CN1078356C - 光束组合装置及带有该装置的彩色投影设备 - Google Patents

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Abstract

一种将不同颜色的三个分光束(bG，bR，bB)组合成一个彩色光束(bC)的装置，包括两个设置在透明基板(20，22)上的彩色选择反射器(21，23)。只在由两个反射器反射的光束(bG)的光路中安放一块板(27)，并且使该板的折射率与厚度的乘积等于基板(20，22)的折射率与厚度的乘积，即可借助在组合光束(bC)的光路中设置的一个矫正元件(28)来矫正由基板(20，22)造成的象散。

Description

光束组合装置及带有该装置的彩色投影设备
本发明涉及一种光学装置，可用以将不同色彩的三个分光束组合成一个彩色光束，该装置包括两个设在平板形透明基板上的彩色选择反射器。
这种型式的装置例如可用在彩色投影设备上，用以将发出一幅相同画面的各有不同色彩的三个单色影象的三个初始影象源发射的三个分光束组合成一个彩色光束，再将该彩色光束加到一个投射透镜系统中。于是，三个单色影象就能以一个影象而投射到投射屏幕上。
有一种用以将三个液晶图象显示板(以后称之为LCD板)发射的三个不同色彩的分光束组合起来的装置，该装置特别是在美国专利US-5,046,837中作了描述。这种装置包括两个各设在一玻璃基板上的分色镜形式的彩色选择反射器。三分束之一，例如绿光束，被两个镜子反射；两另两个分束(红和蓝光束)被分色镜反射一次和穿过镜子基板一次。由于这些镜子在分光束中安排成倾斜的，例如与各分束轴线成45°角，并且各分光束会聚了在镜子区域处的6个靠模(cam)，因此穿过镜子基板的一个分光束将变得发散，这意味着这一光束在两个相互垂直的包含光束轴的平面内有不同的会聚度。于是，该光束在上述两个平面内将不会严格聚焦到投射屏幕上，投射的影象会出现象差。由于镜子是安排在一个成象光学系统中的，它们应当有很高的平面度，因此只能用相当厚的基板来达到此要求，这就会产生相当大的象散。这种象散只出现在三个分光束的两个中，因而投射的彩色影象的失真不能用投射透镜系统来矫正。
为了解决此问题，日本专利申请(JP-A)5-27343的文摘中提出在每一个分色镜上外加一个与原来的基板有相同厚度的基板，使每一分光束在其从LCD板到投射透镜系统的光路上穿过基板两次，从而使三个分光束的象散相等。(JP-A)5-27343中指出，可以利用投射透镜系统来矫正分光束这时已相等的象散，于是就必须采用这种系统。但是，这种象散这时是分色镜上没有外加基板的装置中象散的两倍大，于是实现必需的矫正就更加困难。
本发明的目的在于提供一种装置，其中象散能以简单的方式加以矫正。该装置的特征在于，将附加的透明平板安排成具有这样的位置和使其折射率与厚度有这样的乘积，即对于通过所述光学装置的有效透过透明平板的光路上的每个分光束，所述透明平板的折射率与厚度的乘积等于第二彩色选择反射器的单独基板的折射率与厚度的乘积。
该装置中的分光束上没有添加比使三个分光束有相等象散所完全必需的象散更多的象散，因此其象散很容易加以矫正。另外，由于加有矫正元件，该装置构成了可自选矫正的组件，因此不再须要在带有该装置的设备中采取在此装置的下游或上游安设一光学系统的措施。
应当提到的是，日本专利申请(JP-A)4-149416的文摘中描述了一种投影设备，其中在光束组合装置与投射透镜系统之间安排了一个作为矫正元件的柱形透镜。但是，该装置中不同光束的象散并未做到相等，因此，用此装置不能对所有色彩获得没有象散的彩色光束。
本装置第一实施例的进一步特征在于，所述附加的透明平板只设置在第一分光束的光路上，并且该透明平板和所述第一彩色选择反射器的透明基板的折射率与厚度的乘积都分别等于所述第二彩色选择反射器的单独基板的折射率与厚度的乘积。
该实施例的优点是，每一分光束只透过一个透明平板，也就是从板材料的到周围介质只过渡两次，因此，可能的反射被限制到最低程度。
在一个实施例中，基本上不须要留有额外的空间供外加一平板用，该实施例的特征在于，所述第一彩色选择反射器夹在所述附加的透明平板与透明基板之间，该第一彩色选择反射器的透明基板和附加的透明平板的折射率与厚度的乘积都分别等于所述第二彩色选择反射器的基板的折射率与厚度的乘积之半。
本发明进一步涉及一种彩色投影设备，该投影设备包括三个初始影象源，用于提供一幅画面的三个不同彩色的影象；一个光束再组合装置，用于将影象源发出的三个分光束组合成一个彩色光束；以及一个投射透镜系统，用于将该光束投射到一投射屏幕上。此设备的特征在于，其中的光束再组合装置是按前面已叙述过的方式构成的。
术语“画面”应理解为有较宽的含意，可包括电视影象、图文信息、数字信息、或它们的组合，初始影象源可以由液晶图象显示板、按漫射(dispersion)方式工作的图象显示板(例如PDLC(Polymer Dispersion Liquid Crystal，聚合物漫射液晶)、称作DMSsDigital Mirror Devices，数字式镜面装置)的包括一组小镜面阵列的平板、或阴极射线管等。
参看以下所述实施例，对于本发明的各个方面将会有更清楚的了解。
附图中：
图1示出可用本发明的一个彩色投影设备；
图2示出用在该设备中的一个已知的光束再组合装置；
图3示出按照本发明的一个光束再组合装置的第一实施例；
图4示出按照本发明的一个光束再组合装置的第二实施例；和
图5示出带有反射影象显示板的一个彩色投影设备，其中用到了本发明。
图1示出一种彩色投影电视设备的一个实施例。该设备包括三个主要部分：照明系统A、影象显示系统B、和例如伸缩透镜组的投射透镜系统C。照明系统的主轴OO’与光轴DD’对准，其开始分成三个分轴，然后各分轴再连接到与投射透镜系统的光轴EE’相重合的一条光轴上。
