具有圆光偏振的三维图像投影仪的制作方法

具有圆光偏振的三维图像投影仪的制作方法
【专利摘要】提供了用于投影三维图像的系统和方法。该系统包括光源(30、32、34)和偏振转换系统(40、42、44)，该偏振转换系统(40、42、44)用于转换从光源(30、32、34)发射的光为圆偏振。邻近所述光源(30、32、34)布置分束器装置(60)，以接收光，并且邻近所述分束器装置(60)地布置LCoS图像器件(62)。
【专利说明】具有圆光偏振的三维图像投影仪

【技术领域】
[0001]本发明涉及立体三维图像投影仪，并且更具体地涉及可用被动式眼镜的小型三维投影仪。

【背景技术】
[0002]三维(3D)电影和图片由于图像更加真实而已经成为娱乐的流行形式。3D图像利用人类双目视觉的物理特点。人眼间隔分开大约2英寸(5厘米)，因而每一个眼睛从轻微不同的视角看这个世界。大脑接收两个图像并且具有将每一个眼睛看到的东西之间的差别相关联以确定距离的双目视觉功能。距离的确定提供了人们看到的三维效果。
[0003]为了在诸如电影或电视屏幕之类的二维表面上创建双目图像，用户通常佩戴眼镜。眼镜改变了用户观看图像的方式以创建仿真的3D效果。通常存在两类眼镜，被动式眼镜和主动式眼镜。所用的眼镜类型将取决于正在使用的图像投影系统的类型。
[0004]被动式眼镜依赖通过对每一个眼睛使用不同透镜而创建的光学效果。投影系统发出一系列顺序图像，其中后续图像被轻微偏置。布置图像以使得用户通过眼镜的第一透镜(例如，右眼)看第一图像，而用另一透镜(例如，左眼)看第二图像。因为图像被迅速投影，所以用户未注意到多个图像，而是看到三维效果。最初，被动式眼镜使用不同颜色的透镜来过滤图像，然而，这限制了 3D图像在期望全色彩图像时的使用。为了减轻该问题，开发了偏振透镜，其中眼镜的每一个透镜允许不同偏振光的透射。偏振被动式透镜允许全色彩3D图像透射。被动式透镜在诸如例如电影院之类的投影仪型系统中更普遍，其中可以使用多个投影仪来投影图像在屏幕上。
[0005]3D电视系统的开发创造了新的挑战，因为通常没有足够的空间用于多个投影仪。为了解决这个问题，创建了主动式透镜。利用主动式透镜，眼镜无线地与投影仪通信以将眼镜操作与正在显示的图像同步。对于主动式眼镜，透镜通常是可以在透射光和阻挡光之间切换的液晶显示器。这样，眼镜可以迅速地将左右透镜在透明和不透明之间切换。在切换眼镜的同时，电视投影一系列顺序图像。当在电视和眼镜之间同步该切换时，用户体验到三维效果。
[0006]因此，尽管现有的三维投影仪适宜于它们意图的目的，但是存在改进的需要，尤其是提供具有可以投影用被动式眼镜可视的图像的单投影仪的系统。


【发明内容】

[0007]根据本发明的一个实施例，提供具有包括发射光的发光二级管(LED)的光源的方法。偏振转换系统(PCS)位于邻近LED并且具有线偏振器和波片两者。线偏振器具有偏振轴并且波片在第一和第二位置之间旋转。偏振分束器(PBS)邻近光源并且成像器件邻近PBS0 PCS的波片旋转到第一位置,并且由第一光源中的LED发射第一光。该第一光转换为圆偏振。该第一光行进到PBS，在该PBS它反射到成像器件上。波片随后旋转到第二位置并且由光源发射第二光。该第二光转换为圆偏振并且从PBS反射到成像器件上。
[0008]根据本发明的另一实施例，提供具有圆锥截面反射器、安装在该圆锥截面反射器上的LED和邻近该LED的PCS的光源。
[0009]根据本发明的另一实施例，提供了具有包括用于发射光的多个LED的光源的投影仪系统。PCS位于邻近多个LED的每一个LED。PBS邻近该光源并且成像器件邻近该PBS。
[0010]通过本发明的技术而实现附加的特征和优势。本发明的其他实施例和方面在这里详细描述并被认为是所要求保护的发明的一部分。为了更好地理解具有优势和特征的本发明，请参考说明书和附图。

【专利附图】

【附图说明】
[0011]在说明书的结论处的权利要求书中具体地指出并且清楚地要求保护被认作本发明的主题。结合附图，本发明的前述和其他的特征以及优势从以下详细描述中是显然的，在附图中:
[0012]图1是依据本发明实施例的三维图像投影仪的示意图；
[0013]图2是依据本发明实施例的操作三维图像投影仪的方法的流程图；并且
[0014]图3是依据本发明另一实施例的操作三维图像投影仪的另一方法的流程图。

