ПРОЕКЦИОННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
OPTICAL PROJECTION SYSTEM

Заявляемое изобретение относится к оптике, а именно, к проекционным оптическим системам с ультракоротким проекционным расстоянием, которые применяются в устройствах для проецирования изображений на большой экран с короткого расстояния.
За последние годы получили широкое распространение проекционные устройства на базе цифровых микрозеркальных устройств (DMD), жидкокристаллических дисплеев (LCD) или жидкокристаллических матриц на кремниевой подложке (LCoS). В то же время возникла потребность в проекционных устройствах иной конструкции, а именно, устройств, способных формировать большое изображение с короткого расстояния.
Из уровня техники известны некоторые решения, направленные на удовлетворение данной потребности.
В патентной заявке США №20100097582 [1] предложена проекционная оптическая система, которая имеет короткую длину, но способна проецировать большие изображения с высоким качеством. Проекционная оптическая система проецирует отображаемое изображение на проекционную поверхность и включает в себя объектив, содержащий несколько линз и, по меньшей мере, одно изогнутое зеркало. Световой поток от увеличиваемого изображения, выходящий из системы линз по направлению к проекционной поверхности, вначале падает на поверхность одного из изогнутых зеркал. Расстояние OAL и расстояние Y удовлетворяют условию: 20<OAL/Y<30, при этом OAL представляет собой расстояние между поверхностью изображения и поверхностью изогнутого зеркала, наиболее близкого к проекционной поверхности, a Y представляет собой расстояние между оптической осью системы линз и краем поверхности изображения, который расположен дальше всего от оптической оси системы линз.
В патентной заявке США №20100128234 [2] предложено проекционное устройство, которое включает в себя источник света, осветительную оптическую систему и проекционную оптическую систему. Проекционная оптическая система включает в себя первую линзовую оптическую систему, имеющую положительную оптическую силу, и вторую оптическую систему, имеющую изогнутую зеркальную поверхность. Все оптические компоненты первой оптической системы имеют осесимметричные поверхности и общую оптическую ось. Первая оптическая система имеет функцию смещения экрана, которая обеспечивает движение проецируемого изображения за счет смещения, по меньшей мере, одного оптического компонента первой оптической системы перпендикулярно оптической оси.
1
1
Наиболее близкими к заявляемому изобретению признаками обладает техническое решение, предложенное в патентной заявке США №20080192336 [3]. Эта конструкция представляет собой зеркально-линзовую систему, содержащую группу линз с осесимметричными поверхностями и плоско-симметричное зеркало. Проекционная оптическая система проецирует изображение, сформированное дисплеем, на экран с переменным увеличением, при этом изменение увеличения обеспечивается путем изменения проекционного расстояния. Более того, должно выполняться условие 4°<Θ<20°, где Θ - наименьший угол падения луча на экран, измеряемый в плоскости симметрии вогнутого зеркала при проецировании с наименее короткого расстояния.
1
В прототипе [3] угол падения Θ сравнительно мал, что представляется нерациональным, поскольку из-за этого изображение на экране располагается слишком низко от проекционного устройства.
Кроме того, недостатком всех упомянутых выше технических решений является большой размер линз, небольшое относительное отверстие и низкое качество изображения, а также нетелецентричность лучей со стороны модулятора изображения и большое проекционное соотношение (отношение проекционного расстояния к ширине экрана).
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы создать конструкцию, в значительной мере свободную от перечисленных выше недостатков аналогов.
Технический результат достигается за счет разработки усовершенствованной проекционной оптической системы, увеличивающей изображение, сформированное модулятором изображения, и проецирующей увеличенное изображение на экран, при этом такая система включает в себя:
- линзовую оптическую систему, состоящую, по меньшей мере, из одной линзы, имеющей положительную оптическую силу, причем система имеет общую (единую) оптическую ось и формирует практически параллельные пучки лучей, выходящие из модулятора изображения;
- апертурную диафрагму, расположенную вблизи задней фокальной плоскости линзовой оптической системы;
- катадиоптрическую оптическую систему, состоящую из вогнутого зеркала и одной или более линз, имеющих общую оптическую ось и формирующих промежуточное изображение перед вогнутым зеркалом;
причем в проекционной оптической системе должны выполняться следующие условия:
<mrow><mn>0.1</mn><mo>≤</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><mn>1000</mn></mrow>
<mrow><mn>4</mn><mo>≤</mo><mrow><mrow><msub><mi>β</mi><mi>M</mi></msub></mrow><mo>/</mo><mrow><msub><mi>β</mi><mi>L</mi></msub><mo>≤</mo><mn>25</mn></mrow></mrow></mrow>
1
Θ>20°
где
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
- фокусное расстояние катадиоптрической системы,
M
β увеличение вогнутого зеркала;
L
β - увеличение системы, включающей все линзы;
1
Θ - наименьший угол падения луча на экран.
В заявляемой проекционной оптической системе катадиоптрическая система в целом или ее компоненты выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси для обеспечения фокусировки.
В заявляемой проекционной оптической системе линзовая оптическая система в целом или ее компоненты выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси для обеспечения фокусировки.
