专利名称：立体投影光学系统的制作方法
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、叠全的左 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
一个第一偏振分束器，该第一偏振分束器用于将入射光分成偏振方向垂直的第一偏振光
和第二偏振光；
一个穿透式光调制器，设置于所述第一偏振分束器出射的第一偏振光的出射光路上，该 穿透式光调制器具有开启和截止两个交替的工作状态，该穿透式光调制器处于开启状态时， 所述第一偏振光穿过所述穿透式光调制器，该穿透式光调制器处于截止状态时，所述穿透式光调制器将入射的所述第一偏振光调制为第二偏振光并出射；
一个图像吸收器，该图像吸收器设置于所述穿透式光调制器的出射光路上，其包括一个 第二偏振分束器和一个第一反射式空间光调制器以及一个第二反射式空间光调制器；
所述第一偏振分束器出射的第一偏振光穿过所述开启状态的穿透式光调制器，经过第二 偏振分束器后照射在第一反射式空间光调制器上，该第一反射式空间光调制器将该第一偏振 光调制成第二偏振光反射出去，调制后反射的该第二偏振光经过第二偏振分束器后发射出去
所述第一偏振分束器出射的第一偏振光入射到所述截止状态的穿透式光调制器，并经该 穿透式光调制器将该第一偏振光调制成第二偏振光后出射，调制后出射的该第二偏振光经过 第二偏振分束器后照射在第二反射式空间光调制器上，该第二反射式空间光调制器将该第二 偏振光调制成第一偏振光反射出去，该调制后反射的第一偏振光经过第二偏振分束器后发射 出去。
上述的立体投影光学系统使用时可通过为穿透式光调制器输入信号使得该穿透式光调制 器具有开启和截止两个交替的工作状态，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。
图l是本发明第一实施例的立体投影光学系统在所述穿透式光调制器开启时的结构示意
图2是本发明第一实施例的立体投影光学系统在所述穿透式光调制器截止时的结构示意
图3是图1的所述穿透式光调制器的输入信号以及相对于左右眼输出的光的偏振状态的波 形图4是在图1的立体投影光学系统设置有一个偏振片的结构示意图5是图1的穿透式光调制器的输入信号以及与该输入信号相对应的为左、右眼所投射的 光的偏振状态的波形图6是本发明提供的第二实施例的立体投影光学系统的结构示意图。
具体实施例方式
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及图2，为本发明所提供的第一实施例的立体投影光学系统100的结构示意图
。该立体投影光学系统ioo包括沿光路方向依次设置的一光源组件ii、 一个第一偏振分束器
12， 一个设置于所述第一偏振分束器12的一条出射光路上的穿透式光调制器13， 一个设置于 穿透式光调制器13出射光路上的图像吸收器14，以及一个设置于图像吸收器14出射光路上的 投影镜头15。
所述光源组件ll包括依光路设置的一个照明光源l 11 、 一个色轮l 12以及一个积分器l 13 。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ll可以为卤素灯、金属卤化物灯或氙灯等。在本实施例中，该光源ll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l 13用来均匀化和有效地使用光源l 1发出的光。
所述第一偏振分束器(Polarization Beam Splitter, PBS) 12用于将来自光源组件l 1的 非偏振光变成第一偏振光和第二偏振光，在本实施例中所第一偏振光为S偏振光，第二偏振 光为P偏振光。该S偏振光被该第一偏振分束器12反射，而P偏振光透过该第一偏振分束器12 。该第一偏振分束器12可以为金属栅格型偏振片(Wire Grid Polarizer,简称WGP偏振片)， 也可以为偏振分光棱镜，在本实施例中，该第一偏振分束器12为偏振分光棱镜。
