用于立體投影的光學(xué)系統(tǒng)及進(jìn)行立體投影的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于立體投影的光學(xué)系統(tǒng)，其包括物圖像和放映物鏡，所述光學(xué)系統(tǒng)具有透射光路和反射光路；在所述透射光路上，所述光學(xué)系統(tǒng)包括一極化分光器和第一液晶可變位相延遲器；在所述反射光路上，所述光學(xué)系統(tǒng)包括所述極化分光器、第一透鏡或透鏡組、第二透鏡或透鏡組、具有轉(zhuǎn)像作用的平面反射鏡以及第二液晶可變位相延遲器；其中，所述極化分光器包括第一三角棱鏡、第二三角棱鏡、第一平板玻璃和第二平板玻璃。本發(fā)明還提供了一種進(jìn)行立體投影的方法。該光學(xué)系統(tǒng)可將自然光97%以上的能量極化為線偏振光，大大提高畫面亮度和立體顯示逼真度。
【專利說明】用于立體投影的光學(xué)系統(tǒng)及進(jìn)行立體投影的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及3D立體投影顯示領(lǐng)域，更具體地涉及一種用于立體投影的光學(xué)系統(tǒng)及進(jìn)行立體投影的方法，該光學(xué)系統(tǒng)可將自然光97%以上的能量極化為線偏振光，大大提高畫面亮度和立體顯示逼真度。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著2009年阿凡達(dá)3D立體電影的首映，世界大范圍內(nèi)均響起3D熱潮，目前大部分影院均支持3D播放,其中以顯示芯片為德州儀器DMD (Digital Micro mirror Device,數(shù)字微鏡元件)的DLP (Digital Light Procession，數(shù)字光處理)放映機(jī)為大多數(shù)影院所采用。由于其所用光源為氙燈，所發(fā)出的光線為自然光，即偏振態(tài)為隨機(jī)產(chǎn)生的，而實(shí)現(xiàn)立體顯示需要將其極化為線偏振光,然后用液晶可變位相延遲器(Liquid Crystal VariableRetarder，簡稱LCVR)對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，然后左右眼圖像分時(shí)進(jìn)入左右眼，以達(dá)到立體顯示的效果。由于傳統(tǒng)產(chǎn)生線偏振光的方法是在投影物鏡前直接加入二向色性偏振片，二向色性偏振片會(huì)對(duì)平行于吸收軸的電矢量光線進(jìn)行吸收，即將有55%以上的光能量被偏振片吸收，這將大大降低銀幕的顯示亮度。
[0003]由于放映機(jī)持續(xù)播放畫面，即出射的55%以上光能量會(huì)持續(xù)被偏振片吸收，這將會(huì)導(dǎo)致偏振片升溫，其偏振度等性能會(huì)降低，甚至導(dǎo)致?lián)p壞。而且一般偏振片會(huì)附在液晶可變位相延遲器表面，這將導(dǎo)致液晶盒中的液晶分子也會(huì)吸收大部分熱量，而液晶分子是對(duì)溫度非常敏感的物質(zhì)，這將會(huì)影響其雙折射系數(shù)，導(dǎo)致其極化O，e光的光程差也會(huì)改變甚至失效，進(jìn)而影響銀幕顯示的立體畫面效果。
[0004]由于能量損失55%以上，為了提高顯示亮度，影院會(huì)采用更高功率的氙燈，大大提高了成本，而且更高的氙燈功率，將會(huì)導(dǎo)致更多的能量被偏振片吸收，使偏振片和液晶盒更容易損壞。而偏振片的偏振度等參數(shù)急劇下降，將使左右眼畫面串?dāng)_加劇，3D立體顯示效果大大下降，這將會(huì)陷入惡性循環(huán)的怪圈。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種用于立體投影的極化分光合束變焦的光學(xué)系統(tǒng)和進(jìn)行立體投影的方法，該光學(xué)系統(tǒng)使投影物鏡出射的光能盡量多地轉(zhuǎn)化成偏振光，比只用二向色性偏振片和液晶可變位相延遲器(LCVR)的系統(tǒng)亮度要提高100%以上。
