用於真三維固態體積式立體顯示系統的投影光學引擎的製作方法
2023-07-31 12:32:26
專利名稱：用於真三維固態體積式立體顯示系統的投影光學引擎的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學引擎，具體地說，是一種可用於真三維固態體積式立體顯示系統的 投影光學引擎。
背景技術：
真三維固態體積式立體顯示是將三維目標體信息通過高速投影光學引擎依據顯示信息 表面各點深度不同分別投影到對應深度的顯示體上，從而完成該目標體的真三維空間立體顯 示，主要由圖像處理模塊、投影光學引擎及顯示體組成，如圖1所示。其中，顯示體是由多 層高透過率液晶光閥層疊構成，每片光閥通過施加不同電壓工作在散射或透射狀態。在可見 光照射下，散射態光閥呈乳白色，是較為理想的投影屏，而透射態光閥則呈透明態。控制顯 示體在任意時刻只有一片光閥為散射態，其它光閥為透明態。圖像處理模塊將要顯示的圖像 通過高速投影光學引擎按深度不同投影到顯示體不同深度的液晶光閥上。真三維固態體積式 立體顯示無需佩戴輔助觀看裝置，顯示信息量多，可以多人多視角同時觀看。同真三維旋轉 體積式立體顯示技術相比，具有無機械旋轉裝置、體積輕薄、耐振動、便攜性能好、可在移 動或野外環境使用等優點。
投影光學引擎根據採用的空間光調製器的類型，可以分為液晶(LCD)型、矽基液晶(LCoS) 型和數字微鏡裝置(Digital Micro-Mirror Device, DMD)型。根據文獻報導，美國LightSpace 公司生產的真三維固態體積式顯示器採用了三片DMD投影光學引擎，在採用三片DMD光學引 擎時，需要額外設置合色裝置，以便將紅、綠、蘭三路光線進行合成，系統結構複雜，體積 大。由於目前DMD技術為美國德州儀器公司獨家所有，DMD裝置價格較高，採用三片DMD無 疑會大大增加系統成本。這一結構形式複雜程度高、成本高。
在真三維固態體積式立體顯示系統中，投影圖像需要通過20層液晶光閥成像。為了保 證足夠的亮度和避免圖像的閃爍，用於真三維固態體積式立體顯示系統的投影光學引擎需要 具有高亮度輸出和高刷新率。目前現有的採用單片DMD結構形式的投影光學引擎在亮度和刷 新率都不能滿足真三維固態體積式立體顯示的要求，同時，無法解決成像面積足夠大和體積
足夠小的矛盾。
發明內容
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種用於真三維固態體積式立體 顯示系統的投影光學引擎，在保證顯示性能的基礎上，降低成本，減少系統結構的複雜性， 縮小顯示系統體積。本發明解決技術問題採用如下技術方案-
本發明用於真三維固態體積式立體顯示系統的投影光學引擎的結構特點是 在其光路上依次設置投影光源、具有紅、綠、蘭色盤各兩段的色輪、方棒、中繼系統、
光調製器DMD、投影鏡頭和摺疊光路；所述投影光源可以採用發光二極體LED，或超高壓滎 燈泡UHP或SHP;所述投影光源出射的光線透過色輪形成紅、綠、蘭單色光，各單色光經方 棒勻光，在所述方棒的出射端形成光斑；所述光斑通過中繼系統成像在光調製器DMD上，繼 而由投影鏡頭射出，所述投影鏡頭的出射光線經過所述摺疊光路成像在顯示體中處於散射態 的液晶光閥上。
本發明用於真三維固態體積式立體顯示系統的投影光學引擎的結構特點也在於 所述投影光源的結構設置為呈矩陣排列的白光LED光源設置在反射腔的底部，在反
射腔的前端設置聚焦透鏡，所述色輪位於聚焦透鏡的焦點位置上。
所述投影光源中採用UHP或SHP光源，設置橢球形反射碗，所述UHP或SHP光源位 於橢球反射碗的第一焦點上，所述色輪位於橢球反射碗第二焦點上。
所述色輪採用RGBRGB 6段、4倍速，經由色輪分色產生的紅、綠、蘭色場頻率使圖 像在顯示體上的刷新率至少為24Hz。
與已有技術相比，本發明有益效果體現在
1、 本發明通過採用高亮度發光二極體LED、 UHP光源或SHP光源，使投影光源具有足夠 的光強，能夠滿足光線通過投影光學引擎中的各個光學元件及由多層液晶光閥組成的顯示體 進入人眼後仍具有足夠的亮度；
2、 本發明僅僅採用了單片光調製器DMD，單片DMD結構相對於三片DMD結構，大大降
低了系統成本和系統複雜性，減少了系統的體積；
