一種用於立體投影的光學系統的製作方法

2023-10-10 06:54:14 4

一種用於立體投影的光學系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用於立體投影的光學系統，其包括物圖像、放映物鏡或投影物鏡，所述光學系統還包括分色稜鏡、從所述放映物鏡或投影物鏡出射的光束通過所述分色稜鏡分裂形成綠色光路、紅色光路及藍色光路；其中，在所述綠色光路裡光束被所述綠光極化分光器極化後最終輸出同一偏振態的兩個子光路，在所述紅色光路裡光束被所述紅光極化分光器極化後最終輸出同一偏振態的兩個子光路，在所述藍色光路裡光束被所述藍光極化分光器極化後最終輸出同一偏振態的兩個子光路，這六個子光路同步分時被所述液晶可變位相延遲器極化調製為左圓偏振光和右圓偏振光。該系統可將自然光97%以上的能量分色後極化為線偏振光，大大提高畫面亮度和立體顯示逼真度。
【專利說明】一種用於立體投影的光學系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及3D立體投影顯示領域，更具體地涉及一種用於立體投影的分色極化合束變焦光學系統。
【背景技術】
[0002]隨著2009年《阿凡達》3D立體電影在全球的熱映，到《暮光之城3:月食》的人氣爆炸，世界大範圍內均響起3 D熱潮，目前大部分影院均支持3 D播放，其中以顯示晶片為德州儀器 DMD (Digital Micro mirror Device,數字微鏡兀件)的 DLP (Digital LightProcession，即數字光處理)放映機為大多數影院所採用。由於其所用光源為氙燈，所發出的光線為自然光，即偏振態為隨機產生的，而實現立體顯示需要將其極化為線偏振光，然後用液晶可變位相延遲器(Liquid Crystal Variable Retarder,簡稱LCVR)對其進行調製，然後左右眼圖像分時進入左右眼，以達到立體顯示的效果。由於傳統產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，二向色性偏振片會對平行於吸收軸的電矢量光線進行吸收，即將有55%以上的光能量被偏振片吸收、反射和散射，這將大大降低銀幕的顯不売度。
[0003]由於放映機持續播放畫面，即出射的55%以上光能量會持續被偏振片吸收、反射和散射，這將會導致偏振片材料吸收大量光能導致升溫，其偏振度等性能會降低，甚至導致損壞。而且一般偏振片會附在液晶可變位相延遲器表面，這將導致液晶盒中的液晶分子也會吸收大部分熱量，而液晶分子是對溫度非常敏感的物質，這將會影響其雙折射係數，導致其極化O，e光的光程差也會改變甚至失效，進而影響銀幕顯示的立體畫面效果。
[0004]由於能量損失55%以上，為了提高顯示亮度，影院會採用更高功率的氙燈，大大提高了成本，而且更高的氙燈功率，將會導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急劇下降，將使左右眼畫面串擾加劇，3D立體顯示效果大大下降，這將會陷入惡性循環的怪圈。而氙燈功率的提高，其壽命會大大縮短，影院將會更為頻繁地更換氙燈，運營成本也將大大提高。
實用新型內容
[0005]本實用新型所要解決的技術問題在於提供一種用於立體投影的分色極化分光合束變焦的光學系統，該光學系統使投影物鏡出射的光能儘量多地轉化成偏振光，比只用二向色性偏振片和液晶可變位相延遲器(LCVR)的系統亮度要提高100%以上。
[0006]解決本實用新型的技術問題所採用的技術方案是:提供一種用於立體投影的光學系統，其包括物圖像、放映物鏡或投影物鏡，所述光學系統還包括分色稜鏡、從所述放映物鏡或投影物鏡出射的光束通過所述分色稜鏡分裂形成綠色光路、紅色光路及藍色光路；
[0007]在所述綠色光路裡，所述光學系統進一步包括三角稜鏡、綠光極化分光器、綠光變焦透鏡組固定組、綠光變焦透鏡組變焦組、綠光變焦透鏡組補償組、四分之一波片、平面反射鏡；[0008]在所述紅色光路裡，所述光學系統進一步依次包括紅光極化分光器、紅光變焦透鏡組固定組、紅光變焦透鏡組變焦組、紅光變焦透鏡組補償組、四分之一波片、平面反射鏡;
[0009]在所述藍色光路裡，所述光學系統進一步依次包括藍光極化分光器、藍光變焦透鏡組固定組、藍光變焦透鏡組變焦組、藍光變焦透鏡組補償組、四分之一波片、平面反射鏡；及
[0010]液晶可變位相延遲器；
[0011]其中，在所述綠色光路裡光束被所述綠光極化分光器極化後最終輸出同一偏振態的兩個子光路，在所述紅色光路裡光束被所述紅光極化分光器極化後最終輸出同一偏振態的兩個子光路，在所述藍色光路裡光束被所述藍光極化分光器極化後最終輸出同一偏振態的兩個子光路，這六個子光路同步分時被所述液晶可變位相延遲器極化調製為左圓偏振光和右圓偏振光。
[0012]在本實用新型的光學系統中，優選地，所述分色稜鏡由四個大小一致的三角稜鏡構成，且三角稜鏡的每一通光表面均鍍多層介質膜。
[0013]在本實用新型的光學系統中，優選地，所述介質膜的材料為氟化鎂、二氧化矽、氧化鋁、二氧化鈦、或二氧化鋯。
