专利名称：使用具有中继透镜和二向色性组合器的空间光调制器的投影装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种投影装置，其用于投射一个采用空间光调制器所形成的数字图像，且更具体而言涉及一种改进的装置和方法，其用于把在多个空间光调制器处产生的多色数字图像接续到这种投影装置投射路径中的二向色性组合元件上。
背景技术：
为了使数字投影系统被视为对传统电影投影机的适当替代物，其必须满足要求更多的图像质量要求。这对于多色电影投影系统尤其如此。为了提供一个对传统电影质量投影机具有竞争力的选择方案，数字投影装置必须满足高标准的性能，即提供高分辨率、宽色域(gamut)、高亮度以及超过1000∶1的帧顺序反差比。
多色数字电影投射最有前途的方案采用两个基本类型空间光调制器中的一个作为图像形成设备。所述第一类型空间光调制器是由位于德克萨斯州达拉斯的Texas Instruments，Inc.，(得克萨斯仪表公司)所研制的数字微镜设备(DMD)。DMD设备在众多专利，例如美国专利号4,441,791；5,535,047；5,600,383(全部属于Hornbeck)以及美国专利号5,719,695(Heimbuch)中被加以描述。采用DMD的投影装置的光学设计在美国专利号5,914,818(Tejada等人)；5,930,050(Dewald)；6,008,951(Anderson)；以及6,089,717(Iwai)中得到公开。DMD已经被采用在数字投影系统中。然而，虽然基于DMD的投影机展示出一些提供必要的光通过量、反差比以及色域等的能力，但是固有的分辨率局限性(目前设备仅提供1024×768像素)以及高昂的组件及系统成本已经限制DMD被高质量数字电影投射的接受性。
用于数字投射的第二类型空间光调制器是液晶设备(LCD)。通过选择性地调制每个对应像素的入射光偏振状态，LCD作为一个像素阵列形成图像。LCD作为高质量数字电影投影系统的空间光调制器看起来具有优点。这些优点包括相对大的设备尺寸及有利的设备产量。在采用LCD空间光调制器的电子投影装置当中的实例是在美国专利号5,808,795(Shimomura等人)；5,798,819(Hattori等人)；5,918,961(Ueda等人)；6,010,121(Maki等人)及6,062,694(Oikawa等人)中所公开的那些实例。
在使用空间光调制器的电子投影装置中，传统上为红、绿及蓝(RGB)的单个色在光学路径的对应红、绿或蓝部分被单独地调制。然后每个色经调制的光被加以组合，以形成一个合成的多色RGB彩色图像。对于投影光学装置，存在两种将经调制的色光进行组合的基本方法。可以被表征为会聚方法的第一种方法，适合于早期的传统投影系统。使用所述的会聚方法，分量红、绿及蓝光具有单独的轴，所述轴由有效地将每个光学路径按照所需进行弯曲的投影光学装置进行会聚，以便于在一些焦平面上形成一个合成的多色彩色图像。作为一个示例性实例，美国专利号5,345,262(Yee等人)公开了一种会聚的视频投影系统。重要地是，美国专利号5,345,262的公开内容示例出会聚投射方法存在的主要问题之一即，单独的彩色图像必须在投射表面上被正确地对准。沿着任何一个色光投射路径的聚焦不良或对准不良可以很容易导致令人不满意的图像。利用这个方法，图像路径仅在焦平面上被会聚，遵守这点是有益的。
美国专利号5,907,437(Sprotbery等人)公开了利用上述会聚方法来简化设计的复杂性并减轻多色投影系统所固有的一些光学路径对准及配准问题所做的努力。在美国专利号5,907,437的公开内容中，光阀投影系统被加以说明，其中会聚光学系统将红、绿和蓝调制的光学路径进行会聚，以便于形成一个有利地居中于投影透镜轴的会聚图像。因此，在美国专利号5,907,437所概述的设计策略简化了使用会聚方法的系统的投影透镜设计任务。然而，会聚方法所固有的其它问题还尚存。
与美国专利号5,907,437所公开方法相类似的方法所存在的一个显著问题是相对高的etendue。正如在光学技术中所众所周知的那样，etendue涉及可以由光学系统所处理的光量。潜在地，etendue越大，图像越亮。在数字上，etendue与两个系数即图像面积及数值孔径的乘积成比例。例如增加数值孔径，便增加了etendue，以便于光学系统捕捉更多的光。同样，增加源图像尺寸，以便于光起源在一个较大面积上，则增加了etendue且因此增加了亮度。通常，增加的etendue导致一个更复杂且昂贵的光学设计。例如，利用如在美国专利号5,907,437所概述的方法，光学系统中的透镜部件必须被设计成大的etendue。必须通过系统光学装置而会聚的光的源图像面积是空间光调制器在红、绿和蓝光学路径上的组合面积之和；显著地，这是所形成的最终多色图像面积的三倍。