用於投影顯示器的橫向色差補償的製作方法

2023-05-13 02:17:01

專利名稱：用於投影顯示器的橫向色差補償的製作方法
技術領域：
本發明涉及彩色數字圖形的投影顯示器設備和用於這種投影顯示器設備的投影光學裝置透鏡系統。
背景技術：
典型的彩色數字圖形的投影顯示器設備使用3個數字圖形編碼的光束調製器板，一個光束調製器板用於彩色圖形的紅、綠、和藍組分中的每一個組分。光束調製器板的例子包括透射式多晶矽液晶顯示器(LCD)、反射式數字微透鏡設備(DMD)、和反射式液晶顯示器(RLCD)-也稱之為在矽顯示器上的反射式液晶(LCoS)。通常，利用組組分色光束重組光學裝置將來自3個板的圖形編碼光束組合起來，再通過單個投影透鏡投影。
隨著對於較高的解析度、較高的像素計數、和較小的設備的要求的增加，設計用於彩色數字圖形投影顯示器的投影透鏡的困難也越來越大。成為重點的投影透鏡的一個特徵是稱之為「橫向色差」的特徵。橫向色差指的是色差，它涉及圖形的橫向放大對于波長或顏色或圖形的顏色的依賴關係。橫向放大隨顏色的這種變化通常導致來自紅、綠、藍數字圖形編碼的光束調製器板的疊加的組分色圖像圖形的會聚度從投影圖形顯示器中心向外的變化。因此，如果數字圖形編碼板的位置使圖形的組分色像素在顯示器的中心存在完美的會聚，則在顯示器邊緣的一個或多個像素可能沒有產生彩色會聚。彩色會聚的這種變化惡化了圖形的質量，尤其是對於計算機圖形顯示器的投影。
受到限制的橫向色差發散在3板式投影監視器中是個重要的問題。例如，使用具有1200×1600個像素的板陣列的投影監視器，其中每個像素約為10平方微米，設計目標是1/2或更少的橫向色差發散，這是投影透鏡廠商要實現的一個困難的問題。具有這種板陣列的常規的投影監視器在圖形的角落具有約12微米的橫向色差發散，這個橫向色差發散是在板陣列測到的，這個橫向色差發散大於一個像素。這樣大小的橫向色差發散在計算機顯示監視器應用中是個重要的問題，在這裡圖標和菜單通常放在圖形顯示器的邊緣。在一般情況下，為了補償橫向色差效應，可能必須增加一個投影透鏡，使尺寸增加，並且還要包含附加的元件，這導致設計複雜性提高和成本增加。實際上，只有透鏡設計不足以滿足提高顯示解析度的要求。
電子投影顯示器的發展方向是基於反射式偏振調製器的系統，這個系統使用了反射式液晶偏振調製器。基於反射式偏振調製器的許多基礎結構使用了如下的安排其中從偏振調製器板到投影透鏡的距離與投影透鏡的焦距相比是大的。對於背投顯示器，例如投影監視器和投影電視，這尤其是對的。在一般情況下，後焦距越大，產生投影透鏡就越困難。另一種光學設計的限制是對於「遠心性」的要求，這一限制使投影透鏡成為產生這種系統的關鍵挑戰。遠心透鏡系統有一個無限遠的入口光瞳。入口光瞳在無限遠的所謂的主光線(也稱之為主要光線)意指主光線平行於光軸，因此在圖像上的每一點都具有相同的一組角度或者相同的光瞳性質。
在授予Chiu等人的美國專利NO.5777789中公開了一種常規的使用反射式液晶偏振調製器和遠心投影透鏡的數字圖形投影儀。這個專利的投影儀有一個金屬-囟化物弧光燈用作投影儀的未經偏振的「白」光。來自弧光燈的光穿過照明光學裝置，照明光學裝置的功能是形成大體上平行的、可見的白光照明光束，這個光束相對於在投影儀中使用的液晶偏振調製器的偏振調製面來說，在空間上有大體均勻的強度。把非偏振照明光束引入偏振分束器立方體，偏振分束器立方體將非偏振光束分裂為兩個光束，這兩個光束大體上是偏振光(按照傳統，這並非完美)，兩個光束的相應偏振大體上是相互正交的。在這個專利的數字圖形投影儀的偏振分束器立方體中這樣產生的兩個光束之一用作大體上偏振的源光束，並且從偏振分束器立方體傳送到彩色分束/組合稜鏡組件中。彩色分束/組合稜鏡組件由3個稜鏡組成，稜鏡的某些面塗以二色性的塗料，以便從大體上偏振的源光束的可見白光中依次分開紅、藍、綠光組分，並且將每個大體上偏振的組分色光束引向對應的反射式液晶偏振調製器，在這個專利中也稱之為「光閥」。
定位這個專利的數字圖形投影儀的三個偏振調製器中的每一個，使一個反射式偏振調製器的表面垂直於相對離開彩色分束/組合稜鏡組件的一個色組分出射面的、相應的大體上偏振的彩色組分光光束確定的組分束光路。按照這個專利所述的，通過用機械方法相對於稜鏡組件的彩色組分光束出射面調節偏振調製器，可使反射式液晶偏振調製器的圖像重合在投影屏幕上。在一般情況下，反射式偏振調製器的作用是按照加到偏振調製器上的信號、藉助於光束光的偏振的選擇性的轉動、在偏振調製器表面上逐個像素地、按空間調製相應的彩色組分光束的偏振，所說的偏振調製器對於期望的複合彩色圖形的組分色圖像進行編碼。具體來說，對於要以指定顏色照射的最終成像的的圖形的每個像素，通過反射式液晶偏振調製器在偏振調製表面上的一個位置，就可以轉動這個顏色的大體上偏振的彩色組分光束的偏振，所說的這個位置對應於在最終成像的圖形中這個像素的位置。這樣的照明像素稱之為「亮」像素。相反，對於沒有以指定顏色照射的最終成像的圖形的每個像素，通過反射式液晶偏振調製器在偏振調製表面上的一個位置，使這個顏色的大體上偏振的彩色組分光束髮生反射，光束的偏振沒有改變，所說的這個位置對應於在最終成像的圖形中這個像素的位置。這樣的照明像素稱之為「暗」像素。
彩色分光束像這樣由這個專利的數字圖形投影儀的的液晶偏振調製器進行按空間的有選擇性的調製後發生了反射，從偏振調製器的反射式偏振調製器表面沿相應的組分束光路基本上向後反射通過彩色分束/組合稜鏡組件。3個反射的彩色組分光束中的每一個都實質上要通過稜鏡組件返回到它原來的路徑，並且與其它兩個彩色組分光束重組形成一個複合的按空間選擇偏振的調製光束。複合光束從彩色分束/組合稜鏡組件射出並送入偏振象素組分束器立方體。偏振分束器立方體使複合光束分解成一個偏振調製的亮像素的組分光束(其中攜帶由亮像素組成的複合彩色圖形)和一個非偏振調製的暗像素的組分光束(其中攜帶由暗像素組成的彩色負圖形)。由於暗像素組分光束的偏振不由反射式液晶偏振調製器改變，所以暗像素組分光束通過投影儀向照明光源的弧光燈返回光路。引導偏振調製的亮像素的分光束從偏振分束器立方體進入這個專利的數字圖形投影儀的投影透鏡。按照這個專利，投影透鏡是一個負焦距遠心透鏡，可以適應大的玻璃工作距離和遠心照明。投影透鏡的用途是向投影屏幕投影期望的複合彩色圖形。
在一般情況下，投影顯示器的設計致力於實現「完美的」投影圖形。然而，投影顯示器的設計師們卻面臨著一些困難，如維持投影圖形的正確高度、以及橫向色差效應，如此等等。無論是單個的數字圖形編碼的光束調製器板或者是多個數字圖形編碼的光束調製器板，設計師都必須通過透鏡實現這樣一種「完美的」成像圖形。然而，只通過透鏡系統實現這樣一種「完美的」成像圖形是存在問題的，而且經常是成本很高，因此在經濟上超越了實際可能性。無論是把這樣的透鏡系統放在光束調製器板的前方還是放在它的後方，通常出現橫向色差方面的問題，即使使用當前可以得到的最好的透鏡系統亦是如此。試圖實現「完美的」成像圖形的投影顯示器的設計師們實際上被透鏡系統所束縛。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種投影顯示器設備和一種投影光學透鏡系統，用於補償數字彩色圖形投影的橫向色差效應。這個目的是通過如權利要求1所規定的按照本發明的投影顯示器設備和如權利要求4所規定的投影光學裝置透鏡系統來實現的。
從廣義來講，在數字彩色圖形投影顯示器中橫向色差色差效應的補償，在本發明中是通過提供在某種程度上非遠心的投影顯示器所用的投影光學裝置以建立傾斜的幾何條件從而通過投影光學裝置收集用於投影的離軸光、並且通過提供物面以便通過投影光學裝置投影顯示不同原色的物體數字圖形而實現的，所說的投影光學裝置位於距投影光學裝置不同的有效軸向距離，所說的軸向距離可以分別鍵控到投影光學裝置收集的離軸光的傾斜幾何位置以及由不同原色的投影光學裝置橫向放大中的橫向色差之差，因此在橫向放大中的這種顏色相關之差趨向於得到補償。
優選地，本發明的數字彩色圖形投影顯示器提供3個組分原色物面，分別用於紅、綠、藍的物體圖形。3個組分原色物面距投影光學裝置的有效軸向距離最好互不相同。
本發明的投影顯示器最好包括3個組分原色數字圖形編碼的光束調製器板，分別對應於紅、綠、藍組分原色之一。每個光束調製器板最好包括多個安排在一個平面陣列中的多個光調製器像素元。每個組分原色數字圖形編碼的光束調製器板最好利用靠近投影顯示器的相應的組分原色物面的光束調製器板的光調製器像素元的平面陣列來定位。組分原色光束調製器板的每個光調製器像素元適於按可控的方式用光學的方式根據加到光束調製器板的圖形編碼控制信號來調製照射像素元的光。組分原色光束調製器板的光調製器像素元最好適於按照期望的複合彩色數字圖形的相應的原色圖形分量、整體式地、以像素陣列地基元、用光學的方式、並且按空間來調製照射光束調製器板的組分原色光束。可以分別對於每個圖形編碼的組分原色光束確定一個組分原色編碼的光束中心軸，每個組分原色編碼的光束中心軸在基本上垂直入射時並在組分原色光束調製器板中心軸交叉點與相應的組分原色光束調製器板交叉。用於確定在3個組分原色光束調製器板上的光調製器像素元的位置的對應的平面陣列，以及對應的組分原色調製器板中心軸的交叉點，在幾何形狀方面最好彼此基本疊合(congruent)。可以將物體像素分開的距離確定為在光束調製器板中相鄰像素元之間的從中心到中心的平均距離。
本發明的投影顯示器的複合彩色圖像平面最好有一個相對於所說複合彩色圖像平面確定的複合彩色像素位置陣列。在複合彩色圖像平面中的每個複合彩色像素位置最好對應於在光束調製器板上定位的大體上疊合的位置的3個光調製器像素元。可以相對於投影光學裝置確定投影光學裝置中心軸，它穿過投影光學裝置的中心。本發明的投影顯示器的投影光學裝置有一個投影光學裝置孔徑光闌，它沿投影光學裝置中心軸定位在投影光學裝置孔徑光闌位置。通過投影光學裝置中心軸與複合彩色圖像平面相交可以確定一個複合彩色圖像中心軸交叉點，它與3個組分原色調製器板中心軸交叉點相對應。
