專利名稱：使用具有中繼透鏡和二向色性組合器的空間光調(diào)制器的投影裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種投影裝置，其用于投射一個(gè)采用空間光調(diào)制器所形成的數(shù)字圖像，且更具體而言涉及一種改進(jìn)的裝置和方法，其用于把在多個(gè)空間光調(diào)制器處產(chǎn)生的多色數(shù)字圖像接續(xù)到這種投影裝置投射路徑中的二向色性組合元件上。
背景技術(shù)：
為了使數(shù)字投影系統(tǒng)被視為對(duì)傳統(tǒng)電影投影機(jī)的適當(dāng)替代物，其必須滿足要求更多的圖像質(zhì)量要求。這對(duì)于多色電影投影系統(tǒng)尤其如此。為了提供一個(gè)對(duì)傳統(tǒng)電影質(zhì)量投影機(jī)具有競爭力的選擇方案，數(shù)字投影裝置必須滿足高標(biāo)準(zhǔn)的性能，即提供高分辨率、寬色域(gamut)、高亮度以及超過1000∶1的幀順序反差比。
多色數(shù)字電影投射最有前途的方案采用兩個(gè)基本類型空間光調(diào)制器中的一個(gè)作為圖像形成設(shè)備。所述第一類型空間光調(diào)制器是由位于德克薩斯州達(dá)拉斯的Texas Instruments，Inc.，(得克薩斯儀表公司)所研制的數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD)。DMD設(shè)備在眾多專利，例如美國專利號(hào)4,441,791；5,535,047；5,600,383(全部屬于Hornbeck)以及美國專利號(hào)5,719,695(Heimbuch)中被加以描述。采用DMD的投影裝置的光學(xué)設(shè)計(jì)在美國專利號(hào)5,914,818(Tejada等人)；5,930,050(Dewald)；6,008,951(Anderson)；以及6,089,717(Iwai)中得到公開。DMD已經(jīng)被采用在數(shù)字投影系統(tǒng)中。然而，雖然基于DMD的投影機(jī)展示出一些提供必要的光通過量、反差比以及色域等的能力，但是固有的分辨率局限性(目前設(shè)備僅提供1024×768像素)以及高昂的組件及系統(tǒng)成本已經(jīng)限制DMD被高質(zhì)量數(shù)字電影投射的接受性。
用于數(shù)字投射的第二類型空間光調(diào)制器是液晶設(shè)備(LCD)。通過選擇性地調(diào)制每個(gè)對(duì)應(yīng)像素的入射光偏振狀態(tài)，LCD作為一個(gè)像素陣列形成圖像。LCD作為高質(zhì)量數(shù)字電影投影系統(tǒng)的空間光調(diào)制器看起來具有優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括相對(duì)大的設(shè)備尺寸及有利的設(shè)備產(chǎn)量。在采用LCD空間光調(diào)制器的電子投影裝置當(dāng)中的實(shí)例是在美國專利號(hào)5,808,795(Shimomura等人)；5,798,819(Hattori等人)；5,918,961(Ueda等人)；6,010,121(Maki等人)及6,062,694(Oikawa等人)中所公開的那些實(shí)例。
在使用空間光調(diào)制器的電子投影裝置中，傳統(tǒng)上為紅、綠及藍(lán)(RGB)的單個(gè)色在光學(xué)路徑的對(duì)應(yīng)紅、綠或藍(lán)部分被單獨(dú)地調(diào)制。然后每個(gè)色經(jīng)調(diào)制的光被加以組合，以形成一個(gè)合成的多色RGB彩色圖像。對(duì)于投影光學(xué)裝置，存在兩種將經(jīng)調(diào)制的色光進(jìn)行組合的基本方法?？梢员槐碚鳛闀?huì)聚方法的第一種方法，適合于早期的傳統(tǒng)投影系統(tǒng)。使用所述的會(huì)聚方法，分量紅、綠及藍(lán)光具有單獨(dú)的軸，所述軸由有效地將每個(gè)光學(xué)路徑按照所需進(jìn)行彎曲的投影光學(xué)裝置進(jìn)行會(huì)聚，以便于在一些焦平面上形成一個(gè)合成的多色彩色圖像。作為一個(gè)示例性實(shí)例，美國專利號(hào)5,345,262(Yee等人)公開了一種會(huì)聚的視頻投影系統(tǒng)。重要地是，美國專利號(hào)5,345,262的公開內(nèi)容示例出會(huì)聚投射方法存在的主要問題之一即，單獨(dú)的彩色圖像必須在投射表面上被正確地對(duì)準(zhǔn)。沿著任何一個(gè)色光投射路徑的聚焦不良或?qū)?zhǔn)不良可以很容易導(dǎo)致令人不滿意的圖像。利用這個(gè)方法，圖像路徑僅在焦平面上被會(huì)聚，遵守這點(diǎn)是有益的。
美國專利號(hào)5,907,437(Sprotbery等人)公開了利用上述會(huì)聚方法來簡化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性并減輕多色投影系統(tǒng)所固有的一些光學(xué)路徑對(duì)準(zhǔn)及配準(zhǔn)問題所做的努力。在美國專利號(hào)5,907,437的公開內(nèi)容中，光閥投影系統(tǒng)被加以說明，其中會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)將紅、綠和藍(lán)調(diào)制的光學(xué)路徑進(jìn)行會(huì)聚，以便于形成一個(gè)有利地居中于投影透鏡軸的會(huì)聚圖像。因此，在美國專利號(hào)5,907,437所概述的設(shè)計(jì)策略簡化了使用會(huì)聚方法的系統(tǒng)的投影透鏡設(shè)計(jì)任務(wù)。然而，會(huì)聚方法所固有的其它問題還尚存。
