ПРОЕКЦИОННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 2012 года по МПК G03B21/10 G02B27/18 H04N5/74 

Настоящее изобретение относится к оптике, а именно к проекционным оптическим системам с широким диапазоном фокусировки и изменяемым размером изображения, и может быть использовано в качестве оптической системы в проекционных устройствах для формирования изображения большого размера на поверхности экрана для бизнеса, домашних кинотеатров, рекламы, особенно в области проекционных систем с коротким расстоянием.

В настоящее время в качестве оптических модуляторов для проекционных устройств широко используются цифровые микрозеркальные устройства (DMD - digital micro-mirror device) и жидкокристаллические дисплеи (LCD - liquid crystal display).

Хорошо известны различные проекционные устройства с функцией изменения фокусного расстояния, которая позволяет изменять размер изображения на экране. Существует два типа наиболее часто используемых проекционных устройств. Первый тип представляет собой объектив с переменным фокусным расстоянием, в котором изменение размера изображения на экране обеспечивается путем перемещения компонентов при фиксированном проекционном расстоянии. Второй тип является проекционным устройством, в котором изменение размера изображения требует изменения проекционного расстояния.

Из уровня техники известна проекционная оптическая система (см. выложенную заявку на патент США №20080192336 [1] комбинированного типа (комбинация отражающих и преломляющих элементов), содержащая группу преломляющих линз с осесимметричными поверхностями и децентрированное зеркало с полиноминальной поверхностью (так называемой "фри-форм"). Данная система проецирует свет от оптического модулятора на экран с различным увеличением, которое достигается путем изменения проекционного расстояния.

Недостатком описанного выше технического решения является: большой размер оптических элементов, недостаточный диапазон изменения фокусного расстояния, малая светосила, низкое качество изображения, нетелецентрический ход лучей и сложный профиль поверхности зеркала вследствие большого асферического градиента.

В выложенной заявке США №20080100927 [2] описано устройство отображения проекционного типа, содержащее переднюю группу линз, имеющую несколько линз, каждая из которых имеет осесимметричную форму поверхности, и заднюю группу линз, расположенную после передней группы линз, содержащую преломляющие линзы с осесимметричной формой поверхности, несколько линз с полиноминальной формой поверхности ("фри-форм") и выпуклое отражающее зеркало, расположенное после задней группы линз и имеющее полиноминальную форму отражающей поверхности.

Недостатки данного технического решения заключаются в больших размерах объектива, недостаточном диапазоне изменения фокусного расстояния, малой светосиле и низком качестве изображения из-за большого числа оптических элементов сложной формы, составляющих оптическую систему.

Наиболее близка к заявленному изобретению проекционная оптическая система, описанная в выложенной заявке США №20100097582 [3], которая имеет относительно малую общую длину и при этом может проецировать высококачественное изображение большого размера. Проекционная оптическая система содержит систему линз и, по меньшей мере, одно изогнутое зеркало. Расстояние OAL и расстояние Y удовлетворяют требованию 20<OAL/Y<30, где OAL - это расстояние между поверхностью оптического модулятора и поверхностью изогнутого зеркала, а расстояние Y является расстоянием между общей оптической осью линз и краем линзы наибольшего диаметра. Данная проекционная оптическая система выбрана в качестве прототипа заявленного изобретения.

В качестве основных недостатков прототипа следует отметить большой размер объектива, недостаточный диапазон изменения фокусного расстояния, малая светосила и низкое качество изображения из-за большого числа оптических элементов сложной формы, составляющих оптическую систему.

Задачей заявляемого изобретения является создание проекционной оптической системы, способной, при компактных размерах, проецировать свет от оптического модулятора на экран с различным увеличением, причем такая система должна иметь боле высокую светосилу, более широкий угол поля зрения, меньшее проекционное расстояние, больший диапазон увеличений и более высокое качество проецируемого изображения.

