光束合成裝置和裝有該裝置的彩色圖象投影設備的製作方法
2023-05-27 07:30:36
專利名稱：光束合成裝置和裝有該裝置的彩色圖象投影設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及將不同顏色的至少兩條子光束合成一條彩色光束用的光學裝置，該裝置包括至少一塊被配置在透明的平板形狀基片上的分色反射鏡，並且進一步設置有至少一塊象差校正元件，它被配置在經過該基片的子光束的光路中，以對相應子光束中由該基片引入的象散進行補償。
這種類型的光學裝置，可被應用在例如彩色圖象投影設備中，以便將各自以不同顏色產生出同一景物的三個單色象的三基象源發出的三條子光束，合成一條被施加在一投影透鏡系統上的彩色光束。因而，三個單色象可以作為一個圖象被投影在投影屏上。
將由三塊液晶圖象顯示板(隨後稱之為LCD板)發出的三條不同顏色的子光束組合用的裝置，在美國專利5,046,837中進行了特別描述。該裝置包括兩塊二向色反射鏡形式的分色反射鏡，均被配置在玻璃基片上。三條子光束之一(例如綠光束)被兩塊反射鏡反射，而其餘兩條子光束(紅光束和藍光束)則被二向色反射鏡反射一次，並且通過反射鏡的基片一次。由於這些反射鏡均被傾斜配置在三條光束中，例如與子光束的光軸成45°角，而且這些子光束在此反射鏡所處的區域內為會聚光束，故通過該反射鏡基片的子光束將變成象散的，這就意味著該光束在包括其光軸在內的兩個互相垂直的平面內具有不同的會聚度。因此，上述兩個平面內的光束將不會清晰地聚焦在投影屏上，以致於被投影的圖象呈現出象差。由於這些反射鏡被安置在成象光學系統中，故其應當具有更高的平面度，這只能通過使用較厚的基片來達到，以致於上述象散比較大。該象散只發生在三條子光束中的兩條光束中，所以，無法通過被組合後光束光路中的一塊象差校正元件來校正被投影的彩色圖象中的畸變。
在日本專利公開3-170925A中，曾經提出通過將柱面透鏡配置在與二向色層相反的每一反射鏡基片上，以消除此象差。眾所周知，柱面透鏡能在光束中引入象散。通過適當地選擇該柱面透鏡的光焦度和位置，其所產生的象散可以補償光束傾斜通過平板產生的象散。然而使用這樣的柱面透鏡只能校正象散，而不能校正通過平板產生的其它象差，尤其是彗差。
本發明的目的在於提供一種象差校正元件，使用它可以實現對光束象差的全面校正，並且進一步提供使用該校正元件的各種可能性。
根據本發明的光學裝置，其特徵在於該象差校正元件包括選自柱面透鏡和傾斜安置的球面透鏡一組的第一個子元件以及選自平行平板、光楔和稜鏡一組的第二個子元件，共同校正由子光束經過的基片引入的至少如象散和彗差之類的象差。
第一個子元件具有這樣匹配的光焦度和位置，使得通過該元件時產生的兩象散焦線之間的距離，與通過該反射鏡基片時所產生的兩象散焦線間的距離相比，其大小相等但符號相反。通過該反射鏡基片時產生的彗差，則由第二個子元件進行校正。
第一和第二個子元件可以是分立的元件。
不過本光學裝置的優選實施例，其特徵在於，第一和第二個子元件被一體化為一個光學元件。
因此，有可能將偽反射限制在最小，而且校正元件的製造和光學裝置的組裝將更簡單。
至於一體化光學元件中各個子元件間的相互定位，存在著各種可能性。
第一種實施例，其特徵在於第一和第二個子元件被安置在一體化元件的相反兩側。
第二種實施例，其特徵在於第一和第二個子元件被疊置在一體化元件的同一個表面上。
至於這些子元件相對於必須進行象差校正的基片之間的定位，也存在著各種可能性。
第一種可能性，是在其特徵在於第一個子元件被安置在比第二個子元件更接近必須進行象差校正的反射鏡基片的實施例中實現的。
第二種可能性，是在其特徵在於第二個子元件被安置在比第一個子元件更接近必須進行象差校正的反射鏡基片的實施例中實現的。
在第一和第二個子元件被合成在一體化元件的同一表面上的實施例中，該表面不是面向此必須進行象差校正的基片，就是遠離該基片。
