Проекционная оптическая система

Изобретение относится к проекционным оптическим системам. Заявленная проекционная оптическая система содержит источник света, цветовое колесо, два фокусирующих объектива, волоконно-оптический элемент, микрозеркальное устройство, проекционный объектив и экран. Причем волоконно-оптический элемент состоит из оптических волокон, объединенных общей прозрачной оболочкой, и имеет входной и выходной торцы, входной торец волоконно-оптического элемента выполнен под углом к боковой поверхности волоконно-оптического элемента; источник света расположен под углом к боковой поверхности волоконно-оптического элемента и выполнен с возможностью направления излучения через цветовое колесо и прозрачную боковую поверхность волоконно-оптического элемента на микрозеркальное устройство, проекционный объектив расположен между волоконно-оптическим элементом и экраном и выполнен с возможностью проецирования излучения с выходного торца волоконно-оптического элемента на экран. Технический результат заключается в уменьшении габаритов системы, упрощении проекционных объективов и использовании источника света с большой апертурой. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к оптике, а более конкретно к проекционным оптическим системам, и может использоваться в проекционных оптических системах, основанных на микрозеркальных или других модуляционных устройствах.

В настоящее время проекционные оптические системы проекционных устройств состоят из источника света, например лампы высокого давления, оптической системы, включающей в себя цветовое колесо, стержневую, фокусирующую линзы и отражающее зеркало, микрозеркального устройства, призмы и экрана. Луч света от источника проходит через оптическую систему, в которой окрашивается в нужный свет и направляется через призму полного внутреннего отражения на микрозеркальное устройство. Микрозеркальное устройство за счет изменения угла поворота зеркал формирует изображение, и проекционная оптическая система проецирует его непосредственно на экран.

По такому принципу работает, например, известная оптическая система для проекционного дисплея, описанная в патенте США №5604624 [1], которая содержит источник света, призму полного внутреннего отражения, микрозеркальное устройство и экран. Система выполнена с возможностью направления света от источника через призму на массив отражающих элементов микрозеркального устройства, которые выполнены с возможностью формирования изображения на экране.

Известно также проекционное устройство, описанное в патенте США №6250763 [2]. Это устройство проецирует изображение на экран с помощью системы отражающих зеркал и линз.

Аналогом заявленного изобретения является также проекционная система для оптического дисплея, описанная в патенте США №6461000 [3]. Система содержит источник света, призму полного внутреннего отражения, микрозеркальный элемент, объектив и экран. В системе свет от источника проходит через призму, отражается от поверхности микрозеркального элемента, затем отражается от наклонной грани призмы и через объектив проецируется на экран.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является техническое решение, описанное в патенте США №5540479 [4]. В этом решении предложена оптическая система, включающая микрозеркальное устройство, состоящее из множества зеркал, каждое из которых имеет возможность занимать одно из двух положений - «включено» или «выключено», и пучка взаимно параллельных оптических волокон с оптической осью, перпендикулярной торцу, через который входит излучение и выходят отраженные от микрозеркального устройства лучи, несущие сформированное изображение. Данная система выбрана в качестве прототипа заявленного изобретения.

Недостатком приведенных выше аналогов является то, что используемая в них призма ПВО обладает малой угловой апертурой, вносит значительные потери излучения при использовании источников света большой площади и с большой угловой апертурой, а кроме того, имеет большую толщину, увеличивая размеры системы и усложняя проекционный объектив. Примененный в прототипе [4] волоконно-оптический элемент хорошо выполняет свою функцию по отсечению лучей, отраженных от зеркал, находящихся в положении «выключено», однако система подачи входящего излучения на микрозеркальное устройство является очень сложной и ненадежной, поскольку свет входит и выходит из одного и того же торца, что требует повышенной точности в сопряжении деталей проекционного объектива.

Задачей заявленного изобретения является создание проекционной системы с уменьшенными габаритами, в которой допустимо использовать источники света с большей апертурой и упрощенный проекционный объектив.

Технический результат достигается за счет создания проекционной оптической системы, которая включает в себя источник света, цветовое колесо, проекционный объектив, фокусирующие оптические элементы, микрозеркальное устройство, а также волоконно-оптический элемент, состоящий из оптических волокон, которые объединены общей прозрачной оболочкой, и экран, волоконно-оптический элемент имеет входной и выходной торцы, причем входной торец волоконно-оптического элемента выполнен под углом к боковой поверхности волоконно-оптического элемента, микрозеркальное устройство расположено вблизи входного торца волоконно-оптического элемента параллельно плоскости торца и выполнено с возможностью формирования изображения из излучения источника света и передачи изображения на экран через волоконно-оптический элемент, при этом в системе соблюдается следующая последовательность расположения элементов: источник света, первый фокусирующий оптический элемент, цветовое колесо, второй фокусирующий оптический элемент, волоконно-оптический элемент (с его боковой стороны), микрозеркальное устройство, волоконно-оптический элемент (с его скошенного торца), проекционный объектив (если используется), экран (если используется).

Для функционирования системы существенно, чтобы источник света был расположен под углом (например, перпендикулярно) к боковой поверхности волоконно-оптического элемента и выполнен с возможностью направления излучения через цветовое колесо и боковую прозрачную поверхность волоконно-оптического элемента на микрозеркальное устройство.

