Проекционная оптическая система

Изобретение относится к проекционным оптическим системам. Проекционная оптическая система 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. Технический результат: уменьшение трудоемкости изготовления, габаритов системы, упрощение конструкции, упрощение проецирования смещенного изображения. 8 з.п. 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 2000321529 А 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 (проецирующая часть). А вторая и третья оптические части образуют осветительную оптику. Свет подсветки исходит из третьей оптической части и 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 оптимальному расположению оптических частей и составляющих их элементов 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, т.е. 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.

Второй недостаток ближайшего аналога заключается в следующем. Компактные проекционные системы обычно должны иметь большую диагональ проецируемого изображения с малым расстоянием от проектора до экрана и проецировать изображение 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 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 снижение трудоемкости и стоимости расчета изготовления системы, а также снижение габаритов системы путем упрощения конструкции второй оптической части и устройства в целом за счет частичного центрирования используемого пространства в плоскости зрачка, позволяющего уменьшить корректируемую числовую апертуру второй оптической системы, а также частичного центрирования поля предметов второй оптической части для упрощения проецирования смещенного изображения.

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 остью второй оптической части угол от 0 до 90° включительно, оптическая ось второй оптической части образует угол больше нуля с оптической осью первой оптической части, при этом точка пересечения оптической оси первой оптической части с плоскостью зрачка второй оптической части распложена на расстоянии от точки пересечения оптической оси второй оптической части с плоскостью ее зрачка.

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 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 и системы 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;

- положительную линзу;

- двухлинзовый расклеенный компонент, обращенный отрицательным элементом в сторону, противоположную от второй оптической части.

Для функционирования системы важно, чтобы вторая оптическая часть содержала следующие оптические элементы, расположенные последовательно от микрозеркального элемента:

- положительную линзу;

- склеенную линзу, обращенную своим отрицательным компонентом в сторону матрицы поворотных зеркал микрозеркального элемента.

Для функционирования системы важно, чтобы точка пересечения оптической оси первой оптической части с плоскостью зрачка второй оптической части была расположена на расстоянии от 0,3 до 3 мм от точки пересечения оптической оси второй оптической части с плоскостью ее зрачка, при этом оптическая ось второй оптической части образует угол, находящийся в пределах от 0,5 до 3,0 градусов с оптической осью 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 света,

- Х-куб,

- мениск, обращенный вогнутой стороной к источнику света,

- положительную линзу.

Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение размеров и трудоемкости изготовления системы, имеющей числовую апертуру 0,1 и более в плоскости предмета и проецирующей изображение на экран вне оси 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 смещены друг относительно друга в плоскости общего зрачка, что делает проекционную схему неосесимметричной 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 и одновременно уменьшить корректируемую числовую апертуру второй оптической части (упрощая ее конструкцию без увеличения аберраций и также уменьшая световой диаметр составляющих ее элементов).

Преимуществом заявленной системы по сравнению с прототипом является возможность создания проекционных систем с большой числовой апертурой и смещением изображения, составляющим не менее 20% от его вертикального размера. В данном варианте есть возможность найти оптимальное решение при двух противоположных требованиях, а именно при улучшении световой эффективности оптической системы существует возможность улучшения качества изображения на краях изображения.

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 (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 света 5, 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. Вторая оптическая часть одновременно используется для подсветки: направляет свет от источника, 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°, а оптическая ось 8 образуетугол с оптической осью 7 и сдвинута относительно оси 7 в вертикальном направлении в плоскости входного зрачка первой оптической части на расстояние, составляющее от 2 до 50% от диаметра зрачка первой оптической части. Выбор данного диапазона значений обусловлен следующим: при меньших значениях угла и децентрировки (<0,3° и <2%) действие положительного эффекта (уменьшение эффективного поля зрения системы) становится незначительным; при больших значениях угла и децентрировки (>15° и >50%) практически невозможно скомпенсировать аберрации. Все вышеупомянутые значения углов и децентрировки получены авторами в результате проведения экспериментальных исследований.