複合彩色圖像測試點的位置最好在本發明的投影顯示器的複合彩色圖像平面內確定，複合彩色圖像測試點從複合彩色圖像平面中心軸交叉點開始橫向移動，對應於複合彩色圖像平面中單個複合彩色像素的位置。在複合彩色圖像平面中的複合彩色圖像測試點的位置最好對應於3個光調製器的物體測試點像素元，光調製器的物體測試點像素元分別定位在3個組分原色光束調製器板上的基本疊合的位置。對於每個組分原色，可以確定一個組分原色測試點的主要光線徑跡，以此作為組分原色光線進行跟蹤，從複合彩色圖像平面中的複合彩色圖像測試點位置開始、通過投影光學裝置、穿過投影光學裝置孔徑光闌的中心點、並且通過投影顯示器的任何幹預光學裝置(invervening optics)、在從光束調製器板的中心軸交叉點開始橫向移動的一個點與相應的組分原色光束調製器板相交。3個組分原色測試點主要光線徑跡中的每一個都按光學方式跟蹤組分原色相關路徑，組分原色相關路徑表現出光學裝置在通過主要光線徑跡時的色差，其中包括橫向放大中的橫向色差色差之差。本發明的投影顯示器的投影光學裝置的投影光學裝置孔徑光闌的投影光學裝置孔徑光闌位置是非遠心的孔徑光闌位置，所以每個組分原色測試點主要光線徑跡與相應的組分原色光束調製器板以一個非遠心交角相交，所說的組分原色光束調製器板相對於光束調製器板的法線是傾斜的，相交的交點在按照傾斜的幾何條件收集離軸光以便用於非遠心投影光學裝置的投影的交叉點。3個組分原色光束調製器中的每一個最好都是利用距投影光學裝置的有效軸向距離逐個地單獨軸向定位，因此，如果考慮到組分原色測試點主要光線徑跡與相應的組分原色光束調製器板相交的非遠心交角，並且考慮到色差包括了在相應的組分原色的橫向放大中的橫向色差之差，相應的組分原色測試點主要光線徑跡與光束調製器板在相應的物體測試點像素元的中心的像素間距的大約一半之內相交，因此投影光學裝置的不同組分原色的光線的橫向放大之差趨向於在由投影光學裝置在複合彩色圖像平面內成像的整個複合彩色圖形上得到補償。
本發明的投影顯示器的數字圖形編碼的光束調製器板可以包括透射式多晶矽液晶顯示器(LCD)、反射式數字微型反光鏡設備(DMD)、或者反射式液晶顯示器(RLCD)。
在本發明的投影顯示器的一個實施例中，每個組分原色數字圖形編碼的光束調製器板都是用光束調製器板的光束調製器像素元的平面陣列定位的，所說光束調製器像素元的平面陣列的位置基本上與相應的組分原色物面重合。在本發明的投影顯示器的一個實施例中，至少一個組分原色數字圖形編碼的光束調製器板是利用與相應的組分原色物面分隔開的光束調製器板的光調製器像素元的平面陣列定位的，二者分開的距離等於組分原色像素會聚的散焦距離，因此相應的組分原色測試點主要光線徑跡，在相應的光束調製器物體測試點像素元的中心的物體像素間隔距離的大約一半之內，與光束調製器板相交。
用於能夠有效補償橫向色差色差效應的數字彩色圖形投影顯示器的本發明的投影光學裝置透鏡系統具有一個投影光學裝置光入射埠和一個投影光學裝置光出射埠。相對於投影光學裝置透鏡系統確定一個投影光學裝置中心軸，它穿過透鏡系統的中心並沿軸向從入射埠和出射埠軸向延伸。
相對於透鏡系統確定一個複合彩色圖形投影顯示圖像平面，在這個平面中可以通過本發明的投影光學裝置透鏡系統對於複合彩色圖形成像，從而使這個平面可以大體上垂直於透鏡系統的投影光學裝置中心軸延伸，所說的中心軸沿投影光束出射傳播方向與投影光學裝置出口埠間隔開。通過投影光學裝置中心軸與圖像平面相交可以確定在複合彩色圖形投影顯示圖像平面中的圖像平面中心軸交叉點。
對於3個組分原色(最好是紅、綠、藍)中的每一個組分原色，確定一個組分原色投影顯示物面，使其基本上垂直於本發明的投影光學裝置透鏡系統的投影光學裝置中心軸延伸，組分原色投影顯示物面沿投影光束入射傳播方向的反方向與投影光學裝置光入射埠間隔開。通過投影光學裝置中心軸與對應的物面相交，分別對於3個組分原色投影顯示物面中的每一個確定一個組分原色物面中心軸交叉點。
對於3個組分原色中的每一個組分原色，本發明的投影光學裝置透鏡系統適於向複合彩色圖形投影顯示圖像平面投影成像位於相應的組分原色投影顯示物面中的組分原色的圖形。投影光學裝置透鏡系統表現出有橫向色差色差。例如，對於不同的組分原色，測試複合彩色物體圖形的橫向放大係數可能是不同的，所述的測試複合彩色物體圖形相對於投影光學裝置中心軸在橫向有一個範圍，測試複合彩色物體圖形位於沿投影光學裝置透鏡系統中心軸的測試物體位置，並且由透鏡系統向複合彩色圖形投影顯示圖像平面投影形成。
本發明的投影光學裝置透鏡系統包括一個入口光學元件，它具有一個入口光學表面，位於投影光學裝置入射埠。投影光學裝置中心軸和投影光學裝置透鏡系統的入口光學表面相交，從而可以確定一個物面距離基點。對於每個組分原色投影顯示物面都確定一個組分原色物面軸向位置距離，這個距離從投影光學裝置的入口光學表面上的物面距離基點到相應的組分原色物面的物面中心軸交叉點。
本發明的投影光學裝置透鏡系統有一個投影光學裝置孔徑光闌，它定位在沿投影光學裝置中心軸的投影光學裝置位置。
在複合彩色圖形投影顯示圖像平面內確定一個針對本發明的投影光學裝置透鏡系統的複合彩色圖像測試點位置，這個測試點位置在橫向與圖像平面中心軸交叉點分開。對於每個組分原色，分別確定一個組分原色測試點主要光線徑跡，作為相應的組分原色的光線進行跟蹤，從複合彩色圖形投影顯示圖像平面中的橫向移動的複合彩色圖像測試點位置進入投影光學裝置出射埠，通過投影光學裝置透鏡系統並通過投影光學裝置孔徑光闌的中心點、並離開投影光學裝置入射埠，從而與相應的組分原色投影顯示物面相交。3個組分原色測試點主要光線徑跡中的每一個都分別跟蹤一個相應的組分原色相關路徑，通過投影光學裝置透鏡系統，其中表現出透鏡系統的色差，該色差包括橫向色差色差。在每個組分原色測試點主要光線徑跡和相應的組分原色投影顯示物面之間的交叉點確定了一個相應的組分原色物體測試點位置。3個組分原色物體測試點位置中的每一個位置，從光學角度看，對於相應的組分原色的光來說，與複合彩色圖形投影顯示圖像平面中的橫向移動的複合彩色圖像測試點位置是共軛的。每個組分原色物體測試點位置從相應的組分原色投影顯示物面的物面中心軸交叉點開始發生橫向移動，從而可以確定組分原色物體測試點橫向移動距離。
本發明的投影光學裝置透鏡系統的投影光學裝置孔徑光闌的投影光學裝置孔徑光闌位置是非遠心孔徑光闌位置。因為是非遠心孔徑光闌位置，所以每個組分原色測試點主要光線徑跡與相應的組分原色投影顯示物面以一個非遠心交角相交，相對於交叉點物面的法線是傾斜的。3個組分原色投影顯示物面沿投影光學裝置中心軸具有相應的軸向位置，因此，如果考慮到相應的組分原色測試點主要光線徑跡與相應的組分原色物面相交的非遠心交角，並且考慮到所說的色差包括不同的組分原色在透鏡系統的橫向放大中的橫向色差色差之差，則對於3個組分原色投影顯示物面的組分原色物體測試點橫向移動距離基本上彼此相等。3個組分原色投影顯示物面的相應的軸向距離應該是這樣的3個組分原色投影顯示物面中的至少兩個組分原色投影顯示物面、並且最好是所有3個組分原色投影顯示物面的相應的組分原色物面軸向位置距離彼此相等，使得由本發明的投影光學裝置透鏡系統的橫向色差引起的不同組分原色光線的橫向放大之差，在由透鏡系統在複合彩色圖形投影顯示圖像平面中成像的整個複合彩色圖像上趨向於至少部分地得以補償。
優選地，本發明的投影光學裝置透鏡系統適於投影成像3個組分原色中的每一個組分原色的物體圖形，物體圖形的尺寸可落在一個相應的大體成長方形的物體圖形場中，物體圖形場指的是相應的組分原色投影顯示物面。例如，這樣一個物體圖形場最好對應於數字圖形編碼的光束調製器板的調製器表面的尺寸。每個物體圖形場都有一個高度尺寸和一個寬度尺寸，高度尺寸對於所有3個物體圖形場都相同，寬度尺寸對於所有3個物體圖形場都相同。在投影光學裝置透鏡系統的光入口表面上的物面距離基點和相應的組分原色物面的物面中心軸交叉點之間的每個物面軸向位置距離最好至少是物體圖形場的高度尺寸和寬度尺寸二者中的較小者的數值的2倍，因此當將這樣的投影光學裝置透鏡系統放入數字彩色圖形投影顯示器內時，可將偏振分束器元件和光束彩色分解/組合元件安裝在透鏡系統的投影光學裝置入射埠和投影顯示器的組分原色數字圖形編碼的光束調製器板之間，光束調製器板最好分別定位在距投影光學裝置入射埠的有效軸向距離等於相應的組分原色物面軸向位置距離的位置。
最好在用於本發明的投影光學裝置透鏡系統的複合彩色圖形投影顯示圖像平面上確定一個圖像圖形場，以便與組分原色投影顯示物面的物體圖形場相對應。優選地，在複合彩色圖形投影顯示圖像平面上的複合彩色圖像測試點的位置定位在圖像圖形場之內，靠近圖像圖形場的周邊。
優選地，在本發明的投影光學裝置透鏡系統中，每個組分原色測試點主要光線徑跡在與相應的組分原色投影顯示物面相交的交叉點處沿投影光束入射傳播方向的大體反方向從投影光學裝置中心軸開始發散。
優選地，在本發明的投影光學裝置透鏡系統中，3個組分原色投影顯示物面的相應的組分原色物面軸向位置距離彼此不同。
本發明的用於投影期望的複合彩色數字圖形以便觀看的投影顯示器包括一個投影顯示器外殼和一個照明源，照明源定位在投影顯示器外殼內的一個照明源物體位置，提供白色光譜的照明光。優選地，光束形成光學裝置定位在投影顯示器外殼內，從照明源接收照明光。光束形成光學裝置適於從這種光中形成一個大體上沿相對於光束形成光學裝置確定的照明光束中心軸傳播的經過聚焦的照明光束。
本發明的投影顯示器最好還包括一個偏振分束器。相對於偏振分束器確定一個照明光束接收軸、按暗像素偏振狀態偏振的光束軸、按亮像素偏振狀態偏振的光束軸。偏振分束器適於接收大體上沿照明光束接收軸向偏振分束器傳播的照明光束，從照明光束中分開大體上沿暗像素偏振狀態的偏振光束軸從偏振分束器向外傳播的線偏振的暗像素偏振狀態的光束，從而可以接收混合偏振的圖形編碼光束，其中包含暗像素偏振狀態的線偏振光(含彩色負圖形)以及亮像素偏振狀態的線偏振光(含期望的複合彩色圖形)，所說的線混合偏振的圖形編碼光束大體上沿暗像素偏振狀態的偏振光束軸向分束器傳播，並且從而可以分開混合偏振圖形編碼光束，使之成為大體上沿照明光束接收軸離開偏振分束器的方向傳播的暗像素偏振狀態的線偏振光(含彩色負圖形)和大體上沿亮像素偏振狀態的偏振光束軸從偏振分束器向外傳播的亮像素偏振狀態的線偏振光(含期望的複合彩色圖形)。偏振分束器的照明光束接收軸最好有效地與照明光束形成光學裝置的照明光束中心軸對齊。
本發明的投影顯示器最好還包括光束彩色分割/組合光學裝置，它具有一個複合光束入射/出射埠和3個組分原色子光束出射/入射埠。光束彩色分割/組合光學裝置適於接收大體上沿複合光束入射/出射中心軸傳播並進入複合光束入射埠/出射埠的白光光譜入射光束，分割白光光譜入射光束為3個組分原色出射子光束，並且投影分別來自相應的組分原色出射/入射埠的、大體上沿相應的組分原色子光束出射/入射中心軸傳播的、每個組分原色出射子光束。光束彩色分割/組合光學裝置還適於分別接收大體上沿相應的組分原色子光束出射/入射中心軸傳播的並進入3個組分原色出射埠/入射埠中的相應的一個埠中的3個組分原色中的每一個的入射子光束，組合3個組分原色入射子光束成為一個複合彩色出射光束，並且投影大體上沿複合光束入射/出射中心軸傳播的來自複合光束入射/出射埠的複合彩色出射光束。優選地，確定光束彩色分割/組合光學裝置在投影顯示器外殼中的位置和方向，使複合光束的入射/出射中心軸與偏振分束器的暗像素偏振狀態偏振光束軸有效可靠地對齊。優選地，與每個組分原色相應地，確定通過光束彩色分割/組合光學裝置和偏振分束器的一個組分原色中心光路，以此作為相應的組分原色光的亮像素偏振狀態的線偏振子光束的中心軸，所說的組分原色光大體上沿相應的組分原色子光束出射/入射中心軸又通過光束彩色分割/組合光學裝置和偏振分束器進入相應的組分原色子光束出射/入射埠，並且大體上沿著亮像素偏振狀態的偏振光束軸離開偏振分束器向外。
