CN1608383A - 用于投影显示器的横向色差补偿 - Google Patents

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Abstract

补偿数字彩色图形投影显示器(400)中横向色差效应是通过为投影显示器(400)提供投影光学装置(4542、652)并且提供多个组分原色物面实现的，所说的投影光学装置在某种程度上是非远心的，因而可为通过投影光学装置(452、652)投影收集离轴光建立倾斜的几何结构，组分原色物面用于通过投影光学装置(452)投影显示不同原色的物体数字图形。在距投影光学装置(452、652)不同有效轴向距离的至少两个组分原色物面(690R、G、B)分别键控到投影光学装置(452、652)的收集的倾斜性质的离轴光和不同原色的投影光学装置(452、462)产生的横向放大系数的横向色差之差，因此趋向于补偿横向放大系数的彩色相关之差。

Description

用于投影显示器的横向色差补偿
技术领域
本发明涉及彩色数字图形的投影显示器设备和用于这种投影显示器设备的投影光学装置透镜***。
背景技术
典型的彩色数字图形的投影显示器设备使用3个数字图形编码的光束调制器板，一个光束调制器板用于彩色图形的红、绿、和蓝组分中的每一个组分。光束调制器板的例子包括：透射式多晶硅液晶显示器(LCD)、反射式数字微透镜设备(DMD)、和反射式液晶显示器(RLCD)-也称之为在硅显示器上的反射式液晶(LCoS)。通常，利用组组分色光束重组光学装置将来自3个板的图形编码光束组合起来，再通过单个投影透镜投影。
随着对于较高的分辨率、较高的像素计数、和较小的设备的要求的增加，设计用于彩色数字图形投影显示器的投影透镜的困难也越来越大。成为重点的投影透镜的一个特征是称之为“横向色差”的特征。横向色差指的是色差，它涉及图形的横向放大对于波长或颜色或图形的颜色的依赖关系。横向放大随颜色的这种变化通常导致来自红、绿、蓝数字图形编码的光束调制器板的叠加的组分色图像图形的会聚度从投影图形显示器中心向外的变化。因此，如果数字图形编码板的位置使图形的组分色像素在显示器的中心存在完美的会聚，则在显示器边缘的一个或多个像素可能没有产生彩色会聚。彩色会聚的这种变化恶化了图形的质量，尤其是对于计算机图形显示器的投影。
受到限制的横向色差发散在3板式投影监视器中是个重要的问题。例如，使用具有1200×1600个像素的板阵列的投影监视器，其中每个像素约为10平方微米，设计目标是1/2或更少的横向色差发散，这是投影透镜厂商要实现的一个困难的问题。具有这种板阵列的常规的投影监视器在图形的角落具有约12微米的横向色差发散，这个横向色差发散是在板阵列测到的，这个横向色差发散大于一个像素。这样大小的横向色差发散在计算机显示监视器应用中是个重要的问题，在这里图标和菜单通常放在图形显示器的边缘。在一般情况下，为了补偿横向色差效应，可能必须增加一个投影透镜，使尺寸增加，并且还要包含附加的元件，这导致设计复杂性提高和成本增加。实际上，只有透镜设计不足以满足提高显示分辨率的要求。
电子投影显示器的发展方向是基于反射式偏振调制器的***，这个***使用了反射式液晶偏振调制器。基于反射式偏振调制器的许多基础结构使用了如下的安排：其中从偏振调制器板到投影透镜的距离与投影透镜的焦距相比是大的。对于背投显示器，例如投影监视器和投影电视，这尤其是对的。在一般情况下，后焦距越大，产生投影透镜就越困难。另一种光学设计的限制是对于“远心性”的要求，这一限制使投影透镜成为产生这种***的关键挑战。远心透镜***有一个无限远的入口光瞳。入口光瞳在无限远的所谓的主光线(也称之为主要光线)意指：主光线平行于光轴，因此在图像上的每一点都具有相同的一组角度或者相同的光瞳性质。
在授予Chiu等人的美国专利NO.5777789中公开了一种常规的使用反射式液晶偏振调制器和远心投影透镜的数字图形投影仪。这个专利的投影仪有一个金属-囟化物弧光灯用作投影仪的未经偏振的“白”光。来自弧光灯的光穿过照明光学装置，照明光学装置的功能是形成大体上平行的、可见的白光照明光束，这个光束相对于在投影仪中使用的液晶偏振调制器的偏振调制面来说，在空间上有大体均匀的强度。把非偏振照明光束引入偏振分束器立方体，偏振分束器立方体将非偏振光束***为两个光束，这两个光束大体上是偏振光(按照传统，这并非完美)，两个光束的相应偏振大体上是相互正交的。在这个专利的数字图形投影仪的偏振分束器立方体中这样产生的两个光束之一用作大体上偏振的源光束，并且从偏振分束器立方体传送到彩色分束/组合棱镜组件中。彩色分束/组合棱镜组件由3个棱镜组成，棱镜的某些面涂以二色性的涂料，以便从大体上偏振的源光束的可见白光中依次分开红、蓝、绿光组分，并且将每个大体上偏振的组分色光束引向对应的反射式液晶偏振调制器，在这个专利中也称之为“光阀”。
定位这个专利的数字图形投影仪的三个偏振调制器中的每一个，使一个反射式偏振调制器的表面垂直于相对离开彩色分束/组合棱镜组件的一个色组分出射面的、相应的大体上偏振的彩色组分光光束确定的组分束光路。按照这个专利所述的，通过用机械方法相对于棱镜组件的彩色组分光束出射面调节偏振调制器，可使反射式液晶偏振调制器的图像重合在投影屏幕上。在一般情况下，反射式偏振调制器的作用是：按照加到偏振调制器上的信号、借助于光束光的偏振的选择性的转动、在偏振调制器表面上逐个像素地、按空间调制相应的彩色组分光束的偏振，所说的偏振调制器对于期望的复合彩色图形的组分色图像进行编码。具体来说，对于要以指定颜色照射的最终成像的的图形的每个像素，通过反射式液晶偏振调制器在偏振调制表面上的一个位置，就可以转动这个颜色的大体上偏振的彩色组分光束的偏振，所说的这个位置对应于在最终成像的图形中这个像素的位置。这样的照明像素称之为“亮”像素。相反，对于没有以指定颜色照射的最终成像的图形的每个像素，通过反射式液晶偏振调制器在偏振调制表面上的一个位置，使这个颜色的大体上偏振的彩色组分光束发生反射，光束的偏振没有改变，所说的这个位置对应于在最终成像的图形中这个像素的位置。这样的照明像素称之为“暗”像素。
彩色分光束像这样由这个专利的数字图形投影仪的的液晶偏振调制器进行按空间的有选择性的调制后发生了反射，从偏振调制器的反射式偏振调制器表面沿相应的组分束光路基本上向后反射通过彩色分束/组合棱镜组件。3个反射的彩色组分光束中的每一个都实质上要通过棱镜组件返回到它原来的路径，并且与其它两个彩色组分光束重组形成一个复合的按空间选择偏振的调制光束。复合光束从彩色分束/组合棱镜组件射出并送入偏振象素组分束器立方体。偏振分束器立方体使复合光束分解成一个偏振调制的亮像素的组分光束(其中携带由亮像素组成的复合彩色图形)和一个非偏振调制的暗像素的组分光束(其中携带由暗像素组成的彩色负图形)。由于暗像素组分光束的偏振不由反射式液晶偏振调制器改变，所以暗像素组分光束通过投影仪向照明光源的弧光灯返回光路。引导偏振调制的亮像素的分光束从偏振分束器立方体进入这个专利的数字图形投影仪的投影透镜。按照这个专利，投影透镜是一个负焦距远心透镜，可以适应大的玻璃工作距离和远心照明。投影透镜的用途是向投影屏幕投影期望的复合彩色图形。
在一般情况下，投影显示器的设计致力于实现“完美的”投影图形。然而，投影显示器的设计师们却面临着一些困难，如维持投影图形的正确高度、以及横向色差效应，如此等等。无论是单个的数字图形编码的光束调制器板或者是多个数字图形编码的光束调制器板，设计师都必须通过透镜实现这样一种“完美的”成像图形。然而，只通过透镜***实现这样一种“完美的”成像图形是存在问题的，而且经常是成本很高，因此在经济上超越了实际可能性。无论是把这样的透镜***放在光束调制器板的前方还是放在它的后方，通常出现横向色差方面的问题，即使使用当前可以得到的最好的透镜***亦是如此。试图实现“完美的”成像图形的投影显示器的设计师们实际上被透镜***所束缚。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种投影显示器设备和一种投影光学透镜***，用于补偿数字彩色图形投影的横向色差效应。这个目的是通过如权利要求1所规定的按照本发明的投影显示器设备和如权利要求4所规定的投影光学装置透镜***来实现的。
从广义来讲，在数字彩色图形投影显示器中横向色差色差效应的补偿，在本发明中是通过提供在某种程度上非远心的投影显示器所用的投影光学装置以建立倾斜的几何条件从而通过投影光学装置收集用于投影的离轴光、并且通过提供物面以便通过投影光学装置投影显示不同原色的物体数字图形而实现的，所说的投影光学装置位于距投影光学装置不同的有效轴向距离，所说的轴向距离可以分别键控到投影光学装置收集的离轴光的倾斜几何位置以及由不同原色的投影光学装置横向放大中的横向色差之差，因此在横向放大中的这种颜色相关之差趋向于得到补偿。
优选地，本发明的数字彩色图形投影显示器提供3个组分原色物面，分别用于红、绿、蓝的物体图形。3个组分原色物面距投影光学装置的有效轴向距离最好互不相同。
本发明的投影显示器最好包括3个组分原色数字图形编码的光束调制器板，分别对应于红、绿、蓝组分原色之一。每个光束调制器板最好包括多个安排在一个平面阵列中的多个光调制器像素元。每个组分原色数字图形编码的光束调制器板最好利用靠近投影显示器的相应的组分原色物面的光束调制器板的光调制器像素元的平面阵列来定位。组分原色光束调制器板的每个光调制器像素元适于按可控的方式用光学的方式根据加到光束调制器板的图形编码控制信号来调制照射像素元的光。组分原色光束调制器板的光调制器像素元最好适于按照期望的复合彩色数字图形的相应的原色图形分量、整体式地、以像素阵列地基元、用光学的方式、并且按空间来调制照射光束调制器板的组分原色光束。可以分别对于每个图形编码的组分原色光束确定一个组分原色编码的光束中心轴，每个组分原色编码的光束中心轴在基本上垂直入射时并在组分原色光束调制器板中心轴交叉点与相应的组分原色光束调制器板交叉。用于确定在3个组分原色光束调制器板上的光调制器像素元的位置的对应的平面阵列，以及对应的组分原色调制器板中心轴的交叉点，在几何形状方面最好彼此基本叠合(congruent)。可以将物体像素分开的距离确定为在光束调制器板中相邻像素元之间的从中心到中心的平均距离。
本发明的投影显示器的复合彩色图像平面最好有一个相对于所说复合彩色图像平面确定的复合彩色像素位置阵列。在复合彩色图像平面中的每个复合彩色像素位置最好对应于在光束调制器板上定位的大体上叠合的位置的3个光调制器像素元。可以相对于投影光学装置确定投影光学装置中心轴，它穿过投影光学装置的中心。本发明的投影显示器的投影光学装置有一个投影光学装置孔径光阑，它沿投影光学装置中心轴定位在投影光学装置孔径光阑位置。通过投影光学装置中心轴与复合彩色图像平面相交可以确定一个复合彩色图像中心轴交叉点，它与3个组分原色调制器板中心轴交叉点相对应。