【具体实施方式】
[0015]使用被动式眼镜的当代三维(3D)图像投影仪通常使用两个投影仪。仅使用单个投影仪的在先努力依赖于投影仪内在顺序图像之间切换的主动式透镜。应当理解，可观的支出可能出现在使用冗余投影仪或具有昂贵的主动式透镜。此外，随着用户期望从越来越小的投影仪封装获得相当的性能时，这些技术无法良好地缩放。
[0016]第二类投影仪使用具有与投影仪(通常是电视)协调工作的液晶二极管(LCD)的主动式眼镜。主动式眼镜交替阻挡透镜中的一个，以使得用户将通过交替的透镜看到顺序图像。尽管主动式眼镜良好地运行以为用户创建3D效果，但是它们也具有一些较不期望的特性。主动式眼镜要求诸如需要周期性充电或替换的电池之类的能量来源。如果在电视和眼镜之间的通信中断，则可能丢失3D效果。此外，由于系统的复杂性，主动式眼镜往往昂贵许多。
[0017]现在参考图1，示出3D投影仪20用于依据本发明的实施例投影三维(3D)图像。投影仪20包括光源22，其具有多个发光二级管(LED)并且在由箭头24指示的方向上发射光。在示例性实施例中，光源包括三种单色LED，红色LED 30、绿色LED 32和蓝色LED 34。LED 30、32、34排列为形成正方形的三个边并且将光引导到光源22的中心。在光源22内邻近每一个LED 30、32、34的是对应的偏振转换系统(PCS) 40、42、44。
[0018]PCS改变穿过它的光的偏振。在本发明的示例性实施例中，每一个PCS转换由相应LED发射的非偏振光为具有圆偏振的光。每一个PCS 40、42、44可以包括线偏振器和波片，诸如四分之一波片。邻近LED地布置线偏振器，以使得从LED发射的光首先穿过线偏振器并随后穿过波片。每一个波片是在第一位置和第二位置之间关于对应LED的光轴可旋转的。第一位置和第二位置偏离90度。波片的旋转与相应LED的光发射同步，以使得每次LED闪烁时，波片取向在第一位置或第二位置。穿过具有第一位置上的波片的PCS的光将具有第一圆偏振而穿过具有第二位置上的波片的PCS的光将具有第二圆偏振。在本发明的示例性实施例中，第一圆偏振和第二圆偏振是彼此相对的。波片的示例性第一位置是当波片相对于线偏振器的偏振轴处于正角度(诸如45度)时的位置，而示例性第二位置是当波片相对于线偏振器的偏振轴处于相等的负角度(例如负45度)时的位置。另外，每一个PCS40、42,44的波片可以同步，以使得如果光源中的多个LED 30,32,34中一次多于一个闪烁，则相应的波片将相对于每一个线偏振器的偏振轴处于相同的第一或第二位置。在顺序LED闪烁期间，波片的该振荡取向创造具有左旋圆偏振和右旋圆偏振的光的交替发射。
[0019]将光从线偏振转换为圆偏振增加了光束的角宽度。利用圆偏振的传统系统通常受困于显著的光损失，并且因此，投影的图像不那么明亮。然而，在本发明中，每一个LED30、32、34安装在对应的圆锥截面反射器50、52、54上。这些圆锥反射器被设计为捕获来自光源的全部角光线，由此减少了光损失并输出更明亮的图像。
[0020]每一个LED 30、32、34可被附加地耦接为将光引导到光收集光学元件36中。光收集光学元件36将从每一个PCS 40,42,44离开的因而圆偏振的光引导到二分色组合器38。该二分色组合器38组合来自LED的光以创建期望的光色。来自光源22的光经由开口侧46出去并且穿过复眼透镜48和预偏振器透镜56。复眼透镜42由小透镜(Ienslet)阵列构成，该小透镜具有将所透射的光分解为很多分量并且将它们均匀地投影在视场上的效果。结果是，甚至在所投影的光的周围都没有任何光强减弱的明亮照明。预偏振器透镜56改变外射光的偏振以具有期望的偏振特性，该偏振特性适宜于正在使用的成像器件。一旦光离开了预偏振透镜56，则光可以穿过聚焦光到偏振分束器(PBS)60的聚焦透镜58。
[0021]PBS是将入射光线分为第一(透射)偏振分量和第二(透射)偏振分量的光学组件。基于光进入PBS时的偏振，光可以透射过PBS或沿着与其原始方向垂直的路径从PBS反射。当光从聚焦透镜58穿过到PBS 60时，光从PBS 60反射到成像器件62上。
[0022]在示例性实施例中，成像器件62是硅基液晶(LCoS)型器件，其具有邻近PBS 60的成像表面64。在操作中，来自光源22的光从PBS 60反射到成像器件62上，成像器件62将光反射穿过PBS 60并反射到投影透镜组件66并离开器件20。LCoS图像器件62的使用提供了 LCoS器件62固有地偏振反射光的优势。