本發明的投影顯示器最好還包括安裝到投影顯示器外殼的投影光學裝置，它具有投影光學裝置光入射埠和光出射埠。最好相對於投影光學裝置確定投影光學裝置中心軸，它穿過光入射埠和光出射埠的中心。優選地，偏振分束器的亮像素偏振狀態的偏振光束軸可靠有效地與投影光學裝置的投影光學裝置中心軸對齊。投影光學裝置沿著投影光學裝置中心軸在投影光學裝置孔徑光闌位置有一個投影光學裝置孔徑光闌。投影光學裝置適於通過光入射埠接收大體上沿投影光學裝置中心軸傳播的含複合彩色圖形的光束、並且通過光出射埠投影所說的光束以便在圖形顯示圖像平面有效地成像複合彩色圖形，所說圖形顯示圖像平面最好大體上垂直於投影光學裝置中心軸延伸。投影光學裝置最好包括一個入口光學元件，入口光學元件有一個入口光學表面，含有圖形的光束通過入口光學表面進入入射埠。優選地，確定投影物體距離的基準點，它是投影光學裝置中心軸與投影光學裝置的入口光學表面的交叉點。投影光學裝置表現出橫向色差色差。例如，對於不同的組分原色，相對於投影光學裝置中心軸具有一個橫向範圍的測試複合彩色物體圖形的橫向放大係數可能會不同，所說的測試複合彩色物體圖形沿著投影光學裝置中心軸放置在測試物體圖形位置並且通過投影光學裝置投影到圖形顯示圖像平面。
優選地，本發明的投影顯示器還包括3個反射式組分原色數字圖形編碼的偏振調製器。每個反射式組分原色數字圖形編碼的偏振調製器最好都有一個基本上是平面形狀的、其中包括排列成平面陣列形式的多個單個可控的反射式偏振調製器像素元的、反射式偏振調製器表面。每個這樣的反射式組分原色偏振調製器的位置最好能使出射子光束與光束彩色分割/組合光學裝置的3個組分原色的光出射/入射埠中的相應的一個呈相交的關係(interception relationship)，並且每個這樣的反射式組分原色偏振調製器的取向最好使反射式偏振調製器的偏振調製器表面能夠面對對應的組分原色光出射埠/入射埠，並且使所說的偏振調製器表面能夠大體上垂直於相應的組分原色子光束出射/入射中心軸延伸。優選地，對於每個反射式偏振調製器表面，都確定一個偏振調製器表面中心軸交叉點，即偏振調製器表面與相應的組分原色子光束出射/入射中心軸相交的交點。優選地，在3個組分原色偏振調製器的偏振調製器表面上定位反射式偏振調製器像素元的位置的相應的平面陣列以及偏振調製器表面的相應的偏振調製器表面中心軸交叉點，最好彼此基本上疊合。最好對於每個反射式偏振調製器表面確定一個偏振調製器表面軸向位置距離，這個距離從偏振調製器表面的偏振調製器中心軸交叉點、沿相應的組分原色中心光路、通過光束彩色分割/組合光學裝置和偏振分束器、到投影光學裝置的入口光學表面上的投影物體距離基準點。
優選地，在本發明的投影顯示器的反射式組分原色數字圖形編碼的偏振調製器中，每個反射式偏振調製器像素元都適於反射落在像素元上的線偏振組分原色光，並且按照加到偏振調製器上的圖形編碼的控制信號來調製反射的線偏振光的偏振。優選地，組分原色數字圖形編碼的偏振調製器的偏振調製器表面的反射式偏振調製器像素元適於整體式地、逐個像素陣列地、對於線偏振的組分原色暗像素偏振狀態的出射子光束的偏振進行反射式的空間調製，所說的出射子光束按照期望的複合彩色數字圖形的相應的原色分量圖形從光束彩色分割/組合光學裝置的相應的組分原色子光束出射/入射埠向偏振調製器表面投影，從而可以形成一個反射式的、混合偏振的、圖形編碼的、組分原色入射子光束，將這個入射子光束引入相應的組分原色出射/入射埠。優選地，圖形顯示圖像平面有一個用關聯的方法確定的複合彩色像素位置的陣列。在圖形顯示圖像平面中每個這樣的複合彩色像素位置最好都對應於3個反射式偏振調製器像素元，這3個像素元分別定位在3個分反射式組分原色偏振調製器的偏振調製器表面上的有效疊合位置。
優選地，在本發明的投影顯示器的圖形顯示圖像平面中確定一個複合彩色圖像測試點位置，這個位置距投影光學裝置中心軸與圖形顯示圖像平面相交的交點有一個橫向移動。這個圖像測試點位置最好對應於在圖形顯示圖像平面中的單個複合彩色像素。在圖形顯示圖像平面中的複合彩色圖像測試點位置最好對應於3個反射式偏振調製器物體測試點像素元，這些像素元分別定位在3個反射式組分原色偏振調製器的偏振調製器表面上的有效疊合位置上，並且距偏振調製器表面的對應的偏振調製器表面中心軸交叉點有橫向移動。優選地，對於每個組分原色，確定一個組分原色測試點主要光線徑跡，它作為這種組分原色的亮像素偏振狀態的線偏振光跟蹤，從圖形顯示圖像平面中的複合彩色圖像測試點位置開始、通過投影光學裝置並通過投影光學裝置孔徑光闌、通過偏振分束器、並通過光束彩色分割/組合光學裝置，從而在從偏振調製器表面的偏振調製器表面中心軸交叉點開始發生橫向移動的一個點與相應的組分原色偏振調製器的偏振調製器表面相交。3個組分原色測試點主要光線徑跡中的每一個都遵循一個組分原色相關的路徑，這個路徑當有主要光線徑跡通過光學裝置時會表現出光學裝置的色差，該色差包括橫向色差。投影光學裝置孔徑光闌的投影光學裝置孔徑光闌位置是一個非遠心的孔徑光闌位置，因此每個組分原色測試點主要光線徑跡與對應的組分原色偏振調製器的偏振調製器表面以一個非遠心交角相交，在相交點相對於調製器表面法線是傾斜的。沿著光束彩色分割/組合光學裝置的相應的組分原色子光束出射/入射埠的相應的組分原色子光束出射/入射中心軸，逐個地軸向定位3個反射式組分原色偏振調製器中的每一個，從而，如果考慮到組分原色測試點主要光線徑跡與相應的組分原色偏振調製器的偏振調製器表面相交的非遠心交角，並且考慮到當主要光線徑跡通過光學裝置時光學裝置的色差包括相應的組分原色橫向放大中產生的橫向色差色差之差，則相應的組分原色測試點主要光線徑跡與相應的組分原色偏振調製器的偏振調製器表面在偏振調製器物體測試點像素元有效地相交。優選地，本發明的投影顯示器的3個反射式組分原色數字圖形編碼的偏振調製器中至少兩個的所述的偏振調製器表面的相應的偏振調製器表面軸向位置距離彼此不同，因此由投影光學裝置的橫向色差色差引起的不同組分原色光線的橫向放大係數之差趨向於在由投影光學裝置在圖形顯示圖像平面內成像的整個複合彩色圖形上得以補償。
優選地，本發明的投影顯示器的組分原色是紅、綠、藍。
複合彩色圖像測試點位置最好定位在本發明的投影顯示器的圖形顯示圖像平面的周邊。優選地，複合彩色圖像測試點位置定位在圖形顯示圖像平面的周邊。
優選地，3個反射式組分原色數字圖形編碼的偏振調製器的相應的偏振調製器表面的軸向位置距離在本發明的投影顯示器中是彼此不同的。
優選地，本發明的投影顯示器的每個反射式組分原色偏振調製器的偏振調製器表面至少定位在與圖形顯示圖像平面光學共軛的一個相應的組分原色物體平面的附近。一個或多個偏振調製器表面可以與相應的組分原色物體平面分隔開一個組分原色物像素會聚的散焦距離，從而使相應的組分原色測試點主要光線徑跡與偏振調製器表面在偏振調製器物體測試點像素元處相交。
用於本發明的投影顯示器的合適的偏振分束器包括MacNeille型多層介質膜偏振分束器、線-網極化器偏振分束器、或者交變的雙折射/非雙折射薄膜極化器偏振分束器。在授予Macneille的美國專利NO.2403731和授予Sannohe和Miyatake的美國專利NO.5453859中，概括地描述了MacNeille型多層介質膜偏振分束器，在公開的PCT國際專利申請No.WO 01/09677 No.WO 00/70386中概括描述了線-網極化器偏振分束器。在公開的PCT國際專利申請No.WO 00/70386中概括描述了交變的雙折射/非雙折射薄膜極化器偏振分束器。
本發明的投影顯示器的光束彩色分割/組合光學裝置最好包括稜鏡表面裝有二色性反光鏡的稜鏡組件以及安裝二色性反光鏡的板式組件(assemblies of plate-mounted dichroic mirrors)。
本發明的投影顯示器的投影光學裝置偏離遠心條件的程度最好要適當。在投影光學裝置中偏離遠心條件，即使用有限的光瞳代替無限的光瞳建立一個傾斜的幾何條件，為通過投影光學裝置投影收集離軸光。可以利用收集離軸光的傾斜的幾何條件來補償橫向色差。
在一般情況下，有限的光瞳位置也有助於投影光學裝置的設計。與遠心透鏡組件的無限光瞳定位相比，光瞳靠近物理透鏡組件放置是一個比較簡單的約束條件。在規定投影光學裝置的非遠心光瞳位置當中提供寬容度代表一種設計自由度，相對於可比擬的遠心投影光學裝置的設計，所說的設計自由度趨向於簡化本發明的投影顯示器的投影光學裝置的設計。遠心條件的確有助於圖像的均勻性以及稜鏡彩色分束和偏振分束部件的角度可接收性。因此，對於本發明的投影顯示器的投影光學裝置來說，從遠心條件的偏離最好保持適度和很小。
對於3個原色中的每一個提供一個單獨的物體平面，可提供設計自由度，與對於3個原色需要單個物體平面的情況相比，這個設計自由度趨向於簡化本發明的投影顯示器的投影光學裝置的設計。
可使有小量的散焦來移動組分色物體圖形的橫向偏移以調節本發明的投影顯示器中的彩色會聚度。
在從屬權利要求中規定了另外的優選實施例。從以下描述的實施例，本發明的這些和其它方面將是顯而易見的，下面參照說明這些實施例詳細說明。


圖1是本發明的投影顯示器的一個實施例的簡化示意光路圖。
圖2是本發明的投影顯示器的一個實施例的偏振分束器、彩色分割/組合稜鏡組件、紅、綠、藍反射式偏振調製器、和投影光學裝置的簡化示意光路圖，著重表示了相應的聚焦在圖像的中心的一個光線錐體和聚焦在圖像顯示器的周邊的光線錐體的主光線缺少平行度的情況，所說的主光線來自投影光學裝置的非遠心光學裝置。
圖3是表示在現有技術的投影顯示器中的橫向色差發散的簡化示意圖，所說的投影顯示器具有遠心投影光學裝置和定位在縱向等效顯示物面的紅、綠、藍反射式液晶偏振調製器。
圖4是表示在假設的投影顯示器中的橫向色差發散的簡化示意圖，所說的投影顯示器具有遠心投影光學裝置和定位在縱向不同顯示物面的紅、綠、藍反射式偏振調製器。
圖5是表示在本發明的投影顯示器的一個實施例中的橫向色差發散的簡化示意圖，所說的投影顯示器具有非遠心投影光學裝置和定位在縱向不同顯示物面的紅、綠、藍反射式偏振調製器。
圖6是表示本發明的用於數字圖形投影顯示器的投影光學裝置透鏡組件的一個實施例的簡化示意圖。
具體實施例方式
現在參照圖1，數字圖形投影顯示器400包括一個照明光束光源組件402，照明光束光源組件402包括高強度燈404和拋物柱面反光鏡406，拋物柱面反光鏡406形成用於投影儀的由非偏振的白光光譜光構成的照明光束408。紫外、紅外、和光譜的陷波濾波器407設置在非偏振的照明光束408的路徑當中，以便從光束中濾除紫外和紅外頻率的光並向光束的頻譜提供期望顏色的頻譜形狀。
