CN203732876U

CN203732876U - 一种用于立体投影的光学系统

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Publication number: CN203732876U
Application number: CN201420107349.0U
Authority: CN
Inventors: 刘飞; 龚杰; 苏鹏华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: EP2919060A2; EP2919060A3

Abstract

本实用新型涉及一种用于立体投影的光学系统，其包括物图像、放映物镜或投影物镜，所述光学系统还包括分色棱镜、从所述放映物镜或投影物镜出射的光束通过所述分色棱镜分裂形成绿色光路、红色光路及蓝色光路；其中，在所述绿色光路里光束被所述绿光极化分光器极化后最终输出同一偏振态的两个子光路，在所述红色光路里光束被所述红光极化分光器极化后最终输出同一偏振态的两个子光路，在所述蓝色光路里光束被所述蓝光极化分光器极化后最终输出同一偏振态的两个子光路，这六个子光路同步分时被所述液晶可变位相延迟器极化调制为左圆偏振光和右圆偏振光。该系统可将自然光97%以上的能量分色后极化为线偏振光，大大提高画面亮度和立体显示逼真度。

Description

一种用于立体投影的光学系统

技术领域

本实用新型涉及3D立体投影显示领域，更具体地涉及一种用于立体投影的分色极化合束变焦光学系统。

背景技术

随着2009年《阿凡达》3D立体电影在全球的热映，到《暮光之城3：月食》的人气爆炸，世界大范围内均响起3D热潮，目前大部分影院均支持3D播放，其中以显示芯片为德州仪器DMD（Digital Micro mirror Device，数字微镜元件）的DLP(Digital Light Procession，即数字光处理)放映机为大多数影院所采用。由于其所用光源为氙灯，所发出的光线为自然光，即偏振态为随机产生的，而实现立体显示需要将其极化为线偏振光，然后用液晶可变位相延迟器（Liquid Crystal Variable Retarder，简称LCVR）对其进行调制，然后左右眼图像分时进入左右眼，以达到立体显示的效果。由于传统产生线偏振光的方法是在投影物镜前直接加入二向色性偏振片，二向色性偏振片会对平行于吸收轴的电矢量光线进行吸收，即将有55%以上的光能量被偏振片吸收、反射和散射，这将大大降低银幕的显示亮度。

由于放映机持续播放画面，即出射的55%以上光能量会持续被偏振片吸收、反射和散射，这将会导致偏振片材料吸收大量光能导致升温，其偏振度等性能会降低，甚至导致损坏。而且一般偏振片会附在液晶可变位相延迟器表面，这将导致液晶盒中的液晶分子也会吸收大部分热量，而液晶分子是对温度非常敏感的物质，这将会影响其双折射系数，导致其极化o，e光的光程差也会改变甚至失效，进而影响银幕显示的立体画面效果。

由于能量损失55%以上，为了提高显示亮度，影院会采用更高功率的氙灯，大大提高了成本，而且更高的氙灯功率，将会导致更多的能量被偏振片吸收，使偏振片和液晶盒更容易损坏。而偏振片的偏振度等参数急剧下降，将使左右眼画面串扰加剧，3D立体显示效果大大下降，这将会陷入恶性循环的怪圈。而氙灯功率的提高，其寿命会大大缩短，影院将会更为频繁地更换氙灯，运营成本也将大大提高。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种用于立体投影的分色极化分光合束变焦的光学系统，该光学系统使投影物镜出射的光能尽量多地转化成偏振光，比只用二向色性偏振片和液晶可变位相延迟器（LCVR）的系统亮度要提高100%以上。

解决本实用新型的技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于立体投影的光学系统，其包括物图像、放映物镜或投影物镜，所述光学系统还包括分色棱镜、从所述放映物镜或投影物镜出射的光束通过所述分色棱镜分裂形成绿色光路、红色光路及蓝色光路；

在所述绿色光路里，所述光学系统进一步包括三角棱镜、绿光极化分光器、绿光变焦透镜组固定组、绿光变焦透镜组变焦组、绿光变焦透镜组补偿组、四分之一波片、平面反射镜；

在所述红色光路里，所述光学系统进一步依次包括红光极化分光器、红光变焦透镜组固定组、红光变焦透镜组变焦组、红光变焦透镜组补偿组、四分之一波片、平面反射镜；

在所述蓝色光路里，所述光学系统进一步依次包括蓝光极化分光器、蓝光变焦透镜组固定组、蓝光变焦透镜组变焦组、蓝光变焦透镜组补偿组、四分之一波片、平面反射镜；及

液晶可变位相延迟器；

其中，在所述绿色光路里光束被所述绿光极化分光器极化后最终输出同一偏振态的两个子光路，在所述红色光路里光束被所述红光极化分光器极化后最终输出同一偏振态的两个子光路，在所述蓝色光路里光束被所述蓝光极化分光器极化后最终输出同一偏振态的两个子光路，这六个子光路同步分时被所述液晶可变位相延迟器极化调制为左圆偏振光和右圆偏振光。

在本实用新型的光学系统中，优选地，所述分色棱镜由四个大小一致的三角棱镜构成，且三角棱镜的每一通光表面均镀多层介质膜。

在本实用新型的光学系统中，优选地，所述介质膜的材料为氟化镁、二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、或二氧化锆。

