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CN101408677A - 立体投影光学系统 - Google Patents

立体投影光学系统 Download PDF

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Abstract

一种立体投影光学系统，其包括沿光路依次设置的一个偏振光转换器，一个用于接收所述偏振光转换器的出射光的分时轮，其包括一个反射区，与一个透射区，所述偏振光转换器的出射光照射在分时轮的反射区和透射区中的一个区上，一个设置于分时轮的反射区和透射区中的一个区的出射光光路上的偏振转换元件，一个设置于分时轮与偏振转换元件的出射光路上的成像引擎。上述立体投影光学系统使用时可通过分时轮的旋转，为数字微镜元件交替输入不同偏振状态的光，从而使得观看者的左、右眼交替获得不同偏振状态的影像，当该输入信号的频率足够快时，观看者的左右眼分别戴上检偏方向相互垂直的两片偏振片，就可以观察到立体的图像信息。

Description

立体投影光学系统
技术领域
本发明关于一种投影光学系统，尤其是一种具有立体投影显示功能的立体投影光学系统。
背景技术
近年来，图像投影仪，尤其数字投影仪，作为向观众显示多种信息的工具已经逐渐流行。一般，这些投影仪用于将由计算机生成的图像投影到屏幕上。对观看者来说，图像投影仪投影的图像通常看起来是平面二维图像，除图像本身外无法显示任何图像景深信息。这种显示可以适用于显示多种信息。但是，在某些情况下，观看者希望能有比二维显示能够更大程度地显示图像的景深或结构特征的投影仪。
使二维显示的图像能给出图像景深的一种方式是通过立体地显示图像。立体图像，通常称为“三维”或“3D”图像，在观看者看来具有深度尺寸。这些图像包括分开的、叠合的左眼和右眼图像，这些图像设置成模仿人的左右眼观看时，由于人眼睛间隔引起的三维物体表面的微小差别，而具有的景深图像。左眼和右眼图像是这样显示的，即观看者的右眼看不到左眼图像，左眼看不到右眼图像。这种显示方式一般借助于观看者佩戴的光学滤光镜。
通常显示立体图像的方式是使用两个分开的图像投影系统分别来投影左眼图像和右眼图像。而这种系统在成功地用于形成立体图像的同时，系统的成本和重量则比单个投影仪的要高很多。而且，两个投影仪要求光学对准相对困难并比较费时。还有，由于这两个系统的重量和体积，使这种系统在两个位置之间移动起来特别困难，还有存在潜在的图像对准的问题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种单个的能够投影立体图像的立体投影光学系统。
一种立体投影光学系统，其包括沿光路依次设置的：
一个偏振光转换器，用于将入射光转换成偏振状态单一的出射光；
一个用于接收所述偏振光转换器的出射光的分时轮，其包括一个反射所述偏振光转换器的出射光的反射区，与一个透射所述偏振光转换器的出射光的透射区，所述偏振光转换器的出射光照射在分时轮的反射区和透射区中的一个区上；
一个偏振转换元件，设置于分时轮的反射区和透射区中的一个区的出射光的光路上；
一个成像引擎，设置于分时轮与偏振转换元件的出射光路上，用于为该成像引擎的入射光加载图像信息，并发射加载有图像信息的出射光。
上述立体投影光学系统使用时可通过分时轮的旋转，为数字微镜元件交替输入不同偏振状态的光，从而使得观看者的左、右眼交替获得不同偏振状态的影像，当该输入信号的频率足够快时，观看者的左右眼分别戴上检偏方向相互垂直的两片偏振片，就可以观察到立体的图像信息。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的立体投影光学系统在光照射在分时轮的反射区的结构示意图；
图2是图1的立体投影光学系统在光照射在分时轮的透射区的结构示意图；
图3是在图1的立体投影光学系统设置有多个偏振片的结构示意图；
图4是本发明第二实施例提供的立体投影光学系统在光照射在分时轮的反射区的结构示意图；
图5是图4的立体投影光学系统在光照射在分时轮的透射区的结构示意图；
具体实施方式
为了对本发明作更进一步的说明，举以下较佳实施例并配合附图详细描述如下。
