BRPI0619294A2 - sistema de projeção e método para operar um sistema de projeção - Google Patents

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SISTEMA DE PROJEçãO E METODO PARA OPERAR UM SISTEMA DE PROJEçãO. Um sistema de projeção incluindo uma fonte de iluminação provendo um feixe de iluminação, um modulador (34) configurado para modular o feixe de iluminação baseado em um sinal de imagem (44) para formar um feixe de imagem, e uma lente de projeção tendo um perfil de aberração e compreendendo uma lente catadióptrica. O sinal de imagem é ajustado baseado no perfil de aberração da lente de projeção. A lente catadiáptrica é configurada para receber o feixe de imagem ao longo de um primeiro eixo geométrico óptico e dobrar e direcionar o feixe de imagem ao longo de um segundo eixo geométrico óptico tal que um ângulo de dobramento entre o primeiro e segundo eixos geométricos ópticos esteja dentro de uma faixa desejada.

Description

"SISTEMA DE PROJEÇÃO E MÉTODO PARA OPERAR UM SISTEMA DE PROJEÇÃO".
Antecedentes
Projetores de processamento de luz digitais (DLP) tipicamente incluem um sistema de iluminação, algum tipo de modulador de luz espacial (SLM), e uma lente de projeção. O sistema de iluminação geralmente inclui uma fonte de luz que gera luz e um refletor que direciona a luz da fonte de luz para o SLM. O SLM forma um feixe de imagem modulando a luz, seja via reflexão (p.ex., um dispositivo digital de micro espelho (DMD)) ou transmissão (p.ex., um modulador de cristal líquido), baseado em um sinal de dados representativo das imagens desejadas a serem projetadas. A lente de projeção recebe e projeta o feixe de imagem sobre uma superfície de projeção, tal como uma tela de projeção, para observação. As lentes de projeção são tipicamente projetadas para fornecer uma ampliação desejada, ou uma faixa de ampliações (isto é, lente zoom), e para minimizar aberrações ópticas (p.ex., aberrações cromáticas, coma, difração, e distorções geométricas) para fornecer uma imagem projetada de alta qualidade. Em esforços para minimizar tais aberrações ópticas, as lentes de projeção tipicamente compreendem sistemas complexos de múltiplos elementos de lentes arranjados em uma seqüência específica que é freqüentemente de configuração linear ou similar a barril. Tais lentes de projeção são freqüentemente caras e podem consumir uma quantidade relativamente grande de espaço dentro do projetor.
Sumário
Uma forma da presente invenção provê um sistema de projeção incluindo uma fonte de iluminação fornecendo um feixe de iluminação, um modulador configurado para modular ' o feixe de iluminação baseado em um sinal de imagem para formar um feixe de imagem, e uma lente de projeção tendo um perfil de aberração e compreendendo uma lente catadióptrica. O sinal da imagem é ajustado baseado no perfil de aberração da lente de projeção. A lente catadióptrica é configurada para receber o feixe de imagem ao longo de um primeiro eixo geométrico óptico e dobrar e direcionar o feixe de imagem ao longo de um segundo eixo geométrico óptico tal que um ângulo de dobramento entre o primeiro e segundo eixos geométricos ópticos esteja dentro de uma faixa desejada. Descrição resumida dos desenhos
A figura 1 é um diagrama de blocos ilustrando um sistema de projeção de acordo com uma configuração da presente invenção.
A figura 2 é um diagrama esquemático ilustrando uma configuração exemplar de uma lente de projeção de acordo com a presente invenção. A figura 3 é um diagrama esquemático ilustrando uma configuração exemplar de uma lente de projeção de acordo com a presente invenção.
A figura 4 é um diagrama esquemático ilustrando uma configuração exemplar de uma lente de projeção de acordo com a presente invenção.
A figura 5 é um diagrama de fluxo ilustrando uma configuração de um método para operar um projetor de acordo com a presente invenção. Descrição detalhada Na seguinte descrição detalhada das configurações preferidas, referência é feita aos desenhos anexos, os quais formam parte deste, e nos quais são mostradas por meio de ilustração configurações específicas nas quais a invenção pode ser praticada. Deve ser entendido que outras configurações podem ser utilizadas e mudanças estruturais ou lógicas podem ser feitas sem se desviar do escopo da presente invenção. A seguinte descrição detalhada, portanto, não deve ser tomada em um sentido limitante, e o escopo da presente invenção é definido pelas reivindicações anexas.