在本实用新型的光学系统中，优选地，所述三角棱镜在斜面上镀有起转向作用的内反射膜。

在本实用新型的光学系统中，优选地，所述红光极化分光器包括具有相同结构的红光第一极化分光器和红光第二极化分光器，所述红光第一极化分光器和红光第二极化分光器的胶合斜面在空间上的方向余弦不一致，两斜面相互正交摆放；所述绿光极化分光器包括具有相同结构的绿光第一极化分光器和绿光第二极化分光器，所述绿光第一极化分光器和绿光第二极化分光器的胶合斜面在空间上的方向余弦不一致，两斜面相互正交摆放；所述蓝光极化分光器包括具有相同结构的蓝光第一极化分光器和蓝光第二极化分光器，所述蓝光第一极化分光器和蓝光第二极化分光器的胶合斜面在空间上的方向余弦不一致，两斜面相互正交摆放。

在本实用新型的光学系统中，优选地，所述四分之一波片用一液晶可变位相延迟器替代。

在本实用新型的光学系统中，优选地，所述四分之一波片和所述平面反射镜用硅基液晶替代。

在本实用新型的光学系统中，优选地，所述液晶可变位相延迟器分成六个单独的具有相同的功能液晶可变位相延迟器，将所述六个液晶可变位相延迟器分别放置在对应的六个子光路出口处且分别对各六个子光路的偏振光进行调制，从而输出左圆偏振光或右圆偏振光。

与现有技术相比，本实用新型的光学系统的优点在于：在本实用新型中，该光学系统可将自然光97%以上的能量分色后极化为线偏振光，大大提高画面亮度和立体显示逼真度。本实用新型引入极化分光器将使光学系统的偏振度更高，达到99.999%以上，使左右眼画面串扰率更低，3D立体显示效果更佳，使影院观众的用户体验大大提高。

另外，由于本实用新型引入极化分光器使液晶可变位相延迟器（LCVR）组件里的液晶盒吸收的热量大大下降（传统方式液晶盒将吸收50%以上热量，而本实用新型可使液晶盒吸收热量降低到2%以下），液晶分子在正常温度内稳定工作，液晶可变位相延迟器极化线偏振光为左或右圆偏振光，银幕显示画面立体效果能稳定保持，使系统可靠运行。

总的来说，分色极化合束变焦光学系统首先将来自于投影物镜焦面上的物图像所发出的自然光（随机偏振态）首先通过分色棱镜分成三个光路（分别对应红、绿、蓝三种颜色），三色光路分别进入对应的极化分光器及其后置光路，将三色光路分成六路继续向前传播，最后所有光路中的光线被同时转化成P光或同时转化成S光，通过液晶可变位相延迟器同步极化偏振光，分时输出左和右圆偏振光，最后六个光路均在银幕上成像，且六光路对应的垂轴放大率基本一致，图像在银幕上等大重合，亮度大大提高，现有技术仅仅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，本实用新型充分利用了光能，使画面显示亮度相对已有技术方式提高了100%以上。观众只要佩戴具有1/4位相延迟膜和偏振片的眼镜，便能观看到画面的立体投影效果。

其次，采用分色后再极化分光，使自然光的透过率和反射率远远大于直接采用偏振分束器的技术，而分色后，本实用新型的每个R、G、B极化分光光路均用两个极化分光器构成。例如，在红光光路中，光束通过第一红光极化分光器后透过的P光继续通过第二红光极化分光器，使P光纯度更高。偏振光的纯度越高，即偏振度越高，使整个光学系统中不需要另外加入偏振片，因为偏振片是由化学材料构成，透过率低和温度稳定性很差，且在可见光波段偏振片的透过率不一致，会导致系统色度出现偏差，色偏和亮度低严重影响了观看效果。而本实用新型的分色极化分光器不存在偏振片的缺点，更高的偏振度和透过率，使观众的立体视觉效果大大加强。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是根据本实用新型实施例的应用于立体投影的分色极化合束变焦光学系统中对应的光路示意图。

图2a、2b、2c是极化分光器（蓝光极化分光器、绿光极化分光器和红光极化分光器各自分光特性图分别对应图2a、2b和2c）透射光路光学特性数据是利用可见光-分光光度计实测所得与现有技术所得曲线对比图。

图3a、3b、3c是极化分光器（蓝光极化分光器、绿光极化分光器和红光极化分光器各自分光特性图分别对应图3a、3b和3c）反射光路光学特性数据是利用可见光-分光光度计实测所得与现有技术所得曲线对比图。

图4是将LCVR单独置于可见光-分光光度计光路的样品室中，利用线偏振光入射所实测得到关于LCVR极化为圆偏振光后透过率曲线与现有技术所得曲线对比图。

图5是线偏振光（P光或S光）入射至LCVR前利用可见光-分光光度计的检偏模块实测得到的关于光学系统偏振度曲线与现有技术所得曲线对比图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1是根据本实用新型一种用于立体投影的分色极化合束变焦光学系统的实施例对应的光路图。总的来说，分色极化合束变焦光学系统可以包括物图像101（如来自于DMD芯片或其它可以发出图像信息光的物）、放映物镜或投影物镜102、分色棱镜103、三角棱镜104、红光第一极化分光器105、红光第二极化分光器106、红光变焦透镜组固定组107、红光变焦透镜组变焦组108、红光变焦透镜组补偿组109、四分之一波片110、平面反射镜111、蓝光第一极化分光器112、蓝光第二极化分光器113、蓝光变焦透镜组固定组114、蓝光变焦透镜组变焦组115、蓝光变焦透镜组补偿组116、四分之一波片117、平面反射镜118、绿光第一极化分光器119、绿光第二极化分光器120、绿光变焦透镜组固定组121、绿光变焦透镜组变焦组122、绿光变焦透镜组补偿组123、四分之一波片124、平面反射镜125、液晶可变位相延迟器（LCVR）126、银幕127。

