ПРОЕКЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ОТОБРАЖЕНИЯ ВИДЕОИНФОРМАЦИИ НА СОСТАВНОМ ПРОСВЕТНОМ ЭКРАНЕ
PROJECTING DEVICE FOR DISPLAYING VIDEO ON COMPOSITE TRANSLUCENT SCREEN

Изобретение относится к области отображения информации, в частности к проекционным устройствам просветного типа, позволяющим одновременно отображать на составном экране несколько отдельных телевизионных и компьютерных изображений или с большей разрешающей способностью изображение одного из них. При этом отображаемая видеоинформация может быть представлена в черно-белом, цветном или спектрозональном варианте в виде реальных изображений, отдельных данных, графиков, электронных карт. Данный класс средств отображения видеоинформации используется в процессе контроля и управления объектами в космонавтике, на атомных станциях, в промышленности, электроэнергетике и в других сферах. Такие устройства находят применение в конференц-залах высокого представительского уровня, в системах оперативного управления стратегическими объектами, ситуационных центрах, в местах проведения спортивных соревнований, залах рекламирования торговой продукции, в диспетчерских пунктах, в выставочной деятельности, сфере досуга и индустрии развлечений и т.д.
В настоящее время в проекционных модулях устройств отображения видеоинформации на составные просветные экраны, включающих набор видеокубов и систему их взаимного крепления, наибольшее применение находит DLP-технология (технология цифровой обработки света). Известны современные DLP-проекторы, строящиеся по схеме тремя DMD-кристаллами [1], которые широко используются в проекционных устройствах просветного типа с общим составным экраном [2]. DMD-кристалл (электромеханическое устройство) по своей сути представляет собой полупроводниковую микросхему статической оперативной памяти (SRAM), каждая ячейка которой, а точнее ее содержимое, определяет положение одного из множества (от нескольких сотен тысяч до миллиона и более) размещенных на поверхности подложки микрозеркал с размерами 16×16 микрон. Как и управляющая ячейка памяти, микрозеркало имеет два состояния, отличающиеся направлением поворота зеркальной плоскости вокруг оси, проходящей по диагонали зеркала (в каждом состоянии угол между плоскостью зеркала и поверхностью микросхемы составляет 10°). Таким образом, принципиальной особенностью любого DMD-кристалла является наличие в его структуре подвижных механических элементов. В DLP-проекторах DMD-кристалл выполняет функции формирователя изображения. В зависимости от положения микрозеркала отраженный им световой поток направляется либо в объектив (на экране формируется светлое пятно), либо в светопоглотитель (соответствующий участок экрана остается затемненным).
В трехкристальных DLP-проекторах световой поток лампы с помощью дихроичной призмы расщепляется на три составляющие R, G и В, каждая из которых направляется на свою DMD-матрицу, формирующую изображение одного цвета. Объектив проектора проецирует на экран одновременно три цветные составляющие изображения, формируя, таким образом, единое цветное изображение. Благодаря высокой эффективности использования светового излучения лампы, трехкристальные DLP-проекторы, как правило, характеризуются повышенным световым потоком по сравнению с другими проекторами. К преимуществам DLP проекторов следует отнести высокую контрастность изображения.
В качестве прототипа выбрано проекционное устройство отображения видеоинформации на составном просветном экране [3], включающее источники сигналов телевизионных и компьютерных изображений, многоканальные коммутаторы и видеосервера, набор N×М видеокубов с системой их взаимного крепления, где каждый видеокуб содержит проекционный модуль с проектором, имеющим световой тракт, включающий оптические элементы с объективом для проекции изображения, и экранный модуль, включающий раму, проекционный экран, состоящий из внешней поверхности лентикулярной линзорастровой структуры и внутренней поверхности с линзами Френеля, между которыми расположен слой темной пленки, и систему крепления рамы с экраном, поперечные размеры проекционных модулей не превышают поперечных размеров экранных модулей, составной проекционный экран, в котором используется прерывистое обрамление каждого фрагмента по его периметру слоем из прозрачного лексана, разнесенного в пространстве в виде чередующихся полос с зазорами, между поверхностью с линзами Френеля и системы крепления рамы с фрагментом составного проекционного экрана имеется прозрачная поверхность из органического стекла с соответствующим креплением к раме, блок управления работой проекторов и их мониторинга.
