RU2297658C1

RU2297658C1 - Projection display

Info

Publication number: RU2297658C1
Application number: RU2005137050/28A
Authority: RU
Inventors: Михаил Сергеевич Левтонов (RU); Михаил Сергеевич Левтонов; Алексей Владимирович Братищев (RU); Алексей Владимирович Братищев
Original assignee: Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-04-20

Abstract

FIELD: optics.

SUBSTANCE: projection display includes a light source, spatial light modulator, optical system, at least one reflector and screen. At least one reflector is made aspheric and has axial symmetry with possible compensation of image distortion. Optical system contains at least one cylindrical refracting optical element, which has at least one surface with non-circular profile, set by conic constant and coefficients at highest orders of coordinate on the surface

, where α_i - coefficients at highest orders, c - curvature at surface vertex, k - conic constant, and which is made with possible compensation of distortion and astigmatism, appearing in an image when passing the aspheric reflector. Light source is made with possible emission of light onto spatial light modulator. Spatial light modulator is made with possible insertion of information about image into radiation of source and redirection of emitted light through optical system and at least one aspheric symmetric reflector to screen.

EFFECT: increased efficiency.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области оптики и может использоваться при конструировании аппаратов проекционного типа, в частности проекционных дисплеев с малой толщиной и компенсацией дисторсии.The invention relates to the field of optics and can be used in the design of projection-type apparatuses, in particular projection displays with a small thickness and distortion compensation.

В настоящее время существуют проекционные дисплеи с компенсацией дисторсии, в которых изображение генерируют с помощью пространственного модулятора света, а затем увеличивают изображение посредством оптической проекционной системы для последующего проецирования изображения на проекционный экран большого размера. При этом при прохождении света через оптические элементы дисплея в изображении возникают искажения, которые в проекционных дисплеях компенсируют за счет введения дополнительных оптических элементов или модификации существующих.Currently, there are distortion-compensated projection displays in which an image is generated using a spatial light modulator and then enlarged by an optical projection system to subsequently project the image onto a large projection screen. In this case, when light passes through the optical elements of the display, distortions occur in the image, which are compensated in projection displays by introducing additional optical elements or modifying existing ones.

Например, в патенте США №6824274 [1] описан дисплей, который содержит источник света, модулятор света, генерирующий изображение, экран и средства передачи света от источника к экрану, кроме того, дисплей содержит отражатель, отражающий свет на экран, и оптическую систему, содержащую преломляющий оптический элемент, проецирующий изображение на отражатель, причем отражатель и преломляющий оптический элемент являются асферическими и выполнены с возможностью компенсации дисторсии.For example, US Pat. No. 6,824,274 [1] describes a display that includes a light source, a light modulator that generates an image, a screen and means for transmitting light from the source to the screen, in addition, the display includes a reflector reflecting light onto the screen, and an optical system, comprising a refractive optical element projecting an image onto a reflector, the reflector and the refracting optical element being aspherical and configured to compensate for distortion.

В опубликованной заявке на патент США №20050174545 [2] описывается устройство дисплея с осесимметричными преломляющими оптическими элементами и полиномиальным отражателем без осевой симметрии.US Published Patent Application No. 20050174545 [2] describes a display device with axisymmetric refractive optical elements and a polynomial reflector without axial symmetry.

Наиболее близким к заявленному изобретению является дисплей (см. патент США №6631994) [3], который включает в себя источник света, модулятор света, оптическую систему, содержащую преломляющие оптические элементы, выпуклый отражатель и экран. Преломляющая часть оптической системы направляет прошедший через модулятор свет источника на отражатель, который отражает свет на экран, при этом она вносит бочкообразную дисторсию света источника, компенсируя подушкообразную дисторсию, которая возникает в изображении при прохождении отражателя. Данный дисплей выбран в качестве прототипа заявленного изобретения.Closest to the claimed invention is a display (see US patent No. 6631994) [3], which includes a light source, a light modulator, an optical system containing refractive optical elements, a convex reflector and a screen. The refractive part of the optical system directs the light of the source transmitted through the modulator to the reflector, which reflects the light onto the screen, while it introduces a barrel-shaped distortion of the source light, compensating for the cushion-like distortion that occurs in the image when the reflector passes. This display is selected as a prototype of the claimed invention.