即，对于在美国专利号5,907,437中所公开的配置，由于红、绿和蓝色路径是分开的且必须在光学上被会聚，所以光学部件处理一个相当大的图像面积，由此一个高的etendue。此外，虽然在美国专利号5,907,437中所公开的配置处理来自三倍于所形成的最终多色图像的面积的光，但是这个配置并不能付担得起任何增加的亮度的益处，因为每个色路径仅包含总光水平的三分之一。更具体而言，如在美国专利号5,907,437中所公开的会聚光学系统中的第二中继透镜及投影透镜固有地受大的etendue的约束，这增添了这一方案的成本及复杂性。此外，第二中继透镜必须在整个可视频谱上被色校正。与此同时，中继透镜的不同部分以及投影透镜的不同部分处理不同的波长，这样局部性的透镜不完美性、灰尘或污物不仅影响所投射的图像，而且可以影响色质量。于是，鉴于etendue的约束、色校正的要求、灰尘及污物的敏感性以及将用于数字投射的亮度水平最大化的需要，看起来存在阻碍美国专利号5,907,437中所示范会聚方法的显著固有局限性。
投影光学装置的另一方法可以被表征为同轴方法。与其中分量红、绿和蓝光束被弯曲以在一焦平面上会聚的会聚方法相对照，所述同轴方法沿着公用轴将分量红、绿和蓝调制光束组合。为了进行此项工作，同轴方法采用一个二向色性组合元件，如X-立方体或Philips棱镜。如在美国专利号5,098,183(Sonehara)和美国专利号6,019,474(Doany等人)中所公开的那些X-立方体或X-棱镜及有关的二向色性光学元件在光学成像技术中是众所周知的。二向色性组合元件将来自每个色路径的调制光进行组合，且沿着公共轴将色路径折叠在一起，以便于向投影透镜提供组合的彩色图像。
参考图1，其中示出使用同轴方法的传统数字投影装置10的简化方框图。每个色路径(r＝红色，g＝绿色，b＝蓝色)使用相似的部件用于形成一个经调制的光束。在每个路径中的单个部件被适当地标注有附加的r、g或b。然而，对于随后的说明，仅当有必要时，才规定色路径之间的差异。光源20沿着三个色路径中的任何一个路径，提供未经调制的光，其被均匀化光学装置22调节以提供一个均匀的照明。偏振束分裂器24将具有适当偏振状态的光导引到空间光调制器30，所述空间光调制器30在像素位的阵列上选择性地调制入射光的偏振状态。空间光调制器30的动作形成了一个图像。来自这个图像的经调制的光在沿着光轴Or、Og、Ob通过偏振束分裂器24被传输后，被导引到一个二向色性组合器26，在传统系统中所述二向色性组合器26典型地为X-立方体或Philips棱镜。所述二向色性组合器26将来自分开的光学轴Or、Og、Ob的红、绿和蓝经调制的图像进行组合，以沿着公共光轴O为投影透镜形成一个组合的多色图像，用于投射到如投影屏幕的显示表面40上。
与参考上述美国专利号5,907,437所概述的会聚方法相对照，如图1中方框图所示且如美国专利号5,808,795(Shimomura等人)所示范的同轴方法具有众多优点。就光通过量而言，因为同轴方法将光学路径沿着公共轴进行组合，所以它并没有增强光学系统的etendue。而就投影透镜32而言，通过将适当的光轴Or和Ob折叠以与光轴Og相接合并形成公共光轴O，从光学上所述二向色性组合器26将空间光调制器30r、30g、30b的面积相重叠。因此，无论是否是一个、两个、三个或多个空间光调制器按此方式被组合，etendue均没有增加。并且由于每个光色彩被单独地调制，然后沿着公共光轴O被组合且被提供到投影透镜32，所以在二向色性组合器26和投影透镜32之间不需要光学系统。
如在美国专利号3,202,039(DeLang等人)中所公开的Philips棱镜可以作为选择地被用作二向色性组合器26。数字图像投影技术中的那些普通技术人员所熟悉的是，Philips棱镜已经在投影机设计中被用作色彩分离器或组合器部件，例如如在美国专利号6,280,035和6,172,813(两者均属于Tadic-Galeb等人)、6,262,851(Marshall)、以及5,621,486(Doany等人)所公开的那些。
虽然被设计成采用图1中基本模型的数字投影装置10具有提供良好图像质量水平的能力，但是还感觉到有待于提高。由二向色性涂层所造成的约束是主要考虑因素。为了在宽的角度范围内入射光具有适宜的性能，尤其是在其中需要高亮度水平和宽色域的投射应用中，用于二向色性组合器26的二向色性涂层可能是昂贵的且难以设计和制造。二向色性涂层作为入射角及波长的函数反射且透射光。当入射角变化时，被透射或被反射的光的波长也发生改变。在二向色性涂层被用在一个具有低f/#的光学系统中的情况下，由于入射角的宽范围，所以宽频谱将被所述涂层反射或透射。