[0006]解決本發(fā)明的技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供一種用于立體投影的光學(xué)系統(tǒng)，其包括物圖像和放映物鏡，所述光學(xué)系統(tǒng)具有透射光路和反射光路；在所述透射光路上，所述光學(xué)系統(tǒng)包括一極化分光器和第一液晶可變位相延遲器；在所述反射光路上，所述光學(xué)系統(tǒng)包括所述極化分光器、第一透鏡或透鏡組、第二透鏡或透鏡組、具有轉(zhuǎn)像作用的平面反射鏡以及第二液晶可變位相延遲器；其中，所述極化分光器包括第一三角棱鏡、第二三角棱鏡、第一平板玻璃和第二平板玻璃；所述極化分光器將輸入的自然光在透射光路中輸出P光或S光，同時(shí)在反射光路中輸出P光或S光,使兩光路具有同一偏振態(tài)；在所述反射光路中的第一透鏡或透鏡組和第二透鏡或透鏡組構(gòu)成變焦透鏡組，可使反射光路在銀幕上的像放大或縮小，使其垂軸放大率與所述透射光路一致；在所述反射光路中，通過調(diào)節(jié)所述平面反射鏡、第一透鏡或透鏡組和第二透鏡或透鏡組使兩路畫面完全重合；在所述透射光路中的所述第一液晶可變位相延遲器和在所述反射光路中的所述第二液晶可變位相延遲器都是使輸入的線偏振光產(chǎn)生雙折射效應(yīng)，利用電壓控制液晶分子的扭轉(zhuǎn)角度以達(dá)到輸出O光與e光任意位相差值。
[0007]在本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述第一透鏡或透鏡組和第二透鏡或透鏡組放置在透射光路的極化分光器與第二液晶可變位相延遲器之間，以構(gòu)成變焦透鏡組使兩路畫面等大重合。
[0008]在本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述第一三角棱鏡的斜面和所述第二三角棱鏡的斜面相互貼合，所述第一平板玻璃與所述第一三角棱鏡的出光面相互貼合，所述第二平板玻璃與所述第二三角棱鏡的出光面相互貼合。
[0009]在本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)中，優(yōu)選地,所述第一三角棱鏡、第二三角棱鏡、第一平板玻璃和第二平板玻璃的通光表面均鍍多層介質(zhì)膜。
[0010]在本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述平面反射鏡基板采用化學(xué)和物理穩(wěn)定性佳的光學(xué)玻璃，在所述光學(xué)玻璃的超光滑表面上鍍金屬介質(zhì)膜。
[0011]解決本發(fā)明的技術(shù)問題所采用的另一技術(shù)方案是:提供一種進(jìn)行立體投影的方法，其包括如下步驟:
[0012]由物圖像發(fā)出的隨機(jī)偏振態(tài)的光束，通過放映物鏡后，出射的光束繼續(xù)向前傳播，光束通過極化分光器后，被所述極化分光器極化形成為透射光路和反射光路；
[0013]在所述反射光路上依次設(shè)置有變焦透鏡組、平面反射鏡及第一液晶可變位相延遲器，并且，在所述透射光路上設(shè)置有第一液晶可變位相延遲器，從而使得所述透射光路和反射光路最終聚焦成像在銀幕上的畫面大小一致；
[0014]在所述透射光路中的所述第一液晶可變位相延遲器和在所述反射光路中的所述第二液晶可變位相延遲器都是使輸入的線偏振光產(chǎn)生雙折射效應(yīng)，利用電壓控制液晶分子的扭轉(zhuǎn)角度以達(dá)到輸出ο光與e光任意位相差值。
[0015]在本發(fā)明的方法中，優(yōu)選地，所述極化分光器包括第一三角棱鏡、第二三角棱鏡、第一平板玻璃和第二平板玻璃。
[0016]在本發(fā)明的方法中，優(yōu)選地，所述第一三角棱鏡、第二三角棱鏡、第一平板玻璃和第二平板玻璃的通光表面均鍍多層介質(zhì)膜。
[0017]在本發(fā)明的方法中，優(yōu)選地，將所述第一三角棱鏡的斜面和所述第二三角棱鏡的斜面相互貼合，將所述第一平板玻璃與所述第一三角棱鏡的出光面相互貼合，將所述第二平板玻璃與所述第二三角棱鏡的出光面相互貼合。
