ОПТИЧЕСКАЯ ПРОЕКЦИОННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2010 года по МПК G03B21/00 G02B27/18 H04N5/74 

Изобретение относится к области оптики, а именно к оптическим проекционным системам, и может применяться в стационарных устройствах отображения или проекторах, известных как "WMD" (wall mounted device). Устройства такого типа формируют изображение на стене или на специальном проекционном экране, расположенном на стене. Особенностью данного типа проекторов является то, что они имеют сверхмалое проекционное расстояние. Это позволяет располагать проекционное устройство на одной поверхности (или вблизи нее) с проецируемым изображением.

Хорошо известны проекционные дисплеи с объективами с переменным фокусным расстоянием. Существует множество решений, которые позволяют изменять размер изображения. В общем случае оптическая проекционная система содержит одну или несколько оптических частей, обеспечивающих изменение фокусного расстояния.

Известны два разных типа оптических проекционных систем с малой дистанцией фокусировки.

Первая и наиболее распространенная система представляет собой проекционный объектив (см. Фиг.1.1). Оптическая проекционная система такого типа описана в выложенной заявке США № 20080192336 [1]. Система получает свет от отображающего элемента с последующим проецированием изображения на экран с увеличением. При этом степень увеличения регулируется за счет изменения расстояния до экрана. Система содержит: преломляющее оптическое устройство, состоящее из, по меньшей мере, одной преломляющей линзы с положительной оптической силой; и зеркало с выпуклой поверхностью, расположенное со стороны экрана и имеющее плоско-симметричную отражающую поверхность. Проекционная оптическая система формирует промежуточное изображение между преломляющим оптическим устройством и зеркалом с выпуклой поверхностью.

Недостатки оптических проекционных систем указанного типа заключаются в следующем. Требование функционирования на малом расстоянии приводит к усложнению проекционной части оптической системы объектива, в особенности это относится к углу обзора, который существенно увеличивается. В результате уменьшается качество изображения, требуется большее число элементов для компенсации аберраций в оптической системе. Кроме того, при достижении угла обзора в 90 градусов, дальнейшее его увеличение становится практически невозможным. Приемы изменения размеров изображения на экране в таких проекционных системах хорошо известны и многократно реализованы.

Ко второму типу оптических проекционных систем с малой дистанцией фокусировки относятся комбинированные отражающее-преломляющие оптические проекционные системы (см. Фиг.1.2 и 2), одна из которых описана в патенте США № 6866388 [2]. В общем случае такие системы содержат оптический модулятор 1, проекционную оптическую часть 2 и одно или несколько асферических зеркал 3, которые дают четкое без искажений изображение на экране 4. Данная комбинация оптических элементов позволяет увеличить угол обзора до 150-180 градусов. Это дает возможность получать изображение большого размера на малом расстоянии и, следовательно, обеспечивает малую дистанцию фокусировки и возможность смещения той же поверхности.

В оптических проекционных системах второго типа немодулированный свет от источника(ов) света поступает на оптический модулятор 1 (см. Фиг.1.2 и 2) света, который может быть как отражающего типа (LCOS, DMD), так и пропускающего типа (LCD). После прохождения оптического модулятора 1 в световые пучки вносится закодированная информация об изображении. Размер и разрешение изображения зависит от параметров модулятора света, размер которого, в общем случае, не превышает одного дюйма. Для увеличения проецируемого изображения предназначена проекционная оптическая часть 2. Проецируемое на экран 4 изображение может быть различного размера - от 15-20 дюймов для мобильных приложений до 120 дюймов для бизнес приложений и даже больше для использования в профессиональных кинотеатрах. Учитывая, что угол обзора менее 90 градусов, расстояние фокусировки для экрана 120 дюймов примерно равно 1,5 метрам. Однако большинство систем имеют меньший угол обзора, поэтому проекционное расстояние увеличивается до 5-10 метров и более.

Для решения данной проблемы в проекционной части проекционных оптических систем второго типа используют асферическое зеркало 3. Это позволяет отклонить световые лучи таким образом, что пучки света фокусируются на коротком расстоянии без дисторсии. Коррекция аберраций возможна для больших углов (до 180 градусов). Таким образом, проекционное расстояние значительно сокращается и может быть меньше 150 мм.

