Основные требования и принципы построения светооптических систем для киновидеопроекции

Светооптические системы киновидеопроекторов предназначены для получения на экране действительных увеличенных изображений последовательно проецируемых кадров. Светооптическая система представляет собой единую центрированную осветительную и оптическую систему. Для получения высококачественного изображения к таким системам предъявляют следующие требования:

- достаточная резкость изображения по всему рабочему полю экрана;

- большая яркость и ее равномерность по полю экрана;

- отсутствие визуально воспринимаемых искажений цветопередачи;

- высокий контраст изображения;

- высокая энергетическая эффективность, определяемая световой отдачей источника света;

- эффективное использование излучения источника света и уменьшение потерь света в светооптической системе;

- простота конструкции, обслуживания и надежность работы (сохранение показателей в процессе работы).

Конкретные параметры указанных требований приведены в спецификации цифрового кинематографа (DCSS) и представлены в [1,2 ].

В зависимости от характера проецируемых предметов, светооптические системы и получаемые проекции разделяют на два вида: диаскопические и эпископические [3].

Диаскопической проекцией называется проекция, образованная лучами света, проходящими сквозь предмет (в проходящем свете).

Эпископической проекцией называется проекция непрозрачного предмета, образованная лучами света, отраженными от предмета (в отраженном свете).

Кроме того, осветительные системы по их оптическим схемам можно разделить на три основных типа:

1. Диоптрические (конденсорные), содержащие преломляющие оптические поверхности сферической или асферической формы.

2. Катоптрические, содержащие отражающие (зеркальные) элементы сферического или более сложного профиля.

3. Катодиоптрические, содержащие как зеркальные так и линзовые компоненты.

Рациональность применения светооптической системы того или иного типа определяется технологией проецирования цветного видеоизображения на внешний экран. В частности, проекция в проходящем свете (диаскопическая) используется в видеопроекторах с ЖК-матрицами, работающими на просвет (LCD-видеопроекторы) и в пленочных кинопроекторах.

В этом случае наибольшее распространение получили две принципиальные схемы построения осветительных систем [4].

В первой из них осветительная система образует изображение источника света в плоскости входного зрачка проекционного объектива (рисунок 1.1). Эта схема применяется если яркость источника света резко неравномерна по его площади, а также если размеры светящегося тела источника малы и попытка его изобразить в плоскости ЖК-матрицы приводит к большим увеличениям осветительной системы и, следовательно, к неприемлемо большим габаритам последней.

Во второй схеме осветительная система образует изображение источника света в плоскости ЖК-матрицы (рисунок 1.2)

Рисунок 1.1 - Принципиальная оптическая схема осветителя, изображающего источник света во входной зрачок объектива

Данная схема применяется, если яркость святящегося тела достаточно равномерна в пределах той его части, которая изображается в плоскости ЖК-матрицы.

Рисунок 1.2 - Принципиальная оптическая схема осветителя, изображающего источник света в плоскости проецируемого кадра (ЖК-матрицы)

В обеих схемах через каждую точку ЖК-матрицы (как в ее центре, так и на краю) проходят пучки лучей, заполняющие зрачок объектива, но в первом случае каждая точка матрицы просвечивается пучком лучей, исходящих из всех точек светящегося тела, а во втором случае – лишь из соответствующей оптически сопряженной точки источника света.

Однако приведенные схемы являются идеализированными и на практике они в точности не реализуются. Обычно изображение источника света располагается между ЖК-матрицей и входным зрачком проекционного объектива – вблизи зрачка в первых схемах или вблизи ЖК-матрицы – во вторых. Кроме того, обе схемы имеют принципиальный недостаток: для заполнения светом входного зрачка проекционного объектива должны быть увеличены поперечные размеры осветительной системы (если ЖК-матрица не совмещена с плоскостью выходного зрачка осветительной системы) по сравнению с теми ее размерами, которые соответствуют углу охвата осветителя 2U_охв. Это конструктивное условие иногда может быть выполнено, если не полностью, то частично (при некотором виньетировании лучей наклонных пучков) в системах с конденсорами увеличенного диаметра. Однако данное условие оказывается абсолютно невыполнимым в осветительных системах больших габаритов. Очевидно также, что можно сохранить поперечные размеры осветительной системы соответственно ее углу охвата (2U_охв), но при этом будет иметь место виньетирование проекционным объективом пучков лучей, проходящих через точку ЖК-матрицы, смещенную с оптической оси.

Избежать последнего возможно, применяя проекционный объектив, имеющий заведомо большее относительное отверстие, чем то, которое соответствует апертуре U_об пучков лучей, выходящих из осветителя и проходящих через центральную точку ЖК-матрицы, расположенную на оптической оси системы. Это требование также не всегда может быть удовлетворено полностью, что, следовательно, опять же приводит к остаточному виньетированию пучков лучей, просвечивающих крайние точки матрицы.

Устранить указанные недостатки можно путем некоторого усложнения осветительной системы – введя в нее дополнительную линзу, а именно [4]:

- в первой схеме (рисунок 1.1) плоскость ЖК-матрицы должна быть совмещена с плоскостью выходного зрачка осветителя, что может быть достигнуто в результате введения специальной дополнительной линзы-реле, сопрягающей эти две плоскости (рисунок. 1.3);

- во второй схеме (рисунок 1.2) плоскость выходного зрачка конденсора должна быть оптически сопряжена с плоскостью входного зрачка проекционного объектива, что может быть обеспечено введением дополнительной прикадровой линзы-коллектива (рисунок 1.4).

Рисунок 1.3 - Оптическая схема осветителя, изображающего источник света, во входной зрачок объектива при оптическом сопряжении выходного зрачка конденсора с плоскостью ЖК-матрицы

Рисунок 1.4 - Оптическая схема осветителя, изображающего источник света в плоскости ЖК-матрицы при оптическом сопряжении зрачков конденсора и объектива

Таким образом, обеспечивается полное устранение виньетирования наклонных пучков без дополнительного увеличения при этом диаметров линз осветителя или проекционного объектива. Такие системы целесообразно применять в тех случаях, когда видеопроекторы имеют сравнительно большие углы поля зрения и, следовательно, когда применение более простых систем приводит к недопустимо большому снижению освещенности на краю экрана вследствие виньетирования.

Светооптические системы для проекции в отраженном свете (эпископическая проекция) применяются в проекторах типа ILA, D-ILA и DLP. Оптические схемы таких систем также могут быть диоптрическими, катоптрическими или катодиоптрическими, к которым предъявляются требования, рассмотренные выше. На рисунке 1.5 показана оптическая схема проекционной системы в отраженном свете. Непрозрачный плоский предмет 1 (ЖК- или DMD-матрица)освещается осветительной системой, включающей лампу 2, отражатель 3 и конденсор 4. Лучи света, отраженные поверхностью предмета, направляются на зеркало 5 и через объектив 6 – на экран.

Рисунок 1.5 - Оптическая схема проекционной системы в отраженном свете

Таким образом, возможность и целесообразность применения той или иной схемы осветительно-проекционной системы зависит от технологии и ряда других условий проекции и прежде всего от свойств источника света, относительных размеров ЖК- или DMD-матрицы, размеров освещаемого проекционного экрана, а следовательно, необходимой световой мощности видеопроектора и т.п.