专利名称：多基色图像叠加器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光学器件，尤其涉及一种高效率多基色图像叠加器。
背景技术：
众所周知，在以红、绿、蓝三色作为基色的显示器中，图像合成器是其中必不可少的装置。本领域中已存在多种光束合成装置。但这些装置各有长短。例如，图1公开了目前的投影仪中普遍采用的X棱镜。不同波长(λ1、λ2、λ3)的单色光分别从三个方向射入该棱镜，并从该棱镜的第四个方向叠加输出。但在要输入更多基色的情况下，这种棱镜显然不能满足要求。此外，中国实用新型专利No.93109784.3中公开了一种激光束合成装置。该装置利用了方解石晶体的能将不同偏振态的光束进行合成的特征。但根据这种装置的原理，对输入的光束的偏振态有特殊的要求。由此，现有技术的合成器件虽然种类很多，但都有一定的局限性。
现在正开发基于多基色(三种以上的基色)的显示系统。基色数量的增加意味着图像颜色的还原性更好，显示效果更佳。图2A和2B分别示出了三基色和九基色条件下的显示色域。通过图2A和2B的比较可以看到，九基色的色域更接近需还原的真实色域。然而，由于以往的显示系统主要以三基色(RGB)为基础，因此未能提供适于这种多基色显示系统的图像合成器。
专利文件1中国科学院物理研究所于2004/07/16提交的标题为″一种具有红、绿、蓝三基色激光彩色显示装置″的专利申请，申请号200410069055。″因为这些多基色图像合成装置主要是解决目前已有的三基色激光显示装置无法实现向多基色激光显示过渡的问题。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种能叠加三种以上基色的图像以更真实地还原图像的光学装置。该光学装置也能用于不同颜色的光的叠加。
为此，本实用新型提供了一种多基色图像叠加器，它包括由单轴晶体构成的一个主棱镜，该主棱镜是不规则多边形并包括一个主分束面、至少一个分束面、可以射入若干基色合成的光的合成光入射棱面、只可射入单基色光的至少一个单色光入射棱面和一个出射棱面。主棱镜的形状使得从单色光入射棱面射入的单色光依次射到分束面上。所有的分束面使得入射其上的单色光均发生全反射且不同的单色光在至少一个分束面上递进地部分叠加。最终，所有入射光在主分束面处完全叠加并经全反射后垂直于出射棱面从主棱镜射出。合成光入射棱面与分束面和主分束面之一相对，使得垂直射入合成光入射棱面的入射光入射于该面，与同样射于该面的各个单色光叠加并共同发生全反射。单色光入射棱面与所述分束面和主分束面之一相对，使得从单色光入射棱面入射的光首先照射到该分束面上发生全反射，随后在入射到另一分束面或主分束面。
在该叠加器中，单轴晶体构成的主棱镜的光轴方向平行于出射棱面和合成光出射面，或者垂直于出射棱面。
此外，该叠加器还可以包括与主棱镜材料相同的多个像差修正棱镜，这些像差修正棱镜分别设置于入射棱面之前。
在一种情况中，主分束面与出射棱面的夹角为θ，norsinθ＞n0，1≤r≤m0，且当光轴方向平行于叠加器出射棱面和合成光的出射面时，nossinθ＞n0，1≤s≤m。其中nor表示已合成的基色r的对应波长λr在主棱镜采用的单轴晶体中的o光的主折射率，nos表示需要叠加起进行合成的基色s的对应波长λs在主棱镜采用的单轴晶体中的o光的主折射率，n0表示空气的折射率，m0是入射所述合成光入射棱面的已合成的光的基色数量，m是所述叠加器需要合成的光的基色数量。
而在另一情况中，主分束面与出射棱面的夹角为θ，norsinθ＞n0，1≤r≤m0，且当所述单轴晶体的光轴方向垂直于所述出射棱面时，nessinθ＞n0，1≤s≤m。
在上述叠加器中，单色光入射棱面可以同时入射两束以上的单色光图像，且这些单色光图像在该单色光入射棱面处已部分叠加。此外，可沿在分束面处全反射后获得的光路方向该分束面射入单色光。
此外，上述叠加器还可以包括设置于一单色光入射棱面之前的次级棱镜，该次级棱镜由各向同性材料或单轴晶体构成并包括相互不平行的入射面和出射面，在多束单色光向一单色光入射棱面斜入射前，该次级棱镜使这多束单色光相互靠近并重叠。
本实用新型还提供了一种使用上述多基色图像叠加器的叠加方法。该方法包括将单色光的图像射入主棱镜的单色光入射棱面或分束面，将若干基色合成的光垂直射入主棱镜的合成光入射棱面，使各光在对应的各分束面处均发生全反射且不同的单色光图像在分束面上递进地部分叠加，最后在主分束面处全部准确叠加并经该主分束面全反射后垂直于出射棱面射出。该方法还可以包括使各入射光在射入对应的入射棱面前相互不重叠，并使各入射光的重叠区域包含在主棱镜内。
应当理解，本实用新型以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本实用新型提供进一步的解释。