Технический результат достигается за счет разработки усовершенствованной конструкции проекционной оптической системы, содержащей расположенные последовательно по ходу распространения света оптический модулятор, оборачивающую оптическую систему, плоскость промежуточного изображения, фронтальную оптическую систему и отражающее зеркало, причем оптический модулятор содержит красную, зеленую и синюю цветовые компоненты, выполненные с возможностью смещения, оборачивающая оптическая система содержит несколько (более двух) групп линз, выполненных с возможностью их перемещения вдоль оптической оси с целью изменения увеличения размера изображения, при этом оборачивающая оптическая система выполнена с возможностью формирования промежуточного изображения между оборачивающей оптической системой и фронтальной оптической системой, которая выполнена с возможностью проецирования промежуточного изображения на отражающее зеркало, которое выполнено с возможностью отражения изображения на экран, при этом все оптические элементы проекционной оптической системы имеют общую оптическую ось, причем форма и расположение линз фронтальной оптической системы подобраны таким образом, чтобы вызываемые ими хроматические аберрации, частично компенсировались смещением вдоль оптической оси промежуточных изображений, сформированных каждой из цветовых компонент оптического модулятора, а смещение промежуточных изображений компенсировалось смещением оптических модуляторов цветовых компонент, при этом оптические элементы проекционной оптической системы удовлетворяют условиям (1) и (2):

где OAL' - расстояние между плоскостью промежуточного изображения и отражающим зеркалом, Y' - расстояние между оптической осью и краем промежуточной плоскости изображения;

где OAL - расстояние между плоскостью оптического модулятора и отражающим зеркалом, Y - расстояние между оптической осью и краем плоскости оптического модулятора.

Заявляемая оптическая система позволяет создавать компактные, простые по конструкции проекторы, имеющие меньшие, по сравнению с прототипом, общие размеры, что достигается за счет высокого перепада изменения фокусного расстояния, обеспечиваемого посредством перемещения групп линз. Причем конструкция отличается наличием меньшего, по сравнению с прототипом, числа линз, минимумом асферических поверхностей, отсутствием поверхностей сложной формы (полиноминальных поверхностей), что обеспечивается введением оборачивающей оптической системы и фронтальной оптической системы, при этом оборачивающая оптическая система выполнена с возможностью формирования промежуточного изображения, расположенного между оборачивающей и фронтальной оптическими системами с большим перепадом увеличения, а фронтальная оптическая система включает в себя, по меньшей мере, одно зеркало с изогнутой поверхностью, направленное в сторону экрана.

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

Фиг.1. Схема проекционной системы согласно изобретению.

Фиг.2. Схема оборачивающей оптической системы согласно изобретению.

Фиг.3. Схема фронтальной оптической системы согласно изобретению.

Фиг.4. График функции передачи модуляции (MTF) фронтальной оптической системы согласно изобретению.

Фиг.5. Графики аберраций фронтальной оптической системы согласно изобретению.

Фиг.6. График MTF оборачивающей оптической системы согласно изобретению.

Фиг.7. Графики аберраций оборачивающей оптической системы согласно изобретению.

Фиг.8. Схема, поясняющая принцип компенсации хроматических аберраций согласно изобретению.

Элементы:

I - оптический модулятор;

Р - X-куб призма;

S - апертурная диафрагма;

R - оборачивающая оптическая система;

IP - плоскость промежуточного изображения;

F - фронтальная оптическая система;

M - зеркало;

R, G, B - красная, зеленая и синяя цветовые компоненты оптического модулятора I соответственно.

Табл.1. Данные конструкции фронтальной оптической системы согласно изобретению.

Табл.2. Коэффициенты асферики фронтальной оптической системы согласно изобретению.

Табл.3. Данные конструкции оборачивающей оптической системы согласно изобретению.

Табл.4. Коэффициенты асферики в оборачивающей системе согласно изобретению.

Табл.5. Переменные данные в оборачивающей системе согласно изобретению.

