Патент на изобретение №2294002

(54) ПРОЕКЦИОННАЯ СИСТЕМА

(57) Реферат:

Проекционное устройство включает в себя источник света, коллимирующую оптическую систему, по меньшей мере, один амплитудный модулятор, по меньшей мере, один сканирующий элемент, корректирующую оптическую систему, полигональное зеркало, поворотный оптический элемент, экранное зеркало и рассеивающий экран. При этом полигональное и экранное зеркала выполнены в виде массивов микрозеркал, а число позиций луча света на выходе из сканирующего элемента, составляющих двумерную структуру, равно числу микрозеркал полигонального зеркала и числу минизеркал экранного зеркала. Технический результат – уменьшение габаритов, улучшение качества изображения. 23 з.п. ф-лы, 5 ил.

Настоящее изобретение относится к оптике, в частности к проекционным устройствам, и может использоваться в проекционных телевизорах, а также в других аналогичных устройствах.

В проекционных системах со сканированием лазерным лучом для формирования изображения осуществляют горизонтальную и вертикальную развертку лазерного луча. Ключевую роль при этом играет скорость перемещения луча по экрану, от которой зависит качество получаемого изображения.

Известно проекционное устройство (патент США №6170953), которое включает в себя набор оптических элементов для формирования луча и вращающееся полигональное зеркало, выполняющее горизонтальную развертку луча света по экрану.

В другом патенте США №6724509 описывается оптическое проекционное устройство, которое состоит из источника света, разделителя луча, дихроичных зеркал, высококачественного зеркала, объектива, фокусирующих линз, акустооптических модуляторов, объединителя луча, дихроичных зеркал, полигонального зеркала, проекционных объективов, гальванометра, зеркала и экрана. Источник света представляет собой лазер белого света, излучающий белый свет. Полупроводниковый лазер красный (R), зеленый (G), голубой (В) или твердотельный лазер с преобразованием длины волн могут быть использованы в качестве источника света. Разделитель луча разделяет свет на монохромные лучи R, G и В цветов. Разделитель луча состоит из двух дихроичных зеркал и высококачественного зеркала. Дихроичные зеркала разделяют белый свет, прошедший через объектив и преломленный высококачественным зеркалом, на лучи R, G, B, высококачественное зеркало преломляет монохроматический луч, прошедший через дихроичное зеркало. Разделенные монохроматические лучи R, G и В фокусируются фокусирующими объективами, проходят через акустооптические модуляторы (АОМ) и модулируются в соответствии с сигналом изображения. Для коллимирования промодулированных лазерных лучей обратно в такие же параллельные лучи, как до входа в фокусирующие объективы, коллимирующие линзы помещены рядом с АОМ. При помощи объединителя луча лучи R, G и В, модулированные в соответствии с сигналом изображения, объединяются в один комбинированный луч. Объединитель луча состоит из двух дихроичных зеркал, а также из высококачественного зеркала. Комбинированный луч падает на полигональное зеркало под определенным углом с помощью высококачественных зеркал. Поскольку комбинированный луч падает на полигональное зеркало, используемое в качестве горизонтального сканирующего устройства, комбинированный луч сканируется горизонтально. Горизонтальный сканирующий луч проходит через проекционные объективы, которые размещены между полигональным зеркалом и гальванометром, и фокусируется на зеркальной стороне гальванометра. Пятно лазерного луча, сфокусированное на гальванометре, сканируется вертикально. Изображение, сканированное полигональным зеркалом и гальванометром, проецируется на экран при помощи зеркала, расположенного над гальванометром и обращенного к экрану. Данное устройство является наиболее близким по замыслу к заявляемому решению и выбрано в качестве прототипа.

Недостатком указанных выше прототипа и аналога заявляемого изобретения является ограниченная скорость горизонтальной развертки, осуществляемой полигональным зеркалом, вследствие ограниченной скорости вращения механического привода полигонального зеркала. Кроме того, недостатком устройств аналога и прототипа является отсутствие возможности уменьшения их толщины из-за значительных размеров полигонального зеркала.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание проекционного устройства с уменьшенными габаритами за счет изъятия традиционного полигонального зеркала, что позволяет увеличить скорость горизонтальной развертки и, таким образом, улучшить качество изображения.