复合彩色图像测试点的位置最好在本发明的投影显示器的复合彩色图像平面内确定，复合彩色图像测试点从复合彩色图像平面中心轴交叉点开始横向移动，对应于复合彩色图像平面中单个复合彩色像素的位置。在复合彩色图像平面中的复合彩色图像测试点的位置最好对应于3个光调制器的物体测试点像素元，光调制器的物体测试点像素元分别定位在3个组分原色光束调制器板上的基本叠合的位置。对于每个组分原色，可以确定一个组分原色测试点的主要光线径迹，以此作为组分原色光线进行跟踪，从复合彩色图像平面中的复合彩色图像测试点位置开始、通过投影光学装置、穿过投影光学装置孔径光阑的中心点、并且通过投影显示器的任何干预光学装置(invervening optics)、在从光束调制器板的中心轴交叉点开始横向移动的一个点与相应的组分原色光束调制器板相交。3个组分原色测试点主要光线径迹中的每一个都按光学方式跟踪组分原色相关路径，组分原色相关路径表现出光学装置在通过主要光线径迹时的色差，其中包括横向放大中的横向色差色差之差。本发明的投影显示器的投影光学装置的投影光学装置孔径光阑的投影光学装置孔径光阑位置是非远心的孔径光阑位置，所以每个组分原色测试点主要光线径迹与相应的组分原色光束调制器板以一个非远心交角相交，所说的组分原色光束调制器板相对于光束调制器板的法线是倾斜的，相交的交点在按照倾斜的几何条件收集离轴光以便用于非远心投影光学装置的投影的交叉点。3个组分原色光束调制器中的每一个最好都是利用距投影光学装置的有效轴向距离逐个地单独轴向定位，因此，如果考虑到组分原色测试点主要光线径迹与相应的组分原色光束调制器板相交的非远心交角，并且考虑到色差包括了在相应的组分原色的横向放大中的横向色差之差，相应的组分原色测试点主要光线径迹与光束调制器板在相应的物体测试点像素元的中心的像素间距的大约一半之内相交，因此投影光学装置的不同组分原色的光线的横向放大之差趋向于在由投影光学装置在复合彩色图像平面内成像的整个复合彩色图形上得到补偿。
本发明的投影显示器的数字图形编码的光束调制器板可以包括透射式多晶硅液晶显示器(LCD)、反射式数字微型反光镜设备(DMD)、或者反射式液晶显示器(RLCD)。
在本发明的投影显示器的一个实施例中，每个组分原色数字图形编码的光束调制器板都是用光束调制器板的光束调制器像素元的平面阵列定位的，所说光束调制器像素元的平面阵列的位置基本上与相应的组分原色物面重合。在本发明的投影显示器的一个实施例中，至少一个组分原色数字图形编码的光束调制器板是利用与相应的组分原色物面分隔开的光束调制器板的光调制器像素元的平面阵列定位的，二者分开的距离等于组分原色像素会聚的散焦距离，因此相应的组分原色测试点主要光线径迹，在相应的光束调制器物体测试点像素元的中心的物体像素间隔距离的大约一半之内，与光束调制器板相交。
用于能够有效补偿横向色差色差效应的数字彩色图形投影显示器的本发明的投影光学装置透镜***具有一个投影光学装置光入射端口和一个投影光学装置光出射端口。相对于投影光学装置透镜***确定一个投影光学装置中心轴，它穿过透镜***的中心并沿轴向从入射端口和出射端口轴向延伸。
相对于透镜***确定一个复合彩色图形投影显示图像平面，在这个平面中可以通过本发明的投影光学装置透镜***对于复合彩色图形成像，从而使这个平面可以大体上垂直于透镜***的投影光学装置中心轴延伸，所说的中心轴沿投影光束出射传播方向与投影光学装置出口端口间隔开。通过投影光学装置中心轴与图像平面相交可以确定在复合彩色图形投影显示图像平面中的图像平面中心轴交叉点。
对于3个组分原色(最好是红、绿、蓝)中的每一个组分原色，确定一个组分原色投影显示物面，使其基本上垂直于本发明的投影光学装置透镜***的投影光学装置中心轴延伸，组分原色投影显示物面沿投影光束入射传播方向的反方向与投影光学装置光入射端口间隔开。通过投影光学装置中心轴与对应的物面相交，分别对于3个组分原色投影显示物面中的每一个确定一个组分原色物面中心轴交叉点。
对于3个组分原色中的每一个组分原色，本发明的投影光学装置透镜***适于向复合彩色图形投影显示图像平面投影成像位于相应的组分原色投影显示物面中的组分原色的图形。投影光学装置透镜***表现出有横向色差色差。例如，对于不同的组分原色，测试复合彩色物体图形的横向放大系数可能是不同的，所述的测试复合彩色物体图形相对于投影光学装置中心轴在横向有一个范围，测试复合彩色物体图形位于沿投影光学装置透镜***中心轴的测试物***置，并且由透镜***向复合彩色图形投影显示图像平面投影形成。
本发明的投影光学装置透镜***包括一个入口光学元件，它具有一个入口光学表面，位于投影光学装置入射端口。投影光学装置中心轴和投影光学装置透镜***的入口光学表面相交，从而可以确定一个物面距离基点。对于每个组分原色投影显示物面都确定一个组分原色物面轴向位置距离，这个距离从投影光学装置的入口光学表面上的物面距离基点到相应的组分原色物面的物面中心轴交叉点。
本发明的投影光学装置透镜***有一个投影光学装置孔径光阑，它定位在沿投影光学装置中心轴的投影光学装置位置。
在复合彩色图形投影显示图像平面内确定一个针对本发明的投影光学装置透镜***的复合彩色图像测试点位置，这个测试点位置在横向与图像平面中心轴交叉点分开。对于每个组分原色，分别确定一个组分原色测试点主要光线径迹，作为相应的组分原色的光线进行跟踪，从复合彩色图形投影显示图像平面中的横向移动的复合彩色图像测试点位置进入投影光学装置出射端口，通过投影光学装置透镜***并通过投影光学装置孔径光阑的中心点、并离开投影光学装置入射端口，从而与相应的组分原色投影显示物面相交。3个组分原色测试点主要光线径迹中的每一个都分别跟踪一个相应的组分原色相关路径，通过投影光学装置透镜***，其中表现出透镜***的色差，该色差包括横向色差色差。在每个组分原色测试点主要光线径迹和相应的组分原色投影显示物面之间的交叉点确定了一个相应的组分原色物体测试点位置。3个组分原色物体测试点位置中的每一个位置，从光学角度看，对于相应的组分原色的光来说，与复合彩色图形投影显示图像平面中的横向移动的复合彩色图像测试点位置是共轭的。每个组分原色物体测试点位置从相应的组分原色投影显示物面的物面中心轴交叉点开始发生横向移动，从而可以确定组分原色物体测试点横向移动距离。
本发明的投影光学装置透镜***的投影光学装置孔径光阑的投影光学装置孔径光阑位置是非远心孔径光阑位置。因为是非远心孔径光阑位置，所以每个组分原色测试点主要光线径迹与相应的组分原色投影显示物面以一个非远心交角相交，相对于交叉点物面的法线是倾斜的。3个组分原色投影显示物面沿投影光学装置中心轴具有相应的轴向位置，因此，如果考虑到相应的组分原色测试点主要光线径迹与相应的组分原色物面相交的非远心交角，并且考虑到所说的色差包括不同的组分原色在透镜***的横向放大中的横向色差色差之差，则对于3个组分原色投影显示物面的组分原色物体测试点横向移动距离基本上彼此相等。3个组分原色投影显示物面的相应的轴向距离应该是这样的：3个组分原色投影显示物面中的至少两个组分原色投影显示物面、并且最好是所有3个组分原色投影显示物面的相应的组分原色物面轴向位置距离彼此相等，使得由本发明的投影光学装置透镜***的横向色差引起的不同组分原色光线的横向放大之差，在由透镜***在复合彩色图形投影显示图像平面中成像的整个复合彩色图像上趋向于至少部分地得以补偿。
优选地，本发明的投影光学装置透镜***适于投影成像3个组分原色中的每一个组分原色的物体图形，物体图形的尺寸可落在一个相应的大体成长方形的物体图形场中，物体图形场指的是相应的组分原色投影显示物面。例如，这样一个物体图形场最好对应于数字图形编码的光束调制器板的调制器表面的尺寸。每个物体图形场都有一个高度尺寸和一个宽度尺寸，高度尺寸对于所有3个物体图形场都相同，宽度尺寸对于所有3个物体图形场都相同。在投影光学装置透镜***的光入口表面上的物面距离基点和相应的组分原色物面的物面中心轴交叉点之间的每个物面轴向位置距离最好至少是物体图形场的高度尺寸和宽度尺寸二者中的较小者的数值的2倍，因此当将这样的投影光学装置透镜***放入数字彩色图形投影显示器内时，可将偏振分束器元件和光束彩色分解/组合元件安装在透镜***的投影光学装置入射端口和投影显示器的组分原色数字图形编码的光束调制器板之间，光束调制器板最好分别定位在距投影光学装置入射端口的有效轴向距离等于相应的组分原色物面轴向位置距离的位置。
最好在用于本发明的投影光学装置透镜***的复合彩色图形投影显示图像平面上确定一个图像图形场，以便与组分原色投影显示物面的物体图形场相对应。优选地，在复合彩色图形投影显示图像平面上的复合彩色图像测试点的位置定位在图像图形场之内，靠近图像图形场的周边。
优选地，在本发明的投影光学装置透镜***中，每个组分原色测试点主要光线径迹在与相应的组分原色投影显示物面相交的交叉点处沿投影光束入射传播方向的大体反方向从投影光学装置中心轴开始发散。
优选地，在本发明的投影光学装置透镜***中，3个组分原色投影显示物面的相应的组分原色物面轴向位置距离彼此不同。
本发明的用于投影期望的复合彩色数字图形以便观看的投影显示器包括一个投影显示器外壳和一个照明源，照明源定位在投影显示器外壳内的一个照明源物***置，提供白色光谱的照明光。优选地，光束形成光学装置定位在投影显示器外壳内，从照明源接收照明光。光束形成光学装置适于从这种光中形成一个大体上沿相对于光束形成光学装置确定的照明光束中心轴传播的经过聚焦的照明光束。
本发明的投影显示器最好还包括一个偏振分束器。相对于偏振分束器确定一个照明光束接收轴、按暗像素偏振状态偏振的光束轴、按亮像素偏振状态偏振的光束轴。偏振分束器适于接收大体上沿照明光束接收轴向偏振分束器传播的照明光束，从照明光束中分开大体上沿暗像素偏振状态的偏振光束轴从偏振分束器向外传播的线偏振的暗像素偏振状态的光束，从而可以接收混合偏振的图形编码光束，其中包含暗像素偏振状态的线偏振光(含彩色负图形)以及亮像素偏振状态的线偏振光(含期望的复合彩色图形)，所说的线混合偏振的图形编码光束大体上沿暗像素偏振状态的偏振光束轴向分束器传播，并且从而可以分开混合偏振图形编码光束，使之成为大体上沿照明光束接收轴离开偏振分束器的方向传播的暗像素偏振状态的线偏振光(含彩色负图形)和大体上沿亮像素偏振状态的偏振光束轴从偏振分束器向外传播的亮像素偏振状态的线偏振光(含期望的复合彩色图形)。偏振分束器的照明光束接收轴最好有效地与照明光束形成光学装置的照明光束中心轴对齐。
