一种基于反射式液晶图像调制器的拼接投影装置及方法

技术领域

本发明涉及投影技术，特别是涉及一种基于反射式液晶图像调制器(LCOS芯片)的拼接投影装置及方法。

背景技术

LCOS芯片作为重要图像调制器件，在投影仪、曝光机方面得到广泛应用。为了得到更高的分辨率，专利申请201810195760.0公开了一种大视场拼接式曝光机，该曝光机采用对调制芯片的空间光操控，可实现4片LCOS芯片的视场拼接。但是由于该曝光机中采用的光学器件较多，每个子图案经过两次平面反射，一方面引入了较多的平面面型误差，另一方面，一共6个反射面给图案的拼接调节带来了很大困难。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种基于反射式液晶图像调制器的拼接投影装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于反射式液晶图像调制器的拼接投影装置，包括光源、第一至第二普通分光棱镜、第一至第二偏振分光棱镜、第一至第四LCOS芯片以及成像透镜；

其中，所述光源发出的光经过所述第一普通分光棱镜后分为第一和第二束光；

其中，所述第一束光经过所述第一偏振分光棱镜后形成透射传播的P偏振光和反射传播的S偏振光，所述第一LCOS芯片将所述P偏振光中的一部分光调制成S偏振光后反射回所述第一偏振分光棱镜，并将所述P偏振光中的另一部分光保持为P偏振光反射回所述第一偏振分光棱镜，所述第二LCOS芯片将所述S偏振光中的一部分光调制成P偏振光后反射回所述第一偏振分光棱镜，并将所述S偏振光中的另一部分光保持为S偏振光反射回所述第一偏振分光棱镜；所述第一LCOS芯片与所述第二LCOS芯片相对于所述第一偏振分光棱镜的位置使得所述第一LCOS芯片反射回来的S偏振光和所述第二LCOS芯片反射回来的P偏振光分别经过所述第一偏振分光棱镜转为第一和第二并行图像光；

其中，所述第二束光经过所述第二偏振分光棱镜后形成透射传播的P偏振光和反射传播的S偏振光，所述第三LCOS芯片将所述P偏振光中的一部分光调制成S偏振光后反射回所述第二偏振分光棱镜，并将所述P偏振光中的另一部分光保持为P偏振光反射回所述第二偏振分光棱镜，所述第四LCOS芯片将所述S偏振光中的一部分光调制成P偏振光后反射回所述第二偏振分光棱镜，并将所述S偏振光中的另一部分光保持为S偏振光反射回所述第二偏振分光棱镜，所述第三LCOS芯片与所述第四LCOS芯片相对于所述第二偏振分光棱镜的位置使得所述第三LCOS芯片反射回来的S偏振光和所述第四LCOS芯片反射回来的P偏振光分别经过所述第二偏振分光棱镜转为第三和第四并行图像光；

其中，所述第一和第二并行图像光经过所述第二普通分光棱镜透射传播，所述第三和第四并行图像光经过所述第二普通分光棱镜反射传播，形成并行的四束图像光，经过所述成像透镜后，在投影面形成由四个并行图像拼合成的整幅图像。

进一步地：

所述四个并行图像形成2×2阵列排布，且所述四个并行图像之间无像素交叠。

所述四个并行图像形成2×2阵列排布，且所述四个并行图像之间存在像素交叠，在所述投影面上存在拼缝交叠区域，其中相邻的两个并行图像之间均存在拼缝交叠区域，且在中心处存在四个并行图像共同的拼缝交叠区域。

除四个并行图像共同的拼缝交叠区域之外，对于相邻的两个并行图像之间的拼缝交叠区域，按照各自图像的50％正常亮度显示；对于四个并行图像共同的拼缝交叠区域，按照各自图像的四分之一正常亮度显示。