在數字圖像投影儀400中的非偏振照明光束408的路徑中定位一個光守恆的光束偏振器組件410。光束偏振器組件410大致類似於在授予Itoh和Hashizme的美國專利No.5986809中描述的光束偏振器，這裡參考引用了這個美國專利公開的內容。簡單地說，光束偏振器組件410包括第一透鏡陣列412，第一透鏡陣列412是大體上長方形的平凸第一透鏡元件413組成的一個長方形陣列。在操作中，第一透鏡陣列412把照明光束408分割成由聚焦的子光束組成的長方形陣列。在圖1中沒有表示出光束偏振器組件410對於照明光束408的總體影響以及第一透鏡陣列412對於照明光束408的具體影響。光束偏振器410還包括一個偏振分束器/半波片組件414，偏振分束器/半波片組件414定位在由第一透鏡陣列412產生的聚焦子光束的焦面內。偏振分束器/半波片組件414包括第二透鏡陣列416和多對交替設置的細長偏振分束器膜片420和細長反射鏡片422。偏振分束器膜片420和反射鏡片422這兩者沿垂直於照明光束408的中心光線的方向相互平行地直線延伸，並且相對於照明光束408的中心光線傾斜基本上45°的角度。第二透鏡陣列416包括大體上長方形的第二透鏡元件417組成的一個長方形陣列，第二透鏡元件417與光束偏振器組件410的第一透鏡陣列412的第一透鏡元件413一一對應。第二透鏡陣列414的每個第二透鏡元件準直來自第一透鏡陣列412的相應的第一透鏡元件413的非偏振子光束，並將這個子光束引向偏振分束器/半波片組件414的偏振分束器膜片420的一個部分。偏振分束器膜片420將非偏振子光束分裂成兩個線偏振子光束，其中第一子光束通過偏振分束器膜片420，其中第二子光束從偏振分束器膜片420向鄰近的反射鏡片422反射。第一和第二偏振子光束的偏振基本上是相互垂直的。反射鏡片422的取向應能沿大體上平行於照明光束408的光軸411的方向反射第二線偏振子光束，使其離開偏振分束器/半波片組件414。細長的半波片條424一定要與每個偏振分束器膜片420對齊。已經通過偏振分束器膜片420的第一線偏振子光束還要通過半波片條424。半波片條424將第一線偏振子光束的偏振轉動大體上90°，以便與從反射鏡片422反射的第二線偏振子光束的偏振狀態大體上重合一致。藉此，光束偏振器組件410把非偏振照明光束408轉換成線偏振照明光束409，線偏振照明光束409由具有基本上一個偏振狀態的線偏振子光束的一個陣列構成，其中沒有丟棄非偏振照明光束408中與任何一個特定偏振狀態對應的光，效率很高。
在照明光束409的路徑中定位一個大致平凸的光束整形透鏡426，用於聚焦和組合在由光束偏振器組件410產生的線偏振子光束陣列中的各種子光束，使之成為聚焦並組合的線偏振照明光束。通過這樣聚焦並組合多個子光束成為聚焦並組合的線偏振照明光束，最終的照明光束趨向於在光束的整個橫截面上都有均勻的強度。
照明光束重新定向反光鏡421反射線偏振照明光束409，以便提供投影顯示器400的光學設計的物理緊湊性。在線偏振照明光束409的路徑中並在照明光束重新定向反光鏡421之後定位一個平凸延遲透鏡466和一個微調片偏振器468。平凸延遲透鏡466與平凸光束整形透鏡426協同動作，用於相對於照明光學裝置圖像平面成像經過聚焦並組合的線偏振照明光束。微調片偏振器468的取向應使取向平行於由光束偏振器組件410產生的光束的偏振的標稱方向的線偏振光通過。
在來自微調片偏振器468的線偏振照明光束409的路徑中，放置一個MacNeille型多層介質膜偏振分束器470。MacNeille型偏振分束器470由第一分束器稜鏡471、第二分束器稜鏡472、和定位在第一和第二分束器稜鏡471和472的鈄面之間的多層介質偏振膜476形成。第一和第二分束器稜鏡471和472由光學玻璃製成。構成多層介質偏振膜476的介質材料層在圖1中沒有表示出來。對於構成多層介質偏振膜476的各個層的厚度和折射率以及分束器稜鏡471和472的光學玻璃的折射率進行選擇，使得以大致45°的最佳偏振角入射在多層介質偏振膜476上的非偏振光能夠進入多層材料，並以所謂的布儒斯特角射擊在在具有不同折射率的各個層之間的相繼的界面。
通過第一種材料的以布儒斯特角射擊在具有不同折射率的第二種材料的界面上的非偏振光線有一部分從界面上反射，並且有一部分折射進第二種材料內。反射的光線幾乎全是線偏振的，它的電場(E場)方向垂直於入射平面，入射平面是由射擊在界面的光線的傳播方向和垂直於界面的法線確定的。折射的光線只是部分偏振的，在入射平面的電場分量大於垂直於入射平面的電場分量。在教科書「光學」(作者為EugeneHecht，第三版，第342-346頁，(Addison Wesley 1998))中可以找到關於以儒斯特角反射產生的偏振的討論。
在MacNeille型多層介質膜偏振分束器470中，在多層介質偏振膜476中提供多個界面，以便一個接一個地以布儒斯特角反射來自通過相繼的界面的光線的光的偏振分量。對於多層膜中層的厚度進行選擇，以使從各個界面上反射的偏振光分量趨向於有益的增加。結果，通過相繼的界面的折射光線相繼變得越來越偏振，E場位於入射平面內。在一般情況下，選擇足夠多的層數，以使在實際上完整地穿過多層介質偏振膜476的光線有效地實現完整的線偏振，即電場位於入射平面內。反射的光線也有效地實現完整的線偏振，如以上所述，電場垂直於入射平面。在授予MacNeille的美國專利NO.2403731和授予Sannohe和Miyatake的美國專利NO.5453859中，描述了基於多層介質膜的常規的MacNeille型偏振分束器的結構。在市場上可以購買到適於投影顯示器400的MacNeille型偏振分束器。
彼此相對地確定光束偏振器組件410、微調片偏振器468、和MacNeille型偏振分束器470的取向，以使入射在偏振分束器470的線偏振照明光束409通過偏振分束器470，作為分束器傳送的線偏振照明光束434。從偏振分束器470通過的線偏振照明光束434的偏振狀態構成了暗像素的偏振狀態，因為分束器傳送的線偏振照明光束434在偏振狀態不變的情況下沿離開分束器時光束所在的軸線直接反射回到偏振分束器470裡，這有可能使這樣反射的線偏振光束通過偏振分束器470並沿這個路徑向照明光束光源組件402返回而不由分束器470轉換，從而可以照明投影顯示器400的顯示屏456，在顯示屏456上使期望的圖形的「亮」像素成像。偏振的照明光束409基本上沿暗像素偏振狀態的偏振光束軸473離開偏振分束器470，偏振光束軸473大體上相對於偏振分束器470的第二稜鏡472的一個面垂直延伸。
分束器傳送的偏振照明光束434傳播進入原色分割/組合稜鏡組件436。原色分割/組合稜鏡組件436包括3個稜鏡，在稜鏡的面上有二色性塗層，組件436適於分割進入稜鏡組件436的白光譜光的光束為分別是紅、綠、藍光的組分子光束。由於這種原色分割/組合稜鏡組件436是常規的，所以這裡對稜鏡組件不作詳細描述。具體地，在圖1中沒有表示出分束器傳送的偏振照明光束的光路以及在原色分割/組合稜鏡組件436中的紅、綠、藍組分子光束。原色分割/組合稜鏡組件具有一個複合光束入射/出射埠437、紅分量子光束出射/入射埠438R、綠分量子光束出射/入射埠438G、藍分量子光束出射/入射埠438B。在紅分量子光束出射/入射埠438R的附近是紅分量反射式數字圖形編碼的液晶偏振調製器440R。在綠分量子光束出射/入射埠438G的附近定位綠分量反射式數字圖形編碼的液晶偏振調製器440G，並且在藍分量子光束出射/入射埠438B的附近定位藍分量反射式數字圖形編碼的液晶偏振調製器440B。如以下所述，在相對於相應的紅、綠、藍分量子光束的中心軸的軸向位置不同的位置，分別定位紅、綠、藍圖像分量偏振調製器的紅、綠、藍分量偏振調製器表面441R、441G、441B。紅綠藍圖像分量反射式偏振調製器440R、G、B適於按照加到調製器上的數字圖形編碼信號逐個像素地、選擇性地空間調製落在偏振調製器的偏振調製器表面441R、G、B上的線偏振光束的偏振，所說的數字圖形編碼信號對於期望的彩色圖像的彩色圖像分量進行了編碼。這樣的反射式液晶偏振調製器是常規的。
對於編碼加到相應的彩色偏振調製器上的期望的複合彩色數字圖形的特定的彩色分量的信號進行編碼，以使在偏振調製器表面441上的像素元(對應於投影的圖像圖形中的保持未被特定顏色照明的一個像素)不改變落在像素元上的線偏振光的偏振狀態。對應於投影的圖形圖像中要以特定彩色分量照明的一個像素的像素元的作用是轉動落在像素元上的線偏振光的偏振狀態，轉動的大小對應於照明的程度。由特定的分量彩色偏振調製器440形成的空間選擇偏振調製的組分色光子光束反射回來，進入光束彩色分割/組合稜鏡組件436的相應的組分色子光束出射埠/入射埠438。3個組分色子光束通過稜鏡組件436回到它們的相應的路徑，並且作為組合的混合偏振的複合彩色光束從稜鏡組件的複合光束入口埠/出射埠437射出。
混合偏振組合的複合光從稜鏡組件436的複合光束入口埠/出射埠437開始大體上沿著複合光束入射/出射中心軸傳播，所說的中心軸大體上與偏振分束器470的暗像素偏振狀態的偏振光束軸473對齊。混合偏振組合的複合光束傳播進入偏振分束器470的一個面，分束器傳送的偏振照明光束434從偏振分束器470這裡離開。其偏振方向沒有由反射式偏振調製器440改變的混合偏振的複合光束的各個分量處在暗像素偏振狀態，因而可以通過偏振分束器470的多層介質偏振膜476並向燈402返回。其偏振由反射式偏振調製器440轉動的混合偏振的複合光束的各個分量在某種程度上處在亮像素偏振狀態，並且在這種程度上被偏振分束器470的多層介質偏振膜476反射。從偏振分束器的多層介質偏振膜476上反射的光大體上沿亮像素偏振狀態的偏振光束軸474的方向傳播，所說的偏振光束軸474大體上垂直於偏振分束器470的第二稜鏡472的一個面延伸。亮像素偏振狀態的光的光束大體上沿投影透鏡452的中心軸460的方向進入數字圖形投影顯示器400的投影透鏡452的入射埠450，所說的中心軸460與偏振分束器470的亮像素偏振狀態偏振光束軸474對齊。將一個偏振分析器濾波器454放在偏振分束器470和投影透鏡452的入射埠450之間，濾波器454的取向要能夠通過亮像素偏振狀態的線偏振光以改善亮-暗對比度。投影透鏡452向顯示屏456投影由離開光束彩色分割/組合稜鏡組件的複合光束的經過轉動的偏振分量攜帶的期望的複合光束以便觀看。如以下討論的，沿著投影透鏡452的中心軸460在非遠心位置定位一個投影透鏡孔徑光闌458，這個非遠心位置與偏振調製器440R、G、B的紅綠藍分偏振調製器表面441R、441G、441B的各個軸向位置結合在一起進行考慮，可以減小由投影透鏡452的橫向色差引起的彩色發散。
