專利名稱：多基色圖像組合合成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)器件，尤其涉及一種多基色圖像組合合成器。

背景技術(shù)：
眾所周知，在以紅、綠、藍(lán)三色作為基色的顯示器中，圖像合成器是其中必不可少的裝置。本領(lǐng)域中已存在多種光束合成裝置。但這些裝置各有長短。例如，圖1公開了目前的投影儀中普遍采用的X棱鏡。不同波長(λ1、λ2、λ3)的單色光分別從三個方向射入該棱鏡，并從該棱鏡的第四個方向疊加輸出。但在要輸入更多基色的情況下，這種棱鏡顯然不能滿足要求。此外，中國發(fā)明專利No.93109784.3中公開了一種激光束合成裝置。該裝置利用了方解石晶體的能將不同偏振態(tài)的光束進(jìn)行合成的特征。但根據(jù)這種裝置的原理，對輸入的光束的偏振態(tài)有特殊的要求。由此，現(xiàn)有技術(shù)的合成器件雖然種類很多，但都有一定的局限性。
現(xiàn)在正開發(fā)基于多基色(三種以上的基色)的顯示系統(tǒng)?；珨?shù)量的增加意味著圖像顏色的還原性更好，顯示效果更佳。圖2A和2B分別示出了三基色和九基色條件下的顯示色域。通過圖2A和2B的比較可以看到，九基色的色域更接近需還原的真實色域。然而，由于以往的顯示系統(tǒng)主要以三基色(RGB)為基礎(chǔ)，因此未能提供適于這種多基色顯示系統(tǒng)的圖像合成器。
專利文件1中國科學(xué)院物理研究所于2004/07/16提交的標(biāo)題為″一種具有紅、綠、藍(lán)三基色激光彩色顯示裝置″的專利申請，申請?zhí)?00410069055?！逡驗檫@些多基色圖像合成裝置主要是解決目前已有的三基色激光顯示裝置無法實現(xiàn)向多基色激光顯示過渡的問題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于多基色圖像的合成器。
本發(fā)明提供了一種多基色圖像組合合成器，它包括主棱鏡以及設(shè)置于各入射方向上的至少一個修正棱鏡。主棱鏡是多邊形并包括一個正入射面、多個分束面以及一個出射面，主棱鏡用于將從正入射面和分束面入射進(jìn)主棱鏡的光形成從正入射面到出射面的光路，該光路在各分束面處發(fā)生全反射。修正棱鏡都包括一個入射面和一個出射面。從正入射面射入的入射光直接垂直地入射到正入射面。其它入射方向的入射光則射入至少一個修正棱鏡之一的入射面并從其出射面射出，隨后入射到與該修正棱鏡相對應(yīng)的分束面，沿各入射方向的入射光在主棱鏡中合成，最后從主棱鏡的出射面射出，其中修正棱鏡的出射面與同該修正棱鏡相對應(yīng)的分束面相互平行。
根據(jù)一種實施例，除第一分束面之外，所有分束面相對于前一分束面的旋轉(zhuǎn)方向相同。根據(jù)另一種實施例，除第一分束面和最后一個分束面外，至少一個分束面的后一分束面相對于其的旋轉(zhuǎn)方向與其相對于前一分束面的旋轉(zhuǎn)方向不同。
此外，各修正棱鏡的入射面與出射面的夾角的大小根據(jù)主棱鏡的各相應(yīng)分束面之間的夾角確定。
此外，本發(fā)明的多基色圖像組合合成器的各棱鏡由各向同性材料、負(fù)晶體和正晶體中的任一種構(gòu)成。
此外，本發(fā)明的多基色圖像組合合成器還包括設(shè)置于主棱鏡的出射面之前的轉(zhuǎn)向棱鏡。
通過本發(fā)明的合成器可以獲得顏色更加逼真的圖像。
應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明以上的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都是示例性和說明性的，并且旨在為如權(quán)利要求所述的本發(fā)明提供進(jìn)一步的解釋。



包括附圖是為提供對本發(fā)明進(jìn)一步的理解，它們被收錄并構(gòu)成本申請的一部分，附圖示出了本發(fā)明的實施例，并與本說明書一起起到解釋本發(fā)明原理的作用。
附圖中 圖1是現(xiàn)有技術(shù)的X棱鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2A和2B分別是三基色與九基色顯示的顯示色域的示意圖。
圖3A和3B分別是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的多基色圖像組合合成器的示意圖。
圖4A和4B分別是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的多基色圖像組合合成器的示意圖。
圖5A和5B分別是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的多基色圖像組合合成器的示意圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的多基色圖像組合合成器的示意圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明第五實施例的多基色圖像組合合成器的示意圖。

具體實施例方式 現(xiàn)在將詳細(xì)參考附圖描述本發(fā)明的實施例。
圖3A是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的多基色圖像組合合成器的示意圖。
如圖3A所示，本發(fā)明的多基色圖像組合合成器包括不規(guī)則多邊形主棱鏡A、設(shè)置于各入射方向上的修正棱鏡A1、A2、A3、A4以及轉(zhuǎn)向棱鏡B。圖中相同的字母所表示的邊具有相同的幾何性質(zhì)。虛線是輔助線。圖中，①、②、③、④、⑤表示入射方向。s′表示基色圖像的寬度。圖中所示的棱鏡A、A1、A2、A3、A4的構(gòu)造材料相同，均為各向同性的介質(zhì)；轉(zhuǎn)向棱鏡B的構(gòu)造材料為各向同性的介質(zhì)，該介質(zhì)可與棱鏡A、A1、A2、A3、A4所用的材料不同，但必須保證在可見光范圍內(nèi)轉(zhuǎn)向棱鏡B的材料對任何參與顯示的光的折射率均大于

)。各修正棱鏡前設(shè)置有光程補(bǔ)償器D，該光程補(bǔ)償器D必須不改變光路。主棱鏡A是多邊形并包括一個正入射面(rs)和多個分束面(bc)、(df)、(hg)、(pq)。分束面被定義為棱鏡A的一個可以全反射棱鏡A中光路的部分光的棱鏡面。
其中，從正入射面(rs)射入的入射光直接垂直地入射到該正入射面(rs)，而其它方向的入射光射入修正棱鏡A1、A2、A3、A4之一的入射面并從其出射面射出，隨后入射到與該修正棱鏡相對應(yīng)的多個分束面(bc)、(df)、(hg)、(pq)之一，沿各入射方向的入射光在主棱鏡A中合成，最后從主棱鏡A的出射面(av)射出。此后，垂直入射到轉(zhuǎn)向棱鏡B的入射面并垂直于其出射面射出。其中，修正棱鏡的出射面與同其對應(yīng)的分束面相互平行，例如x1y1//bc。
本實施例中，優(yōu)選滿足以下幾何條件 1、輔助線說明al1//va，bw1//cb并與al1相交于點(diǎn)w1，cl2//bc，dw2//fd并與cl2相交于點(diǎn)w2，fl3//df，gw3//hg并與fl3相交于點(diǎn)w3，hl4//gh，pw4//qp并與hl4相交于點(diǎn)w4，ql5//pq，rw5//sr并與ql5相交于點(diǎn)w5； 2、棱鏡A、A1、A2、A3、A4的棱邊av與出射光垂直，bc//x1y1、df//x2y2、gh//x3y3、pq//x4y4，rs垂直于從⑤入射的入射光方向；ab、cd、fg、hp、qr、st、tu、uv、x1z1、x2z2、x3z3、x4z4沒有要求，但是不影響在棱鏡A、A1、A2、A3、A4中的光路。
3、棱鏡A、A1、A2、A3、A4的角度 (1)棱鏡A∠aw1b＝π-θ1，∠cw2d＝π-θ2，∠fw3g＝π-θ3，∠hw4p＝π-θ4， ∠qw5r＝π-θ5； (2)棱鏡A1∠x1y1z1＝π-θ1； (3)棱鏡A2∠x2y2z2＝θ1-θ2＝(π-θ2)-(π-θ1)； (4)棱鏡A3∠x3y3z3＝π-θ3+θ2-θ1＝(π-θ3)-[(π-θ2)-(π-θ1)] (5)棱鏡A4 ∠x4y4z4＝θ1-θ2+θ3-θ4＝(π-θ4)-{(π-θ3)-[(π-θ2)-(π-θ1)]}； 4、棱鏡B的棱邊yz與入射光垂直，xz與出射光垂直。
5、棱鏡B的角度∠xyz＝θ。
以下詳細(xì)描述如何利用本發(fā)明的裝置實現(xiàn)本發(fā)明的合成圖像的目的。
假設(shè)顯示所需的基色數(shù)量為N，這些光波長分別為λi(i＝1，2……N)，在棱鏡A、A1、A2、A3、A4所用的各向同性介質(zhì)中的折射率分別為ni(i＝1，2……N)，并假設(shè)這些光已按照折射率由小到大依次排列并重新記為nj(即nj+1＞nj)；在轉(zhuǎn)向棱鏡B所用的各向同性介質(zhì)中的折射率分別為n′i(i＝1，2……N)。
假設(shè)需要從棱鏡Ai入射進(jìn)合成器光為nj(mi-1＜j≤mi，mi≥mi-1≥0，i≥1，m0＝0，mi為正整數(shù)，1≤i≤u≤N，mu≤N，u表示最后一個分束面)，假設(shè)空氣的折射率為n0。
{1}、主棱鏡A中有關(guān)的各個角所優(yōu)選滿足以下條件 1、分束面的作用主要有 合成部分基色的圖像(如圖，分束面(bc)、(df)、(gh)、(pq))