與美國專利號(hào)5,907,437所公開方法相類似的方法所存在的一個(gè)顯著問題是相對(duì)高的etendue。正如在光學(xué)技術(shù)中所眾所周知的那樣，etendue涉及可以由光學(xué)系統(tǒng)所處理的光量。潛在地，etendue越大，圖像越亮。在數(shù)字上，etendue與兩個(gè)系數(shù)即圖像面積及數(shù)值孔徑的乘積成比例。例如增加數(shù)值孔徑，便增加了etendue，以便于光學(xué)系統(tǒng)捕捉更多的光。同樣，增加源圖像尺寸，以便于光起源在一個(gè)較大面積上，則增加了etendue且因此增加了亮度。通常，增加的etendue導(dǎo)致一個(gè)更復(fù)雜且昂貴的光學(xué)設(shè)計(jì)。例如，利用如在美國專利號(hào)5,907,437所概述的方法，光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡部件必須被設(shè)計(jì)成大的etendue。必須通過系統(tǒng)光學(xué)裝置而會(huì)聚的光的源圖像面積是空間光調(diào)制器在紅、綠和藍(lán)光學(xué)路徑上的組合面積之和；顯著地，這是所形成的最終多色圖像面積的三倍。即，對(duì)于在美國專利號(hào)5,907,437中所公開的配置，由于紅、綠和藍(lán)色路徑是分開的且必須在光學(xué)上被會(huì)聚，所以光學(xué)部件處理一個(gè)相當(dāng)大的圖像面積，由此一個(gè)高的etendue。此外，雖然在美國專利號(hào)5,907,437中所公開的配置處理來自三倍于所形成的最終多色圖像的面積的光，但是這個(gè)配置并不能付擔(dān)得起任何增加的亮度的益處，因?yàn)槊總€(gè)色路徑僅包含總光水平的三分之一。更具體而言，如在美國專利號(hào)5,907,437中所公開的會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)中的第二中繼透鏡及投影透鏡固有地受大的etendue的約束，這增添了這一方案的成本及復(fù)雜性。此外，第二中繼透鏡必須在整個(gè)可視頻譜上被色校正。與此同時(shí)，中繼透鏡的不同部分以及投影透鏡的不同部分處理不同的波長，這樣局部性的透鏡不完美性、灰塵或污物不僅影響所投射的圖像，而且可以影響色質(zhì)量。于是，鑒于etendue的約束、色校正的要求、灰塵及污物的敏感性以及將用于數(shù)字投射的亮度水平最大化的需要，看起來存在阻礙美國專利號(hào)5,907,437中所示范會(huì)聚方法的顯著固有局限性。
投影光學(xué)裝置的另一方法可以被表征為同軸方法。與其中分量紅、綠和藍(lán)光束被彎曲以在一焦平面上會(huì)聚的會(huì)聚方法相對(duì)照，所述同軸方法沿著公用軸將分量紅、綠和藍(lán)調(diào)制光束組合。為了進(jìn)行此項(xiàng)工作，同軸方法采用一個(gè)二向色性組合元件，如X-立方體或Philips棱鏡。如在美國專利號(hào)5,098,183(Sonehara)和美國專利號(hào)6,019,474(Doany等人)中所公開的那些X-立方體或X-棱鏡及有關(guān)的二向色性光學(xué)元件在光學(xué)成像技術(shù)中是眾所周知的。二向色性組合元件將來自每個(gè)色路徑的調(diào)制光進(jìn)行組合，且沿著公共軸將色路徑折疊在一起，以便于向投影透鏡提供組合的彩色圖像。
參考圖1，其中示出使用同軸方法的傳統(tǒng)數(shù)字投影裝置10的簡化方框圖。每個(gè)色路徑(r＝紅色，g＝綠色，b＝藍(lán)色)使用相似的部件用于形成一個(gè)經(jīng)調(diào)制的光束。在每個(gè)路徑中的單個(gè)部件被適當(dāng)?shù)貥?biāo)注有附加的r、g或b。然而，對(duì)于隨后的說明，僅當(dāng)有必要時(shí)，才規(guī)定色路徑之間的差異。光源20沿著三個(gè)色路徑中的任何一個(gè)路徑，提供未經(jīng)調(diào)制的光，其被均勻化光學(xué)裝置22調(diào)節(jié)以提供一個(gè)均勻的照明。偏振束分裂器24將具有適當(dāng)偏振狀態(tài)的光導(dǎo)引到空間光調(diào)制器30，所述空間光調(diào)制器30在像素位的陣列上選擇性地調(diào)制入射光的偏振狀態(tài)?？臻g光調(diào)制器30的動(dòng)作形成了一個(gè)圖像。來自這個(gè)圖像的經(jīng)調(diào)制的光在沿著光軸Or、Og、Ob通過偏振束分裂器24被傳輸后，被導(dǎo)引到一個(gè)二向色性組合器26，在傳統(tǒng)系統(tǒng)中所述二向色性組合器26典型地為X-立方體或Philips棱鏡。所述二向色性組合器26將來自分開的光學(xué)軸Or、Og、Ob的紅、綠和藍(lán)經(jīng)調(diào)制的圖像進(jìn)行組合，以沿著公共光軸O為投影透鏡形成一個(gè)組合的多色圖像，用于投射到如投影屏幕的顯示表面40上。
與參考上述美國專利號(hào)5,907,437所概述的會(huì)聚方法相對(duì)照，如圖1中方框圖所示且如美國專利號(hào)5,808,795(Shimomura等人)所示范的同軸方法具有眾多優(yōu)點(diǎn)。就光通過量而言，因?yàn)橥S方法將光學(xué)路徑沿著公共軸進(jìn)行組合，所以它并沒有增強(qiáng)光學(xué)系統(tǒng)的etendue。而就投影透鏡32而言，通過將適當(dāng)?shù)墓廨SOr和Ob折疊以與光軸Og相接合并形成公共光軸O，從光學(xué)上所述二向色性組合器26將空間光調(diào)制器30r、30g、30b的面積相重疊。因此，無論是否是一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或多個(gè)空間光調(diào)制器按此方式被組合，etendue均沒有增加。并且由于每個(gè)光色彩被單獨(dú)地調(diào)制，然后沿著公共光軸O被組合且被提供到投影透鏡32，所以在二向色性組合器26和投影透鏡32之間不需要光學(xué)系統(tǒng)。
如在美國專利號(hào)3,202,039(DeLang等人)中所公開的Philips棱鏡可以作為選擇地被用作二向色性組合器26。數(shù)字圖像投影技術(shù)中的那些普通技術(shù)人員所熟悉的是，Philips棱鏡已經(jīng)在投影機(jī)設(shè)計(jì)中被用作色彩分離器或組合器部件，例如如在美國專利號(hào)6,280,035和6,172,813(兩者均屬于Tadic-Galeb等人)、6,262,851(Marshall)、以及5,621,486(Doany等人)所公開的那些。
雖然被設(shè)計(jì)成采用圖1中基本模型的數(shù)字投影裝置10具有提供良好圖像質(zhì)量水平的能力，但是還感覺到有待于提高。由二向色性涂層所造成的約束是主要考慮因素。為了在寬的角度范圍內(nèi)入射光具有適宜的性能，尤其是在其中需要高亮度水平和寬色域的投射應(yīng)用中，用于二向色性組合器26的二向色性涂層可能是昂貴的且難以設(shè)計(jì)和制造。二向色性涂層作為入射角及波長的函數(shù)反射且透射光。當(dāng)入射角變化時(shí)，被透射或被反射的光的波長也發(fā)生改變。在二向色性涂層被用在一個(gè)具有低f/#的光學(xué)系統(tǒng)中的情況下，由于入射角的寬范圍，所以寬頻譜將被所述涂層反射或透射。