現在參照附圖2，確定照明光束接收軸477、暗像素偏振狀態的偏振光束軸473、亮像素偏振狀態的偏振光束軸474，它們從本發明的投影顯示器400的偏振調製器470的各個表面上大體上垂直地延伸出來。原色分割/組合稜鏡組件436包括一個紅組分色稜鏡478R，它的一個面包括紅組分子光束出射/入射埠438R；一個綠組分色稜鏡478G，它的一個面包括綠組分子光束出射/入射埠438G；一個藍組分色稜鏡478B，它的第一個面包括藍組分子光束出射/入射埠438B。紅、綠、藍組分色子光束出射/入射中心軸439R、G、B從原色分割/組合稜鏡組件436的相應的紅綠藍組分子光束出射/入射埠438R、G、B大體垂直地延伸。紅組分色反射式液晶偏振調製器440R定位在紅組分色子光束出射/入射埠438R的附近，紅組分色反射式液晶偏振調製器440R的取向大體上垂直於相應的紅組分色子光束出射/入射中心軸439R。綠組分色反射式液晶偏振調製器440G定位在綠組分子光束出射/入射埠438G的附近，綠組分色反射式液晶偏振調製器440G的取向大體上垂直於相應的綠組分色子光束出射/入射中心軸439G；並且，藍組分色反射式液晶偏振調製器440B定位在藍組分子光束出射/入射埠438B的附近，藍組分色反射式液晶偏振調製器440B的取向大體上垂直於相應的藍組分色子光束出射/入射中心軸439B。藍組分色稜鏡478B的第二個面包括原色分割/組合稜鏡組件436的複合光束入射/出射埠437。複合光束入射/出射中心軸從原色分割/組合稜鏡組件436的複合光束入射/出射光埠437大體垂直地延伸，與投影顯示器400的偏振分束器470的暗像素偏振狀態偏振光束軸473有效地可靠對齊。
投影顯示器400的投影光學裝置452有一個投影光學裝置入口光學埠450和一個投影光學裝置出口光學埠457。確定投影光學裝置中心軸406，使其通過投影光學裝置452的中心並且通過入口光學埠450和出口光學埠457的中心延伸。偏振分束器470的亮像素偏振狀態的偏振光束軸474與投影光學裝置452的投影光學裝置中心軸460彼此有效地對齊。對於紅、綠、藍組分色組中的每一個，確定組分色中心光路480R、G、B，使其與相應的組分色光的亮像素偏振狀態的線偏振子光束的中心軸重合，所說的線偏振子光束是從偏振調製器表面441R、G、B開始、大體上沿垂直於偏振調製器表面的相應的紅綠藍組分色子光束的出射/入射中心軸439R、G、B、並且通過光束彩色分割/組合稜鏡組件436、偏振分束器470、和投影光學裝置452進行反射的，這裡的亮像素偏振狀態線偏振子光束的中心軸480與投影光學裝置452的中心軸460大體上重合。如圖2所示，紅組分色中心光路480R在一個紅反射/綠透射的二色性反光鏡處跟蹤紅的亮像素偏振狀態的線偏振子光束的反射，所說二色性反光鏡定位在光束彩色分割/組合稜鏡組件436的紅組分色稜鏡478R和綠組分色稜鏡478G之間，所說的紅組分色中心光路480R還要在紅的組分色稜鏡478R的一個面上跟蹤紅的亮像偏振狀態的線偏振子光束的整個內部反射。藍色中心光路480B在一個藍反射/紅-綠透射的二色性反光鏡處跟蹤藍的亮像素偏振狀態的線偏振子光束的反射，所說二色性反光鏡定位在藍組分色稜鏡478B和紅組分色稜鏡478R之間，所說的藍組分色中心光路480B還要在藍的組分色稜鏡478B的第二個面上跟蹤藍的亮像偏振狀態的線偏振子光束的整個內部反射。紅、綠、藍組分色中心光路480R、G、B在通過偏振分束器470過程中是共線的，並且在偏振分束器的多層介質偏振膜476處跟蹤類似共線的亮像素偏振狀態的線偏振子光束的反射。為了方便測量，確定一個投影物體距離基準點462，即在投影光學裝置452的中心軸460和投影光學裝置的入口光學表面之間的交叉點，這一點是在3個中心光路480R、G、B上的沿所說光路彼此共線並且所說光路與投影光學裝置452的中心軸460共線的光路的長度的一個點。
對於投影顯示器400的投影光學裝置452進行設計，以提供在投影顯示器的顯示屏456上成像軸向位置彼此不同的紅、綠、藍色組分圖形的各個物面。具體來說，投影光學裝置452提供分開的物面，以便在顯示屏456上成像定位在不同軸向距離的紅、綠、藍組分色圖形，所說的軸向距離分別是沿相應的組分色中心光路480R、G、B測量的距投影物體距離基準點462的距離。沿組分色中心光路480R、G、B的這些軸向距離是從光路的方向的每一個變化分段測得的，所說的這一變化來源於相應的亮像素偏振狀態的線偏振子光束的反射。對於3個反射的組分色偏振調製器440R、G、B進行定位，以使每個組分色偏振調製器表面441R、G、B至少在用於成像相應組分色的圖形的物面的附近。在圖2中以誇大的方式表示出3個組分色偏振調製器表面441R、G、B的軸向位置之差。
投影顯示器400的投影光學裝置452是非遠心的。具體來說，投影光學裝置452包括一個投影光學裝置孔徑光闌458，孔徑光闌458沿著投影光學裝置的投影光學透鏡系統中心軸460定位在非遠心投影光學裝置孔徑光闌位置，這個孔徑光闌位置距投影光學裝置的焦點有一個軸向位移。通過在投影在投影顯示器400的顯示屏456上彩色圖形上的單個有代表性的複合彩色點486跟蹤組分色主要光線488R、G、B，在圖2中可以看見投影光學裝置452的非遠心性質，所說的複合彩色點486橫向偏離投影光學裝置452的中心軸460與顯示屏456相交的交叉點482。每個這樣的有代表性的組分色主要光線488R、G、B都是通過跟蹤相應組分色的亮像素偏振狀態的線偏振光的光線確定的，所說的線偏振光的光線從投影圖形上橫向偏移複合彩色點486開始、沿著彩色相關路徑、通過投影光學裝置452並通過投影光學裝置孔徑光闌458的中心、然後再通過偏振分束器470和光束彩色分割/組合稜鏡組件436、到達相應的組分色偏振調製器440R、G、B的偏振調製器表面441R、G、B，所說的彩色相關路徑表現出投影光學裝置452的色差，其中包括橫向色差色差。在進入投影光學裝置452的投影光學裝置出射埠457之前，在圖2中表示出有代表性的組分色主要光線488R、G、B，它是單個的共線光線。沒有表示出通過圖2的投影光學裝置452的內部的組分色主要光線488R、G、B。在射出了投影光學裝置入射埠450時，有代表性的組分色主要光線488R、G、B表示為相互隔開的3個平行光線，以表示在投影光學裝置452中的色差，其中包括由投影光學裝置452因橫向色差色差產生的3個組分色的橫向放大之差。因為投影光學裝置452的投影光學裝置孔徑光闌458的中心是非遠心孔徑光闌位置，所以通過投影光學裝置孔徑光闌458的中心的3個有代表性的組分色主要光線488G、R、B中的每一個都以某個非遠心交角與相應的組分原色偏振調製器440R、G、B的調製器表面441R、G、B相交，在交叉點相對於偏振調製器表面441R、G、B傾斜，如從圖2可以看到的。選擇投影光學裝置孔徑光闌458相對於投影光學裝置焦點沿投影光學裝置452的投影光學裝置中心軸460的位置，使得來自顯示屏456上複合彩色點的、並且從投影光學裝置452的中心軸460與顯示屏相交的交叉點482橫向偏移的、任何組分色主要光線，都從相應的組分色中心光路480R、G、B沿離開投影顯示裝置的光束彩色分割/組合稜鏡組件436的相應的組分色出射/入射光學埠438R、G、B的方向散開。在一般情況下，在顯示屏456上的複合彩色點距投影光學裝置452的中心軸460與顯示屏456相交的交叉點482的距離越大，則對應於複合彩色點的組分色主要光線與對應的組分原色偏振調製器440R、G、B的偏振調製器表面441R、G、B相交的非遠心交角越大。在本發明的投影顯示器400中對於來自在顯示屏456上的所選橫向偏差複合彩色測試點的組分色主要光線和相應的組分色中心光路480R、G、B之間的發散度、以及相應的組分色偏振調製器440R、G、B的偏振調製器表面441R、G、B的各個軸向位置進行選擇，以便對於投影光學裝置452產生的、來源於投影光學裝置的色差的、沿不同測試點組分色主要光線的橫向放大之差進行補償，由此對於整個組分色圖形上不同組分色的橫向放大之差進行至少部分補償。
圖3表示在一個假想的現有技術的第一投影顯示器中的由投影顯示器的投影透鏡的橫向色差引起的彩色發散度。圖3的假想的現有技術的第一投影顯示器使用了反射式的紅、綠、藍組分色的液晶偏振調製器(未示出)、偏振分束器(未示出)、光束彩色分割/組合稜鏡組件(未示出)、和常規的遠心投影透鏡(未示出)，它們的排列布局大體上類似於以上所述的美國專利No.5777789的投影顯示器。圖3表示的是現有技術的投影顯示器的分別為紅、綠、藍反射式液晶偏振調製器(未示出)的紅、綠、藍組分色偏振調製器表面500R、G、B的疊加的上半部分的簡化示意側視圖。對於紅、綠、藍組分色中的每一個，確定一個組分色中心光路502R、G、B，使其與從偏振調製器表面500R、G、B反射的、大體上沿偏振調製器表面的法線方向的、通過光束彩色分割/組合稜鏡組件(未示出)、偏振分束器(未示出)、和投影透鏡(未示出)的、相應組分色光的亮像素偏振狀態的線偏振子光束的中心軸重合，這裡亮像素偏振狀態的線偏振子光束的中心軸大體上與投影透鏡的中心軸重合。在圖3的假想的現有技術的第一投影顯示器中，3個偏振調製器表面500R、G、B定位在距一個任意基準點(未示出)有相同的軸向距離的位置，所說的這個任意基準點是沿相應的組分色中心光路502R、G、B的軸向測得的。所說的任意基準點定位在沿共線的光路中的一段的一個位置(例如在投影透鏡的入口表面)的3個組分色中心光路上。因此，雖然3個偏振調製器表面500R、G、B在假想的現有技術的第一投影顯示器中具有彼此不同的、由光束彩色分割/組合稜鏡組件的幾何條件決定的位置和取向，但為簡單起見，在圖3的示意側視圖中所示的偏振調製器表面是彼此疊加在一起的。每個反射式偏振調製器表面500R、G、B都包括多個單獨控制的、反射式的、安排成平面陣列形式的偏振調製器像素元(未示出)。使象素元的位置在偏振調製器表面500R、G、B上定位的反射式的平面陣列，以及在偏振調製器表面和相應的組分色中心光路之間的相應的交叉點，在幾何方面基本上是彼此疊合的。雖然在圖3中沒有具體說明，但如圖3所示的3個偏振調製器表面500R、G、B的疊加根據像素元幾何疊合原理應該理解為是一個像素元。
3個測試點組分色光線錐體504R、G、B對應於在顯示屏(未示出)上投影的圖形上的、藉助於圖3的假想的現有技術的第一投影顯示器的三個反射式偏振調製器產生的、單個橫向移動複合彩色測試點(未示出)。複合彩色測試點定位在從圖形的中心點開始發生了橫向移動的圖形的周邊上，在所述中心點投影透鏡的中心軸與顯示屏相交。例如，從投影的圖形的複合彩色測試點開始、沿著表現出投影透鏡的色差(包括橫向色差色差)的紅色關聯路徑、通過投影透鏡、偏振分束器、和光束彩色分割/組合稜鏡組件、到紅組分色偏振調製器(500R)，跟蹤所有的照明測試點的紅色亮像素偏振狀態的線偏振光，從而可以確定測試點紅組分色光線錐體504R。類似地，從投影的圖形的相同複合彩色測試點開始、沿著表現出投影透鏡的色差(包括橫向色差色差)的綠色關聯路徑、通過投影透鏡、偏振分束器、和光束彩色分割/組合稜鏡組件、到綠組分色偏振調製器的偏振調製器面500G，跟蹤所有的照明測試點的綠色亮像素偏振狀態的線偏振光，從而可以確定測試點綠組分色光線錐體504G。類似地，從投影的圖形的複合彩色測試點開始、沿著表現出投影透鏡的色差(包括橫向色差色差)的藍色關聯路徑、通過投影透鏡、偏振分束器、和光束彩色分割/組合稜鏡組件、到藍組分色偏振調製器的偏振調製器(500B)，跟蹤所有的照明測試點的綠色亮像素偏振狀態的線偏振光，從而可以確定測試點藍組分色光線錐體504B。
