專利名稱：用于投影顯示器的橫向色差補償?shù)闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及彩色數(shù)字圖形的投影顯示器設(shè)備和用于這種投影顯示器設(shè)備的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
典型的彩色數(shù)字圖形的投影顯示器設(shè)備使用3個數(shù)字圖形編碼的光束調(diào)制器板，一個光束調(diào)制器板用于彩色圖形的紅、綠、和藍組分中的每一個組分。光束調(diào)制器板的例子包括透射式多晶硅液晶顯示器(LCD)、反射式數(shù)字微透鏡設(shè)備(DMD)、和反射式液晶顯示器(RLCD)-也稱之為在硅顯示器上的反射式液晶(LCoS)。通常，利用組組分色光束重組光學(xué)裝置將來自3個板的圖形編碼光束組合起來，再通過單個投影透鏡投影。
隨著對于較高的分辨率、較高的像素計數(shù)、和較小的設(shè)備的要求的增加，設(shè)計用于彩色數(shù)字圖形投影顯示器的投影透鏡的困難也越來越大。成為重點的投影透鏡的一個特征是稱之為“橫向色差”的特征。橫向色差指的是色差，它涉及圖形的橫向放大對于波長或顏色或圖形的顏色的依賴關(guān)系。橫向放大隨顏色的這種變化通常導(dǎo)致來自紅、綠、藍數(shù)字圖形編碼的光束調(diào)制器板的疊加的組分色圖像圖形的會聚度從投影圖形顯示器中心向外的變化。因此，如果數(shù)字圖形編碼板的位置使圖形的組分色像素在顯示器的中心存在完美的會聚，則在顯示器邊緣的一個或多個像素可能沒有產(chǎn)生彩色會聚。彩色會聚的這種變化惡化了圖形的質(zhì)量，尤其是對于計算機圖形顯示器的投影。
受到限制的橫向色差發(fā)散在3板式投影監(jiān)視器中是個重要的問題。例如，使用具有1200×1600個像素的板陣列的投影監(jiān)視器，其中每個像素約為10平方微米，設(shè)計目標(biāo)是1/2或更少的橫向色差發(fā)散，這是投影透鏡廠商要實現(xiàn)的一個困難的問題。具有這種板陣列的常規(guī)的投影監(jiān)視器在圖形的角落具有約12微米的橫向色差發(fā)散，這個橫向色差發(fā)散是在板陣列測到的，這個橫向色差發(fā)散大于一個像素。這樣大小的橫向色差發(fā)散在計算機顯示監(jiān)視器應(yīng)用中是個重要的問題，在這里圖標(biāo)和菜單通常放在圖形顯示器的邊緣。在一般情況下，為了補償橫向色差效應(yīng)，可能必須增加一個投影透鏡，使尺寸增加，并且還要包含附加的元件，這導(dǎo)致設(shè)計復(fù)雜性提高和成本增加。實際上，只有透鏡設(shè)計不足以滿足提高顯示分辨率的要求。
電子投影顯示器的發(fā)展方向是基于反射式偏振調(diào)制器的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)使用了反射式液晶偏振調(diào)制器?；诜瓷涫狡裾{(diào)制器的許多基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)使用了如下的安排其中從偏振調(diào)制器板到投影透鏡的距離與投影透鏡的焦距相比是大的。對于背投顯示器，例如投影監(jiān)視器和投影電視，這尤其是對的。在一般情況下，后焦距越大，產(chǎn)生投影透鏡就越困難。另一種光學(xué)設(shè)計的限制是對于“遠心性”的要求，這一限制使投影透鏡成為產(chǎn)生這種系統(tǒng)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。遠心透鏡系統(tǒng)有一個無限遠的入口光瞳。入口光瞳在無限遠的所謂的主光線(也稱之為主要光線)意指主光線平行于光軸，因此在圖像上的每一點都具有相同的一組角度或者相同的光瞳性質(zhì)。
在授予Chiu等人的美國專利NO.5777789中公開了一種常規(guī)的使用反射式液晶偏振調(diào)制器和遠心投影透鏡的數(shù)字圖形投影儀。這個專利的投影儀有一個金屬-囟化物弧光燈用作投影儀的未經(jīng)偏振的“白”光。來自弧光燈的光穿過照明光學(xué)裝置，照明光學(xué)裝置的功能是形成大體上平行的、可見的白光照明光束，這個光束相對于在投影儀中使用的液晶偏振調(diào)制器的偏振調(diào)制面來說，在空間上有大體均勻的強度。把非偏振照明光束引入偏振分束器立方體，偏振分束器立方體將非偏振光束分裂為兩個光束，這兩個光束大體上是偏振光(按照傳統(tǒng)，這并非完美)，兩個光束的相應(yīng)偏振大體上是相互正交的。在這個專利的數(shù)字圖形投影儀的偏振分束器立方體中這樣產(chǎn)生的兩個光束之一用作大體上偏振的源光束，并且從偏振分束器立方體傳送到彩色分束/組合棱鏡組件中。彩色分束/組合棱鏡組件由3個棱鏡組成，棱鏡的某些面涂以二色性的涂料，以便從大體上偏振的源光束的可見白光中依次分開紅、藍、綠光組分，并且將每個大體上偏振的組分色光束引向?qū)?yīng)的反射式液晶偏振調(diào)制器，在這個專利中也稱之為“光閥”。
定位這個專利的數(shù)字圖形投影儀的三個偏振調(diào)制器中的每一個，使一個反射式偏振調(diào)制器的表面垂直于相對離開彩色分束/組合棱鏡組件的一個色組分出射面的、相應(yīng)的大體上偏振的彩色組分光光束確定的組分束光路。按照這個專利所述的，通過用機械方法相對于棱鏡組件的彩色組分光束出射面調(diào)節(jié)偏振調(diào)制器，可使反射式液晶偏振調(diào)制器的圖像重合在投影屏幕上。在一般情況下，反射式偏振調(diào)制器的作用是按照加到偏振調(diào)制器上的信號、借助于光束光的偏振的選擇性的轉(zhuǎn)動、在偏振調(diào)制器表面上逐個像素地、按空間調(diào)制相應(yīng)的彩色組分光束的偏振，所說的偏振調(diào)制器對于期望的復(fù)合彩色圖形的組分色圖像進行編碼。具體來說，對于要以指定顏色照射的最終成像的的圖形的每個像素，通過反射式液晶偏振調(diào)制器在偏振調(diào)制表面上的一個位置，就可以轉(zhuǎn)動這個顏色的大體上偏振的彩色組分光束的偏振，所說的這個位置對應(yīng)于在最終成像的圖形中這個像素的位置。這樣的照明像素稱之為“亮”像素。相反，對于沒有以指定顏色照射的最終成像的圖形的每個像素，通過反射式液晶偏振調(diào)制器在偏振調(diào)制表面上的一個位置，使這個顏色的大體上偏振的彩色組分光束發(fā)生反射，光束的偏振沒有改變，所說的這個位置對應(yīng)于在最終成像的圖形中這個像素的位置。這樣的照明像素稱之為“暗”像素。
彩色分光束像這樣由這個專利的數(shù)字圖形投影儀的的液晶偏振調(diào)制器進行按空間的有選擇性的調(diào)制后發(fā)生了反射，從偏振調(diào)制器的反射式偏振調(diào)制器表面沿相應(yīng)的組分束光路基本上向后反射通過彩色分束/組合棱鏡組件。3個反射的彩色組分光束中的每一個都實質(zhì)上要通過棱鏡組件返回到它原來的路徑，并且與其它兩個彩色組分光束重組形成一個復(fù)合的按空間選擇偏振的調(diào)制光束。復(fù)合光束從彩色分束/組合棱鏡組件射出并送入偏振象素組分束器立方體。偏振分束器立方體使復(fù)合光束分解成一個偏振調(diào)制的亮像素的組分光束(其中攜帶由亮像素組成的復(fù)合彩色圖形)和一個非偏振調(diào)制的暗像素的組分光束(其中攜帶由暗像素組成的彩色負圖形)。由于暗像素組分光束的偏振不由反射式液晶偏振調(diào)制器改變，所以暗像素組分光束通過投影儀向照明光源的弧光燈返回光路。引導(dǎo)偏振調(diào)制的亮像素的分光束從偏振分束器立方體進入這個專利的數(shù)字圖形投影儀的投影透鏡。按照這個專利，投影透鏡是一個負焦距遠心透鏡，可以適應(yīng)大的玻璃工作距離和遠心照明。投影透鏡的用途是向投影屏幕投影期望的復(fù)合彩色圖形。
在一般情況下，投影顯示器的設(shè)計致力于實現(xiàn)“完美的”投影圖形。然而，投影顯示器的設(shè)計師們卻面臨著一些困難，如維持投影圖形的正確高度、以及橫向色差效應(yīng)，如此等等。無論是單個的數(shù)字圖形編碼的光束調(diào)制器板或者是多個數(shù)字圖形編碼的光束調(diào)制器板，設(shè)計師都必須通過透鏡實現(xiàn)這樣一種“完美的”成像圖形。然而，只通過透鏡系統(tǒng)實現(xiàn)這樣一種“完美的”成像圖形是存在問題的，而且經(jīng)常是成本很高，因此在經(jīng)濟上超越了實際可能性。無論是把這樣的透鏡系統(tǒng)放在光束調(diào)制器板的前方還是放在它的后方，通常出現(xiàn)橫向色差方面的問題，即使使用當(dāng)前可以得到的最好的透鏡系統(tǒng)亦是如此。試圖實現(xiàn)“完美的”成像圖形的投影顯示器的設(shè)計師們實際上被透鏡系統(tǒng)所束縛。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種投影顯示器設(shè)備和一種投影光學(xué)透鏡系統(tǒng)，用于補償數(shù)字彩色圖形投影的橫向色差效應(yīng)。這個目的是通過如權(quán)利要求1所規(guī)定的按照本發(fā)明的投影顯示器設(shè)備和如權(quán)利要求4所規(guī)定的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)來實現(xiàn)的。
從廣義來講，在數(shù)字彩色圖形投影顯示器中橫向色差色差效應(yīng)的補償，在本發(fā)明中是通過提供在某種程度上非遠心的投影顯示器所用的投影光學(xué)裝置以建立傾斜的幾何條件從而通過投影光學(xué)裝置收集用于投影的離軸光、并且通過提供物面以便通過投影光學(xué)裝置投影顯示不同原色的物體數(shù)字圖形而實現(xiàn)的，所說的投影光學(xué)裝置位于距投影光學(xué)裝置不同的有效軸向距離，所說的軸向距離可以分別鍵控到投影光學(xué)裝置收集的離軸光的傾斜幾何位置以及由不同原色的投影光學(xué)裝置橫向放大中的橫向色差之差，因此在橫向放大中的這種顏色相關(guān)之差趨向于得到補償。
優(yōu)選地，本發(fā)明的數(shù)字彩色圖形投影顯示器提供3個組分原色物面，分別用于紅、綠、藍的物體圖形。3個組分原色物面距投影光學(xué)裝置的有效軸向距離最好互不相同。
本發(fā)明的投影顯示器最好包括3個組分原色數(shù)字圖形編碼的光束調(diào)制器板，分別對應(yīng)于紅、綠、藍組分原色之一。每個光束調(diào)制器板最好包括多個安排在一個平面陣列中的多個光調(diào)制器像素元。每個組分原色數(shù)字圖形編碼的光束調(diào)制器板最好利用靠近投影顯示器的相應(yīng)的組分原色物面的光束調(diào)制器板的光調(diào)制器像素元的平面陣列來定位。組分原色光束調(diào)制器板的每個光調(diào)制器像素元適于按可控的方式用光學(xué)的方式根據(jù)加到光束調(diào)制器板的圖形編碼控制信號來調(diào)制照射像素元的光。組分原色光束調(diào)制器板的光調(diào)制器像素元最好適于按照期望的復(fù)合彩色數(shù)字圖形的相應(yīng)的原色圖形分量、整體式地、以像素陣列地基元、用光學(xué)的方式、并且按空間來調(diào)制照射光束調(diào)制器板的組分原色光束。可以分別對于每個圖形編碼的組分原色光束確定一個組分原色編碼的光束中心軸，每個組分原色編碼的光束中心軸在基本上垂直入射時并在組分原色光束調(diào)制器板中心軸交叉點與相應(yīng)的組分原色光束調(diào)制器板交叉。用于確定在3個組分原色光束調(diào)制器板上的光調(diào)制器像素元的位置的對應(yīng)的平面陣列，以及對應(yīng)的組分原色調(diào)制器板中心軸的交叉點，在幾何形狀方面最好彼此基本疊合(congruent)。可以將物體像素分開的距離確定為在光束調(diào)制器板中相鄰像素元之間的從中心到中心的平均距離。
本發(fā)明的投影顯示器的復(fù)合彩色圖像平面最好有一個相對于所說復(fù)合彩色圖像平面確定的復(fù)合彩色像素位置陣列。在復(fù)合彩色圖像平面中的每個復(fù)合彩色像素位置最好對應(yīng)于在光束調(diào)制器板上定位的大體上疊合的位置的3個光調(diào)制器像素元?？梢韵鄬τ谕队肮鈱W(xué)裝置確定投影光學(xué)裝置中心軸，它穿過投影光學(xué)裝置的中心。本發(fā)明的投影顯示器的投影光學(xué)裝置有一個投影光學(xué)裝置孔徑光闌，它沿投影光學(xué)裝置中心軸定位在投影光學(xué)裝置孔徑光闌位置。通過投影光學(xué)裝置中心軸與復(fù)合彩色圖像平面相交可以確定一個復(fù)合彩色圖像中心軸交叉點，它與3個組分原色調(diào)制器板中心軸交叉點相對應(yīng)。