总的来说，本实用新型实施例用于立体投影的分色极化合束变焦光学系统实施方法如下：由物图像101（如来自于DMD芯片或其它可以发出图像信息光的物）发出的随机偏振态的光束，通过放映物镜（或投影物镜）102后，出射的自然光继续向前传播，近似于平行光的光束通过分色棱镜103，光束被分裂成三种不同波段的光路，即向前继续传播的绿光透射光路，垂直向上反射的红光光路，垂直向下反射的蓝光光路。其中，向前继续传播的绿光透射光路里的三角棱镜104，可以在三角斜面上镀内反射膜，起转像作用，此时绿光仍为随机偏振态。为了极化随机偏振态的绿光，可在后续光路里加入绿光第一极化分光器119，绿光第一极化分光器119将反射S光，透射P光，绿色P光继续进入绿光第二极化分光器120，绿色P光被进一步极化，然后进入绿光变焦透镜组（由绿光变焦透镜组固定组121、绿光变焦透镜组变焦组122和绿光变焦透镜组补偿组123构成）作变焦，进而继续通过四分之一波片124，平面反射镜125，之后绿色P光被极化为圆偏振光，且逆向传播继续通过四分之一波片124，依次进入绿光变焦透镜组补偿组123，绿光变焦透镜组变焦组122、绿光变焦透镜组固定组121，即由绿光第二极化分光器120与平面反射镜125之间的光路构成了变焦补偿极化子系统，使此路绿色P光路作变焦与绿色S光路匹配，最终在银幕（像面）上的垂轴放大率相等，且偏振态一致。即可认为，由物光源发出的自然光中的绿光几乎无损地被绿光第一极化分光器119和绿光第二极化分光器120极化为P光或S光，比现有技术的光能利用率提高100%以上。而被分色棱镜103分裂垂直向下反射的蓝光光路中，进入蓝光第一极化分光器112前，光线的偏振态仍为随机，蓝光光束传播进入第一极化分光器112，蓝光第一极化分光器112将反射S光，透射P光，蓝色P光继续进入绿光第二极化分光器113，蓝色P光被进一步极化，然后进入蓝光变焦透镜组（由蓝光变焦透镜组固定组114、蓝光变焦透镜组变焦组115和蓝光变焦透镜组补偿组116构成）作变焦，进而继续通过四分之一波片117，平面反射镜118，之后蓝色P光被极化为圆偏振光，且逆向传播继续通过四分之一波片117，依次进入蓝光变焦透镜组补偿组116，蓝光变焦透镜组变焦组115、蓝光变焦透镜组固定组114，即由蓝光第二极化分光器113与平面反射镜118之间的光路构成了变焦补偿极化子系统，使此路蓝色P光路作变焦与蓝色S光路匹配，最终在银幕（像面）上的垂轴放大率相等，且偏振态一致。同理，被分色棱镜103分裂垂直向上反射的红光光路中，进入红光第一极化分光器105前，光线的偏振态仍为随机，红光光束传播进入第一极化分光器105，红光第一极化分光器105将反射S光，透射P光，红色P光继续进入红光第二极化分光器106，红色P光被进一步极化，然后进入红光变焦透镜组（由红光变焦透镜组固定组107、红光变焦透镜组变焦组108和红光变焦透镜组补偿组109构成）作变焦，进而继续通过四分之一波片110，平面反射镜111，之后红色P光被极化为圆偏振光，且逆向传播继续通过四分之一波片110，依次进入红光变焦透镜组补偿组109，红光变焦透镜组变焦组108、红光变焦透镜组固定组107，使此路红色P光路作变焦与红色S光路匹配，最终在银幕上（像面）的垂轴放大率相等，且偏振态一致。最终，RGB光路（即红光光路、绿光光路和蓝光光路）被分裂成六个子光路，且每个子光路被红光、绿光和蓝光极化分光器极化后最终输出同一偏振态，即同为S偏振光或同为P偏振光。进而六个子光路同步分时被液晶可变位相延迟器126（LCVR）极化调制为左圆偏振光和右圆偏振光。该液晶可变位相延迟器126可以通过电路时序产生不同幅值的脉冲电压来控制LCVR中液晶盒的液晶分子偏转角度，不同的偏转角度对应不同的双折射等级，以对o光和e光产生不同的相位延迟值。即可通过设定适当的电压值令入射的线偏振光（P光或S光）通过液晶可变位相延迟器126后，输出左圆偏振光或右圆偏振光，根据电路时序（一般3D立体电影帧频为144Hz，即按照时序一周期内输出左眼画面72幅，接着输出右眼画面72幅）分时输出左圆偏振光和右圆偏振光对应的电压幅值，左圆偏振光和右圆偏振光分别被调制产生左眼图像和右眼图像。从分色极化合束变焦光学系统分时输出左圆偏振光或右圆偏振光，左圆偏振光或右圆偏振光将继续向前传播至像面（即银幕127，银幕一般采用具有保偏振态作用的金属银幕，增益1.8～2.4以上）成像，左圆偏振光或右圆偏振光将反射回来分时对应进入人的左眼和右眼，得到逼真的立体观看效果。

