Проекционная оптическая система
Изобретение относится к проекционным оптическим системам. Устройство содержит первую оптическую часть 1, вторую оптическую часть 2, третью оптическую часть 3 и отклоняющий элемент 4. При функционировании проекционной системы третья оптическая часть 3 формирует пучок света от источника 5 излучения и направляет его на отклоняющий элемент 4, который направляет пучок света, сформированный третьей оптической частью 3, во вторую оптическую часть 2. Пройдя вторую оптическую часть 2 в одном направлении, свет отражается от микрозеркального элемента 6, где происходит формирование структуры изображения, и, пройдя вторую оптическую часть 2 в обратном направлении, попадает на вход первой оптической части 1, которая проецирует свет на экран. Поверхность зрачка второй оптической части 2 расположена между первой и второй оптическими частями, и каждая оптическая часть имеет оптическую ось, причем оптическая ось 9 третьей оптической части 3 составляет с оптической осью 8 второй оптической части 2 угол от 0° до 90° включительно, а оптическая ось 8 второй оптической части 2 расположена под углом к оптической оси 7 первой оптической части 1. 7 з.л. ф-лы, 3 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области оптики, а более конкретно к проекционным оптическим системам, и может быть использовано для формирования и проецирования изображения.
Предшествующий уровень техники
Известны проекционные оптические системы, в которых исходящий от источника свет конденсируют с помощью конденсора, обеспечивающего однородность освещения, на пленку, а затем проецируют через объектив на экран.
В современных проекционных системах (JP 2000321529A от 24.11.2000 г., МПК G02B 26/08, JP 2005092206 A от 07.04.2005 г., МПК G02B 26/08) в качестве элемента, формирующего изображение, вместо пленки используют микрозеркальные элементы, которые представляют собой массив поворотных зеркал (например, цифровое микрозеркальное устройство - DMD). Оптика данных систем включает в себя осветительную оптику для однородного освещения массива поворотных зеркал и проецирующую оптику - объектив для проецирования изображения на экран.
Недостаток данных оптических проекционных систем состоит в том, что в связи с большой дистанцией прохождения света внутри системы возникают значительные потери света, поэтому требуется повышение мощности излучения, которое приводит к перегреву системы. Для устранения перегрева приходится увеличивать размер всей проекционной системы.
Наиболее близкой к заявленному изобретению является оптическая проекционная система, описанная в патенте US 6439726 от 27.08.2002 г., МПК G02B 26/08, в которой осветительная и проекционная оптика разделена на первую, вторую и третью оптические части, при этом первая и вторая оптические части имеют общую оптическую ось и составляют проекционный объектив. Вторая и третья оптические части образуют осветительную оптику. Свет подсветки исходит из третьей оптической части, падает на вторую оптическую часть, которая содержит микрозеркальный элемент и формирует структуру изображения, а затем, пройдя через первую часть, выходит из системы и проецируется на экран. При этом благодаря расположению третьей оптической части под углом к первой и второй частям сокращается оптический путь света, а именно расстояние от источника света до микрозеркального элемента, что уменьшает потери света, требуемую мощность излучения и позволяет уменьшить размеры системы. Данная система выбрана в качестве ближайшего аналога заявленного изобретения.
Недостаток указанной известной из уровня техники проекционной системы заключается в следующем. Компактные проекционные системы обычно должны иметь большую диагональ проецируемого изображения с малым расстоянием от проектора до экрана и обеспечивать проецирование изображения вне оси для удобства зрителя (чтобы тени зрителей не падали на экран). Для этого, если проектор стоит на столе, экран располагают выше оси системы, а если проектор установлен на потолке, то экран находится ниже оси системы. Для формирования изображения на экране, который расположен вне оси системы, в системе известного ближайшего аналога применяют осесимметричные проекционные объективы (оптические части), при этом вертикально сдвигают массив поворотных зеркал относительно оптической оси объектива, из-за чего требуется значительно увеличить корректируемое поле зрения. Скорректированная область предметов (находящаяся в плоскости массива поворотных зеркал) может быть в два и даже в три раза больше полезного поля зрения (равного размеру массива поворотных зеркал). Это создает большие сложности при расчете объективов, коррекции дисторсии и аберраций. Таким образом, повышается трудоемкость и стоимость расчета и изготовления системы и увеличиваются ее размеры.
Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков, известных из уровня техники проекционных систем, а именно уменьшение габаритов и улучшение функциональных возможностей (проекционная система согласно изобретению позволяет проецировать изображение, смещенное относительно оптической оси системы) проекционной оптической системы и снижение затрат на ее изготовление.
Сущность изобретения
Поставленная задача решена за счет создания проекционной оптической системы, которая содержит первую оптическую часть, вторую оптическую часть, третью оптическую часть и отклоняющий элемент, при этом каждая оптическая часть содержит соответствующий набор оптических элементов, причем третья оптическая часть дополнительно содержит, по меньшей мере, один источник излучения и выполнена с возможностью формирования пучка света и направления его на отклоняющий элемент, который выполнен с возможностью направления пучка света, сформированного третьей оптической частью, во вторую оптическую часть, которая дополнительно содержит средство формирования изображения и выполнена с возможностью направления пучка света в первую оптическую часть, которая выполнена с возможностью проецирования пучка света, при этом поверхность зрачка второй оптической части расположена между первой и второй оптическими частями, и каждая оптическая часть имеет оптическую ось, причем оптическая ось третьей оптической части составляет с оптической осью второй оптической части угол от 0° до 90° включительно, а оптическая ось второй оптической части расположена под углом к оптической оси первой оптической части.
