偏振补偿立体系统的制作方法

偏振补偿立体系统的制作方法
【专利摘要】所公开的实施方案包括具有至少一个补偿器的立体系统，这些补偿器可操作来降低对图像源光学器件和检偏器光学器件的入射角的偏振控制的灵敏度。在示例性实施方案中，所公开的补偿器可操作来补偿由图像源子系统或检偏器子系统或图像源子系统和检偏器子系统两者处的光学器件引起的偏振变化，在这些光学器件中，偏振变化如果没有被补偿，则将可操作来引起检偏器子系统处的泄漏。就这点而论，所公开的补偿器和补偿技术可操作来减小检偏器子系统处的泄漏，即使所公开的补偿器可以被安置在检偏器子系统处。
【专利说明】偏振补偿立体系统
[0001]相关申请的交叉引用:本申请与2011年5月12日提交的、标题为“偏振补偿立体系统(Polarization compensated stereoscopic projection)”的共同转让的美国临时专利申请N0.61/485，497有关，并要求该专利申请的优先权，该专利申请出于所有目的通过引用被并入本文。根据37CFR1.7(b)，本申请特此于2012年5月14日星期一提交，2012年5月14日是临时专利申请N0.61/485，497提交一周年紧接的下一工作日。
【技术领域】
[0002]本公开总地涉及基于偏振的立体系统，更具体地，涉及基于补偿偏振的立体系统。【背景技术】
[0003]立体系统通过向观看者呈现两个不同的图像来进行操作，第一图像被呈现给右目艮，第二图像被呈现给左眼。偏振或频谱划分方法可以用于分离这两个图像。右眼图像和左眼图像可以在图像源通过正交偏振进行编码，并且观看者的偏振光学器件可以允许正交偏振态的光被传递到不同眼睛上，从而创建3D图像的感知。

【发明内容】

[0004]所公开的第一示例性实施方案涉及一种立体成像系统，该立体成像系统包括:图像源子系统，该图像源子系统可操作来输出第一偏振态(SOP)和第二偏振态的光；以及检偏器子系统，该检偏器子系统可操作来基本上阻挡第一 SOP的光沿着第一路径行进，并且基本上阻挡第二 SOP的光沿着第二路径行进。在实施方案中，图像源子系统包括第一光学部件，该第一光学部件可操作来在通过该第一光学部件的光上引起第一偏振变化，并且检偏器子系统包括第二光学部件，该第二光学部件可操作来引起第二偏振变化，第一偏振变化和第二偏振变化如果没有被补偿，则将至少部分地引起沿着第一 SOP的光第一路径的泄漏或第二 SOP的光沿着第二路径的泄漏中的至少一个。图像源子系统或检偏器子系统包括被构造为至少减小第一偏振变化和第二偏振变化两者的补偿器。
[0005]本公开的另一示例性实施方案涉及一种立体投影系统，该立体投影系统包括:投影子系统，该投影子系统可操作来输出第一 SOP和第二 SOP的光；以及检偏器子系统，该检偏器子系统可操作来基本上阻挡第一 SOP的光沿着第一路径行进，并且基本上阻挡第二SOP的光沿着第二路径行进。投影子系统包括第一光学部件，该第一光学部件可操作来在通过该第一光学部件的光上引起第一偏振变化，并且检偏器子系统包括第二光学部件，所述第二光学部件可操作来引起第二偏振变化，第一偏振变化和所述第二偏振变化如果没有被补偿，则将至少部分地引起第一 SOP的光沿着第一路径的泄漏或第二 SOP的光沿着第二路径的泄漏中的至少一个。投影仪子系统包括被构造为至少减小第一偏振变化和第二偏振变化两者的补偿器。
[0006]又一示例性实施方案涉及一种立体显示系统，该立体显示系统包括可操作来输出第一 SOP和第二 SOP的光的图像源子系统。该图像源子系统包括:IXD面板；出射偏振器，该出射偏振器在光学上在LCD面板的后面；以及条纹图案化四分之一波片(QWP)，该条纹图案化四分之一波片(QWP)与IXD面板对齐。该立体显示系统还包括检偏器子系统，该检偏器子系统可操作来基本上阻挡第一 SOP的光沿着第一路径行进，并且基本上阻挡第二 SOP的光沿着第二路径行进，该检偏器子系统包括检偏四分之一波片以及每个可操作来从检偏四分之一波片之一接收光的偏振器。第一+C片被设置在图像源子系统中、出射偏振器与条纹图案化QWP之间,或者被设置在检偏器子系统中、在光学上在检偏四分之一波片之一的后面。
【专利附图】

【附图说明】
[0007]图1图示说明根据本公开的基于偏振的立体投影系统的示例性模型的示意图；
[0008]图2图示说明根据本公开的“小平面(facet)模型”的示意图；
[0009]图3图示说明根据本公开的示例性影院布置的示意图；
[0010]图4图示说明根据本公开的将延迟关联为小平面入射角的函数的图表；
[0011]图5图示说明根据本公开的示例性剧院大厅的2D截面示意图；
[0012]图6A图示说明根据本公开的未补偿立体系统的示意图；
[0013]图6B图不说明根据本公开的未补偿圆偏振立体系统的不意图；
[0014]图7A图示说明根据本公开的第一示例性补偿立体系统的示意图；
[0015]图7B图示说明根据本公开的第二示例性补偿立体系统的示意图；
[0016]图8A图示说明根据本公开的第一示例性补偿圆偏振立体系统的示意图；
[0017]图SB图示说明根据本公开的第二示例性补偿圆偏振立体系统的示意图；
[0018]图9图示说明根据本公开的影院构造的示例性模型的示意图；
