專(zhuān)利名稱(chēng)：立體投影光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種投影光學(xué)系統(tǒng)，尤其是一種具有立體投影顯示功能的立體投影光學(xué)系統(tǒng) 背景技術(shù)近年來(lái)，圖像投影儀，尤其數(shù)字投影儀，作為向觀眾顯示多種信息的工具已經(jīng)逐漸流行 。 一般，這些投影儀用于將由計(jì)算機(jī)生成的圖像投影到屏幕上。對(duì)觀看者來(lái)說(shuō)，圖像投影儀 投影的圖像通?？雌饋?lái)是平面二維圖像，除圖像本身外無(wú)法顯示任何圖像景深信息。這種顯 示可以適用于顯示多種信息。但是，在某些情況下，觀看者希望能有比二維顯示能夠更大程 度地顯示圖像的景深或結(jié)構(gòu)特征的投影儀。使二維顯示的圖像能給出圖像景深的一種方式是通過(guò)立體地顯示圖像。立體圖像，通常 稱(chēng)為"三維"或"3D"圖像，在觀看者看來(lái)具有深度尺寸。這些圖像包括分開(kāi)的、疊合的左 眼和右眼圖像，這些圖像設(shè)置成模仿人的左右眼觀看時(shí)，由于人眼睛間隔引起的三維物體表 面的微小差別，而具有的景深圖像。左眼和右眼圖像是這樣顯示的，即觀看者的右眼看不到 左眼圖像，左眼看不到右眼圖像。這種顯示方式一般借助于觀看者佩戴的光學(xué)濾光鏡。通常顯示立體圖像的方式是使用兩個(gè)分開(kāi)的圖像投影系統(tǒng)分別來(lái)投影左眼圖像和右眼圖 像。而這種系統(tǒng)在成功地用于形成立體圖像的同時(shí)，系統(tǒng)的成本和重量則比單個(gè)投影儀的要 高很多。而且，兩個(gè)投影儀要求光學(xué)對(duì)準(zhǔn)相對(duì)困難并比較費(fèi)時(shí)。還有，由于這兩個(gè)系統(tǒng)的重 量和體積，使這種系統(tǒng)在兩個(gè)位置之間移動(dòng)起來(lái)特別困難，還有存在潛在的圖像對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，有必要提供一種單個(gè)的能夠投影立體圖像的立體投影光學(xué)系統(tǒng)。 一種立體投影光學(xué)系統(tǒng)，其包括沿光路依次設(shè)置的 一個(gè)偏振光轉(zhuǎn)換器，用于將入射光轉(zhuǎn)換成偏振狀態(tài)單一的出射光；一個(gè)用于接收所述偏振光轉(zhuǎn)換器的出射光的分時(shí)輪，其包括一個(gè)反射所述偏振光轉(zhuǎn)換器 的出射光的反射區(qū)，與一個(gè)透射所述偏振光轉(zhuǎn)換器的出射光的透射區(qū)，所述偏振光轉(zhuǎn)換器的 出射光照射在分時(shí)輪的反射區(qū)和透射區(qū)中的一個(gè)區(qū)上；一個(gè)偏振轉(zhuǎn)換元件，設(shè)置于分時(shí)輪的反射區(qū)和透射區(qū)中的一個(gè)區(qū)的出射光的光路上；一個(gè)成像引擎，設(shè)置于分時(shí)輪與偏振轉(zhuǎn)換元件的出射光路上，用于為該成像引擎的入射 光加載圖像信息，并發(fā)射加載有圖像信息的出射光。上述立體投影光學(xué)系統(tǒng)使用時(shí)可通過(guò)分時(shí)輪的旋轉(zhuǎn)，為數(shù)字微鏡元件交替輸入不同偏振 狀態(tài)的光，從而使得觀看者的左、右眼交替獲得不同偏振狀態(tài)的影像，當(dāng)該輸入信號(hào)的頻率 足夠快時(shí)，觀看者的左右眼分別戴上檢偏方向相互垂直的兩片偏振片，就可以觀察到立體的 圖像信息。


圖l是本發(fā)明第一實(shí)施例提供的立體投影光學(xué)系統(tǒng)在光照射在分時(shí)輪的反射區(qū)的結(jié)構(gòu)示 意圖；圖2是圖1的立體投影光學(xué)系統(tǒng)在光照射在分時(shí)輪的透射區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是在圖1的立體投影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置有多個(gè)偏振片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的立體投影光學(xué)系統(tǒng)在光照射在分時(shí)輪的反射區(qū)的結(jié)構(gòu)示 意圖；圖5是圖4的立體投影光學(xué)系統(tǒng)在光照射在分時(shí)輪的透射區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖；具體實(shí)施方式