s＝mi+1，t＝mi，i≤u[1]； 其中u表示最后一個分束面，空氣的折射率為n0。
2、從入射方向⑤進(jìn)入主棱鏡A(如圖，正入射面(rs))
其中u表示最后一個分束面。
{2}、在第i個分束面上
nk＝nj，nk＜nk+1，
1≤k≤(mi-mi-1)，mi-1＜j≤mi，i≤u[3]； 其中u表示最后一個分束面，空氣的折射率為n0。
{3}、偏移距離 1、只有一種波長的光入射的第i個分束面，修正棱鏡Ai與主棱鏡A的第i個分束面之間的距離Hi優(yōu)選滿足 Hi＞0，1≤i≤N[4]； 2、有兩種或兩種以上的波長的光入射的修正棱鏡Si與主棱鏡A的第i個分束面之間的距離Hi，k(Hi，k＞0，mi-1＜j≤mi，k≥2，k是正整數(shù))，對于均從修正棱鏡Ai入射(即從入射方向

入射，1≤i≤u，u表示最后一個分束面)的不同波長的光的基色圖像與合成方向的偏移距離為
1≤i≤N，1≤k＜(k+1)≤(mi-mi-1) [5]； 那么從同一塊修正棱鏡Ai入射的兩種相鄰的不同的基色圖像之間的偏移距離為 Δdi，k＝|di，k+1-di，k|， 1≤i≤N，1≤k＜(k+1)≤(mi-mi-1) [6]； 當(dāng)Δdi，k≥s時(即(Δdi，k-s)≥0)，各基色圖像入射時在空間是分離的，并且經(jīng)過合成器之后可以完全在空間重疊，達(dá)到多基色的單色圖像合成的目的。
在入射光進(jìn)入合成器之前先通過各基色對應(yīng)的光程補(bǔ)償裝置用于調(diào)整各基色的光在到達(dá)出射面(av)時的彼此之間的相位。
最后將合成后圖像從出射面(av)射出并從入射面(zy)進(jìn)入轉(zhuǎn)向棱鏡B，在全反射面(xy)全反射后從出射面(xz)射出，轉(zhuǎn)向棱鏡B主要用于調(diào)整合成后的圖像的出射方向。
轉(zhuǎn)向棱鏡B的角所優(yōu)選滿足的條件為 空氣的折射率為n0，圖中的示例采用一個底角∠xyz＝∠yxz＝θ＝45°的直角棱鏡。
此外，為提高光的利用率，可在各個棱鏡的入射面以及出射面上鍍敷相應(yīng)的增透膜，以提高光的透過率。
此外，對于圖3A由兩塊棱鏡A4，兩種基色的光分別平行入射到兩塊棱鏡A4的情況同樣可以應(yīng)用于本發(fā)明的其它實施例以及其它實施例中的各修正棱鏡。
圖3B是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的多基色圖像組合合成器的示意圖。
圖3B與圖3A有許多相同之處，這些相同部分的標(biāo)號與圖3A中的相同并表示相同的含義，因此其描述可參照上述圖3A中的情況。圖3B中，第四分束面為(sr)((sr)在圖3A的實施例中是正入射面)，正入射面為(pq)((pq)在圖3A的實施例中是第四分束面)。在本實施例中，如果一個分束面的后一分束面相對于其的旋轉(zhuǎn)方向與其相對于前一分束面的旋轉(zhuǎn)方向不同，那么稱這個分束面為臨界分束面。(第一個分束面與最后一個除外)，例如圖3B中的分束面(gh)。
圖3B所示的實施例與圖3A所示的實施例的區(qū)別主要在于圖3A的實施例中，所有分束面相對于前一分束面的旋轉(zhuǎn)方向相同(第一分束面除外)；而圖3B的實施例中，至少一個分束面的后一分束面相對于其的旋轉(zhuǎn)方向與其相對于前一分束面的旋轉(zhuǎn)方向不同(第一分束面和最后一個分束面除外)，諸如分束面(gh)。
在圖3B所示的實施例中，沿第一方向①、第二方向②入射的情況與圖3A中的相同。在沿方向④入射的情況中，有兩種基色的光平行入射到同一修正棱鏡A4。這種多種基色的光平行入射到同一修正棱鏡Ai再入射到第i分束面的情況同樣可應(yīng)用于本發(fā)明的其它實施例以及其它實施例中的各修正棱鏡。此外，在本實施例中，沿方向④入射的光經(jīng)過修正棱鏡A4進(jìn)入的分束面為(sr)。而沿方向⑤入射的光直接垂直入射的主棱鏡面為(pq)，即正入射面。
在圖3A的實施例中只用一塊主棱鏡所能實現(xiàn)的多基色圖像合成的基色數(shù)量是有限的；而在圖3B的實施例中只用一塊主棱鏡所能實現(xiàn)的多基色圖像合成的基色數(shù)量遠(yuǎn)多于圖3A的實施例。
本實施例中，優(yōu)選滿足以下幾何條件 1、輔助線說明al1//va，bw1//cb并與al1相交于點(diǎn)w1，cl2//bc，dw2//fd并與cl2相交于點(diǎn)w2，fl3//df，gw3//hg并與fl3相交于點(diǎn)w3，sl4//rs，sw4//gh，rl5//sr，qw5//pq并與rl5相交于點(diǎn)w5； 2、棱鏡A、A1、A2、A4的棱邊av與出射光垂直，bc//x1y1、df//x2y2、sr//x4y4，pq垂直于從⑤入射的入射光方向；ab，cd，fg，hp，qr，st，tu，uv，x1z1，x2z2，x4z4沒有要求，但是不影響在棱鏡A、A1、A2、A4中的光路。
3、棱鏡A、A1、A2、A4的角度 (1)棱鏡A∠aw1b＝π-θ1，∠cw2d＝π-θ2，∠fw3g＝π-θ3，∠rsw4＝π-θ4，∠qw5r＝π-θ5； (2)棱鏡A1∠x1y1z1＝π-θ1； (3)棱鏡A2∠x2y2z2＝θ1-θ2＝(π-θ2)-(π-θ1)； (4)棱鏡A4 ∠x4y4z4＝π-θ1+θ2-θ3-θ4＝(π-θ3)-[(π-θ2)-(π-θ1)]-θ4； 4、棱鏡B的棱邊yz與入射光垂直，xz與出射光垂直。
5、棱鏡B的角度∠xyz＝θ。
以下詳細(xì)描述如何利用本發(fā)明的裝置實現(xiàn)本發(fā)明的合成圖像的目的。
假設(shè)顯示所需的基色數(shù)量為N，這些光波長分別為λi(i＝1，2……N)，在棱鏡A、A1、A2、A4所用的各向同性介質(zhì)中的折射率分別為ni(i＝1，2……N)，并假設(shè)這些光已按照折射率由小到大依次排列并重新記為nj(即nj+1＞nj)；在棱鏡B所用的各向同性介質(zhì)中的折射率分別為n′i(i＝1，2……N)。
假設(shè)需要從棱鏡Ai入射進(jìn)合成器光為nj(mi-1＜j≤mi，mi≥mi-1≥0，i≥1，m0＝0，mi為正整數(shù)，1≤i≤u≤N，mu≤N，u表示最后一個分束面)，假設(shè)空氣的折射率為n0。
{1}、主棱鏡A中有關(guān)的各個角所優(yōu)選滿足以下條件 1、分束面的作用主要有兩點(diǎn) (1)合成部分基色的圖像(如圖，分束面(bc)、(df)、(sr))