本发明的投影显示器最好还包括光束彩色分割/组合光学装置，它具有一个复合光束入射/出射端口和3个组分原色子光束出射/入射端口。光束彩色分割/组合光学装置适于接收大体上沿复合光束入射/出射中心轴传播并进入复合光束入射端口/出射端口的白光光谱入射光束，分割白光光谱入射光束为3个组分原色出射子光束，并且投影分别来自相应的组分原色出射/入射端口的、大体上沿相应的组分原色子光束出射/入射中心轴传播的、每个组分原色出射子光束。光束彩色分割/组合光学装置还适于：分别接收大体上沿相应的组分原色子光束出射/入射中心轴传播的并进入3个组分原色出射端口/入射端口中的相应的一个端口中的3个组分原色中的每一个的入射子光束，组合3个组分原色入射子光束成为一个复合彩色出射光束，并且投影大体上沿复合光束入射/出射中心轴传播的来自复合光束入射/出射端口的复合彩色出射光束。优选地，确定光束彩色分割/组合光学装置在投影显示器外壳中的位置和方向，使复合光束的入射/出射中心轴与偏振分束器的暗像素偏振状态偏振光束轴有效可靠地对齐。优选地，与每个组分原色相应地，确定通过光束彩色分割/组合光学装置和偏振分束器的一个组分原色中心光路，以此作为相应的组分原色光的亮像素偏振状态的线偏振子光束的中心轴，所说的组分原色光大体上沿相应的组分原色子光束出射/入射中心轴又通过光束彩色分割/组合光学装置和偏振分束器进入相应的组分原色子光束出射/入射端口，并且大体上沿着亮像素偏振状态的偏振光束轴离开偏振分束器向外。
本发明的投影显示器最好还包括安装到投影显示器外壳的投影光学装置，它具有投影光学装置光入射端口和光出射端口。最好相对于投影光学装置确定投影光学装置中心轴，它穿过光入射端口和光出射端口的中心。优选地，偏振分束器的亮像素偏振状态的偏振光束轴可靠有效地与投影光学装置的投影光学装置中心轴对齐。投影光学装置沿着投影光学装置中心轴在投影光学装置孔径光阑位置有一个投影光学装置孔径光阑。投影光学装置适于：通过光入射端口接收大体上沿投影光学装置中心轴传播的含复合彩色图形的光束、并且通过光出射端口投影所说的光束以便在图形显示图像平面有效地成像复合彩色图形，所说图形显示图像平面最好大体上垂直于投影光学装置中心轴延伸。投影光学装置最好包括一个入口光学元件，入口光学元件有一个入口光学表面，含有图形的光束通过入口光学表面进入入射端口。优选地，确定投影物体距离的基准点，它是投影光学装置中心轴与投影光学装置的入口光学表面的交叉点。投影光学装置表现出横向色差色差。例如，对于不同的组分原色，相对于投影光学装置中心轴具有一个横向范围的测试复合彩色物体图形的横向放大系数可能会不同，所说的测试复合彩色物体图形沿着投影光学装置中心轴放置在测试物体图形位置并且通过投影光学装置投影到图形显示图像平面。
优选地，本发明的投影显示器还包括3个反射式组分原色数字图形编码的偏振调制器。每个反射式组分原色数字图形编码的偏振调制器最好都有一个基本上是平面形状的、其中包括排列成平面阵列形式的多个单个可控的反射式偏振调制器像素元的、反射式偏振调制器表面。每个这样的反射式组分原色偏振调制器的位置最好能使出射子光束与光束彩色分割/组合光学装置的3个组分原色的光出射/入射端口中的相应的一个呈相交的关系(interception relationship)，并且每个这样的反射式组分原色偏振调制器的取向最好使反射式偏振调制器的偏振调制器表面能够面对对应的组分原色光出射端口/入射端口，并且使所说的偏振调制器表面能够大体上垂直于相应的组分原色子光束出射/入射中心轴延伸。优选地，对于每个反射式偏振调制器表面，都确定一个偏振调制器表面中心轴交叉点，即偏振调制器表面与相应的组分原色子光束出射/入射中心轴相交的交点。优选地，在3个组分原色偏振调制器的偏振调制器表面上定位反射式偏振调制器像素元的位置的相应的平面阵列以及偏振调制器表面的相应的偏振调制器表面中心轴交叉点，最好彼此基本上叠合。最好对于每个反射式偏振调制器表面确定一个偏振调制器表面轴向位置距离，这个距离从偏振调制器表面的偏振调制器中心轴交叉点、沿相应的组分原色中心光路、通过光束彩色分割/组合光学装置和偏振分束器、到投影光学装置的入口光学表面上的投影物体距离基准点。
优选地，在本发明的投影显示器的反射式组分原色数字图形编码的偏振调制器中，每个反射式偏振调制器像素元都适于反射落在像素元上的线偏振组分原色光，并且按照加到偏振调制器上的图形编码的控制信号来调制反射的线偏振光的偏振。优选地，组分原色数字图形编码的偏振调制器的偏振调制器表面的反射式偏振调制器像素元适于整体式地、逐个像素阵列地、对于线偏振的组分原色暗像素偏振状态的出射子光束的偏振进行反射式的空间调制，所说的出射子光束按照期望的复合彩色数字图形的相应的原色分量图形从光束彩色分割/组合光学装置的相应的组分原色子光束出射/入射端口向偏振调制器表面投影，从而可以形成一个反射式的、混合偏振的、图形编码的、组分原色入射子光束，将这个入射子光束引入相应的组分原色出射/入射端口。优选地，图形显示图像平面有一个用关联的方法确定的复合彩色像素位置的阵列。在图形显示图像平面中每个这样的复合彩色像素位置最好都对应于3个反射式偏振调制器像素元，这3个像素元分别定位在3个分反射式组分原色偏振调制器的偏振调制器表面上的有效叠合位置。
优选地，在本发明的投影显示器的图形显示图像平面中确定一个复合彩色图像测试点位置，这个位置距投影光学装置中心轴与图形显示图像平面相交的交点有一个横向移动。这个图像测试点位置最好对应于在图形显示图像平面中的单个复合彩色像素。在图形显示图像平面中的复合彩色图像测试点位置最好对应于3个反射式偏振调制器物体测试点像素元，这些像素元分别定位在3个反射式组分原色偏振调制器的偏振调制器表面上的有效叠合位置上，并且距偏振调制器表面的对应的偏振调制器表面中心轴交叉点有横向移动。优选地，对于每个组分原色，确定一个组分原色测试点主要光线径迹，它作为这种组分原色的亮像素偏振状态的线偏振光跟踪，从图形显示图像平面中的复合彩色图像测试点位置开始、通过投影光学装置并通过投影光学装置孔径光阑、通过偏振分束器、并通过光束彩色分割/组合光学装置，从而在从偏振调制器表面的偏振调制器表面中心轴交叉点开始发生横向移动的一个点与相应的组分原色偏振调制器的偏振调制器表面相交。3个组分原色测试点主要光线径迹中的每一个都遵循一个组分原色相关的路径，这个路径当有主要光线径迹通过光学装置时会表现出光学装置的色差，该色差包括横向色差。投影光学装置孔径光阑的投影光学装置孔径光阑位置是一个非远心的孔径光阑位置，因此每个组分原色测试点主要光线径迹与对应的组分原色偏振调制器的偏振调制器表面以一个非远心交角相交，在相交点相对于调制器表面法线是倾斜的。沿着光束彩色分割/组合光学装置的相应的组分原色子光束出射/入射端口的相应的组分原色子光束出射/入射中心轴，逐个地轴向定位3个反射式组分原色偏振调制器中的每一个，从而，如果考虑到组分原色测试点主要光线径迹与相应的组分原色偏振调制器的偏振调制器表面相交的非远心交角，并且考虑到当主要光线径迹通过光学装置时光学装置的色差包括相应的组分原色横向放大中产生的横向色差色差之差，则相应的组分原色测试点主要光线径迹与相应的组分原色偏振调制器的偏振调制器表面在偏振调制器物体测试点像素元有效地相交。优选地，本发明的投影显示器的3个反射式组分原色数字图形编码的偏振调制器中至少两个的所述的偏振调制器表面的相应的偏振调制器表面轴向位置距离彼此不同，因此由投影光学装置的横向色差色差引起的不同组分原色光线的横向放大系数之差趋向于在由投影光学装置在图形显示图像平面内成像的整个复合彩色图形上得以补偿。
优选地，本发明的投影显示器的组分原色是红、绿、蓝。
复合彩色图像测试点位置最好定位在本发明的投影显示器的图形显示图像平面的周边。优选地，复合彩色图像测试点位置定位在图形显示图像平面的周边。
优选地，3个反射式组分原色数字图形编码的偏振调制器的相应的偏振调制器表面的轴向位置距离在本发明的投影显示器中是彼此不同的。
优选地，本发明的投影显示器的每个反射式组分原色偏振调制器的偏振调制器表面至少定位在与图形显示图像平面光学共轭的一个相应的组分原色物体平面的附近。一个或多个偏振调制器表面可以与相应的组分原色物体平面分隔开一个组分原色物像素会聚的散焦距离，从而使相应的组分原色测试点主要光线径迹与偏振调制器表面在偏振调制器物体测试点像素元处相交。
用于本发明的投影显示器的合适的偏振分束器包括：MacNeille型多层介质膜偏振分束器、线-网极化器偏振分束器、或者交变的双折射/非双折射薄膜极化器偏振分束器。在授予Macneille的美国专利NO.2403731和授予Sannohe和Miyatake的美国专利NO.5453859中，概括地描述了MacNeille型多层介质膜偏振分束器，在公开的PCT国际专利申请No.WO 01/09677 No.WO 00/70386中概括描述了线-网极化器偏振分束器。在公开的PCT国际专利申请No.WO 00/70386中概括描述了交变的双折射/非双折射薄膜极化器偏振分束器。
本发明的投影显示器的光束彩色分割/组合光学装置最好包括棱镜表面装有二色性反光镜的棱镜组件以及安装二色性反光镜的板式组件(assemblies of plate-mounted dichroic mirrors)。
本发明的投影显示器的投影光学装置偏离远心条件的程度最好要适当。在投影光学装置中偏离远心条件，即使用有限的光瞳代替无限的光瞳建立一个倾斜的几何条件，为通过投影光学装置投影收集离轴光。可以利用收集离轴光的倾斜的几何条件来补偿横向色差。
在一般情况下，有限的光瞳位置也有助于投影光学装置的设计。与远心透镜组件的无限光瞳定位相比，光瞳靠近物理透镜组件放置是一个比较简单的约束条件。在规定投影光学装置的非远心光瞳位置当中提供宽容度代表一种设计自由度，相对于可比拟的远心投影光学装置的设计，所说的设计自由度趋向于简化本发明的投影显示器的投影光学装置的设计。远心条件的确有助于图像的均匀性以及棱镜彩色分束和偏振分束部件的角度可接收性。因此，对于本发明的投影显示器的投影光学装置来说，从远心条件的偏离最好保持适度和很小。
对于3个原色中的每一个提供一个单独的物体平面，可提供设计自由度，与对于3个原色需要单个物体平面的情况相比，这个设计自由度趋向于简化本发明的投影显示器的投影光学装置的设计。
可使有小量的散焦来移动组分色物体图形的横向偏移以调节本发明的投影显示器中的彩色会聚度。
在从属权利要求中规定了另外的优选实施例。从以下描述的实施例，本发明的这些和其它方面将是显而易见的，下面参照说明这些实施例详细说明。
附图说明
图1是本发明的投影显示器的一个实施例的简化示意光路图。
图2是本发明的投影显示器的一个实施例的偏振分束器、彩色分割/组合棱镜组件、红、绿、蓝反射式偏振调制器、和投影光学装置的简化示意光路图，着重表示了相应的聚焦在图像的中心的一个光线锥体和聚焦在图像显示器的周边的光线锥体的主光线缺少平行度的情况，所说的主光线来自投影光学装置的非远心光学装置。
图3是表示在现有技术的投影显示器中的横向色差发散的简化示意图，所说的投影显示器具有远心投影光学装置和定位在纵向等效显示物面的红、绿、蓝反射式液晶偏振调制器。
