Система преобразования поляризации и способ стереоскопической проекции
Изобретение относится к системам преобразования поляризации. Система содержит поляризационный расщепитель пучка, вращатель плоскости поляризации и переключатель поляризации. Поляризационный расщепитель пучка способен пропускать первые пучки света с первым состоянием поляризации (SOP) по первой траектории световых лучей и отражать вторые пучки света со вторым SOP по второй траектории световых лучей. Вращатель плоскости поляризации расположен на второй траектории световых лучей и способен преобразовывать второе SOP в первое SOP. Переключатель поляризации способен принимать первый и второй пучки света по первой и второй траектории световых лучей, соответственно, и модулировать по времени состояния поляризации первого и второго пучков света в первое SOP на выходе или второе SOP на выходе. Технический результат - повышение яркости изображения. 4 н. и 15 з.п ф-лы, 13 ил., 1 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Описанные варианты осуществления относятся в целом к проекции поляризационно-кодированных изображений, более точно, к системе преобразования поляризации и способу вывода совокупности поляризационно-кодированных изображений на проекционный экран.
Предпосылки создания изобретения
На фиг.1 показана блок-схема, иллюстрирующая пример системы 100 отображения с сохранением поляризации. Система 100 отображения включает проекционный экран 102 и защитные очки 104 с поляризационной фильтрацией. С помощью защитных очков 104 с поляризационной фильтрацией на одном экране 102 с сохранением поляризации, на котором последовательно отображается совокупность левых и правых перспективных изображений, наблюдают совокупность стереоскопических трехмерных (3D) изображений. Защитные очки 104 с поляризационной фильтрацией имеют две линзы 106 и 108 с чередующейся ортогональной поляризацией.
Совокупность 3D-изображений можно синтезировать с использованием регулировки поляризации в проекторе для кодирования и защитных очков с поляризационной фильтрацией для декодирования совокупности левых и правых перспективных изображений (смотри, например, принадлежащий правообладателю настоящей заявки патент US 4792850 "Method and system employing a push-pull liquid crystal modulator", выданный на имя Lenny Lipton и др., и патентную заявку US 11/424087 "Achromatic Polarization Switches", поданную 14 июня 2006 г., которые в обоих случаях во всей полноте и в любых целях в порядке ссылки включены в настоящее описание).
На фиг.2 показана обычная реализация регулировки поляризации на выходе проекционного объектива. Из объектива выходят почти параллельные лучи, источником которых является зрачок внутри объектива и которые сходятся, образуя пятна на удаленном экране. Показанные на фиг.2 пучки А, В и С лучей являются пучками, образующими пятна внизу, по центру и вверху проекционного экрана. Свет, выходящий из проекционного объектива, хаотически поляризован и представлен на фиг.2 в виде света с поляризацией, как перпендикулярной, так и параллельной плоскости падения пучка. Свет проходит через линейный поляризатор, в результате чего на выходе поляризатора получают свет с одним состоянием поляризации. Ортогонально поляризованный свет поглощается (или отражается), при этом световой поток на выходе поляризатора составляет менее 50% исходного потока (в результате чего получают более тусклое конечное изображение). Переключатель поляризации синхронизирован с кадром изображения, а состояние поляризации на выходе переключателя поляризации чередуется, в результате чего на экране получают изображения с чередующейся ортогональной поляризацией. Защитные очки 104 с поляризационной избирательностью позволяют воспринимать левым глазом изображения с одной поляризацией, а правым глазом воспринимать изображения с ортогональной поляризацией. За счет восприятия каждым глазом различных изображений можно синтезировать совокупность 3D-изображений.
В настоящее время эта система применяется в кинотеатрах. Тем не менее обычно в системах такой конструкции более 50% света поглощается поляризатором, и получаемое изображение является более чем на 50% более тусклым, чем в обычном кинотеатре с проекцией двухмерного изображения. Кроме того, яркость стереоскопического 3D-изображения с упорядочением по времени дополнительно снижена более, чем на 50%. Из-за более тусклого изображения может быть ограничен размер зала, используемого для проекции 3D-изображений, и/или ухудшаться восприятие изображения зрителями.
Краткое изложение сущности изобретения
В основу настоящего изобретения положены упомянутые выше, а также другие задачи создания системы преобразования поляризации и способа стереоскопической проекции. Обычно в системе преобразования поляризации свет неполяризованного виртуального источника делят на свет с первым состоянием поляризации (СП или SOP, от английского - state of polarization) и свет с ортогональным вторым СП и направляют поляризованный свет по первой и второй траектории световых лучей. СП света, поступающего только по одной из траекторий световых лучей, преобразуют в ортогональное состояние, чтобы свет, поступающий по обеим траекториям, имел одинаковое СП. Модулятор поляризации модулирует по времени свет, поступающий по первой и второй траекториям, в результате чего получают свет с первым и вторым состояниями поляризации на выходе. Первый и второй проекционные объективы направляют свет по первой и второй траекториям в направлении проекционного экрана, в результате чего получают преимущественно перекрывающие друг друга поляризационно-кодированные изображения, значительно более яркие, чем в упомянутой известной из уровня технике системе. Поляризационно-кодированные изображения можно просматривать в защитных очках с соответствующими поляризационными фильтрами.
Согласно другой особенности предложена система преобразования поляризации для вывода совокупности поляризационно-кодированных изображений на проекционный экран, которая имеет первый проекционный объектив, второй проекционный объектива, поляризационный расщепитель пучка (ПРП или PBS, от английского - polarization beam splitter), отражающий элемент и модулятор поляризации. ПРП способен пропускать свет с первым состоянием поляризации в направлении первого проекционного объектива по первой траектории световых лучей, а также способен отражать свет со вторым состоянием поляризации в направлении второй траектория световых лучей. На второй траектории световых лучей расположен отражающий элемент, способный отражать свет в направлении второго проекционного объектива. Модулятор поляризации может быть расположен на первой и второй траекториях световых лучей. Первый и второй проекционные объективы способны направлять поляризационно-кодированные изображения на проекционный экран.