本光學裝置的特殊實施例，其特徵在於第一個子元件為柱面透鏡，第二個子元件為光楔。
本實施例的進一步特徵可以是，由必須進行象差校正的反射鏡基片看上去，圓柱表面是凸的，而且圓柱面的軸線垂直於通過此光學裝置光軸的平面，且此反射鏡在該平面內以銳角伸向此光軸。
另一個辦法是，本實施例的進一步特徵可以是，從必須進行象差校正的反射鏡基片看上去，該圓柱面是凹的，而且圓柱面的軸線平行於通過此光學裝置光軸的平面，且此反射鏡在該平面內以銳角伸向此光軸。
在必須組合兩條子光束且只包括一塊分色反射鏡的裝置中，象差校正元件被放置在經過反射鏡基片的子光束的光路中。
在必須組合三條子光束且包括兩塊分色反射鏡的裝置中，根據本發明的分立的象差校正元件，可被安置在經過基片的每一條子光束中。
不過這樣的光學裝置，其特徵最好在於所有的子光束都通過相同的基片厚度，而且在合成光束的光路中安置一個象差校正元件。
應當注意，在日本專利申請公開5-27343A的摘要中，曾經提出使彩色電視投影設備中三條子光束中象散相等的問題，即按照這樣一種方式通過將厚度和原來基片相同的額外的基片與每塊二向色反射鏡相結合，使得每條子光束在其由LCD板至投影透鏡系統的光路中兩次通過基片。在此日本專利公開5-27343A中曾經指出，現在可以通過投影透鏡系統來校正各子光束彼此相等的象散，因此該系統必須進行匹配。然而現在的象散為沒有額外基片的投影設備中象散的二倍那樣大，被加在二向色反射鏡上，以致於所需要的象差校正更難以實現。
本光束合成裝置的第一個實施例，帶有兩塊分色反射鏡，其中的象差可以通過一個校正元件進行校正，該光束合成裝置的特徵在於，具有與反射鏡基片的折射率和厚度乘積相同的透明平板，被安置在只有不經過反射鏡基片的子光束的光路中。
本光束合成裝置的第二個實施例，其特徵在於，通過一條子光束並且反射另一子光束的分色反射鏡，被配置在兩塊基板之間，其中每塊基板具有的折射率和厚度乘積，分別為另一分色反射鏡基板折射率和厚度乘積的一半。
在此實施例中，並沒有比使三條子光束的象差變得相等絕對需要的更多的象差提供給這些子光束，所以這些象差可以容易地校正。
本發明進一步涉及彩色圖象投影設備，它包括用於提供一景物的三個不同顏色圖象的三基象源，用於將此基象源發出的三條子光束合成一條彩色光束的光束合成裝置，以及將此光束投影在投影屏上用的投影透鏡系統。該投影設備的特徵在於，該光束合成裝置是如前所述供給的器具。
「景物」一詞應被認為具有很寬的含義，並且包括電視圖象、圖示信息、數字信息，或其組合。基象源可以由液晶圖象顯示板、基於彌散作用工作的圖象顯示板(例如聚合物彌散的液晶PDLC)、由被稱之為指狀反射鏡器件(DMD)的小反射鏡基質組成的面板或者陰極射線管來構成。
本發明的這些以及其它一些方面，從以下參照所述實施例所作解釋中將更加明白。
在附圖中
圖1用圖解法表示可以利用本發明的彩色圖象投影設備；圖2表示用在該投影設備中的已知的光束再合成裝置；圖3至8表示根據本發明用在此光束再合成裝置中的複合的象差校正元件的實施例；圖9至11表示帶有透射的圖象顯示板的根據本發明的彩色圖象投影裝置實施例的一部分，而且圖12表示帶有反射的圖象顯示板的根據本發明的彩色圖象投影裝置的一部分。
圖1用圖解法表示彩色投影電視設備的實施例。該投影設備包括三個主要部分照明系統A，圖象顯示系統B和投影透鏡系統(例如變焦鏡頭C)。照明系統的主軸OO′與光軸DD′對準，且此光軸DD′首先按照彩色投影表示的實施例被分成三條子光軸，隨後被連接成一條與投影透鏡系統的光軸EE′重合的光軸。