圖2a和2b示例出二向色性涂層的性能隨著入射光角范圍增加而產(chǎn)生的變化。參考圖2a和2b，其中表示出來自點(diǎn)源P且入射到二向色性表面36的光錐，所述二向色性表面36被置于這些圖中的對(duì)角線上。圖2a和2b表示在兩個(gè)不同f/#值下入射到二向色性表面36的光。在圖2a中，具有較小f/#的光錐以較大范圍角入射到二向色性表面36。入射角被考慮為相對(duì)于二向色性表面36的法線N。由于在入射光束一個(gè)極端的角A與在相對(duì)極端的角B之間的差，二向色性表面36將引起在被透射和被反射的光錐上出現(xiàn)色移。
通過對(duì)比，在圖2b中光錐在較大的f/#下入射。在此，在入射光錐的極端邊緣角A′和B′之間存在非常小的差。在這種情況下，與圖2a所示的較小f/#情況相比，二向色性表面36的響應(yīng)將相應(yīng)引起在被透射和被反射的光錐上較小的色移。
正如在圖2a和2b中所清楚看到的，二向色性表面36具有一些支撐結(jié)構(gòu)，典型地為棱鏡42。為了將象差減至最小，與其中光錐表示較小角范圍的圖2b中的較大f/#情況相比較，表面44a和44b的平直度對(duì)于其中光錐表示較寬角范圍的圖2a中的較小f/#更為重要。因此，如果可以使用一個(gè)較大f/#的光錐，則在二向色性組合器中棱鏡42的表面容許公差要求可以被減輕，由此降低了成本和對(duì)準(zhǔn)的復(fù)雜性。然而，傳統(tǒng)上，具有較小f/#的光錐被用于投影系統(tǒng)，因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)被導(dǎo)引向?qū)⒘炼茸畲蠡?br> 與在圖2a及2b中所示例較高f/#的益處所相關(guān)的是遠(yuǎn)心性的益處，這通過比較圖2c和2d被加以示例。在此，點(diǎn)源P1、P2及P3表示在平的圖像平面上的點(diǎn)，其光線入射到二向色性表面36上。在圖2c中，來自點(diǎn)源P1、P2和P3的光錐為遠(yuǎn)心的且對(duì)應(yīng)角C和D是相同的。通過比較，在圖2d中，光錐不是遠(yuǎn)心的且對(duì)應(yīng)角C′和D′有所不同。入射角的這一差別可以引起P1具有與P3略微不同的色，由此產(chǎn)生在場(chǎng)上的色移。
從圖2a-2d，可以看到在小范圍入射角(即在高f/#下)下提供遠(yuǎn)心光具有優(yōu)點(diǎn)。然而，實(shí)際上，由于與此同時(shí)要維持高亮度水平這一需要，所以已經(jīng)顯示出數(shù)字投影裝置獲得這些優(yōu)點(diǎn)是困難的。
正如在成像技術(shù)中所眾所周知的那樣，為了使色域最大化，每個(gè)合成色應(yīng)該具有一個(gè)窄的頻譜范圍，以提供盡可能純的飽和色。例如，利用也包括一些綠光的紅光信道來產(chǎn)生一深紅色將是困難的。因此，當(dāng)色組合棱鏡或其它光學(xué)元件采用低f/#時(shí)，二向色性涂層的寬頻譜響應(yīng)降低了色域。然而，與此同時(shí)，由于低f/#在較寬角度范圍收集更多的光，所以對(duì)于獲得高亮度水平而言，低f/#是所需要的。雖然存在用于改善色域的傳統(tǒng)校正技術(shù)，如濾波，但是這些技術(shù)可以降低亮度。然后，在二向色性組合器26內(nèi)的涂層局限性約束了投影系統(tǒng)10光學(xué)裝置對(duì)亮度水平和色域兩者進(jìn)行優(yōu)化的能力。
圖3a示例出一個(gè)理想化X-立方體126對(duì)從光源P導(dǎo)引來的光的響應(yīng)。所述X-立方體126包括四個(gè)棱鏡128a、128b、128c和128d，其具有適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砬冶徽澈显谝粔K。表面130a和130b被處理成反射來自P的具有適當(dāng)波長的光。為了在點(diǎn)P′形成一個(gè)圖像，則表面130a和130b必須完全是平面的且彼此之間完全對(duì)準(zhǔn)，以提供無象差的反射。與圖3a相對(duì)照，圖3b示出X-立方體126′的響應(yīng)，其中表面130a和130b沒有得到完全對(duì)準(zhǔn)。表面130a和130b的對(duì)準(zhǔn)不良引起來自點(diǎn)源P的光在點(diǎn)P1′和P2′形成兩個(gè)單獨(dú)的圖像。當(dāng)圖像點(diǎn)P1′和P2′之間的距離大約處于一個(gè)像素寬或大于一個(gè)像素寬時(shí)，象差效應(yīng)，如在上面所注意到的可視縫隙，將最容易被觀察到。很清楚，隨著距離的增加，在任何方向上，在圖像點(diǎn)P1′和P2′之間，通過X-立方體126′所反射的圖像中的模糊將變得日益顯著。對(duì)應(yīng)地，像素尺寸越小，因制造X-立方體126′中的不完美而導(dǎo)致的象差影響越大。
常見X-立方體二向色性組合器26的局限性在制造設(shè)備本身時(shí)是固有的。所述X-立方體由四個(gè)棱鏡組裝而成，每個(gè)棱鏡的內(nèi)表面具有適當(dāng)?shù)亩蛏酝繉印Ｔ谥圃熘?，棱鏡被膠合到一起，使其內(nèi)表面平面盡可能被精密地對(duì)準(zhǔn)。然而，當(dāng)這些設(shè)備采用傳統(tǒng)的數(shù)字投射方案時(shí)，在X-立方體的制造中，甚至微小公差的誤差可以導(dǎo)致成像問題。例如，在X-立方體內(nèi)平面的涂鍍表面的微小對(duì)準(zhǔn)不良可能引起象差，如色邊緣。色邊緣象差可以被校正直至到一個(gè)點(diǎn)；然而，具有較小這類問題傾向的二向色性組合器設(shè)計(jì)將具有優(yōu)點(diǎn)?！翱p隙”趨向于作為在被顯示圖像中的一個(gè)或多個(gè)線而出現(xiàn)，其中在所述縫隙處二向色性表面被組合。高質(zhì)量X-立方體的制造被這樣的要求進(jìn)一步復(fù)雜化，即單個(gè)的組成棱鏡具有相同的折射率；實(shí)際上，當(dāng)相同的玻璃熔體被用作所有的棱鏡部件時(shí)，這被最佳地實(shí)現(xiàn)。此外，在多棱鏡表面上的涂層工藝必須是均勻的。典型地，應(yīng)用到X-立方體表面上的光學(xué)涂層具有次微米厚度且是多層的，有時(shí)需要多到50至60層。因此，除了精確的制造技能以外，還必須進(jìn)行精心的部件跟蹤。進(jìn)一步的問題是在組裝的X-立方體外部面上難以提供均勻、平表面這樣的結(jié)果?？梢院苋菀桌斫獾竭@一復(fù)雜性給X-立方體添加了相當(dāng)大的成本。最終，利用傳統(tǒng)方法獲得亮度導(dǎo)致高的熱量水平，這可以損壞粘合劑和X-立方體的涂層表面。
