專利名稱：使用多個雙遠(yuǎn)心轉(zhuǎn)象器的空間光調(diào)制器的彩色照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及到使用空間光調(diào)制器從數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)形成彩色圖像的投影設(shè)備，更具體地說，涉及到一種照明系統(tǒng)，它從白光源提供具有高強(qiáng)度、高效率和清晰光譜邊緣的彩色照明。
背景技術(shù)：
要成為傳統(tǒng)電影投影機(jī)的適當(dāng)替代品，數(shù)字投影系統(tǒng)必須滿足圖像質(zhì)量的嚴(yán)格要求。這對于多色電影投影系統(tǒng)更是如此。為提供相對傳統(tǒng)電影質(zhì)量投影機(jī)具有競爭力的替代物，數(shù)字投影設(shè)備必須滿足高性能標(biāo)準(zhǔn)，提供高分辨率、寬色域、高亮度以及超過1000∶1的幀順序?qū)Ρ榷取?br> 多色數(shù)字電影投影最有前景的解決方案采用兩種基本類型的空間光調(diào)制器之一作為成像裝置。第一種類型的空間光調(diào)制器是數(shù)字微鏡裝置(DMD)，由德克薩斯州達(dá)拉斯的Texas Instruments，Inc.開發(fā)。DMD裝置在許多專利中都有描述，例如美國專利4441791、5535047、5600383(均授予Hornbeck)；以及美國專利5719695(Heimbuch)。以下美國專利公開了采用DMD的投影設(shè)備的光學(xué)設(shè)計5914818(Tejada等人)、5930050(Dewald)、6008951(Anderson)、6089717(Iwai)。DMD在數(shù)字投影系統(tǒng)中得到采用。然而，雖然基于DMD的投影機(jī)具有提供必需的光通過量、對比度和色域的能力，但固有的分辨率限制(當(dāng)前裝置的分辨率僅為1024×768像素)以及高的組件和系統(tǒng)成本仍然限制了DMD用于高質(zhì)量數(shù)字電影投影的可接受度。
用于數(shù)字投影的第二種類型空間光調(diào)制器是液晶裝置(LCD)。LCD通過選擇性地調(diào)制每條對應(yīng)像素的入射光的偏振狀態(tài)而以像素陣列的形式形成圖像。LCD作為高質(zhì)量數(shù)字電影投影系統(tǒng)的空間光調(diào)制器似乎具有優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括較大的裝置尺寸和良好的成品率。以下美國專利中公開了使用LCD空間光調(diào)制器的電子投影設(shè)備的一些示例5808795(Shimomura等人)、5798819(Hattori等人)、5918961(Ueda)、6010121(Maki等人)以及6062694(Oikawa等人)。
在使用空間光調(diào)制器的電子投影設(shè)備中，傳統(tǒng)上為紅、綠、藍(lán)(RGB)的各種顏色在光學(xué)路徑中對應(yīng)的紅、綠或藍(lán)部分中分別進(jìn)行調(diào)制。每種顏色的調(diào)制光線隨后進(jìn)行組合以便形成合成多色RGB彩色圖像。投影光學(xué)系統(tǒng)有兩種組合調(diào)制彩色光線的基本方法。第一種方法可定性為會聚方法，由早期的傳統(tǒng)投影系統(tǒng)修改而成。使用會聚方法，紅、綠和藍(lán)光分量具有單獨(dú)的軸，這些軸由投影光學(xué)系統(tǒng)會聚，有效地在必要時彎曲每條光路，從而在某一焦面上形成合成多色彩色圖像。作為說明性示例，美國專利5345262(Yee等人)公開了一種會聚視頻投影系統(tǒng)。值得注意的是，美國專利5345262的公開說明了會聚投影方法的一個主要問題即，分開的彩色圖像必須在投影表面上適當(dāng)配準(zhǔn)。配準(zhǔn)不良或沿著任何一條彩色光線投影路徑不良聚焦都易產(chǎn)生不令人滿意的圖像。使用這種方法，觀察圖像路徑是否僅會聚在聚焦面上是有益的。
美國專利5907437(Sprotbery等人)公開了一種嘗試，以簡化設(shè)計復(fù)雜性，減輕使用上述會聚方法的多色投影系統(tǒng)所固有的一些光路校直和配準(zhǔn)問題。在美國專利5907437公開中，描述了光閥投影系統(tǒng)，其中，會聚光學(xué)系統(tǒng)會聚了紅、綠和藍(lán)調(diào)制光路，以便形成會聚圖像，有利地以投影透鏡的軸為中心。美國專利5907437中概述的設(shè)計策略因而使用會聚方法簡化系統(tǒng)的投影透鏡設(shè)計任務(wù)。然而，會聚方法固有的其它問題仍然存在。
