Проекционная оптическая система с телецентрическим ходом лучей в пространствах предметов и изображений

Изобретение может быть использовано для проецирования изображения с микродисплея на рассеивающий экран. Проекционный оптическая система с телецентрическим ходом лучей в пространствах предметов и изображений содержит две линзовых группы с положительной оптической силой, между которыми установлена апертурная диафрагма. Первая группа состоит из плосковыпуклой линзы, выпукло-плоской линзы и двояковыпуклой линзы, склеенной с двояковогнутой линзой. Вторая группа состоит из отрицательного мениска, склеенного с положительным мениском, обращенным вогнутой поверхностью к апертурной диафрагме, положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к апертурной диафрагме и положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к апертурной диафрагме. Введены рассеивающий экран и осветительный канал, состоящий из поляризационной призмы, плосковыпуклой линзы, выпукло-плоской линзы и источника излучения. Для показателей преломления и оптических сил линз выполняются соотношения, указанные в формуле изобретения. Технический результат - уменьшение длины системы, повышение технологичности за счет уменьшения количества используемых материалов. 4 ил.

 

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, в частности к системам проецирования изображения, и может быть использовано в качестве устройства для переноса изображения с микродисплея на рассеивающий экран с последующей проекцией в глаз наблюдателя при помощи бортового индикатора.

В системах бортовой индикации в качестве формирователя изображения до сих пор активно применяются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). К их недостаткам можно отнести низкую надежность из-за наличия вакуума в колбе ЭЛТ и требования высоковольтного питания (15 KB и более) и малый срок службы из-за «выгорания» люминофора.

Более перспективным является использование матричных жидкокристаллических микродисплеев. Дисплеи типа FLCoS позволяют получить практически любую выходную яркость, ограниченную лишь яркостью источника, используемого для их подсветки.

Основными требованиями, предъявляемыми к проекционной оптической системе, являются:

- Апертурный угол в пространстве дисплея не менее 7°;

- Высокое разрешение: не менее 1280 пикселей в строке;

- Размер изображения (на рассеивающем экране) 58 мм;

- Телецентрический ход лучей в пространстве просветного экрана;

- Телецентрический ход лучей в пространстве дисплея и большой задний отрезок для установки светоделительной призмы;

- Длина системы не более 165 мм.

Известен проекционный светосильный телецентрический объектив [Патент РФ 2385476, опубл. 2010, МПК G02B 9/64 13/22], состоящий из двух частей, между которыми установлена апертурная диафрагма. Объектив имеет линейное увеличение -0.45х, при этом в пространстве изображений обеспечивается телецентрический ход лучей.

К недостаткам аналога можно отнести невысокое значение линейного увеличения, малое линейное поле и несоблюдение телецентрического хода лучей в пространстве предметов.

Другим аналогом может являться проекционный объектив [US Patent 20150036229 A1, 05.02.2015, МПК G02B 13/16], состоящий из двух частей, между которыми установлена апертурная диафрагма, перед плоскостью изображения установлена светоделительная призма. В пространстве изображений обеспечивается телецентрический ход лучей.

Основным недостатком аналога является несоблюдение телецентрического хода лучей в пространстве предметов.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является объектив с двойной телецентричностью [US Patent 6639653 В2, 28.10.2003, МПК G03B 27/54], содержащий две группы линз с положительной оптической силой, между которыми установлена апертурная диафрагма. Первая группа включает в себя первый и второй компоненты. Первый компонент склеен из двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска. Второй компонент состоит из склеенных двояковыпуклой линзы и отрицательного мениска, а также двояковогнутой линзы. Вторая группа включает в себя третий и четвертый компоненты. Третий компонент состоит из двояковогнутой линзы и склеенных отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы. Четвертый компонент склеен из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы.

Признаки прототипа совпадают со следующими признаками предлагаемого изобретения:

- оптическая система состоит из двух групп линз, между которыми расположена апертурная диафрагма;

- задний фокус первой группы линз и передний фокус второй группы линз совпадают и совмещены с центром апертурной диафрагмы, за счет чего в объективе обеспечивается телецентрический ход лучей в пространствах предметов и изображений.

К недостаткам прототипа можно отнести следующее:

- большая длина оптической системы от предмета до изображения (450 мм);

- малое линейное поле (40 мм);

- использование 8 различных оптических материалов линз.