从照明系统A发出的光束射到彩色选择反射器1(例如分色镜)上，该反射器反射例如蓝色分量bB而透射光束的其他分量。光束的一部分到达第二个彩色选择反射器2，该反射器反射绿色分量bG，并让剩下来的红色分量bR透射到反射器3上，反射器3再将红光束反射到投射透镜系统中。反射器3可以是一个中性反射器，或者是一个最佳红光反射器。蓝光束由一个中性的或蓝光选择的反射器4反射到一个液晶板形式的显示板7上。该置示板以已知方式被电驱动，使投射影象的蓝色分量呈现在该显示板上。蓝信息调制的光束经一彩色选择反射器5和6到达投射透镜系统C，其中反射器5透过蓝光束而反射绿光束，而反射器6反射蓝光。绿光束bG透过第二个显示板8，并在此经绿影象分量的调制，然后被彩色选择反射器5和6完全反射到投射透镜系统C。红光束bR透过第三个显示板9，并在此经红影象分量的调制，然后经彩色选择反射器6到达投射透镜系统。
蓝、红、绿三光束在该投射透镜系统的入口处重叠，从而产生彩色影象，再由此系统以放大的形式成象在一个投射屏幕上(图1中未进一步示出该屏幕)。
照明系统A与显示板7、8、9中每一个之间的光程长度最好相等，以使在其显示板部位光束bB、bG和bR有相等的横断面。显示板7、8、9与投射透镜系统的进入孔之间的光程长度最好也相等，以使各不同色彩的画面能在投射屏幕上满意地重合。
附加的透镜10、11和12可安放在显示板7、8和9的前面，这些透镜可使来自照明系统出口面的全部辐射光集中到投射透镜系统C的入口光瞳中。
图2详细示出一个常规的光束再组合装置。其中彩色选择反射器5和6分别包括设在透明基板(例如玻璃板)20和22上的反射层21和23。绿色分光束bG从平板8发出，经反射层21和在其光路上的反射层23的反射(不透过基板20和22的反射层)而到达投射透镜系统C。红色和蓝色分光束bR和bB分别透过基板22和20一次，以将象散引入这俩分光束中。如果在投射透镜系统中对该象散作了矫正，则在透过该系统的绿色分光束中就会产生象散，于是不能实现完全的矫正。
这一问题在图3所示的本发明的光束再组合装置中得到解决。该装置中，彩色选择层21设在基板25上，板的厚度是元件6的基板22的厚度之半。第二个基板，即板26，其厚度与基板22的厚度相同，设在层21的上方。基板25和26的析射率与基板22的折射率一样。在其从平板8开始的光路上，绿色分光束bG透过基板26，接着被层21反射，再第二次透过基板26，然后由层23反射到投射透镜系统C。蓝色分光束bB先透过基板25，再透过基板26，然后被层23反射。因此，分光束bG和bB各透过厚度为基板22厚度之半的一个基板的厚度两次，而红色分光束bR透过基板22的厚度一次，因此，全部分光束均有效地以相同角度透过了有相同厚度和折射率的基板。这使得引入这些分光束中的象散是相同的，该象散等于图2所示装置中光束bR和bG内的象散。由于三个分光束中的象散都相等，故能借助组合光束bC的光路中的一个元件，如柱形透镜28，加以矫正。带有矫正元件28的光束再组合装置构成了一个自矫正装置，使之可装在一个设备中而不必为该设备采用其他的光学系统。
也可以不用柱形透镜，而用另一种矫正元件，例如倾斜安放的平行平板、光楔、棱镜、或倾斜安放的球面镜等。
图4示出了第二个实施例。其中彩色选择反射镜5和6与图3中的相同，只是绿色分光束bG所透过的光路中这时包括了一个透明板27，该板与基板20和22有相同的折射率和相同的厚度。在其至反射器6的光路上，分光束bG和bB在板或基板材料与周围介质之间的渡越只有两次而不是图3中的四次，因此错反射(false reflections)的风险就比图3所示装置中的小。在LCD板8与反射器5之间只有较小空间的投影设备的一些实施例中，采用图3的方案是较好的。
在上述实施例中，板27和基板25及26的折射率本身和厚度本身不一定要等于基板22的折射率和厚度或其一半，只要板27和基板25及26的折射率和厚度的乘积与基板22的相应乘积相等或为其一半即可。
本发明还可用于其中有三个提供红、绿、蓝色影象的阴极射线管的投影设备中。这种设备类似于图3所示的装置，但其中以阴极射线管替代了板7、8和9。在该设备中，没有图1中所示的照明系统A和反射器1、2、3及4。
本发明也可用于其中有反射图象显示板的彩色投影设备中。该反射图象显示板例如可以是LCD板，它有一个反射器或含一组能单独被激励的多个可倾斜镜面阵列的显示板。最后所述的显示板为已知的称为DMD (Digital Mirror Device，数字式镜面装置)的显示板，在美国专利US-4,615,595中具体作了介绍。
图5示出了这种设备的一个实施例，其中光束再组合装置也用作光劈装置。通过前面的说明，对该装置无须再作进一步解释。为了使板30、31和32反射的分光束与入射到这些板上的分光束在空间上分开，例如可以使后者的入射角大于零度。为了限制投影设备的尺寸，最好用一个分光元件35，它可以将来自照明系统A的光束bi反射到各个板上，而允许组合光束bc透过，到达投射透镜系统C。为了尽量减少光的损失，元件35最好采用美国专利US-4,969,730中所述的TIR(Total Internal Reflaction，全内反射)元件。
前已提到，彩色选择元件5和6可用分色镜构成。在此情况下，图3、4和5中的层21和23包括许多具有给定折射率和给定厚度的分层，这些分层共同保证了给定颜色的光通过而其他颜色的光被反射。一种替代方法是，可用胆甾醇滤光器作为彩色选择反射器，这在1990年10月的第29卷第10号第1974-1984页的“日本应用物理杂志”的文章“新型液晶极化彩色投影原理”中作了描述。胆甾醇镜面有一液晶材料的光层，它有给定螺距的螺旋形结构。这种镜子反射圆偏振光，其旋转方向与分子螺旋线的旋转方向相应，而波长与分子螺旋线的螺距适应，在其他波长下则透过光。
除可用于上述设备中外，本发明通常还可用于其中各不同彩色的分光束必须借助平板形彩色选择反射器而组合成一条光束的光学成象系统中。

