СВЕТОЛУЧЕВОЙ МЕХАНИЗМ ДЛЯ ЦИФРОВОГО ВИДЕОПРОЕКТОРА Российский патент 2009 года по МПК G02B5/09 

Настоящее изобретение относится к модулю, соответствующему последней модели видеопроектора 2-го поколения для цифрового кино, позволяющему проецирование на широкий экран видеосигнала сверхвысокого разрешения RGB с использованием лазера малой или средней мощности или белого света, генерируемого ксеноновой лампой очень высокой интенсивности, в качестве источника света.

Показ в кинотеатрах традиционно осуществляется с помощью 35- или 70-мм кинопроекторов. В настоящее время доступен ряд разработок на базе технологий DLP или LCD, поддерживающих разрешение 2К×1К пикселей, и технологии GLV, выбранной в качестве прототипа, поддерживающей разрешение 4К×2К пикселей. Использование этих технологий, применяемое для более высокого разрешения, приводит к возрастанию эксплутационных расходов, что связано с конструкцией базовых элементов (компоненты DLP, LCD или GLV). Использование микроскопических металлических компонентов (микрозеркала DMD для технологии DLP или тонкие микропластинки для технологии GLV) вызывает проблемы остаточных магнитных полей, резонанса, раннего выхода из строя (в результате многократных циклов кручения), окисления и ограничения достижимой максимальной частоты развертки или регенерации. Для технологии LCD главными проблемами являются: 1) дихроические фильтры, вызывающие потерю передачи и искажения основных цветовых характеристик (соотношение RGB, цветовая гамма и температура) на уровне рекомбинированного сигнала; 2) матрица прерывателя LCD имеет ограниченную частоту активации/дезактивации (цикл прерывания). Эти взаимосвязанные эффекты не ослабляются оптимизацией обработки для получения надлежащего микширования, температуры или гаммы цвета с достаточным уровнем контрастности, необходимым для зрителей кинотеатров. Сфера применения цифрового кино высокого качества, в первую очередь, затем будет переориентирована на другие сегменты рынка (то есть "домашние кинотеатры"), когда уровень интеграции (уменьшение размера механизма развертки/сканирования) и цена производства будут достаточно оптимизированы.

Устройство по настоящему изобретению позволит воспроизвести последовательность изображений сверхвысокой четкости (UHD) от источника света на экран различных размеров и формы. Технической задачей является сохранение существенных характеристик исходного сигнала (спектр, гамма, разрешающая способность, уровень контрастности и т.д.) на выходе.

Видеопроецирование, осуществляемое практически полностью с помощью оптической системы (луч света плюс микроскопические зеркала), таким образом оптимизируется, поскольку включает только последовательность отражений вращающихся оптических дисков, которые практически не подвержены механическому износу. Принцип действия включает вертикальную и горизонтальную развертку на определенную область (проекционная поверхность или экран) за счет последовательного отражения луча первым диском, способным осуществлять вертикальную развертку, а затем вторым диском, способным осуществлять горизонтальную развертку. Луч имеет диаметр в пределах от 0,1 до 2,5 мм в зависимости от цели использования проецирующей подсистемы на последнем этапе. Вместо использования оптических дисков для простого действия по чтению и хранению цифровой информации подобная физическая структура используется для выполнения на ней микроскопических граней, например с помощью лазерного луча, которые затем покрывают тонким металлическим слоем и которые позволяют отражать луч света под различными углами. Эти углы определяются геометрией (углом наклона) плоской поверхности, соответствующей каждой грани, что связано с положением граней на диске в определенное время "t". Последовательное отражение на вращающихся оптических дисках позволяет выполнять эффективную развертку с минимальными проблемами ослабления сигнала, преломления и дифракции.

В соответствии со специфическими вариантами осуществления используется следующее.

Первый вращающийся оптический диск используется для вертикальной развертки, а затем используется второй диск для горизонтальной развертки, которые объединены с вращающимся дисковым микрооптическим затвором, обеспечивающим уровень модуляции луча света, и с прямоугольным оптическим затвором для преобразования границ кадра или области проецирования на экране.

Механизм может комплектоваться дополнительными дисками для обеспечения большего углового шага (что лучше при производстве) на каждом диске. Второй вращающийся оптический диск может заменяться тремя вращающимися оптическими цилиндрическими цилиндрами (или барабанами), за счет чего можно увеличить угловой шаг (из-за вибрации, диск имеет существенные ограничения соответственно настоящему уровню технологий обработки).

Предусматривается использование трех типов источников света: белый свет, например от ксеноновой лампы, цветовая температура которой может регулироваться в пределах 8500К с проходом через призматические фильтры RGB, используемой в настоящее время в «домашнем кинотеатре»; монохроматический лазер малой или средней мощности, способный генерировать три базовых цвета - красный, зеленый и синий; и белый лазер, объединенный с призматическими фильтрами для передачи требуемого спектра с целью получения одного из базовых цветов (RGB).

