專利名稱：利用遠心光學系統的投影機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及利用空間光調制器由數字數據形成彩色圖像的投影機，更具體地說，涉及一種對光源照明光和調制光都維持遠心光路的投影機。
背景技術：
為了考慮作為傳統的電影放映機的適當替換，數字式投影系統必須滿足對圖像質量的苛刻要求。多色電影放映系統尤為如此。為了提供對傳統的電影質量的投影機具有競爭力的替代品，數字式投影機必須滿足高的性能標準、提供高的分辨率、廣闊的色域、高亮度和超過1000∶1的幀順序對比度。
多色數字式電影放映機最有希望的解決方案是采用兩種基本類型的空間光調制器之一作為圖像形成裝置。第一種空間光調制器是由Texas Instruments Inc.，Dallas，Texas研制的數字式微反射鏡裝置(DMD)。許多專利，例如，美國專利No.4,441,791；5,535,047；5,600,383(均授予Hornbeck)和美國專利No.5,719,695(Heimbuch)對DMD裝置作了描述。美國專利No.5,914,818(Tejada等人)；5,930,050(Dewald)；6,008,951(Anderson)；和6,089,717(Iwai)公開了采用DMD的投影機的光學設計。DMD已經用于數字式投影系統。但是，盡管基于DMD的投影機表現出提供必要的光輸出的某種能力、對比度和色域的某些能力，但是固有的對分辨率的限制(目前的裝置只能提供1024×768象素)以及部件和系統成本高已經限制了DMD對于高質量數字式電影放映機的被接受的程度。
用于數字式投影的第二類空間光調制器是液晶裝置(LCD)。LCD作為象素陣列通過每一個象素對入射光的偏振狀態(tài)進行選擇性調制來形成圖像?？磥?，LCD作為用于高質量數字式電影投射系統的空間光調制器具有優(yōu)點。這些優(yōu)點包括比較大的裝置尺寸和有利的裝置效率。在利用LCD作為空間光調制器的電子投影機的示例中，有美國專利No.5,808,795(Shimomura等人)；5,798,819(Hatori等人)；5,918,961(Ueda)；6,010,221(Maki等人)；6,062,694(Oikawa等人)所公開的。示范的LCD投影專利美國專利No.4,425,028(Gagnon)；4,749,259(Ledebuhr)和4,911,547(Ledebuhr)描述了一種提供改善的彩色性能的雙色偏振設計。
在利用空間光調制器的電子投影機中，各種彩色，傳統的紅、綠和藍(RGB)分別在光路的相應的紅、綠或藍部分調制。然后，為了形成復合的多色RGB彩色圖像，把每一種顏色的調制光結合起來。結合調制彩色光的基本途徑有二。其特征可描述為會聚途徑的第一種途徑是從較早期的傳統的投影系統改進而來的。利用會聚途徑，紅、綠和藍光分量具有單獨的軸線，投影光學系統能根據需要有效地彎曲每一條光路，以便使上述軸線會聚，在某個焦平面上形成復合的多色彩色圖像。作為示例，美國專利No.5,345,262(Yee等人)公開了會聚式圖像投影系統。值得注意的是，美國專利No.5,345,262說明采用會聚投影途徑的一個主要問題亦即單獨的彩色圖像必須適當地定位在一個投影面上。沿著各彩色光投影路徑中一個的定位不良或聚集不良都很容易造成不能令人滿意的圖像。利用這種途徑，圖像路徑必須會聚在所述聚集平面上，遵守這一點是有益的。
美國專利No.5,907,437(Sprotbery等人)公開了簡化利用上述會聚途徑的多色投影系統設計復雜性并減輕其固有的某些光路對準和定位問題的嘗試。在美國專利No.5,907,437的公開中，描述了光閥投影系統，其中會聚光學系統會聚紅、綠和藍調制光路，以便形成會聚的圖像，有利地集中在投影透鏡的軸上。這樣，美國專利No.5,907,437鉤畫的設計策略簡化了利用會聚途徑的系統的投影透鏡設計任務。但是，會聚途徑所固有的其他問題仍未解決。
采用類似于美國專利No.5,907,437所公開的途徑的一個值得注意的問題是相對較高的處理光量(etendue)。在光學上眾所周知，處理光量涉及光學系統所能處理的光量。潛在地，處理光量越大，圖像就越亮。在數值上，處理光量與兩個因數，亦即圖像面積和數字孔徑的平方的乘積成正比。例如，數字孔徑增大，處理光量便增大，使得光學系統捕獲更多的光。類似地，增大源圖像尺寸，使得在較大的面積上產生光，會增大處理光量，從而提高亮度。作為一般規(guī)則，增大處理光量的結果是，光學設計更加復雜，成本更高。例如，利用諸如美國專利No.5,907,437所描述的方法，光學系統中的透鏡部件必須針對大的處理光量設計。必須通過系統光學部件會聚的光的源圖像面積是紅、綠和藍光路中空間光調制器所結合的面積之和；值得注意的是，這是最后形成的多色圖像面積的三倍。就是說，對于美國專利No.5,907,437中所公開的配置，光學部件要處理相當大的圖像面積，因此，要處理大的處理光量，因為紅、綠和藍彩色光路是單獨的，而且必須用光學方法會聚。另外，盡管美國專利No.5,907,437所公開的配置要處理來自所形成的最終多色圖像面積三倍的光，但是這種配置并未提供任何提高亮度的好處，因為每個彩色光路只包含總的光量水平的三分之一。具體地說，諸如美國專利No.5,907,437所公開的會聚光學系統的第二中繼透鏡和投影透鏡固有地受大處理光量約束，這使成本增大，并使解決方案復雜化。另外，第二中繼透鏡必須在整個可見光光譜上進行彩色校正。同時，中繼透鏡和投影透鏡的不同部分處理不同的波長，所以局部透鏡不完善、粉塵或污跡不僅影響所投影的圖像，而且影響彩色質量。鑒于處理光量的約束、彩色校正要求、對粉塵和污跡的敏感性以及要求數字式投影具有最大亮度等級，防礙諸如美國專利No.5,907,437作為示例所顯示的會聚方法的固有的限制看來是明顯的。
投影光學系統的替代途徑可以表征為同軸途徑。與其中紅、綠和藍分量光束彎曲會聚在一個焦平面上的會聚途徑形成對照的是，同軸途徑把紅、綠和藍分量光束沿著共同的軸線結合。為了做到這一點，同軸途徑采用二向色組合元件，諸如X立方鏡或Philips棱鏡。X立方鏡或X棱鏡和相關的二向色光學元件，諸如美國專利No.5,098,183(Sonehara)和美國專利No.6,019,474(Doany等人)所公開的，在光學成像技術上是眾所周知的。二向色組合元件把來自每個彩色光路的調制光組合起來，并使光路折疊在一起，沿著共同的軸線行進，以便向投影透鏡提供組合的彩色圖像。參見圖1，其中示出傳統的利用同軸途徑的數字式投影機10的簡化方框圖。每條彩色光路(r＝紅，g＝綠，b＝藍)都利用類似的部件來形成調制的光束。每條光路內的各個部件相應地標以r、g、b。但是為了進行以下描述，彩色光路之間的差異只是在必要時才指出。下面三條彩色光路中的任何一條，光源20提供未調制的光，后者由均勻化光學部件22調整，提供均勻的照明。偏振分束器24使具有適當偏振狀態(tài)的光射向空間光調制器30，后者選擇性地調制整個象素陣列位置上的入射光的偏振狀態(tài)?？臻g光調制器30的作用是形成圖像。來自所述圖像的調制光，沿著光軸Or、Og、Ob透過偏振分束器24，射向二向色組合器26，一般是X立方鏡、Philips棱鏡或傳統系統中二向色表面的組合。二向色組合器26組合來自單獨的光軸Or、Og、Ob的調制圖像的紅、綠和藍的調制圖像，以便沿著共同的光軸O形成用于投影透鏡的組合的多色圖像，投影在諸如投影屏幕等顯示表面40上。
與參照美國專利No.5,907,437描述的傳統的會聚途徑形成對照，同軸途徑，如圖1方框圖所示和美國專利5,808,795示出的，具有一些優(yōu)點。關于光通過量，同軸途徑由于它沿著光軸組合各光路，并不增大光學系統的處理光量。相反，對于投影透鏡32，二向色組合器26通過折疊適當的光軸Or和Ob與光軸Og組合，形成公共光軸O，用光學方法使空間光調制器30r，30g，30b的面積重疊。于是，用這個方法無論是把一個、兩個、三個、還是更多的空間光調制器結合起來，處理光量都沒有增大。由于每種顏色的光都是單獨調制的，然后組合并沿著公共光軸O提供給投影透鏡32，所以在二向色組合器26和投影透鏡32之間無需光學系統。
