CN1089447C - 光束合成装置和装有该装置的彩色图象投影设备 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种将不同颜色的至少两条子光束(bG、bR、bB)合成一条彩色光束(bC)用的光学装置，该装置包括至少一块被配置在一透明的平板形状基片(20、22)上的分色反射镜(21、23)。通过使用由选自柱面透镜和倾斜安置的球面透镜一组的第一个子元件以及选自平行平板、光楔和棱镜一组的第二个子元件构成的象差校正元件(45a、45b)，以对子光束中由基片引起的象差进行校正。

Description

光束合成装置和装有该装置的彩色图象投影设备
本发明涉及将不同颜色的至少两条子光束合成一条彩色光束用的光学装置，该装置包括至少一块被配置在透明的平板形状基片上的分色反射镜，并且进一步设置有至少一块象差校正元件，它被配置在经过该基片的子光束的光路中，以对相应子光束中由该基片引入的象散进行补偿。
这种类型的光学装置，可被应用在例如彩色图象投影设备中，以便将各自以不同颜色产生出同一景物的三个单色象的三基象源发出的三条子光束，合成一条被施加在一投影透镜系统上的彩色光束。因而，三个单色象可以作为一个图象被投影在投影屏上。
将由三块液晶图象显示板(随后称之为LCD板)发出的三条不同颜色的子光束组合用的装置，在美国专利5,046,837中进行了特别描述。该装置包括两块二向色反射镜形式的分色反射镜，均被配置在玻璃基片上。三条子光束之一(例如绿光束)被两块反射镜反射，而其余两条子光束(红光束和蓝光束)则被二向色反射镜反射一次，并且通过反射镜的基片一次。由于这些反射镜均被倾斜配置在三条光束中，例如与子光束的光轴成45°角，而且这些子光束在此反射镜所处的区域内为会聚光束，故通过该反射镜基片的子光束将变成象散的，这就意味着该光束在包括其光轴在内的两个互相垂直的平面内具有不同的会聚度。因此，上述两个平面内的光束将不会清晰地聚焦在投影屏上，以致于被投影的图象呈现出象差。由于这些反射镜被安置在成象光学系统中，故其应当具有更高的平面度，这只能通过使用较厚的基片来达到，以致于上述象散比较大。该象散只发生在三条子光束中的两条光束中，所以，无法通过被组合后光束光路中的一块象差校正元件来校正被投影的彩色图象中的畸变。
在日本专利公开3-170925A中，曾经提出通过将柱面透镜配置在与二向色层相反的每一反射镜基片上，以消除此象差。众所周知，柱面透镜能在光束中引入象散。通过适当地选择该柱面透镜的光焦度和位置，其所产生的象散可以补偿光束倾斜通过平板产生的象散。然而使用这样的柱面透镜只能校正象散，而不能校正通过平板产生的其它象差，尤其是彗差。
本发明的目的在于提供一种象差校正元件，使用它可以实现对光束象差的全面校正，并且进一步提供使用该校正元件的各种可能性。
根据本发明的光学装置，其特征在于该象差校正元件包括选自柱面透镜和倾斜安置的球面透镜一组的第一个子元件以及选自平行平板、光楔和棱镜一组的第二个子元件，共同校正由子光束经过的基片引入的至少如象散和彗差之类的象差。
第一个子元件具有这样匹配的光焦度和位置，使得通过该元件时产生的两象散焦线之间的距离，与通过该反射镜基片时所产生的两象散焦线间的距离相比，其大小相等但符号相反。通过该反射镜基片时产生的彗差，则由第二个子元件进行校正。
第一和第二个子元件可以是分立的元件。
不过本光学装置的优选实施例，其特征在于，第一和第二个子元件被一体化为一个光学元件。
因此，有可能将伪反射限制在最小，而且校正元件的制造和光学装置的组装将更简单。
至于一体化光学元件中各个子元件间的相互定位，存在着各种可能性。
第一种实施例，其特征在于第一和第二个子元件被安置在一体化元件的相反两侧。
第二种实施例，其特征在于第一和第二个子元件被叠置在一体化元件的同一个表面上。
至于这些子元件相对于必须进行象差校正的基片之间的定位，也存在着各种可能性。