對于類似于美國專利5907437中公開的方法的各種方法，一個顯著的問題是相對較高的廣延(etendue)。在光學(xué)領(lǐng)域中眾所周知，廣延與光學(xué)系統(tǒng)可處理的光量相關(guān)?？赡苁菑V延越大，圖像越亮。從數(shù)字上講，廣延與兩個因子、即圖像面積和數(shù)值孔徑的乘積成比例。例如，增大數(shù)值孔徑，增大廣延，以便光學(xué)系統(tǒng)捕獲更多光線。同樣，增大源圖像大小以便在較大區(qū)域上產(chǎn)生光線，這增大廣延，并因此增加亮度。通常增大廣延會導(dǎo)致更復(fù)雜、成本更高的光學(xué)設(shè)計。使用如美國專利5907437中概述的方法，例如，必須為大的廣延設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡組件。必須通過系統(tǒng)光學(xué)器件會聚的光的源圖像面積是在紅、綠和藍(lán)光路中空間光調(diào)制器的組合區(qū)域之和；顯然，這是形成的最終多色圖像面積的三倍。也就是說，由于紅、綠和藍(lán)色光路是分開的且必須進(jìn)行光會聚，因此對于美國專利5907437中公開的配置，光學(xué)組件要處理相當(dāng)大的圖像區(qū)域以及因此產(chǎn)生的高廣延。另外，雖然美國專利5907437中公開的配置處理的光是來自形成的最終多色圖像面積的三倍的區(qū)域，但此配置不提供任何增加亮度的益處，因?yàn)槊糠N顏色路徑僅包含總亮度級的三分之一。特別是諸如美國專利5907437公開的會聚光學(xué)系統(tǒng)的第二轉(zhuǎn)象透鏡和投影透鏡固有地受大廣延的限制，從而增加了此類解決方案的成本和復(fù)雜性。另外，第二轉(zhuǎn)象透鏡必須在整個可見光譜上進(jìn)行顏色修正。同時，轉(zhuǎn)象透鏡和投影透鏡的不同部分處理不同的波長，使得局部透鏡缺陷、灰塵或污垢不僅影響投影圖像，也可影響色彩品質(zhì)。因此，根據(jù)廣延約束、顏色糾正需要、灰塵與污垢敏感度以及數(shù)字投影的亮度級最大化的需求，似乎存在極大的固有限制，妨礙美國專利5907437中例示的會聚方法。
投影光學(xué)系統(tǒng)的另一方法可定性為同軸方法。與彎曲紅、綠和藍(lán)光束分量以會聚在焦面的會聚方法相比，同軸方法沿著公共軸組合紅、綠和藍(lán)調(diào)制光束分量。為此，同軸方法采用二向色組合元件，如X-立方體(X-cube)或飛利浦棱鏡。在光學(xué)成像領(lǐng)域中，X-立方體或X-棱鏡以及相關(guān)的二向色光學(xué)元件、如美國專利5098183(Sonehara)和6019474(Doany等人)中所公開的那些元件已為人所熟知。二向色組合元件組合來自每種顏色路徑的調(diào)制光線，并沿著公共軸將顏色路徑折疊在一起以便為投影透鏡提供組合的彩色圖像。參照圖1，其中表示了使用同軸方法的傳統(tǒng)數(shù)字投影系統(tǒng)10的簡化框圖。每種顏色路徑(r＝紅，g＝綠，b＝藍(lán))使用類似組件以形成調(diào)制光束。每條路徑內(nèi)的各個組件適當(dāng)?shù)赜酶郊觬、g或b標(biāo)注。然而，對于隨后的說明，各顏色路徑之間的區(qū)別僅在必要時才指明。沿著三條顏色路徑中的任何一條，光源20提供未調(diào)制光，該光經(jīng)均勻化光學(xué)器件22調(diào)節(jié)以提供均勻照明。偏振分束器24引導(dǎo)具有適當(dāng)偏振狀態(tài)的光到達(dá)空間光調(diào)制器30，該調(diào)制器選擇性地在像素陣列處調(diào)制入射光的偏振狀態(tài)。空間光調(diào)制器30的操作形成圖像。來自該圖像的調(diào)制光通過偏振分束器24，沿著光軸Or、Og、Ob傳送，并被引入二向色組合器26，這一般是傳統(tǒng)系統(tǒng)中的X-立方體、飛利浦棱鏡或二向色表面組合。二向色組合器26組合來自各個光軸Or、Og、Ob的紅、綠和藍(lán)調(diào)制圖像，從而形成組合多色圖像，供投影透鏡32沿著公共光軸O投影在諸如投影屏幕的顯示表面40上。
與參照美國專利5907437概述的上述會聚方法相比，如圖1的框圖中所示且在美國專利5808795(Shimomura等人)中舉例闡述的同軸方法具有多種優(yōu)勢。對于光通過量，由于同軸方法沿公共軸組合光路，因此它不增加光學(xué)系統(tǒng)的廣延。而對于投影透鏡32，二向色組合器26通過折疊適當(dāng)?shù)墓廨SOr和Ob以便與光軸Og相接并形成公共光軸O，從光方面重疊了空間光調(diào)制器30r、30g、30b的區(qū)域。這樣，無論是一個、兩個、三個還是更多的空間光調(diào)制器以此方式組合都不會增加廣延。此外，由于每種光顏色都是單獨(dú)調(diào)制、再組合并沿著公共光軸O提供給投影透鏡32，因此二向色組合器26和投影透鏡32之間不需要光學(xué)系統(tǒng)。
如美國專利3202039(DeLang等人)中公開的飛利浦棱鏡可另外用作二向色組合器26。數(shù)字圖像投影領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，飛利浦棱鏡在投影機(jī)設(shè)計中被用作彩色分離器或組合器組件，例如，在美國專利6280035和6172813(均授予Tadic-Galeb等人)、6262851(Marshall)和5621486(Doany等人)中所公開的那些設(shè)計。
雖然使用圖1中的基本模型設(shè)計的數(shù)字投影系統(tǒng)10能夠提供高級別的圖像質(zhì)量，但似乎有改進(jìn)的余地。由二向色涂層強(qiáng)加的約束是重要的考慮事項。用于二向色組合器26的二向色涂層價格高，并且對于各種角度的入射光，為了具有適當(dāng)?shù)男阅?，難以設(shè)計和制作，尤其是在需要高亮度級和寬色域的投影應(yīng)用中。二向色涂層根據(jù)入射角和波長反射和透射光。隨著入射角改變，透射或反射的光的波長也隨之改變。只要二向色涂層與具有低f/#的光學(xué)系統(tǒng)一起使用，則由于入射角度范圍很廣，涂層便會反射或透射廣譜。