[0018]在本發(fā)明的方法中，優(yōu)選地，所述變焦透鏡組包括放置在透射光路的極化分光器與第二液晶可變位相延遲器之間的第一透鏡或透鏡組和第二透鏡或透鏡組。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于:在本發(fā)明中引入極化分光器將使光學(xué)系統(tǒng)的偏振度更高，達(dá)到99.999%以上，使左右眼畫面串?dāng)_率更低，3D立體顯示效果更佳，使影院觀眾的用戶體驗(yàn)大大提高。另外，由于本發(fā)明引入極化分光器使LCVR組件里的液晶盒吸收的熱量大大下降(傳統(tǒng)方式液晶盒將吸收50%以上熱量，而本發(fā)明可使液晶盒吸收熱量降低到2%以下)，液晶分子在正常溫度內(nèi)穩(wěn)定工作，LCVR極化線偏振光為左或右圓偏振光，銀幕顯示畫面立體效果能穩(wěn)定保持，使系統(tǒng)可靠運(yùn)行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中:
[0021]圖1是本發(fā)明的一種用于立體投影的光學(xué)系統(tǒng)的光路圖。
[0022]圖2是利用可見光-分光光度計(jì)實(shí)測所得極化分光器透射光路光學(xué)特性數(shù)據(jù)(曲線a)與現(xiàn)有技術(shù)所得的數(shù)據(jù)(曲線b)的曲線對(duì)比圖。
[0023]圖3是利用可見光-分光光度計(jì)實(shí)測所得的極化分光器反射光路光學(xué)特性數(shù)據(jù)(曲線c)與現(xiàn)有技術(shù)所得的數(shù)據(jù)(曲線d)的曲線對(duì)比圖。
[0024]圖4是將液晶可變位相延遲器(LCVR)單獨(dú)置于可見光-分光光度計(jì)光路的樣品室中，利用自然光入射所實(shí)測得到關(guān)于液晶可變位相延遲器(LCVR)極化為圓偏振光后透過率曲線(曲線e)與現(xiàn)有技術(shù)所得曲線(曲線f)的對(duì)比圖。
[0025]圖5是線偏振光(P光或S光)入射至液晶可變位相延遲器(LCVR)前利用可見光-分光光度計(jì)的檢偏模塊實(shí)測得到的關(guān)于光學(xué)系統(tǒng)偏振度曲線(曲線h)與現(xiàn)有技術(shù)所得曲線(曲線i)的對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0027]本發(fā)明的極化分光合束變焦的光學(xué)系統(tǒng)首先將來自于投影物鏡焦面上的物圖像所發(fā)出的自然光(隨機(jī)偏振態(tài))通過極化分光器后同時(shí)轉(zhuǎn)化成P光或同時(shí)轉(zhuǎn)化成S光，SP透射光路和反射光路具有相同的偏振態(tài)，透射光路和反射光路中的液晶可變位相延遲器(LCVR)將同步極化偏振光，分時(shí)輸出左和右圓偏振光，透射光路和反射光路所形成的像將在銀幕上基本重合，亮度大大提高，以往技術(shù)僅僅利用了透射光路一路的光能，而吸收掉反射光路中的能量，本發(fā)明充分利用了光能，使畫面顯示亮度相對(duì)已有技術(shù)方式提高了 100%以上。觀眾只要佩戴具有1/4位相延遲膜和偏振片的眼鏡，便能觀看到畫面的立體投影效果O
[0028]圖1是本發(fā)明公開的一種用于立體投影的極化分光合束變焦的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的光路圖?？偟膩碚f，極化分光合束變焦的光學(xué)系統(tǒng)可以包括物圖像101(如來自于DMD芯片或其它可以發(fā)出圖像信息光的物)、極化分光器(包括第一三角棱鏡103、第二三角棱鏡104、第一平板玻璃105和第二平板玻璃106)、第一液晶可變位相延遲器107、第一透鏡或透鏡組108、第二透鏡或透鏡組109、平面反射鏡110、第二液晶可變位相延遲器111。
[0029]總的來說，用于立體投影的極化分光合束變焦的光學(xué)系統(tǒng)的工作原理如下:由物圖像(如來自于DMD芯片或其它可以發(fā)出圖像信息光的物)101發(fā)出的隨機(jī)偏振態(tài)的光束，通過放映物鏡102后，出射的自然光繼續(xù)向前傳播，近似于平行光的光束通過該極化分光器后，被極化為兩個(gè)不同方向傳播的線偏振光，且兩路光具有同一偏振態(tài)，即一束繼續(xù)向前傳播的P光(或S光)，另一束為向上反射的P光(或S光)，由于向上反射的光需要作轉(zhuǎn)像傳播到銀幕上，所以要加入平面反射鏡110作光束轉(zhuǎn)折。假設(shè)沒在光路中加入變焦透鏡組(第一透鏡或透鏡組108和第二透鏡或透鏡組109)，則透射光路和反射光路最終聚焦成像在銀幕上的畫面是大小不一致的，即反射光路投影到銀幕的畫面整體尺寸偏大，所以需要加入變焦透鏡組使反射光路的光學(xué)垂軸放大率縮小，令銀幕上顯示兩路投影畫面大小一致，肉眼感覺就像只有一路光投射進(jìn)來一樣。