諸如美國專利No.3,202,039(Delang等人)所公開的Philips棱鏡可以替代地用作二向色組合器26。數字式圖像投影技術專業(yè)人員熟悉，Philips棱鏡已經在投影機設計中用作顏色分離器或組合器部件，例如，諸如在美國專利No.6,280,035和6,172,813(均給Tadic-Galeb等人)；6,262,851(Marshall)；和5,621,486(Doany等人)所公開的。
盡管利用圖1的基本模型設計的數字式圖像投影機10能夠提供良好的圖像質量水平，但感覺仍有改進的余地。二向色涂層所加的限制是要考慮的關鍵的一點。用于二向色組合器26的二向色涂層，在入射角范圍寬，特別是要求亮度級高和色域寬的投影應用的情況下，可能是昂貴的，而且難以設計和制造出適當的性能。二向色涂層隨入射角和波長而變地反射和透射光。隨著入射角的改變，透射和反射的光波長也會改變。在二向色涂層與具有低的f/#，寬的頻帶的光學系統配合使用時，由于入射角范圍寬，寬的光譜將被涂層反射和透射。
圖2a和圖2b說明二向色涂層的性能隨著入射角增大而改變。參照圖2a和圖2b，其中示出從點光源P入射到定位在這些圖中的對角線上的二向色表面36的光錐。圖2a和圖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和圖2b中，具有較小的f/#的光錐以較大的角度范圍入射到二向色表面36。入射角以二向色表面36的法線N為基準考慮。由于入射光束的一個極端的角度A和相反極端上的角度B之間的差值，二向色表面36將引起跨越透射和反射光錐兩端的色移。
比較一下，圖2b中光錐以較大的f/#入射。這里，入射光錐的極端邊線角度A’和B’之間差值非常小。在這種情況下，與圖2a所示以較小的f/#入射相比，二向色表面36的響應引起的跨越透射和反射光錐的相應色移較小。
正如圖2a和圖2b清楚看到的，二向色表面36具有某種支持結構，一般是棱鏡42。為了把像差減到最小，表面44a和44b的平面度在圖2a較小的f/#比較重要，這里光錐呈現較寬的角度范圍，相比之下，圖2b的f/#較大，其中光錐呈現較小的角度范圍。于是，若能采用f/#較大的光錐，則在二向色組合器26棱鏡的表面允差要求可以放松，以此可以降低成本和對準的復雜性。但是，在傳統上，具有較小f/#的光錐用在投影系統上，因為系統設計的方向是使亮度最大化。
與圖2a和圖2b中示出的較大f/#的優(yōu)點相關的是通過比較圖2c和圖2d而示出的遠心的優(yōu)點。這里，點光源P1，P2和P3代表光線入射在二向色表面36上時，平的像平面上的點。在圖2c中，來自點光源P1，P2和P3的光錐是遠心的，相應的角度C和D相等。相比之下，在圖2d中，光錐不是遠心的，相應的角度C’和D’不同。入射角的這個差值可以引起來自點光源P1的光比起來自點光源P3的光，具有略微不同的顏色，從而產生所述場上的色移(Color Shift)。
可以看到，所畫出的圖2a-2d沒有示出光在玻璃-空氣界面上的折射。眾所周知，某種的折射是會發(fā)生的，在某種程度上改變光的入射角。
從圖2a-2d可以看出，在小的入射角范圍內(亦即在高f/#下)提供遠心光是有好處的。但實際上，已經表明數字式投影機難以獲得這些好處，因為需要同時維持高的亮度級。
在成像技術上眾所周知的是，為了使色域最大化，每個復合光都要具有狹窄的光譜范圍，以便提供盡可能純凈的飽和光。例如，難以利用也包括某些綠光的紅光通道產生深紅色。于是，在低f/#與顏色組合棱鏡或其他光學元件配合使用的地方，二向色涂層的寬光譜響應會縮小色域。但某些時候，低的f/#由于在較寬的角度范圍內能收集較多的光，這是獲得高亮度級所希望的。盡管存在改善色域的傳統校正技術，諸如過濾，但是這些技術會降低亮度。二向色組合器26內涂層的限制會限制投影機10光學部件對亮度級和色域同時進行優(yōu)化的能力。
圖3a說明理想化的X立方鏡126對從光源P穿過透鏡132的光的響應。X立方鏡包括四個棱鏡128a，128b，128c和128d，具有適當的表面處理并粘結在一起。對表面130a和130b進行處理以便反射來自P的具有適當波長的光。表面130a和130b必須是完美地平坦的，并完善地彼此對準，以便提供無象差的反射，以便在P’點形成圖像。與圖3a形成對照，圖3b表示其表面130a和130b不是理想地對準的X立方鏡的響應。表面130a和130b對準不良會使來自點光源P的光在點P1’和P2’形成兩個圖像。象差效應，諸如上述的可見接縫在圖像點P1’和P2’之間的距離大約為一個象素寬度或更大時最為明顯。很清楚，通過X立方鏡126’反射的圖像的模糊在任何方向上會隨著點P1’和P2’之間距離增大而越加明顯。相應地，象素尺寸越小，X立方鏡126’制造上的不完善對象差的影響就越大。
熟悉的X立方二向色組合器26的限制是所述器件本身制造上固有的。X立方鏡是由四個棱鏡裝配而成的，每一個棱鏡的內表面起支持適當的二向色涂層的襯底的作用。制造時，棱鏡粘結在一起，內部平表面盡可能對準。但這些器件與傳統的數字式圖像投影機一起使用時，X立方鏡制造上即使微小的允許誤差也會造成成像的問題。例如，X立方鏡內涂了涂層的平表面稍微對不準，就會引起諸如顏色散射現象等象差。顏色散射象差可以校正到這樣的程度，最好采用較少傾向于這種類型問題的二向色組合器設計。結合二向色表面的“接縫”往往在所顯示的圖像中作為一條或多條線性陰影失真而出現。各棱鏡部件要有相同的折射率，這個要求使優(yōu)質X立方鏡的制造復雜化；在實踐中，最好所有棱鏡部件都用同一次熔制的玻璃制造。另外，在多個棱鏡表面上的涂敷過程必須均勻。涂在X立方鏡表面上的光學涂層一般具有亞微米厚度，并且是多層的，有時要求多達50或60層。這樣，除了精密的制造實踐外，還必須仔細進行部件跟蹤。其他問題是在裝配好的X立方鏡外表面上提供均勻的平表面的困難造成的。不難理解，這種復雜性會使X立方鏡的成本顯著上升。最后，利用傳統的途徑獲得高亮度會產生高的熱量，這會損壞X立方鏡的粘結劑和涂層表面。
不難理解，在實踐上，完善的X立方鏡126的制造，如圖3a所示，會是非常困難的，而且必須允許一定的容差。因此，利用X立方鏡126設計光學系統時，最好把對維持精確的X立方鏡126的容差的依賴性降到最低。
在光學系統中只要可能，維持遠心對于成像質量是比較重要的。如上所述，尤其是參照圖2a-2d，在光學系統中最好把光入射任何一個二向色表面的角度差減到最小，顏色分離二向色裝置和顏色組合二向色裝置均如此。此外，正如在光學設計技術上眾所周知的，空間光調制器30的遠心成像還有助于進一步減小整個圖像上對比度的高低變化。當來自空間光調制器30表面上兩個不同的點光源位置的光錐不是遠心時，這些不同的位置表現為對二向色組合器26的二向色表面的不同入射角。作為響應，二向色組合器26在不同的場位置上反射不同的波長頻帶，造成圖像上的色移在投影機的設計上一個眾所周知的原則是，最好把投影透鏡32的反焦距(retrofocus distance)減到最小，因而把反向工作距離要求和投影透鏡32的成本減到最小。最好避免相對于有效焦距具有長的反向焦距的投影透鏡的成本和復雜性要求，諸如，例如美國專利No.6,008,951(Anderson)所公開的解決方案。
美國專利No.6,113,239(Sampsell等人)公開了帶有混合X立方鏡的投影顯示部件的配置，它逐漸減小投影透鏡的反向工作距離要求。在所述公開中，偏振分束器和二向色組合器都結合在單一的X立方鏡中，與其他先有技術的設計相比，縮短了投影透鏡的工作距離。但值得注意的是，美國專利No.6,113,239中的設計并未達到改善亮度的目的，因為二向色表面的角度限制并未減輕。其他問題包括成本高的涂層解決方案，因為偏振分束器涂層不易針對所有的顏色和偏振組合進行優(yōu)化。另外，最好進一步改進工作距離要求。