图4是表示在假设的投影显示器中的横向色差发散的简化示意图，所说的投影显示器具有远心投影光学装置和定位在纵向不同显示物面的红、绿、蓝反射式偏振调制器。
图5是表示在本发明的投影显示器的一个实施例中的横向色差发散的简化示意图，所说的投影显示器具有非远心投影光学装置和定位在纵向不同显示物面的红、绿、蓝反射式偏振调制器。
图6是表示本发明的用于数字图形投影显示器的投影光学装置透镜组件的一个实施例的简化示意图。
具体实施方式
现在参照图1，数字图形投影显示器400包括一个照明光束光源组件402，照明光束光源组件402包括高强度灯404和抛物柱面反光镜406，抛物柱面反光镜406形成用于投影仪的由非偏振的白光光谱光构成的照明光束408。紫外、红外、和光谱的陷波滤波器407设置在非偏振的照明光束408的路径当中，以便从光束中滤除紫外和红外频率的光并向光束的频谱提供期望颜色的频谱形状。
在数字图像投影仪400中的非偏振照明光束408的路径中定位一个光守恒的光束偏振器组件410。光束偏振器组件410大致类似于在授予Itoh和Hashizme的美国专利No.5986809中描述的光束偏振器，这里参考引用了这个美国专利公开的内容。简单地说，光束偏振器组件410包括第一透镜阵列412，第一透镜阵列412是大体上长方形的平凸第一透镜元件413组成的一个长方形阵列。在操作中，第一透镜阵列412把照明光束408分割成由聚焦的子光束组成的长方形阵列。在图1中没有表示出光束偏振器组件410对于照明光束408的总体影响以及第一透镜阵列412对于照明光束408的具体影响。光束偏振器410还包括一个偏振分束器/半波片组件414，偏振分束器/半波片组件414定位在由第一透镜阵列412产生的聚焦子光束的焦面内。偏振分束器/半波片组件414包括第二透镜阵列416和多对交替设置的细长偏振分束器膜片420和细长反射镜片422。偏振分束器膜片420和反射镜片422这两者沿垂直于照明光束408的中心光线的方向相互平行地直线延伸，并且相对于照明光束408的中心光线倾斜基本上45°的角度。第二透镜阵列416包括大体上长方形的第二透镜元件417组成的一个长方形阵列，第二透镜元件417与光束偏振器组件410的第一透镜阵列412的第一透镜元件413一一对应。第二透镜阵列414的每个第二透镜元件准直来自第一透镜阵列412的相应的第一透镜元件413的非偏振子光束，并将这个子光束引向偏振分束器/半波片组件414的偏振分束器膜片420的一个部分。偏振分束器膜片420将非偏振子光束***成两个线偏振子光束，其中第一子光束通过偏振分束器膜片420，其中第二子光束从偏振分束器膜片420向邻近的反射镜片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。反射镜片422的取向应能沿大体上平行于照明光束408的光轴411的方向反射第二线偏振子光束，使其离开偏振分束器/半波片组件414。细长的半波片条424一定要与每个偏振分束器膜片420对齐。已经通过偏振分束器膜片420的第一线偏振子光束还要通过半波片条424。半波片条424将第一线偏振子光束的偏振转动大体上90°，以便与从反射镜片422反射的第二线偏振子光束的偏振状态大体上重合一致。借此，光束偏振器组件410把非偏振照明光束408转换成线偏振照明光束409，线偏振照明光束409由具有基本上一个偏振状态的线偏振子光束的一个阵列构成，其中没有丢弃非偏振照明光束408中与任何一个特定偏振状态对应的光，效率很高。
在照明光束409的路径中定位一个大致平凸的光束整形透镜426，用于聚焦和组合在由光束偏振器组件410产生的线偏振子光束阵列中的各种子光束，使之成为聚焦并组合的线偏振照明光束。通过这样聚焦并组合多个子光束成为聚焦并组合的线偏振照明光束，最终的照明光束趋向于在光束的整个横截面上都有均匀的强度。
照明光束重新定向反光镜421反射线偏振照明光束409，以便提供投影显示器400的光学设计的物理紧凑性。在线偏振照明光束409的路径中并在照明光束重新定向反光镜421之后定位一个平凸延迟透镜466和一个微调片偏振器468。平凸延迟透镜466与平凸光束整形透镜426协同动作，用于相对于照明光学装置图像平面成像经过聚焦并组合的线偏振照明光束。微调片偏振器468的取向应使取向平行于由光束偏振器组件410产生的光束的偏振的标称方向的线偏振光通过。
在来自微调片偏振器468的线偏振照明光束409的路径中，放置一个MacNeille型多层介质膜偏振分束器470。MacNeille型偏振分束器470由第一分束器棱镜471、第二分束器棱镜472、和定位在第一和第二分束器棱镜471和472的钭面之间的多层介质偏振膜476形成。第一和第二分束器棱镜471和472由光学玻璃制成。构成多层介质偏振膜476的介质材料层在图1中没有表示出来。对于构成多层介质偏振膜476的各个层的厚度和折射率以及分束器棱镜471和472的光学玻璃的折射率进行选择，使得以大致45°的最佳偏振角入射在多层介质偏振膜476上的非偏振光能够进入多层材料，并以所谓的布儒斯特角射击在在具有不同折射率的各个层之间的相继的界面。
通过第一种材料的以布儒斯特角射击在具有不同折射率的第二种材料的界面上的非偏振光线有一部分从界面上反射，并且有一部分折射进第二种材料内。反射的光线几乎全是线偏振的，它的电场(E场)方向垂直于入射平面，入射平面是由射击在界面的光线的传播方向和垂直于界面的法线确定的。折射的光线只是部分偏振的，在入射平面的电场分量大于垂直于入射平面的电场分量。在教科书“光学”(作者为EugeneHecht，第三版，第342-346页，(Addison Wesley 1998))中可以找到关于以儒斯特角反射产生的偏振的讨论。
在MacNeille型多层介质膜偏振分束器470中，在多层介质偏振膜476中提供多个界面，以便一个接一个地以布儒斯特角反射来自通过相继的界面的光线的光的偏振分量。对于多层膜中层的厚度进行选择，以使从各个界面上反射的偏振光分量趋向于有益的增加。结果，通过相继的界面的折射光线相继变得越来越偏振，E场位于入射平面内。在一般情况下，选择足够多的层数，以使在实际上完整地穿过多层介质偏振膜476的光线有效地实现完整的线偏振，即电场位于入射平面内。反射的光线也有效地实现完整的线偏振，如以上所述，电场垂直于入射平面。在授予MacNeille的美国专利NO.2403731和授予Sannohe和Miyatake的美国专利NO.5453859中，描述了基于多层介质膜的常规的MacNeille型偏振分束器的结构。在市场上可以购买到适于投影显示器400的MacNeille型偏振分束器。
彼此相对地确定光束偏振器组件410、微调片偏振器468、和MacNeille型偏振分束器470的取向，以使入射在偏振分束器470的线偏振照明光束409通过偏振分束器470，作为分束器传送的线偏振照明光束434。从偏振分束器470通过的线偏振照明光束434的偏振状态构成了暗像素的偏振状态，因为分束器传送的线偏振照明光束434在偏振状态不变的情况下沿离开分束器时光束所在的轴线直接反射回到偏振分束器470里，这有可能使这样反射的线偏振光束通过偏振分束器470并沿这个路径向照明光束光源组件402返回而不由分束器470转换，从而可以照明投影显示器400的显示屏456，在显示屏456上使期望的图形的“亮”像素成像。偏振的照明光束409基本上沿暗像素偏振状态的偏振光束轴473离开偏振分束器470，偏振光束轴473大体上相对于偏振分束器470的第二棱镜472的一个面垂直延伸。
分束器传送的偏振照明光束434传播进入原色分割/组合棱镜组件436。原色分割/组合棱镜组件436包括3个棱镜，在棱镜的面上有二色性涂层，组件436适于分割进入棱镜组件436的白光谱光的光束为分别是红、绿、蓝光的组分子光束。由于这种原色分割/组合棱镜组件436是常规的，所以这里对棱镜组件不作详细描述。具体地，在图1中没有表示出分束器传送的偏振照明光束的光路以及在原色分割/组合棱镜组件436中的红、绿、蓝组分子光束。原色分割/组合棱镜组件具有一个复合光束入射/出射端口437、红分量子光束出射/入射端口438R、绿分量子光束出射/入射端口438G、蓝分量子光束出射/入射端口438B。在红分量子光束出射/入射端口438R的附近是红分量反射式数字图形编码的液晶偏振调制器440R。在绿分量子光束出射/入射端口438G的附近定位绿分量反射式数字图形编码的液晶偏振调制器440G，并且在蓝分量子光束出射/入射端口438B的附近定位蓝分量反射式数字图形编码的液晶偏振调制器440B。如以下所述，在相对于相应的红、绿、蓝分量子光束的中心轴的轴向位置不同的位置，分别定位红、绿、蓝图像分量偏振调制器的红、绿、蓝分量偏振调制器表面441R、441G、441B。红绿蓝图像分量反射式偏振调制器440R、G、B适于按照加到调制器上的数字图形编码信号逐个像素地、选择性地空间调制落在偏振调制器的偏振调制器表面441R、G、B上的线偏振光束的偏振，所说的数字图形编码信号对于期望的彩色图像的彩色图像分量进行了编码。这样的反射式液晶偏振调制器是常规的。
对于编码加到相应的彩色偏振调制器上的期望的复合彩色数字图形的特定的彩色分量的信号进行编码，以使在偏振调制器表面441上的像素元(对应于投影的图像图形中的保持未被特定颜色照明的一个像素)不改变落在像素元上的线偏振光的偏振状态。对应于投影的图形图像中要以特定彩色分量照明的一个像素的像素元的作用是转动落在像素元上的线偏振光的偏振状态，转动的大小对应于照明的程度。由特定的分量彩色偏振调制器440形成的空间选择偏振调制的组分色光子光束反射回来，进入光束彩色分割/组合棱镜组件436的相应的组分色子光束出射端口/入射端口438。3个组分色子光束通过棱镜组件436回到它们的相应的路径，并且作为组合的混合偏振的复合彩色光束从棱镜组件的复合光束入口端口/出射端口437射出。
混合偏振组合的复合光从棱镜组件436的复合光束入口端口/出射端口437开始大体上沿着复合光束入射/出射中心轴传播，所说的中心轴大体上与偏振分束器470的暗像素偏振状态的偏振光束轴473对齐。混合偏振组合的复合光束传播进入偏振分束器470的一个面，分束器传送的偏振照明光束434从偏振分束器470这里离开。其偏振方向没有由反射式偏振调制器440改变的混合偏振的复合光束的各个分量处在暗像素偏振状态，因而可以通过偏振分束器470的多层介质偏振膜476并向灯402返回。其偏振由反射式偏振调制器440转动的混合偏振的复合光束的各个分量在某种程度上处在亮像素偏振状态，并且在这种程度上被偏振分束器470的多层介质偏振膜476反射。从偏振分束器的多层介质偏振膜476上反射的光大体上沿亮像素偏振状态的偏振光束轴474的方向传播，所说的偏振光束轴474大体上垂直于偏振分束器470的第二棱镜472的一个面延伸。亮像素偏振状态的光的光束大体上沿投影透镜452的中心轴460的方向进入数字图形投影显示器400的投影透镜452的入射端口450，所说的中心轴460与偏振分束器470的亮像素偏振状态偏振光束轴474对齐。将一个偏振分析器滤波器454放在偏振分束器470和投影透镜452的入射端口450之间，滤波器454的取向要能够通过亮像素偏振状态的线偏振光以改善亮-暗对比度。投影透镜452向显示屏456投影由离开光束彩色分割/组合棱镜组件的复合光束的经过转动的偏振分量携带的期望的复合光束以便观看。如以下讨论的，沿着投影透镜452的中心轴460在非远心位置定位一个投影透镜孔径光阑458，这个非远心位置与偏振调制器440R、G、B的红绿蓝分偏振调制器表面441R、441G、441B的各个轴向位置结合在一起进行考虑，可以减小由投影透镜452的横向色差引起的彩色发散。