该放映物镜102即为放映机（或投影仪）内部的光学系统，也称为投影镜头，影院一般物镜的投射比在1.0～4.0:1范围内，在本实用新型中的光学系统均能适应此范围。

该分色棱镜103由四个大小一致的三角棱镜构成，且三角棱镜的每一通光表面均镀多层介质膜，膜层所用材料、厚度以及镀膜顺序由麦克斯韦方程组和干涉衍射理论求解所得，通过镀膜软件优化和试镀反复验证确定最优解。镀膜所用材料可以是氟化镁（MgF₂）、二氧化硅（SiO₂）、氧化铝（Al₂O₃）、二氧化钛（TiO₂）、二氧化锆（ZrO₂），厚度约为λ/4，λ为膜系设计时所用波段的中心波长值，本实用新型采用520nm作为中心波长，优化设计时采用具有光学薄膜设计和分析功能的软件进行，例如采用美国RadiantZemax公司的光学软件ZEMAX进行优化设计。例如：本实用新型可采用氟化铝AlF₃和氟化镁MgF₂作最简单的双层减反膜，第一层为空气，第二层为氟化镁MgF₂，厚度614.2nm，第三层为氟化铝AlF₃，厚度596.5nm，第四层为材料基底，本实用新型的基底可采用任意牌号材料，只需按照对应的折射率作优化设计便能求解出初始结构。膜系层数越多，优化出来的效果越好，即减反性能越好，按照上述双层减反例子的基本原理，本实用新型也可采用十层以上的不同镀膜材料和厚度实现减反特性，使本光学系统的所有通光表面（反射镜表面除外）的可见波段平均反射率低于0.3%。四个三角棱镜的胶合摆放顺序分别按图1的光路结构所示一一作胶合。相对于已有技术平板分光技术，本实用新型中的分色棱镜103优势在于可使透射光束和反射光束离开分色棱镜后在可见波段的透过率和反射率远远高于普通平板分色器。而且平板型结构的两侧面表面反射存在鬼像，降低银幕上像面的有效对比度，而倾斜摆放的平板引入大量像差，影响光学成像质量，进而影响影片观赏效果。

本实用新型中三角棱镜104摆放于绿光光路中，在斜面上镀内反射膜，起转像作用，使绿光光束转折后再进入绿光第一极化分光器119，使整个光学系统结构更为紧凑。三角棱镜104的斜面也可不镀内反膜，直接根据设计要求推导出光束入射角范围，利用全反射原理，选择适合的光学玻璃牌号，使绿光波段高反竖直向下传播。

在垂直向上反射的红光光路中，红光第一极化分光器105和红光第二极化分光器106具有相同的结构，但两极化分光器105与106的胶合斜面在空间上的方向余弦不一致，两斜面相互正交摆放。相对于已有技术的偏振分束器，本实用新型中的红光极化分光器优势在于各通光表面（包括胶合斜面）的膜层材料、层数和放置顺序均以红光波段为参考，在镀膜软件上仅仅以红光波段作优化，忽略其它色光使软件联立麦克斯韦方程组和多缝干涉衍射公式求解出最优配置，红光波段范围要比可见光波段小，所以优化的效率和准确性更高，且在红光波段的透过率和反射率远远高于普通偏振分束器。如图2c和图3c所示，本实用新型中红光第一极化分光器105和红光第二极化分光器106在红光波段的平均透过率高达99%，而常规偏振分束器平均透过率低于70%，在反射光路中红光第一极化分光器105和红光第二极化分光器106在红光波段平均反射率高达96%，而常规偏振分束器平均反射率只在65%左右，远低于本实用新型的红光极化分光器性能，即本实用新型中的红光极化分光器对光能的平均利用率达到97.5%，扣除红光极化分光器与空气接触的通光面反射损失，红光极化分光器对光能的平均利用率也能达到97%，之所以能使通光表面的反射能量损失如此低，是因为本实用新型的每个光学元件均用物理光学原理求解得到最佳镀膜材料和厚度，使每个光学元件的光能损失大大降低。