[0019]图10图示说明根据本公开的图9的影院的其中光路在整个小平面上展开的示例性模型的示意图；
[0020]图11图示说明根据本公开的对于各种最小PCR值的对比率与投影角的比较的图表;
[0021]图12图示说明根据本公开的在圆偏振立体系统中的对于各种最小PCR值的对比率与投影角的比较的图表；
[0022]图13图示说明根据本公开的入射角上具有垂直偏移的立体系统构造的示意性侧视图；
[0023]图14图示说明根据本公开的补偿垂直偏移的立体系统的示意图；
[0024]图15图示说明根据本公开的示例性薄膜图案化延迟片(FPR)系统的示意图；
[0025]图16图不说明根据本公开的不例性FPR系统的对比率的极坐标图；
[0026]图17图示说明根据本公开的第一示例性补偿FPR立体系统的示意图；
[0027]图18图示说明根据本公开的第二示例性补偿FPR立体系统的示意图；
[0028]图19图示说明根据本公开的示例性补偿FPR系统的对比率的极坐标图；
[0029]图20A图示说明根据本公开的示例性双投影立体系统的示意图；以及
[0030]图20B图示说明根据本公开的示例性补偿双投影立体系统的示意图。
【具体实施方式】
[0031]图1是图示说明基于偏振的立体投影系统100的示例性模型的示意图。基于偏振的立体投影系统100的性能可以由三个要素确定:1)投影仪104处的偏振光学器件102 ；2)保偏屏幕106的作用；以及3)观看者110处的偏振光学器件108。图1中图示说明了这些结构的简化布局，在图1中，相对于法线的入射角Θ和方位角φ在每个结构上可以不同。
[0032]系统100所提供的观看体验可能因许多影响性能的因素而受损，但是通过考虑影响性能的因素而调整和/或添加偏振光学组件来进行补偿可以缓解或者甚至消除对于观看体验的负面影响。用于评价性能的一些度量包括与3D串扰、总体光效率、亮度均匀性、总体色偏和颜色均匀性相关联的偏振对比率(PCR)。PCR是偏振保真度的敏感指示，并且被计算为通过镜片透射到预期眼睛的(明视加权白光(photopically weighted white)的)功率与通过预期用于另一眼睛的镜片泄漏的功率的比率。
[0033]本公开的示例性实施方案被提供来图示说明即使当涉及极具挑战性的投影和观看角度时也可以使得性能最佳的示例性方法。要理解，本公开的一些实施方案可以是指具体的图示说明的投影或显示系统，本文中所公开的示例性补偿方法可以适用于改进任何基于偏振的3D系统(包括，但不限于，单投影仪顺序系统(例如，DLP)、单投影仪空间系统(例如，SONY SXRD)、双投影仪系统、双引擎系统和3D显示器(诸如薄膜图案化延迟片(FPR)系统)的性能。在一些实施方案中，可以在投影仪或显示器处实现补偿以使得可实现优化观看观众的体验的单个补偿结构。这种方法可以使得可以在不对系统和操作成本添加显著成本的情况下实现相对复杂的补偿结构的益处。本公开的实施方案包括向顾客分发便宜的用后可弃3D眼镜的影院系统。一些实施方案可以包括在投影仪处的、可以校正存在于整个系统(包括投影仪、屏幕、眼镜、甚至投影系统的几何结构)中的确定性偏振误差的补偿结构。
[0034]在眼镜成本不是这样关键的其他实施方案中，补偿可以存在于投影仪和观看者两处，以更精确地补偿偏振误差。某些便携式前投影系统涉及非常短的投射比(屏幕距离与屏幕宽度的比率)、多个广泛分布的观看者以及短的观看距离。与影院不同，便携式投影仪可以被安置在所有观看者的下面，并且可以比任何观众都更靠近屏幕。没有这样的补偿，3D体验的质量可能是不可接受的。
[0035]根据本公开，补偿构造可以涉及现存投影仪偏振光学器件中的调整和/或延迟片部件的添加。这些部件可以采取许多形式，包括拉伸聚合物薄膜、具有固有双折射的未经处理的(as-cast)聚合物薄膜、液晶盒、可交联液晶聚合物、体晶等。用于根据所公开的原理补偿基于偏振的3D系统的延迟片部件概括地用以下术语描述:
[0036]a.+A片、-A片:这些分别是光轴在面内、具有正性各向异性和负性各向异性的单轴线性延迟片。
[0037]b.+C片、-C片:这些分别是光轴垂直于部件的平面、具有正性和负性各向异性的单轴线性延迟片。
[0038]c.双轴延迟片。这可以包括特定补偿要求所需的特定Nz值(厚度方向延迟与面内延迟的比率)。
[0039]d.0片。原理上，这是具有倾斜取向延迟片轴的任何延迟片。在许多情况下，这通过倾斜延迟片创建不对称来实现。
[0040]在Robinson 等人的“用于 IXD 投影的偏振工程(Polarization Engineering forIXD Projection)” (2005年7月)中概括地描述了补偿器，该文献的全部内容通过引用被并入本文。要理解，本公开中凡提到的补偿器都可以是指单独作用或按其任何组合(不管是直接连接的还是间接连接的)作用的上述用于补偿的任一部件。本公开中所提到的补偿器还可以是指本领域中已知的、但本文中没有描述的部件。
[0041]参照图1，可以在投影系统100中产生确定性偏振变化的因素可以包括:
[0042]1.投影仪偏振光学器件(PPO) 102和观看者偏振光学器件(VPO) 108对入射角和方位角的灵敏度。
[0043]2.屏幕106对入射角的灵敏度。
[0044]3.由投影屏幕106生成的投影矢量(未示出)与观看矢量(未示出)之间的入射角差。