图2a和2b示例出二向色性涂层的性能随着入射光角范围增加而产生的变化。参考图2a和2b，其中表示出来自点源P且入射到二向色性表面36的光锥，所述二向色性表面36被置于这些图中的对角线上。图2a和2b表示在两个不同f/#值下入射到二向色性表面36的光。在图2a中，具有较小f/#的光锥以较大范围角入射到二向色性表面36。入射角被考虑为相对于二向色性表面36的法线N。由于在入射光束一个极端的角A与在相对极端的角B之间的差，二向色性表面36将引起在被透射和被反射的光锥上出现色移。
通过对比，在图2b中光锥在较大的f/#下入射。在此，在入射光锥的极端边缘角A′和B′之间存在非常小的差。在这种情况下，与图2a所示的较小f/#情况相比，二向色性表面36的响应将相应引起在被透射和被反射的光锥上较小的色移。
正如在图2a和2b中所清楚看到的，二向色性表面36具有一些支撑结构，典型地为棱镜42。为了将象差减至最小，与其中光锥表示较小角范围的图2b中的较大f/#情况相比较，表面44a和44b的平直度对于其中光锥表示较宽角范围的图2a中的较小f/#更为重要。因此，如果可以使用一个较大f/#的光锥，则在二向色性组合器中棱镜42的表面容许公差要求可以被减轻，由此降低了成本和对准的复杂性。然而，传统上，具有较小f/#的光锥被用于投影系统，因为系统设计被导引向将亮度最大化。
与在图2a及2b中所示例较高f/#的益处所相关的是远心性的益处，这通过比较图2c和2d被加以示例。在此，点源P1、P2及P3表示在平的图像平面上的点，其光线入射到二向色性表面36上。在图2c中，来自点源P1、P2和P3的光锥为远心的且对应角C和D是相同的。通过比较，在图2d中，光锥不是远心的且对应角C′和D′有所不同。入射角的这一差别可以引起P1具有与P3略微不同的色，由此产生在场上的色移。
从图2a-2d，可以看到在小范围入射角(即在高f/#下)下提供远心光具有优点。然而，实际上，由于与此同时要维持高亮度水平这一需要，所以已经显示出数字投影装置获得这些优点是困难的。
正如在成像技术中所众所周知的那样，为了使色域最大化，每个合成色应该具有一个窄的频谱范围，以提供尽可能纯的饱和色。例如，利用也包括一些绿光的红光信道来产生一深红色将是困难的。因此，当色组合棱镜或其它光学元件采用低f/#时，二向色性涂层的宽频谱响应降低了色域。然而，与此同时，由于低f/#在较宽角度范围收集更多的光，所以对于获得高亮度水平而言，低f/#是所需要的。虽然存在用于改善色域的传统校正技术，如滤波，但是这些技术可以降低亮度。然后，在二向色性组合器26内的涂层局限性约束了投影系统10光学装置对亮度水平和色域两者进行优化的能力。
图3a示例出一个理想化X-立方体126对从光源P导引来的光的响应。所述X-立方体126包括四个棱镜128a、128b、128c和128d，其具有适当的表面处理且被粘合在一块。表面130a和130b被处理成反射来自P的具有适当波长的光。为了在点P′形成一个图像，则表面130a和130b必须完全是平面的且彼此之间完全对准，以提供无象差的反射。与图3a相对照，图3b示出X-立方体126′的响应，其中表面130a和130b没有得到完全对准。表面130a和130b的对准不良引起来自点源P的光在点P1′和P2′形成两个单独的图像。当图像点P1′和P2′之间的距离大约处于一个像素宽或大于一个像素宽时，象差效应，如在上面所注意到的可视缝隙，将最容易被观察到。很清楚，随着距离的增加，在任何方向上，在图像点P1′和P2′之间，通过X-立方体126′所反射的图像中的模糊将变得日益显著。对应地，像素尺寸越小，因制造X-立方体126′中的不完美而导致的象差影响越大。
常见X-立方体二向色性组合器26的局限性在制造设备本身时是固有的。所述X-立方体由四个棱镜组装而成，每个棱镜的内表面具有适当的二向色性涂层。在制造中，棱镜被胶合到一起，使其内表面平面尽可能被精密地对准。然而，当这些设备采用传统的数字投射方案时，在X-立方体的制造中，甚至微小公差的误差可以导致成像问题。例如，在X-立方体内平面的涂镀表面的微小对准不良可能引起象差，如色边缘。色边缘象差可以被校正直至到一个点；然而，具有较小这类问题倾向的二向色性组合器设计将具有优点。“缝隙”趋向于作为在被显示图像中的一个或多个线而出现，其中在所述缝隙处二向色性表面被组合。高质量X-立方体的制造被这样的要求进一步复杂化，即单个的组成棱镜具有相同的折射率；实际上，当相同的玻璃熔体被用作所有的棱镜部件时，这被最佳地实现。此外，在多棱镜表面上的涂层工艺必须是均匀的。典型地，应用到X-立方体表面上的光学涂层具有次微米厚度且是多层的，有时需要多到50至60层。因此，除了精确的制造技能以外，还必须进行精心的部件跟踪。进一步的问题是在组装的X-立方体外部面上难以提供均匀、平表面这样的结果。可以很容易理解到这一复杂性给X-立方体添加了相当大的成本。最终，利用传统方法获得亮度导致高的热量水平，这可以损坏粘合剂和X-立方体的涂层表面。
