ПРОЕКЦИОННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ТЕЛЕЦЕНТРИЧЕСКИМ ХОДОМ ЛУЧЕЙ В ПРОСТРАНСТВАХ ПРЕДМЕТОВ И ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 2019 года по МПК G02B27/18 G02B13/22 G02B9/62 

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, в частности к системам проецирования изображения, и может быть использовано в качестве устройства для переноса изображения с микродисплея на рассеивающий экран с последующей проекцией в глаз наблюдателя при помощи бортового индикатора.

В системах бортовой индикации в качестве формирователя изображения до сих пор активно применяются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). К их недостаткам можно отнести низкую надежность из-за наличия вакуума в колбе ЭЛТ и требования высоковольтного питания (15 KB и более) и малый срок службы из-за «выгорания» люминофора.

Более перспективным является использование матричных жидкокристаллических микродисплеев. Дисплеи типа FLCoS позволяют получить практически любую выходную яркость, ограниченную лишь яркостью источника, используемого для их подсветки.

Основными требованиями, предъявляемыми к проекционной оптической системе, являются:

- Апертурный угол в пространстве дисплея не менее 7°;

- Высокое разрешение: не менее 1280 пикселей в строке;

- Размер изображения (на рассеивающем экране) 58 мм;

- Телецентрический ход лучей в пространстве просветного экрана;

- Телецентрический ход лучей в пространстве дисплея и большой задний отрезок для установки светоделительной призмы;

- Длина системы не более 165 мм.

Известен проекционный светосильный телецентрический объектив [Патент РФ 2385476, опубл. 2010, МПК G02B 9/64 13/22], состоящий из двух частей, между которыми установлена апертурная диафрагма. Объектив имеет линейное увеличение -0.45^х, при этом в пространстве изображений обеспечивается телецентрический ход лучей.

К недостаткам аналога можно отнести невысокое значение линейного увеличения, малое линейное поле и несоблюдение телецентрического хода лучей в пространстве предметов.

Другим аналогом может являться проекционный объектив [US Patent 20150036229 A1, 05.02.2015, МПК G02B 13/16], состоящий из двух частей, между которыми установлена апертурная диафрагма, перед плоскостью изображения установлена светоделительная призма. В пространстве изображений обеспечивается телецентрический ход лучей.

Основным недостатком аналога является несоблюдение телецентрического хода лучей в пространстве предметов.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является объектив с двойной телецентричностью [US Patent 6639653 В2, 28.10.2003, МПК G03B 27/54], содержащий две группы линз с положительной оптической силой, между которыми установлена апертурная диафрагма. Первая группа включает в себя первый и второй компоненты. Первый компонент склеен из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска. Второй компонент состоит из склеенных двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, а также двояковогнутой линзы. Вторая группа включает в себя третий и четвертый компоненты. Третий компонент состоит из двояковогнутой линзы и склеенных отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы. Четвертый компонент склеен из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы.

Признаки прототипа совпадают со следующими признаками предлагаемого изобретения:

- оптическая система состоит из двух групп линз, между которыми расположена апертурная диафрагма;

- задний фокус первой группы линз и передний фокус второй группы линз совпадают и совмещены с центром апертурной диафрагмы, за счет чего в объективе обеспечивается телецентрический ход лучей в пространствах предметов и изображений.

К недостаткам прототипа можно отнести следующее:

- большая длина оптической системы от предмета до изображения (450 мм);

- малое линейное поле (40 мм);

- использование 8 различных оптических материалов линз.

Задачей изобретения, как технического решения, является уменьшение длины системы, повышение ее технологичности за счет уменьшения количества используемых оптических материалов, а также обеспечение возможности введения осветительного канала.

