RU2094954C1

RU2094954C1 - Устройство для формирования изображения на большом экране

Info

Publication number: RU2094954C1
Application number: RU96109947A
Authority: RU
Inventors: Петр Иванович Ивашкин; Алексей Алексеевич Сафронов
Original assignee: Петр Иванович Ивашкин; Алексей Алексеевич Сафронов
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1996-05-28
Publication date: 1997-10-27

Abstract

Изобретение относится к средствам отображения информации, в частности к технике получения изображения на большом экране. В устройстве, содержащем матрицу излучающих индикаторов, каждый индикатор снабжен оптической системой, состоящей из последовательно расположенных перед излучающими элементами фазового экрана и растра-коллектива или линзы-коллектива. Устранение разрывов между индикаторами обеспечивается установкой вдоль периметра излучающей поверхности афокальных растровых систем или цилиндрических, или призматических растров. В предлагаемом устройстве получено высококачественное изображение без темных полос между отдельными индикаторами, улучшены угловые характеристики диаграммы направленности выходного излучения, повышена однородность цвета в пределах каждой ячейки, уменьшен эффект мозаичности. 2 з. п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к средствам отображения информации, в частности к технике получения изображения на большом экране.

Известно перспективное устройство, создающее изображение на больших экранах с помощью ярких индикаторов вакуумно-люминисцентного типа. Недостатком таких систем являются, во-первых, большие размеры ячейки, а следовательно, и большие размеры экрана. Например, для вещательного телевизионного стандарта высота экрана 20 м. Другим недостатком является наличие принципиально неустранимых темных зон, связанных с наличием электродов, технологическими особенностями и т. д. Например, при использовании индикаторов П-782А (каталог НИИ "Волга") (фиг. 1). Влияние данных зон приводит к появлению в изображении даже при прямом наблюдении сетки темных полос шириной 24 мм и 12 мм. При наблюдении под углом изображение ухудшается еще больше.

Кроме того, указанные темные зоны принципиально ограничивают разрешение прибора нет смысла изготавливать управляющие сегменты с размерами меньше, чем ширина темных зон.

Следует также отметить, что при относительно небольших расстояниях наблюдения (при угловых размерах элементов ячейки меньше 2) проявляется структура цветовых составляющих, а также мозаичность, что также ухудшает качество восприятия.

Известно устройство для получения цветного изображения, содержащее корпус, в ячейках которого установлены отдельные модули на основе электронно-лучевых трубок, снабженные оптической системой с линзой Френеля, обеспечивающей получение целого изображения без полос разрыва между модулями (авт. св. СССР N 1599886, кл. H О4 N 5/72, 1988).

Известно также устройство для получения цветного изображения, содержащее корпус, в ячейках которого установлены отдельные модули с излучающей поверхностью, снабженные оптической системой с линзой, обеспечивающей получение целого изображения без полос разрыва между модулями (EP N 0203646, кл. H О4 N 5/72, 1986).

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи расширения функциональных возможностей оптической системы при создании изображения на большом экране с помощью матрицы излучающих индикаторов увеличение масштаба изображения, в частности позволяющее устранить темные полосы в изображении, улучшение параметров диаграммы направленности, исключение виньетирования и т. д. Данная задача решается тем, что в устройстве для получения изображения, содержащем матрицу излучающих элементов и расположенную перед ними по ходу распространения излучения от индикаторов оптическую систему. Последняя состоит из последовательно расположенных вдоль направления распространения излучения 2-х оптических элементов фазового экрана или (и) совокупность цилиндрических растров вдоль краев излучающей поверхности и растра-коллектива или линзы-коллектива. Увеличение оптической системы таково, что изображение излучающих поверхностей занимает всю площадь экрана без разрывов.

Решению задачи исключения темных полос в изображении служит и афокальная растровая система, сформированная по периметру излучающей поверхности, или система цилиндрических растров.

Фазовый экран изменяет диаграмму направленности излучения и, в частности, решает задачу исключения темных полос. Диаграмма направленности излучения системы, состоящей из излучателя и линзы при наличии фазового экрана (ФЭ) в малоугловом приближении, описывается формулой:

где

волновое число;
l длина волны;
L расстояние от источника до линзы;
F фокусное расстояние;
v(ρ) вносимый транспарантом фазовый набег;
u^o(ρ) поле на поверхности источника.

Толщина линзы и транспаранта не учитывается, начало отсчета Z 0 выбрано вблизи линзы.

Формула (1) позволяет записать общие выражения для поля и его интенсивности при Z>0 в малоугловом приближении с учетом дифракционных эффектов. Анализ этих выражений, хотя и не представляет принципиальных трудностей, достаточно громоздок.

В качестве фазового экрана могут использоваться растровые поверхности различных типов, а также шероховатые поверхности с хаотическим характером неоднородностей рельефа.

Средняя интенсивность в дальней зоне

для последнего случая (Фиг. 2)

где P(α) плотность вероятности наклона рельефа поверхности
α = Φ/(n-1)
n показатель преломления.

Напишем конкретное выражение в случае нормального распределения отклонений

с гауссовой функцией корреляции:
где ρ радиус корреляции неоднородностей.

