Проекционная оптическая система
Изобретение относится к проекционной оптической системе, которая содержит первую оптическую часть 1, вторую оптическую часть 2, третью оптическую часть 3 и отклоняющий элемент 4. При функционировании третья оптическая часть 3 формирует пучок света от источника 5 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. Поверхность входного 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 оптические оси первой и второй оптических частей параллельны и расположены на определенном расстоянии друг от друга. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники
Изобретение относится к области оптики, а более конкретно к проекционным оптическим системам, и может быть использовано для формирования и проецирования изображения.
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 2000321529А от 24.11.2000 г., МПК G02B 26/08, JP 2005092206 А 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, 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 разделены на первую, вторую и третью оптические части, при этом первая и вторая оптические части имеют общую оптическую ось и составляют проекционный объектив. А 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. В компактных проекционных системах обычно используются источники света с большой расходимостью, например газоразрядные лампы или светоизлучающие диоды. При этом одновременно важны такие характеристики прибора, как световая эффективность, габариты и качество изображения. Повышенные требования к световой эффективности при использовании высокоапертурных источников излучения приводят к необходимости большой числовой апертуры падающего на микрозеркальную пластину (DMD) осветительного пучка и проекционного объектива. Апертурная диафрагма второй оптической части, находящаяся между первой и второй оптическими частями, таким образом, является плоскостью зрачка одновременно для осветительного пучка и проекционного пучка. При высокой входной числовой апертуре объектива наиболее удобное место для разделения пучка - плоскость зрачка второй оптической части. Разделение пучка именно в плоскости зрачка (при числовой апертуре, равной или большей синуса угла наклона элемента микрозеркальной пластины) или вблизи нее обеспечивает минимальное и равномерное по полю зрения виньетирование пучка. Допустимое расстояние зависит от числовой апертуры объектива, чем меньше числовая апертура, тем дальше можно относить узел деления пучков от положения зрачка, как правило, это расстояние не превышает диаметра зрачка. Для эффективного разделения осветительной и проекционной ветвей важна также аберрация в зрачке, то есть совпадение положения и размера зрачка для всех точек поля. Причем качество зрачка важно не только для проекционной ветви, но и для осветительной. При больших аберрациях зрачка осветительной части в системе появляется неравномерность виньетирования по полю изображения и увеличение количества рассеянного света, что, в свою очередь, приводит к нагреву оптических элементов и ухудшению качества изображения. Таким образом, для получения равномерно яркого и качественного изображения в компактной проекционной системе необходима коррекция зрачка второй оптической части одновременно для проекционного и осветительного пучков, что увеличивает корректируемую числовую апертуру второй оптической части в разы. При этом используемая апертура несимметрична относительно оси второй оптической части, так как осветительный пучок падает на вторую оптическую часть под значительным углом, а проекционный пучок, как правило, распространяется симметрично оптической оси или близко к ней.
Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков известных из уровня техники проекционных систем, а именно уменьшение габаритов, упрощение конструкции и трудоемкости изготовления проекционной оптической системы за счет упрощения конструкции ее второй оптической части путем частичного центрирования используемого пространства в плоскости зрачка, позволяющего уменьшить корректируемую числовую апертуру второй оптической части.
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 света 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 оптические оси первой и второй оптических частей параллельны и расположены на предварительно заданном расстоянии друг от друга.
Для функционирования системы важно, чтобы расстояние между оптическими осями первой и второй оптических частей находилось в пределах от 2% до 50% от диаметра зрачка второй оптической части для проекционного пучка.
Для функционирования системы важно, чтобы отклоняющий элемент был выбран из группы элементов, включающей в себя зеркало, призму, систему из нескольких зеркал, систему из нескольких призм, систему, включающую в себя зеркала и призмы.
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 точка пересечения оптической оси первой оптической части с плоскостью зрачка второй оптической части была распложена на расстоянии от 0,3 до 3 мм от точки пересечения оптической оси второй оптической части с плоскостью ее зрачка.