现在参照附图2，确定照明光束接收轴477、暗像素偏振状态的偏振光束轴473、亮像素偏振状态的偏振光束轴474，它们从本发明的投影显示器400的偏振调制器470的各个表面上大体上垂直地延伸出来。原色分割/组合棱镜组件436包括：一个红组分色棱镜478R，它的一个面包括红组分子光束出射/入射端口438R；一个绿组分色棱镜478G，它的一个面包括绿组分子光束出射/入射端口438G；一个蓝组分色棱镜478B，它的第一个面包括蓝组分子光束出射/入射端口438B。红、绿、蓝组分色子光束出射/入射中心轴439R、G、B从原色分割/组合棱镜组件436的相应的红绿蓝组分子光束出射/入射端口438R、G、B大体垂直地延伸。红组分色反射式液晶偏振调制器440R定位在红组分色子光束出射/入射端口438R的附近，红组分色反射式液晶偏振调制器440R的取向大体上垂直于相应的红组分色子光束出射/入射中心轴439R。绿组分色反射式液晶偏振调制器440G定位在绿组分子光束出射/入射端口438G的附近，绿组分色反射式液晶偏振调制器440G的取向大体上垂直于相应的绿组分色子光束出射/入射中心轴439G；并且，蓝组分色反射式液晶偏振调制器440B定位在蓝组分子光束出射/入射端口438B的附近，蓝组分色反射式液晶偏振调制器440B的取向大体上垂直于相应的蓝组分色子光束出射/入射中心轴439B。蓝组分色棱镜478B的第二个面包括原色分割/组合棱镜组件436的复合光束入射/出射端口437。复合光束入射/出射中心轴从原色分割/组合棱镜组件436的复合光束入射/出射光端口437大体垂直地延伸，与投影显示器400的偏振分束器470的暗像素偏振状态偏振光束轴473有效地可靠对齐。
投影显示器400的投影光学装置452有一个投影光学装置入口光学端口450和一个投影光学装置出口光学端口457。确定投影光学装置中心轴406，使其通过投影光学装置452的中心并且通过入口光学端口450和出口光学端口457的中心延伸。偏振分束器470的亮像素偏振状态的偏振光束轴474与投影光学装置452的投影光学装置中心轴460彼此有效地对齐。对于红、绿、蓝组分色组中的每一个，确定组分色中心光路480R、G、B，使其与相应的组分色光的亮像素偏振状态的线偏振子光束的中心轴重合，所说的线偏振子光束是从偏振调制器表面441R、G、B开始、大体上沿垂直于偏振调制器表面的相应的红绿蓝组分色子光束的出射/入射中心轴439R、G、B、并且通过光束彩色分割/组合棱镜组件436、偏振分束器470、和投影光学装置452进行反射的，这里的亮像素偏振状态线偏振子光束的中心轴480与投影光学装置452的中心轴460大体上重合。如图2所示，红组分色中心光路480R在一个红反射/绿透射的二色性反光镜处跟踪红的亮像素偏振状态的线偏振子光束的反射，所说二色性反光镜定位在光束彩色分割/组合棱镜组件436的红组分色棱镜478R和绿组分色棱镜478G之间，所说的红组分色中心光路480R还要在红的组分色棱镜478R的一个面上跟踪红的亮像偏振状态的线偏振子光束的整个内部反射。蓝色中心光路480B在一个蓝反射/红-绿透射的二色性反光镜处跟踪蓝的亮像素偏振状态的线偏振子光束的反射，所说二色性反光镜定位在蓝组分色棱镜478B和红组分色棱镜478R之间，所说的蓝组分色中心光路480B还要在蓝的组分色棱镜478B的第二个面上跟踪蓝的亮像偏振状态的线偏振子光束的整个内部反射。红、绿、蓝组分色中心光路480R、G、B在通过偏振分束器470过程中是共线的，并且在偏振分束器的多层介质偏振膜476处跟踪类似共线的亮像素偏振状态的线偏振子光束的反射。为了方便测量，确定一个投影物体距离基准点462，即在投影光学装置452的中心轴460和投影光学装置的入口光学表面之间的交叉点，这一点是在3个中心光路480R、G、B上的沿所说光路彼此共线并且所说光路与投影光学装置452的中心轴460共线的光路的长度的一个点。
对于投影显示器400的投影光学装置452进行设计，以提供在投影显示器的显示屏456上成像轴向位置彼此不同的红、绿、蓝色组分图形的各个物面。具体来说，投影光学装置452提供分开的物面，以便在显示屏456上成像定位在不同轴向距离的红、绿、蓝组分色图形，所说的轴向距离分别是沿相应的组分色中心光路480R、G、B测量的距投影物体距离基准点462的距离。沿组分色中心光路480R、G、B的这些轴向距离是从光路的方向的每一个变化分段测得的，所说的这一变化来源于相应的亮像素偏振状态的线偏振子光束的反射。对于3个反射的组分色偏振调制器440R、G、B进行定位，以使每个组分色偏振调制器表面441R、G、B至少在用于成像相应组分色的图形的物面的附近。在图2中以夸大的方式表示出3个组分色偏振调制器表面441R、G、B的轴向位置之差。
投影显示器400的投影光学装置452是非远心的。具体来说，投影光学装置452包括一个投影光学装置孔径光阑458，孔径光阑458沿着投影光学装置的投影光学透镜***中心轴460定位在非远心投影光学装置孔径光阑位置，这个孔径光阑位置距投影光学装置的焦点有一个轴向位移。通过在投影在投影显示器400的显示屏456上彩色图形上的单个有代表性的复合彩色点486跟踪组分色主要光线488R、G、B，在图2中可以看见投影光学装置452的非远心性质，所说的复合彩色点486横向偏离投影光学装置452的中心轴460与显示屏456相交的交叉点482。每个这样的有代表性的组分色主要光线488R、G、B都是通过跟踪相应组分色的亮像素偏振状态的线偏振光的光线确定的，所说的线偏振光的光线从投影图形上横向偏移复合彩色点486开始、沿着彩色相关路径、通过投影光学装置452并通过投影光学装置孔径光阑458的中心、然后再通过偏振分束器470和光束彩色分割/组合棱镜组件436、到达相应的组分色偏振调制器440R、G、B的偏振调制器表面441R、G、B，所说的彩色相关路径表现出投影光学装置452的色差，其中包括横向色差色差。在进入投影光学装置452的投影光学装置出射端口457之前，在图2中表示出有代表性的组分色主要光线488R、G、B，它是单个的共线光线。没有表示出通过图2的投影光学装置452的内部的组分色主要光线488R、G、B。在射出了投影光学装置入射端口450时，有代表性的组分色主要光线488R、G、B表示为相互隔开的3个平行光线，以表示在投影光学装置452中的色差，其中包括由投影光学装置452因横向色差色差产生的3个组分色的横向放大之差。因为投影光学装置452的投影光学装置孔径光阑458的中心是非远心孔径光阑位置，所以通过投影光学装置孔径光阑458的中心的3个有代表性的组分色主要光线488G、R、B中的每一个都以某个非远心交角与相应的组分原色偏振调制器440R、G、B的调制器表面441R、G、B相交，在交叉点相对于偏振调制器表面441R、G、B倾斜，如从图2可以看到的。选择投影光学装置孔径光阑458相对于投影光学装置焦点沿投影光学装置452的投影光学装置中心轴460的位置，使得来自显示屏456上复合彩色点的、并且从投影光学装置452的中心轴460与显示屏相交的交叉点482横向偏移的、任何组分色主要光线，都从相应的组分色中心光路480R、G、B沿离开投影显示装置的光束彩色分割/组合棱镜组件436的相应的组分色出射/入射光学端口438R、G、B的方向散开。在一般情况下，在显示屏456上的复合彩色点距投影光学装置452的中心轴460与显示屏456相交的交叉点482的距离越大，则对应于复合彩色点的组分色主要光线与对应的组分原色偏振调制器440R、G、B的偏振调制器表面441R、G、B相交的非远心交角越大。在本发明的投影显示器400中对于来自在显示屏456上的所选横向偏差复合彩色测试点的组分色主要光线和相应的组分色中心光路480R、G、B之间的发散度、以及相应的组分色偏振调制器440R、G、B的偏振调制器表面441R、G、B的各个轴向位置进行选择，以便对于投影光学装置452产生的、来源于投影光学装置的色差的、沿不同测试点组分色主要光线的横向放大之差进行补偿，由此对于整个组分色图形上不同组分色的横向放大之差进行至少部分补偿。
图3表示在一个假想的现有技术的第一投影显示器中的由投影显示器的投影透镜的横向色差引起的彩色发散度。图3的假想的现有技术的第一投影显示器使用了反射式的红、绿、蓝组分色的液晶偏振调制器(未示出)、偏振分束器(未示出)、光束彩色分割/组合棱镜组件(未示出)、和常规的远心投影透镜(未示出)，它们的排列布局大体上类似于以上所述的美国专利No.5777789的投影显示器。图3表示的是现有技术的投影显示器的分别为红、绿、蓝反射式液晶偏振调制器(未示出)的红、绿、蓝组分色偏振调制器表面500R、G、B的叠加的上半部分的简化示意侧视图。对于红、绿、蓝组分色中的每一个，确定一个组分色中心光路502R、G、B，使其与从偏振调制器表面500R、G、B反射的、大体上沿偏振调制器表面的法线方向的、通过光束彩色分割/组合棱镜组件(未示出)、偏振分束器(未示出)、和投影透镜(未示出)的、相应组分色光的亮像素偏振状态的线偏振子光束的中心轴重合，这里亮像素偏振状态的线偏振子光束的中心轴大体上与投影透镜的中心轴重合。在图3的假想的现有技术的第一投影显示器中，3个偏振调制器表面500R、G、B定位在距一个任意基准点(未示出)有相同的轴向距离的位置，所说的这个任意基准点是沿相应的组分色中心光路502R、G、B的轴向测得的。所说的任意基准点定位在沿共线的光路中的一段的一个位置(例如在投影透镜的入口表面)的3个组分色中心光路上。因此，虽然3个偏振调制器表面500R、G、B在假想的现有技术的第一投影显示器中具有彼此不同的、由光束彩色分割/组合棱镜组件的几何条件决定的位置和取向，但为简单起见，在图3的示意侧视图中所示的偏振调制器表面是彼此叠加在一起的。每个反射式偏振调制器表面500R、G、B都包括多个单独控制的、反射式的、安排成平面阵列形式的偏振调制器像素元(未示出)。使象素元的位置在偏振调制器表面500R、G、B上定位的反射式的平面阵列，以及在偏振调制器表面和相应的组分色中心光路之间的相应的交叉点，在几何方面基本上是彼此叠合的。虽然在图3中没有具体说明，但如图3所示的3个偏振调制器表面500R、G、B的叠加根据像素元几何叠合原理应该理解为是一个像素元。