圖3的假想的現有技術的第一投影顯示器的3個測試點組分色光線錐體504R、G、B中的每一個都包括相對於投影顯示器的投影透鏡確定的測試點組分色主要光線506R、G、B。由於投影透鏡(未示出)是遠心的，所以透鏡有一個沿透鏡的中心軸在透鏡的焦點定位的投影透鏡孔徑光闌。通過從投影的圖形的複合彩色測試點開始、沿著表現出投影透鏡的色差(包括橫向色差色差)的彩色關聯路徑、通過投影透鏡並通過投影透鏡孔徑光闌的中心軸(即通過透鏡的焦點)、然後通過偏振分束器和光束彩色分割/組合稜鏡組件、到相應的組分色偏振調製器的偏振調製器表面500R、G、B，跟蹤這個組分色的亮像素偏振狀態的線偏振光線，從而可以確定每個測試點組分色主要光線506R、G、B。因為假想的現有技術的投影顯示器的投影透鏡是遠心的，所以在與相應的偏振調製器表面500R、G、B相交的交叉點的每個測試點組分色主要光線506R、G、B平行相應的組分色中心光路502R、G、B並且大體上垂直相應的偏振調製器表面500R、G、B地延伸。
由於在投影透鏡中存在橫向色差，所以由投影透鏡成像的複合彩色圖形的紅組分色的橫向放大係數不同於由投影透鏡成像的圖形的綠組分色的橫向放大係數，也不同於由投影透鏡成像的圖形的藍組分色的橫向放大係數。結果，紅、綠、藍測試點組分色光線錐體504R、G、B在圖3的疊加側視圖中不重合；相反，光線錐體504R、G、B與相應的偏振調製器表面500R、G、B相交的那些點的橫向偏差和中心軸502R、G、B與相應的偏振調製器表面500R、G、B相交的那些點是不同的(例如，如圖3所示，在高度上是不同的)。如果這樣的橫向偏差之差大於偏振調製器中的反射式偏振調製器像素元的中心-中心的距離，則在投影的圖形中單個有橫向偏移的複合彩色測試點可能由從對應於第一象素地址的紅組分色偏振調製器的一個像素元反射的紅光照明，也可能由從對應於第二個不同的象素地址的綠組分色偏振調製器的一個像素元反射的綠光照明，還可能由從對應於另一個第三個象素地址的藍組分色偏振調製器的一個像素元反射的藍光照明。這樣，在投影透鏡中的橫向色差色差可能在彩色數字圖形投影顯示器中產生明顯的彩色發散問題。
在一般情況下，除了橫向色差色差之外，一個光學系統還趨向於有第二種類型的色差，稱之為軸向彩色色差。光學系統的軸向彩色色差通過準直沿系統的中心軸入射在系統上的不同顏色的光束表現出來，準直的不同顏色的光束聚焦在軸向相互分開的各個中心軸的不同焦點上。在圖3的假想的現有技術的第一投影顯示器中，對於投影透鏡的光學裝置已經進行了彩色校正以充分補償軸向彩色色差，因此在藉助於定位在距任意基準點有相同軸向距離的對應的3個組分色偏振調製器表面500R、G、B產生的亮像素偏振狀態子光束中編碼的每個組分色圖形，當在投影顯示器的顯示屏上成像時，都得到了充分的聚焦。
現在參照附圖4，圖中表示假想的第二投影顯示器的投影透鏡中的橫向色差色差的效果，第二投影顯示器與圖3的假想的現有技術的第一投影顯示器的不同點在於，第二投影顯示器的投影透鏡(它是遠心的)沒有相對軸向彩色色差進行與第一投影顯示器的投影透鏡進行相同程度的彩色校正。具體來說，圖4的假想的第二投影顯示器投影透鏡提供軸向位置不同的紅、綠、藍組分色的物面。與圖3類似，圖4中表示一個簡化的示意側視圖，它是對應的紅、綠、藍反射式液晶偏振調製器(未示出)的紅、綠、藍組分色偏振調製器表面510R、G、B的上半部分。對於每個紅、綠、藍組分色，確定用於第二投影顯示器的組分色中心光路512R、G、B，就象以上討論過的確定用於圖3的第一投影顯示器的組分色中心光路502R、G、B一樣。圖4的假想的第二投影顯示器的投影透鏡(未示出)所提供的物面用於在顯示屏(未示出)上成像紅、綠、藍組分色圖形，紅、綠、藍組分色圖形定位在距一個任意基準點的不同的軸向距離，所說的軸向距離是分別沿對應的組分色中心光路512R、G、B的軸向測量的，所說的任意基準點定位在3個中心光路上的沿著一段共線的光路的一個位置。確定3個反射式組分色偏振調製器的位置，以使每個組分色偏振調製器表面510R、G、B與用於成像相應組分色的圖形的物面重合。
在圖4的假想的第二投影顯示器中，3個偏振調製器表面510R、G、B中的每一個的取向都與進入投影顯示器的光束彩色分割/組合稜鏡組件(未示出)的相應的組分色出射/入射埠的組分色中心光路512R、G、B垂直。因此，3個偏振調製器表面510R、G、B在投影顯示器中有不同的取向和位置。為簡單起見，圖4中所示側視圖中組分色偏振調製器表面510R、G、B的取向相互平行。圖4中表示的偏振調製器表面510R、G、B彼此軸向分隔開，以表示偏振調製器表面距任意基準點的軸向距離不同，所說的任意基準點是沿相應的組分色中心光路512R、G、B測量的。雖然在圖4沒有具體示出，但應該理解，如圖4所示的偏振調製器表面510R、G、B與3個偏振調製器表面的相應的像素元是軸向對齊的，所說的3個偏振調製器表面的相應的像素元沿平行組分色中心光路512R、G、B的方向的、如圖所示與偏振調製器表面垂直的軸在軸向對齊。
與圖3的假想的現有技術的第一投影顯示器的測試點組分色光線錐體504R、G、B類似，圖4的假想的第二投影顯示器的測試點組分色光線錐體514R、G、B對應於在第二投影顯示器的顯示屏(未示出)上投影圖形的周邊上的、藉助於投影顯示器的3個反射式偏振調製器產生的單個橫向偏移的組分色測試點(未示出)。具體來說，與以上所述的圖3的投影顯示器的測試點組分色光線錐體504R、G、B一樣，確定圖4的第二投影顯示器的3個測試點組分色光線錐體514R、G、B。類似地，圖4的假想的第二投影顯示器的3個測試點組分色光線錐體514R、G、B中的每一個包括與以上所述的圖3的第一投影顯示器的測試點組分色主要光線506R、G、B類似的、相對於投影顯示器的遠心投影透鏡確定的測試點組分色光線錐體516R、G、B。由於假想的第二投影顯示器的投影透鏡(未示出)是遠心的，所以在與相應的偏振調製器表面510R、G、B相交的交叉點的每個測試點組分色主要光線516R、G、B平行相應的組分色中心光路512R、G、B並且大體上垂直相應的偏振調製器表面510R、G、B地延伸。由於在投影透鏡中存在橫向色差，所以由投影透鏡成像的紅綠藍組分色圖形的橫向放大係數不同。結果，紅、綠、藍測試點組分色光線錐體514R、G、B和相應的偏振調製器表面510R、G、B相交的那些點的橫向偏移與中心軸512R、G、B和相應的偏振調製器相交的交叉點的橫向偏移是不同的。如果這樣的橫向偏差之差大於偏振調製器中的反射式偏振調製器像素元的中心-中心的距離，則在投影的圖形中單個有橫向偏移的複合彩色測試點可能由來自對應於3個不同的像素地址的3個組分色偏振調製器的組分色像素元反射的紅、綠、藍組分色照明。這樣，在圖4的假想的第二投影顯示器的投影透鏡中的橫向色差效應可能產生明顯的彩色發散。
圖5表示對於如圖1所示的本發明的投影顯示器400的實施例中投影光學裝置452的橫向色差效應的補償。與圖3和圖4類似，在圖5中表示一個簡化的示意側視圖，表示對應的紅、綠、藍反射式液晶偏振調製器440R、G、B(圖5中未示出)的紅、綠、藍組分色偏振調製器表面441R、G、B的上半部分。投影顯示器400的投影光學裝置452為在投影顯示器的顯示屏456上成像的紅、綠、藍組分色圖形提供具有不同軸向位置的物面。在一般情況下，與在一個顯示屏上成像所有3個紅、綠、藍組分色圖形提供單個物面因而可比擬的性質受到限制的投影光學裝置相比，這樣的多個物面的投影光學裝置趨於較簡單的設計和較少的生產成本。對於紅、綠、藍組分色中的每一個組分色，確定一個組分色中心光路480R、G、B，使其與相應的組分色光的亮像素偏振狀態的線偏振子光束的中心軸重合，所說組分色光的亮像素偏振狀態的線偏振子光束是從偏振調製器表面441R、G、B反射來的，大體上沿著偏振調製器表面的法線方向通過光束彩色分割/組合稜鏡組件436、偏振分束器470、和投影光學裝置452，在這裡亮像素偏振狀態的線偏振子光束與投影光學裝置452的中心軸460大體上重合。投影顯示器400的投影光學裝置452為在顯示屏456上成像紅綠藍組分色圖形提供分開的物面，它們定位在距投影物體距離基準點462的不同軸向距離，所說的軸向距離是分別沿相應的組分色中心光路480R、G、B的軸向確定的，所說物面軸向位置距離為測量方便起見被定義為在投影光學裝置452的中心軸460和投影光學裝置的入口光學表面之間的一個交叉點，它是在各個光路共線的一段光路上的在3個中心光路480R、G、B上的一個點。確定3個反射式組分原色偏振調製器440R、G、B的位置，因而每個組分色偏振調製器表面441R、G、B至少在用於成像相應的組分色圖形的物面的附近。
在圖5的投影顯示器400中，3個偏振調製器表面441R、G、B中的每一個的取向都垂直於進入投影顯示器的光束彩色分割/組合稜鏡組件436的相應的組分色出射/入射埠的相應的組分色中心光路480R、G、B。因此，在投影顯示器中，3個偏振調製器表面441R、G、B的取向和位置彼此不同，如從圖1中可看見的。與圖4的假想的第二投影顯示器的情況類似，在圖5的示意側視圖中，為簡單起見，所示的組分色偏振調製器表面441R、G、B的取向是相互平行的。在圖5中所示的組分色偏振調製器表面441R、G、B在軸向相互隔開，以表示偏振調製器表面距投影物體距離基準點462的軸向距離之差，所說的距離是沿相應的組分色中心光路480R、G、B測得的。每個反射式偏振調製器表面441R、G、B都包括多個排列成平面陣列形式的、單個可控的、反射式的、偏振調製器像素元(未示出)。在偏振調製器表面441R、G、B上定位像素元的對應的平面陣列，以及在偏振調製器表面和相應的組分色中心光路之間的對應的交叉點，在幾何上基本上是相互疊合的。雖然在圖5中沒有具體表示，但應該理解，如圖5所示的偏振調製器表面441R、G、B與3個偏振調製器表面的相應的像素元是軸向對齊的，所說3個偏振調製器表面的相應的像素元沿平行組分色中心光路480R、G、B並且與偏振調製器表面垂直的軸方向軸向對齊。