圖2a和2b說明二向色涂層的性能改變隨著入射光角度范圍而增大。參照圖2a和2b，它表示了來自點(diǎn)光源P并入射到二向色表面36的光錐，在這兩個圖中二向色表面36設(shè)置在對角線上。圖2a和2b表示以兩個不同的f/#值入射到二向色表面36的光。在圖2a中，具有較小f/#的光錐以較大范圍角度入射到二向色表面36。入射角是根據(jù)到二向色表面36的法線N來確定的。由于在入射光束一端的角度A和相反的另一端的角度B不同，二向色表面36將在透射和反射的光錐上引起色移。
通過比較，圖2b中光錐以較大的f/#入射。此時，入射光錐各端的角度A和角度B之間差別很小。在這種情況下，與圖2a中較小f/#的情況相比，二向色表面36的響應(yīng)將在透射和反射的光錐上引起相應(yīng)的較小色移。
從圖2b和2a可看到，二向色表面36具有一些支承結(jié)構(gòu)，一般是棱鏡42。為將象差降到最低，表面44a和44b的平直度在圖2a的較小f/#的情況下比在圖2b的較大f/#的情況下更重要，圖2a中光錐呈現(xiàn)較大的角度范圍，而圖2b中光錐呈現(xiàn)較小的角度范圍。因此，如果可以使用較大f/#的光錐，二向色組合器中棱鏡42的表面公差要求就可以放松一些，從而減少成本和校準(zhǔn)復(fù)雜性。然而，按照慣例，由于系統(tǒng)設(shè)計旨在讓亮度最大化，因此在投影系統(tǒng)中使用具有較小f/#的光錐。
與圖2a和圖2b中所示的較高f/#的益處相關(guān)的是通過比較圖2c和圖2d而闡述的遠(yuǎn)心優(yōu)點(diǎn)。在此，點(diǎn)光源P1、P2和P3表示在平整像平面上的點(diǎn)，而光線入射在二向色表面36上。在圖2c中，來自點(diǎn)光源P1、P2和P3的光錐是遠(yuǎn)心的，對應(yīng)的角度C和D相同。相比較而言，在圖2d中，光錐是非遠(yuǎn)心的，對應(yīng)的角度C和D不同。入射角度的這種不同可引起來自點(diǎn)光源P1的光線顏色與來自點(diǎn)光源P3的光線顏色略微不同，從而在視場中產(chǎn)生色移。
從圖2a-2d中可以看到，以小范圍入射角度(即，在高f/#時)提供遠(yuǎn)心光具有優(yōu)勢。然而，實(shí)際上卻發(fā)現(xiàn)，由于需要同時維持高亮度級，所以難以為數(shù)字投影設(shè)備獲得這些優(yōu)勢。
在成像技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知，為了讓色域最大化，每種復(fù)合色應(yīng)具有窄的光譜范圍，以便提供盡可能純的飽和色。例如，使用也包括一些綠光的紅光通道將很難產(chǎn)生深紅色。因此，低f/#與混合顏色棱鏡或其它光學(xué)元件一起使用時，二向色涂層的廣譜響應(yīng)會縮小色域。然而，同時，由于在更寬角度范圍收集的光線更多，因此，最好是使用低f/#以獲得高亮度級。雖然存在諸如過濾等改善色域的常規(guī)糾正技術(shù)，但這些技術(shù)會降低亮度。二向色組合器26內(nèi)的涂層限制約束了投影系統(tǒng)10光學(xué)器件同時優(yōu)化亮度級和色域的能力。
圖3a說明理想X-立方體126對從光源P通過透鏡132射入的光的響應(yīng)。X-立方體126包括具有適當(dāng)表面處理并接合在一起的四個棱鏡128a、128b、128c和128d。表面130a和130b經(jīng)處理以反射來自P點(diǎn)且具有適當(dāng)波長的光。表面130a和130b必須是極佳平面并彼此精確對齊以便提供無象差的反射，從而在點(diǎn)P’形成圖像。與圖3a對比，圖3b表示X-立方體126’的響應(yīng)，其中表面130a和130b并未精確對齊。表面130a和130b未對準(zhǔn)導(dǎo)致來自點(diǎn)光源P的光在點(diǎn)P1’和P2’形成兩個分開的圖像。像點(diǎn)P1’和P2’之間的距離在一個像素寬度左右或更大時，象差效果最為明顯，如上述的可見縫隙。很明顯，通過X-立方體126’反射的圖像中模糊不清將隨著像點(diǎn)P1’和P2’之間任意方向的距離增加而日益顯著。相應(yīng)地，像素尺寸越小，由于X-立方體126’制造中的缺陷造成的象差的影響就會越大。
常見的X-立方體二向色組合器26的限制是裝置本身制造中所固有的。X-立方體由四個棱鏡組裝而成，每個棱鏡的內(nèi)表面都有適當(dāng)?shù)亩蛏繉印Ｔ谥圃爝^程中，將棱鏡粘在一起，內(nèi)表面平面盡可能對齊。然而，在X-立方體與常規(guī)數(shù)字投影方案一起使用時，即使是這些裝置制造中輕微的容差也會導(dǎo)致成像問題。例如，X-立方體內(nèi)的平面涂層表面稍微未對準(zhǔn)就會引起諸如彩色邊紋的象差。彩色邊紋象差可以糾正到一定程度，然而對于二向色組合器設(shè)計將會是一個優(yōu)勢，它更不易于發(fā)生此類問題。組合二向色表面時的“縫隙”往往看上去為顯示圖像中的一或多根線條。由于各個組件棱鏡需要具有相同的折射率，因此制造高質(zhì)量X-立方體進(jìn)一步復(fù)雜化；實(shí)際上，相同的玻璃熔體用于所有棱鏡組件時可以最好地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。此外，涂覆工藝在多個棱鏡表面上必須一致。加至X-立方體表面的光學(xué)涂層一般具有亞微米的厚度，并且是多層的，有時需要多達(dá)50或60層。因此，除精確的制造操作外，必須進(jìn)行仔細(xì)的部件跟蹤。其它問題是由于難以在組裝的X-立方體外表層上提供均勻平整表面而引起的。可以理解，這種復(fù)雜性會大大增加X-立方體的成本。最終，使用常規(guī)方法獲得亮度導(dǎo)致高熱量級，這會損壞X-立方體的粘合和涂層表面。
