ITTO20000075A1

ITTO20000075A1 - Sistema di focalizzazione per videoproiettore.

Info

Publication number: ITTO20000075A1
Application number: IT2000TO000075A
Authority: IT
Inventors: Giorgio Barazza
Original assignee: Sim2 Multimedia Spa
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2001-07-26
Also published as: EP1259849B1; ATE251315T1; DE60100895T2; CN1178524C; WO2001055771A3; AU2001226988A1; IT1319810B1; JP2003521734A; KR100755564B1; KR20020086475A; CN1401191A; WO2001055771A2; DE60100895D1; EP1259849A2; US20050046754A1; US7025465B2

Description

Descrizione della domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo:

SISTEMA DI FOCALIZZAZÌONE PER VIDEOPROIETTORE

RIASSUNTO

Un sistema di localizzazione del fascio luminoso per un videoproiettore che comprende almeno un dispositivo di microformazione del'immagine DMD (Digital Micromirror Dévice); la caratteristica principale consiste nel fatto che il sistema comprende almeno una lente asferica associata ad almeno un doppietto acromatico. Questa configurazione consente di ridurre in modo sostanziale l’aberrazióne cromatica, l’aberrazione sferica, la curvatura di campo e le distorsioni, e di rendere più omogeneo 1’ illuminamento del dispositivo di microformazione dell’immagine DMD.

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un sistema di focalizzazìone del fascio luminoso per un videoproiettore che comprende almeno un dispositivo di microformazione del'immagine DMD (Digital Micromirror Device).

Si vanno sempre più diffondendo i sistemi di videoproiezione basati sulla tecnologia dispositivo di mi ero formazione dell’immagine DMD (Digital Micromirror Device), soprattutto per l’ottima qualità dell’immagine per quanto riguarda in particolare luminosità e risoluzione, e per le ridotte dimensioni dei proiettori, rispetto ad esempio ai dispositivi che impiegano i cinescopi.

In breve un dispositivo di microformazione dell’immagine DMD è costituito da un insieme di specchi quadrati in alluminio con il lato di 16 pm, ciascuno dei quali costituisce un elemento del'immagine da proiettare, in breve un pixel. Gli specchi possono ruotare di ±10 gradi attorno ad una diagonale, e la rotazione in un senso o nell’altro è prodotta dall’azione di due elettrodi posti sotto lo specchio da parti opposte rispetto all’asse di rotazione. La luce colpisce lo specchio con un angolo di circa 20 gradi rispetto alla perpendicolare al piano dello specchio, quando questo è in condizione di “riposo”, quando cioè non è attratto da uno dei due elettrodi. Se lo specchio viene ruotato in un senso, il raggio riflesso subisce una deviazione tale per cui non entra nella lente di proiezione e quindi non viene inviato allo schermo, e il pixel risulta perciò “spento”; se la rotazione avviene nel senso opposto il pixel è acceso, in quanto la luce riflessa è inviata allo schermo.

Ad ogni pixel è associata una cella di una memoria statica del tipo SRAM (Static Random Access Memory), che contiene le informazioni per comandare gli elettrodi che ruotano lo specchio. Anche se la luce riflessa da ogni specchietto ha sempre la stessa intensità, la variazione del tempo per il quale un pixel rimane acceso produce l’effetto di una variazione di luminosità, a causa dell’azione di integrazione prodotta dall’occhio umano.

Un videoproiettore può essere costituito da uno, due o tre dispositivi di microformazione dell’immagine DMD. La soluzione che fa uso di un solo dispositivo di microformazione del’immagine DMD è particolarmente vantaggiosa dai punti di vista economico, dell’ingombro e del peso, e ad essa si riferisce principalmente la presente invenzione.

Per ottenere l’immagine a colori, disponendo di un unico dispositivo DMD, gli specchi del dispositivo di micro formazione dell’immagine DMD sono illuminati in successione dai tre colori primari, rosso, verde e blu, ottenuti inviando la luce della lampada di illuminazione a una ruota girevole, detta ruota colore, divisa in almeno tre settori, ciascuno costituito da un filtro dicroico atto a produrre uno dei tre colori primari. Tramite la rotazione della ruota colore, il fascio luminoso inviato al dispositivo di micro formazione dell’immagine DMD assume in successione i tre diversi colori.