就圖3和圖4的假想的第一和第二投影顯示器的測試點組分色光線錐體504R、G、B和514R、G、B而論，圖5中的3個測試點組分色光線錐體524R、G、B對應於在顯示屏456上投影的複合彩色圖形周邊上的單個複合彩色測試點484(如圖1所示的)，所說的複合彩色測試點484距本發明的投影顯示器400的實施例的投影光學裝置452的交叉點482有一個橫向偏移。具體來說，通過從在投影圖形上的複合彩色測試點484開始、通過投影光學裝置452、偏振分束器470、和光束彩色分割/組合稜鏡組件436、並且到相應的組分色偏振調製器440R、G、B的偏振調製器表面441R、G、B、沿表現出投影光學裝置452的色差(其中包括橫向色差)的彩色相關路徑跟蹤對應的組分色的亮像素偏振狀態的線偏振光的所有光線，可以確定每個測試點組分色光線錐體524R、G、B。
投影顯示器400的投影光學裝置452是非遠心的，投影光學透鏡系統孔徑光闌458沿投影光學裝置的投影光學裝置中心軸定位在非遠心的投影光學裝置孔徑光闌位置，所說的孔徑光闌位置距投影光學裝置的焦點有一個軸向位移。投影顯示器400的3個測試點組分色光線錐體524R、G、B中的每一個都包括一個相對於投影顯示器的非遠心的投影光學裝置確定的測試點組分色主要光線526R、G、B。通過從在投影圖形上的複合彩色測試點484開始、通過投影光學裝置452並通過投影光學裝置孔徑光闌458的中心、並通過偏振分束器470、和光束彩色分割/組合稜鏡組件436、到達相應的組分色偏振調製器440R、G、B的偏振調製器表面441R、G、B、沿表現出投影光學裝置452的色差(其中包括橫向色差)的彩色相關路徑跟蹤對應的組分色的亮像素偏振狀態的線偏振光的光線，可以確定每個測試點組分色光線錐體526R、G、B。因為投影光學裝置452的投影光學裝置孔徑光闌458的中心是非遠心的孔徑光闌位置，所以通過投影光學裝置孔徑光闌458的中心的每個組分色測試點主要光線526R、G、B與相應的組分原色偏振調製器440R、G、B的偏振調製器表面子441R、G、B以一個非遠心交角相交，在交叉點相對於偏振調製器表面441R、G、B的法線是傾斜的，如從圖5中可以看到的。具體來說，選擇投影光學裝置孔徑光闌458沿投影光學裝置452的投影光學裝置中心軸460相對於投影光學裝置的焦點的位置，以使組分色測試點主要光線526R、G、B沿離開投影顯示器的光束彩色分割/組合稜鏡組件436的相應的組分色中心光路480R、G、B的方向從相應的組分色中心光路480R、G、B開始發散。因此，由於偏振調製器表面441R、G、B沿相應的組分色中心光路480R、G、B測量的距投影物體距離基準點462的軸向距離是增加的，所以相應的組分色測試點主要光線526R、G、B(以及相應的測試點組分色光線錐體534R、G、B本身)與偏振調製器表面441R、G、B相交的橫向偏差也隨之增加。這樣，如圖5所示，如果在選擇所說組分色的對應的偏振調製器表面441R、G、B的軸向位置過程中考慮到測試點組分色光線錐體524R、G、B的組分色測試點主要光線526R、G、B與組分色中心光路480R、G、B相交的非遠心交角，則可以對於非遠心投影光學裝置452進行設計，以補償由投影光學裝置452的橫向色差引起的不同彩色的組分色子光束的橫向放大係數之差。對於固定設計的投影光學裝置，移動組分色偏振調製器表面441R、G、B，使其離開由投影光學裝置452為所說組分色建立的相應的物面，從而使由偏振調製器表面441編碼的組分色圖形趨向於離開顯示屏456上的焦點。組分色測試點主要光線526R、G、B與偏振調製器表面441R、G、B相交的非遠心交角允許使用少量的散焦來調節在顯示屏456上的彩色會聚度。
現在參照附圖6，本發明的投影光學裝置透鏡組件652的一個實施例適於加入本發明的數字圖形的彩色投影顯示器中，如圖1的投影顯示器400。透鏡組件652有一個投影光入口光學埠650和一個投影光出口光學埠657。投影光學裝置中心軸660通過透鏡組件600的中心並從入口光學埠650和出口光學埠657開始軸向延伸。
可以通過投影光學裝置透鏡組件652在複合彩色圖形投影顯示圖像平面656中成像複合彩色圖形，所說投影顯示圖像平面垂直於透鏡組件652的投影光學裝置中心軸660，與投影光學裝置出口光學埠657隔開。透鏡組件652的投影光學裝置中心軸660在圖像平面中心軸交叉點682與複合彩色圖形投影顯示圖像平面656相交。
紅組分色投影顯示物面690R在與投影光學裝置入口光學埠650離開的一個位置垂直於投影光學裝置透鏡組件652的投影光學裝置中心軸660。類似地，綠組分色投影顯示物面690G和藍組分色投影顯示物面690B分別垂直於投影光學裝置透鏡組件652的投影光學裝置中心軸660。投影光學裝置中心軸660在紅組分色物面中心軸交叉點692R與紅組分色投影顯示物面690R相交。投影光學裝置中心軸660在綠組分色物面中心軸交叉點692G與綠組分色投影顯示物面690G相交，投影光學裝置中心軸660在藍組分色物面中心軸交叉點692B與藍組分色投影顯示物面690B相交。
投影光學裝置透鏡組件表現出既有軸向彩色效應又有橫向色差效應。如下面更加詳細地描述的，紅綠藍組分色投影顯示圖像平面690R、G、B中的每一個都有沿投影光學裝置中心軸660的不同的軸向位置。對於紅色光，投影光學裝置透鏡組件652適於按照投影方式向複合彩色圖形投影顯示圖像平面656上成像定位在紅組分色投影顯示物面690R內的紅組分色圖形。對於綠色光，投影光學裝置透鏡組件652適於按照投影方式向複合彩色圖形投影顯示圖像平面656上成像定位在綠組分色投影顯示物面690G內的綠組分色圖形。類似地，對於藍色光，投影光學裝置透鏡組件652適於按照投影方式向複合彩色圖形投影顯示圖像平面656上成像定位在藍組分色投影顯示物面690B內的藍組分色圖形。投影光學裝置透鏡組件652表現出的橫向色差在於對於不同的組分原色，測試複合彩色物體圖形的橫向放大係數不同，其中所說的測試複合彩色物體圖形相對於投影光學裝置中心軸660有一個橫向移動範圍，其中所說的測試複合彩色物體圖形沿中心軸660設置在測試物體位置並且由透鏡組件向複合彩色圖形投影顯示圖像平面656投影；而且，所說的透鏡組件652的散焦程度由於存在軸向彩色效應最多幾乎只有一個組分原色。
投影光學裝置透鏡組件652包括一個入口透鏡692，它定位在投影光學裝置入口光學埠650。入口透鏡693有一個入口光學表面694，面向入口光學埠650的外部。投影光學裝置中心軸660與入口透鏡693的入口光學表面694在物面距離基點662與入口透鏡693的入口光學表面694相交，所述的物面距離基點662用作測量透鏡組件652和紅綠藍組分色投影顯示物面690R、G、B物面軸向位置距離。
投影光學裝置透鏡組件652有一個投影光學裝置孔徑光闌658，孔徑光闌658沿投影光學裝置中心軸660定位在投影光學裝置孔徑光闌位置695。投影光學裝置孔徑光闌位置695是一個非遠心位置，對此位置進行選擇，以獲得某種傾斜的幾何條件來收集用於投影的離軸光，如以下所述。
複合彩色圖像測試點位置686定位在距圖像平面中心軸交叉點682有橫向偏移的複合彩色圖形投影顯示圖像平面656。相對於投影光學裝置透鏡組件652確定相應的測試點主要光線徑跡。主要光線徑跡的確定在光學設計中是常規的。例如，參見「光學」(第3版，EugeneHecht，(Addison-Wesley)1998)的173-175頁，在裡參考引用了這篇文獻。
紅組分色測試點主要光線徑跡作為紅光光線從在複合彩色圖形投影顯示圖像平面中發生了橫向偏移的複合彩色圖像測試點位置686開始、通過投影光學裝置透鏡組件652並通過投影光學裝置孔徑光闌658的中心點(與投影光學裝置中心軸660上的投影光學裝置孔徑光闌位置695重合)進入投影光學裝置出口光學埠657、並且離開投影光學裝置入口光學埠650以便與紅組分色投影顯示物面相交。紅組分色測試點主要光線徑跡688R跟蹤紅色相關路徑通過投影光學裝置透鏡組件652，透鏡組件652表現出透鏡組件的色差，其中包括橫向色差色差。用類似的方法確定綠組分色測試點主要光線徑跡688G和藍組分色測試點主要光線徑跡688B。綠組分色測試點主要光線徑跡688G跟蹤綠色相關路徑通過投影光學裝置透鏡組件652，藍組分色測試點主要光線徑跡688B跟蹤藍色相關路徑通過投影光學裝置透鏡組件652。分別由綠組分色測試點主要光線徑跡688G和藍組分色測試點主要光線徑跡688B跟蹤的彩色相關路徑表現出透鏡組件652的色差，其中包括橫向色差。在圖6中表示的是進入投影光學裝置透鏡組件652的投影光學裝置光出射埠657之前的紅、綠、藍組分色主要光線徑跡688R、G、B，這是單個共線光線。圖中所示的組分色主要光線688R、G、B沒有通過圖6中的透鏡組件652的內部。在離開投影光學裝置光入射埠650時，圖中所示的紅綠藍主要光線徑跡688R、G、B是彼此隔開的3根平行光線，代表在投影光學裝置透鏡組件652中的色差，其中包括3個組分色的源自透鏡組件652的橫向色差的橫向放大係數之差。
紅組分色測試點主要光線徑跡688R與紅組分色投影顯示物面690R在紅組分色物體測試點位置696R相交。綠組分色測試點主要光線徑跡688G與綠組分色投影顯示物面690G在綠組分色物體測試點位置696G相交。類似地，藍組分色測試點主要光線徑跡688B與藍組分色投影顯示物面690B在藍組分色物體測試點位置696B相交。紅、綠、藍組分色物體測試點位置696R、G、B中的每一個，相對於複合彩色圖形投影顯示圖像平面656中的複合彩色圖像測試點位置696R、G、B來說，在光學上對於相應的紅綠藍原色光線是共軛的。
紅、綠、藍組分色物體測試點位置696R、G、B中的每一個，都從相應的紅綠藍組分色投影顯示物面690R、G、B的物面中心軸交叉點692R、G、B開始發生橫向偏移。在圖6中用ΔR表示在紅組分色物體測試點位置696R和紅組分色物面中心軸交叉點692R之間的紅組分色物體測試點橫向偏移距離。類似地，用ΔB表示在藍組分色物體測試點位置696B和藍組分色物面中心軸交叉點692B之間的藍組分色物體測試點橫向偏移距離。綠組分色物體測試點橫向偏移距離ΔG是綠組分色物體測試點位置696G和綠組分色物面中心軸交叉點692G之間的距離。
如以上所述，投影光學裝置透鏡組件652的投影光學裝置孔徑光闌658的投影光學裝置孔徑光闌位置695是非遠心孔徑光闌位置。結果，如在圖6中重點表示的，紅、綠、藍組分色測試點主要光線徑跡以一個非遠心交角與相應的組分色投影顯示物面690R、G、B相交，在交叉點相對於物面的法線傾斜。對於沿3個紅綠藍組分色投影顯示物面690R、G、B的投影光學裝置中心軸660的對應的軸向位置進行選擇，以使當考慮到相應的組分色測試點主要光線688R、G、B與相應的組分色物面690R、G、B相交的非遠心交角並且考慮到組分色物面690R、G、B的軸向位置的時候，ΔR、ΔG、ΔB彼此大體上相等。對於使用數字圖形編碼的光束調製器板的特定的數字圖形投影顯示器中的應用，紅、綠、藍組分色物體測試點橫向移動距離ΔR、ΔG、ΔB彼此相等，並且將其限制在至少為光束調製器板的相鄰像素元的中心-中心的間距之內。由於投影光學裝置透鏡組件652存在色差效應，所以在透鏡組件652的入口透鏡693的入口光學表面694上的物面距離基點和相應的紅、綠、藍組分色投影顯示物面690R、G、B的對應的物面中心軸交叉點692R、G、B之間的物面軸向位置距離彼此不同，因而滿足了紅綠藍組分色測試點橫向移動距離ΔR、ΔG、ΔB大體相等的條件。