Задачей изобретения, как технического решения, является уменьшение длины системы, повышение ее технологичности за счет уменьшения количества используемых оптических материалов, а также обеспечение возможности введения осветительного канала.

Технические результаты получены за счет того, что предлагаемая система обладает новой совокупностью существенных признаков:

- первая группа линз проекционного объектива состоит из двух одинаковых плосковыпуклых линз, обращенных выпуклыми поверхностями друг к другу, и склейки, состоящей из двояковыпуклой и двояковогнутой линз;

- вторая группа состоит из склеенных отрицательного и положительного менисков и двух положительных менисков, обращенных друг к другу выпуклыми поверхностями;

- перед плоскостью предмета установлена светоделительная призма с внутренним поляризационным покрытием, в оптическую систему введен осветительный канал, состоящий из светоделительной призмы и конденсора. Для показателей преломления справедливы соотношения: n5=n6=n7=n11=n12=n13, n15=n16. При этом для оптических сил линз справедливы следующие отношения:

ϕ56

0.25ϕ57-8<0.3ϕ5

-0.55ϕ510-11<-0.65ϕ5

0.4ϕ511<0.5ϕ5

0.2ϕ512<0.35ϕ5

ϕ1516

0.55ϕ515<0.6ϕ5

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

фиг. 1 - внешний вид оптической системы;

фиг. 2 - графики частотно-контрастной характеристики;

фиг. 3 - точечные диаграммы;

фиг. 4 - график дисторсии.

Предлагаемая проекционная оптическая система с телецентрическим ходом лучей в пространствах предметов и изображений (фиг. 1) содержит следующие элементы: дисплей 1, призму 2 с внутренней светоделительной гранью 3, имеющей поляризационное покрытие, первую линзовую часть 4, содержащую плосковыпуклые линзы 5 и 6, двояковыпуклую линзу 7, склеенную с двояковогнутой линзой 8, апертурную диафрагму 9, вторую линзовую часть 10, содержащую отрицательный мениск 11, склеенный с положительным мениском 12 и обращенный вогнутой поверхностью к апертурной диафрагме, и положительные мениски 13 и 14, обращенные выпуклыми поверхностями друг к другу, а также просветный экран 15, плосковыпуклые линзы 16 и 17, обращенные друг к другу выпуклыми поверхностями, и источник излучения 18.

Предложенная оптическая система работает следующим образом: излучение от источника излучения 18 проходит через линзы конденсора 17 и 16, проходит через боковую грань призмы 2, отражается от ее внутренней светоделительной грани 3, проходит через защитное стекло дисплея 1, отражается от активных ячеек экрана дисплея, проходит последовательно призму 2, первую линзовую часть 4, заполняет апертурную диафрагму 9, и, пройдя элементы второй линзовой части 10, фокусируется на внешней поверхности просветного экрана 15.

Разработанная проекционная оптическая система с телецентрическим ходом лучей в пространствах предметов и изображений имеет значительно меньшую длину по сравнению с прототипом (165 мм и 450 мм соответственно), при этом в ней использованы 4 сорта оптического стекла (вместо 8 у прототипа), а также в систему введен осветительный канал, состоящий из светоделительной поляризационной призмы и конденсора, что обеспечивает возможность работы с отражательным дисплеем.

В качестве конкретного примера рассчитана оптическая система со следующими характеристиками:

числовая апертура в пространстве дисплея 0,123
линейное поле в пространстве дисплея 18 мм
линейное увеличение системы -3,111х
основная длина волны 0,52 мкм
спектральный диапазон 0,51÷0,53 мкм
длина системы 165 мм

Для подтверждения высокого качества изображения, даваемого предлагаемой проекционной оптической системой, далее приводятся графики характеристик, используемых для оценки качества изображения.

На фиг. 2 показаны графики частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) предлагаемой оптической системы. По оси абсцисс отложена пространственная частота в мм-1 в плоскости просветного экрана, а по оси ординат - коэффициент передачи контраста. Близость графиков ЧКХ для всех полей к дифракционному пределу говорит о том, что оптическая система обладает дифракционно-ограниченным качеством изображения. Оценка должна проводиться на частоте Найквиста дисплея. Например, для пикселя размером 13,5×13,5 мкм в плоскости дисплея частота Найквиста составит 37 мм-1, что соответствует частоте 11,9 мм-1 в плоскости просветного экрана, при этом коэффициент передачи контраста составляет 0,89 на оси и не менее 0,87 на краю поля.

