专利名称：一种高光效光调制装置及高光效立体投影系统的制作方法
技术领域：
本发明属于3D投影显示技术领域，尤其涉及一种高光效光调制装置及高光效立体投影系统，可以将投影机光线约70%左右的光线转换为偏振光线，从而提高立体投影装置的光利用率来增加投影画面的亮度。
背景技术：
随着立体电影的普及，立体投影技术也得到了飞速发展。常见电影投影机以氙灯作为白光发光光源，以德州仪器的DMD芯片作为显示芯片，称之为DLP投影机，这类投影机的出射光线均为非偏振光。被动式立体电影设备分为单投影机立体设备和双投影机立体投影设备，这两种设备均采用分偏振的方式来实现左右眼图像的分离，从而实现3D效果。传统被动式立体电影设备一般都采用吸收型线偏光器件作为起偏器件，随着电影银幕的逐渐扩大，电影投影机的亮度也逐步提升。传统的吸收型线偏振器件由于工作原理的限制，使得近60%的光能量在吸收型线偏振器件上转化为热量；在使用高亮度的电影投影机时，传统吸收型线偏振器件的温度迅速上升，使得偏振器件的老化速度加快，光学性能明显变差，严重时强光束会将吸收型线偏振器件烧毁。同时，由于吸收型线偏振器件吸收了近60%的光能，使得整个立体投影装置的光利用率仅维持在40%左右，投影画面亮度大大降低。为了保持大银幕立体投影画面的亮度，影院不得不提升氙灯的功率，这就使得氙灯亮度衰减速度加剧，造成影院维护成本升高。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种高光效光调制装置，旨在减少偏振转换过程中的色散，增加投影光线的利用率和投影显示画面的亮度。本发明是这样实现的，一种高光效光调制装置，包括一偏振分光器件，用于将入射光分为偏振态相互垂直的透射光束和反射光束；在所述透射光束的光路上，所述高光效光调制装置还依次包括第一线偏振器、第一四分之一波长延迟膜；在所述反射光束的光路上，所述高光效光调制装置还依次包括用于改变反射光束传播方向的反射镜、第二线偏振器、第二四分之一波长延迟膜；在所述透射光束的光路或所述反射光束的光路上还设有用于将透射/反射光束的偏振态转变为垂直偏振态的偏振方向转换器件，所述偏振方向转换器件可位于第一线偏振器或第二线偏振器之前光路上的任一位置；在所述透射光束的光路或所述反射光束的光路上还设有用于改变投影光束大小的透镜/透镜组。进一步地，所述第一线偏振器的偏振轴方向与所述第二线偏振器的偏振轴方向相同，所述第一四分之一波长延迟膜与第二四分之一波长延迟所述膜的延迟轴方向相同；所述第一四分之一波长延迟膜的延迟轴与所述第一线偏振器的偏振轴的夹角为、以及所述第二四分之一波长延迟膜的延迟轴与所述第二线偏振器的偏振轴的夹角同时为45度或同时-45度；所述第一四分之一波长延迟膜和第二四分之一波长延迟膜为一体结构，所述第一线偏振器和第二线偏振器为一体结构本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种高光效立体投影系统，包括一投影机、一偏振分光器件，所述偏振分光器件用于将来自投影机的投影光线分为偏振态相互垂直的透射光束和反射光束；在所述透射光束的光路上，所述高光效立体投影系统还依次包括第一线偏振器、用于按照帧顺序的方式将奇数帧线偏振光和偶数帧线偏振光调整为的偏振态相反的圆偏振光的第一液晶光阀型光调制器；在所述反射光束的光路上，所述高光效立体投影系统还依次包括用于改变反射光束传播方向的反射镜、第二线偏振器、用于按照巾贞顺序的方式将奇数巾贞线偏振光和偶数帧线偏振光调整为的偏振态相反的圆偏振光的第二液晶光阀型光调制器；在所述透射光束的光路或所述反射光束的光路上还设有用于将透射/反射光束的偏振态转变为垂直偏振态的偏振方向转换器件，所述偏振方向转换器件可位于第一液晶光阀型光调制器/第二液晶光阀型光调制器之前光路上的任一位置；在所述透射光束的光路或所述反射光束的光路上还设有用于改变投影光束大小的透镜/透镜组。