CN201637937U - 一种新型的三维投影装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种新型彩色投影显示装置，并可以实现三维立体显示。该装置包括LED光源、两个偏振分光棱镜、两个反射式微显示芯片和投影物镜。本实用新型的装置采用两个偏振分光棱镜允许入射到反射式微显示芯片以及从反射式微显示芯片反射的成像光线均可经过偏振分光膜，因而大大提高了工作光的消光比，从而有效提高了投影图像的对比度，改善了像质。更重要的是比起现有的采用四个偏振分光棱镜的三维投影装置，采用两个偏振分光棱镜明显地降低了制造成本和工艺难度，有利于规模化生产。通过控制输入到显示芯片的图像信息，在该投影显示装置中可以实现三维和二维显示的切换。

Description

一种新型的三维投影装置

技术领域

本实用新型涉及彩色投影显示装置，特别是一种新型三维/二维可切换的彩色投影显示装置。

背景技术

近年来，针对高清晰度电视(HDTV)的应用，发展起了许多新型的显示技术，如：等离子体(PDP)显示技术、薄膜晶体管LCD(TFT-LCD)显示技术、数字微镜显示(DMD)技术、以及硅基液晶(LCoS)显示技术等等。中国专利No.01113471.2和No.02217356.0提出了一种单芯片彩色显示的新方案，其中，将LCoS技术与光学薄膜微滤光片技术结合在一起，组成彩色LCoS器件，该器件具有分辨率高、成本低、光学效率高、图像质量好、容易实现大规模生产等优点。

但是这些现实技术均为平面显示技术，不具有三维立体视觉效果。对显示技术发展的进一步要求是研制出具有立体视觉效果的显示装置来。为此，世界上有许多科研人员对此展开了研究。现今应用较多的一种彩色投影显示装置采用两片LCoS芯片和四个常规的偏振分光棱镜按“米”字型排列结合而成，各偏振分光棱镜相结合的交界面之间插入二分之一波片或偏振片，该装置可实现二维图像和三维图像的切换。但是这种装置中偏振分光棱镜数量较多(四个)，结构复杂，增加了制备工艺的难度并且生产成本较高。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种新型结构的三维立体彩色投影显示装置，

它具有结构简单、图像质量好、成本低等特点。

为了实现所述目的，本实用新型通过如下技术方案来实现：

本实用新型的三维投影装置包括：

(1)光源；

(2)第一偏振分光装置，接收光源发出的光，并将入射的光分离为偏振方向相互垂直、且出射方向不同的两束线偏振光；

(3)偏振光调制合成装置，用于对所述两束线偏振光分别进行调制并合成为一束成像光束，其中包括两个反射式微显示芯片和第二个偏振分光装置，所述偏振光调制合成装置位于所述两束线偏振光的出射位置处，其中所述两个反射式微显示芯片能根据输入其中各自的图像信息分别对所述两束线偏振光进行调制加入图像信息，所述经过调制的两束线偏振光最终进入第二偏振分光装置中，并在第二偏振分光装置中合成为一束成像光束；

(4)投影物镜，用于接收来自偏振光调制合成装置的成像光束，并将之投影成像。

优选的，本实用新型的三维投影装置中，所述偏振光调制合成装置中仅包括一个偏振分光装置。

根据本实用新型的一个具体实施方式中，所述偏振光调制合成装置中的两个反射式微显示芯片分别位于第一偏振分光装置分离出的两束线偏振光的出光位置处，并与光线成45°。

根据本实用新型的另一个具体实施方式中，所述偏振光调制合成装置中还包括两个能将入射偏振光的偏振方向旋转90°的反射镜，第一反射镜位于第一偏振分光装置分离出的两束线偏振光中的S偏振光的出光位置处，用于将该偏振光按原方向反射回第一偏振光分光装置中，所述两个反射式微显示芯片中的第一个反射式微显示芯片位于第一偏振分光装置的与第一反射镜相对的另一边，并且平行于该第一反射镜；第二偏振分光装置位于第一偏振分光装置分离出的两束线偏振光中的P偏振光的出光位置处，第二反射镜位于第二偏振分光装置的P偏振光的出光处，用于将P偏振光转换为S偏振光并将该偏振光按原方向反射回第二偏振光分光装置中，所述两个反射式微显示芯片中的第二个反射式微显示芯片位于第二偏振分光装置的该S偏振光的出光位置处，用于调制该S偏振光并将其按原方向反射回第二偏振分光装置。