3、 本發明通過採用高速色輪，可保證圖像在多層液晶光閥組成的顯示體上的成像沒有 人眼感知的閃爍。通過採用RGBRGB六段、4倍速色輪，滿足真三維固態體積式立體顯示 投影光學引擎高刷新率的同時，降低了系統成本。
4、 本發明位於投影鏡頭和顯示體之間的摺疊光路能保證在減少投影光學引擎的體積的 同時，在顯示體上的成像圖像具有足夠的面積。
圖1為真三維固態體積式立體顯示系統原理圖。
圖2為本發明的光學引擎結構示意圖。
圖3為本發明投影光源LED實施例示意圖。圖4為本發明投影光源UHP或SHP實施例示意圖。 圖5為本發明中繼系統實施例示意圖。 圖6為本發明摺疊光路實施例示意圖。
圖中標號l投影光源、11白光LED光源、12反射腔、13聚焦透鏡、14為UHP或SHP 光源、15橢球形反射碗、2色輪、3方棒、4中繼系統、41中繼系統第一透鏡、42中繼系統 第二透鏡、43中繼系統第三反射鏡、44中繼系統第四透鏡、5光調製器、6投影鏡頭、71 第一反射鏡、72第二反射鏡、73第三反射鏡、74第四反射鏡、8顯示體。
以下通過具體實施方式
，結合附圖對本發明作進一步說明。
具體實施例方式
圖1所示，在真三維固態體積式立體顯示系統中，顯示圖像經過圖像處理模塊之後，由 投影光學引擎照射在顯示體上。顯示體是由多層液晶光閥組成，比如20層，當液晶光閥處 於散射狀態時，投影光學引擎出射的圖像能在該層液晶光閥上成像。
圖2是本發明的用於真三維固態體積式立體顯示系統的投影光學引擎結構示意圖。本實 施例在投影光學引擎的光路上依次設置投影光源1、具有紅、綠、蘭色盤各兩段的色輪2、 方棒3、中繼系統4、光調製器DMD 5、投影鏡頭6和摺疊光路7。投影光源1發出的光線 聚焦在色輪2表面。當色輪2高速旋轉時，光線透過色輪2表面的色盤產生紅、綠、蘭光線。 通過色輪2的紅、綠、蘭光線順序進入方棒3。方棒3可以是實心的玻璃棒，也可以是內鍍 高反射膜的反射玻璃組成的中空玻璃棒。光線在方棒3內多次反射，在方棒3另一端形成矩 形的均勻光斑。光斑通過中繼系統4照射在光調製器DMD 5上，繼而由投影鏡頭6射出， 投影鏡頭6的出射光線經過摺疊光路7成像在顯示體8中處於散射態的液晶光閥上。
由於光線需要通過多層液晶光陶進入人眼，液晶光閥處於透射態時的透過率決定了人 眼感受到的最終亮度。當液晶光閥透射態時的透過率為75%、顯示體由20層液晶光閥組成 時，透過顯示體最終到達人眼的光線只有投影光學引擎出射光線的0.317%。為了產生足夠 的亮度，投影光源發出的光線需要具有足夠的光通量。通常來說，人眼觀看顯示屏感覺舒適 時顯示屏的亮度至少為120cd/m2。當顯示屏尺寸為10英寸，液晶光閥透過態透過率為75%， 摺疊光路反射鏡反射率為90%，光學引擎效率為20%時，投影光源發出的總光通量至少為 92001m。
投影光源可以採用LED或超高壓汞燈UHP或SHP。
圖3所示採用LED作為投影光源。呈矩陣排列的白光LED光源11設置在反射腔12的 底部，在反射腔12的前端設置聚焦透鏡13，色輪2位於聚焦透鏡13的焦點位置上。為滿足光通量的要求，如果採用1001m/W的LED，需要100個(10X 10)以上的大功率白光LED。
圖4所示採用了 UHP或SHP作為投影光源。為滿足光通量的要求，UHP或SHP的 功率應該至少在200W以上。UHP或SHP光源14位於橢球反射碗15的第一焦點上，色輪 2位於橢球反射碗15第二焦點上。
為了避免閃爍，圖像的刷新速率至少應該為24Hz。由於採用單片DMD結構，對於20層 液晶光閥組成的顯示體，就需要色輪產生的紅、綠、蘭色場的頻率為2扭20二480Hz。目前 尚沒有如此高刷新率的投影光學引擎。當採用RGBRGB 6段的色輪時，色輪旋轉一周可以產 生兩個紅、綠、蘭色場，這樣就可以採用240Hz的色輪。因此本發明採用RGBRGB 6段、4 倍速的色輪解決了刷新速率問題。
由於光學系統結構和方棒尺寸的限制，通常無法直接將方棒3的出射面直接置於DMD 的表面上，因而在方棒3的後面需要引入中繼系統4,將方棒3的出射面成像在DMD表面上， 形成亮度均有的照明光斑。圖5所示為中繼系統的結構形式，包括中繼系統第一透鏡41、 中繼系統第二透鏡42、中繼系統第三反射鏡43和中繼系統第四透鏡44。其中，中繼系統第 一透鏡41、中繼系統第二透鏡42和中繼系統第四透鏡44的綜合放大率為DMD尺寸與方棒 尺寸之比；中繼系統第三反射鏡43可以改變光線方向，減少系統體積。