復(fù)合彩色圖像測試點的位置最好在本發(fā)明的投影顯示器的復(fù)合彩色圖像平面內(nèi)確定，復(fù)合彩色圖像測試點從復(fù)合彩色圖像平面中心軸交叉點開始橫向移動，對應(yīng)于復(fù)合彩色圖像平面中單個復(fù)合彩色像素的位置。在復(fù)合彩色圖像平面中的復(fù)合彩色圖像測試點的位置最好對應(yīng)于3個光調(diào)制器的物體測試點像素元，光調(diào)制器的物體測試點像素元分別定位在3個組分原色光束調(diào)制器板上的基本疊合的位置。對于每個組分原色，可以確定一個組分原色測試點的主要光線徑跡，以此作為組分原色光線進行跟蹤，從復(fù)合彩色圖像平面中的復(fù)合彩色圖像測試點位置開始、通過投影光學(xué)裝置、穿過投影光學(xué)裝置孔徑光闌的中心點、并且通過投影顯示器的任何干預(yù)光學(xué)裝置(invervening optics)、在從光束調(diào)制器板的中心軸交叉點開始橫向移動的一個點與相應(yīng)的組分原色光束調(diào)制器板相交。3個組分原色測試點主要光線徑跡中的每一個都按光學(xué)方式跟蹤組分原色相關(guān)路徑，組分原色相關(guān)路徑表現(xiàn)出光學(xué)裝置在通過主要光線徑跡時的色差，其中包括橫向放大中的橫向色差色差之差。本發(fā)明的投影顯示器的投影光學(xué)裝置的投影光學(xué)裝置孔徑光闌的投影光學(xué)裝置孔徑光闌位置是非遠心的孔徑光闌位置，所以每個組分原色測試點主要光線徑跡與相應(yīng)的組分原色光束調(diào)制器板以一個非遠心交角相交，所說的組分原色光束調(diào)制器板相對于光束調(diào)制器板的法線是傾斜的，相交的交點在按照傾斜的幾何條件收集離軸光以便用于非遠心投影光學(xué)裝置的投影的交叉點。3個組分原色光束調(diào)制器中的每一個最好都是利用距投影光學(xué)裝置的有效軸向距離逐個地單獨軸向定位，因此，如果考慮到組分原色測試點主要光線徑跡與相應(yīng)的組分原色光束調(diào)制器板相交的非遠心交角，并且考慮到色差包括了在相應(yīng)的組分原色的橫向放大中的橫向色差之差，相應(yīng)的組分原色測試點主要光線徑跡與光束調(diào)制器板在相應(yīng)的物體測試點像素元的中心的像素間距的大約一半之內(nèi)相交，因此投影光學(xué)裝置的不同組分原色的光線的橫向放大之差趨向于在由投影光學(xué)裝置在復(fù)合彩色圖像平面內(nèi)成像的整個復(fù)合彩色圖形上得到補償。
本發(fā)明的投影顯示器的數(shù)字圖形編碼的光束調(diào)制器板可以包括透射式多晶硅液晶顯示器(LCD)、反射式數(shù)字微型反光鏡設(shè)備(DMD)、或者反射式液晶顯示器(RLCD)。
在本發(fā)明的投影顯示器的一個實施例中，每個組分原色數(shù)字圖形編碼的光束調(diào)制器板都是用光束調(diào)制器板的光束調(diào)制器像素元的平面陣列定位的，所說光束調(diào)制器像素元的平面陣列的位置基本上與相應(yīng)的組分原色物面重合。在本發(fā)明的投影顯示器的一個實施例中，至少一個組分原色數(shù)字圖形編碼的光束調(diào)制器板是利用與相應(yīng)的組分原色物面分隔開的光束調(diào)制器板的光調(diào)制器像素元的平面陣列定位的，二者分開的距離等于組分原色像素會聚的散焦距離，因此相應(yīng)的組分原色測試點主要光線徑跡，在相應(yīng)的光束調(diào)制器物體測試點像素元的中心的物體像素間隔距離的大約一半之內(nèi)，與光束調(diào)制器板相交。
用于能夠有效補償橫向色差色差效應(yīng)的數(shù)字彩色圖形投影顯示器的本發(fā)明的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)具有一個投影光學(xué)裝置光入射端口和一個投影光學(xué)裝置光出射端口。相對于投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)確定一個投影光學(xué)裝置中心軸，它穿過透鏡系統(tǒng)的中心并沿軸向從入射端口和出射端口軸向延伸。
相對于透鏡系統(tǒng)確定一個復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面，在這個平面中可以通過本發(fā)明的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)對于復(fù)合彩色圖形成像，從而使這個平面可以大體上垂直于透鏡系統(tǒng)的投影光學(xué)裝置中心軸延伸，所說的中心軸沿投影光束出射傳播方向與投影光學(xué)裝置出口端口間隔開。通過投影光學(xué)裝置中心軸與圖像平面相交可以確定在復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面中的圖像平面中心軸交叉點。
對于3個組分原色(最好是紅、綠、藍)中的每一個組分原色，確定一個組分原色投影顯示物面，使其基本上垂直于本發(fā)明的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)的投影光學(xué)裝置中心軸延伸，組分原色投影顯示物面沿投影光束入射傳播方向的反方向與投影光學(xué)裝置光入射端口間隔開。通過投影光學(xué)裝置中心軸與對應(yīng)的物面相交，分別對于3個組分原色投影顯示物面中的每一個確定一個組分原色物面中心軸交叉點。
對于3個組分原色中的每一個組分原色，本發(fā)明的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)適于向復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面投影成像位于相應(yīng)的組分原色投影顯示物面中的組分原色的圖形。投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)表現(xiàn)出有橫向色差色差。例如，對于不同的組分原色，測試復(fù)合彩色物體圖形的橫向放大系數(shù)可能是不同的，所述的測試復(fù)合彩色物體圖形相對于投影光學(xué)裝置中心軸在橫向有一個范圍，測試復(fù)合彩色物體圖形位于沿投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)中心軸的測試物體位置，并且由透鏡系統(tǒng)向復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面投影形成。
本發(fā)明的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)包括一個入口光學(xué)元件，它具有一個入口光學(xué)表面，位于投影光學(xué)裝置入射端口。投影光學(xué)裝置中心軸和投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)的入口光學(xué)表面相交，從而可以確定一個物面距離基點。對于每個組分原色投影顯示物面都確定一個組分原色物面軸向位置距離，這個距離從投影光學(xué)裝置的入口光學(xué)表面上的物面距離基點到相應(yīng)的組分原色物面的物面中心軸交叉點。
本發(fā)明的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)有一個投影光學(xué)裝置孔徑光闌，它定位在沿投影光學(xué)裝置中心軸的投影光學(xué)裝置位置。
在復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面內(nèi)確定一個針對本發(fā)明的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)的復(fù)合彩色圖像測試點位置，這個測試點位置在橫向與圖像平面中心軸交叉點分開。對于每個組分原色，分別確定一個組分原色測試點主要光線徑跡，作為相應(yīng)的組分原色的光線進行跟蹤，從復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面中的橫向移動的復(fù)合彩色圖像測試點位置進入投影光學(xué)裝置出射端口，通過投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)并通過投影光學(xué)裝置孔徑光闌的中心點、并離開投影光學(xué)裝置入射端口，從而與相應(yīng)的組分原色投影顯示物面相交。3個組分原色測試點主要光線徑跡中的每一個都分別跟蹤一個相應(yīng)的組分原色相關(guān)路徑，通過投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)，其中表現(xiàn)出透鏡系統(tǒng)的色差，該色差包括橫向色差色差。在每個組分原色測試點主要光線徑跡和相應(yīng)的組分原色投影顯示物面之間的交叉點確定了一個相應(yīng)的組分原色物體測試點位置。3個組分原色物體測試點位置中的每一個位置，從光學(xué)角度看，對于相應(yīng)的組分原色的光來說，與復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面中的橫向移動的復(fù)合彩色圖像測試點位置是共軛的。每個組分原色物體測試點位置從相應(yīng)的組分原色投影顯示物面的物面中心軸交叉點開始發(fā)生橫向移動，從而可以確定組分原色物體測試點橫向移動距離。
本發(fā)明的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)的投影光學(xué)裝置孔徑光闌的投影光學(xué)裝置孔徑光闌位置是非遠心孔徑光闌位置。因為是非遠心孔徑光闌位置，所以每個組分原色測試點主要光線徑跡與相應(yīng)的組分原色投影顯示物面以一個非遠心交角相交，相對于交叉點物面的法線是傾斜的。3個組分原色投影顯示物面沿投影光學(xué)裝置中心軸具有相應(yīng)的軸向位置，因此，如果考慮到相應(yīng)的組分原色測試點主要光線徑跡與相應(yīng)的組分原色物面相交的非遠心交角，并且考慮到所說的色差包括不同的組分原色在透鏡系統(tǒng)的橫向放大中的橫向色差色差之差，則對于3個組分原色投影顯示物面的組分原色物體測試點橫向移動距離基本上彼此相等。3個組分原色投影顯示物面的相應(yīng)的軸向距離應(yīng)該是這樣的3個組分原色投影顯示物面中的至少兩個組分原色投影顯示物面、并且最好是所有3個組分原色投影顯示物面的相應(yīng)的組分原色物面軸向位置距離彼此相等，使得由本發(fā)明的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)的橫向色差引起的不同組分原色光線的橫向放大之差，在由透鏡系統(tǒng)在復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面中成像的整個復(fù)合彩色圖像上趨向于至少部分地得以補償。
優(yōu)選地，本發(fā)明的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)適于投影成像3個組分原色中的每一個組分原色的物體圖形，物體圖形的尺寸可落在一個相應(yīng)的大體成長方形的物體圖形場中，物體圖形場指的是相應(yīng)的組分原色投影顯示物面。例如，這樣一個物體圖形場最好對應(yīng)于數(shù)字圖形編碼的光束調(diào)制器板的調(diào)制器表面的尺寸。每個物體圖形場都有一個高度尺寸和一個寬度尺寸，高度尺寸對于所有3個物體圖形場都相同，寬度尺寸對于所有3個物體圖形場都相同。在投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)的光入口表面上的物面距離基點和相應(yīng)的組分原色物面的物面中心軸交叉點之間的每個物面軸向位置距離最好至少是物體圖形場的高度尺寸和寬度尺寸二者中的較小者的數(shù)值的2倍，因此當(dāng)將這樣的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)放入數(shù)字彩色圖形投影顯示器內(nèi)時，可將偏振分束器元件和光束彩色分解/組合元件安裝在透鏡系統(tǒng)的投影光學(xué)裝置入射端口和投影顯示器的組分原色數(shù)字圖形編碼的光束調(diào)制器板之間，光束調(diào)制器板最好分別定位在距投影光學(xué)裝置入射端口的有效軸向距離等于相應(yīng)的組分原色物面軸向位置距離的位置。
最好在用于本發(fā)明的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)的復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面上確定一個圖像圖形場，以便與組分原色投影顯示物面的物體圖形場相對應(yīng)。優(yōu)選地，在復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面上的復(fù)合彩色圖像測試點的位置定位在圖像圖形場之內(nèi)，靠近圖像圖形場的周邊。
優(yōu)選地，在本發(fā)明的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)中，每個組分原色測試點主要光線徑跡在與相應(yīng)的組分原色投影顯示物面相交的交叉點處沿投影光束入射傳播方向的大體反方向從投影光學(xué)裝置中心軸開始發(fā)散。
優(yōu)選地，在本發(fā)明的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)中，3個組分原色投影顯示物面的相應(yīng)的組分原色物面軸向位置距離彼此不同。
本發(fā)明的用于投影期望的復(fù)合彩色數(shù)字圖形以便觀看的投影顯示器包括一個投影顯示器外殼和一個照明源，照明源定位在投影顯示器外殼內(nèi)的一個照明源物體位置，提供白色光譜的照明光。優(yōu)選地，光束形成光學(xué)裝置定位在投影顯示器外殼內(nèi)，從照明源接收照明光。光束形成光學(xué)裝置適于從這種光中形成一個大體上沿相對于光束形成光學(xué)裝置確定的照明光束中心軸傳播的經(jīng)過聚焦的照明光束。