包括附图是为提供对本实用新型进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本实用新型的实施例，并与本说明书一起起到解释本实用新型原理的作用。附图中 图1是现有技术的X棱镜的结构示意图。
图2A和2B分别是三基色与九基色显示的显示色域的示意图。
图3是根据本实用新型的一个实施例的多基色图像叠加器的示图。
图4是根据本实用新型的另一实施例的多基色图像叠加器的示图。
图5～图8分别示出了分束面的四种情况。
图9是根据本实用新型的多基色图像叠加器的入射方式的另一实施例的附图。
具体实施方式
在本实用新型的多基色图像叠加器中，假定显示所需的基色数量为N且已将基色数量为m0(m0、N是正整数，0≤m0≤N)的光合成，需要叠加器进行合成的基色数量为m(m、N是正整数，0≤m≤N)。已合成的光的偏振方向需要垂直于合成光的出射面(即纸面)，并且从叠加器的
入射方向(例如，参见图3)输入叠加器；需要叠加器进行合成的基色的光的偏振方向需要平行于合成光的出射面(即纸面)。
除
入射方向以外，从
入射方向(0≤i≤m)(例如，参见图3)射入叠加器进行多基色合成的光只有一种波长，并且与叠加器的
入射方向(0≤i≤m)的入射棱面垂直，合成后的光与叠加器的出射棱面垂直。
本实用新型的叠加器由(m+1)块棱镜组成，包括1块主棱镜和m块像差修正棱镜组成，所有棱镜由同一种单轴晶体构成，其中主棱镜的光轴有两种选择1、主棱镜光轴方向平行于主棱镜的出射棱面，并且平行于合成光的出射面(即纸面)；2、主棱镜光轴方向垂直于主棱镜的出射棱面。如果叠加器只用于光束的合成，并且不考虑像差问题，那么只需要主棱镜就可以实现；如果叠加器用于基色图像的合成，那么需要主棱镜与像差修正棱镜配合使用，以使得需要合成的图像在进入叠加器主棱镜之前先通过像差修正棱镜对各波长的光分别进行像差的调整后再进入叠加器主棱镜，与主棱镜产生的像差相互抵消以实现像差消除。
叠加器只对主棱镜的主分束面(主棱镜的主分束面是所有入射进主棱镜的光均发生全反射的棱面，并且全反射之后的所有波长的入射图像的像差均消除同时合成为满足要求的图像)、分束面(分束面是使所有入射进主棱镜的光中的部分波长的光发生全反射的棱面)、可以入射上述多个基色合成的光的合成光入射棱面、只可以入射上述单基色光的单色光入射棱面和出射棱面有一定的要求，其他各棱面均没有具体要求，但是必须保证不影响主棱镜中的光路；像差修正棱镜的入射棱面、出射棱面以及全反射棱面的要求需要根据主棱镜的对于该波长的光的光路调整所造成的像差决定。
各种基色的偏振光(不包括从
入射方向(可参考图3)射入的混合波长的合成光)的偏振方向平行入射面(即纸面)，各波长的偏振光经过对应的若干个对应的分束面发生全反射之后在主分束面上叠加并且全反射后从叠加器的出射棱面垂直射出。从
入射方向射入的混合波长的合成光的偏振方向垂直于入射面(即纸面)，不经过分束面的全反射直接射到主分束面与从其它入射方向入射的偏振光叠加并且全反射后从叠加器的出射棱面垂直射出；或者，从
入射方向的混合波长的合成光经过对应的若干个对应的分束面全反射之后射到主分束面与从其它入射方向入射的偏振光叠加并且全反射后从叠加器的出射棱面垂直射出。
现在将详细参考附图描述本实用新型的多个实施例。
以下详细描述m＝2(即要叠加的单色光数量为2)的两类单轴晶体的四种主棱镜的实施例。
图3示出了由负晶体构成的主棱镜的一个实施例的示图。
如图3所示，本例中，主分束面为棱面(bc)，分束面为棱面(ef)和(pq)，合成光入射棱面为棱面(de)，单基色入射棱面为棱面(hm)和(mn)，出射棱面为棱面(as)。此外，棱面(ab)、(cd)、(fg)、(gh)、(np)、(qr)、(rt)、(ts)没有具体的要求但必须不影响主棱镜中的光路。从各入射方向入射到上述合成光入射棱面(de)及单基色入射棱面为棱面(hm)和(mn)的光均需垂直于各自对应的入射棱面。图中M所示的虚线表示光轴方向，本例中光轴方向M平行于叠加器出射棱面和合成光的出射面(即纸面)。
合成光入射棱面可以同时从一个方向入射多种波长的光且光路完全相同，而单色光入射棱面也可以入射多种波长的光但入射的光路有所差别。因此，合成光的入射方向必须与合成光入射棱面垂直。而单色光的入射没有这种要求。
图4示出了由负晶体构成的主棱镜的另一实施例的示图。
如图4所示，该实施例中的主分束面为棱面(bc)，分束面为棱面(de)和(mn)，合成光入射棱面为棱面(hm)，单基色入射棱面为棱面(gh)和(fg)，出射棱面为棱面(as)。此外，棱面(ab)、(cd)、(ef)、(np)、(pq)、(qs)没有具体的要求但必须不影响主棱镜中的光路。与图3所示的实施例相同，各入射光均需垂直于其对应的入射棱面。图4中M所示的虚线所表示光轴方向垂直于叠加器的出射棱面。