所述穿透式光调制器13可以设置于所述第一偏振分束器12的S偏振光的出射光路上，也 可以设置于所述第一偏振分束器12的P偏振光的出射光路上，可以想到的是，这两种设置方 法的立体投影光学系统的结构及工作原理是基本相同的。在本实施例中，该穿透式光调制器 13设置于所述第一偏振分束器12的P偏振光的出射光路上。该穿透式光调制器13可以为液晶 显示装置(Liquid Crystal Dispaly， LCD)。通过为该穿透式光调制器13输入脉冲信号来控 制该穿透式光调制器13的开启与截止。如图3所示，为输入穿透式光调制器13的输入信号以 及相对于左右眼输出光的偏振状态的波形图。在本实施例中，所述穿透式光调制器13按照图 3所示的输入信号波形图开启或截止，从而交替为左右眼提供不同偏振方向的S偏振光和P偏 振光。当为该穿透式光调制器输入该信号时，该穿透式光调制器13便可交替输出S偏振光或 P偏振光以提供观看者左右眼之不同偏振方向的光。可以理解的是，该输入信号的周期是可 以调整的。通过穿透式光调制器13的开启与截止可以控制所输入偏振光的偏振方向，在本实 施例中，输入穿透式光调制器13的是P偏振光，下以P偏振光为例，来说明该穿透式光调制器 13的作用原理。当然，可以想到的是，对S偏振光的作用是与P偏振光相同的。
在该穿透式光调制器13开启时，如图1所示，该P偏振光直接穿过该穿透式光调制器13而 不会对该P偏振光的偏振状态进行调制。但是，在穿透式光调制器13截止时，如图2所示，就 会对穿过的P偏振光进行调制，即把输入的P偏振光调制为S偏振光输出，从而可以交替地为
观看者提供左右眼之不同偏振方向的光。
所述图像吸收器14设置于所述穿透式光调制器13的出射光路上。该图像吸收器14包括一 个第二偏振分束器141以第一、第二反射式空间光调制器142、 143各一个。所述第二偏振分 束器141与第一偏振分束器12的结构及工作原理基本相同，在此不再赘述。该第二偏振分束 器141在所述穿透式光调制器13开启时，如图1所示，接收的入射光为P偏振光，在穿透式光 调制器13截止时，如图2所示，接收的入射光为S偏振光。所述第一、第二反射式空间光调制 器142、 143的结构及工作原理基本相同，下面以第一穿透式光调制器143为例来说明其结构 及工作原理。
所述第一反射式空间光调制器143可以为硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LCoS)显示面板。该硅基液晶显示面板工艺结构结合了液晶技术与半导体集成电路技术。 LCoS面板利用半导体制程制作驱动面板，然后在电晶体上采用研磨技术磨平，并镀上铝或银 等当作反射镜，形成CM0S基板，再将CMOS基板与含有透明电极的玻璃基板贴全后灌入液晶分 子并封装测试，形成LCoS面板。LCoS面板通过控制光的偏振状态来调制入射光并给入射光加 入空间信息，形成包括该入射光和该空间信息的经过调制的出射光。所述空间信息可以为该 LCoS所加载的控制信号电压，该控制信号电压直接控制薄膜晶体管的开关状态，再利用该薄 膜晶体管来控制所述液晶分子的偏转状态，而液晶分子具有明显的光学各向异性，能够控制 来自入射光的光线，从而实现为入射光加载图像信号的目的。在本实施例中，当穿透式光调 制器13开启时，如图1所示，该第一反射式空间光调制器142对该P偏振光进行调制，并在所 述P偏振光上叠加空间信息，以产生一个包括空间信息的出射光，即包括有空间信息的S偏振 光。该S偏振光被第一反射式空间光调制器142反射并经第二偏振分束器141发射出去。
当穿透式光调制器13截止时，如图2所示，所述第二反射式空间光调制器143对入射的所 述S偏振光进行调制，并在所述S偏振光上叠加空间信息，以产生一个包括空间信息的出射光 ，即包括有空间信息的P偏振光。该P偏振光被第二反射式空间光调制器143发射并穿透第二 偏振分束器141后发射出去。
所述投影镜头15设置于第二偏振分束器141的出射光的光路上，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 入一个偏振片16，如图4所示，该偏振片16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 个偏振片16的具体的放置位置可以为第一偏振分束器12与穿透式光调制器13的光路之间的任
意位置。在本实施例中在第一偏振分束器12与穿透式光调制器13的光路之间设置有偏振片 16。
如图5所示，是穿透式光调制器13的输入信号以及与该输入信号相对应的交替为投射到 左眼、右眼的光的偏振状态的波形图。当观看者的左右眼分别戴上检偏方向相互垂直的两片 偏振片时，例如，左眼戴上P偏振片，而右眼戴上S偏振片，则左眼只可看到P偏振片而右眼 只可看到S偏振光。根据人眼的视觉暂留现象(人眼在某个视像消失后，仍可使该物像在视网 膜上滞留O. l—O. 4秒左右)，当穿透式光调制器13的输出光的变换周期小于物像在视网膜上 滞留的时间时，观看者便可以看到立体的图像。