來自照明系統A的光束，被入射在分色反射鏡1例如二向色反射鏡上，此二向色反射鏡將反射例如藍色成分bB，並且透過其餘的光束。此光束到達第二塊分色反射鏡2之後，由其反射綠色成分bG，並將剩餘的紅色成分bR透射給反射鏡3，而由其將紅色光束反射向投影透鏡系統。反射鏡3可以是中性反射鏡，或者是對於紅光最優化的反射鏡。藍色的光束，被中性的或者藍色分色的反射鏡4反射到液晶顯示板形式的顯示板7。此顯示板是按照公知的方式電子驅動的，以使圖象中的藍色成分被投影出現在此顯示板上。受到藍色信息調製的光束，在到達投影透鏡系統C之前先經過分色反射鏡5，並由其透過藍色光束和反射綠色光束；進一步還經過分色反射鏡6，並由其將藍色光束反射。綠色的光束bG將通過第二塊顯示板8並在此處受到綠色圖象成分的調製，然後依次由分色反射鏡5及6反射向投影透鏡系統C。紅色的光束bR將通過第三塊顯示板9並在該處受到紅色圖象成分的調製，隨後經過分色反射鏡6到達投影透鏡系統。
藍、紅、綠三色光束被疊加在此透鏡系統的入瞳上，以產生出彩色圖象而由此透鏡系統以放大的形式成象在圖1中未表示的投影屏上。
照明系統A的輸出和每塊顯示板7、 8和9之間的光程長度最好相等，以使光束bB、bG和bR在其顯示板區域內的截面相等。而且顯示板7、8、9和投影透鏡系統入瞳之間的光程長度最好相等，以使不同顏色的景物令人滿意地疊加在投影屏上。
附加透鏡10、11和12可被安置在顯示板7、8和9的前面，並由其確保來自照明系統出射面的全部輻射光被集聚在此投影透鏡系統L的入瞳中。
圖2詳細表示傳統的光束再合成裝置。分色反射鏡5和6，分另包括提供在透明的例如玻璃基片20和22上面的反射層21和23。來自顯示板8的綠色的子光束bG，通過反射層21和23沿其光路反射到投影透鏡系統C而不經過基片20和22中的任一個。紅色的子光束bR和藍色的子光束bB分別經過基片22和20一次，以致於將象散引入這些子光束中。此象散可以分別通過將柱面透鏡25和26安置在子光束bB和bR的光路中加以校正。這些柱面鏡的柱面軸線，與圖2中的圖面相垂直。通過適當地選擇柱面鏡25及26的光焦度和位置，分別可使這些柱面鏡引入子光束bB和bR的象散，與基片20和22引入這些子光束的象散大小相等而符號相反。
然而使用這種柱面鏡只能校正象散，但並不是通過傾斜安置的基片時也可能產生的其它象差。特別是成象子光束中的彗差，可使投影圖象的質量下降。
本發明提供一種象差校正元件，使用它不僅象散而且其它象差也能校正。這種象差校正元件的實施例，表示在圖3中。為了定向的目的，此圖還表示出引起象散而必須加以校正的基片和xyz座標系。在xy平面內，該基片與通過它的子光束的光軸OO′成銳角(例如45°)伸展。此光軸則沿y方向伸展。校正元件30包括柱面元件31和光楔35。柱面透鏡的柱面軸線與z方向平行，而且凸的圓柱面32是面向基片38的。柱面透鏡平的後側則與此光軸垂直。光楔35的前表面37垂直此光軸，而其後表面在xy平面內看上去則以銳角伸向此光軸。替代平的後表面，該柱面鏡換個辦法可以帶有彎曲的後表面。
如圖4所示，柱面透鏡31和光楔35可以交換位置。
圖5表示一實施例，柱面透鏡為凹的或者負的透鏡39，其圓柱面再一次面向基片。然而現在的柱面軸線與x方向平行。光楔具有與圖3和4中相同的取向。為了校正離抽象差，即以距光軸為某種距離伸展的光束部分中可能產生的象差，該光楔可繞光軸OO′轉動。
圖6表示象差校正元件的優選實施例。柱面透鏡和光楔，現在被一體化為帶有柱面形前表面46和傾斜後表面47的楔形柱面透鏡45。此圓柱表面不但可為凸的，而且還可為圖5表示的凹的。此外，與圖4類似，圓柱表面46和傾斜表面47還可以交換位置。
圖7表示一體化的象差校正元件的實施例，其中的圓柱面46被疊加在光楔的傾斜表面36上面。這種疊加還可以在後側完成，以替代圖7所示在前側完成。
圖8表示根據本發明的象差校正元件45′，它包括球面透鏡50和光楔51。該透鏡被安置在相對於光軸OO′傾斜，可被用來再一次對象散進行校正。通過光楔和球面透鏡的組合，既可校正象散又可校正彗差，並且通過改變例如光楔的取向，還可校正離軸象差。透鏡50和光楔51還可一體化為一個元件，而由球形表面和傾斜的楔形表面構成該校正元件的兩個相對的表面，或者在一體化元件一側構成一疊置的表面。
