CN100469149C - 具有低象散的投影系统 - Google Patents

Abstract

一种采用反射的LCD成像器单元的LCD投影系统一般使用一个或多个偏振分光镜，来分离从由一个或多个对应的成像器反射的入射到成像器上的光线。偏振分光镜引入象散到从成像器发出的图像光线中。根据本发明，偏振分光镜适于减小这种象散现象。

Description

具有低象散的投影系统

发明领域

本发明一般涉及用来显示信息的系统，具体来说，涉及反射的投影系统。

背景技术

光学成像系统通常包括一透射的或反射的成像器，也称之为光阀或光阀阵列，它将一图像强加在光束上。透射光阀通常是透明的而允许光通过。另一方面，反射光阀只反射输入光束的有选择的部分以形成一图像。反射光阀具有重要的优点，如控制线路可放置在反射表面的后面，且当基底材料不再受其不透明性的限制时，更先进的集成线路技术变得可被应用。通过采用反射的液晶微显示器作为成像器，新的可能会便宜和紧凑的液晶显示器(LCD)投影器结构将变成可能。

许多反射式LCD成像器转动入射光线的偏振。换句话说，偏振光或者被成像器反射，使其偏振状态基本上不修改地变为最暗的状态，或者，赋予一偏振转动的角度，以提供一要求的灰色级谱。一90°转动在这些系统中提供最亮的状态。因此，一偏振光束通常用作反射式LCD成像器的输入光束。一理想的紧凑结构包括一在偏振分光镜(PBS)与成像器之间的折叠的光路，其中，照明光束和从成像器反射出来的投射的图像享有在PBS与成像器之间的同样的物理空间。PBS从偏振转动的图像光线中分离出进入的光线。可使用单一的成像器来形成一单色图像或彩色图像。多成像器通常用来形成一彩色图像，其中，照明光线分裂成多个不同颜色的光束。一图像被强加在各个个别的光束上，然后，它们又组合起来形成一全色图像。

要求利用尽可能多的由光源产生的光线。在诸如弧光灯的光源产生广角的光线的情形下，利用低f值的光学器件可让更多的光线通过成像器系统。一称之为“偏振级联”并与传统的PBS有关的问题，将一下限放置在传统光学成像系统的照明光学装置的f值上。一用于投影系统的传统的PBS，有时称之为MacNeille偏光器，它使用一以布鲁斯特角放置的堆叠的无机的绝缘薄膜。具有s偏振的光线被反射，而处于p偏振状态的光线透射通过偏振器。然而，使用这些偏振器难于达到广角的特性，由于对于一对材料的布鲁斯特角的条件仅在一个入射角严格地得到满足。由于入射角从布鲁斯特偏转，所以形成一光谱的不均匀的泄漏。随着在薄膜堆叠上的入射角变得比布鲁斯特角更加法向，该泄漏尤其变得严重。此外，对与使用p和s偏振相关的折叠光路投影器形成鲜明对比的缺点。

由于投影系统内的光线通常以锥形投射，所以，大部分光线不是以布鲁斯特角完全地入射在偏振器上，导致光束的消偏振(depolarization)。消偏振量随着系统f值的减小而增加，并在其后的从彩色选择膜的反射中放大，例如，可在彩色分离棱镜中发现这种现象。可以认识到，消偏振级联(depolarizationcascade)的问题有效地限制了投影系统的f值，由此，限制光通过效率(lightthroughput efficiency)。

发明概要

仍然存在着对一种光学成像系统的需求，该光学成像系统包括真正广角的快速光学元件，该元件可允许以低的光学象差观看或显示高对比度的图像元件光学元件。

一般来说，本发明涉及一种在投影系统中减小象散的装置，尤其是适于在LCD投影系统中减小象散现象。具体来说，本发明基于一成像核心(imagingcore)，它包括在偏振分光镜中的象散的减小。根据本发明，提供一种光学器件包括：一具有一多层膜的偏振分光镜，一第一光路限定成通过用于第一偏振状态的光的偏振分光镜；至少一个成像器，它设置来将光线反射回到偏振分光镜，被至少一个成像器接受的部分光线偏振转动，偏振转动的光线沿一第二光路从成像器传播并通过偏振分光镜；以及，一象散补偿元件，它设置在第二光路上，以补偿由多层薄膜造成的在偏振转动光线中的象散，偏振分光镜包括一多层的偏振敏感、具有相当低折射率的反射薄膜，以及一具有相当高折射率的在所述偏振敏感反射薄膜的各侧上的盖。

根据本发明，提供一种偏振分光镜包括：一设置在两个盖之间的多层偏振敏感膜，一象散补偿元件设置在所述两个盖的相对的外表面之间，以减小由偏振膜引入的象散现象。

本发明的一个特定的实施例涉及一具有产生光线的光源的投影系统。一成像核心包括至少一第一反射成像器和一第一偏振分光镜，以在从光源接受的光线上强加上图像。第一偏振分光镜适于减小从反射成像器中反射的图像光线中的象散。一投影透镜系统从成像核心投射出象散减小的图像光线。

本发明的另一个实施例涉及一具有发光装置和成像核心装置的投影系统，所述成像核心装置将一图像强加在从发光装置接受的光线上。该成像核心装置包括至少第一成像器装置和用于偏振模式分光(polarization modebeamsplitting)的第一偏振分光镜装置。分光装置中的至少一个适于减小图像光线中的象散现象。一投影透镜单元从成像核心装置投射出象散减小的图像光线。

本发明的另一个实施例涉及一具有一设置在盖之间的多层偏振敏感膜的偏振分光镜。一象散减小元件设置在盖的相对的外表面之间，以减小由偏振膜引入的象散现象。

本发明的另一个实施例涉及一具有产生光线的光源的投影系统。一成像核心包括至少一第一反射成像器和一第一偏振分光镜，以在从光源接受的光线上强加上图像。第一偏振分光镜包括一设置在盖之间的多层偏振膜和减小象散元件，以减小由偏振膜引入的象散现象。一投影透镜系统投射从成像核心接受的图像光线。

以上本发明的概述并不意图描述各个举例的实施例或本发明的每个实施方法。下面的附图和详细的描述将具体地举例这些实施例。

附图简要说明

结合附图考虑下面对本发明的各种实施例的详细的描述，可以更完全地理解本发明，在诸附图中：

图1示意地示出一基于一单个反射成像器的投影单元的实施例；

图2示意地示出另一基于多个反射成像器的投影单元的实施例；

图3A和3B示出彩色棱镜相对于一偏振分光镜的不同的定向；

图4示意地示出根据本发明的一投影系统的一实施例；

图5示意地示出根据本发明的一投影系统的另一实施例；

图6示意地示出根据本发明的一彩色棱镜的一实施例；

图7示意地示出根据本发明的一彩色棱镜的另一实施例；

图8示意地示出根据本发明的一彩色棱镜的另一实施例；

图9示意地示出根据本发明的一具有一x立方彩色组合器的投射引擎(projection enjine)的一实施例；

图10A和10B示出根据本发明的实施例，x立方彩色组合器相对于偏振分光镜的不同的定向；

图11示意地示出根据本发明的一偏振分光镜的一实施例；

图12示意地示出根据本发明的一投射引擎的另一实施例；

图13示意地示出根据本发明的两个成像器投射引擎的一实施例；

图14示意地示出根据本发明的另一实施例的偏振分光镜的一实施例；

图15示意地示出根据本发明的一包含一楔形元件的偏振分光镜的一实施例；

图16示意地示出根据本发明的一实施例，采用至少一个减小象散的偏振分光镜的投影系统；

图17表示一对比图表，绘出对于用于本发明实施例中的多层薄膜偏振器的波长的对比；

图18示意地示出一两个成像器的投影系统，它采用根据本发明的一实施例的减小象散的偏振分光镜；以及

图19示意地示出另一投影系统，它采用根据本发明的一实施例的减小象散的偏振分光镜。

尽管本发明须服从各种改型和变体的形式，但其具体的细节已通过实例在附图中示出，并将在下面作详细的描述。然而，应该理解的是，本发明并不把本发明局限于所述的具体的实施例。相反，本发明涵盖落入由附后的权利要求书所定义的本发明的精神和范围内的所有的改型、等价物和变体。

