Пути повышения световой эффективности киновидеопроекционных систем

Величина полезного светового потока киновидеопроектора в значительной степени зависит от характеристик отдельных элементов светооптической проекционной системы. Основной характеристикой такой системы, после выбора источника света, является входная апертура. При построении светооптических систем наибольшее распространение получили зеркальные, линзовые и зеркально-линзовые оптические системы.

Малые габариты линзовых систем и достижение ими наиболее высокой равномерности освещенности проекционного изображения являются основными причинами их широкого распространения, хотя угол охвата линзовой системы значительно уступает углу охвата зеркальной.

Увеличение угла охвата линзового конденсора является основной проблемой, тормозящей повышение полезного светового потока киновидеопроектора.

В проекционных системах используются различные типы линзовых конденсоров. Количество и форма линз конденсора выбираются исходя из требуемого увеличения и угла охвата, величина которого ограничивается быстро возвращающими аберрациями лучей широкого осевого пучка - сферической аберрации, комы и хроматизма.

Простейший однолинзовый конденсор, состоящий из преломляющих поверхностей сферической формы, рассчитанный на минимум сферической аберрации, может иметь углы охвата 25-30º. Переход к двухлинзовым системам позволяет повысить угол охвата до 50º, а иногда и до 60º - при пониженных требованиях к концентрации лучей линзовой системой. Для повышения углов охвата до 70-75º (а при пониженных требованиях к допустимым размерам кружков рассеяния лучей из-за сферической аберрации – до 80-90º) применяют трехлинзовые конденсорные системы.

При повышенных требованиях к концентрации пучков лучей конденсорной системой для достижения углов охвата около 90º применяют четырехлинзовую систему.

В зависимости от увеличения конденсора используются системы линз, имеющие различные кривизны преломляющих поверхностей. Например, конденсор из двух одинаковых плоско-выпуклых линз наиболее рационален для увеличений от -1 до -3; двухлинзовый конденсор, линзы которого рассчитаны на минимум сферической аберрации, рационален для увеличений от -4 до -10; конденсор, у которого первая линза менисковая – апланатическая, а вторая имеет плоско-выпуклую форму, применяется при очень больших увеличениях от -10 до -15.

Трехлинзовый конденсор, состоящий из двух плоско-выпуклых линз и апланатического мениска наиболее рационален для увеличений от -1,5 до -5.

Четырехлинзовые системы с двумя апланатическими менисками обеспечивают увеличение от -2 до -6.

Иногда в светооптических линзовых системах применяют дополнительный рефлектор в виде сферического зеркала, в центре которого расположен источник света. Это позволяет несколько увеличить (на 15-20 %) габаритную яркость источника света и повысить равномерность ее распределения, но усложняет конструкцию и увеличивает габариты светооптической системы.

В настоящее время в киновидеопроекторах сравнительно небольшой мощности преимущественно применяют двух и трехлинзовые светооптические системы. На рисунке 1.6 показаны типичные схемы построения таких систем.

а)

б)

Рисунок 1.6 – Светооптические системы с двухлинзовым (а) и

трехлинзовым (б) конденсором

Увеличить угол охвата (входную апертуру) оптической линзовой системы, а следовательно и световой поток киновидеопроектора, можно за счет использования конденсоров с асферическими или френелевскими линзами. Угол охвата таких конденсоров может достигать 100-110º.

До недавнего времени применение асферических и френелевских линз ограничивалось трудностями их расчета и изготовления. Появление современных оптических технологий позволяет разрабатывать высокоэффективные светооптические системы для киновидеопроекторов.

В светооптических осветительных системах не предъявляют больших требований к качеству изображения так как главное, чтобы лучи, падающие от источника света, концентрировались конденсором внутри площадки кадрового окна или модулирующей матрицы и попадали во входной зрачок проекционного объектива. Поэтому при расчете линз конденсора необходимо минимизировать только поперечную сферическую аберрацию и связанные с ней световые потери. На рисунке 1.7,а показан обычный трехлинзовый конденсор с углом охвата порядка 70-80º, строящий изображение излучающей площадки источника света во входной зрачок проекционного объектива. Как видно из рисунка, лучи от краев излучающей площадки (показаны пунктирной линией) виньетируются оправой объектива, что приводит к уменьшению светового потока.