第一种可能性，是在其特征在于第一个子元件被安置在比第二个子元件更接近必须进行象差校正的反射镜基片的实施例中实现的。
第二种可能性，是在其特征在于第二个子元件被安置在比第一个子元件更接近必须进行象差校正的反射镜基片的实施例中实现的。
在第一和第二个子元件被合成在一体化元件的同一表面上的实施例中，该表面不是面向此必须进行象差校正的基片，就是远离该基片。
本光学装置的特殊实施例，其特征在于第一个子元件为柱面透镜，第二个子元件为光楔。
本实施例的进一步特征可以是，由必须进行象差校正的反射镜基片看上去，圆柱表面是凸的，而且圆柱面的轴线垂直于通过此光学装置光轴的平面，且此反射镜在该平面内以锐角伸向此光轴。
另一个办法是，本实施例的进一步特征可以是，从必须进行象差校正的反射镜基片看上去，该圆柱面是凹的，而且圆柱面的轴线平行于通过此光学装置光轴的平面，且此反射镜在该平面内以锐角伸向此光轴。
在必须组合两条子光束且只包括一块分色反射镜的装置中，象差校正元件被放置在经过反射镜基片的子光束的光路中。
在必须组合三条子光束且包括两块分色反射镜的装置中，根据本发明的分立的象差校正元件，可被安置在经过基片的每一条子光束中。
不过这样的光学装置，其特征最好在于所有的子光束都通过相同的基片厚度，而且在合成光束的光路中安置一个象差校正元件。
应当注意，在日本专利申请公开5-27343A的摘要中，曾经提出使彩色电视投影设备中三条子光束中象散相等的问题，即按照这样一种方式通过将厚度和原来基片相同的额外的基片与每块二向色反射镜相结合，使得每条子光束在其由LCD板至投影透镜系统的光路中两次通过基片。在此日本专利公开5-27343A中曾经指出，现在可以通过投影透镜系统来校正各子光束彼此相等的象散，因此该系统必须进行匹配。然而现在的象散为没有额外基片的投影设备中象散的二倍那样大，被加在二向色反射镜上，以致于所需要的象差校正更难以实现。
本光束合成装置的第一个实施例，带有两块分色反射镜，其中的象差可以通过一个校正元件进行校正，该光束合成装置的特征在于，具有与反射镜基片的折射率和厚度乘积相同的透明平板，被安置在只有不经过反射镜基片的子光束的光路中。
本光束合成装置的第二个实施例，其特征在于，通过一条子光束并且反射另一子光束的分色反射镜，被配置在两块基板之间，其中每块基板具有的折射率和厚度乘积，分别为另一分色反射镜基板折射率和厚度乘积的一半。
在此实施例中，并没有比使三条子光束的象差变得相等绝对需要的更多的象差提供给这些子光束，所以这些象差可以容易地校正。
本发明进一步涉及彩色图象投影设备，它包括用于提供一景物的三个不同颜色图象的三基象源，用于将此基象源发出的三条子光束合成一条彩色光束的光束合成装置，以及将此光束投影在投影屏上用的投影透镜系统。该投影设备的特征在于，该光束合成装置是如前所述供给的器具。
“景物”一词应被认为具有很宽的含义，并且包括电视图象、图示信息、数字信息，或其组合。基象源可以由液晶图象显示板、基于弥散作用工作的图象显示板(例如聚合物弥散的液晶PDLC)、由被称之为指状反射镜器件(DMD)的小反射镜基质组成的面板或者阴极射线管来构成。
本发明的这些以及其它一些方面，从以下参照所述实施例所作解释中将更加明白。
在附图中
图1用图解法表示可以利用本发明的彩色图象投影设备；
图2表示用在该投影设备中的已知的光束再合成装置；
图3至8表示根据本发明用在此光束再合成装置中的复合的象差校正元件的实施例；
图9至11表示带有透射的图象显示板的根据本发明的彩色图象投影装置实施例的一部分，而且
图12表示带有反射的图象显示板的根据本发明的彩色图象投影装置的一部分。
图1用图解法表示彩色投影电视设备的实施例。该投影设备包括三个主要部分：照明系统A，图象显示系统B和投影透镜系统(例如变焦镜头C)。照明系统的主轴OO′与光轴DD′对准，且此光轴DD′首先按照彩色投影表示的实施例被分成三条子光轴，随后被连接成一条与投影透镜系统的光轴EE′重合的光轴。