Для функционирования системы важно, чтобы оптическая ось второй оптической части была расположена к оптической оси первой оптической части под углом, заключенным в пределах от 0,3° до 15° включительно.
Для функционирования системы важно, чтобы отклоняющий элемент был выбран из группы, включающей в себя зеркало, призму и систему из нескольких зеркал и призм.
Для функционирования системы важно, чтобы средство формирования изображения было выполнено в виде микрозеркального элемента.
Для функционирования системы важно, чтобы первая оптическая часть содержала следующие оптические элементы, расположенные последовательно в направлении второй оптической части:
- мениск, обращенный вогнутой стороной ко второй оптической части;
- мениск, обращенный вогнутой стороной ко второй оптической части;
- положительную линзу;
- мениск, обращенный вогнутой стороной ко второй оптической части;
- отрицательную линзу;
- положительную линзу.
Для функционирования системы важно, чтобы вторая оптическая часть содержала следующие оптические элементы, расположенные последовательно от плоскости микрозеркального элемента:
- положительную линзу;
- трехлинзовый расклеенный компонент.
Для функционирования системы важно, чтобы оптическая ось второй оптической части была расположена под углом, находящимся в пределах от 0,5 до 3,0 градусов к оптической оси первой оптической части.
Для функционирования системы важно, чтобы третья оптическая часть содержала следующие оптические элементы, расположенные последовательно от источника света:
- фокон, меньшее сечение которого обращено к источнику излучения,
- Х-куб,
- мениск, обращенный вогнутой стороной к источнику света,
- положительную линзу.
Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение размеров, трудоемкости изготовления и улучшение функциональности проекционной оптической системы за счет применения оптической схемы с микрозеркальным элементом, в которой оптика состоит из первой, второй и третьей оптических частей, причем первая и вторая оптические части образуют проекционный объектив и их оптические оси наклонены друг относительно друга и пересекаются в плоскости общего зрачка или на расстоянии от нее, не превышающем диаметр входного зрачка, что делает проекционную схему несимметричной относительно оптической оси и позволяет уменьшить смещение микрозеркального элемента (уменьшив тем самым линейное поле второй оптической части, упростив ее и уменьшив световые диаметры составляющих ее линз) при сохранении значительного смещения проектора от нормали к экрану в центральной точке изображения.
Описание чертежей
Для лучшего понимания настоящего изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.
Фиг.1 - схема проекционной оптической системы, выполненной согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг.2 - схема варианта первой и второй оптических частей оптической системы, выполненной согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг.3 - схема варианта третьей оптической части оптической системы, согласно варианту осуществления изобретения.
Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Проекционная оптическая система (Фиг.1) содержит первую оптическую часть 1, вторую оптическую часть 2, третью оптическую часть 3 и отклоняющий элемент 4. Каждая оптическая часть содержит определенный набор оптических элементов. Третья оптическая часть 3 дополнительно содержит источник 5 излучения, а вторая оптическая часть 2 содержит микрозеркальный элемент 6, который может быть выполнен в виде модулятора отражательного типа, такого как цифровые микрозеркальные устройства (DMD) или LCOS (Liquid crystal on silicon - жидкий кристалл на кремнии).
Первая и вторая оптические части (1, 2) вместе образуют проекционную оптику, посредством которой изображение, представленное на отражающей поверхности микрозеркального элемента 6, отображают на экране (не изображен). Вторая оптическая часть 2 также используется для подсветки: направляет свет от источника 5 излучения, сформированный третьей частью 3 и направленный отклоняющим элементом 4. При этом плоскость зрачка второй оптической части 2 расположена между первой и второй оптическими частями 1, 2, и каждая оптическая часть имеет оптическую ось (7-9), причем оптическая ось 9 третьей оптической части 3 составляет с оптической осью 8 второй оптической части 2 угол, меньший или равный 90°. Входной зрачок 1а проекционной части (первой и второй оптических частей (1, 2)) и входной зрачок 3а осветительной части (третьей оптической части 3) для наиболее эффективного ввода излучения в систему должны располагаться наиболее близко друг к другу.
В общем случае система функционирует следующим образом. Третья оптическая часть 3 формирует пучок света от источника 5 излучения и направляет его на отклоняющий элемент 4, который направляет пучок света, сформированный третьей оптической частью 3, во вторую оптическую часть 2. Пройдя вторую оптическую часть 2 в одном направлении, свет отражается от микрозеркального элемента 6 (при этом происходит формирование структуры изображения) и, пройдя вторую оптическую часть 2 в обратном направлении, попадает на вход первой оптической части 1, которая проецирует свет на экран (не изображен).