美國專利No.5,944,401(Murakami等人)公開了X立方鏡二向色裝置的替代方案，塑料棱鏡中包含二向色表面的光學塊。這種解決方案使反向工作距離要求得到某種程度的減輕，因為塑料折射率超過空氣。為了把反向工作距離減到最小，采用透射空間光調制器，允許圖像形成盡可能靠近組合光學塊。但是，這種配置并不適合利用反射空間光調制器的投影機，因為反向工作距離要求仍舊過分高。就反向工作距離而言，美國專利No.5,944,401的解決方案并不比傳統的X立方鏡設計好。全尺寸的電影放映機會要求使用相當大的投影透鏡。另外，美國專利No.5,944,401中公開的解決方案并未考慮上述二向色表面固有的角度限制。因而，在這種類型的設計解決方案中亮度級受到限制。
美國專利No.5,597,222(Doany等人)公開一種在數字式投影機中使用的光學中繼透鏡系統，在某種程度上減輕上述與固有的允差問題和投影透鏡工作要求有關的困難。美國專利No.5,597,222公開單一1倍雙遠心中繼透鏡在把已經從各個RGB顏色光路的組合的圖像中繼到MacNeille偏振分束器(PBS)，亦稱偏振分束器的應用。在美國專利No.5,597,222中，空間光調制器設置在非?？拷蛏繉覺立方鏡的地方，以此把外表面平面度上的不完善和內表面制造上的允許誤差所造成的某些潛在的不利影響減到最小。美國專利No.5,597,222所公開的系統優(yōu)點在于，其投影透鏡的設計與類似的設計相比簡化了。利用美國專利No.5,597,222的設計途徑，投影透鏡的工作距離要求大大降低。單一的1倍雙遠心中繼透鏡提供了必要的工作距離，允許緊接在成像光路內部結合的圖像之前插入MacNeille PBS。然后投影透鏡可以在屏幕上對內部圖像重新成像，而不必像利用PBS和/或二向色顏色組合器，諸如X棱鏡時一般都要求那樣要求長的工作距離。但是，美國專利No.5,597,222所提出的解決方案遠未能達到補償X立方鏡涂層和表面固有問題，以便能既維持圖像的亮度又維持色域的需要。例如，美國專利No.5,597,222提出的設計未能解決二向色涂層固有的角度依賴關系，以致于仍舊難以支持大的色域，而同時維持圖像亮度。另外，投影透鏡還必須在這個設計中利用高數字孔徑，這意味著與利用較低數字孔徑的設計相比，成本增大。因為空間光調制器部件的比例(scale)，美國專利No.5,597,222的設計仍舊非常依賴于高質量的X立方鏡的設計。此外，美國專利No.5,597,222所公開的配置在偏振分束器和它的調制LCD之間使用數量較大的光學部件。在偏振照明光源的光路上采用大量的光學部件，某些無法避免的應力雙折射必然會改變在兩個方向上行進的未調制的和調制的光的偏振狀態(tài)，導致圖像對比度的損失。
美國專利No.5,357,289(Konno等人)公開了一種系統，它類似于美國專利No.5,597,222，使用單一1倍中繼透鏡，在投影透鏡上呈現內部中間圖像，以此大大減小投影透鏡設計所強加的工作距離要求。美國專利No.5,357,289提供美國專利No.5,597,222所示采用偏振和顏色組合棱鏡的替代結構。在美國專利No.5,357,289的裝置中，偏振和顏色組合棱鏡位于非常接近空間光調制器的位置上，而不是像美國專利No.5,597,222的裝置中那樣遠離空間光調制器。不用傳統的X棱鏡，美國專利No.5,357,289利用V型棱鏡作為顏色組合器，其中V型棱鏡類似于上述美國專利No.5,944,401所公開的。V型棱鏡避免了X立方鏡制造和使用上固有的某些問題。盡管美國專利No.5,357,289所公開的途徑減輕了對投影透鏡設計的要求，但成像中繼(第一透鏡組)還是一個挑戰(zhàn)，因為它必須為空間光調制器和相關的PBS和顏色組合V型棱鏡提供長的工作距離。就像美國專利No.5,597,222所指出的途徑一樣，美國專利No.5,357,289所指出的途徑對所有三種顏色(RGB)采用單一的成像中繼透鏡，名義上工作在1倍放大倍數下。正如在美國專利No.5,597,222的裝置中看到的，美國專利No.5,357,289的途徑要求復雜的成像中繼透鏡，為了形成具有最小顏色象差和三階象差中顏色差異的白光圖像，尤其是畸變和在散焦方面，要在可見光譜的廣闊部分進行充分的顏色校正。
美國專利No.6,247,816(Cipolla等人)公開了把1倍中繼透鏡用于只在各顏色光路之一把中間圖像中繼到二向色組合器。美國專利No.6,247,816的解決方案考慮了部件包裝問題，但并未減輕由二向色組合器響應所強加的角度限制。美國專利No.6,247,816的解決方案也沒有在投影透鏡的反向工作距離要求方面提供任何減輕。
美國專利No.4,8 36,649(Ledebuhr等人)公開了用在照明光路上的1倍中繼透鏡配置，以便把偏振部件的尺寸減到最小，并在調制光路上幫助減輕數字式投影系統反向工作距離的限制。盡管這種配置提供了某些優(yōu)點，但是顏色組合二向色表面仍舊必須處理低值f/#的光，結果縮小色域。此外，采用這種解決方案時投影透鏡還必須工作在低f/#下。
正如美國專利No.5,374,968(Haven等人)的公開中所強調的，為了使投影系統中的亮度達到最大，傳統的途徑強調低f/#光學部件。但是，正如上面參照圖2a-2d所述，用于組合顏色圖像光路的二向色表面的性能受到低f/#光學系統大入射角的限制。
盡管其成本高以及一些已知的問題，X立方鏡還是已經在相當多的成像裝置設計中用作二向色組合器。X立方鏡和類似的裝置廣為應用的一個原因是，與利用二向色表面的其他解決方案相比，其尺寸緊湊。為了把投影透鏡的反向工作距離減到最小，傳統的設計途徑把空間光調制器定位在靠近X立方鏡的地方，例如，正如美國專利No.6,113,239所示。
消除X立方鏡的策略包括美國專利No.6,321,192(Konno等人)所公開的內容。這里，采用二向色反射鏡來組合來自每條顏色調制光路的光，在每條光路上維持相等的光學距離。所描述的系統與傳統的利用X立方鏡的解決方案相比，提供一種成本較低的解決方案。但同時，美國專利No.6.321,192所公開的解決方案并未減輕投影透鏡系統的反向工作距離要求。所述解決方案把投影光學系統的f/#限制為較慢的速度，限制可用亮度并要求較大的投影透鏡直徑。必須由投影光路上的圓柱形光學部件對象散進行校正。
包括X立方鏡、Philips棱鏡和使用二向色表面的相關結構的二向色部件也用在照明光路上，傳統上用來把白光分離為調制用的紅、綠和藍光分量。美國專利No.6,053,615(Peterson等人)、美國專利No.6,220,713(Tadic-Galeb等人)和美國專利No.6,254,237(Booth)就是利用二向色部件來分離顏色的投影機設計的一些實例。正如可以預期的，二向色涂層不論用來把調制光結合進入投影光路，還是用來分離照明光路上的未調制光，與光入射角有關的同樣的性能問題都適用。當二向色表面以不同的角度接收入射光時，輸出性能受到影響，在場上引起可以感覺到的色移。這種微弱的色度變化難以校正；分級濾波器設計起來成本高，并且總體上減小可用的亮度。在顏色準確性方面，當二向色表面處理以相對較低的入射角入射的光時，獲得最佳結果。這提供最佳的濾波響應特性，每條顏色通道允許最小的不希望有的顏色的泄漏。參見圖4，其中示出二向色表面對不同波長的典型的反射響應。所述一組曲線表明，對于同一二向色表面，隨著入射角在一個范圍內改變，響應逐漸變化。在入射角所述范圍的兩端，曲線150a和150z表明，所述響應會發(fā)生多么大的變化。這里，響應曲線隨著入射角而改變其反射特性，使得在一個極端初始過渡出現在520nm附近，如曲線150a所示，而在另一個極端初始過渡出現在620nm以上，如曲線150z所示。由于入射光會在某個范圍內變化，例如，綠光很容易有一些泄漏到紅光通道。于是，不難理解，限制由二向色表面處理的入射角的范圍會提供最佳的顏色性能。把曲線150a比較陡峭的傾斜段和曲線150z較不陡峭的傾斜段加以比較是有益的。作為一般規(guī)律，曲線傾斜段越陡峭光譜特性越好，就是說，不希望有的波長的泄漏就越少。陡峭地形成的光譜上升沿對于從二向色表面獲得最佳顏色響應而言是所希望的。