通過上下移動(dòng)變焦透鏡組(第一透鏡或透鏡組108和第二透鏡或透鏡組109)的相對(duì)位置，可使畫面整體大小發(fā)生變化，最終和透射光路圖像匹配。反射光路中的P光(或S光)通過變焦透鏡組(第一透鏡或透鏡組108和第二透鏡或透鏡組109)后，將要通過第二液晶可變位相延遲器111，此時(shí)其偏振態(tài)與即將通過第一液晶可變位相延遲器107的透射光路中的光束具有同一偏振態(tài)(即同為P光或同為S光)。該第一液晶可變位相延遲器107和第二液晶可變位相延遲器111的功能完全一致，可以通過電路時(shí)序產(chǎn)生不同幅值的脈沖電壓來控制第一液晶可變位相延遲器107和第二液晶可變位相延遲器111中液晶盒的液晶分子偏轉(zhuǎn)角度，不同的偏轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)不同的雙折射等級(jí)，以對(duì)ο光和e光產(chǎn)生不同的相位延遲值。即可通過設(shè)定適當(dāng)?shù)碾妷褐盗钊肷涞木€偏振光(P光或S光)通過第一液晶可變位相延遲器107或第二液晶可變位相延遲器111后，輸出左圓偏振光或右圓偏振光，根據(jù)電路時(shí)序(一般3D立體電影幀頻為144Hz，即按照時(shí)序一周期內(nèi)輸出左眼畫面72幅，接著輸出右眼畫面72幅)分時(shí)輸出左圓偏振光和右圓偏振光對(duì)應(yīng)的電壓幅值，左圓偏振光和右圓偏振光分別被調(diào)制產(chǎn)生左眼圖像和右眼圖像。從極化分光合束變焦的光學(xué)系統(tǒng)分時(shí)輸出左圓偏振光或右圓偏振光，左圓偏振光或右圓偏振光將繼續(xù)向前傳播至銀幕112 (銀幕一般采用具有保偏振態(tài)作用的金屬銀幕，增益1.8?2.4以上)成像，左圓偏振光或右圓偏振光將反射回來分時(shí)對(duì)應(yīng)進(jìn)入人的左眼和右眼，得到逼真的立體觀看效果。
[0030]該放映物鏡102即為放映機(jī)(或投影儀)內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)，也稱為投影鏡頭，影院一般物鏡的投射比在1.0?4.0:1，本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)均能適應(yīng)此范圍。
[0031]該極化分光器包括第一三角棱鏡103、第二三角棱鏡104、第一平板玻璃105和第二平板玻璃106，其中，該第一三角棱鏡103、第二三角棱鏡104、第一平板玻璃105和第二平板玻璃106上的每個(gè)通光表面均鍍多層介質(zhì)膜，膜層所用材料、厚度以及鍍膜順序由麥克斯韋方程組和干涉衍射理論求解所得，通過鍍膜軟件優(yōu)化和試鍍反復(fù)驗(yàn)證確定最優(yōu)解。該第一三角棱鏡103、第二三角棱鏡104、第一平板玻璃105和第二平板玻璃106分別按圖1的光路結(jié)構(gòu)所示一一膠合(即該第一三角棱鏡103的斜面和第二三角棱鏡104的斜面相互貼合,第一平板玻璃105與第一三角棱鏡103的出光面相互貼合,第二平板玻璃106與第二三角棱鏡104的出光面相互貼合)。而且可以通過控制該第一平板玻璃105和第二平板玻璃106的材料和所鍍膜系來使極化分光器同時(shí)透射和反射P光或S光。該第一平板玻璃105和第二平板玻璃106的材料可以是石英、魚眼石和云母，在其表面鍍減反膜系以及位相月旲系。
[0032]相對(duì)于已有技術(shù)的偏振分束器,本發(fā)明中的極化分光器優(yōu)勢在于可使透射光束和反射光束離開極化分光器后具有同一偏振態(tài)，且在可見波段的透過率和反射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通偏振分束器。如圖2和圖3所示，本發(fā)明中的極化分光器平均透過率高達(dá)99%，而常規(guī)偏振分束器平均透過率低于70%，在反射光路中極化分光器平均反射率高達(dá)96%，而常規(guī)偏振分束器平均反射率只在65%左右，遠(yuǎn)低于本發(fā)明的極化分光器性能，即本發(fā)明中的極化分光器對(duì)光能的平均利用率達(dá)到97.5%，扣除極化分光器與空氣接觸的通光面反射損失，極化分光器對(duì)光能的平均利用率也能達(dá)到97%，之所以能使通光表面的反射能量損失如此低，是因?yàn)楸景l(fā)明的每個(gè)光學(xué)元件均用物理光學(xué)原理求解得到最佳鍍膜材料和厚度，使每個(gè)光學(xué)元件的光能損失大大降低。