В заявляемой проекционной оптической системе оптические оси катадиоптрической оптической системы и линзовой оптической системы смещены относительно одна другой в направлении перпендикулярном оптической оси.
В заявляемой проекционной оптической системе оптические оси катадиоптрической оптической системы и линзовой оптической системы наклонены относительно одна другой.
В заявляемой проекционной оптической системе вогнутое зеркало смещено и/или наклонено по отношению к остальной части системы.
В заявляемой проекционной оптической системе линзовая оптическая система или катадиоптрическая оптическая система или их компоненты выполнены с возможностью смещения в направлении, перпендикулярном оптической оси, для обеспечения сдвига проецируемого изображения вдоль проекционного экрана.
В заявляемой проекционной оптической системе зеркало, обеспечивающее излом оптической оси, расположено между оптическими компонентами катадиоптрической оптической системы или перед ней для уменьшения размеров системы.
В заявляемой проекционной оптической системе устройство для ввода излучения в указанную проекционную оптическую систему расположено между модулятором изображения и линзовой оптической системой.
В заявляемой проекционной оптической системе компоненты имеют асферические поверхности, описываемые формулой:
<mrow><mi>z</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>c</mi><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>k</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mi>r</mi><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub><msup><mi>r</mi><mn>3</mn></msup><mo>+</mo><mo>…</mo><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub><msup><mi>r</mi><mi>n</mi></msup></mrow>
n
n
где z - стрелка прогиба поверхности, с - кривизна поверхности, k - коническая константа, а - коэффициент при r, r - радиальная координата точки на асферической поверхности.
В заявляемой проекционной оптической системе вогнутое зеркало имеет поверхность произвольной формы.
Для лучшего понимания изобретения далее приводится его подробное описание со ссылкой на фигуры.
Фиг.1 показывает ход лучей от модулятора изображения через проекционный объектив с ультракоротким проекционным соотношением.
Фиг.2 иллюстрирует структуру проекционного объектива с ультракоротким проекционным соотношением и ход лучей через него.
Фиг.3 показывает структуру предпочтительного варианта изобретения и его габаритные размеры.
Фиг.4 показывает положение зеркала, обеспечивающего излом оптической оси, и габаритные размеры проекционного объектива.
На Фиг.5, 6, 7 представлены модуляционные передаточные функции для предпочтительного варианта изобретения с использованием экранов 100'', 90'', 80''.
Фиг.8 демонстрирует сетку ТВ дисторсии для экранов 100'', 90'', 80''.
Фиг.9 - хроматизм увеличения заявляемого варианта изобретения для экранов 100'', 90'', 80''.
Фиг.10 показывает падения относительной освещенности по полю для заявляемого варианта изобретения.
Предлагаемый проекционный объектив (Фиг.1) с ультракоротким проекционным соотношением состоит из двух частей: первой линзовой оптической системы OS1, имеющей положительную оптическую силу, и второй катадиоптрической оптической системы OS 2, имеющей положительную или отрицательную оптическую силу (Фиг.2). Плоскость объекта ОР (плоскость LCD, DMD или LCoS модулятора изображения) всей системы расположена вблизи передней фокальной плоскости первой оптической системы OS1 так, что пучки лучей, идущие от плоскости модулятора изображения ОР через первую оптическую систему OS1, выходили практически параллельно. Апертурная диафрагма ST расположена между вышеупомянутыми системами OS 1 и OS2, более конкретно - вблизи задней фокальной плоскости первой оптической системы OS1 так, что угол падения главного луча на плоскость, которая параллельная плоскости объекта ОР составлял менее 1°. Такое техническое решение позволяет не только удовлетворить условию телецентричности, но также и обеспечить комфортное для глаз падение освещенности по полю. Параллельные пучки лучей, идущее через апертурную диафрагму ST позволяют осуществлять виньетирование таким образом, чтобы относительная освещенность уменьшалась практически линейно от центра поля к краю.
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><mn>0.1</mn><mo>≤</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><mn>1000</mn></mrow>
Все компоненты первой оптической системы имеют осесимметричные поверхности. Вторая катадиоптрическая оптическая система OS2 состоит из двух частей: линзовой части LP и зеркальной части MP. Модуль отношения фокусного расстояния
второй оптической системы OS2 к фокусному расстоянию
первой оптической системы OS1 должен лежать в диапазоне:
. Линзовая часть LP второй катадиоптрической оптической системы OS2 формирует промежуточное изображение II перед зеркальной частью MP. Зеркальная часть MP корректирует аберрации предыдущих элементов системы, в особенности дисторсию и кривизну изображения. Лучи, отраженные от зеркальной части MP, падают на экран.
L
L
M
M
M
L
1
Система, состоящая из первой оптической системы OS1 и линзовой части LP второй катадиоптрической системы OS2, имеет увеличение β, которое удовлетворяет условию: 2≤β≤5. Увеличение β, зеркальной части MP лежит в следующем диапазоне 20≤β≤50. Условие 4≤β/β≤25 позволяет получить короткое проекционное расстояние и большое изображение на экране SC так, что проекционное соотношение меньше чем 0,2, при этом угол обзора увеличивается до 165°, а угол Θ, более 20°.