[0045]4.由投影仪104与观看者110之间的高度差异导致的垂直偏移。
[0046]5.由观看者110离包含投影仪104和屏幕106的中心的平面的位移导致的水平偏移。
[0047]这些因素可以通过偏振光线追迹来进行评估，并且区别于随机散射事件(诸如来自光学组件的模糊(haze)、来自从屏幕106的多次反射事件的伪消偏振或者来自与屏幕106相关联的亚波长结构的散射)。这里将认为，随机散射与以上内容不相关，并且可以被非相干地添加到功率计算和功率比计算(诸如PCR)。
[0048]用于PP0102和VP0108的各种部件(包括线性偏振器、延迟膜和液晶器件)可以对入射角敏感。均匀基板和覆层可以引起意外的偏振变化。偏振变化可以是所需延迟值的变化、投影到各向异性部件的本征偏振上的相对功率的不期望的变化(或振幅分割中的变化)、或者与本征偏振相关联的透射的偏移(例如，二色性或双衰减)。通常，补偿的目标可以是对于垂直入射光优化对比度，而对于其他入射角则缓解偏振变化的影响。优化可以基于这样的光学组件布局，其该光学组件布局呈现通过部件(包括投影仪处的编码光学器件和观看者处的解码光学器件)的一共同入射角(a common incident angle)。就PP0102和VP0108彼此跟踪极角灵敏度来说，性能在原理上可以得以保持。在这些情况下，对于由于以上PP0102和VP0108的灵敏度而导致的偏振变化的最佳补偿方案可以如共有的美国专利申请N0.13/182，381中所描述的那样被确定，该专利申请通过引用被并入本文。
[0049]图2图示说明示出用于屏幕200的“小平面模型”的示意图，屏幕200可以类似于图1中所示的屏幕106。如以上所讨论的，偏振变化可以由与投影屏幕200相关联的反射引起。为了简化起见，这里就所图示说明的“小平面模型”对屏幕200的角度灵敏度进行描述。如图2所示，入射在保偏屏幕表面上的光线可以(理想上)是局部镜面反射。从保偏的角度来讲，如所示，这些镜面反射理想上可以是将特定投影光线重定向到观看者的单个事件。
[0050]根据小平面模型，如图2所图示说明的，光与屏幕200的局部相互作用表示来自平面表面(例如，金属表面)的镜面反射。屏幕表面可以被认为是沉积在基板202上的离散小平面204的统计分布。图2示出这些小平面204中以相对于局部基板法线\形成角度0s的法线矢量nf倾斜的一个小平面204。来自投影仪的光在该表面上射向将传入矢量KP沿着矢量KO重定向到特定观察方向的小平面。这些矢量之间的角度是2 Qf，其中0f是小平面入射角。包含这些矢量的平面是局部入射平面。
[0051]像任何反射镜一样，小平面204具有线性本征偏振，使得局部P偏振在入射平面内，并且局部S偏振与P和小平面法线矢量都垂直。菲涅尔描述了来自电介质界面的S偏振和P偏振的复反射，其中对例如在Born和Wolf的“光学器件的原理:光的传播、干涉和衍射的电磁理论(Principles of Optics:Electromagnetic Theory ofPropagation, Interference and Diffraction of Light)”( 1999)中所描述的来自金属(诸如铝)的反射进行了更具体的分析，该文献通过引用被并入本文。通常，反射产生幅值差，该幅值差可以根据双衰减来描述。相位差(引起椭圆率的变化)通常也发生(在共有的美国专利N0.7，898，734中对此进行了更详细的描述，该专利通过引用被并入本文)。对于裸铝反射，在美国专利N0.7，898，734中已经示出与小平面相关联的延迟比对于所涉及的角度的双衰减显著得多。[0052]图3是示出示例性影院布置300的示意图。投影矢量KP和观察矢量KO定义小平面坐标系,该小平面坐标系定义入射小平面302。局部入射平面302相对于屏幕水平线304形成方位角f?对于所示的简单几何结构，方位角对于系统中的所有部件(包括PP0306、小平面308和VP0310)是共用的。如果考虑小平面308主要表现为纯粹的延迟片，则快轴和慢轴遵循方位，因此，小平面308将具有C片的行为。对于铝镜，与P偏振相关联的相位延迟通常大于对于S偏振的相位延迟，从而给予小平面偏离法线的+C片延迟。然而，对于大多数影院环境，这些延迟值很小。
[0053]图4是示出在550nm (绿色)的、以nm为单位的、作为从空气到镜面铝覆层上的小平面入射角的函数的延迟的图表。随着小平面入射角的幅值增大，来自金属表面的反射上的偏振态(SOP)的变化趋向于变大，但是对于适中角度，相当小。
[0054]要理解小平面法线和屏幕(基板)法线对性能的影响之间的区别。屏幕涂覆工艺通常遵守中心极限定理，给予小平面斜率相对于基板法线大致为高斯分布的概率分布。小平面的方位通常是均匀分布的，所以漫射器没有方向性，并且相对于基板法线是对称的。例如，典型的银屏幕具有与方位无关的20°半功率角，这意味着相对于基板法线成10°倾斜的小平面的每一立体角的总体密度(population density)大致为基板平面中的总体密度的一半。