可以很容易理解到實(shí)際上，制造如同圖3a中的完美X-立方體126將是非常困難的，且必須允許一些誤差容限。為此，當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)采用X-立方體126的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，將對(duì)維持精確的X-立方體126容限的依賴性減至最小是有利的。
成像質(zhì)量的有關(guān)重要性是在光學(xué)系統(tǒng)的任何可能處保持遠(yuǎn)心性。當(dāng)來自空間光調(diào)制器30表面上的兩個(gè)不同點(diǎn)源位置的光錐不是遠(yuǎn)心時(shí)，則這些不同的位置表示到二向色性組合器26內(nèi)二向色性表面上不同的入射角。作為響應(yīng)，二向色性組合器26在不同的場(chǎng)位置反射不同的波長帶，結(jié)果導(dǎo)致圖像上的色移。在光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)中眾所周知的是在空間光調(diào)制器30處的遠(yuǎn)心成像有助于進(jìn)一步降低圖像的反差陰影(contrast shading)。
作為設(shè)計(jì)投影裝置時(shí)的另一個(gè)眾所周知的原理，將投影透鏡32的反遠(yuǎn)距焦點(diǎn)減至最小，進(jìn)而將投影透鏡32的成本及后工作距離要求減至最小是有益的。優(yōu)選的是避免相對(duì)于其有效焦距具有長后焦距的投影透鏡的成本及復(fù)雜性要求，如例如在美國專利號(hào)6,008,951(Anderson)所公開的方案。
美國專利號(hào)6,113,239(Sampsell等人)公開了一種具有混合X-立方體設(shè)計(jì)的投射顯示部件的布置，其以遞增方式降低了對(duì)投影透鏡的后工作距離要求。在這個(gè)公開內(nèi)容中，偏振束分裂器和二向色性組合表面兩者均被組合在一個(gè)單X-立方體，與其它現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)相比，縮短了投影透鏡的工作距離。然而，顯著地，美國專利號(hào)6,113,239中的設(shè)計(jì)并沒有取得改進(jìn)的亮度，因?yàn)槎蛏员砻娴慕嵌燃s束一直沒有得到減輕。其它問題包括昂貴的涂層方案，因?yàn)槠袷至哑魍繉硬⒉蝗菀揍槍?duì)所有色及偏振的組合得到優(yōu)化。此外，在工作距離要求上的進(jìn)一步改進(jìn)將是有益的。
美國專利號(hào)5,944,401(Murakami等人)公開了一種作為對(duì)X-立方體二向色性裝置的替換方案的光學(xué)塊，所述光學(xué)塊包括在塑料棱鏡內(nèi)的二向色性表面。由于塑料的折射率超出空氣的折射率，所以這個(gè)方案提供對(duì)后工作距離要求的-些緩和。為了將后工作距離減至最小，透鏡式空間光調(diào)制器被采用，使圖像形成與組合光學(xué)塊盡可能地接近。然而，因?yàn)楹蠊ぷ骶嚯x要求仍然過高，所以這個(gè)布置將不能很好地適合于采用反射式空間光調(diào)制器的投影機(jī)裝置。從后工作距離來看，美國專利號(hào)5,944,401并不比傳統(tǒng)X-立方體設(shè)計(jì)更具有優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于全尺寸電影投影將需要相當(dāng)大的投影透鏡。此外，在美國專利號(hào)5,944,401中所公開的方案并沒有提出上述二向色性表面的固有角度局限性。因此，亮度水平被這一類型的設(shè)計(jì)方案所約束。
美國專利號(hào)5,597,222(Doany等人)公開了一種用在數(shù)字投影機(jī)中的光學(xué)中繼透鏡系統(tǒng)，所述系統(tǒng)減輕了上述說明的與固有公差問題及投影透鏡工作要求有關(guān)的一些困難。美國專利號(hào)5,597,222公開了使用單1X、雙遠(yuǎn)心中繼透鏡，以將從單獨(dú)RGB色路徑上組合的圖像接續(xù)到MacNeille偏振束分裂器上。在美國專利號(hào)5,597,222中，空間光調(diào)制器被置于非常接近二向色性組合器X-立方體，因此把在外表面平面度及內(nèi)表面制造的公差誤差中的不完美的一些潛在反作用減至最低。然而，這個(gè)方案遠(yuǎn)不能滿足補(bǔ)償X-立方體涂層和表面的固有問題之需，以使圖像亮度和色域兩者均能得到維持。例如，在Doany等人公開內(nèi)容中所說明的設(shè)計(jì)未能提出在二向色性涂層響應(yīng)中固有的角度相關(guān)性，這樣仍然難以支撐大的色域而與此同時(shí)保持圖像亮度。此外，對(duì)于這個(gè)設(shè)計(jì)，投影透鏡還必須使用高的數(shù)值孔徑，這意味著比具有較低數(shù)值孔徑的設(shè)計(jì)具有增加的成本。由于空間光調(diào)制器部件的規(guī)模，美國專利號(hào)5,597,222的設(shè)計(jì)仍然極依賴于高質(zhì)量的X-立方體設(shè)計(jì)。此外，在美國專利號(hào)5,597,222中所公開的布置采用在偏振束分裂器與其調(diào)制LCD之間相對(duì)大數(shù)量的光學(xué)部件。對(duì)于在偏振照明源路徑中的大量光學(xué)部件，一些不可避免的應(yīng)力雙折射將必定改變?cè)趦蓚€(gè)方向上運(yùn)行的未調(diào)制和已調(diào)制光的偏振狀態(tài)，導(dǎo)致圖像對(duì)比度的損失。
美國專利號(hào)6,247,816(Cipolla等人)公開了使用1X中繼透鏡，用于將中間圖像接續(xù)向僅在色路徑之一上的二向色性組合器。在美國專利號(hào)6,247,816中的方案提出部件封裝問題，但是并未減輕由二向色性組合器響應(yīng)所強(qiáng)加的任何角約束。美國專利號(hào)6,247,816中的方案也不能提供對(duì)投影透鏡的有關(guān)后工作距離要求的任何緩和。
美國專利號(hào)4,836,649(Ledebuhr等人)公開了一種1X中繼透鏡布置，其用在照明路徑上，以將偏振部件的尺寸減至最小，以及其用在調(diào)制光學(xué)路徑上以有助于減輕數(shù)字投影系統(tǒng)的后工作距離約束。雖然這個(gè)布置提供了一些優(yōu)點(diǎn)，但是色組合二向色性表面仍然必須在低f/#值下處理光，導(dǎo)致降低了的色域。此外，當(dāng)使用這個(gè)方案時(shí)投影透鏡還必須工作在低的f/#下。