Claims (4)

1.一种光学装置，用以将不同色彩的三个分光束(bG，bB，bR)组合成一个彩色光束(bC)，该装置包括各设在一个单独透明基板(20，22)上的第一彩色选择反射器(21)和第二彩色选择反射器(23)，第一彩色选择反射器(21)反射第一分光束(bG)而透过第二分光束(bB)，第二彩色选择反射器(23)反射第一(bG)和第二分光束(bB)而透过第三分光束(bR)，在第一反射器(21)的前面安排有一个附加的透明平板(26；27)，而在所述彩色光束(bC)的光路上设有一个象散矫正元件(28)，其特征在于，所述附加的透明平板(26；27)安排成具有这样的位置和使其折射率与厚度有这样的乘积，即对于通过所述光学装置的有效透过透明平板的光路上的每个分光束，所述透明平板的折射率与厚度的乘积等于第二彩色选择反射器(23)的单独基板(22)的折射率与厚度的乘积。
2.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述附加的透明平板(27)只设置在第一分光束(bG)的光路上，并且该透明平板和所述第一彩色选择反射器(21)的透明基板(20)的折射率与厚度的乘积都分别等于所述第二彩色选择反射器(23)的单独基板(22)的折射率与厚度的乘积。
3.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述第一彩色选择反射器(21)夹在所述附加的透明平板(26)与透明基板(25)之间，该第一彩色选择反射器(21)的透明基板(25)和附加的透明平板(26)的折射率与厚度的乘积都分别等于所述第二彩色选择反射器(23)的基板(22)的折射率与厚度的乘积之半。
4.一种彩色投影设备，包括三个初始影象源，用于提供一幅画面的三个不同彩色的影象；一个光束再组合装置，用于将影象源发出的三个分光束组合成一个彩色光束，以及一个投射透镜系统，用于将该光束投射到一投射屏幕上；其特征在于，其中所述的光束再组合装置为上述权利要求1、2或3中所述的装置。
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