[0055]回头参照图2，当投影矢量KP和观察矢量KO相对于基板法线ns不对称放置时，小平面法线nf具有倾斜取向es。在对称增大的入射角/观察角(θρ)的情况下，在小平面角度固定垂直于基板(es=0)时，无论角度如何，在散射事件中都涉及同一(面内)总量(population)的小平面204。所以就大角度不导致阴影或多次散射事件来说，偏振变化可以在很大程度上由随小平面入射角Θ #曾大的菲涅尔效应确定。对于适中的角度范围，明亮度可以保持相当恒定。相反，在投影方向KP和观察方向KO是反向传播(向后反射)的情况下，随着小平面角度(Θ s)增大，小平面入射角(Θ F)可以保持为零，但是散射事件中所涉及的小平面204的总量不断地变化。小平面204的总体密度随es降低(导致明亮度损失)，但是通常不存在菲涅尔偏振偏移。小平面角度与反射的统计概率(因此，所观察的明亮度)高度相关。但是间接地，还可以确定PCR，因为泄漏(分母项)在角度空间中通常是“白色”，而图像明亮度(分子项)趋向于遵循增益曲线。
[0056]本公开的一方面涉及对于各种ΡΡ0、VPO以及投影和观看几何结构的偏振控制的优化。在一些实施方案中，性能优化可以基于关于投影和观看环境的某些假设。因为环境不是标准化的，所以即使在数字影院的背景下，对于整个前投影系统，单个补偿方案也不会是最佳的。但是特别是在影院环境下，存在可以部分地或整个地应用于优化设计的一套合理假设:[0057]1.投影仪相对于屏幕水平地居中。
[0058]2.投影仪在通常高于任何观看位置的垂直位置上。在影院环境下，投影仪通常高于屏幕中心，并且甚至可以被安置在屏幕顶部/以上。
[0059]3.垂直于PPO的矢量指向屏幕中心。可以这样做以确保最高性能在屏幕中心被测量到，理想地随着角度增大而对称地(并且逐渐地)降低。该假设基于PPO的性能通常在垂直入射时最佳的可能场景。
[0060]4.性能在理论上可以针对观察空间中的被称为“理想观看者”(IV)的单个位置进行优化。一般来讲，IV的位置被约束为水平地居中。该假设还可以是无源补偿系统的性能对于IV任一侧的等距的观看者同样地降低。IV在空间中还可以受特定的大厅几何结构约束。为了使单个补偿方案在几乎任何的剧院大厅中都有效，IV还可以包括剧院几何结构的统计分析，包括，例如，总体平均观看者高度和离屏幕的距离(为投射距离的某一百分比)。
[0061]5.在实施方案中，IV的选择可以进一步包括对于IV的特定半径内的观察者的性能的功能衰退的非线性。这对于最大化IV周围尽可能大的总量的体验质量可以是有用的。可以在IV与质心相关联的情况下对于每个观看位置评价性能“Q因子”。相反，在实施方案中，为了对于位于观看空间的极端位置上的观看者实现刚好可接受的体验，还可以给予对于IV选择的某种加权。换句话讲，优化可以不允许与不可接受的观看体验相关联的任何“座位死角(seat kills)”。
[0062]6.在实施方案中，无源补偿可以不针对一般的观看方向进行优化，它可以针对观看者注视屏幕中心的特定情况进行优化。换句话讲，垂直于VPO的矢量指向屏幕中心。就这点而论，IV在基于在屏幕上居中的区域的分辨率/灵敏度最大、基于观察屏幕外围的其他部分感知到性能损失(即，没有头部移动)的情况下对性能进行评价。在实施方案中，性能还可以针对观看者变为直接观看屏幕上的特征的情况进行优化，这对于向观看者表示信息的应用(诸如，医学成像、飞机座舱显示等)可以是有用的。
[0063]7.实施方案可以通过在投影仪处进行补偿来校正整体偏振问题。也就是说，被放置在投影仪处的补偿叠层可以通过校正与以上列出的确定性偏振因素(例如，因素I至因素4)相关联的偏振来优化IV的体验。在这样做时，眼镜无需被修改来优化性能，因此最小化总体成本。而且，某些补偿材料和构造对于卷对卷或其他商品制造工艺可能是不实用的。
[0064]8.实施方案可以包括理想上曲率半径等于投射距离(Z)的屏幕曲率，通常，屏幕关于垂直线的曲率。
[0065]在一些实施方案中，对于水平偏移(即，观看者位置离包含投影仪和屏幕中心的平面的位移)的补偿可以以对称的方式构造。例如，如果以中心偏右的观看者的体验为代价，则可能无益于改进中心偏左的观看者的体验。因此，对于水平偏移的补偿可以使用具有对称性的部件来实现以改进中心偏左和偏右两者的体验。细节取决于投影和眼镜偏振光学器件的细节。
[0066]图5是图示说明示例性剧院大厅500的简化2D截面的示意图,在该示意图中，该图的平面包括投影仪502和屏幕中心504。尽管前投影布置不可能使投影仪502和观看者506位于同一位置，但是它出于说明目的是有用的。由于投影仪502和观看者506位于同一位置，PP0508和VP0510的法线矢量(未示出)不具有任何垂直偏移。对于任意投影矢量，光在屏幕表面514上射向生成向后反射光线的小平面(未示出)。就这点而论，光通常垂直入射在可操作来向观看者506提供光的每一个小平面上，屏幕512因此对SOP没有影响。如图5所示，这种布置等同于关于小平面平面反射投影仪位置。在这种展开布置中，通过PP0508的方位角和入射角Θ等同于通过VP0510的方位角和入射角，因此消除了与投影矢量和观看矢量之间的入射角差相关联的问题。实际上，如以上根据本公开的原理所概述的，可以通过将VP0510和PP0508认为是单个叠层并最小化入射角对总体性能度量的影响来设计用于剧院500中的几何结构的补偿构造。在共有的美国专利申请N0.13/010, 755中描述了这样的补偿方案，该专利申请通过引用被并入本文。