鍍膜所用材料可以是氟化鎂MgF2、二氧化硅SiO2、氧化鋁A1203、二氧化鈦TiO2、二氧化鋯ZrO2，厚度約為λ/4，λ為膜系設(shè)計(jì)時(shí)所用波段的中心波長值，本發(fā)明采用520nm作為中心波長，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)采用具有光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)和分析功能的軟件進(jìn)行，例如采用美國Radiant Zemax公司的光學(xué)軟件ZEMAX進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如:本發(fā)明可采用氟化鋁AlF3和氟化鎂MgFjt最簡單的雙層減反膜，第一層為空氣，第二層為氟化鎂MgF2,厚度614.2nm，第三層為氟化鋁AlF3，厚度596.5nm，第四層為材料基底，本發(fā)明的基底可采用任意牌號(hào)材料，只需按照對(duì)應(yīng)的折射率作優(yōu)化設(shè)計(jì)便能求解出初始結(jié)構(gòu)。膜系層數(shù)越多，優(yōu)化出來的效果越好，即減反性能越好，按照上述雙層減反例子的基本原理，本發(fā)明也可采用10層以上的不同鍍膜材料和厚度實(shí)現(xiàn)減反特性，使本光學(xué)系統(tǒng)的所有通光表面(反射鏡表面除外)的可見波段平均反射率低于0.3%。
[0033]本發(fā)明中的極化分光器相對(duì)于平板型偏振分束器，優(yōu)勢還在于平板型偏振分束器由于兩通光面傾斜擺放于光路中，大大地提高了賽得和系數(shù)，使光學(xué)系統(tǒng)的像差加大，而且在反射光路中，兩傾斜表面均能反射光線，在像面(銀幕上)產(chǎn)生鬼像，嚴(yán)重影響了光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，使觀眾明顯感覺畫面模糊不清，降低用戶體驗(yàn)效果。而本發(fā)明的極化分光器能克服這一缺點(diǎn)，使光學(xué)零件平行放置于光路中，使賽得和系數(shù)降低，光學(xué)系統(tǒng)的像差變大，而且無鬼像引入到銀幕上，用戶體驗(yàn)效果極佳。
[0034]變焦透鏡組(第一透鏡或透鏡組108和第二透鏡或透鏡組109)屬于光學(xué)變焦，補(bǔ)償組屬于光學(xué)補(bǔ)償，相對(duì)于機(jī)械補(bǔ)償?shù)淖兘构鈱W(xué)透鏡組，優(yōu)勢在于只需將補(bǔ)償透鏡組相對(duì)于固定透鏡組作線性運(yùn)動(dòng)便能實(shí)現(xiàn)變焦功能。將第一透鏡或透鏡組108和第二透鏡或透鏡組109組成變焦透鏡組是為了適應(yīng)不同投影距離，因?yàn)橥队熬嚯x不一樣會(huì)導(dǎo)致透射光路和反射光路的垂軸放大率不同，為了使兩路圖像在銀幕上顯示的大小一致，需要對(duì)其中一路作變焦操作。本發(fā)明的其中一個(gè)優(yōu)勢在于將變焦透鏡組(第一透鏡或透鏡組108和第二透鏡或透鏡組109)放置于反射光路中，因?yàn)槿绻庞硻C(jī)在未加入本發(fā)明極化分光合束變焦的光學(xué)系統(tǒng)前投影畫面已經(jīng)剛好充滿整個(gè)銀幕的話，此時(shí)加入極化分光合束變焦的光學(xué)系統(tǒng)，且將變焦透鏡組(第一透鏡或透鏡組108和第二透鏡或透鏡組109)擺放于該第一平板玻璃105與第一液晶可變位相延遲器107之間，則會(huì)導(dǎo)致反射光路的垂軸放大率大于透射光路垂軸放大率，即反射光路的畫面邊緣區(qū)域?qū)?huì)超出銀幕有效區(qū)域，導(dǎo)致邊緣畫面無法被人眼察看。而透射光路為了和反射光路的垂軸放大率一致，必須調(diào)節(jié)變焦透鏡組中的補(bǔ)償組，使透射光路的畫面也逐漸變大，直到與反射光路的畫面等大。