正如在美國專利號(hào)5,374,968(Haven等人)的公開內(nèi)容中所強(qiáng)調(diào)的那樣，用于將投影系統(tǒng)亮度最大化的傳統(tǒng)方法強(qiáng)調(diào)低f/#的光學(xué)裝置。然而，如參考圖2a-2d所說明的那樣，用于組合色圖像路徑的二向色性表面的性能受到低f/#光學(xué)系統(tǒng)的大入射角的阻礙。
盡管X-立方體的高成本及公知的問題，其仍然一直在相當(dāng)數(shù)量的成像設(shè)備設(shè)計(jì)中作為二向色性組合器。與使用二向色性表面的其它方案相比，X-立方體及其相似設(shè)備廣泛使用的原因之一是與其緊湊的尺寸相關(guān)。為了將投影透鏡的后工作距離減至最小，例如，如在美國專利號(hào)6,113,239中所示，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法將空間光調(diào)制器接近X-立方體放置。
用于消除X-立方體的策略包括在美國專利號(hào)6,231,192(Konno等人)中所公開的那些策略。在此，二向色性鏡被用于將來自每個(gè)色調(diào)制路徑上的光進(jìn)行組合，使在每個(gè)光學(xué)路徑上維持相等的光學(xué)距離。所說明的系統(tǒng)提供了較使用X-立方體光學(xué)裝置的傳統(tǒng)方案而言成本較低的方案。然而，與此同時(shí)，在美國專利號(hào)6,231,192中所公開的方案并不減輕投影透鏡系統(tǒng)的后工作要求。這個(gè)方案將投影機(jī)光學(xué)裝置的f/#局限到較低速度，從而約束了可使用的亮度且要求較大的投影透鏡直徑。對(duì)象散的校正必須由投射路徑上的柱形光學(xué)裝置來提供。
概括來說，數(shù)字投影機(jī)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法就性能、成本及復(fù)雜性方面做了一些妥協(xié)，以便于提供一個(gè)具有最大亮度的高質(zhì)量圖像。X-立方體方案由于其相對(duì)的緊湊性，所以有助于將投影透鏡的后工作距離要求減至最小，但是具有固有的性能問題和高的成本。使用較不昂貴的二向色性棱鏡將是有利的，但是，由于這些棱鏡占據(jù)更多空間，所以這個(gè)方案使投影透鏡設(shè)計(jì)復(fù)雜化。因此，可以看出存在改進(jìn)數(shù)字投影光學(xué)裝置設(shè)計(jì)的需要，其減輕二向色性涂層的固有角局限性而同時(shí)提供最大的亮度和色域，其將投影光學(xué)裝置的工作距離要求減至最小，并且其允許投影光學(xué)裝置高的f/#，而同時(shí)消除用于將調(diào)制光進(jìn)行組合的昂貴X-立方體的需要。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于將多色圖像進(jìn)行投射的投影裝置，所述裝置包括(a)用于形成具有第一波長的放大實(shí)像的第一光調(diào)制組裝件、用于形成具有第二波長的放大實(shí)像的第二光調(diào)制組裝件、以及用于形成具有第三波長的放大實(shí)像的第三光調(diào)制組裝件，其中每個(gè)調(diào)制組裝件被類似地加以構(gòu)造且包括(i)空間光調(diào)制器，其用于調(diào)制來自一光源的入射光以形成第一圖像；以及(ii)具有中繼透鏡光學(xué)軸的放大中繼透鏡，所述放大中繼透鏡將所述第一圖像聚焦向二向色性組合器，以便于沿著所述中繼透鏡光學(xué)軸形成所述第一圖像的放大實(shí)像；(b)所述二向色性組合器將每個(gè)中繼透鏡光學(xué)軸組合到一個(gè)公共投射軸上，以便于從具有第一波長的放大實(shí)像、具有第二波長的放大實(shí)像、以及具有第三波長的放大實(shí)像來形成多色圖像，所述二向色性組合器包括沿著所述公共投射軸被放置在第一傾斜角的第一二向色性表面、以及相鄰著，沿著所述公共投射軸被放置在與所述第一傾斜角相垂直方向放置的第二二向色性表面，其中所述第一和第二二向色性表面并不交叉；以及(c)用于將多色圖像投射向顯示表面的投影透鏡。
本發(fā)明的一個(gè)特點(diǎn)是它提供一個(gè)為雙遠(yuǎn)心的放大中繼透鏡，以放大由空間光調(diào)制器所形成的圖像且將那個(gè)圖像接續(xù)到二向色性組合器上。通過將所述圖像放大，放大中繼透鏡有效地允許所述二向色性組合器在較高f/#下工作，從而容納較窄范圍的入射角，因此增加了在所投射圖像上的色域。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于它將所調(diào)制的光接續(xù)到處于較低f/#下的二向色性組合器，所以它允許在組合器部件上使用較不昂貴的二向色性涂層。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是它用較低成本的部件替代了采用傳統(tǒng)X-立方體光學(xué)裝置的更復(fù)雜方案。通過接續(xù)用于投射的放大中間圖像，本發(fā)明的設(shè)計(jì)增加了色組合二向色性部件可用的空間量。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是它提供將對(duì)二向色性涂層有害的熱效應(yīng)減至最小的低成本方案。通過消除對(duì)X-立方體的需要，本發(fā)明還將因?yàn)橛迷诮M合部件上的粘接劑所帶來的熱問題減至最小。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是它允許使用具有降低的數(shù)值孔徑和有利的工作距離的投影透鏡，其中有效焦距與后焦距的比率超出1.0，從而簡化了透鏡設(shè)計(jì)。本發(fā)明還允許具有較高f/#的投影透鏡，以提供高亮度。因此，通過減緩對(duì)投影透鏡的要求，本發(fā)明提供比較要求更多的設(shè)計(jì)而言節(jié)省的成本。此外，本發(fā)明允許投影機(jī)被設(shè)計(jì)成具有可互換的投影透鏡，這樣針對(duì)特定的顯示環(huán)境，一個(gè)適當(dāng)?shù)耐队巴哥R可以容易地且經(jīng)濟(jì)地被替代。此外，通過降低投影透鏡的數(shù)值孔徑要求，本發(fā)明固有地降低在變形投影透鏡元件設(shè)計(jì)中所固有的復(fù)雜性。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是它提供了這樣一種方案，即在光被偏振器濾波之前，所述方案并不將雙折射引入到所投射的光，從而保持了反差比。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是它享有同軸光學(xué)設(shè)計(jì)所固有的亮度和色質(zhì)量的益處，且避免了傳統(tǒng)會(huì)聚投影裝置復(fù)雜的聚焦問題和透鏡設(shè)計(jì)顧慮。