а)

б)

Рисунок 1.7 – Схемы трехлинзовых конденсоров: а – конденсор со сферическими линзами; б – конденсор с асферическими линзами

При введении в конденсор асферических поверхностей (рисунок 1.7,б) угол охвата превышает 100º, при этом уменьшается световой диаметр, а следовательно и габариты конденсора. Главной особенностью этого конденсора является то, что асферические поверхности рассчитаны исходя из заданных величин продольных сферических аберраций. Вследствие этого, лучи выходящие из центра излучающей площадки источника света, в пространстве изображения пересекаются с оптической осью на разных расстояниях. Поэтому во входной зрачок проекционного объектива попадают световые лучи от краев излучающей площадки, обеспечивая более полное использование светового потока от источника света.

В двухлинзовом асферическом конденсоре с эллипсоидными поверхностями 2, 3 и 4 линз (рисунок 1.8) и углом охвата 110º применен зеркальный рефлектор с большим углом охвата (250º) для использования эффекта повышения габаритной яркости источника света. Исследования, выполненные в работе [5] показали, что габаритная яркость источника света увеличивается примерно на 40 %, при сравнительно небольшой её равномерности для источников света с дискретным распределением яркости от центра к краям излучающей площадки. Для повышения равномерности освещенности и уменьшения световых потерь на кадровом окне (или модулирующей матрице) установлен оптический световод прямоугольного сечения с размерами равными размерам проецируемого кадра.

Рисунок 1.8 – Схема двухлинзового асферического конденсора с зеркальным рефлектором и оптическим световодом

С целью уменьшения световых потерь на кадровом окне в светооптической системе (рисунок 1.9) с асферической линзой и зеркальным рефлектором используется цилиндрическая линза, которая в двух взаимноперпендикулярных плоскостях обладает различными оптическими свойствами [6]. В одной плоскости её действие аналогично действию плоскопараллельной пластинки, а в другой – сферической линзы. За счет этого, размеры поперечного сечения светового пучка создаваемого светооптической системой могут быть согласованы с размерами проецируемого кадра.

Рисунок 1.9 – Схема светооптической системы с асферической линзой, зеркальным отражателем и цилиндрической линзой

Для достижения максимального эффекта от применения асферических поверхностей в работе [5] была рассчитана двухлинзовая конденсорная система с углом охвата 140º, приведенная на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 – Двухлинзовый асферический конденсор

с углом охвата 140º

Из построения хода лучей в этой системе и их анализа указывается, что толщина асферической линзы чрезмерно возрастает (более 45 мм), лучи из точки на оси выходят из линзы под разными углами, так как первая поверхность нарушает их гомоцентричность. В результате этого расходящийся от эллиптической поверхности пучок света требует увеличения светового диаметра второй линзы до 100 мм (на рисунке 1.10 показано штриховой линией), хотя по расчету этот диаметр получается значительно меньше (70 мм). Объясняется это тем, что крайний луч на оси выходит из первой линзы параллельно оптической оси в соответствии с поставленной задачей расчетов. При этом, если захватить второй линзой весь световой пучок от первой линзы, то выходная апертура увеличится, что потребует третьей рассеивающей линзы (штриховые линии на рисунке 1.10). Вследствие того что при больших углах охвата асферические линзы имеют большую толщину, возрастают потери света за счет френелевских отражений от криволинейных поверхностей и поглощения в материале самой линзы, которые, при углах охвата 110-140º превышают 35%.

Недостатки асферических линз можно в некоторой степени устранить за счет применения френелевских линз. Линза Френеля имеет сравнительно большой угол охвата (до 90º и более) при толщине, всего в несколько миллиметров.

На рисунке 1.11 показана схема светооптической системы с линзами Френеля.