Недостатки описанных выше аналога [2] и прототипа [3] состоят в следующем. В оптической системе используются только осесимметричные центрированные оптические элементы, что ограничивает возможности корректировки неосесимметричных аберраций и, главным образом, астигматизма, хотя эти возможности можно было бы использовать для уменьшения габаритов системы. В прототипе [3] используется только одна из таких возможностей, а именно, децентрировка пространственного модулятора света, что фактически эквивалентно увеличению линейного поля предметов в несколько раз (объектив будет качественно работать для всего поля, описанного вокруг пространственного модулятора света с центром на оси объектива). При этом усложняется конструкция объектива, и не используется возможность сократить эффективное поле предметов.The disadvantages of the above analogue [2] and prototype [3] are as follows. Only axisymmetric centered optical elements are used in the optical system, which limits the possibility of correcting non-axisymmetric aberrations and, mainly, astigmatism, although these possibilities could be used to reduce the dimensions of the system. In the prototype [3], only one of these possibilities is used, namely, decentration of the spatial light modulator, which is actually equivalent to increasing the linear field of objects by several times (the lens will work qualitatively for the entire field described around the spatial light modulator centered on the axis of the lens) . In this case, the design of the lens is complicated, and the opportunity to reduce the effective field of objects is not used.

Задачей заявляемого изобретения является создание проекционного дисплея с упрощенной конструкцией и уменьшенными габаритами, которая бы позволила значительно снизить себестоимость дисплея при сохранении высокого качества изображения в пределах необходимого эффективного поля.The objective of the invention is the creation of a projection display with a simplified design and reduced dimensions, which would significantly reduce the cost of the display while maintaining high image quality within the required effective field.

Поставленная задача решена путем создания проекционного дисплея, который включает в себя источник света, пространственный модулятор света, оптическую систему, по меньшей мере, один отражатель и экран, причемThe problem is solved by creating a projection display, which includes a light source, a spatial light modulator, an optical system, at least one reflector and a screen, and

- по меньшей мере, один отражатель выполнен асферическим и имеет осевую симметрию с возможностью компенсации дисторсии изображения,- at least one reflector is aspherical and has axial symmetry with the ability to compensate for image distortion,

- оптическая система содержит, по меньшей мере, один цилиндрический преломляющий оптический элемент, который имеет, по меньшей мере, одну поверхность с некруговым профилем, задаваемую конической постоянной и коэффициентами при высших степенях координаты на поверхности- the optical system contains at least one cylindrical refracting optical element, which has at least one surface with a non-circular profile defined by a conical constant and coefficients at higher degrees of coordinate on the surface

где α_i - коэффициенты при высших порядках,where α _i are the coefficients for higher orders,

с - кривизна при вершине поверхности,c is the curvature at the top of the surface,

k - коническая постоянная,k is the conical constant

и который также выполнен с возможностью компенсации дисторсии и астигматизма, возникающих в изображении при прохождении асферического отражателя;and which is also configured to compensate for distortion and astigmatism arising in the image when passing through an aspherical reflector;

- источник света выполнен с возможностью излучения света на пространственный модулятор света;- the light source is configured to emit light on a spatial light modulator;

- пространственный модулятор света выполнен с возможностью внесения информации об изображении в свет источника и направления света через оптическую систему и, по меньшей мере, через один асферический симметричный отражатель на экран.- spatial light modulator is configured to enter information about the image into the light of the source and the direction of the light through the optical system and at least one aspherical symmetric reflector on the screen.

Для функционирования проекционного дисплея важно, чтобы максимальная оптическая сила цилиндрических оптических элементов была меньше максимальной оптической силы преломляющих оптических элементов с осевой симметрией.For the projection display to function, it is important that the maximum optical power of the cylindrical optical elements is less than the maximum optical power of the refractive optical elements with axial symmetry.

В целом, техническим результатом заявленного изобретения является упрощение и миниатюризация конструкции, а также снижение себестоимости дисплея при сохранении высокого качества изображения за счет применения симметричного асферического отражателя и, по меньшей мере, одного цилиндрического преломляющего оптического элемента в оптической системе дисплея для компенсации неосесимметричных аберраций и астигматизма, возникающих при децентрировке и/или наклоне оптических элементов и при использовании симметричных оптических элементов в широком диапазоне углов падения лучей на оптические элементы.In General, the technical result of the claimed invention is the simplification and miniaturization of the design, as well as reducing the cost of the display while maintaining high image quality through the use of a symmetric aspherical reflector and at least one cylindrical refractive optical element in the optical display system to compensate for axisymmetric aberrations and astigmatism arising from the decentration and / or tilt of the optical elements and when using symmetrical optical elements in a wide range of angles of incidence of rays on the optical elements.