在迄今描述的實施例中，光楔可以由平行平板代替，按照與必須校正象差基片相反的方向將其相對於光軸傾斜安置。換一種方式，此光楔還可由具有同樣光學效果的稜鏡來代替。
與圖2的光束合成裝置類似，新的象差校正元件可被用來分別校正經過基片的子光束bB和bR，如圖9所示。在此實施例中，例如楔形的柱面透鏡45a和45b等同於圖6中的元件45，被安置在子光束bB和bR的光路中。
圖10表示光束再合成裝置的優選實施例，其中只使用一個象差校正元件。這樣做之所以可能，是由於三條子光束中的象差已變得相等。為此目的，分色層21被配置在基片60上面，且此基片60厚度為元件6中基片22厚度之半。厚度與基片60相同的第二塊基片或平板61，配備在分色層21的上方。在其來自顯示板8的光路中，綠色的子光束bG將通過基片61，隨後被分色層21反射，然後第二次通過基片61，隨後由分色層23反射向投影透鏡系統C。藍色的子光束bB首先通過基片60，隨後通過基片61，然後被分色層23反射。因此，子光束bG和bR將通過其厚度等於紅色子光束bR所通過的基片22厚度之半的基片兩次，以致於所有的子光束實際上以同樣的角度通過相同厚度的基片。同樣的象差被引入這些子光束中，該象差與圖2所示裝置中光束bR和bG中的象差相等。由於三條子光束中的象差相等，故可通過安置在合成光束bC光路中的楔形柱面透鏡45C之類一個校正元件來校正。使用校正元件45C的這種光束再合成裝置，構成一種自校正裝置，以致於能在一投影設備中提供而不必適應該設備更多的光學系統。
圖11表示使三條子光束中的象差變得相等的第二種可能性，如果顯示板8和分色反射鏡5之間存在足夠空間的話，這種可能性就可以利用。於是，以與反射鏡5及6的基片20及22的折射率和厚度相同且以同樣角度伸展的平行平板65，僅被安置在綠色子光束的光路中。與圖10中實施例相比，圖11實施例的優點在於，由於平板或者基片的材料和周圍介質之間較少存在變換，所以只能產生較少的偽反射。
在圖10、11和12描述的實施例中，平板60、61和65的厚度本身和折射率本身，並不需要等於基片20和22相應參數或其一半，但當該平板的折射率和厚度的乘積等於該基片相應參數乘積或其一半時，就足夠了。
本發明還可被應用在使用三個陰極射線管，以提供紅、綠、藍三種圖象的圖象投影設備中。這樣的投影設備類似圖10和11中表示的裝置，然而顯示板7、8和9隨後被陰極射線管所替代。在此投影設備中，圖1中的照明系統A和反射鏡1～4不存在。
本發明進一步還可應用在使用反射式圖象顯示板的彩色圖象投影設備中，所用圖象顯示板如帶有反射鏡的LCD板，或者由可被單獨驅動的適於耕作(tillable)的反射鏡組成的面板。最後提到的顯示板通稱為指狀反射鏡器件(DMD)，在美國專利4,615,595中特別進行描述。
圖12表示該投影設備實施例的簡圖，其中的光束再合成裝置還被用作分束裝置。在以上描述之後，本裝置並不需任何進一步解釋。為了達到讓顯示板70、71和72反射的子光束能同入射在這些面板上的子光束在空間分開得到保證，例如入射在這些面板上的子光束的入射角度要大於零度。為了限制該投影設備的尺寸，最好使用分束元件75，以將來自照明系統A的光束bi反射向各顯示板，並將合成的光束bC通向投影透鏡系統C。為了減少光的損失，分束元件75最好作為美國專利4,969,730中描述的完全內反射(TIR)元件來完成。
