專利名稱：高光效光調制裝置及高光效立體投影系統的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于3D投影顯示技術領域，尤其涉及一種高光效光調制裝置及高光效立體投影系統，可以將投影機光線約70%左右的光線轉換為偏振光線，從而提高立體投影裝置的光利用率來增加投影畫面的亮度。
背景技術：
隨著立體電影的普及，立體投影技術也得到了飛速發(fā)展。常見電影投影機以氙燈作為白光發(fā)光光源，以德州儀器的DMD芯片作為顯示芯片，稱之為DLP投影機，這類投影機的出射光線均為非偏振光。被動式立體電影設備分為單投影機立體設備和雙投影機立體投影設備，這兩種設備均采用分偏振的方式來實現左右眼圖像的分離，從而實現3D效果。傳統被動式立體電影設備一般都采用吸收型線偏光器件作為起偏器件，隨著電影銀幕的逐漸擴大，電影投影機的亮度也逐步提升。傳統的吸收型線偏振器件由于工作原理的限制，使得近60%的光能量在吸收型線偏振器件上轉化為熱量；在使用高亮度的電影投影機時，傳統吸收型線偏振器件的溫度迅速上升，使得偏振器件的老化速度加快，光學性能明顯變差，嚴重時強光束會將吸收型線偏振器件燒毀。同時，由于吸收型線偏振器件吸收了近60%的光能，使得整個立體投影裝置的光利用率僅維持在40%左右，投影畫面亮度大大降低。為了保持大銀幕立體投影畫面的亮度，影院不得不提升氙燈的功率，這就使得氙燈亮度衰減速度加劇，造成影院維護成本升高。

實用新型內容本實用新型所要解決的第一個技術問題在于提供一種高光效光調制裝置，旨在減少偏振轉換過程中的色散，增加投影光線的利用率和投影顯示畫面的亮度。本實用新型是這樣實現的，一種高光效光調制裝置，包括一偏振分光器件，用于將入射光分為偏振態(tài)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，所述高光效光調制裝置還依次包括:第一線偏振器、第一四分之一波長延遲膜；在所述反射光束的光路上，所述高光效光調制裝置還依次包括:用于改變反射光束傳播方向的反射鏡、第二線偏振器、第二四分之一波長延遲膜；在所述透射光束的光路或所述反射光束的光路上還設有用于將透射/反射光束的偏振態(tài)轉變?yōu)榇怪逼駪B(tài)的偏振方向轉換器件，所述偏振方向轉換器件可位于第一線偏振器或第二線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還設有用于改變投影光束大小的透鏡/透鏡組。進一步地，所述第一線偏振器的偏振軸方向與所述第二線偏振器的偏振軸方向相同，所述第一四分之一波長延遲膜與第二四分之一波長延遲所述膜的延遲軸方向相同；所述第一四分之一波長延遲膜的延遲軸與所述第一線偏振器的偏振軸的夾角為、以及所述第二四分之一波長延遲膜的延遲軸與所述第二線偏振器的偏振軸的夾角同時為45度或同時-45度；所述第一四分之一波長延遲膜和第二四分之一波長延遲膜為一體結構，所述第一線偏振器和第二線偏振器為一體結構本實用新型所要解決的第二個技術問題在于提供一種高光效立體投影系統，包括一投影機、一偏振分光器件，所述偏振分光器件用于將來自投影機的投影光線分為偏振態(tài)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，所述高光效立體投影系統還依次包括:第一線偏振器、用于按照幀順序的方式將奇數幀線偏振光和偶數幀線偏振光調整為的偏振態(tài)相反的圓偏振光的第一液晶光閥型光調制器；在所述反射光束的光路上，所述高光效立體投影系統還依次包括:用于改變反射光束傳播方向的反射鏡、第二線偏振器、用于按照巾貞順序的方式將奇數巾貞線偏振光和偶數幀線偏振光調整為的偏振態(tài)相反的圓偏振光的第二液晶光閥型光調制器；在所述透射光束的光路或所述反射光束的光路上還設有用于將透射/反射光束的偏振態(tài)轉變?yōu)榇怪逼駪B(tài)的偏振方向轉換器件，所述偏振方向轉換器件可位于第一液晶光閥型光調制器/第二液晶光閥型光調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還設有用于改變投影光束大小的透鏡/透鏡組。