对于3D打印应用的多层曝光，对应不同层的曝光，在拼缝交叠区域处采用轮流工作方式显示并行图像以使各层在拼缝交叠区域均保持正常亮度。

一种基于反射式液晶图像调制器的拼接投影装置，包括第一至第二光源、普通分光棱镜、第一至第二偏振分光棱镜、第一至第四LCOS芯片以及成像透镜；

其中，所述第一至第二光源分别发出第一和第二束光；

其中，所述第一束光经过所述第一偏振分光棱镜后形成透射传播的P偏振光和反射传播的S偏振光，所述第一LCOS芯片将所述P偏振光中的一部分光调制成S偏振光后反射回所述第一偏振分光棱镜，并将所述P偏振光中的另一部分光保持为P偏振光反射回所述第一偏振分光棱镜，所述第二LCOS芯片将所述S偏振光中的一部分光调制成P偏振光后反射回所述第一偏振分光棱镜，并将所述S偏振光中的另一部分光保持为S偏振光反射回所述第一偏振分光棱镜；所述第一LCOS芯片与所述第二LCOS芯片相对于所述第一偏振分光棱镜的位置使得所述第一LCOS芯片反射回来的S偏振光和所述第二LCOS芯片反射回来的P偏振光分别经过所述第一偏振分光棱镜转为第一和第二并行图像光；

其中，所述第二束光经过所述第二偏振分光棱镜后形成透射传播的P偏振光和反射传播的S偏振光，所述第三LCOS芯片将所述P偏振光中的一部分光调制成S偏振光后反射回所述第二偏振分光棱镜，并将所述P偏振光中的另一部分光保持为P偏振光反射回所述第二偏振分光棱镜，所述第四LCOS芯片将所述S偏振光中的一部分光调制成P偏振光后反射回所述第二偏振分光棱镜，并将所述S偏振光中的另一部分光保持为S偏振光反射回所述第二偏振分光棱镜，所述第三LCOS芯片与所述第四LCOS芯片相对于所述第二偏振分光棱镜的位置使得所述第三LCOS芯片反射回来的S偏振光和所述第四LCOS芯片反射回来的P偏振光分别经过所述第二偏振分光棱镜转为第三和第四并行图像光；

其中，所述第一和第二并行图像光经过所述普通分光棱镜透射传播，所述第三和第四并行图像光经过所述普通分光棱镜反射传播，形成并行的四束图像光，经过所述成像透镜后，在投影面形成由四个并行图像拼合成的整幅图像。

进一步地：

所述四个并行图像形成2×2阵列排布，且所述四个并行图像之间无像素交叠。

所述四个并行图像形成2×2阵列排布，且所述四个并行图像之间存在像素交叠，在所述投影面上存在拼缝交叠区域，其中相邻的两个并行图像之间均存在拼缝交叠区域，且在中心处存在四个并行图像共同的拼缝交叠区域。

除四个并行图像共同的拼缝交叠区域之外，对于相邻的两个并行图像之间的拼缝交叠区域，按照各自图像的50％正常亮度显示；对于四个并行图像共同的拼缝交叠区域，按照各自图像的四分之一正常亮度显示。

对于3D打印应用的多层曝光，对应不同层的曝光，在拼缝交叠区域处采用轮流工作方式显示并行图像以使各层在拼缝交叠区域均保持正常亮度。

一种基于反射式液晶图像调制器的视场拼接投影方法，使用所述的装置进行视场拼接投影。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供一种基于反射式液晶图像调制器的拼接投影装置，其中，通过光源、普通分光棱镜、第一至第二偏振分光棱镜、第一至第四LCOS芯片以及成像透镜的光路设计，形成由第一至第四LCOS芯片调制的四个并行图像光，在投影面拼合成整幅图像，该拼接投影装置的光路设计相对于现有技术避免了拼接过程中需要增设反射镜，既能实现四个芯片的并行图像拼接，又简化了光路结构，同时还能够避免引入较多的平面面型误差，并为图像拼接调节带来了很大的方便。

附图说明

图1为本发明一种实施例的基于反射式液晶图像调制器的拼接投影装置的光路结构示意图。

图2为本发明一种实施例的基于反射式液晶图像调制器的拼接投影装置的立体结构示意图。

图3为本发明一种实施例的基于反射式液晶图像调制器的拼接投影装置产生的无交叠的四个并行图像的拼接示意图。

图4为本发明一种实施例的基于反射式液晶图像调制器的拼接投影装置产生的有拼缝交叠区域的四个并行图像的拼接示意图。

图5为本发明另一种实施例的基于反射式液晶图像调制器的拼接投影装置的光路结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1至图2，本发明实施例提供一种基于反射式液晶图像调制器的拼接投影装置，包括光源S、第一至第二普通分光棱镜N1、N2、第一至第二偏振分光棱镜P1、P2、第一至第四LCOS芯片L1、L2、L3、L4以及成像透镜I；