Технические результаты получены за счет того, что предлагаемая система обладает новой совокупностью существенных признаков:

- первая группа линз проекционного объектива состоит из двух одинаковых плосковыпуклых линз, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, и склейки, состоящей из двояковыпуклой и двояковогнутой линз;

- вторая группа состоит из склеенных отрицательного и положительного менисков и двух положительных менисков, обращенных друг к другу выпуклыми поверхностями;

- перед плоскостью предмета установлена светоделительная призма с внутренним поляризационным покрытием, в оптическую систему введен осветительный канал, состоящий из светоделительной призмы и конденсора. Для показателей преломления справедливы соотношения: n₅=n₆=n₇=n₁₁=n₁₂=n₁₃, n₁₅=n₁₆. При этом для оптических сил линз справедливы следующие отношения:

ϕ₅=ϕ₆

0.25ϕ₅<ϕ_7-8<0.3ϕ₅

-0.55ϕ₅<ϕ_10-11<-0.65ϕ₅

0.4ϕ₅<ϕ₁₁<0.5ϕ₅

0.2ϕ₅<ϕ₁₂<0.35ϕ₅

ϕ₁₅=ϕ₁₆

0.55ϕ₅<ϕ₁₅<0.6ϕ₅

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

фиг. 1 - внешний вид оптической системы;

фиг. 2 - графики частотно-контрастной характеристики;

фиг. 3 - точечные диаграммы;

фиг. 4 - график дисторсии.

Предлагаемая проекционная оптическая система с телецентрическим ходом лучей в пространствах предметов и изображений (фиг. 1) содержит следующие элементы: дисплей 1, призму 2 с внутренней светоделительной гранью 3, имеющей поляризационное покрытие, первую линзовую часть 4, содержащую плосковыпуклые линзы 5 и 6, двояковыпуклую линзу 7, склеенную с двояковогнутой линзой 8, апертурную диафрагму 9, вторую линзовую часть 10, содержащую отрицательный мениск 11, склеенный с положительным мениском 12 и обращенный вогнутой поверхностью к апертурной диафрагме, и положительные мениски 13 и 14, обращенные выпуклыми поверхностями друг к другу, а также просветный экран 15, плосковыпуклые линзы 16 и 17, обращенные друг к другу выпуклыми поверхностями, и источник излучения 18.

Предложенная оптическая система работает следующим образом: излучение от источника излучения 18 проходит через линзы конденсора 17 и 16, проходит через боковую грань призмы 2, отражается от ее внутренней светоделительной грани 3, проходит через защитное стекло дисплея 1, отражается от активных ячеек экрана дисплея, проходит последовательно призму 2, первую линзовую часть 4, заполняет апертурную диафрагму 9, и, пройдя элементы второй линзовой части 10, фокусируется на внешней поверхности просветного экрана 15.

Разработанная проекционная оптическая система с телецентрическим ходом лучей в пространствах предметов и изображений имеет значительно меньшую длину по сравнению с прототипом (165 мм и 450 мм соответственно), при этом в ней использованы 4 сорта оптического стекла (вместо 8 у прототипа), а также в систему введен осветительный канал, состоящий из светоделительной поляризационной призмы и конденсора, что обеспечивает возможность работы с отражательным дисплеем.

В качестве конкретного примера рассчитана оптическая система со следующими характеристиками:

числовая апертура в пространстве дисплея 0,123 линейное поле в пространстве дисплея 18 мм линейное увеличение системы -3,111^х основная длина волны 0,52 мкм спектральный диапазон 0,51÷0,53 мкм длина системы 165 мм

Для подтверждения высокого качества изображения, даваемого предлагаемой проекционной оптической системой, далее приводятся графики характеристик, используемых для оценки качества изображения.

На фиг. 2 показаны графики частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) предлагаемой оптической системы. По оси абсцисс отложена пространственная частота в мм^-1 в плоскости просветного экрана, а по оси ординат - коэффициент передачи контраста. Близость графиков ЧКХ для всех полей к дифракционному пределу говорит о том, что оптическая система обладает дифракционно-ограниченным качеством изображения. Оценка должна проводиться на частоте Найквиста дисплея. Например, для пикселя размером 13,5×13,5 мкм в плоскости дисплея частота Найквиста составит 37 мм^-1, что соответствует частоте 11,9 мм^-1 в плоскости просветного экрана, при этом коэффициент передачи контраста составляет 0,89 на оси и не менее 0,87 на краю поля.

