用于立体投影的光学系统及进行立体投影的方法

摘要

本发明涉及一种用于立体投影的光学系统，其包括物图像和放映物镜，所述光学系统具有透射光路和反射光路；在所述透射光路上，所述光学系统包括一极化分光器和第一液晶可变位相延迟器；在所述反射光路上，所述光学系统包括所述极化分光器、第一透镜或透镜组、第二透镜或透镜组、具有转像作用的平面反射镜以及第二液晶可变位相延迟器；其中，所述极化分光器包括第一三角棱镜、第二三角棱镜、第一平板玻璃和第二平板玻璃。本发明还提供了一种进行立体投影的方法。该光学系统可将自然光97%以上的能量极化为线偏振光，大大提高画面亮度和立体显示逼真度。

说明书

技术领域

本发明涉及3D立体投影显示领域，更具体地涉及一种用于立体投影的光学系统及进行立体投影的方法，该光学系统可将自然光97%以上的能量极化为线偏振光，大大提高画面亮度和立体显示逼真度。

背景技术

随着2009年阿凡达3D立体电影的首映，世界大范围内均响起3D热潮，目前大部分影院均支持3D播放，其中以显示芯片为德州仪器DMD（DigitalMicro mirror Device，数字微镜元件）的DLP(Digital Light Procession，数字光处理)放映机为大多数影院所采用。由于其所用光源为氙灯，所发出的光线为自然光，即偏振态为随机产生的，而实现立体显示需要将其极化为线偏振光，然后用液晶可变位相延迟器（Liquid Crystal Variable Retarder，简称LCVR）对其进行调制，然后左右眼图像分时进入左右眼，以达到立体显示的效果。由于传统产生线偏振光的方法是在投影物镜前直接加入二向色性偏振片，二向色性偏振片会对平行于吸收轴的电矢量光线进行吸收，即将有55%以上的光能量被偏振片吸收，这将大大降低银幕的显示亮度。

由于放映机持续播放画面，即出射的55%以上光能量会持续被偏振片吸收，这将会导致偏振片升温，其偏振度等性能会降低，甚至导致损坏。而且一般偏振片会附在液晶可变位相延迟器表面，这将导致液晶盒中的液晶分子也会吸收大部分热量，而液晶分子是对温度非常敏感的物质，这将会影响其双折射系数，导致其极化o，e光的光程差也会改变甚至失效，进而影响银幕显示的立体画面效果。

由于能量损失55%以上，为了提高显示亮度，影院会采用更高功率的氙灯，大大提高了成本，而且更高的氙灯功率，将会导致更多的能量被偏振片吸收，使偏振片和液晶盒更容易损坏。而偏振片的偏振度等参数急剧下降，将使左右眼画面串扰加剧，3D立体显示效果大大下降，这将会陷入恶性循环的怪圈。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于立体投影的极化分光合束变焦的光学系统和进行立体投影的方法，该光学系统使投影物镜出射的光能尽量多地转化成偏振光，比只用二向色性偏振片和液晶可变位相延迟器（LCVR）的系统亮度要提高100%以上。

解决本发明的技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于立体投影的光学系统，其包括物图像和放映物镜，所述光学系统具有透射光路和反射光路；在所述透射光路上，所述光学系统包括一极化分光器和第一液晶可变位相延迟器；在所述反射光路上，所述光学系统包括所述极化分光器、第一透镜或透镜组、第二透镜或透镜组、具有转像作用的平面反射镜以及第二液晶可变位相延迟器；其中，所述极化分光器包括第一三角棱镜、第二三角棱镜、第一平板玻璃和第二平板玻璃；所述极化分光器将输入的自然光在透射光路中输出P光或S光，同时在反射光路中输出P光或S光，使两光路具有同一偏振态；在所述反射光路中的第一透镜或透镜组和第二透镜或透镜组构成变焦透镜组，可使反射光路在银幕上的像放大或缩小，使其垂轴放大率与所述透射光路一致；在所述反射光路中，通过调节所述平面反射镜、第一透镜或透镜组和第二透镜或透镜组使两路画面完全重合；在所述透射光路中的所述第一液晶可变位相延迟器和在所述反射光路中的所述第二液晶可变位相延迟器都是使输入的线偏振光产生双折射效应，利用电压控制液晶分子的扭转角度以达到输出o光与e光任意位相差值。