优选的，本实用新型的三维投影装置中使用的光源为LED光源。更优选的，其中LED光源可为单一白色光源，或者为由红、蓝、绿三色LED芯片组组成的光源。

优选的，本实用新型的三维投影装置中，所述第一偏振分光装置和第二偏振分光装置可以为但不限于反射式偏振片、线栅偏振分光片和偏振分光棱镜(PBS)。

优选的，本实用新型的三维投影装置中，所述反射式微显示芯片还带有彩色滤光阵列。

优选的，本实用新型的三维投影装置中，所述反射式微显示芯片的表面贴有四分之一波片或偏振片。

本实用新型的三维投影装置中所使用的反射式微显示芯片可以为但不限于微机械反射镜片阵列、硅基液晶微显示器。

优选的，本实用新型的三维投影装置中，在所述第一偏振分光装置的线偏振光出射面和第二偏振分光装置的入射面处设置有半波片或偏振方向与穿过它的线偏振光的偏振方向平行的偏振片。

优选的，本实用新型的三维投影装置中，除了必要的光学元件以满足投影显示外，还包括位置调节机构，以调节所述两片硅基液晶微显示芯片的位置使得所述微显示芯片的对应象素的成像位置重合或有一定角度。

根据本实用新型的一个实施方式，所述三维投影装置包括LED光源、偏振分光装置(两个)，反射式微显示芯片(两片)，投影物镜。其中，所述偏振分光装置可以为偏振分光棱镜PBS，所述反射式微显示芯片，可以是硅基液晶反射式彩色微显示芯片带有微型分色滤光膜阵列。所述一个偏振分光棱镜的作用是将入射的照明光分成偏振方向相互垂直的两束线偏振光，一束振动方向与入射面平行(P偏振光)另一束与入射面垂直(S偏振光)，并使其从不同的位置出射。所述反射式微显示芯片分别位于P偏振光和S偏振光的出射位置处并与光线成45°角，根据输入其中各自的图像信息分别对所述两束线偏振光进行调制，并将调制得到的两束出射线偏振光投射至第二个偏振分光棱镜中，其中被调制后的两束线偏振光分别相对于其原来的偏振方向旋转了90°。第二个偏振分光棱镜作用于被调制后的两束光，并将两束光合成为一束成像光束并投射到投影物镜上。投影物镜用来接收来自偏振分光棱镜组的成像光束，并将之投影成像。

当所述两片反射式微显示芯片的输入图像对应不同的视角时，本投影显示装置可以实现三维彩色投影显示。当所述两片反射式微显示芯片的输入图像相同时，则可以实现二维彩色投影显示；并且当所述反射式微显示芯片为带有微型分色滤光片阵列的硅基液晶LCoS时，两片显示芯片可以具有相同或不同的基色。当两片微型分色滤光片阵列分别具有三种不同的基色时，就可以实现二维六基色的投影显示。

此外，通过在偏振分光棱镜面上加入半波片、偏振方向与穿过它的线偏振光的偏振方向平行的偏振片等，或者在微显示芯片表面上贴上四分之一波片还可以进一步提高图像的对比度，从而改善像质。

