立体投影成像装置及系统的制作方法

本实用新型涉及立体投影技术领域，特别是一种立体投影成像装置及系统。

背景技术：

立体投影仪以帧顺序依次转换播放两个不同序列的图像，目前主流为左眼图像和右眼图像，一个序列由左眼看到，另一个序列由右眼看到，相互交替呈现的就是立体的图像。观看者通常佩戴有立体眼镜，通过立体眼镜观看者的每只眼仅能够看到为其准备的图像的子序列。目前已有用于被动式立体眼镜的立体成像系统。最初从投影机出来的不同序列的图像为非偏振状态光束，通过立体成像系统配置的偏振分光器将非偏振状态光束转化为偏振态光束。

然而，现有的立体投影成像装置大多存在较大的光能损失或者光能散射以及色差等问题，投影得到的图像质量不佳。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型提供一种能够进行光路回收减小光能损失并提高投影成像质量，并且适用于低投射比影院环境的高光效立体投影成像装置及系统。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种立体投影成像装置，包括：

偏振分光器，所述偏振分光器为偏振分光棱镜组合或偏振分光板，用于将入射光分为一透射光束和两个反射光束，所述偏振分光器设有两个偏振反射膜，两个偏振反射膜沿系统中线对称，组成角度90°±15°，所述棱镜的反射出射面沿系统中线对称，组成角度90°±15°；

反射元件，沿入射光线的中心线对称分布有两个，用于将偏振分光器反射的两个反射光束反射到屏幕，所述反射元件采用高反射偏光元件，所述高反射偏光元件由保护层、反射层、吸收层、玻璃基板构成，可以有效的保护光路不受杂光的影响，将上下光路多余的P偏振态光吸收，提高反射效率，以此提高整个系统的光效；

反射元件调整结构，根据光束投影的需求通过机械调控进行空间位置和面形变换，完成对反射光束的大小和位置的调节，以实现光路的重合；

光束大小调整组件，用于调节透射光束和两个反射光束的大小，使三个光路在屏幕上重合，同时调节光束的散射以及消除光路中的杂光，配合系统其他光学元件对光路进行修正，所述光束大小调整组件为单个透镜或多个透镜组合。

线偏振器，用于过滤掉反射光路中的杂光，修正光路的调整；

偏振调制器，用于调制三路光束，所述偏振调制器有两个，两个偏振调制器在工作状态下相差1/2λ，通过两个偏振调制器的高频率开关切换，使光束实现两个光学偏振状态的光束分离，以对应被动式圆偏光眼镜的两个镜片的不同的偏光滤光器；

偏振态转换器，用于改变光束的偏振状态，使三个光束具备相同的光学偏振态，所述偏振态转换器具备波长带宽调整功能。

进一步地，所述偏振分光器两侧分别设有一个AR防反射膜，所述AR防反射膜镀在棱镜反射出射面，减小光路反射。

进一步地，所述反射元件的投影反射区域设计为具有一定的曲率半径的区域。

进一步地，所述偏振态转换器包括至少三层光学膜，具有光学补偿功能，改善色差及色散问题。

进一步地，所述透镜组合设置在偏振分光器前和/或上光路线偏振器前和/或下光路线偏振器前和/或中间光路偏振调制器前，根据影院投射比的需求调整透镜或透镜组合的数量及透镜组合平凹透镜和平凸透镜的相对位置。

一种立体投影成像系统，包括立体投影仪，金属幕或者具备立体成像要求的幕布和上述立体投影成像装置，所述立体投影仪以帧顺序依次转换播放两个不同序列的图像，所述立体投影成像装置接收立体投影仪切换播放两个不同序列的图像的频率信号，来进行对第一偏振调制器和第二偏振调制器的控制，完成对两个不同序列的图像分离成两个不同光学偏振状态的光束，以对应被动式圆偏光眼镜的两个镜片的不同的偏光滤光器。

与现有技术相比，本实用新型有益效果：

1、反射元件调整结构可以调节光束大小，解决光束在屏幕未能完全重合造成的图像质量变差的问题。

2、光束大小调整组件，根据需要，放置位置的不同，可以调节透射光束和两个反射光束的大小，使三个光路在屏幕上重合，同时调节光束的散射；同时调节光束的散射以及消除光路中的杂光，配合系统其他光学元件对光路进行修正；尤其在低投射比环境的影院，在前道光路放置光束大小调整组件，有利于缩小系统主要光学元件大小。

3、对于影院不同的投影距离，投影光线的发散角以及透射光路和反射光路到屏幕的路程都是不一样的，这样在屏幕上的投影尺寸也不一样，系统对反射元件的投影区域设计了一定的曲率半径，以匹配4-30米的投影范围都能通过反射元件的上下左右旋转以及面形变化等机械调控达到三个光路的重合。