具体实施方式

本发明适用于光学成像器，且特别适用于产生高质量、低象差、投射图像的低f值光学成像器系统。

这里采用的术语“光学成像器系统”是指包括为观看者产生一可观看的图像的各种光学系统，例如，它可用于正投和背投系统、投影显示器、头戴显示器、虚拟观察器、加盖显示器、光学计算系统、光学相关系统以及其它光学观察和显示系统。

克服消偏振级联问题的一种方法是使用一广角的笛卡儿偏振分光镜(PBS)，1999年5月17日提交的美国专利申请09/312，917介绍该偏振分光镜，本文援引该专利以供参考。一笛卡儿PBS是这样一种PBS，其中，分离光束的偏振是根据PBS膜的不变的、通常为正交的主轴线定位的。相反，对于非笛卡儿PBS，分离光束的偏振基本上取决于在PBS上的光束的入射角。

笛卡儿PBS的一实例是多层反射偏振分光镜(MRPB)薄膜，它由交替层的各向同性和双折射材料形成。如果薄膜的平面考虑为x-y平面，且沿z方向测量薄膜的厚度，则z方向折射率是双折射材料对于具有平行于z方向的电矢量的光线的折射率。同样地，x方向折射率是双折射材料对于具有平行于x方向的电矢量的光线的折射率，y方向折射率是双折射材料对于具有平行于y方向的电矢量的光线的折射率。双折射材料的x方向折射率基本上与各向同性材料的折射率相同，而双折射材料的y方向折射率不同于各向同性材料的y方向折射率。如果正确地选择层的厚度，则薄膜反射沿y方向偏振的可见光，并透射沿x方向偏振的光线。

一MRPB薄膜的实例是一匹配的z折射率偏振器(MZIP)薄膜，其中，双折射材料的z方向折射率基本上与双折射材料的x方向折射率或y方向折射率相同。MZIP薄膜已在美国专利5,882,774和5,962,114中作了介绍，本文已援引该两专利以供参考。如美国专利申请09/878，575中所述，具有增加寿命的改进型MZIP薄膜采用PET/COPET-PCTG作为交替层。

一采用一成像器的系统110的实施例示于图1中，并包括一光源112，例如，一弧光灯114，该弧光灯带有一反射器116以沿向前方向引导光线118。光源112也可以是固态光源，例如，发光二极管或激光光源。系统110还包括一笛卡儿PBS120。例如，一线栅格偏振器(wire grid polarizer)或一MRPB薄膜。沿平行于x轴线方向偏振的y偏振光由画圈的x表示。沿平行于x轴线方向偏振的x偏振光由表示偏振矢量的实心箭头表示。实线表示入射光线，而虚线表示从改变偏振状态的成像器126返回的光线。由光源112提供的光线在照明PBS120之前受光学调节装置122的控制。光学调节装置122将由光源112发出的光的特征改变到投影系统要求的特征。例如，光学调节装置122可变化光的发散性、光的偏振状态以及光谱。例如，光学调节装置122可包括一个或多个透镜、一个偏振转换器、一个预偏振器和/或一个去除不希望的紫外线或红外线的过滤镜。在某些实施例中，光学调节装置122可具有一低的f值，例如，等于或小于2.5，以便利用从光源112发出的大部分的光。

光的y偏振分量由PBS120反射到反射式成像器126上。成像器126的液晶模式可以是近晶的、向列的或某些其它合适型的反射式成像器。如果成像器是近晶的，则成像器126可以是一铁电液晶显示器(FLCD)。成像器126反射和调制具有x偏振的图像光束。反射的x偏振光透射通过PBS120，并由投影透镜系统128投射，该系统的设计通常考虑到透镜系统128与成像器之间的所有的分量，对各个特定光学系统进行优化。一控制器152连接到成像器126上，以便控制成像器126的操作。通常，控制器152致动成像器126的不同的像素，以形成一反射光线中的图像。

一投影系统200的另一实施例示于图2中。该系统利用一光源，例如一具有弧形反射器213的弧光灯211，它引导光线朝向照明装置215。在所示的实施例中，光学调节装置215包括一准直透镜217、一第一透镜阵列219、一第二透镜阵列221以及一聚光透镜227。在第二透镜阵列221与聚光透镜227之间，光学调节装置215可包括一光学偏振转换器223，例如是Geffkcken型设计的转换器。根据偏振转换器223的转换效率，可较佳地包括随从偏振转换器223的一任意的预偏振器(pre-polarizer)225。成对的透镜阵列219和221接受来自准直透镜217的名义上被准直的光。偏振转换器223和预偏振器225偏振入射在要求偏振状态的PBS250上的光线。将可以认识到的是：照明装置可包括多于或少于对此特定实施例所描述的元件光学元件。

透镜阵列219和221以及聚光透镜227的形状使光线均匀，以便均匀地照明反射式成像器226、228和230。PBS250再次引导y偏振光朝向三个反射式成像器226、228和230。PBS250通常包括一诸如MZIP的MRPB薄膜252，如图所示，它可自由直立地设置在诸板之间，或包围在棱镜254之间。板或棱镜254可由玻璃形成，并一起地可称之为用于MRPB薄膜252的盖。

在多成像器系统中，一彩色棱镜236将光线分离成与各成像器相关的分离的色带。对于所示的三成像器结构，彩色棱镜236通常将光线分离成主色带：红、绿和蓝。诸如物镜238、240和242的介入透镜(intervening lens)可插入在各成像器与彩色棱镜236之间，以进一步优化该系统的光学响应。根据特殊的图像信息，成像器226、228和230调制不同程度反射光线的偏振状态。然后，彩色棱镜再次组合红、绿和蓝图像，并将组合的图像光线传递到笛卡儿PBS250，它通过基本上仅x偏振光来分析图像的偏振状态。Y偏振光再次引导返回到光源212。通过PBS250的光线被投影透镜系统234收集，此后可聚焦在观看屏(未示出)上。一光学后偏振器(post-polarizer)244可插入在PBS250与投影透镜系统234之间。应该认识到：其它的光学结构也可和多个成像器一起使用。

在所示的实施例中，彩色棱镜236是一菲利普棱镜，它可由加利福尼亚州Santa Rosa市Optical Coatings Laboratory公司购得。为了清晰起见，彩色棱镜236表示为传统的定向，如图3A中立体图所示，第一和第二彩色选择表面的转动轴线258平行于笛卡儿PBS250的转动轴线256。一转动轴线是这样一轴线，即，一表面绕该轴线转动，以从其真正的位置移动到垂直于光线传播方向的一位置。尽管该介于诸彩色选择表面的转动轴线258与PBS的转动轴线256之间相对定向，对于传统型的偏振器是必要的，但一笛卡儿PBS250也允许彩色棱镜236绕光束的主轴线262转动，这样，第一和第二成像器226与230互相垂直定向，且名义上从PBS发出的s偏振光相对于彩色棱镜236的彩色选择表面是p偏振的。转动结构示于图3B的立体图中，其中，彩色选择表面的转动轴线258垂直于PBS250的转动轴线256。由David J.W.Aastuen和CharlesL.Bruzzone于2000年12月22日提交的题为“使用广角笛卡尔偏转分光镜和彩色分离和再组合棱镜的反射式LCD投影系统”的美国专利09/746，933描述了上述的转动结构，本文援引该专利以供参考。

在光学调节装置215具有2.5或小于2.5的f值的情形中，使用笛卡尔PBS120或250允许系统显示一在可见光范围内至少100:1的动态范围。此外，介于光学调节装置215与投影透镜系统234之间的元件可称之为一成像核心(imaging core)。该成像核心通常包括至少一个偏振分光镜和一个或多个成像器。如果采用一个以上成像器，则成像核心还可包括彩色分离和组合光学装置(color seperating andcombining optics)，例如一彩色棱镜、二色分色镜、x-立方等。成像核心不包括除设置在彩色分离元件与成像器之间的光学物镜之外的透镜。成像核心可以是远心的，其中，入射在成像器上的光锥在成像器表面上是恒定的。远心的成像器核心通常不包括物镜。