Рисунок 1.11 – Светооптическая система с линзами Френеля

Ступенчатые элементы 6 и 8 френелевских линз 3 и 4 представляют собой тороидальные или конические поверхности, рассчитанные с учетом допустимых сферических аберраций в пределах входной апертуры системы. Введение в оптическую систему прикадровой линзы 5 позволяет обеспечить оптическое сопряжение выходного зрачка светооптической системы с входным зрачком проекционного объектива при изображении источника света в плоскость проецируемого кадра 7. Использование подобных светооптических систем позволяет не только уменьшить их габариты, но и увеличить световую эффективность киновидеопроектора, а также несколько повысить равномерность освещенности проецируемого изображения.

Зеркальные и зеркально-линзовые светооптические системы имеют значительно больший угол охвата, чем линзовые. В качестве зеркальных конденсоров могут использоваться отражатели различной формы: сферические, параболические, эллипсоидные, комбинированные.

Для сравнительного анализа световой эффективности зеркальных и зеркально-линзовых конденсоров рассмотрим различные схемы их построения для киновидеопроекционных систем.

Сферические и параболические зеркальные отражатели, изображающие источник света в плоскости проецируемого кадра, обеспечивают угол охвата в пределах 110-140º при приемлемых диаметрах, но имеют большие сферические аберрации и потери светового потока. Более высокую световую эффективность имеет эллипсоидный зеркальный отражатель, в первом фокусе которого устанавливается источник света, а во втором – проецируемый кадр. Эффективность эллипсоидных отражателей зависит от типа источника света и способа его установки относительно оптической оси.

На рисунке 1.12 приведена схема светооптической системы с эллипсоидным зеркальным отражателем и источником света, расположенным вертикально к оптической оси.

Рисунок 1.12 – Светооптическая система с эллипсоидным отражателем и дополнительным контротражателем

В этом случае, угол охвата эллипсоидного отражателя не превышает 180º. Для повышения световой эффективности со стороны кадрового окна установлен дополнительный сферический контротражатель. Кроме того, с целью повышения равномерности освещенности изображения в горизонтальном сечении, отражатель разрезан по вертикальному диаметру, и его половинки развернуты по горизонтали на угол 24´. Изображения источника света, даваемые каждой половиной отражателя позволяют более равномерно заполнить световым потоком проецируемый кадр.

Расположение источника света вдоль оптической оси позволяет увеличить угол охвата «глубокого» эллипсоидного отражателя до 220-240º (рисунок 1.13) и собрать больше световых лучей от источника света.

Рисунок 1.13 – Светооптическая система с эллипсоидным отражателем и горизонтальным расположением источника света: 1 - источник света; 2 – эллипсоидный отражатель; 3 - проецируемый кадр; 4 – объектив

Недостатком эллипсоидных отражателей является большое изменение кратности увеличения в зависимости от отношения радиусов эллипса, что вызывает рассеяние светового потока в плоскости проецируемого кадра и, как следствие этого, снижение светового потока киновидеопроектора.

Возможность полезного использования светового потока, сосредоточенного на второй фокальной плоскости эллипсоидного отражателя (в плоскости проецируемого кадра), в основном зависит от размеров светового пятна. Равномерность освещенности светового пятна и величина угла наклона крайних лучей U (рисунок 1.13), падающих на вторую фокальную плоскость от эллипсоидного отражателя, также определяют возможность полезного использования его в осветительной системе. Эти величины в свою очередь зависят от эксцентриситета эллипсоида. По мере уменьшения эксцентриситета уменьшается угол охвата φ эллипсоидного отражателя. Например, для эллипсоида с экцентриситетом, равным 0,3, угол φ не может быть практически больше 90º.

С другой стороны, чем больше эксцентриситет эллипса, тем меньше величина угла U при одинаковых углах φ.

Таким образом, с точки зрения увеличения угла охвата выгодно применять эллипсоиды с большими значениями их эксцентриситетов, а для уменьшения величины светового пятна во второй фокальной плоскости, наоборот, надо применять эллипсоидные отражатели с малыми значениями эксцентриситетов. Следовательно, увеличение угла охвата эллипсоидного отражателя ограничивается увеличением диаметра светового пятна во второй фокальной плоскости, а неравномерность освещенности возрастает с увеличением эксцентриситета и угла охвата отражателя.