Заявленная проекционная оптическая система функционирует следующим образом (Фиг.1). Свет от источника света, которым может быть лампа или система на основе, по меньшей мере, одного светоизлучающего диода или лазерного источника (например, на основе полупроводниковых лазерных диодов), после разделения на три цветовых канала, освещает соответствующие микрозеркальные или жидкокристаллические панели оптических модуляторов I, где происходит модуляция R, G, B диапазонов соответственно. Далее свет от трех панелей оптических модуляторов I собирается с помощью X-призмы P (см., например, http://www.nitto-optical.co.jp/nitto-optical.com/products/basic_prism/) [4] и попадает в оборачивающую оптическую систему Z, которая формирует промежуточное изображение на плоскости IP промежуточного изображения, затем свет проходит через фронтальную оптическую систему F, отражается от зеркала M и формирует увеличенное изображение на экране.

Расстояние OAL' и расстояние Y' удовлетворяют соотношению 10<OAL'/Y'<20, где OAL' - это расстояние между плоскостью IP промежуточного изображения и отражающим зеркалом M, а расстояние Y' - это расстояние между оптической осью и краем плоскости IP промежуточного изображения. При этом хроматические аберрации фронтальной оптической системы частично компенсируются смещением вдоль оптической оси промежуточных изображений «IP» для каждой из R, G, B цветовых компонент, что для оборачивающей оптической системы «Z» является хроматической аберрацией (хроматизм положения), которая, в свою очередь, частично компенсируется смещением вдоль оптической оси каждого из модуляторов «I» - R, G, B цветовых компонент. На Фиг.8 представлена схема, поясняющая вышеизложенный принцип компенсации хроматических аберраций.

Расстояние OAL и расстояние Y удовлетворяют соотношению 30<OAL/Y<60, где OAL - это расстояние между плоскостью оптического модулятора I и отражающим зеркалом М, а расстояние Y - это расстояние между оптической осью и краем поверхности оптического модулятора I.

Условие телецентричности для проекционной системы накладывает ограничения на лучи, которые входят в оптическую систему, а именно углы основных лучей относительно плоскости, перпендикулярной оптической оси, должны удовлетворять соотношению 0<α<2°, где α - угол падения главного луча на плоскость, которая перпендикулярна оптической оси проекционной системы.

Оборачивающая оптическая система R содержит более двух групп линз, часть из которых имеет возможность перемещаться для фокусировки. Большинство оптических элементов выполнены из оптического стекла с обычной (сферической) формой поверхности.

По меньшей мере, одна поверхность в оборачивающей оптической системе Z и поверхность отражающего зеркала M имеют асферическую форму и описываются выражением:

где r - радиус поверхности, c - кривизна поверхности, k - коническая постоянная, α4…, α₁₀ - асферические коэффициенты высшего порядка.

Кроме того, оборачивающая оптическая система формирует плоскости промежуточного изображения IP, расположенную между оборачивающей оптической системой R и фронтальной оптической системой F. При этом выполняются приведенные ниже условия (1)-(4):

- Отношение расстояний OAL' и Y' удовлетворяет условию:

где OAL' - это расстояние между плоскостью IP промежуточного изображения и отражающим зеркалом M;

Y' - это расстояние между оптической осью и краем плоскости IP промежуточного изображения.

- Отношение расстояний OAL и Y удовлетворяет условию:

где OAL - это расстояние между плоскостью оптического модулятора I и отражающим зеркалом M;

Y - это расстояние между оптической осью и краем поверхности оптического модулятора «I».

Условие телецентричности для проекционной системы удовлетворяет соотношению:

где α - угол падения главного луча на плоскость, которая перпендикулярна оптической оси проекционной системы.

Форма асферической поверхности описывается соотношением:

где r - радиус поверхности, с - кривизна поверхности, k - коническая постоянная, α4…, α₁₀ - асферические коэффициенты высшего порядка.

Кроме того, асферические поверхности коррекционных линз способны уменьшить общее количество линз оборачивающей оптической системы Z и фронтальной оптической системы F и уменьшить общие размеры проекционной системы.