进一步地，所述偏振方向转换器件为扭曲型液晶器件。进一步地，当所述透镜/透镜组位于反射光路时，所述透镜/透镜组位于第二线偏振器之前的任一位置；所述透射光路上还包括用于使透射光束在金属幕上的成像位置向反射光束在金属幕上的成像位置的方向平移的楔形棱镜；所述反射镜的反射面放置的角度可使反射光束在金属幕上的成像位置与所述楔形棱镜作用过的透射光束在金属幕上的成像位置相重合；所述楔形棱镜位于所述第一线偏振器之前的任一位置。进一步地，当所述透镜/透镜组位于透射光路时，所述透镜/透镜组位于第一线偏振器之前的任一位置；所述透射光路上还包括用于使透射光束在金属幕上的成像位置向反射光束在金属幕上的成像位置的方向平移的楔形棱镜；所述反射镜的反射面放置的角度可使反射光束在金属幕上的成像位置与所述楔形棱镜作用过的透射光束在金属幕上的成像位置相重合；所述楔形棱镜位于所述第一线偏振器之前的任一位置其位于所述透镜/透镜组之后。进一步地，所述第一线偏振器的偏振轴方向与所述第二线偏振器的偏振轴方向相同，所述第一液晶光阀型光调制器与第二液晶光阀型光调制器在同一时间输出偏振态相同的圆偏振光。进一步地，第一液晶光阀型光调制器和第二液晶光阀型光调制器为一体结构，所述第一线偏振器和第二线偏振器也为一体结构，第一四分之一波长延迟膜和第二四分之一波长延迟膜也为一体结构。本发明与现有技术相比，通过使用偏振分光器件将入射光束分为偏振状态不同的两束光线，再使用扭曲型液晶器件将其中一束光线的偏振状态进行调整，使之与另一束光线的偏振状态一致，并使用反射镜将偏振分光器的反射光束调整至与原入射光束方向一致的光束，从而在银幕上将两束光线重合在一起，增加光利用率以及投影显示画面的亮度。
图1是本发明提供的一种高光效立体投影系统的光学结构图；图2是本发明提供的另一种高光效立体投影系统的光学结构图；图3是本发明提供的使用扭曲型液晶器件与使用半波片时的透过光谱对比图；图4是本发明提供的1/2波长延迟膜以和扭曲型液晶器件放置在平行的两个偏振片之间的透过光谱图；图5是本发明提供的一种高光效光调制装置光学结构图；图6是本发明提供的另一种高光效光调制装置光学结构图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。参照图1，本发明提供的高光效立体投影系统包括投影机101、偏振分光器件102、透镜或透镜组103第一线偏振器105和第二线偏振器109、第一液晶光阀型光调制器106和第二液晶光阀型光调制器110、偏振方向转换器件、反射镜108，金属幕111，还可进一步包括楔形棱镜104。上述各部分的工作原理如下。投影机101以帧顺序依次播放左眼图像和右眼图像，从投影机101的镜头发出的光束经过偏振分光器102后被分为透射的主光束112和反射的次光束113。主光束112和次113的偏振状态相互垂直。透镜或透镜组103的功能是将所在光路的光束进行扩大或者缩小，使之与另外光束在银幕111上所成的图像大小一致。图1中的透镜或透镜组103被放置在了主光束中，目的是将主光束扩大，同样也可以放在次光束113中。楔形棱镜104用于将主光束的图像进行偏转，使主光束的图像向次光束的图像平移。考虑到光轴一致性问题，一般将楔形棱镜104放置在透镜或透镜组103后面，使光线先经过透镜或透镜组103再经过楔形棱镜104。