i≠hk+1，

i＝hk+1， s＝mi+1，t＝mi，

i≤u [8]； 其中hk表示第k個臨界分束面，其編號為hk(即第hk個分束面)， u表示最后一個分束面，空氣的折射率為n0。
(2)調(diào)整主棱鏡A中的光路(如圖，分束面(gh))


i≠hk+1，

i＝hk+1， r＝mi，mi＝mi-1，

r≤u [9]； 其中u表示最后一個分束面，空氣的折射率為n0。
2、從入射方向⑤進(jìn)入棱鏡A(如圖，正入射面(rs))
其中u表示最后一個分束面。
{2}、在第i個分束面上
nk＝nj，nk＜nk+1，

i≠hk+1，

i＝hk+1， 1≤k≤(mi-mi-1)，mi-1＜j≤mi，

i≤u[11]； 其中u表示最后一個分束面，空氣的折射率為n0。
{3}、偏移距離 1、只一種波長的光入射的第i個分束面，修正棱鏡Ai與主棱鏡A的第i個分束面之間的距離Hi優(yōu)選滿足 Hi＞0，1≤i≤N[12]； 2、有兩種或兩種以上的波長的光入射的修正棱鏡Ai與主棱鏡A的第i個分束面之間的距離Hi，k(Hi，k＞0，mi-1＜j≤mi，k≥2，k是正整數(shù))，對于均從修正棱鏡Ai入射(即從入射方向

入射，1≤i≤u，u表示最后一個分束面)的不同波長的光的基色圖像與合成方向的偏移距離為
1≤i≤N，1≤k＜(k+1)≤(mi-mi-1) [13]； 那么從同一塊修正棱鏡Ai入射的兩種相鄰的不同的基色圖像之間的偏移距離為 Δdi，k＝|di，k+1-di，k|， 1≤i≤N，1≤k＜(k+1)≤(mi-mi-1) [14]； 當(dāng)Δdi，k≥s時(即(Δdi，k-s)≥0)，各基色圖像入射時在空間是分離的，并且經(jīng)過合成器之后可以完全在空間重疊，達(dá)到多基色的單色圖像合成的目的。
在入射光進(jìn)入合成器之前先通過各基色對應(yīng)的光程補(bǔ)償裝置用于調(diào)整各基色的光在到達(dá)出射面(av)時的彼此之間的相位。
最后將合成后圖像從出射面(av)射出并從入射面(zy)進(jìn)入轉(zhuǎn)向棱鏡B，在全反射面(xy)全反射后從出射面(xz)射出，轉(zhuǎn)向棱鏡B主要用于調(diào)整合成后的圖像的出射方向。
轉(zhuǎn)向棱鏡B的角所優(yōu)選滿足的條件為 空氣的折射率為n0，圖中的示例采用一個底角∠xyz＝∠yxz＝θ＝45°的直角棱鏡。
在圖3B的實施例中，省去了從入射方向③入射的情況，以此說明可選擇從以上①、②、③、④、⑤入射方向中的任一個或多個入射，而能同樣地實現(xiàn)所需的圖像合成。但可以理解，圖3B的實施例中也可以增加入射方向③的修正棱鏡A3，并可沿用圖3A實施例中的條件來實現(xiàn)圖3A方案中的技術(shù)效果。
圖4A是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的多基色圖像組合合成器的示意圖。
圖4A的實施例的結(jié)構(gòu)與圖3A基本相同，主要區(qū)別在于圖4A的實施例中各棱鏡A、A1、A2、A4的材料是負(fù)晶體，棱鏡B的材料仍為各向同性材料，且與圖3A相比，圖4A中省去了棱鏡A3。圖中M表示棱鏡A、A1、A2、A4的光軸方向。負(fù)晶體的該技術(shù)方案的設(shè)計中要求入射光的偏振方向必須平行或者垂直于上述光軸方向。
如圖4A所示，本發(fā)明的多基色圖像組合合成器包括不規(guī)則多邊形主棱鏡A、設(shè)置于各入射方向上的修正棱鏡A1、A2、A4以及轉(zhuǎn)向棱鏡B。圖中相同的字母所表示的邊具有相同的幾何性質(zhì)。虛線是輔助線。圖中，①、②、④、⑤表示入射方向。s′表示基色圖像的寬度。圖中所示的棱鏡A、A1、A2、A4的構(gòu)造材料相同，均為同種負(fù)晶體；轉(zhuǎn)向棱鏡B的構(gòu)造材料為各向同性的介質(zhì)，但必須保證在可見光范圍內(nèi)轉(zhuǎn)向棱鏡B的材料對任何參與顯示的光的折射率均大于

)。各修正棱鏡前設(shè)置有光程補(bǔ)償器D，該光程補(bǔ)償器D必須不改變光路。主棱鏡A是多邊形并包括一個正入射面(rs)和多個分束面(bc)、(df)、(hg)、(pq)。分束面被定義為棱鏡A的一個可以全反射棱鏡A中的部分光的棱鏡面。
其中，從正入射面(rs)射入的入射光直接垂直地入射到該正入射面(rs)，而其它方向的入射光射入修正棱鏡A1、A2、A4之一的入射面并從其出射面射出，隨后入射到與該修正棱鏡相對應(yīng)的多個分束面(bc)、(df)、(pq)之一，沿各入射方向的入射光在主棱鏡A中合成，最后從主棱鏡A的出射面(av)射出。此后，垂直入射到轉(zhuǎn)向棱鏡B的入射面并垂直于其出射面射出。其中，修正棱鏡的出射面與同其對應(yīng)的分束面相互平行，例如x1y1//bc。
本實施例中，優(yōu)選滿足以下幾何條件 1、輔助線說明al1//va，bw1//cb并與al1相交于點(diǎn)w1，cl2//bc，dw2//fd并與cl2相交于點(diǎn)w2，fl3//df，gw3//hg并與fl3相交于點(diǎn)w3，hl4//gh，pw4//qp并與hl4相交于點(diǎn)w4，ql5//pq，rw5//sr并與ql5相交于點(diǎn)w5； 2、棱鏡A、A1、A2、A4的棱邊av與出射光垂直，bc//x1y1、df//x2y2、pq//x4y4，rs垂直于從⑤入射的入射光方向；ab，cd，fg，hp，qr，st，tu，uv，x1z1，x2z2，x4z4沒有要求，但是不影響在棱鏡A、A1、A2、A4中的光路。
3、棱鏡A、A1、A2、A4的角度 (1)棱鏡A∠aw1b＝π-θ1，∠cw2d＝π-θ2，∠fw3g＝π-θ3，∠hw4p＝π-θ4， ∠qw5r＝π-θ5； (2)棱鏡A1∠x1y1z1＝π-θ1； (3)棱鏡A2∠x2y2z2＝θ1-θ2＝(π-θ2)-(π-θ1)； (4)棱鏡A4 ∠x4y4z4＝θ1-θ2+θ3-θ4＝(π-θ4)-{(π-θ3)-[(π-θ2)-(π-θ1)]}； 4、棱鏡B的棱邊yz與入射光垂直，xz與出射光垂直。
5、棱鏡B的角度∠xyz＝θ。
以下詳細(xì)描述如何利用本發(fā)明的裝置實現(xiàn)本發(fā)明的合成圖像的目的。
假設(shè)顯示所需的基色數(shù)量為N，這些光波長分別為λi(i＝1，2……N)，在棱鏡A、A1、A2、A4所用的負(fù)晶體中的o光和e光的主折射率分別為noi和nei(i＝1，2……N)(在負(fù)晶體中noi＞nei)，所以N種基色的顯示共有2N種入射方式(偏振方向垂直或平行于光軸)，保證N種顯示基色的條件下，篩選出m(N≤m≤2N)種方式并按照折射率由小到大依次排列并重新記為nj(即nj+1＞nj)；在棱鏡B所用的各向同性介質(zhì)中的折射率分別為n′i(i＝1，2……N)。
若nj表示波長為λi的光在棱鏡所用的負(fù)晶體中對應(yīng)的o光的主折射率noi，那么在本設(shè)計中要求入射光在進(jìn)入主棱鏡A之前必須滿足偏振方向與光軸方向垂直，如果光需要先經(jīng)過修正棱鏡Ai再進(jìn)入主棱鏡A，那么在進(jìn)入修正棱鏡Ai之前使光的偏振方向與光軸方向垂直；若nj表示為波長為λi的光在棱鏡所用的負(fù)晶體中對應(yīng)的e光的主折射率nei，那么在本設(shè)計中要求入射光在進(jìn)入主棱鏡A必須滿足偏振方向與光軸方向平行，如果光需要先經(jīng)過修正棱鏡Ai再進(jìn)入主棱鏡A，那么在進(jìn)入修正棱鏡Ai之前使光的偏振方向與光軸方向平行。
假設(shè)需要從修正棱鏡Ai入射進(jìn)合成器的光為nj(mi-1＜j≤mi，mi≥mi-1≥0，i≥1，m0＝0，mi為正整數(shù)，1≤i≤u≤N，mu≤N，u表示最后一個分束面)，假設(shè)空氣的折射率為n0。
{1}、主棱鏡A中有關(guān)的各個角所優(yōu)選滿足的條件為 1、分束面的作用主要有兩點(diǎn) (1)合成部分基色的圖像(如圖，分束面(bc)、(df)、(pq))