使亮度最大化并且減小入射顏色組合器二向色表面的總的入射角的一個解決方案，是增大均勻光區(qū)域的大小，并有效地降低入射二向色分離器表面的均勻化光區(qū)域的數字孔徑。但是，不增大均勻化部件的尺寸和成本，難以做到這一點。其他問題顯而易見。例如，在使用積分棒作為均勻化器的地方，僅僅增大積分棒的截面積是不夠的。為了足夠均勻，還需要延長積分棒，加大尺寸、重量和成本。類似的問題限制了利用其他途徑均勻化部件的解決方案。這樣的解決方案由于需要使空間光調制器本身的光最大化，以高的數字孔徑提供入射光線。
總而言之，傳統的數字式投影機設計途徑要在性能、成本和復雜性上作某種折衷，以便以最高亮度提供高質量圖像?，F有的設計會出現某種程度的色移；傳統的色移校正途徑要求比較昂貴的二向色涂層，并在照明和調制光路上都造成某種程度的亮度損失。于是，可以看出，有必要在用于數字式投影的照明和調制光路光學部件上進行改進，以減輕成本較低的二向色涂層所固有的角度限制，而同時提供最大亮度和色域。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種遠心光學系統，用以在數字式投影系統中利用二向色表面時提供高亮度、高效率和邊沿尖銳的光譜。考慮到這個目的，本發(fā)明提供一種投影機，用以把彩色圖像投影在顯示表面上，所述投影機包括(a)多色光源；(b)均勻化裝置，用以使來自多色光源的光均勻化，以便提供均勻的照明場；(c)基本聚光中繼透鏡，用以放大均勻的照明場，以形成放大的均勻的照明場，并使放大的均勻的照明場射向二向色分離器，所述二向色分離器為第一、第二和第三彩色光調制通道提供彩色光；
(d)其中每個彩色光調制通道以類似的方式構造，并包括(i)縮小中繼透鏡，用以使放大的均勻的照明場成像，并使彩色光射向彩色光調制通道；(ii)空間光調制器，用以在其上形成第一圖像；(iii)放大中繼透鏡，用以聚焦第一圖像的放大實像，并將其中繼到二向色組合器；(e)所述二向色組合器通過組合來自第一彩色光調制通道的放大實像、來自第二彩色光調制通道的放大實像和來自第三彩色光調制通道的放大實像，形成多色圖像；(f)投影透鏡，用以把所述多色圖像投影到顯示表面上。
從另一方面，本發(fā)明提供一種用于把多色圖像投影到顯示表面上的方法，所述方法包括(a)提供多色光的均勻照明場；(b)向二向色彩色分離器放大內部圖像，以便獲得第一放大彩色內部圖像、第二放大彩色內部圖像和第三放大彩色內部圖像；(c)縮小第一放大彩色內部圖像，以形成用于在第一空間光調制器上進行調制的第一縮小彩色內部圖像，以提供第一彩色調制圖像，然后放大第一彩色調制圖像，以便形成放大了的第一彩色調制圖像；(d)縮小第二放大彩色內部圖像，以形成用于在第二空間光調制器上進行調制的第二縮小彩色內部圖像，以提供第二彩色調制圖像，然后放大第二彩色調制圖像，以便形成放大了的第二彩色調制圖像；(e)縮小第三放大彩色內部圖像，以形成用于在第三空間光調制器上進行調制的第三縮小彩色內部圖像，以提供第三彩色調制圖像，然后放大第三彩色調制圖像，以便形成放大了的第三彩色調制圖像；(f)把放大了的第一、第二和第三彩色調制圖像組合在單一的軸上，以便形成多色圖像，并將所述多色圖像投影在顯示表面上。
本發(fā)明的特征在于，它設置雙遠心的放大基本聚光中繼透鏡，用以放大由均勻化裝置形成的均勻平面上的圖像，并把所述圖像提供給彩色分離器作為輸入照明。每個縮小中繼透鏡也都是雙遠心的，以此維持投影機中照明的均勻性。最后，每個輸出彩色調制光路上的放大中繼透鏡也都是雙遠心的，以此在投影機的光學系統內維持高遠心光路。
通過放大均勻場的圖像，放大基本聚光中繼透鏡有效地允許二向色分離器工作在較高的f/#下，接收狹窄范圍的入射角，于是，減小入射在二向色表面上的橫跨角度場的色移。這為每一個彩色通道產生更加尖銳的光譜邊沿，從而改善照明系統的效率。
本發(fā)明的優(yōu)點是，由于它在低f/#下把光中繼到二向色分離器，所以它允許在分離器部件上采用成本較為低廉的二向色涂層。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，它在照明系統內關鍵點上有利地改變數字孔徑。在均勻化部件本身上，最好是高數字孔徑。通過放大均勻區(qū)域的圖像，本發(fā)明以最有利的縮小了的數字孔徑向二向色分離器提供圖像。然后，在空間光調制器本身，縮小作用提供獲得最高亮度所需的較高的數字孔徑。接著，調制圖像的放大以縮小的數字孔徑向二向色表面提供放大了的圖像，把所述部件處的黑斑(shading)效應減到最小，縮小成像系統對X立方鏡光學部件的精確制造的依賴關系。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是，它允許使用縮小數字孔徑和短的工作距離的投影透鏡。這樣放松了對投影透鏡的要求，與要求比較苛刻的設計相比，本發(fā)明降低了成本。另外，本發(fā)明允許投影機用可交換的投影透鏡設計，以便針對特定的顯示環(huán)境，輕易和和經濟地替換適當的投影透鏡。另外，通過縮小投影透鏡的數字孔徑要求，本發(fā)明內在地縮小了畸形投影透鏡元件設計上固有的復雜性。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，減小了照明光路上均勻化部件的尺寸和重量要求。
本專業(yè)的技術人員聯系附圖閱讀以下的詳細描述時，將會看出本發(fā)明的這些和其他的目的、特征和優(yōu)點。附圖顯示和描述了本發(fā)明示范性的實施例。


盡管本說明書最后包括權利要求書，具體地指出并清楚地對本發(fā)明的要點提出要求，相信結合附圖從以下的描述中將會得到更好的理解，附圖中圖1是示意方框圖，表示傳統的先有技術的數字式投影機的主要部件；圖2a和2b是光線示意圖，表示光線在兩個不同f/#下入射到二向色涂層的情況；圖2c和2d是光線示意圖，表示非遠心和遠心光線入射到二向色涂層的情況；圖3a表示理想的X立方鏡的成像響應；圖3b表示略有對不準誤差的X立方鏡的成像響應；圖4是曲線圖，表示二向色表面在入射角范圍內S偏振反射系數與波長的關系；圖5是示意圖，表示照明光路和一條調制光路上的關鍵部件；圖6的示意圖，表示按照本發(fā)明的投影機的關鍵部件；圖7是側透視圖，表示利用本發(fā)明的照明光學系統一種可能的配置；圖8是前透視圖，表示利用本發(fā)明的照明光學系統一種可能的配置；圖9是透視圖，表示照明光路上一些關鍵的光學部件；圖10是示意圖，表示本發(fā)明利用Philips棱鏡的一個替代的實施例中投影機的關鍵部件；圖11是示意圖，表示利用透射LCD作為空間光調制器的本發(fā)明一個替代的實施例中的投影機的關鍵部件；圖12是示意圖，表示在每種顏色光路上利用預偏振器和分析器部件的本發(fā)明另一個替代實施例的投影機的關鍵部件；以及圖13是示意圖，表示在每種顏色光路上利用與半波板結合的濾色鏡的本發(fā)明再一個替代實施例中投影機的關鍵部件。
具體實施例方式
這里描述的主要是形成按照本實施例的裝置的一部分的，或直接與所述裝置協同工作的元件。應該明白，沒有具體示出或描述的元件可以采取本專業(yè)的技術人員所熟知的不同形式。
本發(fā)明的目的是提供一種使亮度達到最大并使二向色表面角度響應造成的色斑效應達到最小的用于彩色投影系統的照明和調制光學部件。