投影光學裝置透鏡組件652最好用在中數字圖形投影顯示器，數字圖形投影顯示器使用數字圖形編碼的光束調製器板分開調製紅、綠、藍光光束，然後組合所說的紅、綠、藍光光束以形成通過透鏡組件652投影在複合彩色圖形投影顯示圖像平面656上成像複合彩色圖形含複合彩色圖形的光束。對於透鏡組件進行設計，以便在透鏡組件692的入口光學埠650的物面距離基點692和相應的紅綠藍組分色投影顯示物面690R、G、B的對應的物面中心軸交叉點692R、G、B之間足夠大的組分色物面軸向位置距離，以便在入口光學埠650和數字圖形編碼的光束調製器板之間容納偏振分束器和用於在物面位置定位紅、綠、藍光束的光束彩色分割/組合元件，所說的光路在入口光學埠650和對應的光束調製器板之間分別延伸，通過偏振調製器和光束彩色分割/組合元件，有效地對應於相應的紅、綠、藍組分色物面軸向位置距離。以上結合圖1和圖2的投影顯示器的實施例討論了用於數字圖形投影顯示器的偏振分束器和光束彩色分割/組合元件的一種安排。期望適用於在數字圖形投影顯示器中的投影光學裝置透鏡組件652的偏振分束器和光束彩色分割/組合元件的另一種安排包括在授予Sampsell和Florence的美國專利No.6113239和授予Johnson和Sharp的美國專利No.6183091中公開的一種安排。
考慮本發明的投影顯示器的一個實施例，其中接收圖像錐體的稜鏡元件的F數為F/2.8。如果投影顯示器要在F/3.8操作，則可引入2.8度的一個主光線傾角，並且幾乎所有的光線都可能保留在稜鏡光學裝置的F/2.8的圖像錐體內。成像板軸向移動100微米，將可給出約5微米的主要光線的高度移動。這樣的高度移動可能是一個像素的一個很大的份額，在一般情況下期望這種高度移動能給出補償橫向色差的足夠大的自由度。在照明系統的設計中，還應考慮光瞳的所選位置。照明系統中的透鏡焦度和距離可能相對於具有遠心投影光學裝置的顯示器的透鏡焦度和距離進行變化，但這個變化不存在大的技術難題。
下面描述通常適用利用任選的設計軟體來設計用於本發明的投影顯示器的投影光學裝置的期望程序。
優化最佳成像的初始設計從一個指定的物體-顯示屏-到單個圖像平面-偏振調製器。通過包含一個中心(主要)光線角在標準功能中加上遠心條件。成像特徵是光點的大小。表徵在紅、綠、藍的3個中心波長的成像過程。
通常都留有橫向色差，即，在3種彩色中的圖像大小是不同的，不全滿足目標。然後，嘗試並確定初始的光瞳位置。如果接受所說的ΔZ的板位置變化，並且剩餘的橫向色差是Δh，則以弧度為單位的光瞳角近似等於θP＝Δh/ΔZ。在標準功能中，將這個光瞳角設定為目標，它與0角度不同。
在設計軟體中產生一個多配置系統。有3種配置，對於每種彩色具有不同的板位置，變量是最終的圖像距離。修改標準功能，以使每種彩色的圖像性質對應於它的配置。每種彩色的距離變化最初是ΔZ＝Δh/θP。
基於新的條件優化所說的系統。使圖像距離在每種配置中成為一個變量。使光瞳角在有限的範圍內改變。利用這些附加的變量，現在能夠得到具有良好成像性能的透鏡。
從所採納的透鏡設計，可以有一個有限的光瞳角。使用這個光瞳角作為照明系統的設計的限制條件。利用新投影透鏡的光瞳性質，可以重新設計照明系統。
不期望將本發明限制在上述的特定實施例。本發明的投影顯示器可以使用成像板，而不使用上述的反射式液晶偏振調製器，如透射式多晶矽液晶顯示器或反射式離散反光鏡裝置。應該認識到，在這裡描述的本發明中可以進行各種變化而不偏離本發明的範圍和教導，我們期望包括所有其它的與本發明一致的實施例、替換物、和改進方案。
權利要求
1.一種投影顯示器設備，用於向一個複合彩色圖像平面投影期望的複合彩色數字圖形以便觀看，投影顯示器包括非遠心的投影光學裝置，以建立傾斜的幾何結構來通過投影光學裝置收集用於投影的離軸光；投影光學裝置提供多個組分原色物面，分別用於不同原色的物體數字圖形通過投影光學裝置按投影方式顯示在複合彩色圖像平面；至少兩個組分原色物面定位在距投影光學裝置的不同有效軸向距離處；所說的距投影光學裝置的物面的有效軸向距離分別鍵控到投影光學裝置收集的離軸光的傾斜幾何位置以及由不同原色的投影光學裝置產生的橫向放大中的橫向彩色色差之差，因此在橫向放大中的這種顏色相關色差趨向於得到補償。
2.根據權利要求1所述的投影顯示器設備，其中投影光學裝置提供3個組分原色物面，分別用於紅、綠、藍的物體圖形。
3.根據權利要求2所述的投影顯示器設備，其中3個組分原色物面距投影光學裝置的有效軸向距離互不相同。
4.一種用於數字圖形彩色投影顯示器的投影光學裝置透鏡系統，所說的透鏡系統具有投影光學裝置光入射埠和投影光學裝置光出射埠；相對於投影光學裝置透鏡系統確定一個投影光學裝置中心軸，所說中心軸通過透鏡系統的中心並且從光入射埠和光出射埠沿軸向延伸；確定一個複合彩色圖形投影顯示圖像平面，使其大體上垂直於投影光學裝置中心軸延伸，沿投影光束出射傳播方向與投影光學裝置光出射埠隔離開；通過投影光學裝置中心軸與複合彩色圖形投影顯示圖像平面相交確定一個圖像平面中心軸交叉點；對於3個組分原色中的每一個，確定一個組分原色投影顯示物面，使其大體上垂直於投影光學裝置中心軸延伸，沿與投影光束入射傳播方向的相反方向與投影光學裝置光入射埠隔離開；通過投影光學裝置中心軸與對應的物面相交，分別對3個組分原色投影顯示物面中的每一個確定一個組分原色物面中心軸交叉點；對於3個組分原色中的每一個，投影光學裝置透鏡系統適於按投影方式向組分色圖形投影顯示圖像平面成像定位在相應的組分原色投影顯示物面內的組分原色圖形；投影光學裝置透鏡系統表現出橫向色差；投影光學裝置透鏡系統具有投影光學裝置孔徑光闌，孔徑光闌沿投影光學裝置中心軸定位在投影光學裝置孔徑光闌位置；投影光學裝置透鏡系統包括一個入口光學元件，入口光學元件具有定位在投影光學裝置入口光學埠的一個入口光學表面；投影光學裝置中心軸與投影光學裝置透鏡系統的入口光學表面相交，確定一個物面距離基點；分別對每個組分原色投影顯示物面確定一個組分原色物面軸向位置距離，它是從投影光學裝置透鏡系統的入口光學表面上的物面距離基點到相應的組分原色物面的物面中心軸交叉點測量的；在複合彩色圖形投影顯示圖像平面內確定一個複合彩色圖像測試點位置，這個位置距圖像平面中心軸交叉點有橫向位移；對於每一組分原色，分別確定組分原色測試點主要光線徑跡，作為對應的組分原色的光線，從複合彩色組分色圖形投影顯示圖像平面中的橫向偏移的複合彩色圖像測試點位置跟蹤進入投影光學裝置出口光學埠、通過投影光學裝置透鏡系統並通過投影光學裝置孔徑光闌的中心點、並離開投影光學裝置入口光學埠、從而與相應的組分原色投影顯示物面相交；3個組分原色測試點主要光線徑跡中的每一個分別跟蹤相應的組分原色關聯路徑，通過投影光學裝置透鏡系統，表現出透鏡系統的色差，其中包括在不同的組分原色的橫向放大的橫向彩色色差之差；在每個組分原色測試點主要光線徑跡和相應的組分原色投影顯示物面之間相交的交點確定了一個相應的組分原色物體測試點位置，這個組分原色物體測試點位置在光學上對於在複合彩色圖形投影顯示圖象面內的橫向偏移的複合彩組分色圖像測試點位置的相應的組分原色的光來說是共軛的；每個組分原色物體測試點位置都從相應的組分原色投影顯示物面的物面中心軸交叉點開始有一橫向偏移，以確定一個組分原色物體測試點橫向移動距離；投影光學裝置孔徑光闌的投影光學裝置孔徑光闌位置是非遠心孔徑光闌位置，因此每個組分原色測試點主要光線徑跡與相應的組分原色投影顯示物面以一個非遠心交角相交，相對於交叉點的物面的法線是傾斜的；3個組分原色投影顯示物面沿投影光學裝置中心軸具有對應的軸向位置，因此，如果考慮到相應的組分原色測試點主要光線徑跡與對應的組分原色物面相交的非遠心交角，並且考慮到色差包括對應的組分原色的橫向放大的橫向色差之差，則對於3個組分原色投影顯示物面的組分原色物體測試點橫向移動距離基本上彼此相等；3個組分原色投影顯示物面的對應的軸向位置是這樣的3個組分原色投影顯示物面中至少兩個的對應的組分原色物面軸向位置距離彼此不同，因此由投影光學裝置透鏡系統的橫向色差引起的不同組分原色光束的橫向放大係數之差趨向於至少部分地在由透鏡組件在複合彩色圖形投影顯示圖像平面內成像的整個複合彩色圖形上得以補償。
5.根據權利要求4所述的投影光學裝置透鏡系統，其中透鏡系統適於按投影方式成像組分原色物體圖形，所說的組分原色物體圖形的尺寸可容納在定位到組分原色投影顯示物面的大體上長方形的物體圖形場內，物體圖形場具有高度尺寸和寬度尺寸，在投影光學裝置透鏡系統的入口光學埠上的物面距離基點和相應的組分原色物面的物面中心軸交叉點之間的每個物面軸向位置距離至少是物體圖形場的高度尺寸和寬度尺寸中較小者數值的兩倍。
6.根據權利要求5所述的投影光學裝置透鏡系統，其中在複合彩色圖形投影顯示圖像平面上確定圖像圖形場，使其對應於組分原色投影顯示物面的物體圖形場的圖像，定位在複合彩色圖形投影顯示圖像平面上的複合彩色圖像測試點位置在圖像圖形場內靠近圖像圖形場周邊的位置定位組分色。
7.根據權利要求5所述的投影光學裝置透鏡系統，其中在與相應的組分原色投影顯示物面相交的交點，沿與投影光束入射傳播方向大致相反的方向跟蹤的每個組分原色測試點主要光線徑跡從投影光學裝置中心軸開始發散。
8.根據權利要求5所述的投影光學裝置透鏡系統，其中3個組分原色投影顯示物面的對應的組分原色物面軸向位置距離彼此不同。
全文摘要
補償數字彩色圖形投影顯示器(400)中橫向色差效應是通過為投影顯示器(400)提供投影光學裝置(4542、652)並且提供多個組分原色物面實現的，所說的投影光學裝置在某種程度上是非遠心的，因而可為通過投影光學裝置(452、652)投影收集離軸光建立傾斜的幾何結構，組分原色物面用於通過投影光學裝置(452)投影顯示不同原色的物體數字圖形。在距投影光學裝置(452、652)不同有效軸向距離的至少兩個組分原色物面(690R、G、B)分別鍵控到投影光學裝置(452、652)的收集的傾斜性質的離軸光和不同原色的投影光學裝置(452、462)產生的橫向放大係數的橫向色差之差，因此趨向於補償橫向放大係數的彩色相關之差。
文檔編號G02B27/00GK1608383SQ02825839
公開日2005年4月20日 申請日期2002年12月5日 優先權日2001年12月21日
發明者J·A·斯米祖 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司