Устройство для формирования на экране ярких изображений
Устройство для формирования на экране изображений, в котором светящееся изображение, формируемое массивом источников света, проектируется на экран с помощью объектива. При этом устройство выполнено с возможностью перемещения по экрану проектируемого на экран изображения таким образом, что изображение каждого источника света периодически перемещается по замкнутой траектории, при этом массив источников света и объектив выполнены с возможностью перемещения друг относительно друга по замкнутой траектории. Технический результат: получение высококачественного изображения на экране. 9 з.п. ф-лы, 10 ил.
Область техники
Настоящее изобретение связано с формированием на экране ярких широкоформатных изображений с помощью модулируемых по яркости источников света и может быть использовано в различных устройствах отображения информации, в частности в кино, в уличных экранах, в рекламе.
Уровень техники
Наибольшее распространение в настоящее время получили проекторы, в которых кинопленка или жидкокристаллическая матрица просвечивается мощным пучком света. С помощью объектива, состоящего из системы линз, кадр кинопленки или матрица проектируется на светоотражающий экран. Такому способу формирования изображения на экране присущи принципиальные недостатки, связанные с тем, что значительная часть светового потока поглощается кадром кинопленки или матрицей. Это приводит к ограничению максимальной мощности светового потока и, как следствие, к ограничениям яркости экрана и его размеров.
В связи с появлением в последнее время мощных малогабаритных источников света, способных к высокочастотной модуляции по яркости, появилась возможность значительно увеличить яркость формируемого на экране изображения и его площадь. Такими источниками света являются мощные светодиоды. Суммарный световой поток, создаваемый матрицей светодиодов, может значительно превосходить максимальный световой поток, который может проходить через кадр кинопленки или жидкокристаллическую матрицу. В результате может быть сформировано на экране изображение, яркость которого значительно превосходит яркость существующих в настоящее время изображений.
К сожалению, в настоящее время технология изготовления светодиодов не достигла такого уровня, при котором имелась бы возможность изготавливать матрицу светодиодов с высокой разрешающей способностью. Однако во многих применениях этого и не требуется. Высококачественное изображение на экране может быть получено с помощью матрицы с относительно небольшим количеством светодиодов в том случае, если изображение каждого светодиода на экране движется по некоторой замкнутой траектории. При включении светодиода в заданные моменты времени светодиод формирует фрагмент изображения, площадь которого существенно больше площади, формируемой неподвижным светодиодом.
Сущность изобретения
Сущность изобретения состоит в том, что на экран проектируется матрица мощных источников света, состоящая из N строк, в каждой из которых находится М источников. Каждый из источников может модулироваться по яркости. На экране может быть сформировано изображение размером M*N пикселов.
Чтобы увеличить разрешение получаемого изображения, объектив совершает поступательное движение таким образом, что все его точки движутся по окружности одного и того же радиуса. При этом изображение на экране каждого светодиода движется по окружности и каждый светодиод засвечивает кольцо, площадь которого в L/S раз больше площади, засвечиваемой светодиодом при неподвижном объективе, где L - длина окружности на экране, S - поперечные размеры изображения на экране неподвижного светодиода. Например, при M*N=1000 и L/S=1000 можно сформировать изображение с разрешением 1000000 пикселов.
Увеличение разрешающей способности изображения может быть также достигнуто путем введения в устройство зеркала, совершающего колебательно-вращательные движения. Лучи от модулируемых источников света, отражаясь от такого зеркала, движутся при этом по некоторой замкнутой траектории, увеличивая тем самым площадь, засвечиваемую одним источником света.
С помощью предлагаемого устройства для зрителя может быть сформировано стереоизображение. При этом зритель снабжается очками, пропускающими в левый глаз зрителя свет одной поляризации, а в правый - ортогональной. В другой модификации устройства зритель снабжается очками, которые пропускают свет в левый (правый) глаз при подаче электрического напряжения на левое (правое) стекло очков.
Перечень фигур чертежей
На Фиг.1 показано взаимное расположение экрана, объектива и матрицы модулируемых источников света.