可以很容易理解到实际上，制造如同图3a中的完美X-立方体126将是非常困难的，且必须允许一些误差容限。为此，当设计一个采用X-立方体126的光学系统时，将对维持精确的X-立方体126容限的依赖性减至最小是有利的。
成像质量的有关重要性是在光学系统的任何可能处保持远心性。当来自空间光调制器30表面上的两个不同点源位置的光锥不是远心时，则这些不同的位置表示到二向色性组合器26内二向色性表面上不同的入射角。作为响应，二向色性组合器26在不同的场位置反射不同的波长带，结果导致图像上的色移。在光学设计技术中众所周知的是在空间光调制器30处的远心成像有助于进一步降低图像的反差阴影(contrast shading)。
作为设计投影装置时的另一个众所周知的原理，将投影透镜32的反远距焦点减至最小，进而将投影透镜32的成本及后工作距离要求减至最小是有益的。优选的是避免相对于其有效焦距具有长后焦距的投影透镜的成本及复杂性要求，如例如在美国专利号6,008,951(Anderson)所公开的方案。
美国专利号6,113,239(Sampsell等人)公开了一种具有混合X-立方体设计的投射显示部件的布置，其以递增方式降低了对投影透镜的后工作距离要求。在这个公开内容中，偏振束分裂器和二向色性组合表面两者均被组合在一个单X-立方体，与其它现有技术设计相比，缩短了投影透镜的工作距离。然而，显著地，美国专利号6,113,239中的设计并没有取得改进的亮度，因为二向色性表面的角度约束一直没有得到减轻。其它问题包括昂贵的涂层方案，因为偏振束分裂器涂层并不容易针对所有色及偏振的组合得到优化。此外，在工作距离要求上的进一步改进将是有益的。
美国专利号5,944,401(Murakami等人)公开了一种作为对X-立方体二向色性装置的替换方案的光学块，所述光学块包括在塑料棱镜内的二向色性表面。由于塑料的折射率超出空气的折射率，所以这个方案提供对后工作距离要求的-些缓和。为了将后工作距离减至最小，透镜式空间光调制器被采用，使图像形成与组合光学块尽可能地接近。然而，因为后工作距离要求仍然过高，所以这个布置将不能很好地适合于采用反射式空间光调制器的投影机装置。从后工作距离来看，美国专利号5,944,401并不比传统X-立方体设计更具有优点。对于全尺寸电影投影将需要相当大的投影透镜。此外，在美国专利号5,944,401中所公开的方案并没有提出上述二向色性表面的固有角度局限性。因此，亮度水平被这一类型的设计方案所约束。
美国专利号5,597,222(Doany等人)公开了一种用在数字投影机中的光学中继透镜系统，所述系统减轻了上述说明的与固有公差问题及投影透镜工作要求有关的一些困难。美国专利号5,597,222公开了使用单1X、双远心中继透镜，以将从单独RGB色路径上组合的图像接续到MacNeille偏振束分裂器上。在美国专利号5,597,222中，空间光调制器被置于非常接近二向色性组合器X-立方体，因此把在外表面平面度及内表面制造的公差误差中的不完美的一些潜在反作用减至最低。然而，这个方案远不能满足补偿X-立方体涂层和表面的固有问题之需，以使图像亮度和色域两者均能得到维持。例如，在Doany等人公开内容中所说明的设计未能提出在二向色性涂层响应中固有的角度相关性，这样仍然难以支撑大的色域而与此同时保持图像亮度。此外，对于这个设计，投影透镜还必须使用高的数值孔径，这意味着比具有较低数值孔径的设计具有增加的成本。由于空间光调制器部件的规模，美国专利号5,597,222的设计仍然极依赖于高质量的X-立方体设计。此外，在美国专利号5,597,222中所公开的布置采用在偏振束分裂器与其调制LCD之间相对大数量的光学部件。对于在偏振照明源路径中的大量光学部件，一些不可避免的应力双折射将必定改变在两个方向上运行的未调制和已调制光的偏振状态，导致图像对比度的损失。
美国专利号6,247,816(Cipolla等人)公开了使用1X中继透镜，用于将中间图像接续向仅在色路径之一上的二向色性组合器。在美国专利号6,247,816中的方案提出部件封装问题，但是并未减轻由二向色性组合器响应所强加的任何角约束。美国专利号6,247,816中的方案也不能提供对投影透镜的有关后工作距离要求的任何缓和。
美国专利号4,836,649(Ledebuhr等人)公开了一种1X中继透镜布置，其用在照明路径上，以将偏振部件的尺寸减至最小，以及其用在调制光学路径上以有助于减轻数字投影系统的后工作距离约束。虽然这个布置提供了一些优点，但是色组合二向色性表面仍然必须在低f/#值下处理光，导致降低了的色域。此外，当使用这个方案时投影透镜还必须工作在低的f/#下。