本發(fā)明的投影顯示器最好還包括一個偏振分束器。相對于偏振分束器確定一個照明光束接收軸、按暗像素偏振狀態(tài)偏振的光束軸、按亮像素偏振狀態(tài)偏振的光束軸。偏振分束器適于接收大體上沿照明光束接收軸向偏振分束器傳播的照明光束，從照明光束中分開大體上沿暗像素偏振狀態(tài)的偏振光束軸從偏振分束器向外傳播的線偏振的暗像素偏振狀態(tài)的光束，從而可以接收混合偏振的圖形編碼光束，其中包含暗像素偏振狀態(tài)的線偏振光(含彩色負圖形)以及亮像素偏振狀態(tài)的線偏振光(含期望的復(fù)合彩色圖形)，所說的線混合偏振的圖形編碼光束大體上沿暗像素偏振狀態(tài)的偏振光束軸向分束器傳播，并且從而可以分開混合偏振圖形編碼光束，使之成為大體上沿照明光束接收軸離開偏振分束器的方向傳播的暗像素偏振狀態(tài)的線偏振光(含彩色負圖形)和大體上沿亮像素偏振狀態(tài)的偏振光束軸從偏振分束器向外傳播的亮像素偏振狀態(tài)的線偏振光(含期望的復(fù)合彩色圖形)。偏振分束器的照明光束接收軸最好有效地與照明光束形成光學(xué)裝置的照明光束中心軸對齊。
本發(fā)明的投影顯示器最好還包括光束彩色分割/組合光學(xué)裝置，它具有一個復(fù)合光束入射/出射端口和3個組分原色子光束出射/入射端口。光束彩色分割/組合光學(xué)裝置適于接收大體上沿復(fù)合光束入射/出射中心軸傳播并進入復(fù)合光束入射端口/出射端口的白光光譜入射光束，分割白光光譜入射光束為3個組分原色出射子光束，并且投影分別來自相應(yīng)的組分原色出射/入射端口的、大體上沿相應(yīng)的組分原色子光束出射/入射中心軸傳播的、每個組分原色出射子光束。光束彩色分割/組合光學(xué)裝置還適于分別接收大體上沿相應(yīng)的組分原色子光束出射/入射中心軸傳播的并進入3個組分原色出射端口/入射端口中的相應(yīng)的一個端口中的3個組分原色中的每一個的入射子光束，組合3個組分原色入射子光束成為一個復(fù)合彩色出射光束，并且投影大體上沿復(fù)合光束入射/出射中心軸傳播的來自復(fù)合光束入射/出射端口的復(fù)合彩色出射光束。優(yōu)選地，確定光束彩色分割/組合光學(xué)裝置在投影顯示器外殼中的位置和方向，使復(fù)合光束的入射/出射中心軸與偏振分束器的暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸有效可靠地對齊。優(yōu)選地，與每個組分原色相應(yīng)地，確定通過光束彩色分割/組合光學(xué)裝置和偏振分束器的一個組分原色中心光路，以此作為相應(yīng)的組分原色光的亮像素偏振狀態(tài)的線偏振子光束的中心軸，所說的組分原色光大體上沿相應(yīng)的組分原色子光束出射/入射中心軸又通過光束彩色分割/組合光學(xué)裝置和偏振分束器進入相應(yīng)的組分原色子光束出射/入射端口，并且大體上沿著亮像素偏振狀態(tài)的偏振光束軸離開偏振分束器向外。
本發(fā)明的投影顯示器最好還包括安裝到投影顯示器外殼的投影光學(xué)裝置，它具有投影光學(xué)裝置光入射端口和光出射端口。最好相對于投影光學(xué)裝置確定投影光學(xué)裝置中心軸，它穿過光入射端口和光出射端口的中心。優(yōu)選地，偏振分束器的亮像素偏振狀態(tài)的偏振光束軸可靠有效地與投影光學(xué)裝置的投影光學(xué)裝置中心軸對齊。投影光學(xué)裝置沿著投影光學(xué)裝置中心軸在投影光學(xué)裝置孔徑光闌位置有一個投影光學(xué)裝置孔徑光闌。投影光學(xué)裝置適于通過光入射端口接收大體上沿投影光學(xué)裝置中心軸傳播的含復(fù)合彩色圖形的光束、并且通過光出射端口投影所說的光束以便在圖形顯示圖像平面有效地成像復(fù)合彩色圖形，所說圖形顯示圖像平面最好大體上垂直于投影光學(xué)裝置中心軸延伸。投影光學(xué)裝置最好包括一個入口光學(xué)元件，入口光學(xué)元件有一個入口光學(xué)表面，含有圖形的光束通過入口光學(xué)表面進入入射端口。優(yōu)選地，確定投影物體距離的基準(zhǔn)點，它是投影光學(xué)裝置中心軸與投影光學(xué)裝置的入口光學(xué)表面的交叉點。投影光學(xué)裝置表現(xiàn)出橫向色差色差。例如，對于不同的組分原色，相對于投影光學(xué)裝置中心軸具有一個橫向范圍的測試復(fù)合彩色物體圖形的橫向放大系數(shù)可能會不同，所說的測試復(fù)合彩色物體圖形沿著投影光學(xué)裝置中心軸放置在測試物體圖形位置并且通過投影光學(xué)裝置投影到圖形顯示圖像平面。
優(yōu)選地，本發(fā)明的投影顯示器還包括3個反射式組分原色數(shù)字圖形編碼的偏振調(diào)制器。每個反射式組分原色數(shù)字圖形編碼的偏振調(diào)制器最好都有一個基本上是平面形狀的、其中包括排列成平面陣列形式的多個單個可控的反射式偏振調(diào)制器像素元的、反射式偏振調(diào)制器表面。每個這樣的反射式組分原色偏振調(diào)制器的位置最好能使出射子光束與光束彩色分割/組合光學(xué)裝置的3個組分原色的光出射/入射端口中的相應(yīng)的一個呈相交的關(guān)系(interception relationship)，并且每個這樣的反射式組分原色偏振調(diào)制器的取向最好使反射式偏振調(diào)制器的偏振調(diào)制器表面能夠面對對應(yīng)的組分原色光出射端口/入射端口，并且使所說的偏振調(diào)制器表面能夠大體上垂直于相應(yīng)的組分原色子光束出射/入射中心軸延伸。優(yōu)選地，對于每個反射式偏振調(diào)制器表面，都確定一個偏振調(diào)制器表面中心軸交叉點，即偏振調(diào)制器表面與相應(yīng)的組分原色子光束出射/入射中心軸相交的交點。優(yōu)選地，在3個組分原色偏振調(diào)制器的偏振調(diào)制器表面上定位反射式偏振調(diào)制器像素元的位置的相應(yīng)的平面陣列以及偏振調(diào)制器表面的相應(yīng)的偏振調(diào)制器表面中心軸交叉點，最好彼此基本上疊合。最好對于每個反射式偏振調(diào)制器表面確定一個偏振調(diào)制器表面軸向位置距離，這個距離從偏振調(diào)制器表面的偏振調(diào)制器中心軸交叉點、沿相應(yīng)的組分原色中心光路、通過光束彩色分割/組合光學(xué)裝置和偏振分束器、到投影光學(xué)裝置的入口光學(xué)表面上的投影物體距離基準(zhǔn)點。
優(yōu)選地，在本發(fā)明的投影顯示器的反射式組分原色數(shù)字圖形編碼的偏振調(diào)制器中，每個反射式偏振調(diào)制器像素元都適于反射落在像素元上的線偏振組分原色光，并且按照加到偏振調(diào)制器上的圖形編碼的控制信號來調(diào)制反射的線偏振光的偏振。優(yōu)選地，組分原色數(shù)字圖形編碼的偏振調(diào)制器的偏振調(diào)制器表面的反射式偏振調(diào)制器像素元適于整體式地、逐個像素陣列地、對于線偏振的組分原色暗像素偏振狀態(tài)的出射子光束的偏振進行反射式的空間調(diào)制，所說的出射子光束按照期望的復(fù)合彩色數(shù)字圖形的相應(yīng)的原色分量圖形從光束彩色分割/組合光學(xué)裝置的相應(yīng)的組分原色子光束出射/入射端口向偏振調(diào)制器表面投影，從而可以形成一個反射式的、混合偏振的、圖形編碼的、組分原色入射子光束，將這個入射子光束引入相應(yīng)的組分原色出射/入射端口。優(yōu)選地，圖形顯示圖像平面有一個用關(guān)聯(lián)的方法確定的復(fù)合彩色像素位置的陣列。在圖形顯示圖像平面中每個這樣的復(fù)合彩色像素位置最好都對應(yīng)于3個反射式偏振調(diào)制器像素元，這3個像素元分別定位在3個分反射式組分原色偏振調(diào)制器的偏振調(diào)制器表面上的有效疊合位置。
優(yōu)選地，在本發(fā)明的投影顯示器的圖形顯示圖像平面中確定一個復(fù)合彩色圖像測試點位置，這個位置距投影光學(xué)裝置中心軸與圖形顯示圖像平面相交的交點有一個橫向移動。這個圖像測試點位置最好對應(yīng)于在圖形顯示圖像平面中的單個復(fù)合彩色像素。在圖形顯示圖像平面中的復(fù)合彩色圖像測試點位置最好對應(yīng)于3個反射式偏振調(diào)制器物體測試點像素元，這些像素元分別定位在3個反射式組分原色偏振調(diào)制器的偏振調(diào)制器表面上的有效疊合位置上，并且距偏振調(diào)制器表面的對應(yīng)的偏振調(diào)制器表面中心軸交叉點有橫向移動。優(yōu)選地，對于每個組分原色，確定一個組分原色測試點主要光線徑跡，它作為這種組分原色的亮像素偏振狀態(tài)的線偏振光跟蹤，從圖形顯示圖像平面中的復(fù)合彩色圖像測試點位置開始、通過投影光學(xué)裝置并通過投影光學(xué)裝置孔徑光闌、通過偏振分束器、并通過光束彩色分割/組合光學(xué)裝置，從而在從偏振調(diào)制器表面的偏振調(diào)制器表面中心軸交叉點開始發(fā)生橫向移動的一個點與相應(yīng)的組分原色偏振調(diào)制器的偏振調(diào)制器表面相交。3個組分原色測試點主要光線徑跡中的每一個都遵循一個組分原色相關(guān)的路徑，這個路徑當(dāng)有主要光線徑跡通過光學(xué)裝置時會表現(xiàn)出光學(xué)裝置的色差，該色差包括橫向色差。投影光學(xué)裝置孔徑光闌的投影光學(xué)裝置孔徑光闌位置是一個非遠心的孔徑光闌位置，因此每個組分原色測試點主要光線徑跡與對應(yīng)的組分原色偏振調(diào)制器的偏振調(diào)制器表面以一個非遠心交角相交，在相交點相對于調(diào)制器表面法線是傾斜的。沿著光束彩色分割/組合光學(xué)裝置的相應(yīng)的組分原色子光束出射/入射端口的相應(yīng)的組分原色子光束出射/入射中心軸，逐個地軸向定位3個反射式組分原色偏振調(diào)制器中的每一個，從而，如果考慮到組分原色測試點主要光線徑跡與相應(yīng)的組分原色偏振調(diào)制器的偏振調(diào)制器表面相交的非遠心交角，并且考慮到當(dāng)主要光線徑跡通過光學(xué)裝置時光學(xué)裝置的色差包括相應(yīng)的組分原色橫向放大中產(chǎn)生的橫向色差色差之差，則相應(yīng)的組分原色測試點主要光線徑跡與相應(yīng)的組分原色偏振調(diào)制器的偏振調(diào)制器表面在偏振調(diào)制器物體測試點像素元有效地相交。優(yōu)選地，本發(fā)明的投影顯示器的3個反射式組分原色數(shù)字圖形編碼的偏振調(diào)制器中至少兩個的所述的偏振調(diào)制器表面的相應(yīng)的偏振調(diào)制器表面軸向位置距離彼此不同，因此由投影光學(xué)裝置的橫向色差色差引起的不同組分原色光線的橫向放大系數(shù)之差趨向于在由投影光學(xué)裝置在圖形顯示圖像平面內(nèi)成像的整個復(fù)合彩色圖形上得以補償。
優(yōu)選地，本發(fā)明的投影顯示器的組分原色是紅、綠、藍。
復(fù)合彩色圖像測試點位置最好定位在本發(fā)明的投影顯示器的圖形顯示圖像平面的周邊。優(yōu)選地，復(fù)合彩色圖像測試點位置定位在圖形顯示圖像平面的周邊。
優(yōu)選地，3個反射式組分原色數(shù)字圖形編碼的偏振調(diào)制器的相應(yīng)的偏振調(diào)制器表面的軸向位置距離在本發(fā)明的投影顯示器中是彼此不同的。
優(yōu)選地，本發(fā)明的投影顯示器的每個反射式組分原色偏振調(diào)制器的偏振調(diào)制器表面至少定位在與圖形顯示圖像平面光學(xué)共軛的一個相應(yīng)的組分原色物體平面的附近。一個或多個偏振調(diào)制器表面可以與相應(yīng)的組分原色物體平面分隔開一個組分原色物像素會聚的散焦距離，從而使相應(yīng)的組分原色測試點主要光線徑跡與偏振調(diào)制器表面在偏振調(diào)制器物體測試點像素元處相交。
用于本發(fā)明的投影顯示器的合適的偏振分束器包括MacNeille型多層介質(zhì)膜偏振分束器、線-網(wǎng)極化器偏振分束器、或者交變的雙折射/非雙折射薄膜極化器偏振分束器。在授予Macneille的美國專利NO.2403731和授予Sannohe和Miyatake的美國專利NO.5453859中，概括地描述了MacNeille型多層介質(zhì)膜偏振分束器，在公開的PCT國際專利申請No.WO 01/09677 No.WO 00/70386中概括描述了線-網(wǎng)極化器偏振分束器。在公開的PCT國際專利申請No.WO 00/70386中概括描述了交變的雙折射/非雙折射薄膜極化器偏振分束器。
本發(fā)明的投影顯示器的光束彩色分割/組合光學(xué)裝置最好包括棱鏡表面裝有二色性反光鏡的棱鏡組件以及安裝二色性反光鏡的板式組件(assemblies of plate-mounted dichroic mirrors)。
本發(fā)明的投影顯示器的投影光學(xué)裝置偏離遠心條件的程度最好要適當(dāng)。在投影光學(xué)裝置中偏離遠心條件，即使用有限的光瞳代替無限的光瞳建立一個傾斜的幾何條件，為通過投影光學(xué)裝置投影收集離軸光?？梢岳檬占x軸光的傾斜的幾何條件來補償橫向色差。
在一般情況下，有限的光瞳位置也有助于投影光學(xué)裝置的設(shè)計。與遠心透鏡組件的無限光瞳定位相比，光瞳靠近物理透鏡組件放置是一個比較簡單的約束條件。在規(guī)定投影光學(xué)裝置的非遠心光瞳位置當(dāng)中提供寬容度代表一種設(shè)計自由度，相對于可比擬的遠心投影光學(xué)裝置的設(shè)計，所說的設(shè)計自由度趨向于簡化本發(fā)明的投影顯示器的投影光學(xué)裝置的設(shè)計。遠心條件的確有助于圖像的均勻性以及棱鏡彩色分束和偏振分束部件的角度可接收性。因此，對于本發(fā)明的投影顯示器的投影光學(xué)裝置來說，從遠心條件的偏離最好保持適度和很小。