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

фиг.1 - общий вид всего механизма согласно настоящему изобретению;

фиг.2 - подробный вид первого вращающегося оптического диска;

фиг.3 - вид вращающегося оптического диска с выравненными микроскопическими гранями;

фиг.4 - иллюстрация микроскопической грани, используемой для вертикального отражения;

фиг.5 - иллюстрация микроскопической грани, используемой для вертикального отражения;

фиг.6 - иллюстрация варианта с несколькими вращающимися оптическими дисками с различными угловыми шагами;

фиг.7 - иллюстрация варианта с несколькими вращающимися оптическими цилиндрами с различными угловыми шагами;

фиг.8 - иллюстрация двух плоскостей (вертикальной и горизонтальной), относящаяся к варианту осуществления, представленному на фиг.7;

фиг.9 - подробный вид диска и цилиндра, относящихся к варианту осуществления, представленному на фиг.7, с близким угловым шагом/приращением, в частности равным 1, 2, 3 или 5°.

Как показано на фиг.1, механизм включает, в первую очередь, первый вращающийся оптический диск 5, изготовленный из полимера, используемого для изготовления дисков CD ROM или DVD, или из других материалов с подобными свойствами. Поверхность диска включает последовательные ряды микроскопических зеркал 13, примерно в диапазоне от 1000 до 3000 шт. всего на сегмент (например, 300 шт. на один сектор и, например, всего 10 секторов на один сегмент), где их ориентация относительно вертикальной плоскости изменяется, например от 0 до 9° с шагом или приращением около 0,03° (или с другим кратным, или величиной, которая определяется на стадии моделирования или макетирования), чьей функцией является отклонение луча от вертикальной плоскости.

Второй вращающийся оптический диск 7, имеющий скорость вращения от 1000 до 5000 раз больше, чем первый диск, предназначен для отклонения луча от горизонтальной плоскости. Поверхность диска содержит последовательные ряды микроскопических зеркал 13, всего примерно от 1000 до 5000 шт. на сегмент (например, 500 шт. на один сектор и, например, всего 10 секторов на одном сегменте), где их ориентация относительно горизонтальной плоскости изменяется, например от 0 до 12° с шагом или приращением около 0,03° (или с другим кратным или величиной, которая определяется на стадии моделирования или макетирования).

Диски 5 и 7 имеют достаточно большой размер в начальной стадии проектирования, составляющий около 45 см на стадии макетирования, затем с постепенной интеграцией до 30 см, затем до 15 см, затем до 5 см и, наконец, до диаметра 3 см, если это совместимо с уровнями интеграции на стадии промышленного выпуска, который может достигаться на сегодняшнем уровне техники.

Отражающие трехмерные (3D) грани, например зеркал 13 и 14, показанные относительно вертикальной плоскости 18 на фиг.4 и относительно горизонтальной плоскости 25 на фиг.5, имеющие различные углы наклона, изготовлены или вырезаны лазером (например, подобно технологии микрохирургии роговой оболочки глаза) на полимерной поверхности каждого сектора обоих дисков до покрытия их очень тонким слоем композита (например, композит алюминия, серебра, или золота, или любой другой композит, имеющий высокую отражательную способность с низкой степенью окисляемости) для получения рядов микроскопических зеркал. Линия выравнивания 16 микроскопических граней реализуется в вертикальной плоскости линии выравнивания 16 и по секторам 17 от 1 до n, как показано на сегменте диска 15. Тонкое металлизированное покрытие 21 покрывает каждую изготовленную грань, т.е. нанесено на основную часть 20 соответственно под углом к вертикали 22 и на основную часть 24 соответственно под углом к горизонтали 23. Каждая из граней вставляется или прикрепляется к соответствующему основанию 19.

На фиг.1 показаны оба диска 5 и 7 блока развертки, установленные на шаровом шарнире электронного сервопривода 6 с одной степенью свободы (1D), двумя (2D) или тремя степенями свободы (3D), в зависимости от требуемых микрорегулировок и соответственно трем осям, по которым осуществляется стадия настройки. Механический вращающийся дисковый микрооптический затвор 4, имеющий изменяемую скорость вращения от электронного сервопривода, позволяет пульсировать источнику света. Электронный прямоугольный LCD затвор 8 или простой механический микрооптический затвор, совместимый с форматом 16/9 или любым другим форматом, используемым в кино, позволяет, при необходимости, калибровать форму и размер изображения на проекционном экране светолучевой матрицы до стадии вывода из оптического модуля. Выбранная система может ограничить дифракционные недостатки (побочные эффекты) для оптимизации уровня контрастности типа резкости зоны, соответствующей границе проецируемого кадра и его периферии.