4、偏振转换器具有光学补偿的功能，可以解决光束投射角度变大，图像散射造成图像质量变差的问题，以及投影图像色差的问题，为低投射比影厅提供解决方案。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种立体投影成像装置示意图。

图2是本实用新型提供的一种立体投影成像装置的另一种形式。

图3是本实用新型提供的一种立体投影成像装置的另一种形式。

图4是本实用新型提供的偏振分光器的示意图。

图5是本实用新型提供的偏振分光器的另一种形式。

图6是本实用新型提供的偏振分光器的另一种形式。

图7是本本实用新型提供的高反射偏光元件光路分析图。

图8是本实用新型提供的反射元件调整结构的光路示意图

图9是本实用新型提供的高反射偏光元件的光路原理图。

图10是本实用新型提供的高反射偏光元件的光路原理图和光学结构图。

图11是是本实用新型提供的反射元件的光路重合示意图。

图12是本实用新型提供的偏振转换器的光学补偿示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供了一种立体投影成像装置，包括光束大小调整组件，即透镜组合102和103，入射光束137入射到透镜组合，通过此透镜组合的调整，可以使入射的范围变小，特别在解决低投射比影厅的方案，此结构可以适用更低的投射比，之后，光束经过偏振分光器104，分为一透射入射光束109和两个反射光束108和133，分离之后，透射光束109为P态偏振光，两个反射光束108和133为S态偏振光，两者相差1/2λ；

透射光束109通过平凸透镜132和平凹透镜131将投影的范围进行放大，此后，投射光束进入偏振调制器117和118，第一偏振调制器117处于保持状态，偏振状态光线直接穿过第一偏振调制器，此时第二偏振调制器118处于工作状态，将会对光线的偏振态旋转1/4λ，或者第一偏振调制器117处于工作状态，将会对第二光学偏振状态光线的偏振态改变至-1/4λ，此时第二偏振调制器118处于保持状态，光线会直接穿过第二偏振调制器118，两个偏振调制器在工作时，具备偏振态转换器的功能，且两个偏振调制器相差1/2λ；通过两个偏振调制器的高频率开关切换，使光束实现两个光学偏振状态的光束分离，以对应被动式圆偏光眼镜的两个镜片的不同的偏光滤光器；

反射光束108、133分别入射到反射元件107和134，反射元件107、134可以通过反射元件调整结构机械调控，调节光束大小及上下左右各方位的移动，以使光路重合，反射光束108经过反射元件反射之后，穿过透镜组合110和111，根据需要，调节平凹透镜和平凸透镜的距离，对光束的投射范围进行调整，即调整光束的大小，在透镜组合之后设置线偏振器112，过滤和消除反射光束108中S态偏振光中夹杂的杂光，经过线偏振器112之后的线偏振光，进入后续的偏振调制器113和114，使光束实现两个光学偏振状态的光束分离，以对应被动式圆偏光眼镜的两个镜片的不同的偏光滤光器，经过偏振调制器113和114后的光束进入到偏振态转换器115和116，偏振态转换器115和116分别相当于1/4波片的功能，累积为1/2波片的功能；其用于改变光束的光学偏振状态，使三个光束具备相同的光学偏振状态。

该种形式的立体投影成像装置中加入了多个透镜组合，此结构可以适用更低的投射比，目前多数立体投影成像装置适用的投射比最低为1.0-1.2，此结构的立体投影成像装置可以适用投射比为0.5-0.8的影厅。

图2是本实用新型提供的一种立体投影成像装置的另一种形式，这种结构的立体投影成像装置取消了透镜组合，单纯依靠反射元件107和134实现三个光路重合，反射元件107和134在反射区域进行了曲率半径的设计，以满足不同投影距离的需求。

图3本实用新型提供的一种立体投影成像装置的另一种形式。此种形式的立体投影成像装置取消了上下光路的偏振转换器，增加了中间光路的偏振转换器301和302，更改之后，上中下光路同样能实现上中下三个光路的偏振状态的一致性；同时，反射元件107采用偏振高反元件，减少杂光对上下光路的影响。

图4是本实用新型提供的偏振分光器的结构示意图，偏振分光器为偏振分光棱镜组合，包括四个棱镜402、403、408和411，此四部分可以采用折射率相同或者不同的材料，正常使用的材料为H-K9L，折射率为nd＝1.51680±0.0005。α的范围为50°至90°，β的范围为90°至180°，403和411的夹角与α保持一致，沿系统中线对称，通过调节此三个夹角来调节整个光路的杂光和反射光的消除；棱镜反射出射面镀有AR防反射膜，用于减少反射光的产生，增加透过率；入射光线在此结构可以避免直接入射偏振分光器而产生色散问题。

图5是本实用新型提供的偏振分光器的另一种结构示意图，该结构的偏振分光器由六个棱镜502、503、504、509、513、514组成，503、504与513、514沿系统中心对称，使用与其他部分相同折射率和色散率或者不同折射率色散率的材质，利用光路折射，对光路特性进行修正；并适用于配合透镜组合，对光路进行调节。