對于3個原色中的每一個提供一個單獨的物體平面，可提供設(shè)計自由度，與對于3個原色需要單個物體平面的情況相比，這個設(shè)計自由度趨向于簡化本發(fā)明的投影顯示器的投影光學(xué)裝置的設(shè)計。
可使有小量的散焦來移動組分色物體圖形的橫向偏移以調(diào)節(jié)本發(fā)明的投影顯示器中的彩色會聚度。
在從屬權(quán)利要求中規(guī)定了另外的優(yōu)選實施例。從以下描述的實施例，本發(fā)明的這些和其它方面將是顯而易見的，下面參照說明這些實施例詳細說明。


圖1是本發(fā)明的投影顯示器的一個實施例的簡化示意光路圖。
圖2是本發(fā)明的投影顯示器的一個實施例的偏振分束器、彩色分割/組合棱鏡組件、紅、綠、藍反射式偏振調(diào)制器、和投影光學(xué)裝置的簡化示意光路圖，著重表示了相應(yīng)的聚焦在圖像的中心的一個光線錐體和聚焦在圖像顯示器的周邊的光線錐體的主光線缺少平行度的情況，所說的主光線來自投影光學(xué)裝置的非遠心光學(xué)裝置。
圖3是表示在現(xiàn)有技術(shù)的投影顯示器中的橫向色差發(fā)散的簡化示意圖，所說的投影顯示器具有遠心投影光學(xué)裝置和定位在縱向等效顯示物面的紅、綠、藍反射式液晶偏振調(diào)制器。
圖4是表示在假設(shè)的投影顯示器中的橫向色差發(fā)散的簡化示意圖，所說的投影顯示器具有遠心投影光學(xué)裝置和定位在縱向不同顯示物面的紅、綠、藍反射式偏振調(diào)制器。
圖5是表示在本發(fā)明的投影顯示器的一個實施例中的橫向色差發(fā)散的簡化示意圖，所說的投影顯示器具有非遠心投影光學(xué)裝置和定位在縱向不同顯示物面的紅、綠、藍反射式偏振調(diào)制器。
圖6是表示本發(fā)明的用于數(shù)字圖形投影顯示器的投影光學(xué)裝置透鏡組件的一個實施例的簡化示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照圖1，數(shù)字圖形投影顯示器400包括一個照明光束光源組件402，照明光束光源組件402包括高強度燈404和拋物柱面反光鏡406，拋物柱面反光鏡406形成用于投影儀的由非偏振的白光光譜光構(gòu)成的照明光束408。紫外、紅外、和光譜的陷波濾波器407設(shè)置在非偏振的照明光束408的路徑當(dāng)中，以便從光束中濾除紫外和紅外頻率的光并向光束的頻譜提供期望顏色的頻譜形狀。
在數(shù)字圖像投影儀400中的非偏振照明光束408的路徑中定位一個光守恒的光束偏振器組件410。光束偏振器組件410大致類似于在授予Itoh和Hashizme的美國專利No.5986809中描述的光束偏振器，這里參考引用了這個美國專利公開的內(nèi)容。簡單地說，光束偏振器組件410包括第一透鏡陣列412，第一透鏡陣列412是大體上長方形的平凸第一透鏡元件413組成的一個長方形陣列。在操作中，第一透鏡陣列412把照明光束408分割成由聚焦的子光束組成的長方形陣列。在圖1中沒有表示出光束偏振器組件410對于照明光束408的總體影響以及第一透鏡陣列412對于照明光束408的具體影響。光束偏振器410還包括一個偏振分束器/半波片組件414，偏振分束器/半波片組件414定位在由第一透鏡陣列412產(chǎn)生的聚焦子光束的焦面內(nèi)。偏振分束器/半波片組件414包括第二透鏡陣列416和多對交替設(shè)置的細長偏振分束器膜片420和細長反射鏡片422。偏振分束器膜片420和反射鏡片422這兩者沿垂直于照明光束408的中心光線的方向相互平行地直線延伸，并且相對于照明光束408的中心光線傾斜基本上45°的角度。第二透鏡陣列416包括大體上長方形的第二透鏡元件417組成的一個長方形陣列，第二透鏡元件417與光束偏振器組件410的第一透鏡陣列412的第一透鏡元件413一一對應(yīng)。第二透鏡陣列414的每個第二透鏡元件準(zhǔn)直來自第一透鏡陣列412的相應(yīng)的第一透鏡元件413的非偏振子光束，并將這個子光束引向偏振分束器/半波片組件414的偏振分束器膜片420的一個部分。偏振分束器膜片420將非偏振子光束分裂成兩個線偏振子光束，其中第一子光束通過偏振分束器膜片420，其中第二子光束從偏振分束器膜片420向鄰近的反射鏡片422反射。第一和第二偏振子光束的偏振基本上是相互垂直的。反射鏡片422的取向應(yīng)能沿大體上平行于照明光束408的光軸411的方向反射第二線偏振子光束，使其離開偏振分束器/半波片組件414。細長的半波片條424一定要與每個偏振分束器膜片420對齊。已經(jīng)通過偏振分束器膜片420的第一線偏振子光束還要通過半波片條424。半波片條424將第一線偏振子光束的偏振轉(zhuǎn)動大體上90°，以便與從反射鏡片422反射的第二線偏振子光束的偏振狀態(tài)大體上重合一致。借此，光束偏振器組件410把非偏振照明光束408轉(zhuǎn)換成線偏振照明光束409，線偏振照明光束409由具有基本上一個偏振狀態(tài)的線偏振子光束的一個陣列構(gòu)成，其中沒有丟棄非偏振照明光束408中與任何一個特定偏振狀態(tài)對應(yīng)的光，效率很高。
在照明光束409的路徑中定位一個大致平凸的光束整形透鏡426，用于聚焦和組合在由光束偏振器組件410產(chǎn)生的線偏振子光束陣列中的各種子光束，使之成為聚焦并組合的線偏振照明光束。通過這樣聚焦并組合多個子光束成為聚焦并組合的線偏振照明光束，最終的照明光束趨向于在光束的整個橫截面上都有均勻的強度。
照明光束重新定向反光鏡421反射線偏振照明光束409，以便提供投影顯示器400的光學(xué)設(shè)計的物理緊湊性。在線偏振照明光束409的路徑中并在照明光束重新定向反光鏡421之后定位一個平凸延遲透鏡466和一個微調(diào)片偏振器468。平凸延遲透鏡466與平凸光束整形透鏡426協(xié)同動作，用于相對于照明光學(xué)裝置圖像平面成像經(jīng)過聚焦并組合的線偏振照明光束。微調(diào)片偏振器468的取向應(yīng)使取向平行于由光束偏振器組件410產(chǎn)生的光束的偏振的標(biāo)稱方向的線偏振光通過。
在來自微調(diào)片偏振器468的線偏振照明光束409的路徑中，放置一個MacNeille型多層介質(zhì)膜偏振分束器470。MacNeille型偏振分束器470由第一分束器棱鏡471、第二分束器棱鏡472、和定位在第一和第二分束器棱鏡471和472的鈄面之間的多層介質(zhì)偏振膜476形成。第一和第二分束器棱鏡471和472由光學(xué)玻璃制成。構(gòu)成多層介質(zhì)偏振膜476的介質(zhì)材料層在圖1中沒有表示出來。對于構(gòu)成多層介質(zhì)偏振膜476的各個層的厚度和折射率以及分束器棱鏡471和472的光學(xué)玻璃的折射率進行選擇，使得以大致45°的最佳偏振角入射在多層介質(zhì)偏振膜476上的非偏振光能夠進入多層材料，并以所謂的布儒斯特角射擊在在具有不同折射率的各個層之間的相繼的界面。
通過第一種材料的以布儒斯特角射擊在具有不同折射率的第二種材料的界面上的非偏振光線有一部分從界面上反射，并且有一部分折射進第二種材料內(nèi)。反射的光線幾乎全是線偏振的，它的電場(E場)方向垂直于入射平面，入射平面是由射擊在界面的光線的傳播方向和垂直于界面的法線確定的。折射的光線只是部分偏振的，在入射平面的電場分量大于垂直于入射平面的電場分量。在教科書“光學(xué)”(作者為EugeneHecht，第三版，第342-346頁，(Addison Wesley 1998))中可以找到關(guān)于以儒斯特角反射產(chǎn)生的偏振的討論。
在MacNeille型多層介質(zhì)膜偏振分束器470中，在多層介質(zhì)偏振膜476中提供多個界面，以便一個接一個地以布儒斯特角反射來自通過相繼的界面的光線的光的偏振分量。對于多層膜中層的厚度進行選擇，以使從各個界面上反射的偏振光分量趨向于有益的增加。結(jié)果，通過相繼的界面的折射光線相繼變得越來越偏振，E場位于入射平面內(nèi)。在一般情況下，選擇足夠多的層數(shù)，以使在實際上完整地穿過多層介質(zhì)偏振膜476的光線有效地實現(xiàn)完整的線偏振，即電場位于入射平面內(nèi)。反射的光線也有效地實現(xiàn)完整的線偏振，如以上所述，電場垂直于入射平面。在授予MacNeille的美國專利NO.2403731和授予Sannohe和Miyatake的美國專利NO.5453859中，描述了基于多層介質(zhì)膜的常規(guī)的MacNeille型偏振分束器的結(jié)構(gòu)。在市場上可以購買到適于投影顯示器400的MacNeille型偏振分束器。
彼此相對地確定光束偏振器組件410、微調(diào)片偏振器468、和MacNeille型偏振分束器470的取向，以使入射在偏振分束器470的線偏振照明光束409通過偏振分束器470，作為分束器傳送的線偏振照明光束434。從偏振分束器470通過的線偏振照明光束434的偏振狀態(tài)構(gòu)成了暗像素的偏振狀態(tài)，因為分束器傳送的線偏振照明光束434在偏振狀態(tài)不變的情況下沿離開分束器時光束所在的軸線直接反射回到偏振分束器470里，這有可能使這樣反射的線偏振光束通過偏振分束器470并沿這個路徑向照明光束光源組件402返回而不由分束器470轉(zhuǎn)換，從而可以照明投影顯示器400的顯示屏456，在顯示屏456上使期望的圖形的“亮”像素成像。偏振的照明光束409基本上沿暗像素偏振狀態(tài)的偏振光束軸473離開偏振分束器470，偏振光束軸473大體上相對于偏振分束器470的第二棱鏡472的一個面垂直延伸。
分束器傳送的偏振照明光束434傳播進入原色分割/組合棱鏡組件436。原色分割/組合棱鏡組件436包括3個棱鏡，在棱鏡的面上有二色性涂層，組件436適于分割進入棱鏡組件436的白光譜光的光束為分別是紅、綠、藍光的組分子光束。由于這種原色分割/組合棱鏡組件436是常規(guī)的，所以這里對棱鏡組件不作詳細描述。具體地，在圖1中沒有表示出分束器傳送的偏振照明光束的光路以及在原色分割/組合棱鏡組件436中的紅、綠、藍組分子光束。原色分割/組合棱鏡組件具有一個復(fù)合光束入射/出射端口437、紅分量子光束出射/入射端口438R、綠分量子光束出射/入射端口438G、藍分量子光束出射/入射端口438B。在紅分量子光束出射/入射端口438R的附近是紅分量反射式數(shù)字圖形編碼的液晶偏振調(diào)制器440R。在綠分量子光束出射/入射端口438G的附近定位綠分量反射式數(shù)字圖形編碼的液晶偏振調(diào)制器440G，并且在藍分量子光束出射/入射端口438B的附近定位藍分量反射式數(shù)字圖形編碼的液晶偏振調(diào)制器440B。如以下所述，在相對于相應(yīng)的紅、綠、藍分量子光束的中心軸的軸向位置不同的位置，分別定位紅、綠、藍圖像分量偏振調(diào)制器的紅、綠、藍分量偏振調(diào)制器表面441R、441G、441B。紅綠藍圖像分量反射式偏振調(diào)制器440R、G、B適于按照加到調(diào)制器上的數(shù)字圖形編碼信號逐個像素地、選擇性地空間調(diào)制落在偏振調(diào)制器的偏振調(diào)制器表面441R、G、B上的線偏振光束的偏振，所說的數(shù)字圖形編碼信號對于期望的彩色圖像的彩色圖像分量進行了編碼。這樣的反射式液晶偏振調(diào)制器是常規(guī)的。
對于編碼加到相應(yīng)的彩色偏振調(diào)制器上的期望的復(fù)合彩色數(shù)字圖形的特定的彩色分量的信號進行編碼，以使在偏振調(diào)制器表面441上的像素元(對應(yīng)于投影的圖像圖形中的保持未被特定顏色照明的一個像素)不改變落在像素元上的線偏振光的偏振狀態(tài)。對應(yīng)于投影的圖形圖像中要以特定彩色分量照明的一個像素的像素元的作用是轉(zhuǎn)動落在像素元上的線偏振光的偏振狀態(tài)，轉(zhuǎn)動的大小對應(yīng)于照明的程度。由特定的分量彩色偏振調(diào)制器440形成的空間選擇偏振調(diào)制的組分色光子光束反射回來，進入光束彩色分割/組合棱鏡組件436的相應(yīng)的組分色子光束出射端口/入射端口438。3個組分色子光束通過棱鏡組件436回到它們的相應(yīng)的路徑，并且作為組合的混合偏振的復(fù)合彩色光束從棱鏡組件的復(fù)合光束入口端口/出射端口437射出。
混合偏振組合的復(fù)合光從棱鏡組件436的復(fù)合光束入口端口/出射端口437開始大體上沿著復(fù)合光束入射/出射中心軸傳播，所說的中心軸大體上與偏振分束器470的暗像素偏振狀態(tài)的偏振光束軸473對齊?；旌掀窠M合的復(fù)合光束傳播進入偏振分束器470的一個面，分束器傳送的偏振照明光束434從偏振分束器470這里離開。其偏振方向沒有由反射式偏振調(diào)制器440改變的混合偏振的復(fù)合光束的各個分量處在暗像素偏振狀態(tài)，因而可以通過偏振分束器470的多層介質(zhì)偏振膜476并向燈402返回。其偏振由反射式偏振調(diào)制器440轉(zhuǎn)動的混合偏振的復(fù)合光束的各個分量在某種程度上處在亮像素偏振狀態(tài)，并且在這種程度上被偏振分束器470的多層介質(zhì)偏振膜476反射。從偏振分束器的多層介質(zhì)偏振膜476上反射的光大體上沿亮像素偏振狀態(tài)的偏振光束軸474的方向傳播，所說的偏振光束軸474大體上垂直于偏振分束器470的第二棱鏡472的一個面延伸。亮像素偏振狀態(tài)的光的光束大體上沿投影透鏡452的中心軸460的方向進入數(shù)字圖形投影顯示器400的投影透鏡452的入射端口450，所說的中心軸460與偏振分束器470的亮像素偏振狀態(tài)偏振光束軸474對齊。將一個偏振分析器濾波器454放在偏振分束器470和投影透鏡452的入射端口450之間，濾波器454的取向要能夠通過亮像素偏振狀態(tài)的線偏振光以改善亮-暗對比度。投影透鏡452向顯示屏456投影由離開光束彩色分割/組合棱鏡組件的復(fù)合光束的經(jīng)過轉(zhuǎn)動的偏振分量攜帶的期望的復(fù)合光束以便觀看。如以下討論的，沿著投影透鏡452的中心軸460在非遠心位置定位一個投影透鏡孔徑光闌458，這個非遠心位置與偏振調(diào)制器440R、G、B的紅綠藍分偏振調(diào)制器表面441R、441G、441B的各個軸向位置結(jié)合在一起進行考慮，可以減小由投影透鏡452的橫向色差引起的彩色發(fā)散。
