专利名称：多基色图像合成器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学器件，尤其涉及一种多基色图像合成器。
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，中国发明专利No.93109784.3中公开了一种激光束合成装置。该装置利用了双折射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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于合成多基色图像的合成器。
本发明提供了一种多基色图像合成器。它包括合成棱镜以及至少一个第一入射棱镜和至少一个第二入射棱镜中的至少一种。第一方向的入射光入射到第一入射棱镜的入射面并从其出射面射出，随后入射到合成棱镜的第一入射面；第二方向的入射光入射到第二入射棱镜的入射面并从其出射面射出，随后入射到合成棱镜的第二入射面；以及从合成棱镜的第一入射面和第二入射面入射的两束光在合成棱镜内合成，随后从合成棱镜的出射面射出，其中第一入射棱镜的出射面与合成棱镜的第一入射面平行；第二入射棱镜的出射面与合成棱镜的第二入射面平行；第一入射棱镜的入射面与合成棱镜的出射面平行；并且第二入射棱镜的入射面与其出射面的夹角的大小等于合成棱镜的第一入射面与其出射面的夹角与合成棱镜的第一入射面与其第二入射面的夹角之差。
此外，第一入射棱镜、第二入射棱镜和合成棱镜由各向同性的材料制成。
此外，第一入射棱镜、第二入射棱镜和合成棱镜由负晶体制成。
此外，第一入射棱镜、第二入射棱镜和合成棱镜由正晶体制成。
此外，合成棱镜的出射面与第一入射面的夹角、合成棱镜的第一入射面与第二入射面的夹角、以及第二入射棱镜的入射面与出射面的夹角的取值范围根据入射光的波长加以确定。
此外，合成棱镜的出射面与第一入射面的夹角小于90°。
此外，第一入射棱镜、第二入射棱镜和合成棱镜由各向同性的材料制成的多基色图像合成器还满足以下条件
其中，n0为空气的折射率，N为基色数量，各基色的光波长在所述各向同性介质的棱镜中的折射率以从小到大的顺序依次排列为n1、n2……nk、nk+1……nN，折射率为n1～nk的光从所述第一入射棱镜射入，折射率为nk+1～nN的光从所述第二入射棱镜射入，θ为所述合成棱镜的第一入射面与出射面的夹角，β为所述合成棱镜的第一入射面与第二入射面的夹角，
为所述第二入射棱镜的入射面与出射面的夹角。
此外，第一入射棱镜、第二入射棱镜和合成棱镜由负晶体制成的多基色图像合成器还满足以下条件
其中，n0为空气的折射率，N为基色数量，各基色光在所述负晶体棱镜中的各自对应的o光和e光的折射率以从小到大的顺序依次排列并筛选为n1、n2……nk、nk+1……nN，其中m≤2N，折射率为n1～nk的光从所述第一入射棱镜射入，折射率为nk+1～nm的光从所述第二入射棱镜射入，θ为所述合成棱镜的第一入射面与出射面的夹角，β为所述合成棱镜的第一入射面与第二入射面的夹角，
为所述第二入射棱镜的入射面与出射面的夹角。
此外，第一入射棱镜、第二入射棱镜和合成棱镜由正晶体制成的多基色图像合成器满足以下条件
其中，n0为空气的折射率，N为基色数量，各基色光在所述正晶体棱镜中的各自对应的o光和e光的折射率以从小到大的顺序依次排列并筛选为n1、n2……nk、nk+1……nN，其中m≤2N，折射率为n1～nk的光从所述第一入射棱镜射入，折射率为nk+1～nm的光从所述第二入射棱镜射入，θ为所述合成棱镜的第一入射面与出射面的夹角，β为所述合成棱镜的第一入射面与第二入射面的夹角，
为所述第二入射棱镜的入射面与出射面的夹角。
此外，本发明的多基色图像合成器还包括设置于各入射棱镜之前的光程补偿器。
通过本发明的合成器可以获得颜色更加逼真的图像。
应当理解，本发明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发明提供进一步的解释。
包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中 图1是现有技术的X棱镜的结构示意图。
图2A是三基色显示的显示色域的示意图。