На Фиг.2 изображена оптическая схема варианта реализации оборачивающей оптической системы, которая содержит последовательно расположенные по ходу лучей Х-куб призму Р, первый положительный мениск 1, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости предметов, второй положительный мениск 2, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости предметов, положительную линзу 3, отрицательную линзу 4, разделенную воздушным промежутком с третьим положительным мениском 5, обращенным выпуклой поверхностью к плоскости предметов, двояковогнутую отрицательную линзу 6, отрицательный мениск 7, разделенный воздушным промежутком с четвертым положительным мениском 8, обращенным выпуклой поверхностью к плоскости промежуточного изображения, двояковыпуклую положительную линзу 9 и пятый положительный мениск 10, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости предметов.

Линзы 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9 составляют четыре подвижные группы линз соответственно.

На Фиг.3 изображена оптическая схема фронтальной оптической системы, которая содержит последовательно расположенные по ходу лучей отрицательный мениск 11, разделенный воздушным промежутком с первой двояковыпуклой положительной линзой 12, двояковогнутую линзу 13, разделенную воздушным промежутком со второй двояковыпуклой положительной линзой 14, плосковыпуклую положительную линзу 15, первую двояковогнутую отрицательную линзу 16, третью и четвертую двояковыпуклые линзы 17 и 18 и вторую двояковогнутую отрицательную линзу.

В предпочтительном варианте выполнения заявляемая проекционная оптическая система работает в следующих условиях: проекционное расстояние (от зеркала до экрана) фиксировано, размер изображения изменяется от 60 дюймов до 120 дюймов за счет перемещения четырех групп линз в оборачивающей оптической системе.

Данные конструкции фронтальной оптической системы F приведены в таблицах 1, 2.

Данные конструкции оборачивающей оптической системы приведены в таблицах 3, 4, 5.

F#: 3.75

OAL': 255 mm Y'=23.5 mm

OAL: 528 mm Y=9.4 mm

Дл. волны: 640, 520, 455 nm

Таблица 1 № Тип поверхности Радиус Толщина n_d ν_d Диаметр ОБЪЕКТ ПЛОСКОСТЬ Бесконеч-ность       2124.3 1 ПЛОСКОСТЬ Бесконеч-ность -530     162.9 2* АСФЕРИКА -73.39 160 ЗЕРКА-ЛО   33.2 3 СФЕРА 104.4 8 1.709 29.6 28.4 4 СФЕРА -25.22 1.60     28.4 5 СФЕРА -38.33 6.15 1.753 29.9 28.2 6 СФЕРА 65.4 14.49     17.3 7 СФЕРА -26.41 3.86 1.601 61.3 16.8 8 СФЕРА 45.13 2.62     15.6 АПЕРТ. ПЛОСКОСТЬ Бесконеч-ность 6.92     10.8 10* АСФЕРИКА 21.86 2 1.682 31.2 14.4 11 СФЕРА -36.96 1.39     17.4 12 СФЕРА -1413.7 4.13 1.717 47.1 18.4 13 СФЕРА 25.42 0.1     20.4 14 СФЕРА -40.52 8.65 1.620 60.3 25.0 15 СФЕРА 20.39 0.37     25.6 16 СФЕРА 20.31 5.6 1.640 34.4 25.4 17 СФЕРА -38.51 8.78     29.6 18 СФЕРА -157.4 13.22 1.755 27.5 40.6 19 СФЕРА 28.88 0.1     42.3 20 СФЕРА 28.84 2 1.598 61.5 42.3 21 СФЕРА 38.65 5.1     45.6 ИЗОБР. ПЛОСКОСТЬ Бесконеч-ность       46.0

Таблица 2 № K А₄ A₆ A₈ ν_d 2* -0.669753 1.8836433е-007 -1.4666261е-011 1.3811477е-015 -6.267741569е-020 10* 0.3093505 3.3093631е-006 1.2417344е-007 -2.1120007е-009 2.3423584257е-011