[0014]在本實用新型的光學系統中，優選地，所述三角稜鏡在斜面上鍍有起轉向作用的內反射膜。
[0015]在本實用新型的光學系統中，優選地，所述紅光極化分光器包括具有相同結構的紅光第一極化分光器和紅光第二極化分光器，所述紅光第一極化分光器和紅光第二極化分光器的膠合斜面在空間上的方向餘弦不一致，兩斜面相互正交擺放；所述綠光極化分光器包括具有相同結構的綠光第一極化分光器和綠光第二極化分光器，所述綠光第一極化分光器和綠光第二極化分光器的膠合斜面在空間上的方向餘弦不一致，兩斜面相互正交擺放；所述藍光極化分光器包括具有相同結構的藍光第一極化分光器和藍光第二極化分光器，所述藍光第一極化分光器和藍光第二極化分光器的膠合斜面在空間上的方向餘弦不一致，兩斜面相互正交擺放。
[0016]在本實用新型的光學系統中，優選地，所述四分之一波片用一液晶可變位相延遲器替代。
[0017]在本實用新型的光學系統中，優選地，所述四分之一波片和所述平面反射鏡用矽基液晶替代。
[0018]在本實用新型的光學系統中，優選地，所述液晶可變位相延遲器分成六個單獨的具有相同的功能液晶可變位相延遲器，將所述六個液晶可變位相延遲器分別放置在對應的六個子光路出口處且分別對各六個子光路的偏振光進行調製，從而輸出左圓偏振光或右圓偏振光。
[0019]與現有技術相比，本實用新型的光學系統的優點在於:在本實用新型中，該光學系統可將自然光97%以上的能量分色後極化為線偏振光，大大提高畫面亮度和立體顯示逼真度。本實用新型引入極化分光器將使光學系統的偏振度更高，達到99.999%以上，使左右眼畫面串擾率更低，3D立體顯示效果更佳，使影院觀眾的用戶體驗大大提高。
[0020]另外，由於本實用新型引入極化分光器使液晶可變位相延遲器(LCVR)組件裡的液晶盒吸收的熱量大大下降(傳統方式液晶盒將吸收50%以上熱量，而本實用新型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穩定工作，液晶可變位相延遲器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定保持，使系統可靠運行。
[0021]總的來說，分色極化合束變焦光學系統首先將來自於投影物鏡焦面上的物圖像所發出的自然光(隨機偏振態)首先通過分色稜鏡分成三個光路(分別對應紅、綠、藍三種顏色)，三色光路分別進入對應的極化分光器及其後置光路，將三色光路分成六路繼續向前傳播，最後所有光路中的光線被同時轉化成P光或同時轉化成S光，通過液晶可變位相延遲器同步極化偏振光，分時輸出左和右圓偏振光，最後六個光路均在銀幕上成像，且六光路對應的垂軸放大率基本一致，圖像在銀幕上等大重合，亮度大大提高，現有技術僅僅利用了透射光路一路的光能，而吸收掉50%以上的自然光能量，本實用新型充分利用了光能，使畫面顯示亮度相對已有技術方式提高了 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。
[0022]其次，採用分色後再極化分光，使自然光的透過率和反射率遠遠大於直接採用偏振分束器的技術，而分色後，本實用新型的每個R、G、B極化分光光路均用兩個極化分光器構成。例如，在紅光光路中，光束通過第一紅光極化分光器後透過的P光繼續通過第二紅光極化分光器，使P光純度更高。偏振光的純度越高，即偏振度越高，使整個光學系統中不需要另外加入偏振片，因為偏振片是由化學材料構成，透過率低和溫度穩定性很差，且在可見光波段偏振片的透過率不一致，會導致系統色度出現偏差，色偏和亮度低嚴重影響了觀看效果。而本實用新型的分色極化分光器不存在偏振片的缺點，更高的偏振度和透過率，使觀眾的立體視覺效果大大加強。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]下面將結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，附圖中:
[0024]圖1是根據本實用新型實施例的應用於立體投影的分色極化合束變焦光學系統中對應的光路不意圖。
[0025]圖2a、2b、2c是極化分光器(藍光極化分光器、綠光極化分光器和紅光極化分光器各自分光特性圖分別對應圖2a、2b和2c)透射光路光學特性數據是利用可見光-分光光度計實測所得與現有技術所得曲線對比圖。
[0026]圖3a、3b、3c是極化分光器(藍光極化分光器、綠光極化分光器和紅光極化分光器各自分光特性圖分別對應圖3a、3b和3c)反射光路光學特性數據是利用可見光-分光光度計實測所得與現有技術所得曲線對比圖。
[0027]圖4是將LCVR單獨置於可見光-分光光度計光路的樣品室中，利用線偏振光入射所實測得到關於LCVR極化為圓偏振光後透過率曲線與現有技術所得曲線對比圖。
[0028]圖5是線偏振光(P光或S光)入射至LCVR前利用可見光-分光光度計的檢偏模塊實測得到的關於光學系統偏振度曲線與現有技術所得曲線對比圖。
【具體實施方式】