Основным недостатком использования асферического зеркала 3 является практически полное отсутствие возможности изменения масштаба. Оптическое изменение масштаба, в принципе, реализуется за счет перемещения, по меньшей мере, одного оптического компонента в проекционной оптической части 2. Однако следует учесть, что оптический модулятор 1 неподвижен по причине сложности монтажа, асферическое зеркало 3 также неподвижно из-за больших размеров и веса. Поэтому единственный путь - перемещать линзы в проекционной оптической части 2. Такие манипуляции приводят к возникновению проблем с компенсацией дисторсии - одни и те же части асферического зеркала 3 должны перенаправлять падающие под одним углом лучи на разные части экрана 4. При этом компенсационная возможность асферического зеркала 3 значительно уменьшается.

Таким образом, недостатком оптических проекционных систем второго типа является отсутствие практической возможности изменения фокусного расстояния из-за дополнительного требования трассировки луча для всех положений объектива - при каждом положении объектива, лучи от одной точки оптического модулятора 1 будут падать на разные части асферического зеркала 3. Это приводит к ситуации, при которой одна точка зеркала 3 отражает лучи с мало отличающимся углом падения на большой угол.

Наиболее близкой к заявленному изобретению является оптическая проекционная система (см. Фиг.3), описанная в опубликованной патентной заявке Японии № 2007011248 [3], которая содержит оптический модулятор 1, оптическую часть 5 переноса, выполненную с возможностью изменения увеличения изображения, отображаемого в оптическом модуляторе, до требуемого размера и отображения промежуточного изображения, проекционную оптическую часть 2, выполненную с возможностью увеличения и проецирования промежуточного изображения, и асферическое отражающее зеркало 3, выполненное с возможностью отражения увеличенного промежуточного изображения на экран 4. Данная система выбрана в качестве прототипа заявленного изобретения.

Оптическая проекционная система прототипа лишена недостатков проекционных систем второго типа, то есть в ней существует возможность изменения фокусного расстояния, но при этом она имеет крупные габариты и вес вследствие наличия большого числа оптических элементов в оптической части переноса и проекционной оптической части.

Задачей, которую призвано решать заявляемое изобретение, является создание оптической проекционной системы с меньшим весом и габаритами.

Технический результат достигается за счет создания оптической проекционной системы, содержащей оптический модулятор, оптическую часть переноса, проекционную оптическую часть, асферическое зеркало и отражающий экран, при этом оптическая часть переноса выполнена с возможностью изменения увеличения изображения оптического модулятора до требуемого размера и отображения промежуточного изображения, а проекционная оптическая часть выполнена с возможностью увеличения и проецирования промежуточного изображения на асферическое зеркало, которое выполнено с возможностью увеличения промежуточного изображения и проецирования его на экран. Отличительным признаком заявляемой системы является то, что оптическая часть переноса содержит собственную, принадлежащую только ей, часть, которая включает в себя, по меньшей мере, один оптический элемент, расположенный на первой оптической оси, проекционная оптическая часть также содержит собственную часть, которая включает в себя, по меньшей мере, один оптический элемент, расположенный на второй оптической оси, сдвинутой относительно первой оптической оси, причем оптическая часть переноса и проекционная оптическая часть имеют общую часть, содержащую, по меньшей мере, один отражающий и один преломляющий оптический элемент, при этом собственная часть оптической части переноса выполнена с возможностью передачи пучков света от оптического модулятора к общей части, выполненной с возможностью пропускания пучков света в прямом направлении от собственной части оптической части переноса к отражающему элементу, на котором формируется промежуточное изображение, и в обратном направлении от отражающего элемента к собственной части проекционной оптической части, выполненной с возможностью направления пучков света на асферическое зеркало.

Для функционирования оптической проекционной системы важно, чтобы собственная часть оптической части переноса содержала расположенные последовательно со стороны объекта на первой оптической оси мениск, обращенный своей вогнутой частью в сторону модулятора, склеенную линзу, пару менисков, обращенных вогнутыми сторонами друг к другу, блок из положительной линзы и склейки, положительная часть которой направлена в сторону оптического модулятора, и зеркало, при этом необходимо, чтобы общая часть содержала расположенные последовательно со стороны собственной части оптической части переноса одиночную положительную линзу, мениск, отрицательную линзу и плоское зеркало, при этом мениск своей вогнутой частью обращен в сторону плоского зеркала, а собственная часть проекционной оптической части содержала расположенные последовательно со стороны общей части на второй оптической оси асферическую линзу, положительную линзу и асферический мениск, обращенный выпуклой частью в сторону асферического зеркала

Для функционирования оптической проекционной системы важно, чтобы оптический модулятор света был выполнен в виде матрицы, выбранной из набора матриц, включающего в себя LCD и DMD матрицы.