Таблица 3

Числовая апертура: 0.33

Длина волны: 640, 520, 455 nm

№ Тип поверхности Радиус Толщина n_d ν_d Диаметр ОБЪЕКТ ПЛОСКОСТЬ бесконечность       18.8 1 ПЛОСКОСТЬ бесконечность 3.0 E-C3   18.8 2 ПЛОСКОСТЬ бесконечность 1.0     20.2 3 ПЛОСКОСТЬ бесконечность 30.0 BSC7   21.0 4 ПЛОСКОСТЬ бесконечность 5.16     35.5 5 СФЕРА -30.73 12 1.744 44.8 35.2 6 СФЕРА -30.26 0.5     43.7 7 СФЕРА 1769.5 5.47 1.620 60.3 47.5 8 СФЕРА -79.47 перемен.     47.9 9 СФЕРА 41.54 7.7 1.620 60.3 47.6 10 СФЕРА 261.5 перемен.     46.9 11 СФЕРА 38.63 3 1.755 27.5 31.8 12 СФЕРА 19.69 0.5     27.5 13 СФЕРА 20.34 10 1.620 60.3 27.5 14 СФЕРА -475.4 перемен.     24.3 АПЕР. ПЛОСКОСТЬ бесконечность перемен.     20.5 16 СФЕРА -58.33 2 1.755 27.5 20.9 17* АСФЕРИКА 33.67 перемен.     22.0 18 СФЕРА -16.388 2 1.699 30.2 23.4 19 СФЕРА -172.6 0.68     30.9 20 СФЕРА -93.37 10.0 1.744 44.8 31.2 21 СФЕРА -25.59 0.5     36.3 22 СФЕРА 180.5 11 1.700 48.7 47.7 23 СФЕРА -57.42 перемен.     49.6 24 СФЕРА 68.56 8 1.755 27.6 64.6 25 СФЕРА 142.8 60     63.4 ИЗОБР. ПЛОСКОСТЬ бесконечность       47.8

Таблица 4 № K А₄ A₆ А₈ 17* 0.23442 -1.2138949е-006 -2.5353082е-008 8.6938718е-011

Таблица 5 ПАРАМЕТР -2.5x -1.67x -1.25x d₈ 0.5 30.38 61.03 d₁₀ 17.36 18.35 13.57 d₁₄ 2.66 0.53 0.12 d₁₅ 5.61 5.33 7.55 d₁₇ 6.14 12.51 17.68 d₂₃ 68.19 33.37 0.5

Ультракороткое проекционное расстояние является отличительной особенностью заявленной оптической системы, которая делает возможным расположение устройства непосредственно вблизи экрана. Суперширокое поле зрения такой оптической системы позволяет классифицировать ее как настенный ("WMD"-Wall Mounted Device) проектор и предоставляет широкие функциональные возможности для потребителя. В частности, ее можно использовать в качестве оптической системы в проекционных устройствах для формирования изображения большого размера на поверхности экрана для бизнеса, домашних кинотеатров и рекламы.

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.

Оптическая система содержит оптический модулятор, оборачивающую оптическую систему, формирующую плоскость промежуточного изображения, которое фронтальная оптическая система проецирует на зеркало, отражающее изображение на экран. Оптический модулятор содержит красную, зеленую и синюю цветовые компоненты, выполненные с возможностью смещения. Оборачивающая оптическая система содержит более двух групп линз, выполненных с возможностью перемещения вдоль оптической оси для изменения размера изображения. Форма и расположение линз фронтальной оптической системы подобраны так, чтобы вызываемые ими хроматические аберрации частично компенсировались смещением вдоль оптической оси промежуточных изображений, сформированных каждой из цветовых компонент оптического модулятора, а смещение промежуточных изображений компенсировалось смещением оптических модуляторов цветовых компонент. Расстояния между плоскостью промежуточного изображения и отражающим зеркалом, между оптической осью и краем промежуточной плоскости изображения, между плоскостью оптического модулятора и отражающим зеркалом и между оптической осью и краем плоскости оптического модулятора удовлетворяют условиям, приведенным в формуле изобретения. Технический результат - увеличение светосилы, угола поля зрения, диапазона увеличений, качества изображения и уменьшение проекционного расстояния при компактных размерах. 8 з.п. ф-лы, 12 ил., 5 табл.