На Фиг.2 показано изображение на экране проектируемой через объектив матрицы светодиодов при условии, что все светодиоды излучают свет.
На Фиг.3 показан частный случай, когда объектив 2 совершает круговое движение.
На Фиг 4 показано устройство, обеспечивающее перемещение объектива.
На Фиг.5 показан ход лучей в установке с неподвижными объективом и матрицей светодиодов, в котором перемещение изображения светодиодов на экране осуществляется с помощью подвижного зеркала.
На Фиг.6 показано устройство, которое обеспечивает вращательно-колебательные движения зеркала.
На Фиг.7 показано устройство, которое обеспечивает вращательно колебательное движение зеркала и минимизирует динамические реакции на основание устройства.
На Фиг 8 показан вид сверху на устройство, обеспечивающее движение зеркала таким образом, что изображение светодиода на экране описывает кольцо.
На Фиг.9 показаны средства, обеспечивающие динамическую балансировку устройства, показанного на Фиг.8.
На Фиг.10 показана форма зеркала, совершающего вращательно колебательное движение и приспособленного для показа стереоизображений.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На Фиг.1 показано при виде сверху взаимное расположение матрицы светодиодов 1, объектива 2 и отражающего экрана 3. На Фиг.2 показано изображение на экране проектируемой через объектив матрицы светодиодов при условии, что все светодиоды излучают свет. Как видно из этих рисунков, проектирование светодиодов на экран не отличается в этом случае от традиционного, при котором на экран проектируется светящаяся кинопленка или светящаяся жидкокристаллическая матрица.
Возможно также получение цветных изображений. С этой целью вместо одной матрицы светодиодов следует использовать 3 матрицы светодиодов, содержащие соответственно красные, зеленые и синие светодиоды. В этом случае каждая матрица формирует на экране соответственно красное, зеленое и синее изображения. Суперпозиция этих изображений дает в результате цветное изображение. Возможно также использование светодиодов, которые могут излучать одновременно и/или поочередно красный, зеленый и синий свет (RGB-светодиоды). Применение таких светодиодов позволяет увеличить максимальную плотность светодиодов в матрице. Наконец, возможно также использование полупроводниковых лазеров. В отличие от светодиодов полупроводниковые лазеры излучают свет в чрезвычайно малом телесном угле. Это дает возможность направить весь излучаемый свет в объектив 2 на Фиг.1 и таким образом увеличить яркость формируемого на экране 3 изображения.
Ситуация изменяется, если объектив и светящийся объект движутся относительно друг друга. На Фиг.3 показан частный случай, когда объектив 2 совершает круговое движение. Как видно из рисунка, в этом случае каждый светодиод засвечивает на экране кольцо и каждая точка экрана в тот или иной момент времени засвечивается тем или иным светодиодом. В этом случае требуемое количество светодиодов сокращается в L/S раз, где L - длина окружности, по которой движется изображение светодиода, S - диаметр изображения неподвижного светодиода. В рассматриваемом случае максимальная освещенность экрана пропорциональна количеству используемых светодиодов и при использовании уже существующих светодиодов может на порядки превосходить освещенность, создаваемую традиционными проекторами.
Такой же эффект может быть достигнут в том случае, если объектив неподвижен, а матрица светодиодов движется относительно объектива.
Круговое движение объектива 2 по окружности может быть осуществлено при помощи устройства, показанного на Фиг.4. Здесь на оси неподвижного мотора 5 закреплен вращающийся рычаг 6, к одному из концов которого шарнирно прикреплена кулиса 4. Кулиса также шарнирно прикреплена к вращающимся рычагам 7, оси вращения которых параллельны оси вращения мотора 5. В результате кулиса 4 перемещается параллельно самой себе и все точки кулисы движутся по окружностям одинакового радиуса. Жестко связанный с кулисой объектив 2 также движется по окружности.
На Фиг.5 показан ход лучей в установке с неподвижными объективом 2 и матрицей светодиодов 1. Перемещение изображения светодиодов на экране 3 осуществляется с помощью подвижного зеркала 8, которое совершает вращательно-колебательные движения вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка.