Ряд параметров данного проекционного устройства отображения телевизионных и компьютерных изображений на составном просветном экране недостаточно высоки и обусловлены следующими факторами. Использование в составе проекционных устройств отображения видеоизображений на составном просветном экране новых передовых технологий и оптических схем формирования светового потока по технологии DLP [1], а именно перспективных трехкристальных DLP-проекторов, имеет все же ряд недостатков:
- проявляется неодинаковая яркость свечения отдельных экранов по полю изображения (в центре и на периферии). Для составного просветного (многофрагментного) экрана большого размера, имеющего некоторое число проекционных модулей, это приводит к ухудшению восприятия информации в едином изображении;
- использование отдельных проекционных модулей со своим источником света (ртутными лампами) по истечении некоторого рабочего времени приводит к тому, что они не одинаково изменяют яркость своего свечения и тем самым понижают качество отображения видеоинформации и ее цветопередачи для визуального восприятия в едином изображении при большом числе модулей составного экрана;
- наличие в световом тракте каждого проекционного модуля дихроичной призмы для расщепления светового потока на составляющие приводит к потере исходного светового потока и требует увеличения исходной мощности источника света;
- из-за конструктивных особенностей построения светового тракта проектора не обеспечивается надежное и простое решение проблемы отвода тепла от источника света, что в ряде случаев приводит к снижению эффективности функционирования проекционного устройства в процессе его длительной непрерывной работы.
Данные недостатки используемых проекторов, выполненных по технологии DLP, ухудшают в целом качественные и эксплуатационные характеристики проекционного устройства отображения телевизионных и компьютерных изображений на составном просветном экране.
Если для одиночной проекционной системы точность позиционирования изображений на экране и однородность во всех его точках по яркости не так существенны для восприятия зрителем, как, скажем, качество цветопередачи, то для составного просветного (многофрагментного) экрана большого размера, имеющего число проекционных модулей размерностью N×М, они критически важны. Даже незначительные отклонения в этих характеристиках могут привести к тому, что полиэкранное изображение не будет восприниматься как единое целое.
Технический результат - создание конструкции проекционного устройства, обеспечивающего разделение излучающей части светового потока с большим тепловыделением от ее проецирующей части, а также повышение качества цветопередачи и отображения видеоинформации в едином изображении на составном просветном экране, имеющего число проекционных модулей размерностью N×М.
Технический результат достигается тем, что проекционное устройство отображения видеоинформации на составном просветном экране, включающее источники сигналов телевизионных и компьютерных изображений, многоканальные коммутаторы и видеосервера, набор N×М видеокубов с системой их взаимного крепления, где каждый видеокуб содержит проекционный модуль с проектором, имеющим световой тракт, включающий оптические элементы с объективом для проекции изображения, и экранный модуль, включающий раму, проекционный экран, состоящий из внешней поверхности лентикулярной линзорастровой структуры и внутренней поверхности с линзами Френеля, между которыми расположен слой темной пленки, и систему крепления рамы с экраном, поперечные размеры проекционных модулей не превышают поперечных размеров экранных модулей, составной проекционный экран, в котором используется прерывистое обрамление каждого фрагмента по его периметру слоем из прозрачного лексана, разнесенного в пространстве в виде чередующихся полос с зазорами, между поверхностью с линзами Френеля и системы крепления рамы с фрагментом составного проекционного экрана имеется прозрачная поверхность из органического стекла с соответствующим креплением к раме, блок управления работой проекторов и их мониторинга, согласно изобретению, выполнено так, что в каждом видеокубе в световой тракт проектора, включающий оптические элементы, введены три световода в виде усеченных конусов с полным внутренним отражением, а источники света, имеющие отдельные цепи питания, выполнены из трех групп светодиодов, где первая группа светодиодов состоит из основной составляющей Z - светодиодов синего цвета с дополнительными светодиодами зеленого цвета ΔS, вторая группа светодиодов - из основной составляющей S - светодиодов зеленого цвета с дополнительными светодиодами синего AZ и красного ΔV цветов, а третья группа светодиодов - из основной составляющей V - светодиодов красного цвета с дополнительными светодиодами зеленого цвета ΔS, при этом каждая из групп светодиодов установлена на плате, закрепленной на поверхности большего основания усеченного конуса соответствующего световода, а меньшее основание каждого из световодов имеет отверстие для проецирования светового потока через отдельный объектив на отдельную матрицу для формирования изображения соответственно синего, зеленого и красного цветов.