為了保證圖像在顯示體上的成像具有一定的面積，需要投影鏡頭和顯示體之間具有一定 的光程。如果採用發散角較大的投影鏡頭，雖然在較短的光程就可以實現一定的顯示面積， 但由於多層液晶光閥組成的顯示體8具有一定厚度，此時在第一層液晶光閥和最後一層液晶 光閥上的成像面積會有較大的變化。本實施例是在投影鏡頭6和顯示體8之間增加了摺疊光 路7，以保證投影鏡頭和顯示體之間具有一定的光程。摺疊光路7由多面具有高反射率、正 面鍍膜的反射鏡組成。組成摺疊光路的反射鏡的數量和放置位置應該保證投影鏡頭到顯示體 的光程滿足設計要求，圖像能在顯示體上正確成像。
圖6所示是本發明摺疊光路的一個實施例，四面反射鏡組成摺疊光路。設置投影鏡頭6 出射的光線投照在呈60度角傾斜設置的第一反射鏡71上，第一反射鏡71的反射光線投向 呈水平設置的第二反射鏡72上；第二反射鏡72的反射光線投向呈水平設置的第三反射鏡 73上，第三反射鏡73的反射光線投向呈60度角傾斜設置的第四反射鏡74上；第四反射鏡 74的反射光線投照在顯示體8上。
對於10寸的顯示面積、第1層液晶光閥成像面積和第20層液晶光閥成像面積變化在 10%時，根據計算，投影鏡頭6和顯示體8之間的光程為980ram。為保證投影光源亮度的損 失、圖像變形減少到最低，摺疊光路使用的反射鏡的反射率為92%，鏡面平整度達到士0.02fflm。為了消除重影，摺疊光路中的反射鏡正面鍍膜。主光線從投影鏡頭6經過四面反射 鏡到顯示體8的光程為980mm。
本發明可以配合使用中國專利200710192048.7中已經公布的用於真三維固態體積式立 體顯示系統的顯示數據傳輸方式。
權利要求
1、用於真三維固態體積式立體顯示系統的投影光學引擎，其特徵是在其光路上依次設置投影光源(1)、具有紅、綠、蘭色盤各兩段的色輪(2)、方棒(3)、中繼系統(4)、光調製器DMD(5)、投影鏡頭(6)和摺疊光路(7)；所述投影光源(1)可以採用發光二極體LED，或超高壓汞燈泡UHP或SHP；所述投影光源(1)出射的光線透過色輪(2)形成紅、綠、蘭單色光，所述各單色光經方棒(3)勻光，在所述方棒(3)的出射端形成光斑；所述光斑通過中繼系統(4)成像在光調製器DMD(5)上，繼而由投影鏡頭(6)射出，所述投影鏡頭(6)的出射光線經過所述摺疊光路(7)成像在顯示體(8)中處於散射態的液晶光閥上。
2、 根據權利要求1所述的用於真三維固態體積式立體顯示系統的投影光學引擎，其特 徵是所述投影光源(1)的結構設置為呈矩陣排列的白光LED光源(11)設置在反射腔(12) 的底部，在反射腔(12)的前端設置聚焦透鏡(13)，所述色輪(2)位於聚焦透鏡(13) 的焦點位置上。
3、 根據權利要求1所述的用於真三維固態體積式立體顯示系統的投影光學引擎，其特 徵是所述投影光源(1)中採用UHP或SHP光源(14)，設置橢球形反射碗(15)，所述UHP 或SHP光源(14)位於橢球反射碗(15)的第一焦點上，所述色輪(2)位於橢球反射碗(15) 第二焦點上。
4、 根據權利要求1所述的用於真三維固態體積式立體顯示系統的投影光學引擎，其特 徵是所述色輪(2)採用RGBRGB 6段、4倍速，經由色輪(2)分色產生的紅、綠、蘭色 場頻率使圖像在顯示體(8)上的刷新率至少為24Hz。
全文摘要
用於真三維固態體積式立體顯示系統的投影光學引擎，其結構特點是在其光路上依次設置投影光源、具有紅、綠、藍色盤各兩段的色輪、方棒、中繼系統、光調製器DMD、投影鏡頭和摺疊光路；投影光源可以採用發光二極體LED，或超高壓汞燈泡(UHP或SHP)；投影光源出射的光線透過色輪形成紅、綠、藍單色光，各單色光經方棒勻光，在方棒的出射端形成光斑；光斑通過中繼系統照射在光調製器DMD上，繼而由投影鏡頭射出，投影鏡頭的出射光線經過摺疊光路成像在顯示體中處於散射態的液晶光閥上。本發明在保證顯示性能的基礎上，降低成本，減少系統結構的複雜性，縮小顯示系統體積。
文檔編號H04N13/04GK101546103SQ20091011671
公開日2009年9月30日 申請日期2009年5月5日 優先權日2009年5月5日
發明者馮奇斌, 呂國強, 胡躍輝, 高偉清 申請人:合肥工業大學