這將導(dǎo)致兩路畫面的邊緣區(qū)域都超出銀幕有效區(qū)域，必須再通過放映機(jī)自身的光學(xué)系統(tǒng)作光學(xué)變焦才能將兩路畫面整體縮小直至剛好充滿銀幕。這將導(dǎo)致一個(gè)致命的影響就是，播放2D片源與3D片源的焦距不一致，需要反復(fù)切換鏡頭的變焦系數(shù)，繁瑣的操作并不人性化，增加了放映人員的工作量。而本發(fā)明可改變這種做法，直接將變焦透鏡組(第一透鏡或透鏡組108和第二透鏡或透鏡組109)擺放在圖1所示位置，這樣透射光路的垂軸放大率將與播放2D片源時(shí)一致，即透射光路投影至銀幕的畫面剛好充滿銀幕，而反射光路的垂軸放大率要比透射光路略大(在未進(jìn)行透鏡組變焦前)。為了將反射光路中的投影畫面縮小至剛好充滿銀幕，需要將變焦透鏡組(第一透鏡或透鏡組108和第二透鏡或透鏡組109)作變焦操作，緩慢調(diào)節(jié)補(bǔ)償組作線性運(yùn)動(dòng)直至兩路畫面等大重合。
[0035]該變焦透鏡組中的第一透鏡或透鏡組108和第二透鏡或透鏡組109可通過一階光學(xué)原理和初級(jí)像差理論聯(lián)立求解得到第一透鏡或透鏡組108和第二透鏡或透鏡組109的初始結(jié)構(gòu)，第一透鏡或透鏡組108和第二透鏡或透鏡組109可將其任一組作為變焦組，另一組作為補(bǔ)償組，只需進(jìn)一步利用變焦光學(xué)系統(tǒng)相關(guān)理論聯(lián)立微分方程組便能得到初始解，再利用光學(xué)軟件反復(fù)優(yōu)化使本發(fā)明中的光學(xué)變焦系統(tǒng)能匹配不同影院的不同投影距離以及投射比。
[0036]本發(fā)明中的平面反射鏡110基板米用化學(xué)和物理穩(wěn)定性極佳的光學(xué)玻璃,在該光學(xué)玻璃的超光滑表面上鍍金屬介質(zhì)膜，可見光波段反射率高達(dá)99%，而普通表面鍍鋁反射鏡平均反射率只有85%左右，換言之，光能將進(jìn)一步損失15%，而本發(fā)明所用反射鏡只有1%能量損失，對(duì)最終銀幕顯示的畫面亮度有很大的提升。
[0037]本發(fā)明中的第一液晶可變位相延遲器107和第二液晶可變位相延遲器111具有優(yōu)良的均勻性，低的光損失和低波前畸變，還具備快速響應(yīng)時(shí)間，工作的溫度范圍寬，并且工作波長范圍寬。該第一液晶可變位相延遲器107和第二液晶可變位相延遲器111均由填滿液晶(LC)分子溶液的透明盒組成，可作為可變波片。透明盒的兩個(gè)平行面鍍有透明導(dǎo)電膜，可在盒上施加電壓。在未加電壓的情況下，液晶分子的取向由配向膜決定。加上交流電壓后，液晶分子會(huì)根據(jù)所加電壓的均方根值改變默認(rèn)取向。因此，線偏振光束的位相延遲值可通過改變所加的電壓進(jìn)行主動(dòng)控制。液晶可變位相延遲器具有極短的響應(yīng)時(shí)間，達(dá)到微秒量級(jí)，換言之，在通常狀況下液晶可變位相延遲器(LCVR)從低雙折射率到高雙折射率的轉(zhuǎn)換速度非?？?。極快的響應(yīng)速度，使液晶可變位相延遲器調(diào)制左右眼圖像時(shí)的切換速度更快，黑場時(shí)間更短，串?dāng)_更小，銀幕上顯示的畫面亮度更高。本發(fā)明將第一液晶可變位相延遲器107和第二液晶可變位相延遲器111擺放在光路最外側(cè)優(yōu)勢在于，讓液晶層表面單位面積接受的光照度更低更均勻，即液晶分子單位面積吸收部分光能產(chǎn)生的溫度上升更小，而液晶分子是對(duì)溫度非常敏感的材料，隨著溫度的升高，材料密度降低，延遲性也隨之降低。并且，液晶材料的粘度在高溫下會(huì)變低，使液晶可變位相延遲器(LCVR)在粘度降低的情況下會(huì)輕易地從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài)，導(dǎo)致左右眼位相延遲錯(cuò)亂，即會(huì)導(dǎo)致左右眼畫面出現(xiàn)串?dāng)_的現(xiàn)象。所以將第一液晶可變位相延遲器107和第二液晶可變位相延遲器111擺放在光路最外側(cè)可以使液晶可變位相延遲器(LCVR)的均勻性和對(duì)比度以及相位延遲均有最佳的表現(xiàn)。