在本发明的光学系统中，优选地，所述第一透镜或透镜组和第二透镜或透镜组放置在透射光路的极化分光器与第二液晶可变位相延迟器之间，以构成变焦透镜组使两路画面等大重合。

在本发明的光学系统中，优选地，所述第一三角棱镜的斜面和所述第二三角棱镜的斜面相互贴合，所述第一平板玻璃与所述第一三角棱镜的出光面相互贴合，所述第二平板玻璃与所述第二三角棱镜的出光面相互贴合。

在本发明的光学系统中，优选地，所述第一三角棱镜、第二三角棱镜、第一平板玻璃和第二平板玻璃的通光表面均镀多层介质膜。

在本发明的光学系统中，优选地，所述平面反射镜基板采用化学和物理稳定性佳的光学玻璃，在所述光学玻璃的超光滑表面上镀金属介质膜。

解决本发明的技术问题所采用的另一技术方案是：提供一种进行立体投影的方法，其包括如下步骤：

由物图像发出的随机偏振态的光束，通过放映物镜后，出射的光束继续向前传播，光束通过极化分光器后，被所述极化分光器极化形成为透射光路和反射光路；

在所述反射光路上依次设置有变焦透镜组、平面反射镜及第一液晶可变位相延迟器，并且，在所述透射光路上设置有第一液晶可变位相延迟器，从而使得所述透射光路和反射光路最终聚焦成像在银幕上的画面大小一致；

在所述透射光路中的所述第一液晶可变位相延迟器和在所述反射光路中的所述第二液晶可变位相延迟器都是使输入的线偏振光产生双折射效应，利用电压控制液晶分子的扭转角度以达到输出o光与e光任意位相差值。

在本发明的方法中，优选地，所述极化分光器包括第一三角棱镜、第二三角棱镜、第一平板玻璃和第二平板玻璃。

在本发明的方法中，优选地，所述第一三角棱镜、第二三角棱镜、第一平板玻璃和第二平板玻璃的通光表面均镀多层介质膜。

在本发明的方法中，优选地，将所述第一三角棱镜的斜面和所述第二三角棱镜的斜面相互贴合，将所述第一平板玻璃与所述第一三角棱镜的出光面相互贴合，将所述第二平板玻璃与所述第二三角棱镜的出光面相互贴合。

在本发明的方法中，优选地，所述变焦透镜组包括放置在透射光路的极化分光器与第二液晶可变位相延迟器之间的第一透镜或透镜组和第二透镜或透镜组。

与现有技术相比，本发明的光学系统的优点在于：在本发明中引入极化分光器将使光学系统的偏振度更高，达到99.999%以上，使左右眼画面串扰率更低，3D立体显示效果更佳，使影院观众的用户体验大大提高。另外，由于本发明引入极化分光器使LCVR组件里的液晶盒吸收的热量大大下降（传统方式液晶盒将吸收50%以上热量，而本发明可使液晶盒吸收热量降低到2%以下），液晶分子在正常温度内稳定工作，LCVR极化线偏振光为左或右圆偏振光，银幕显示画面立体效果能稳定保持，使系统可靠运行。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的一种用于立体投影的光学系统的光路图。

图2是利用可见光-分光光度计实测所得极化分光器透射光路光学特性数据（曲线a）与现有技术所得的数据（曲线b）的曲线对比图。

图3是利用可见光-分光光度计实测所得的极化分光器反射光路光学特性数据（曲线c）与现有技术所得的数据（曲线d）的曲线对比图。

图4是将液晶可变位相延迟器（LCVR）单独置于可见光-分光光度计光路的样品室中，利用自然光入射所实测得到关于液晶可变位相延迟器（LCVR）极化为圆偏振光后透过率曲线（曲线e）与现有技术所得曲线（曲线f）的对比图。