图6是本实用新型提供的偏振分光器的另一种结构示意图，该结构的偏振分光器由四个棱镜602、603、607、610组成，入射光线在此结构可以避免直接入射偏振分光器的而产生色散问题；α的范围50°至90°，603和610的夹角与α保持一致，沿系统中线对称，通过调节此三个夹角来调节整个光路的杂光和反射光的消除；AR防反射膜，镀膜在棱镜反射出射面，减少反射光的产生，增加透过率。

本实用新型提供的偏振分光器还可以是多个偏振分光板的组合。

图7是本实用新型提供的高反射偏光元件光路分析图，在初始状态时，初始光束Tp＝100％/Ts＝100％，经过偏振反射膜之后，透射光束Tp1＝96％/Ts1＝0.1％，反射光束Rp1＝4％/Rs1＝99.9％，反射光束经过高反射偏光元件702，该元件效率为Rp3＝5％/Rs3＝99％，得到的Rp2＝Rp1*Rp3＝4％*5％＝0.2％/Rs2＝Rs1*Rs3＝99.9％*99％＝98.9％；通过此设计可以得到系统更高光效。使用此高反射偏光元件作为反射元件，可以比普通的反射元件的光效增加6％，并有效改善上下光路的P态偏振光的对光路的干扰。

图8所示为本实用新型提供的反光元件调整结构的光路示意图。反射元件803，用于将偏振分光器反射的两个反射光束反射到屏幕；反射元件可以根据光束投影的需求进行空间位置的旋转、移动、推拉、变形，完成对反射光束的大小和位置的调节，以实现光路的重合。入射光束801经过反射元件803的反射之后，得到光束805；将反射元件803收缩变形之后，得到802，入射光束801经过反射元件802之后，得到光束804；很明显经过此调整，可以对反射光束的投射方向进行调整；在通过这样的调整之后可以使上中下三个光路重合。此结构可以配合透镜组合，扩大系统的调节范围，并使系统的调节更细致，更精准。

图9所示为本实用新型提供的高反射偏光元件的光路原理图，当光线以布鲁斯特角入射时，反射光线中只有S偏振态的光，无P偏振态光，P偏振态光完全透过。布鲁斯特角与入射界面两种材料的折射率有关，比如从空气入射到K9玻璃时的布鲁斯特角为56.5°。在设计高反射偏光元件时，对多层膜系合理设计，保证在较宽波段范围尽量满足布鲁斯特效应，让S偏振光尽量高反射，P偏振光尽量高透过。如图9所示，在高效状态下，初始光束Tp＝100％/Ts＝100％，经过反射之后，Rp＝0/Rs＝15.2％,，经过折射之后再反射之后，Rp1＝0％/Rs1＝84.8％*15.2％*84.8％，而经过折射之后投射的光束，Tp＝100％/Ts＝84.8％*84.8％，按照此设计进行膜系的搭建，达到几乎P偏振态光全部透过，同时S偏振态光高反射。

图10是本实用新型提供的高反射偏光元件的光路原理图和光学结构图，高反射偏光元件由保护层1001、反射层1002、吸收层1003、玻璃基板1004构成；可以有效的保护光路不受杂光的影响，将上下光路多余的P偏振态光吸收；反射层由图9所示的原理进行膜系的设计搭建。

图11是本实用新型提供的反射元件的光路重合示意图。投影光线有发散角A，透射光路和反射光路到屏幕的路程不一样，这样在屏幕上的投影尺寸也不一样，分别为a和b，当屏幕的位置变化，a和b的大小也变化。需要通过反射元件的曲率半径设计和机械调节以及透镜组合的调节，使a和b重合。

图12是本实用新型提供的可以进行光学补偿的光学膜的原理示意图，波长在400nm-700nm的可见光，不同波长的可见光的光学特性是不一样的，尤其在视角比较大的情况下，如果不进行光学补偿，就会色差及色散问题；在可见光经过1/4波片，我们想要追求的是线条c的状态，但是实际上我们得到的是线条a的状态，在经过合适的光学补偿之后，我们可以得到线条b的状态，这样对可见光各个波长的光线影响就得到了很好的约束；在经过下一层1/4玻片光学补偿膜，可以再进行一次类似的反相补偿，将更进一步接近c线条的状态，由此可以解决和改善色差和色散的问题。此光学补偿膜需要多层不同角度不同波长的光学膜进行补偿合成，比如用三层光学膜，一个140nm(1/4λ)+108°，一个270nm(1/2λ)+32°，一个270nm(1/2λ)+5.5°，将此三层光学膜合成之后，具有1/4波片功能，并且已经光学补偿的功能。

显然，本领域的技术人员可以对实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。