笛卡尔PBS250的一实施例是诸如包围在诸棱镜254之间的MZIP的MRPB薄膜252。为了尽可能减小由高强度光束引起的热致应力造成的双折射性(birefringence)，棱镜254较佳地由具有低应力-光学系数(low stress-opticcoefficient)的材料制成。为此目的，最合适的材料之一是牌号为SF57(Schott玻璃)或PBH55(Ohara玻璃)销售的玻璃。SF57和PBH55玻璃具有约为1.85的折射率。

MRPB薄膜的折射率通常小于周围的棱镜254的折射率。例如，MZIP薄膜的折射率近似为1.56，而其厚度通常大约为125μm。在组装PBS250过程中，使用约为50μm厚、匹配的折射率约为1.56的胶，将MRPB薄膜附连到棱镜面上。一特别适用于MRPB薄膜型的胶是由Norland公司制造的Norland61。PBS薄膜252和胶一起形成一入射板，其折射率约为1.56，厚度为225μm，与光线传播方向约成45°夹角。该在较高折射率的棱镜254内的相对低的折射率板将象散引入到图像光线(image light)中。象散对于已由成像器反射的光线是一问题。

一折射率为n的倾斜板在折射率为n’的介质中的象散由下式给出：

$\frac{t}{\sqrt{n^2-n^{,2}\sin }\mathrm{\θ}}\left[\frac{n^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}{n^2-n^{,2}\sin \mathrm{\θ}}\right]---\left(1\right)$

其中t是板的厚度，θ是光束中心光线与板之间的夹角。象散是由于光束通过的倾斜板材料的折射率不同于其周围的折射率，而造成弧矢光束和切向光束的位移不同的结果。

由于色散现象的缘故，值n和n’依赖于波长，因此象散值也依赖于波长。通常包括聚酯状薄膜和共聚物以及SF57玻璃的MZIP薄膜的折射率的波长依赖性分别由表I和II给出。

表I  MZIP折射率的波长依赖性

波长(nm)             折射率

435.8                1.5745

480                  1.5691

546.1                1.5634

589.6                1.5594

643.8                1.5562

表II  SF57折射率的波长依赖性

波长(nm)             折射率

435.8                1.8939

486.1            1.872

546              1.855

587.5            1.8466

656              1.8365

利用表达式(1)，由225μm厚薄膜在SF57玻璃棱镜中造成的象散，对不同的颜色计算求得：对红光(645nm)为169μm，对绿光(546nm)为181μm，对蓝光(480nm)为196μm。在许多情形中，对于绿光的象散可足以纠正，同时减小蓝光和红光部分的象散。在各色带的象散小于投影透镜系统的景深的地方，观察者将看到基本上无象散的图像。不必要求在所有波长上完全消除象散。当提供了一单一的象散值时，可以假定它是波长为约为546nm的绿光的象散值。在其它的方法中，可分离地纠正不同色带的象散。

由被相对高折射率的材料包围的相对低折射率的倾斜板引入的消除象散的第一方法在于：传播光线通过一第二倾斜板，该板的折射率低于其周围材料的，并倾斜于垂直于第一板轴线的一转动轴线。第二倾斜板可由任何合适的固体、液体或气体材料形成。如果第二板在折射率和厚度上与第一板相同，则它应与第一板相同的角度倾斜，以便最大程度地减小象散。如果第二板不同于第一板，则由第二板引入的象散的量级较佳地与由第一板引入的象散相同，以便完全地消除象散。这要求选择板的角度和厚度以及第二板与其周围物之间的折射率的差。在下面讨论的设计中，球差和慧差足够小，以致在实际用途中可被忽略。然而，在一光学系统中除了对象散进行补偿之外，可要求对球差和慧差的补偿。由于引入象散的补偿可增加其它的色差，所以，最好局部地补偿象散，以在色差中达到平衡。

由比其周围材料相对低的折射率的第一倾斜板引入的消除象散的第二方法在于：引入一第二倾斜板，该板的折射率高于周围材料的。第二倾斜板可由固体、液体或气体材料形成。第二倾斜板通常倾斜于平行于第一板的转动轴线的一转动轴线。这要求选择板的厚度、折射率和倾斜角，以便提供对象散的补偿。下面将讨论使用该方法来消除象散的特定的实施例。

这里所讨论的减小象散的方法适用于具有大范围f值的投影系统，并被认为对于具有低f值的投影系统特别显示出优点。这里讨论的方法可用来减小象散或大致地纠正象散。在许多情形中，象散不需完全地消除，但只需减小到小于投影透镜系统的景深的一值。景深通常随f值而增加，于是，象散的纠正对于低f值的投影系统变得越来越重要。术语“大致地纠正”是指将象散减小到小于正在使用的投影透镜系统的景深的一值。

尽管这里讨论的是涉及减小在MRPB PBS中发生的象散，但应该认识到，下面所讨论的减小象散的方法也适用于减小在一投影系统的其它元件中发生的象散。

可根据彩色棱镜的适配来引入象散的减小。再参照图3A和3B，一般来说，当转动轴线258垂直于转动轴线256时，采用比其周围为相对低折射率的板来将象散纠正引入到彩色棱镜236中。相反，当彩色选择表面的转动轴线258平行于PBS的转动轴线256时，采用比其周围物体为相对高折射率的板来将象散纠正引入到彩色棱镜中。

首先我们讨论本发明的一特定的实施例，它使用具有一相当低折射率的第二倾斜板。可提供彩色棱镜236的不同的设计，其中几个设计包括用来将光分离成两个或多个色带的三个或四个棱镜。通常一个彩色棱镜236将光分离成其红、绿和蓝三个分量。在如图4所示的菲利普棱镜结构中，彩色棱镜400由三个棱镜402、404和406形成。进入第一棱镜402的光线410入射在第一过滤镜412上，它反射在第一色带中的光，并透射在第二和第三色带中的光。在第一色带414内的光线是在输入表面416处全内反射到第一棱镜，并由于在输入表面416与PBS450之间存在一空气间隙417，故引向第一成像器426。

透射到第二棱镜404内的光线入射到第二过滤镜418上，它反射在第二色带内的光线420，并透射在第三色带内的光线424。被第二过滤镜418反射的光线420在间隙422处(通常是一空气间隙)在第一与第二棱镜402与404之间全内反射，并引向第二成像器428。透射通过第二过滤镜418的光线424引导通过第三棱镜406到第三成像器430。

通常地，第一色带是蓝的，第二色带是红的，和第三色带是绿的。然而，这并不需要一定这样的情形，不同的色带可以具有不同的颜色。

在第一与第二棱镜402和404之间的间隙422在传统上保持很小尺寸，通常在10μm至25μm范围内，对于第二色带它足以允许发生全内反射。然而，间隙422可在尺寸上加大，以提供象散补偿，并将在下面的实例中作进一步讨论。

实例1

彩色棱镜400由低的双折射玻璃PBH55形成，它具有1.85的折射率。中心光线入射到空气间隙422上的角度是21°。第一色带是蓝的，第二色带是红的，和第三色带是绿的。彩色棱镜400位于相对于PBS450的转动位置内，这样，来自PBS450名义上经s-偏振的光是在彩色棱镜400内的p-偏振光。

调整空气间隙尺寸，以补偿181μm的象散值。在调整前，PBS/彩色棱镜组件用于投影系统，它将一水平线和垂直线的图形投射到一屏幕上。可以聚焦在水平线上或垂直线上，但不同时聚焦在两根线上。例如，如果水平线聚焦在离投影透镜178cm的距离处，则垂直线聚焦在105cm处，焦距之比为1.7:1。如果采用最佳的同时聚焦，则两组线变得非常模糊。