第一线偏振器105用于将经过偏振分光器件102的偏振光束112进行过滤，使其偏振态更加一致，变成理想偏振光；第一液晶光阀型光调制器106用于对线偏振光进行调整，按照帧顺序的方式将线偏振光分别调整为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，从而使左右眼图像达到分离的效果。在附图1中的反射光束路经中，偏振方向转换器件107被放置在次光束中，用于将光束的偏振状态旋转90度,使之与另外一束光线的偏振状态相同。实际上，偏振方向转换器件107也可以被放置在主光束中，只要在第一线偏振器105之前即可。反射镜108用于改变次光束的光线方向，使之与主光束的方向一致，并可以调整反射镜108的角度，使次光束在银幕111上所成图像与主光束的图像进行重合。第二线偏振器109用于将经过扭曲型液晶器件旋转后的光束的偏振状态进行过滤，使其偏振态更加一致，变成理想偏振光；第二液晶光阀型光调制器110用于对线偏振光进行调整，按照帧顺序的方式将线偏振光分别调整为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，从而使左右眼图像达到分离的效果；第二线偏振器109与第一线偏振器105的偏振轴方向一致。
因光路可逆，透镜/透镜组103和楔形棱镜104之间可以放置在偏振分光器件102和第一线偏振器105之间，也可以放置在线偏振器105与金属幕111之间；但为了避免透镜表面反射对偏振态的影响，透镜/透镜组103和楔形棱镜104通常被放置在偏振分光器件102和第一线偏振器105之间。另外，透镜/透镜组103也可放置在次光束即反射光路中，只要在第二线偏振器109之前即可。同样，在实施例一中的次光束中，扭曲型液晶器件107也可以被放置在反射镜108与第二线偏振器109之间，其效果不发生变化。第二液晶光阀型光调制器110与第一液晶光阀型光调制器106同步工作，经过两者调制后产生的圆偏振光的偏振状态一致，例如在当前时刻同时输出左旋圆偏振光，而下一时刻同时输出右旋圆偏振光。经过第二液晶光阀型光调制器110与第一液晶光阀型光调制器106调制后的光线，投射在金属眷111上，金属眷111可对王光束及次光束进彳了成像，同时将照射到金属幕111上的光线以相反的偏振状态进行反射，从而使光线在进入到观众佩戴的圆偏光眼镜之前仍保持左右眼图像的分离，不产生左右图像的串扰。观众佩戴圆偏振眼镜在银幕前方即可观察到立体影像，圆偏振眼镜的左右眼镜片分别为左旋圆偏振片和右旋圆偏振片，可以对银幕反射的光线进行分离，使进入到左右眼的图像不同，从而达到左右眼图像分离的目的。在实施例一中，第一线偏振器105和第二线偏振器109作为两个独立的部件，在具体实施时也可以采用一体化结构，即使用一个大尺寸的线偏振器件代替线偏振器件105和109，例如附图2中所示的线偏振器件205 ;同样的，液晶光阀型光调制器110与液晶光阀型光调制器106在实施例一中两个独立的部件,在具体实施时也可以使用一个大尺寸的液晶光阀型光调制器代替106和·109，例如图2中所示的液晶光阀型光调制器206 ;大尺寸的线偏振器205和大尺寸的液晶光阀型光调制器206可以涵盖主光束和次光束。本发明中，偏振方向转换器件107采用扭曲型液晶器件实现反射光束和透射光束的偏振态一致，扭曲型液晶器件107通常为90度扭曲的TN型液晶器件，入射到扭曲型液晶器件107的光线偏振方向与扭曲型液晶器件107液晶层表层分子的排列方向平行或垂直时，经过扭曲型液晶器件107后的光线偏振状态将会被旋转90度。提高扭曲型液晶器件107的延迟量，有助于得到更好的偏振态。