3个测试点组分色光线锥体504R、G、B对应于在显示屏(未示出)上投影的图形上的、借助于图3的假想的现有技术的第一投影显示器的三个反射式偏振调制器产生的、单个横向移动复合彩色测试点(未示出)。复合彩色测试点定位在从图形的中心点开始发生了横向移动的图形的周边上，在所述中心点投影透镜的中心轴与显示屏相交。例如，从投影的图形的复合彩色测试点开始、沿着表现出投影透镜的色差(包括横向色差色差)的红色关联路径、通过投影透镜、偏振分束器、和光束彩色分割/组合棱镜组件、到红组分色偏振调制器(500R)，跟踪所有的照明测试点的红色亮像素偏振状态的线偏振光，从而可以确定测试点红组分色光线锥体504R。类似地，从投影的图形的相同复合彩色测试点开始、沿着表现出投影透镜的色差(包括横向色差色差)的绿色关联路径、通过投影透镜、偏振分束器、和光束彩色分割/组合棱镜组件、到绿组分色偏振调制器的偏振调制器面500G，跟踪所有的照明测试点的绿色亮像素偏振状态的线偏振光，从而可以确定测试点绿组分色光线锥体504G。类似地，从投影的图形的复合彩色测试点开始、沿着表现出投影透镜的色差(包括横向色差色差)的蓝色关联路径、通过投影透镜、偏振分束器、和光束彩色分割/组合棱镜组件、到蓝组分色偏振调制器的偏振调制器(500B)，跟踪所有的照明测试点的绿色亮像素偏振状态的线偏振光，从而可以确定测试点蓝组分色光线锥体504B。
图3的假想的现有技术的第一投影显示器的3个测试点组分色光线锥体504R、G、B中的每一个都包括相对于投影显示器的投影透镜确定的测试点组分色主要光线506R、G、B。由于投影透镜(未示出)是远心的，所以透镜有一个沿透镜的中心轴在透镜的焦点定位的投影透镜孔径光阑。通过从投影的图形的复合彩色测试点开始、沿着表现出投影透镜的色差(包括横向色差色差)的彩色关联路径、通过投影透镜并通过投影透镜孔径光阑的中心轴(即通过透镜的焦点)、然后通过偏振分束器和光束彩色分割/组合棱镜组件、到相应的组分色偏振调制器的偏振调制器表面500R、G、B，跟踪这个组分色的亮像素偏振状态的线偏振光线，从而可以确定每个测试点组分色主要光线506R、G、B。因为假想的现有技术的投影显示器的投影透镜是远心的，所以在与相应的偏振调制器表面500R、G、B相交的交叉点的每个测试点组分色主要光线506R、G、B平行相应的组分色中心光路502R、G、B并且大体上垂直相应的偏振调制器表面500R、G、B地延伸。
由于在投影透镜中存在横向色差，所以由投影透镜成像的复合彩色图形的红组分色的横向放大系数不同于由投影透镜成像的图形的绿组分色的横向放大系数，也不同于由投影透镜成像的图形的蓝组分色的横向放大系数。结果，红、绿、蓝测试点组分色光线锥体504R、G、B在图3的叠加侧视图中不重合；相反，光线锥体504R、G、B与相应的偏振调制器表面500R、G、B相交的那些点的横向偏差和中心轴502R、G、B与相应的偏振调制器表面500R、G、B相交的那些点是不同的(例如，如图3所示，在高度上是不同的)。如果这样的横向偏差之差大于偏振调制器中的反射式偏振调制器像素元的中心-中心的距离，则在投影的图形中单个有横向偏移的复合彩色测试点可能由从对应于第一象素地址的红组分色偏振调制器的一个像素元反射的红光照明，也可能由从对应于第二个不同的象素地址的绿组分色偏振调制器的一个像素元反射的绿光照明，还可能由从对应于另一个第三个象素地址的蓝组分色偏振调制器的一个像素元反射的蓝光照明。这样，在投影透镜中的横向色差色差可能在彩色数字图形投影显示器中产生明显的彩色发散问题。
在一般情况下，除了横向色差色差之外，一个光学***还趋向于有第二种类型的色差，称之为轴向彩色色差。光学***的轴向彩色色差通过准直沿***的中心轴入射在***上的不同颜色的光束表现出来，准直的不同颜色的光束聚焦在轴向相互分开的各个中心轴的不同焦点上。在图3的假想的现有技术的第一投影显示器中，对于投影透镜的光学装置已经进行了彩色校正以充分补偿轴向彩色色差，因此在借助于定位在距任意基准点有相同轴向距离的对应的3个组分色偏振调制器表面500R、G、B产生的亮像素偏振状态子光束中编码的每个组分色图形，当在投影显示器的显示屏上成像时，都得到了充分的聚焦。
现在参照附图4，图中表示假想的第二投影显示器的投影透镜中的横向色差色差的效果，第二投影显示器与图3的假想的现有技术的第一投影显示器的不同点在于，第二投影显示器的投影透镜(它是远心的)没有相对轴向彩色色差进行与第一投影显示器的投影透镜进行相同程度的彩色校正。具体来说，图4的假想的第二投影显示器投影透镜提供轴向位置不同的红、绿、蓝组分色的物面。与图3类似，图4中表示一个简化的示意侧视图，它是对应的红、绿、蓝反射式液晶偏振调制器(未示出)的红、绿、蓝组分色偏振调制器表面510R、G、B的上半部分。对于每个红、绿、蓝组分色，确定用于第二投影显示器的组分色中心光路512R、G、B，就象以上讨论过的确定用于图3的第一投影显示器的组分色中心光路502R、G、B一样。图4的假想的第二投影显示器的投影透镜(未示出)所提供的物面用于在显示屏(未示出)上成像红、绿、蓝组分色图形，红、绿、蓝组分色图形定位在距一个任意基准点的不同的轴向距离，所说的轴向距离是分别沿对应的组分色中心光路512R、G、B的轴向测量的，所说的任意基准点定位在3个中心光路上的沿着一段共线的光路的一个位置。确定3个反射式组分色偏振调制器的位置，以使每个组分色偏振调制器表面510R、G、B与用于成像相应组分色的图形的物面重合。
在图4的假想的第二投影显示器中，3个偏振调制器表面510R、G、B中的每一个的取向都与进入投影显示器的光束彩色分割/组合棱镜组件(未示出)的相应的组分色出射/入射端口的组分色中心光路512R、G、B垂直。因此，3个偏振调制器表面510R、G、B在投影显示器中有不同的取向和位置。为简单起见，图4中所示侧视图中组分色偏振调制器表面510R、G、B的取向相互平行。图4中表示的偏振调制器表面510R、G、B彼此轴向分隔开，以表示偏振调制器表面距任意基准点的轴向距离不同，所说的任意基准点是沿相应的组分色中心光路512R、G、B测量的。虽然在图4没有具体示出，但应该理解，如图4所示的偏振调制器表面510R、G、B与3个偏振调制器表面的相应的像素元是轴向对齐的，所说的3个偏振调制器表面的相应的像素元沿平行组分色中心光路512R、G、B的方向的、如图所示与偏振调制器表面垂直的轴在轴向对齐。
与图3的假想的现有技术的第一投影显示器的测试点组分色光线锥体504R、G、B类似，图4的假想的第二投影显示器的测试点组分色光线锥体514R、G、B对应于在第二投影显示器的显示屏(未示出)上投影图形的周边上的、借助于投影显示器的3个反射式偏振调制器产生的单个横向偏移的组分色测试点(未示出)。具体来说，与以上所述的图3的投影显示器的测试点组分色光线锥体504R、G、B一样，确定图4的第二投影显示器的3个测试点组分色光线锥体514R、G、B。类似地，图4的假想的第二投影显示器的3个测试点组分色光线锥体514R、G、B中的每一个包括与以上所述的图3的第一投影显示器的测试点组分色主要光线506R、G、B类似的、相对于投影显示器的远心投影透镜确定的测试点组分色光线锥体516R、G、B。由于假想的第二投影显示器的投影透镜(未示出)是远心的，所以在与相应的偏振调制器表面510R、G、B相交的交叉点的每个测试点组分色主要光线516R、G、B平行相应的组分色中心光路512R、G、B并且大体上垂直相应的偏振调制器表面510R、G、B地延伸。由于在投影透镜中存在横向色差，所以由投影透镜成像的红绿蓝组分色图形的横向放大系数不同。结果，红、绿、蓝测试点组分色光线锥体514R、G、B和相应的偏振调制器表面510R、G、B相交的那些点的横向偏移与中心轴512R、G、B和相应的偏振调制器相交的交叉点的横向偏移是不同的。如果这样的横向偏差之差大于偏振调制器中的反射式偏振调制器像素元的中心-中心的距离，则在投影的图形中单个有横向偏移的复合彩色测试点可能由来自对应于3个不同的像素地址的3个组分色偏振调制器的组分色像素元反射的红、绿、蓝组分色照明。这样，在图4的假想的第二投影显示器的投影透镜中的横向色差效应可能产生明显的彩色发散。
图5表示对于如图1所示的本发明的投影显示器400的实施例中投影光学装置452的横向色差效应的补偿。与图3和图4类似，在图5中表示一个简化的示意侧视图，表示对应的红、绿、蓝反射式液晶偏振调制器440R、G、B(图5中未示出)的红、绿、蓝组分色偏振调制器表面441R、G、B的上半部分。投影显示器400的投影光学装置452为在投影显示器的显示屏456上成像的红、绿、蓝组分色图形提供具有不同轴向位置的物面。在一般情况下，与在一个显示屏上成像所有3个红、绿、蓝组分色图形提供单个物面因而可比拟的性质受到限制的投影光学装置相比，这样的多个物面的投影光学装置趋于较简单的设计和较少的生产成本。对于红、绿、蓝组分色中的每一个组分色，确定一个组分色中心光路480R、G、B，使其与相应的组分色光的亮像素偏振状态的线偏振子光束的中心轴重合，所说组分色光的亮像素偏振状态的线偏振子光束是从偏振调制器表面441R、G、B反射来的，大体上沿着偏振调制器表面的法线方向通过光束彩色分割/组合棱镜组件436、偏振分束器470、和投影光学装置452，在这里亮像素偏振状态的线偏振子光束与投影光学装置452的中心轴460大体上重合。投影显示器400的投影光学装置452为在显示屏456上成像红绿蓝组分色图形提供分开的物面，它们定位在距投影物体距离基准点462的不同轴向距离，所说的轴向距离是分别沿相应的组分色中心光路480R、G、B的轴向确定的，所说物面轴向位置距离为测量方便起见被定义为在投影光学装置452的中心轴460和投影光学装置的入口光学表面之间的一个交叉点，它是在各个光路共线的一段光路上的在3个中心光路480R、G、B上的一个点。确定3个反射式组分原色偏振调制器440R、G、B的位置，因而每个组分色偏振调制器表面441R、G、B至少在用于成像相应的组分色图形的物面的附近。
在图5的投影显示器400中，3个偏振调制器表面441R、G、B中的每一个的取向都垂直于进入投影显示器的光束彩色分割/组合棱镜组件436的相应的组分色出射/入射端口的相应的组分色中心光路480R、G、B。因此，在投影显示器中，3个偏振调制器表面441R、G、B的取向和位置彼此不同，如从图1中可看见的。与图4的假想的第二投影显示器的情况类似，在图5的示意侧视图中，为简单起见，所示的组分色偏振调制器表面441R、G、B的取向是相互平行的。在图5中所示的组分色偏振调制器表面441R、G、B在轴向相互隔开，以表示偏振调制器表面距投影物体距离基准点462的轴向距离之差，所说的距离是沿相应的组分色中心光路480R、G、B测得的。每个反射式偏振调制器表面441R、G、B都包括多个排列成平面阵列形式的、单个可控的、反射式的、偏振调制器像素元(未示出)。在偏振调制器表面441R、G、B上定位像素元的对应的平面阵列，以及在偏振调制器表面和相应的组分色中心光路之间的对应的交叉点，在几何上基本上是相互叠合的。虽然在图5中没有具体表示，但应该理解，如图5所示的偏振调制器表面441R、G、B与3个偏振调制器表面的相应的像素元是轴向对齐的，所说3个偏振调制器表面的相应的像素元沿平行组分色中心光路480R、G、B并且与偏振调制器表面垂直的轴方向轴向对齐。