图2B是九基色显示的显示色域的示意图。
图3是根据本发明一个实施例的多基色图像合成器的示意图。
图4是根据本发明另一实施例的多基色图像合成器的示意图。
图5是根据本发明又一实施例的多基色图像合成器的示意图。
具体实施例方式 现在将详细参考附图描述本发明的实施例。
图3示出了根据本发明一个实施例的多基色图像合成器的结构示意图。图中，相同字母所表示的边具有相同的几何性质。
如图3所示，该多基色图像合成器包括第一入射棱镜A2(图3中为2个)、第二入射棱镜A1(图3中为2个)、合成棱镜A以及光程补偿器D。本实施例中，棱镜A、A1和A2的材料相同，均为各向同性的介质。光程补偿器必须不改变光路，并用于调整各基色的光在到达出射面ac时的彼此之间的相位。根据本发明，第一方向上的各入射光分别通过相应的光程补偿器D射入第一入射棱镜A2的入射面hk，从其出射面gk射出同时发生折射，接着射入合成棱镜A的第一入射面cb，在与其它基色的入射图像合成后从合成棱镜A的出射面ca射出。同样，根据附图，第二方向上的各入射光依次经过光程补偿器D、第二入射棱镜A1的入射面ef、第二入射棱镜A1的出射面de、合成棱镜A的第二入射面ab，在与其它基色的入射图像合成后从合成棱镜A的出射面ca射出。在附图所示的实施例中，第一和第二入射棱镜的数量为两个，但可以理解，在入射波长的数量变化的情况下，可分别采用更少(例如，一个)或更多(例如，三个)的第一和第二入射棱镜，且第一入射棱镜和第二入射棱镜的数量也可以不同。此外可思及，只采用第一入射棱镜和第二入射棱镜中的一种且沿一个方向同样能达到预期的技术效果。无论各入射棱镜的数量为多少，其工作原理相同。
为实现本发明的目的，图中的各棱镜需满足以下条件 棱边ab//de、bc//gk、ac//hk 第二入射棱镜A1的角度
(为了满足第二入射棱镜A1的入射面ef垂直入射光的方向)；第一入射棱镜A2的角度∠gkh＝θ。
以下根据计算推导出本发明的最佳方案 假设显示所需的基色数量为N，这些光波长分别为λi(i＝1，2……N)，在各向同性介质的棱镜中的折射率分别为ni(i＝1，2……N)，并假设这些光已按照折射率由小到大依次排列并重新记为nj(即nj＜nj+1)。
假设需要从第一入射棱镜A2入射进合成器的光分别为n1，n2……nk(k＜N，k是一个定值)，从第二入射棱镜A1入射进合成器的光分别为nk+1，nk+2……nN，假设空气的折射率为n0。
{1}、棱镜A的各个角优选满足以下条件
{2}、在棱边ab
{3}、在棱边bc njsinθ＝n0sinΘj(1≤j≤k)[5]； {4}、偏移距离 设从第二入射棱镜A1入射的基色图像与合成方向的偏移距离为(设棱边ab与de之间的距离为H1j，H1j≥0)
设从第一入射棱镜A2入射的基色图像与合成方向的偏移距离为(设棱边bc与gk之间的距离为H2j，H2j≥0) dj＝H2j(tanΘj-tanθ)cosθ (1≤j≤k) [7]， 那么从同一块入射棱镜入射的两种相邻的不同的基色图像之间的偏移距离为 Δdj＝|dj+1-dj|(1≤j≤k或k＜j≤N)[8]， 当Δdj≥s时(即(Δdj-s)≥0)，各基色图像入射时在空间是分离的，并且经过合成器之后可以完全在空间重叠，达到多基色的单色图像合成的目的。
本实施例中对入射光的性质没有特殊要求。
例如，要求每一种单色的图像在射入多基色图像叠加器之前是彼此分离而没有重合的，假设图像的宽度为s，空气的折射率为n0＝1 从第二入射棱镜A1入射(假定H1j＝H1，H1是一个常数，即不同基色的光是从同一块第二入射棱镜A1入射)
那么
从第一入射棱镜A2入射(假定H2j＝H2，H2是一个常数，即不同基色的光是从同一块第一入射棱镜A2入射) dj＝H2(tanΘj-tanθ)cosθ(1≤j≤k) njsinθ＝n0sinΘj(1≤j≤k) Δdj＝|dj+1-dj|＝H2|tanΘj+1-tanΘj|cosθ (1≤j＜j+1≤k) [1-2] 以下举出具体的情况说明上述参数的应用以实现本发明的叠加目的。
以H1、H2是常数并以四基色显示为例。各向同性的材料为冕玻璃(K9)，图像的宽为s＝1inch，H1＝1.5inch，H2＝0.3inch(1inch＝2.54cm)，n0＝1，选择以下四种波长的光为现实的基色光，并按照上述对参与显示的光进行排序如下 1、红6563