[0038]如圖4所示，將第一液晶可變位相延遲器107和第二液晶可變位相延遲器111單獨(dú)置于可見光-分光光度計(jì)樣品室中，測得第一液晶可變位相延遲器107和第一液晶可變位相延遲器111將自然光極化為圓偏振光的透過率曲線，對(duì)比已有技術(shù)所得的透過率曲線，明顯得出其透過率比本發(fā)明的液晶可變位相延遲器要低，并且在藍(lán)光和紅光波段透過率更大大下降，這將會(huì)導(dǎo)致畫面色度值出現(xiàn)偏移，而本發(fā)明中的液晶可變位相延遲器幾乎不會(huì)出現(xiàn)偏色情況。
[0039]在極化分光合束變焦光學(xué)系統(tǒng)的光路中，由圖5的入射到液晶可變位相延遲器的液晶盒前的線偏振光的偏振度與已有技術(shù)所得的偏振度曲線對(duì)比圖可知，本發(fā)明中的偏振度可高達(dá)99.999%，遠(yuǎn)高于已有技術(shù)的偏振度數(shù)值，更高的偏振度，意味著更純的線偏振光進(jìn)入液晶可變位相延遲器，被調(diào)制出更純的左右眼圖像，使左右眼畫面的串?dāng)_更小，立體效果更逼真。
[0040]在本發(fā)明實(shí)施例中，極化分光器可將輸入的自然光在透射光路中輸出P光或S光，同時(shí)在反射光路中輸出P光或S光,使兩光路具有同一偏振態(tài)。而反射光路中的第一透鏡或透鏡組和第二透鏡或透鏡組構(gòu)成變焦透鏡組，可使反射光路在銀幕上的像放大或縮小，使其垂軸放大率與透射光路一致，即兩光路的像大小一致。在反射光路中的平面反射鏡具有轉(zhuǎn)像的作用，通過調(diào)節(jié)平面反射鏡、第一透鏡或透鏡組和第二透鏡或透鏡組可使兩路畫面完全重合。透射光路中的第一液晶可變位相延遲器和反射光路中的第二液晶可變位相延遲器具有相同的功能，就是可以使輸入的線偏振光產(chǎn)生雙折射效應(yīng)，利用電壓控制液晶分子的扭轉(zhuǎn)角度以達(dá)到輸出ο光與e光任意位相差值的作用。本發(fā)明中只需要使o、e光分時(shí)輸出±1/4 λ光程差便能實(shí)現(xiàn)立體顯示效果，且控制液晶可變位相延遲器的電路時(shí)序與放映機(jī)輸出的3D信號(hào)需要同步，即線偏振光通過液晶可變位相延遲器后便能分時(shí)產(chǎn)生左、右圓偏振光。
[0041]在一些實(shí)施中，本發(fā)明的第一透鏡或透鏡組108和第二透鏡或透鏡組109可放置在透射光路的極化分光器與第二液晶可變位相延遲器111之間，其作用也是構(gòu)成變焦透鏡組，使兩路畫面等大重合。
[0042]另外，本發(fā)明中的極化分光器相對(duì)于普通的偏振分束器，優(yōu)勢在于其能將透射和反射兩路光線極化為相同偏振態(tài)，而普通的偏振分束器只能將透射光極化為P光，而反射光極化為S光,本發(fā)明可同時(shí)極化為P光或同時(shí)極化為S光,使光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為緊湊合理。
[0043]總的來說，本發(fā)明關(guān)于極化分光合束變焦光學(xué)系統(tǒng)用于立體投影的設(shè)計(jì)和方法包括在極化分光器接收隨機(jī)偏振態(tài)的圖像物光。上述方法包括在極化分光器向透射光路傳播P或S偏振態(tài)的光線。還包括在極化分光器向反射光路傳播P或S偏振態(tài)的光線。而且上述兩光路所傳輸?shù)墓馐哂邢嗤钠駪B(tài)，即同時(shí)為P光或同時(shí)為S光。
[0044]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于立體投影的光學(xué)系統(tǒng)，其包括物圖像和放映物鏡，其特征在于:所述光學(xué)系統(tǒng)具有透射光路和反射光路；在所述透射光路上，所述光學(xué)系統(tǒng)包括一極化分光器和第一液晶可變位相延遲器；在所述反射光路上，所述光學(xué)系統(tǒng)包括所述極化分光器、第一透鏡或透鏡組、第二透鏡或透鏡組、具有轉(zhuǎn)像作用的平面反射鏡以及第二液晶可變位相延遲器；其中，所述極化分光器包括第一三角棱鏡、第二三角棱鏡、第一平板玻璃和第二平板玻璃； 