请参阅图6，为本发明提供的第二实施例的投影光学系统200的结构示意图。该立体投影 光学系统200包括沿光路方向依次设置的一光源组件21、 一个第一偏振分束器22， 一个设置 于所述第一偏振分束器22的一条出射光路上的穿透式光调制器23， 一个设置于穿透式光调制 器23出射光路上的图像吸收器24，以及一个设置于图像吸收器24出射光路上的投影镜头25。
同第一实施例，所述图像吸收器24包括一个第二偏振分束器241和第一、第二反射式空 间光调制器242、 243各一个。该第二实施例与第一实施例的不同在于所述第一、第二偏振分 束器22、 241对S偏振光及P偏振光的作用不同。在本第二实施例中，所述第一、第二偏振分 束器22、 241反射P偏振光，而可以让S偏振光透过各偏振分束器。而该P偏振光和S偏振光在 各光学元件即第一偏振分束器22、第一、第二反射式空间光调制器242、 243以及第二偏振分 束器241中的传输光路是相同的。
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 加入一个偏振片26，其设置位置与第一实施例相同。
上述的立体投影光学系统使用时可通过为穿透式光调制器输入信号使得该穿透式光调制 器具有开启和截止两个交替的工作状态，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。
权利要求
权利要求1一种立体投影光学系统，其特征在于，其包括一个第一偏振分束器，该第一偏振分束器用于将入射光分成偏振方向垂直的第一偏振光和第二偏振光；一个穿透式光调制器，设置于所述第一偏振分束器出射的第一偏振光的出射光路上，该穿透式光调制器具有开启和截止两个交替的工作状态，该穿透式光调制器处于开启状态时，所述第一偏振光穿过所述穿透式光调制器，该穿透式光调制器处于截止状态时，所述穿透式光调制器将入射的所述第一偏振光调制为第二偏振光并出射；一个图像吸收器，该图像吸收器设置于所述穿透式光调制器的出射光路上，其包括一个第二偏振分束器、一个第一反射式空间光调制器以及一个第二反射式空间光调制器；所述第一偏振分束器出射的第一偏振光穿过所述开启状态的穿透式光调制器，并经过第二偏振分束器后照射在第一反射式空间光调制器上，该第一反射式空间光调制器将该第一偏振光调制成第二偏振光反射出去，调制后出射的该第二偏振光经过第二偏振分束器后发射出去；所述第一偏振分束器出射的第一偏振光入射到所述截止状态的穿透式光调制器，并经该穿透式光调制器将该第一偏振光调制成第二偏振光后出射，调制后出射的该第二偏振光经过第二偏振分束器后照射在第二反射式空间光调制器上，该第二反射式空间光调制器将该第二偏振光调制成第一偏振光反射出去，该调制后出射的第一偏振光经过第二偏振分束器后发射出去。
2.如权利要求l所述的立体投影光学系统，其特征在于所述第一、 第二偏振分束器为金属栅格型偏振片。
3.如权利要求l所述的立体投影光学系统，其特征在于所述第一、 第二偏振分束器为偏振分光棱镜。
4.如权利要求l所述的立体投影光学系统，其特征在于所述穿透式 光调制器为液晶显示装置。
5.如权利要求l所述的立体投影光学系统，其特征在于:所述第一、第二反射式空间光调制器为硅基液晶面板。
6.如权利要求l所述的立体投影光学系统，其特征在于:所述第一偏振光为S偏振光和P偏振光中的一种。
7.如权利要求6所述的立体投影光学系统，其特征在于:当第一偏振光为S偏振光时，第二偏振光为P偏振光。
8.如权利要求6所述的立体投影光学系统，其特征在于:当第一偏振光为P偏振光时，第二偏振光为s偏振光。
9.如权利要求l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一个偏振片，该偏振片分别设置于第一偏振分束器与所述穿透式光调制器 的光路之间。
全文摘要
一种立体投影光学系统，其包括一个第一偏振分束器，一个穿透式光调制器，其对应设置于所述第一偏振分束器的第一偏振光和第二偏振光的其中一种偏振光的出射光路上；一个图像吸收器，该图像吸收器设置于所述穿透式光调制器的出射光路上，其包括一个第二偏振分束器和一个第一、第二反射式空间光调制器。上述的立体投影光学系统使用时可通过为穿透式光调制器输入信号使得该穿透式光调制器具有开启和截止两个交替的工作状态，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。
文档编号H04N13/00GK101377572SQ20071020150
公开日2009年3月4日 申请日期2007年8月28日 优先权日2007年8月28日
发明者许建文, 高嘉宏 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司;鸿海精密工业股份有限公司