(n1＝1.514)； 2、绿5461
(n2＝1.518)； 3、青绿4861
(n3＝1.522)；4、青4358
(n4＝1.526)(k＝2) (1)假定青绿色光、青色光从第二入射棱镜A1入射则由[1]可得 即41.07°＜θ＜41.21° 因此取θ＝41.15° 由[2]可得
即
因此取
那么
从第二入射棱镜A1入射
所以 Δd3-s≈0.03inch＞0 因此青绿色光、青色光在入射第二入射棱镜A1之前两基色图像是分离的，相隔距离为Δd3-s≈0.03inch。
(2)假定红色光、绿色光从第一入射棱镜A2入射 从第一入射棱镜A2入射 Δd1＝|d2-d1|＝H2|tanΘ2-tanΘ1|cosθ≈2.19inch 所以 Δd1-s≈1.19inch＞0 因此红色光、绿色光在入射第一入射棱镜A2之前两基色图像是分离的，相隔距离为Δd3-s≈1.19inch。
根据以上条件，即可实现各基色的图像的叠加。
此外，为提高光的利用率，可在各个棱镜的入射面以及出射面上镀敷相应的增透膜，以提高光的透过率。
图4是根据本发明另一实施例的多基色图像合成器的示意图。
图4的结构特征与图3所示的实施例的结构特征相同，区别在于图4的实施例中棱镜A、A1和A2的材料均为负晶体。图4中，M表示光轴方向，且该光轴方向垂直于纸面。
以下根据计算推导出本发明的最佳方案 假设显示所需的基色数量为N，这些光波长分别为λi(i＝1，2……N)，在棱镜所采用的负晶体中的o光和e光的主折射率分别为noi和nei(i＝1，2……N)(在负晶体中noi＞nei)；将这些光按照它们各自对应的o光和e光的折射率由小到大的依次排列并且进行一定的筛选后重新标记为nj(1≤j≤m，m≤2N)，假设需要从第一入射棱镜A2入射进合成器的光分别为n1，n2……nk(k≤m，k是一个定值)，从第二入射棱镜A1入射进合成器的光分别为nk+1，nk+2……nm，假设空气的折射率为n0。
{1}、棱镜A的各个角优选满足以下条件
{2}、在棱边ab
{3}、在棱边bc njsinθ＝n0sinΘj(1≤j≤k)[13]； {4}、偏移距离 设从第二入射棱镜A1入射的基色图像与合成方向的偏移距离为(设棱边ab与de之间的距离为H1j，H1j≥0)
设从第一入射棱镜A2入射的基色图像与合成方向的偏移距离为(设棱边bc与gk之间的距离为H2j，H2j≥0) dj＝H2j(tanΘj-tanθ)cosθ(1≤j≤k)[15]， 那么从同一块棱镜入射的两种相邻的不同的基色图像之间的偏移距离为 Δdj＝|dj+1-dj|(1 ≤j≤k或k＜j≤m)[16]， 当Δdj≥s时(即(Δdj-s)≥0)，各基色图像入射时在空间是分离的，并且经过合成器之后可以完全在空间重叠，达到多基色的单色图像合成的目的。
本实施例中要求入射的光为线偏振光，入射线偏振光的偏振方向要满足其在棱镜中对应的折射率所要求的偏振方向。也就是说，若在棱镜中需要将入射光满足o光的折射率，那么入射光在进入入射棱镜A1、A2之前的光的偏振方向必须与光轴方向垂直；若在棱镜中需要将入射光满足e光的折射率，那么入射光在进入入射棱镜A1、A2之前的光的偏振方向必须与光轴方向平行。
例如，要求每一种单色的图像在射入多基色图像合成器之前是彼此分离而没有重合的，假设图像的宽度为s，空气的折射率为n0＝1 在从第二入射棱镜A1入射的情况下(假定H1j＝H1，H1是一个常数，即不同基色的光是从同一块第二入射棱镜A1入射)
那么
在从第一入射棱镜A2入射的情况下假定H2j＝H2，H2是一个常数，即不同基色的光是从同一块第一入射棱镜A2入射 dj＝H2(tanΘj-tanθ)cosθ(1≤j≤k) njsinθ＝n0sinΘj(1≤j≤k) Δdj＝|dj+1-dj|＝H2|tanΘj+1-tanΘj| cosθ (1≤j＜j+1≤) [2-2] 以下举出具体的情况说明上述参数的应用以实现本发明的叠加目的。
以H1、H2是常数为例，负晶体的材料为方解石(冰洲石CaCO3)，图像的宽为s＝1inch，H1＝0.3inch(1inch＝2.54cm)，n0＝1，选择以下三种波长的光为现实的基色光，并按照上述对参与显示的光进行排序如下 1、黄5893