Como descrito aqui, uma lente de projeção é provida para um projetor digital que dobra um feixe de imagem modulado em um ângulo de dobramento que está dentro de uma faixa desejada usando uma lente catadióptrica, sendo que o feixe de imagem é modulado baseado em características de distorção óptica do projetor incluindo características de distorção da lente de projeção. Dobrando o feixe de imagem deste modo e modulando o feixe de imagem baseado em características de distorção óptica do projetor, a lente de projeção tem uma arquitetura dobrada que tem tamanho mais compacto em relação a lentes de projeção convencionais o que, por sua vez, habilita um projetor digital mais compacto em relação a projetores digitais convencionais.
A figura 1 é um diagrama de blocos ilustrando uma configuração de um sistema de projeção 3 0 de acordo com a presente invenção. 0 sistema de projeção 30 inclui uma fonte de iluminação 32, um dispositivo modulador 34, e uma lente de projeção 3 6 incluindo uma lente catadióptrica 3 8 de acordo com uma configuração da presente invenção.
Em uma configuração, a fonte de iluminação 32 gera e direciona um feixe de iluminação ao longo de uma trajetória de iluminação 42 para o dispositivo de modulação 34 em um ângulo não zero de incidência e de um modo tal que o dispositivo de modulação 34 seja uniformemente iluminado. A fonte de iluminação 32 pode incluir uma lâmpada de projetor de ultra alta pressão de mercúrio, xenon, haleto metálico, ou outra adequada que forneça um feixe de iluminação monocromático ou policromático. Em uma configuração, a fonte de iluminação 32 compreende diodos emissores de luz (LEDs) configurados para prover componentes de luz separados (p.ex., vermelho, verde, e azul) . A fonte de iluminação 32 pode compreender qualquer tipo de arquitetura geralmente conhecido por aqueles experientes na técnica tal como, por exemplo, arquiteturas baseadas em prisma e arquiteturas baseadas em lentes de campo.
Em uma configuração, o dispositivo de modulação 34 modula o feixe de iluminação baseado em um sinal de imagem 44 para formar um feixe de imagem que é dirigido para a lente de projeção 3 6 ao longo de uma primeira trajetória de projeção tendo um primeiro eixo geométrico óptico 46. 0 dispositivo de modulação 34 compreende pelo menos um SLM tal como um modulador tipo transmissivo (p.ex., display de cristal líquido (LCD)), um modulador tipo processador de luz digital (DLP) (p.ex., dispositivo digital de micro espelho (DMD)), ou outro SLM adequado que transmita ou reflita porções selecionadas do feixe de iluminação baseado em sinal de imagem 44. Em uma configuração, a fonte de iluminação 32 provê e separa o feixe de iluminação ao longo da trajetória de iluminação 42 em componentes de iluminação separados (p.ex., vermelho, verde, e azul), com o dispositivo de modulação 34 incluindo SLMs separados 34a, 34b, e 34c posicionados para receber e modular um correspondente componente de iluminação.
Em uma configuração, como descrita em maiores detalhes abaixo, a lente catadióptrica 38 inclui pelo menos uma primeira superfície refrativa e uma última superfície refletiva. A lente catadióptrica 38 recebe o feixe de imagem ao longo do eixo geométrico óptico 46 da primeira trajetória de projeção na primeira superfície refrativa e, por refração pela primeira superfície refrativa e reflexão pela última superfície refletiva, dobra e direciona o feixe de imagem para uma pupila de saída 4 8 ao longo de uma segunda trajetória de projeção tendo um segundo eixo geométrico óptico 50.