所述極化分光器將輸入的自然光在透射光路中輸出P光或S光，同時(shí)在反射光路中輸出P光或S光，使兩光路具有同一偏振態(tài)；在所述反射光路中的第一透鏡或透鏡組和第二透鏡或透鏡組構(gòu)成變焦透鏡組，可使反射光路在銀幕上的像放大或縮小，使其垂軸放大率與所述透射光路一致；在所述反射光路中，通過調(diào)節(jié)所述平面反射鏡、第一透鏡或透鏡組和第二透鏡或透鏡組使兩路畫面完全重合；在所述透射光路中的所述第一液晶可變位相延遲器和在所述反射光路中的所述第二液晶可變位相延遲器都是使輸入的線偏振光產(chǎn)生雙折射效應(yīng)，利用電壓控制液晶分子的扭轉(zhuǎn)角度以達(dá)到輸出O光與e光任意位相差值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于立體投影的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述第一透鏡或透鏡組和第二透鏡或透鏡組放置在透射光路的極化分光器與第二液晶可變位相延遲器之間，以構(gòu)成變焦透鏡組使兩路畫面等大重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于立體投影的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述第一三角棱鏡的斜面和所述第二三角棱鏡的斜面相互貼合，所述第一平板玻璃與所述第一三角棱鏡的出光面相互貼合，所述第二平板玻璃與所述第二三角棱鏡的出光面相互貼合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于立體投影的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述第一三角棱鏡、第二三角棱鏡、第一平板玻璃和第二平板玻璃的通光表面均鍍多層介質(zhì)膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于立體投影的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述平面反射鏡基板采用化學(xué)和物理穩(wěn)定性佳的光學(xué)玻璃，在所述光學(xué)玻璃的超光滑表面上鍍金屬介質(zhì)膜。
6.一種進(jìn)行立體投影的方法，其特征在于:其包括如下步驟: 由物圖像發(fā)出的隨機(jī)偏振態(tài)的光束，通過放映物鏡后，出射的光束繼續(xù)向前傳播，光束通過極化分光器后，被所述極化分光器極化形成為透射光路和反射光路； 在所述反射光路上依次設(shè)置有變焦透鏡組、平面反射鏡及第一液晶可變位相延遲器，并且，在所述透射光路上設(shè)置有第一液晶可變位相延遲器，從而使得所述透射光路和反射光路最終聚焦成像在銀幕上的畫面大小一致； 在所述透射光路中的所述第一液晶可變位相延遲器和在所述反射光路中的所述第二液晶可變位相延遲器都是使輸入的線偏振光產(chǎn)生雙折射效應(yīng)，利用電壓控制液晶分子的扭轉(zhuǎn)角度以達(dá)到輸出ο光與e光任意位相差值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的進(jìn)行立體投影的方法，其特征在于:所述極化分光器包括第一三角棱鏡、第二三角棱鏡、第一平板玻璃和第二平板玻璃。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的進(jìn)行立體投影的方法，其特征在于:所述第一三角棱鏡、第二三角棱鏡、第一平板玻璃和第二平板玻璃的通光表面均鍍多層介質(zhì)膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的進(jìn)行立體投影的方法，其特征在于:將所述第一三角棱鏡的斜面和所述第二三角棱鏡的斜面相互貼合，將所述第一平板玻璃與所述第一三角棱鏡的出光面相互貼合，將所述第二平板玻璃與所述第二三角棱鏡的出光面相互貼合。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的進(jìn)行立體投影的方法，其特征在于:所述變焦透鏡組包括放置在透射光路的極化分光器與 第二液晶可變位相延遲器之間的第一透鏡或透鏡組和第二透鏡或透鏡組。
【文檔編號(hào)】G03B35/26GK103792781SQ201410059065
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年2月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月21日
【發(fā)明者】劉飛, 龔杰, 蘇鵬華 申請(qǐng)人:深圳市格特斯電子有限公司