現(xiàn)在參照附圖2，確定照明光束接收軸477、暗像素偏振狀態(tài)的偏振光束軸473、亮像素偏振狀態(tài)的偏振光束軸474，它們從本發(fā)明的投影顯示器400的偏振調(diào)制器470的各個表面上大體上垂直地延伸出來。原色分割/組合棱鏡組件436包括一個紅組分色棱鏡478R，它的一個面包括紅組分子光束出射/入射端口438R；一個綠組分色棱鏡478G，它的一個面包括綠組分子光束出射/入射端口438G；一個藍組分色棱鏡478B，它的第一個面包括藍組分子光束出射/入射端口438B。紅、綠、藍組分色子光束出射/入射中心軸439R、G、B從原色分割/組合棱鏡組件436的相應(yīng)的紅綠藍組分子光束出射/入射端口438R、G、B大體垂直地延伸。紅組分色反射式液晶偏振調(diào)制器440R定位在紅組分色子光束出射/入射端口438R的附近，紅組分色反射式液晶偏振調(diào)制器440R的取向大體上垂直于相應(yīng)的紅組分色子光束出射/入射中心軸439R。綠組分色反射式液晶偏振調(diào)制器440G定位在綠組分子光束出射/入射端口438G的附近，綠組分色反射式液晶偏振調(diào)制器440G的取向大體上垂直于相應(yīng)的綠組分色子光束出射/入射中心軸439G；并且，藍組分色反射式液晶偏振調(diào)制器440B定位在藍組分子光束出射/入射端口438B的附近，藍組分色反射式液晶偏振調(diào)制器440B的取向大體上垂直于相應(yīng)的藍組分色子光束出射/入射中心軸439B。藍組分色棱鏡478B的第二個面包括原色分割/組合棱鏡組件436的復(fù)合光束入射/出射端口437。復(fù)合光束入射/出射中心軸從原色分割/組合棱鏡組件436的復(fù)合光束入射/出射光端口437大體垂直地延伸，與投影顯示器400的偏振分束器470的暗像素偏振狀態(tài)偏振光束軸473有效地可靠對齊。
投影顯示器400的投影光學(xué)裝置452有一個投影光學(xué)裝置入口光學(xué)端口450和一個投影光學(xué)裝置出口光學(xué)端口457。確定投影光學(xué)裝置中心軸406，使其通過投影光學(xué)裝置452的中心并且通過入口光學(xué)端口450和出口光學(xué)端口457的中心延伸。偏振分束器470的亮像素偏振狀態(tài)的偏振光束軸474與投影光學(xué)裝置452的投影光學(xué)裝置中心軸460彼此有效地對齊。對于紅、綠、藍組分色組中的每一個，確定組分色中心光路480R、G、B，使其與相應(yīng)的組分色光的亮像素偏振狀態(tài)的線偏振子光束的中心軸重合，所說的線偏振子光束是從偏振調(diào)制器表面441R、G、B開始、大體上沿垂直于偏振調(diào)制器表面的相應(yīng)的紅綠藍組分色子光束的出射/入射中心軸439R、G、B、并且通過光束彩色分割/組合棱鏡組件436、偏振分束器470、和投影光學(xué)裝置452進行反射的，這里的亮像素偏振狀態(tài)線偏振子光束的中心軸480與投影光學(xué)裝置452的中心軸460大體上重合。如圖2所示，紅組分色中心光路480R在一個紅反射/綠透射的二色性反光鏡處跟蹤紅的亮像素偏振狀態(tài)的線偏振子光束的反射，所說二色性反光鏡定位在光束彩色分割/組合棱鏡組件436的紅組分色棱鏡478R和綠組分色棱鏡478G之間，所說的紅組分色中心光路480R還要在紅的組分色棱鏡478R的一個面上跟蹤紅的亮像偏振狀態(tài)的線偏振子光束的整個內(nèi)部反射。藍色中心光路480B在一個藍反射/紅-綠透射的二色性反光鏡處跟蹤藍的亮像素偏振狀態(tài)的線偏振子光束的反射，所說二色性反光鏡定位在藍組分色棱鏡478B和紅組分色棱鏡478R之間，所說的藍組分色中心光路480B還要在藍的組分色棱鏡478B的第二個面上跟蹤藍的亮像偏振狀態(tài)的線偏振子光束的整個內(nèi)部反射。紅、綠、藍組分色中心光路480R、G、B在通過偏振分束器470過程中是共線的，并且在偏振分束器的多層介質(zhì)偏振膜476處跟蹤類似共線的亮像素偏振狀態(tài)的線偏振子光束的反射。為了方便測量，確定一個投影物體距離基準(zhǔn)點462，即在投影光學(xué)裝置452的中心軸460和投影光學(xué)裝置的入口光學(xué)表面之間的交叉點，這一點是在3個中心光路480R、G、B上的沿所說光路彼此共線并且所說光路與投影光學(xué)裝置452的中心軸460共線的光路的長度的一個點。
對于投影顯示器400的投影光學(xué)裝置452進行設(shè)計，以提供在投影顯示器的顯示屏456上成像軸向位置彼此不同的紅、綠、藍色組分圖形的各個物面。具體來說，投影光學(xué)裝置452提供分開的物面，以便在顯示屏456上成像定位在不同軸向距離的紅、綠、藍組分色圖形，所說的軸向距離分別是沿相應(yīng)的組分色中心光路480R、G、B測量的距投影物體距離基準(zhǔn)點462的距離。沿組分色中心光路480R、G、B的這些軸向距離是從光路的方向的每一個變化分段測得的，所說的這一變化來源于相應(yīng)的亮像素偏振狀態(tài)的線偏振子光束的反射。對于3個反射的組分色偏振調(diào)制器440R、G、B進行定位，以使每個組分色偏振調(diào)制器表面441R、G、B至少在用于成像相應(yīng)組分色的圖形的物面的附近。在圖2中以夸大的方式表示出3個組分色偏振調(diào)制器表面441R、G、B的軸向位置之差。
投影顯示器400的投影光學(xué)裝置452是非遠心的。具體來說，投影光學(xué)裝置452包括一個投影光學(xué)裝置孔徑光闌458，孔徑光闌458沿著投影光學(xué)裝置的投影光學(xué)透鏡系統(tǒng)中心軸460定位在非遠心投影光學(xué)裝置孔徑光闌位置，這個孔徑光闌位置距投影光學(xué)裝置的焦點有一個軸向位移。通過在投影在投影顯示器400的顯示屏456上彩色圖形上的單個有代表性的復(fù)合彩色點486跟蹤組分色主要光線488R、G、B，在圖2中可以看見投影光學(xué)裝置452的非遠心性質(zhì)，所說的復(fù)合彩色點486橫向偏離投影光學(xué)裝置452的中心軸460與顯示屏456相交的交叉點482。每個這樣的有代表性的組分色主要光線488R、G、B都是通過跟蹤相應(yīng)組分色的亮像素偏振狀態(tài)的線偏振光的光線確定的，所說的線偏振光的光線從投影圖形上橫向偏移復(fù)合彩色點486開始、沿著彩色相關(guān)路徑、通過投影光學(xué)裝置452并通過投影光學(xué)裝置孔徑光闌458的中心、然后再通過偏振分束器470和光束彩色分割/組合棱鏡組件436、到達相應(yīng)的組分色偏振調(diào)制器440R、G、B的偏振調(diào)制器表面441R、G、B，所說的彩色相關(guān)路徑表現(xiàn)出投影光學(xué)裝置452的色差，其中包括橫向色差色差。在進入投影光學(xué)裝置452的投影光學(xué)裝置出射端口457之前，在圖2中表示出有代表性的組分色主要光線488R、G、B，它是單個的共線光線。沒有表示出通過圖2的投影光學(xué)裝置452的內(nèi)部的組分色主要光線488R、G、B。在射出了投影光學(xué)裝置入射端口450時，有代表性的組分色主要光線488R、G、B表示為相互隔開的3個平行光線，以表示在投影光學(xué)裝置452中的色差，其中包括由投影光學(xué)裝置452因橫向色差色差產(chǎn)生的3個組分色的橫向放大之差。因為投影光學(xué)裝置452的投影光學(xué)裝置孔徑光闌458的中心是非遠心孔徑光闌位置，所以通過投影光學(xué)裝置孔徑光闌458的中心的3個有代表性的組分色主要光線488G、R、B中的每一個都以某個非遠心交角與相應(yīng)的組分原色偏振調(diào)制器440R、G、B的調(diào)制器表面441R、G、B相交，在交叉點相對于偏振調(diào)制器表面441R、G、B傾斜，如從圖2可以看到的。選擇投影光學(xué)裝置孔徑光闌458相對于投影光學(xué)裝置焦點沿投影光學(xué)裝置452的投影光學(xué)裝置中心軸460的位置，使得來自顯示屏456上復(fù)合彩色點的、并且從投影光學(xué)裝置452的中心軸460與顯示屏相交的交叉點482橫向偏移的、任何組分色主要光線，都從相應(yīng)的組分色中心光路480R、G、B沿離開投影顯示裝置的光束彩色分割/組合棱鏡組件436的相應(yīng)的組分色出射/入射光學(xué)端口438R、G、B的方向散開。在一般情況下，在顯示屏456上的復(fù)合彩色點距投影光學(xué)裝置452的中心軸460與顯示屏456相交的交叉點482的距離越大，則對應(yīng)于復(fù)合彩色點的組分色主要光線與對應(yīng)的組分原色偏振調(diào)制器440R、G、B的偏振調(diào)制器表面441R、G、B相交的非遠心交角越大。在本發(fā)明的投影顯示器400中對于來自在顯示屏456上的所選橫向偏差復(fù)合彩色測試點的組分色主要光線和相應(yīng)的組分色中心光路480R、G、B之間的發(fā)散度、以及相應(yīng)的組分色偏振調(diào)制器440R、G、B的偏振調(diào)制器表面441R、G、B的各個軸向位置進行選擇，以便對于投影光學(xué)裝置452產(chǎn)生的、來源于投影光學(xué)裝置的色差的、沿不同測試點組分色主要光線的橫向放大之差進行補償，由此對于整個組分色圖形上不同組分色的橫向放大之差進行至少部分補償。
圖3表示在一個假想的現(xiàn)有技術(shù)的第一投影顯示器中的由投影顯示器的投影透鏡的橫向色差引起的彩色發(fā)散度。圖3的假想的現(xiàn)有技術(shù)的第一投影顯示器使用了反射式的紅、綠、藍組分色的液晶偏振調(diào)制器(未示出)、偏振分束器(未示出)、光束彩色分割/組合棱鏡組件(未示出)、和常規(guī)的遠心投影透鏡(未示出)，它們的排列布局大體上類似于以上所述的美國專利No.5777789的投影顯示器。圖3表示的是現(xiàn)有技術(shù)的投影顯示器的分別為紅、綠、藍反射式液晶偏振調(diào)制器(未示出)的紅、綠、藍組分色偏振調(diào)制器表面500R、G、B的疊加的上半部分的簡化示意側(cè)視圖。對于紅、綠、藍組分色中的每一個，確定一個組分色中心光路502R、G、B，使其與從偏振調(diào)制器表面500R、G、B反射的、大體上沿偏振調(diào)制器表面的法線方向的、通過光束彩色分割/組合棱鏡組件(未示出)、偏振分束器(未示出)、和投影透鏡(未示出)的、相應(yīng)組分色光的亮像素偏振狀態(tài)的線偏振子光束的中心軸重合，這里亮像素偏振狀態(tài)的線偏振子光束的中心軸大體上與投影透鏡的中心軸重合。在圖3的假想的現(xiàn)有技術(shù)的第一投影顯示器中，3個偏振調(diào)制器表面500R、G、B定位在距一個任意基準(zhǔn)點(未示出)有相同的軸向距離的位置，所說的這個任意基準(zhǔn)點是沿相應(yīng)的組分色中心光路502R、G、B的軸向測得的。所說的任意基準(zhǔn)點定位在沿共線的光路中的一段的一個位置(例如在投影透鏡的入口表面)的3個組分色中心光路上。因此，雖然3個偏振調(diào)制器表面500R、G、B在假想的現(xiàn)有技術(shù)的第一投影顯示器中具有彼此不同的、由光束彩色分割/組合棱鏡組件的幾何條件決定的位置和取向，但為簡單起見，在圖3的示意側(cè)視圖中所示的偏振調(diào)制器表面是彼此疊加在一起的。每個反射式偏振調(diào)制器表面500R、G、B都包括多個單獨控制的、反射式的、安排成平面陣列形式的偏振調(diào)制器像素元(未示出)。使象素元的位置在偏振調(diào)制器表面500R、G、B上定位的反射式的平面陣列，以及在偏振調(diào)制器表面和相應(yīng)的組分色中心光路之間的相應(yīng)的交叉點，在幾何方面基本上是彼此疊合的。雖然在圖3中沒有具體說明，但如圖3所示的3個偏振調(diào)制器表面500R、G、B的疊加根據(jù)像素元幾何疊合原理應(yīng)該理解為是一個像素元。
3個測試點組分色光線錐體504R、G、B對應(yīng)于在顯示屏(未示出)上投影的圖形上的、借助于圖3的假想的現(xiàn)有技術(shù)的第一投影顯示器的三個反射式偏振調(diào)制器產(chǎn)生的、單個橫向移動復(fù)合彩色測試點(未示出)。復(fù)合彩色測試點定位在從圖形的中心點開始發(fā)生了橫向移動的圖形的周邊上，在所述中心點投影透鏡的中心軸與顯示屏相交。例如，從投影的圖形的復(fù)合彩色測試點開始、沿著表現(xiàn)出投影透鏡的色差(包括橫向色差色差)的紅色關(guān)聯(lián)路徑、通過投影透鏡、偏振分束器、和光束彩色分割/組合棱鏡組件、到紅組分色偏振調(diào)制器(500R)，跟蹤所有的照明測試點的紅色亮像素偏振狀態(tài)的線偏振光，從而可以確定測試點紅組分色光線錐體504R。類似地，從投影的圖形的相同復(fù)合彩色測試點開始、沿著表現(xiàn)出投影透鏡的色差(包括橫向色差色差)的綠色關(guān)聯(lián)路徑、通過投影透鏡、偏振分束器、和光束彩色分割/組合棱鏡組件、到綠組分色偏振調(diào)制器的偏振調(diào)制器面500G，跟蹤所有的照明測試點的綠色亮像素偏振狀態(tài)的線偏振光，從而可以確定測試點綠組分色光線錐體504G。類似地，從投影的圖形的復(fù)合彩色測試點開始、沿著表現(xiàn)出投影透鏡的色差(包括橫向色差色差)的藍色關(guān)聯(lián)路徑、通過投影透鏡、偏振分束器、和光束彩色分割/組合棱鏡組件、到藍組分色偏振調(diào)制器的偏振調(diào)制器(500B)，跟蹤所有的照明測試點的綠色亮像素偏振狀態(tài)的線偏振光，從而可以確定測試點藍組分色光線錐體504B。