進一步地，所述偏振方向轉換器件為扭曲型液晶器件。進一步地，當所述透鏡/透鏡組位于反射光路時，所述透鏡/透鏡組位于第二線偏振器之前的任一位置；所述透射光路上還包括用于使透射光束在金屬幕上的成像位置向反射光束在金屬幕上的成像位置的方向平移的楔形棱鏡；所述反射鏡的反射面放置的角度可使反射光束在金屬幕上的成像位置與所述楔形棱鏡作用過的透射光束在金屬幕上的成像位置相重合；所述楔形棱鏡位于所述第一線偏振器之前的任一位置。進一步地，當所述透鏡/透鏡組位于透射光路時，所述透鏡/透鏡組位于第一線偏振器之前的任一位置；所述透射光路上還包括用于使透射光束在金屬幕上的成像位置向反射光束在金屬幕上的成像位置的方向平移的楔形棱鏡；所述反射鏡的反射面放置的角度可使反射光束在金屬幕上的成像位置與所述楔形棱鏡作用過的透射光束在金屬幕上的成像位置相重合；所述楔形棱鏡位于所述第一線偏振器之前的任一位置其位于所述透鏡/透鏡組之后。進一步地，所述第一線偏振器的偏振軸方向與所述第二線偏振器的偏振軸方向相同，所述第一液晶光閥型光調制器與第二液晶光閥型光調制器在同一時間輸出偏振態(tài)相同的圓偏振光。進一步地，第一液晶光閥型光調制器和第二液晶光閥型光調制器為一體結構，所述第一線偏振器和第二線偏振器也為一體結構，第一四分之一波長延遲膜和第二四分之一波長延遲膜也為一體結構。本實用新型與現有技術相比，通過使用偏振分光器件將入射光束分為偏振狀態(tài)不同的兩束光線，再使用扭曲型液晶器件將其中一束光線的偏振狀態(tài)進行調整，使之與另一束光線的偏振狀態(tài)一致，并使用反射鏡將偏振分光器的反射光束調整至與原入射光束方向一致的光束，從而在銀幕上將兩束光線重合在一起，增加光利用率以及投影顯示畫面的亮度。

圖1是本實用新型提供的一種高光效立體投影系統的光學結構圖；圖2是本實用新型提供的另一種高光效立體投影系統的光學結構圖；圖3是本實用新型提供的使用扭曲型液晶器件與使用半波片時的透過光譜對比圖；圖4是本實用新型提供的1/2波長延遲膜以和扭曲型液晶器件放置在平行的兩個偏振片之間的透過光譜圖；圖5是本實用新型提供的一種高光效光調制裝置光學結構圖；圖6是本實用新型提供的另一種高光效光調制裝置光學結構圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，
以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。參照圖1，本實用新型提供的高光效立體投影系統包括投影機101、偏振分光器件102、透鏡或透鏡組103第一線偏振器105和第二線偏振器109、第一液晶光閥型光調制器106和第二液晶光閥型光調制器110、偏振方向轉換器件、反射鏡108,金屬幕111,還可進一步包括楔形棱鏡104。上述各部分的工作原理如下。投影機101以幀順序依次播放左眼圖像和右眼圖像，從投影機101的鏡頭發(fā)出的光束經過偏振分光器102后被分為透射的主光束112和反射的次光束113。主光束112和次113的偏振狀態(tài)相互垂直。透鏡或透鏡組103的功能是將所在光路的光束進行擴大或者縮小，使之與另外光束在銀幕111上所成的圖像大小一致。圖1中的透鏡或透鏡組103被放置在了主光束中，目的是將主光束擴大，同樣也可以放在次光束113中。楔形棱鏡104用于將主光束的圖像進行偏轉，使主光束的圖像向次光束的圖像平移?？紤]到光軸一致性問題，一般將楔形棱鏡104放置在透鏡或透鏡組103后面，使光線先經過透鏡或透鏡組103再經過楔形棱鏡104。