ПРОЕКЦИОННЫЙ ДИСПЛЕЙ Российский патент 2007 года по МПК G03B21/00 

Изобретение относится к области оптики и может использоваться при конструировании аппаратов проекционного типа, в частности проекционных дисплеев с малой толщиной и компенсацией дисторсии.

В настоящее время существуют проекционные дисплеи с компенсацией дисторсии, в которых изображение генерируют с помощью пространственного модулятора света, а затем увеличивают изображение посредством оптической проекционной системы для последующего проецирования изображения на проекционный экран большого размера. При этом при прохождении света через оптические элементы дисплея в изображении возникают искажения, которые в проекционных дисплеях компенсируют за счет введения дополнительных оптических элементов или модификации существующих.

Например, в патенте США №6824274 [1] описан дисплей, который содержит источник света, модулятор света, генерирующий изображение, экран и средства передачи света от источника к экрану, кроме того, дисплей содержит отражатель, отражающий свет на экран, и оптическую систему, содержащую преломляющий оптический элемент, проецирующий изображение на отражатель, причем отражатель и преломляющий оптический элемент являются асферическими и выполнены с возможностью компенсации дисторсии.

В опубликованной заявке на патент США №20050174545 [2] описывается устройство дисплея с осесимметричными преломляющими оптическими элементами и полиномиальным отражателем без осевой симметрии.

Наиболее близким к заявленному изобретению является дисплей (см. патент США №6631994) [3], который включает в себя источник света, модулятор света, оптическую систему, содержащую преломляющие оптические элементы, выпуклый отражатель и экран. Преломляющая часть оптической системы направляет прошедший через модулятор свет источника на отражатель, который отражает свет на экран, при этом она вносит бочкообразную дисторсию света источника, компенсируя подушкообразную дисторсию, которая возникает в изображении при прохождении отражателя. Данный дисплей выбран в качестве прототипа заявленного изобретения.

Недостатки описанных выше аналога [2] и прототипа [3] состоят в следующем. В оптической системе используются только осесимметричные центрированные оптические элементы, что ограничивает возможности корректировки неосесимметричных аберраций и, главным образом, астигматизма, хотя эти возможности можно было бы использовать для уменьшения габаритов системы. В прототипе [3] используется только одна из таких возможностей, а именно, децентрировка пространственного модулятора света, что фактически эквивалентно увеличению линейного поля предметов в несколько раз (объектив будет качественно работать для всего поля, описанного вокруг пространственного модулятора света с центром на оси объектива). При этом усложняется конструкция объектива, и не используется возможность сократить эффективное поле предметов.

Задачей заявляемого изобретения является создание проекционного дисплея с упрощенной конструкцией и уменьшенными габаритами, которая бы позволила значительно снизить себестоимость дисплея при сохранении высокого качества изображения в пределах необходимого эффективного поля.

Поставленная задача решена путем создания проекционного дисплея, который включает в себя источник света, пространственный модулятор света, оптическую систему, по меньшей мере, один отражатель и экран, причем

- по меньшей мере, один отражатель выполнен асферическим и имеет осевую симметрию с возможностью компенсации дисторсии изображения,

- оптическая система содержит, по меньшей мере, один цилиндрический преломляющий оптический элемент, который имеет, по меньшей мере, одну поверхность с некруговым профилем, задаваемую конической постоянной и коэффициентами при высших степенях координаты на поверхности

где α_i - коэффициенты при высших порядках,

с - кривизна при вершине поверхности,

k - коническая постоянная,

и который также выполнен с возможностью компенсации дисторсии и астигматизма, возникающих в изображении при прохождении асферического отражателя;

- источник света выполнен с возможностью излучения света на пространственный модулятор света;

- пространственный модулятор света выполнен с возможностью внесения информации об изображении в свет источника и направления света через оптическую систему и, по меньшей мере, через один асферический симметричный отражатель на экран.

Для функционирования проекционного дисплея важно, чтобы максимальная оптическая сила цилиндрических оптических элементов была меньше максимальной оптической силы преломляющих оптических элементов с осевой симметрией.

В целом, техническим результатом заявленного изобретения является упрощение и миниатюризация конструкции, а также снижение себестоимости дисплея при сохранении высокого качества изображения за счет применения симметричного асферического отражателя и, по меньшей мере, одного цилиндрического преломляющего оптического элемента в оптической системе дисплея для компенсации неосесимметричных аберраций и астигматизма, возникающих при децентрировке и/или наклоне оптических элементов и при использовании симметричных оптических элементов в широком диапазоне углов падения лучей на оптические элементы.

Для лучшего понимания настоящего изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.

Фиг.1 - схема проекционного дисплея, выполненная согласно изобретению.

Фиг.2 - схема заготовки для изготовления асферического. симметричного отражателя, выполненная согласно изобретению.

Рассмотрим вариант заявленного проекционного дисплея с одним отражателем.

Проекционный дисплей включает в себя источник 1 света, пространственный модулятор 2 света, оптическую систему 3, содержащую, по меньшей мере, один цилиндрический преломляющий элемент 4, один отражатель 5 и экран 6.

Система работает следующим образом. Источник 1 света излучает свет на пространственный модулятор 2. Пространственный модулятор 2 вносит в излучение источника 1 информацию об изображении и направляет излученный свет в оптическую систему 3, снабженную, по меньшей мере, одним цилиндрическим преломляющим элементом, после прохождения оптической системы 3 свет отражается от отражателя 5 и проецируется на экран 6.