Величина угла U, являющегося выходной апертурой эллипсоидного отражателя, определяет количество светового потока, проходящего через выходной зрачок проекционного объектива. При этом необходимо, чтобы выполнялось условие U ≤ U´, где U´ - входная апертура проекционного объектива. В этом случае, все лучи падающие на вторую фокальную плоскость, пройдут через проекционный объектив и будут определять величину падающего на экран светового потока в зависимости от угла охвата φ эллипсоидного отражателя.

При больших углах охвата сплошного зеркального отражателя невозможно достигнуть высокой равномерности освещенности проецируемого кадра.

Поэтому, для повышения равномерности освещенности в некоторых светооптических системах используются следующие способы:

- растровое тиснение зеркальной поверхности отражателя (фацетные отражатели);

- применение растровых линз;

- применение световодов.

Фацетные отражатели состоят из плоских зеркальных пластин, выложенных обычно по эллипсоидному (или параболоидному) основанию. В настоящее время разработана технология изготовления отражателей, в которых роль фацетных (растровых) пластин выполняет тиснение непосредственно зеркальной поверхности отражателя (рисунок 1.14).

Рисунок 1.14 – Светооптическая система, состоящая из источника света 1 и фацетного отражателя 2

Существует принципиальная разница в образовании светового пучка сплошным и фацетным отражателем. Она обусловлена тем, что оптические свойства фацетного эллипсоидного отражателя представляют собой комбинацию оптических свойств эллипсоида и плоского зеркала.

В этом случае требования к равномерности освещенности и устранению пятнистости изображения, возникающей в сплошном отражателе при использовании источников света с неравномерной яркостью, зависят от количества, размеров и расположения отражающих фацетных пластин, что наряду с увеличением угла охвата отражателя повышает однородность светового пучка.

При этом достигается более полное попадание во входной зрачок проекционного объектива светового потока от различных зон отражателя и повышается равномерность освещенности светового пятна на второй фокальной плоскости, совпадающей с плоскостью проекцируемого кадра.

Второе требование выполняется за счет того, что каждая пластинка создает полное изображение светящегося тела, следовательно, изменение освещенности от каждой пластины будет таким же плавным, как непосредственно от источника света. В работе [2] приведена методика и пример расчета фацетного параболоидного отражателя.

С целью достижения равномерности освещенности проецируемого кадра могут быть использованы светооптические зеркальные системы с одной или двумя растровыми пластинами. Параметры каждой линзы растра подбираются таким образом, чтобы в плоскости проецируемого кадра световые пятна, формируемые каждой линзой, накладывались, перекрывая друг друга. Благодаря этому уменьшаются потери света на кадровом окне (или модулирующей матрице) и повышается равномерность освещенности кадра.

На рисунке 1.15 приведена схема светооптической системы, в которую входят: источник света 1; эллипсоидный отражатель 2 и растровая пластина 3.

Рисунок 1.15 Светооптическая система с одной растровой пластиной

На рисунке 1.16 показана светооптическая система, состоящая из источника света 1, эллипсоидного отражателя 2 с контротражателем 3 и двух растровых пластин 4 и 5, образующих сотовый конденсор. Каждая из линз растровой пластины 5 собирает световой поток на определенной линзе растра 4, причем эта линза в свою очередь изображает линзу растра 5 на проецируемом кадре 6.

Рисунок 1.16 – Светооптическая система с двумя растровыми пластинами

Линзы растровой пластины 5 имеют прямоугольную форму, которая геометрически подобна форме проецируемого кадра. Таким образом, на него накладывается множество изображений прямоугольных линз пластины 5 и при любом источнике света в плоскости проецируемого кадра образуется световое пятно прямоугольной формы.

Вследствие этого обеспечивается не только высокая равномерность освещенности проецируемого кадра, но и достаточно большая величина полезного светового потока проектора. Система не требует высокой точности установки источника света относительно отражателя и сотового конденсора. Более точно необходимо выдержать лишь расстояние между пластинами 4 и 5 конденсора и расстояние последнего от проецируемого кадра.

Для уменьшения выходной апертуры эллипсоидных отражателей с большими углами охвата предлагается использовать согласующий световод в виде усеченного конуса. На рисунке 1.17 приведена схема светооптической системы с согласующим световодом.