為了對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明，舉以下較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)描述如下。請(qǐng)參閱圖1和圖2，為本發(fā)明第一實(shí)施例提供的一種立體投影系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)示意圖。該 立體投影系統(tǒng)100包括沿光路依次設(shè)置的一個(gè)光源組件11 ， 一個(gè)設(shè)置于光源組件l 1的出射光 的偏振光轉(zhuǎn)換器12， 一個(gè)用于接收所述偏振光轉(zhuǎn)換器的出射光的分時(shí)輪13， 一個(gè)設(shè)置于分時(shí) 輪13的一條出射光光路上的偏振轉(zhuǎn)換元件16，分別設(shè)置于所述分時(shí)輪13的出射光光路上的第 一、第二反射裝置14、 15， 一個(gè)設(shè)置于所述第一、第二反射裝置14、 15出射光的光路上的偏 振分束器17， 一個(gè)設(shè)置于偏振分束器17出射光路上的全內(nèi)反射棱鏡18， 一個(gè)設(shè)置于全內(nèi)反射 棱鏡18反射光的光路上的數(shù)字微鏡元件19以及一個(gè)投影鏡頭20。需要說(shuō)明的是，在本實(shí)施例中，由所述偏振分束器17，全內(nèi)反射棱鏡18以及數(shù)字微鏡元 件19， 一起組成了一個(gè)成像引擎，其發(fā)射出加載有圖像信息的光。所述光源組件ll包括依光路設(shè)置的一個(gè)照明光源l 11 、 一個(gè)色輪l 12以及一個(gè)積分器l 13 。所述照明光源111發(fā)射包括顯示彩色圖像所需的紅光(R)、綠光(G)和藍(lán)光(B)的白光。該光 源ll可以為鹵素?zé)簟⒔饘冫u化物燈、氤燈或LED等。在本實(shí)施例中，該光源ll為鹵素?zé)?。?述色輪112包括紅、綠、藍(lán)三色區(qū)，其可在電機(jī)(圖未示)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，以給投影光路 配以各種色彩。所述積分器l 13用來(lái)均勻化和有效地使用光源11發(fā)出的光。所述偏振轉(zhuǎn)換器(P-S Converter) 12的結(jié)構(gòu)為在平板玻璃上用真空蒸鍍的方法鍍上寬帶 增透膜和介質(zhì)增反膜，用刻蝕方法形成超細(xì)金屬線柵的反射膜圖案。當(dāng)該超細(xì)金屬膜線柵的 周期小于光波長(zhǎng)的二分之一時(shí)，由于光的電磁波效應(yīng)，只有與該線柵方向垂直的偏振光分量 能無(wú)阻礙地透過(guò)該線柵，而與該線柵方向平行的偏振光分量則被反射回去。最后再在該超細(xì) 金屬膜線柵基片的另一面均鍍上增透膜，并與另一片鍍有增透膜的相位波片組裝在一起，以 反射與線柵方向平行的偏振光，從而構(gòu)成該偏振轉(zhuǎn)換器12。當(dāng)從光源組件ll入射到該偏振轉(zhuǎn) 換器12后，該偏振轉(zhuǎn)換器12可以將非偏振光轉(zhuǎn)換為單一偏振狀態(tài)的出射光，S卩S偏振光或P偏 振光，在本實(shí)施例中，該偏振轉(zhuǎn)換器12輸出單一偏振狀態(tài)的S偏振光。
所述分時(shí)輪13設(shè)置于所述偏振轉(zhuǎn)換器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。所述分時(shí)輪13的結(jié)構(gòu)為將一個(gè)透明基底分成兩個(gè)區(qū)，其中一個(gè)鍍上對(duì)光 反射的反射膜，而在另一個(gè)區(qū)上鍍上可讓光穿透的透射膜或者不鍍?nèi)魏文ぁＴ摲謺r(shí)輪13可以 在一電機(jī)(圖未示)的帶動(dòng)下以固定頻率旋轉(zhuǎn)，而且其頻率是可調(diào)的。在本實(shí)施例中，所述分 時(shí)輪13包括一個(gè)反射所述偏振轉(zhuǎn)換器12的出射光的反射區(qū)131，與一個(gè)透射所述偏振轉(zhuǎn)換器 12的出射光的透射區(qū)132 。偏振轉(zhuǎn)換器l2出射的S偏振光在同一時(shí)間只照射在反射區(qū)131和透 射區(qū)132的其中一個(gè)區(qū)上。當(dāng)S偏振光照射在反射區(qū)131上時(shí)，該S偏振光被反射出去，如圖l 所示。當(dāng)該S偏振光照射在透射區(qū)132上時(shí)，S透射過(guò)該分時(shí)輪13，如圖2所示。在該分時(shí)輪 13以一定頻率旋轉(zhuǎn)時(shí)，該S偏振光便交替被所述分時(shí)輪13反射或透射出去。