В некоторых вариантах осуществления модулятор поляризации может представлять собой один блок, расположенный как на первой, так и второй траекториях световых лучей. В других вариантах осуществления модулятор поляризации может содержать первый переключатель поляризации и второй переключатель поляризации, каждый из которых расположен на соответствующей первой и второй траекториях световых лучей. Переключатель(-и) поляризации может быть установлен до проекционных объективов или после них.
Согласно другой особенности предложен способ проекции стереоскопических поляризационно-кодированных изображений, в котором поляризационный расщепитель пучка принимает свет неполяризованного виртуального источника. При осуществлении способа поляризационный расщепитель пучка пропускает свет виртуального источника с первым состоянием поляризации в направлении проекционного объектива, расположенного на первой траектории световых лучей. При осуществлении способа поляризационный расщепитель пучка также отражает свет со вторым состоянием поляризации в направлении второй траектория световых лучей. При осуществлении способа дополнительно отражают свет по второй траектории световых лучей в направлении второй проекционного объектива. При осуществлении способа дополнительно поворачивают плоскость поляризации света, поступающего по первой или второй траекториям, в ортогональную плоскость поляризации. При осуществлении способа дополнительно модулируют по времени поляризацию света, поступающего по первой и второй траекториям, между первым состоянием поляризации на выходе и вторым состоянием поляризации на выходе.
Другие признаки изобретения станут ясны из следующего далее описания.
Краткое описание чертежей
Далее в порядке примера рассмотрены варианты осуществления со ссылкой на приложенные чертежи, на которых одинаковыми позициями обозначены сходные элементы и на которых:
на фиг.1 показана блок-схема, иллюстрирующая пример системы отображения с сохранением поляризации согласно настоящему изобретению,
на фиг.2 проиллюстрирована известная реализация регулировки поляризации в 3D-системе для кинотеатров с использованием переключателя поляризации,
на фиг.3 показана блок-схема, иллюстрирующая первый вариант осуществления системы преобразования поляризации (СПП или PCS, от английского - polarization conversion system) согласно настоящему изобретению,
на фиг.3Б показана блок-схема, иллюстрирующая модуль преобразования и переключения поляризации согласно настоящему изобретению,
на фиг.4 показана блок-схема, иллюстрирующая второй вариант осуществления СПП согласно настоящему изобретению,
на фиг.5 показана блок-схема, иллюстрирующая третий вариант осуществления СПП согласно настоящему изобретению,
на фиг.6 показана блок-схема, иллюстрирующая четвертый вариант осуществления СПП согласно настоящему изобретению,
на фиг.7 показана блок-схема, иллюстрирующая пятый вариант осуществления СПП согласно настоящему изобретению,
на фиг.8 показана блок-схема, иллюстрирующая шестой вариант осуществления СПП согласно настоящему изобретению,
на фиг.9 показана блок-схема, иллюстрирующая седьмой вариант осуществления СПП согласно настоящему изобретению,
на фиг.10 показана блок-схема, иллюстрирующая восьмой вариант осуществления СПП, согласно настоящему изобретению,
на фиг.11 показана блок-схема девятого варианта осуществления СПП согласно настоящему изобретению и
на фиг.12 показана блок-схема десятого варианта осуществления СПП согласно настоящему изобретению.
Подробное описание
Первый вариант осуществления
На фиг.3 показана блок-схема, иллюстрирующая первый вариант осуществления системы 300 преобразования поляризации (СПП). СПП 300 обычно может иметь виртуальный источник 304 (например, светомодулирующую панель или обычную пленку), начальный объектив 302 переноса, поляризационный расщепитель 310 пучка (ПРП), первый и второй объективы 306, 308 переноса, переключатель 312 поляризации, складываемое зеркало 318, модуль 320 преобразования и переключения поляризации и первый и второй проекционные объективы 328, 330, которые расположены, как это показано. Как проиллюстрировано на фиг.3Б, модуль 320 преобразования и переключения поляризации может содержать преобразователь 322 поляризации и переключатель 324 поляризации, а также может необязательно содержать предполяризатор 326 для повышения контрастности, при этом все упомянутые элементы расположены, как это показано. Преобразователь 322 поляризации представляет собой оптический компонент (например, полуволновую пластину), который способен преобразовывать состояние поляризации на входе в ортогональное состояние поляризации.
Первый и второй объективы 306 и 308 переноса предпочтительно симметрично расположены вблизи соответствующих апертурных диафрагм 301, 303, в указанном порядке расположенных за переключателем 312 поляризации и модулем 320 преобразования и переключения поляризации, и обеспечивают преимущественно свободные от искажений изображения панели 304 при каждой ориентации 314 и 316 изображения. В одном из альтернативных вариантов осуществления апертурные диафрагмы 301, 303 могут быть расположены на соответствующих траекториях 305, 307 световых лучей непосредственно перед переключателем 312 поляризации и модулем 320 преобразования и переключения поляризации. В другом альтернативном варианте осуществления, показанном на фиг.3, представлено альтернативное положение 332 переключателя 312 поляризации на первой траектории 306 световых лучей и альтернативное положение 334 модуля 320 преобразования и переключения поляризации на второй траектория 308 световых лучей. Эти положения могут служить выгодными альтернативами, если вследствие двойного лучепреломления через элементы объектива 302 системы 300 переноса ухудшается контрастность системы. В качестве другого альтернативного положения переключатели 312, 324 поляризации могут быть расположены после проекционного объектива, а не до него. Такой вариант осуществления может обеспечивать преимущества с точки зрения контрастности системы. Следует отметить, что полуволновая пластина 322 необязательно должна находиться в непосредственной близости от переключателя 324 поляризации и может быть расположена в любом месте на траектории световых лучей между ПРП 310 и переключателем 324 поляризации. В действительности, в альтернативных вариантах осуществления положения переключателя 312 поляризации и модуля 320 преобразования и переключения поляризации могут быть заданы таким образом, чтобы переключатель 312 поляризации был расположен на второй траектории 307 световых лучей, а модуль 320 преобразования и переключения поляризации был расположен на первой траектория 305 световых лучей.