Рисунок 1.17 – Светооптическая система с согласующим

световодом

Световые лучи от источника света 1 собираются контротражателем 2 и эллипсоидным отражателем3, угол охвата которого начинается с φ ≈ 85º. Такой угол необходим, чтобы крайние лучи от контротражателя попали на эллипсоидное зеркало. Общий угол охвата зеркальной системы составляет порядка 240º, при большой выходной апертуре U. Следует отметить, что вместо рассмотренного довольно сложного зеркального конденсора более эффективно может быть использован один глубокий эллипсоидный отражатель с таким же углом охвата. Во второй фокальной плоскости F₂ эллипсоидного отражателя расположен входной торец световода 4. Световод имеет форму расширяющегося усеченного конуса, входной (малый) торец которого имеет форму квадрата, а выходной торец выполнен в виде прямоугольника с размерами, равными размерам проецируемого кадра.

Световые лучи от эллипсоидного отражателя, падающие на входной торец световода под большим углом U относительно оптической оси, после многократных внутренних отражений в световоде усредняются по интенсивности и выходят из него под углом U´, равным половине угла входной апертуры проекционного объектива.

Таким образом, использование эллипсоидного отражателя с большим углом охвата позволяет собрать больше световых лучей от источника света, а применение конического расширяющегося световода обеспечивает согласование параметров светооптической системы с параметрами проекционного объектива и размерами проецируемого кадра. В свою очередь, это позволяет увеличить световую эффективность проектора и несколько повысить равномерность освещенности проецируемого кадра.

В некоторых светооптических системах, для более полного охвата светового потока от источника света и повышения равномерности освещенности проецируемого кадра, используются зеркально-линзовые конденсоры. На рисунке 1.18 показана схема одного из вариантов построения зеркально-линзовой светооптической системы.

Рисунок 1.18 – Зеркально-линзовая светооптическая система

В такой системе излучающая площадка источника света 1 совмещена с первым фокусом эллипсоидного отражателя 3. Часть светового потока, не падающего на отражатель, захватывается линзой 2, а с тыльной стороны источника света – сферическим контротражателем 4. Линза 2 проецирует изображение излучающей площадки источника света на вторую фокальную плоскость F₂ эллипсоидного отражателя.

Для дальнейшего формирования светового потока используется асферическая линза 6, которая позволяет собрать световой поток, отраженный от зеркальной системы и направить его на сотовый конденсор, состоящий из двух растровых пластин А и Б (см. рисунок 1.16). Это делается с целью повышения равномерности освещенности проецируемого кадра.

Согласующая линза 5, установленная после сотового конденсора, позволяет снизить световые потери, связанные с виньетированием проекционным объективом.

Вместе с тем, рассмотренная светооптическая система имеет ряд недостатков. Угол охвата 2U_ол линзы, формирующей изображение излучающей площадки источника света, не может превышать 30º. В противном случае резко возрастают аберрации и связанные с ними потери света. При этом малая входная апертура линзы приводит к резкому возрастанию выходной апертуры эллипсоидного отражателя. Увеличение входной апертуры линзового конденсора возможно до 70-80º за счет использования двухлинзового асферического конденсора, но и в этом случае выходная апертура зеркальной зоны остается достаточно большой, что затрудняет полезное использование светового потока. Однако главным недостатком такой светооптической системы является неравномерность освещенности светового пятна на второй фокальной плоскости F₂, выравнивание которой при помощи растровой оптики приводит к существенным потерям светового потока.

Попытка снизить потери света вследствие экранирования лучей отраженных от основного отражателя контротражателем реализована в светооптической системе, показанной на рисунке 1.19.

Рисунок 1.19 – Зеркально-линзовая светооптическая система

с пятилинзовым конденсором

Здесь, по утверждению авторов, почти весь световой поток от источника света 1, расположенного в одном фокусе эллипсоидного отражателя 2 собирается в другом его фокусе, с которым совпадает отверстие контротражателя 3. Пятилинзовая кондернсорная система 4 с растровой пластинкой 5 согласовывает апертуру светового пучка расходящихся лучей от второго фокуса отражателя 2 с апертурой кинопроекционного объектива 6, обеспечивая при этом благодаря наличию растровой пластины достижение высокой равномерности оснащенности. Имеются также два теплофильтра 7 и 8 для задержки лучей инфракрасной области. Построение светооптических систем для видеопроекции имеет свои особенности и определяется в первую очередь технологией проецирования видеоизображения, количеством модулирующих матриц, используемых для формирования изображения и способом получения цветных изображений.