Считая неоднородности изотропными, получим:

Вариантом исполнения фазового экрана может служить афокальная система, составленная из двух линзовых растров одного с положительными, другого с отрицательными линзовыми элементами (фиг. 3). Пучок лучей каждым отрицательным элементом 1 растра преобразуется в элементарный расходящийся пучок. Элементарные расходящиеся пучки лучей, достигая внешней поверхности положительных элементов 2 второго растра, становится опять параллельными. Однако оптические оси линзовых элементов первого и второго растров не совпадают, что ведет к образованию оптических клиньев, отклоняющих проходящие пучки лучей. Подобная афокальная растровая система может быть как с цилиндрическими, так и со сферическими линзами. Афокальная система линзовых растров так же действует и в расходящихся пучках лучей. Параметры системы варьируются перемещением одного растра относительно другого. Эта задача решается также с помощью растра, состоящего из стеклянных цилиндрических стержней.

Данные системы позволяют увеличивать оптическое изображение, а также сдвигать изображение в направлении, поперечном оси растра, т. е. выполняет функцию "скашивания" светового потока, падающего от излучающих поверхностей, что уменьшает виньетирование и используется для устранения темных полос в изображении. Другим вариантом реализации фазового экрана является использование пирамидально-растровой пластинки б) или призменно-растровой пластинки а) (фиг. 4) или растра из цилиндрических стержней (прозрачных). В некоторых случаях грани могут быть нанесены и на вторую плоскость пластинки.

Для иллюстрации будем считать, что формы пирамид одинаковые - равнобедренные треугольники с углом при основании θ.

При падении плоской волны на такой ФЭ происходит преломление на наклонных поверхностях пирамид.

Оценим влияние ФЭ на диаграмму направленности рассматриваемой системы. Учитывая закон преломления n sinθ ≈ n′sinθ′ (где n показатель преломления транспаранта) для угла отклонения луча, выходящего из пирамиды, получаем выражение:
α = θ′-θ ≈ arcsin(nsinθ)-θ ≈ (n-1)θ
(последнее приближенное равенство справедливо при nθ < 1.

Таким образом, каждая пирамида отклоняет соответствующий парциальный пучок на угол α ≈ (n-1)θ Углы наклона от 0 до 40^o обеспечивает уширение - 40^o.

В результате пластинка создает несколько изображений излучающих поверхностей. Таким образом прохождение через данный фазовый экран помогает варьировать угловые характеристики диаграммы направленности как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении.

Кроме того, данный растр обеспечивает суперпозицию изображения отдельных цветовых компонент в отдельных ячейках, а также сглаживает границы между отдельными ячейками, что улучшает качество восприятия при небольших расстояниях, когда каждая ячейка воспринимается как протяженный объект. Для уменьшения влияния виньетирования используется система цилиндрических растров.

Фазовый экран решает задачу преобразования углов рассеяния падающего излучения. Далее изображение формируется с помощью растра-коллектива или линзы-коллектива. Схема действия линзы приведена на фиг. 5. Образование мнимого увеличенного изображения 3 излучающих поверхностей 2 с требуемыми размерами обеспечивается параметрами линзы 1, вытекающими из соотношения:

где k требуемое увеличение в данном направлении.

Исключение темных полос, ограничивающих разрешение, позволяет в принципе в несколько раз уменьшить размеры управляемых сегментов. Вместо линзы в качестве преломляющей системы могут служить растровые кольцевые решетки. Путем подбора соответствующей формы растровых элементов формируются определенные углы рассеяния как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях, оптимальных для условий наблюдения.

На фиг. 1 -5 представлено предлагаемое устройство.

Устройство содержит матрицу излучающих элементов, индикаторы с четырьмя триадами 2 базовых цветовых составляющих, фазовый экран 3, представляющий собой пирамидальную или призматическую растровую пластину с углом наклона граней до 40^o и характерными размерами 3 6 мм или набор стеклянных стержней, растр-коллектив линзовый элемент 4 с фокусным расстоянием 70 мм, состоящий из цилиндрического фрагмента длиной 100 мм и двух сегментов сферических линз.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Излучение от индикаторов проходит через растровую пирамидальную пластинку (РПП) или цилиндрический растр со стеклянными стержнями (фиг. 5), которые обеспечивает рассеяние в требуемом диапазоне углов. При использовании РПП для получения диаграммы в 70^o с учетом диапазона углов падения на пирамидальный растр в переделах приблизительно 30^o, углы рифления должны лежать в пределах до 40^o. Одновременно фазовый экран обеспечивает частичную суперпозицию изображения многохроматических компонент, создавая таким образом близкий к результирующему цвет по площади каждой ячейки, а также сглаживает мозаичность.

Затем излучение проходит через линзу, которая обеспечивает увеличение изображения до размеров, необходимых для полного заполнения всей поверхности экрана. Устранение с помощью данной оптической системы темных полос дает также возможность увеличить количество элементов разрешения при сохранении габаритных размеров прибора П-782А. Реализован вариант, когда размер управляемых элементов уменьшился в два раза.

Таким образом в предлагаемом устройстве получено высококачественное изображение на большом экране без видимых темных полос между отдельными индикаторами с улучшенными угловыми характеристиками диаграммы направленности выходного излучения, повышенной однородности цвета в пределах каждой ячейки, уменьшен эффект мозаичности, что важно при рассмотрении с небольших расстояний, когда каждая ячейка воспринимается наблюдателем как имеющая конечный размер.

Claims

1. Устройство для формирования изображения на большом экране, содержащее матрицу излучающих элементов и расположенные перед каждым излучающим элементом матрицы соответствующую оптическую систему, отличающееся тем, что каждая оптическая система выполнена из последовательно расположенных фазового экрана и растра-коллектива или линзы-коллектива.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что края фазового экрана по периметру излучающей поверхности изготовлены в виде афокальной растровой системы.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вдоль периметра излучающей поверхности в плоскости фазового экрана установлены цилиндрические или призматические растры.