В процессе работы панель 304 (например, панель на основе технологии цифровой обработки света (DLP, от английского - Digital Light Processing,) производства компании Texas Instruments) или обычную пленку освещают хаотически поляризованным светом, поступающим от источника света (не показан), чтобы получить свет неполяризованного виртуального источника. Источник света может представлять собой, например, обычную лампу UHP, ксеноновую лампу, источник света на основе светоизлучающих диодов или в некоторых вариантах осуществления источник света, предложенный в принадлежащей правообладателю настоящей заявки патентной заявке 11/779708 "Light collector for projection systems", поданной 18 июля 2007 г., которая в порядке ссылки включена в настоящее описание. Начальный объектив 302 переноса направляет свет неполяризованного виртуального источника, поступающий от панели 304, в сторону ПРП 310. ПРП 310 может пропускать свет с поляризацией, параллельной плоскости падения пучка, в направлении первой траектории 305 световых лучей, и отражать свет с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения пучка, в направлении второй траектория 307 световых лучей. Свет с поляризацией, параллельной плоскости падения пучка, проходит по первой траектории 305 световых лучей через переключатель 312 поляризации, который поворачивает плоскость поляризации проходящего через него света в виде чередующихся кадров, подобных пучкам А, В и С, показанным на фиг.2.
Свет с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения пучка, отраженный ПРП 310, поступает по второй траектории 307 световых лучей в складываемое зеркало 318 (или любой оптический компонент для отражения света без изменения состояния поляризации, например, призму). Затем свет с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения пучка, проходит через модуль 320 преобразования и переключения поляризации. Преобразователь 322 поляризации (которым может являться полуволновая пластина) предпочтительно преобразует все волны в видимой области спектра в световые волны с ортогональной поляризацией (в данном случае свет с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения пучка в свет с поляризацией, параллельной плоскости падения пучка). Затем свет с поляризацией, параллельной плоскости падения пучка проходит через переключатель 324 поляризации. В некоторых вариантах осуществления для обеспечения более высокой контрастности до или после модуля 320 может быть дополнительно предусмотрен предполяризатор 326. Переключатель 324 поляризации, входящий в модуль 320 преобразования и переключения поляризации, служит для создания чередующихся ортогональных состояний преимущественно так же, как переключатель 312 на первой траектории 305 световых лучей.
Система преобразования поляризации 300 может формировать два отдельных изображения 314 и 316 панели 304, каждое с одинарным увеличением (т.е. выходные изображения при ориентациях 314 и 316 могут иметь преимущественно такой же размер, как и входное изображение, поступающее от панели 304). Следует учесть, что в этом и других вариантах осуществления увеличение может отличаться от одинарного, и что данное увеличение приведено в качестве примера. Первый и второй проекционные объективы 328 и 330 в указанном порядке воспроизводят промежуточные изображения 314 и 316 на проекционном экране 102. Проекционные объективы 328 и 330 способны перемещаться в боковом направлении таким образом, чтобы изображения на экране 102, поступающие по двум оптическим путям 305 и 307, накладывались друг на друга, преимущественно перекрывая друг друга, предпочтительно с минимальным трапецеидальным искажением. Поскольку почти весь хаотически поляризованный свет, поступающий от панели 304, воспроизводится на экране 102 в виде света с одним состоянием поляризации, изображение, получаемое в показанной на фиг.3 системе, приблизительно в два раза ярче изображения, воспроизводимого на экране 102 системы, показанной на фиг.2.
Эта система также может применяться для кинопроекции, профессионалами и в быту, например, в качестве домашнего кинотеатра и рирпроекционного телевизора (RPTV, от английского - rear projection television) при условии использовании сохраняющих поляризацию экранов 102.
Второй вариант осуществления
На фиг.4 показана блок-схема, иллюстрирующая второй вариант осуществления системы 400 преобразования поляризации (СПП). В СПП 400 предусмотрена система переноса, сходная с системой, показанной на фиг.3, и содержащая компоненты, имеющие преимущественно сходную структуру и функцию, за исключением стеклянной призмы 410, которая расположена на второй траектории 407, световых лучей. Стеклянная призма 410 может представлять собой стеклянную призму с высоким показанием преломления.
В процессе работы стеклянная призма 410 позволяет сочетать оба изображения 414 и 416 панели 404 преимущественно в одной плоскости, за счет чего обеспечивается более удобная компоновка и регулировка проекционных объективов 428 и 430. Система 400 переноса предпочтительно сконструирована таким образом, чтобы лучи, поступающие из одной точки поля на объекте (т.е. панели 404), создавали коллимированный пучок (все лучи, поступающие из точки поля, имеют одинаковый угол) на апертурных диафрагмах 401 и 403. Это позволяет установить стеклянную призму 410 на апертурной диафрагме без воздействия на характеристики объектива 402. Стеклянная призма 410 позволяет сочетать оба изображения 414 и 416. Кроме того, в альтернативных вариантах осуществления модуль 420 преобразования и переключения поляризации и переключатель 412 поляризации могут быть размещены в альтернативных положениях 404 и 406 относительно каждой траектории до проекционного объектива или после проекционного объектива.
Третий вариант осуществления
На фиг.5 показана блок-схема, иллюстрирующая третий вариант осуществления системы 500 преобразования поляризации (СПП). Показанная на фиг.5 СПП 500 сходна с системой, показанной на фиг.4, за исключением того, что переключатель 412 поляризации, проиллюстрированный на фиг.4, заменен вращательным колесом 550, способным преобразовывать поляризованный свет на входе в свет с набором чередующихся по времени ортогонально поляризованных состояний на выходе. В одном из вариантов осуществления вращательное колесо 550 может содержать сегменты, которые пропускают свет с чередующейся ортогональной поляризацией, источником которого является неполяризованный свет на входе. В другом варианте осуществления до вращательного колеса 550 может находиться неподвижный поляризатор. При этом вращательное колесо 550 может содержать сегменты, которые преобразуют свет с унитарной поляризацией (например, источником которого является набор задерживающих пленок).