可以容易理解，實(shí)際上，制造如圖3a所示的完美X-立方體126將會非常困難，必須允許一些容差。由于這種原因，在使用X-立方體126設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)時，將對保持精確X-立方體126容差的依賴性降到最低是有利的。
成像質(zhì)量相關(guān)的重要性是保持光學(xué)系統(tǒng)中盡可能存在遠(yuǎn)心。在來自空間光調(diào)制器30表面上的兩個不同點(diǎn)光源位置的光錐不是遠(yuǎn)心的時，這些不同的位置就在二向色組合器26中呈現(xiàn)出到二向色表面不同的入射角度。作為響應(yīng)，二向色組合器26在不同視場位置反射不同波長帶，導(dǎo)致整個圖像上的色移。眾所周知，在光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域中，空間光調(diào)制器30上的遠(yuǎn)心成像有助于進(jìn)一步降低圖像上的對比濃淡。
投影設(shè)備設(shè)計中另一個眾所周知的原則是，讓投影透鏡32的負(fù)焦距最小化，因而使投影透鏡32的后工作距離要求和成本最小化，這是有益的。最好是避免具有相對其有效焦距而言、長的后焦距的投影透鏡的成本和復(fù)雜性要求，例如，美國專利6008951(Anderson)中公開的方案。
美國專利6113239(Sampsell等人)公開了具有混合X-立方體設(shè)計的投影顯示組件的布置，該設(shè)計進(jìn)一步降低了投影透鏡的后工作距離需求。在此公開中，偏振分束器和二向色組合表面均被組合在單個X-立方體中，與其它先有技術(shù)設(shè)計相比，這縮短了投影透鏡的工作距離。但是，顯然，美國專利6113239中的設(shè)計不能達(dá)到改進(jìn)亮度的效果，因?yàn)槎蛏砻娴慕嵌燃s束并未減輕。其它問題包括昂貴的涂層溶液，因?yàn)槠穹质魍繉硬⒉皇菍λ蓄伾推窠M合均得到優(yōu)化的。另外，工作距離要求的進(jìn)一步改進(jìn)也是有益的。
美國專利5944401(Murakami等人)中公開了一種在塑料棱鏡內(nèi)包括二向色表面的光學(xué)部件，它可作為X-立方體二向色鏡的替代物。此解決方案在一定程度上緩和了后工作距離要求，因?yàn)樗芰系恼凵渎食^空氣的折射率。為了讓后工作距離最小化，使用可透射的空間光調(diào)制器，允許成像盡可能靠近組合光學(xué)部件。然而，這種布置并不適合使用反射空間光調(diào)制器的投影設(shè)備，因?yàn)楹蠊ぷ骶嚯x要求仍然過大。在后工作距離方面，美國專利5944401的解決方案并不比傳統(tǒng)X-立方體設(shè)計優(yōu)越。全尺寸的電影投影需要一個相當(dāng)大的投影透鏡。另外，美國專利5944401公開的解決方案未解決上述二向色表面的固有角度限制。因此，這種類型的設(shè)計方案限制了亮度級。
美國專利5597222(Doany等人)公開了一種用在數(shù)字投影機(jī)中的光轉(zhuǎn)象透鏡系統(tǒng)，它減輕上述與固有容差問題和投影透鏡工作要求相關(guān)的困難。美國專利5597222公開了使用單個1X、雙遠(yuǎn)心轉(zhuǎn)象透鏡，將來自各個RGB顏色路徑的組合圖像轉(zhuǎn)送到MacNeille偏振分束器。在美國專利5597222中，空間光調(diào)制器設(shè)置在離二向色組合器X-立方體特別近的地方，從而將外表層平整度的缺陷和內(nèi)表層制造的容差的一些潛在負(fù)面影響降到最低。然而，這種解決方案遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法補(bǔ)償X-立方體涂層和表面固有問題，從而使圖像亮度和色域均得以保持。例如，美國專利5597222中提到的設(shè)計未能解決二向色涂層響應(yīng)中固有的角度依賴性，因此，在保持圖像亮度的同時仍難以支持大的色域。另外，投影透鏡也必須在此設(shè)計中使用高數(shù)值孔徑，這意味著相對于較低數(shù)值孔徑的設(shè)計，成本要增加。由于空間光調(diào)制器組件的規(guī)模，美國專利5597222中的設(shè)計仍然非常依賴于高質(zhì)量X-立方體設(shè)計。此外，美國專利5597222中公開的布置在偏振分束器及其調(diào)制LCD之間使用相對大量的光學(xué)組件。由于偏振照明源的路徑中具有大量光學(xué)組件，一些不可避免的應(yīng)力雙折射將必然改變在兩個方向傳播的未調(diào)制和調(diào)制光線的偏振狀態(tài)，從而導(dǎo)致圖像對比度損失。