Проекционный модуль устройства может быть выполнен так, что:
а) каждая основная составляющая групп светодиодов: из Z - светодиодов синего цвета для первой группы, из S - светодиодов зеленого цвета - для второй группы и из V - светодиодов красного цвета - для третьей группы, имеет постоянные спектральные характеристики и свой регулятор тока, включенный в цепь питания соответствующей группы светодиодов для регулировки общей яркости, насыщенности и цветового тона изображения;
б) дополнительные светодиоды синего ΔZ, зеленого ΔS и красного ΔV цветов имеют свою постоянную спектральную характеристику и свой регулятор тока, включенный в цепь питания дополнительных светодиодов для регулировки качества цветопередачи;
в) каждая отдельная группа светодиодов красного, зеленого и синего цветов с соответствующими дополнительными светодиодами располагается на своей плате, выполненной в виде полусферической зеркальной поверхности;
в) светодиоды красного, зеленого и синего цветов имеют изменяемую спектральную характеристику;
г) плотность размещения светодиодов на поверхности платы возрастает от центра к периферии платы.
Повышение качества цветопередачи отображаемого изображении в предлагаемом проекционном устройстве достигается за счет введения дополнительных светодиодов синего ΔZ, зеленого ΔS и красного ΔV цветов, которые обеспечивают большую согласованность наблюдаемых цветов оптических изображений на составном экране со спектральной характеристикой зрительной системы человека.
На фиг.1 показано предлагаемое проекционное устройство отображения видеоинформации на составном просветном экране.
На фиг.2 представлены участки вида А и В составного проекционного экрана в увеличенном масштабе.
На фиг.3 схематично изображены оптические элементы светового тракта проектора для одного проекционного модуля проекционного устройства.
Проекционное устройство (фиг.1, 2, вид сверху) содержит составной проекционный экран 1 просветного типа, имеющий в своем составе набор из N×М видеокубов (линейный размер отдельного экрана равен величине С), каждый из которых имеет слой из прозрачного лексана 2, внешнюю поверхность лентикулярной линзорастровой структуры 3, слой тонкой темной пленки 4, внутреннюю поверхность с линзами Френеля 5, прозрачную поверхность органического стекла 6, скрепляющую пластинку 7, крепежный болт 8, тонкий обрамляющий металлический каркас экрана 9, регулировочный и крепежный болт 10, металлическую раму 11, экранный модуль 12, проекционный модуль 13 состоит из проектора 14, имеющего световой тракт, включающий оптические элементы с объективом для проекции изображения, а также юстировочную платформу 15, многоканальные коммутаторы и видеопроцессоры 16, многоканальный источник сигналов 17 телевизионных изображений, внутренних и внешних, многоканальный источник сигналов 18 компьютерных изображений, блок 19 управления работой проектора 14 и мониторинга работы проекционного устройства.
1
2
3
Рассмотрим состав и оптическую схему построения предлагаемого проектора 14 (вид D, на фиг.1) и принцип его работы. Отличительной особенностью предлагаемой схемы проектора 14 в проекционном устройстве отображения видеоинформации на составном проекционный экране 1 по сравнению с известным является то, что в проекторе 14 каждого видеокуба исключена дихроичная призма и вместо нее в световой тракт проектора 14 введены три световода 20, 20 и 20 (фиг.3) в виде усеченных конусов с полным внутренним отражением, а также заменен источник света (ртутная лампа) на три отдельные группы светодиодов в качестве основных первичных источников света.
1
2
3
На фиг.3 схематично изображена развернутая схема проектора 14. Она включает размещенные на соответствующих платах первую группу светодиодов, которые состоят из Z - светодиодов синего цвета 21 с дополнительными светодиодами зеленого цвета ΔS, вторую группу светодиодов S - зеленого цвета 21 с дополнительными светодиодами синего ΔZ и красного цвета ΔV и третью группу светодиодов V - светодиодов красного цвета 21 с дополнительными светодиодами зеленого цвета ΔS.
1
2
3
1
2
1
2
1
2
3
1
Для переноса и проекции светового потока ранее указанных групп светодиодов синего, зеленого и красного цветов к последующим оптическим элементам светового тракта проектора используются световоды 20, 20 и 20 с полным внутренним отражением. Они имеют длину, равную величине L, диаметр окружности световода на одной его стороне равен d, а на второй - d, при этом, когда d>d, световоды 20, 20 и 20 имеют форму усеченного конуса. Максимальное значение величины d определяется общим количеством используемых светодиодов заданного типа. Внутренняя отражательная поверхность световодов может быть реализована различными способами, обеспечивающими меньшую потерю светового потока с обеспечением полного внутреннего отражения.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
2
Согласно оптической схеме проектор 14 содержит объективы 22, 22 и 22, которые проецируют световой поток на элементарные микрозеркала 23, 23 и 23 (число которых может составлять величину до миллиона и более), которые являются составной частью DMD - кристалла 24, 24 и 24, каждый из которых управляется с помощью микропроцессора 25, на вход которого поступает внешний сигнал от блока 16 (фиг.1). Световой поток с микрозеркал 23, 23 и 23 направляется в общий объектив 26, с выхода которого он проецируется на элементарный участок составного проекционного экрана 1. Надо отметить, что объективы 22, 22 и 22 могут располагаться на торцах правой стороны световодов 20, 20 и 20 и иметь диаметр, равный величине d.