此外，在上述两个实施例及其附图中，从合成光入射棱面射入的合成光直接照射到主分束棱面上，但在其它实施例中射入主棱镜的合成光同样可以经过若干分束面处的全反射后照射到主分束棱面上。
此外，本领域的技术人员应当理解，可用正晶体取代上述实施例中的负晶体构成主棱镜。且在上述两个实施例中，叠加器的形状不同，这表示上述主棱镜不限于有限的形状，而可以是其它许多多边形形状的棱镜，只要该棱镜中的有关棱面(如主分束面、分束面、合成光入射棱面、单基色入射棱面、出射棱面)满足有关要求就能实现本实用新型的目的。相应的替换和修改应为本领域熟练技术人员所了解。
以下将参考附图详细描述主棱镜中的分束面的情况。应理解，这些描述对于上述正晶体和负晶体材料所构成的主棱镜是等同的。
假设主棱镜包括p个分束面和一个主分束面，每一个分束面上发生全反射的基色数量为mu(1≤u≤p，1≤mu≤m)，那么所有分束面的情况有以下八种。以下分析默认已合成的基色图像通过
入射方向的主棱镜入射棱面之后只通过了主分束面，而不经过其它分束面。
情况1(图5) 情况1的前提是光轴方向平行于叠加器出射棱面和合成光的出射面(即纸面)。
参考图5，ck、dk分别表示波长为λi的光经过的第k个分束面与主棱镜其它棱面相交的棱边在合成光的出射面(即纸面)的投影(例如图3中的分束面(pq)，ck等价于q所表示的棱边，dk等价于p所表示的棱边)。图中虚线为辅助线，l1kl′1k与ckdk相交于点dk，并且平行于光轴M；l2kl′2k与ckdk相交于点ck，并且平行于合成光的出射面(即纸面)，垂直于光轴M；l3kl′3k与ckdk相交于点dk，并且平行于合成光的出射面(即纸面)，垂直于光轴M。此外，图中分束面与主棱镜的出射棱面的夹角为
入射光线与垂直于光轴的平面的夹角为Θij(即入射光线与辅助线l3kl′3k的夹角为Θij)。反射光线与垂直于主棱镜的出射棱面并且垂直于光轴的平面的夹角为Θ′ij(即出射光线与辅助线l2kl′2k的夹角为Θ′ij)。入射光线在第k分束面上的入射角为θij(即入射光线与垂直于ckdk的法线的夹角为θij)。出射光线在第k分束面上的出射角为θ′ij(即出射光线与垂直于ckdk的法线的夹角为θ′ij)。
对于波长为λij的光，如图的分束面的光路的各夹角优选满足以下条件 nsinθij＞n0，nsinθij＝n′sinθ′ij，
1≤i≤N，1≤j ≤v，1≤k≤u[1]， 设在主棱镜中，需要叠加器进行合成的m种基色(m是正整数，1≤m≤N)的波长中的第i种基色的波长为λi，该基色在主棱镜中的光路需要依次经过u个分束面和主分束面，假定第k个分束面上该基色光的波长表示为λi1(即λi1＝λi)，并且在该分束面上同时有mk种基色的光发生全反射(mk种基色的光包含波长为λi1的光)，那么在该分束面上发生全反射的光的波长表示为λij(即λij＝λi)，那么各分束面上所经过的对应的各基色光之间的入射光和全反射光分离距离(某一分束面的入射光分离距离是指入射到同一分束面的两种不同基色的光在前一分束面(前一分束面是指沿光路方向的该分束面的前一个分束面)与该分束面之间的光路及沿光线的传播方向的反向延长线之间相交的所有交点距该分束面的距离的最大值，某一分束面的全反射光分离距离是指在该分束面与下一分束面(下一分束面是沿光路的方向的下一个分束面)之间的两种不同基色的光路及沿光线的传播方向的延长线之间的所有交点距该分束面的距离的最小值)和分束面与主棱镜的出射棱面的夹角为
可以决定主棱镜的基本参数和几何结构。
因为各基色图像在入射进主棱镜之前是完全分离的已合成图像(已合成图像是指从
入射方向入射的合成图像)等效为一种基色的图像处理)，所以可以通过入射光分离距离保证各基色图像在射入对应的主棱镜入射棱面之前是相互不重叠的，即各基色图像的重叠区域包含在主棱镜所在区域内。
因为图像有一定的宽度，所以在光路图中用两条平行有一定距离的几何光线表示有宽度的图像的光路。
dkmij1sinφ＝dkpij1sinΘij，dkmij2sinφ＝dkpij2sinΘij， ckmij1sinφ′＝ckqij1sinΘ′ij，ckmij2sinφ′＝ckqij2sinΘ′ij， 1≤j≤mk [2]； 波长分别为λij、λi′j′(1≤i ≤m，1≤i′≤m，i≠i′，1≤j≤mk，1≤j′≤mk，j≠j′)的分离距离为 1>两种基色的图像在第k分束面上重叠 (即AB＜(mi′j′1mi′j′2+mij1mij2)，AB＝max{mij1mi′j′1，mij2mi′j′2，mij1mi′j′2，mi′j′1mij2}) {1}如果dkmij1＜dkmi′j′1＜dkmij2＜dkmi′j′2那么 (1)入射光 1)θij＞θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k(tanθij-tanθi′j′)＝dkmij2-dkmi′j′1 [3]， 2)θij＜θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k(tanθi′j′-tanθij)＝dkmi′j′2-dkmij1 [4]， 3)θij＝θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k→∞ [5]； (2)全反射光 1)θ′ij＞θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k(tanθ′ij-tanθ′i′j′)＝dkmi′j′2-dkmij1 [6]， 2)θ′ij＜θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k(tanθ′i′j′-tanθ′ij)＝dkmij2-dkmi′j′1 [7]， 3)θ′ij＝θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k→∞[8]； {2}如果dkmi′j′1＜dkmij1＜dkmi′j′2＜dkmij2那么 (1)入射光 1)θij＞θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k(tanθij-tanθi′j′)＝dkmii2-dkmi′j′1 [9]， 2)θij＜θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k(tanθi′j′-tanθij)＝dkmi′j′2-dkmij1 [10]， 3)θij＝θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k→∞ [11]； (2)全反射光 1)θ′ij＞θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k(tanθ′ij-tanθ′i′j′)＝dkmi′j′2-dkmij1 [12]， 2)θ′ij＜θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k(tanθ′i′j′-tanθ′ij)＝dkmij2-dkmi′j′1 [13]， 3)θ′ij＝θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k→∞ [14]； {3}如果dkmij1＜dkmi′j′1＜dkmi′j′2＜dkmij2那么 (1)入射光 1)θij＞θi′j′，则入射光分离距离h′iji′j′k为 hiji′j′k(tanθij-tanθi′j′)＝dkmij2-dkmi′j′1 [15]， 2)θij＜θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k(tanθi′j′tanθij)＝dkmi′j′2-dkmij1 [16]， 3)θij＝θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k→∞[17]； (2)全反射光 1)θ′ij＞θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k(tanθ′ij-tanθ′i′j′)＝dkmi′j′2-dkmij1 [18]， 2)θ′ij＜θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k(tanθ′i′j′-tanθ′ij)＝dkmij2-dkmi′j′1 [19]， 3)θ′ij＝θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为h′iji′j′k→∞[20]； {4}如果dkmi′j′1＜dkmij1＜dkmij2＜dkmi′j′2那么 (1)入射光 1)θij＞θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k(tanθij-tanθi′j′＝dkmij2-dkmi′j′1 [21]， 2)θij＜θ′i′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k(tanθi′j′-tanθij)＝dkmi′j′2-dkmij1 [22]， 3)θij＝θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k→∞[23]； (2)全反射光 1)θ′ij＞θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k(tanθ′ij-tanθ′i′j′)＝dkmi′j′2-dkmij1[24]， 