В результате воздействия физического поляризатора (вращающегося колеса 550) свет на выходе изменяется в аналоговом режиме, если только каждый сегмент не настроен на компенсацию этого эффекта. С функциональной точки зрения желателен двоичный эффект переключения поляризации, который согласно настоящему изобретению оптимально обеспечивается с использованием элементов с круговой собственной поляризацией. Например, правильный круговой поляризатор (по сравнению, например, с линейным поляризатором, за которым следует замедлитель или набор замедлителей) будет пропускать свет с круговой поляризацией определенной направленности (например, правой или левой) независимо от ориентации колеса.
В качестве альтернативы, за неподвижным поляризатором может быть расположен преобразователь унитарной поляризации с круговой собственной поляризацией или чистый круговой замедлитель. Например, за линейным поляризатором может быть расположено вращательное колесо 550, которое содержит сочетание изотропных сегментов, а также чистых ахроматических вращателей плоскости поляризации. Чистый ахроматический вращатель имеет нулевое линейное замедление (не имеет оптической оси), но имеет желаемую задержка по фазе между состояниями ортогональной круговой поляризации. В этом случае за счет фазового сдвига π между состояниями круговой собственной поляризации свет на входе будет преобразован в свет с ортогональной линейной поляризацией на выходе независимо от ориентации колеса. Таким образом, действующее в аналоговом режиме колесо обеспечивает двоичное переключение между состояниями ортогональной линейной поляризации.
Чистые ахроматические вращатели плоскости поляризации могут быть изготовлены с использованием наборов линейных замедлителей. Согласно одному из способов конструирования объединяют в пары наборы с конкретной симметричной конфигурацией. Например, набор, который обеспечивает конкретное замедление и вращение, может быть объединен в пару с идентичным набором с обратной или обратной зеркальной симметрией (смотри, например, работу POLARIZATION ENGINEERING FOR LCD PROJECTION, глава 5, Robinson и др., издательство Wiley & Sons, 2005 г., которая в порядке ссылки включена в настоящее описание). Набор с расположением в обратном порядке удваивает чистое замедление и устраняет вращение, а при добавлении зеркальности удваивается вращение и устраняется замедление. Может быть сконструирован набор, рассчитанный на преобразование линейно поляризованного 0-ориентированного света на входе в линейно поляризованный π/4-ориентированный свет на выходе (на волнах всех интересующих длин), который обычно содержит линейное замедление. Тем не менее, при объединении в пару с набором с расположением в обратном зеркальном порядке, результирующим эффектом является нулевое замедление и желаемое π/2-ориентированное преобразование. Такие прозрачные элементы могут быть наслоены в виде сегментов на изотропный диск с целью создания двоичного переключателя поляризации с вращательным колесом 550.
В таблице 1 проиллюстрирован примерный состав набора замедлителей, обеспечивающих преимущественно ахроматическое π/2-ориентированное вращение с обратной зеркальной симметрией. Следует отметить, что эта симметрия является достаточным, но необязательным условием достижения желаемого преобразования поляризации. Можно легко удостовериться в том, что состояние поляризации после слоя 6 является линейным с углом 45°, хотя набор имеет линейное замедление, которое устранено последующим набором. В этом примере все слои имеют нулевое замедление в одной плоскости длиной в 1/2 волны (обычно 240-270 нм в видимой части спектра). Должно быть ясно, что в настоящем изобретении могут использоваться комбинированные конструкции замедлителей, имеющих различные ориентации и профили замедления.
| Таблица 1 | |
| Номер слоя | Ориентация |
| 1 | -19,6° |
| 2 | 2,4° |
| 3 | 18,1° |
| 4 | -65,6° |
| 5 | -54,3° |
| 6 | -15,0° |
| 7 | 15,0° |
| 8 | 54,3° |
| 9 | 65,6° |
| 10 | -18,1° |
| 11 | -2,4° |
| 12 | 19,6° |
Как показано на фиг.5, в процессе работы свет, поступающий по нижней траектории 505 световых лучей, имеет поляризацию, параллельную плоскости падения пучка, и проходит через изотропный сегмент 504 колеса 550. После прохождения через изображение 2516, проекционный объектив 530 и поступления на экран 102 свет сохраняет поляризацию в плоскости, параллельной плоскости падения пучка. В этом случае свет, поступающий по верхней траектории 507, имеет поляризацию, перпендикулярную плоскости падения пучка, и проходит через вращательный сегмент 506 колеса 550. Колесо 550 поворачивает плоскость поляризации света, перпендикулярную плоскости падения пучка, в плоскость поляризации, параллельную плоскости падения пучка, и свет проходит через проекционный объектив 528 и поступает на экран 102 в виде света с поляризацией, параллельной плоскости падения пучка. Затем колесо 550 синхронизируют с кадрами изображения с целью получения на экране 102 изображений с чередующейся поляризацией. Также возможны изменения состояний поляризации, при этом на каждой траектории получают свет с круговой поляризацией путем дополнительного использования четвертьволновых пластин на оптических путях или свет с повернутыми плоскостями линейной поляризации (например, на +/-45 градусов) путем дополнительного использования вращателей на каждом пути.
Четвертый вариант осуществления
На фиг.6 показана блок-схема, иллюстрирующая четвертый вариант осуществления системы 600 преобразования поляризации (СПП). На фиг.6 проиллюстрирована СПП 600, в которой увеличение доведено до двойного (по сравнению с одинарным ранее). В этом случае первая часть СПП 600, содержащая ПРП 610 и соответствующую стеклянную призму 602, может быть идентична по структуре и функции компонентам, описанным со ссылкой на фиг.4. Тем не менее, вторая часть СПП 600 увеличена вдвое с целью двукратного увеличения фокусного расстояния. СПП 600 формирует изображение, которое в два раза превышает размер панели 604, но при этом имеет такое же диафрагменное число (или числовую апертуру). В этом примере осуществления может использоваться один объектив 608 переноса для формирования промежуточного изображения и один проекционный объектив 630 (например, 70-мм кинообъектив) для отображения промежуточного изображения на экране 102. Также показан модуль 620 преобразования и переключения поляризации и его альтернативное положение 625.