来自照明系统A的光束，被入射在分色反射镜1例如二向色反射镜上，此二向色反射镜将反射例如蓝色成分bB，并且透过其余的光束。此光束到达第二块分色反射镜2之后，由其反射绿色成分bG，并将剩余的红色成分bR透射给反射镜3，而由其将红色光束反射向投影透镜系统。反射镜3可以是中性反射镜，或者是对于红光最优化的反射镜。蓝色的光束，被中性的或者蓝色分色的反射镜4反射到液晶显示板形式的显示板7。此显示板是按照公知的方式电子驱动的，以使图象中的蓝色成分被投影出现在此显示板上。受到蓝色信息调制的光束，在到达投影透镜系统C之前先经过分色反射镜5，并由其透过蓝色光束和反射绿色光束；进一步还经过分色反射镜6，并由其将蓝色光束反射。绿色的光束bG将通过第二块显示板8并在此处受到绿色图象成分的调制，然后依次由分色反射镜5及6反射向投影透镜系统C。红色的光束bR将通过第三块显示板9并在该处受到红色图象成分的调制，随后经过分色反射镜6到达投影透镜系统。
蓝、红、绿三色光束被叠加在此透镜系统的入瞳上，以产生出彩色图象而由此透镜系统以放大的形式成象在图1中未表示的投影屏上。
照明系统A的输出和每块显示板7、8和9之间的光程长度最好相等，以使光束bB、bG和bR在其显示板区域内的截面相等。而且显示板7、8、9和投影透镜系统入瞳之间的光程长度最好相等，以使不同颜色的景物令人满意地叠加在投影屏上。
附加透镜10、11和12可被安置在显示板7、8和9的前面，并由其确保来自照明系统出射面的全部辐射光被集聚在此投影透镜系统L的入瞳中。
图2详细表示传统的光束再合成装置。分色反射镜5和6，分别包括提供在透明的例如玻璃基片20和22上面的反射层21和23。来自显示板8的绿色的子光束bG，通过反射层21和23沿其光路反射到投影透镜系统C而不经过基片20和22中的任一个。红色的子光束bR和蓝色的子光束bB分别经过基片22和20一次，以致于将象散引入这些子光束中。此象散可以分别通过将柱面透镜25和26安置在子光束bB和bR的光路中加以校正。这些柱面镜的柱面轴线，与图2中的图面相垂直。通过适当地选择柱面镜25及26的光焦度和位置，分别可使这些柱面镜引入子光束bB和bR的象散，与基片20和22引入这些子光束的象散大小相等而符号相反。
然而使用这种柱面镜只能校正象散，但并不是通过倾斜安置的基片时也可能产生的其它象差。特别是成象子光束中的彗差，可使投影图象的质量下降。
本发明提供一种象差校正元件，使用它不仅象散而且其它象差也能校正。这种象差校正元件的实施例，表示在图3中。为了定向的目的，此图还表示出引起象散而必须加以校正的基片和xyz座标系。在xy平面内，该基片与通过它的子光束的光轴OO′成锐角(例如45°)伸展。此光轴则沿y方向伸展。校正元件30包括柱面元件31和光楔35。柱面透镜的柱面轴线与z方向平行，而且凸的圆柱面32是面向基片38的。柱面透镜平的后侧则与此光轴垂直。光楔35的前表面37垂直此光轴，而其后表面在xy平面内看上去则以锐角伸向此光轴。替代平的后表面，该柱面镜换个办法可以带有弯曲的后表面。
如图4所示，柱面透镜31和光楔35可以交换位置。
图5表示一实施例，柱面透镜为凹的或者负的透镜39，其圆柱面再一次面向基片。然而现在的柱面轴线与x方向平行。光楔具有与图3和4中相同的取向。为了校正离抽象差，即以距光轴为某种距离伸展的光束部分中可能产生的象差，该光楔可绕光轴OO′转动。
图6表示象差校正元件的优选实施例。柱面透镜和光楔，现在被一体化为带有柱面形前表面46和倾斜后表面47的楔形柱面透镜45。此圆柱表面不但可为凸的，而且还可为图5表示的凹的。此外，与图4类似，圆柱表面46和倾斜表面47还可以交换位置。
图7表示一体化的象差校正元件的实施例，其中的圆柱面46被叠加在光楔的倾斜表面36上面。这种叠加还可以在后侧完成，以替代图7所示在前侧完成。