所述第一、第二反射裝置14、 15可以為一種反射鏡，分別設(shè)置于所述所述分時(shí)輪13反射 或透射出去的光的光路上，用于改變分時(shí)輪13出射的S偏振光的光路，以將該分時(shí)輪13的出 射光耦合到偏振分束器17中。
所述偏振分束器l7用于將來(lái)自分時(shí)輪l3的出射光復(fù)合成一個(gè)方向的光束。該偏振分束器 17可以為金屬柵格型檢偏器(Wire Grid Polarizer,簡(jiǎn)稱(chēng)WGP檢偏器)，也可以為偏振分光棱 鏡，在本實(shí)施例中，該偏振分束器17為偏振分光棱鏡。該偏振分束器17根據(jù)對(duì)S偏振光和P偏 振光的作用不同，可以分為反射S偏振光而透過(guò)P偏振光，與透過(guò)S偏振光而反射P偏振光兩種 形式。在本實(shí)施例中，所述偏振分束器17反射S偏振光，而可以讓P偏振光透過(guò)。
所述偏振轉(zhuǎn)換元件16設(shè)置于所述偏振分束器17與分時(shí)輪13之間的一條光路上，用于將分 時(shí)輪13反射的S偏振光或透射的S偏振光轉(zhuǎn)換為P偏振光。在本實(shí)施例中，該偏振轉(zhuǎn)換元件16 設(shè)置于分時(shí)輪13反射的S偏振光的光路上以將該S偏振光轉(zhuǎn)換為P偏振光。
所述全內(nèi)反射棱鏡(Total Internal Reflection Prism， TIR) 18用玻璃或透明樹(shù)脂制成 ，利用光的全反射原理，使入射光在一定入射角度范圍內(nèi)全部反射，而在其它入射角度范圍內(nèi)，入射光將透過(guò)該全內(nèi)反射棱鏡18。該全內(nèi)反射棱鏡18設(shè)置于偏振分束器17的出射光的光 路上，其將偏振分束器17的出射的S偏振光或P偏振光耦合到數(shù)字微鏡元件19上。
所述數(shù)字微鏡元件(Digital Mirror Device, DMD) 19是用硅作基底，并用大規(guī)模集成電 路技術(shù)在硅片基底上制出多個(gè)存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器有兩條尋址電極(Addressing Electrodes)和兩個(gè)搭接電極(Landing Electrodes)。再在基底上設(shè)置兩個(gè)支撐柱，通過(guò)臂 梁鉸鏈(torsion Hinge)安裝一個(gè)微形反射鏡，從而形成一個(gè)微鏡單元。工作時(shí)，由視頻信 號(hào)驅(qū)動(dòng)，并根據(jù)入射光與光學(xué)系統(tǒng)光軸的夾角，利用兩尋址電極的差動(dòng)電壓使反射鏡繞臂梁 旋轉(zhuǎn)直到觸及搭接電極，從而決定一個(gè)微鏡單元的開(kāi)關(guān)，以加載圖像信息。該數(shù)字微鏡元件 19設(shè)置于全內(nèi)反射棱鏡18的反射光的光路上。經(jīng)數(shù)字微鏡元件19加載有圖像信息后，所述S 偏振光或P偏振光透射過(guò)該全內(nèi)反射棱鏡18到達(dá)投影鏡頭20 。
所述投影鏡頭20設(shè)置于所述全內(nèi)反射棱鏡18的出射光路上，用于將出射光所形成的圖像 放大，并將放大的圖像投影到屏幕(圖未示)上。
可以理解的是，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的對(duì)比度，還可以在上述的立體投影光學(xué)系統(tǒng)中加 入多個(gè)檢偏器201，該檢偏器201可以為一個(gè)偏光片。如圖3所示，該檢偏器201可以讓一定偏 振方向的光通過(guò)，而吸收其它偏振方向的光，例如讓P偏振光通過(guò)，而吸收S偏振光或者讓S 偏振光通過(guò)，而吸收P偏振光。該多個(gè)檢偏器201的具體的放置位置可以為沿光路的偏振分束 器17和第一或/與第二反射裝置14、 15之間；第一或/與第二反射裝置14、 15與分時(shí)輪13之間 。在本實(shí)施例中在第一、第二反射裝置14、 15與偏振分束器17之間設(shè)置有檢偏器201。