图5是线偏振光（P光或S光）入射至液晶可变位相延迟器（LCVR）前利用可见光-分光光度计的检偏模块实测得到的关于光学系统偏振度曲线（曲线h）与现有技术所得曲线（曲线i）的对比图。

具体实施方式

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。

本发明的极化分光合束变焦的光学系统首先将来自于投影物镜焦面上的物图像所发出的自然光（随机偏振态）通过极化分光器后同时转化成P光或同时转化成S光，即透射光路和反射光路具有相同的偏振态，透射光路和反射光路中的液晶可变位相延迟器（LCVR）将同步极化偏振光，分时输出左和右圆偏振光，透射光路和反射光路所形成的像将在银幕上基本重合，亮度大大提高，以往技术仅仅利用了透射光路一路的光能，而吸收掉反射光路中的能量，本发明充分利用了光能，使画面显示亮度相对已有技术方式提高了100%以上。观众只要佩戴具有1/4位相延迟膜和偏振片的眼镜，便能观看到画面的立体投影效果。

图1是本发明公开的一种用于立体投影的极化分光合束变焦的光学系统对应的光路图。总的来说，极化分光合束变焦的光学系统可以包括物图像101（如来自于DMD芯片或其它可以发出图像信息光的物）、极化分光器（包括第一三角棱镜103、第二三角棱镜104、第一平板玻璃105和第二平板玻璃106）、第一液晶可变位相延迟器107、第一透镜或透镜组108、第二透镜或透镜组109、平面反射镜110、第二液晶可变位相延迟器111。

总的来说，用于立体投影的极化分光合束变焦的光学系统的工作原理如下：由物图像（如来自于DMD芯片或其它可以发出图像信息光的物）101发出的随机偏振态的光束，通过放映物镜102后，出射的自然光继续向前传播，近似于平行光的光束通过该极化分光器后，被极化为两个不同方向传播的线偏振光，且两路光具有同一偏振态，即一束继续向前传播的P光（或S光），另一束为向上反射的P光（或S光），由于向上反射的光需要作转像传播到银幕上，所以要加入平面反射镜110作光束转折。假设没在光路中加入变焦透镜组（第一透镜或透镜组108和第二透镜或透镜组109），则透射光路和反射光路最终聚焦成像在银幕上的画面是大小不一致的，即反射光路投影到银幕的画面整体尺寸偏大，所以需要加入变焦透镜组使反射光路的光学垂轴放大率缩小，令银幕上显示两路投影画面大小一致，肉眼感觉就像只有一路光投射进来一样。通过上下移动变焦透镜组（第一透镜或透镜组108和第二透镜或透镜组109）的相对位置，可使画面整体大小发生变化，最终和透射光路图像匹配。反射光路中的P光（或S光）通过变焦透镜组（第一透镜或透镜组108和第二透镜或透镜组109）后，将要通过第二液晶可变位相延迟器111，此时其偏振态与即将通过第一液晶可变位相延迟器107的透射光路中的光束具有同一偏振态（即同为P光或同为S光）。该第一液晶可变位相延迟器107和第二液晶可变位相延迟器111的功能完全一致，可以通过电路时序产生不同幅值的脉冲电压来控制第一液晶可变位相延迟器107和第二液晶可变位相延迟器111中液晶盒的液晶分子偏转角度，不同的偏转角度对应不同的双折射等级，以对o光和e光产生不同的相位延迟值。即可通过设定适当的电压值令入射的线偏振光（P光或S光）通过第一液晶可变位相延迟器107或第二液晶可变位相延迟器111后，输出左圆偏振光或右圆偏振光，根据电路时序（一般3D立体电影帧频为144Hz，即按照时序一周期内输出左眼画面72幅，接着输出右眼画面72幅）分时输出左圆偏振光和右圆偏振光对应的电压幅值，左圆偏振光和右圆偏振光分别被调制产生左眼图像和右眼图像。从极化分光合束变焦的光学系统分时输出左圆偏振光或右圆偏振光，左圆偏振光或右圆偏振光将继续向前传播至银幕112（银幕一般采用具有保偏振态作用的金属银幕，增益1.8～2.4以上）成像，左圆偏振光或右圆偏振光将反射回来分时对应进入人的左眼和右眼，得到逼真的立体观看效果。