Среди разработанных на сегодняшний день технологий проецирования цветного видеоизображения на внешний экран наибольшее распространение получили три основные, различающиеся типом модулирующих матриц [7]:

- на базе жидкокристаллических (ЖК) матриц, работающих на просвет LCD (Liguid Crystal Display);

- на базе ЖК матриц, работающих на отражение D-ILA (Direct Drrive Image Light Amplifier);

- на базе микрозеркальных матриц DMD (Digital Micromirror Device) с цифровой обработкой света DLP (Digital Light Processing).

Количество модулирующих матриц может быть от одной до трех. При этом различают три способа получения цветных видеоизображений:

- с разделением цветов в пространстве;

- с разделением цветов во времени;

- с совмещением цветов во времени и пространстве.

В LCD видеопроекторах с одной ЖК матрицей наибольшее распространение получил способ разделения цветов в пространстве с использованием узкополосных интерференционных RGB-светофильтров. Коэффициенты пропускания τ таких светофильтров для длин волн: λ_R = 630-650 нм, λ_G = 520-530 нм, и λ_B = 430-460 нм приведены в работах [2,8,9] и составляют соответственно

Тогда общий коэффициент пропускания τ_ц будет равен

На рисунке 1.20 показана структура ЖК-матрицы, работающей на просвет, с пространственным разделением цветов.

Рисунок 1.20 - ЖК-матрица с пространственным разделением цветов

В случае разделения цветов во времени ЖК-матрица поочередно освещается источником света красного, зеленого и синего цветов. Для получения различных цветов чаще всего используется вращающийся диск с секторами разного цвета (R,G,B). При этом максимальная яркость изображения снижается примерно в три раза.

Добавление четверного прозрачного сектора позволяет, остановив вращение диска на нем, почти втрое увеличить световой поток видеопроектора при просмотре черно-белых изображений, что весьма полезно для специальных применений. При этом для сохранения нормальной насыщенности цветных изображений необходимо увеличить оптическую плотность цветных секторов, например, втрое при четырех одинаковых секторах по 90º. Другими словами, если каждый из трех цветных секторов обычного вращающегося диска имеет коэффициент пропускания светового потока 1/3, то при четырех одинаковых секторах с одним прозрачным он должен быть уменьшен до 1/9. Соответственно уменьшается яркость цветного изображения. Если, например, в четырехсекторном диске оптическую плотность цветных фильтров оставить такой же, как в трехсекторном, то относительный световой поток при показе белого поля с вращающимся диском увеличивается в 1,5 раза при уменьшении насыщенности цветного изображения на 25% [7].

Для уменьшения световых потерь на цветовых секторах фирма Texas Instruments разработала технологию SCR (Seguential Color Recapture), в которой применяется цветовой фильтр с последовательным вторичным использованием света. При этом в светооптической системе одноматричного DLP-проектора (рисунок 1.21) устанавливается дополнительный элемент – резонатор (в некоторых источниках его называют интегратором, световым туннелем или световодом).

Рисунок 1.21 - Оптическая схема DLP-видеопроектора с одной

DMD-матрицей: 1-источник света с отражателем; 2-ИК и УФ фильтры;

3-конденсор; 4-цветовой диск; 5-резонатор; 6-зеркало; 7-DMD матрица;

8-объектив

Цветовые сектора светофильтра имеют спиралевидную форму (рисунок 1.22) и выполнены из материалов, не поглощающих, а отражающих несовпадающее по цвету излучение. Таким образом, две трети падающего на цветовой светофильтр света возвращается в резонатор, пройдя через который свет частично попадает на лампу, а частично отражается от входного торца резонатора и снова направляется на светофильтр. В какой – то момент фотоны света, многократно отразившись от внутренних стенок резонатора, попадают на «свой» сектор, а затем и на матрицу DMD. Фактически этот узел заменяет процедуру поглощения света его преобразованием и позволяет не только уменьшить световые потери, но и несколько повысить равномерность освещенности.