在竖直向下反射的蓝光光路中，蓝光第一极化分光器112和蓝光第二极化分光器113具有相同的结构，但两极化分光器112与113的胶合斜面在空间上的方向余弦不一致，两斜面相互正交摆放。相对于已有技术的偏振分束器，本实用新型中的蓝光极化分光器优势在于各通光表面（包括胶合斜面）的膜层材料、层数和放置顺序均以蓝光波段为参考，在镀膜软件上仅仅以蓝光波段作优化，忽略其它色光使软件联立麦克斯韦方程组和多缝干涉衍射公式求解出最优配置，蓝光波段范围要比可见光波段小，所以优化的效率和准确性更高，且在蓝光波段的透过率和反射率远远高于普通偏振分束器。如图2a和图3a所示，本实用新型中蓝光第一极化分光器112和蓝光第二极化分光器113在蓝光波段的平均透过率高达99%，而常规偏振分束器平均透过率低于70%，在反射光路中蓝光第一极化分光器112和蓝光第二极化分光器113在蓝光波段平均反射率高达96%，而常规偏振分束器平均反射率只在65%左右，远低于本实用新型的蓝光极化分光器性能，即本实用新型中的蓝光极化分光器对光能的平均利用率达到97.5%，扣除蓝光极化分光器与空气接触的通光面反射损失，蓝光极化分光器对光能的平均利用率也能达到97%，之所以能使通光表面的反射能量损失如此低，是因为本实用新型的每个光学元件均用物理光学原理求解得到最佳镀膜材料和厚度，使每个光学元件的光能损失大大降低。

在继续向前透射的绿光光路中，绿光第一极化分光器119和绿光第二极化分光器120具有相同的结构，但两极化分光器119与120的胶合斜面在空间上的方向余弦不一致，两斜面相互正交摆放。相对于已有技术的偏振分束器，本实用新型中的绿光极化分光器优势在于各通光表面（包括胶合斜面）的膜层材料、层数和放置顺序均以绿光波段为参考，在镀膜软件上仅仅以绿光波段作优化，忽略其它色光使软件联立麦克斯韦方程组和多缝干涉衍射公式求解出最优配置，绿光波段范围要比可见光波段小，所以优化的效率和准确性更高，且在绿光波段的透过率和反射率远远高于普通偏振分束器。如图2b和图3b所示，本实用新型中绿光第一极化分光器119和绿光第二极化分光器120在绿光波段的平均透过率高达99%，而常规偏振分束器平均透过率低于70%，在反射光路中绿光第一极化分光器119和绿光第二极化分光器120在绿光波段平均反射率高达96%，而常规偏振分束器平均反射率只在65%左右，远低于本实用新型的绿光极化分光器性能，即本实用新型中的绿光极化分光器对光能的平均利用率达到97.5%，扣除绿光极化分光器与空气接触的通光面反射损失，绿光极化分光器对光能的平均利用率也能达到97%，之所以能使通光表面的反射能量损失如此低，是因为本实用新型的每个光学元件均用物理光学原理求解得到最佳镀膜材料和厚度，使每个光学元件的光能损失大大降低。

本实用新型中的红光第一极化分光器105、红光第二极化分光器106、蓝光第一极化分光器112、蓝光第二极化分光器113、绿光第一极化分光器119和绿光第二极化分光器120相对于平板型偏振分束器，优势还在于平板型偏振分束器由于两通光面倾斜摆放于光路中，大大地提高了塞得和系数，使光学系统的像差加大，而且在反射光路中，两倾斜表面均能反射光线，在像面（银幕上）产生鬼像，严重影响了光学系统的成像质量，使观众明显感觉画面模糊不清，降低用户体验效果。而本实用新型的极化分光器能克服这一缺点，使光学零件平行放置于光路中，使塞得和系数降低，光学系统的像差变大，而且无鬼像引入到银幕上，用户体验效果极佳。

在本实用新型中的变焦透镜组（红光变焦透镜组、绿光变焦透镜组和蓝光变焦透镜组）均属于光学变焦，补偿组（红光变焦透镜组补偿组109、绿光变焦透镜组补偿组116和蓝光变焦透镜组补偿组123）属于光学补偿，相对于机械补偿的变焦光学透镜组，优势在于只需将变焦透镜组（红光变焦透镜组变焦组108、绿光变焦透镜组变焦组115和蓝光变焦透镜组变焦组122）和补偿透镜组（红光变焦透镜组补偿组109、绿光变焦透镜组补偿组116和蓝光变焦透镜组补偿组123）相对于固定透镜组（红光变焦透镜组固定组107、绿光变焦透镜组补偿组114和蓝光变焦透镜组补偿组121）作线性运动便能实现变焦功能。将固定透镜组（红光变焦透镜组固定组107、绿光变焦透镜组补偿组114和蓝光变焦透镜组补偿组121）、变焦透镜组（红光变焦透镜组变焦组108、绿光变焦透镜组变焦组115和蓝光变焦透镜组变焦组122）和补偿透镜组（红光变焦透镜组补偿组109、绿光变焦透镜组补偿组116和蓝光变焦透镜组补偿组123）组成变焦光学透镜组是为了适应不同投影距离，因为投影距离不一样会导致红光、绿光、蓝光的透射光路和反射光路对应的垂轴放大率不同，为了使两路图像在银幕上显示的大小一致，需要对其中一路作变焦操作。本实用新型的其中一个优势在于将变焦透镜组（红光变焦透镜组变焦组108、绿光变焦透镜组变焦组115和蓝光变焦透镜组变焦组122）放置于透射P光光路中，因为如果放映机在未加入本实用新型极化分光合束变焦光学系统前投影画面已经刚好充满整个银幕的话，此时加入分色极化合束变焦光学系统，且将变焦透镜组放于反射光路（即S光路）中，则会导致透射光路的垂轴放大率大于反射光路垂轴放大率，即透射光路的画面边缘区域将会超出银幕有效区域，导致边缘画面无法被人眼察看。而反射光路为了和透射光路的垂轴放大率一致，必须调节变焦透镜组中的补偿组，使反射光路的画面也逐渐变大，直到与透射光路的画面等大。这将导致两路画面的边缘区域都超出银幕有效区域，必须再通过放映机自身的光学系统作光学变焦才能将两路画面整体缩小直至刚好充满银幕。这将导致一个致命的影响就是，播放2D片源与3D片源的焦距不一致，需要反复切换镜头的变焦系数，繁琐的操作并不人性化，增加了放映人员的工作量。而本实用新型可改变这种做法，直接将变焦透镜组（红光变焦透镜组变焦组108、绿光变焦透镜组变焦组115和蓝光变焦透镜组变焦组122）摆放在图1所示位置，这样反射光路的垂轴放大率将与播放2D片源时一致，即反射光路投影至银幕的画面刚好充满银幕，而透射光路的垂轴放大率要比透射光路略大（在未进行透镜组变焦前）。为了将反射光路中的投影画面缩小至刚好充满银幕，需要将变焦透镜组（红光变焦透镜组变焦组108、绿光变焦透镜组变焦组115和蓝光变焦透镜组变焦组122）作变焦操作，缓慢调节补偿组作线性运动直至两路画面等大重合。最终，分色极化合束变焦光学系统的六个子光路在像面（银幕）上的光学垂轴放大率相同，画面亮度比现有技术大大提高，亮度至少提高100%以上，且光学系统的成像质量也得到提高。