結(jié)合其中示出且說明了示例性本發(fā)明實(shí)施例的附圖，在閱讀下述詳細(xì)說明時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的那些普通技術(shù)人員，本發(fā)明的這些和其它目的、特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。
雖然所述技術(shù)說明以權(quán)利要求作為結(jié)論，其中權(quán)利要求特別指出且清楚地提出對(duì)本發(fā)明主題的權(quán)利要求，但是仍認(rèn)為當(dāng)結(jié)合所附的附圖時(shí)，本發(fā)明將從下述說明中得到更佳的理解，其中


圖1是示出傳統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)數(shù)字投影裝置的主要部件的示意性方框圖；圖2a和2b是射線圖，其示出到處在兩個(gè)不同f/#值下二向色性涂層的入射光；圖2c和2c是射線圖，其示出入射到二向色性涂層上的非遠(yuǎn)心和遠(yuǎn)心光；圖3a示出理想化X-立方體的成像響應(yīng)；圖3b示出具有略微對(duì)準(zhǔn)不良誤差的X-立方體的成像響應(yīng)；圖4是示出用于單色的本發(fā)明光調(diào)制組裝件的方框圖；圖5是示出在一優(yōu)選實(shí)施例中紅、綠和藍(lán)光調(diào)制路徑的頂視圖；圖6是示出本發(fā)明投影裝置主要部件的示意性方框圖，其中所述投影裝置采用具有作為二向色性組合器的內(nèi)部二向色性表面的棱鏡；圖7是示出本發(fā)明投影裝置另一實(shí)施例的主要部件的示意性方框圖，其中所述投影裝置采用相對(duì)于光軸呈傾斜角且彼此相垂直而設(shè)置的二向色性表面；以及圖8是示出本發(fā)明另一實(shí)施例的主要部件的示意性方框圖，其中所述實(shí)施例采用透射性LCD作為空間光調(diào)制器。
優(yōu)選實(shí)施例詳述本說明更具體地被導(dǎo)向形成部分根據(jù)本發(fā)明的裝置、或更直接地與根據(jù)本發(fā)明裝置相互作用的元件。要理解為未具體示出的或加以說明的元件可以采取本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所眾所周知的各種形式。
參考圖1和圖2a-2d，根據(jù)上述背景段所做出的說明，本發(fā)明的目標(biāo)是將光以遠(yuǎn)心形式提供到處在高f/#下的二向色性組合器26上，從而利用所帶來的減緩的對(duì)二向色性組合器26的制造要求，而仍然提供必要的亮度。相對(duì)于圖3a和3b的額外說明示出將光提供到其中對(duì)二向色性組合器進(jìn)行機(jī)械上精密制造的要求被減至最小的二向色性組合器是有利的。
參考圖4，其中以示意性形式示出用在本發(fā)明投影裝置10的綠光學(xué)路徑上的部件的實(shí)施。在每個(gè)色路徑中，光調(diào)制組裝件38包括放大中繼透鏡28和空間光調(diào)制器30，其協(xié)作以形成一個(gè)適合于色信道的放大實(shí)像I。為了形成放大的實(shí)像I，放大中繼透鏡28將位于空間光調(diào)制器30上并且從偏振束分裂器24所反射的圖像作為光學(xué)對(duì)象放大。提供偏振器62用于改善總的圖像對(duì)比度。放大中繼透鏡28為雙遠(yuǎn)心的，這樣沿著光軸O被導(dǎo)引到V-棱鏡組裝件27的調(diào)制光束便處于遠(yuǎn)心形式，所述V-棱鏡組裝件27作為二向色性組合器。因?yàn)閂-棱鏡組裝件27處理遠(yuǎn)心光，因此由于角變化而導(dǎo)致的沿著放大實(shí)像I的色發(fā)暗具有最小的趨勢(shì)。顯著地，通過將在空間光調(diào)制器30上所形成的圖像放大高于1X的一些放大系數(shù)，則與1X中繼操作所能提供的相比，放大中繼透鏡28仍然有效地將放大的實(shí)像聚焦向處于較高f/#的V-棱鏡組裝件27。結(jié)果是，在V-棱鏡組裝件27內(nèi)的第一和第二二向色性表面58′和60′處理較窄的頻譜帶，且因此與在較低f/#下所能獲取的相比，能夠提供較大的色域及較高的亮度。此外，對(duì)于使用放大中繼透鏡28，雖然在V-棱鏡組裝件27處取得了較高的f/#，但是光沒有丟失，因?yàn)榈蚮/#仍然被用在空間光調(diào)制器30上。結(jié)果是，改進(jìn)的放大實(shí)像I作為V-棱鏡組裝件27沿著公共光軸O的輸出被提供。
圖4的布置還提供了降低投影透鏡32的成本及復(fù)雜性要求。對(duì)于圖4的布置，投影透鏡32可以有利地在較高f/#下工作，以便將從每個(gè)放大的實(shí)像I所組合的多色圖像投射到顯示表面40(在圖4中未示出)上。此外，投影透鏡32僅需要小的工作距離以將從每個(gè)放大的實(shí)像I所組合的多色圖像投射到顯示表面40上?？梢岳斫鉃榕c現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)如在美國專利號(hào)5,808,795和5,798,819所示范的那些設(shè)計(jì)相比，投影透鏡32的后側(cè)與放大中繼透鏡28的前側(cè)之間的距離D并不約束色組合二向色性裝置可用的空間。相反，對(duì)于在放大中繼透鏡28長共軛側(cè)上的放大實(shí)像I，在設(shè)計(jì)時(shí)距離D可以被靈活地加以確定，以允許較不緊湊且較不昂貴的色組合棱鏡或表面的使用。
在V-棱鏡組裝件27內(nèi)，第一二向色性表面58′透射綠光且反射藍(lán)光，以及第二二向色性表面60′透射綠和藍(lán)光且反射紅光。