Рисунок 1.22 - Фильтр со спиралевидными цветовыми секторами

Современные видеопроекторы, обеспечивающие высококачественное цветное изображение выпускаются в основном на базе трех модулирующих матриц. Для получения цветных RGB-изображений в этом случае используется способ совмещения цветов во времени и в пространстве.

Для того что бы разделить световой пучок на три, используется сложная оптическая система, состоящая из обычных и дихроических (интерференционных) зеркал. Полученные при делении световые RGB-пучки через систему зеркал попадают на цветокорректирующие светофильтры и далее на ЖК-матрицы. Сложение полученных после матриц трех цветных RGB изображений происходит в цветосмесительном призматическом кубе, через который сформированное полноцветное изображение попадает в проекционный объектив.

На рисунке 1.23 показана схема светооптической системы LCD-видеопроектора с тремя ЖК-матрицами. Полезный световой поток такого видеопроектора в значительной степени зависит от схемы построения цветоделительной системы и от параметров применяемых дихроических зеркал и интерференционных светофильтров.

В работе [2] выполнен расчет коэффициентов светопропускания различных вариантов построения цветоделительной системы с использованием четырех типов (а, б, в, г) дихроических светофильтров, характеристики которых (коэффициенты пропускания τ и отражения ρ) для различных длин волн приведены в работе [9]. Для рассмотренных трех вариантов (рисунок 1.24) построения цветоделительной RGB-системы получены следующие значения общего коэффициента пропускания τ_ц цветовых каналов: 0,32; 0,38;0,46.

Таким образом, третий вариант построения цветоделительной системы имеет коэффициент пропускания τ_ц = 0,46 и позволяет получить больший полезный световой поток видеопроектора.

Рисунок 1.23 - Оптическая схема LCD-проектора: 1-источник света с отражателем; 2-ИК и УФ фильтры; 3-конвертер поляризации; 4,5-дихроические зеркала; 6-обычные зеркала; 7-корректирующие цветофильтры; 8-ЖК-матрицы; 9-цветосмесительный куб; 10-объектив

Вследствие того, что ЖК-матрицы работают в линейно-поляризоваонном свете, на входных поляризаторах матриц (рисунок 1.20), пропускающих только полезную P-составляющую линейно-поляризованного светового потока и поглощающих (превращающих в тепло) ортогональную S-составляющую, теряется порядка 50% света. Поэтому в LCD- видеопроекторах с высокой световой эффективностью применяются конвертеры поляризации, например, PBS (Polarized Beam Splitter) в проекторах Sanyo, которые преобразуют теряемую в поляризаторе S-составляющую светового потока в полезную P-составляющую [10]. В этом случае коэффициент пропускания входного линейного поляризатора τ_п ≈ 0,9.

Устройство и принцип действия конвертера поляризации показаны на рисунке 1.25.

Наличие в ЖК-матрице непрозрачных элементов управляющей электроники, в частности тонкопленочных TFT-транзисторов и токопроводящих электродов, существенно уменьшают эффективную площадь матрицы, за счет этого на ЖК-матрице теряется порядка 30%света. Для повышения световой эффективности в некоторых случаях перед каждым ЖК-пикселом матрицы устанавливается микролинза.

В отражающих ЖК-матрицах, работающих по технологии видеопроекции D-ILA, управляющие ТFT-транзисторы и проводники не занимают светового пространства в ЖК-слое, так как расположены в подложке из кремния за ЖК-слоем и отражающими (зеркальными) электродами. Алюминиевые отражающие электроды, соответствующие каждому пикселу, размещены в виде матрицы X-Y с адресацией каждого пиксела. Поэтому вся поверхность, кроме изоляции между электродами пикселов, используется как отражающая поверхность, создавая очень высокое отношение апертуры. За счет этого можно увеличить разрешение и световую эффективность ЖК-матрицы, доведя общий коэффициент отражения матрицы на уровне белого до 95 % [7].