Скорость вращения обоих вращающихся оптических дисков прецизионно точно управляется цифровым управляемым сервомотором (подобно контроллеру жестких дисков или как в плеерах, или рекордерах CD ROM или DVD). Система компенсации, использующая микромоторизованную платформу 2 с тремя степенями свободы, в случае необходимости, может интегрироваться с использованием бесконечных винтов, гидравлических или пневматических устройств, предназначенных для ориентации или установки оптической головки 1 оптимальным способом, принимая во внимание три дорожки отражения (в результате двойного отражения). Высокая скорость вращения дисков вокруг оси 12 создает важный момент, который стабилизирует оба диска по отношению к вертикальной и горизонтальной плоскостям.

В соответствии с используемым источником света может быть необходим проход луча света через призмы (неподвижные или вращающиеся), что позволяет передавать только один цвет одновременно. Поверхность диска при вращении разделена на три зоны 9, 10 и 11 в случае, когда три лазерные головки 1 небольшого размера могут быть выравнены, располагаясь напротив первого диска 5, с одной зоной на один цвет.

Выравнивание или наведение (используемое в настоящее время в оптической периферийной аппаратуре передачи лазерного луча для обеспечения линии соединении визуального свободного пространства) может быть добавлено для точной регулировки развертки трех лучей (RGB) на проекционном экране. Могут применяться мишени настройки, например от 12 до 20 фигур крестообразной формы «+». Эти мишени настройки распределяются, например в 4 колонки по 3 рядам или в 5 колонок по 4 рядам, и проецируются через экран с высокой интенсивностью, чтобы была возможна их детекция или обнаружение. Такая мишень настройки активируется во время стадии калибровки до начала проецирования. Использование датчика мишени позволит точно определить местоположение или откалибровать каждую группу световых лучей (RGB) на проекционном экране, например, последующим расчетом совмещения мишени.

Внутренний модуль цифрового светолучевого механизма должен монтироваться при давлении, ниже атмосферного (под частичным вакуумом), чтобы предотвратить процесс окисления и попадания микрочастиц или пыли на диски. Диски заменяются при регулярном техническом обслуживании.

Механизм не должен иметь ограничивающих недостатков, связанных с регенерацией или частотой развертки, которые могут ограничивать достижимую максимальную разрешающую способность, свойственную технологиям компонентов матриц DLP, LCD или технологии микропластинок GLV. Этот механизм должен преодолеть следующие проблемы: перегрев, проявляющийся при обычной частоте развертки у микрозеркал по технологии DLP или у тонких металлических пластинок по технологии GLV, или явление резонанса, связанное с вибрацией металлических частей, износом металлических кинематических пар или разрушением от окисления, равно как и от отложений пыли и микрочастиц на отражающих поверхностях по технологиям DLP или GLV.

Три вышеуказанные технологии (DLP, LCD и GLV) определяют высокую стоимость обслуживания, поскольку любой сбой в работе ведет к необходимости замены главных узлов. Стоимость обслуживания становится препятствием с увеличением размеров и уровня интеграции таких узлов (матричные элементы DLP и LCD и ряд тонких пластинок GLV).

Могут быть и другие варианты осуществления. В случае, когда достаточно трудно технически обеспечить получение достаточного малого углового шага средствами обычных технологий для надлежащего наклона граней двух дисков, может использоваться введение некоторого числа других дисков 26 и 27 или вращающихся оптических цилиндров 28 и 29, вращающихся вокруг оси 30, позволяющих произвести полную развертку поверхности комбинацией отражений под различными углами с большим угловым шагом 35 (например, от 1 до 5°). Горизонтальные плоскости 31 и 32 разграничивают относительные плоскости источника света 1 с направлением первого луча на диск 5 у пересечения с вертикальной плоскостью 34, обращенного к другой вертикальной плоскости 33. Линия выравнивания микроскопических граней 36 соответствует вертикальной плоскости каждого оптического цилиндра.

Для оптимизации или ограничения числа отражающих граней на каждом диске может использоваться, в случае необходимости, технология отражения путем распространения или распределения в пространстве точек, относящихся к каждому основному цвету, исторически разработанная для печатной промышленности (группировка или концентрация точек для реконструкции заостренного изображения или формы при просмотре с определенного расстояния).

После выбора конфигурации и сохранения выбранного углового шага система может использоваться для цифрового кино сверхвысокой четкости или в "домашнем кинотеатре".