该放映物镜102即为放映机（或投影仪）内部的光学系统，也称为投影镜头，影院一般物镜的投射比在1.0～4.0:1，本发明中的光学系统均能适应此范围。

该极化分光器包括第一三角棱镜103、第二三角棱镜104、第一平板玻璃105和第二平板玻璃106，其中，该第一三角棱镜103、第二三角棱镜104、第一平板玻璃105和第二平板玻璃106上的每个通光表面均镀多层介质膜，膜层所用材料、厚度以及镀膜顺序由麦克斯韦方程组和干涉衍射理论求解所得，通过镀膜软件优化和试镀反复验证确定最优解。该第一三角棱镜103、第二三角棱镜104、第一平板玻璃105和第二平板玻璃106分别按图1的光路结构所示一一胶合（即该第一三角棱镜103的斜面和第二三角棱镜104的斜面相互贴合，第一平板玻璃105与第一三角棱镜103的出光面相互贴合，第二平板玻璃106与第二三角棱镜104的出光面相互贴合）。而且可以通过控制该第一平板玻璃105和第二平板玻璃106的材料和所镀膜系来使极化分光器同时透射和反射P光或S光。该第一平板玻璃105和第二平板玻璃106的材料可以是石英、鱼眼石和云母，在其表面镀减反膜系以及位相膜系。

相对于已有技术的偏振分束器，本发明中的极化分光器优势在于可使透射光束和反射光束离开极化分光器后具有同一偏振态，且在可见波段的透过率和反射率远远高于普通偏振分束器。如图2和图3所示，本发明中的极化分光器平均透过率高达99%，而常规偏振分束器平均透过率低于70%，在反射光路中极化分光器平均反射率高达96%，而常规偏振分束器平均反射率只在65%左右，远低于本发明的极化分光器性能，即本发明中的极化分光器对光能的平均利用率达到97.5%，扣除极化分光器与空气接触的通光面反射损失，极化分光器对光能的平均利用率也能达到97%，之所以能使通光表面的反射能量损失如此低，是因为本发明的每个光学元件均用物理光学原理求解得到最佳镀膜材料和厚度，使每个光学元件的光能损失大大降低。镀膜所用材料可以是氟化镁MgF₂、二氧化硅SiO₂、氧化铝Al₂O₃、二氧化钛TiO₂、二氧化锆ZrO₂，厚度约为λ/4，λ为膜系设计时所用波段的中心波长值，本发明采用520nm作为中心波长，优化设计时采用具有光学薄膜设计和分析功能的软件进行，例如采用美国RadiantZemax公司的光学软件ZEMAX进行优化设计。例如：本发明可采用氟化铝AlF₃和氟化镁MgF₂作最简单的双层减反膜，第一层为空气，第二层为氟化镁MgF₂，厚度614.2nm，第三层为氟化铝AlF₃，厚度596.5nm，第四层为材料基底，本发明的基底可采用任意牌号材料，只需按照对应的折射率作优化设计便能求解出初始结构。膜系层数越多，优化出来的效果越好，即减反性能越好，按照上述双层减反例子的基本原理，本发明也可采用10层以上的不同镀膜材料和厚度实现减反特性，使本光学系统的所有通光表面（反射镜表面除外）的可见波段平均反射率低于0.3%。

本发明中的极化分光器相对于平板型偏振分束器，优势还在于平板型偏振分束器由于两通光面倾斜摆放于光路中，大大地提高了赛得和系数，使光学系统的像差加大，而且在反射光路中，两倾斜表面均能反射光线，在像面（银幕上）产生鬼像，严重影响了光学系统的成像质量，使观众明显感觉画面模糊不清，降低用户体验效果。而本发明的极化分光器能克服这一缺点，使光学零件平行放置于光路中，使赛得和系数降低，光学系统的像差变大，而且无鬼像引入到银幕上，用户体验效果极佳。