圖3的假想的現(xiàn)有技術(shù)的第一投影顯示器的3個測試點組分色光線錐體504R、G、B中的每一個都包括相對于投影顯示器的投影透鏡確定的測試點組分色主要光線506R、G、B。由于投影透鏡(未示出)是遠心的，所以透鏡有一個沿透鏡的中心軸在透鏡的焦點定位的投影透鏡孔徑光闌。通過從投影的圖形的復(fù)合彩色測試點開始、沿著表現(xiàn)出投影透鏡的色差(包括橫向色差色差)的彩色關(guān)聯(lián)路徑、通過投影透鏡并通過投影透鏡孔徑光闌的中心軸(即通過透鏡的焦點)、然后通過偏振分束器和光束彩色分割/組合棱鏡組件、到相應(yīng)的組分色偏振調(diào)制器的偏振調(diào)制器表面500R、G、B，跟蹤這個組分色的亮像素偏振狀態(tài)的線偏振光線，從而可以確定每個測試點組分色主要光線506R、G、B。因為假想的現(xiàn)有技術(shù)的投影顯示器的投影透鏡是遠心的，所以在與相應(yīng)的偏振調(diào)制器表面500R、G、B相交的交叉點的每個測試點組分色主要光線506R、G、B平行相應(yīng)的組分色中心光路502R、G、B并且大體上垂直相應(yīng)的偏振調(diào)制器表面500R、G、B地延伸。
由于在投影透鏡中存在橫向色差，所以由投影透鏡成像的復(fù)合彩色圖形的紅組分色的橫向放大系數(shù)不同于由投影透鏡成像的圖形的綠組分色的橫向放大系數(shù)，也不同于由投影透鏡成像的圖形的藍組分色的橫向放大系數(shù)。結(jié)果，紅、綠、藍測試點組分色光線錐體504R、G、B在圖3的疊加側(cè)視圖中不重合；相反，光線錐體504R、G、B與相應(yīng)的偏振調(diào)制器表面500R、G、B相交的那些點的橫向偏差和中心軸502R、G、B與相應(yīng)的偏振調(diào)制器表面500R、G、B相交的那些點是不同的(例如，如圖3所示，在高度上是不同的)。如果這樣的橫向偏差之差大于偏振調(diào)制器中的反射式偏振調(diào)制器像素元的中心-中心的距離，則在投影的圖形中單個有橫向偏移的復(fù)合彩色測試點可能由從對應(yīng)于第一象素地址的紅組分色偏振調(diào)制器的一個像素元反射的紅光照明，也可能由從對應(yīng)于第二個不同的象素地址的綠組分色偏振調(diào)制器的一個像素元反射的綠光照明，還可能由從對應(yīng)于另一個第三個象素地址的藍組分色偏振調(diào)制器的一個像素元反射的藍光照明。這樣，在投影透鏡中的橫向色差色差可能在彩色數(shù)字圖形投影顯示器中產(chǎn)生明顯的彩色發(fā)散問題。
在一般情況下，除了橫向色差色差之外，一個光學(xué)系統(tǒng)還趨向于有第二種類型的色差，稱之為軸向彩色色差。光學(xué)系統(tǒng)的軸向彩色色差通過準(zhǔn)直沿系統(tǒng)的中心軸入射在系統(tǒng)上的不同顏色的光束表現(xiàn)出來，準(zhǔn)直的不同顏色的光束聚焦在軸向相互分開的各個中心軸的不同焦點上。在圖3的假想的現(xiàn)有技術(shù)的第一投影顯示器中，對于投影透鏡的光學(xué)裝置已經(jīng)進行了彩色校正以充分補償軸向彩色色差，因此在借助于定位在距任意基準(zhǔn)點有相同軸向距離的對應(yīng)的3個組分色偏振調(diào)制器表面500R、G、B產(chǎn)生的亮像素偏振狀態(tài)子光束中編碼的每個組分色圖形，當(dāng)在投影顯示器的顯示屏上成像時，都得到了充分的聚焦。
現(xiàn)在參照附圖4，圖中表示假想的第二投影顯示器的投影透鏡中的橫向色差色差的效果，第二投影顯示器與圖3的假想的現(xiàn)有技術(shù)的第一投影顯示器的不同點在于，第二投影顯示器的投影透鏡(它是遠心的)沒有相對軸向彩色色差進行與第一投影顯示器的投影透鏡進行相同程度的彩色校正。具體來說，圖4的假想的第二投影顯示器投影透鏡提供軸向位置不同的紅、綠、藍組分色的物面。與圖3類似，圖4中表示一個簡化的示意側(cè)視圖，它是對應(yīng)的紅、綠、藍反射式液晶偏振調(diào)制器(未示出)的紅、綠、藍組分色偏振調(diào)制器表面510R、G、B的上半部分。對于每個紅、綠、藍組分色，確定用于第二投影顯示器的組分色中心光路512R、G、B，就象以上討論過的確定用于圖3的第一投影顯示器的組分色中心光路502R、G、B一樣。圖4的假想的第二投影顯示器的投影透鏡(未示出)所提供的物面用于在顯示屏(未示出)上成像紅、綠、藍組分色圖形，紅、綠、藍組分色圖形定位在距一個任意基準(zhǔn)點的不同的軸向距離，所說的軸向距離是分別沿對應(yīng)的組分色中心光路512R、G、B的軸向測量的，所說的任意基準(zhǔn)點定位在3個中心光路上的沿著一段共線的光路的一個位置。確定3個反射式組分色偏振調(diào)制器的位置，以使每個組分色偏振調(diào)制器表面510R、G、B與用于成像相應(yīng)組分色的圖形的物面重合。
在圖4的假想的第二投影顯示器中，3個偏振調(diào)制器表面510R、G、B中的每一個的取向都與進入投影顯示器的光束彩色分割/組合棱鏡組件(未示出)的相應(yīng)的組分色出射/入射端口的組分色中心光路512R、G、B垂直。因此，3個偏振調(diào)制器表面510R、G、B在投影顯示器中有不同的取向和位置。為簡單起見，圖4中所示側(cè)視圖中組分色偏振調(diào)制器表面510R、G、B的取向相互平行。圖4中表示的偏振調(diào)制器表面510R、G、B彼此軸向分隔開，以表示偏振調(diào)制器表面距任意基準(zhǔn)點的軸向距離不同，所說的任意基準(zhǔn)點是沿相應(yīng)的組分色中心光路512R、G、B測量的。雖然在圖4沒有具體示出，但應(yīng)該理解，如圖4所示的偏振調(diào)制器表面510R、G、B與3個偏振調(diào)制器表面的相應(yīng)的像素元是軸向?qū)R的，所說的3個偏振調(diào)制器表面的相應(yīng)的像素元沿平行組分色中心光路512R、G、B的方向的、如圖所示與偏振調(diào)制器表面垂直的軸在軸向?qū)R。
與圖3的假想的現(xiàn)有技術(shù)的第一投影顯示器的測試點組分色光線錐體504R、G、B類似，圖4的假想的第二投影顯示器的測試點組分色光線錐體514R、G、B對應(yīng)于在第二投影顯示器的顯示屏(未示出)上投影圖形的周邊上的、借助于投影顯示器的3個反射式偏振調(diào)制器產(chǎn)生的單個橫向偏移的組分色測試點(未示出)。具體來說，與以上所述的圖3的投影顯示器的測試點組分色光線錐體504R、G、B一樣，確定圖4的第二投影顯示器的3個測試點組分色光線錐體514R、G、B。類似地，圖4的假想的第二投影顯示器的3個測試點組分色光線錐體514R、G、B中的每一個包括與以上所述的圖3的第一投影顯示器的測試點組分色主要光線506R、G、B類似的、相對于投影顯示器的遠心投影透鏡確定的測試點組分色光線錐體516R、G、B。由于假想的第二投影顯示器的投影透鏡(未示出)是遠心的，所以在與相應(yīng)的偏振調(diào)制器表面510R、G、B相交的交叉點的每個測試點組分色主要光線516R、G、B平行相應(yīng)的組分色中心光路512R、G、B并且大體上垂直相應(yīng)的偏振調(diào)制器表面510R、G、B地延伸。由于在投影透鏡中存在橫向色差，所以由投影透鏡成像的紅綠藍組分色圖形的橫向放大系數(shù)不同。結(jié)果，紅、綠、藍測試點組分色光線錐體514R、G、B和相應(yīng)的偏振調(diào)制器表面510R、G、B相交的那些點的橫向偏移與中心軸512R、G、B和相應(yīng)的偏振調(diào)制器相交的交叉點的橫向偏移是不同的。如果這樣的橫向偏差之差大于偏振調(diào)制器中的反射式偏振調(diào)制器像素元的中心-中心的距離，則在投影的圖形中單個有橫向偏移的復(fù)合彩色測試點可能由來自對應(yīng)于3個不同的像素地址的3個組分色偏振調(diào)制器的組分色像素元反射的紅、綠、藍組分色照明。這樣，在圖4的假想的第二投影顯示器的投影透鏡中的橫向色差效應(yīng)可能產(chǎn)生明顯的彩色發(fā)散。
圖5表示對于如圖1所示的本發(fā)明的投影顯示器400的實施例中投影光學(xué)裝置452的橫向色差效應(yīng)的補償。與圖3和圖4類似，在圖5中表示一個簡化的示意側(cè)視圖，表示對應(yīng)的紅、綠、藍反射式液晶偏振調(diào)制器440R、G、B(圖5中未示出)的紅、綠、藍組分色偏振調(diào)制器表面441R、G、B的上半部分。投影顯示器400的投影光學(xué)裝置452為在投影顯示器的顯示屏456上成像的紅、綠、藍組分色圖形提供具有不同軸向位置的物面。在一般情況下，與在一個顯示屏上成像所有3個紅、綠、藍組分色圖形提供單個物面因而可比擬的性質(zhì)受到限制的投影光學(xué)裝置相比，這樣的多個物面的投影光學(xué)裝置趨于較簡單的設(shè)計和較少的生產(chǎn)成本。對于紅、綠、藍組分色中的每一個組分色，確定一個組分色中心光路480R、G、B，使其與相應(yīng)的組分色光的亮像素偏振狀態(tài)的線偏振子光束的中心軸重合，所說組分色光的亮像素偏振狀態(tài)的線偏振子光束是從偏振調(diào)制器表面441R、G、B反射來的，大體上沿著偏振調(diào)制器表面的法線方向通過光束彩色分割/組合棱鏡組件436、偏振分束器470、和投影光學(xué)裝置452，在這里亮像素偏振狀態(tài)的線偏振子光束與投影光學(xué)裝置452的中心軸460大體上重合。投影顯示器400的投影光學(xué)裝置452為在顯示屏456上成像紅綠藍組分色圖形提供分開的物面，它們定位在距投影物體距離基準(zhǔn)點462的不同軸向距離，所說的軸向距離是分別沿相應(yīng)的組分色中心光路480R、G、B的軸向確定的，所說物面軸向位置距離為測量方便起見被定義為在投影光學(xué)裝置452的中心軸460和投影光學(xué)裝置的入口光學(xué)表面之間的一個交叉點，它是在各個光路共線的一段光路上的在3個中心光路480R、G、B上的一個點。確定3個反射式組分原色偏振調(diào)制器440R、G、B的位置，因而每個組分色偏振調(diào)制器表面441R、G、B至少在用于成像相應(yīng)的組分色圖形的物面的附近。
在圖5的投影顯示器400中，3個偏振調(diào)制器表面441R、G、B中的每一個的取向都垂直于進入投影顯示器的光束彩色分割/組合棱鏡組件436的相應(yīng)的組分色出射/入射端口的相應(yīng)的組分色中心光路480R、G、B。因此，在投影顯示器中，3個偏振調(diào)制器表面441R、G、B的取向和位置彼此不同，如從圖1中可看見的。與圖4的假想的第二投影顯示器的情況類似，在圖5的示意側(cè)視圖中，為簡單起見，所示的組分色偏振調(diào)制器表面441R、G、B的取向是相互平行的。在圖5中所示的組分色偏振調(diào)制器表面441R、G、B在軸向相互隔開，以表示偏振調(diào)制器表面距投影物體距離基準(zhǔn)點462的軸向距離之差，所說的距離是沿相應(yīng)的組分色中心光路480R、G、B測得的。每個反射式偏振調(diào)制器表面441R、G、B都包括多個排列成平面陣列形式的、單個可控的、反射式的、偏振調(diào)制器像素元(未示出)。在偏振調(diào)制器表面441R、G、B上定位像素元的對應(yīng)的平面陣列，以及在偏振調(diào)制器表面和相應(yīng)的組分色中心光路之間的對應(yīng)的交叉點，在幾何上基本上是相互疊合的。雖然在圖5中沒有具體表示，但應(yīng)該理解，如圖5所示的偏振調(diào)制器表面441R、G、B與3個偏振調(diào)制器表面的相應(yīng)的像素元是軸向?qū)R的，所說3個偏振調(diào)制器表面的相應(yīng)的像素元沿平行組分色中心光路480R、G、B并且與偏振調(diào)制器表面垂直的軸方向軸向?qū)R。
就圖3和圖4的假想的第一和第二投影顯示器的測試點組分色光線錐體504R、G、B和514R、G、B而論，圖5中的3個測試點組分色光線錐體524R、G、B對應(yīng)于在顯示屏456上投影的復(fù)合彩色圖形周邊上的單個復(fù)合彩色測試點484(如圖1所示的)，所說的復(fù)合彩色測試點484距本發(fā)明的投影顯示器400的實施例的投影光學(xué)裝置452的交叉點482有一個橫向偏移。具體來說，通過從在投影圖形上的復(fù)合彩色測試點484開始、通過投影光學(xué)裝置452、偏振分束器470、和光束彩色分割/組合棱鏡組件436、并且到相應(yīng)的組分色偏振調(diào)制器440R、G、B的偏振調(diào)制器表面441R、G、B、沿表現(xiàn)出投影光學(xué)裝置452的色差(其中包括橫向色差)的彩色相關(guān)路徑跟蹤對應(yīng)的組分色的亮像素偏振狀態(tài)的線偏振光的所有光線，可以確定每個測試點組分色光線錐體524R、G、B。