參見圖5，其中以示意方式示出用于本發(fā)明的投影機10的紅光光路上的部件的實現。多色光源20通過均勻化光學部件22支配光源照明。光源20一般是燈，諸如氙電弧燈，但也可以是其他某種類型的高強度發(fā)光器。在一個推薦的實施例中，采用積分棒作為均勻化光學部件22。在光學設計技術上眾所周知，積分棒亦稱光混合棒，采用全內反射(TIR)效應使入射光均勻化，從而提供照明的空間均勻平面。關于均勻化光學部件22的其他選項包括小透鏡陣列，諸如蠅眼陣列或漫射屏、積分隧道、光纖面板或玻璃。均勻化光學部件22在其輸出A提供均勻的光平面。照明均勻性的定義或允差是相對的，并且一般照明強度從中心到邊沿逐漸降低10-15％是可以接受的。遠心基本聚光中繼透鏡80(或第一照明光學系統)將所述輸出成像在B處，放大輸出A處的圖像，并使所述光線射向二向色分離器27的二向色表面36。再次參見圖5，只示出紅光光路；剩余的藍光和綠光，利用彩色圖像成像技術中眾所周知的技術，以類似的方法透射過二向色表面36，給單獨的調制光路照明。這樣，為每種紅、綠和藍顏色光路形成輸出A的放大了的內部圖像。
然后在光調制組件38中，縮小中繼透鏡82(或第二照明光學系統)在B處縮小來自二向色分離器27的彩色光輸出，并使所述光線射向空間光調制器30，在空間光調制器30上有效地提供輸出A的縮小了的彩色內部圖像。在每一種顏色光的光路上有單獨的縮小中繼透鏡82。在圖5推薦的實施例中，空間光調制器30是反射式LCD，需要偏振分束器24。偏振分束器24可以是傳統的MaxNeille分束器或線柵分束器，諸如，例如可從Orem，Utah的Moxtek Co.購得的或美國專利No.6,243,199所描述的。在推薦的實施例中，放大中繼透鏡28在靠近二向色組合器26、X立方鏡的地方或在其中形成空間光調制器30的放大了的實像I。放大中繼透鏡28是雙遠心的，使得調制的光束以遠心方式射向二向色組合器26。因為二向色組合器26處理遠心光，所以角度差異造成的在整個放大了的實圖像的色斑的趨勢最小。值得注意的是，通過以大于1倍的放大倍數放大在空間光調制器30上形成的圖像，放大中繼透鏡28也以中繼操作提供的大于1倍的較高的f/#有效地聚焦放大了的實像。結果，二向色組合器26處理沿著所述彩色通道的比較狹窄的頻帶，因而能夠提供比在較低的f/#下可以實現的要大的色域。此外，采用放大中繼透鏡28，即使在較高的f/#下在二向色組合器26上也可以做到沒有光損失，因為在空間光調制器30上仍舊使用低f/#。結果，提供改進了的放大實像I作為二向色組合器26的輸出。
整體來看，可以認為投影機10是包括一系列多個中間圖像的系統。在照明系統中，均勻化光學部件22在平面A上的輸出在光學上在平面B上與二向色分離器27共軛，并由基本聚光中繼透鏡80以某個放大倍數Nx(其中N超過1)在B平面上重新成像為白光圖像。當所述光線穿過平面B并遇到二向色分離器27的表面時，分離出三個彩色分量。對于每個彩色光束，圖像平面B對位于平面M上的各自的空間光調制器30是共軛的，并由縮小中繼透鏡82以放大倍數Sx(其中S小于1)重新成像。然后，對于每個彩色光束，平面M上的空間光調制器30本身對放大的實像I是共軛的，并由放大中繼透鏡28以Rx(其中R超過1)的放大倍數重新成像。在投影機10中，每個彩色光路上縮小中繼透鏡82和放大中繼透鏡28的設計是比較簡單的。因為每個縮小中繼透鏡82和放大中繼透鏡28都只用在一個彩色光路，所以沒有必要針對寬的光譜范圍設計這些部件。事實上，在推薦的實施例中，采用同樣的縮小中繼透鏡82和放大中繼透鏡28的基本設計，適當移動透鏡間距，以便補償與波長相關的差值，對于每種顏色分量在調制光路的輸出提供相同的成像。
圖5的配置也提供降低成本和投影透鏡32復雜性要求的優(yōu)點。采用圖5的配置，投影透鏡32可以有利地在較高的f/#下工作，以便投影每一個顏色光路，諸如在所示的紅光光路中形成的放大的實像組合而成的多色圖像。另外，為了把多色圖像投影在顯示平面40上，投影透鏡32只需要小的工作距離。投影透鏡32可以是，例如簡單的5至7元件透鏡組件，它采用一般可以獲得的光學玻璃，并在成本和復雜性上可與商售的與動畫片投影機配合使用的電影放映透鏡相比。這與傳統的數字式電影和大型電子投影系統形成對照，后者一般要求復雜的和成本高昂的投影透鏡。還應指出，放大中繼透鏡28由于意在只處理可見光譜部分，固有地不那么復雜，因而成本比用在整個可見光譜的光，諸如美國專利No.5,597,222和美國專利No.5,357,289所描述的，正如早些時候在背景部分指出的低。
對于其他類型的空間光調制器，可能不需要偏振分束器24。在采用DMD裝置或透射LCD作為空間光調制器30的地方，來自縮小中繼透鏡82的光直接到達空間光調制器30，正如隨后將要指出的。在用DMD作為空間光調制器30的地方，可能要對成像光路作適當修改，諸如，用全內反射(TIR)分束器代替偏振分束器24，正如數字式投影技術中眾所周知的。
參見圖6，其中示出投影機10的示意方框圖，表示所有三條彩色調制光路。來自光源20的均勻化光在二向色分離器27上分成紅、綠和藍光。在紅光調制組件38r中，紅光縮小中繼透鏡82r縮小紅光，使所述紅光射向紅空間光調制器30r，用紅偏振分束器24r沿著紅光光軸Or提供調制光。然后，紅放大中繼透鏡28r使調制光沿著紅光光軸Or射向二向色組合器26。在所述光路上若有必要可以采用旋轉反射鏡31。類似地，在綠光調制組件38g中，綠光縮小中繼透鏡82g縮小綠光，使所述綠光射向綠空間光調制器30g，利用綠偏振分束器24g沿著綠光光軸Og提供調制光。然后，綠放大中繼透鏡28g使調制光行沿著綠光光軸Og射向二向色組合器26。如圖6所示，二向色組合器26在推薦的實施例中是V型棱鏡，而不是傳統上為此目的采用的X棱鏡，正如圖5所示。類似地，在藍光調制組件38b中，藍光縮小中繼透鏡82b縮小藍光，使所述光射向藍空間光調制器30b，利用藍偏振分束器24b沿著藍光光軸Ob提供調制光。然后，藍放大中繼透鏡28b使調制光行沿著藍光光軸Ob射向二向色組合器26。多色放大實像Irgb由投影透鏡32投影到顯示表面40。(應該指出，圖6是示意圖，并不打算代表每一個調制顏色的相對光路長度；最佳配置是所有彩色光都具有相等的光路長度，正如光學設計技術中眾所周知的。在推薦的實施例中，正如隨后參照圖7和8將要描述的，每種顏色光路長度相等)。
在一個推薦的實施例中，V型棱鏡二向色分離器27利用光譜帶抑制邊緣定義各顏色。如圖所示，V型棱鏡二向色分離器27包括夾在三個棱鏡之間的兩個內部涂層表面，這些棱鏡標稱地由光學質量的玻璃制成。例如，淀積在二向色分離器27的第一內表面的棱鏡襯底上的光學涂層反射藍光，而透射紅光和綠光。二向色分離器27的正交的第二內表面上的光學涂層則反射紅光，而透射藍光和綠光。但是，為了改善系統的色域，利用濾色鏡對來自二向色分離器27的分離光進行進一步過濾。如圖6所示，在投影機10的每一個光路上，利用濾色鏡進行過濾紅光調制組件38r包括紅濾色鏡62r，綠光調制組件38g包括綠濾色鏡62g，而藍光調制組件38b包括藍濾色鏡62b。例如，濾色鏡62r，62g和62b可以是通帶邊緣濾色鏡或帶通濾色鏡。
總而言之，本發(fā)明的投影機10包括幾個設計特征，以便限制任何潛在的色斑。在照明系統中，基本聚光中繼透鏡80提供進入比空間光調制器30處要求的大的二向色分離器27的光束。這減小了通過二向色分離器27的角度(數字孔徑)，使內部涂層較易制造，并減小了可變角度彩色響應。類似地，與空間光調制器30處要求的光束尺寸相比，由成像或放大中繼透鏡28提供的光束被放大，使得二向色組合器26處的數字孔徑減小，因而減小了通過上述二向色組合器26的可變角度彩色響應。然后，正如將要進一步討論的，在所述推薦的實施例中，光學系統既在二向色分離器27處，又在二向色組合器26處調整標稱的遠心光束。正如聯系圖2a-2d討論的，遠心是有利的，因為它在所有場點上提供數字孔徑相等的光，當光與位于遠心空間中的二向色表面相互作用時，這有助于進一步減小色斑。本發(fā)明的投影機10還有減輕色斑的其他設計特征。作為另一個示例，用于在二向色分離器之后澄清各個顏色光譜的每一個濾色鏡62r、62g和62b，把入射白光分成三個顏色的光束，垂直入射到二向色濾色鏡。于是，與其傾斜平面(一般與光束成45°)上有二向色涂層表面的二向色分離器27和二向色組合器26中的二向色涂層表面相比，垂直入射操作減小了潛在的隨角度的顏色響應變化。另外，這些濾色鏡62最好位于遠心空間，靠近二向色分離器27或空間光調制器30(見圖6)，以便在整個成像場上減小隨角度的顏色響應變化(減小色斑)。正如后面將要討論的，投影機10還具有其他特征來減輕色斑，包括彩色偏振設計方面的設計和熔融二氧化硅玻璃在V型棱鏡結構的應用。