其中，所述光源S发出的光经过所述第一普通分光棱镜P1后分为第一和第二束光；

其中，所述第一束光经过所述第一偏振分光棱镜P1后形成透射传播的P偏振光和反射传播的S偏振光，所述第一LCOS芯片L1将所述P偏振光中的一部分光调制成S偏振光后反射回所述第一偏振分光棱镜P1，并将所述P偏振光中的另一部分光保持为P偏振光反射回所述第一偏振分光棱镜P1，所述第二LCOS芯片L2将所述S偏振光中的一部分光调制成P偏振光后反射回所述第一偏振分光棱镜P1，并将所述S偏振光中的另一部分光保持为S偏振光反射回所述第一偏振分光棱镜P1；所述第一LCOS芯片L1与所述第二LCOS芯片L2相对于所述第一偏振分光棱镜P1的位置使得所述第一LCOS芯片L1反射回来的S偏振光和所述第二LCOS芯片L2反射回来的P偏振光分别经过所述第一偏振分光棱镜P1转为第一和第二并行图像光；

其中，所述第二束光经过所述第二偏振分光棱镜P2后形成透射传播的P偏振光和反射传播的S偏振光，所述第三LCOS芯片L3将所述P偏振光中的一部分光调制成S偏振光后反射回所述第二偏振分光棱镜P2，并将所述P偏振光中的另一部分光保持为P偏振光反射回所述第二偏振分光棱镜P2，所述第四LCOS芯片L4将所述S偏振光中的一部分光调制成P偏振光后反射回所述第二偏振分光棱镜P2，并将所述S偏振光中的另一部分光保持为S偏振光反射回所述第二偏振分光棱镜P2，所述第三LCOS芯片L3与所述第四LCOS芯片L4相对于所述第二偏振分光棱镜P2的位置使得所述第三LCOS芯片L3反射回来的S偏振光和所述第四LCOS芯片L4反射回来的P偏振光分别经过所述第二偏振分光棱镜P2转为第三和第四并行图像光；

其中，所述第一和第二并行图像光经过所述第二普通分光棱镜N2透射传播，所述第三和第四并行图像光经过所述第二普通分光棱镜N2反射传播，形成并行的四束图像光，经过所述成像透镜I后，在投影面F形成由四个并行图像拼合成的整幅图像。

可以理解，第一至第四LCOS芯片L1、L2、L3、L4在接收P偏振光或S偏振光进行调制时，第一至第四LCOS芯片上的一部分像素反射回的是P偏振光，而另一部分像素反射回的是S偏振光。

在一些实施例中，第一至第四LCOS芯片可以使用相同的LCOS芯片。其中，控制各芯片输入的图像信号，使第二LCOS芯片L2与第一LCOS芯片L1是反色显示；使第四LCOS芯片L4与第三LCOS芯片L3是反色显示；使第一LCOS芯片L1与第四LCOS芯片L4是同色显示；使第二LCOS芯片L2与第三LCOS芯片L3是同色显示。

在另一些实施例中，第一至第四LCOS芯片也可以使用不同色显的LCOS芯片，其中，第一LCOS芯片L1与第二LCOS芯片L2是反色显示芯片；第三LCOS芯片L3与第四LCOS芯片L4是反色显示芯片；第一LCOS芯片L1与第四LCOS芯片L4是同色显示芯片；第二LCOS芯片L2与第三LCOS芯片L3是同色显示芯片。在此种情况下，对四个芯片输入的图像信号可为同色图像信号。

在具体实施例中，光源优选均光光源。均光光源可采用复眼透镜均光光源或导光棒(积分棒)均光光源，也可以是其他均光光源。

如图3所示，在一些实施例中，所述四个并行图像形成2×2阵列排布，且所述四个并行图像之间无像素交叠。

如图4所示，在另一些实施例中，所述四个并行图像形成2×2阵列排布，且所述四个并行图像之间存在像素交叠，在所述投影面上存在拼缝交叠区域，其中相邻的两个并行图像之间均存在拼缝交叠区域，且在中心处存在四个并行图像共同的拼缝交叠区域。