Em uma configuração, a lente catadióptrica 38 dobra o feixe de imagem tal que um ângulo de dobramento (Θ) 52 entre o primeiro e segundo eixos geométricos ópticos 46, 50 esteja dentro de uma faixa desejada de ângulos. Em uma configuração exemplar, a faixa desejada de ângulos varia de aproximadamente 10 graus até aproximadamente 120 graus. Embora, como ilustrada, a pupila de saída 48 pareça ser posicionada em um plano definido pelo dispositivo de modulação 34 e a lente catadióptrica 38, a pupila de saída 4 8 pode ser posicionada fora de tal plano (p.ex., para dentro/para fora da página na qual a figura 1 está desenhada) tal que o ângulo de dobramento 52 compreenda um ângulo de dobramento composto.
Em uma configuração, como ilustrada pelas linhas tracejadas na figura 1, a lente de projeção 36 adicionalmente inclui uma lente de campo 40. A lente de campo 40 é posicionada próxima à pupila de saída 48 e é configurada para receber o feixe de imagem ao longo do eixo geométrico óptico 50 da segunda trajetória de projeção e para projetar o feixe de imagem ao longo de uma trajetória de projeção 54 até uma superfície de projeção 56, tal como uma tela de projeção, por exemplo. Em uma configuração, a lente catadióptrica 38 é configurada tal que um plano 58 da pupila de saída 48 substancialmente coincida com um plano de modulação 60 do dispositivo de modulação 34. É notado que quando a lente de projeção 3 6 não emprega uma lente de campo, tal como a lente de campo 40, a lente catadióptrica 38 pode ser configurada para direcionar e projetar o feixe de imagem ao longo do eixo geométrico óptico 50 da segunda trajetória de projeção diretamente sobre a superfície de projeção 56.
Em uma configuração, a lente de projeção 3 6 é configurada para ampliar e retransmitir uma imagem do dispositivo de modulação 34 (isto é, o feixe de imagem) sobre a superfície de projeção 56 para observação. Idealmente, a lente de projeção 3 6 forma uma imagem exata, embora aumentada (isto é, ampliada), do dispositivo de modulação 34 sobre a superfície de projeção 56. A imagem real projetada pela lente de projeção 36 sobre a superfície de projeção 56, entretanto, pode se desviar da imagem exata. Os desvios da imagem projetada a partir da imagem real são referidos como aberrações da lente. Como sabido por aqueles experientes na técnica, as aberrações de lente incluem, por exemplo, curvatura de campo, aberração cromática, coma, aberração esférica, distorção (p.ex., distorção de barril e de alfineteira) , e cor lateral. Em uma configuração, as características de distorção e aberração de cor lateral da lente de projeção 3 6 são referidas como o perfil de aberração da lente de projeção 36 .
Em uma configuração, a lente de projeção 3 6 é configurada para prover uma resolução ou função de transferência de modulação (MTF) de alta qualidade com um perfil de aberração conhecido. Em uma configuração exemplar, o perfil de aberração da lente de projeção 3 6 é empiricamente determinado na fabricação. Como tal, em uma configuração, o sinal de imagem 44 é algoritmicamente ajustado ou "pré-distorcido" baseado no perfil de aberração da lente de projeção 36 de modo a atuar contra ou pré-corrigir distorções tal que aberrações de distorção e de cor lateral que de outra forma seriam introduzidas pela lente de projeção 36 sejam substancialmente reduzidas e/ou eliminadas da imagem projetada como exibida sobre a superfície de projeção 56. Pré-processando o sinal de imagem 44 para pré-corrigir os dados de imagem para compensar ou atuar contra características conhecidas de aberrações de distorção e de cor lateral, as tolerâncias requeridas de distorção e cor lateral da lente de projeção 3 6 podem ser relaxadas.
Como um resultado, a complexidade da lente de projeção 3 6 pode ser reduzida em relação a lentes de projeção convencionais, reduzindo assim a despesa e habilitando uma arquitetura de lente mais compacta em relação a lentes de projeção convencionais. Um exemplo de tal arquitetura de lente compacta inclui a arquitetura dobrada empregando lente catadióptrica 3 8 como descrito acima com referência à figura 1 e descrito em maiores detalhes abaixo com referência às figuras 2-4.