(no＝1.658，ne＝1.486)； 2、绿5461
(no＝1.662，ne＝1.488)； 3、蓝4047
(no＝1.681，ne＝1.497) 筛选后排序后为 n1＝1.486(黄)，n2＝1.488(绿)，n3＝1.681(蓝)(m＝3，k＝1) (1)假定n2＝1.488(绿)和n3＝1.681(蓝)从第二入射棱镜A1入射，其中绿色光的偏振方向与光轴方向平行，蓝色光的偏振方向与光轴方向垂直。
则由以上的[9]可得 即42.22°＜θ＜42.30° 因此取θ＝42.25° 由以上[10]可得
即
因此取
那么
从第二入射棱镜A1入射
所以 Δd2-s≈0.12inch＞0 因此，绿色光、蓝色光在入射第二入射棱镜A1之前两基色图像是分离的，相隔距离为Δd2-s≈0.12inch。
(2)只有n1＝1.486(黄)从第二入射棱镜A2入射，因此在本例中对H2没有要求，但入射光的偏振方向必须与光轴方向平行 由此，可以实现绿、蓝、黄三种基色的入射图像的适当合成。
图5是根据本发明又一实施例的多基色图像合成器的示意图。
图5的结构特征与图3、4所示的实施例的结构特征相同，区别在于图5的实施例中棱镜A、A1和A2的材料均为正晶体。图5中，M表示光轴方向，且该光轴方向垂直于纸面。
以下根据计算推导出本发明的最佳方案 假设显示所需的基色数量为N，这些光波长分别为λi(i＝1，2……N)，在棱镜所采用的正晶体中的o光和e光的主折射率分别为noi和nei(i＝1，2……N)(在正晶体中noi＜nei)；将这些光按照它们各自对应的o光和e光的折射率由小到大的依次排列并且进行一定的筛选后重新标记为nj(1≤j≤m，m≤2N)，假设需要从第一入射棱镜A2入射进合成器的光分别为n1，n2……nk(k≤m，k是一个定值)，从第二入射棱镜A1入射进合成器的光分别为nk+1，nk+2……nm，假设空气的折射率为n0。
{1}、棱镜A的各个角优选满足以下条件为
{2}、在棱边ab
{3}、在棱边bc njsinθ＝n0sinΘj(1≤j≤k)[21]； {4}、偏移距离 设从第二入射棱镜A1入射的基色图像与合成方向的偏移距离为(设棱边ab与de之间的距离为H1j，H1j≥0)
设从第一入射棱镜A2入射的基色图像与合成方向的偏移距离为(设棱边bc与gk之间的距离为H2j，H2j≥0) dj＝H2j(tanΘj-tanθ)cosθ(1≤j≤k) [23]， 那么从同一块棱镜入射的两种相邻的不同的基色图像之间的偏移距离为 Δdj＝|dj+1-dj| (1≤j≤k或k＜j≤m) [24]， 当Δdj≥s时(即(Δdj-s)≥0)，各基色图像入射时在空间是分离的，并且经过合成器之后可以完全在空间重叠，达到多基色的单色图像合成的目的。
本设计中要求入射的光为线偏振光，入射线偏振光的偏振方向要满足其在棱镜中对应的折射率所要求的偏振方向。也就是说，若在棱镜中需要将入射光满足o光的折射率，那么入射光在进入入射棱镜A1、A2之前的光的偏振方向必须与光轴方向垂直；若在棱镜中需要将入射光满足e光的折射率，那么入射光在进入入射棱镜A1、A2之前的光的偏振方向必须与光轴方向平行。
此外，应注意，以上关于单轴晶体的设计是单轴晶体的所有设计中情况最为简单的，其他情况需要对晶体中的e光在不同传播方向上有一定的e光折射率修正。对于光轴方向不垂直纸面的情况中，光轴平行纸面并且平行出射面的情况最为简单。
对于光轴方向平行纸面并且平行出射面的情况的修正如下(正、负晶体的修正公式相同，只是no与ne的关系不同) 对于入射光的偏振方向平行于纸面的光在棱镜内的折射率为 j表示入射光的偏振方向平行于纸面的光(即在晶体中传播为e光)在筛选排序后所对应的序号 在棱边ab(将[12]、[20]替换为[28])
在棱边bc(将[13]、[21]替换为[29])
ω＝π-θ[27] 本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明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发明的修改和变型。