在一种优选的实施例中，除四个并行图像共同的拼缝交叠区域之外，对于相邻的两个并行图像之间的拼缝交叠区域，按照各自图像的50％正常亮度显示；对于四个并行图像共同的拼缝交叠区域，按照各自图像的四分之一正常亮度显示。

具体地，对于两个并行图像的拼缝交叠区域，可对这两个并行图像在该区域的灰度值做变更计算，控制这两个并行图像在该区域的亮度分别降一半；对于四个并行图像共同的拼缝交叠区域，可对四个并行图像在该区域的灰度值变更计算，控制四个并行图像在该区域的亮度值降到原来的四分之一。

在一种优选的实施例中，对于3D打印应用的多层曝光，对应不同层的曝光，在拼缝交叠区域处采用轮流工作方式显示并行图像以使各层在拼缝交叠区域均保持正常亮度。

对于如3D打印应用的多层曝光场景，对拼缝交叠区域采用轮换曝光方式。区域1、区域2、区域3、区域4分别是第一LCOS芯片L1、第二LCOS芯片L2、第三LCOS芯片、第四LCOS芯片的显示区域，区域12、区域14、区域23、区域34、区域0是四个芯片显示区域的拼缝区域。对不同层进行曝光时，拼缝交叠区域处采用轮流工作方式，即：第一LCOS芯片L1全幅投影时，区域12、14、0归第一LCOS芯片L1显示，第二LCOS芯片L2、第三LCOS芯片L3、第四LCOS芯片L4对该区域不做显示，第二LCOS芯片L2显示区域23，第三LCOS芯片L3不显示区域23，第三LCOS芯片L3显示区域34，第四LCOS芯片L4不显示区域34；下一场图像时，第二LCOS芯片L2显示全幅图像，第三LCOS芯片L3、第四LCOS芯片L4、第一LCOS芯片L1不显示区域23、12、0，第三LCOS芯片显示区域34，第四LCOS芯片不显示区域34，第四LCOS芯片显示区域14，第一LCOS芯片L1不显示区域14，如此轮换……。也可以用其他轮换方式，使各层在拼缝交叠区域处的显示均能够保持所需亮度即可。

参阅图5，本发明还提供另一种实施例的基于反射式液晶图像调制器的拼接投影装置，与图1和图2所示实施例的拼接投影装置的不同在于：前一实施例仅采用一个光源，但采用了两个普通分光棱镜，其中由第一普通分光棱镜N1将光源的光分为第一束光和第二束光；而本实施例包括第一光源S1和第二光源S2，由第一光源S1和第二光源S2直接发出第一束光和第二束光，并仅采用一个普通分光棱镜N。本实施例采用两个光源分别对第一偏振分光棱镜P1和第二偏振分光棱镜P2所对应的芯片进行照射。分开照射的好处是第一光源只用于第一LCOS芯片和第二LCOS芯片照明，第二光源只用于第三LCOS芯片和第四LCOS芯片照明，从而避免了前一种实施例采用两个普通分光棱镜的方案中，从第一普通分光棱镜分出来的照向第二偏振分光棱镜P2但未照射在第三LCOS芯片和第四LCOS芯片的那部分光的损耗，以及从第一普通分光棱镜分出来的照向第一偏振分光棱镜P1但未照射在第一LCOS芯片和第二LCOS芯片的那部分光的损耗。

在本发明实施例提供的基于反射式液晶图像调制器的拼接投影装置中，通过一个或两个光源、一个或两个普通分光棱镜、第一至第二偏振分光棱镜、第一至第四LCOS芯片以及成像透镜的光路设计，形成由第一至第四LCOS芯片调制的四个并行图像光，在投影面拼合成整幅图像，该拼接投影装置的光路设计相对于现有技术避免了拼接过程中需要增设反射镜的问题，既能实现四个芯片的并行图像拼接，又简化了光路结构，同时还能够避免引入较多的平面面型误差，并为图像拼接调节带来了很大的方便。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。