A figura 2 é um diagrama esquemático ilustrando uma configuração de porções do sistema de projeção 3 0 da figura 1 e ilustrando uma configuração de uma lente de projeção 138 de acordo com a presente invenção. Em uma configuração, a lente de projeção 13 6 inclui uma lente catadióptrica 138 e uma lente de campo 140. Como ilustrado na configuração da figura 2, o dispositivo de modulação 34 provê um feixe de iluminação ao longo de um primeiro eixo geométrico óptico 146 na lente catadióptrica 138 baseado no sinal de imagem 44 que, como descrito acima, é ajustado baseado em um perfil de aberração da lente de projeção 136. Em uma configuração, a lente catadióptrica 138 inclui uma superfície frontal refrativa 170 e uma superfície posterior 172 revestida com um material refletivo 174 tal que a superfície posterior 172 seja uma superfície refletiva. Em uma configuração, a lente catadióptrica 172 compreende uma lente biconvexa com tanto a superfície frontal 170 quanto a superfície posterior 172 tendo formato anesférico. Em uma configuração, a lente catadióptrica 138 é centrada sobre um eixo geométrico óptico 146 e recebe o feixe de imagem na superfície frontal 170 tal que a superfície frontal 170 refrate o feixe de imagem, a superfície posterior 172 reflita o feixe de imagem, e a superfície frontal 170 novamente refrate e direcione o feixe de imagem ao longo de uma segunda trajetória de iluminação tendo um segundo eixo geométrico óptico 150 até uma pupila de saída 148 em um plano de pupila 158, tal que um ângulo de dobramento (θ) 152 entre o primeiro eixo geométrico óptico 146 e o segundo eixo geométrico óptico 150 esteja dentro de uma faixa desejada.
Em uma configuração, a lente de campo 140 é posicionada próxima à pupila de saída 148 e inclui uma superfície refrativa 176 e uma superfície refrativa 178. Em uma configuração, a lente de campo 140 compreende uma lente tipo menisco negativo com uma superfície refrativa 176 tendo formato côncavo anesférico e a superfície refrativa 178 tendo formato convexo anesférico. Em uma configuração, a lente de campo 140 é configurada para receber o feixe de imagem ao longo do eixo geométrico óptico 150 da segunda trajetória de projeção e para projetar o feixe de imagem ao longo de uma trajetória de projeção 154 até a superfície de projeção 56 para observação. Em uma configuração, a lente de campo 140 tem grau pequeno em relação à lente catadióptrica 138 e é configurada primariamente para prover correção de aberração na lente de projeção 13 6.
Como ilustrado na configuração da figura 2, a lente catadióptrica 13 8 é configurada tal que o plano de pupila 158 substancialmente coincida com o plano de modulação 60 do dispositivo de modulação 34 de modo a prover um espaçamento compacto entre a lente de campo 140 e o dispositivo de modulação 34. A lente catadióptrica 138, entretanto, não necessita ser assim configurada com o que a pupila de saída 148 pode ser localizada como desejado em qualquer número de posições.
Embora ilustrada na configuração da figura 2 como tendo formato esférico e biconvexo, a lente catadióptrica 138 pode compreender qualquer número de formatos e configurações tais como, por exemplo, simétricas, assimétricas (p.ex., com formado em cunha, veja a figura 4), esférica, anesférica (p.ex., elíptica, parabólica, etc.) . Adicionalmente, embora ilustrada como tendo um único elemento de lente tendo uma única superfície refrativa 170, a lente catadióptrica 138 pode compreender múltiplos elementos de lente tendo múltiplas superfícies refrativas (p.ex., múltilplos elementos de lentes cimentados) posicionados entre a superfície refletiva 172 e o plano de modulação 60. Similarmente, a lente de campo 140 pode compreender qualquer número de formatos e configurações e pode compreender múltiplas lentes e/ou espelhos.
A figura 3 é um diagrama esquemático ilustrando uma configuração de uma lente de projeção 236 de acordo com a presente invenção. Em uma configuração, a lente de projeção 236 inclui uma lente catadióptrica 238 e uma lente de campo 240. Em uma configuração, a lente catadióptrica 238 recebe um feixe de imagem de uma correspondente pupila de entrada 260 ao longo de uma trajetória de projeção tendo um primeiro eixo geométrico óptico 246. 0 feixe de imagem é trazido para a pupila de entrada 260 a partir de um dispositivo de modulação (tal como um dispositivo de modulação 34 da figura 1) que gera o feixe de imagem baseado em um sinal de imagem que foi ajustado baseado em um correspondente perfil de aberração da lente de projeção 23 6.
