проекционная оптическая система

Формула изобретения

1. Проекционная оптическая система, содержащая первую оптическую часть, вторую оптическую часть и третью оптическую часть, при этом каждая оптическая часть содержит, по меньшей мере, одну оптическую линзу, причем вторая оптическая часть дополнительно содержит средство формирования изображения, а третья оптическая часть дополнительно содержит, по меньшей мере, один источник света и отклоняющий элемент, который расположен между первой и второй оптическими частями и выполнен с возможностью направления света источника во вторую оптическую часть и пропускания света с изображением, выходящего из второй оптической части, в первую оптическую часть, которая выполнена с возможностью проецирования пучка света, причем отклоняющий элемент выполнен в виде прозрачной призмы с отражающим покрытием, нанесенным на одну из ее граней.

2. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что средство формирования изображения выполнено в виде микрозеркального элемента.

3. Проекционная оптическая система по п.2, отличающаяся тем, что вторая оптическая часть содержит следующие оптические элементы, расположенные последовательно от плоскости микрозеркального элемента:

мениск, обращенный своими вогнутыми сторонами к плоскости микрозеркального элемента;

тройную склеенную линзу;

оптическую призму, на одну из граней которой нанесено отражающее покрытие.

4. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что третья оптическая часть содержит расположенные последовательно отклоняющий элемент с отражающим покрытием, линзу, цветоделительный куб, а также три источника света разных цветов, каждый из которых расположен напротив соответствующей грани цветоделительного куба, при этом между каждым источником света и соответствующей гранью куба расположены по ходу распространения света фокон и фокусирующая линза.

5. Проекционная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что первая оптическая часть содержит следующие оптические элементы, расположенные последовательно в направлении второй оптической части:

линзу, выполненную из оптического пластика и имеющую две асферические поверхности;

мениск, обращенный своими вогнутыми сторонами ко второй оптической части;

линзу, выполненную из оптического пластика и имеющую две асферические поверхности;

двояковыпуклую одиночную линзу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптики, а более конкретно к проекционным оптическим системам, и может быть использовано для формирования и проецирования изображения.

Известны проекционные оптические системы, в которых исходящий от источника свет собирается в оптические пучки требуемого сечения и апертуры с помощью конденсора, обеспечивающего однородность освещения, на пленку, а затем проецируют через объектив на экран. В современных проекционных системах в качестве элемента, формирующего изображение, используют микрозеркальные элементы, которые представляют собой массив поворотных зеркал (например, цифровое микрозеркальное устройство - DMD). Оптика данных систем включает в себя осветительную оптику для однородного освещения массива поворотных зеркал и проецирующую оптику - объектив для проецирования изображения на экран.

В патенте США №6,688,748 [1] описана проекционная система, которая содержит источник излучения для формирования лучей подсветки, отражающий дисплей для модуляции лучей подсветки и формирования отраженных лучей с изображением, группу линз проекционного объектива с оптической осью и группу полевых линз. Группа полевых линз децентрирована относительно оптической оси группы линз проекционного объектива и служит для перенаправления лучей подсветки вдоль оптического пути параллельно оптическому пути группы линз проекционного объектива. В одном из вариантов выполнения системы дисплей расположен на оптической оси группы линз проекционного объектива, а перенаправляющая часть оптического пути отраженных лучей света с изображением совпадает с оптической осью группы линз проекционного объектива. В другом варианте дисплей наклонен по отношению к оптической оси группы линз проекционного объектива для согласования с наклоном фокальной плоскости группы линз проекционного объектива, служащим для перенаправления лучей подсветки.

Недостаток данной проекционной системы заключается в трудности разделения зрачков проекционной и осветительной частей по причине дефицита свободного пространства в проекционном объективе около апертурной диафрагмы (AD). Таким образом происходит перекрывание зрачков и часть лучей теряется, что приводит к уменьшению яркости и к увеличению неоднородности изображения, формируемого системой.

Наиболее близкой к заявленному изобретению является проекционная оптическая система, описанная в патенте США №6,439,726 [2], в которой свет источника направляют на поверхность с помощью первой оптической части и, таким образом, формируют изображение, которое может быть детектировано второй оптической системой, при этом устройство имеет первую, вторую и третью оптические части и оптическую ось, которая является общей для первой оптической части и второй оптической части, с помощью которой сформирована вторая оптическая часть. Свет исходит из третьей оптической части и входит во вторую оптическую часть под углом к общей оптической оси, под которым расположена третья оптическая часть вне области, которую проходит луч, отраженный от отражающей поверхности от второй оптической части к первой оптической части. Данная оптическая система выбрана в качестве прототипа заявленного изобретения.

Недостаток прототипа заключается в следующем. Компактные проекционные системы обычно должны иметь большую диагональ проецируемого изображения с малым расстоянием от проектора до экрана и проецировать изображение вне оси для удобства зрителя, т.е. чтобы тени зрителей не падали на экран. Для этого, если проектор стоит на столе, экран располагают выше оси системы, а если проектор установлен на потолке, то экран находится ниже оси системы. Чтобы сформировать изображение на экране, который расположен вне оси системы, в системе прототипа применяют осесимметричные проекционные объективы, так называемые, оптические части, при этом вертикально сдвигают массив поворотных зеркал относительно оптической оси объектива, из-за чего требуется значительно увеличить корректируемое поле зрения. Скорректированная область предметов, т.е. область, находящаяся в плоскости массива поворотных зеркал, может быть в два и даже в три раза больше полезного поля зрения, равного, как правило, размеру массива поворотных зеркал. Это создает большие сложности при расчете объективов, коррекции дисторсии и аберраций. Таким образом, повышается трудоемкость и стоимость расчета и изготовления системы, и увеличиваются ее габариты.