[0023]在一些实施例中，应当明白，光源22、多个PCS器件40、42、44、PBS60以及LCoS器件62的组合提供了减少投影仪的尺寸为极微(pico)投影仪或微(micro)投影仪的类别。这些小型投影仪可以适宜于用在便携式电子装置中，诸如但不限于例如移动电话、平板计算机、笔记本电脑和手持游戏装置。本发明的实施例还可以用在非便携式装置中，诸如但不限于例如桌面计算机或电视。
[0024]现在参考图2，示出用于操作诸如例如投影仪20之类的三维图像投影仪的方法70。该方法70在框72以旋转光源内的偏振转换系统(PCS)40、42、44的每一个的波片到第一位置开始。该方法随后从诸如光源22之类的光源内的多个LED发射第一光，以使得光变为圆偏振。从光源发射的第一光在PBS 60上反射出并反射到成像器件上,诸如例如LCoS器件62。在框76，第一光在成像器件上反射出并穿过一个或多个透镜66以将图像N投影到投影仪20之外。顺序地，PCS 40、42、44的波片旋转到第二位置，以使得穿过该PCS的光将具有与穿过第一位置上的波片的光相反的圆偏振。在框80，光源发射第二光，其在PBS 60上反射出并反射到成像器件上。在框82，第二光从成像器件62发射出并穿过投影透镜组件66以投影图像N+1离开投影仪20。该方法随后循环回到框72以继续从投影仪20投影图像。应当理解，图像N和图像N+1类似但是以相反偏振轻微偏移，以为佩戴圆偏振被动式眼镜的用户创建三维效果。
[0025]现在参考图3，示出用于操作诸如例如投影仪20之类的三维图像投影的方法88的另一实施例。方法88在起始框90开始并前进到框92，在框92中，在诸如成像器件62之类的成像器件上创建图像“N”。PCS 40、42、44的波片在第一位置同步，以使得穿过任意PCS器件的任意光将变为在第一方向上圆偏振。在框96,诸如光源22之类的光源内的多个LED中的至少一个发射第一光。该第一光穿过对应PCS 40、42、44的线偏振器和四分之一波片，以使得光在第一方向上圆偏振。在框100，第一光诸如用复眼透镜散布并被引导通过预偏振透镜。在框102，该第一光接着从诸如PBS 60之类的偏振分束器反射出并反射到成像器件上。在框104，第一光随后将图像从成像器件反射出并穿过投影透镜以从投影仪发射图像N0
[0026]方法88随后前进到框106，在框106中，在成像器件上创建图像N+1。在框108，PCS 40,42,44内的多个波片旋转到第二位置，以使得穿过任意PCS器件的任意光将变为在第二方向上圆偏振。在框110激活光源以发射第二光，以使得该第二光穿过PCS 40,42,44以变为在第二、相反方向上圆偏振。在框114，该第二光通过复眼透镜和预偏振透镜散布和预偏振。在框116，第二光随后从PBS 60反射出并反射到成像器件上。在成像器件上反射出的光具有不同于从成像器件反射的第一光的偏振的偏振。在框118,第二反射光透射穿过投影透镜以从投影仪发射图像N+1。应当理解，图像N和图像N+1类似但是以相反偏振轻微偏置以为佩戴圆偏振被动式眼镜的用户创建三维效果。
[0027]本发明的实施例提供小型可靠的三维投影仪。本发明的实施例提供具有布置为具有用于投影图像的相同路径长度的多个光源的优势。实施例在发射可用被动式眼镜的三维图像方面提供了优势。
[0028]这里使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的而不是为了限制本发明。如这里使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也意图包括复数形式，除非上下文以其他方式明确指示。将进一步明白，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时，指定了声明特征、整数、步骤、操作、要素和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、要素组件和/或它们的组的存在或增加。
[0029]以下权利要求中的全部装置或步骤外加功能要素的对应结构、材料、动作和等同意图包括用于结合如具体主张的其他主张的要素来执行功能的任何结构、材料或动作。本发明的描述已经出于说明和描述的目的而呈现，但是不意图为穷尽或限制于所公开的形式的发明。很多修改和变型将对于本领域普通技术人员是显然的，而不背离本发明的范围和精神。选择并描述实施例以便于最佳地说明本发明和实际应用的原理，并且使得本领域普通技术人员能够理解对于具有各种修改的各种实施例的本发明，只要适于所计划的特定用途。
[0030]这里描绘的流程图仅为一个示例。对于这里描述的这个示图或步骤(或操作)可以存在很多变型，而不背离本发明的精神。例如，步骤可以以不同次序进行或步骤可以增力口、删除或修改。全部这些变型认为是所声明的发明的一部分。