第一線偏振器105用于將經過偏振分光器件102的偏振光束112進行過濾，使其偏振態(tài)更加一致，變成理想偏振光；第一液晶光閥型光調制器106用于對線偏振光進行調整，按照幀順序的方式將線偏振光分別調整為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，從而使左右眼圖像達到分離的效果。在附圖1中的反射光束路經中，偏振方向轉換器件107被放置在次光束中，用于將光束的偏振狀態(tài)旋轉90度,使之與另外一束光線的偏振狀態(tài)相同。實際上，偏振方向轉換器件107也可以被放置在主光束中，只要在第一線偏振器105之前即可。反射鏡108用于改變次光束的光線方向，使之與主光束的方向一致，并可以調整反射鏡108的角度，使次光束在銀幕111上所成圖像與主光束的圖像進行重合。第二線偏振器109用于將經過扭曲型液晶器件旋轉后的光束的偏振狀態(tài)進行過濾，使其偏振態(tài)更加一致，變成理想偏振光；第二液晶光閥型光調制器110用于對線偏振光進行調整，按照幀順序的方式將線偏振光分別調整為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，從而使左右眼圖像達到分離的效果；第二線偏振器109與第一線偏振器105的偏振軸方向一致。因光路可逆，透鏡/透鏡組103和楔形棱鏡104之間可以放置在偏振分光器件102和第一線偏振器105之間，也可以放置在線偏振器105與金屬幕111之間；但為了避免透鏡表面反射對偏振態(tài)的影響，透鏡/透鏡組103和楔形棱鏡104通常被放置在偏振分光器件102和第一線偏振器105之間。另外，透鏡/透鏡組103也可放置在次光束即反射光路中，只要在第二線偏振器109之前即可。同樣，在實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鏡108與第二線偏振器109之間，其效果不發(fā)生變化。第二液晶光閥型光調制器110與第一液晶光閥型光調制器106同步工作，經過兩者調制后產生的圓偏振光的偏振狀態(tài)一致，例如在當前時刻同時輸出左旋圓偏振光，而下一時刻同時輸出右旋圓偏振光。經過第二液晶光閥型光調制器110與第一液晶光閥型光調制器106調制后的光線，投射在金屬眷111上，金屬眷111可對王光束及次光束進彳了成像，同時將照射到金屬幕111上的光線以相反的偏振狀態(tài)進行反射，從而使光線在進入到觀眾佩戴的圓偏光眼鏡之前仍保持左右眼圖像的分離，不產生左右圖像的串擾。觀眾佩戴圓偏振眼鏡在銀幕前方即可觀察到立體影像，圓偏振眼鏡的左右眼鏡片分別為左旋圓偏振片和右旋圓偏振片，可以對銀幕反射的光線進行分離，使進入到左右眼的圖像不同，從而達到左右眼圖像分離的目的。在實施例一中，第一線偏振器105和第二線偏振器109作為兩個獨立的部件，在具體實施時也可以采用一體化結構，即使用一個大尺寸的線偏振器件代替線偏振器件105和109，例如附圖2中所示的線偏振器件205 ;同樣的，液晶光閥型光調制器110與液晶光閥型光調制器106在實施例一中兩個獨立的部件,在具體實施時也可以使用一個大尺寸的液晶光閥型光調制器代替106和109，例如圖2中所示的液晶光閥型光調制器206 ;大尺寸的線偏振器205和大尺寸的液晶光閥型光調制器206可以涵蓋主光束和次光束。本實用新型中，偏振方向轉換器件107采用扭曲型液晶器件實現反射光束和透射光束的偏振態(tài)一致，扭曲型液晶器件107通常為90度扭曲的TN型液晶器件，入射到扭曲型液晶器件107的光線偏振方向與扭曲型液晶器件107液晶層表層分子的排列方向平行或垂直時，經過扭曲型液晶器件107后的光線偏振狀態(tài)將會被旋轉90度。提高扭曲型液晶器件107的延遲量，有助于得到更好的偏振態(tài)。