В общем случае система функционирует следующим образом. 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 (не изображен).

Первая и вторая оптические части 1, 2 (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. Это позволяет смещать проецируемое изображение от оси 7 первой оптической части заявленной проекционной системы и дает преимущество для проекционных объективов с внеосевым полем зрения (смещенным изображением), обеспечивая частичное центрирование полевой линзы. Конструкция полевой линзы может быть упрощена, если эффективное поле зрения уменьшится. Плоскость зрачка второй оптической части 2 расположена между первой и второй оптическими частями 1, 2 и оптическая ось 7 первой оптической части 1 пересекает плоскость зрачка второй оптической части 2 на расстоянии не менее 2% диаметра зрачка второй оптической части 2 для проекционного пучка и не более 50% диаметра зрачка второй оптической части для проекционного пучка от точки пересечения плоскости зрачка оптической осью 8 второй оптической части 2, а оптическая ось 9 третьей оптической части 3 расположена под углом, меньшим или равным 90° к оптической оси 8 второй оптической части 2.

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 ко второй оптической части 2: мениск 10, обращенный вогнутой стороной ко второй оптической части 2; положительную линзу 11; двухлинзовый расклеенный компонент 12, обращенный отрицательным элементом в сторону, противоположную от второй оптической части 2. Вторая оптическая часть 2 содержит следующие оптические элементы, расположенные последовательно от микрозеркального элемента 6: положительную линзу 13 и склеенную линзу 14, обращенную своим отрицательным компонентом в сторону матрицы поворотных зеркал микрозеркального элемента 6.

На Фиг.3 представлен вариант выполнения третьей оптической части 3 заявленной оптической системы. В данном варианте третья оптическая часть содержит источник излучения 5 (один из диодов из набора RGB); фокон 16, служащий для уменьшения угловой расходимости излучения от источника 1 излучения; X-куб 17 - для сведения цветовых каналов (не показаны); а также линзы 18 и 19, 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 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, оптическая ось второй оптической части образует угол больше нуля с оптической осью первой оптической части, при этом точка пересечения оптической оси первой оптической части с плоскостью зрачка второй оптической части распложена на расстоянии от точки пересечения оптической оси второй оптической части с плоскостью ее зрачка.

2. Проекционная оптическая система по п.1, в которой оптическая ось второй оптической части расположена к оптической оси первой оптической части под углом от 0,3 до 15° включительно.

3. Проекционная оптическая система по п.1, в которой расстояние между оптическими осями первой и второй оптических частей находится в пределах от 2 до 50% от диаметра зрачка второй оптической части для проекционного пучка.

4. Проекционная оптическая система по п.1, в которой отклоняющий элемент выбран из группы элементов, включающей в себя зеркало, призму и системы из нескольких зеркал и призм.

5. Проекционная оптическая система по п.1, в которой средство формирования изображения выполнено в виде микрозеркального элемента.

6. Проекционная оптическая система по п.1, в которой первая оптическая часть содержит следующие оптические элементы, расположенные последовательно в направлении второй оптической части:

мениск, обращенный вогнутой стороной ко второй оптической части;

положительную линзу;

двухлинзовый расклеенный компонент, обращенный отрицательным элементом в сторону, противоположную второй оптической части.

7. Проекционная оптическая система по п.1 или 6, отличающаяся тем, что вторая оптическая часть содержит следующие оптические элементы, расположенные последовательно от микрозеркального элемента:

положительную линзу;

склеенную линзу, обращенную своим отрицательным компонентом в сторону матрицы поворотных зеркал микрозеркального элемента.

8. Проекционная оптическая система по п.1, в которой точка пересечения оптической оси первой оптической части с плоскостью зрачка второй оптической части распложена на расстоянии от 0,3 до 3 мм от точки пересечения оптической оси второй оптической части с плоскостью ее зрачка, при этом оптическая ось второй оптической части образует угол от 0,5 до 3,0° с оптической осью первой оптической части.

9. Проекционная оптическая система по п.1, в которой 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.