[0031]尽管已经描述了本发明的优选实施例，但是将明白本领域技术人员无论现在还是将来都可以做出落入如下权利要求的范围内的各种改进和增强。这些权利要求将认为保持首先描述的本发明的恰当保护。
【权利要求】
1.一种方法，包括: 提供具有发射光的发光二级管(LED)的光源； 邻近所述LED提供包括线偏振器和波片的偏振转换系统(PCS)，所述线偏振器具有偏振轴并且所述波片能够在第一和第二位置之间旋转； 邻近所述光源提供偏振分束器(PBS)； 邻近所述PBS提供成像器件； 旋转所述PCS的波片到第一位置； 从所述光源发射第一光； 转换所述第一光为圆偏振； 用所述PBS反射所述第一光到所述成像器件上； 旋转所述PCS的波片到第二位置； 从所述光源发射第二光； 转换所述第二光为 圆偏振；并且 用所述PBS反射所述第二光到所述成像器件上。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括: 邻近所述PBS与所述成像器件相对地提供投影透镜组件； 通过所述投影透镜组件发射从所述成像器件反射的第一光；并 通过所述投影透镜组件发射从所述成像器件反射的第二光。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一光的圆偏振与所述第二光的圆偏振相反。
4.根据权利要求1所述的方法，其中当所述波片关于所述线偏振器的偏振轴形成45度角时，所述波片位于所述第一位置。
5.根据权利要求1所述的方法，其中当所述波片关于所述线偏振器的偏振轴形成负45度角时，所述波片位于所述第二位置。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述成像器件是硅基液晶(LCoS)器件。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述光源附加地包括在其上安装LED的圆锥截面反射器。
8.一种光源，包括: 圆锥截面反射器； 安装在所述圆锥截面反射器上的发光二级管(LED);以及 邻近所述LED的偏振转换系统(PCS)。
9.根据权利要求8所述的光源，其中所述PCS包括具有偏振轴的线偏振器和可旋转波片。
10.根据权利要求9所述的光源，其中所述可旋转波片关于所述LED的光轴在第一位置和第二位置之间旋转，所述第一位置和所述第二位置相差90度。
11.根据权利要求10所述的光源，其中当所述可旋转波片与所述线偏振器的偏振轴形成45度角时所述可旋转波片处于所述第一位置。
12.根据权利要求10所述的光源，其中当所述可旋转波片与所述线偏振器的偏振轴形成负45度角时所述可旋转波片处于所述第二位置。
13.一种投影仪，包括: 包括多个LED的光源； 邻近所述多个LED的每一个的偏振转换系统(PCS)； 邻近所述光源的偏振分束器(PBS);以及 邻近所述PBS的成像器件。
14.根据权利要求13所述的投影仪，进一步包括邻近所述PBS与所述成像器件相对的投影透镜组件。
15.根据权利要求13所述的投影仪，其中所述光源包括多个圆锥截面反射器，以使得所述多个LED的每一个都安装在圆锥截面反射器上。
16.根据权利要求13所述的投影仪，其中每一个PCS包括具有偏振轴的线偏振器和可旋转波片。
17.根据权利要求16所述的投影仪，其中所述可旋转波片关于LED的光轴在所述第一位置和所述第二位置之间旋转，所述第一位置和所述第二位置相差90度。
18.根据权利要求17所述的投影仪，其中当所述可旋转波片与所述线偏振器的偏振轴形成45度角时所述 可旋转波片处于所述第一位置。
19.根据权利要求17所述的投影仪，其中当所述可旋转波片与所述线偏振器的偏振轴形成负45度角时所述可旋转波片处于所述第二位置。
20.根据权利要求13所述的投影仪，进一步包括: 复眼透镜，布置在所述光源和所述PBS之间；以及， 预偏振器，布置在所述复眼透镜和所述PBS之间。
21.根据权利要求20所述的投影仪，进一步包括: 多个光收集光学元件，所述多个光收集光学元件的每一个与所述多个LED之一关联；以及 二分色组合器，布置在所述多个光收集光学元件之间，所述二分色组合器被布置为将光从所述多个LED引导到所述复眼透镜中。
22.根据权利要求13所述的投影仪，其中所述成像器件是LCoS器件。
【文档编号】G03B35/26GK104081277SQ201380006760
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年1月23日 优先权日:2012年1月25日
【发明者】C.M.德库萨蒂斯 申请人:国际商业机器公司