Для функционирования системы имеет смысл, чтобы в качестве фокусирующих оптических элементов система содержала два фокусирующих объектива, которые располагают напротив выходов источника света и цветового колеса соответственно.

Для функционирования системы необходимо, чтобы микрозеркальное устройство имело множество поворотных зеркал, расположенных на одной плоскости.

Для функционирования системы важно, чтобы волоконно-оптический элемент состоял, по меньшей мере, из двух оптических волокон, которые объединяются общей прозрачной оболочкой.

Для функционирования системы существенно, чтобы торцы оптических волокон волоконно-оптического элемента были расположены на плоскостях входного и выходного торцов волоконно-оптического элемента.

Для функционирования системы имеет смысл, чтобы показатель преломления оболочки волоконно-оптического элемента был меньше показателей преломления его оптических волокон.

Таким образом, за счет использования волоконно-оптического элемента создается проекционная система с уменьшенными габаритами, позволяющая использовать источники света с большей апертурой и упрощенный проекционный объектив.

Для лучшего понимания настоящего изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующим чертежом, на котором дана схема варианта проекционной системы с боковым вводом излучения, согласно изобретению.

Проекционная оптическая система с боковым вводом подсветки содержит два фокусирующих объектива 6, расположенных напротив выходов источника 1 света и цветового колеса 2 соответственно. Источник 1 света расположен под углом (в приведенном примере - перпендикулярно) к боковой поверхности волоконно-оптического элемента 8 и выполнен с возможностью направления излучения через цветовое колесо 2 и прозрачную боковую поверхность волоконно-оптического элемента 8 на микрозеркальное устройство 7. Микрозеркальное устройство 7 выполнено с возможностью формирования изображения путем изменения интенсивности света от источника 1 в соответствии с положением микрозеркал: если микрозеркало находится в положении «включено», свет попадает в одно или несколько волокон 9 под углом, допускающим дальнейшее распространение света в волокне, и после некоторого количества полных внутренних отражений достигает выходного торца волоконно-оптического элемента 8, а затем через проекционный объектив 4 проецируется на экран 10 в виде светящейся точки определенного цвета, если же микрозеркало находится в положении «выключено», свет, отраженный от него, не захватывается волокнами 9, а выходит через боковую поверхность волоконно-оптического элемента 8 либо поглощается в оболочке волокон, таким образом, приводя к появлению темной точки на экране 10.

Изобретение позволяет корректировать качество изображения на экране, изменяя в процессе изготовления системы следующие параметры: размер, числовую апертуру волоконного элемента, кривизну выходного торца, разрешающую способность волоконного элемента, угол скоса входного торца волоконно-оптического элемента; угол падения излучения на боковую поверхность волоконно-оптического элемента; расстояние от микрозеркального устройства до входного торца волоконно-оптического элемента; характеристики излучения источника света; отношение диаметра волокна к диаметру оболочки; расстояние выходного торца волоконно-оптического элемента до проекционного объектива.

Контраст изображения на экране увеличивают путем уменьшения пропускания волоконно оптического элемента для паразитного излучения, т.е. излучения от дифракционного рассеяния на микрозеркалах и пр.

При использовании структуры фокона, т.е. когда выходной торец волоконно-оптического элемента больше входного, элементы оптической проекционной системы и экран не используют и на выходном торце волоконно-оптического элемента получают изображение для непосредственного наблюдения.

Хотя указанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации настоящего изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в описании и прилагаемой формуле изобретения.

1. Проекционная оптическая система, включающая в себя источник света, цветовое колесо, два фокусирующих объектива, волоконно-оптический элемент, микрозеркальное устройство, проекционный объектив и экран, причем

цветовое колесо расположено напротив источника света,

два фокусирующих объектива расположены напротив выходов источника света и цветового колеса соответственно,

волоконно-оптический элемент состоит из оптических волокон, объединенных общей прозрачной оболочкой, и имеет входной и выходной торцы, причем входной торец волоконно-оптического элемента выполнен под углом к боковой поверхности волоконно-оптического элемента,

микрозеркальное устройство расположено вблизи входного торца волоконно-оптического элемента параллельно плоскости этого торца и выполнено с возможностью формирования изображения из излучения источника света и передачи изображения на экран через волоконно-оптический элемент,

источник света расположен под углом к боковой поверхности волоконно-оптического элемента и выполнен с возможностью направления излучения через цветовое колесо и прозрачную боковую поверхность волоконно-оптического элемента на микрозеркальное устройство,

проекционный объектив расположен между волоконно-оптическим элементом и экраном и выполнен с возможностью проецирования излучения с выходного торца волоконно-оптического элемента на экран.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что микрозеркальное устройство имеет множество поворотных зеркал, расположенных на одной плоскости.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что волоконно-оптический элемент состоит, по меньшей мере, из двух оптических волокон, объединенных общей прозрачной оболочкой.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что торцы оптических волокон волоконно-оптического элемента расположены на плоскостях входного и выходного торцов волоконно-оптического элемента.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что показатель преломления прозрачной оболочки волоконно-оптического элемента меньше показателей преломления его оптических волокон.