[0029]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，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，並不用於限定本實用新型。
[0030]圖1是根據本實用新型一種用於立體投影的分色極化合束變焦光學系統的實施例對應的光路圖。總的來說，分色極化合束變焦光學系統可以包括物圖像101(如來自於DMD晶片或其它可以發出圖像信息光的物)、放映物鏡或投影物鏡102、分色稜鏡103、三角稜鏡104、紅光第一極化分光器105、紅光第二極化分光器106、紅光變焦透鏡組固定組107、紅光變焦透鏡組變焦組108、紅光變焦透鏡組補償組109、四分之一波片110、平面反射鏡111、藍光第一極化分光器112、藍光第二極化分光器113、藍光變焦透鏡組固定組114、藍光變焦透鏡組變焦組115、藍光變焦透鏡組補償組116、四分之一波片117、平面反射鏡118、綠光第一極化分光器119、綠光第二極化分光器120、綠光變焦透鏡組固定組121、綠光變焦透鏡組變焦組122、綠光變焦透鏡組補償組123、四分之一波片124、平面反射鏡125、液晶可變位相延遲器(LCVR) 126、銀幕 127。
[0031]總的來說，本實用新型實施例用於立體投影的分色極化合束變焦光學系統實施方法如下:由物圖像101 (如來自於DMD晶片或其它可以發出圖像信息光的物)發出的隨機偏振態的光束，通過放映物鏡(或投影物鏡)102後，出射的自然光繼續向前傳播，近似於平行光的光束通過分色稜鏡103，光束被分裂成三種不同波段的光路，即向前繼續傳播的綠光透射光路，垂直向上反射的紅光光路，垂直向下反射的藍光光路。其中，向前繼續傳播的綠光透射光路裡的三角稜鏡104，可以在三角斜面上鍍內反射膜，起轉像作用，此時綠光仍為隨機偏振態。為了極化隨機偏振態的綠光，可在後續光路裡加入綠光第一極化分光器119，綠光第一極化分光器119將反射S光，透射P光，綠色P光繼續進入綠光第二極化分光器120，綠色P光被進一步極化，然後進入綠光變焦透鏡組(由綠光變焦透鏡組固定組121、綠光變焦透鏡組變焦組122和綠光變焦透鏡組補償組123構成)作變焦，進而繼續通過四分之一波片124，平面反射鏡125，之後綠色P光被極化為圓偏振光，且逆向傳播繼續通過四分之一波片124，依次進入綠光變焦透鏡組補償組123，綠光變焦透鏡組變焦組122、綠光變焦透鏡組固定組121，即由綠光第二極化分光器120與平面反射鏡125之間的光路構成了變焦補償極化子系統，使此路綠色P光路作變焦與綠色S光路匹配，最終在銀幕(像面)上的垂軸放大率相等，且偏振態一致。即可認為，由物光源發出的自然光中的綠光幾乎無損地被綠光第一極化分光器119和綠光第二極化分光器120極化為P光或S光，比現有技術的光能利用率提高100%以上。而被分色稜鏡103分裂垂直向下反射的藍光光路中，進入藍光第一極化分光器112前，光線的偏振態仍為隨機，藍光光束傳播進入第一極化分光器112,藍光第一極化分光器112將反射S光，透射P光，藍色P光繼續進入綠光第二極化分光器113，藍色P光被進一步極化，然後進入藍光變焦透鏡組(由藍光變焦透鏡組固定組114、藍光變焦透鏡組變焦組115和藍光變焦透鏡組補償組116構成)作變焦，進而繼續通過四分之一波片117，平面反射鏡118，之後藍色P光被極化為圓偏振光，且逆向傳播繼續通過四分之一波片117，依次進入藍光變焦透鏡組補償組116，藍光變焦透鏡組變焦組115、藍光變焦透鏡組固定組114，即由藍光第二極化分光器113與平面反射鏡118之間的光路構成了變焦補償極化子系統，使此路藍色P光路作變焦與藍色S光路匹配，最終在銀幕(像面)上的垂軸放大率相等，且偏振態一致。同理，被分色稜鏡103分裂垂直向上反射的紅光光路中，進入紅光第一極化分光器105前,光線的偏振態仍為隨機,紅光光束傳播進入第一極化分光器105,紅光第一極化分光器105將反射S光，透射P光，紅色P光繼續進入紅光第二極化分光器106，紅色P光被進一步極化，然後進入紅光變焦透鏡組(由紅光變焦透鏡組固定組107、紅光變焦透鏡組變焦組108和紅光變焦透鏡組補償組109構成)作變焦，進而繼續通過四分之一波片110，平面反射鏡111，之後紅色P光被極化為圓偏振光，且逆向傳播繼續通過四分之一波片110，依次進入紅光變焦透鏡組補償組109，紅光變焦透鏡組變焦組108、紅光變焦透鏡組固定組107，使此路紅色P光路作變焦與紅色S光路匹配，最終在銀幕上(像面)的垂軸放大率相等，且偏振態一致。最終，RGB光路(即紅光光路、綠光光路和藍光光路)被分裂成六個子光路，且每個子光路被紅光、綠光和藍光極化分光器極化後最終輸出同一偏振態，即同為S偏振光或同為P偏振光。進而六個子光路同步分時被液晶可變位相延遲器126 (LCVR)極化調製為左圓偏振光和右圓偏振光。該液晶可變位相延遲器126可以通過電路時序產生不同幅值的脈衝電壓來控制LCVR中液晶盒的液晶分子偏轉角度，不同的偏轉角度對應不同的雙折射等級，以對ο光和e光產生不同的相位延遲值。即可通過設定適當的電壓值令入射的線偏振光(P光或S光)通過液晶可變位相延遲器126後,輸出左圓偏振光或右圓偏振光,根據電路時序(一般3D立體電影幀頻為144Hz，即按照時序一周期內輸出左眼畫面72幅，接著輸出右眼畫面72幅)分時輸出左圓偏振光和右圓偏振光對應的電壓幅值，左圓偏振光和右圓偏振光分別被調製產生左眼圖像和右眼圖像。從分色極化合束變焦光學系統分時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向前傳播至像面(即銀幕127，銀幕一般採用具有保偏振態作用的金屬銀幕，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對應進入人的左眼和右眼，得到逼真的立體觀看效果。