投影顯示器400的投影光學(xué)裝置452是非遠心的，投影光學(xué)透鏡系統(tǒng)孔徑光闌458沿投影光學(xué)裝置的投影光學(xué)裝置中心軸定位在非遠心的投影光學(xué)裝置孔徑光闌位置，所說的孔徑光闌位置距投影光學(xué)裝置的焦點有一個軸向位移。投影顯示器400的3個測試點組分色光線錐體524R、G、B中的每一個都包括一個相對于投影顯示器的非遠心的投影光學(xué)裝置確定的測試點組分色主要光線526R、G、B。通過從在投影圖形上的復(fù)合彩色測試點484開始、通過投影光學(xué)裝置452并通過投影光學(xué)裝置孔徑光闌458的中心、并通過偏振分束器470、和光束彩色分割/組合棱鏡組件436、到達相應(yīng)的組分色偏振調(diào)制器440R、G、B的偏振調(diào)制器表面441R、G、B、沿表現(xiàn)出投影光學(xué)裝置452的色差(其中包括橫向色差)的彩色相關(guān)路徑跟蹤對應(yīng)的組分色的亮像素偏振狀態(tài)的線偏振光的光線，可以確定每個測試點組分色光線錐體526R、G、B。因為投影光學(xué)裝置452的投影光學(xué)裝置孔徑光闌458的中心是非遠心的孔徑光闌位置，所以通過投影光學(xué)裝置孔徑光闌458的中心的每個組分色測試點主要光線526R、G、B與相應(yīng)的組分原色偏振調(diào)制器440R、G、B的偏振調(diào)制器表面子441R、G、B以一個非遠心交角相交，在交叉點相對于偏振調(diào)制器表面441R、G、B的法線是傾斜的，如從圖5中可以看到的。具體來說，選擇投影光學(xué)裝置孔徑光闌458沿投影光學(xué)裝置452的投影光學(xué)裝置中心軸460相對于投影光學(xué)裝置的焦點的位置，以使組分色測試點主要光線526R、G、B沿離開投影顯示器的光束彩色分割/組合棱鏡組件436的相應(yīng)的組分色中心光路480R、G、B的方向從相應(yīng)的組分色中心光路480R、G、B開始發(fā)散。因此，由于偏振調(diào)制器表面441R、G、B沿相應(yīng)的組分色中心光路480R、G、B測量的距投影物體距離基準(zhǔn)點462的軸向距離是增加的，所以相應(yīng)的組分色測試點主要光線526R、G、B(以及相應(yīng)的測試點組分色光線錐體534R、G、B本身)與偏振調(diào)制器表面441R、G、B相交的橫向偏差也隨之增加。這樣，如圖5所示，如果在選擇所說組分色的對應(yīng)的偏振調(diào)制器表面441R、G、B的軸向位置過程中考慮到測試點組分色光線錐體524R、G、B的組分色測試點主要光線526R、G、B與組分色中心光路480R、G、B相交的非遠心交角，則可以對于非遠心投影光學(xué)裝置452進行設(shè)計，以補償由投影光學(xué)裝置452的橫向色差引起的不同彩色的組分色子光束的橫向放大系數(shù)之差。對于固定設(shè)計的投影光學(xué)裝置，移動組分色偏振調(diào)制器表面441R、G、B，使其離開由投影光學(xué)裝置452為所說組分色建立的相應(yīng)的物面，從而使由偏振調(diào)制器表面441編碼的組分色圖形趨向于離開顯示屏456上的焦點。組分色測試點主要光線526R、G、B與偏振調(diào)制器表面441R、G、B相交的非遠心交角允許使用少量的散焦來調(diào)節(jié)在顯示屏456上的彩色會聚度。
現(xiàn)在參照附圖6，本發(fā)明的投影光學(xué)裝置透鏡組件652的一個實施例適于加入本發(fā)明的數(shù)字圖形的彩色投影顯示器中，如圖1的投影顯示器400。透鏡組件652有一個投影光入口光學(xué)端口650和一個投影光出口光學(xué)端口657。投影光學(xué)裝置中心軸660通過透鏡組件600的中心并從入口光學(xué)端口650和出口光學(xué)端口657開始軸向延伸。
可以通過投影光學(xué)裝置透鏡組件652在復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面656中成像復(fù)合彩色圖形，所說投影顯示圖像平面垂直于透鏡組件652的投影光學(xué)裝置中心軸660，與投影光學(xué)裝置出口光學(xué)端口657隔開。透鏡組件652的投影光學(xué)裝置中心軸660在圖像平面中心軸交叉點682與復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面656相交。
紅組分色投影顯示物面690R在與投影光學(xué)裝置入口光學(xué)端口650離開的一個位置垂直于投影光學(xué)裝置透鏡組件652的投影光學(xué)裝置中心軸660。類似地，綠組分色投影顯示物面690G和藍組分色投影顯示物面690B分別垂直于投影光學(xué)裝置透鏡組件652的投影光學(xué)裝置中心軸660。投影光學(xué)裝置中心軸660在紅組分色物面中心軸交叉點692R與紅組分色投影顯示物面690R相交。投影光學(xué)裝置中心軸660在綠組分色物面中心軸交叉點692G與綠組分色投影顯示物面690G相交，投影光學(xué)裝置中心軸660在藍組分色物面中心軸交叉點692B與藍組分色投影顯示物面690B相交。
投影光學(xué)裝置透鏡組件表現(xiàn)出既有軸向彩色效應(yīng)又有橫向色差效應(yīng)。如下面更加詳細地描述的，紅綠藍組分色投影顯示圖像平面690R、G、B中的每一個都有沿投影光學(xué)裝置中心軸660的不同的軸向位置。對于紅色光，投影光學(xué)裝置透鏡組件652適于按照投影方式向復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面656上成像定位在紅組分色投影顯示物面690R內(nèi)的紅組分色圖形。對于綠色光，投影光學(xué)裝置透鏡組件652適于按照投影方式向復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面656上成像定位在綠組分色投影顯示物面690G內(nèi)的綠組分色圖形。類似地，對于藍色光，投影光學(xué)裝置透鏡組件652適于按照投影方式向復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面656上成像定位在藍組分色投影顯示物面690B內(nèi)的藍組分色圖形。投影光學(xué)裝置透鏡組件652表現(xiàn)出的橫向色差在于對于不同的組分原色，測試復(fù)合彩色物體圖形的橫向放大系數(shù)不同，其中所說的測試復(fù)合彩色物體圖形相對于投影光學(xué)裝置中心軸660有一個橫向移動范圍，其中所說的測試復(fù)合彩色物體圖形沿中心軸660設(shè)置在測試物體位置并且由透鏡組件向復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面656投影；而且，所說的透鏡組件652的散焦程度由于存在軸向彩色效應(yīng)最多幾乎只有一個組分原色。
投影光學(xué)裝置透鏡組件652包括一個入口透鏡692，它定位在投影光學(xué)裝置入口光學(xué)端口650。入口透鏡693有一個入口光學(xué)表面694，面向入口光學(xué)端口650的外部。投影光學(xué)裝置中心軸660與入口透鏡693的入口光學(xué)表面694在物面距離基點662與入口透鏡693的入口光學(xué)表面694相交，所述的物面距離基點662用作測量透鏡組件652和紅綠藍組分色投影顯示物面690R、G、B物面軸向位置距離。
投影光學(xué)裝置透鏡組件652有一個投影光學(xué)裝置孔徑光闌658，孔徑光闌658沿投影光學(xué)裝置中心軸660定位在投影光學(xué)裝置孔徑光闌位置695。投影光學(xué)裝置孔徑光闌位置695是一個非遠心位置，對此位置進行選擇，以獲得某種傾斜的幾何條件來收集用于投影的離軸光，如以下所述。
復(fù)合彩色圖像測試點位置686定位在距圖像平面中心軸交叉點682有橫向偏移的復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面656。相對于投影光學(xué)裝置透鏡組件652確定相應(yīng)的測試點主要光線徑跡。主要光線徑跡的確定在光學(xué)設(shè)計中是常規(guī)的。例如，參見“光學(xué)”(第3版，EugeneHecht，(Addison-Wesley)1998)的173-175頁，在里參考引用了這篇文獻。
紅組分色測試點主要光線徑跡作為紅光光線從在復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面中發(fā)生了橫向偏移的復(fù)合彩色圖像測試點位置686開始、通過投影光學(xué)裝置透鏡組件652并通過投影光學(xué)裝置孔徑光闌658的中心點(與投影光學(xué)裝置中心軸660上的投影光學(xué)裝置孔徑光闌位置695重合)進入投影光學(xué)裝置出口光學(xué)端口657、并且離開投影光學(xué)裝置入口光學(xué)端口650以便與紅組分色投影顯示物面相交。紅組分色測試點主要光線徑跡688R跟蹤紅色相關(guān)路徑通過投影光學(xué)裝置透鏡組件652，透鏡組件652表現(xiàn)出透鏡組件的色差，其中包括橫向色差色差。用類似的方法確定綠組分色測試點主要光線徑跡688G和藍組分色測試點主要光線徑跡688B。綠組分色測試點主要光線徑跡688G跟蹤綠色相關(guān)路徑通過投影光學(xué)裝置透鏡組件652，藍組分色測試點主要光線徑跡688B跟蹤藍色相關(guān)路徑通過投影光學(xué)裝置透鏡組件652。分別由綠組分色測試點主要光線徑跡688G和藍組分色測試點主要光線徑跡688B跟蹤的彩色相關(guān)路徑表現(xiàn)出透鏡組件652的色差，其中包括橫向色差。在圖6中表示的是進入投影光學(xué)裝置透鏡組件652的投影光學(xué)裝置光出射端口657之前的紅、綠、藍組分色主要光線徑跡688R、G、B，這是單個共線光線。圖中所示的組分色主要光線688R、G、B沒有通過圖6中的透鏡組件652的內(nèi)部。在離開投影光學(xué)裝置光入射端口650時，圖中所示的紅綠藍主要光線徑跡688R、G、B是彼此隔開的3根平行光線，代表在投影光學(xué)裝置透鏡組件652中的色差，其中包括3個組分色的源自透鏡組件652的橫向色差的橫向放大系數(shù)之差。
紅組分色測試點主要光線徑跡688R與紅組分色投影顯示物面690R在紅組分色物體測試點位置696R相交。綠組分色測試點主要光線徑跡688G與綠組分色投影顯示物面690G在綠組分色物體測試點位置696G相交。類似地，藍組分色測試點主要光線徑跡688B與藍組分色投影顯示物面690B在藍組分色物體測試點位置696B相交。紅、綠、藍組分色物體測試點位置696R、G、B中的每一個，相對于復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面656中的復(fù)合彩色圖像測試點位置696R、G、B來說，在光學(xué)上對于相應(yīng)的紅綠藍原色光線是共軛的。
紅、綠、藍組分色物體測試點位置696R、G、B中的每一個，都從相應(yīng)的紅綠藍組分色投影顯示物面690R、G、B的物面中心軸交叉點692R、G、B開始發(fā)生橫向偏移。在圖6中用ΔR表示在紅組分色物體測試點位置696R和紅組分色物面中心軸交叉點692R之間的紅組分色物體測試點橫向偏移距離。類似地，用ΔB表示在藍組分色物體測試點位置696B和藍組分色物面中心軸交叉點692B之間的藍組分色物體測試點橫向偏移距離。綠組分色物體測試點橫向偏移距離ΔG是綠組分色物體測試點位置696G和綠組分色物面中心軸交叉點692G之間的距離。
如以上所述，投影光學(xué)裝置透鏡組件652的投影光學(xué)裝置孔徑光闌658的投影光學(xué)裝置孔徑光闌位置695是非遠心孔徑光闌位置。結(jié)果，如在圖6中重點表示的，紅、綠、藍組分色測試點主要光線徑跡以一個非遠心交角與相應(yīng)的組分色投影顯示物面690R、G、B相交，在交叉點相對于物面的法線傾斜。對于沿3個紅綠藍組分色投影顯示物面690R、G、B的投影光學(xué)裝置中心軸660的對應(yīng)的軸向位置進行選擇，以使當(dāng)考慮到相應(yīng)的組分色測試點主要光線688R、G、B與相應(yīng)的組分色物面690R、G、B相交的非遠心交角并且考慮到組分色物面690R、G、B的軸向位置的時候，ΔR、ΔG、ΔB彼此大體上相等。對于使用數(shù)字圖形編碼的光束調(diào)制器板的特定的數(shù)字圖形投影顯示器中的應(yīng)用，紅、綠、藍組分色物體測試點橫向移動距離ΔR、ΔG、ΔB彼此相等，并且將其限制在至少為光束調(diào)制器板的相鄰像素元的中心-中心的間距之內(nèi)。由于投影光學(xué)裝置透鏡組件652存在色差效應(yīng)，所以在透鏡組件652的入口透鏡693的入口光學(xué)表面694上的物面距離基點和相應(yīng)的紅、綠、藍組分色投影顯示物面690R、G、B的對應(yīng)的物面中心軸交叉點692R、G、B之間的物面軸向位置距離彼此不同，因而滿足了紅綠藍組分色測試點橫向移動距離ΔR、ΔG、ΔB大體相等的條件。
投影光學(xué)裝置透鏡組件652最好用在中數(shù)字圖形投影顯示器，數(shù)字圖形投影顯示器使用數(shù)字圖形編碼的光束調(diào)制器板分開調(diào)制紅、綠、藍光光束，然后組合所說的紅、綠、藍光光束以形成通過透鏡組件652投影在復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面656上成像復(fù)合彩色圖形含復(fù)合彩色圖形的光束。對于透鏡組件進行設(shè)計，以便在透鏡組件692的入口光學(xué)端口650的物面距離基點692和相應(yīng)的紅綠藍組分色投影顯示物面690R、G、B的對應(yīng)的物面中心軸交叉點692R、G、B之間足夠大的組分色物面軸向位置距離，以便在入口光學(xué)端口650和數(shù)字圖形編碼的光束調(diào)制器板之間容納偏振分束器和用于在物面位置定位紅、綠、藍光束的光束彩色分割/組合元件，所說的光路在入口光學(xué)端口650和對應(yīng)的光束調(diào)制器板之間分別延伸，通過偏振調(diào)制器和光束彩色分割/組合元件，有效地對應(yīng)于相應(yīng)的紅、綠、藍組分色物面軸向位置距離。以上結(jié)合圖1和圖2的投影顯示器的實施例討論了用于數(shù)字圖形投影顯示器的偏振分束器和光束彩色分割/組合元件的一種安排。期望適用于在數(shù)字圖形投影顯示器中的投影光學(xué)裝置透鏡組件652的偏振分束器和光束彩色分割/組合元件的另一種安排包括在授予Sampsell和Florence的美國專利No.6113239和授予Johnson和Sharp的美國專利No.6183091中公開的一種安排。