为了调整间隙422，第一和第二棱镜402和404分离，然后，使用由加利福尼亚州Palo Alto市Duke Scientific Corp公司制造的单一大小微球体规格的标准珠子(Monosized Microsphere Size Standard Beads)作为间隔体，重新组合成100μm的空气间隙422。珠子的直径为100μm。

在重新组合成100μm间隙422之后，对于红光和绿光再次测量系统的象散。垂直线聚焦在135cm处，而水平线聚焦在178cm处，焦距之比为1.32:1。此外，当焦点得到优化时，诸线定性的外形比间隙422为10μm的情形得到显著地改进。

通过用140μm间隔的珠子取代100μm的间隔珠子(也由Duke Scientific公司制造)，将间隙422调整到140μm。当对象散测试时，难于量化垂直线和水平线的焦点之间的差。弧矢光线似乎聚焦在离投影器160cm和170cm之间，焦比小于1.1:1。当重聚焦以提供最佳的全聚焦(overall focus)时，对于垂直线和水平线没有明显的模糊现象。

应该认识到：调整空气间隙422不影响第一色带内的光线414的象散。进行定性的试验来确定单独纠正红和绿象散是否导致一可接受的图像。兰、红和绿图像小心地对齐，可观察到不同对比度的图像。可以确定：模糊的蓝色只有通过小心地检查在暗的背景下的白线才可辨别出，但在亮的背景下不能注意到暗线。这就指出：减小蓝象散可以没有如减小绿和红象散那么重要。其中可能的原因在于，在人眼中的蓝色感受体的密度少于绿色和红色感受体的密度，于是，蓝色图像的正常分辨率小于绿色或红色图像的分辨率。

然而，使用如图5所示的方法可纠正对于第一色带的象散，图5示出一类似于如图4所示的彩色棱镜，例外的是第一棱镜402由两部分402a和402b形成，且其间夹有一空气间隙502。出于制造的原因，要求在棱镜402b的锐角端部做成钝角的末端504。较佳地，间隙502的尺寸和位置应做成：空气间隙502不阻挡光线410从PBS450进入彩色棱镜400。再者，间隙502的尺寸和位置应做成：间隙502不在第一色带的光414的光路上，直到光线414已全内反射出输入面416。利用上述表达式(1)，空气间隙502应大约为0.875mm的宽度，角度约为32.25°，以便补偿196μm的象散，而对其它间隙422纠正的象散可以是不同的值。尽管此颇大的分离可包括其它的色散，但可使用引入较小色散的较小的间隙，以便局部地补偿象散。本技术领域内的技术人员将会认识到，可通过计算机上的光学模拟或通过试用经验数据来优化图像。

应该认识到：空气间隙422和502只是这样的实例，即，低的折射率材料片层(空气)被较高折射率材料(例如，棱镜玻璃)包围。间隙422和502可不需只用空气填充，但由于空气对于棱镜材料给出大的折射率差，所以，空气是十分有效的。间隙422和502也可用除空气之外的相当低的折射率的其它材料填充。然而，应该理解的是：例如，即使当间隙422不填充空气时，在第二棱镜404与间隙422之间的折射率差也应足以保持光线420的全内反射。同样地，下面将讨论的其它的间隙不需要填充空气，但仅需要填充比包围间隙的材料的折射率低的材料。

现将参照图6来描述纠正象散的另一方法。在该实施例中，一楔形棱镜662设置在彩色棱镜600与PBS650之间，在楔形棱镜662和彩色棱镜600之间有一间隙664。已知为修改的菲利普棱镜的彩色棱镜600由第一、第二和第三棱镜602、604和606形成，在第一和第二棱镜602和604之间有一全内反射的间隙622。在所示的实施例中，第三棱镜606也包括一全内反射表面656。这并不一定是这情形，第三棱镜606的形成可使用不包括一全内反射表面的几何形。

在传统的楔形棱镜系统中，楔形棱镜662与第一棱镜602之间的空气间隙664之大，只足以允许在第一棱镜602内反射的第一色带的光614的全内反射。然而，在楔形棱镜662与第一冷静602之间的空气间隙664可选择具有一较大的宽度，以便基本上减小和纠正在PBS650内产生的象散。间隙664的宽度可根据表达式(1)进行选择。

例如，当PBS650的象散为181μm，且楔形棱镜662的楔形角为10°时，表达式(1)得出，象散可由约2.104mm的空气间隙664进行纠正。

应该认识到的是：尽管参照图4—6将低折射率板描述为一空气间隙，但也可使用具有低折射率的其它材料，例如低折射率的聚合物薄膜。此外，可使用在彩色棱镜的棱镜之间的诸间隙以及彩色棱镜与楔形棱镜之间的一间隙的组合来补偿象散。还应该认识到：象散的减小还可在除上述例举的例子之外的其它彩色棱镜的不同的实施例中实施。

纠正上述引入的在PBS内的象散的第二种方法是引入一相当高折射率的平面，它倾斜于与PBS偏振器薄膜的倾斜轴线平行的一轴线。该方法适用于不相对于PBS转动的彩色棱镜的情形，因此，来自PBS名义上被s-偏振了的光也是在彩色棱镜内名义上被s-偏振了。

该方法的一特定的实施例示于图7中，它示出由第一、第二和第三棱镜702、704和706形成的一彩色棱镜700。一由透明材料形成的高折射率板760设置在第一棱镜702的输出薄膜上，透明材料的折射率大于第一和第二棱镜702和704的折射率。一通常约为10μm宽的空气间隙722设置在高折射率板760与第二棱镜704之间，这样，第二色带内的光线在第二棱镜704内朝向输出面727进行内部反射。

在第一过滤镜712设置在高折射率板760的第二表面762上的情形中，第一色带714内的光线在离开第一棱镜702之前两次通过高折射率板，而第二色带内的光线720和第三色带内的光线724在离开第二和第三棱镜704和706之前仅一次通过高折射率板760。因此，第一色带内的光线经历与第二和第三色带不同的象散纠正量。如上所述，由于蓝光的象散对于观察者对图像的感受不比绿或红光那么重要，所以，在第一色带是蓝光时，该实施例可提供足够的象散补偿。

如图所示，当第一过滤镜712放置在第一棱镜的输出表面703上时，在第一色带内的光线714不通过高折射率板760，于是，在第一色带内的光线714没经历象散的纠正。如上所述，当在第一色带内的光线714是蓝光时，只有对于绿和红光的象散纠正才对观察提供足够的纠正。

在另一实施例中，如图8所示，第一棱镜702可分裂成两个部分702a和702b。第二高折射率板862可定位在棱镜部分702a与702b之间，其厚度、定向角和折射率应选择为减小在第一色带内的象散。对于位于第一棱镜部分702a与高折射率板760之间的过滤镜712，本实施例显得尤其有用。因此，彩色棱镜800可对所有三个色带提供纠正。

象散纠正也可在一X立方分光镜(X-cube beamsplitter)/组合器中实施。采用X立方分光镜和组合器的一投射引擎900的实施例局部地示于图9中。由光源(未示出)发出的光线902入射在一X立方分光镜904上，它将光线902分离成三个色带。在第一色带内的光线906透射通过X立方分光镜904到第一反射器908上，而在第二色带内的光线910由X立方分光镜904反射到朝向第二反射器912的图形平面内。在第三色带内的光线914沿着走出图形平面朝向第三反射器的方向反射。为了清楚起见，用于在第三色带上操作的光学元件未示于图形中。在使用三个PBS的投射引擎900中可减小背焦长度(back focallenth)，因此，允许使用一简化的投影透镜系统。此外，可减小广视角所要求的投影透镜系统的重量。

第一和第二反射器908和912分别反射在第一和第二色带内的光朝向第一和第二偏振分光镜916和918。例如，第一和第二反射器可以是平面镜、多层镜或金属镜，或可以是反射偏振器，其定向成反射在要求的偏振状态的光线朝向第一和第二偏振分光镜916和918。