s＝mi+1，t＝mi，i≤u[16]； 其中u表示最后一個分束面，空氣的折射率為n0。
(2)調(diào)整主棱鏡A中的光路(如圖，分束面(gh))

r＝mi，mi＝mi-1，r≤u[17]； 其中u表示最后一個分束面，空氣的折射率為n0。
2、從入射方向⑤進(jìn)入主棱鏡A(如圖，正入射面(rs))
其中u表示最后一個分束面。
{2}、在第i個分束面上
nk＝nj，nk＜nk+1，
1≤k≤(mi-mi-1)，mi-1＜j≤mi，i≤u[19]； 其中u表示最后一個分束面，空氣的折射率為n0。
{3}、偏移距離 1、只有一種波長的光入射的第i個分束面，修正棱鏡Ai與主棱鏡A的第i個分束面之間的距離Hi優(yōu)選滿足 Hi＞0，1≤i≤N[20]； 2、有兩種或兩種以上的波長的光入射的修正棱鏡Ai與主棱鏡A的第i個分束面之間的距離Hi，k(Hi，k＞0，mi-1＜j≤mi，k≥2，k是正整數(shù))，對于均從修正棱鏡Ai入射(即從入射方向①入射，1≤i≤u，u表示最后一個分束面)的不同波長的光的基色圖像與合成方向的偏移距離為
1≤i≤N，1≤k＜(k+1)≤(mi-mi-1) [21]； 那么從同一塊修正棱鏡Ai入射的兩種相鄰的不同的基色圖像之間的偏移距離為 Δdi，k＝|di，k+1-di，k|， 1≤i≤N，1≤k＜(k+1)≤(mi-mi-1) [22]； 當(dāng)Δdi，k≥s時(即(Δdi，k-s)≥0)，各基色圖像入射時在空間是分離的，并且經(jīng)過合成器之后可以完全在空間重疊，達(dá)到多基色的單色圖像合成的目的。
在入射光進(jìn)入合成器之前先通過各基色對應(yīng)的光程補(bǔ)償裝置用于調(diào)整各基色的光在到達(dá)出射面(av)時的彼此之間的相位。
最后將合成后圖像從出射面(av)射出并從入射面(zy)進(jìn)入轉(zhuǎn)向棱鏡B，在全反射面(xy)全反射后從出射面(xz)射出，轉(zhuǎn)向棱鏡B主要用于調(diào)整合成后的圖像的出射方向。
轉(zhuǎn)向棱鏡B的角所優(yōu)選滿足的條件為 空氣的折射率為n0，圖中的示例采用一個底角∠xyz＝∠yxz＝θ＝45°的直角棱鏡。
此外，對于圖4A由兩塊棱鏡A4，兩種基色的光分別平行入射到兩塊棱鏡A4的情況同樣可以應(yīng)用于本發(fā)明的其它實施例以及其它實施例中的各修正棱鏡。
圖4B是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的多基色圖像組合合成器的示意圖。
圖4B與圖4A有許多相同之處，這些相同部分的標(biāo)號與圖3A中的相同并表示相同的含義，因此其描述可參照上述圖4A中的情況。圖4B中，第四分束面為(sr)((sr)在圖4A的實施例中為正入射面)，正入射面為(pq)((pq)在圖4A的實施例中是第四分束面)。在本實施例中，如果一個分束面的后一分束面相對于其的旋轉(zhuǎn)方向與其相對于前一分束面的旋轉(zhuǎn)方向不同，那么稱這個分束面為臨界分束面。(第一個分束面與最后一個除外)，例如圖4B中的分束面(gh)。
圖4B所示的實施例與圖4A所示的實施例的區(qū)別主要在于圖4A的實施例中，所有分束面相對于前一分束面的旋轉(zhuǎn)方向相同(第一分束面除外)；而圖4B的實施例中，至少一個分束面的后一分束面相對于其的旋轉(zhuǎn)方向與其相對于前一分束面的旋轉(zhuǎn)方向不同(第一分束面和最后一個分束面除外)，諸如分束面(gh)。
在圖4B所示的實施例中，沿第一方向①、第二方向②入射的情況與圖4A中的相同。在沿方向④入射的情況中，有兩種基色的光平行入射到同一修正棱鏡A4。這種多種基色的光平行入射到同一修正棱鏡Ai再入射到第i分束面的情況同樣可應(yīng)用于本發(fā)明的其它實施例以及其它實施例中的各修正棱鏡。此外，在本實施例中，沿方向④入射的光經(jīng)過修正棱鏡A4進(jìn)入的分束面為(sr)。而沿方向⑤入射的光直接垂直入射的主棱鏡面為(pq)，即正入射面。
在圖4A的實施例中只用一塊主棱鏡所能實現(xiàn)的多基色圖像合成的基色數(shù)量是有限的；而在圖4B的實施例中只用一塊主棱鏡所能實現(xiàn)的多基色圖像合成的基色數(shù)量遠(yuǎn)多于圖4A的實施例。
本實施例中，裝置優(yōu)選滿足以下的幾何條件 1、輔助線說明al1//va，bw1//cb并與al1相交于點(diǎn)w1，cl2//bc，dw2//fd并與cl2相交于點(diǎn)w2，fl3//df，gw3//hg并與fl3相交于點(diǎn)w3，sl4//rs，sw4//gh，rl5//sr，qw5//pq并與rl5相交于點(diǎn)w5； 2、棱鏡A、A1、A2、A4的棱邊av與出射光垂直，bc//x1y1、df//x2y2、sr//x4y4，pq垂直于從⑤入射的入射光方向；ab，cd，fg，hp，qr，st，tu，uv，x1z1，x2z2，x4z4沒有要求，但是不影響在棱鏡A、A1、A2、A4中的光路。
3、棱鏡A、A1、A2、A4的角度 (1)棱鏡A∠aw1b＝π-θ1，∠cw2d＝π-θ2，∠fw3g＝π-θ3，∠rsw4＝π-θ4， ∠qw5r＝π-θ5； (2)棱鏡A1∠x1y1z1＝π-θ1； (3)棱鏡A2∠x2y2z2＝θ1-θ2＝(π-θ2)-(π-θ1)； (4)棱鏡A4 ∠x4y4z4＝π-θ1+θ2-θ3-θ4＝(π-θ3)-[(π-θ2)-(π-θ1)]-θ4； 4、棱鏡B的棱邊yz與入射光垂直，xz與出射光垂直。
5、棱鏡B的角度∠xyz＝θ。
以下詳細(xì)描述如何利用本發(fā)明的裝置實現(xiàn)本發(fā)明的合成圖像的目的。
假設(shè)顯示所需的基色數(shù)量為N，這些光波長分別為λi(i＝1，2……N)，在棱鏡A、A1、A2、A4所用的負(fù)晶體中的o光和e光的主折射率分別為noi和nei(i＝1，2……N)(在負(fù)晶體中noi＞nei)，所以N種基色的顯示共有2N種入射方式(偏振方向垂直或平行于光軸)，保證N種顯示基色的條件下，篩選出m(N≤m≤2N)種方式并按照折射率由小到大依次排列并重新記為nj(即nj+1＞nj)，在棱鏡B所用的各向同性介質(zhì)中的折射率分別為n′i(i＝1，2……N)。
若nj表示波長為λi的光在棱鏡所用的負(fù)晶體中對應(yīng)的o光的主折射率noi，那么在本設(shè)計中要求入射光在進(jìn)入主棱鏡A之前必須滿足偏振方向與光軸方向垂直，如果光需要先經(jīng)過修正棱鏡Ai再進(jìn)入主棱鏡A，那么在進(jìn)入修正棱鏡Ai之前使光的偏振方向與光軸方向垂直；若nj表示為波長為λi的光在棱鏡所用的負(fù)晶體中對應(yīng)的e光的主折射率nei，那么在本設(shè)計中要求入射光在進(jìn)入主棱鏡A必須滿足偏振方向與光軸方向平行，如果光需要先經(jīng)過修正棱鏡Ai再進(jìn)入主棱鏡A，那么在進(jìn)入修正棱鏡Ai之前使光的偏振方向與光軸方向平行。
假設(shè)需要從修正棱鏡Ai入射進(jìn)合成器光為nj(mi-1＜j≤mi，mi≥mi-1≥0，i≥1，m0＝0，mi為正整數(shù)，1≤i≤u≤N，mu≤N，u表示最后一個分束面)，假設(shè)空氣的折射率為n0。
{1}、主棱鏡A中有關(guān)的各個角所優(yōu)選滿足的條件為 1、分束面的作用主要有兩點(diǎn) (1)合成部分基色的圖像(如圖，分束面(bc)、(df)、(sr))