圖4及圖5為本發(fā)明第二實(shí)施例提供的立體投影光學(xué)系統(tǒng)200的結(jié)構(gòu)示意圖。該立體投影 光學(xué)系統(tǒng)200包括沿光路依次設(shè)置的一個(gè)光源組件21 ， 一個(gè)設(shè)置于光源組件21的出射光的偏 振光轉(zhuǎn)換器22， 一個(gè)用于接收所述偏振光轉(zhuǎn)換器的出射光的分時(shí)輪23， 一個(gè)設(shè)置于分時(shí)輪 23的一條出射光光路上的偏振轉(zhuǎn)換元件24，分別設(shè)置于所述分時(shí)輪23出射光的光路上的第一 數(shù)字微鏡元件25和第二數(shù)字微鏡元件26各一個(gè)，分別設(shè)置于第一、第二數(shù)字微鏡元件25、 26 與分時(shí)輪23的光路之間的全內(nèi)反射棱鏡27、 28各一個(gè)，兩個(gè)分別設(shè)置于全內(nèi)反射棱鏡27、 28 與分時(shí)輪23之間的反射裝置31， 一個(gè)設(shè)置于第一、第二數(shù)字微鏡元件25、 26的出射光路上的 光復(fù)合器29以及一個(gè)設(shè)置于所述光復(fù)合器29的出射光路上的投影鏡頭30 。
第一實(shí)施例與第二實(shí)施例的不同在于成像引擎的組成部分不同。在該第二實(shí)施例中，由 所述第一、第二數(shù)字微鏡元件25、 26，第一、第二全內(nèi)反射棱鏡27、 28以及光復(fù)合器29—起 組成了成像引擎，其發(fā)射出加載有圖像信息的光。
所述光源組件21，偏振光轉(zhuǎn)換器22，分時(shí)輪23，偏振轉(zhuǎn)換元件24以及反射裝置31的結(jié)構(gòu)、工作原理以及光的傳播路徑與第一實(shí)施例相同，以此不再贅述。
所述第一、第二數(shù)字微鏡元件25、 26的結(jié)構(gòu)及工作原理與第一實(shí)施例的數(shù)字微鏡元件 19相同，以此也不再贅述。該第一數(shù)字微鏡元件25設(shè)置于分時(shí)輪23反射的S偏振光的光路上 ，并發(fā)射加載有圖像信息的S偏振光，如圖4所示。所述第二數(shù)字微鏡元件26設(shè)置于分時(shí)輪13 透射的并經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換元件24轉(zhuǎn)換后的P偏振光的光路上，同第一數(shù)字微鏡元件25，發(fā)射加載 有圖像信息的P偏振光，如圖5所示。
所述第一全內(nèi)反射棱鏡27設(shè)置于第一數(shù)字微鏡元件25與分時(shí)輪23的光路之間，以將分時(shí) 輪23反射的S偏振光耦合到第一數(shù)字微鏡元件25上，并且使第一數(shù)字微鏡元件13發(fā)射的加載 有圖像信息的S偏振光透射過(guò)該第一全內(nèi)反射棱鏡27到達(dá)光復(fù)合器29。
同理，第二全內(nèi)反射鏡28設(shè)置于第二數(shù)字微鏡元件26與分時(shí)輪23的光路之間，以將分時(shí) 輪23透射的并經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換元件24轉(zhuǎn)換后的P偏振光耦合到第二數(shù)字微鏡元件26上，并且使第 二數(shù)字微鏡元件26發(fā)射的加載有圖像信息的P偏振光透射過(guò)該第二全內(nèi)反射棱鏡28到達(dá)光復(fù) 合器29。
所述光復(fù)合器29可以為一個(gè)偏振分束器或者為一個(gè)合光棱鏡(X-Prism)。在本實(shí)施例中 ，該光復(fù)合器29為一個(gè)偏振分束器，用于將第一、第二數(shù)字微鏡元件25、 26發(fā)射的加載有圖 像信息的S偏振光和P偏振光組合形成投影光束。該偏振分束器反射S偏振光而透射P偏振光。 當(dāng)然，可以想到的是，該偏振分束器還可以是反射P偏振光而透射S偏振光。
所述投影鏡頭30設(shè)置于所述光復(fù)合器29的出射光路上，用于將出射光所形成的圖像放大 ，并將放大的圖像投影到屏幕(圖未示)上。
同理，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的對(duì)比度，還可以在第二實(shí)施例的立體投影光學(xué)系統(tǒng)200中 加入多個(gè)偏振片(圖未示)，設(shè)置位置與第一實(shí)施例相同。