Линзовая часть LP стоит из компонентов, имеющих осесимметричные поверхности и общую оптическую ось. Фокусировка системы в целом выполняется посредством смещения компонентов линзовой части LP вдоль оптической оси. Зеркальная часть LP состоит из зеркала, имеющего вогнутую зеркальную поверхность. В зависимости от технологии (DMD, LCD, LCoS) и выбранной осветительной системы, дополнительный оптический компонент может быть расположен между модулятором изображения ОР и первой оптической системой OS 1. Этот оптический компонент используется для ввода излучения, исходящего из осветительной системы в проекционный объектив PL или для смешивания излучения различных цветов.
Такое решение обеспечивает возможность достижения небольших размеров компонентов, небольшого диафрагменного числа F/# и хорошего качества изображения, благодаря рациональному выбору структуры системы, оптических элементов и их параметров.
Согласно заявляемому изобретению предлагаемая система проекционного объектива (Фиг.3) состоит из первой оптической системы OS1 и второй катадиоптрической системы OS2. Первая оптическая система OS1 содержит две стеклянные линзы L1 и L3, один пластиковый асферический компонент L2 и один склеенный дублет L4. Линзовая часть LP второй катадиоптрической системы OS2 включает две группы GR 1 и GR2. Первая группа GR1 состоит из трех стеклянных линз L5, L6, L7. Вторая группа GR2 состоит из одной стеклянной линзы L9 и трех пластиковых асферических компонентов L8, L10, L11. Три ближайших к зеркалу FM компонента L9, L10, L11 перемещаются для обеспечения фокусировки. Зеркало FM, обеспечивающее излом оптической оси, расположено между первой группой GR1 и второй группой GR2 оптических компонентов и служит для уменьшения габаритов системы (Фиг.4). Дополнительный оптический компонент СЕ для ввода излучения от осветительной системы расположен между предметной плоскостью ОР и компонентом L1 первой оптической системы OS1.
Предпочтительно, чтобы выполнялось следующее условие:
<mrow><mn>0.1</mn><mo>≤</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msubsup><mi>f</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>f</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><mn>1000</mn></mrow>
Также предпочтительно, чтобы выполнялось условие: 10</?w /Д<25
<mrow><mn>10</mn><mo>≤</mo><mrow><mrow><msub><mi>β</mi><mi>M</mi></msub></mrow><mo>/</mo><mrow><msub><mi>β</mi><mi>L</mi></msub><mo>≤</mo><mn>25</mn></mrow></mrow></mrow>
Если указанные условия выполняются, распределение оптических сил между первой оптической системой и катадиоптрической оптической системой смещается в направлении, при котором оптическая сила катадиоптрической системы OS2 больше чем оптическая сила оптической системы OS1. Такое распределение является предпочтительным, поскольку зеркальная часть свободна от хроматических аберраций и имеет меньшие размеры.
1
Кроме того, предпочтительно обеспечить выполнение следующего условия: 25°<Θ<30°
При таких условиях изображение проецируется на экран достаточно высоко от проекционной установки, что делает его более комфортным для просмотра.
Пример.
Параметры линз в предпочтительном варианте исполнения заявляемого изобретения представлены в таблицах 1-3. Радиусы поверхностей, расстояние между поверхностями и толщина линз представлены в Таблице 1. Таблица 2 демонстрирует изменение воздушных промежутков между поверхностями в зависимости от размера экрана. Асферические поверхности заявляемой системы описываются уравнением:
<mrow><mi>z</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>c</mi><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>k</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mi>r</mi><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub><msup><mi>r</mi><mn>3</mn></msup><mo>+</mo><mo>…</mo><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub><msup><mi>r</mi><mi>n</mi></msup></mrow>
n
n
n
где z - стрелка прогиба поверхности вдоль оптической оси, с - кривизна поверхности, k - коническая константа, a - коэффициент при r, r - радиальная координата точки на асферической поверхности. Конические константы и коэффициенты а представлены в Таблице 3.
Предлагаемая система имеет следующие параметры: диафрагменное число 2, линейное поле 34,4 мм, проекционное соотношение 0,19, нетелецентричность меньше 0,5°. Диапазон фокусировки 349-420 мм от экрана до зеркала, что соответствует размеру экрана 80-100''.
Полихроматическая модуляционная передаточная функция (MTF) для экрана с размером 100'', 90'' и 80'' показана на Фиг.5-7, максимальная частота для экрана 100''-0,44 с/мм, для 90''-0.49 с/мм, для 80''-0,55 с/мм, что соответствует частоте Найквиста для Full HD изображения. Решетки дисторсии для экранов 100'', 90'', 80'' представлены на Фиг.8. Фиг.9 иллюстрирует хроматизм увеличения. Предложенная система скорректирована для следующих длин волн 455 нм, 520 нм, 638 нм. Падение относительной освещенности по полю представлено на Фиг.10.
Заявляемое изобретение может найти применение в конструкциях портативных проекционных устройств бытового и промышленного назначения.