現有技術中也采有用器件為1/2波長延遲膜來實現，雖然1/2波長延遲膜可以達到旋轉偏振光偏振方向的效果，但由于延遲膜的色散會導致某波長范圍內的色彩損失，從而造成投影的成像畫面顏色發(fā)生偏移；同時由于無法將偏振光的方向完全旋轉90度，需要使用額外的線偏振器件對旋轉后的線偏振光進行過濾，使得有一部分光能量消耗在過濾用的線偏振器件上，既損失光利用率，又增加了過濾用的線偏振器件吸收光能發(fā)生老化的可能性。而本實用新型采用的扭曲型液晶器件107作為偏振光偏振方向的旋轉器件，具有色散小，偏振光旋轉效率高等優(yōu)點，附圖3中曲線301為本實用新型所采用的扭曲型液晶器件放置在正交的兩個偏振片之間的透過光譜，曲線302為1/2波長延遲膜以45度角度放置在正交的兩個偏振片之間的透過光譜，可以看出在藍紫色光波長范圍內以及紅色光波長，1/2波長延遲膜的透過光顏色偏向黃綠色，對畫面色彩影響比較大；而使用扭曲型液晶器件時，各波長的光線透過率均高于1/2波長延遲膜，因此扭曲型液晶器件的透光率更高；表I中給出了圖3中兩條曲線的色度坐標以及相對于理想白色光源的顏色偏移量，可以看出使用扭曲型液晶器件時顏色基本保持在白色附近，顏色偏移量非常?。欢褂?/2波長延遲膜時的顏色偏移量是使用扭曲型液晶器件時的4.2倍。在計算顏色偏移量時X、y為光源色度坐標值，X’，y’為使用1/2波長延遲膜或扭曲型液晶器件后的色度坐標值。
權利要求1.一種高光效光調制裝置，其特征在于，包括一偏振分光器件，用于將入射光分為偏振態(tài)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，所述高光效光調制裝置還依次包括:第一線偏振器、第一四分之一波長延遲膜； 在所述反射光束的光路上，所述高光效光調制裝置還依次包括:用于改變反射光束傳播方向的反射鏡、第二線偏振器、第二四分之一波長延遲膜； 在所述透射光束的光路或所述反射光束的光路上還設有用于將透射/反射光束的偏振態(tài)轉變?yōu)榇怪逼駪B(tài)的偏振方向轉換器件，所述偏振方向轉換器件可位于第一線偏振器或第二線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還設有用于改變投影光束大小的透鏡/透鏡組。
2.如權利要求1所述的高光效光調制裝置，其特征在于，所述偏振方向轉換器件為扭曲型液晶器件。
3.如權利要求1所述的高光效光調制裝置，其特征在于，當所述透鏡/透鏡組位于反射光路時，所述透鏡/透鏡組位于第二線偏振器之前的任一位置； 所述透射光路上還包括用于使透射光束在金屬幕上的成像位置向反射光束在金屬幕上的成像位置的方向平移的楔形棱鏡；所述反射鏡的反射面放置的角度可使反射光束在金屬幕上的成像位置與所述楔形棱鏡作用過的透射光束在金屬幕上的成像位置相重合；所述楔形棱鏡位于所述第一線偏振器之前的任一位置。
4.如權利要求1所述的高光效光調制裝置，其特征在于，當所述透鏡/透鏡組位于透射光路時，所述透鏡/透鏡組位于第一線偏振器之前的任一位置； 所述透射光路上還包括用于使透射光束在金屬幕上的成像位置向反射光束在金屬幕上的成像位置的方向平移的楔形棱鏡；所述反射鏡的反射面放置的角度可使反射光束在金屬幕上的成像位置與所述楔形棱鏡作用過的透射光束在金屬幕上的成像位置相重合；所述楔形棱鏡位于所述第一線偏振器之前的任一位置其位于所述透鏡/透鏡組之后。
5.如權利要求1所述的高光效光調制裝置，其特征在于，所述第一線偏振器的偏振軸方向與所述第二線偏振器的偏振軸方向相同，所述第一四分之一波長延遲膜與第二四分之一波長延遲所述膜的延遲軸方向相同；所述第一四分之一波長延遲膜的延遲軸與所述第一線偏振器的偏振軸的夾角為、以及所述第二四分之一波長延遲膜的延遲軸與所述第二線偏振器的偏振軸的夾角同時為45度或同時-45度；所述第一四分之一波長延遲膜和第二四分之一波長延遲膜為一體結構，所述第一線偏振器和第二線偏振器也為一體結構。