美國專利6247816(Cipolla等人)公開了使用1X轉(zhuǎn)象透鏡，用以僅在其中一條顏色路徑上將中間圖像傳遞到二向色組合器。美國專利6247816中的解決方案解決了組件封裝問題，但并未減輕由二向色組合器響應(yīng)強(qiáng)加的任何角度限制。美國專利6247816中的解決方案在投影透鏡的后工作距離要求上也未起任何緩和作用。
美國專利4836649(Ledebuhr等人)公開了1X轉(zhuǎn)象透鏡布置，該布置在照明路徑中用于讓偏振組件的大小最小化，并且在調(diào)制光路中用于幫助減輕數(shù)字投影系統(tǒng)的后工作距離限制。雖然此布置具備一些優(yōu)勢，但顏色合成二向色表面仍然必須在低f/#值處理光，從而導(dǎo)致色域縮小。另外，投影透鏡在使用此解決方案時也必須在低f/#下操作。
如同在美國專利5374968(Haven等人)公開中所強(qiáng)調(diào)的一樣，將投影系統(tǒng)亮度最大化的傳統(tǒng)方式強(qiáng)調(diào)低f/#光學(xué)系統(tǒng)。但是，如上面參照圖2a-2d所述，低f/#光學(xué)系統(tǒng)的大入射角妨礙了用于組合各顏色圖像路徑的二向色表面的性能。
雖然X-立方體具有高成本和已知問題，但它們?nèi)栽诖罅砍上裱b置設(shè)計中用作二向色組合器。廣泛使用X-立方體和類似裝置的一個原因在于，與使用二向色表面的其它方案相比，其休積小巧。為了使投影透鏡的后工作距離最小化，傳統(tǒng)設(shè)計方法將空間光調(diào)制器設(shè)在靠近X-立方體的位置，例如，美國專利6113239中所示。
淘汰X-立方體的策略包括美國專利6231192(Konno等人)中公開的方案。這里，二向色鏡用于組合來自每個顏色調(diào)制路徑的光，并在每條光路中保持相等光程。所述系統(tǒng)提供的解決方案比使用X-立方體光學(xué)器件的傳統(tǒng)方案成本低。然而同時，美國專利6231192公開的方案并未減輕投影透鏡系統(tǒng)的后工作距離要求。此方案將投影機(jī)光學(xué)器件的f/#限制到更慢的速度，約束了可用亮度并要求較大投影透鏡直徑。散光校正必須由投影路徑中的柱面光學(xué)器件提供。
照明光路中也使用二向色組件，包括X-立方體、飛利浦棱鏡和使用二向色表面的相關(guān)結(jié)構(gòu)，通常用于將白光分為紅、綠和藍(lán)光分量以進(jìn)行調(diào)制。美國專利6053615(Peterson等人)、美國專利6220713(Tadic-Galeb等人)和美國專利6254237(Booth)只是使用二向色組件進(jìn)行顏色分離的一些投影機(jī)設(shè)計的示例?？梢灶A(yù)計，無論二向色涂層是用于將調(diào)制光組合到投影路徑中，還是用于分開照明路徑中的未調(diào)制光，與光的入射角相關(guān)的相同性能問題仍會存在。二向色表面從不同角度接收入射光時，輸出性能受到影響，使整個視場出現(xiàn)明顯的色移。很難糾正這種輕微的色彩濃淡；漸變?yōu)V鏡設(shè)計昂貴并降低了可用的整體亮度。對于顏色精確性，在二向色表面處理相對較低入射角上的入射光時，獲得的效果最佳。這提供了最好的濾色器響應(yīng)特性，使得每條彩色通道中泄露最少不需要的顏色。參照圖6，它按波長表示了二向色表面的典型反射響應(yīng)。這組曲線表明，隨著入射角度在一定范圍上變化，關(guān)于相同二向色表面的響應(yīng)的連續(xù)變化。在此入射角范圍的極端，曲線150a和150z表示了此響應(yīng)可發(fā)生如何顯著的變化。此處，響應(yīng)曲線隨入射角度改變其反射特性，使得在入射角度在一個極端時，如曲線150a所示，主要的轉(zhuǎn)變發(fā)生在520nm附近，而入射角度在另一極端時，如曲線150z所示，主要的轉(zhuǎn)變正好發(fā)生在620nm上。例如，由于入射光在一定范圍內(nèi)變化，因此一些綠光很容易泄露到紅色通道中。這樣，可以理解，限制二向色表面處理的入射角度范圍將提供最佳的顏色性能。同樣，將曲線150a的更陡坡度和曲線150z的較平緩坡度相比，也會有啟發(fā)。通常，二向色表面的響應(yīng)曲線的坡度越陡，光譜特性越好，即泄露的不想要的波長也越少。清晰的光譜邊緣是獲得二向色表面的最佳顏色響應(yīng)所需要的。
將亮度最大化并降低顏色組合器二向色表面上的整體入射角度的一個方案是增大均勻光線區(qū)域大小，并有效地減小二向色分離器表面上入射的均勻化光線區(qū)域的數(shù)值孔徑。然而，如果不增加均勻化組件的體積和成本，這將難以實(shí)現(xiàn)。其它問題自然會出現(xiàn)。例如，若積分棒用作光均勻化器，則只是使積分棒剖面較大并不足夠。為達(dá)到光足夠均勻，積分棒也需要較長，增加大小、重量和成本。類似問題限制了使用其它類型均勻化組件的方案。此類方案由于需要在空間光調(diào)制器本身中讓光最大化并在高數(shù)值孔徑下提供入射光而變得更為復(fù)雜。