Для лучшего понимания настоящего изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.For a better understanding of the present invention, the following is a detailed description thereof with corresponding drawings.

Фиг.1 - схема проекционного дисплея, выполненная согласно изобретению.Figure 1 - diagram of a projection display made according to the invention.

Фиг.2 - схема заготовки для изготовления асферического. симметричного отражателя, выполненная согласно изобретению.Figure 2 - diagram of the workpiece for the manufacture of aspherical. symmetric reflector made according to the invention.

Рассмотрим вариант заявленного проекционного дисплея с одним отражателем.Consider a variant of the claimed projection display with a single reflector.

Проекционный дисплей включает в себя источник 1 света, пространственный модулятор 2 света, оптическую систему 3, содержащую, по меньшей мере, один цилиндрический преломляющий элемент 4, один отражатель 5 и экран 6.The projection display includes a light source 1, a spatial light modulator 2, an optical system 3, comprising at least one cylindrical refractive element 4, one reflector 5 and a screen 6.

Система работает следующим образом. Источник 1 света излучает свет на пространственный модулятор 2. Пространственный модулятор 2 вносит в излучение источника 1 информацию об изображении и направляет излученный свет в оптическую систему 3, снабженную, по меньшей мере, одним цилиндрическим преломляющим элементом, после прохождения оптической системы 3 свет отражается от отражателя 5 и проецируется на экран 6.The system operates as follows. The light source 1 emits light to the spatial modulator 2. The spatial modulator 2 introduces image information into the radiation of the source 1 and directs the emitted light to the optical system 3, equipped with at least one cylindrical refractive element, after the optical system 3 passes, the light is reflected from the reflector 5 and is projected onto screen 6.

Отражатель 5 выполнен асферическим, с осевой симметрией. Использование асферического отражателя 5 с осевой симметрией позволяет удешевить и упростить процесс изготовления отражателя за счет возможности изготовления более одного отражателя 5 из одной заготовки 7 (Фиг.2). А именно, из одной заготовки 7 с осевой симметрией вырезают несколько отражателей 5 вдоль радиальных направлений заготовки 7.The reflector 5 is made aspherical, with axial symmetry. The use of an aspherical reflector 5 with axial symmetry makes it possible to reduce the cost and simplify the manufacturing process of the reflector due to the possibility of manufacturing more than one reflector 5 from one blank 7 (Figure 2). Namely, from one blank 7 with axial symmetry, several reflectors 5 are cut along the radial directions of the blank 7.

Для компенсации астигматизма, возникающего при прохождении света через широкоугольную оптическую систему, а также дисторсии, возникающей в изображении при прохождении асферического симметричного отражателя 5, оптическая система 3 содержит, по меньшей мере, один цилиндрический преломляющий оптический элемент 4, который имеет, по меньшей мере, одну поверхность с некруговым профилем, задаваемую конической постоянной и коэффициентами при высших степенях координаты на поверхности.To compensate for the astigmatism that occurs when light passes through a wide-angle optical system, as well as the distortion that arises in the image when an aspherical symmetric reflector 5 passes, the optical system 3 contains at least one cylindrical refractive optical element 4, which has at least one surface with a non-circular profile defined by a conic constant and coefficients at higher degrees of coordinate on the surface.

с - кривизна при вершине,c is the curvature at the vertex,

k - коническая постоянная.k is the conical constant.

Максимальная оптическая сила цилиндрических оптических элементов 6 меньше максимальной оптической силы преломляющих оптических элементов с осевой симметрией. Таким образом, обеспечивается эффективность использования цилиндрического элемента как компенсатора аберраций, а не как силового оптического элемента. Как известно, астигматизм в изображение привносится из-за разной кривизны поверхности для перпендикулярных сечений пучка (обычно используются сечения, параллельные плоскостям XOZ и YOZ). Наиболее критичен астигматизм при использовании оптических элементов в широком диапазоне высот и углов лучей, что является обычным для широкоугольных проекционных систем. Ограниченность использования цилиндрических элементов в ранних оптических системах объясняется усложненной технологией по сравнению со сферическими оптическими элементами, однако при использовании несилового (компенсирующего) цилиндрического элемента возможно массовое производство методом литья или штамповкой из различных материалов.The maximum optical power of the cylindrical optical elements 6 is less than the maximum optical power of the refractive optical elements with axial symmetry. Thus, the efficiency of using the cylindrical element as a compensator for aberrations, and not as a power optical element, is ensured. As you know, astigmatism is introduced into the image because of different surface curvatures for perpendicular beam sections (usually sections parallel to the XOZ and YOZ planes are used). Astigmatism is most critical when using optical elements in a wide range of heights and beam angles, which is common for wide-angle projection systems. The limited use of cylindrical elements in early optical systems is explained by sophisticated technology compared to spherical optical elements, however, when using a non-force (compensating) cylindrical element, mass production by casting or stamping from various materials is possible.