i≠hk+1，

i＝hk+1， s＝mi+1，t＝mi，

i≤u [24]； 其中hk表示第k個臨界分束面，其編號為hk(即第hk個分束面)， u表示最后一個分束面，空氣的折射率為n0。
(2)調(diào)整主棱鏡A中的光路(如圖，分束面(gh))


i≠hk+1，

i＝hk+1， r＝mi，mi＝mi-1，

r≤u [25]； 其中u表示最后一個分束面，空氣的折射率為n0。
2、從入射方向⑤進(jìn)入主棱鏡A(如圖，正入射面(rs))
其中u表示最后一個分束面。
{2}、在第i個分束面上
nk＝nj，nk＜nk+1，

i≠hk+1，

i＝hk+1， 1≤k≤(mi-mi-1)，mi-1＜j≤mi，

i≤u[27]； 其中u表示最后一個分束面，空氣的折射率為n0。
{3}、偏移距離 1、只一種波長的光入射的第i個分束面，修正棱鏡Ai與主棱鏡A的第i個分束面之間的距離Hi優(yōu)選滿足 Hi＞0，1≤i≤N[28]； 2、有兩種或兩種以上的波長的光入射的修正棱鏡Ai與主棱鏡A的第i個分束面之間的距離Hi，k(Hi，k＞0，mi-1＜j≤mi，k≥2，k是正整數(shù))，對于均從修正棱鏡Ai入射(即從入射方向

入射，1≤i≤u，u表示最后一個分束面)的不同波長的光的基色圖像與合成方向的偏移距離為
1≤i≤N，1≤k＜(k+1)≤(mi-mi-1) [29]； 那么從同一塊修正棱鏡Ai入射的兩種相鄰的不同的基色圖像之間的偏移距離為 Δdi，k＝|di，k+1-di，k|， 1≤i≤N，1≤k＜(k+1)≤(mi-mi-1) [30]； 當(dāng)Δdi，k≥s時(即(Δdi，k-s)≥0)，各基色圖像入射時在空間是分離的，并且經(jīng)過合成器之后可以完全在空間重疊，達(dá)到多基色的單色圖像合成的目的。
在入射光進(jìn)入合成器之前先通過各基色對應(yīng)的光程補(bǔ)償裝置用于調(diào)整各基色的光在到達(dá)出射面(av)時的彼此之間的相位。
最后將合成后圖像從出射面(av)射出并從入射面(zy)進(jìn)入轉(zhuǎn)向棱鏡B，在全反射面(xy)全反射后從出射面(xz)射出，轉(zhuǎn)向棱鏡B主要用于調(diào)整合成后的圖像的出射方向。
轉(zhuǎn)向棱鏡B的角所必須滿足的條件為 空氣的折射率為n0，圖中的示例采用一個底角∠xyz＝∠yxz＝θ＝45°的直角棱鏡。
圖5A是根據(jù)本發(fā)明又一實施例的多基色圖像組合合成器的示意圖。
圖5A的實施例的結(jié)構(gòu)與圖3A基本相同，主要區(qū)別在于圖5A的實施例中各棱鏡A、A1、A2、A4的材料是正晶體，棱鏡B的材料仍為各向同性材料，且與圖3A相比，圖4A中省去了棱鏡A3。圖中M表示棱鏡A、A1、A2、A4的光軸方向。正晶體的該技術(shù)方案的設(shè)計中要求入射光的偏振方向必須平行或者垂直于上述光軸方向。
如圖5A所示，本發(fā)明的多基色圖像組合合成器包括不規(guī)則多邊形主棱鏡A、設(shè)置于各入射方向上的修正棱鏡A1、A2、A4以及轉(zhuǎn)向棱鏡B。圖中相同的字母所表示的邊具有相同的幾何性質(zhì)。虛線是輔助線。圖中，①、②、④、⑤表示入射方向。s′表示基色圖像的寬度。圖中所示的棱鏡A、A1、A2、A4的構(gòu)造材料相同，均為同種正晶體；轉(zhuǎn)向棱鏡B的構(gòu)造材料為各向同性的介質(zhì)，但必須保證在可見光范圍內(nèi)轉(zhuǎn)向棱鏡B的材料對任何參與顯示的光的折射率均大于