Nel videoproiettore il fascio luminoso necessita di una localizzazione. Ciò viene usualmente ottenuto per mezzo di un sistema di lenti convergenti, note anche come “relay lens”; il piano di localizzazione può essere ottenuto sull’ingresso della lente di proiezione, secondo la nota configurazione di Kohler; alternativamente, il piano di focalizzazione può essere localizzato sulla superficie del dispositivo di microformazione dell’immagine DMD, secondo lo schema di illuminazione critica o di Abbe. Quest’ultima configurazione presenta il vantaggio di poter ottenere la centratura verticale deH’immagine sullo schermo di proiezione, in quanto l’immagine sul dispositivo di microformazione deH’immagine DMD ha una dimensione sufficientemente grande da permettere uno spostamento della lente di proiezione di circa ± 6mm in direzione perpendicolare all’asse di proiezione senza perdere in luminosità. Ciò consente, nel caso di proiezione frontale, di spostare verticalmente l'immagine sullo schermo di una quantità circa pari all’altezza dell’immagine stessa. Con i sistemi di focalizzazione noli, che prevedono l’impiego di almeno tre lenti convergenti, un inconveniente è costituito dal fatto che la qualità dell’immagine risulta scarsamente definita principalmente a causa di fenomeni di aberrazione cromatica, di aberrazione sferica, nonché di un ulteriore fenomeno di aberrazione che va sotto il nome di curvatura di campo. Inoltre dette lenti convergenti producono in genere notevoli distorsioni di immagine.

- Il fenomeno di aberrazione cromatica c dovuto, come è noto, al fatto che per una lente convergente il piano di focalizzazione del fascio luminoso che la attraversa dipende dalla lunghezza d’onda delle componenti del fascio luminoso stesso, per cui, ad esempio, un fascio di luce blu converge su un piano più vicino alla lente, mentre un fascio di luce rossa converge su un piano più lontano; su un piano in posizione intermedia fra quelli associati al fascio di luce blu e al fascio di luce rossa, si focalizza un fascio di luce verde. Nel caso quindi di un videoproiettore con un solo dispositivo di microformazione dell’immagine DMD, la focalizzazione sulla superficie del dispositivo di microformazione dell’immagine DMD, secondo lo schema di illuminazione di Abbe, risulta il frutto di un compromesso tra le superfici di focalizzazione dei tre colori primari. Le stesse considerazioni valgono nel caso della configurazione di Kohler, nella quale il fascio converge sull’ingresso della lente di proiezione.

11 fenomeno di aberrazione sferica consiste nel fatto che, quando un fascio luminoso attraversa una lente convergente, i raggi cosiddetti marginali di detto fascio luminoso, i raggi cioè che attraversano la lente nella zona periferica, convergono in un punto più vicino al piano della lente dei raggi cosiddetti parassiali, che attraversano la lente nelle zona centrale. Anche in questo caso la focalizzazione è il risultato di un compromesso tra raggi centrali o parassiali e raggi periferici.

Il fenomeno di curvatura di campo consiste nel fatto che l’immagine focalizzata dalla lente risulta correttamente focalizzata su una superfìcie curva anziché su di un piano. Anche in questo caso, poiché gli specchi del dispositivo di microformazione dell’immagine DMD sono disposti su una superficie piana, la focalizzazione è il frutto di un compromesso. Per distorsioni, infine, si intendono le deformazioni geometriche dell’ immagine, tra cui le più importanti sono la deformazione cosidetta “tilt”, che, ad esempio, si ha quando un rettangolo proiettalo attraverso il sistema di lenti assume l’aspetto di un parallelogrammo, la distorsione nota come cuscino e quella nota come barilotto.

Per ridurre le suddette aberrazioni e distorsioni è uso introdurre sistemi di lenti appositi, in cui ogni effetto viene corretto da un dispositivo ottico apposito, con il risultato di aumentare il numero delle lenti, e il conseguente sensibile aumento della complessità di progettazione e dei costi.

La presente invenzione si propone di risolvere gli inconvenienti sopra citati e di indicare un sistema di focalizzazionc per videoproieltori che sia di realizzazione migliorata, e più efficiente rispetto alle soluzioni note.

In tale ambilo, scopo principale della presente invenzione è quello di indicare un sistema di localizzazione per videoproiettori che, ovviando ai suddetti inconvenienti, permetta di ottenere in modo semplice ed economico una immagine focalizzata in modo uniforme e con distorsioni ridotte, migliorando apprezzabilmente la qualità dell’immagine e impiegando un numero ridotto di lenti.

Per raggiungere tali scopi, forma oggetto della presente invenzione un sistema di localizzazione per video proiettori incorporante le caratteristiche delle rivendicazioni allegate, che formano parte integrante della presente descrizione. Ulteriori scopi, caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue e dai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio esplicativo e non limitativo, in cui:

- la figura 1 rappresenta lo schema di un sistema di focalizzazione per videoproiettori secondo l’invenzione.