2)θ′ij＜θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k(tanθ′i′j′-tanθ′ij)＝dkmij2-dkmi′j′1[25]， 3)θ′ij＝θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k→∞[26]； 因为部分基色的光只需要经过主棱镜的部分束面，如果这部分基色的光的入射棱面与他相邻的分束面的夹角大于90°，那么可以通过这个相邻分束面的全反射分离距离保证各基色图像的重叠区域包含在主棱镜所在区域内。
2>两种基色的图像在第k分束面上分离 (即AB≥(mi′j′1mi′j′2+mij1mij2)，AB＝max{mij1mi′j′1，mij2mi′j′2，mij1mi′j′2，mi′j′1mij2}) {1}当dkmij2＜dkmi′j′1时，说明这两种基色的图像的入射光在到达第k分束面时已经是分离的，(即这两种基色的图像在第k分束面所在的位置是分离的)，那么第k分束面对于这两种基色的光路只起到了改变方向的作用。
{2}当dkmi′j′2＜dkmij1时，说明这两种基色的图像的入射光在射到第k分束面时已经是分离的，(即这两种基色的图像在第k分束面所在的位置是分离的)，那么第k分束面对于这两种基色的光路只起到了改变方向的作用。
情况2(图6) 情况2的前提是光轴方向平行于叠加器出射棱面和合成光的出射面(即纸面)。
参考图6，ak、bk分别表示波长为λi的光经过的第k个分束面与主棱镜其它棱面相交的棱边在合成光的出射面(即纸面)的投影。图中虚线为辅助线，l1kl′1k与akbk相交于点ak，并且平行于光轴M；l2kl′2k与akbk相交于点bk，并且平行于合成光的出射面(即纸面)，垂直于光轴M；l3kl′3k与akbk相交于点ak，并且平行于合成光的出射面(即纸面)，垂直于光轴M。此外，图中分束面与主棱镜的出射棱面的夹角为
入射光线与垂直于主棱镜的出射棱面并且垂直于光轴的平面的夹角为Θij(即入射光线与辅助线l2kl′2k的夹角为Θij)，反射光线与垂直于主棱镜的出射棱面并且垂直于光轴的平面的夹角为Θ′ij(即出射光线与辅助线l3kl′3k的夹角为Θ′ij)，入射光线在第k分束面上的入射角为θij(即入射光线与垂直于akbk的法线的夹角为θij)，出射光线在第k分束面上的出射角为θ′ij(即出射光线与垂直于akbk的法线的夹角为θ′ij)。
对于波长为λij的光，如图的分束面的光路的各夹角优选满足以下条件 nsinθij＞n0，nsinθij＝n′sinθ′ij，
1≤i≤N，1≤j≤v，1≤k≤u[27]， 设在主棱镜中，需要叠加器进行合成的m种基色(m是正整数，1≤m≤N)的波长中的第i种基色的波长为λi，该基色在主棱镜中的光路需要依次经过u个分束面和主分束面，假定第k个分束面上该基色光的波长表示为λi1(即λi1＝λi)，并且在该分束面上同时有mk种基色的光发生全反射(mk种基色的光包含波长为λi1的光)，那么在该分束面上发生全反射的光的波长表示为λij(即λij＝λi)，那么各分束面上所经过的对应的各基色光之间的入射光和全反射光分离距离(某一分束面的入射光分离距离是指入射到同一分束面的两种不同基色的光在前一分束面(前一分束面是指沿光路方向的该分束面的前一个分束面)与该分束面之间的光路及沿光线的传播方向的反向延长线之间相交的所有交点距该分束面的距离的最大值，某一分束面的全反射光分离距离是指在该分束面与下一分束面(下一分束面是沿光路的方向的下一个分束面)之间的两种不同基色的光路及沿光线的传播方向的延长线之间的所有交点距该分束面的距离的最小值)和分束面与主棱镜的出射棱面的夹角为
可以决定主棱镜的基本参数和几何结构。
因为各基色图像在入射进主棱镜之前是完全分离的已合成图像(已合成图像是指从
入射方向入射的合成图像)等效为一种基色的图像处理)，所以可以通过入射光分离距离保证各基色图像在射入对应的主棱镜入射棱面之前是相互不重叠的，即各基色图像的重叠区域包含在主棱镜所在区域内。
因为图像有一定的宽度，所以在光路图中用两条平行有一定距离的几何光线表示有宽度的图像的光路。