Технический результат достигается путем создания проекционного устройства, которое включает в себя источник света, коллимирующую оптическую систему, по меньшей мере, один амплитудный модулятор, по меньшей мере, один сканирующий элемент, корректирующую оптическую систему, усовершенствованное полигональное зеркало, поворотный оптический элемент, экранное зеркало и рассеивающий экран, причем коллимирующая оптическая система выполнена с возможностью изменения формы луча света источника и формирования его в соответствии с дальнейшим распространением на, по меньшей мере, один амплитудный модулятор. Амплитудный модулятор выполнен с возможностью изменения яркости проходящего через него луча света. Сканирующий элемент включает в себя, по меньшей мере, один электрооптический поляризационный элемент и выполнен с возможностью предварительной горизонтальной развертки луча света от амплитудного модулятора за счет изменения его поляризации. Корректирующая оптическая система выполнена с возможностью устранения искажений луча света, возникающих при прохождении его через сканирующий элемент. Усовершенствованное полигональное зеркало состоит из массива неподвижных микрозеркал и выполнено с возможностью окончательной горизонтальной развертки луча света, прошедшего корректирующую систему, в направлении поворотного зеркала. Поворотное зеркало выполнено с возможностью вертикальной развертки луча света и направления его на экранное зеркало. Экранное зеркало выполнено с возможностью отражения луча света в требуемую точку экрана.

Для функционирования устройства существенно, чтобы в качестве источника света устройство содержало источник света с низким инвариантом Лагранжа, выбранный из группы, включающей, например, лазер для монохромного изображения, один RGB лазер, три монохромных лазера основных цветов либо другие аналогичные источники света.

Для функционирования устройства важно, чтобы источник света был выполнен с возможностью генерации света, по меньшей мере, одного цвета.

Для функционирования устройства необходимо, чтобы коллимирующая оптическая система содержала, по меньшей мере, один преломляющий или отражающий элемент, выполненный с возможностью изменения параметров и направления луча света.

Для функционирования устройства существенно, чтобы амплитудный модулятор выполнялся, преимущественно, на основе электрооптических элементов или акустооптических элементов.

Для функционирования устройства важно, чтобы амплитудный модулятор был выполнен с возможностью изменения яркости луча света в соответствии с сигналом высокой частоты, который задает изображение.

Для функционирования устройства необходимо, чтобы каждый электрооптический поляризационный элемент состоял из одной пары управляемых вращателей плоскости поляризации, выполненных с возможностью изменения направления плоскости поляризации луча света, и двулучепреломляющей среды, выполненной с возможностью отклонения луча света с ортогональной поляризацией.

Для функционирования устройства существенно, чтобы N электрооптических поляризационных элементов были выполнены с возможностью получения 2^N позиций луча света на выходе из сканирующего элемента.

Для функционирования устройства важно, чтобы позиции луча света на выходе из сканирующего элемента составляли двумерную структуру из расположенных в столбец горизонтальных строк.

Для функционирования устройства существенно, чтобы корректирующая оптическая система включала в себя массив микрозеркал, микролинз, массив DOE или аналогичные элементы, необходимые для выравнивания параметров лучей света.

Для функционирования устройства необходимо, чтобы корректирующая оптическая система включала в себя объединитель луча, выполненный с возможностью объединения лучей различных цветов в один луч.

Для функционирования устройства важно, чтобы объединитель луча включал в себя не менее двух дихроичных зеркала, одно глухое зеркало или иные оптические элементы, выполняющие такие же функции.

Для функционирования устройства существенно, чтобы усовершенствованное полигональное зеркало было выполнено с возможностью вертикальной развертки луча света.

Для функционирования устройства важно, чтобы экранное зеркало состояло из множества минизеркал, каждое из которых имело бы сложную форму поверхности.

Для функционирования устройства существенно, чтобы рассеивающий экран включал в себя, по меньшей мере, одну линзу, теневую маску для увеличения коэффициента контрастности, оптический элемент из матового стекла либо другие аналогичные элементы.

Для функционирования устройства существенно, чтобы рассеивающий экран включал в себя, по меньшей мере, одну линзу Френеля.

Для функционирования устройства важно, чтобы элемент из матового стекла был выполнен в виде пластины из матового стекла, массива полусфер из матового стекла или других элементов, выполняющих те же функции.

Для функционирования устройства необходимо, чтобы число позиций луча света на выходе из сканирующего элемента, составляющих двумерную структуру, было равно числу микрозеркал полигонального зеркала.

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

Фиг.1 – блок-схема проекционного устройства, выполненного согласно изобретению.