在第一色带906内的光线由具有一MPBR薄膜917的第一PBS916朝向第一反射成像器920反射，该成像器反射第一色带内的光线906并转动光线906的波前的选定的部分的偏振，以形成透射通过第一PBS916到X立方组合器924的第一色带内的光线的成像光束922。同样地，在第二色带内的光线910由第二PBS918朝向第二反射成像器926反射。第二反射成像器926产生在第二色带内的光线的成像光束928，它透射通过第二PBS918朝向X立方组合器924。

应该认识到：投射引擎900还包括一第三反射器(未示出)、一第三PBS(未示出)和一第三成像器(未示出)，以形成沿从一走出图形平面的方向朝向X立方组合器924的第三色带内的光线的成像光束930。三个成像光束922、928和930在X立方组合器内组合，以形成一三色图像光束932，它通常借助于一组投射光学装置投射到一屏幕上。

X立方组合器924的更为详细的图示于图10A中，图中示出一通过成像光束922、928和930的平面内的X立方组合器的截面图。X立方组合器924由四个具有不同反射涂层的直角棱镜1002、1004、1006和1008组合而成，例如，介于棱镜1002—1008的某些交界面之间的多层绝缘反射涂层。涂层1010和1012反射在第二色带内的成像光束928，而涂层1014和1016反射在第三色带内的成像光束930。

两个板1020和1022插入到X立方组合器924中的一定位置上，这样，除了第一成像光束922的小的中心部分之外，在各成像光束922、928和930中的光线通过板1020或1022中的一个仅有一次。在所示的实施例中，第一板1020设置在第四棱镜1008与第一棱镜1002之间，而第二板1022设置在第一棱镜1002与第二棱镜1004之间。

在如图9和10A所示的实施例中，MPBR薄膜917的转动轴线和板1020和1022的转动轴线垂直。因此，选择板1020和1022的折射率小于棱镜1002—1008的折射率。例如，诸棱镜可由SF57玻璃形成，而板1020和1022由低折射率玻璃，例如具有1.517的折射率的BK7形成。板1020和1022的厚度较佳地选择成至少部分地补偿在PBS内形成的象散。例如，当象散为181μm时，棱镜1002—1008由SF57玻璃形成，而板1020和1022由BK7形成，当板厚度为150μm时，纠正象散。假定在X立方组合器924内的入射角是45°。

具有宽度d1的第一成像光束922的中心部分不令有单一的光通过板1020和1022中任一个的全厚度，于是，不能为象散作出纠正。通常，中心部分区域相对于光束922的通光孔径为较小，于是，不能对象散进行纠正的光量较小，是总输出光量的百分之几。中心部分对象散可不作纠正，或者，例如可使用黑漆进行阻塞，形成小于5％的功率损失。如果光束922包含对观察者眼睛内产生较小象散效应(例如蓝光)的色带的光线，则可减小不纠正光束922的中心部分的总体效应。

X立方组合器1050的另一实施例示于图10B中。一个色带的光线1070进入PBS1054并反射到成像器1072，它转动光线1070的某些部分的偏振以形成图像光线1074。图像光线1074透射通过PBS1054到X立方组合器1050。一个或多个色带的图像光线1076引导到X立方组合器1050，并与图像光线1074组合。

在该实施例中，在PBS1054内的MPBR薄膜1052的转动轴线平行于板1056和1058的转动轴线。因此，选择板1056和1058的折射率大于形成X立方组合器的棱镜1060—1066的折射率。

对于X立方组合器1050的玻璃选择不限于高折射率玻璃，于是，组合器1050可由更普通型玻璃，例如BK7来形成。如果由PBS1054引入的象散大约为181μm，则需要达到象散纠正的板1056和1058的厚度，经计算大致为1.1mm，其中，板1056和1058由PBH71玻璃形成，而棱镜1060—1066由BK7形成。

一利用相对高折射率材料的板的投影系统内象散纠正的另一特定实施例示于图11，该实施例包括在PBS1100内相对高折射率材料的板。

PBS1100由带有两层的两个棱镜1102和1104形成，一MRPB/粘结剂层1106和一高折射率层1108夹在棱镜1102与1104之间。高折射率层1108的折射率n₂高于棱镜1102和1104的折射率n₀。当MRPB/粘结剂层的折射率给定为n₁时，保持下列的关系：n₂>n₀>n₁。选择高折射率层1108的厚度d₂，以使由高折射率层1108引入的象散减小由MRPB/粘结剂层1106引起的象散。例如，当棱镜1102和1104由具有折射率为1.85的PBH55玻璃形成，且厚度为225μm的MRPB/粘结剂层1106具有1.56的折射率时，象散为181μm。该象散的值可使用3.8mm厚、1.92折射率的PBH71玻璃层作为高折射率层1108进行补偿。应该认识到，可使用一粘结剂层来将高折射率层附连到棱镜上：为简化起见，这里已忽略这样一粘结剂的效应。在PBS1100内的色散可导致色移位效应(color shifteffect)，其中，在一种颜色中的光横贯图像相对于另一波长的光平移。可使用一跟从第一PBS的第二PBS来减小色移位效应，其中，第二PBS定向成透射图像光线，以提供一对第一PBS1100内引起的色移位进行补偿的色移位。

PBS1100可用于只有一个成像器且没有彩色棱镜存在的情形中。使用仅一个单一的成像器的优点之一在于，不需如在多成像器的投射引擎中的情形那样，由一个成像器形成的图像在由另一成像器形成的图像上去对齐。另一优点在于，由于不要求彩色分离器/组合器，例如，彩色棱镜、x-棱镜等，可减小引擎的后焦距，于是，可使用低f值，例如，低至f/1.8或更低的投影透镜系统。

通常地，单一板成像器与某些类型的选色方案一起操作，例如，一彩色转盘或快速可调彩色过滤镜。因此，包含在三个色带其中一个内、仅大约为三分之一的入射到成像器上的光线被用于任何一时间，于是，在一单一的板引擎内比在三个板引擎甚至更要求高的光效率。采用f/1.8的f值，系统etendue是具有f/3.0的f值的一引擎的2.7倍，于是，在低f值，引擎的总的光透射量得到提高。此外，投射引擎的相干长度在第f值减小，导致低的小斑点。

一多成像器投影系统1600的实施例示意地显示在图16中，其中，通过提供PBS本身内的象散补偿来实现象散的减小。光线1602从一光源1604发出。光源1604可以是一弧光的或灯丝的灯，或用来产生适于投射图像的光线的任何其它合适的光源。光源1604可被一反射器1606，例如一椭圆形反射器(未示出)、一抛物线反射器，或诸如此类的反射器所包围，以便增加引导朝向投射引擎的光量。

光1602通常在分裂成不同色带之前进行处理。例如，光1602可通过一可选择的再偏振器1608，这样，只有要求偏振的光被引导朝向投射引擎。预偏振器可呈反射式偏振器的形式，这样，处于不希望偏振状态的反射光被再次引导到光源1604以作再循环。光1602也可以是均匀的，这样，在投射引擎内的成像器被均匀地照明。一种使光线1602均匀化的方法是使光线1602通过一反射管道(reflecting tunnel)1610，但是应该认识到，也可采用使光线均匀化的其它诸种方法。

在所示的实施例中，均匀的光线1612通过一第一透镜1614以减小发散角。然后，光线1612入射到一第一彩色分离器1616上，该第一彩色分离器1616例如可以是一绝缘的薄膜过滤器。第一彩色分离器1616在第一色带中从余下的光线1620中分离出光线1618。在第一色带内的光线1618可通过一第二透镜1622和供选择的一第三透镜1623，以控制入射在第一PBS1624上的第一色带内的光线1618的发散。光线1618从第一PBS1624通过到一第一成像器1626。该成像器反射处于偏振状态的图像光线1628，它透射通过PBS1624到一X立方彩色组合器1630。PBS1624可对反射的图像光线提供象散补偿。例如，PBS1624可类似于参照图11进行描述的PBS1100。成像器1626可包括一个或多个补偿元件，例如，一阻滞器元件，以提供附加的偏振转动，并因此使图像光线中对比度最大。