上述立體投影光學(xué)系統(tǒng)使用時(shí)可通過(guò)分時(shí)輪的旋轉(zhuǎn)，為數(shù)字微鏡元件交替輸入不同偏振 狀態(tài)的光，從而使得觀看者的左、右眼交替獲得不同偏振狀態(tài)的影像，當(dāng)該輸入信號(hào)的頻率 足夠快時(shí)，觀看者的左右眼分別戴上檢偏方向相互垂直的兩片偏振片，就可以觀察到立體的 圖像信息。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，只要其不偏離本發(fā)明的技術(shù)效 果，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種立體投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，其包括沿光路依次設(shè)置的一個(gè)偏振光轉(zhuǎn)換器，用于將入射光轉(zhuǎn)換成偏振狀態(tài)單一的出射光；一個(gè)用于接收所述偏振光轉(zhuǎn)換器的出射光的分時(shí)輪，其包括一個(gè)反射所述偏振光轉(zhuǎn)換器的出射光的反射區(qū)，與一個(gè)透射所述偏振光轉(zhuǎn)換器的出射光的透射區(qū)，所述偏振光轉(zhuǎn)換器的出射光照射在分時(shí)輪的反射區(qū)和透射區(qū)中的一個(gè)區(qū)上；一個(gè)偏振轉(zhuǎn)換元件，設(shè)置于分時(shí)輪的反射區(qū)和透射區(qū)中的一個(gè)區(qū)的出射光的光路上；一個(gè)成像引擎，設(shè)置于分時(shí)輪與偏振轉(zhuǎn)換元件的出射光路上，用于為該成像引擎的入射光加載圖像信息，并發(fā)射加載有圖像信息的出射光。
6.如權(quán)利要求5所述的立體投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述光復(fù)合 器為合光棱鏡。
7.如權(quán)利要求6所述的立體投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述光復(fù)合 器為偏振分束器。
8.如權(quán)利要求6所述的立體投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述偏振分 束器為金屬柵格型偏振片和偏振分光棱鏡中的一種。
9.如權(quán)利要求5所述的立體投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述立體投 影光學(xué)系統(tǒng)還包括多個(gè)檢偏器，該多個(gè)檢偏器分別設(shè)置于偏振分束器與第一、第二數(shù)字微鏡 元件以及第一、第二數(shù)字微鏡元件與光復(fù)合器之間，用于濾除所述偏振分束器及第一、第二 數(shù)字微鏡元件的出射光中的雜光。
10.如權(quán)利要求2或7所述的立體投影光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述偏 振分束器的出射光包括偏振狀態(tài)互相垂直的第 一偏振光和第二偏振光。
全文摘要
一種立體投影光學(xué)系統(tǒng)，其包括沿光路依次設(shè)置的一個(gè)偏振光轉(zhuǎn)換器，一個(gè)用于接收所述偏振光轉(zhuǎn)換器的出射光的分時(shí)輪，其包括一個(gè)反射區(qū)，與一個(gè)透射區(qū)，所述偏振光轉(zhuǎn)換器的出射光照射在分時(shí)輪的反射區(qū)和透射區(qū)中的一個(gè)區(qū)上，一個(gè)設(shè)置于分時(shí)輪的反射區(qū)和透射區(qū)中的一個(gè)區(qū)的出射光光路上的偏振轉(zhuǎn)換元件，一個(gè)設(shè)置于分時(shí)輪與偏振轉(zhuǎn)換元件的出射光路上的成像引擎。上述立體投影光學(xué)系統(tǒng)使用時(shí)可通過(guò)分時(shí)輪的旋轉(zhuǎn)，為數(shù)字微鏡元件交替輸入不同偏振狀態(tài)的光，從而使得觀看者的左、右眼交替獲得不同偏振狀態(tài)的影像，當(dāng)該輸入信號(hào)的頻率足夠快時(shí)，觀看者的左右眼分別戴上檢偏方向相互垂直的兩片偏振片，就可以觀察到立體的圖像信息。
文檔編號(hào)G02B27/26GK101408677SQ200710202020
公開(kāi)日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2007年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月11日
發(fā)明者林元煜, 簡(jiǎn)義本 申請(qǐng)人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司;鴻海精密工業(yè)股份有限公司