正如在美国专利号5,374,968(Haven等人)的公开内容中所强调的那样，用于将投影系统亮度最大化的传统方法强调低f/#的光学装置。然而，如参考图2a-2d所说明的那样，用于组合色图像路径的二向色性表面的性能受到低f/#光学系统的大入射角的阻碍。
尽管X-立方体的高成本及公知的问题，其仍然一直在相当数量的成像设备设计中作为二向色性组合器。与使用二向色性表面的其它方案相比，X-立方体及其相似设备广泛使用的原因之一是与其紧凑的尺寸相关。为了将投影透镜的后工作距离减至最小，例如，如在美国专利号6,113,239中所示，传统设计方法将空间光调制器接近X-立方体放置。
用于消除X-立方体的策略包括在美国专利号6,231,192(Konno等人)中所公开的那些策略。在此，二向色性镜被用于将来自每个色调制路径上的光进行组合，使在每个光学路径上维持相等的光学距离。所说明的系统提供了较使用X-立方体光学装置的传统方案而言成本较低的方案。然而，与此同时，在美国专利号6,231,192中所公开的方案并不减轻投影透镜系统的后工作要求。这个方案将投影机光学装置的f/#局限到较低速度，从而约束了可使用的亮度且要求较大的投影透镜直径。对象散的校正必须由投射路径上的柱形光学装置来提供。
概括来说，数字投影机设计的传统方法就性能、成本及复杂性方面做了一些妥协，以便于提供一个具有最大亮度的高质量图像。X-立方体方案由于其相对的紧凑性，所以有助于将投影透镜的后工作距离要求减至最小，但是具有固有的性能问题和高的成本。使用较不昂贵的二向色性棱镜将是有利的，但是，由于这些棱镜占据更多空间，所以这个方案使投影透镜设计复杂化。因此，可以看出存在改进数字投影光学装置设计的需要，其减轻二向色性涂层的固有角局限性而同时提供最大的亮度和色域，其将投影光学装置的工作距离要求减至最小，并且其允许投影光学装置高的f/#，而同时消除用于将调制光进行组合的昂贵X-立方体的需要。
发明概述本发明的一个目的是提供一种用于将多色图像进行投射的投影装置，所述装置包括(a)用于形成具有第一波长的放大实像的第一光调制组装件、用于形成具有第二波长的放大实像的第二光调制组装件、以及用于形成具有第三波长的放大实像的第三光调制组装件，其中每个调制组装件被类似地加以构造且包括(i)空间光调制器，其用于调制来自一光源的入射光以形成第一图像；以及(ii)具有中继透镜光学轴的放大中继透镜，所述放大中继透镜将所述第一图像聚焦向二向色性组合器，以便于沿着所述中继透镜光学轴形成所述第一图像的放大实像；(b)所述二向色性组合器将每个中继透镜光学轴组合到一个公共投射轴上，以便于从具有第一波长的放大实像、具有第二波长的放大实像、以及具有第三波长的放大实像来形成多色图像，所述二向色性组合器包括沿着所述公共投射轴被放置在第一倾斜角的第一二向色性表面、以及相邻着，沿着所述公共投射轴被放置在与所述第一倾斜角相垂直方向放置的第二二向色性表面，其中所述第一和第二二向色性表面并不交叉；以及(c)用于将多色图像投射向显示表面的投影透镜。
本发明的一个特点是它提供一个为双远心的放大中继透镜，以放大由空间光调制器所形成的图像且将那个图像接续到二向色性组合器上。通过将所述图像放大，放大中继透镜有效地允许所述二向色性组合器在较高f/#下工作，从而容纳较窄范围的入射角，因此增加了在所投射图像上的色域。
本发明的一个优点是由于它将所调制的光接续到处于较低f/#下的二向色性组合器，所以它允许在组合器部件上使用较不昂贵的二向色性涂层。
本发明的另一优点是它用较低成本的部件替代了采用传统X-立方体光学装置的更复杂方案。通过接续用于投射的放大中间图像，本发明的设计增加了色组合二向色性部件可用的空间量。
本发明的另一优点是它提供将对二向色性涂层有害的热效应减至最小的低成本方案。通过消除对X-立方体的需要，本发明还将因为用在组合部件上的粘接剂所带来的热问题减至最小。
本发明的另一优点是它允许使用具有降低的数值孔径和有利的工作距离的投影透镜，其中有效焦距与后焦距的比率超出1.0，从而简化了透镜设计。本发明还允许具有较高f/#的投影透镜，以提供高亮度。因此，通过减缓对投影透镜的要求，本发明提供比较要求更多的设计而言节省的成本。此外，本发明允许投影机被设计成具有可互换的投影透镜，这样针对特定的显示环境，一个适当的投影透镜可以容易地且经济地被替代。此外，通过降低投影透镜的数值孔径要求，本发明固有地降低在变形投影透镜元件设计中所固有的复杂性。
本发明的另一优点是它提供了这样一种方案，即在光被偏振器滤波之前，所述方案并不将双折射引入到所投射的光，从而保持了反差比。
本发明的另一优点是它享有同轴光学设计所固有的亮度和色质量的益处，且避免了传统会聚投影装置复杂的聚焦问题和透镜设计顾虑。
结合其中示出且说明了示例性本发明实施例的附图，在阅读下述详细说明时，对于本领域的那些普通技术人员，本发明的这些和其它目的、特点及优点将变得显而易见。