Em uma configuração, a lente catadióptrica 238 inclui uma superfície frontal refrativa 270 e uma superfície posterior 272 revestida com um material refletivo 274 tal que a superfície posterior 272 seja uma superfície refletiva. Em uma configuração, tanto a superfície frontal 270 quanto a superfície posterior 2 72 têm formato convexo. Em uma configuração, a lente catadióptrica 23 8 é configurada para ficar descentrada ou fora de eixo do primeiro eixo geométrico óptico 246. A lente catadióptrica 238 recebe o feixe de imagem na superfície frontal 270 tal que a superfície frontal 270 refrate o feixe de imagem, a superfície posterior 272 reflita a imagem, e a superfície frontal 270 novamente refrate e direcione o feixe de imagem ao longo de uma segunda trajetória de iluminação tendo um segundo eixo geométrico óptico 250 até uma pupila de saída 248 em um plano de pupila 258, tal que um ângulo de dobramento (Θ) 252 entre o primeiro eixo geométrico óptico 24 6 e o segundo eixo geométrico óptico 250 esteja dentro de uma faixa desejada.
Em uma configuração, a lente de campo 240 é posicionada próxima à pupila de saída 248 e inclui uma superfície refrativa 276 e uma superfície refrativa 278. A lente de campo 240 é configurada para receber o feixe de imagem ao longo do eixo geométrico óptico 250 e projetar o feixe de imagem até a superfície de projeção 56 ao longo de uma trajetória de projeção 254. Em uma configuração, a lente de campo 240 compreende uma lente assimétrica, tendo sido truncada ou "destacada" em um modo assimétrico oposto a um eixo geométrico óptico de modo a adicionalmente compactar a arquitetura da lente de projeção 236.
A figura 4 é um diagrama esquemático ilustrando uma outra configuração da lente de projeção 236. A lente de projeção 236' é similar à lente de projeção 236 e inclui uma lente catadióptrica 238' e uma lente de campo 240. Em uma configuração, como ilustrada na figura 4, a lente catadióptrica 238' é truncada de um modo similar àquele descrito acima com relação à lente de campo 24 0, tal que a lente catadióptrica 238 compreenda uma lente "com formato de cunha" assimétrica que adicionalmente compacte a arquitetura da lente de projeção 236.
A figura 5 é um diagrama de fluxo ilustrando uma configuração de um método 3 00 para operar um projetor digital de acordo com a presente invenção. 0 método 300 começa em 3 02 onde uma lente de projeção com um perfil de aberração conhecido é provida, tal como a lente de projeção 36, 136, 236, e 236' como descrito acima e respectivamente ilustrado pelas configurações das figuras 1-4.
Em 304, um feixe de iluminação é provido, tal como pela fonte de iluminação 32 como descrito acima com referência à figura 1. Em 3 06, o feixe de iluminação é modulado, por exemplo, pelo dispositivo de modulação 34 (figuras 1 e 2) baseado no perfil de aberração da lente de projeção para prover um feixe de imagem ao longo de uma primeira trajetória de projeção tendo um primeiro eixo geométrico óptico.
Em 308, o feixe de iluminação ao longo da primeira trajetória de projeção é dobrado catadioptricamente pela lente de projeção, tal como pela lente catadióptrica 38, 138, 238, e 238'das configurações das figuras 1-4, de modo a direcionar o feixe de imagem ao longo de uma segunda trajetória de projeção tendo um segundo eixo geométrico óptico. Em uma configuração, o segundo eixo geométrico óptico forma um ângulo de dobramento com o primeiro eixo geométrico óptico que está dentro de uma faixa desejada de ângulos, e, em uma configuração, o feixe de imagem forma uma pupila óptica ao longo da segunda trajetória de projeção que substancialmente coincide com um plano de modulação do dispositivo de modulação. Em uma configuração exemplar, a faixa desejada de ângulos do ângulo de dobramento está entre aproximadamente dez graus e aproximadamente cento e vinte graus.