余下的光线1620可通过一第三透镜1632。然后，余下的光线1620入射到一第二彩色分离器1634上，例如，一薄膜过滤器，或诸如此类的分离器，以形成在一第二色带内的光束1636以及在一第三色带内的光束1638。在第二色带内的光束1636通过一第二PBS1642引导到一第二成像器1640。第二PBS1642可对第二色带内的光提供象散补偿。第二成像器1640引导第二色带内的图像光线1644到x立方彩色组合器1630。

在第三色带内的光线1638通过一第三PBS1648引导到一第三成像器1646。第三PBS1648可对第三色带内的光线提供象散补偿。第三成像器1646引导第二色带内的图像光线1650到x立方彩色组合器1630。

在第一、第二和第三色带内的图像光线1628、1644和1650组合在x立方彩色组合器1630内，并作为一全色图像光束引导到投射光学装置1652。偏振转动光学装置1654，例如半波阻滞板等可设置在PBS1624、1642和1648及x立方彩色组合器1630之间，以控制组合在x立方彩色组合器1630内的光线的偏振。在所示的实施例中，诸偏振转动光学装置1654分别设置在x立方彩色组合器1630与第一PBS的1624之间和与第三PBS的1648之间。

应该认识到，可采用所示实施例的各种变体。例如，不是将光线反射到成像器，然后透射图像光线，PBS可透射光线到成像器，然后反射图像光线。

投影系统的若干个优点示于图16中。一个优点来自于这样的事实：多层薄膜PBS可呈广角笛卡尔分光镜的形式，而不是如McNeille偏振器。因此，多层薄膜PBS允许使用快速照明光学装置，例如，具有一2.5的f值或不到2.5，于是可增加投影系统的总体效率。另一个优点来自于这样的事实：多层薄膜PBS各对其对应的色带可进行优化，于是在各色带内的图像光的偏振对比度较高。其结果，投影系统可无后偏振器进行操作。此外，可仅使用一单一的预偏振器来覆盖所有的色带，而不是对每一色带使用一单独的预偏振器。该实施例的另一优点在于：多层薄膜PBS对于角度对齐相当敏感，于是系统的投影系统1600更易于对齐。

此外，因为PBS对于各自的色带可进行优化，所以，在暗的状态中很少有泄漏，于是，可提高图像的对比度。一示出作为波长(x轴)函数的对比度比(contrast ratio)(y轴)的曲线图示于图17中。为了获得图17提供的数据，成像器可由四分之一波长镜(quarter wave mirror)替代。一四分之一波长镜是一四分之一波长阻滞器(quarter wave retarder)和一铝镜的组合。沿一个方向的四分之一波长阻滞器的定向导致反射光无偏振的转动，于是反射光通过PBS的背引导到光源。四分之一波长阻滞器的再度定向导致反射光偏振的转动，这样，通过PBS基本上所有反射光引导到投影透镜。由此可见，投射图像的对比度较高，落入400以下，哪处都不在约425nm—700nm的波长范围内。

投射引擎1800的另一实施例示于图18中。该投射引擎基于使用两个成像器。光线照明光学装置可以是类似于上述有关投射引擎1600的描述，因此，标注以相同的标号。

偏振的、均匀的光线1612通过一第一发散减小透镜(divergence reducinglens)1614，并入射到一第一彩色分离器1810。该彩色分离器1810可以是呈绝缘薄膜过滤器的形式。在第一色带内的光线1818引向一第一PBS1820。光线1818可通过另一透镜1822或透镜系统。光线1818引向一将图像强加在反射光线1826上的第一成像器1824。图像光线1826通过PBS1820到彩色组合器1828。

从第一色带分离为第二色带的光线1830引向第二PBS1832，它将光线1830引向第二成像器1834。光线1830可通过一个或多个透镜1831，以控制其发散。成像器1834将图像强加在反射光1836上。然后，图像光1836与图像光1826在彩色组合器1828内进行色彩组合。在第二色带内的光1830可以由一彩色调制器1838，例如通过一由电机1840转动的彩色转盘进行色彩调制。该彩色转盘包括用于至少两个不同的副色带(color sub-bands)的透射过滤器1842和1844。因此，光线1830可暂时地被调制成交替地在第一和第二副色带内。如实例所示，在第一色带内的光线1818可以是蓝光，而在第二色带内的光线1830是绿光和红光。在这种情形中，彩色转盘通常具有交替的绿光和红光透射过滤器，这样，在任何时候，到达第二PBS1832的色彩调制的光线1846不是绿光就是红光。在另一实施例中，在第一色带内的光线1818是红光，而在第二色带内的光线1830是绿光或蓝光。应该认识到：也可采用其它的方法来对光线1830进行色彩调制。例如，色彩调制器1838可以是电-光方法的色彩调制器，在SID 2000Digest，paper 9.4，2000中由G.D.Sharp等人所著的“用于连续彩色投影的高通量的彩色开关”一文中，已有对上述色彩调制器的描述。

成像器1824和1834可由控制器1850进行操作，以在正确的时间显示合适的图像。彩色调制器1838还可由控制器1850进行控制，这样，透射通过色彩调制器的光线1846的颜色与由成像器1834显示的图像同步。

PBS1820和1832可提供象散补偿，例如，以参照图11所述的方式进行补偿。也可采用其它的对象散的方法，例如，如下面参照图15所述的方法。

三成像器投影系统1900的另一实施例示意地示于图19中。类似于投影系统1600的元件的投影系统1900的诸元件标以相同的标号。

在此实施例中，第一和第二PBS1924和1942采用盖1950形成，盖1950的折射率接近多层偏振薄膜1952的折射率。这对于不需使用诸如PET基的偏振薄膜的高度透明的蓝光偏振薄膜的色带内的光线尤为有利。另一方面，业已发现：当由蓝光照明时，PET薄膜较之其它类型的多层薄膜不易劣化，于是，PET基的多层薄膜普遍用于蓝色带。蓝色带还易于热致双折射，于是，较佳地是，用于蓝色带内的PBSD的盖具有低的光弹性模量。因此，为了使用PET基的多层薄膜并减小热致双折射，对蓝色带普遍使用相当高折射率的玻璃材料的盖。其结果，在蓝色带内的PBS1948可仍包括象散补偿。

由于绿和红色带可使用具有高光功率的多层薄膜，例如，PEN基的薄膜可对这些色带使用低折射率的玻璃盖，以减小由PBS1924和1942引入的象散。例如，如果PBS1924H1942的盖由具有折射率n＝1.62的SF12玻璃形成，则当多层薄膜基于PEN时象散较小，约为17μm。因此，在绿和红色带内的光线可使用不包括象散补偿的PBS。可将用于蓝色带的PBS1948，例如，PBH55玻璃用于盖，而玻璃板由PBH71制成。

介于成像器与投射光学装置1652之间的光路长度可设定为近似等于各对应的光带。例如，通过将各成像器与彩色组合器1630之间的物理分离分别设定为不同的值，或通过使用不同厚度的玻璃盖，即可达到上述光路长度的设定。

仅使用一个单一的成像器的系统内的补偿象散的另一方法示于图12所示的实施例中。从光源(未示出)发出的光线1202被由夹在玻璃棱镜1210之间的MRPB薄膜1208形成的PBS1206反射朝向成像器1204。从成像器1204反射的图像光线1212透射通过PBS1206。由于通过PBS1206，所以图像光线1212是象散的。

图像光线1212通过一象散纠正立方1214，它具有夹在两个相当高折射率的棱镜1218之间的折射率相当低的薄膜1216。薄膜1216的平面绕垂直于PBS1206内的MRPB薄膜1208的转动轴线1222的一转动轴线1220转动。可选择薄膜1216的厚度和角度来减小或基本上纠正在PBS1206内或在透射系统的其它元件内产生的象散。