1. Проекционная оптическая система, содержащая расположенные последовательно по ходу распространения света:
оптический модулятор,
оборачивающую оптическую систему,
плоскость промежуточного изображения,
фронтальную оптическую систему и
отражающее зеркало,
причем оптический модулятор содержит красную, зеленую и синюю цветовые компоненты, выполненные с возможностью смещения, оборачивающая оптическая система содержит более двух групп линз, выполненных с возможностью изменения размера проецируемого изображения за счет перемещения вдоль оптической оси, при этом оборачивающая оптическая система выполнена с возможностью формирования промежуточного изображения между оборачивающей оптической системой и фронтальной оптической системой, которая выполнена с возможностью проецирования промежуточного изображения на отражающее зеркало, которое выполнено с возможностью отражения изображения на экран, при этом все оптические элементы проекционной оптической системы имеют общую оптическую ось, причем форма и расположение линз фронтальной оптической системы подобраны таким образом, чтобы вызываемые ими хроматические аберрации частично компенсировались смещением вдоль оптической оси промежуточных изображений, сформированных каждой из цветовых компонент оптического модулятора, а смещение промежуточных изображений компенсировалось смещением оптических модуляторов цветовых компонент, при этом оптические элементы проекционной оптической системы удовлетворяют условиям (1) и (2):

где OAL' - расстояние между плоскостью промежуточного изображения и отражающим зеркалом;
Y' - расстояние между оптической осью и краем промежуточной плоскости изображения;

где OAL - расстояние между плоскостью оптического модулятора и отражающим зеркалом;
Y - расстояние между оптической осью и краем плоскости оптического модулятора.

2. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что условие телецентричности для нее удовлетворяет соотношению:
0<α<2°,
где α - угол падения главного луча на плоскость, которая перпендикулярна оптической оси проекционной оптическая системы.

3. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, при перемещении групп линз проекционное расстояние сохраняется постоянным.

4. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что фронтальная оптическая система содержит, по меньшей мере, одно отражающее зеркало, имеющее асферическую поверхность с общей осью симметрии.

5. Проекционная оптическая система по п.4, отличающаяся тем, что форма асферической отражающей и преломляющей оптических поверхностей отражающего зеркала описывается соотношением:

где r - радиус поверхности;
c - кривизна поверхности;
k - коническая постоянная;
α₄, …, α₁₀ - асферические коэффициенты высшего порядка.

6. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что пространственный оптический световой модулятор выполнен на основе технологии DMD или LCD.

7. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что группа линз оборачивающей оптической системы имеет общую ось симметрии с группой линз фронтальной оптической системы.

8. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что оборачивающая оптическая система содержит расположенные последовательно по ходу распространения света Х-куб призму, первый положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости предметов, второй положительный мениск, обращенный вогнутой поверхностью к плоскости предметов, положительную линзу, отрицательную линзу, разделенную небольшим воздушным промежутком с третьим положительным мениском, обращенным выпуклой поверхностью к плоскости предметов, двояковогнутую отрицательную линзу, отрицательный мениск, разделенный воздушным промежутком с четвертым положительным мениском, обращенным выпуклой поверхностью к плоскости промежуточного изображения, двояковыпуклую положительную линзу и пятый положительный мениск, обращенный выпуклой поверхностью к плоскости предметов.

9. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что фронтальная оптическая система содержит расположенные последовательно по ходу распространения света отрицательный мениск, разделенный воздушным промежутком с первой двояковыпуклой положительной линзой, двояковогнутую линзу, разделенную воздушным промежутком со второй двояковыпуклой положительной линзой, плосковыпуклую положительную линзу, первую двояковогнутую отрицательную линзу, третью и четвертую двояковыпуклые линзы и вторую двояковогнутую отрицательную линзу.