[0032]該放映物鏡102即為放映機(或投影儀)內部的光學系統，也稱為投影鏡頭，影院一般物鏡的投射比在1.0?4.0:1範圍內，在本實用新型中的光學系統均能適應此範圍。
[0033]該分色稜鏡103由四個大小一致的三角稜鏡構成，且三角稜鏡的每一通光表面均鍍多層介質膜，膜層所用材料、厚度以及鍍膜順序由麥克斯韋方程組和幹涉衍射理論求解所得，通過鍍膜軟體優化和試鍍反覆驗證確定最優解。鍍膜所用材料可以是氟化鎂(MgF2)、二氧化矽(Si02)、氧化鋁(A1203)、二氧化鈦(Ti02)、二氧化鋯(ZrO2),厚度約為λ/4，λ為膜系設計時所用波段的中心波長值，本實用新型採用520nm作為中心波長，優化設計時採用具有光學薄膜設計和分析功能的軟體進行，例如採用美國RadiantZemax公司的光學軟體ZEMAX進行優化設計。例如:本實用新型可採用氟化鋁AlF3和氟化鎂MgF2作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，本實用新型的基底可採用任意牌號材料，只需按照對應的折射率作優化設計便能求解出初始結構。膜系層數越多，優化出來的效果越好，即減反性能越好，按照上述雙層減反例子的基本原理，本實用新型也可採用十層以上的不同鍍膜材料和厚度實現減反特性，使本光學系統的所有通光表面(反射鏡表面除外)的可見波段平均反射率低於0.3%。四個三角稜鏡的膠合擺放順序分別按圖1的光路結構所示一一作膠合。相對於已有技術平板分光技術，本實用新型中的分色稜鏡103優勢在於可使透射光束和反射光束離開分色稜鏡後在可見波段的透過率和反射率遠遠高於普通平板分色器。而且平板型結構的兩側面表面反射存在鬼像，降低銀幕上像面的有效對比度，而傾斜擺放的平板引入大量像差，影響光學成像質量，進而影響影片觀賞效果。
[0034]本實用新型中三角稜鏡104擺放於綠光光路中，在斜面上鍍內反射膜，起轉像作用，使綠光光束轉折後再進入綠光第一極化分光器119，使整個光學系統結構更為緊湊。三角稜鏡104的斜面也可不鍍內反膜，直接根據設計要求推導出光束入射角範圍，利用全反射原理，選擇適合的光學玻璃牌號，使綠光波段高反豎直向下傳播。
[0035]在垂直向上反射的紅光光路中，紅光第一極化分光器105和紅光第二極化分光器106具有相同的結構，但兩極化分光器105與106的膠合斜面在空間上的方向餘弦不一致，兩斜面相互正交擺放。相對於已有技術的偏振分束器，本實用新型中的紅光極化分光器優勢在於各通光表面(包括膠合斜面)的膜層材料、層數和放置順序均以紅光波段為參考，在鍍膜軟體上僅僅以紅光波段作優化，忽略其它色光使軟體聯立麥克斯韋方程組和多縫幹涉衍射公式求解出最優配置，紅光波段範圍要比可見光波段小，所以優化的效率和準確性更高，且在紅光波段的透過率和反射率遠遠高於普通偏振分束器。如圖2c和圖3c所示，本實用新型中紅光第一極化分光器105和紅光第二極化分光器106在紅光波段的平均透過率高達99%,而常規偏振分束器平均透過率低於70%,在反射光路中紅光第一極化分光器105和紅光第二極化分光器106在紅光波段平均反射率高達96%，而常規偏振分束器平均反射率只在65%左右，遠低於本實用新型的紅光極化分光器性能，即本實用新型中的紅光極化分光器對光能的平均利用率達到97.5%，扣除紅光極化分光器與空氣接觸的通光面反射損失，紅光極化分光器對光能的平均利用率也能達到97%，之所以能使通光表面的反射能量損失如此低，是因為本實用新型的每個光學元件均用物理光學原理求解得到最佳鍍膜材料和厚度，使每個光學元件的光能損失大大降低。
[0036]在豎直向下反射的藍光光路中，藍光第一極化分光器112和藍光第二極化分光器113具有相同的結構，但兩極化分光器112與113的膠合斜面在空間上的方向餘弦不一致，兩斜面相互正交擺放。相對於已有技術的偏振分束器，本實用新型中的藍光極化分光器優勢在於各通光表面(包括膠合斜面)的膜層材料、層數和放置順序均以藍光波段為參考，在鍍膜軟體上僅僅以藍光波段作優化，忽略其它色光使軟體聯立麥克斯韋方程組和多縫幹涉衍射公式求解出最優配置，藍光波段範圍要比可見光波段小，所以優化的效率和準確性更高，且在藍光波段的透過率和反射率遠遠高於普通偏振分束器。如圖2a和圖3a所示，本實用新型中藍光第一極化分光器112和藍光第二極化分光器113在藍光波段的平均透過率高達99%,而常規偏振分束器平均透過率低於70%,在反射光路中藍光第一極化分光器112和藍光第二極化分光器113在藍光波段平均反射率高達96%，而常規偏振分束器平均反射率只在65%左右，遠低於本實用新型的藍光極化分光器性能，即本實用新型中的藍光極化分光器對光能的平均利用率達到97.5%，扣除藍光極化分光器與空氣接觸的通光面反射損失，藍光極化分光器對光能的平均利用率也能達到97%，之所以能使通光表面的反射能量損失如此低，是因為本實用新型的每個光學元件均用物理光學原理求解得到最佳鍍膜材料和厚度，使每個光學元件的光能損失大大降低。