Пятый вариант осуществления
На фиг.7 показана блок-схема, иллюстрирующая пятый вариант осуществления СПП 700. На фиг.7 показана СПП 700, сходная с системой, показанной на фиг.6, за исключением того, что модули 620 преобразования и переключения поляризации, показанные на фиг.6, заменены сегментированным колесом 750 (сходным с сегментированным колесом 550, описанным со ссылкой на фиг.5). Также показано сегментированное колесо 750 и альтернативное положение 752 сегментированного колеса. И в этом случае для отображения промежуточного изображения на экране 102 может использоваться один проекционный объектив 730.
Шестой вариант осуществления
На фиг.8 показана блок-схема, иллюстрирующая шестой вариант осуществления СПП 800. СПП 800 может содержать панель 804, начальный объектив 802 переноса, ПРП 810, переключатель 812 поляризации на первой траектории световых лучей, стеклянную призму 814 с отражателем (например, наклонной зеркальной поверхностью) 816, модуль 818 преобразования и переключения поляризации и первый и второй проекционные объективы 820 и 822, расположенные, как это показано. Модуль 818 преобразования и переключения поляризации может иметь необязательный предполяризатор, вращатель плоскости поляризации и переключатель поляризации подобно описанному со ссылкой на фиг.3Б модулю 320 преобразования и переключения поляризации. Система 800 может формировать два раздельных изображения панели 304, каждое с большим увеличением. СПП 800 также может применяться профессионалами и в быту, как, например, в качестве домашнего кинотеатра и RPTV при условии наличия сохраняющих поляризацию экранов 102.
В процессе работы панель 804 (такую как панель на основе технологии цифровой обработки света (DLP) производства компании Texas Instruments) освещают хаотически поляризованным светом. В этом варианте осуществления первый и второй проекционные объективы 820 и 822, которые могут являться реверсивными телеобъективами, проецируют на экран 102 свет, поступающий от панели 804. ПРП 810 пропускает свет с поляризацией, параллельной плоскости падения пучка, по первой траектории световых лучей, и отражает свет с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения пучка, по второй траектория световых лучей. Свет с поляризацией, параллельной плоскости падения пучка, проходит через переключатель 812 поляризации, который поворачивает плоскость поляризации проходящего через него света в виде чередующихся кадров, подобных пучкам А, В и С, показанным на фиг.2.
Свет с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения пучка, отраженный ПРП 810 (по второй траектории световых лучей), поступает в призму 814. Призма 814 может иметь наклонную поверхность 816, которая служит складываемым зеркалом. Отражение может обеспечиваться методом полного внутреннего отражения или путем нанесения на гипотенузу зеркального слоя (например, серебра). Чтобы поместить такую призму 814 внутрь СПП 800 без создания излишних аберраций конечного изображения предпочтительно, чтобы лучи, поступающие из точки поля объекта (панели 304), были коллимированы (т.е. чтобы лучи в пучке имели одинаковый угол) в апертурной диафрагме(-ах) 830 и 832. В некоторых вариантах осуществления апертурная диафрагма 830 может быть расположена на первой траектории световых лучей до переключателя 812 поляризации и/или в каком-либо положении (т.е. 832) на второй траектории световых лучей до конструкции призмы. Таким образом, коллимированные лучи проходят через конструкцию призмы 814 без внесения аберраций. Затем свет с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения пучка, выходит из призмы 814, проходит через модуль 818 преобразования и переключения поляризации, который поворачивает плоскость поляризации света в плоскость, параллельную плоскости падения пучка. Переключатель поляризации внутри модуля 818 преобразования и переключения поляризации воздействует на свет с поляризацией, параллельной плоскости падения пучка, поворачивая плоскость поляризации пучков лучей в виде чередующихся кадров, синхронно с поворотом плоскости поляризации пучков, поступающих по траектории без зеркальной поверхности.
Две преимущественно идентичные вторые части линз 820 и 822 проецируют оба изображения на экран 102. Чтобы оба изображения перекрывали друг друга на экране 102, может быть скорректирован наклон поляризационного расщепителя 810 пучка и/или наклон призмы 808. Весь проекционный объектив в сборе может быть способен перемещаться в боковом направлении, чтобы изображения на экране 102, поступающие по первому и второму оптическим путям, можно было смещать по вертикали в зависимости от различных конфигураций кинотеатра. Первая часть линзы 820 может быть встроена на нижней траектории, чтобы свет мог свободно проходить по верхней траектории, как это показано на фиг.8.
Поскольку почти весь хаотически поляризованный свет, поступающий от панели 804, отображается на экране 102 в виде света с одним состоянием поляризации, изображение, получаемое в показанной на фиг.8 системе, приблизительно в два раза ярче изображения, воспроизводимого на экране 102 системы, показанной на фиг.2.
Седьмой вариант осуществления
На фиг.9 показана система 900 преобразования поляризации, сходная с системой, показанной на фиг.8, за исключением того, что переключатель заменен вращающимся колесом 902. Колесо 902 поделено на две или более областей, как это описано ранее. В этом случае свет, поступающий по нижней траектории 904, имеет поляризацию, параллельную плоскости падения пучка, и проходит через (например) изотропный сегмент 901 колеса 902. После прохождения через остальную систему 900 и поступления на экран 102 свет сохраняет поляризацию, параллельную плоскости падения пучка. В этом случае свет, поступающий по верхней траектории, имеет поляризацию, перпендикулярную плоскости падения пучка, и проходит через (например) вращательный сегмент 903 колеса 902. Колесо 902 поворачивает плоскость поляризации, перпендикулярную плоскости падения пучка, в плоскость поляризации, параллельную плоскости падения пучка, и свет проходит через остальную систему 900 и поступает на экран 102 в виде света с поляризацией, параллельной плоскости падения пучка. Затем колесо 902 синхронизируется с кадрами изображения для отображения на экране 102 изображений с чередующейся поляризацией. Также возможны изменения состояния поляризации, при этом на траекториях 904 и 906 получают свет с круговой поляризацией путем дополнительного использования четвертьволновых пластин (не показаны) на оптических путях или свет с повернутыми плоскостями линейной поляризации (например, на +/-45 градусов) путем дополнительного использования вращателей на каждом пути.