在一实施例中，立方1214可由一类似于MRPB薄膜1208的MRPB薄膜1216形成，它夹在类似于PBS1206的玻璃棱镜1210D的两个玻璃棱镜1218之间。在这样的情形中，MRPB薄膜1216定向成透射图像光线1212。第二MRPB薄膜1216可用作为后偏振器，因此，通过减小被PBS1206阻塞的处于偏振状态的光线的透射可提高对比度。

第一MRPB薄膜1208的高的光学要求，即，一偏振状态的高透射性和另一偏振状态的高反射性，使在图像光束1212中获得良好的对比度。这意味着：MRPB薄膜的制造长度只有其最佳执行部分(performing section)适于用作第一MRPB薄膜1208。然而，第二MRPB薄膜的光学要求则较为放松，由于它不是产生对比的主要装置，而主要地用作象散补偿和清理(clean up)。透射光的消光系数(extinction ratio)可在100:1-10:1范围内。因此，第二MRPB薄膜1216可由MRPB薄膜制造长度中的不是最佳的执行部分来形成，由此，增加有用的MRPB薄膜制造长度的比例。

立方1214还可以是具有一厚板的MacNeille PBS。在此实施例中，可使用MacNeille PBS，因为它只在透射中进行操作，且可忽略包含混合偏振状态(mixed polarization state)的由MacNeille PBS反射的光线。在使用MacNeille PBS的情形中，第二立方可由BK7玻璃形成。

应该认识到：图12所示的象散纠正的实施例还可在一多成像器核心内实施，其中，在PBS1206和成像器之间使用一彩色分离器/组合器。

图13示意地示出另一象散纠正的特定的实施例，它对于在基于两个成像器的投射引擎1300中的象散纠正尤其显得有利。在此实施例中，由光源(未示出)发出的光线1302a和1302b入射在对应的笛卡儿PBS1304a和1304b上。使用一反射二向色过滤器(reflective dichroic filter)或用来产生两个色带的任何其它合适方法，通过从一光源中分离光而可产生不同的光束1302a和1302b。PBS1304a和1304b可使用各自的MRPB薄膜1306a和1306b来反射处于一特定偏振状态的光线。从PBS1304a和1304b反射的光线1308a和1308b引导到各自的成像器1314和1318。通过第一成像器1314反射的图像光线1312a透射通过PBS1304a到二向色组合器(dichroic combiner)1310。通过第二成像器1318反射的图像光线1312b透射通过PBS1304b到二向色组合器1310。在第一色带内的图像光线1312a透射通过二向色组合器1310，而在第二色带内的图像光线1312b由二向色组合器1310反射，以与第一图像光线1312a组合，并产生组合的图像光的输出1320。

二向色组合器1310由两个棱镜1322和1324，通常是玻璃棱镜形成。棱镜1322和1324由具有一第一折射率的材料形成。各棱镜1322和1324沿其基底具有各自高折射率材料的板1326和1328，例如高折射率玻璃。二向色薄膜1330设置在两个高折射率材料的板1326与1328之间。

选择高折射率材料的板1326和1328具有基本上减小象散的厚度，例如，形成在PBS1304a和1304b内的象散。如图所示，板1326和1328可选择具有相等的厚度。板1326和1328还可选择为一个板厚于另一个板(如图14所示)。该后一个实施例可具有优点，例如，其中可以确定一个色带比另一个色带要求更高的象散纠正。例如，具有较短波长范围的色带可确定为比较长波长色带内的光线要求较低的象散纠正。在第一板1326a具有厚度d1和第二板1328a具有厚度d2的情形中，在第一色带内的光线1312a通过了高折射率材料的组合的厚度d1+d2。另一方面，在第二色带内的光线1312b通过了的高折射率材料的组合的厚度2×d2。因此，其中d1>d2，在第一色带内的图像光线1312a比在第二色带内的图像光线1312b经历一更大量的象散纠正。

除了为象散纠正对光学系统添加高折射率或低折射率的板之外，还可通过将一楔形元件引入到光学系统中，以减小象散。一楔形象散纠正元件的特定实施例的特征示于图15中，图中示出由两个玻璃棱镜1502和1504形成的一PBS1500，其间夹有一MRPB薄膜1506。从光源(未示出)发出的光线1508由MRPB薄膜1506反射到至少一个成像器1510。如果采用一个以上的成像器1510，则可将一彩色棱镜1512放置在PBS1500和多个成像器之间。

一楔形板1514设置在MRPB薄膜1506与棱镜1502和1504中的一个之间。楔形板1514可由任何合适的透明材料形成。例如，楔形板1514可由玻璃或聚合物形成。在一特定的实施例中，楔形板1514由诸如Norland 61的光学粘结剂形成，其将MRPB薄膜1506粘结到棱镜1504上。

实施例还用一实例来进一步说明。对于由SF57玻璃和厚度为225μm的MRPB薄膜/粘结剂层形成的玻璃棱镜1502和1504，使用一光线跟踪程序(raytracing program)ZEMAX，计算求得象散纠正要求的楔形角α介于0.15°—0.25°。对于棱镜高度h，在楔形1514的宽侧的楔形厚度w由下列表达式给出：

w＝h.√2.α.π/180                                        (2)

其中，h＝35mm，计算求得厚度w为129μm，于是，在PBS中心处的光路长度变化等于65μm。通过将一129μm的间隔件放置在棱镜1504的一侧上，并用光学粘结剂填充形成的楔形空间，楔形即可由光学粘结剂形成。然后，可使用紫外光使光学粘结剂固化。

间隔件可以是仅沿楔形的宽侧放置的玻璃或塑料球。或者，间隔件可以是形成在MRPB薄膜1506内的浮雕的结构，或附连在PBS棱镜1504上。如果制造公差适当地高，则可根本不用间隔件。一机器可对填充粘结剂的楔形自动地形成间隙，在制造过程中，仅通过棱镜中的一个相对于另一个倾斜即可实现。

可调整另一棱镜1502的形状来纠正在成像途径内的PBS1500内的不平行性。

使用楔形元件1514来纠正象散的诸多优点之一在于：PBS的总厚度可小于图11所示的实施例，其中，添加高折射率板使光路增加了超过2.8mm。由于楔角较小，楔形1514可仅由用来将MRPB薄膜1506附连到棱镜1502和1504上的粘结剂形成。在楔形PBS组件中不要求诸如板之类的任何光学元件。应该认识到：楔形象散补偿可以其它的元件引入，例如，二向色的分离器/组合器，或X立方组合器。

应该认识到：如图15所示，一单一的成像器投影系统也可使用不同类型的象散减小的PBS。例如，如图11所示，PBS1500可用诸如PBS1100的PBS来代替。同样地，象散减小的PBS1500可用于多成像器投影系统，例如，示意地如图16和18所示的多成像器投影系统。

如上所述，本发明适用于显示器设备，并被认为特别适用于减小投影系统内的象散现象，例如，由使用一聚合物多层的、反射的偏振分光镜薄膜的偏振分光镜引入的象散。普通类型的聚合物多层的、反射偏振分光镜薄膜是一匹配的折射率多层薄膜(matched index multilayer film)。本发明还可用来减小由投影系统的其它元件引起的象散。此外，本发明适用于具有宽范围f值的投影系统，但被认为特别适用于具有一低f值的投影系统。

本发明不应被认为局限于上述的特定的实例，相反，应理解为涵盖由附后的权利要求书所陈述的本发明的所有方面。本发明所面向的本技术领域内的技术人员在阅读本说明书后，显然会容易地作出本发明所适用的各种改型、等价的工艺过程以及许多种结构。权利要求书意在涵盖这样的改型和设备。

Claims (41)

1.一种光学器件包括：

一具有一多层膜的偏振分光镜，一第一光路限定成通过用于第一偏振状态的光的偏振分光镜；

至少一个成像器，它设置来将光线反射回到偏振分光镜，被至少一个成像器接受的部分光线偏振转动，偏振转动的光线沿一第二光路从成像器传播并通过偏振分光镜；以及

一象散补偿元件，它设置在第二光路上，以补偿由多层薄膜造成的在偏振转动光线中的象散；

偏振分光镜包括一多层的偏振敏感、具有相当低折射率的反射薄膜，以及一具有相当高折射率的在所述偏振敏感反射薄膜的各侧上的盖。

2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，还包括一产生光线的光源，以及光线调节装置，以便在到达偏振分光镜之前调节光线。