变焦透镜组（第一透镜或透镜组108和第二透镜或透镜组109）属于光学变焦，补偿组属于光学补偿，相对于机械补偿的变焦光学透镜组，优势在于只需将补偿透镜组相对于固定透镜组作线性运动便能实现变焦功能。将第一透镜或透镜组108和第二透镜或透镜组109组成变焦透镜组是为了适应不同投影距离，因为投影距离不一样会导致透射光路和反射光路的垂轴放大率不同，为了使两路图像在银幕上显示的大小一致，需要对其中一路作变焦操作。本发明的其中一个优势在于将变焦透镜组（第一透镜或透镜组108和第二透镜或透镜组109）放置于反射光路中，因为如果放映机在未加入本发明极化分光合束变焦的光学系统前投影画面已经刚好充满整个银幕的话，此时加入极化分光合束变焦的光学系统，且将变焦透镜组（第一透镜或透镜组108和第二透镜或透镜组109）摆放于该第一平板玻璃105与第一液晶可变位相延迟器107之间，则会导致反射光路的垂轴放大率大于透射光路垂轴放大率，即反射光路的画面边缘区域将会超出银幕有效区域，导致边缘画面无法被人眼察看。而透射光路为了和反射光路的垂轴放大率一致，必须调节变焦透镜组中的补偿组，使透射光路的画面也逐渐变大，直到与反射光路的画面等大。这将导致两路画面的边缘区域都超出银幕有效区域，必须再通过放映机自身的光学系统作光学变焦才能将两路画面整体缩小直至刚好充满银幕。这将导致一个致命的影响就是，播放2D片源与3D片源的焦距不一致，需要反复切换镜头的变焦系数，繁琐的操作并不人性化，增加了放映人员的工作量。而本发明可改变这种做法，直接将变焦透镜组（第一透镜或透镜组108和第二透镜或透镜组109）摆放在图1所示位置，这样透射光路的垂轴放大率将与播放2D片源时一致，即透射光路投影至银幕的画面刚好充满银幕，而反射光路的垂轴放大率要比透射光路略大（在未进行透镜组变焦前）。为了将反射光路中的投影画面缩小至刚好充满银幕，需要将变焦透镜组（第一透镜或透镜组108和第二透镜或透镜组109）作变焦操作，缓慢调节补偿组作线性运动直至两路画面等大重合。

该变焦透镜组中的第一透镜或透镜组108和第二透镜或透镜组109可通过一阶光学原理和初级像差理论联立求解得到第一透镜或透镜组108和第二透镜或透镜组109的初始结构，第一透镜或透镜组108和第二透镜或透镜组109可将其任一组作为变焦组，另一组作为补偿组，只需进一步利用变焦光学系统相关理论联立微分方程组便能得到初始解，再利用光学软件反复优化使本发明中的光学变焦系统能匹配不同影院的不同投影距离以及投射比。

本发明中的平面反射镜110基板采用化学和物理稳定性极佳的光学玻璃，在该光学玻璃的超光滑表面上镀金属介质膜，可见光波段反射率高达99%，而普通表面镀铝反射镜平均反射率只有85%左右，换言之，光能将进一步损失15%，而本发明所用反射镜只有1%能量损失，对最终银幕显示的画面亮度有很大的提升。