6.—種高光效立體投影系統,其特征在于,包括一投影機、一偏振分光器件，所述偏振分光器件用于將來自投影機的投影光線分為偏振態(tài)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，所述高光效立體投影系統還依次包括:第一線偏振器、用于按照幀順序的方式將奇數幀線偏振光和偶數幀線偏振光調整為的偏振態(tài)相反的圓偏振光的第一液晶光閥型光調制器； 在所述反射光束的光路上，所述高光效立體投影系統還依次包括:用于改變反射光束傳播方向的反射鏡、第二線偏振器、用于按照幀順序的方式將奇數幀線偏振光和偶數幀線偏振光調整為的偏振態(tài)相反的圓偏振光的第二液晶光閥型光調制器；在所述透射光束的光路或所述反射光束的光路上還設有用于將透射/反射光束的偏振態(tài)轉變?yōu)榇怪逼駪B(tài)的偏振方向轉換器件，所述偏振方向轉換器件可位于第一液晶光閥型光調制器/第二液晶光閥型光調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還設有用于改變投影光束大小的透鏡/透鏡組。
7.如權利要求6所述的高光效立體投影系統，其特征在于，所述偏振方向轉換器件為扭曲型液晶器件。
8.如權利要求6所述的高光效立體投影系統，其特征在于，當所述透鏡/透鏡組位于反射光路時，所述透鏡/透鏡組位于第二線偏振器之前的任一位置； 所述透射光路上還包括用于使透射光束在金屬幕上的成像位置向反射光束在金屬幕上的成像位置的方向平移的楔形棱鏡；所述反射鏡的反射面放置的角度可使反射光束在金屬幕上的成像位置與所述楔形棱鏡作用過的透射光束在金屬幕上的成像位置相重合；所述楔形棱鏡位于所述第一線偏振器之前的任一位置。
9. 如權利要求6所述的高光效立體投影系統，其特征在于，當所述透鏡/透鏡組位于透射光路時，所述透鏡/透鏡組位于第一線偏振器之前的任一位置； 所述透射光路上還包括用于使透射光束在金屬幕上的成像位置向反射光束在金屬幕上的成像位置的方向平移的楔形棱鏡；所述反射鏡的反射面放置的角度可使反射光束在金屬幕上的成像位置與所述楔形棱鏡作用過的透射光束在金屬幕上的成像位置相重合；所述楔形棱鏡位于所述第一線偏振器之前的任一位置其位于所述透鏡/透鏡組之后。
10.如權利要求6所述的高光效立體投影系統，其特征在于，所述第一線偏振器的偏振軸方向與所述第二線偏振器的偏振軸方向相同，所述第一液晶光閥型光調制器與第二液晶光閥型光調制器在同一時間輸出偏振態(tài)相同的圓偏振光；所述第一液晶光閥型光調制器和第二液晶光閥型光調制器為一體結構，所述第一線偏振器和第二線偏振器也為一體結構。
專利摘要本實用新型適用于3D投影顯示技術領域，提供了一種高光效光調制裝置，包括一偏振分光器件，用于將入射光分為偏振態(tài)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線偏振器、第一四分之一波長延遲膜；反射光束光路上依次包括用于改變反射光束傳播方向的反射鏡、第二線偏振器、第二四分之一波長延遲膜；在透射光束的光路或反射光束的光路上還設有偏振方向轉換器件、透鏡/透鏡組。本實用新型通過使用色散小偏振轉換效率高的偏振分光器件將入射光束分為偏振狀態(tài)不同的兩束光線，再使用扭曲型液晶器件將其中一束光線的偏振狀態(tài)進行調整，最終使銀幕上的兩束光線重合在一起，增加光利用率以及投影顯示畫面的亮度。
文檔編號G03B35/26GK203025425SQ201220746320
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月29日 優(yōu)先權日2012年12月29日
發(fā)明者李艷龍, 包艷勝, 鄧賢俊 申請人:深圳市時代華影科技開發(fā)有限公司