请参阅图1和图2，为本发明第一实施例提供的一种立体投影系统100的结构示意图。该立体投影系统100包括沿光路依次设置的一个光源组件11，一个设置于光源组件11的出射光的偏振光转换器12，一个用于接收所述偏振光转换器的出射光的分时轮13，一个设置于分时轮13的一条出射光光路上的偏振转换元件16，分别设置于所述分时轮13的出射光光路上的第一、第二反射装置14、15，一个设置于所述第一、第二反射装置14、15出射光的光路上的偏振分束器17，一个设置于偏振分束器17出射光路上的全内反射棱镜18，一个设置于全内反射棱镜18反射光的光路上的数字微镜元件19以及一个投影镜头20。
需要说明的是，在本实施例中，由所述偏振分束器17，全内反射棱镜18以及数字微镜元件19，一起组成了一个成像引擎，其发射出加载有图像信息的光。
所述光源组件11包括依光路设置的一个照明光源111、一个色轮112以及一个积分器113。所述照明光源111发射包括显示彩色图像所需的红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)的白光。该光源11可以为卤素灯、金属卤化物灯、氙灯或LED等。在本实施例中，该光源11为卤素灯。所述色轮112包括红、绿、蓝三色区，其可在电机(图未示)的带动下高速旋转，以给投影光路配以各种色彩。所述积分器113用来均匀化和有效地使用光源11发出的光。
所述偏振转换器(P-S Converter)12的结构为在平板玻璃上用真空蒸镀的方法镀上宽带增透膜和介质增反膜，用刻蚀方法形成超细金属线栅的反射膜图案。当该超细金属膜线栅的周期小于光波长的二分之一时，由于光的电磁波效应，只有与该线栅方向垂直的偏振光分量能无阻碍地透过该线栅，而与该线栅方向平行的偏振光分量则被反射回去。最后再在该超细金属膜线栅基片的另一面均镀上增透膜，并与另一片镀有增透膜的相位波片组装在一起，以反射与线栅方向平行的偏振光，从而构成该偏振转换器12。当从光源组件11入射到该偏振转换器12后，该偏振转换器12可以将非偏振光转换为单一偏振状态的出射光，即S偏振光或P偏振光，在本实施例中，该偏振转换器12输出单一偏振状态的S偏振光。
所述分时轮13设置于所述偏振转换器12出射光的光路上，用于周期性地透射所述S偏振光或反射S偏振光。所述分时轮13的结构为将一个透明基底分成两个区，其中一个镀上对光反射的反射膜，而在另一个区上镀上可让光穿透的透射膜或者不镀任何膜。该分时轮13可以在一电机(图未示)的带动下以固定频率旋转，而且其频率是可调的。在本实施例中，所述分时轮13包括一个反射所述偏振转换器12的出射光的反射区131，与一个透射所述偏振转换器12的出射光的透射区132。偏振转换器12出射的S偏振光在同一时间只照射在反射区131和透射区132的其中一个区上。当S偏振光照射在反射区131上时，该S偏振光被反射出去，如图1所示。当该S偏振光照射在透射区132上时，S透射过该分时轮13，如图2所示。在该分时轮13以一定频率旋转时，该S偏振光便交替被所述分时轮13反射或透射出去。
所述第一、第二反射装置14、15可以为一种反射镜，分别设置于所述所述分时轮13反射或透射出去的光的光路上，用于改变分时轮13出射的S偏振光的光路，以将该分时轮13的出射光耦合到偏振分束器17中。
所述偏振分束器17用于将来自分时轮13的出射光复合成一个方向的光束。该偏振分束器17可以为金属栅格型检偏器(Wire Grid Polarizer，简称WGP检偏器)，也可以为偏振分光棱镜，在本实施例中，该偏振分束器17为偏振分光棱镜。该偏振分束器17根据对S偏振光和P偏振光的作用不同，可以分为反射S偏振光而透过P偏振光，与透过S偏振光而反射P偏振光两种形式。在本实施例中，所述偏振分束器17反射S偏振光，而可以让P偏振光透过。
所述偏振转换元件16设置于所述偏振分束器17与分时轮13之间的一条光路上，用于将分时轮13反射的S偏振光或透射的S偏振光转换为P偏振光。在本实施例中，该偏振转换元件16设置于分时轮13反射的S偏振光的光路上以将该S偏振光转换为P偏振光。
所述全内反射棱镜(Total Internal Reflection Prism，TIR)18用玻璃或透明树脂制成，利用光的全反射原理，使入射光在一定入射角度范围内全部反射，而在其它入射角度范围内，入射光将透过该全内反射棱镜18。该全内反射棱镜18设置于偏振分束器17的出射光的光路上，其将偏振分束器17的出射的S偏振光或P偏振光耦合到数字微镜元件19上。