bkmij1sinφ＝bkpij1sinΘij，bkmij2sinφ＝bkpij2sinΘij， akmij1sinφ′＝akqij1sinΘ′ij，akmij2sinφ′＝akqij2sinΘ′ij， 1≤j≤mk[28]； 波长分别为λij、λi′j′(1≤i≤m，1≤i′≤m，i≠i′，1≤j≤mk，1≤j′≤mk，j≠j′)的分离距离为 1>两种基色的图像在第k分束面上重叠 (即AB＜(mi′j′1mi′j′2+mij1mij2)，AB＝max{mij1mi′j′1，mij2mi′j′2，mij1mi′j′2，mi′j′1mij2}) {1}如果bkmij1＜bkmi′j′1＜bkmij2＜bkmi′j′2那么 (1)入射光 1)θij＞θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k(tanθij-tanθi′j′)＝bkmij2-bkmi′j′1 [29]， 2)θij＜θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k(tanθi′j′-tanθij)＝bkmi′j′2-bkmij1 [30]， 3)θij＝θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k→∞[31]； (2)全反射光 1)θ′ij＞θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k(tanθ′ij-tanθ′i′j′)＝bkmi′j′2-bkmij1 [32]， 2)θ′ij＜θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k(tanθ′i′j′-tanθ′ij)＝bkmij2-bkmi′j′1 [33]， 3)θ′ij＝θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k→∞[34]； {2}如果bkmi′j′1＜bkmij1＜bkmi′j′2＜bkmij2那么 (1)入射光 1)θij＞θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k(tanθij-tanθi′j′)＝bkmij2-bkmi′j′1 [35]， 2)θij＜θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k(tanθi′j′-tanθij)＝bkmi′j′2-bkmij1 [36]， 3)θij＝θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k→∞ [37]； (2)全反射光 1)θ′ij＞θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k(tanθ′ij-tanθ′i′j′)＝bkmi′j′2-bkmij1 [38]， 2)θ′ij＜θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k(tanθ′i′j′-tanθ′ij)＝bkmij2-bkmi′j′1 [39]， 3)θ′ij＝θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k→∞ [40]； {3}如果bkmij1＜bkmi′j′1＜bkmi′j′2＜bkmij2那么 (1)入射光 1)θij＞θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k(tanθij-tanθi′j′)＝bkmij2-bkmi′j′1 [41]， 2)θij＜θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k(tanθi′j′-tanθij)＝bkmi′j′2-bkmij1 [42]， 3)θij＝θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k→∞[43]； (2)全反射光 1)θ′ij＞θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k(tanθ′ij-tanθ′i′j′)＝bkmi′j′2-bkmij1 [44]， 2)θ′ij＜θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k(tanθ′i′j′-tanθ′ij)＝bkmij2-bkmi′j′1 [45]， 3)θ′ij＝θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k→∞[46]； {4}如果bkmi′j′1＜bkmij1＜bkmij2＜bkmi′j′2那么 (1)入射光 1)θij＞θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k(tanθij-tanθi′j′)＝bkmij2-bkmi′j′1 [47]， 2)θij＜θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k(tanθi′j′-tanθij)＝bkmi′j′2-bkmij1 [48]， 3)θij＝θi′j′，则入射光分离距离hiji′j′k为 hiji′j′k→∞ [49]； (2)全反射光 1)θ′ij＞θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k(tanθ′ij-tanθ′i′j′)＝bkmi′j′2-bkmij1 [50]， 2)θ′ij＜θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k(tanθ′i′j′-tanθ′ij)＝bkmij2-bkmi′j′1 [51]， 3)θ′ij＝θ′i′j′，则全反射光分离距离h′iji′j′k为 h′iji′j′k→∞ [52]； 因为部分基色的光只需要经过主棱镜的部分束面，如果这部分基色的光的入射棱面与他相邻的分束面的夹角大于90°，那么可以通过这个相邻分束面的全反射分离距离保证各基色图像的重叠区域包含在主棱镜所在区域内。
2>两种基色的图像在第k分束面上分离 (即AB＜(mi′j′1mi′j′2+mij1mij2)，AB＝max{mij1mi′j′1，mij2mi′j′2，mij1mi′j′2，mi′j′1mij2}) {1}当bkmij2＜bkmi′j′1时，说明这两种基色的图像的入射光在到达第k分束面时已经是分离的，(即这两种基色的图像在第k分束面所在的位置是分离的)，那么第k分束面对于这两种基色的光路只起到了改变方向的作用。
{2}当bkmi′j′2＜bkmij1时，说明这两种基色的图像的入射光在射到第k分束面时已经是分离的，(即这两种基色的图像在第k分束面所在的位置是分离的)，那么第k分束面对于这两种基色的光路只起到了改变方向的作用。
情况3(图7) 情况3的前提是光轴方向垂直于叠加器出射棱面。
情况3中的标号、辅助线和角度的描述与上述情况1中的相同，不再赘述。
对于波长为λij的光，如图的分束面的光路的各夹角优选满足以下条件 nsinθij＞n0，nsinθij＝n′sinθ′ij，
1≤i≤N，1≤j≤v，1≤k≤u[53]， 情况3中的关于入射光分离距离和全反射光分离距离的描述与情况1中的相同。
情况4(图8) 情况4的前提是光轴方向垂直于叠加器出射棱面。
情况4中的标号、辅助线和角度的描述与上述情况2中的相同，不再赘述。
对于波长为λij的光，如图的分束面的光路的各夹角优选满足以下条件 nsinθij＞n0，nsinθij＝n′sinθ′ij，
1≤i≤N，1≤j≤v，1≤k≤u[54]， 情况4中的关于入射光分离距离和全反射光分离距离的描述与情况2中的相同。
综上所述，以上分别讨论的情况1～2适用于图3所示的实施例，而情况3～4适用于图4所示的实施例。
主分束面 设主分束面与主棱镜出射棱面的夹角为θ，并且主分束面垂直于合成光的出射面(即纸面)，由于主分束面需要使显示所需的基色的光在主分束面上均发生全反射，那么主分束面优选满足以下条件 norsinθ＞n0，1≤r≤m0 且 (1)光轴方向平行于叠加器出射棱面和合成光的出射面(即纸面) nossinθ＞n0，1≤s≤m (2)光轴方向垂直于叠加器出射棱面 nessinθ＞n0，1≤s≤m 其中nor表示已合成的基色r的对应波长λr在主棱镜采用的单轴晶体中的o光的主折射率，nos表示需要叠加起进行合成的基色s的对应波长λs在主棱镜采用的单轴晶体中的o光的主折射率，nes表示需要叠加起进行合成的基色s的对应波长λs在主棱镜采用的单轴晶体中的e光的主折射率，n0表示空气的折射率。
其它 上述分析默认已合成的基色图像通过
入射方向的主棱镜入射棱面之后只通过了主分束面，而不经过其它分束面；如果已合成的基色图像需要经过分束面全反射，那么对上述分析中的条件不变，需要在分束面所满足的条件中增加以下条件 norsinθrj＞n0，λrj＝θ′rj，1≤r≤m0， 并且1≤j≤mk改为1≤j≤mk+1 其中θrj、θ′rj分别表示已合成的基色r的对应波长λr在需要叠加器进行合成的波长为λi的第k分束面上的入射角和全反射角。
虽然在上述实施例中，各单色光及合成光都与对应的入射棱面相垂直地入射。但根据本实用新型的原理，如图9所示，对于单色光入射棱面来说，斜向入射也是可以的，并同样可以在主棱镜内部获得与某一垂直入射等效的光路。再者，在斜向入射的情况下，可以在一个单色光入射棱面上同时射入一个以上的光束，参考图9。但在这种条件下，需要这一个以上的光束在该单色光入射棱面上已发生部分重叠，从而能依照逐步递进地重叠的方式沿主棱镜内的光路行进。图9中还包括用于对部分基色的图像先进行叠加的次级棱镜A1，以及像差修正棱镜B1、B2和B′2。次级棱镜次可以采用各向同性的材料或单轴晶体。次级棱镜所涉及的棱面主要包括入射面和出射面。像差修正棱镜的目的是实现入射多基色叠加器的每一种基色的图像从多基色叠加器出射时的图像的几何尺寸(图像的长和宽)与该基色图像图多色基色叠加器之前的原始图像的几何尺寸完全相同。