[0067]以下实施例基于针对本公开的3D系统的投影仪和观看者位于同一位置的优化。
[0068]实施例1A
[0069]图6A是示出立体系统600的示意图。图6B是示出圆偏振立体系统605的示意图，以下将更详细地描述圆偏振立体系统605。立体系统600可以包括图像源子系统610和检偏器子系统620,图像源子系统610可操作来输出第一偏振态和第二偏振态(例如，S偏振和P偏振)的光。检偏器子系统620可以包括眼镜，该眼镜可操作来基本上阻挡第一偏振态的光沿着第一路径(例如，到第一眼睛的光路)行进，并且基本上阻挡第二偏振态的光沿着第二路径(例如，到第二眼睛的光路)行进。在实施方案中，图像源子系统610可以包括可操作来在通过其的光上引起第一偏振变化的第一光学部件，检偏器子系统620可以包括可操作来引起第二偏振变化的第二光学部件，其中第一偏振变化和第二偏振变化如果没有被补偿，则将至少引起第一 SOP的光沿着第一路径的泄漏或第二 SOP的光沿着第二路径的泄漏中的至少一个。
[0070]例如，PP0610和VP0620可以每个包括偏振器625，偏振器625包括层压在醋酸纤维素(TAC)膜632、634、625之间的功能PVA偏振器膜630。在实施方案中，PP0610和VP0602的偏振器膜630可以基本上是相同的，并且偏振器取向和偏振效率因此可以被认为是理想的。但是TAC膜632、634可以不是各向同性的，并且可以表现为-C片，-C片可以被理解为光轴被取向为垂直于该膜的负性单轴延迟片。在方位，该延迟具有最大影响，进一步降低PCR。假设每个基板的-C片延迟的延迟为-50nm (组合为-1OOnm), φ=±45°方位的对比度在33°降至100:1，在40°降至50:1。此外，在角度75°，对比度仅为10:1。
[0071]图7Α是示出根据所公开的原理的补偿立体系统700的示例性实施方案的示意图。补偿立体系统700可以包括图像源子系统710和检偏器子系统720，图像源子系统710可操作来输出第一偏振态和第二偏振态(例如，S偏振和P偏振)的光。检偏器子系统720可以包括眼镜，该眼镜可操作来基本上阻挡第一偏振态的光沿着第一路径(例如，到第一眼睛的光路)行进，并且基本上阻挡第二偏振态的光沿着第二路径(例如，到第二眼睛的光路)行进。像图像源子系统610和检偏器子系统620那样，在实施方案中，图像源子系统710可以包括可操作来在通过其的光上引起第一偏振变化的第一光学部件，检偏器子系统可以包括可操作来引起第二偏振变化的第二光学部件，其中第一偏振变化和第二偏振变化如果没有被补偿，则将至少引起第一 SOP的光沿着第一路径的泄漏或第二 SOP的光沿着第二路径的泄漏中的至少一个。在所图示说明的实施方案中，第一光学部件和第二光学部件可以每个包括与图6Α和6Β中的偏振器625类似的偏振器725，并且包括层压在TAC膜732、734之间的PVA偏振器膜730。要理解，尽管示出了外部TAC734，但是它们对SOP的影响很小、甚至没有影响。为了补偿由图像源子系统710和检偏器720的偏振器725引起的第一偏振变化和第二偏振变化，可以将补偿器740包括在立体系统700中。补偿器740可以被设置在图像源子系统710或检偏器子系统720中，并且可以被构造为至少减小第一偏振变化和第二偏振变化两者。
[0072]在图7A中，图像源子系统710包括补偿器740，补偿器740可以包括被取向为平行于/垂直于吸收轴、Nz=0.5的双轴半波长延迟片742。双轴性的一方面是光轴在被不垂直地照射时在45°方位保持稳定。相反，偏振器吸收轴在该方位反向旋转。就这点而论，双轴半波长延迟片最佳地关于光轴反射输入偏振的S0P，从而正确地将它沿着检偏器吸收轴取向。通过在绿色中使用零阶半波长延迟片，对于大于60°的入射角，明视偏振对比度保持大于1，000:1。通过将补偿器740放置在成像源子系统710中，补偿器740可操作来基本上补偿所有观看者都体验到的对比度损失。
[0073]实施例1B
[0074]图7B图示说明同样根据所公开的原理的补偿立体系统705的实施方案。立体系统705类似于立体系统700，除了立体系统705包括补偿器750，而不是补偿器740之外。在实施方案中，补偿器750包括作为补偿器740中的双轴延迟片742的可替换方式的A片752和C片754。A片752可以是延迟为80nm的正性A片，并且其慢轴与偏振器730的吸收轴交叉。A片752后面可以为延迟为150nm的正性C片754。该组合的作用可以足以补偿TAC层732的延迟和交叉偏振器730的几何旋转两者。通过使用这种补偿构造，对于大于75°的入射角，PCR可以保持大于660:1。
[0075]实施例2A
[0076]图6B是示出立体系统605的示意图，立体系统605类似于立体系统600，除了立体系统605的图像源子系统610和检偏器子系统620每个包括四分之一波长延迟片660之夕卜。四分之一波长延迟片660使得可实现如今非常普遍的基于圆偏振的3D系统。在关断状态下，图像源子系统610的四分之一波长延迟片660与检偏器子系统620的四分之一波长延迟片660交叉。可以被认为是交叉+A片的交叉四分之一波长延迟片660表现得类似于处于φ=45°方位的-C片那样，从而增加进一步降低对比度的附加延迟。类似于立体系统605的包括TAC层632的未补偿圆偏振器系统在入射角为23°时可以具有100:1的对比度。在27°，对比度可以降至50:1。此外，在75°，对比度可以低于3:1。