На фиг. 3 показаны точечные диаграммы рассчитанной оптической системы в плоскости просветного экрана для точки на оси, на краю поля и зоны, равной 0,7 от полной величины поля. На диаграммах показан кружок Эйри для основной длины волны, диаметр которого составляет 15,85 мкм. Поперечные аберрации оптической системы на оси составляют 11 мкм, на зоне 18 мкм и на краю поля 43,4 мкм. При этом диаметр среднеквадратичного пятна рассеяния на оси составляет 5 мкм, на зоне 10,5 мкм и на краю поля 15,5 мкм.

На фиг. 4 показан график дисторсии оптической системы. Максимальная величина дисторсии составляет -0,11% в относительной мере или 30 мкм в абсолютной мере в плоскости просветного экрана.

Изобретение может быть использовано для проецирования изображения с микродисплея на рассеивающий экран. Проекционный оптическая система с телецентрическим ходом лучей в пространствах предметов и изображений содержит две линзовых группы с положительной оптической силой, между которыми установлена апертурная диафрагма. Первая группа состоит из плосковыпуклой линзы, выпукло-плоской линзы и двояковыпуклой линзы, склеенной с двояковогнутой линзой. Вторая группа состоит из отрицательного мениска, склеенного с положительным мениском, обращенным вогнутой поверхностью к апертурной диафрагме, положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к апертурной диафрагме и положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к апертурной диафрагме. Введены рассеивающий экран и осветительный канал, состоящий из поляризационной призмы, плосковыпуклой линзы, выпукло-плоской линзы и источника излучения. Для показателей преломления и оптических сил линз выполняются соотношения, указанные в формуле изобретения. Технический результат - уменьшение длины системы, повышение технологичности за счет уменьшения количества используемых материалов. 4 ил.

Проекционная оптическая система с телецентрическим ходом лучей в пространствах предметов и изображений, содержащая две линзовых группы с положительной оптической силой, между которыми установлена апертурная диафрагма, отличающаяся тем, что первая группа линз состоит из плосковыпуклой линзы с оптической силой ϕ₅ и показателем преломления материала n₅, выпукло-плоской линзы с оптической силой ϕ₆ и показателем преломления материала n₆ и двояковыпуклой линзы с показателем преломления материала n₇, склеенной с двояковогнутой линзой, вторая часть состоит из отрицательного мениска, склеенного с положительным мениском с показателем преломления материала n₁₂ и обращенного вогнутой поверхностью к апертурной диафрагме, положительного мениска с оптической силой ϕ₁₃ и показателем преломления материала n₁₃, обращенного вогнутой поверхностью к апертурной диафрагме и положительного мениска с оптической силой ϕ₁₄ и показателем преломления материала n₁₄, обращенного выпуклой поверхностью к апертурной диафрагме, а также тем, что в систему введены рассеивающий экран и осветительный канал, состоящий из поляризационной призмы, плосковыпуклой линзы с оптической силой ϕ₁₆ и показателем преломления материала n₁₆, выпукло-плоской линзы с оптической силой ϕ₁₇ и показателем преломления материала n₁₇ и источника излучения, для показателей преломления справедливы соотношения n₅=n₆=n₇=n₁₂=n₁₃=n₁₄, n₁₆=n₁₇, при этом для оптических сил линз справедливы следующие отношения:

ϕ₅=ϕ₆

0.4ϕ₅<ϕ₁₃<0.5ϕ₅

0.2ϕ₅<ϕ₁₄<0.35ϕ₅

ϕ₁₆=ϕ₁₇

0.55ϕ₅<ϕ₁₆<0.6ϕ₅