На Фиг.6 показано устройство, которое обеспечивает вращательно-колебательные движения зеркала 8, которое закреплено на валу электромотора постоянного тока 9, прикрепленного к основанию 11. Кроме того, зеркало соединено с основанием мотора через упругую механическую систему, которая стремится возвратить зеркало в положение равновесия при повороте вала мотора из положения равновесия. В простейшем случае в качестве такой системы может быть использована витая пружина 10. Вращательно-колебательное движение зеркала возбуждается при подаче на мотор периодической последовательности импульсов напряжения, частота следования которых равна собственной частоте колебательной системы, образованной массой зеркала и упругой механической системой.
На Фиг.7 показано устройство, которое обеспечивает вращательно-колебательное движение зеркала 8 и минимизирует динамические реакции на основание 11. В этом случае механическая колебательная система образована массой зеркала 8, массой противовеса 12, которые соединены между собой упругой механической системой, в качестве которой может использоваться витая пружина 10. Колебания в этой системе возбуждаются вращающимися магнитами 14, прикрепленными к валу мотора 9. С целью фиксации положения равновесия зеркала 8 витая пружина 10 соединена с основанием 11 в том месте пружины, в котором амплитуда ее колебаний минимальна. Отличительной особенностью этого устройства является то обстоятельство, что частота вращения мотора автоматически устанавливается равной частоте колебаний зеркала при условии, что мощность мотора незначительно превосходит минимальную требуемую мощность.
На фиг.8 показан вид сбоку на устройство, обеспечивающее движение зеркала 8 таким образом, что нормаль к зеркалу описывает конус, ось которого совпадает с осью электромотора 9. Зеркало 8 закреплено на валу электромотора таким образом, что плоскость зеркала составляет с осью вала мотора угол π/2-ϕ, где ϕ<<π/2. При вращении вала мотора угол наклона зеркала относительно горизонтальной и вертикальной осей изменяется на 2ϕ. При этом изображение каждого светодиода в матрице светодиодов описывает эллипс. Большая ось эллипса определяется выражением 2Lϕ, где L - расстояние от мнимого изображения световода до экрана. Малая ось эллипса в Cos γ раз меньше большой, где γ - угол между нормалью к плоскости зеркала и лучом от светодиода. Таким образом, изменяя угол ϕ, можно изменять размер эллипса, а изменяя угол γ, можно изменять соотношение осей эллипса. Это позволяет выбирать компромисс между яркостью отдельных пикселов изображения и его разрешением.
Чтобы обеспечить динамическую балансировку устройства, предлагается дополнительно ввести пластину 81, которая по размерам и массе идентична зеркалу 8 (Фиг.9). Вместо пластины возможно использование двух одинаковых грузов, расположенных на одинаковом расстоянии от оси мотора, но на разном расстоянии от торца вала.
Устройство, показанное на Фиг.1, может быть модифицировано для получения на экране стереоизображений. С этой целью часть светодиодов 1 покрывается поляризационной пленкой, пропускающей свет одной поляризации, а другая часть светодиодов покрывается пленкой, пропускающей свет ортогональной поляризации. В качестве экрана 3 используется экран, который сохраняет поляризацию света при отражении от него. Зритель снабжается очками, которые пропускают в левый глаз свет одной поляризации, а в правый - другой.
Если с помощью первой группы светодиодов формировать изображение для левого глаза, а с помощью второй группы светодиодов формировать в то же самое время и на том же самом экране изображение для правого глаза, то зритель будет воспринимать объемное изображение.
Стереоизображение может быть также получено в том случае, если в установке, показанной на Фиг.5, зеркало 8 выполнено двусторонним и вращающимся. При этом одна сторона зеркала покрыта пленкой, пропускающей одну поляризацию света, а другая покрыта пленкой, пропускающей ортогональную поляризацию света. Зритель снабжается очками с поляризаторами, пропускающими в левый глаз свет с одной поляризацией, а в правый - с ортогональной.