如上已經提到的那樣，分色元件5和6可以由二向色反射鏡來構成。在這種情況下，圖10、11和12中的分色層21和23包括許多具有給定折射率和給定厚度的子分色層，這些子分色層共同保證給定顏色的光被通過以及其它顏色的光被反射。另外還可以使用膽甾醇型濾光片作為分色反射鏡，如在《日本應用物理雜誌》，Vol.20，No.10，1990，10，pp.1974-1984發表的「新的液晶偏振彩色投影原理」一文中描述的那樣。膽甾醇型反射鏡具有光學液晶材料層，具有給定節距的螺旋或螺旋線狀結構。這種反射鏡，能夠反射具有旋轉方向與分子螺旋線的旋轉方向對應，且其波長適合分子螺旋線節距的圓偏振光，並且透過其它波長的光。
除了在上述投影設備中使用之外，本發明通常還可應用在不同顏色的子光束必須合成一條光束的成象光學系統中。
權利要求
1.一種將不同顏色的至少兩條子光束合成一條彩色光束用的光學裝置，該裝置包括至少一塊被配置在一透明的平板形狀基片上的分色反射鏡，並且進一步設置有至少一塊象差校正元件，被配置在經過該基片的子光束的光路中，其特徵在於該象差校正元件包括選自柱面透鏡和傾斜安置的球面透鏡一組的第一個子元件，以及選自平行平板、光楔和稜鏡一組的第二個子元件，並由這些子元件共同對由子光束經過的基片引入的至少如象散和彗差進行校正。
2.如權利要求1所述的光學裝置，其特徵在於第一和第二個子元件被一體化為一個元件。
3.如權利要求2所述的光學裝置，其特徵在於第一和第二個子元件被安置在此一體化元件的相反兩側。
4.如權利要求2所述的光學裝置，其特徵在於第一和第二個子元件被疊置在此一體化元件同一表面上。
5.如權利要求1、2或3所述的光學裝置，其特徵在於第一個子元件被安置在比第二個子元件更接近必須進行象差校正的反射鏡基片。
6.如權利要求1、2或3所述的光學裝置，其特徵在於第二個子元件被安置在比第一個子元件更接近必須進行象差校正的反射鏡基片。
7.如權利要求4所述的光學裝置，其特徵在於上述同一表面是面向必須進行象差校正的反射鏡基片的。
8.如權利要求4所述的光學裝置，其特徵在於上述同一表面是遠離必須進行象差校正的反射鏡基片的。
9.如權利要求1-8中任一權利要求所述的光學裝置，其特徵在於第一個子元件為柱面透鏡，第二個子元件為光楔。
10.如權利要求9所述的光學裝置，其特徵在於從必須進行象差校正的反射鏡基片看上去，圓柱表面是凸的，而且圓柱面的軸線垂直於通過此光學裝置光軸的平面，且此反射鏡在該平面內以銳角伸向此光軸。
11.如權利要求9所述的光學裝置，其特徵在於從必須進行象差校正的反射鏡基片看上去，圓柱表面是凹的，而且圓柱面的軸線平行於通過此光學裝置光軸的平面，且此反射鏡在該平面內以銳角伸向此光軸。
12.如上述權利要求中任一權利要求所述的光學裝置，包括至少為兩塊的許多分色反射鏡，其特徵在於同樣大量的象差校正元件，其中總有一個安置在經過反射鏡基片的子光束的光路中。
13.如權利要求1-11中任一權利要求所述的光學裝置，包括至少為兩塊的許多分色反射鏡，其特徵在於所有的子光束都經過相同的基片厚度，並且在合成光束的光路中安置一塊象差校正元件。
14.如權利要求13所述的光學裝置，其特徵在於，具有與反射鏡基片的折射率和厚度乘積相同的透明平板，被安置只有不經過反射鏡基片的子光束的光路中。
15.如權利要求13所述的光學裝置，包括兩塊分色反射鏡，其特徵在於通過一條子光束並且反射另一子光束的分色反射鏡，被配置在兩塊基板之間，其中每塊基板具有的折射率和厚度的乘積，分別為另一分色反射鏡基板折射率和厚度乘積的一半。
16.一種彩色圖象投影設備，包括用於提供一景物的三個不同顏色圖象的三基象源，用於將此基象源發出的三條子光束合成一條彩色光束的光束合成裝置，以及將上述光束投影在投影屏上用的投影透鏡系統，其特徵在於此光束合成裝置乃是上述權利要求中任一權利要求所述的光學裝置。
全文摘要
本發明描述一種將不同顏色的至少兩條子光束(b
文檔編號G02B27/10GK1150484SQ95193552
公開日1997年5月21日 申請日期1995年5月3日 優先權日1994年5月6日
發明者F·J·M·沃特爾 申請人:菲利浦電子有限公司