图8表示根据本发明的象差校正元件45′，它包括球面透镜50和光楔51。该透镜被安置在相对于光轴OO′倾斜，可被用来再一次对象散进行校正。通过光楔和球面透镜的组合，既可校正象散又可校正彗差，并且通过改变例如光楔的取向，还可校正离轴象差。透镜50和光楔51还可一体化为一个元件，而由球形表面和倾斜的楔形表面构成该校正元件的两个相对的表面，或者在一体化元件一侧构成一叠置的表面。
在迄今描述的实施例中，光楔可以由平行平板代替，按照与必须校正象差基片相反的方向将其相对于光轴倾斜安置。换一种方式，此光楔还可由具有同样光学效果的棱镜来代替。
与图2的光束合成装置类似，新的象差校正元件可被用来分别校正经过基片的子光束bB和bR，如图9所示。在此实施例中，例如楔形的柱面透镜45a和45b等同于图6中的元件45，被安置在子光束bB和bR的光路中。
图10表示光束再合成装置的优选实施例，其中只使用一个象差校正元件。这样做之所以可能，是由于三条子光束中的象差已变得相等。为此目的，分色层21被配置在基片60上面，且此基片60厚度为元件6中基片22厚度之半。厚度与基片60相同的第二块基片或平板61，配备在分色层21的上方。在其来自显示板8的光路中，绿色的子光束bG将通过基片61，随后被分色层21反射，然后第二次通过基片61，随后由分色层23反射向投影透镜系统C。蓝色的子光束bB首先通过基片60，随后通过基片61，然后被分色层23反射。因此，子光束bG和bR将通过其厚度等于红色子光束bR所通过的基片22厚度之半的基片两次，以致于所有的子光束实际上以同样的角度通过相同厚度的基片。同样的象差被引入这些子光束中，该象差与图2所示装置中光束bR和bG中的象差相等。由于三条子光束中的象差相等，故可通过安置在合成光束bC光路中的楔形柱面透镜45C之类一个校正元件来校正。使用校正元件45C的这种光束再合成装置，构成一种自校正装置，以致于能在一投影设备中提供而不必适应该设备更多的光学系统。
图11表示使三条子光束中的象差变得相等的第二种可能性，如果显示板8和分色反射镜5之间存在足够空间的话，这种可能性就可以利用。于是，以与反射镜5及6的基片20及22的折射率和厚度相同且以同样角度伸展的平行平板65，仅被安置在绿色子光束的光路中。与图10中实施例相比，图11实施例的优点在于，由于平板或者基片的材料和周围介质之间较少存在变换，所以只能产生较少的伪反射。
在图10、11和12描述的实施例中，平板60、61和65的厚度本身和折射率本身，并不需要等于基片20和22相应参数或其一半，但当该平板的折射率和厚度的乘积等于该基片相应参数乘积或其一半时，就足够了。
本发明还可被应用在使用三个阴极射线管，以提供红、绿、蓝三种图象的图象投影设备中。这样的投影设备类似图10和11中表示的装置，然而显示板7、8和9随后被阴极射线管所替代。在此投影设备中，图1中的照明系统A和反射镜1～4不存在。
本发明进一步还可应用在使用反射式图象显示板的彩色图象投影设备中，所用图象显示板如带有反射镜的LCD板，或者由可被单独驱动的适于耕作(tillable)的反射镜组成的面板。最后提到的显示板通称为指状反射镜器件(DMD)，在美国专利4,615,595中特别进行描述。
图12表示该投影设备实施例的简图，其中的光束再合成装置还被用作分束装置。在以上描述之后，本装置并不需任何进一步解释。为了达到让显示板70、71和72反射的子光束能同入射在这些面板上的子光束在空间分开得到保证，例如入射在这些面板上的子光束的入射角度要大于零度。为了限制该投影设备的尺寸，最好使用分束元件75，以将来自照明系统A的光束bi反射向各显示板，并将合成的光束bC通向投影透镜系统C。为了减少光的损失，分束元件75最好作为美国专利4,969,730中描述的完全内反射(TIR)元件来完成。