)。各修正棱鏡前設(shè)置有光程補(bǔ)償器D，該光程補(bǔ)償器D必須不改變光路。主棱鏡A是多邊形并包括一個正入射面(rs)和多個分束面(bc)、(df)、(hg)、(pq)。分束面被定義為棱鏡A的一個可以全反射棱鏡A中的部分光的棱鏡面。
其中，從正入射面(rs)射入的入射光直接垂直地入射到該正入射面(rs)，而其它方向的入射光射入修正棱鏡A1、A2、A4之一的入射面并從其出射面射出，隨后入射到與該修正棱鏡相對應(yīng)的多個分束面(bc)、(df)、(pq)之一，沿各入射方向的入射光在主棱鏡A中合成，最后從主棱鏡A的出射面(av)射出。此后，垂直入射到轉(zhuǎn)向棱鏡B的入射面并垂直于其出射面射出。其中，修正棱鏡的出射面與同其對應(yīng)的分束面相互平行，例如x1y1//bc。
本實施例中，優(yōu)選滿足以下幾何條件 1、輔助線說明al1//va，bw1//cb并與al1相交于點(diǎn)w1，cl2//bc，dw2//fd并與cl2相交于點(diǎn)w2，fl3//df，gw3//kg并與fl3相交于點(diǎn)w3，hl4//gh，pw4//qp并與hl4相交于點(diǎn)w4，ql5//pq，rw5//sr并與ql5相交于點(diǎn)w5； 2、棱鏡A、A1、A2、A4的棱邊av與出射光垂直，bc//x1y1、df//x2y2、pq//x4y4，rs垂直于從⑤入射的入射光方向；ab，cd，fg，hp，qr，st，tu，uv，x1z1，x2z2，x4z4沒有要求，但是不影響在棱鏡A、A1、A2、A4中的光路。
3、棱鏡A、A1、A2、A4的角度 (1)棱鏡A∠aw1b＝π-θ1，∠cw2d＝π-θ2，∠fw3g＝π-θ3，∠hw4p＝π-θ4， ∠qw5r＝π-θ5； (2)棱鏡A1∠x1y1z1＝π-θ1； (3)棱鏡A2∠x2y2z2＝θ1-θ2＝(π-θ2)-(π-θ1)； (4)棱鏡A4 ∠x4y4z4＝θ1-θ2+θ3-θ4＝(π-θ4)-{(π-θ3)-[(π-θ2)-(π-θ1)]}； 4、棱鏡B的棱邊yz與入射光垂直，xz與出射光垂直。
5、棱鏡B的角度∠xyz＝θ。
以下詳細(xì)描述如何利用本發(fā)明的裝置實現(xiàn)本發(fā)明的合成圖像的目的。
假設(shè)顯示所需的基色數(shù)量為N，這些光波長分別為λi(i＝1，2……N)，在棱鏡A、A1、A2、A4所用的正晶體中的o光和e光的主折射率分別為noi和nei(i＝1，2……N)(在正晶體中noi＜nei)，所以N種基色的顯示共有2N種入射方式(偏振方向垂直或平行于光軸)，保證N種顯示基色的條件下，篩選出m(N≤m≤2N)種方式并按照折射率由小到大依次排列并重新記為nj(即nj+1＞nj)；在棱鏡B所用的各向同性介質(zhì)中的折射率分別為n′i(i＝1，2……N)。
若nj表示波長為λi的光在棱鏡所用的正晶體中對應(yīng)的o光的主折射率noi，那么在本設(shè)計中要求入射光在進(jìn)入主棱鏡A之前必須滿足偏振方向與光軸方向垂直，如果光需要先經(jīng)過修正棱鏡Ai再進(jìn)入主棱鏡A，那么在進(jìn)入修正棱鏡Ai之前使光的偏振方向與光軸方向垂直；若nj表示為波長為λi的光在棱鏡所用的正晶體中對應(yīng)的e光的主折射率nei，那么在本設(shè)計中要求入射光在進(jìn)入主棱鏡A必須滿足偏振方向與光軸方向平行，如果光需要先經(jīng)過修正棱鏡Ai再進(jìn)入主棱鏡A，那么在進(jìn)入修正棱鏡Ai之前使光的偏振方向與光軸方向平行。
假設(shè)需要從修正棱鏡Ai入射進(jìn)合成器的光為nj(mi-1＜j≤mi，mi≥mi-1≥0，i≥1，m0＝0，mi為正整數(shù)，1≤i≤u≤N，mu≤N，u表示最后一個分束面)，假設(shè)空氣的折射率為n0。
{1}、棱鏡A中有關(guān)的各個角所優(yōu)選滿足的條件為 1、分束面的作用主要有兩點(diǎn) (1)合成部分基色的圖像(如圖，分束面(bc)、(df)、(pq))

s＝mi+1，t＝mi，i≤u[32]； 其中u表示最后一個分束面，空氣的折射率為n0。
(2)調(diào)整主棱鏡A中的光路(如圖，分束面(gh))

r＝mi，mi＝mi-1，r≤u[33]； 其中u表示最后一個分束面，空氣的折射率為n0。
2、從入射方向⑤進(jìn)入主棱鏡A(如圖，正入射面(rs))
其中u表示最后一個分束面。
{2}、在第i個分束面上
nk＝nj，nk＜nk+1
1≤k≤(mi-mi-1)，mi-1＜j≤mi，i≤u[35]； 其中u表示最后一個分束面，空氣的折射率為n0。
{3}、偏移距離 1、只有一種波長的光入射的第i個分束面，修正棱鏡Ai與主棱鏡A的第i個分束面之間的距離Hi優(yōu)選滿足 Hi＞0，1≤i≤N[36]； 2、有兩種或兩種以上的波長的光入射的修正棱鏡Ai與主棱鏡A的第i個分束面之間的距離Hi，k(Hi，k＞0，mi-1＜j≤mi，k≥2，k是正整數(shù))，對于均從修正棱鏡Ai入射(即從入射方向①入射，1≤i≤u，u表示最后一個分束面)的不同波長的光的基色圖像與合成方向的偏移距離為
1≤i≤N，1≤k＜(k+1)≤(mi-mi-1) [37]； 那么從同一塊修正棱鏡Ai入射的兩種相鄰的不同的基色圖像之間的偏移距離為 Δdi，k＝|di，k+1-di，k|， 1≤i≤N，1≤k＜(k+1)≤(mi-mi-1) [38]； 當(dāng)Δdi，k≥s時(即(Δdi，k-s)≥0)，各基色圖像入射時在空間是分離的，并且經(jīng)過合成器之后可以完全在空間重疊，達(dá)到多基色的單色圖像合成的目的。
在入射光進(jìn)入合成器之前先通過各基色對應(yīng)的光程補(bǔ)償裝置用于調(diào)整各基色的光在到達(dá)出射面(av)時的彼此之間的相位。
最后將合成后圖像從出射面(av)射出并從入射面(zy)進(jìn)入轉(zhuǎn)向棱鏡B，在全反射面(xy)全反射后從出射面(xz)射出，轉(zhuǎn)向棱鏡B主要用于調(diào)整合成后的圖像的出射方向。
轉(zhuǎn)向棱鏡B的角所必須滿足的條件為 空氣的折射率為n0，圖中的示例采用一個底角∠xyz＝∠yxz＝θ＝45°的直角棱鏡。
此外，對于圖5A由兩塊棱鏡A4，兩種基色的光分別平行入射到兩塊棱鏡A4的情況同樣可以應(yīng)用于本發(fā)明的其它實施例以及其它實施例中的各修正棱鏡。
圖5B是根據(jù)本發(fā)明又一實施例的多基色圖像組合合成器的示意圖。
圖5B與圖5A有許多相同之處，這些相同部分的標(biāo)號與圖3A中的相同并表示相同的含義，因此其描述可參照上述圖5A中的情況。圖5B中，第四分束面為(sr)((sr)在圖4A的實施例中為正入射面)，正入射面為(pq)((pq)在圖4A的實施例中是第四分束面)。在本實施例中，如果一個分束面的后一分束面相對于其的旋轉(zhuǎn)方向與其相對于前一分束面的旋轉(zhuǎn)方向不同，那么稱這個分束面為臨界分束面。(第一個分束面與最后一個除外)，例如圖5B中的分束面(gh)。
圖5B所示的實施例與圖5A所示的實施例的區(qū)別主要在于圖5A的實施例中，所有分束面相對于前一分束面的旋轉(zhuǎn)方向相同(第一分束面除外)；而圖5B的實施例中，至少一個分束面的后一分束面相對于其的旋轉(zhuǎn)方向與其相對于前一分束面的旋轉(zhuǎn)方向不同(第一分束面和最后一個分束面除外)，諸如分束面(gh)。
在圖5B所示的實施例中，沿第一方向①、第二方向②入射的情況與圖5A中的相同。在沿方向④入射的情況中，有兩種基色的光平行入射到同一修正棱鏡A4。這種多種基色的光平行入射到同一修正棱鏡Ai再入射到第i分束面的情況同樣可應(yīng)用于本發(fā)明的其它實施例以及其它實施例中的各修正棱鏡。此外，在本實施例中，沿方向④入射的光經(jīng)過修正棱鏡A4進(jìn)入的分束面為(sr)。而沿方向⑤入射的光直接垂直入射的分束面為(pq)，即正入射面。
在圖5A的實施例中只用一塊主棱鏡所能實現(xiàn)的多基色圖像合成的基色數(shù)量是有限的；而在圖5B的實施例中只用一塊主棱鏡所能實現(xiàn)的多基色圖像合成的基色數(shù)量遠(yuǎn)多于圖5A的實施例。
本實施例中，裝置優(yōu)選滿足以下的幾何條件 1、輔助線說明al1//va，bw1//cb并與al1相交于點(diǎn)w1，cl2//bc，dw2//fd并與cl2相交于點(diǎn)w2，fl3//df，gw3//hg并與fl3相交于點(diǎn)w3，sl4//rs，sw4//gh，rl5//sr，qw5//pq并與rl5相交于點(diǎn)w5； 2、棱鏡A、A1、A2、A4的棱邊av與出射光垂直，bc//x1y1、df//x2y2、sr//x4y4，pq垂直于從⑤入射的入射光方向；ab，cd，fg，hp，qr，st，tu，uv，x1z1，x2z2，x4z4沒有要求，但是不影響在棱鏡A、A1、A2、A4中的光路。
3、棱鏡A、A1、A2、A4的角度 (1)棱鏡A∠aw1b＝π-θ1，∠cw2d＝π-θ2，∠fw3g＝π-θ3，∠rsw4＝π-θ4， ∠qw5r＝π-θ5； (2)棱鏡A1∠x1y1z1＝π-θ1； (3)棱鏡A2∠x2y2z2＝θ1-θ2＝(π-θ2)-(π-θ1)； (4)棱鏡A4 ∠x4y4z4＝π-θ1+θ2-θ3-θ4＝(π-θ3)-[(π-θ2)-(π-θ1)]-θ4； 4、棱鏡B的棱邊yz與入射光垂直，xz與出射光垂直。
5、棱鏡B的角度∠xyz＝θ。
以下詳細(xì)描述如何利用本發(fā)明的裝置實現(xiàn)本發(fā)明的合成圖像的目的。
假設(shè)顯示所需的基色數(shù)量為N，這些光波長分別為λi(i＝1，2……N)，在棱鏡A、A1、A2、A4所用的正晶體中的o光和e光的主折射率分別為noi和nei(i＝1，2……N)(在正晶體中noi＜nei)，所以N種基色的顯示共有2N種入射方式(偏振方向垂直或平行于光軸)，保證N種顯示基色的條件下，篩選出m(N≤m≤2N)種方式并按照折射率由小到大依次排列并重新記為nj(即nj+1＞nj)，在棱鏡B所用的各向同性介質(zhì)中的折射率分別為n′i(i＝1，2……N)。
若nj表示波長為λi的光在棱鏡所用的負(fù)晶體中對應(yīng)的o光的主折射率noi，那么在本設(shè)計中要求入射光在進(jìn)入主棱鏡A之前必須滿足偏振方向與光軸方向垂直，如果光需要先經(jīng)過修正棱鏡Ai再進(jìn)入主棱鏡A，那么在進(jìn)入修正棱鏡Ai之前使光的偏振方向與光軸方向垂直；若nj表示為波長為λi的光在棱鏡所用的負(fù)晶體中對應(yīng)的e光的主折射率nei，那么在本設(shè)計中要求入射光在進(jìn)入主棱鏡A必須滿足偏振方向與光軸方向平行，如果光需要先經(jīng)過修正棱鏡Ai再進(jìn)入主棱鏡A，那么在進(jìn)入修正棱鏡Ai之前使光的偏振方向與光軸方向平行。
假設(shè)需要從修正棱鏡Ai入射進(jìn)合成器光為nj(mi-1＜j≤mi，mi≥mi-1≥0，i≥1，m0＝0，mi為正整數(shù)，1≤i≤u≤N，mu≤N，u表示最后一個分束面)，假設(shè)空氣的折射率為n0。
{1}、主棱鏡A中有關(guān)的各個角所優(yōu)選滿足的條件為 1、分束面的作用主要有兩點(diǎn) (1)合成部分基色的圖像(如圖，分束面(bc)、(df)、(sr))