所述数字微镜元件(Digital Mirror Device，DMD)19是用硅作基底，并用大规模集成电路技术在硅片基底上制出多个存储器，每个存储器有两条寻址电极(AddressingElectrodes)和两个搭接电极(Landing Electrodes)。再在基底上设置两个支撑柱，通过臂梁铰链(torsion Hinge)安装一个微形反射镜，从而形成一个微镜单元。工作时，由视频信号驱动，并根据入射光与光学系统光轴的夹角，利用两寻址电极的差动电压使反射镜绕臂梁旋转直到触及搭接电极，从而决定一个微镜单元的开关，以加载图像信息。该数字微镜元件19设置于全内反射棱镜18的反射光的光路上。经数字微镜元件19加载有图像信息后，所述S偏振光或P偏振光透射过该全内反射棱镜18到达投影镜头20。
所述投影镜头20设置于所述全内反射棱镜18的出射光路上，用于将出射光所形成的图像放大，并将放大的图像投影到屏幕(图未示)上。
可以理解的是，为了进一步提高系统的对比度，还可以在上述的立体投影光学系统中加入多个检偏器201，该检偏器201可以为一个偏光片。如图3所示，该检偏器201可以让一定偏振方向的光通过，而吸收其它偏振方向的光，例如让P偏振光通过，而吸收S偏振光或者让S偏振光通过，而吸收P偏振光。该多个检偏器201的具体的放置位置可以为沿光路的偏振分束器17和第一或/与第二反射装置14、15之间；第一或/与第二反射装置14、15与分时轮13之间。在本实施例中在第一、第二反射装置14、15与偏振分束器17之间设置有检偏器201。
图4及图5为本发明第二实施例提供的立体投影光学系统200的结构示意图。该立体投影光学系统200包括沿光路依次设置的一个光源组件21，一个设置于光源组件21的出射光的偏振光转换器22，一个用于接收所述偏振光转换器的出射光的分时轮23，一个设置于分时轮23的一条出射光光路上的偏振转换元件24，分别设置于所述分时轮23出射光的光路上的第一数字微镜元件25和第二数字微镜元件26各一个，分别设置于第一、第二数字微镜元件25、26与分时轮23的光路之间的全内反射棱镜27、28各一个，两个分别设置于全内反射棱镜27、28与分时轮23之间的反射装置31，一个设置于第一、第二数字微镜元件25、26的出射光路上的光复合器29以及一个设置于所述光复合器29的出射光路上的投影镜头30。
第一实施例与第二实施例的不同在于成像引擎的组成部分不同。在该第二实施例中，由所述第一、第二数字微镜元件25、26，第一、第二全内反射棱镜27、28以及光复合器29一起组成了成像引擎，其发射出加载有图像信息的光。
所述光源组件21，偏振光转换器22，分时轮23，偏振转换元件24以及反射装置31的结构、工作原理以及光的传播路径与第一实施例相同，以此不再赘述。
所述第一、第二数字微镜元件25、26的结构及工作原理与第一实施例的数字微镜元件19相同，以此也不再赘述。该第一数字微镜元件25设置于分时轮23反射的S偏振光的光路上，并发射加载有图像信息的S偏振光，如图4所示。所述第二数字微镜元件26设置于分时轮13透射的并经偏振转换元件24转换后的P偏振光的光路上，同第一数字微镜元件25，发射加载有图像信息的P偏振光，如图5所示。
所述第一全内反射棱镜27设置于第一数字微镜元件25与分时轮23的光路之间，以将分时轮23反射的S偏振光耦合到第一数字微镜元件25上，并且使第一数字微镜元件13发射的加载有图像信息的S偏振光透射过该第一全内反射棱镜27到达光复合器29。
同理，第二全内反射镜28设置于第二数字微镜元件26与分时轮23的光路之间，以将分时轮23透射的并经偏振转换元件24转换后的P偏振光耦合到第二数字微镜元件26上，并且使第二数字微镜元件26发射的加载有图像信息的P偏振光透射过该第二全内反射棱镜28到达光复合器29。
所述光复合器29可以为一个偏振分束器或者为一个合光棱镜(X-Prism)。在本实施例中，该光复合器29为一个偏振分束器，用于将第一、第二数字微镜元件25、26发射的加载有图像信息的S偏振光和P偏振光组合形成投影光束。该偏振分束器反射S偏振光而透射P偏振光。当然，可以想到的是，该偏振分束器还可以是反射P偏振光而透射S偏振光。
所述投影镜头30设置于所述光复合器29的出射光路上，用于将出射光所形成的图像放大，并将放大的图像投影到屏幕(图未示)上。
同理，为了进一步提高系统的对比度，还可以在第二实施例的立体投影光学系统200中加入多个偏振片(图未示)，设置位置与第一实施例相同。