總之，數(shù)字投影機(jī)設(shè)計的傳統(tǒng)方法在性能、成本和復(fù)雜性上作了一定的折衷，以便為高質(zhì)量圖像提供最大亮度。在與傳統(tǒng)設(shè)計方法配合使用二向色分離器時，照明光學(xué)器件會在提供高亮度級和光譜純度上受到限制。因此，可以看到，需要改善數(shù)字投影的照明光學(xué)器件，并在提供最大亮度和色域的同時減輕二向色涂層的固有角度限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種照明光學(xué)系統(tǒng)，在數(shù)字投影系統(tǒng)中使用二向色表面時，提供高亮度、高效率和清晰的光譜邊緣。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，本發(fā)明提供一種投影設(shè)備，用于將多色圖像投影到顯示表面上，所述設(shè)備包括(a)多色光源；(b)均勻化裝置，用于使來自多色光源的光均勻化，以便提供均勻的照明場；(c)基本聚光器轉(zhuǎn)象透鏡，用于放大均勻照明場以形成放大的均勻照明場，并將放大的均勻照明場引向二向色分離器，所述二向色分離器為第一、第二和第三彩色光通道提供彩色光；(d)第一還原轉(zhuǎn)象透鏡，用于成像并將第一彩色光通道中的彩色光引向第一空間光調(diào)制器以形成第一調(diào)制光束；(e)第二還原轉(zhuǎn)象透鏡，用于成像并將第二彩色光通道中的所述彩色光引向第二空間光調(diào)制器以形成第二調(diào)制光束；(f)第三還原轉(zhuǎn)象透鏡，用于成像并將第三彩色光通道中的彩色光引向第三空間光調(diào)制器以形成第三調(diào)制光束；(g)顏色組合器，用于組合第一、第二和第三調(diào)制光束以形成多色調(diào)制光束；以及(h)投影透鏡，用于將所述多色調(diào)制光束投影到所述顯示表面上。
本發(fā)明的特征在于，它提供一種雙遠(yuǎn)心的放大基本聚光器轉(zhuǎn)象透鏡，以便放大均勻化裝置形成的均勻面的圖像，并提供此圖像作為顏色分離器的輸入照明。每個還原轉(zhuǎn)象透鏡也是雙遠(yuǎn)心的，從而保持投影設(shè)備中照明的均勻性。
通過放大均勻場的圖像，放大基本聚光器轉(zhuǎn)象透鏡有效地允許二向色分離器在較高f/#上工作，接收較窄范圍的入射角，從而減少二向色表面上入射的角視場的色移。這為每個彩色通道建立了更清晰的光譜邊緣，從而改進(jìn)照明系統(tǒng)的效率。
本發(fā)明的一個優(yōu)點(diǎn)在于，由于它在較低f/#上將光線傳遞到二向色分離器，因此它允許在分離器組件上使用更便宜的二向色涂層。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)在于，它有利地改變了照明系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)值孔徑。在均勻化組件本身，高數(shù)值孔徑是最好的。通過放大均勻區(qū)的圖像，本發(fā)明將圖像提供給縮小數(shù)值孔徑的二向色分離器，這是最有利的。然后，在空間光調(diào)制器本身，縮小提供了獲得最大亮度所需的較高數(shù)值孔徑。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)在于，它降低了積分器組件的大小和重量要求。
結(jié)合附圖，閱讀下面表示和描述了本發(fā)明示范實(shí)施例的詳細(xì)說明后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白本發(fā)明的這些及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。


雖然本說明書在結(jié)束時特別指出并明確聲明了本發(fā)明主題，但是相信通過結(jié)合附圖從下面的說明中可更好地理解本發(fā)明，其中圖1是示意框圖，表示傳統(tǒng)先有技術(shù)數(shù)字投影設(shè)備的主要組件；圖2a和2b是光線圖，表示以兩種不同的f/#值在二向色涂層上的光的入射；圖2c和2d是光線圖，表示二向色涂層上入射的非遠(yuǎn)心和遠(yuǎn)心光；圖3a表示理想化X-立方體的成像響應(yīng)；圖3b表示帶有輕微失準(zhǔn)直誤差的X-立方體的成像響應(yīng)；圖4是示意圖，表示照明與成像路徑中的主要組件；圖5是透視圖，表示使用本發(fā)明的照明光學(xué)器件的一種可能的布置；以及圖6是曲線圖，表示一定入射角度范圍的S極性反射率對波長的關(guān)系。
本說明特別針對構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一部分的元件或與根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備更直接合作的元件。要理解，未特別表示或描述的元件可采取本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的各種形式。
本發(fā)明的目的是為彩色投影系統(tǒng)提供照明光學(xué)器件，在該系統(tǒng)中，亮度被最大化，并且由于二向色表面角度響應(yīng)造成的色彩濃淡效果也被減至最小。