Рисунок 1.24 - Схемы построения цветоделительных систем 3LCD видеопроектора

Рисунок 1.25 - Принцип работы конвертера поляризации.

В DLP-видеопроекторах используются микрозеркальные матрицы DMD, работающие на отражение. Размер каждого зеркала составляет 14×14 мкм, а расстояние между ними не более 1 мкм. При этом отражающая поверхность всей DMD-матрицы составляет более 95%. Это позволяет получить высокую световую эффективность матрицы и большую яркость изображения.

На основании приведенного анализа способов повышения световой эффективности киновидеопроекционных систем можно сделать следующие выводы:

1. Величина полезного светового потока киновидеопроектора в значительной степени определяется входной апертурой (углом охвата) светооптической системы.

2. Малые габариты линзовых оптических систем и достижение ими наиболее высокой равномерности освещенности проецируемого кадра являются основными причинами их широкого распространения, даже при относительно небольших углах охвата.

3. Для увеличения угла охвата линзовой оптической системы предлагается использовать многолинзовые конденсоры, которые позволяют увеличить угол охвата светооптической системы до 90º. Однако, при больших углах охвата они имеют большие габариты и значительные потери света.

4. Применение линз с асферическими поверхностями позволяет увеличить угол охвата до 110-140º, но при этом резко возрастает их толщина и диаметр, а также световые потери, вызванные френелевскими отражениями и поглощением в самой линзе.

5. Недостатки асферических линз можно в некоторой степени устранить за счет использования френелевских линз, которые обеспечивают сравнительно большой угол охвата (90º и более) при толщине линзы всего в несколько миллиметров.

6. Зеркальные и зеркально-линзовые светооптические системы имеют большие углы охвата, величина которых определяется формой зеркального отражателя и зависит от типа источника света и способа его установки относительно оптической оси и отражателя.

7. Более высокую световую эффективность имеет эллипсоидный отражатель в первом фокусе которого установлен источник света, расположенный вдоль оптической оси, а во втором фокусе – проецируемый кадр. Это объясняется тем, что угол охвата такого отражателя достигает 240º и более и позволяет собрать больше световых лучей от источника света.

8. Недостатком эллипсоидных отражателей является большое изменение кратности увеличения в зависимости от угла охвата отражателя и его эксцентриситета. С одной стороны, по мере уменьшения эксцентриситета уменьшается угол охвата отражателя и его выходная апертура. С другой стороны, чем больше эксцентриситет эллипса, тем больше угол охвата и световой поток. Однако, при этом возрастает выходная апертура, что приводит к повышению неравномерности освещенности проецируемого кадра и необходимости введения дополнительных оптических элементов для её выравнивания и согласования выходной апертуры отражателя с параметрами проекционного объектива.

9. Для повышения равномерности освещенности проецируемого кадра могут быть использованы фацетные отражатели с растровым тиснением зеркальной поверхности, пластины с растровыми линзами, френелевские линзы или световоды.

10. Использование световодов и растровых линз определенной конфигурации позволяет не только повысить равномерность освещенности, но и согласовать параметры светооптической системы с размерами проецируемого объектива, а следовательно уменьшить световые потери.

11. Построение светооптических систем для видеопроекции имеет свои особенности и определяется в первую очередь технологией проецирования видеоизображения, количеством модулирующих матриц, используемых для формирования изображения и способом получения цветных изображений.

12. В видеопроекторах DLP с одной цифровой микрозеркальной матрицей DMD для уменьшения световых потерь при временном разделении цветов используется резонатор (световод) и цветовой светофильтр с последовательным вторичным использованием света.

13. В трехматричных видеопроекторах при совмещении цветов во времени и пространстве полезный световой поток в значительной степени зависит от схемы построения цветоделительной системы и от параметров применяемых дихроических зеркал и интерференционных светофильтров.

14. Для повышения световой эффективности LCD видеопроекторов с просветными ЖК матрицами может быть использован конвертер поляризации, а перед каждым ЖК пикселом установлена микролинза.

15. В видеопроекторах с DMD и ЖК матрицами, работающими на отражение, можно получить высокую световую эффективность и большую яркость изображения.