在本光学系统中，四分之一波片110、117、124与平面反射镜111、118、125构成另一极化系统，使透射的红光、绿光、蓝光对应的偏振光被极化，且逆向传播重新进入变焦光学透镜组。最终此三路RGB光束与另三路RGB光束具有同一偏振态，且继续向前传播。

在一般影院中，放映机的整机摆放角度是倾斜的，使放映物镜（或投影物镜）光轴不在水平面上，即与银幕（像面）的法线不平行，物镜光轴与银幕法线呈一定夹角，使投影光学系统的像面倾斜，严重影响光学系统的成像质量。像面倾斜，即一般人所称的出现梯形画面。在本实用新型实施中，变焦光学透镜组具有另一优势就是，可以在设计分色极化合束变焦光学系统时充分考虑放映物镜像面倾斜这一情况，与本实用新型中的变焦透镜组和其它光学元件的各项赛得和系数联立初级像差方程组，根据初级像差理论、一阶光学原理和物理光学求解出初始结构，载入光学设计软件上自动平衡像差，优化光学系统，使光学结构更为紧凑，在像面倾斜的情况下仍具有很好的成像质量。

红光、绿光、蓝光变焦光学透镜组中的（红光变焦透镜组固定组107、绿光变焦透镜组补偿组114、蓝光变焦透镜组补偿组121、红光变焦透镜组变焦组108、绿光变焦透镜组变焦组115、蓝光变焦透镜组变焦组122、红光变焦透镜组补偿组109、绿光变焦透镜组补偿组116和蓝光变焦透镜组补偿组123）对应的结构形式，即各组的透镜数量、玻璃牌号、表面曲率半径、中心厚度、光学元件间隔以及它们之间的摆放顺序和孔径尺寸均可通过一阶光学原理和初级像差理论联立求解得到它们的初始结构，然后进一步利用变焦光学系统相关理论联立微分方程组便能得到最优解，再利用光学软件反复优化使本实用新型中的光学变焦系统能匹配不同影院的不同投影距离、不同的投射比以及不同的整机倾斜角度。

本实用新型中的平面反射镜111、118和125对应的基板采用化学和物理稳定性极佳的光学玻璃，在超光滑表面上镀金属介质膜，可见光波段反射率高达99%，而普通表面镀铝反射镜平均反射率只有85%左右，换言之光能将进一步损失15%，而本实用新型所用反射镜只有1%能量损失，对最终银幕显示的画面亮度有很大的提升。

在本实用新型中的四分之一波片110和平面反射镜111组合，四分之一波片117和平面反射镜118组合，四分之一波片124和平面反射镜125组合，其中四分之一波片可用液晶可变位相延迟器（LCVR）替代。四分之一波片和平面反射镜的组合可用LCOS替代，它们具有相同的功能，LCOS（Liquid Crystalon Silicon），即液晶附硅，也叫硅基液晶，是一种基于反射模式，尺寸非常小的矩阵液晶显示装置。通过LCOS替代四分之一波片和平面反射镜，可以使光学结构更为紧凑。