Задачей заявленного изобретения является уменьшение габаритов проекционной оптической системы, снижение затрат на ее изготовление, а также увеличение яркости и однородности яркости изображения, формируемого системой.

Поставленная задача решена путем создания проекционной оптической системы, которая содержит первую оптическую часть, вторую оптическую часть и третью оптическую часть, при этом каждая оптическая часть содержит, по меньшей мере, одну оптическую линзу, причем вторая оптическая часть дополнительно содержит средство формирования изображения, а третья оптическая часть дополнительно содержит, по меньшей мере, один источник света и отклоняющий элемент, который расположен между первой и второй оптическими частями и выполнен с возможностью направления света источника во вторую оптическую часть и пропускания света с изображением, выходящего из второй оптической части, в первую оптическую часть, которая выполнена с возможностью проецирования пучка света, причем отклоняющий элемент выполнен в виде оптически прозрачной призмы с отражающим покрытием, нанесенным на одну из ее граней.

Для функционирования системы важно, чтобы средство формирования изображения было выполнено в виде микрозеркального элемента.

Для функционирования системы важно, чтобы третья оптическая часть содержала расположенные последовательно отклоняющий элемент с отражающим покрытием, линзу, цветоделительный куб, а также три источника света разных цветов, каждый из которых расположен напротив соответствующей грани цветоделительного куба, при этом между каждым источником света и соответствующей гранью куба расположены по ходу распространения света фокон и фокусирующая линза.

Для функционирования системы важно, чтобы первая оптическая часть содержала следующие оптические элементы, расположенные последовательно в направлении второй оптической части:

- линзу, выполненную из оптического пластика и имеющую две асферические поверхности;

- мениск, обращенный своими вогнутыми сторонами ко второй оптической части;

- линзу, выполненную из оптического пластика и имеющую две асферические поверхности;

- двояковыпуклую одиночную линзу.

Для функционирования системы важно, чтобы вторая оптическая часть содержала следующие оптические элементы, расположенные последовательно, считая от плоскости микрозеркального элемента:

- мениск, обращенный своими вогнутыми сторонами к плоскости микрозеркального элемента;

- тройную склеенную линзу;

- оптическую призму, на одну из граней которой нанесено отражающее покрытие.

Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение габаритов проекционной оптической системы, снижение затрат на ее изготовление, а также увеличение яркости и однородности яркости изображения, формируемого системой, за счет применения оптической схемы с микрозеркальным элементом, в которой оптика состоит из первой, второй и третьей оптических частей, в состав которых входят преломляющие оптические элементы, выполненные как из оптического стекла, так и из пластика; причем первая и вторая оптические части образуют проекционный объектив, а третья оптическая часть является осветительной и содержит отклоняющий элемент, который расположен между первой и второй оптическими частями на пути распространения лучей света из второй оптической части в третью оптическую часть.

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

Фиг.1. Схема варианта проекционной оптической системы, выполненного согласно изобретению.

Фиг.2. Схема варианта второй и третьей оптических частей, выполненного согласно изобретению.

Фиг.3. Схема варианта первой и второй оптических частей оптической системы, выполненного согласно изобретению.

Проекционная оптическая система (Фиг.1) содержит первую оптическую часть 1, вторую оптическую часть 2, третью оптическую часть 3. Каждая оптическая часть содержит, по меньшей мере, одну оптическую линзу. Третья оптическая часть 3 дополнительно содержит отклоняющий элемент 4, расположенный между первой и второй оптическими частями 1 и 2, а также источник 5 света. Вторая оптическая часть 2 содержит микрозеркальный элемент 6, который выполнен, предпочтительно, в виде модулятора отражательного типа, такого как DMD или LCOS.

Первая и вторая оптические части 1 и 2 вместе образуют проекционную оптику, посредством которой изображение, представленное на отражающей поверхности микрозеркального элемента 6, отображают на экране. Вторую оптическую часть также используют для подсветки: с ее помощью направляют от источника 5 свет, сформированный третьей частью 3 и направленный отклоняющим элементом 4.

Рассмотрим вариант выполнения третьей и второй оптических частей заявленной оптической системы (Фиг.2). В данном варианте третья оптическая часть содержит расположенные последовательно отклоняющий элемент 4 с отражающим покрытием 7, линзу 8, цветоделительный куб 9, а также три источника 10 света разных цветов, каждый из которых расположен напротив соответствующей грани цветоделительного куба 9, при этом между каждым источником 10 света и соответствующей гранью куба 9 расположены по ходу распространения света фокон 11 и фокусирующая линза 12.

Предложенное изобретение работает следующим образом (фиг.1 и 2). Третья оптическая часть 3 формирует в цветоделительном кубе 10 трехцветный пучок света и направляет его на отклоняющий элемент 4. После прохождения отклоняющего элемента 4 и отражения от его зеркального покрытия 7 лучи света распространяются в направлении второй оптической части 2 и попадают на микрозеркальный элемент 6, в котором модуляция света происходит за счет включения/выключения соответствующих пикселей, при этом только лучи света, отраженные от «включенных» пикселей, входят обратно во вторую оптическую часть 2. После отражения от микрозеркального элемента 4 лучи света распространяются в обратном направлении вдоль второй оптической части 2 и пересекают преломляющий оптический элемент 4, принадлежащий третьей оптической части 3, после чего первая оптическая часть 1 проецирует входящие лучи на экран.

В общем случае первая оптическая часть 1 выполнена перемещаемой для осуществления фокусировки изображения на разные рабочие расстояния, чтобы получить изображения разного размера.

Заявленная проекционная оптическая система может быть применена во всех типах проекторов, проекционных телевизоров, дисплеев и других устройств с использованием задней и передней проекции, в которых требуется миниатюризация и высокая оптическая эффективность.

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.