就图3和图4的假想的第一和第二投影显示器的测试点组分色光线锥体504R、G、B和514R、G、B而论，图5中的3个测试点组分色光线锥体524R、G、B对应于在显示屏456上投影的复合彩色图形周边上的单个复合彩色测试点484(如图1所示的)，所说的复合彩色测试点484距本发明的投影显示器400的实施例的投影光学装置452的交叉点482有一个横向偏移。具体来说，通过从在投影图形上的复合彩色测试点484开始、通过投影光学装置452、偏振分束器470、和光束彩色分割/组合棱镜组件436、并且到相应的组分色偏振调制器440R、G、B的偏振调制器表面441R、G、B、沿表现出投影光学装置452的色差(其中包括横向色差)的彩色相关路径跟踪对应的组分色的亮像素偏振状态的线偏振光的所有光线，可以确定每个测试点组分色光线锥体524R、G、B。
投影显示器400的投影光学装置452是非远心的，投影光学透镜***孔径光阑458沿投影光学装置的投影光学装置中心轴定位在非远心的投影光学装置孔径光阑位置，所说的孔径光阑位置距投影光学装置的焦点有一个轴向位移。投影显示器400的3个测试点组分色光线锥体524R、G、B中的每一个都包括一个相对于投影显示器的非远心的投影光学装置确定的测试点组分色主要光线526R、G、B。通过从在投影图形上的复合彩色测试点484开始、通过投影光学装置452并通过投影光学装置孔径光阑458的中心、并通过偏振分束器470、和光束彩色分割/组合棱镜组件436、到达相应的组分色偏振调制器440R、G、B的偏振调制器表面441R、G、B、沿表现出投影光学装置452的色差(其中包括横向色差)的彩色相关路径跟踪对应的组分色的亮像素偏振状态的线偏振光的光线，可以确定每个测试点组分色光线锥体526R、G、B。因为投影光学装置452的投影光学装置孔径光阑458的中心是非远心的孔径光阑位置，所以通过投影光学装置孔径光阑458的中心的每个组分色测试点主要光线526R、G、B与相应的组分原色偏振调制器440R、G、B的偏振调制器表面子441R、G、B以一个非远心交角相交，在交叉点相对于偏振调制器表面441R、G、B的法线是倾斜的，如从图5中可以看到的。具体来说，选择投影光学装置孔径光阑458沿投影光学装置452的投影光学装置中心轴460相对于投影光学装置的焦点的位置，以使组分色测试点主要光线526R、G、B沿离开投影显示器的光束彩色分割/组合棱镜组件436的相应的组分色中心光路480R、G、B的方向从相应的组分色中心光路480R、G、B开始发散。因此，由于偏振调制器表面441R、G、B沿相应的组分色中心光路480R、G、B测量的距投影物体距离基准点462的轴向距离是增加的，所以相应的组分色测试点主要光线526R、G、B(以及相应的测试点组分色光线锥体534R、G、B本身)与偏振调制器表面441R、G、B相交的横向偏差也随之增加。这样，如图5所示，如果在选择所说组分色的对应的偏振调制器表面441R、G、B的轴向位置过程中考虑到测试点组分色光线锥体524R、G、B的组分色测试点主要光线526R、G、B与组分色中心光路480R、G、B相交的非远心交角，则可以对于非远心投影光学装置452进行设计，以补偿由投影光学装置452的横向色差引起的不同彩色的组分色子光束的横向放大系数之差。对于固定设计的投影光学装置，移动组分色偏振调制器表面441R、G、B，使其离开由投影光学装置452为所说组分色建立的相应的物面，从而使由偏振调制器表面441编码的组分色图形趋向于离开显示屏456上的焦点。组分色测试点主要光线526R、G、B与偏振调制器表面441R、G、B相交的非远心交角允许使用少量的散焦来调节在显示屏456上的彩色会聚度。
现在参照附图6，本发明的投影光学装置透镜组件652的一个实施例适于加入本发明的数字图形的彩色投影显示器中，如图1的投影显示器400。透镜组件652有一个投影光入口光学端口650和一个投影光出口光学端口657。投影光学装置中心轴660通过透镜组件600的中心并从入口光学端口650和出口光学端口657开始轴向延伸。
可以通过投影光学装置透镜组件652在复合彩色图形投影显示图像平面656中成像复合彩色图形，所说投影显示图像平面垂直于透镜组件652的投影光学装置中心轴660，与投影光学装置出口光学端口657隔开。透镜组件652的投影光学装置中心轴660在图像平面中心轴交叉点682与复合彩色图形投影显示图像平面656相交。
红组分色投影显示物面690R在与投影光学装置入口光学端口650离开的一个位置垂直于投影光学装置透镜组件652的投影光学装置中心轴660。类似地，绿组分色投影显示物面690G和蓝组分色投影显示物面690B分别垂直于投影光学装置透镜组件652的投影光学装置中心轴660。投影光学装置中心轴660在红组分色物面中心轴交叉点692R与红组分色投影显示物面690R相交。投影光学装置中心轴660在绿组分色物面中心轴交叉点692G与绿组分色投影显示物面690G相交，投影光学装置中心轴660在蓝组分色物面中心轴交叉点692B与蓝组分色投影显示物面690B相交。
投影光学装置透镜组件表现出既有轴向彩色效应又有横向色差效应。如下面更加详细地描述的，红绿蓝组分色投影显示图像平面690R、G、B中的每一个都有沿投影光学装置中心轴660的不同的轴向位置。对于红色光，投影光学装置透镜组件652适于按照投影方式向复合彩色图形投影显示图像平面656上成像定位在红组分色投影显示物面690R内的红组分色图形。对于绿色光，投影光学装置透镜组件652适于按照投影方式向复合彩色图形投影显示图像平面656上成像定位在绿组分色投影显示物面690G内的绿组分色图形。类似地，对于蓝色光，投影光学装置透镜组件652适于按照投影方式向复合彩色图形投影显示图像平面656上成像定位在蓝组分色投影显示物面690B内的蓝组分色图形。投影光学装置透镜组件652表现出的横向色差在于：对于不同的组分原色，测试复合彩色物体图形的横向放大系数不同，其中所说的测试复合彩色物体图形相对于投影光学装置中心轴660有一个横向移动范围，其中所说的测试复合彩色物体图形沿中心轴660设置在测试物***置并且由透镜组件向复合彩色图形投影显示图像平面656投影；而且，所说的透镜组件652的散焦程度由于存在轴向彩色效应最多几乎只有一个组分原色。
投影光学装置透镜组件652包括一个入口透镜692，它定位在投影光学装置入口光学端口650。入口透镜693有一个入口光学表面694，面向入口光学端口650的外部。投影光学装置中心轴660与入口透镜693的入口光学表面694在物面距离基点662与入口透镜693的入口光学表面694相交，所述的物面距离基点662用作测量透镜组件652和红绿蓝组分色投影显示物面690R、G、B物面轴向位置距离。
投影光学装置透镜组件652有一个投影光学装置孔径光阑658，孔径光阑658沿投影光学装置中心轴660定位在投影光学装置孔径光阑位置695。投影光学装置孔径光阑位置695是一个非远心位置，对此位置进行选择，以获得某种倾斜的几何条件来收集用于投影的离轴光，如以下所述。
复合彩色图像测试点位置686定位在距图像平面中心轴交叉点682有横向偏移的复合彩色图形投影显示图像平面656。相对于投影光学装置透镜组件652确定相应的测试点主要光线径迹。主要光线径迹的确定在光学设计中是常规的。例如，参见“光学”(第3版，EugeneHecht，(Addison-Wesley)1998)的173-175页，在里参考引用了这篇文献。
红组分色测试点主要光线径迹作为红光光线从在复合彩色图形投影显示图像平面中发生了横向偏移的复合彩色图像测试点位置686开始、通过投影光学装置透镜组件652并通过投影光学装置孔径光阑658的中心点(与投影光学装置中心轴660上的投影光学装置孔径光阑位置695重合)进入投影光学装置出口光学端口657、并且离开投影光学装置入口光学端口650以便与红组分色投影显示物面相交。红组分色测试点主要光线径迹688R跟踪红色相关路径通过投影光学装置透镜组件652，透镜组件652表现出透镜组件的色差，其中包括横向色差色差。用类似的方法确定绿组分色测试点主要光线径迹688G和蓝组分色测试点主要光线径迹688B。绿组分色测试点主要光线径迹688G跟踪绿色相关路径通过投影光学装置透镜组件652，蓝组分色测试点主要光线径迹688B跟踪蓝色相关路径通过投影光学装置透镜组件652。分别由绿组分色测试点主要光线径迹688G和蓝组分色测试点主要光线径迹688B跟踪的彩色相关路径表现出透镜组件652的色差，其中包括横向色差。在图6中表示的是进入投影光学装置透镜组件652的投影光学装置光出射端口657之前的红、绿、蓝组分色主要光线径迹688R、G、B，这是单个共线光线。图中所示的组分色主要光线688R、G、B没有通过图6中的透镜组件652的内部。在离开投影光学装置光入射端口650时，图中所示的红绿蓝主要光线径迹688R、G、B是彼此隔开的3根平行光线，代表在投影光学装置透镜组件652中的色差，其中包括3个组分色的源自透镜组件652的横向色差的横向放大系数之差。
红组分色测试点主要光线径迹688R与红组分色投影显示物面690R在红组分色物体测试点位置696R相交。绿组分色测试点主要光线径迹688G与绿组分色投影显示物面690G在绿组分色物体测试点位置696G相交。类似地，蓝组分色测试点主要光线径迹688B与蓝组分色投影显示物面690B在蓝组分色物体测试点位置696B相交。红、绿、蓝组分色物体测试点位置696R、G、B中的每一个，相对于复合彩色图形投影显示图像平面656中的复合彩色图像测试点位置696R、G、B来说，在光学上对于相应的红绿蓝原色光线是共轭的。
红、绿、蓝组分色物体测试点位置696R、G、B中的每一个，都从相应的红绿蓝组分色投影显示物面690R、G、B的物面中心轴交叉点692R、G、B开始发生横向偏移。在图6中用ΔR表示在红组分色物体测试点位置696R和红组分色物面中心轴交叉点692R之间的红组分色物体测试点横向偏移距离。类似地，用ΔB表示在蓝组分色物体测试点位置696B和蓝组分色物面中心轴交叉点692B之间的蓝组分色物体测试点横向偏移距离。绿组分色物体测试点横向偏移距离ΔG是绿组分色物体测试点位置696G和绿组分色物面中心轴交叉点692G之间的距离。