本实用新型中的液晶可变位相延迟器126具有优良的均匀性，低的光损失和低波前畸变，还具备快速响应时间，工作的温度范围宽，并且工作波长范围宽。液晶可变位相延迟器由填满液晶(LC)分子溶液的透明盒组成，可作为可变波片。透明盒的两个平行面镀有透明导电膜，可在盒上施加电压。在未加电压的情况下，液晶分子的取向由配向膜决定。加上交流电压后，液晶分子会根据所加电压的均方根值改变默认取向。因此，线偏振光束的位相延迟值可通过改变所加的电压进行主动控制。液晶可变位相延迟器具有极短的响应时间，达到微秒量级，换言之，在通常状况下液晶可变位相延迟器从低双折射率到高双折射率的转换速度非常快。极快的响应速度，使液晶可变位相延迟器调制左右眼图像时的切换速度更快，黑场时间更短，串扰更小，银幕上显示的画面亮度更高。本实用新型将液晶可变位相延迟器126摆放在光路最外侧优势在于，让液晶层表面单位面积接受的光照度更低更均匀，即液晶分子单位面积吸收部分光能产生的温度上升更小，而液晶分子是对温度非常敏感的材料，随着温度的升高，材料密度降低，延迟性也随之降低。并且，液晶材料的粘度在高温下会变低，使液晶可变位相延迟器在粘度降低的情况下会轻易地从一个状态转换到另一个状态，导致左右眼位相延迟错乱，即会导致左右眼画面出现串扰的现象。所以将液晶可变位相延迟器126摆放在光路最外侧可以使液晶可变位相延迟器的均匀性和对比度以及相位延迟均有最佳的表现。

在本实用新型中，液晶可变位相延迟器126也可以分裂成六个，单独摆放于六个子光路中，如图1所示，即可摆放在红光第一极化分光器105与液晶可变位相延迟器126之间，红光第二极化分光器106与液晶可变位相延迟器126之间，蓝光第一极化分光器112与液晶可变位相延迟器126之间，蓝光第二极化分光器113与液晶可变位相延迟器126之间，绿光第一极化分光器119与液晶可变位相延迟器126之间，绿光第二极化分光器120与液晶可变位相延迟器126之间。例如，可将红光第一极化分光器105右侧与液晶可变位相延迟器胶合，红光第二极化分光器106右侧与液晶可变位相延迟器胶合，蓝光第一极化分光器112右侧与液晶可变位相延迟器胶合，蓝光第二极化分光器113右侧与液晶可变位相延迟器胶合，绿光第一极化分光器119右侧与液晶可变位相延迟器胶合，绿光第二极化分光器120右侧与液晶可变位相延迟器胶合。分裂出的六个子光路液晶可变位相延迟器均同步，即时序一致，分时输出左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。

如图4所示，将液晶可变位相延迟器（LCVR）126单独置于可见光-分光光度计样品室中，测得LCVR将线偏振光极化为圆偏振光的透过率曲线，对比已有技术所得的透过率曲线，明显得出其透过率比本实用新型中的LCVR要低，并且在蓝光和红光波段透过率更大大下降，这将会导致画面色度值出现偏移，即色品坐标x，y值将出现偏移，而本实用新型中的LCVR几乎不会出现偏色情况。

在极化分光合束变焦光学系统的光路中，由图5的入射到LCVR液晶盒前的线偏振光的偏振度与已有技术所得的偏振度曲线对比图可知，本实用新型中的偏振度可高达99.999%，远高于已有技术的偏振度数值，更高的偏振度，意味着更纯的线偏振光进入液晶可变位相延迟器，被调制出更纯的左右眼图像，使左右眼画面的串扰更小，立体效果更逼真。

在本实用新型中，该系统可将自然光97%以上的能量分色后极化为线偏振光，大大提高画面亮度和立体显示逼真度。

引入极化分光器将使光学系统的偏振度更高，达到99.999%以上，使左右眼画面串扰率更低，3D立体显示效果更佳，使影院观众的用户体验大大提高。

另外，由于本实用新型引入极化分光器使LCVR组件里的液晶盒吸收的热量大大下降（传统方式液晶盒将吸收50%以上热量，而本实用新型可使液晶盒吸收热量降低到2%以下），液晶分子在正常温度内稳定工作，LCVR极化线偏振光为左或右圆偏振光，银幕显示画面立体效果能稳定保持，使系统可靠运行。

总的来说，分色极化合束变焦光学系统首先将来自于投影物镜焦面上的物图像所发出的自然光（随机偏振态）首先通过分色棱镜分成三个光路（分别对应红、绿、蓝三种颜色），三色光路分别进入对应的极化分光器及其后置光路，将三色光路分成六路继续向前传播，最后所有光路中的光线被同时转化成P光或同时转化成S光，通过液晶可变位相延迟器（LCVR）同步极化偏振光，分时输出左和右圆偏振光，最后六个光路均在银幕上成像，且六光路对应的垂轴放大率基本一致，图像在银幕上等大重合，亮度大大提高，现有技术仅仅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，本实用新型充分利用了光能，使画面显示亮度相对已有技术方式提高了100%以上。观众只要佩戴具有1/4位相延迟膜和偏振片的眼镜，便能观看到画面的立体投影效果。

在上述极化分光合束变焦光学系统中，除了包括分色棱镜、全反射棱镜和液晶可变位相延迟器（LCVR）外，还包括了红绿蓝三色光路中的红光极化分光器、绿光极化分光器、蓝光极化分光器、变焦透镜组中的固定组、变焦透镜组中的变焦组、变焦透镜组中的补偿组、四分之一波片、平面反射镜。