现有技术中也采有用器件为1/2波长延迟膜来实现，虽然1/2波长延迟膜可以达到旋转偏振光偏振方向的效果，但由于延迟膜的色散会导致某波长范围内的色彩损失，从而造成投影的成像画面颜色发生偏移；同时由于无法将偏振光的方向完全旋转90度，需要使用额外的线偏振器件对旋转后的线偏振光进行过滤，使得有一部分光能量消耗在过滤用的线偏振器件上，既损失光利用率，又增加了过滤用的线偏振器件吸收光能发生老化的可能性。而本发明采用的扭曲型液晶器件107作为偏振光偏振方向的旋转器件，具有色散小，偏振光旋转效率高等优点，附图3中曲线301为本发明所采用的扭曲型液晶器件放置在正交的两个偏振片之间的透过光谱，曲线302为1/2波长延迟膜以45度角度放置在正交的两个偏振片之间的透过光谱，可以看出在蓝紫色光波长范围内以及红色光波长，1/2波长延迟膜的透过光颜色偏向黄绿色，对画面色彩影响比较大；而使用扭曲型液晶器件时，各波长的光线透过率均高于1/2波长延迟膜，因此扭曲型液晶器件的透光率更高；表I中给出了图3中两条曲线的色度坐标以及相对于理想白色光源的颜色偏移量，可以看出使用扭曲型液晶器件时颜色基本保持在白色附近，颜色偏移量非常小；而使用1/2波长延迟膜时的颜色偏移量是使用扭曲型液晶器件时的4. 2倍。在计算颜色偏移量时X、y为光源色度坐标值，X’，y’为使用1/2波长延迟膜或扭曲型液晶器件后的色度坐标值。
权利要求
1.一种高光效光调制装置，其特征在于，包括一偏振分光器件，用于将入射光分为偏振态相互垂直的透射光束和反射光束； 在所述透射光束的光路上，所述高光效光调制装置还依次包括第一线偏振器、第一四分之一波长延迟膜； 在所述反射光束的光路上，所述高光效光调制装置还依次包括用于改变反射光束传播方向的反射镜、第二线偏振器、第二四分之一波长延迟膜； 在所述透射光束的光路或所述反射光束的光路上还设有用于将透射/反射光束的偏振态转变为垂直偏振态的偏振方向转换器件，所述偏振方向转换器件可位于第一线偏振器或第二线偏振器之前光路上的任一位置； 在所述透射光束的光路或所述反射光束的光路上还设有用于改变投影光束大小的透镜/透镜组。
2.如权利要求1所述的高光效光调制装置，其特征在于，所述偏振方向转换器件为扭曲型液晶器件。
3.如权利要求1所述的高光效光调制装置，其特征在于，当所述透镜/透镜组位于反射光路时，所述透镜/透镜组位于第二线偏振器之前的任一位置； 所述透射光路上还包括用于使透射光束在金属幕上的成像位置向反射光束在金属幕上的成像位置的方向平移的楔形棱镜；所述反射镜的反射面放置的角度可使反射光束在金属幕上的成像位置与所述楔形棱镜作用过的透射光束在金属幕上的成像位置相重合；所述楔形棱镜位于所述第一线偏振器之前的任一位置。
4.如权利要求1所述的高光效光调制装置，其特征在于，当所述透镜/透镜组位于透射光路时，所述透镜/透镜组位于第一线偏振器之前的任一位置； 所述透射光路上还包括用于使透射光束在金属幕上的成像位置向反射光束在金属幕上的成像位置的方向平移的楔形棱镜；所述反射镜的反射面放置的角度可使反射光束在金属幕上的成像位置与所述楔形棱镜作用过的透射光束在金属幕上的成像位置相重合；所述楔形棱镜位于所述第一线偏振器之前的任一位置其位于所述透镜/透镜组之后。
5.如权利要求1所述的高光效光调制装置，其特征在于，所述第一线偏振器的偏振轴方向与所述第二线偏振器的偏振轴方向相同，所述第一四分之一波长延迟膜与第二四分之一波长延迟所述膜的延迟轴方向相同；所述第一四分之一波长延迟膜的延迟轴与所述第一线偏振器的偏振轴的夹角为、以及所述第二四分之一波长延迟膜的延迟轴与所述第二线偏振器的偏振轴的夹角同时为45度或同时-45度；所述第一四分之一波长延迟膜和第二四分之一波长延迟膜为一体结构，所述第一线偏振器和第二线偏振器也为一体结构。