- la figura 2 rappresenta una seconda realizzazione di un sistema di focalizzazione per videoproiettori secondo l’invenzione.

In figura 1 col numero di riferimento 1 è indicata una lampada di illuminazione con riflettore parabolico, il numero 2 rappresenta un condensatore asferico che focalizza la luce all’ ingresso di una barra integratrice 4, costituita da un parallelepipedo di vetro ottico, che rende uniforme il fascio di luce proveniente dalla lampada di illuminazione 1. La barra integratrice 4 è preceduta da nna ruota colore 3 che, come detto, tramite i suoi filtri dicroici consente la riproduzione dei colori nei videoproicttori che impiegano un solo dispositivo di micro formazione dell’immagine DMD, come appunto nel caso qui descritto. La luce in uscita dalla barra integratrice 4 viene raccolta da un sistema di lenti, note come relay lcns. Per relay lens si intende il sistema di lenti e altri dispositivi ottici che trasferisce all’obiettivo o lente di proiezione l immagine. Dette relay lens sono indicate con i numeri di riferimento 5, 6 e 7. Dette lenti 5, 6, 7 convogliano la luce verso il dispositivo di microformazione dell’immagine DMD, rappresentato dal numero 10, su cui si forma una immagine focalizzata e ingrandita rispetto a quella presente all’uscita della barra integratrice 4, secondo il già nominato schema di illuminazione di Abbe. Le considerazioni che seguono valgono tuttavia anche nel caso in cui l’immagine venga focalizzata sull’ingresso di una lente di proiezione indicata con il numero di riferimento 11 (illuminazione tipo Kohler) in figura 1, come verrà illustrato in seguito.

Secondo l’invenzione la lente indicala con il numero 5 è realizzata per mezzo di una lente asferica, cioè una lente convergente il cui profilo viene modificato rispetto a quello sferico di una normale lente convergente, in modo da ridurre l’aberrazione sferica.

In termini matematici la superficie curva della lente è rappresentata da una equazione che, oltre che componenti sferiche, contiene anche componenti polinomiali di ordine superiore al secondo.

La lente asferica 5 è seguita, lungo il percorso ottico del fascio luminoso rappresentato in figura dalla linea tratteggiata passante per i punti ABCD, da un doppietto acromatico indicato con il numero di riferimento 6. Il doppietto acromatico 6 è formato, come noto, da una lente divergente e da una lente convergente, realizzate con tipi di vetro ottico diverso e incollate tra di loro. Scegliendo opportunamente i coefficienti di rifrazione dei due vetri si riduce in modo apprezzabile la aberrazione cromatica.

Vantaggiosamente, inoltre, oltre al trasferimento del'immagine in qualità di relay lens e all’effetto singolo di compensazione di una specifica aberrazione dovuto alle singole lenti, l'effetto combinato della lente asferica 5 e del doppietto acromatico 6 riduce in modo sostanziale sia il fenomeno di curvatura di campo, sia le distorsioni di immagine citate in precedenza.

E chiaro che il profilo della lente asferica 5 e i coefficienti di rifrazione dei vetri ottici impiegati nel doppietto acromatico 6 vanno scelti anche in funzione delle caratteristiche del percorso ottico ABC tra la lampada 1 e il dispositivo di microformazione dell’immagine DMD 10, come ad esempio la lunghezza, il numero di riflessioni, la sezione del fascio luminoso, ecc.

Il doppietto acromatico 6 c a sua volta seguito da una lente convergente indicata con il numero di riferimento 7, che completa il sistema di relay lens.

Pertanto, l’utilizzo in qualità di sistema di relay lens di un semplice ed economico sistema a tre lenti, composto da una lente asferica 5, da un doppietto acromatico 6, e da una lente convergente 7, porta a una sostanziale riduzione delle principali aberrazioni geometriche e cromatiche, nonché delle distorsioni introdotte dal sistema di focalizzazione. Preferibilmente la lente 7 è del tipo pianoconvesso, al fine di ridurre ulteriormente l’aberrazione sferica.

Il prisma indicato con il numero di riferimento 8 è del tipo TIR (Total Internai Retlection), e convoglia il fascio luminoso, verso il dispositivo di microformazione dell’immagine DMD 10 in modo che incida con un angolo di circa 20 gradi, come normalmente richiesto dalle specifiche fornite dal costruttore del dispositivo.

11 prisma 9 devia il fascio luminoso proveniente dagli specchi del dispositivo di microformazione dell’immagine DMD verso la lente di proiezione 11.

L’impiego contemporaneo della lente asferica 5 e del doppietto acromatico 6 consente inoltre vantaggiosamente di illuminare in modo uniforme la superficie del dispositivo di microformazione del'immagine DMD, evitando che la zona centrale dell’immagine sia più luminosa di quelle periferiche.