由于现有的常规偏振分光棱镜，其透射光的消光比(可大于1000∶1)远远大于其反射光的消光比(约几十比一)，若使从一个偏振分光棱镜出射的透射光和反射光直接进入投影物镜，将会造成图像对比度的下降。本实用新型的装置采用两个偏振分光棱镜允许入射到反射式微显示芯片以及从反射式微显示芯片反射的成像光线均经过了偏振分光膜(一次反射和一次透射)，因而大大提高了消光比，从而有效提高了投影图像的对比度，改善了像质。更重要的是比起现有的采用四个偏振分光棱镜的投影装置，采用两个偏振分光棱镜明显地降低了制造成本和工艺难度，有利于规模化生产。本装置中两个反射式微显示芯片分别投射偏振方向相互正交的线偏振光以在投影物镜上形成图像。当输入至两个显示芯片的图像对应于不同的视角时，投影显示装置可以显示三维立体图像。当输入到两个显示芯片的图像相同时，投影显示装置可以实现显示二维平面图像。通过控制输入到显示芯片的图像信息，在该投影显示装置中可以实现三维和二维显示的切换。

本实用新型具有如下有益效果：与背景技术相比，本实用新型采用两个偏振分光棱镜取代了现有的四个偏振分光棱镜，且达到了同样的成像质量，大大降低了工艺难度和生产成本；本投影装置相对背景技术来说，体积更小。

附图说明

图1为本实用新型的一个实施例的示意图。

图2为本实用新型的另一个实施例示意图。

图3为本实用新型的另一个实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细阐述本实用新型，但描述并不限制本实用新型的内容。

图1是本实用新型的三维/二维可切换的彩色投影显示装置的一个实施例。该彩色投影显示装置包括LED光源1、第一偏振分光镜21(PBS1)和第二偏振分光镜22(PBS2)、第一硅基液晶反射式彩色微显示芯片31(LCoS1)和第二硅基液晶反射式彩色微显示芯片32(LCoS2)、以及投影物镜2。两片硅基液晶反射式彩色微显示芯片可以是中国专利No.01113471.2和No.02217356.0中所描述的带有微型分色滤光片的硅基液晶反射式彩色微显示芯片。两片硅基液晶反射式微显示芯片31、32分别与从第一偏振分光棱镜31(PBS1)出射的S线偏振光束和P线偏振光束成45°角，可以分别输入相应于不同视角的立体图像信息。

当从LED光源1发射的自然光(S+P)入射到第一偏振分光镜21上时，光在偏振分光膜处发生反射和折射，S方向线偏振光被反射而P方向线偏振光直接透过，则一束光被分成两束偏振方向相互正交的P线偏振光和S线偏振光，分别照射到第一硅基液晶反射式彩色微显示芯片31(LCoS1)和第二硅基液晶反射式彩色微显示芯片32(LCoS2)上。入射到第一硅基液晶反射式彩色微显示芯片31(LCoS1)和第二硅基液晶反射式彩色微显示芯片32(LCoS2)上的线偏振光被该芯片调制后，部分带有彩色图像信息的线偏振光被反射，其偏振方向转变90°，从而分别获得S线偏振光和P线偏振光。被调制后的光线S线偏振光和P线偏振光分别通过偏振分光棱镜2(PBS2)，此时S线偏振光被偏振分光膜反射，P线偏振光透过偏振分光膜，从而合成一束光线6。投影物镜将光线6放大成像，用作投影显示用。这样，投影图像的一部分光是来自第一硅基液晶反射式彩色微显示芯片31上的S偏振光图像，而另一部分光是来自第二硅基液晶反射式彩色微显示芯片32上的P偏振光图像。

如果观看者戴上偏振方向相互垂直的偏振片眼镜，则观看者的两只眼睛就分别只能看到S偏振光图像和P偏振光图像。在两片LCoS芯片输入的是对应于不同视角的立体图像的情况下，观看者的两只眼睛就可以看到不同视角的图像，从而可以形成立体视觉。

当两片LCoS芯片上的图像信息完全相同的时候，可以通过位置调节机构(未画出)来调整两片LCoS芯片的相对位置，使得两芯片对应象素的投影图像完全重合。当然，LCoS芯片的位置也可以设为固定的，这在最初组装时应保证两芯片的对应象素的投影图像能够重合。此时，观看者不必带眼镜就可以观看到该二维平面显示图像。两片LCOS芯片可以使显示的色彩的色阶灰度更丰富，如其中一片具有红、绿、蓝三基色的微型分色滤光片阵列而另一片具有青、黄、品红三基色在滤光片阵列，则可以构成一个六基色的彩色显示系统，使得显示的图像具有更宽的色度范围，可以呈现出更丰富逼真的色彩来。