最好借助雙彩色偏振光學途徑來設計本發(fā)明的投影機10，其中，第一彩色譜帶具有第一偏振狀態(tài)的光，而第二和第三彩色譜帶具有第二偏振狀態(tài)的光。更具體地說，兩種偏振狀態(tài)是正交取向的，而第一彩色譜帶包括標稱的綠光光譜(請注意，S偏振光對應于總是平行于與進入的光相互作用的入射面的偏振狀態(tài)，而P偏振光是能夠“插入”入射面的偏振狀態(tài))。具體地說，在推薦的實施例中，V型棱鏡二向色分離器27提供具有S偏振狀態(tài)的紅和藍光，而綠光具有P偏振狀態(tài)。類似地，二向色組合器26最好把具有S偏振狀態(tài)的紅光和藍光與具有P偏振狀態(tài)的綠光組合。這樣的配置是可取的，因為二向色分離器27和二向色組合器26內的光學涂層的彩色響應曲線是部分地分離的。具體地說，藍和紅光譜區(qū)是由各自的涂層的S偏振響應定義的，而且這些光譜可以重疊到綠光譜區(qū)里面，而不減小綠光光譜，因為從所用的二向色分離器27出來的綠光是P偏振。從二向色分離器26的綠光通道出來的光既包括S偏振綠光又包括P偏振綠光，但是通過設計P偏振綠光譜比S偏振綠光光譜寬，并類似地重疊入高藍和低紅波長。類似地，藍光和紅光通道上從二向色分離器27出來的光既包括S偏振又包括P偏振，但是，由于S偏振光譜(有更多光)比P偏振光譜寬，所以一般認為這兩種顏色的光是S偏振的。簡而言之，二向色分離器27可以說是提供了紅、綠和藍光束(RGB)，最好是SPS偏振配置。
空間光調制器處的偏振狀態(tài)由偏振分束器24限定。在本發(fā)明推薦的實施例中(示于圖12)，偏振分束器24是線柵偏振分束器。正如先有技術專利，包括美國專利No.6,243,199(Hansen等人)和美國專利No.6,532,111(Kurtz等人)中所描述的，線柵偏振分束器最好反射S偏振光，并透射P偏振光。所述光學系統可以配置成圖12所示，其中從空間光調制器30出來的成像光被線柵偏振分束器24反射，然后進入放大中繼透鏡28。與透射過線柵偏振分束器24的配置相比，這種配置比較好，因為對比度較高。于是，為了進行最佳操作，入射到空間光調制器30的光是每一個顏色通道的P偏振(透過線柵偏振分束器)，而從空間光調制器30出來的和從線柵偏振分束器反射的成像光是每一個顏色通道中的S偏振光(見圖12)。
恰巧實際的光學機械設計這樣切換由反射配置引起的偏振狀態(tài)取向，使得二向色分離器27和二向色組合器26處的S偏振和P偏振在偏振分束器24上具有與S和P相反的意義。這樣，二向色分離器27輸出SPS方向(相對于在每一種顏色具有最大多數光的偏振方向)的紅光、綠光和藍光(RGB)。在圖12的線柵偏振分束器上，需要使透射的P偏振光最大化。由于取向改變已經把從二向色分離器27輸出的RGB/SPS定義為入射到相應的偏振分束器24的RGB/PSP，所以，綠光通道具有錯誤的取向。于是，為了使系統光效率最大化，從二向色分離器27出來的P偏振綠光需要轉換為S偏振光(就取向而言，在偏振分束器處將是P偏振光)。因此，投影機10配備有綠通道半波板64g(見圖6)或綠通道選色偏振濾色鏡60g(見圖12)，以便旋轉綠光的偏振狀態(tài)。
然后，每一個通道的光遇到一個或多個偏振器(用于圖6中的偏振分束器或用于圖12中的偏振分束器24和預偏振器70)，消除限定了偏振狀態(tài)的光。在所述推薦的結構中，每一個顏色通道中，消除S偏振光并把P偏振光提供給空間光調制器30。利用圖像數據對空間光調制器30進行調制，通過所述調制而把某些光轉換為S偏振，同時其他光仍舊是P偏振的。對于高對比度系統，空間光調制器30最好從黑狀態(tài)(關斷狀態(tài)的電壓)驅動到亮狀態(tài)(接通狀態(tài)電壓)。再次考慮圖12，攜帶S偏振光的圖像被線柵偏振分束器24反射，進入放大中繼透鏡28。于是，出現的光束具有RGB/SSS偏振取向。最好使用與二向色分離器27相同的二向色組合器26，并具有RGB/SPS取向。二向色組合器26內的二向色表面的內部取向意味著，從線柵偏置分束器24出來的RGB/SSS彩色光束作為RGB/PPP出現在二向色組合器26上。這意味著，綠光束具有正確的偏振取向，但是紅和藍光束沒有正交對準。因此投影機10可以進一步配置成具有半波板(圖6中的64b和64r)和選色偏振濾色鏡(60b和64r)以便校正紅和藍光束的偏振取向。
正如前面討論的，最好借助雙顏色偏振光學途徑來設計投影機10，其中第一彩色譜帶具有第一偏振狀態(tài)的光，而第二和第三彩色譜帶具有第二偏振狀態(tài)的光。此外，更詳細地說，已經描述，在彩色光束穿過二向色分離器27和二向色組合器26時，最好紅光和藍光具有S偏振狀態(tài)，而綠光具有P偏振狀態(tài)。這是因為綠光譜設計部分地與紅和蘭光譜設計分離，彩色譜帶中的每一個都可以加寬至甚至重疊的程度。因而，投影機10配備有上述濾色鏡62r、62g和62b，它們澄清和限定每種顏色光譜和所述組合色域。這樣，紅和藍光譜與綠光譜各自重疊的程度減小甚至消除。通過二向色分離器27和二向色組合器26的雙色偏振正交配置(RGB/SPS)也有助于減小系統對色斑的敏感性，因為光譜曲線的角度衰退可能泄漏到鄰近的顏色中(見圖4)。由于法向入射濾色鏡62r、62g和62b和通過穿透的二向色分離器27和二向色組合器26而提供的遠心光，每種顏色中顏色隨著角度的變化會略微減小。應當指出，可以替代地把二向色分離器27設計成提供具有其他偏振特性，諸如，例如同一偏振狀態(tài)的光。但是，這使制造成本提高，因為內部二向色涂層比較困難。例如，二向色分離器27可以設計成提供具有共同偏振狀態(tài)(例如，S偏振)的所有三種顏色。這可能是有利的，因為取消了光學部件(綠半波板64g)，而同時可以采用來自光源20的光的偏振轉換(見例如，Ogawa的美國專利No.5,978,136)。
正如在上面給出的背景材料中描述的，投影機10通過將亮度最大化和把色斑和相關象差減到最小來提供高水平的性能。但是，利用傳統的設計途徑，二向色分離器27或二向色組合器26上的二向色表面限制了亮度。系統中可用光亮度的增大是用在不同的二向色表面上允許較高的入射角度為代價換來的。結果場上的色移降低了彩色性能，并降低了系統的總效率。圖5和6的配置通過調整系統的關鍵點上入射光的角度克服了這個問題。首先，在均勻化光學部件22以低的f/#工作的地方，達到最大均勻性。采用圖5和6的配置，均勻化光學部件22(在推薦的實施例中是積分棒)在約f/1.31下有效地工作。這種低的f/#允許光穿過積分棒，具有通過所述棒的多次發(fā)射(bounce)，還允許把積分棒的尺寸減到最小。但是，這也意味著均勻化的光以大的入射角出現，這在二向色分離器27處是不利的。同時，均勻化光學部件22的輸出A處的表面尺寸比相應的空間光調制器30、30r、30g和30b的面積的尺寸小。為了改正這種角度和尺寸方面的缺點，基本聚光中繼透鏡80向均勻化光學部件22的均勻化輸出提供大約Nx＝3.5x的放大倍數。這種放大作用為二向色分離器27提供在平面B上f/4.6的入射光，完全在傳統的二向色表面可接受的范圍內。但是，輸出A的放大圖像現在相對于空間光調制器30、30r、30g和30b的表面是太大了。因此縮小中繼透鏡82、82r、82g和82b提供Sx＝0.5x的放大倍數。這不僅縮小均勻化光學部件22的圖像尺寸，而且增大提供給空間光調制器30、30r、30g和30b的照明入射角，以約f/2.3提供照明，對于大部分LCD和其他空間光調制器30、30r、30g和30b這是在希望的范圍內。于是，通過在關鍵地點放大和縮小均勻化照明，本發(fā)明的投影機使亮度最優(yōu)化，并把不然在二向色分離器27處的大入射角會造成的彩色退化減到最小。必須強調指出，每一種彩色光的調制光路(例如，紅、綠和藍)具有單獨的縮小中繼透鏡82r、82g和82b。這種配置允許每一個縮小中繼透鏡82r、82g和82b能夠針對特定的波長范圍的最佳性能進行設計。