[0037]在繼續向前透射的綠光光路中，綠光第一極化分光器119和綠光第二極化分光器120具有相同的結構，但兩極化分光器119與120的膠合斜面在空間上的方向餘弦不一致，兩斜面相互正交擺放。相對於已有技術的偏振分束器，本實用新型中的綠光極化分光器優勢在於各通光表面(包括膠合斜面)的膜層材料、層數和放置順序均以綠光波段為參考，在鍍膜軟體上僅僅以綠光波段作優化，忽略其它色光使軟體聯立麥克斯韋方程組和多縫幹涉衍射公式求解出最優配置，綠光波段範圍要比可見光波段小，所以優化的效率和準確性更高，且在綠光波段的透過率和反射率遠遠高於普通偏振分束器。如圖2b和圖3b所示，本實用新型中綠光第一極化分光器119和綠光第二極化分光器120在綠光波段的平均透過率高達99%，而常規偏振分束器平均透過率低於70%，在反射光路中綠光第一極化分光器119和綠光第二極化分光器120在綠光波段平均反射率高達96%，而常規偏振分束器平均反射率只在65%左右，遠低於本實用新型的綠光極化分光器性能，即本實用新型中的綠光極化分光器對光能的平均利用率達到97.5%，扣除綠光極化分光器與空氣接觸的通光面反射損失，綠光極化分光器對光能的平均利用率也能達到97%，之所以能使通光表面的反射能量損失如此低，是因為本實用新型的每個光學元件均用物理光學原理求解得到最佳鍍膜材料和厚度，使每個光學元件的光能損失大大降低。
[0038]本實用新型中的紅光第一極化分光器105、紅光第二極化分光器106、藍光第一極化分光器112、藍光第二極化分光器113、綠光第一極化分光器119和綠光第二極化分光器120相對於平板型偏振分束器，優勢還在於平板型偏振分束器由於兩通光面傾斜擺放於光路中，大大地提高了塞得和係數，使光學系統的像差加大，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)產生鬼像，嚴重影響了光學系統的成像質量，使觀眾明顯感覺畫面模糊不清，降低用戶體驗效果。而本實用新型的極化分光器能克服這一缺點，使光學零件平行放置於光路中，使塞得和係數降低，光學系統的像差變大，而且無鬼像引入到銀幕上，用戶體驗效果極佳。
[0039]在本實用新型中的變焦透鏡組(紅光變焦透鏡組、綠光變焦透鏡組和藍光變焦透鏡組)均屬於光學變焦，補償組(紅光變焦透鏡組補償組109、綠光變焦透鏡組補償組116和藍光變焦透鏡組補償組123)屬於光學補償，相對於機械補償的變焦光學透鏡組，優勢在於只需將變焦透鏡組(紅光變焦透鏡組變焦組108、綠光變焦透鏡組變焦組115和藍光變焦透鏡組變焦組122)和補償透鏡組(紅光變焦透鏡組補償組109、綠光變焦透鏡組補償組116和藍光變焦透鏡組補償組123)相對於固定透鏡組(紅光變焦透鏡組固定組107、綠光變焦透鏡組補償組114和藍光變焦透鏡組補償組121)作線性運動便能實現變焦功能。將固定透鏡組(紅光變焦透鏡組固定組107、綠光變焦透鏡組補償組114和藍光變焦透鏡組補償組121)、變焦透鏡組(紅光變焦透鏡組變焦組108、綠光變焦透鏡組變焦組115和藍光變焦透鏡組變焦組122)和補償透鏡組(紅光變焦透鏡組補償組109、綠光變焦透鏡組補償組116和藍光變焦透鏡組補償組123)組成變焦光學透鏡組是為了適應不同投影距離，因為投影距離不一樣會導致紅光、綠光、藍光的透射光路和反射光路對應的垂軸放大率不同，為了使兩路圖像在銀幕上顯示的大小一致，需要對其中一路作變焦操作。本實用新型的其中一個優勢在於將變焦透鏡組(紅光變焦透鏡組變焦組108、綠光變焦透鏡組變焦組115和藍光變焦透鏡組變焦組122)放置於透射P光光路中，因為如果放映機在未加入本實用新型極化分光合束變焦光學系統前投影畫面已經剛好充滿整個銀幕的話，此時加入分色極化合束變焦光學系統，且將變焦透鏡組放於反射光路(即S光路)中，則會導致透射光路的垂軸放大率大於反射光路垂軸放大率，即透射光路的畫面邊緣區域將會超出銀幕有效區域，導致邊緣畫面無法被人眼察看。而反射光路為了和透射光路的垂軸放大率一致，必須調節變焦透鏡組中的補償組，使反射光路的畫面也逐漸變大，直到與透射光路的畫面等大。這將導致兩路畫面的邊緣區域都超出銀幕有效區域，必須再通過放映機自身的光學系統作光學變焦才能將兩路畫面整體縮小直至剛好充滿銀幕。這將導致一個致命的影響就是，播放2D片源與3D片源的焦距不一致，需要反覆切換鏡頭的變焦係數，繁瑣的操作並不人性化，增加了放映人員的工作量。而本實用新型可改變這種做法，直接將變焦透鏡組(紅光變焦透鏡組變焦組108、綠光變焦透鏡組變焦組115和藍光變焦透鏡組變焦組122)擺放在圖1所示位置，這樣反射光路的垂軸放大率將與播放2D片源時一致，即反射光路投影至銀幕的畫面剛好充滿銀幕，而透射光路的垂軸放大率要比透射光路略大(在未進行透鏡組變焦前)。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(紅光變焦透鏡組變焦組108、綠光變焦透鏡組變焦組115和藍光變焦透鏡組變焦組122)作變焦操作，緩慢調節補償組作線性運動直至兩路畫面等大重合。最終，分色極化合束變焦光學系統的六個子光路在像面(銀幕)上的光學垂軸放大率相同，畫面亮度比現有技術大大提高，亮度至少提高100%以上，且光學系統的成像質量也得到提高。