由于现有的常规偏振分光膜，其透射光和反射光的消光比是不同的，如通常其透射光的消光比(可大于1000∶1)远远大于其反射光的消光比(约几十比一)，不能保证良好的图像对比度。为解决这个问题一般的装置是采用四个PBS和四片半波片来平衡两路成像光束使得合成后的投影光束总体上的消光比达到最佳，以提高图像的对比度。但这种投影显示装置结构复杂，增加了制备的难度。由于本投影显示装置使用了两个偏振分光棱镜，结构简单因而能降低生产成本和生产难度。

常规PBS透射光和反射光消光比的不同造成从PBS1出射的不是纯的P线偏振光(S线偏振光)，而含有少量的S偏振光(P偏振光)；另外，投射到LCoS芯片上的照明光，一大部分被芯片调制后改变了偏振方向用作投影显示，但是还有一小部分(包括被LCoS芯片反射的光和没有被液晶改变偏振方向的光)没有改变偏振方向，这种少量的S偏振光(P偏振光)和没有改变偏振方向的光会对成像造成干扰，使图像的对比度下降，所以图1的装置还可以做进一步的改善。

图2为本实用新型的二维/三维可切换彩色投影显示装置的一个进一步改进的实施例。其中，在PBS1的P方向和S方向的线偏振光的出口位置处和PBS2的P方向和S方向偏振光的入射处分别加上了半波片或偏振片，其作用为滤掉干扰光，从而提高图像的对比度，改善成像质量。

另外，还可以通过在两个LCoS芯片的前表面贴上四分之一波片，来有效的解决在有一定锥度角光线入射时引起的对比度下降的问题。(参见美国专利US5,327,270)。

图3为本实用新型的二维/三维可切换彩色投影显示装置的另一个实施例。该彩色投影显示装置包括LED光源1、第一偏振分光棱镜21(PBS1)和第二偏振分光棱镜22(PBS2)、第一硅基液晶反射式彩色微显示芯片31(LCoS1)和第二硅基液晶反射式彩色微显示芯片32(LCoS2)、第一反射镜41和第二反射镜42以及投影物镜2。两片硅基液晶反射式彩色微显示芯片可以是中国专利No.01113471.2和No.02217356.0中所描述的带有微型分色滤光片的硅基液晶反射式彩色微显示芯片。

当从LED光源1发射的自然光(S+P)入射到第一偏振分光棱镜21上时，光在偏振分光膜处发生反射和折射，S方向线偏振光被反射而P方向线偏振光直接透过，则一束光被分成两束偏振方向相互正交的S线偏振光51和P线偏振光61，其中S线偏振光51照射到第一反射镜41上，第一反射镜41将S线偏振光51的偏振方向旋转90°变成P线偏振光，按入射方向反射回第一偏振分光棱镜21内，并透过第一偏振分光棱镜21的偏振分光膜照射到第一硅基液晶反射式彩色微显示芯片31(LCoS1)上，第一硅基液晶反射式彩色微显示芯片31(LCoS1)对该P线偏振光调制后，部分带有彩色图像信息的偏振光被反射，其偏振方向转变90°，从而获得S线偏振光，S线偏振光按原入射方向被反射回第一偏振分光棱镜21内，经过偏振分光膜的反射后进入第二偏振分光棱镜22(PBS2)，再经过第二偏振分光棱镜22的偏振分光膜的反射变成S线偏振光52。