Для функционирования оптической проекционной системы важно, чтобы оптические элементы собственной части оптической части переноса и собственной части проекционной оптической части были выполнены вращательно-симметричными относительно первой и второй оптических осей соответственно.

Для функционирования оптической проекционной системы важно, чтобы вторая оптическая ось была сдвинута относительно первой оптической оси, по меньшей мере, на половину размера оптического модулятора.

Для функционирования оптической проекционной системы важно, чтобы она дополнительно содержала призму, расположенную между оптическим модулятором и оптической частью переноса.

Из вышесказанного следует, что поставленная задача решена за счет уменьшения числа оптических элементов в оптической части переноса и проекционной оптической части, путем использования в них общей оптической части, выполненной с возможностью пропускания оптических пучков два раза - в прямом и обратном направлении.

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

Фиг.1. Оптические проекционные системы, известные из уровня техники:

1.1 - стандартный проектор;

1.2 - проектор с малой дистанцией фокусировки.

Фиг.2. Оптическая проекционная система с возможностью зумирования (увеличения) изображения, имеющая малую дистанцию фокусировки, известная из уровня техники.

1 - оптический модулятор;

2 - проекционная оптическая часть;

3 - асферическое зеркало;

4 - экран.

Фиг.3. Оптическая проекционная система с возможностью зумирования (увеличения) изображения, имеющая малую дистанцию фокусировки, известная из уровня техники (прототип).

1 - оптический модулятор;

2 - проекционная оптическая часть;

3 - асферическое зеркало;

4 - экран;

5 - оптическая часть переноса.

Фиг.4. Общая схема оптической проекционной системы согласно изобретению.

1 - модулятор света;

2 - проекционная оптическая часть;

3 - асферическое зеркало;

4 - экран;

5 - оптическая часть переноса;

6 - общая часть;

7 - собственная часть проекционной оптической части;

8 - собственная часть оптической части переноса.

Фиг.5. Схема варианта выполнения оптической проекционной системы согласно изобретению:

5.1 - общая часть как часть оптической части переноса;

5.2 - общая часть как часть проекционной оптической части.

На Фиг.4 показано распространение света через заявленную оптическую проекционную систему. Проекционная оптическая система содержит модулятор 1 света, проекционную оптическую часть 2, асферическое зеркало 3, экран 4, оптическую часть 5 переноса, собственную часть 7 проекционной оптической части 2, собственную часть 8 оптической части 2 переноса, при этом оптическая часть 5 переноса и проекционная оптическая часть 2 также имеют общую часть 6. Световые пучки проходят общую часть 6 в прямом и обратном направлении. Это позволяет уменьшить длину заявленной оптической проекционной системы. Комбинация частей 2 и 6 реализует функцию изменения масштаба. Она переносит изображение источника 1 света на другую поверхность с 1-3-кратным увеличением. Практически это означает, что проекционная оптическая часть 6 содержит новый источник изображения, который имеет разные размеры и расположен в оптической части. Как описано выше, пучки света проходят через проекционную оптическую часть 2 и перенаправляются асферическим зеркалом 3 на экран 4. Но при этом на зеркале 3 не происходит наложения пучков.

На Фиг.5 общая часть 6 показана как часть оптической части 5 переноса (Фиг.5.1) и как часть проекционной оптической части 2 (Фиг.5.2). Пучки света распространяются в прямом направлении в общей части 6 оптической части 5 переноса; и та же общая часть 6 проводит пучки света в обратном направлении как часть проекционной оптической части 2.

На Фиг.5 представлен один из наиболее удачных вариантов выполнения заявленного изобретения. Оптические лучи, вышедшие из оптического модулятора 1 и призмы 9, попадают в собственную часть 8 оптической части 5 переноса, состоящую в общем случае из нескольких линз. В данном варианте собственная часть 8 оптической части 5 переноса состоит из мениска 10, обращенного в сторону модулятора 1, склеенной линзы 11 и пары менисков 12, 13, обращенных вогнутыми сторонами друг к другу, положительной линзы 14 совместно с двухлинзовым склеенным мениском 15 и зеркала 16.

Общая часть 6 для оптической части 5 переноса и проекционной оптической части 2 в идеале может состоять из одной линзы и зеркала, однако для лучшей коррекции аберраций необходим более сложный оптический компонент - комбинация одиночной положительной линзы 17, мениска 18, отрицательной линзы 19 и зеркала 20. В связи с тем, что часть функций по аберрационной коррекции уже заложена в общей части 6, собственная часть 7 проекционной оптической части 2 может быть выполнена по упрощенной схеме: в виде асферической линзы 21, положительной стеклянной линзы 22 и асферического мениска 23, обращенного выпуклой частью в сторону асферического зеркала 3, которое выполняет функции корректора дисторсии.