[0040]在本光學系統中，四分之一波片110、117、124與平面反射鏡111、118、125構成另
一極化系統，使透射的紅光、綠光、藍光對應的偏振光被極化，且逆向傳播重新進入變焦光學透鏡組。最終此三路RGB光束與另三路RGB光束具有同一偏振態，且繼續向前傳播。
[0041]在一般影院中，放映機的整機擺放角度是傾斜的，使放映物鏡(或投影物鏡)光軸不在水平面上，即與銀幕(像面)的法線不平行，物鏡光軸與銀幕法線呈一定夾角，使投影光學系統的像面傾斜，嚴重影響光學系統的成像質量。像面傾斜，即一般人所稱的出現梯形畫面。在本實用新型實施中，變焦光學透鏡組具有另一優勢就是，可以在設計分色極化合束變焦光學系統時充分考慮放映物鏡像面傾斜這一情況，與本實用新型中的變焦透鏡組和其它光學元件的各項賽得和係數聯立初級像差方程組，根據初級像差理論、一階光學原理和物理光學求解出初始結構，載入光學設計軟體上自動平衡像差，優化光學系統，使光學結構更為緊湊，在像面傾斜的情況下仍具有很好的成像質量。
[0042]紅光、綠光、藍光變焦光學透鏡組中的(紅光變焦透鏡組固定組107、綠光變焦透鏡組補償組114、藍光變焦透鏡組補償組121、紅光變焦透鏡組變焦組108、綠光變焦透鏡組變焦組115、藍光變焦透鏡組變焦組122、紅光變焦透鏡組補償組109、綠光變焦透鏡組補償組116和藍光變焦透鏡組補償組123)對應的結構形式，即各組的透鏡數量、玻璃牌號、表面曲率半徑、中心厚度、光學元件間隔以及它們之間的擺放順序和孔徑尺寸均可通過一階光學原理和初級像差理論聯立求解得到它們的初始結構，然後進一步利用變焦光學系統相關理論聯立微分方程組便能得到最優解，再利用光學軟體反覆優化使本實用新型中的光學變焦系統能匹配不同影院的不同投影距離、不同的投射比以及不同的整機傾斜角度。
[0043]本實用新型中的平面反射鏡111、118和125對應的基板採用化學和物理穩定性極佳的光學玻璃，在超光滑表面上鍍金屬介質膜，可見光波段反射率高達99%，而普通表面鍍鋁反射鏡平均反射率只有85%左右，換言之光能將進一步損失15%，而本實用新型所用反射鏡只有1%能量損失，對最終銀幕顯示的畫面亮度有很大的提升。
[0044]在本實用新型中的四分之一波片110和平面反射鏡111組合，四分之一波片117和平面反射鏡118組合，四分之一波片124和平面反射鏡125組合，其中四分之一波片可用液晶可變位相延遲器(LCVR)替代。四分之一波片和平面反射鏡的組合可用LCOS替代，它們具有相同的功能，LCOS (Liquid Crystal on Silicon),即液晶附娃,也叫娃基液晶，是一種基於反射模式，尺寸非常小的矩陣液晶顯示裝置。通過LCOS替代四分之一波片和平面反射鏡，可以使光學結構更為緊湊。
[0045]本實用新型中的液晶可變位相延遲器126具有優良的均勻性，低的光損失和低波前畸變，還具備快速響應時間，工作的溫度範圍寬，並且工作波長範圍寬。液晶可變位相延遲器由填滿液晶(LC)分子溶液的透明盒組成，可作為可變波片。透明盒的兩個平行面鍍有透明導電膜，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。加上交流電壓後，液晶分子會根據所加電壓的均方根值改變默認取向。因此，線偏振光束的位相延遲值可通過改變所加的電壓進行主動控制。液晶可變位相延遲器具有極短的響應時間，達到微秒量級，換言之，在通常狀況下液晶可變位相延遲器從低雙折射率到高雙折射率的轉換速度非常快。極快的響應速度，使液晶可變位相延遲器調製左右眼圖像時的切換速度更快，黑場時間更短，串擾更小，銀幕上顯示的畫面亮度更高。本實用新型將液晶可變位相延遲器126擺放在光路最外側優勢在於，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生的溫度上升更小，而液晶分子是對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。並且，液晶材料的粘度在高溫下會變低，使液晶可變位相延遲器在粘度降低的情況下會輕易地從一個狀態轉換到另一個狀態，導致左右眼位相延遲錯亂，即會導致左右眼畫面出現串擾的現象。所以將液晶可變位相延遲器126擺放在光路最外側可以使液晶可變位相延遲器的均勻性和對比度以及相位延遲均有最佳的表現。