本实用新型的光学系统除了包含上述光学器件外，还包括与上述元件功能相同或类似的光学零件。

在本实用新型的实施例中，红光极化分光器可将输入自然光（随机偏振态）的红光波段极化为P光和S光，其中反射S光，透过P光。P光指偏振方向平行于光学系统子午面，且垂直于对应光线传播方向的光线，S光指偏振方向垂直于光学系统子午面，且与P光正交的光线。绿光极化分光器可将输入自然光（随机偏振态）的绿光波段极化为P光和S光，其中反射S光，透过P光。蓝光极化分光器可将输入自然光（随机偏振态）的蓝光波段极化为P光和S光，其中反射S光，透过P光。其中RGB光路（即红光、绿光、蓝光对应光路）中的透过光束还需通过各自对应的第二极化分光器、变焦透镜组、四分之一波片以及平面反射镜。而最后作转像的平面反射镜使光线反向再次进入四分之一波片、变焦透镜组、以及RGB光路对应的各自第二极化分光器。最终六路光束具有同一偏振态（即同时为P光状态或S光状态），通过液晶可变位相延迟器（LCVR）调制，可以使输入的线偏振光产生双折射效应，利用电压控制液晶分子的扭转角度以达到输出o光与e光任意位相差值的作用。本实用新型中只需要使o、e光分时输出±1/4λ光程差便能实现立体显示效果，且控制LCVR的电路时序与放映机输出的3D信号需要同步，即线偏振光通过LCVR后便能分时产生左、右圆偏振光。

在一些实施中，本实用新型的液晶可变位相延迟器（LCVR）可分成6个单独的具有相同的功能LCVR，将它们分别放置在各自对应的六光路出口处，LCVR分别对各自光束的偏振光进行调制，最终输出左圆偏振光或右圆偏振光。

另外，本实用新型中的红光极化分光器、绿光极化分光器和蓝光极化分光器相对于普通的偏振分束器，优势在于其能将自然光中的红绿蓝各波段单独极化，使红绿蓝光的透过率和反射率大大提高，且消光比远远大于普通的偏振分束器。透过率和反射率越高，银幕上显示的画面亮度也越高，消光比越高，则输出的偏振光纯度越高，左右眼画面串扰越小。

本实用新型实施的另一优点在于，采用分色后再极化分光，使自然光的透过率和反射率远远大于直接采用偏振分束器的技术，而分色后，本实用新型的每个R、G、B极化分光光路均用两个极化分光器构成。例如，在红光光路中，光束通过第一红光极化分光器后透过的P光继续通过第二红光极化分光器，使P光纯度更高。偏振光的纯度越高，即偏振度越高，使整个光学系统中不需要另外加入偏振片，因为偏振片是由化学材料构成，透过率低和温度稳定性很差，且在可见光波段偏振片的透过率不一致，会导致系统色度出现偏差，色偏和亮度低严重影响了观看效果。而本实用新型的分色极化分光器不存在偏振片的缺点，更高的偏振度和透过率，使观众的立体视觉效果大大加强。

总的来说，本实用新型关于立体投影的分色极化合束变焦光学系统包括在分色棱镜、R、G、B极化分光器接收随机偏振态的图像物光。上述方法包括在极化分光器向透射光路传播P偏振态的光线，还包括在极化分光器向反射光路传播S偏振态的光线。而且上述六光路最终所传输的光束具有相同的偏振态，即同时为P光或同时为S光。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种用于立体投影的光学系统，其包括物图像、放映物镜或投影物镜，其特征在于：还包括分色棱镜、从所述放映物镜或投影物镜出射的光束通过所述分色棱镜分裂形成绿色光路、红色光路及蓝色光路；

液晶可变位相延迟器；

2.根据权利要求1所述的用于立体投影的光学系统，其特征在于：所述分色棱镜由四个大小一致的三角棱镜构成，且三角棱镜的每一通光表面均镀多层介质膜。

3.根据权利要求2所述的用于立体投影的光学系统，其特征在于：所述介质膜的材料为氟化镁、二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、或二氧化锆。

4.根据权利要求1所述的用于立体投影的光学系统，其特征在于：所述三角棱镜在斜面上镀有起转像作用的内反射膜。

5.根据权利要求1所述的用于立体投影的光学系统，其特征在于：所述红光极化分光器包括具有相同结构的红光第一极化分光器和红光第二极化分光器，所述红光第一极化分光器和红光第二极化分光器的胶合斜面在空间上的方向余弦不一致，两斜面相互正交摆放；所述绿光极化分光器包括具有相同结构的绿光第一极化分光器和绿光第二极化分光器，所述绿光第一极化分光器和绿光第二极化分光器的胶合斜面在空间上的方向余弦不一致，两斜面相互正交摆放；所述蓝光极化分光器包括具有相同结构的蓝光第一极化分光器和蓝光第二极化分光器，所述蓝光第一极化分光器和蓝光第二极化分光器的胶合斜面在空间上的方向余弦不一致，两斜面相互正交摆放。

6.根据权利要求1所述的用于立体投影的光学系统，其特征在于：所述四分之一波片用一液晶可变位相延迟器替代。

7.根据权利要求1所述的用于立体投影的光学系统，其特征在于：所述四分之一波片和所述平面反射镜用硅基液晶替代。

8.根据权利要求1所述的用于立体投影的光学系统，其特征在于：所述液晶可变位相延迟器分成六个单独的具有相同的功能液晶可变位相延迟器，将所述六个液晶可变位相延迟器分别放置在对应的六个子光路出口处且分别对各六个子光路的偏振光进行调制，从而输出左圆偏振光或右圆偏振光。