參照圖4，它以示意圖形式表示本發(fā)明中投影設(shè)備10的紅光路中使用的組件的實(shí)現(xiàn)。多色光源12通過均勻化光學(xué)器件22引導(dǎo)源照明，光源12一般是燈、如氙弧燈，但也可以是一些其它類型的高強(qiáng)度發(fā)光器。在最佳實(shí)施例中，積分棒用作均勻化光學(xué)器件22。在光設(shè)計領(lǐng)域中眾所周知，積分棒也稱為混光棒，它利用全內(nèi)反射(TIR)效果來使入射光均勻，從而提供空間均勻的照明面。均勻化光學(xué)器件22的其它選擇包括小透鏡陣列、如蠅眼陣列或者漫射屏、積分隧道、纖維光學(xué)面板或玻璃。均勻化光學(xué)器件22在其輸出A上提供光的均勻面，有效地用作光源12的內(nèi)部圖像。遠(yuǎn)心基本聚光器轉(zhuǎn)象器80將此輸出成像，在輸出A上放大此圖像，并將光引向二向色分離器27的二向色表面36。再次參照圖4，僅闡述紅光路；剩下的藍(lán)和綠光透射通過二向色表面36，使用彩色成像領(lǐng)域熟知的技術(shù)以類似的方式照亮各自的調(diào)制路徑。這樣，對于每條紅、綠和藍(lán)色路徑，形成輸出A的放大內(nèi)部圖像。
隨后，還原轉(zhuǎn)象器82縮小從二向色分離器27輸出的彩色光，再將光引向空間光調(diào)制器30，從而有效地在空間光調(diào)制器30上提供輸出A的顏色還原的內(nèi)部圖像。在每條顏色光路中有一個單獨(dú)的還原轉(zhuǎn)象器82。在圖4的最佳實(shí)施例中，空間光調(diào)制器30是反射型LCD，需要偏振分束器24。偏振分束器24可以是傳統(tǒng)McNeille分束器或線柵分束器，例如Orem，UT的Moxtek公司生產(chǎn)的分束器，或美國專利6122103中所述的分束器。二向色組合器26隨后組合來自每條光路的調(diào)制光以形成供投影透鏡32投影的多色調(diào)制光圖像。對于其它類型的空間光調(diào)制器，無需偏振分束器24。在采用DMD裝置或透射型LCD作為空間光調(diào)制器30之處，還原轉(zhuǎn)象器82的光線直接進(jìn)入空間光調(diào)制器30。在DMD用作空間光調(diào)制器30之處，將會對成像光路做適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，如用全內(nèi)反射(TIR)分束器替換偏振分束器24，這在數(shù)字投影領(lǐng)域中已為人熟知。
如同上述背景材料中所述一樣，投影設(shè)備10通過將亮度最大化和將色彩濃淡及相關(guān)失常最小化，提供了高性能級別。然而，使用傳統(tǒng)設(shè)計方式，二向色表面36會限制亮度。增加系統(tǒng)中可用光亮度是以允許二向色表面36上更高入射光角度為代價而實(shí)現(xiàn)的。在整個場出現(xiàn)的色移使彩色性能降級，也使系統(tǒng)整體效率降級。圖4的布置通過在系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)上調(diào)節(jié)入射光線角度而克服了此問題。首先，在均勻化光學(xué)器件22以低f/#工作之處實(shí)現(xiàn)最大均勻化。按照圖4的配置，均勻化光學(xué)器件22，在最佳實(shí)施例中是積分棒，在大約f/1.31上。這樣低的f/#允許光線穿過積分棒以便通過該棒具有多次反彈，并且也使積分棒大小降到最小。然而，這也意味著均勻化光出現(xiàn)在高入射角，這在二向色分離器27中是不利的。同時，均勻化光學(xué)器件22的輸出A上的表面大小相對于空間光調(diào)制器30的成像表面大小來說很小。為了糾正這些角度和大小缺陷，基本聚光器轉(zhuǎn)象器80對均勻化光學(xué)器件22的均勻化輸出提供了大約3.5x的放大。此放大有效地為在f/4.6的二向色分離器27提供入射光，正好落在傳統(tǒng)二向色表面36的可接受范圍內(nèi)。然而，輸出A的放大圖像相對于空間光調(diào)制器30的表面來說太大。還原轉(zhuǎn)象器82因此提供了0.5x的放大。這不僅減小了均勻化光學(xué)器件22輸出的圖像大小，而且增大了提供給空間光調(diào)制器30的照明入射角度，在大約f/2.3輸送照明，這在大多數(shù)LCD和其它空間光調(diào)制器30所需的范圍內(nèi)。因此，通過放大和縮小關(guān)鍵點(diǎn)上的均勻化照明輸出，本發(fā)明的設(shè)備優(yōu)化了亮度，并將色彩降級減至最小，而這是在二向色分離器27上的高入射角造成的。必須強(qiáng)調(diào)的是，每條彩色光調(diào)制路徑(例如，紅、藍(lán)和綠)都有一個單獨(dú)的還原轉(zhuǎn)象器82。此布置使還原轉(zhuǎn)象器82可在特定波長范圍內(nèi)為最好的性能而設(shè)計。
參照圖5，其中表示最佳實(shí)施例中的基本聚光器轉(zhuǎn)象器80和還原轉(zhuǎn)象器82的關(guān)鍵組件的透視圖。在此配置中，基本聚光器80包括透鏡8011、8012和8013。兩個鏡80m1和80m2折疊光路，并將光線引向二向色分離器27。在此，二向色分離器27在透明棱鏡42內(nèi)具有內(nèi)二向色表面36。
還原轉(zhuǎn)象器82由兩個透鏡8211和8212以及折疊式反射鏡82m和光圈82a構(gòu)成。還原轉(zhuǎn)象器82也是雙遠(yuǎn)心的，這有助于將由于二向色分離器27的角度響應(yīng)特性引起的色移減到最小，并將空間光調(diào)制器30的角度響應(yīng)引起的對比度損失降到最低。