Изобретение относится к системе, способной проецировать последовательность цифровых видеоизображений на экран с различными размерами и формой посредством луча света, который может генерироваться источником света (1) типа лазера малой или средней мощности или белого света с ориентацией шаровыми шарнирами (2) с тремя степенями свободы. Система содержит вращающийся дисковый микрооптический затвор (4) с щелями (3), два вращающихся оптических диска (5) и (7) с цифровым управлением на оси (12) шаровыми шарнирами (6) с тремя степенями свободы, создающих вертикальную и горизонтальную развертку луча на экране, ограниченным прямоугольным оптическим затвором (8). Изображение реализуется посредством последовательного отражения луча света микроскопическими отражающими гранями, покрытых тонким слоем металла и распределенных на поверхности дисков (5) и (7). Поверхность каждой грани ориентирована с углом отражения, увеличивающимся в соответствии с угловым приращением, которое зависит от цели использования. Система может использоваться для цифрового кино, поддерживающего сверхвысокое разрешение. Технический результат - сохранение существенных характеристик исходного сигнала. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Светолучевой механизм для цифрового видеопроектора, характеризующийся тем, что включает источник лазерного излучения (1) или источник белого света (1), генерирующий луч света, пульсирующий за счет вращающегося дискового микрооптического затвора (4), который распределяется на вращающихся оптических дисках (5) и (7) за счет последовательного отражения по линии выравнивания (16) от отражающих микроскопических граней (13) и (14) для создания горизонтальной и вертикальной развертки луча.

2. Механизм по п.1, характеризующийся тем, что вращающийся оптический диск (5) содержит выровненные по линии отражающие микроскопические грани, распределенные по трем зонам (9), (10) и (11), имеющие возможность последовательного горизонтального или вертикального отражения, позволяющего развертку луча на проекционном экране, причем микроскопические грани (13) и (14) расположены в нескольких секторах (17) с числом от 1 до n, которые предварительно выполнены механической обработкой или лазерной обработкой на поверхности диска (5) до нанесения на них очень тонкого слоя металлизированного покрытия (21), способного отражать свет, тем самым преобразуя микроскопические грани (13) в микроскопические зеркала, где каждая грань выполнена так, чтобы иметь определенный угол наклона, зависящий от ее расположения (вертикальный или горизонтальный диск; зона красного, зеленого или синего цвета; номера сектора и углового положения сектора).

3. Механизм по п.1, характеризующийся тем, что вращающиеся оптические диски позволяют отражения луча света исключительно за счет отражения от поверхностей микроскопических граней (18) и (25), которые выравнены в одной вертикальной плоскости и распределены на вращающихся оптических дисках (5) и (7) так, чтобы создать горизонтальную и вертикальную развертку луча, причем луч проходит такую траекторию, что начинается от источника света (1), отражается первым вращающимся диском (5) вертикальной развертки под определенным углом к вертикали (22), затем движется на второй вращающийся диск горизонтальной развертки для изменения направления по отношению к вертикальной плоскости под определенным углом к горизонтали (23).

4. Механизм по п.1, характеризующийся тем, что включает шаровой шарнир (2) или (6), снабженный средством прецизионной регулировки его перемещения в трех измерениях для точной юстировки между источником света и вращающимися оптическими дисками, тем самым обеспечивая во время цикла развертки оптимальное отражение луча света посредством микроскопических граней.

5. Механизм по п.1, характеризующийся тем, что включает вращающийся дисковый микрооптический затвор (4), имеющий определенное количество щелей (3) различного размера и местоположения, требуемое для генерации пульсирования лучей красного, зеленого и синего цветов (RGB), излучаемых тремя вертикально выровненными источниками непрерывного света (1), причем весь механизм точно синхронизирован с вращающимися оптическими дисками (5) и (7) под цифровым управлением.

6. Механизм по п.1, характеризующийся тем, что включает определенное количество дополнительных дисков (26) и (27), например по два, обращенных к первым дискам (5) и (7), которые за счет комбинации отражения под разными углами позволяют осуществить полную развертку одновременно с относительно большим угловым шагом (например, от 1 до 5°), которые включают ряды наклонных отражающих плоскостей, неподвижных или подвижных, для охвата всего углового диапазона, когда поверхность диска или ее размер не позволяют разместить необходимое эффективное количество отражающих граней для полной развертки с заданным разрешением.

7. Механизм по п.1 или 6, характеризующийся тем, что включает определенное количество вращающихся цилиндров (28) и (29), обращенных к вертикальному вращающемуся оптическому диску (5), причем эти цилиндры снабжены микроскопическими отражающими гранями (13), которые могут включать ряды наклонных отражающих плоскостей, неподвижных или подвижных, добавляемых для охвата всего углового диапазона, когда поверхность диска или ее размер не позволяют разместить необходимое эффективное количество отражающих граней для полной развертки с заданным разрешением.