P线偏振光61透过第二偏振分光棱镜22照射到第二反射镜42上，第二反射镜42将P线偏振光61的偏振方向旋转90°变成S线偏振光，并按原方向反射回第二偏振分光棱镜22，第二偏振分光棱镜的偏振分光膜对其反射后照射到第二硅基液晶反射式彩色微显示芯片32(LCoS2)上，第二硅基液晶反射式彩色微显示芯片32(LCoS2)对S线偏振光调制后，部分带有彩色图像信息的偏振光被反射，其偏振方向转变90°，从而分别获得P线偏振光62。P线偏振光62按与原入射方向相反的方向反射回第二偏振分光棱镜22内，并透过第二偏振分光棱镜22并与S线偏振光52合成为一束成像光束并投射到投影物镜2上。投影物镜2用来接收来自偏振分光棱镜组的成像光束，并将之投影成像。

作为图3所示实施例的进一步改进，其中可以在第一反射镜41和第二反射镜42上贴有1/4波片，来有效的解决在有一定锥度角光线入射时引起的对比度下降的问题。

Claims (10)

1.一种三维投影装置，包括光源和投影物镜，其特征在于还包括：

(1)第一偏振分光装置，接收光源发出的光，并将入射的光分离为偏振方向相互垂直、且出射方向不同的两束线偏振光；

(2)偏振光调制合成装置，用于对所述两束线偏振光分别进行调制并合成为一束成像光束，其中包括两个反射式微显示芯片和第二个偏振分光装置，所述偏振光调制合成装置位于所述两束线偏振光的出射位置处，其中所述两个反射式微显示芯片能根据输入其中各自的图像信息分别对所述两束线偏振光进行调制加入图像信息，所述经过调制的两束线偏振光最终进入第二偏振分光装置中，并在第二偏振分光装置中合成为一束成像光束；所述投影物镜用于接收来自偏振光调制合成装置的成像光束，并将之投影成像。

2.根据权利要求1所述的三维投影装置，其特征在于，所述偏振光调制合成装置中仅包括一个偏振分光装置。

3.根据权利要求2所述的三维投影装置，其特征在于，所述偏振光调制合成装置中的两个反射式微显示芯片分别位于第一偏振分光装置分离出的两束线偏振光的出光位置处，并与分别与入射的线偏振光成45°。

4.根据权利要求2所述的三维投影装置，其特征在于，所述偏振光调制合成装置中还包括两个能将入射偏振光的偏振方向旋转90°的反射镜，第一反射镜位于第一偏振分光装置分离出的两束线偏振光中的S偏振光的出光位置处，用于将该偏振光按原方向反射回第一偏振光分光装置中，所述两个反射式微显示芯片中的第一个反射式微显示芯片位于第一偏振分光装置的与第一反射镜相对的另一边，并且平行于该第一反射镜；第二偏振分光装置位于第一偏振分光装置分离出的两束线偏振光中的P偏振光的出光位置处，第二反射镜位于第二偏振分光装置的该P偏振光的出光处，用于将P偏振光转换为S偏振光并将该偏振光按原方向反射回第二偏振光分光装置中，所述两个反射式微显示芯片中的第二个反射式微显示芯片位于第二偏振分光装置的该S偏振光的出光位置处，用于调制该S偏振光并将其按原方向反射回第二偏振分光装置。

5.根据权利要求1-4中任一所述的三维投影装置，其特征在于所述光源为LED光源，且所述LED光源为白色单色光源或者为由红、蓝、绿三色LED芯片组组成的光源。

6.根据权利要求1-4中任一所述的三维投影装置，其特征在于所述第一偏振分光装置和第二偏振分光装置分别为一反射式偏振片、线栅偏振分光片或偏振分光棱镜。

7.根据权利要求1-4中任一所述的三维投影装置，其特征在于所述反射式微显示芯片还可带有彩色滤光阵列。

8.根据权利要求1-4中任一所述的三维投影装置，其特征在于所述反射式微显示芯片的表面可贴有四分之一波片或偏振片。

9.根据权利要求1-4中任一所述的三维投影装置，其特征在于所述反射式微显示芯片选自于微机械反射镜片阵列和硅基液晶微显示器。

10.根据权利要求1-4中任一所述的三维投影装置，其特征在于所述第一偏振分光装置的线偏振光出射面和第二偏振分光装置的线偏振光的入射面处设置有半波片或偏振方向与穿过它的线偏振光的偏振方向平行的偏振片。

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