i≠hk+1，

i＝hk+1， s＝mi+1，t＝mi，

i≤u[40]； 其中hk表示第k個臨界分束面，其編號為hk(即第hk個分束面)， u表示最后一個分束面，空氣的折射率為n0。
(2)調(diào)整主棱鏡A中的光路(如圖，分束面(gh))


i≠hk+1，

i＝hk+1， r＝mi，mi＝mi-1，

r≤u[41]； 其中u表示最后一個分束面，空氣的折射率為n0。
2、從入射方向⑤進(jìn)入主棱鏡A(如圖，正入射面(rs))
其中u表示最后一個分束面。
{2}、在第i個分束面上
nk＝nj，nk＜nk+1，

i≠hk+1，

i＝hk+1， 1≤k≤(mi-mi-1)，mi-1＜j≤mi，

i≤u[43]； 其中u表示最后一個分束面，空氣的折射率為n0。
{3}、偏移距離 1、只一種波長的光入射的第i個分束面，修正棱鏡Ai與主棱鏡A的第i個分束面之間的距離Hi優(yōu)選滿足 Hi＞0，1≤i≤N[44]； 2、有兩種或兩種以上的波長的光入射的修正棱鏡Ai與主棱鏡A的第i個分束面之間的距離Hi，k(Hi，k＞0，mi-1＜j≤mi，k≥2，k是正整數(shù))，對于均從修正棱鏡Ai入射(即從入射方向