虽然所述技术说明以权利要求作为结论，其中权利要求特别指出且清楚地提出对本发明主题的权利要求，但是仍认为当结合所附的附图时，本发明将从下述说明中得到更佳的理解，其中
图1是示出传统的现有技术数字投影装置的主要部件的示意性方框图；图2a和2b是射线图，其示出到处在两个不同f/#值下二向色性涂层的入射光；图2c和2c是射线图，其示出入射到二向色性涂层上的非远心和远心光；图3a示出理想化X-立方体的成像响应；图3b示出具有略微对准不良误差的X-立方体的成像响应；图4是示出用于单色的本发明光调制组装件的方框图；图5是示出在一优选实施例中红、绿和蓝光调制路径的顶视图；图6是示出本发明投影装置主要部件的示意性方框图，其中所述投影装置采用具有作为二向色性组合器的内部二向色性表面的棱镜；图7是示出本发明投影装置另一实施例的主要部件的示意性方框图，其中所述投影装置采用相对于光轴呈倾斜角且彼此相垂直而设置的二向色性表面；以及图8是示出本发明另一实施例的主要部件的示意性方框图，其中所述实施例采用透射性LCD作为空间光调制器。
优选实施例详述本说明更具体地被导向形成部分根据本发明的装置、或更直接地与根据本发明装置相互作用的元件。要理解为未具体示出的或加以说明的元件可以采取本领域普通技术人员所众所周知的各种形式。
参考图1和图2a-2d，根据上述背景段所做出的说明，本发明的目标是将光以远心形式提供到处在高f/#下的二向色性组合器26上，从而利用所带来的减缓的对二向色性组合器26的制造要求，而仍然提供必要的亮度。相对于图3a和3b的额外说明示出将光提供到其中对二向色性组合器进行机械上精密制造的要求被减至最小的二向色性组合器是有利的。
参考图4，其中以示意性形式示出用在本发明投影装置10的绿光学路径上的部件的实施。在每个色路径中，光调制组装件38包括放大中继透镜28和空间光调制器30，其协作以形成一个适合于色信道的放大实像I。为了形成放大的实像I，放大中继透镜28将位于空间光调制器30上并且从偏振束分裂器24所反射的图像作为光学对象放大。提供偏振器62用于改善总的图像对比度。放大中继透镜28为双远心的，这样沿着光轴O被导引到V-棱镜组装件27的调制光束便处于远心形式，所述V-棱镜组装件27作为二向色性组合器。因为V-棱镜组装件27处理远心光，因此由于角变化而导致的沿着放大实像I的色发暗具有最小的趋势。显著地，通过将在空间光调制器30上所形成的图像放大高于1X的一些放大系数，则与1X中继操作所能提供的相比，放大中继透镜28仍然有效地将放大的实像聚焦向处于较高f/#的V-棱镜组装件27。结果是，在V-棱镜组装件27内的第一和第二二向色性表面58′和60′处理较窄的频谱带，且因此与在较低f/#下所能获取的相比，能够提供较大的色域及较高的亮度。此外，对于使用放大中继透镜28，虽然在V-棱镜组装件27处取得了较高的f/#，但是光没有丢失，因为低f/#仍然被用在空间光调制器30上。结果是，改进的放大实像I作为V-棱镜组装件27沿着公共光轴O的输出被提供。
图4的布置还提供了降低投影透镜32的成本及复杂性要求。对于图4的布置，投影透镜32可以有利地在较高f/#下工作，以便将从每个放大的实像I所组合的多色图像投射到显示表面40(在图4中未示出)上。此外，投影透镜32仅需要小的工作距离以将从每个放大的实像I所组合的多色图像投射到显示表面40上。可以理解为与现有技术设计如在美国专利号5,808,795和5,798,819所示范的那些设计相比，投影透镜32的后侧与放大中继透镜28的前侧之间的距离D并不约束色组合二向色性装置可用的空间。相反，对于在放大中继透镜28长共轭侧上的放大实像I，在设计时距离D可以被灵活地加以确定，以允许较不紧凑且较不昂贵的色组合棱镜或表面的使用。
在V-棱镜组装件27内，第一二向色性表面58′透射绿光且反射蓝光，以及第二二向色性表面60′透射绿和蓝光且反射红光。
与在上述引用的其中1X中继透镜被用在光学路径上的美国专利号5,597,222和6,247,816所公开的现有技术实施不同，本发明的装置和方法通过放大中继透镜28采用比单位放大率大的放大率。例如，利用2X放大率，放大中继透镜28将作为2X图像的放大实像I提供到V-棱镜组装件27。这有效地把二向色性组合器的f/#要求加倍，例如将性能要求从典型值f/2.5减轻到f/5。f/2.5值可以容易地处在所建议的V-棱镜组装件27涂层性能的范围之外。然而，在所建议的范围内f/5典型地良好。采用处在f/5下的入射调制光，在V-棱镜组装件27内的第一和第二二向色性表面58′和60′可以形成用于投射的调制多色图像，从而提供出没有色发暗降级的较大色域。此外，如上述参考图3a和3b所说明的那样，放大产生具有较大像素的图像，因而降低了因V-棱镜组装件27的不完美制造而导致的象差效应。