[0077]图8Α是示出补偿圆偏振立体系统800的示例性实施方案的示意图。补偿圆偏振立体系统800可以包括可操作来输出第一偏振态和第二偏振态(例如，S偏振和P偏振)的光的图像源子系统810和检偏器子系统820。在所图示说明的实施方案中，图像源子系统810和检偏器子系统820可以每个包括具有层压在TAC膜832、834之间的PVA偏振器膜830的偏振器825。图像源子系统810和检偏器子系统820还可以分别包括四分之一波长延迟片860、865。为了补偿由图像源子系统810和检偏器子系统820的四分之一波长延迟片860、865和偏振器825引起的偏振变化，可以将补偿器840包括在圆偏振立体系统800中。补偿器840可以被设置在图像源子系统810或检偏器子系统820中。在所图示说明的实施方案中，补偿器840被设置在图像源子系统810中、在光学上在检偏器825的后面。如所图示说明的，补偿器840可以包括其后为双轴半波长延迟片844的TAC补偿器843。为了补偿检偏器子系统820处的交叉+A片(B卩，四分之一波长延迟片860、865)和偏振器825，补偿器840还包括夹住四分之一波长延迟片860的+C片844。通过增大+C片延迟(例如，在所图示说明的实施方案中，从50nm到92nm)，对于超过60°的角度，系统的对比度可以保持大于
1,000:1。
[0078]实施例2B
[0079]图8B图不说明根据所公开的原理的补偿圆偏振立体系统805的另一实施方案。圆偏振立体系统805类似于圆偏振立体系统800，除了立体系统805包括补偿器850，而不是补偿器840之外。在实施方案中，补偿器850包括作为补偿器840中的双轴延迟片842的可替换方式的A片852和C片854。A片852可以是延迟为80nm的正性A片，并且其慢轴与偏振器830的吸收轴交叉。A片852的后面可以为延迟为200nm的正性C片854。为了进一步改进对比度，在四分之一波长延迟片(+A片)860后面添加延迟为SOnm的第二正性C片854。这种组合的作用可以足以补偿TAC层832的延迟、交叉四分之一波长延迟片860、865的延迟以及交叉偏振器830的几何旋转两者。通过使用这种补偿构造，对于大于75°的入射角，PCR可以保持大于1000:1。
[0080]以上实施例包括针对最大化大视角的整个视场上的对比度进行优化的示例性实施方案。然而，要理解，所公开的补偿器740、750、840和850的部分可以用于相对于未补偿系统600和605增强性能。例如，在仍得到远好于未补偿系统的性能时，可以省去以上实施例中所使用的出射+C片延迟片744、754、844和854。
[0081]在许多眼镜镜片构造中，存在附加延迟片或不具有理想的各向异性的延迟片，并且可以通过调整补偿来实现改进的性能。这里提供这样的两个实施例来图示说明本公开的原理的应用。
[0082]在实施方案中，低成本影院眼镜可以包含具有如图6A和6B中所示的检偏器子系统620的部件的平模切割镜片。尽管这样的镜片的偏振性能可以接近于理想，但是光学性质可能非常差(例如，透射波前失真，特别是不规则)。关于圆偏振眼镜，线偏振器通过使用压力敏感粘合剂而被层压到四分之一波长延迟片，进一步加剧了该问题。在示例性实施方案中，为了抵消这个问题，可以应用偏振太阳镜镜片制造技术。诸如夹物模压、镜片后侧上的注射成型、包括加压抛光的热成形以及涉及附加基板(例如，丙烯酸)的热成形层叠的技术可以用于改进机械支承和光学质量。然而，这样的工艺可能有损于偏振控制，包括偏振控制的均匀性。具有不匹配的机械性质的异物的添加、来自粘合剂的应力以及来自成形工艺的压力/热的应力趋向于负面地影响偏振性质。在制造工艺导致确定性效果的情况下，根据本公开的原理构造的补偿器可以被包括到眼镜中来改进该情况。
[0083]在一些实施方案中，在光学质量更高的3D眼镜中，可以针对可成形性选择用于圆偏振器的延迟片材料，但是从偏振控制的角度来讲，它可能不是理想的。镜片可以包括具有高固有延迟或由双轴拉伸而导致的延迟的延迟膜。实施例包括醋酸丙酸纤维素(CAP)、二醋酸纤维素(DAC)以及具有工程双轴性的拉伸膜。CAP和DAC像TAC那样具有负性固有(C片)延迟，但是程度大得多。典型的DAC/CAP四分之一波长延迟片可以具有200nm (或更大)的-C片延迟。就眼镜延迟一致来说，根据本公开的原理设计的补偿器可以被包括在成像源子系统中以对于所有观看者，有效地减小CAP和DAC的固有延迟。例如，可以适当地增大图SB的+C片延迟片854的延迟以补偿与对四分之一波长进行检偏相关联的任何负性固有延迟。
[0084]如果基板在外部被层压在单轴四分之一波长延迟片，则可能存在类似的偏振控制劣化。如果要求基板提供机械支承或改进光学特性，则它理想上可以是各向同性的。然而，存在可以被制造为面内延迟低(理想地<3nm)并且可以在不引入面内延迟的情况下热成形的几个基板。TAC是一个这样的基板，但是根据设计厚度，它可以引入显著的附加C片延迟。如以上所讨论的，可以通过对投影仪或眼镜处的补偿器的延迟值进行合适调整来补偿这样的延迟。