[0046]在本實用新型中，液晶可變位相延遲器126也可以分裂成六個，單獨擺放於六個子光路中，如圖1所示，即可擺放在紅光第一極化分光器105與液晶可變位相延遲器126之間，紅光第二極化分光器106與液晶可變位相延遲器126之間,藍光第一極化分光器112與液晶可變位相延遲器126之間，藍光第二極化分光器113與液晶可變位相延遲器126之間，綠光第一極化分光器119與液晶可變位相延遲器126之間，綠光第二極化分光器120與液晶可變位相延遲器126之間。例如，可將紅光第一極化分光器105右側與液晶可變位相延遲器膠合，紅光第二極化分光器106右側與液晶可變位相延遲器膠合，藍光第一極化分光器112右側與液晶可變位相延遲器膠合，藍光第二極化分光器113右側與液晶可變位相延遲器膠合，綠光第一極化分光器119右側與液晶可變位相延遲器膠合，綠光第二極化分光器120右側與液晶可變位相延遲器膠合。分裂出的六個子光路液晶可變位相延遲器均同步，即時序一致，分時輸出左旋圓偏振光和右旋圓偏振光。
[0047]如圖4所示，將液晶可變位相延遲器(LCVR) 126單獨置於可見光-分光光度計樣品室中，測得LCVR將線偏振光極化為圓偏振光的透過率曲線，對比已有技術所得的透過率曲線，明顯得出其透過率比本實用新型中的LCVR要低，並且在藍光和紅光波段透過率更大大下降，這將會導致畫面色度值出現偏移，即色品坐標X，I值將出現偏移，而本實用新型中的LCVR幾乎不會出現偏色情況。
[0048]在極化分光合束變焦光學系統的光路中，由圖5的入射到LCVR液晶盒前的線偏振光的偏振度與已有技術所得的偏振度曲線對比圖可知，本實用新型中的偏振度可高達99.999%,遠聞於已有技術的偏振度數值，更聞的偏振度，意味著更純的線偏振光進入液晶可變位相延遲器，被調製出更純的左右眼圖像，使左右眼畫面的串擾更小，立體效果更逼真。
[0049]在本實用新型中，該系統可將自然光97%以上的能量分色後極化為線偏振光，大大提高畫面亮度和立體顯示逼真度。
[0050]引入極化分光器將使光學系統的偏振度更高，達到99.999%以上，使左右眼畫面串擾率更低，3D立體顯示效果更佳，使影院觀眾的用戶體驗大大提高。
[0051]另外，由於本實用新型引入極化分光器使LCVR組件裡的液晶盒吸收的熱量大大下降(傳統方式液晶盒將吸收50%以上熱量，而本實用新型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穩定工作，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定保持，使系統可靠運行。
[0052]總的來說，分色極化合束變焦光學系統首先將來自於投影物鏡焦面上的物圖像所發出的自然光(隨機偏振態)首先通過分色稜鏡分成三個光路(分別對應紅、綠、藍三種顏色)，三色光路分別進入對應的極化分光器及其後置光路，將三色光路分成六路繼續向前傳播，最後所有光路中的光線被同時轉化成P光或同時轉化成S光，通過液晶可變位相延遲器(LCVR)同步極化偏振光，分時輸出左和右圓偏振光，最後六個光路均在銀幕上成像，且六光路對應的垂軸放大率基本一致，圖像在銀幕上等大重合，亮度大大提高，現有技術僅僅利用了透射光路一路的光能，而吸收掉50%以上的自然光能量，本實用新型充分利用了光能，使畫面顯示亮度相對已有技術方式提高了 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。
[0053]在上述極化分光合束變焦光學系統中，除了包括分色稜鏡、全反射稜鏡和液晶可變位相延遲器(LCVR)外，還包括了紅綠藍三色光路中的紅光極化分光器、綠光極化分光器、藍光極化分光器、變焦透鏡組中的固定組、變焦透鏡組中的變焦組、變焦透鏡組中的補償組、四分之一波片、平面反射鏡。
[0054]本實用新型的光學系統除了包含上述光學器件外，還包括與上述元件功能相同或類似的光學零件。
[0055]在本實用新型的實施例中，紅光極化分光器可將輸入自然光(隨機偏振態)的紅光波段極化為P光和S光,其中反射S光,透過P光。P光指偏振方向平行於光學系統子午面，且垂直於對應光線傳播方向的光線，S光指偏振方向垂直於光學系統子午面，且與P光正交的光線。綠光極化分光器可將輸入自然光(隨機偏振態)的綠光波段極化為P光和S光,其中反射S光,透過P光。藍光極化分光器可將輸入自然光(隨機偏振態)的藍光波段極化為P光和S光，其中反射S光，透過P光。其中RGB光路(即紅光、綠光、藍光對應光路)中的透過光束還需通過各自對應的第二極化分光器、變焦透鏡組、四分之一波片以及平面反射鏡。而最後作轉像的平面反射鏡使光線反向再次進入四分之一波片、變焦透鏡組、以及RGB光路對應的各自第二極化分光器。最終六路光束具有同一偏振態(即同時為P光狀態或S光狀態)，通過液晶可變位相延遲器(LCVR)調製，可以使輸入的線偏振光產生雙折射效應，利用電壓控制液晶分子的扭轉角度以達到輸出ο光與e光任意位相差值的作用。本實用新型中只需要使o、e光分時輸出±1/4λ光程差便能實現立體顯示效果，且控制LCVR的電路時序與放映機輸出的3D信號需要同步，即線偏振光通過LCVR後便能分時產生左、右圓偏振光。