入射，1≤i≤u，u表示最后一個分束面)的不同波長的光的基色圖像與合成方向的偏移距離為
1≤i≤N，1≤k＜(k+1)≤(mi-mi-1) [45]； 那么從同一塊修正棱鏡Ai入射的兩種相鄰的不同的基色圖像之間的偏移距離為 Δdi，k＝|di，k+1-di，k|， 1≤i≤N，1≤k＜(k+1)≤(mi-mi-1) [46]； 當(dāng)Δdi，k≥s時(即(Δdi，k-s)≥0)，各基色圖像入射時在空間是分離的，并且經(jīng)過合成器之后可以完全在空間重疊，達(dá)到多基色的單色圖像合成的目的。
在入射光進(jìn)入合成器之前先通過各基色對應(yīng)的光程補(bǔ)償裝置用于調(diào)整各基色的光在到達(dá)出射面(av)時的彼此之間的相位。
最后將合成后圖像從出射面(av)射出并從入射面(zy)進(jìn)入轉(zhuǎn)向棱鏡B，在全反射面(xy)全反射后從出射面(xz)射出，轉(zhuǎn)向棱鏡B主要用于調(diào)整合成后的圖像的出射方向。
轉(zhuǎn)向棱鏡B的角所必須滿足的條件為 空氣的折射率為n0，圖中的示例采用一個底角∠xyz＝∠yxz＝θ＝45°的直角棱鏡。
圖6是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的多基色圖像組合合成器的示意圖。該合成器的主棱鏡A具有三個分束面(bc)、(df)、(gh)，其原理與以上諸實施例相類似。其優(yōu)選的幾何條件為 1、輔助線說明al1//va，bw1//cb并與al1相交于點(diǎn)w1；cl2//bc，dw2//fd并與cl2相交于點(diǎn)w2；fl3//df，gw3//hg并與fl3相交于點(diǎn)w3；hl4//gh，pw4//rp并與hl4相交于點(diǎn)w4； 2、棱鏡A、A1、A2、A3的棱邊av與出射光垂直，bc//x1y1、df//x2y2、gh//x3y3，rp垂直于從④入射的入射光方向ab、cd、fg、hp、rs、st、tu、uv、x1z1、x2z2、x3z3沒有要求，但是不影響在棱鏡A、A1、A2、A3中的光路。
3、棱鏡A、A1、A2、A3的角度 (1)棱鏡A∠aw1b＝π-θ1，∠cw2d＝π-θ2，∠fw3g＝π-θ3，∠hw4p＝π-θ4； (2)棱鏡A1∠x1y1z1＝π-θ1； (3)棱鏡A2∠x2y2z2＝θ1-θ2＝(π-θ2)-(π-θ1)； (4)棱鏡A3∠x3y3z3＝π-θ3-θ1+θ2＝(π-θ3)-[(π-θ2)-(π-θ1)]； 4、棱鏡B的棱邊yz與入射光垂直，xz與出射光垂直。
5、棱鏡B的角度∠xyz＝θ。
其他的內(nèi)容與四個分束面的完全相同，區(qū)別在于分束面為(bc)、(df)、(gh)；正入射面為(pr)。
本實施例的材料可以是各向同性材料、負(fù)晶體或正晶體，針對這些材料的條件與以上相應(yīng)實施例中的內(nèi)容相同。
圖7是根據(jù)本發(fā)明第五實施例的多基色圖像組合合成器的示意圖。該合成器的主棱鏡A具有五個分束面(bc)、(df)、(gh)、(rs)、(c1q)，其原理與以上諸實施例相類似。其優(yōu)選的幾何條件為 1、輔助線說明al1//va，bw1//cb并與al1相交于點(diǎn)w1；cl2//bc、dw2//fd并與cl2相交于點(diǎn)w2；fl3//df、gw3//hg并與fl3相交于點(diǎn)w3；sl4//rs、sw4//gh；rl5//sr、qw5//c1q并與rl5相交于點(diǎn)w5；c1l6//qc1，r1w6//b′r1并與c1l6相交于點(diǎn)w6； 2、棱鏡A、A1、A2、A4、A5的棱邊av與出射光垂直，bc//x1y1、df//x2y2、sr//x4y4、qc1//x5y5，b′r1垂直于從⑥入射的入射光方向；ab、cd、fg、hp、pa′、a′b′、r1c1、qr、st、tu、uv、x1z1經(jīng)、x2z2、x4z4、x5z5沒有要求，但是不影響在棱鏡A、A1、A2、A4、A5中的光路。
3、棱鏡A、A1、A2、A4、A5的角度 (1)棱鏡A∠aw1b＝π-θ1，∠cw2d＝π-θ2，∠fw3g＝π-θ3，∠rsw4＝π-θ4， ∠qw5r＝π-θ5，∠r1w6c1＝π-θ6； (2)棱鏡A1∠x1y1z1＝π-θ1； (3)棱鏡A2∠x2y2z2＝θ1-θ2＝(π-θ2)-(π-θ1)； (4)棱鏡A4∠x4y4z4＝π-θ1+θ2-θ3-θ4＝(π-θ3)-[(π-θ2)-(π-θ1)]-θ4； (5)棱鏡A5 ∠x5y5z5＝θ1-θ2+θ3+θ4-θ5＝(π-θ5)-{(π-θ3)-[(π-θ2)-(π-θ1)]-θ4}； 4、棱鏡B的棱邊yz與入射光垂直，xz與出射光垂直。
5、棱鏡B的角度∠xyz＝θ。
其他的內(nèi)容與四個分束面的完全相同，區(qū)別在于分束面為(bc)、(df)、(gh)、(c1q)；正入射面為(b′r1)；臨界分束面為(rs)。
本實施例的材料可以是各向同性材料、負(fù)晶體或正晶體，針對這些材料的條件與以上相應(yīng)實施例中的內(nèi)容相同。
應(yīng)注意，以上各實施例中的有關(guān)技術(shù)特征并非旨在窮盡性地限定本發(fā)明的實施方式。根據(jù)一般的光學(xué)常識可以理解，在實現(xiàn)本發(fā)明的圖像組合目的的前提下可對上述各實施例中的技術(shù)特征選擇加以利用。例如，以上圖3A實施例中在方向④上使用了兩個修正棱鏡A4來分別通過一種不同基色的光，而在圖3B的實施例中在方向④上僅使用一個修正棱鏡A4來通過兩種不同基色的光，但顯然這兩種技術(shù)方案都能實現(xiàn)基本相同的技術(shù)效果，這兩種技術(shù)方案是等價的。此外，上述方向④上的這兩種修正棱鏡方案同樣可在其它方向上使用。再者，如上所述，在能實現(xiàn)本發(fā)明的目的(即圖像合成)的前提下，本發(fā)明的任何實施例中的任一分束面都可像圖3B的實施例中的分束面(gh)那樣沒有與之相對應(yīng)的修正棱鏡，即不利用該分束面進(jìn)行入射，而是通過其它分束面入射不同基色的光。本發(fā)明說明書部分所述的上述諸實施例只是給出以各種方式使用本發(fā)明的裝置來實現(xiàn)圖像組合的特例，因此其中能實現(xiàn)相似或相同功能的技術(shù)特征顯然能根據(jù)公知常識進(jìn)行交換或取舍。
以上描述了本發(fā)明的多基色圖像組合合成器的結(jié)構(gòu)和實施方式。但可以理解許多其它的實施例也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如雖然以上各方案中只用一個主棱鏡與多個修正棱鏡配合使用，但也可組合多個主棱鏡進(jìn)行圖像合成。例如可將由一個主棱鏡合成的光束再從另一個主棱鏡的正入射面輸入到另一主棱鏡中與其它光束進(jìn)行合成。這種方式的實現(xiàn)是所述技術(shù)領(lǐng)域的人員顯而易見的。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可顯見，可對本發(fā)明的上述示例性實施例進(jìn)行各種修改和變型而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。因此，旨在使本發(fā)明覆蓋落在所附權(quán)利要求書及其等效技術(shù)方案范圍內(nèi)的對本發(fā)明的修改和變型。
權(quán)利要求
1.一種多基色圖像組合合成器，其特征在于，包括主棱鏡以及設(shè)置于各入射方向上的至少一個修正棱鏡，
所述主棱鏡是多邊形并包括一個正入射面、多個分束面以及一個出射面，所述主棱鏡用于將從所述正入射面和所述分束面入射進(jìn)主棱鏡的光形成從所述正入射面到所述出射面的光路，所述光路在各分束面處發(fā)生全反射，
所述修正棱鏡都具有一個入射面和一個出射面，
從正入射面射入的入射光直接垂直地入射到所述正入射面，其它入射方向的入射光則射入所述至少一個修正棱鏡之一的入射面并從其出射面射出，隨后入射到與該修正棱鏡相對應(yīng)的分束面，各入射方向的入射光在所述主棱鏡內(nèi)沿所述主棱鏡的所述光路合成，最后從所述主棱鏡的出射面射出，
其中修正棱鏡的出射面與同該修正棱鏡相對應(yīng)的分束面相互平行。
2.如權(quán)利要求1所述的多基色圖像組合合成器，其特征在于，除沿一旋轉(zhuǎn)方向起的第一分束面之外，所有分束面相對于前一分束面的旋轉(zhuǎn)方向相同。
3.如權(quán)利要求1所述的多基色圖像組合合成器，其特征在于，除沿一旋轉(zhuǎn)方向起的第一分束面和最后一個分束面外，至少一個分束面的后一分束面相對于其的旋轉(zhuǎn)方向與其相對于前一分束面的旋轉(zhuǎn)方向不同。
4.如以上任一權(quán)利要求所述的多基色圖像組合合成器，其特征在于，所述各修正棱鏡的入射面與出射面的夾角的大小根據(jù)所述主棱鏡的各相應(yīng)分束面之間的夾角確定。
5.如權(quán)利要求1所述的多基色圖像組合合成器，其特征在于，所述多基色圖像組合合成器的各棱鏡由各向同性材料、負(fù)晶體和正晶體中的任一種構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1所述的多基色圖像組合合成器，其特征在于，還包括設(shè)置于所述主棱鏡的出射面之前的轉(zhuǎn)向棱鏡。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多基色圖像組合合成器。它包括主棱鏡以及設(shè)置于各入射方向上的至少一個修正棱鏡，主棱鏡是多邊形并包括一個正入射面、多個分束面以及一個出射面，主棱鏡用于將從正入射面和分束面入射進(jìn)主棱鏡的光形成從正入射面到出射面的光路，所述光路在各分束面處發(fā)生全反射；所述修正棱鏡都具有一個入射面和一個出射面，從正入射面射入的入射光直接垂直地入射到所述正入射面，其它入射方向的入射光射入所述至少一個修正棱鏡之一的入射面并從其出射面射出，隨后入射到與該修正棱鏡相對應(yīng)的分束面，沿各入射方向的入射光在所述主棱鏡中合成，最后從所述主棱鏡的出射面射出，其中修正棱鏡的出射面與同該修正棱鏡相對應(yīng)的分束面互相平行。通過本發(fā)明的合成器可以獲得顏色更加逼真的圖像。
文檔編號G02B27/10GK101221289SQ20071003629
公開日2008年7月16日 申請日期2007年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月9日
發(fā)明者程思洋 申請人:程思洋