考慮本發(fā)明的投影顯示器的一個實施例，其中接收圖像錐體的棱鏡元件的F數(shù)為F/2.8。如果投影顯示器要在F/3.8操作，則可引入2.8度的一個主光線傾角，并且?guī)缀跛械墓饩€都可能保留在棱鏡光學(xué)裝置的F/2.8的圖像錐體內(nèi)。成像板軸向移動100微米，將可給出約5微米的主要光線的高度移動。這樣的高度移動可能是一個像素的一個很大的份額，在一般情況下期望這種高度移動能給出補償橫向色差的足夠大的自由度。在照明系統(tǒng)的設(shè)計中，還應(yīng)考慮光瞳的所選位置。照明系統(tǒng)中的透鏡焦度和距離可能相對于具有遠心投影光學(xué)裝置的顯示器的透鏡焦度和距離進行變化，但這個變化不存在大的技術(shù)難題。
下面描述通常適用利用任選的設(shè)計軟件來設(shè)計用于本發(fā)明的投影顯示器的投影光學(xué)裝置的期望程序。
優(yōu)化最佳成像的初始設(shè)計從一個指定的物體-顯示屏-到單個圖像平面-偏振調(diào)制器。通過包含一個中心(主要)光線角在標(biāo)準(zhǔn)功能中加上遠心條件。成像特征是光點的大小。表征在紅、綠、藍的3個中心波長的成像過程。
通常都留有橫向色差，即，在3種彩色中的圖像大小是不同的，不全滿足目標(biāo)。然后，嘗試并確定初始的光瞳位置。如果接受所說的ΔZ的板位置變化，并且剩余的橫向色差是Δh，則以弧度為單位的光瞳角近似等于θP＝Δh/ΔZ。在標(biāo)準(zhǔn)功能中，將這個光瞳角設(shè)定為目標(biāo)，它與0角度不同。
在設(shè)計軟件中產(chǎn)生一個多配置系統(tǒng)。有3種配置，對于每種彩色具有不同的板位置，變量是最終的圖像距離。修改標(biāo)準(zhǔn)功能，以使每種彩色的圖像性質(zhì)對應(yīng)于它的配置。每種彩色的距離變化最初是ΔZ＝Δh/θP。
基于新的條件優(yōu)化所說的系統(tǒng)。使圖像距離在每種配置中成為一個變量。使光瞳角在有限的范圍內(nèi)改變。利用這些附加的變量，現(xiàn)在能夠得到具有良好成像性能的透鏡。
從所采納的透鏡設(shè)計，可以有一個有限的光瞳角。使用這個光瞳角作為照明系統(tǒng)的設(shè)計的限制條件。利用新投影透鏡的光瞳性質(zhì)，可以重新設(shè)計照明系統(tǒng)。
不期望將本發(fā)明限制在上述的特定實施例。本發(fā)明的投影顯示器可以使用成像板，而不使用上述的反射式液晶偏振調(diào)制器，如透射式多晶硅液晶顯示器或反射式離散反光鏡裝置。應(yīng)該認識到，在這里描述的本發(fā)明中可以進行各種變化而不偏離本發(fā)明的范圍和教導(dǎo)，我們期望包括所有其它的與本發(fā)明一致的實施例、替換物、和改進方案。
權(quán)利要求
1.一種投影顯示器設(shè)備，用于向一個復(fù)合彩色圖像平面投影期望的復(fù)合彩色數(shù)字圖形以便觀看，投影顯示器包括非遠心的投影光學(xué)裝置，以建立傾斜的幾何結(jié)構(gòu)來通過投影光學(xué)裝置收集用于投影的離軸光；投影光學(xué)裝置提供多個組分原色物面，分別用于不同原色的物體數(shù)字圖形通過投影光學(xué)裝置按投影方式顯示在復(fù)合彩色圖像平面；至少兩個組分原色物面定位在距投影光學(xué)裝置的不同有效軸向距離處；所說的距投影光學(xué)裝置的物面的有效軸向距離分別鍵控到投影光學(xué)裝置收集的離軸光的傾斜幾何位置以及由不同原色的投影光學(xué)裝置產(chǎn)生的橫向放大中的橫向彩色色差之差，因此在橫向放大中的這種顏色相關(guān)色差趨向于得到補償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影顯示器設(shè)備，其中投影光學(xué)裝置提供3個組分原色物面，分別用于紅、綠、藍的物體圖形。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的投影顯示器設(shè)備，其中3個組分原色物面距投影光學(xué)裝置的有效軸向距離互不相同。
4.一種用于數(shù)字圖形彩色投影顯示器的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)，所說的透鏡系統(tǒng)具有投影光學(xué)裝置光入射端口和投影光學(xué)裝置光出射端口；相對于投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)確定一個投影光學(xué)裝置中心軸，所說中心軸通過透鏡系統(tǒng)的中心并且從光入射端口和光出射端口沿軸向延伸；確定一個復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面，使其大體上垂直于投影光學(xué)裝置中心軸延伸，沿投影光束出射傳播方向與投影光學(xué)裝置光出射端口隔離開；通過投影光學(xué)裝置中心軸與復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面相交確定一個圖像平面中心軸交叉點；對于3個組分原色中的每一個，確定一個組分原色投影顯示物面，使其大體上垂直于投影光學(xué)裝置中心軸延伸，沿與投影光束入射傳播方向的相反方向與投影光學(xué)裝置光入射端口隔離開；通過投影光學(xué)裝置中心軸與對應(yīng)的物面相交，分別對3個組分原色投影顯示物面中的每一個確定一個組分原色物面中心軸交叉點；對于3個組分原色中的每一個，投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)適于按投影方式向組分色圖形投影顯示圖像平面成像定位在相應(yīng)的組分原色投影顯示物面內(nèi)的組分原色圖形；投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)表現(xiàn)出橫向色差；投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)具有投影光學(xué)裝置孔徑光闌，孔徑光闌沿投影光學(xué)裝置中心軸定位在投影光學(xué)裝置孔徑光闌位置；投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)包括一個入口光學(xué)元件，入口光學(xué)元件具有定位在投影光學(xué)裝置入口光學(xué)端口的一個入口光學(xué)表面；投影光學(xué)裝置中心軸與投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)的入口光學(xué)表面相交，確定一個物面距離基點；分別對每個組分原色投影顯示物面確定一個組分原色物面軸向位置距離，它是從投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)的入口光學(xué)表面上的物面距離基點到相應(yīng)的組分原色物面的物面中心軸交叉點測量的；在復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面內(nèi)確定一個復(fù)合彩色圖像測試點位置，這個位置距圖像平面中心軸交叉點有橫向位移；對于每一組分原色，分別確定組分原色測試點主要光線徑跡，作為對應(yīng)的組分原色的光線，從復(fù)合彩色組分色圖形投影顯示圖像平面中的橫向偏移的復(fù)合彩色圖像測試點位置跟蹤進入投影光學(xué)裝置出口光學(xué)端口、通過投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)并通過投影光學(xué)裝置孔徑光闌的中心點、并離開投影光學(xué)裝置入口光學(xué)端口、從而與相應(yīng)的組分原色投影顯示物面相交；3個組分原色測試點主要光線徑跡中的每一個分別跟蹤相應(yīng)的組分原色關(guān)聯(lián)路徑，通過投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)，表現(xiàn)出透鏡系統(tǒng)的色差，其中包括在不同的組分原色的橫向放大的橫向彩色色差之差；在每個組分原色測試點主要光線徑跡和相應(yīng)的組分原色投影顯示物面之間相交的交點確定了一個相應(yīng)的組分原色物體測試點位置，這個組分原色物體測試點位置在光學(xué)上對于在復(fù)合彩色圖形投影顯示圖象面內(nèi)的橫向偏移的復(fù)合彩組分色圖像測試點位置的相應(yīng)的組分原色的光來說是共軛的；每個組分原色物體測試點位置都從相應(yīng)的組分原色投影顯示物面的物面中心軸交叉點開始有一橫向偏移，以確定一個組分原色物體測試點橫向移動距離；投影光學(xué)裝置孔徑光闌的投影光學(xué)裝置孔徑光闌位置是非遠心孔徑光闌位置，因此每個組分原色測試點主要光線徑跡與相應(yīng)的組分原色投影顯示物面以一個非遠心交角相交，相對于交叉點的物面的法線是傾斜的；3個組分原色投影顯示物面沿投影光學(xué)裝置中心軸具有對應(yīng)的軸向位置，因此，如果考慮到相應(yīng)的組分原色測試點主要光線徑跡與對應(yīng)的組分原色物面相交的非遠心交角，并且考慮到色差包括對應(yīng)的組分原色的橫向放大的橫向色差之差，則對于3個組分原色投影顯示物面的組分原色物體測試點橫向移動距離基本上彼此相等；3個組分原色投影顯示物面的對應(yīng)的軸向位置是這樣的3個組分原色投影顯示物面中至少兩個的對應(yīng)的組分原色物面軸向位置距離彼此不同，因此由投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)的橫向色差引起的不同組分原色光束的橫向放大系數(shù)之差趨向于至少部分地在由透鏡組件在復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面內(nèi)成像的整個復(fù)合彩色圖形上得以補償。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)，其中透鏡系統(tǒng)適于按投影方式成像組分原色物體圖形，所說的組分原色物體圖形的尺寸可容納在定位到組分原色投影顯示物面的大體上長方形的物體圖形場內(nèi)，物體圖形場具有高度尺寸和寬度尺寸，在投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)的入口光學(xué)端口上的物面距離基點和相應(yīng)的組分原色物面的物面中心軸交叉點之間的每個物面軸向位置距離至少是物體圖形場的高度尺寸和寬度尺寸中較小者數(shù)值的兩倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)，其中在復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面上確定圖像圖形場，使其對應(yīng)于組分原色投影顯示物面的物體圖形場的圖像，定位在復(fù)合彩色圖形投影顯示圖像平面上的復(fù)合彩色圖像測試點位置在圖像圖形場內(nèi)靠近圖像圖形場周邊的位置定位組分色。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)，其中在與相應(yīng)的組分原色投影顯示物面相交的交點，沿與投影光束入射傳播方向大致相反的方向跟蹤的每個組分原色測試點主要光線徑跡從投影光學(xué)裝置中心軸開始發(fā)散。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的投影光學(xué)裝置透鏡系統(tǒng)，其中3個組分原色投影顯示物面的對應(yīng)的組分原色物面軸向位置距離彼此不同。
全文摘要
補償數(shù)字彩色圖形投影顯示器(400)中橫向色差效應(yīng)是通過為投影顯示器(400)提供投影光學(xué)裝置(4542、652)并且提供多個組分原色物面實現(xiàn)的，所說的投影光學(xué)裝置在某種程度上是非遠心的，因而可為通過投影光學(xué)裝置(452、652)投影收集離軸光建立傾斜的幾何結(jié)構(gòu)，組分原色物面用于通過投影光學(xué)裝置(452)投影顯示不同原色的物體數(shù)字圖形。在距投影光學(xué)裝置(452、652)不同有效軸向距離的至少兩個組分原色物面(690R、G、B)分別鍵控到投影光學(xué)裝置(452、652)的收集的傾斜性質(zhì)的離軸光和不同原色的投影光學(xué)裝置(452、462)產(chǎn)生的橫向放大系數(shù)的橫向色差之差，因此趨向于補償橫向放大系數(shù)的彩色相關(guān)之差。
文檔編號G02B27/00GK1608383SQ02825839
公開日2005年4月20日 申請日期2002年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月21日
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