[0085]图9图不说明更代表典型的影院构造的构造900。图10图不说明具有基于图9中所示的构造900中的投影仪1010关于小平面平面的反射的展开光路的构造1000。如在以上所讨论的‘381专利申请中所描述的，可以考虑投影仪入射角与观察者入射角之间的差异来对补偿进行进一步调整。在图9中所图示说明的实施方案中，使观看者沿着法线方向朝向屏幕移动，中心-屏幕观看距离为L。在这种情况下，屏幕具有使投影角度与观看角度解耦的效果，使得投影仪入射角和观察者入射角可以根据等式(I)来确定:[0086]Θ 0=tan_1 [ (Z/L) tan θ ρ](I)
[0087]此外，小平面入射角通常不再为零，并且根据等式(2)与投影仪角度和观察者角度相关:
[0088]θ ρ= ( Θ。- θ ρ) /2(2)
[0089]由于布置的对称性，以上关系与方位无关。
[0090]在实施方案中，观察者可以被定位在投影仪1010与屏幕1020之间。在这样的实施方案中，根据等式I和2，如果最大投影角度为20°，则最大观看角度为36°，最大小平面角度为8。。在更具挑战性的情况下，如果最大投影角度为30°，则最大观看角度为49°，最大小平面角度为9.6°。这个实施例示出，观察者角度极其陡，而对于偏振变化的菲涅尔贡献由于小平面角度小而相对较小。如图2所示，与10°的小平面相关联的延迟大约为lnm，允许在一些实施方案中从补偿方案忽略它。
[0091]因为通过VPO的角度通常大于通过PPO的角度，所以对偏振误差的贡献被放大。在一些实施方案中期望在投影仪处实现所有补偿，但是因为角度较小，所以可以进行调整以最佳地补偿角度差。以下提供根据本公开的PP0/VP0光学器件构造的特定示例性实施方案。
[0092]通过在共同入射角的条件下使用包括部件(诸如偏振器)的几何旋转以及延迟偏移两者的影响的严格4X4Berreman矩阵方法对图7A、7B、8A和8B中的示例性实施方案进行分析。对于以下实施方案，进行孤立地检查延迟偏移效果的简化分析。假设VPO和PPO角度之间的关系如上给出，在最坏情况方位角V=MS*3的情况下执行该分析。在某种意义上，这些问题是可分离的，因为从双轴半波长延迟片及其等同物(例如，+A片和+C片的组合)的几何校正与对于延迟误差的校正无关。光轴取向中的几何误差(例如，对于基于圆偏振器的系统)在Φ=±45°方位不存在。
[0093]实施例3
[0094]回到图7Α，在实施方案中，补偿器740可以包括夹住延迟片742的+C片744以补偿偏振器725的偏振变化并优化对比度。系统的净延迟由等式(3)给出:
[0095]gammaΝΕΤ = gammaTAC( θ ρ，±45° ) + gammaωΜΡ( θ p，±45° ) + gamma TAC( θ。，±45° ) (3)
[0096]在前面讨论的实施方案中，目标可以是最小化对于IV的延迟，同时确保对于极端情况，它在可接受的范围内。对于本实施方案的优化集中于极端投影角度，对于1.0的投射t匕，极端投影角度可以大致为θρ=30°。补偿可以被选择为使得最大化极端角的对比度，同时确保对于较小的投影角度，它不会降至该值以下。
[0097]与方位角无关的C片的延迟可以由等式(4)给出:
[0098]
【权利要求】
1.一种立体成像系统，所述立体成像系统包括: 图像源子系统，所述图像源子系统可操作来输出第一偏振态(SOP)和第二偏振态的光; 检偏器子系统，所述检偏器子系统可操作来基本上阻挡所述第一 SOP的光沿着第一路径行进，并且基本上阻挡所述第二 SOP的光沿着第二路径行进； 其中所述图像源子系统包括第一光学部件，所述第一光学部件可操作来在通过所述第一光学部件的光上引起第一偏振变化，并且所述检偏器子系统包括第二光学部件，所述第二光学部件可操作来在通过所述第二光学部件的光上引起第二偏振变化； 其中所述第一偏振变化和所述第二偏振变化如果没有被补偿，则将至少部分地引起所述第一 SOP的光沿着所述第一路径的泄漏或所述第二 SOP的光沿着所述第二路径的泄漏中的至少一个；并且 其中所述图像源子系统或所述检偏器子系统包括被构造为至少减小所述第一偏振变化和所述第二偏振变化两者的补偿器。
2.如权利要求1所述的立体成像系统，其中所述图像源子系统包括至少一个投影仪，并且所述补偿器被设置在所述图像源子系统中、光学上在所述至少一个投影仪的后面。
3.如权利要求1所述的立体成像系统，其中所述第一光学部件包括光学上在所述图像源子系统的图像源的后面的偏振器，并且所述第二光学部件包括所述检偏器子系统中的偏振器。
4.如权利要求1所述的立体成像系统，其中所述第一光学部件包括光学上在所述图像源子系统的图像源的后面的四 分之一波长延迟片，并且所述第二光学部件包括所述检偏器子系统中的四分之一波长延迟片。
5.如权利要求1所述的立体成像系统，其中所述第一偏振变化和所述第二偏振变化每个包括几何旋转，并且所述补偿器包括可操作来基本上校正所述几何旋转的双轴拉伸延迟片。
6.如权利要求1所述的立体成像系统，其中所述第一偏振变化和所述第二偏振变化每个包括几何旋转，并且所述补偿器包括+A片和+C片，所述+A片和+C片可操作来合作基本上校正所述第一偏振变化和所述第二偏振变化的组合的几何旋转。