如上已经提到的那样，分色元件5和6可以由二向色反射镜来构成。在这种情况下，图10、11和12中的分色层21和23包括许多具有给定折射率和给定厚度的子分色层，这些子分色层共同保证给定颜色的光被通过以及其它颜色的光被反射。另外还可以使用胆甾醇型滤光片作为分色反射镜，如在《日本应用物理杂志》，Vol.20，No.10，1990，10，pp.1974-1984发表的“新的液晶偏振彩色投影原理”一文中描述的那样。胆甾醇型反射镜具有光学液晶材料层，具有给定节距的螺旋或螺旋线状结构。这种反射镜，能够反射具有旋转方向与分子螺旋线的旋转方向对应，且其波长适合分子螺旋线节距的圆偏振光，并且透过其它波长的光。
除了在上述投影设备中使用之外，本发明通常还可应用在不同颜色的子光束必须合成一条光束的成象光学系统中。

Claims (14)

1.一种将不同颜色的至少两条子光束合成一条彩色光束用的光学装置，该装置包括至少一块被配置在一透明的平板形状基片上的分色反射镜，并且进一步设置有至少一块象差校正元件，被配置在经过该基片的子光束的光路中，其特征在于该象差校正元件包括选自柱面透镜和倾斜安置的球面透镜一组的第一个子元件，以及选自平行平板、光楔和棱镜一组的第二个子元件，并由这些子元件共同对由子光束经过的基片引入的至少如象散和彗差进行校正。
2.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述第一和第二个子元件被一体化为一个元件。
3.如权利要求2所述的光学装置，其特征在于，所述第一和第二个子元件由所述一体化元件的相反的表面构成。
4.如权利要求2所述的光学装置，其特征在于，所述第一和第二个子元件被叠置并且共同构成所述一体化元件的一个表面。
5.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述第一个子元件被安置在比所述第二个子元件更接近必须进行象差校正的反射镜基片。
6.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述第二个子元件被安置在比所述第一个子元件更接近必须进行象差校正的反射镜基片。
7.如权利要求1-6中任一权利要求所述的光学装置，其特征在于，所述第一个子元件为柱面透镜，所述第二个子元件为光楔。
8.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于，从必须进行象差校正的反射镜基片看上去，圆柱表面是凸的，而且圆柱面的轴线垂直于通过此光学装置光轴的平面，且此反射镜在该平面内以锐角伸向此光轴。
9.如权利要求7所述的光学装置，其特征在于，从必须进行象差校正的反射镜基片看上去，圆柱表面是凹的，而且圆柱面的轴线平行于通过此光学装置光轴的平面，且比反射镜在该平面内以锐角伸向此光轴。
10.如权利要求1-6中任一权利要求所述的光学装置，包括至少为两块的许多分色反射镜，其特征在于，同样大量的象差校正元件，其中总有一个安置在经过反射镜基片的子光束的光路中。
11.如权利要求1-6中任一权利要求所述的光学装置，包括至少为两块的许多分色反射镜，其特征在于，所有的子光束都经过相同的基片厚度，并且在合成光束的光路中安置一块象差校正元件。
12.如权利要求11所述的光学装置，其特征在于，具有与反射镜基片的折射率和厚度乘积相同的透明平板，被安置在只有不经过反射镜基片的子光束的光路中。
13.如权利要求11所述的光学装置，包括两块分色反射镜，其特征在于，通过一条子光束并且反射另一子光束的分色反射镜，被配置在两块基板之间，其中每块基板具有的折射率和厚度的乘积，分别为另一分色反射镜基板折射率和厚度乘积的一半。
14.一种彩色图象投影设备，包括用于提供一景物的三个不同颜色图象的三基象源，用于将此基象源发出的三条子光束合成一条彩色光束的光束合成装置，以及将上述光束投影在投影屏上用的投影透镜系统，其特征在于，此光束合成装置乃是权利要求1-6中任一权利要求所述的光学装置。
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