與在上述引用的其中1X中繼透鏡被用在光學(xué)路徑上的美國專利號(hào)5,597,222和6,247,816所公開的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施不同，本發(fā)明的裝置和方法通過放大中繼透鏡28采用比單位放大率大的放大率。例如，利用2X放大率，放大中繼透鏡28將作為2X圖像的放大實(shí)像I提供到V-棱鏡組裝件27。這有效地把二向色性組合器的f/#要求加倍，例如將性能要求從典型值f/2.5減輕到f/5。f/2.5值可以容易地處在所建議的V-棱鏡組裝件27涂層性能的范圍之外。然而，在所建議的范圍內(nèi)f/5典型地良好。采用處在f/5下的入射調(diào)制光，在V-棱鏡組裝件27內(nèi)的第一和第二二向色性表面58′和60′可以形成用于投射的調(diào)制多色圖像，從而提供出沒有色發(fā)暗降級(jí)的較大色域。此外，如上述參考圖3a和3b所說明的那樣，放大產(chǎn)生具有較大像素的圖像，因而降低了因V-棱鏡組裝件27的不完美制造而導(dǎo)致的象差效應(yīng)。
有益的是要注意到放大的實(shí)像I可以沿著光軸O形成在棱鏡組裝件27內(nèi)或其附近。最有利的是如圖4所示，在棱鏡組裝件27的中心附近形成放大的實(shí)像I。通過將放大的實(shí)像I在棱鏡組裝件27內(nèi)有效地“被包圍”，其不受灰塵、污跡或臟物的影響。此外，當(dāng)放大的實(shí)像I被置于棱鏡組裝件27的中心時(shí)，棱鏡組裝件27的尺寸可以被減至最小，因?yàn)槔忡R部件其尺寸必須被做成能捕獲進(jìn)入到放大的實(shí)像I以及從中出來的全部光錐。
回想到圖4僅示出綠光路徑。參考圖5和6，其中其作為項(xiàng)視圖并以示意性形式示出紅、綠和藍(lán)光調(diào)制組裝件38r、38g、38b的布置以及在投影裝置10優(yōu)選實(shí)施例中的部件。在每個(gè)紅、綠和藍(lán)光調(diào)制組裝件38r、38g、38b內(nèi)，來自紅、綠或藍(lán)空間光調(diào)制器30r、30g、30b的初始調(diào)制光錐輸出沿著紅、綠或藍(lán)光軸Or、Og、Ob被放大中繼透鏡28r、28g、28b接續(xù)，以在二向色性組合器、V-棱鏡組裝件27附近或其內(nèi)、或者如圖7所示的V-板組裝件2 5附近或其內(nèi)提供其紅、綠或藍(lán)的放大實(shí)像Ir、Ig或Ib。在圖5所示的特定布置中，光調(diào)制組裝件38b和38r的藍(lán)和紅光軸Ob和Or在鏡16處被折疊。V-棱鏡組裝件27或，作為任選地，V-板組裝件25通過紅和藍(lán)光的選擇性反射并且通過綠光的透射，將三個(gè)不同的放大實(shí)像Ir、Ig或Ib組合，在其輸出處沿著公共光軸O形成組合的多色放大圖像Irgb。然后，如圖6所示，投影透鏡32將組合的多色放大圖像Irgb投射到顯示表面40上。比較圖5和圖6，注意到多色放大圖像Irgb可以形成在V-棱鏡組裝件27或，作為任選地，V-板組裝件25內(nèi)或鄰近的任何適合位置處。正如上述參考圖4所說明的那樣，組合的多色放大圖像Irgb的理想位置是被置于棱鏡組裝件27的中心。
有益地是要注意到從投影透鏡32的角度看，取決于單獨(dú)放大的實(shí)像Ir、Ig或Ib相對(duì)于二向色性組合器V-板組裝件25或V-棱鏡組裝件27的空間位置被形成在哪里，組合的多色放大圖像Irgb可以是一個(gè)實(shí)像或是一個(gè)虛像。只要當(dāng)單獨(dú)放大的實(shí)像Ir、Ig或Ib被形成在V-板組裝件25或V-棱鏡組裝件27的前表面與投影透鏡32的后面之間，則組合的多色放大圖像Irgb便形成一個(gè)實(shí)的色組合圖像。這個(gè)布置由圖6中組合的多色放大圖像Irgb的位置來表示。相對(duì)照，如果單獨(dú)放大的實(shí)像Ir、Ig或Ib被形成在中繼透鏡28的前表面和V-板組裝件25或V-棱鏡組裝件27的前表面之間，則組合的多色放大圖像Irgb是一個(gè)相對(duì)于投影透鏡32的虛的色組合圖像。即，在這種情況下，沒有多色放大圖像Irgb的實(shí)際空間“位置”。而是，V-板組裝件25或V-棱鏡組裝件27工作將單獨(dú)放大的實(shí)像Ir、Ig或Ib組合成虛的組合的多色放大圖像Irgb。
不管組合的多色放大圖像Irgb是實(shí)像還是虛像，然而投影透鏡均被設(shè)計(jì)成具有必要的后焦距，用于將組合的多色放大圖像Irgb投射到顯示表面40，從此顯示表面40形成組合的多色放大圖像Irgb。正如在圖像投影技術(shù)中所眾所周知的那樣，投影透鏡32可能作為選擇地結(jié)合有一個(gè)變形附件，用于調(diào)節(jié)投射圖像的縱橫比。
通過本發(fā)明可能實(shí)現(xiàn)的高f/#要求、較小的相對(duì)尺寸、減少的部件數(shù)量、以及減緩的尺寸容限降低了用于數(shù)字投射的投影透鏡32設(shè)計(jì)的成本及復(fù)雜性。因此，投影透鏡32可以被設(shè)計(jì)成如例如針對(duì)不同的屏幕尺寸具有方便的可互換性。
在一優(yōu)選的實(shí)施例中，偏振束分裂器24是一個(gè)具有作為空間光調(diào)制器30的反射性LCD的線格柵束分裂器。傳統(tǒng)的MacNeille偏振束分裂器或等效的部件可以替代偏振束分裂器24。
比較圖6和7，觀察到V-棱鏡組裝件27可以由相類似操作的V-板組裝件25所取代。V-棱鏡組裝件27和V-板組裝件25兩者都包括一對(duì)平的二向色性表面，這兩個(gè)表面被相鄰但并不交叉地放置，且彼此間以直角被定向。顯著地，通過采用具有比空氣較高折射率的玻璃，V-棱鏡組裝件27對(duì)于進(jìn)一步縮短投影透鏡32所要求的后焦距具有優(yōu)勢(shì)。與板成對(duì)比，玻璃棱鏡的使用也趨向于降低象差，尤其是軸上慧形象差和象散。V-棱鏡組裝件27將第一二向色性表面58′包圍在第一立方體52內(nèi)且將第二二向色性表面60′包圍在第二立方體54內(nèi)。也提供玻璃立方體56，以便于為紅光調(diào)制組裝件38r提供一個(gè)相等的路徑長度。
不管是V-棱鏡組裝件27還是V-板組裝件25被使用，所優(yōu)選的布置將為紅、綠和藍(lán)光調(diào)制組裝件38r、38g、38b提供相等的路徑長度。否則，將難以在單一位置處形成組合的多色放大圖像Irgb。
作為選擇地，如圖8中示意性方框圖所示，空間光調(diào)制器30可能是與成像光學(xué)路徑適當(dāng)適配的透射式LCD。對(duì)于透射式LCD，來自點(diǎn)源20和均勻化光學(xué)裝置22、被偏振器62所偏振的均勻性光將提供用于由空間光調(diào)制器30進(jìn)行調(diào)制的適宜光。正如在圖8中所表示的那樣，每個(gè)分量R、G和B光路徑將具有關(guān)于圖5、6和7的布置的平行結(jié)構(gòu)，僅是在每個(gè)光調(diào)制組裝件38內(nèi)的部件具有微小的重新分配。
作為另一可供選擇，如在數(shù)字投影技術(shù)中所眾所周知的那樣，DMD可以用作與成像光學(xué)路徑適當(dāng)適配的空間光調(diào)制器30，如用全內(nèi)反射(TIR)束分裂器替代偏振束分裂器24。