7.如权利要求1所述的立体成像系统，其中所述第一偏振变化和所述第二偏振变化每个包括-C片类型的延迟，并且所述补偿器包括至少一个+C片，所述至少一个+C片可操作来基本上校正所述第一偏振变化和所述第二偏振变化的组合-C片类型的延迟。
8.如权利要求1所述的立体成像系统，其中所述补偿器针对对于相对于屏幕中心水平地居中的理想观看者的性能测量来进行优化。
9.如权利要求8所述的立体成像系统，其中所述补偿器针对对于位于观看空间中相对于所述理想观看者的位置而言极端的位置上的观看者的基准可接受的性能测量来进行优化。
10.如权利要求8所述的立体成像系统，其中所述补偿器针对最大化对于围绕所述理想观看者的尽可能大的总量的性能测量来进行优化。
11.如权利要求1所述的立体成像系统，其中所述图像源子系统包括可操作来输出所述第一偏振态和所述第二偏振态的光的顺序地或空间地调制的LCD面板。
12.—种立体投影系统，所述立体投影系统包括: 投影子系统，所述投影子系统可操作来输出第一偏振态(SOP)和第二偏振态的光；检偏器子系统，所述检偏器子系统可操作来基本上阻挡所述第一 SOP的光沿着第一路径行进，并且基本上阻挡所述第二 SOP的光沿着第二路径行进； 其中所述投影仪子系统包括第一光学部件，所述第一光学部件可操作来在通过所述第一光学部件的光上引起第一偏振变化，并且所述检偏器子系统包括第二光学部件，所述第二光学部件可操作来在通过所述第二光学部件的光上引起第二偏振变化， 其中所述第一偏振变化和所述第二偏振变化如果没有被补偿，则将至少部分地引起所述第一 SOP的光沿着所述第一路径的泄漏或所述第二 SOP的光沿着所述第二路径的泄漏中的至少一个；并且 其中所述投影仪子系统包括被构造为至少减小所述第一偏振变化和所述第二偏振变化两者的补偿器。
13.如权利要求12所述的立体投影系统，其中: 所述投影子系统包括: 左投影仪和右投影仪； 第二补偿器；以及 第三光学部件，所述第三光学部件可操作来在通过所述第三光学部件的光上引起第三偏振变化；并且 所述检偏器子系统包括第四光学部件，所述第四光学部件可操作来在通过所述第四光学部件的光上引起第四偏振变化； 其中所述第一光学部件和所述第三光学部件分别在光学上在所述左投影仪和所述右投影仪的后面，其中所述补偿器和所述第二补偿器分别在光学上在所述左投影仪和所述右投影仪的后面； 其中所述第一偏振变化和所述第二偏振变化如果没有被补偿，则将至少部分地引起所述第一 SOP的光沿着所述第一路径的泄漏，并且所述第三偏振变化和所述第四偏振变化如果没有被补偿，则将至少部分引起所述第二 SOP的光沿着所述第二路径的泄漏；并且其中所述第二补偿器被构造为至少减小所述第三偏振变化和所述第四偏振变化两者。
14.如权利要求12所述的立体投影系统，其中所述投影子系统的投影仪与观看者之间的垂直偏移至少部分地促成所述第一偏振变化和所述第二偏振变化，并且所述补偿器可操作来至少部分地校正由于所述垂直偏移而导致的所述第一偏振变化和所述第二偏振变化。
15.如权利要求12所述的立体投影系统，其中所述补偿器包括O片。
16.如权利要求12所述的立体投影系统，其中所述投影子系统的投影仪的入射角与观看者的入射角之间的差异至少部分地促成所述第一偏振变化和所述第二偏振变化，并且所述补偿器可操作来至少校正由于所述差异而导致的所述第一偏振变化和所述第二偏振变化。
17.—种立体显不系统,包括: 图像源子系统，所述图像源子系统可操作来输出第一偏振态(SOP)和第二偏振态的光，所述图像源子系 统包括: LCD面板；出射偏振器，所述出射偏振器在光学上在所述LCD面板的后面；以及 条纹图案化四分之一波片(QWP)，所述条纹图案化四分之一波片与所述LCD面板对齐；以及 检偏器子系统，所述检偏器子系统可操作来基本上阻挡所述第一 SOP的光沿着第一路径行进，并且基本上阻挡所述第二 SOP的光沿着第二路径行进，所述检偏器子系统包括检偏四分之一波片以及每个可操作来从所述检偏四分之一波片之一接收光的偏振器； 其中第一 +C片被设置在所述图像源子系统中、所述出射偏振器与所述条纹图案化QWP之间，或者被设置在所述检偏器子系统中、光学上在所述检偏四分之一波片之一的后面。
18.如权利要求17所述的立体显示系统，还包括第二+C片，其中所述第一 +C片和所述第二 +C片都被设置在所述检偏器子系统中、光学上在相应的检偏四分之一波片的后面，其中所述第一 +C片和所述第二 +C片可操作来每个补偿由相应的检偏四分之一波片和所述条纹图案化四分之一波片引起的-C片类型的延迟。
19.如权利要求17所述的立体显示系统，其中所述第一+C片被设置在所述图像源子系统中，并且可操作来基本上补偿由所述检偏四分之一波片和所述条纹图案化四分之一波片引起的-C片类型的延迟。
20.如权利要求17所述的立体显示系统，还包括至少一个补偿部件，所述至少一个补偿部件可操作来基本上补偿由所述图像源子系统的所述出射偏振器和所述检偏器子系统的所述偏振 器引起的几何旋转和延迟。
【文档编号】G02B27/26GK103688211SQ201280034488
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年5月14日 优先权日:2011年5月12日
【发明者】D·A·科尔曼, G·D·夏普, 陈建民 申请人:瑞尔D股份有限公司