Отражатель 5 выполнен асферическим, с осевой симметрией. Использование асферического отражателя 5 с осевой симметрией позволяет удешевить и упростить процесс изготовления отражателя за счет возможности изготовления более одного отражателя 5 из одной заготовки 7 (Фиг.2). А именно, из одной заготовки 7 с осевой симметрией вырезают несколько отражателей 5 вдоль радиальных направлений заготовки 7.

Для компенсации астигматизма, возникающего при прохождении света через широкоугольную оптическую систему, а также дисторсии, возникающей в изображении при прохождении асферического симметричного отражателя 5, оптическая система 3 содержит, по меньшей мере, один цилиндрический преломляющий оптический элемент 4, который имеет, по меньшей мере, одну поверхность с некруговым профилем, задаваемую конической постоянной и коэффициентами при высших степенях координаты на поверхности.

где α_i - коэффициенты при высших порядках,

с - кривизна при вершине,

k - коническая постоянная.

Максимальная оптическая сила цилиндрических оптических элементов 6 меньше максимальной оптической силы преломляющих оптических элементов с осевой симметрией. Таким образом, обеспечивается эффективность использования цилиндрического элемента как компенсатора аберраций, а не как силового оптического элемента. Как известно, астигматизм в изображение привносится из-за разной кривизны поверхности для перпендикулярных сечений пучка (обычно используются сечения, параллельные плоскостям XOZ и YOZ). Наиболее критичен астигматизм при использовании оптических элементов в широком диапазоне высот и углов лучей, что является обычным для широкоугольных проекционных систем. Ограниченность использования цилиндрических элементов в ранних оптических системах объясняется усложненной технологией по сравнению со сферическими оптическими элементами, однако при использовании несилового (компенсирующего) цилиндрического элемента возможно массовое производство методом литья или штамповкой из различных материалов.

Существует два типа аберраций: позиционные аберрации (например, дисторсия) и аберрации, влияющие на качество (размытие) изображения (сферическая, астигматизм и другие). Если речь идет про второй тип аберраций, то полиномиальный отражатель добавляет значительный астигматизм в лучи, идущие от преломляющей части оптической системы. Этот астигматизм не имеет осевой симметрии по полю из-за общей формы уравнения полиномиального отражателя. В результате необходимо большое число оптических поверхностей для компенсации аберраций, внесенных отражателем. Однако положительный эффект от использования несимметричной формы заключается в добавлении несимметричной кривизны поля и коррекции дисторсий.

В настоящем изобретении вместо трудноизготовимого полиномиального отражателя используют пару более простых элементов: преломляющую цилиндрическую линзу и отражатель, имеющий симметрию вращения, внеосевую часть которого используют для формирования изображения.

Заявленное изобретение описывает проекционный дисплей со значительным угловым полем в пространстве изображений, проецирующий изображение на экран и имеющий части из преломляющих оптических элементов и отражающих оптических элементов.

Заявленное изобретение описывает проекционный дисплей, включающий в себя оптическую систему, которая выполнена с возможностью компенсации дисторсии и астигматизма в изображении, используя свойства асферических линз для получения изображения более высокого качества.

Одновременное использование преломляющего цилиндрического элемента с отражателем, имеющим осевую симметрию, позволяет упростить оптическую схему заявленного дисплея по сравнению с существующими оптическими системами, в которых используют либо отражатели с несимметричным полиномиальным профилем, либо только осесимметричные оптические элементы.

Следует отметить, что указанный выше вариант выполнения изобретения описан с целью иллюстрации, настоящего изобретения, и специалистам понятно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в описании и в прилагаемой формуле изобретения.

Проекционный дисплей, включающий в себя источник света, пространственный модулятор света, оптическую систему, по меньшей мере, один отражатель и экран. По меньшей мере, один отражатель выполнен асферическим и имеет осевую симметрию с возможностью компенсации дисторсии изображения. Оптическая система содержит, по меньшей мере, один цилиндрический преломляющий оптический элемент, который имеет, по меньшей мере, одну поверхность с некруговым профилем, задаваемую конической постоянной и коэффициентами при высших степенях координаты на поверхности

где α_i - коэффициенты при высших порядках, с - кривизна при вершине поверхности, k - коническая постоянная, и который выполнен с возможностью компенсации дисторсии и астигматизма, возникающих в изображении при прохождении асферического отражателя. Источник света выполнен с возможностью излучения света на пространственный модулятор света. Пространственный модулятор света выполнен с возможностью внесения информации об изображении в излучение источника и направления излученного света через оптическую систему и, по меньшей мере, один асферический симметричный отражатель на экран. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Проекционный дисплей, включающий в себя источник света, пространственный модулятор света, оптическую систему, по меньшей мере, один отражатель и экран, причем,

по меньшей мере, один отражатель выполнен асферическим и имеет осевую симметрию с возможностью компенсации дисторсии изображения,

оптическая система содержит, по меньшей мере, один цилиндрический преломляющий оптический элемент, который имеет, по меньшей мере, одну поверхность с некруговым профилем, задаваемую конической постоянной и коэффициентами при высших степенях координаты на поверхности

где α_i - коэффициенты при высших порядках;

с - кривизна при вершине поверхности;

k - коническая постоянная,

и который выполнен с возможностью компенсации дисторсии и астигматизма, возникающих в изображении при прохождении асферического отражателя;

источник света выполнен с возможностью излучения света на пространственный модулятор света;

пространственный модулятор света выполнен с возможностью внесения информации об изображении в излучение источника и направления излученного света через оптическую систему и, по меньшей мере, один асферический симметричный отражатель на экран.