Приведенный выше вариант выполнения заявленного изобретения является лишь примером и может меняться в зависимости от требований к качеству и габаритам системы, а также от типа используемого модулятора света.

Заявленное изобретение может применяться в проекционных решениях для бизнеса, особенно в области устройств с возможностью зумирования (увеличения) изображения, имеющих малую дистанцию фокусировки.

Система содержит оптический модулятор, оптическую часть переноса, проекционную оптическую часть, асферическое зеркало и отражающий экран. Оптическая часть переноса содержит собственную часть, включающую в себя, по меньшей мере, один оптический элемент, расположенный на первой оптической оси. Проекционная оптическая часть содержит собственную часть, включающую в себя, по меньшей мере, один оптический элемент, расположенный на второй оптической оси, сдвинутой относительно первой оптической оси. Оптическая часть переноса и проекционная оптическая часть имеют общую часть, включающую в себя, по меньшей мере, один отражающий и один преломляющий оптические элементы. Собственная часть оптической части переноса передает пучки света от оптического модулятора к общей части, которая пропускает пучки света в прямом направлении от собственной части оптической части переноса к отражающему элементу, на котором формируется промежуточное изображение, и в обратном направлении от отражающего элемента к собственной части проекционной оптической части, направляющей пучки света на асферическое зеркало. Технический результат - уменьшение веса и габаритов. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Оптическая проекционная система, содержащая оптический модулятор, оптическую часть переноса, проекционную оптическую часть, асферическое зеркало и отражающий экран, при этом оптическая часть переноса выполнена с возможностью изменения увеличения изображения оптического модулятора до требуемого размера и отображения промежуточного изображения, а проекционная оптическая часть выполнена с возможностью увеличения и проецирования промежуточного изображения на асферическое зеркало, выполненное с возможностью увеличения промежуточного изображения и проецирования его на экран, отличающаяся тем, что оптическая часть переноса содержит собственную часть, включающую в себя, по меньшей мере, один оптический элемент, расположенный на первой оптической оси, проекционная оптическая часть содержит собственную часть, включающую в себя, по меньшей мере, один оптический элемент, расположенный на второй оптической оси, сдвинутой относительно первой оптической оси, причем оптическая часть переноса и проекционная оптическая часть имеют общую часть, включающую в себя, по меньшей мере, один отражающий и один преломляющий оптические элементы, при этом собственная часть оптической части переноса выполнена с возможностью передачи пучков света от оптического модулятора к общей части, которая выполнена с возможностью пропускания пучков света в прямом направлении от собственной части оптической части переноса к отражающему элементу, на котором формируется промежуточное изображение, и в обратном направлении от отражающего элемента к собственной части проекционной оптической части, выполненной с возможностью направления пучков света на асферическое зеркало.

2. Оптическая проекционная система по п.1, отличающаяся тем, что собственная часть оптической части переноса содержит расположенные последовательно со стороны объекта на первой оптической оси мениск, обращенный своей вогнутой частью в сторону модулятора, склеенную линзу, пару менисков, обращенных вогнутыми сторонами друг к другу, блок из положительной линзы и склейки, положительная часть которой направлена в сторону оптического модулятора, и зеркало, при этом общая часть содержит расположенные последовательно со стороны собственной части оптической части переноса одиночную положительную линзу, мениск, отрицательную линзу и плоское зеркало, при этом мениск своей вогнутой частью обращен в сторону плоского зеркала, а собственная часть проекционной оптической части содержит расположенные последовательно со стороны общей части на второй оптической оси асферическую линзу, положительную линзу и асферический мениск, обращенный выпуклой частью в сторону асферического зеркала.

3. Оптическая проекционная система по п.1, отличающаяся тем, что оптический модулятор света выполнен в виде матрицы, выбранной из набора матриц, включающего в себя LCD и DMD матрицы.

4. Оптическая проекционная система по п.1, отличающаяся тем, что оптические элементы собственной части оптической части переноса и собственной части проекционной оптической части выполнены вращательно-симметричными относительно первой и второй оптических осей соответственно.

5. Оптическая проекционная система по п.1, отличающаяся тем, что вторая оптическая ось сдвинута относительно первой оптической оси, по меньшей мере, на половину размера оптического модулятора.

6. Оптическая проекционная система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит призму, расположенную между оптическим модулятором и оптической частью переноса.