Более яркое стереоизображение может быть получено в том случае, если вместо вращающегося зеркала используются два зеркала, совершающие вращательно-колебательные движения (Фиг.10). В этом случае свет от матрицы светодиодов попадает в глаза наблюдателя в течение более длительного времени, чем при вращении одного зеркала. В результате в глаза наблюдателя попадает больше света и изображение получается более ярким.
Аналогичный эффект может быть получен, если зрителя снабдить очками со стеклами, пропускание света через которые управляется электрическими сигналами. Если попеременно показывать на экране изображения для левого и правого глаз и открывать при этом в очках соответственно пропускание света в левый и правый глаз, то зритель будет видеть левым глазом одно изображение, а правым - другое. Этого достаточно для формирования объемного изображения.
1. Устройство для формирования на экране изображений, в котором светящееся изображение, формируемое массивом источников света, проектируется на экран с помощью объектива, отличающееся тем, что устройство выполнено с возможностью перемещения по экрану проектируемого на экран изображения таким образом, что изображение каждого источника света периодически перемещается по замкнутой траектории, при этом массив источников света и объектив выполнены с возможностью перемещения относительно друг друга по замкнутой траектории.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объектив совершает периодические перемещения по окружности с помощью устройства, состоящего из кулисы, к которой прикреплен объектив, мотора, к оси которого прикреплен вращающийся рычаг, шарнирно соединенный с кулисой, и двух дополнительных рычагов, обеспечивающих поступательное движение кулисы, и вращающихся вокруг осей, параллельных оси мотора.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что массив источников света совершает периодические перемещения по окружности с помощью устройства, состоящего из кулисы, к которой прикреплен массив источников света, мотора, к оси которого прикреплен вращающийся рычаг, шарнирно соединенный с кулисой, и двух дополнительных рычагов, обеспечивающих поступательное движение кулисы и вращающихся вокруг осей, параллельных оси мотора.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на пути лучей света от массива источников света до экрана вставлено плоское зеркало, совершающее вращательно-колебательные движения в пространстве.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что плоское зеркало прикреплено к оси мотора таким образом, что угол между осью мотора и плоскостью зеркала находится в пределах 70-90°.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что введены средства, обеспечивающие статическую и динамическую балансировки вращающегося плоского зеркала.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что одна часть массива источников света покрыта поляризационной пленкой, пропускающей свет только первой поляризации, а другая часть покрыта поляризационной пленкой, пропускающей свет второй поляризации, которая перпендикулярна первой; экран, на который проектируется изображение, приспособлен сохранять направление поляризации отраженного от него света, зритель рассматривает экран через очки, которые пропускают в левый и правый глаз зрителя свет соответственно первой и второй поляризаций.
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на пути лучей света от массива источников света до экрана, приспособленного сохранять поляризацию отраженного от него света, вставлено двустороннее плоское зеркало, вращающееся вдоль оси, параллельной плоскости экрана; одна поверхность зеркала покрыта поляризационной пленкой, пропускающей свет первой поляризации, а противоположная поверхность покрыта пленкой, пропускающей свет второй поляризации, которая перпендикулярна первой, зритель рассматривает экран через очки, которые пропускают в левый и правый глаз зрителя свет соответственно первой и второй поляризаций.
9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на пути лучей света от массива источников света до экрана, приспособленного сохранять поляризацию отраженного от него света, вставлено два плоских зеркала, расположенных под углом друг к другу таким образом, что линия пересечения плоскостей, проходящих через зеркальные поверхности, параллельна оси вращения, вокруг которой эти зеркала совершают вращательно-колебательное движение; зеркальная поверхность одного зеркала покрыта поляризационной пленкой, пропускающей свет первой поляризации, а зеркальная поверхность другого зеркала покрыта пленкой, пропускающей свет второй поляризации, которая перпендикулярна первой, зритель рассматривает экран через очки, которые пропускают в левый и правый глаз зрителя свет соответственно первой и второй поляризаций.
10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на пути лучей света от плоского массива источников света до экрана вставлено зеркало с отличной от нуля кривизной, совершающей вращательно-колебательные движение.