有益的是要注意到放大的实像I可以沿着光轴O形成在棱镜组装件27内或其附近。最有利的是如图4所示，在棱镜组装件27的中心附近形成放大的实像I。通过将放大的实像I在棱镜组装件27内有效地“被包围”，其不受灰尘、污迹或脏物的影响。此外，当放大的实像I被置于棱镜组装件27的中心时，棱镜组装件27的尺寸可以被减至最小，因为棱镜部件其尺寸必须被做成能捕获进入到放大的实像I以及从中出来的全部光锥。
回想到图4仅示出绿光路径。参考图5和6，其中其作为项视图并以示意性形式示出红、绿和蓝光调制组装件38r、38g、38b的布置以及在投影装置10优选实施例中的部件。在每个红、绿和蓝光调制组装件38r、38g、38b内，来自红、绿或蓝空间光调制器30r、30g、30b的初始调制光锥输出沿着红、绿或蓝光轴Or、Og、Ob被放大中继透镜28r、28g、28b接续，以在二向色性组合器、V-棱镜组装件27附近或其内、或者如图7所示的V-板组装件2 5附近或其内提供其红、绿或蓝的放大实像Ir、Ig或Ib。在图5所示的特定布置中，光调制组装件38b和38r的蓝和红光轴Ob和Or在镜16处被折叠。V-棱镜组装件27或，作为任选地，V-板组装件25通过红和蓝光的选择性反射并且通过绿光的透射，将三个不同的放大实像Ir、Ig或Ib组合，在其输出处沿着公共光轴O形成组合的多色放大图像Irgb。然后，如图6所示，投影透镜32将组合的多色放大图像Irgb投射到显示表面40上。比较图5和图6，注意到多色放大图像Irgb可以形成在V-棱镜组装件27或，作为任选地，V-板组装件25内或邻近的任何适合位置处。正如上述参考图4所说明的那样，组合的多色放大图像Irgb的理想位置是被置于棱镜组装件27的中心。
有益地是要注意到从投影透镜32的角度看，取决于单独放大的实像Ir、Ig或Ib相对于二向色性组合器V-板组装件25或V-棱镜组装件27的空间位置被形成在哪里，组合的多色放大图像Irgb可以是一个实像或是一个虚像。只要当单独放大的实像Ir、Ig或Ib被形成在V-板组装件25或V-棱镜组装件27的前表面与投影透镜32的后面之间，则组合的多色放大图像Irgb便形成一个实的色组合图像。这个布置由图6中组合的多色放大图像Irgb的位置来表示。相对照，如果单独放大的实像Ir、Ig或Ib被形成在中继透镜28的前表面和V-板组装件25或V-棱镜组装件27的前表面之间，则组合的多色放大图像Irgb是一个相对于投影透镜32的虚的色组合图像。即，在这种情况下，没有多色放大图像Irgb的实际空间“位置”。而是，V-板组装件25或V-棱镜组装件27工作将单独放大的实像Ir、Ig或Ib组合成虚的组合的多色放大图像Irgb。
不管组合的多色放大图像Irgb是实像还是虚像，然而投影透镜均被设计成具有必要的后焦距，用于将组合的多色放大图像Irgb投射到显示表面40，从此显示表面40形成组合的多色放大图像Irgb。正如在图像投影技术中所众所周知的那样，投影透镜32可能作为选择地结合有一个变形附件，用于调节投射图像的纵横比。
通过本发明可能实现的高f/#要求、较小的相对尺寸、减少的部件数量、以及减缓的尺寸容限降低了用于数字投射的投影透镜32设计的成本及复杂性。因此，投影透镜32可以被设计成如例如针对不同的屏幕尺寸具有方便的可互换性。
在一优选的实施例中，偏振束分裂器24是一个具有作为空间光调制器30的反射性LCD的线格栅束分裂器。传统的MacNeille偏振束分裂器或等效的部件可以替代偏振束分裂器24。
比较图6和7，观察到V-棱镜组装件27可以由相类似操作的V-板组装件25所取代。V-棱镜组装件27和V-板组装件25两者都包括一对平的二向色性表面，这两个表面被相邻但并不交叉地放置，且彼此间以直角被定向。显著地，通过采用具有比空气较高折射率的玻璃，V-棱镜组装件27对于进一步缩短投影透镜32所要求的后焦距具有优势。与板成对比，玻璃棱镜的使用也趋向于降低象差，尤其是轴上慧形象差和象散。V-棱镜组装件27将第一二向色性表面58′包围在第一立方体52内且将第二二向色性表面60′包围在第二立方体54内。也提供玻璃立方体56，以便于为红光调制组装件38r提供一个相等的路径长度。
不管是V-棱镜组装件27还是V-板组装件25被使用，所优选的布置将为红、绿和蓝光调制组装件38r、38g、38b提供相等的路径长度。否则，将难以在单一位置处形成组合的多色放大图像Irgb。
作为选择地，如图8中示意性方框图所示，空间光调制器30可能是与成像光学路径适当适配的透射式LCD。对于透射式LCD，来自点源20和均匀化光学装置22、被偏振器62所偏振的均匀性光将提供用于由空间光调制器30进行调制的适宜光。正如在图8中所表示的那样，每个分量R、G和B光路径将具有关于图5、6和7的布置的平行结构，仅是在每个光调制组装件38内的部件具有微小的重新分配。