然后，通過利用它們各自的放大中繼透鏡28以標稱放大倍數Rx＝2x將每一個空間光調制器30r、30g和30b再成像，來形成組合的多色放大圖像Irgb。指出以下一點是有益的，從投影透鏡32的觀點看，組合的多色放大圖像Irgb可以是實像或虛象，取決于在每一個彩色的光路上各自的放大的實像相對于二向色組合器26的空間位置是在何處形成的。無論何時，只要各個放大的實像I是在二向色組合器26的前表面和投影透鏡32的后表面之間形成的，組合的多色放大圖像Irgb就形成實像。在圖6中，這種配置是由組合的多色放大圖像Irgb的位置指出的。與此形成對照的是，若各個放大的實像I在放大中繼透鏡28r，28g和28b的前表面和投影透鏡32的后表面之間形成，則組合的多色放大圖像Irgb對于投影透鏡32是虛象。就是說，在這種情況下，沒有組合的多色放大圖像Irgb的實際的空間“位置”。代之以，二向色組合器26起把每個彩色光路上的各個放大實像I組合成組合的多色放大虛象Irgb。
然后，不論組合的多色放大圖像Irgb是實像還是虛象，設計投影透鏡32，所述投影透鏡32具有把組合的多色放大圖像Irgb從形成該組合的多色放大圖像Irgb的任何位置投影到顯示表面40上所必要的后焦距。另一方面，正如圖像投影技術中眾所周知的那樣，投影透鏡32可以包括變形裝置，用以調整投影圖像的高寬比。
如上所述，組合的多色放大圖像Irgb是實像，這在名義上是空間光調制器30所提供圖像面積尺寸的兩倍。結果，投影透鏡32的第一透鏡元件相對較大，尤其是與用于電影放映的標準電影透鏡相比時。但是，投影透鏡32內大部分透鏡元件在尺寸和允差上都與標準電影透鏡中用的透鏡元件可以相比。因為它處在放大了的組合的多色放大圖像Irgb的鄰近位置，二向色組合器26也可能相對較大。但是，二向色組合器26的制造(無論利用圖5的V型棱鏡配置還是圖6的V型棱鏡配置)都大大簡化，因為所述部件處的光具有縮小了的f/#。正如實例所示，投影機10在空間光調制器30處工作在f/2.3，而放大中繼透鏡28的放大倍數是Rx＝2x，于是，入射到二向色組合器26的光束具有較低的F/4.6。
正如實例所示，對于利用具有對角線1.3”的空間光調制器的投影機10，內部放大倍數Rx＝2x，在平面I上組合的多色放大圖像Irgb具有圖像對角線2.6”。盡管二向色組合器26相對較大，但實際上在尺寸上與用于圖1所示的先有技術投影系統的類似的組合器可以相比，在這里偏振分束器24和二向色組合器26都位于空間光調制器30和投影透鏡32之間。另一方面，盡管尺寸可比，但是速度按照放大中繼透鏡28的放大倍數Rx減小，從而降低了對磨光玻璃和涂層的制造要求。在示范性系統中，照明系統具有從平面B到Sx＝0.5x的空間光調制器30的放大倍數，和從空間光調制器30到組合的多色放大圖像Irgb的Rx＝2.0x的放大倍數。這意味著，如圖6所示，二向色分離器27和二向色組合器26具有相同的尺寸，甚至相同的部件。
大的f/#要求、小的相對尺寸、減少了的部件數和放松了的允差，使本發(fā)明能夠降低數字式投影機的成本和投影透鏡32設計的復雜性。于是，投影透鏡32設計成易于更換，諸如，例如針對不同的屏幕尺寸。
參見圖7和8，其中以兩個不同的透視圖示出推薦的實施例中的封裝的光調制器組件38r、38g和38b和照明光路部件的配置。
參見圖9，其中示出推薦的實施例中的基本聚光中繼透鏡80和縮小中繼透鏡82的關鍵部件的透視圖。在這種配置中，基本聚光透鏡80由透鏡8011、8012和8013組成。兩個反射鏡80m1和80m2使光路轉折，把光射向二向色分離器27。這里二向色分離器27在透明棱鏡42內具有二向色表面36。
縮小的中繼透鏡82由具有轉折反射鏡82和小孔82a的兩個透鏡8011和8012組成?？s小中繼透鏡82也是雙遠心的，這有助于把二向色分離器27的角度響應特性造成的色移減到最小，并把空間光調制器30的角度響應造成的對比度損失減到最小。
二向色分離器27和二向色組合器26也都可以是X立方鏡或X棱鏡、Philips棱鏡或提供彩色分離功能的二向色表面36的配置，諸如，二向色涂層光學玻璃(而不是棱鏡)。一般說來，在利用二向色分離器27的替代結構方面，與二向色組合器26相比，有較大的自由度，因為照明系統與成像系統相比，可以接受比較寬松的制造允差和不同的配置。用作二向色分離器27和二向色組合器26襯底(棱鏡或平板)的光學材料的選擇可能是重要的，在避免應力雙折射和色斑或對比度黑斑方面尤為如此。
參見圖10，其中示出投影機10的替代的實施例，其中采用Philips棱鏡50作為二向色組合器26。如圖10所表明的，如光學技術中眾所周知的，不同的光軸Or、Og和Ob具有對Philips棱鏡50傾斜的角度。
參見圖11，其中示出投影機10的再一個替代的實施例，其中采用透射LCD作為空間光調制器30r、30g和30b。必須設置某些類型的偏振器；在圖11中，如光學技術眾中所周知的，示出偏振分束器24r、24g和24b，但也推薦其他適用的配置。
參見圖12和13，其中示出投影機10的另一個替代的實施例，在每一個彩色光路上設置某些替代的和任選的部件。在圖12中，偏振分束器24r、24g和24b比較精確地表現為線柵偏振分束器。其他偏振裝置包括，在每一個彩色光路中一個預偏振器70和一個分析器72。預偏振器70和分析器72最好都是線柵偏振裝置，而不是傳統的基于涂層的偏振部件。作為替代方案，可以利用3M開發(fā)的巨雙折射偏振器，用作預偏振器70、分析器72或偏振分束器24。美國專利No.5,962,114(Jonza等人)提供這樣的偏振裝置的實例。當然，這些巨雙折射偏振器可能既要求可與線柵偏振器相比的高的對比度又要求熱健壯性，以便取得適當的性能，以滿足數字式電影(或其他大屏幕)投影系統苛刻的規(guī)格要求。
作為既在圖12又在圖13中示出的其他替代部件，每一個紅、綠和藍彩色路徑還分別采用紅、綠和藍選色偏振濾色鏡60r、60g和60b。選色偏振濾色鏡60r、60g和60b可以是例如延遲堆疊濾色鏡，諸如美國專利No.5,243,455和5,132,826(均為Johson等人)和美國專利No.6,417,892和5,658,490(均為Sharp等人)和例如，作為ColorSelectTM濾色鏡可從Colorado州Boulder的ColorLink公司購得的。利用選色偏振濾色鏡60r、60g和60b允許單個部件完成顏色過濾和選擇性偏振變更。例如，圖12所示的紅選色偏振濾色鏡60r既代替了紅濾色鏡62r，又代替了圖6系統中所示的紅色半波板64r。利用這樣的配置，紅選色偏振濾色鏡60r通過旋轉調制紅光束為S偏振起半波板64r的作用，以便匹配二向色組合器26的紅光最佳偏振狀態(tài)。紅選色偏振濾色鏡60r還起紅濾色鏡62r的作用，以限定紅色光譜，從而定義色域的紅色部分。
或者，如圖12和13所示，綠選色偏振濾色鏡60g2已經設置在二向色組合器26之后，而且最好在投影透鏡32之前。選色偏振濾色鏡60g2把從二向色組合器26出來的調制P偏振綠光轉換為S偏振綠光。利用這種配置，來自投影機10的調制光對于所有三種顏色都具有相同的偏振狀態(tài)(S偏振狀態(tài))。例如，在顯示表面40呈現偏振靈敏性，諸如可能具有高增益屏幕特性的地方，這種作用是有用的。
對于圖6、10、11、12和13，應該指出，理想的配置會對紅、綠和藍顏色調制提供長度相等的光路。在可能進行推薦的實施例的部件封裝配置的地方(如圖7和8所示)，遵循這種難以表示在圖6、10、11、12和13的示意圖中的設計原則。應該明白，盡管最佳配置是要在每一個顏色調制光路上實現完全的遠心光路，但是，例如只在投影機10的一個或兩個顏色通道中提供這種配置也是有利的?；蛘撸瑧撝赋?，盡管遠心可以為操作成像和照明光學系統提供重要的優(yōu)點，但是可能有機會在照明系統中放松這個要求，因而簡化投影機10的一部分。