本发明中的第一液晶可变位相延迟器107和第二液晶可变位相延迟器111具有优良的均匀性，低的光损失和低波前畸变，还具备快速响应时间，工作的温度范围宽，并且工作波长范围宽。该第一液晶可变位相延迟器107和第二液晶可变位相延迟器111均由填满液晶(LC)分子溶液的透明盒组成，可作为可变波片。透明盒的两个平行面镀有透明导电膜，可在盒上施加电压。在未加电压的情况下，液晶分子的取向由配向膜决定。加上交流电压后，液晶分子会根据所加电压的均方根值改变默认取向。因此，线偏振光束的位相延迟值可通过改变所加的电压进行主动控制。液晶可变位相延迟器具有极短的响应时间，达到微秒量级，换言之，在通常状况下液晶可变位相延迟器（LCVR）从低双折射率到高双折射率的转换速度非常快。极快的响应速度，使液晶可变位相延迟器调制左右眼图像时的切换速度更快，黑场时间更短，串扰更小，银幕上显示的画面亮度更高。本发明将第一液晶可变位相延迟器107和第二液晶可变位相延迟器111摆放在光路最外侧优势在于，让液晶层表面单位面积接受的光照度更低更均匀，即液晶分子单位面积吸收部分光能产生的温度上升更小，而液晶分子是对温度非常敏感的材料，随着温度的升高，材料密度降低，延迟性也随之降低。并且，液晶材料的粘度在高温下会变低，使液晶可变位相延迟器（LCVR）在粘度降低的情况下会轻易地从一个状态转换到另一个状态，导致左右眼位相延迟错乱，即会导致左右眼画面出现串扰的现象。所以将第一液晶可变位相延迟器107和第二液晶可变位相延迟器111摆放在光路最外侧可以使液晶可变位相延迟器（LCVR）的均匀性和对比度以及相位延迟均有最佳的表现。

如图4所示，将第一液晶可变位相延迟器107和第二液晶可变位相延迟器111单独置于可见光-分光光度计样品室中，测得第一液晶可变位相延迟器107和第一液晶可变位相延迟器111将自然光极化为圆偏振光的透过率曲线，对比已有技术所得的透过率曲线，明显得出其透过率比本发明的液晶可变位相延迟器要低，并且在蓝光和红光波段透过率更大大下降，这将会导致画面色度值出现偏移，而本发明中的液晶可变位相延迟器几乎不会出现偏色情况。

在极化分光合束变焦光学系统的光路中，由图5的入射到液晶可变位相延迟器的液晶盒前的线偏振光的偏振度与已有技术所得的偏振度曲线对比图可知，本发明中的偏振度可高达99.999%，远高于已有技术的偏振度数值，更高的偏振度，意味着更纯的线偏振光进入液晶可变位相延迟器，被调制出更纯的左右眼图像，使左右眼画面的串扰更小，立体效果更逼真。

在本发明实施例中，极化分光器可将输入的自然光在透射光路中输出P光或S光，同时在反射光路中输出P光或S光，使两光路具有同一偏振态。而反射光路中的第一透镜或透镜组和第二透镜或透镜组构成变焦透镜组，可使反射光路在银幕上的像放大或缩小，使其垂轴放大率与透射光路一致，即两光路的像大小一致。在反射光路中的平面反射镜具有转像的作用，通过调节平面反射镜、第一透镜或透镜组和第二透镜或透镜组可使两路画面完全重合。透射光路中的第一液晶可变位相延迟器和反射光路中的第二液晶可变位相延迟器具有相同的功能，就是可以使输入的线偏振光产生双折射效应，利用电压控制液晶分子的扭转角度以达到输出o光与e光任意位相差值的作用。本发明中只需要使o、e光分时输出±1/4λ光程差便能实现立体显示效果，且控制液晶可变位相延迟器的电路时序与放映机输出的3D信号需要同步，即线偏振光通过液晶可变位相延迟器后便能分时产生左、右圆偏振光。

在一些实施中，本发明的第一透镜或透镜组108和第二透镜或透镜组109可放置在透射光路的极化分光器与第二液晶可变位相延迟器111之间，其作用也是构成变焦透镜组，使两路画面等大重合。

另外，本发明中的极化分光器相对于普通的偏振分束器，优势在于其能将透射和反射两路光线极化为相同偏振态，而普通的偏振分束器只能将透射光极化为P光，而反射光极化为S光，本发明可同时极化为P光或同时极化为S光，使光学系统的结构更为紧凑合理。

总的来说，本发明关于极化分光合束变焦光学系统用于立体投影的设计和方法包括在极化分光器接收随机偏振态的图像物光。上述方法包括在极化分光器向透射光路传播P或S偏振态的光线。还包括在极化分光器向反射光路传播P或S偏振态的光线。而且上述两光路所传输的光束具有相同的偏振态，即同时为P光或同时为S光。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。