Infine vantaggiosamente la riduzione dell’aberrazione sierica permette di concentrare in modo più preciso la luce sull’area attiva del dispositivo di microformazione dell’immagine DMD 10, quella cioè che contiene gli specchi, aumentando l’efficienza complessiva e quindi la luminosità del sistema.

In figura 2 è rappresentato un sistema di focalizzazione secondo l’invenzione nel caso in cui sia impiegato lo schema di illuminazione di Kohler, cioè quando l’immagine viene focalizzata all’ingresso della lente di proiezione 11.

In questo caso il fascio luminoso è inviato al dispositivo di microformazione delfimmagine DMD con la corretta angolazione dallo specchio indicato con il numero di riferimento 12, e pertanto non vengono utilizzati i prismi 8 e 9 di figura 1. Per evitare eventuali interferenze meccaniche tra componenti e percorso ottico, lo specchio 12 provvede anche a deviare il fascio ad esempio verso l’alto, secondo una tecnica ben nota nei .videoproiettori con dispositivi di microformazione delfimmagine DMD. 1 rimanenti blocchi di fig. 2 hanno, a parità di numero di riferimento, la stessa funzione di quelli già descritti in figura 1.

Ε' chiaro che numerose varianti sono possibili per l'uomo del ramo al sistema di focalizzazione per videoproiettori descritto come esempio, senza per questo uscire dai principi di novità insiti neil’idea inventiva, così come è chiaro che nella sua pratica attuazione le forme dei dettagli illustrati potranno essere diverse, e gli stessi potranno essere sostituiti con degli elementi tecnicamente equivalenti.

Ad esempio, la parte ABC del percorso ottico compresa tra la lampada 1 e il dispositivo di microformazione deH’immagine DMD 10 può comprendere più riflessioni, anziché una sola come nel caso delle figure 1 e 2.

Da notare che il sistema di focalizzazione proposto può essere usato, anche se con minori vantaggi, in video proiettori che impiegano due o più dispositivi di microformazione dell’immagine DMD.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sistema di focalizzazione del fascio luminoso per un videoproiettore del tipo che comprende una sorgente luminosa (1), mezzi ottici (5, 6, 7) di trasferimento dell’immagine a una lente di proiezione (1 1) del videoproiettore e un dispositivo di microformazione dell'immagine (10), caratterizzato dal fatto che delti mezzi ottici (5, 6, 7) di trasferimento dell’immagine comprendono almeno una lente asferica (5) associata ad almeno un doppietto acromatico (6).
2. Sistema di localizzazione del fascio luminoso per un videoproiettore secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che la lente asferica (5) c il doppietto acromatico (6) sono posti in successione sul cammino del fascio luminoso. 3. Sistema di focalizzazione del fascio luminoso per un videoproiettore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il doppietto acromatico (6) è realizzato con almeno due tipi di vetro ottico aventi diverso coefficiente di rifrazione.
3. Sistema di focalizzazione del fascio luminoso per un videoproiettore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto sistema comprende inoltre una lente pianoconvessa (7).
4. Sistema di focalizzazione del fascio luminoso per un videoproiettore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la focalizzazione deH’immagine avviene sulla superficie di un dispositivo di microformazione dell’immagine DMD (IO), secondo lo schema di illuminazione di Abbc.
5. Sistema di focalizzazione del fascio luminoso per un vidcoproiettorc secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la focalizzazione deH’immagine avviene, successivamente al dispositivo di microformazione dell’immagine DMD (10), sull’ingresso della lente di proiezione (11), secondo lo schema di illuminazione di (Collier.
6. Sistema di fecalizzazione del fascio luminoso per un videoproiettore secondo la rivendicazione 4 o 5, caratterizzato dal fatto che il percorso ottico (ABC) del fascio luminoso compreso tra la sorgente luminosa (1) e il dispositivo di microformazione delPimmagine (10) è sottoposto a una o più riflessioni.
7. Sistema di fecalizzazione del fascio luminoso per un videoproiettore del tipo che comprende un sistema di relay lens (5, 6, 7) un fascio luminoso da una sorgente luminosa (1) a una lente di proiezione (11) attraverso un dispositivo di microformazióne deH’immagine (10) caratterizzato dal fatto che il sistema di relay lens (5, 6,7) è ottenuto attraverso mezzi di correzione delle aberrazioni, in particolare una lente sferica e un doppietto acromatico.
8. Sistema di fecalizzazióne del fascio luminoso per un videoproiettore secondo gli insegnamenti della presente descrizione e dei disegni annessi.