[0056]在一些實施中，本實用新型的液晶可變位相延遲器(LCVR)可分成6個單獨的具有相同的功能LCVR，將它們分別放置在各自對應的六光路出口處，LCVR分別對各自光束的偏振光進行調製，最終輸出左圓偏振光或右圓偏振光。
[0057]另外，本實用新型中的紅光極化分光器、綠光極化分光器和藍光極化分光器相對於普通的偏振分束器，優勢在於其能將自然光中的紅綠藍各波段單獨極化，使紅綠藍光的透過率和反射率大大提高，且消光比遠遠大於普通的偏振分束器。透過率和反射率越高，銀幕上顯示的畫面亮度也越高，消光比越高，則輸出的偏振光純度越高，左右眼畫面串擾越小。
[0058]本實用新型實施的另一優點在於，採用分色後再極化分光，使自然光的透過率和反射率遠遠大於直接採用偏振分束器的技術，而分色後，本實用新型的每個R、G、B極化分光光路均用兩個極化分光器構成。例如，在紅光光路中，光束通過第一紅光極化分光器後透過的P光繼續通過第二紅光極化分光器，使P光純度更高。偏振光的純度越高，即偏振度越高，使整個光學系統中不需要另外加入偏振片，因為偏振片是由化學材料構成，透過率低和溫度穩定性很差，且在可見光波段偏振片的透過率不一致，會導致系統色度出現偏差，色偏和亮度低嚴重影響了觀看效果。而本實用新型的分色極化分光器不存在偏振片的缺點，更高的偏振度和透過率，使觀眾的立體視覺效果大大加強。
[0059]總的來說，本實用新型關於立體投影的分色極化合束變焦光學系統包括在分色稜鏡、R、G、B極化分光器接收隨機偏振態的圖像物光。上述方法包括在極化分光器向透射光路傳播P偏振態的光線，還包括在極化分光器向反射光路傳播S偏振態的光線。而且上述六光路最終所傳輸的光束具有相同的偏振態，即同時為P光或同時為S光。
[0060]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種用於立體投影的光學系統，其包括物圖像、放映物鏡或投影物鏡，其特徵在於:還包括分色稜鏡、從所述放映物鏡或投影物鏡出射的光束通過所述分色稜鏡分裂形成綠色光路、紅色光路及藍色光路； 在所述綠色光路裡，所述光學系統進一步包括三角稜鏡、綠光極化分光器、綠光變焦透鏡組固定組、綠光變焦透鏡組變焦組、綠光變焦透鏡組補償組、四分之一波片、平面反射鏡; 在所述紅色光路裡，所述光學系統進一步依次包括紅光極化分光器、紅光變焦透鏡組固定組、紅光變焦透鏡組變焦組、紅光變焦透鏡組補償組、四分之一波片、平面反射鏡； 在所述藍色光路裡，所述光學系統進一步依次包括藍光極化分光器、藍光變焦透鏡組固定組、藍光變焦透鏡組變焦組、藍光變焦透鏡組補償組、四分之一波片、平面反射鏡；及 液晶可變位相延遲器； 其中，在所述綠色光路裡光束被所述綠光極化分光器極化後最終輸出同一偏振態的兩個子光路，在所述紅色光路裡光束被所述紅光極化分光器極化後最終輸出同一偏振態的兩個子光路，在所述藍色光路裡光束被所述藍光極化分光器極化後最終輸出同一偏振態的兩個子光路，這六個子光路同步分時被所述液晶可變位相延遲器極化調製為左圓偏振光和右圓偏振光。
2.根據權利要求1所述的用於立體投影的光學系統，其特徵在於:所述分色稜鏡由四個大小一致的三角稜鏡構成，且三角稜鏡的每一通光表面均鍍多層介質膜。
3.根據權利要求2所述的用於立體投影的光學系統，其特徵在於:所述介質膜的材料為氟化鎂、二氧化矽、氧化鋁、二氧化鈦、或二氧化鋯。
4.根據權利要求1所述的用於立體投影的光學系統，其特徵在於:所述三角稜鏡在斜面上鍍有起轉像作用的內反射膜。
5.根據權利要求1所述的用於立體投影的光學系統，其特徵在於:所述紅光極化分光器包括具有相同結構的紅光第一極化分光器和紅光第二極化分光器，所述紅光第一極化分光器和紅光第二極化分光器的膠合斜面在空間上的方向餘弦不一致，兩斜面相互正交擺放；所述綠光極化分光器包括具有相同結構的綠光第一極化分光器和綠光第二極化分光器，所述綠光第一極化分光器和綠光第二極化分光器的膠合斜面在空間上的方向餘弦不一致，兩斜面相互正交擺放；所述藍光極化分光器包括具有相同結構的藍光第一極化分光器和藍光第二極化分光器，所述藍光第一極化分光器和藍光第二極化分光器的膠合斜面在空間上的方向餘弦不一致，兩斜面相互正交擺放。
6.根據權利要求1所述的用於立體投影的光學系統，其特徵在於:所述四分之一波片用一液晶可變位相延遲器替代。
7.根據權利要求1所述的用於立體投影的光學系統，其特徵在於:所述四分之一波片和所述平面反射鏡用矽基液晶替代。
8.根據權利要求1所述的用於立體投影的光學系統，其特徵在於:所述液晶可變位相延遲器分成六個單獨的具有相同的功能液晶可變位相延遲器，將所述六個液晶可變位相延遲器分別放置在對應的六個子光路出口處且分別對各六個子光路的偏振光進行調製，從而輸出左圓偏振光或右圓偏振光。
【文檔編號】G03B35/26GK203732876SQ201420107349
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月11日 優先權日:2014年3月11日
【發明者】劉飛, 龔傑, 蘇鵬華 申請人:劉飛