Embora configurações específicas tenham sido ilustradas e descritas aqui para propósitos de descrição da configuração preferida, será apreciado por aqueles de experiência ordinária na técnica que uma ampla variedade de implementações alternativas e/ou equivalentes podem ser substituídas pelas configurações específicas mostradas e descritas sem se desviar do escopo da presente invenção. Aqueles experientes em técnicas mecânicas, eletromecânicas, elétricas, e computacionais prontamente apreciarão que a presente invenção pode ser implementada em uma variedade muito ampla de configurações. Este pedido de patente é intencionado a cobrir quaisquer adaptações ou variações das configurações preferidas discutidas aqui. Portanto, é manifestadamente intencionado que esta invenção seja limitada somente pelas reivindicações e as equivalentes das mesmas.

Claims (10)

1. Sistema de projeção, caracterizado pelo fato de compreender: uma fonte de iluminação (32) provendo um feixe de iluminação (42); - um modulador (34) configurado para modular o feixe de iluminação baseado em um sinal de imagem (44) para formar um feixe de imagem; e - uma lente de projeção (36/136/236/236') tendo um perfil de aberração e compreendendo uma lente catadióptrica (38/138/238/238'), sendo que o sinal de imagem é ajustado baseado no perfil de aberração da lente de projeção, e sendo que a lente catadióptrica é configurada para receber o feixe de imagem ao longo de um primeiro eixo geométrico óptico (46/146/246) e dobrar e direcionar o feixe de imagem ao longo de um segundo eixo geométrico óptico (50/150/250) tal que um ângulo de dobramento (52/152/252) entre o primeiro e o segundo eixos geométricos ópticos esteja dentro de uma faixa desejada.
2. Sistema de projeção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a faixa desejada do ângulo de dobramento estar entre aproximadamente dez graus e aproximadamente cento e vinte graus.
3. Sistema de projeção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o ângulo de dobramento compreender um ângulo de dobramento composto.
4. Sistema de projeção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a lente catadióptrica estar substancialmente centrada sobre o primeiro e segundo eixos geométricos ópticos.
5. Sistema de projeção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a lente catadióptrica estar deslocada em relação ao primeiro e segundo eixos geométricos ópticos.
6. Sistema de projeção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a lente catadióptrica ser configurada para direcionar o feixe de imagem para uma pupila de saída (48) ao longo do segundo eixo geométrico óptico, sendo que um plano (58) da pupila de saída substancialmente coincide com um plano de modulação (60) do modulador.
7. Sistema de projeção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a lente catadióptrica compreender um único elemento de lente (138/238/238') tendo uma primeira superfície refrativa (170/270) e uma segunda superfície (172/272) revestida com um material refletivo (174/274).
8. Sistema de projeção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a lente de projeção adicionalmente compreender uma lente de campo (40/140/240) posicionada ao longo do segundo eixo geométrico óptico, sendo que a lente de campo é configurada para receber e projetar o feixe de imagem ao longo de um terceiro eixo geométrico óptico (54/154/254) até uma superfície de projeção (56) para observação.
9. Método para operar um sistema de projeção, caracterizado pelo fato de compreender: - prover (302) uma lente de projeção (36/136/236/236') tendo um perfil de aberração e incluindo uma lente catadióptrica (38, 138, 238, 238'); - modular (304/306) um feixe de iluminação (42) baseado no perfil de aberração da lente de projeção e formar um feixe de imagem ao longo de uma primeira trajetória de projeção tendo um primeiro eixo geométrico óptico (46/146/246) ; e dobrar (3 08) o feixe de imagem com a lente catadióptrica e direcionar o feixe de imagem ao longo de uma segunda trajetória de projeção tendo um segundo eixo geométrico óptico (50/150/250), sendo que o segundo eixo geométrico óptico forma um ângulo de dobramento (52/152/252) com o primeiro eixo geométrico óptico que está dentro de uma faixa desejada de ângulos.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de dobrar o feixe de imagem incluir direcionar o feixe de imagem para uma pupila de saída (48) ao longo do segundo eixo geométrico óptico, sendo que a pupila de saída está posicionada em um plano (58) que substancialmente coincide com um plano de modulação (60).
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