Первая и вторая оптические части 1, 2 согласно Фиг.1 расположены таким образом, что оптическая ось 8 второй оптической части 2 составляет с оптической осью 7 первой оптической части 1 угол, заключенный в пределах от 0,3° до 15° включительно. Указанный диапазон углов получен в результате проведения экспериментальных исследований, проведенных авторами изобретения. Выбор данного диапазона значений обусловлен следующим: при меньших значениях угла наклона оси второй оптической части 2 к оси первой оптической части 1, примерно <0,3°, - действие положительного эффекта (уменьшение эффективного поля зрения системы) становится незначительным; при больших углах наклона (>15°) практически невозможно скомпенсировать аберрации.
Это позволяет смещать проецируемое изображение от оси 7 заявленной проекционной системы и дает преимущество для проекционных объективов с внеосевым полем зрения (смещенным изображением), обеспечивая частичное центрирование полевой линзы, т.е. второй оптической части 2. Конструкция полевой линзы может быть упрощена, если эффективное поле зрения уменьшится.
На Фиг.2 показан вариант выполнения первой (1) и второй (2) оптических частей заявленной оптической системы, представленной на фиг.1. Как уже указано выше, первая и вторая оптические части 1, 2 вместе формируют проекционный объектив. Первая оптическая часть 1 содержит следующие оптические элементы, расположенные последовательно в направлении второй оптической части 2: мениск 10, обращенный вогнутой стороной ко второй оптической части 2; мениск 11, обращенный вогнутой стороной ко второй оптической части 2; положительную линзу 12; мениск 13, обращенный вогнутой стороной ко второй оптической части 2; отрицательную линзу 14; положительную линзу 15. Вторая оптическая часть 2 содержит следующие оптические элементы, расположенные последовательно от плоскости микрозеркального элемента 6: положительную линзу 16; трехлинзовый расклеенный компонент 17.
На Фиг.3 представлен вариант выполнения третьей оптической части 3 заявленной оптической системы. В данном варианте третья оптическая часть содержит: источник 5 излучения (один из диодов из набора RGB); фокон 17, служащий для уменьшения угловой расходимости излучения от источника 5 излучения; X-куб 18 - для сведения цветовых каналов (не показаны); а также линзы 19 и 20, которые обеспечивают окончательное сопряжение апертур и линейных размеров источников.
Оптика, используемая в заявленной системе, может быть изготовлена из стекла или пластика. Изготовление элементов, установка линз и дополнительных элементов производится обычным для таких устройств способом, при этом не требуется нового оборудования или методов.
Промышленная применимость
Заявленная проекционная оптическая система может быть применена во всех типах проекторов, проекционных телевизоров, дисплеев и других устройств с использованием задней и передней проекции, в которых требуется миниатюризация и высокая оптическая эффективность.
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 прилагаемой формуле изобретения.
1. Проекционная оптическая система, содержащая первую оптическую часть, вторую оптическую часть, третью оптическую часть и отклоняющий элемент, при этом каждая оптическая часть содержит соответствующий набор оптических элементов, причем третья оптическая часть дополнительно содержит, по меньшей мере, один источник излучения и выполнена с возможностью формирования пучка света и направления его на отклоняющий элемент, который выполнен с возможностью направления пучка света, сформированного третьей оптической частью, во вторую оптическую часть, которая содержит средство формирования изображения и выполнена с возможностью направления пучка света в первую оптическую часть, которая выполнена с возможностью проецирования пучка света, при этом поверхность зрачка второй оптической части расположена между первой и второй оптическими частями, и каждая оптическая часть имеет оптическую ось, причем оптическая ось третьей оптической части составляет с оптической осью второй оптической части угол от 0 до 90° включительно, а оптическая ось второй оптической части расположена под углом к оптической оси первой оптической части.
2. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что оптическая ось второй оптической части расположена к оптической оси первой оптической части под углом, заключенным в пределах от 0,3 до 15° включительно.
3. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что отклоняющий элемент выбран из группы, включающей в себя зеркало, призму и систему из нескольких зеркал и призм.
4. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что средство формирования выполнено в виде микрозеркального элемента.
5. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что первая оптическая часть содержит следующие оптические элементы, расположенные последовательно в направлении второй оптической части: мениск, обращенный вогнутой стороной ко второй оптической части; мениск, обращенный вогнутой стороной ко второй оптической части; положительную линзу; мениск, обращенный вогнутой стороной ко второй оптической части; отрицательную линзу; положительную линзу.
6. Проекционная оптическая система по одному из пп.1 и 5, отличающаяся тем, что вторая оптическая часть содержит следующие оптические элементы, расположенные последовательно от плоскости средства формирования изображения, например микрозеркального элемента: положительную линзу; трехлинзовый расклеенный компонент.
7. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что оптическая ось второй оптической части расположена под углом, находящимся в пределах от 0,5 до 3,0° к оптической оси первой оптической части.
8. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что третья оптическая часть содержит следующие оптические элементы, расположенные последовательно от источника излучения: фокон, меньшее сечение которого обращено к источнику света, Х-куб, мениск, обращенный вогнутой стороной к источнику света, положительную линзу.