二向色分離器27也可以是X-立方體或X棱鏡，飛利浦棱鏡或提供分色功能的二向色表面36的布置。
由于具有這些改進(jìn)，因此本發(fā)明提高了投影設(shè)備10的成像性能，并允許以最低成本提供更簡單、更緊湊的光學(xué)設(shè)計。
由基本聚光器轉(zhuǎn)象器80提供的放大量可以是大于1X的任意值，并且應(yīng)與均勻化光學(xué)器件22以及成像路徑中其它組件的尺寸和特性適當(dāng)匹配。未顯示或詳細(xì)描述許多其它支持偏振組件，這些組件傳統(tǒng)上用于改善LCD空間光調(diào)制器30的對比度與性能。在均勻化光學(xué)器件22和基本聚光器轉(zhuǎn)象器80之間，或者任選地在還原轉(zhuǎn)象器82之前或之后的每條彩色路徑中，可以設(shè)置偏光器(未顯示)。本發(fā)明允許使用任何適當(dāng)類型的照明系統(tǒng)以提供由空間光調(diào)制器30調(diào)制的源彩色光。光源12可以包括不同類型的燈、濾光器、LED、激光器或其它照明組件?？梢蕴峁┎恢谷龡l彩色光調(diào)制路徑。
因此，通過用于從白光源提供具有高強(qiáng)度、高效率和清晰光譜邊緣的彩色照明的照明系統(tǒng)，為數(shù)字圖像投影提供一種改進(jìn)的投影設(shè)備和方法。
權(quán)利要求
1.一種用于將多色圖像投影到顯示表面上的投影設(shè)備，所述設(shè)備包括(a)多色光源；(b)均勻化裝置，用于使來自所述多色光源的光均勻化，以便提供均勻的照明場；(c)基本聚光器轉(zhuǎn)象透鏡，用于放大所述均勻照明場以形成放大的均勻照明場，并將所述放大的均勻照明場引向二向色分離器，所述二向色分離器為第一、第二和第三彩色光通道提供彩色光；(d)第一還原轉(zhuǎn)象透鏡，用于成像并將所述第一彩色光通道中的所述彩色光引向第一空間光調(diào)制器以形成第一調(diào)制光束；(e)第二還原轉(zhuǎn)象透鏡，用于成像并將所述第二彩色光通道中的所述彩色光引向第二空間光調(diào)制器以形成第二調(diào)制光束；(f)第三還原轉(zhuǎn)象透鏡，用于成像并將所述第三彩色光通道中的所述彩色光引向第三空間光調(diào)制器以形成第三調(diào)制光束；(g)顏色組合器，用于組合所述第一、第二和第三調(diào)制光束以形成多色調(diào)制光束；以及(h)投影透鏡，用于將所述多色調(diào)制光束投影到所述顯示表面上。
2.如權(quán)利要求1所述的投影設(shè)備，其特征在于，所述第一彩色光通道中的所述彩色光是紅的，所述第二彩色光通道中的所述彩色光是綠的，以及所述第三彩色光通道中的所述彩色光是藍(lán)的。
3.如權(quán)利要求1所述的投影設(shè)備，其特征在于，所述第一空間光調(diào)制器是反射型液晶裝置。
4.如權(quán)利要求1所述的投影設(shè)備，其特征在于，所述第一空間光調(diào)制器是透射型液晶裝置。
5.如權(quán)利要求1所述的投影設(shè)備，其特征在于，所述第一空間光調(diào)制器是數(shù)字微鏡裝置。
6.如權(quán)利要求1所述的投影設(shè)備，其特征在于，所述多色光源包括燈。
7.如權(quán)利要求1所述的投影設(shè)備，其特征在于還包括偏光器，用以調(diào)節(jié)來自所述多色光源的光。
8.如權(quán)利要求1所述的投影設(shè)備，其特征在于還包括偏光器，用以調(diào)節(jié)所述第一彩色光通道中的所述彩色光。
9.如權(quán)利要求1所述的投影設(shè)備，其特征在于，所述基本聚光器轉(zhuǎn)象透鏡是雙遠(yuǎn)心的。
10.如權(quán)利要求1所述的投影設(shè)備，其特征在于，所述第一還原轉(zhuǎn)象透鏡是雙遠(yuǎn)心的。
11.如權(quán)利要求1所述的投影設(shè)備，其特征在于，所述第一彩色光通道還包括偏振分束器，用以將所述第一彩色光通道中的所述彩色光引向所述第一空間光調(diào)制器。
12.如權(quán)利要求11所述的投影設(shè)備，其特征在于，所述偏振分束器是線柵偏振分束器。
13.如權(quán)利要求1所述的投影設(shè)備，其特征在于，所述顏色組合器是X-立方體。
14.如權(quán)利要求1所述的投影設(shè)備，其特征在于，所述顏色組合器是飛利浦棱鏡。
全文摘要
一種用于多色圖像投影的數(shù)字投影設(shè)備將來自光源(12)的多色光均勻化，并使用基本聚光器轉(zhuǎn)象器(80)提供均勻化照明光束的放大，從而提供縮小的數(shù)值孔徑以便在二向色分離器(27)中調(diào)節(jié)。對于從二向色分離器(27)提供的每個單色分量色彩，還原轉(zhuǎn)象器(82)隨后縮小照明光束以便在增大數(shù)值孔徑下向空間光調(diào)制器(30)提供源照明。結(jié)果，整個場的色彩濃淡減到最小程度，而亮度得到優(yōu)化。
文檔編號G02F1/13GK1490664SQ0315890
公開日2004年4月21日 申請日期2003年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月9日
發(fā)明者J·M·科布, J M 科布 申請人:伊斯曼柯達(dá)公司