При формировании изображений на составном экране могут использоваться различные методы смешения цветов, а именно одновременное, последовательное, пространственное и бинокулярное смешение цветов. В данном проекционном устройстве используется одновременное пространственное смешение цветов, когда каждый элемент на проекционном экране 1 представляется в виде трех первичных цветов R, G, B (фиг.3), и за счет их малых размеров, глаз воспринимает их как единое целое. В зависимости от яркости светового потока по каждому первичному цвету будут формироваться дополнительные цвета, в соответствии с законами смешения цветов.
1
2
3
Функциональные особенности построения проектора 14 следующие. За счет использования световодов 20, 20 и 20 длиной L, обеспечивается разделение излучающей части светового потока с большим тепловыделением от ее проецирующей части. При этом могут быть применены светодиоды большей мощности, поскольку облегчаются условия отвода излучаемого тепла (нет конструктивных ограничений). Теплоотводящий блок обычно содержит вентилятор, входной воздуховод и выходной воздуховод, которые образуют теплоотводящий канал. Поскольку источники света отделены от основной части проектора 14, теплоотводящий блок (на фиг.3 не показан) может теперь быть больших габаритных размеров и с лучшей производительностью по отводу тепла.
Отсутствие в световом тракте проектора 14 дихроичной призмы, осуществляющей расщепление светового потока на красную, зеленую и синюю составляющие, позволяет более эффективно использовать светодиодный источник излучения по сравнению с ламповым. Далее, общее время работы светодиодов примерно в 10 раз больше по сравнению с ламповыми источниками света, а яркость излучения светодиодов практически одинакова до конца срока их службы.
1
2
3
Каждая группа светодиодов 21, 21 и 21, состоящая из светодиодов синего, зеленого и красного цветов, а также дополнительных светодиодов, состоящих из ΔZ - светодиодов синего цвета, ΔS - светодиодов зеленого цвета и ΔV - светодиодов красного цвета, может иметь постоянную или изменяющуюся спектральную характеристику и свой регулятор тока, включенный в цепь питания соответствующей группы светодиодов (на фиг.3 это не показано) для регулировки яркости, насыщенности и цветового тона, а также качества цветопередачи.
1
max,
Максимальный размер плоской круговой поверхности с диаметром (d) где размещаются светодиоды, определяется числом используемых светодиодов в каждой группе, общее количество которых равно для синего цвета (Z+ΔS), для зеленого цвета (S+ΔZ+ΔV) и для красного цвета (V+ΔS). Общее количество основных светодиодов Z, S, V и дополнительных светодиодов ΔZ, ΔS, ΔV выбирается из условия обеспечения требуемой яркости свечения составного просветного экрана и качества цветопередачи проецируемого изображения, при этом нет жестких ограничений на максимальный размер платы, где располагаются данные светодиоды.
1
2
3
Каждая отдельная группа светодиодов 21, 21 и 21 для красного, зеленого и синего цветов располагается на своей плате, которая может быть выполненной в виде плоской, полусферической или иной поверхности, соприкасающейся с первым торцом световода. Сам вид размещения светодиодов (по спирали, кругу и т.д.) и их плотность расположения на поверхности, от центра к периферии, может быть неодинаковой. Это необходимо для обеспечения равномерной яркости свечения экрана по всему полю изображения составного экрана, от центра к периферии.
Перечисленные основные особенности выбранной оптической схемы светового тракта и принципа построения проектора обеспечивают достижение поставленной цели и применимы при реализации различных стационарных и мобильных проекционных устройств коллективного и индивидуального пользования для отображения различных видов телевизионной и компьютерной информации.
Источники информации
1. Технология DLP. http://www.ixbt.com/digimage/dlp/html
2. Любимов Б.О., Вилкова Н.Н. РИР-проекционные системы отображения на больших экранах / Электроника: Наука, Технология, Бизнес. М., 2005, вып.8.
3. Патент РФ на изобретение №2364907, МПК G03B 21/00. Проекционное устройство телевизионных и компьютерных изображений / Вилкова Н.Н., Любимов Б.О., Губко В.Д., Любимов А.О., Сагдуллаев Ю.С.- приоритет от 04.12 2007 г. - опубл.: 20.08.2009 г. Бюл. №23.