На фиг. 3 показаны точечные диаграммы рассчитанной оптической системы в плоскости просветного экрана для точки на оси, на краю поля и зоны, равной 0,7 от полной величины поля. На диаграммах показан кружок Эйри для основной длины волны, диаметр которого составляет 15,85 мкм. Поперечные аберрации оптической системы на оси составляют 11 мкм, на зоне 18 мкм и на краю поля 43,4 мкм. При этом диаметр среднеквадратичного пятна рассеяния на оси составляет 5 мкм, на зоне 10,5 мкм и на краю поля 15,5 мкм.

На фиг. 4 показан график дисторсии оптической системы. Максимальная величина дисторсии составляет -0,11% в относительной мере или 30 мкм в абсолютной мере в плоскости просветного экрана.

Проекционная оптическая система с телецентрическим ходом лучей в пространствах предметов и изображений, содержащая две линзовых группы с положительной оптической силой, между которыми установлена апертурная диафрагма, отличающаяся тем, что первая группа линз состоит из плосковыпуклой линзы с оптической силой ϕ5 и показателем преломления материала n5, выпукло-плоской линзы с оптической силой ϕ6 и показателем преломления материала n6 и двояковыпуклой линзы с показателем преломления материала n7, склеенной с двояковогнутой линзой, вторая часть состоит из отрицательного мениска, склеенного с положительным мениском с показателем преломления материала n12 и обращенного вогнутой поверхностью к апертурной диафрагме, положительного мениска с оптической силой ϕ13 и показателем преломления материала n13, обращенного вогнутой поверхностью к апертурной диафрагме и положительного мениска с оптической силой ϕ14 и показателем преломления материала n14, обращенного выпуклой поверхностью к апертурной диафрагме, а также тем, что в систему введены рассеивающий экран и осветительный канал, состоящий из поляризационной призмы, плосковыпуклой линзы с оптической силой ϕ16 и показателем преломления материала n16, выпукло-плоской линзы с оптической силой ϕ17 и показателем преломления материала n17 и источника излучения, для показателей преломления справедливы соотношения n5=n6=n7=n12=n13=n14, n16=n17, при этом для оптических сил линз справедливы следующие отношения:

ϕ56

0.4ϕ513<0.5ϕ5

0.2ϕ514<0.35ϕ5

ϕ1617

0.55ϕ516<0.6ϕ5



 

Похожие патенты:

Объектив может быть применен в цифровых прицельно-наблюдательных приборах с ПЗС или КМОП матрицами. Объектив содержит четыре компонента.

Телеобъектив может быть использован в оптико-электронных приборах, формирующих изображения объектов земной поверхности через реальную атмосферу и работающих с фотоприемниками видимого и ближнего ИК диапазона.

Объектив может быть использован в цифровых прицельно-наблюдательных приборах с формированием изображения на ПЗС или КМОП матрицах в дневных и ночных условиях. Первый компонент содержит двояковыпуклую линзу и отрицательную вогнуто-выпуклую линзу, обращенную выпуклостью к изображению, второй - одиночный положительный мениск, обращенный вогнутостью к пространству изображений, третий - отрицательный мениск и положительный мениск, обращенный вогнутостью к изображению, четвертый - отрицательный мениск, обращенный вогнутостью к изображению.

Изобретение может быть использовано в качестве фотографического объектива. Объектив состоит из двух оптических компонентов.

Изобретение может быть использовано в устройствах контроля объектов теневым оптическим методом. Объектив содержит шесть линз и апертурную диафрагму, расположенные последовательно на оптической оси: плосковыпуклую линзу, расположенную плоскостью к апертурной диафрагме, положительный мениск с асферической выпуклой поверхностью, обращенной к пространству предметов, слабоотрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной к апертурной диафрагме, апертурную диафрагму, склеенную линзу, состоящую из двояковогнутой и двояковыпуклой линз и расположенную вогнутой стороной к апертурной диафрагме, двояковыпуклую линзу и слабо отрицательный мениск, обращенный выпуклой стороной к апертурной диафрагме.

Изобретение может быть использовано при создании тепловизионных приборов с охлаждаемыми матричными фотоприемными устройствами. Оптическая система состоит из последовательно расположенных вдоль оптической оси входного объектива, формирующего промежуточное изображение и содержащего первую положительную, вторую отрицательную и третью положительную выпукло-вогнутые линзы, проекционного объектива, содержащего первую двояковыпуклую, вторую отрицательную вогнуто-выпуклую и третью положительную выпукло-вогнутую линзы, и фотоприемного устройства с охлаждаемой диафрагмой.