上述立体投影光学系统使用时可通过分时轮的旋转，为数字微镜元件交替输入不同偏振状态的光，从而使得观看者的左、右眼交替获得不同偏振状态的影像，当该输入信号的频率足够快时，观看者的左右眼分别戴上检偏方向相互垂直的两片偏振片，就可以观察到立体的图像信息。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，只要其不偏离本发明的技术效果，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种立体投影光学系统，其特征在于，其包括沿光路依次设置的
一个偏振光转换器，用于将入射光转换成偏振状态单一的出射光；
一个用于接收所述偏振光转换器的出射光的分时轮，其包括一个反射所述偏振光转换器的出射光的反射区，与一个透射所述偏振光转换器的出射光的透射区，所述偏振光转换器的出射光照射在分时轮的反射区和透射区中的一个区上；
一个偏振转换元件，设置于分时轮的反射区和透射区中的一个区的出射光的光路上；
一个成像引擎，设置于分时轮与偏振转换元件的出射光路上，用于为该成像引擎的入射光加载图像信息，并发射加载有图像信息的出射光。
2.如权利要求1所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述成像引擎包括一个偏振分束器，设置于所述分时轮的出射光的光路上，用于将分时轮的出射光耦合成一个出射方向的出射光；一个数字微镜元件，设置于所述偏振分束器的出射光的光路上；一个全内反射棱镜，设置于所述偏振分束器与数字微镜元件的光路之间，用于将偏振分束器的出射光反射到该数字微镜元件上，并数字微镜元件发出的光穿过该全内反射棱镜而发射出去。
3.如权利要求2所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述偏振分束器为金属栅格型偏振片和偏振分光棱镜中的一种。
4.如权利要求2所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述立体投影光学系统还包括多个检偏器，该多个检偏器分别设置于偏振分束器与分时轮之间。
5.如权利要求1所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述成像引擎包括一个第一数字微镜元件，设置于所述分时轮的反射区的出射光的光路上；一个第二数字微镜元件，设置于所述分时轮的透射区的出射光的光路上；一个第一全内反射棱镜，设置于所述分时轮与第一数字微镜元件的光路之间，用于将分时轮的反射区出射的出射光反射到第一数字微镜元件上，并第一数字微镜元件发出的光穿过该第一全内反射棱镜而发射出去；一个第二全内反射棱镜，设置于所述分时轮与第二数字微镜元件的光路之间，用于将分时轮的透射区出射的出射光反射到第二数字微镜元件上，并第二数字微镜元件发出的光穿过该第二全内反射棱镜而发射出去；一个光复合器，设置于所述第一、第二数字微镜元件的出射光的光路上，用于将来自第一、第二全内反射棱镜的入射光组合起来，形成投影光束。
6.如权利要求5所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述光复合器为合光棱镜。
7.如权利要求6所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述光复合器为偏振分束器。
8.如权利要求6所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述偏振分束器为金属栅格型偏振片和偏振分光棱镜中的一种。
9.如权利要求5所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述立体投影光学系统还包括多个检偏器，该多个检偏器分别设置于偏振分束器与第一、第二数字微镜元件以及第一、第二数字微镜元件与光复合器之间，用于滤除所述偏振分束器及第一、第二数字微镜元件的出射光中的杂光。
10.如权利要求2或7所述的立体投影光学系统，其特征在于：所述偏振分束器的出射光包括偏振状态互相垂直的第一偏振光和第二偏振光。
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