Восьмой вариант осуществления
На фиг.10 показана система 100 преобразования поляризации, сходная с системой, показанной на фиг.9. В этом примере осуществления компоненты СПП 1000 имеют структуру и функцию, преимущественно сходную со структурой и функцией компонентов СПП 900, за исключением того, что вместо одного предусмотрено два вращательных колеса 1002 и 1004 частично с целью облегчения конструктивного расположения вблизи призмы 808. Вращательные колеса 1002 и 1004 могут действовать синхронно друг с другом.
Девятый вариант осуществления
На фиг.11 показана блок-схема примера СПП 1100 для кинопроекции, в которой используются объективы с переменным фокусным расстоянием. СПП 1100 для кинопроекции может иметь панель 1102, телецентрический объектив 1104 (т.е. начальный объектив переноса), поляризационный расщепитель 1106 пучка (ПРП), первую и вторую апертурные диафрагмы 1108, 1110, первый и второй механически корректируемые афокальные объективы 1112, 1132 с переменным фокусным расстоянием, отражающий элемент 1130, вращатель 1136 и первый и второй z-экраны 1124, 1138.
В процессе работы, поступающий от панели 1102 свет с поляризацией, перпендикулярной и параллельной плоскости падения пучка, проходит через телецентрический объектив 1104 в направлении ПРП 1106. Для обеспечения коллимированного света в ПРП 1106 при любых установках изменения масштаба изображения используется телецентрический объектив 1104. ПРП 1106 может представлять собой куб или пластину из проволочной сетки, или любой другой известный из уровня техники ПРП. В этом варианте осуществления ПРП 1106 пропускает свет с поляризацией, параллельной плоскости падения пучка, в первом направлении, и отражает свет с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения пучка, во втором направлении.
Свет с поляризацией, параллельной плоскости падения пучка, проходит через апертурную диафрагму 1108 в направлении первого механически корректируемого афокального устройства 1112 изменения фокусного расстояния. Устройство 1112 может содержать различные элементы, обладающие положительной и отрицательной оптической мощностью. Афокальное устройство изменения фокусного расстояния может иметь функцию механической или оптической коррекции, например, методами, используемыми при конструировании объективов с переменным фокусным расстоянием, которые описаны в работе "Modern Optical Engineering", Warren Smith, 1990 г., издательство McGraw-Hill, в порядке ссылки, включенной в настоящее описание. Устройство 1112 в этом примере осуществления может иметь расположенный на траектории световых лучей неподвижный оптический элемент, такой как вогнутая линза 1114, за которой расположены подвижные элементы, такие как выпуклая линза 1116 и вогнутая линза 1118, за которыми расположен другой неподвижный элемент, такой как выпуклая линза 1120. На фиг.11 выпуклые линзы в целом обозначены линиями с точками на каждом конце, при этом они обычно имеют положительную оптическую мощность и могут содержать один или множество оптических элементов для обеспечения такой положительной оптической мощности. Напротив, вогнутые линзы (графически представленные вогнутыми линиями) обычно имеют отрицательную оптическую мощность и могут содержать один или множество оптических элементов для обеспечения такой отрицательной оптической мощности. Подвижные элементы 1122 могут перемещаться по оптической оси для регулирования по желанию масштаба изображения. Затем свет, поступающий от устройства 1112, проходит через первый z-экран 1124 в направлении экрана 1150 и формирует первое изображение.
Поступающий из ПРП 1106 свет с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения пучка, отраженный во втором направлении, проходит через апертурную диафрагму 1110. Затем отражающий элемент 1130, такой как прямоугольная призма с зеркалом 1130, отражает свет под углом около 90 градусов. Затем свет с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения пучка, проходит через второе механически корректируемое афокальное устройство 1132 изменения фокусного расстояния. Примененная в устройстве 1132 конструкция и способ ее работы могут быть аналогичны описанной конструкции и способу работы устройства 1112. Разумеется, подвижные элементы 1134 могут регулироваться по-другому с целью обеспечения другого желаемого изменения фокусного расстояния. Затем поступающий из устройства 1132 свет с поляризацией, перпендикулярной плоскости падения пучка, может проходить через вращатель 1136, который может представлять собой ахроматическую полуволновую пластину. Вращатель 1136 поворачивает плоскость поляризации света, перпендикулярную плоскости падения пучка, в плоскость поляризации, параллельную плоскости падения пучка. Затем свет с поляризацией, параллельной плоскости падения пучка, проходит по второй траектории световых лучей через второй z-экран 1138 в направлении экрана 1150 и формирует второе изображение. Первое и второе изображения накладываются друг на друге на экране 1150.
Далее рассмотренные дополнительные варианты осуществления, компоненты, используемые в описанных вариантах осуществления и модификации описанных вариантов осуществления.
Поляризационный расщепитель пучка
ПРП, показанный на фиг.3-12, проиллюстрирован на примере пластинчатого ПРП. Этот пластинчатый ПРП может быть сконструирован с использованием слоя проволочной сетки на стекле (как, например, поляризатор Proflux производства компании Moxtek, Орем, штат Юта, США), восстанавливаемой поляризационной пленки (как, например, пленка Double Brightness Enhancing производства компании ЗМ, Сент-Пол, штат Миннесота, США), восстанавливаемой поляризационной пленки на стекле (для обеспечения плоскостности) или многослойного диэлектрика на стекле. ПРП также может быть выполнен в виде стеклянного куба (с использованием проволочной сетки, восстанавливаемой поляризационной пленки или слоев диэлектрика по диагонали).
Коррекция ориентации изображения
Как показано на фиг.3, основная коррекция ориентации изображения на каждой траектории заключается в боковом перемещении проекционных объективов 328 и 330. Дополнительная коррекция ориентации изображения может быть достигнута путем регулирования ПРП 310 и/или зеркала 318. Как показано на фиг.4 и на фиг.5, основная коррекция ориентации изображения на каждой траектории заключается в боковом перемещении проекционных объективов 428/430 и 528/530. Дополнительная тонкая коррекция ориентации изображения может быть достигнута путем бокового перемещения и наклона конструкции призмы 402. Как показано на фиг.6 и фиг.7, коррекция наложения изображений может быть достигнута путем тонкой коррекции положения и наклона призмы. Коррекция ориентации изображения на экране может быть осуществлена путем бокового перемещения проекционного объектива (630 или 730). Как показано на фиг.8-10, коррекция наложения изображений может быть осуществлена путем наклона поляризационного расщепителя пучка (810, 910 или 1010) и/или наклона призмы (814, 914 или 1014). Регулирование упомянутых компонентов (ПРП, зеркала и/или проекционных объективов) с целью коррекции ориентации изображения может осуществляться с использованием электромеханических приводов. Для обработки, управления и передачи приводам команд установления ориентации первого и второго изображений на экране 102 могут использоваться системы управления и датчики с обратной связью.