Для функционирования системы важно, чтобы третья оптическая часть содержала следующие оптические элементы, расположенные последовательно от источника света:
- фокон, меньшее сечение которого обращено к источнику света,
- Х-куб,
- мениск, обращенный вогнутой стороной к источнику света,
- положительную линзу.
Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение размеров, упрощение конструкции и трудоемкости изготовления системы, имеющей числовую апертуру в плоскости предмета 0.1 и более и проецирующей изображение на экран, 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 параллельны друг другу и сдвинуты друг относительно друга на расстояние, не превышающее половины диаметра зрачка второй оптической части для проекционного пучка, а вторая и третья оптические части образуют осветительную оптику.
Описание фигур 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, выполненной согласно варианту осуществления изобретения.
Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Проекционная оптическая система согласно Фиг.1 содержит первую оптическую часть 1, вторую оптическую часть 2, третью оптическую часть 3 и отклоняющий элемент 4. Каждая оптическая часть содержит, по меньшей мере, одну оптическую линзу. Третья оптическая часть 3 дополнительно содержит источник 5 света, а вторая оптическая часть 2 содержит микрозеркальный элемент 6, который может быть выполнен в виде цифрового микрозеркального устройства (DMD) или жидкокристаллического микродисплея (LCD) отражательного типа с наклоняемыми микрозеркалами.
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) одновременно используется для подсветки: направляет свет от источника 5 света, сформированного 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 от 0° до 90° включительно, а оптическая ось 7 первой оптической части 1 параллельна оптической оси 8 второй оптической части 2, и расстояние между ними составляет не менее 2% диаметра входного зрачка второй оптической части для проекционного пучка и не более 50% диаметра входного зрачка второй оптической части для проекционного пучка. Выбор данного диапазона значений обусловлен следующим: при меньших значениях децентрировки, т.е. смещения оптической оси второй оптической части 2 относительно оптической оси первой оптической части 1 (<2%) - действие положительного эффекта (уменьшение эффективного поля зрения системы) становится незначительным; при больших значениях децентрировки (>50%) - практически невозможно скомпенсировать аберрации.
В общем случае проекционная система согласно изобретению функционирует следующим образом. Третья оптическая часть 3 формирует пучок света от источника 5 света 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 части 1, которая проецирует свет на экран (не изображен).
Первая и вторая оптические части согласно Фиг.1 расположены таким образом, что оптическая ось 8 второй оптической части 2 параллельна оптической оси 7 первой оптической части 1 и смещена относительно нее в плоскости, проходящей через оптическую ось 7 первой оптической части на расстояние, не превышающее половины диаметра зрачка второй оптической части 2 для проекционного пучка.
На Фиг.2 показан вариант выполнения первой и второй оптических частей 1, 2 заявленной оптической проекционной 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 проекционной системы. В данном варианте третья оптическая часть содержит источник 5 света (один из диодов из набора RGB); фокон 17, служащий для уменьшения угловой расходимости излучения от источника 16 света; 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 проекций, 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 света 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 входного 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 оптические оси первой и второй оптических частей параллельны и расположены на предварительно заданном расстоянии друг от друга.
2. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что расстояние между оптическими осями первой и второй оптических частей находится в пределах от 2 до 50% от диаметра входного зрачка второй оптической части для проекционного пучка.
3. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что отклоняющий элемент выбран из группы элементов, включающей в себя зеркало, призму, систему из нескольких зеркал, систему из нескольких призм, систему, включающую в себя зеркала и призмы.
4. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что средство формирования изображения 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 пп.1 и 4, отличающаяся тем, что вторая оптическая часть содержит следующие оптические элементы, расположенные последовательно от плоскости средства формирования изображения в виде микрозеркального элемента: положительную линзу; трехлинзовый расклеенный компонент.
7. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что точка пересечения оптической оси первой оптической части с плоскостью входного зрачка второй оптической части расположена на расстоянии от 0,3 до 3 мм от точки пересечения оптической оси второй оптической части с плоскостью ее входного зрачка.
8. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что третья оптическая часть содержит следующие оптические элементы, расположенные последовательно от источника света: фокон, меньшее сечение которого обращено к источнику света, Х-куб, мениск, обращенный вогнутой стороной к источнику света положительную линзу.