Изобретение может быть использовано при создании тепловизионных приборов с охлаждаемыми матричными фотоприемными устройствами. Оптическая система тепловизионного прибора состоит из последовательно расположенных вдоль оптической оси входного объектива, формирующего промежуточное изображение и содержащего первую отрицательную, вторую положительную и третью отрицательную выпукло-вогнутые линзы, проекционного объектива, содержащего первую положительную вогнуто-выпуклую линзу, вторую отрицательную выпукло-вогнутую линзу и третью положительную двояковыпуклую линзу, и фотоприемного устройства с охлаждаемой диафрагмой.

Изобретение может быть использовано в оптических системах, например в телевизионных камерах, работающих с матрицами, также и в других приборах, в том числе и в ИК-системах.

Система содержит входной объектив, проекционный объектив, компенсационный элемент и расфокусирующий элемент. Входной объектив строит промежуточное действительное изображение и выполнен в виде положительного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов, и отрицательного мениска, обращенного выпуклостью к пространству предметов.

Объектив может быть использован в тепловизорах в спектральном диапазоне 8-12 мкм. Объектив по обоим вариантам содержит четыре компонента, второй и четвертый из которых подвижные и имеют по два фиксированных положения.

Заявленное изобретение относится к наручным компьютерам. Заявленный лазерный проектор содержит корпус с источником питания, источником излучения и оптическим модулем, причем в качестве источника излучения используют полупроводниковый лазер, а в качестве оптического модуля используют набор предварительно изготовленных голограмм, механически перемещаемых в поток излучения лазерного излучателя.

Способ передачи визуальной информации водителю транспортного средства и устройство отображения информации основаны на объединении двух оптических систем отображения изображений: системы отображения виртуального изображения и системы отображения действительного изображения.

Изобретение относится к оптическим системам авиационных коллиматорных индикаторов на лобовом стекле. Оптическая система двухканального коллиматорного индикатора содержит последовательно установленные по ходу лучей дисплей электронно-лучевой трубки, фильтр-светоделитель, индикаторную сетку, двухкомпонентный коллимирующий объектив и двухкомпонентный отражатель.

Изобретение может быть использовано в портативных проекционных устройствах бытового и промышленного назначения. Оптическая система увеличивает изображение, сформированное модулятором изображения, и проецирует его на экран.

Изобретение относится к оптике, а более конкретно к устройствам для получения оптического увеличения изображений, и может найти применение в конструировании малогабаритных приборов, например, размещаемых на голове или шлеме оператора.

Изобретение относится к оптической технике и может быть использовано на транспортных средствах, в частности, автомобилях для отображения путевой, навигационной информации, а также информации о состоянии транспортного средства в поле прямого зрения водителя.

Изобретение относится к области оптики, а именно к оптическим проекционным системам, и может применяться в стационарных устройствах отображения или проекторах, известных как "WMD" (wall mounted device).

Изобретение может быть использовано в окулярах, для рассматривания изображений микромониторов, а также в устройствах оптической когерентной томографии. Телецентрический сканирующий объектив состоит из трех элементов.

Изобретение может быть использовано для проецирования изображения с микродисплея на рассеивающий экран. Проекционный оптическая система с телецентрическим ходом лучей в пространствах предметов и изображений содержит две линзовых группы с положительной оптической силой, между которыми установлена апертурная диафрагма. Первая группа состоит из плосковыпуклой линзы, выпукло-плоской линзы и двояковыпуклой линзы, склеенной с двояковогнутой линзой. Вторая группа состоит из отрицательного мениска, склеенного с положительным мениском, обращенным вогнутой поверхностью к апертурной диафрагме, положительного мениска, обращенного вогнутой поверхностью к апертурной диафрагме и положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к апертурной диафрагме. Введены рассеивающий экран и осветительный канал, состоящий из поляризационной призмы, плосковыпуклой линзы, выпукло-плоской линзы и источника излучения. Для показателей преломления и оптических сил линз выполняются соотношения, указанные в формуле изобретения. Технический результат - уменьшение длины системы, повышение технологичности за счет уменьшения количества используемых материалов. 4 ил.

Наверх