Переключатель поляризации
Переключатель поляризации, проиллюстрированный в описанных вариантах осуществления, может представлять собой круговой переключатель поляризации или линейный переключатель поляризации (например, Z-экран согласно патенту US 4792850, выданному на имя Lipton, или один из ахроматических переключателей поляризации, описанных в патентной заявке US 11/424087, которые в обоих случаях, как упомянуто ранее, в порядке ссылки включены в настоящее описание). В другом описанном в изобретении способе переключения поляризации используется колесо для вращения плоскости поляризации, как это описано в вариантах осуществления, раскрытых со ссылкой на фиг.5, 7, 9 и 10. В этом случае переключателем 312 поляризации может являться любой переключатель, который периодически чередует состояния ортогональной поляризации, чтобы защитные очки 104 могли декодировать эти состояния, и каждый глаз мог воспринимать соответствующее изображение. Переключатель поляризации может быть разделен между двумя траекториями (например, для повышения кпд устройства).
Регулировка пропускания и постороннего света
Все светопропускающие элементы могут иметь антибликовое покрытие, обеспечивающие высокий коэффициента пропускания и низкий коэффициент отражения. Из-за отражения от светопропускающих элементов в системе может появляться посторонний свет, который ухудшает контрастность и/или создает помехи в конечном изображении. Для усиления контрастности неоптические поверхности (например, боковые поверхности призмы) могут быть окрашены в черный цвет. На любой траектории за ПРП 310 могут быть размещены дополнительные поглощающие поляризаторы для регулирования поляризационных потерь и улучшения контрастности конечного изображения.
Складываемое зеркало и чистота поляризации
Показанное на фиг.3-10 складываемое зеркало может быть заменено элементом ПРП (например, пластиной из проволочной сетки). В этом случае за складываемым элементом может обеспечиваться более высокая чистота поляризации, и отпадает необходимость в поляризаторе на входе переключателя поляризации. Кроме того, в механизме отражения света от наклонной поверхности призмы может использоваться полное внутреннее отражение. Для усиления отражения и сохранения чистоты поляризации наклонная поверхность призмы может быть дополнительно покрыта слоями диэлектрика и металла.
Проекционные объективы
Хотя в вариантах осуществления, описанных со ссылкой на фиг.3-10, проиллюстрировано использование проекционных объективов, сконструированных по типу реверсивных телеобъективов, описанная в изобретении система преобразования не ограничена использованием таких проекционных объективов. В патенте US 6473242 (патент '242), который в порядке ссылки включен в настоящее описание, описан компактный реверсивный телеобъектив. Так, на фиг.12 проиллюстрирован десятый вариант осуществления системы 1200 преобразования поляризации, в которой используется поляризационный расщепитель пучка внутри проекционного объектива, отличающегося от реверсивного телеобъектива по патенту '242. В этом варианте осуществления поляризационный 1210 расщепитель пучка включен в апертурную диафрагму объектива (1230а, 1230b и 1230 с), а два оптических пути 1212 и 1214 служат для наложения выходящего из проектора света с двумя состояниями поляризации. В этом примере зеркало 1216, вращатель 1218 и переключатели 1220 и 1222 поляризации расположены за второй частью проекционного объектива (1230b и 1230 с) между объективом 1230 и киноэкраном. Функция объектива изменена с целью создания коллимированных лучей, поступающих от каждой точки поля апертурной диафрагмы. В результате этого усовершенствования объектив имеет два конкретных отличия от объектива, описанного в патенте '242. Во-первых, объектив по патенту '242 удовлетворяет условию "0,18<r4/f<0,45", а объектив, описанный в настоящем изобретении, не имеет такого ограничения по r4 (например, в данном случае r4/f может составлять 0,6). Во-вторых, объектив по патенту '242 имеет "третью группу линз с положительной преломляющей способностью", а объектив, описанный в настоящем изобретении, имеет третью линзу с отрицательной преломляющей способностью. В результате усовершенствования объектив, описанный в настоящем изобретении, уже не является реверсивным телеобъективом. Для обеспечения функции СПП используется ПРП 1210, зеркало 1216 и переключатели 1220, 1222 поляризации. Для совмещения на экране обоих изображений зеркало 1216 может наклоняться. В некоторых вариантах осуществления зеркало 1216 может быть заменено прямоугольной стеклянной призмой. В некоторых вариантах осуществления ПРП 1210 может быть заменено на ПРП в виде куба. Как показано на схеме, для обеспечения максимальной чистоты поляризации переключатели поляризации расположены на выходе объектива. На выходе может использоваться один или два переключателя поляризации. На одной траектории может использоваться ахроматический вращатель, расположенный до переключателя.
Хотя выше описаны различные варианты осуществления в соответствии с изложенными в описании принципами, подразумевается, что они представлены лишь в качестве примера, а не ограничения. Так, объем изобретения(-й) должен быть ограничен не каким-либо из описанных выше примеров его осуществления, а только каким-либо пунктом формулы изобретения и ее эквивалентами, вытекающими из раскрытия. Кроме того, хотя в описанных вариантах осуществления раскрыты упомянутые преимущества и признаки, они не должны ограничивать применимость таких пунктов формулы изобретения к процессам и конструкциям, в которых реализованы любые из упомянутых преимуществ.