本發(fā)明允許使用任何適宜類型的照明系統(tǒng)，用來提供用于由空間光調(diào)制器30進(jìn)行調(diào)制的源色光。光源20可包括燈、濾光器、LED、激光器或其它照明部件。所優(yōu)選的實(shí)施例使用氙弧燈作為白光源，使被放置的二向色性分離器對(duì)源照明進(jìn)行濾色，以便于在投射成像技術(shù)中眾所周知的光分離技術(shù)之后，提供用于調(diào)制的基本上純的紅、綠和藍(lán)色光源20r、20g和20b。為了簡化這個(gè)公開內(nèi)容的附圖，且由于用于提供色光的現(xiàn)有技術(shù)方法被普遍公知，所以未示出用來提供光源20r、20g和20b的照明系統(tǒng)。
本發(fā)明數(shù)字投影裝置10的使用，或應(yīng)用本發(fā)明方法，減緩了對(duì)二向色性組合器性能、尺寸以及機(jī)械公差的要求，所述二向色性組合器被用來形成用于投射的組合多色放大圖像Irgb。通過增加光學(xué)系統(tǒng)的f/#，因而本發(fā)明所述裝置和方法降低了入射到二向色性表面的角范圍。這導(dǎo)致改進(jìn)的色域，而沒有連累亮度。這個(gè)布置還降低數(shù)值孔徑，且減緩了對(duì)投影透鏡32的后工作距離的要求，因而降低了投影透鏡32設(shè)計(jì)的成本及復(fù)雜性。采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)，可以維持高反差，這是因?yàn)榉糯笾欣^透鏡28部件并未被放置在對(duì)于LCD空間光調(diào)制器30所要求的偏振照明源路徑上，其并不促成照明光中的雙折射。
由于每個(gè)色路徑具有其自己分開的放大中繼透鏡28，所以不需要對(duì)在空間光調(diào)制器30和投影透鏡32之間的透鏡部件進(jìn)行寬帶色校正。如果對(duì)投影裝置10的性能有利的話，任何放大中繼透鏡28r、28g和28b可以被單獨(dú)地進(jìn)行色校正；另外，任何兩個(gè)或全部三個(gè)放大中繼透鏡28r、28g和28b可以是相同的制造，因而降低了制造和設(shè)計(jì)成本。由于被呈現(xiàn)在到V-板組裝件25或V-棱鏡組裝件27的輸入處圖像的放大，以及由于放大中繼透鏡28的遠(yuǎn)心性，對(duì)二向色性表面58或58′及60或60′精確的制造要求也被減緩。于是，利用這些改進(jìn)，本發(fā)明增強(qiáng)了投影裝置10的成像性能，且允許以最小成本的更簡單、更緊湊的光學(xué)設(shè)計(jì)。
權(quán)利要求
1.一種用于投射多色圖像的投影裝置，所述裝置包括(a)用于形成具有第一波長的放大實(shí)像的第一光調(diào)制組裝件、用于形成具有第二波長的放大實(shí)像的第二光調(diào)制組裝件、以及用于形成具有第三波長的放大實(shí)像的第三光調(diào)制組裝件，其中每個(gè)調(diào)制組裝件被類似地加以構(gòu)造且包括(i)空間光調(diào)制器，其用于調(diào)制來自一光源的入射光以形成第一圖像；以及(ii)具有中繼透鏡光學(xué)軸的放大中繼透鏡，所述放大中繼透鏡將所述第一圖像聚焦向二向色性組合器，以便于沿著所述中繼透鏡光學(xué)軸形成所述第一圖像的所述放大實(shí)像；(b)所述二向色性組合器將每個(gè)中繼透鏡光學(xué)軸組合到一個(gè)公共投射軸上，以便于從具有第一波長的放大實(shí)像、具有第二波長的放大實(shí)像、以及具有第三波長的放大實(shí)像來形成多色圖像，所述二向色性組合器包括沿著所述公共投射軸被放置在第一傾斜角的第一二向色性表面、以及相鄰著，沿著所述公共投射軸與所述第一傾斜角相垂直方向放置的第二二向色性表面，其中所述第一和第二二向色性表面并不交叉；以及(c)用于將多色圖像投射向顯示表面的投影透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的投影裝置，其中所述第一波長是紅光、所述第二波長是綠光且所述第三波長是藍(lán)光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的投影裝置，其中每個(gè)所述光調(diào)制器是反射式LCD。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的投影裝置，其中每個(gè)所述光調(diào)制器是透射式LCD。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的投影裝置，其中每個(gè)所述光調(diào)制器是數(shù)字微鏡設(shè)備。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的投影裝置，其中每個(gè)所述光源包括燈。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的投影裝置，基中每個(gè)所述光源包括濾光器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的投影裝置，其中每個(gè)所述光源包括激光器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的投影裝置，其中每個(gè)所述光源包括LED。
10.據(jù)權(quán)利要求1的投影裝置進(jìn)一步包括一個(gè)用于提供所述光源的二向色性分離器。
全文摘要
用于投射多色圖像的數(shù)字投影裝置(10)包括一個(gè)放大中繼透鏡組裝件(28)，其作為每個(gè)分量色的光調(diào)制組裝件(38)的部分。所述中繼透鏡組裝件(28)增加了到作為二向色性組合器的V－板組裝件(25)或V－棱鏡組裝件(27)的入射光的有效f/#，所述二向色性組合器被用來將來自每個(gè)光調(diào)制組裝件(38)的每個(gè)色的調(diào)制光進(jìn)行組合，以便于形成多色圖像。所述放大中繼透鏡組裝件(28)還提供投影透鏡(32)的減少的工作距離，從而允許較低成本的設(shè)計(jì)，并且便利于用最適合于顯示表面(40)的投影透鏡(32)來替代。
文檔編號(hào)H04N9/31GK1453606SQ0312241
公開日2003年11月5日 申請(qǐng)日期2003年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月25日
發(fā)明者J·M·科布, D·凱斯勒 申請(qǐng)人:伊斯曼柯達(dá)公司