作为另一可供选择，如在数字投影技术中所众所周知的那样，DMD可以用作与成像光学路径适当适配的空间光调制器30，如用全内反射(TIR)束分裂器替代偏振束分裂器24。
本发明允许使用任何适宜类型的照明系统，用来提供用于由空间光调制器30进行调制的源色光。光源20可包括灯、滤光器、LED、激光器或其它照明部件。所优选的实施例使用氙弧灯作为白光源，使被放置的二向色性分离器对源照明进行滤色，以便于在投射成像技术中众所周知的光分离技术之后，提供用于调制的基本上纯的红、绿和蓝色光源20r、20g和20b。为了简化这个公开内容的附图，且由于用于提供色光的现有技术方法被普遍公知，所以未示出用来提供光源20r、20g和20b的照明系统。
本发明数字投影装置10的使用，或应用本发明方法，减缓了对二向色性组合器性能、尺寸以及机械公差的要求，所述二向色性组合器被用来形成用于投射的组合多色放大图像Irgb。通过增加光学系统的f/#，因而本发明所述装置和方法降低了入射到二向色性表面的角范围。这导致改进的色域，而没有连累亮度。这个布置还降低数值孔径，且减缓了对投影透镜32的后工作距离的要求，因而降低了投影透镜32设计的成本及复杂性。采用本发明的设计，可以维持高反差，这是因为放大中继透镜28部件并未被放置在对于LCD空间光调制器30所要求的偏振照明源路径上，其并不促成照明光中的双折射。
由于每个色路径具有其自己分开的放大中继透镜28，所以不需要对在空间光调制器30和投影透镜32之间的透镜部件进行宽带色校正。如果对投影装置10的性能有利的话，任何放大中继透镜28r、28g和28b可以被单独地进行色校正；另外，任何两个或全部三个放大中继透镜28r、28g和28b可以是相同的制造，因而降低了制造和设计成本。由于被呈现在到V-板组装件25或V-棱镜组装件27的输入处图像的放大，以及由于放大中继透镜28的远心性，对二向色性表面58或58′及60或60′精确的制造要求也被减缓。于是，利用这些改进，本发明增强了投影装置10的成像性能，且允许以最小成本的更简单、更紧凑的光学设计。
权利要求
1.一种用于投射多色图像的投影装置，所述装置包括(a)用于形成具有第一波长的放大实像的第一光调制组装件、用于形成具有第二波长的放大实像的第二光调制组装件、以及用于形成具有第三波长的放大实像的第三光调制组装件，其中每个调制组装件被类似地加以构造且包括(i)空间光调制器，其用于调制来自一光源的入射光以形成第一图像；以及(ii)具有中继透镜光学轴的放大中继透镜，所述放大中继透镜将所述第一图像聚焦向二向色性组合器，以便于沿着所述中继透镜光学轴形成所述第一图像的所述放大实像；(b)所述二向色性组合器将每个中继透镜光学轴组合到一个公共投射轴上，以便于从具有第一波长的放大实像、具有第二波长的放大实像、以及具有第三波长的放大实像来形成多色图像，所述二向色性组合器包括沿着所述公共投射轴被放置在第一倾斜角的第一二向色性表面、以及相邻着，沿着所述公共投射轴与所述第一倾斜角相垂直方向放置的第二二向色性表面，其中所述第一和第二二向色性表面并不交叉；以及(c)用于将多色图像投射向显示表面的投影透镜。
2.根据权利要求1的投影装置，其中所述第一波长是红光、所述第二波长是绿光且所述第三波长是蓝光。
3.根据权利要求1的投影装置，其中每个所述光调制器是反射式LCD。
4.根据权利要求1的投影装置，其中每个所述光调制器是透射式LCD。
5.根据权利要求1的投影装置，其中每个所述光调制器是数字微镜设备。
6.根据权利要求1的投影装置，其中每个所述光源包括灯。
7.根据权利要求1的投影装置，基中每个所述光源包括滤光器。
8.根据权利要求1的投影装置，其中每个所述光源包括激光器。
9.根据权利要求1的投影装置，其中每个所述光源包括LED。
10.据权利要求1的投影装置进一步包括一个用于提供所述光源的二向色性分离器。
全文摘要
用于投射多色图像的数字投影装置(10)包括一个放大中继透镜组装件(28)，其作为每个分量色的光调制组装件(38)的部分。所述中继透镜组装件(28)增加了到作为二向色性组合器的V－板组装件(25)或V－棱镜组装件(27)的入射光的有效f/#，所述二向色性组合器被用来将来自每个光调制组装件(38)的每个色的调制光进行组合，以便于形成多色图像。所述放大中继透镜组装件(28)还提供投影透镜(32)的减少的工作距离，从而允许较低成本的设计，并且便利于用最适合于显示表面(40)的投影透镜(32)来替代。
文档编号H04N9/31GK1453606SQ0312241
公开日2003年11月5日 申请日期2003年4月25日 优先权日2002年4月25日
发明者J·M·科布, D·凯斯勒 申请人:伊斯曼柯达公司