权利要求
1.一种多基色图像合成器，其特征在于，包括合成棱镜以及至少一个第一入射棱镜和至少一个第二入射棱镜中的至少一种，
第一方向的入射光入射到所述第一入射棱镜的入射面并从其出射面射出，随后入射到所述合成棱镜的第一入射面；第二方向的入射光入射到所述第二入射棱镜的入射面并从其出射面射出，随后入射到所述合成棱镜的第二入射面；以及所述从所述合成棱镜的第一入射面和第二入射面入射的两束光在所述合成棱镜内合成，随后从所述合成棱镜的出射面射出，其中，
所述第一入射棱镜的出射面与所述合成棱镜的第一入射面平行；
所述第二入射棱镜的出射面与所述合成棱镜的第二入射面平行；
所述第一入射棱镜的入射面与所述合成棱镜的出射面平行；并且
所述第二入射棱镜的入射面与其出射面的夹角的大小等于所述合成棱镜的第一入射面与其出射面的夹角与所述合成棱镜的第一入射面与其第二入射面的夹角之差。
2.如权利要求1所述的多基色图像合成器，其特征在于，所述第一入射棱镜、第二入射棱镜和合成棱镜由各向同性的材料制成。
3.如权利要求1所述的多基色图像合成器，其特征在于，所述第一入射棱镜、第二入射棱镜和合成棱镜由负晶体制成。
4.如权利要求1所述的多基色图像合成器，其特征在于，所述第一入射棱镜、第二入射棱镜和合成棱镜由正晶体制成。
5.如以上任一权利要求所述的多基色图像合成器，其特征在于，所述合成棱镜的出射面与第一入射面的夹角、所述合成棱镜的第一入射面与第二入射面的夹角、以及所述第二入射棱镜的入射面与出射面的夹角的取值范围根据入射光的波长加以确定。
6.如权利要求5所述的多基色图像合成器，其特征在于，所述合成棱镜的出射面与第一入射面的夹角小于90°。
7.如权利要求2所述的多基色图像合成器，其特征在于，满足以下条件
其中，n0为空气的折射率，N为基色数量，各基色的光波长在所述各向同性介质的棱镜中的折射率以从小到大的顺序依次排列为n1、n2……nk、nk+1……nN，折射率为n1～nk的光从所述第一入射棱镜射入，折射率为nk+1～nN的光从所述第二入射棱镜射入，θ为所述合成棱镜的第一入射面与出射面的夹角，β为所述合成棱镜的第一入射面与第二入射面的夹角，
为所述第二入射棱镜的入射面与出射面的夹角。
8.如权利要求3所述的多基色图像合成器，其特征在于，满足以下条件
其中，n0为空气的折射率，N为基色数量，各基色光在所述负晶体棱镜中的各自对应的o光和e光的折射率以从小到大的顺序依次排列并筛选为n1、n2……nk、nk+1……nN，其中m≤2N，折射率为n1～nk的光从所述第一入射棱镜射入，折射率为nk+1～nm的光从所述第二入射棱镜射入，θ为所述合成棱镜的第一入射面与出射面的夹角，β为所述合成棱镜的第一入射面与第二入射面的夹角，
为所述第二入射棱镜的入射面与出射面的夹角。
9.如权利要求4所述的多基色图像合成器，其特征在于，满足以下条件
其中，n0为空气的折射率，N为基色数量，各基色光在所述正晶体棱镜中的各自对应的o光和e光的折射率以从小到大的顺序依次排列并筛选为n1、n2……nk、nk+1……nk，其中m≤2N，折射率为n1～nk的光从所述第一入射棱镜射入，折射率为nk+1～nm的光从所述第二入射棱镜射入，θ为所述合成棱镜的第一入射面与出射面的夹角，β为所述合成棱镜的第一入射面与第二入射面的夹角，
为所述第二入射棱镜的入射面与出射面的夹角。
10.如权利要求1所述的多基色图像合成器，其特征在于，还包括设置于所述各入射棱镜之前的光程补偿器。
全文摘要
本发明提供了一种多基色图像合成器。该多基色图像合成器包括第一入射棱镜、第二入射棱镜以及合成棱镜，其中第一方向的入射光入射到第一入射棱镜的入射面并从其出射面射出，随后入射到合成棱镜的第一入射面；第二方向的入射光入射到第二入射棱镜的入射面并从其出射面射出，随后入射到合成棱镜的第二入射面；以及从合成棱镜的第一入射面和第二入射面入射的两束光在合成棱镜内合成，随后从合成棱镜的出射面射出。通过本发明的合成器可以获得颜色更加逼真的图像。
文档编号G02B27/12GK101206309SQ200610147460
公开日2008年6月25日 申请日期2006年12月19日 优先权日2006年12月19日
发明者程思洋 申请人:程思洋