如以上所述，投影光学装置透镜组件652的投影光学装置孔径光阑658的投影光学装置孔径光阑位置695是非远心孔径光阑位置。结果，如在图6中重点表示的，红、绿、蓝组分色测试点主要光线径迹以一个非远心交角与相应的组分色投影显示物面690R、G、B相交，在交叉点相对于物面的法线倾斜。对于沿3个红绿蓝组分色投影显示物面690R、G、B的投影光学装置中心轴660的对应的轴向位置进行选择，以使当考虑到相应的组分色测试点主要光线688R、G、B与相应的组分色物面690R、G、B相交的非远心交角并且考虑到组分色物面690R、G、B的轴向位置的时候，ΔR、ΔG、ΔB彼此大体上相等。对于使用数字图形编码的光束调制器板的特定的数字图形投影显示器中的应用，红、绿、蓝组分色物体测试点横向移动距离ΔR、ΔG、ΔB彼此相等，并且将其限制在至少为光束调制器板的相邻像素元的中心-中心的间距之内。由于投影光学装置透镜组件652存在色差效应，所以在透镜组件652的入口透镜693的入口光学表面694上的物面距离基点和相应的红、绿、蓝组分色投影显示物面690R、G、B的对应的物面中心轴交叉点692R、G、B之间的物面轴向位置距离彼此不同，因而满足了红绿蓝组分色测试点横向移动距离ΔR、ΔG、ΔB大体相等的条件。
投影光学装置透镜组件652最好用在中数字图形投影显示器，数字图形投影显示器使用数字图形编码的光束调制器板分开调制红、绿、蓝光光束，然后组合所说的红、绿、蓝光光束以形成通过透镜组件652投影在复合彩色图形投影显示图像平面656上成像复合彩色图形含复合彩色图形的光束。对于透镜组件进行设计，以便在透镜组件692的入口光学端口650的物面距离基点692和相应的红绿蓝组分色投影显示物面690R、G、B的对应的物面中心轴交叉点692R、G、B之间足够大的组分色物面轴向位置距离，以便在入口光学端口650和数字图形编码的光束调制器板之间容纳偏振分束器和用于在物面位置定位红、绿、蓝光束的光束彩色分割/组合元件，所说的光路在入口光学端口650和对应的光束调制器板之间分别延伸，通过偏振调制器和光束彩色分割/组合元件，有效地对应于相应的红、绿、蓝组分色物面轴向位置距离。以上结合图1和图2的投影显示器的实施例讨论了用于数字图形投影显示器的偏振分束器和光束彩色分割/组合元件的一种安排。期望适用于在数字图形投影显示器中的投影光学装置透镜组件652的偏振分束器和光束彩色分割/组合元件的另一种安排包括在授予Sampsell和Florence的美国专利No.6113239和授予Johnson和Sharp的美国专利No.6183091中公开的一种安排。
考虑本发明的投影显示器的一个实施例，其中接收图像锥体的棱镜元件的F数为F/2.8。如果投影显示器要在F/3.8操作，则可引入2.8度的一个主光线倾角，并且几乎所有的光线都可能保留在棱镜光学装置的F/2.8的图像锥体内。成像板轴向移动100微米，将可给出约5微米的主要光线的高度移动。这样的高度移动可能是一个像素的一个很大的份额，在一般情况下期望这种高度移动能给出补偿横向色差的足够大的自由度。在照明***的设计中，还应考虑光瞳的所选位置。照明***中的透镜焦度和距离可能相对于具有远心投影光学装置的显示器的透镜焦度和距离进行变化，但这个变化不存在大的技术难题。
下面描述通常适用利用任选的设计软件来设计用于本发明的投影显示器的投影光学装置的期望程序。
优化最佳成像的初始设计：从一个指定的物体-显示屏-到单个图像平面-偏振调制器。通过包含一个中心(主要)光线角在标准功能中加上远心条件。成像特征是光点的大小。表征在红、绿、蓝的3个中心波长的成像过程。
通常都留有横向色差，即，在3种彩色中的图像大小是不同的，不全满足目标。然后，尝试并确定初始的光瞳位置。如果接受所说的ΔZ的板位置变化，并且剩余的横向色差是Δh，则以弧度为单位的光瞳角近似等于：θP＝Δh/ΔZ。在标准功能中，将这个光瞳角设定为目标，它与0角度不同。
在设计软件中产生一个多配置***。有3种配置，对于每种彩色具有不同的板位置，变量是最终的图像距离。修改标准功能，以使每种彩色的图像性质对应于它的配置。每种彩色的距离变化最初是ΔZ＝Δh/θP。
基于新的条件优化所说的***。使图像距离在每种配置中成为一个变量。使光瞳角在有限的范围内改变。利用这些附加的变量，现在能够得到具有良好成像性能的透镜。
从所采纳的透镜设计，可以有一个有限的光瞳角。使用这个光瞳角作为照明***的设计的限制条件。利用新投影透镜的光瞳性质，可以重新设计照明***。
不期望将本发明限制在上述的特定实施例。本发明的投影显示器可以使用成像板，而不使用上述的反射式液晶偏振调制器，如透射式多晶硅液晶显示器或反射式离散反光镜装置。应该认识到，在这里描述的本发明中可以进行各种变化而不偏离本发明的范围和教导，我们期望包括所有其它的与本发明一致的实施例、替换物、和改进方案。

Claims (8)

1.一种投影显示器设备，用于向一个复合彩色图像平面投影期望的复合彩色数字图形以便观看，投影显示器包括非远心的投影光学装置，以建立倾斜的几何结构来通过投影光学装置收集用于投影的离轴光；投影光学装置提供多个组分原色物面，分别用于不同原色的物体数字图形通过投影光学装置按投影方式显示在复合彩色图像平面；至少两个组分原色物面定位在距投影光学装置的不同有效轴向距离处；所说的距投影光学装置的物面的有效轴向距离分别键控到投影光学装置收集的离轴光的倾斜几何位置以及由不同原色的投影光学装置产生的横向放大中的横向彩色色差之差，因此在横向放大中的这种颜色相关色差趋向于得到补偿。
2.根据权利要求1所述的投影显示器设备，其中：投影光学装置提供3个组分原色物面，分别用于红、绿、蓝的物体图形。
3.根据权利要求2所述的投影显示器设备，其中：3个组分原色物面距投影光学装置的有效轴向距离互不相同。
4.一种用于数字图形彩色投影显示器的投影光学装置透镜***，所说的透镜***具有投影光学装置光入射端口和投影光学装置光出射端口；相对于投影光学装置透镜***确定一个投影光学装置中心轴，所说中心轴通过透镜***的中心并且从光入射端口和光出射端口沿轴向延伸；确定一个复合彩色图形投影显示图像平面，使其大体上垂直于投影光学装置中心轴延伸，沿投影光束出射传播方向与投影光学装置光出射端口隔离开；通过投影光学装置中心轴与复合彩色图形投影显示图像平面相交确定一个图像平面中心轴交叉点；对于3个组分原色中的每一个，确定一个组分原色投影显示物面，使其大体上垂直于投影光学装置中心轴延伸，沿与投影光束入射传播方向的相反方向与投影光学装置光入射端口隔离开；通过投影光学装置中心轴与对应的物面相交，分别对3个组分原色投影显示物面中的每一个确定一个组分原色物面中心轴交叉点；对于3个组分原色中的每一个，投影光学装置透镜***适于按投影方式向组分色图形投影显示图像平面成像定位在相应的组分原色投影显示物面内的组分原色图形；投影光学装置透镜***表现出横向色差；投影光学装置透镜***具有投影光学装置孔径光阑，孔径光阑沿投影光学装置中心轴定位在投影光学装置孔径光阑位置；投影光学装置透镜***包括一个入口光学元件，入口光学元件具有定位在投影光学装置入口光学端口的一个入口光学表面；投影光学装置中心轴与投影光学装置透镜***的入口光学表面相交，确定一个物面距离基点；分别对每个组分原色投影显示物面确定一个组分原色物面轴向位置距离，它是从投影光学装置透镜***的入口光学表面上的物面距离基点到相应的组分原色物面的物面中心轴交叉点测量的；在复合彩色图形投影显示图像平面内确定一个复合彩色图像测试点位置，这个位置距图像平面中心轴交叉点有横向位移；对于每一组分原色，分别确定组分原色测试点主要光线径迹，作为对应的组分原色的光线，从复合彩色组分色图形投影显示图像平面中的横向偏移的复合彩色图像测试点位置跟踪进入投影光学装置出口光学端口、通过投影光学装置透镜***并通过投影光学装置孔径光阑的中心点、并离开投影光学装置入口光学端口、从而与相应的组分原色投影显示物面相交；3个组分原色测试点主要光线径迹中的每一个分别跟踪相应的组分原色关联路径，通过投影光学装置透镜***，表现出透镜***的色差，其中包括在不同的组分原色的横向放大的横向彩色色差之差；在每个组分原色测试点主要光线径迹和相应的组分原色投影显示物面之间相交的交点确定了一个相应的组分原色物体测试点位置，这个组分原色物体测试点位置在光学上对于在复合彩色图形投影显示图象面内的横向偏移的复合彩组分色图像测试点位置的相应的组分原色的光来说是共轭的；每个组分原色物体测试点位置都从相应的组分原色投影显示物面的物面中心轴交叉点开始有一横向偏移，以确定一个组分原色物体测试点横向移动距离；投影光学装置孔径光阑的投影光学装置孔径光阑位置是非远心孔径光阑位置，因此每个组分原色测试点主要光线径迹与相应的组分原色投影显示物面以一个非远心交角相交，相对于交叉点的物面的法线是倾斜的；3个组分原色投影显示物面沿投影光学装置中心轴具有对应的轴向位置，因此，如果考虑到相应的组分原色测试点主要光线径迹与对应的组分原色物面相交的非远心交角，并且考虑到色差包括对应的组分原色的横向放大的横向色差之差，则对于3个组分原色投影显示物面的组分原色物体测试点横向移动距离基本上彼此相等；3个组分原色投影显示物面的对应的轴向位置是这样的：3个组分原色投影显示物面中至少两个的对应的组分原色物面轴向位置距离彼此不同，因此由投影光学装置透镜***的横向色差引起的不同组分原色光束的横向放大系数之差趋向于至少部分地在由透镜组件在复合彩色图形投影显示图像平面内成像的整个复合彩色图形上得以补偿。
5.根据权利要求4所述的投影光学装置透镜***，其中：透镜***适于按投影方式成像组分原色物体图形，所说的组分原色物体图形的尺寸可容纳在定位到组分原色投影显示物面的大体上长方形的物体图形场内，物体图形场具有高度尺寸和宽度尺寸，在投影光学装置透镜***的入口光学端口上的物面距离基点和相应的组分原色物面的物面中心轴交叉点之间的每个物面轴向位置距离至少是物体图形场的高度尺寸和宽度尺寸中较小者数值的两倍。
6.根据权利要求5所述的投影光学装置透镜***，其中：在复合彩色图形投影显示图像平面上确定图像图形场，使其对应于组分原色投影显示物面的物体图形场的图像，定位在复合彩色图形投影显示图像平面上的复合彩色图像测试点位置在图像图形场内靠近图像图形场周边的位置定位组分色。
7.根据权利要求5所述的投影光学装置透镜***，其中：在与相应的组分原色投影显示物面相交的交点，沿与投影光束入射传播方向大致相反的方向跟踪的每个组分原色测试点主要光线径迹从投影光学装置中心轴开始发散。
8.根据权利要求5所述的投影光学装置透镜***，其中：3个组分原色投影显示物面的对应的组分原色物面轴向位置距离彼此不同。
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