二滤光器过滤的光形成立体图像。
12.根据权利要求11的光引擎结构，其中该结构还包括非偏振光源。
13.根据权利要求12的光引擎结构，其中所述用于分离的装置包括偏振光束分光器(PBS)。
14.根据权利要求13的光引擎结构，其中该结构还包括用于提供重复三色光序列的装置。
15.根据权利要求11的光引擎结构，其中所述分离装置包括线栅偏振器(52)。
16.根据权利要求11的光引擎结构，其中所述用于基本分离的装置包括四个偏振光束分光器(PBS)，包括第一PBS、用来将从第一PBS分出的S偏振光导向第二成像器的第二PBS(18)、用来将从第一成像器反射的S偏振光导向第四PBS(20)的第三PBS(16)，其中第四PBS将从第一成像器反射的S偏振光以及从第二成像器反射的P偏振光导向投影镜头。
17.一种生成可以立体观看的画面的方法，包括以下步骤：
将注入系统的重复三色光序列分离为P偏振三色光序列与S偏振三色光序列；
分离地但响应于同一驱动信号地反射调制所述S偏振三色光序列以及P偏振三色光序列；
在所述调制步骤之前，从所述S偏振光中去除杂散P偏振光；
在所述调制步骤之后，从反射的S偏振光中去除杂散P偏振光；以及，
用所述反射调制并过滤的光，照亮投影镜头(28)，其中当通过相应的P与S偏振镜头观看时，所述从第一成像器(22)反射的光以及所述由第二滤光器(20)过滤的光形成立体图像。
18.根据权利要求17的方法，还包括步骤：生成所述重复色光序列。
19.根据权利要求17的方法，还包括步骤：在所述调制步骤过程中，只反射调制两种偏振光。
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