Фиг.2 – схема сканирующего элемента, выполненного согласно изобретению.

Фиг.3 – схема полигонального зеркала, выполненного согласно изобретению.

Фиг.4 – схема экранного зеркала, выполненного согласно изобретению.

Фиг.5 – схема сканирующего элемента, состоящего из 11 электрооптических поляризационных элементов, и вид двумерной структуры положений луча света, отклоняемого данным сканирующим элементом.

Рассмотрим конкретный вариант выполнения проекционного устройства. В данном варианте проекционное устройство включает в себя источник 1 света, коллимирующую оптическую систему, три амплитудных модулятора 2-4, три сканирующих элемента 5-7, корректирующую оптическую систему, полигональное зеркало 8, поворотный оптический элемент 9, экранное зеркало 10 и рассеивающий экран 11. Коллимирующая оптическая система состоит из коллимирующего объектива 12, первого зеркала 13, дихроичных зеркал 14, 15, второго зеркала 16 и трех объективов 17-19.

Каждый из сканирующих элементов 5-7 состоит из электрооптических поляризационных элементов, каждый из которых включает в себя одну пару управляемых вращателей 20 плоскости поляризации и двулучепреломляющую среду 21 (Фиг.2). Корректирующая оптическая система состоит из зеркал 22-24, выполняющих роль объединителей лучей. Полигональное зеркало 25 состоит из микрозеркал 26 (Фиг.3). Экранное зеркало 10 состоит из множества минизеркал 27.

В данном варианте проекционного устройства каждый из сканирующих элементов состоит из N=11 электрооптических поляризационных элементов (Фиг.5). На Фиг.5 показана двумерная структура положений луча света, отклоняемого данным сканирующим элементом. Двумерная структура может иметь 2^N положений луча. В данном примере двумерная структура содержит 1920 позиций выходного луча, что соответствует количеству столбцов изображения стандарта HDTV.

Кроме того, количество положений луча в двумерной структуре равно числу микрозеркал 26 полигонального зеркала 25, а также равно количеству минизеркал 27 экранного зеркала 10.

Источник 1 света излучает луч света, который коллимируют коллимирующим объективом 12 для дальнейшего прохождения в системе, после чего преломляют зеркалом 13. Разделитель луча, состоящий из двух дихроичных зеркал 14, 15 и зеркала 16, разделяет белый свет на три монохроматических луча трех основных длин волн. Каждый из лучей попадает на вход одного из амплитудных модуляторов 2-4, которые изменяют яркость луча света в соответствии с приложенным к ним управляющим напряжением, и проецируют лучи на входы сканирующих элементов 5-7. В каждом из сканирующих элементов 5-7 осуществляют предварительную горизонтальную развертку луча, а именно смещение луча в одно из 2^N положений двухмерной структуры, соответствующей положению изображаемого пикселя в строке картинки.

После прохождения сканирующих элементов 5-7 лучи света корректируют элементами корректирующей оптической системы и объединяют в один луч, который проецируется на поверхность полигонального зеркала 8. Полигональное зеркало 8 осуществляет окончательную горизонтальную развертку луча, при этом переформирует позицию луча в двумерной структуре в позицию в одномерной структуре, представляющей собой одну горизонтальную строку, после чего луч падает на поворотный оптический элемент 9, который осуществляет вертикальную развертку луча по поверхности экранного зеркала 10, а минизеркало 27 экранного зеркала 10 отражает падающий на него луч в требуемую точку экрана 11.

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.

Формула изобретения

1. Проекционное устройство, включающее в себя источник света, коллимирующую оптическую систему, по меньшей мере, один амплитудный модулятор, по меньшей мере, один сканирующий элемент, корректирующую оптическую систему, полигональное зеркало, поворотный оптический элемент, экранное зеркало и рассеивающий экран, причем коллимирующая оптическая система выполнена с возможностью изменения формы луча света источника и формирования его в соответствии с дальнейшим распространением на, по меньшей мере, один амплитудный модулятор, при этом амплитудный модулятор выполнен с возможностью изменения яркости проходящего через него луча света, сканирующий элемент включает в себя, по меньшей мере, один электрооптический поляризационный элемент и выполнен с возможностью предварительной горизонтальной развертки луча света от амплитудного модулятора за счет изменения его поляризации, корректирующая оптическая система выполнена с возможностью устранения искажений луча света, возникающих при прохождении его через сканирующий элемент, полигональное зеркало состоит из массива неподвижных микрозеркал и выполнено с возможностью окончательной горизонтальной развертки луча света, прошедшего корректирующую систему, в направлении поворотного зеркала, поворотное зеркало выполнено с возможностью вертикальной развертки луча света и направления его на экранное зеркало, экранное зеркало выполнено с возможностью отражения луча света в требуемую точку экрана.