6.—种高光效立体投影系统,其特征在于,包括一投影机、一偏振分光器件，所述偏振分光器件用于将来自投影机的投影光线分为偏振态相互垂直的透射光束和反射光束； 在所述透射光束的光路上，所述高光效立体投影系统还依次包括第一线偏振器、用于按照帧顺序的方式将奇数帧线偏振光和偶数帧线偏振光调整为的偏振态相反的圆偏振光的第一液晶光阀型光调制器； 在所述反射光束的光路上，所述高光效立体投影系统还依次包括用于改变反射光束传播方向的反射镜、第二线偏振器、用于按照帧顺序的方式将奇数帧线偏振光和偶数帧线偏振光调整为的偏振态相反的圆偏振光的第二液晶光阀型光调制器；在所述透射光束的光路或所述反射光束的光路上还设有用于将透射/反射光束的偏振态转变为垂直偏振态的偏振方向转换器件，所述偏振方向转换器件可位于第一液晶光阀型光调制器/第二液晶光阀型光调制器之前光路上的任一位置； 在所述透射光束的光路或所述反射光束的光路上还设有用于改变投影光束大小的透镜/透镜组。
7.如权利要求6所述的高光效立体投影系统，其特征在于，所述偏振方向转换器件为扭曲型液晶器件。
8.如权利要求6所述的高光效立体投影系统，其特征在于，当所述透镜/透镜组位于反射光路时，所述透镜/透镜组位于第二线偏振器之前的任一位置； 所述透射光路上还包括用于使透射光束在金属幕上的成像位置向反射光束在金属幕上的成像位置的方向平移的楔形棱镜；所述反射镜的反射面放置的角度可使反射光束在金属幕上的成像位置与所述楔形棱镜作用过的透射光束在金属幕上的成像位置相重合；所述楔形棱镜位于所述第一线偏振器之前的任一位置。
9.如权利要求6所述的高光效立体投影系统，其特征在于，当所述透镜/透镜组位于透射光路时，所述透镜/透镜组位于第一线偏振器之前的任一位置； 所述透射光路上还包括用于使透射光束在金属幕上的成像位置向反射光束在金属幕上的成像位置的方向平移的楔形棱镜；所述反射镜的反射面放置的角度可使反射光束在金属幕上的成像位置与所述楔形棱镜作用过的透射光束在金属幕上的成像位置相重合；所述楔形棱镜位于所述第一线偏振器之前的任一位置其位于所述透镜/透镜组之后。
10.如权利要求6所述的高光效立体投影系统，其特征在于，所述第一线偏振器的偏振轴方向与所述第二线偏振器的偏振轴方向相同，所述第一液晶光阀型光调制器与第二液晶光阀型光调制器在同一时间输出偏振态相同的圆偏振光；所述第一液晶光阀型光调制器和第二液晶光阀型光调制器为一体结构，所述第一线偏振器和第二线偏振器也为一体结构。
全文摘要
本发明适用于3D投影显示技术领域，提供了一种高光效光调制装置，包括一偏振分光器件，用于将入射光分为偏振态相互垂直的透射光束和反射光束；透射光束光路上依次包括第一线偏振器、第一四分之一波长延迟膜；反射光束光路上依次包括用于改变反射光束传播方向的反射镜、第二线偏振器、第二四分之一波长延迟膜；在透射光束的光路或反射光束的光路上还设有偏振方向转换器件、透镜/透镜组。本发明通过使用色散小偏振转换效率高的偏振分光器件将入射光束分为偏振状态不同的两束光线，再使用扭曲型液晶器件将其中一束光线的偏振状态进行调整，最终使银幕上的两束光线重合在一起，增加光利用率以及投影显示画面的亮度。
文档编号G02B27/26GK103048798SQ20121058964
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月29日 优先权日2012年12月29日
发明者李艳龙, 包艳胜, 邓贤俊 申请人:深圳市时代华影科技开发有限公司