Существует два типа аберраций: позиционные аберрации (например, дисторсия) и аберрации, влияющие на качество (размытие) изображения (сферическая, астигматизм и другие). Если речь идет про второй тип аберраций, то полиномиальный отражатель добавляет значительный астигматизм в лучи, идущие от преломляющей части оптической системы. Этот астигматизм не имеет осевой симметрии по полю из-за общей формы уравнения полиномиального отражателя. В результате необходимо большое число оптических поверхностей для компенсации аберраций, внесенных отражателем. Однако положительный эффект от использования несимметричной формы заключается в добавлении несимметричной кривизны поля и коррекции дисторсий.There are two types of aberrations: positional aberrations (for example, distortion) and aberrations that affect the quality (blur) of the image (spherical, astigmatism, and others). If we are talking about the second type of aberration, then the polynomial reflector adds significant astigmatism to the rays coming from the refracting part of the optical system. This astigmatism does not have axial symmetry in the field due to the general form of the polynomial reflector equation. As a result, a large number of optical surfaces are needed to compensate for the aberrations introduced by the reflector. However, the positive effect of using an asymmetric shape is to add asymmetric field curvature and distortion correction.

В настоящем изобретении вместо трудноизготовимого полиномиального отражателя используют пару более простых элементов: преломляющую цилиндрическую линзу и отражатель, имеющий симметрию вращения, внеосевую часть которого используют для формирования изображения.In the present invention, instead of a difficult to produce polynomial reflector, a couple of simpler elements are used: a refracting cylindrical lens and a reflector having rotation symmetry, the off-axis part of which is used for image formation.

Заявленное изобретение описывает проекционный дисплей со значительным угловым полем в пространстве изображений, проецирующий изображение на экран и имеющий части из преломляющих оптических элементов и отражающих оптических элементов.The claimed invention describes a projection display with a significant angular field in the image space, projecting an image onto a screen and having parts of refractive optical elements and reflective optical elements.

Заявленное изобретение описывает проекционный дисплей, включающий в себя оптическую систему, которая выполнена с возможностью компенсации дисторсии и астигматизма в изображении, используя свойства асферических линз для получения изображения более высокого качества.The claimed invention describes a projection display, including an optical system that is configured to compensate for distortion and astigmatism in the image, using the properties of aspherical lenses to obtain a higher quality image.

Одновременное использование преломляющего цилиндрического элемента с отражателем, имеющим осевую симметрию, позволяет упростить оптическую схему заявленного дисплея по сравнению с существующими оптическими системами, в которых используют либо отражатели с несимметричным полиномиальным профилем, либо только осесимметричные оптические элементы.The simultaneous use of a refractive cylindrical element with a reflector having axial symmetry makes it possible to simplify the optical design of the claimed display in comparison with existing optical systems that use either reflectors with an asymmetric polynomial profile or only axisymmetric optical elements.

Следует отметить, что указанный выше вариант выполнения изобретения описан с целью иллюстрации, настоящего изобретения, и специалистам понятно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в описании и в прилагаемой формуле изобретения.It should be noted that the above embodiment has been described for the purpose of illustrating the present invention, and it will be appreciated by those skilled in the art that various modifications, additions and substitutions are possible without departing from the scope and meaning of the present invention disclosed in the description and in the attached claims.

Claims

1. A projection display, including a light source, a spatial light modulator, an optical system, at least one reflector and a screen, moreover,

at least one reflector is aspherical and has axial symmetry with the ability to compensate for image distortion,

the optical system contains at least one cylindrical refracting optical element, which has at least one surface with a non-circular profile defined by a conical constant and coefficients at higher degrees of coordinate on the surface

where α _i are the coefficients at higher orders;

c is the curvature at the top of the surface;

k is the conical constant

and which is configured to compensate for distortion and astigmatism arising in the image when passing through an aspherical reflector;

the light source is configured to emit light on a spatial light modulator;

the spatial light modulator is configured to introduce image information into the source radiation and the direction of the emitted light through the optical system and at least one aspherical symmetric reflector on the screen.

2. The projection display according to claim 1, characterized in that the maximum optical power of the cylindrical optical elements is less than the maximum optical power of the refractive optical elements with axial symmetry.