采用這些改進，本發(fā)明提升了投影機10的成像性能，允許以最低成本實現更簡單、更緊湊的光學設計，與不利用中間成像光學部件、避免色斑和線柵偏振器和偏振分束器的基于其他偏振的投影系統相比尤為如此。
基本聚光中繼透鏡80提供的放大量可以是大于1倍的任何值，并應適當匹配均勻化光學部件22和成像光路上其他部件的尺寸和特性。類似地，應當使縮小中繼透鏡82r、82g和82b提供的縮小量與放大中繼透鏡28r、28g和28b匹配，以便適應它們各自的光調制組件38r、38g和38b內的部件特性。
已經發(fā)現，投影機10內偏振部件與空間光調制器30f、30g和30b及偏振分束器24r、24g和24b的熱分離在減小雙折射造成的色移和其他象差方面特別有效。推薦的實施例，例如采用絕熱安裝機構、熱阱元件和通風機。對于二向色分離器27和二向色組合器26中使用的棱鏡，也可以認為熱是應力雙折射的潛在來源。為了最大限度地減小這個問題，二向色分離器27的推薦的實施例，如圖6所示，采用無定形熔融硅玻璃，而不用更加傳統的棱鏡玻璃，因為與其他類型的玻璃相比，熔融二氧化硅具有特別低的吸收作用。類似地，二向色組合器26也可以用熔融二氧化硅制造，以便進一步減少色斑。
類似地，在預偏振器70如其作為線柵裝置那樣具有明顯的光吸收的情況下，造成的熱可能熱傳遞到支持偏振分束器24和空間光調制器30的機械裝配件。這種傳遞的熱量可能使每一個空間光調制器38r、38g和38b移動，所述移動可能切斷屏幕上看到的彩色圖像的收斂?？隙ù嬖诖罅磕軌蛴脕頊p輕這種效應的潛在的設計途徑。一種可能性包括，如圖12所示，把預偏振器70從它最初靠近偏振分束器70和空間光調制器30的位置移到系統中的其他位置。例如，在藍光通道，預偏振器70可以從包括偏振分束器24b和空間光調制器30b的組件移開，以免出現直接的熱耦合。預偏振器70實際上可以移向上游，例如，移到照明光路新的位置上，諸如在縮小中繼透鏡82b內。把預偏振器70定位在縮小中繼透鏡82b內的內孔徑光闌平面上可能是有利的，因為可以把預偏振器70的角度響應變化減到最小。但是，用這樣的方法把預偏振器70定位在上游，會引起這樣的擔心，即插入的光學部件(例如，透鏡)可以經受熱應力雙折射的機制，可能降低預偏振光的純度。
應該指出，空間光調制器30很可能不具有與要求的投影圖像高寬比相應的高寬比(寬度比高度)。例如，空間光調制器30可能具有1.33∶1的高寬比。相比之下，最通用的動畫片放映格式，稱為“平的”，具有1.85∶1的高寬比。這個問題可以通過在投影透鏡32之后給投影機10(見圖6)配置變形裝置透鏡(未示出)，與給空間光調制器30饋送已經在空間上重定尺寸的圖像數據解決。作為一個示例，在一個方向上具有放大倍數1.39∶1的變形裝置透鏡將提供希望的1.85∶1的投影圖像。但是還有其他半共用的動畫圖像格式，包括2.39∶1“立體聲寬銀幕電影”格式。為了避免提供相應的變形裝置(具有一個方向的1.79∶1放大倍數)，可以在調制器30上在填充該調制器的條件下有效地將圖像格式化為1.72∶1的高寬比。不接收圖像數據的調制器象素設置為“黑”(關斷狀態(tài))，實質上提供電子信箱。但是，在實際操作中，按照投影機10的極限(例如，2,000∶1)“黑”的電子信箱可以被有辨別力的觀察者認為不夠黑，與變暗的劇場周圍的黑比較時尤為如此。減輕這個問題的一種手段是，可以給投影機10裝上機械光圈，機械上對提供在空間光調制器30上的圖像進行信箱處理。例如，在圖12所示的系統中，信箱光圈86可以設置在組合的多色放大圖像Irgb處，后者在圖像的兩側(例如頂和底)修剪來自重新成像的空間光調制器30的光。或者，信箱光圈可以是一個光學部件，諸如透射LCD，但是結果可能是光效率比用機械光圈低得多。信箱光圈86也可以位于照明系統中，或者在均勻化光學部件22處或者在每一個彩色調制光路的內部圖像處。最可能的是，在實際中，電子信箱可以用來與信箱光圈86結合，因為此時可以把雜散光效應和邊沿光圈效應減到最小。
沒有示出或詳細描述的是若干傳統上用于改善對比度和LCD空間光調制器30性能的附加的支持偏振部件。偏振器(未示出)可以配置在均勻化光學部件22和基本聚光中繼透鏡80之間或任選地在每一個彩色光路上縮小中繼透鏡82之前和之后。本發(fā)明允許使用任何適當的照明系統類型來提供彩色光源，用以由空間光調制器30調制。光源20可以包括各種類型的燈、濾色鏡、LCD、激光器和其他照明部件。對于擴展的或交替色域，可以設置三個以上的顏色光調制光路。
這樣，所提供的是改善投影機和數字式投影方法，帶有照明系統，用以從白光源提供高強度、高效率和尖銳的光譜邊緣并具有放大中繼透鏡的彩色照明，用以提供適當圖像，以便投影在顯示表面上。
權利要求
1.一種投影機，用以把多色圖像投影在顯示表面上，所述投影機包括(a)多色光源；(b)均勻化裝置，用以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)基本聚光中繼透鏡，用以放大所述均勻的照明場，以形成放大了的均勻照明場，并用于把所述放大了的均勻照明場射向二向色分離器，所述二向色分離器為第一、第二和第三彩色光調制通道提供彩色光；(d)其中以類似的方式構造每個彩色光調制通道，并且所述每個彩色光調制通道包括(i)縮小中繼透鏡，用以使所述放大的均勻的照明場成像，并把所述彩色光引導到所述彩色光調制通道中；(ii)空間光調制器，用以在其上形成第一圖像；(iii)放大中繼透鏡，用以聚焦所述第一圖像的放大的實像，并將所述放大的實像中繼到二向色組合器；(e)所述二向色組合器通過組合來自所述第一彩色光調制通道的所述放大實像、來自所述第二彩色光調制通道來所述放大實像和來自所述第三彩色光調制通道的所述放大實像，形成多色圖像；(f)投影透鏡，用以把所述多色圖像投影到所述顯示表面上。
2.如權利要求1所述的投影機，其特征在于所述第一彩色通道中的所述彩色光是紅光，所述第二彩色通道中的所述彩色光是綠光，而所述第三彩色通道中的所述彩色光是藍光。
3.如權利要求1所述的投影機，其特征在于至少一個所述空間光調制器是反射式液晶顯示器(LCD)。
4.如權利要求1所述的投影機，其特征在于至少一個所述空間光調制器是透射式液晶顯示器(LCD)。
5.如權利要求1所述的投影機，其特征在于至少一個所述空間光調制器是數字式微反射鏡裝置。
6.如權利要求1所述的投影機，其特征在于所述多色光源包括燈。
7.如權利要求1所述的投影機，其特征在于還包括偏振器，用以調節(jié)來自所述多色光源的光。
8.如權利要求1所述的投影機，其特征在于還包括偏振器，用以在所述第一彩色光調制通道中調節(jié)所述彩色光。
9.如權利要求1所述的投影機，其特征在于還包括用于所述第一彩色光調制通道中的彩色光的選色濾色鏡。
10.如權利要求1所述的投影機，其特征在于所述基本聚光中繼透鏡是雙遠心的。
全文摘要
用于投影多色圖像的數字式投影機(10)將來自光源(20)的多色光均勻化并利用基本聚光中繼透鏡(80)將均勻化了的照明光束放大，為在二向色分離器(27)進行調制提供縮小了的數字孔徑。對于從二向色分離器(27)提供的每個單色彩色分量，縮小中繼透鏡(82)縮小所述照明光束，以便以增大了的數字孔徑向空間光調制器(30)提供源照明。然后用放大中繼透鏡組合(28)放大來自空間光調制器(30)的調制光束，并以較低的數字孔徑將其射向二向色組合器(26)和投影透鏡(32)。結果，投影透鏡(32)縮小了工作距離，把整個場上的色斑減到最小并優(yōu)化了亮度。
文檔編號G02F1/13GK1532586SQ20041003224
公開日2004年9月29日 申請日期2004年3月22日 優(yōu)先權日2003年3月20日
發(fā)明者J·M·科布, B·D·斯維斯泰恩, J M 科布, 斯維斯泰恩 申請人:伊斯曼柯達公司