2. Проекционное устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве источника света устройство содержит источник света с низким инвариантом Лагранжа, выбранный из группы, включающей лазер для монохромного изображения, один RGB лазер, три монохромных лазера основных цветов.

3. Проекционное устройство по п.1, отличающееся тем, что источник света выполнен с возможностью генерации света, по меньшей мере, одного цвета.

4. Проекционное устройство по п.1, отличающееся тем, что коллимирующая оптическая система содержит, по меньшей мере, один преломляющий или отражающий элемент, выполненный с возможностью изменения параметров и направления луча света.

5. Проекционное устройство по п.1, отличающееся тем, что амплитудный модулятор выполнен на основе электрооптических элементов.

6. Проекционное устройство по п.1, отличающееся тем, что амплитудный модулятор выполнен на основе акустооптических элементов.

7. Проекционное устройство по п.1, отличающееся тем, что амплитудный модулятор выполнен с возможностью изменения яркости луча света в соответствии с сигналом высокой частоты, который задает изображение.

8. Проекционное устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый электрооптический поляризационный элемент состоит из одной пары управляемых вращателей плоскости поляризации, выполненных с возможностью изменения направления плоскости поляризации луча света, и двулучепреломляющей среды, выполненной с возможностью отклонения луча света с ортогональной плоскостью поляризации.

9. Проекционное устройство по п.8, отличающееся тем, что N электрооптических поляризационных элементов выполнены с возможностью получения 2^N позиций луча света на выходе из сканирующего элемента.

10. Проекционное устройство по п.9, отличающееся тем, что позиции луча света на выходе из сканирующего элемента составляют двумерную структуру из расположенных в столбец горизонтальных строк.

11. Проекционное устройство по п.1, отличающееся тем, что корректирующая оптическая система включает в себя массив микрозеркал для выравнивания параметров лучей света.

12. Проекционное устройство по п.1, отличающееся тем, что корректирующая оптическая система включает в себя массив микролинз для выравнивания параметров лучей света.

13. Проекционное устройство по п.1, отличающееся тем, что корректирующая оптическая система включает в себя массив DOE для выравнивания параметров лучей света.

14. Проекционное устройство по п.1, отличающееся тем, что корректирующая оптическая система включает в себя объединитель луча, выполненный с возможностью объединения лучей различных цветов в один луч.

15. Проекционное устройство по п.14, отличающееся тем, что объединитель луча включает в себя два дихроичных зеркала, одно глухое зеркало или иные оптические элементы, выполняющие такие же функции.

16. Проекционное устройство по п.1, отличающееся тем, что полигональное зеркало выполнено с возможностью окончательной горизонтальной развертки луча света и переформирования позиций луча из двумерной структуры расположенных в столбец горизонтальных строк в одномерную структуру в виде одной горизонтальной строки с сохранением числа позиций.

17. Проекционное устройство по п.1, отличающееся тем, что экранное зеркало состоит из множества минизеркал.

18. Проекционное устройство по п.1, отличающееся тем, что рассеивающий экран включает в себя, по меньшей мере, одну теневую маску для увеличения коэффициента контрастности.

19. Проекционное устройство по п.1, отличающееся тем, что рассеивающий экран включает в себя, по меньшей мере, одну линзу Френеля.

20. Проекционное устройство по п.1, отличающееся тем, что рассеивающий экран включает в себя, по меньшей мере, одну линзу.

21. Проекционное устройство по п.1, отличающееся тем, что рассеивающий экран включает в себя, по меньшей мере, один оптический элемент из матового стекла.

22. Проекционное устройство по п.21, отличающееся тем, что оптический элемент из матового стекла выполнен в виде пластины из матового стекла.

23. Проекционное устройство по п.21, отличающееся тем, что оптический элемент из матового стекла выполнен в виде массива полусфер из матового стекла.

24. Проекционное устройство по п.1, отличающееся тем, что число позиций луча света на выходе из сканирующего элемента, составляющих двумерную структуру, равно числу микрозеркал полигонального зеркала и числу минизеркал экранного зеркала.

РИСУНКИ