如本领域所公知的，可在通过光的器件表面处增设增透膜以减少透射表面的反射损失。例如，在本实用新型中，可在主棱镜、次级棱镜及修正的各入射表面的光入射表面等处附着合适的增透膜，以进一步降低光强损耗。
本领域技术人员可显见，可对本实用新型的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本实用新型的精神和范围。因此，旨在使本实用新型覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本实用新型的修改和变型。
权利要求1.一种多基色图像叠加器，其特征在于，包括由单轴晶体构成的一主棱镜，所述主棱镜是不规则多边形并包括一个主分束面、至少一个分束面、可以射入若干基色合成的光的合成光入射棱面、只可射入单基色光的至少一个单色光入射棱面和一个出射棱面，
所述主棱镜的形状使得从所述至少一个单色光入射棱面射入的单色光依次射到所述至少一个分束面上，所有的所述分束面使得入射其上的单色光均发生全反射且不同的单色光在所述至少一个分束面上递进地部分叠加，最终所有入射光在所述主分束面处完全叠加并经全反射后垂直于所述出射棱面从所述主棱镜射出；
所述合成光入射棱面与所述分束面和所述主分束面之一相对，使得垂直射入所述合成光入射棱面的入射光入射于该面，与同样射于该面的所述各个单色光叠加并共同发生全反射，
所述单色光入射棱面与所述分束面和主分束面之一相对，使得从所述单色光入射棱面入射的光首先照射到该分束面上发生全反射，随后在入射到另一分束面或主分束面。
2.如权利要求1所述的多基色图像叠加器，其特征在于，所述单轴晶体构成的主棱镜的光轴方向平行于所述出射棱面和合成光出射面。
3.如权利要求1所述的多基色图像叠加器，其特征在于，所述单轴晶体构成的主棱镜的光轴方向垂直于所述出射棱面。
4.如权利要求1所述的多基色图像叠加器，其特征在于，还包括与所述主棱镜材料相同的多个像差修正棱镜，所述像差修正棱镜设置于所述入射棱面之前。
5.如权利要求2所述的多基色图像叠加器，其特征在于，所述主分束面与出射棱面的夹角为θ，norsinθ＞n0，1≤r≤m0，且当所述光轴方向平行于叠加器出射棱面和合成光的出射面时，nossinθ＞n0，1≤s≤m。
其中nor表示已合成的基色r的对应波长λr在主棱镜采用的单轴晶体中的o光的主折射率，nos表示需要叠加起进行合成的基色s的对应波长λs在主棱镜采用的单轴晶体中的o光的主折射率，n0表示空气的折射率，m0是入射所述合成光入射棱面的已合成的光的基色数量，m是所述叠加器需要合成的光的基色数量。
6.如权利要求3所述的多基色图像叠加器，其特征在于，所述主分束面与出射棱面的夹角为θ，norsinθ＞n0，1≤r≤m0，且当所述单轴晶体的光轴方向垂直于所述出射棱面时，nessinθ＞n0，1≤s≤m。
其中nor表示已合成的基色r的对应波长λr在主棱镜采用的单轴晶体中的o光的主折射率，nes表示需要叠加起进行合成的基色s的对应波长λs在主棱镜采用的单轴晶体中的e光的主折射率，n0表示空气的折射率，m0是入射所述合成光入射棱面的已合成的光的基色数量，m是所述叠加器需要合成的光的基色数量。
7.如权利要求1所述的多基色图像叠加器，其特征在于，所述单色光入射棱面可以同时入射两束以上的单色光图像，且这些单色光图像在该单色光入射棱面处已部分叠加。
8.如权利要求1所述的多基色图像叠加器，其特征在于，可沿在所述分束面处全反射后获得的光路方向该分束面射入单色光。
9.如权利要求1所述的多基色图像叠加器，其特征在于，还包括设置于一单色光入射棱面之前的次级棱镜，该次级棱镜由各向同性材料或单轴晶体构成并包括相互不平行的入射面和出射面，在多束单色光向一单色光入射棱面斜入射前，该次级棱镜使这多束单色光相互靠近并重叠。
专利摘要本实用新型提供了一种多基色图像叠加器，它包括由单轴晶体构成的一主棱镜，主棱镜是不规则多边形并包括一个主分束面、至少一个分束面、可以射入若干基色合成的光的合成光入射棱面、只可射入单基色光的至少一个单色光入射棱面和一个出射棱面，主棱镜的形状使得从所述至少一个单色光入射棱面垂直射入的单色光依次射到上述至少一个分束面上，所有的分束面使得入射其上的单色光均发生全反射，最终在主分束面处叠加并经全反射后垂直于出射棱面从主棱镜射出。该叠加器能合成三种以上基色的图像或光，并能使一束经过合成的图像再与其它单色光进行合成。
文档编号G02B27/10GK201060326SQ20072007021
公开日2008年5月14日 申请日期2007年5月24日 优先权日2007年5月24日
发明者程思洋 申请人:程思洋