3.如权利要求1所述的器件，其特征在于，还包括一从至少一成像器投射图像光线的投影透镜系统。

4.如权利要求3所述的器件，其特征在于，象散补偿元件减小象散到小于投影透镜系统的景深的一值。

5.如权利要求1所述的器件，其特征在于，还包括一控制器，它连接到至少一个成像器，以控制强加在入射到至少一个成像器上的光线上的图像。

6.如权利要求1所述的器件，其特征在于，偏振分光镜是一笛卡尔偏振分光镜，它具有一限定偏振固定轴线的结构定向，所述器件还包括具有等于或小于2.5的f值的成像器照明装置，所述器件具有在可见光范围内在投射色带上至少100:1的动态范围。

7.如权利要求6所述的器件，其特征在于，多层偏振敏感的反射薄膜位于x-y平面内，而厚度在z方向上，薄膜具有一基本上与x向折射率和y向折射率中的一个折射率相匹配的z向折射率。

8.如权利要求1所述的器件，其特征在于，象散补偿元件包括一高折射率材料板，其折射率高于在高折射率材料板的至少一侧上的材料的折射率。

9.如权利要求8所述的器件，其特征在于，高折射率材料板的折射率高于盖的折射率，高折射率材料板设置在偏振敏感反射薄膜与诸盖中的一个盖之间。

10.如权利要求1所述的器件，其特征在于，象散补偿元件包括一设置在偏振敏感反射薄膜与诸盖中的一个盖之间的偏振分光镜内的楔形元件。

11.如权利要求10所述的器件，其特征在于，楔形元件的折射率低于盖的折射率。

12.如权利要求10所述的器件，其特征在于，楔形元件是将其中一个盖附连到偏振敏感的反射薄膜上的一楔形粘结剂层。

13.如权利要求1所述的器件，其特征在于，还包括一彩色分离棱镜，它设置成沿第一光路从偏振分光镜接受光输出，其中，至少一个成像器包括设置在彩色分离棱镜的对应的彩色输出面附近的多个成像器。

14.如权利要求13所述的器件，其特征在于，彩色分离棱镜包括至少第一和第二彩色分离元件，第一彩色分离元件比至少第二彩色分离元件更靠近偏振分光镜，第一和第二彩色分离元件被间隙层分离，间隙层材料的折射率低于彩色分离元件的折射率，选择间隙层的厚度以减小在偏振分光镜内引起的象散。

15.如权利要求14所述的器件，其特征在于，第一彩色分离元件由被一第二间隙层分离的两个部分组成，第二间隙层定位成在一不被第一彩色分离元件分离的光线通过第一彩色分离元件的一光路之外，选择第二间隙层的厚度以减小对由第一光线分离元件分离的波长范围内的光在偏振分光镜内引起的象散。

16.如权利要求15所述的器件，其特征在于，第二间隙层是一空气间隙。

17.如权利要求13所述的器件，其特征在于，还包括一设置在彩色分离棱镜与偏振分光镜之间的楔形棱镜、一在楔形棱镜与彩色分离棱镜之间的第三间隙层，选择其厚度以减小在偏振分光镜内引起的象散。

18.如权利要求17所述的器件，其特征在于，选择第三间隙层的厚度以基本上纠正在偏振分光镜内引起的象散。

19.如权利要求17所述的器件，其特征在于，彩色分离棱镜包括一第一彩色分离元件和至少一第二彩色分离元件，第一彩色分离元件比至少第二彩色分离元件更靠近楔形棱镜，第一和第二彩色分离元件被第一间隙层分离，选择第一和第三间隙层的厚度以基本上纠正在偏振分光镜内引起的象散。

20.如权利要求13所述的器件，其特征在于，彩色分离棱镜将光线分离成在近似垂直于偏振分光镜的反射平面的一平面内的不同的颜色。

21.如权利要求13所述的器件，其特征在于，彩色分离棱镜将光线分离成在近似平行于偏振分光镜的反射平面的一平面内的不同的颜色。

22.如权利要求13所述的器件，其特征在于，彩色分离棱镜包括至少第一和第二彩色分离元件，第一彩色分离元件比至少第二彩色分离元件更靠近偏振分光镜，一板设置在第一与第二彩色分离元件之间，该板由一折射率高于第一和第二彩色分离元件中至少一个的折射率的第一材料形成。

23.如权利要求22所述的器件，其特征在于，选择第一材料的板的厚度以减小在偏振分光镜内引起的象散。

24.如权利要求22所述的器件，其特征在于，第一彩色分离元件由被一第二材料的板分离的两个部分组成，第二材料不同于第一彩色分离元件的材料，第二材料的板定位成在一不被第一彩色分离元件分离的光线通过的一光路之外。

25.如权利要求24所述的器件，其特征在于，选择第二材料板的宽度以减小对于在被第一光线分离元件分离的波长范围内的光线在偏振分光镜内引起的象散。

26.如权利要求24所述的器件，其特征在于，第二材料与第一材料相同。

27.如权利要求1所述的器件，其特征在于，还包括一将光线分离成至少两个色带的彩色分离元件和组合在至少两个色带内的光线的x-立方体，至少一对应的反射的偏振分光镜和一设置在彩色分离元件与用于至少两个色带中的每个的x-立方体组合器之间的对应的成像器，x-立方体组合器包括象散减小板，板材料的折射率不同于形成x-立方体的x-立方体棱镜的折射率。

28.如权利要求27所述的器件，其特征在于，象散减小板由折射率低于x-立方体棱镜的折射率的材料形成。

29.如权利要求1所述的器件，其特征在于，至少一个成像器包括两个成像器，并还包括一设置在偏振分光镜与两个成像器之间的二向色分光镜，该二向色分光镜包括具有对角底线并由第一折射率的材料形成的第一和第二棱镜，一在第一与第二棱镜对角底线之间的二向色薄膜，以及一设置在二向色薄膜与第一棱镜的底线之间、折射率高于第一折射率的第一层，以及一设置在二向色薄膜与第二棱镜的底线之间、折射率高于第一折射率的第二层。

30.如权利要求1所述的器件，其特征在于，象散补偿元件包括一在第二光路上的第一薄膜，第一薄膜设置在第一与第二盖之间，第一和第二盖的折射率高于第一薄膜的折射率。

31.如权利要求30所述的器件，其特征在于，第一薄膜相对于第二光路的转动轴线垂直于在偏振分光镜内的偏振敏感反射薄膜的转动轴线。

32.如权利要求30所述的器件，其特征在于，第一薄膜是一多层的偏振敏感的反射薄膜。

33.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述偏振分光镜包括象散补偿元件。

34.一种偏振分光镜包括：

一设置在两个盖之间的多层偏振敏感膜，一象散补偿元件设置在所述两个盖的相对的外表面之间，以减小由偏振膜引入的象散现象。

35.如权利要求34所述的分光镜，其特征在于，对偏振敏感的多层薄膜是一多层的聚合物、对偏振敏感的薄膜。

36.如权利要求34所述的分光镜，其特征在于，象散补偿元件设置在诸盖之间。

37.如权利要求34所述的分光镜，其特征在于，盖由一折射率高于多层薄膜的折射率的材料形成。

38.如权利要求34所述的偏振分光镜，其特征在于，象散补偿元件是一设置在诸盖之间、且材料的折射率高于第一和第二盖的折射率的板。

39.如权利要求34所述的偏振分光镜，其特征在于，象散补偿元件是一其材料的折射率小于第一和第二盖的折射率的楔。

40.如权利要求34所述的偏振分光镜，其特征在于，盖是玻璃棱镜。

41.如权利要求34所述的偏振分光镜，其特征在于，将多层偏振敏感的薄膜做成对在红、绿或蓝投射色带中一个的偏振灵敏度最优化。

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