Помимо этого, содержащиеся в описании заголовки разделов приведены в соответствии с рекомендациями Раздела 37, статьи 1.77 Свода федеральных нормативных актов США или для облегчения поиска информации. Эти заголовки не ограничивают и не описывают изобретение(-я), заявленное в каком-либо из пунктов формулы изобретения, который может вытекать из раскрытия. В частности и в качестве примера, хотя в описании содержится раздел под заголовком "Область техники, к которой относится изобретение", формула изобретения не должна быть ограничена содержанием этого раздела, в котором описана так называемая область техники. Кроме того, описание технологии в разделе "Предпосылки создании изобретения" не должно считаться признанием того, что определенная технология является прототипом какого-либо изобретения, раскрытого в настоящем описании. Раздел "Краткое изложение сущности изобретения" также не должен рассматриваться в качестве описания изобретения(-й), заявленного в формуле изобретения. Помимо этого, любое упоминание в настоящем описании "изобретения" в единственном числе не должно использоваться для доказательства того, что в настоящем описании раскрыт лишь один обладающий новизной объект. В объем множества пунктов формулы изобретения, вытекающих из настоящего описания, может входить множество изобретений, и соответственно в таких пунктах формулы изобретения заявлено охраняемые ими изобретение(-я) и его эквиваленты. Во всех случая объем таких пунктов формулы изобретения рассматривается согласно их существу в свете настоящего описания и не должен быть ограничен приведенными в описании заголовками разделов.
1. Система преобразования поляризации, содержащая:
поляризационный расщепитель пучка (PBS), способный принимать свет неполяризованного виртуального источника, пропускать первые пучки света с первым состоянием поляризации (SOP) по первой траектории световых лучей и отражать вторые пучки света со вторым SOP по второй траектории световых лучей,
вращатель плоскости поляризации, расположенный на второй траектории световых лучей и способный преобразовывать второе SOP в первое SOP, и
переключатель поляризации, способный принимать первый и второй пучки света по первой и второй траектории световых лучей, соответственно, и модулировать по времени состояния поляризации первого и второго пучков света в первое SOP на выходе или второе SOP на выходе.
2. Система преобразования поляризации по п.1, дополнительно содержащая отражатель, расположенный на второй траектории световых лучей и способный направлять вторые пучки света преимущественно в те же положения на проекционном экране, что и первые пучки света.
3. Система преобразования поляризации по п.1, в которой переключатель поляризации содержит единую панель, принимающую свет по первой траектории световых лучей и по второй траектории световых лучей.
4. Система преобразования поляризации по п.1, в которой переключатель поляризации содержит первую и вторую панели переключения поляризации, при этом первая панель переключения поляризации принимает свет по первой траектории световых лучей, а вторая панель переключения поляризации принимает свет по второй траектории световых лучей.
5. Система преобразования поляризации по п.4, дополнительно содержащая пару телеобъективов, расположенную на первой траектории световых лучей после первой панели переключения поляризации.
6. Система преобразования поляризации по п.1, в которой первое SOP на выходе ортогонально второму SOP на выходе.
7. Система преобразования поляризации по п.1, в которой переключатель поляризации осуществляет выбор между первым и вторым SOP на выходе синхронно с передачей с кадра изображения проектором.
8. Система преобразования поляризации по п.1, в которой вращатель плоскости поляризации содержит набор замедлителей.
9. Система преобразования поляризации, содержащая:
поляризационный расщепитель пучка, способный направлять свет по первой и второй траекториям световых лучей,
вращающий плоскость поляризации элемент, расположенный на второй траектории световых лучей,
отражающий элемент, расположенный на второй траектории световых лучей, и
переключатель поляризации, расположенный на первой траектории световых лучей и на второй траектории световых лучей после отражающего элемента, при этом отражающий элемент способен направлять вторую траекторию световых лучей преимущественно в те же положения на проекционном экране, что и первую траекторию световых лучей.
10. Система преобразования поляризации по п.9, в которой переключатель поляризации содержит единую панель, принимающую свет по первой траектории световых лучей и по второй траектории световых лучей.
11. Система преобразования поляризации по п.9, в которой переключатель поляризации содержит первую и вторую панели переключения поляризации, при этом первая панель переключения поляризации принимает свет по первой траектории световых лучей, а вторая панель переключения поляризации принимает свет по второй траектории световых лучей.
12. Система преобразования поляризации по п.11, дополнительно содержащая пару телеобъективов, расположенную на первой траектории световых лучей после первой панели переключения поляризации.
13. Система преобразования поляризации по п.9, в которой переключатель поляризации осуществляет выбор между первым и вторым состоянием поляризации на выходе синхронно с передачей с кадра изображения проектором.
14. Проекционная система с использованием поляризованного света для кодирования стереоскопических изображений, содержащая:
проектор, имеющий проекционный объектив, способный излучать хаотически поляризованный свет,
систему преобразования поляризации, оптически связанную с проекционным объективом и содержащую:
поляризационный расщепитель пучка, способный направлять свет по первой и второй траекториям световых лучей,
вращающий плоскость поляризации элемент, расположенный на второй траектории световых лучей,
отражающий элемент, расположенный на второй траектории световых лучей, и
переключатель поляризации, расположенный на первой траектории световых лучей и на второй траектории световых лучей, при этом первая траектория световых лучей формирует изображение на проекционном экране, а отражающий элемент направляет свет по второй траектории световых лучей в сторону проекционного экрана.
15. Проекционная система по п.14, в которой переключатель поляризации расположен после отражающего элемента на второй траектории световых лучей.
16. Проекционная система по п.14, в которой переключатель поляризации расположен до отражающего элемента на второй траектории световых лучей.
17. Способ проекции стереоскопических изображений, включающий:
прием хаотически поляризованного света от проектора,
направление света с первым состоянием поляризации (SOP) по первой траектории световых лучей,
направление света со вторым SOP по второй траектории световых лучей,
преобразование света со вторым SOP на второй траектории световых лучей в свет с первым SOP,
избирательное преобразование света с первым SOP на обеих траекториях световых лучей в первое SOP на выходе или второе SOP на выходе.
18. Способ проекции стереоскопических изображений по п.17, дополнительно включающий стадию направления первой и второй траектории световых лучей в сторону проекционного экрана.
19. Способ проекции стереоскопических изображений по п.17, дополнительно включающий синхронизацию первого SOP на выходе и второго SOP на выходе с передачей кадра изображения проектором.
