3Lcd видеопроектора

В третьем варианте используются дихроические светофильтры а, б, в и г и три обычных зеркала. При этом

Общий коэффициент пропускания трех каналов будет равен

Рис. 4.3. Спектральные характеристики интерференционных светофильтров: а- тип 1; б-тип 2, в-тип 3; г-тип 4; 1-кривая светопропускания; 2-кривая отражения

Таким образом, последний вариант построения цветоделительной системы 3LCD-видеопроектора имеет наибольший коэффициент пропускания и позволяет получить больший полезный световой поток видеопроектора.

В цветоделительных системах таких видеопроекторов необходимо иметь пучок параллельных световых лучей. В этом случае световой поток от источника света собирается и преобразуется в параллельный линзовым или зеркальным коллиматором. Последний дает возможность получить более мощный световой поток.

Угол рассеяния коллиматора зависит как от размеров светового тела источника света, так и от сферической аберрации оптической системы.

При прямоугольной форме светового тела (схb) угол рассеяния ω в двух главных меридиональных взаимно перпендикулярных плоскостях можно определить по формулам [29]

и , (4.1)

где - фокусное расстояние коллиматора.

Если световое тело круглое, то пучок лучей, выходящих из коллиматора, будет коническим с углом при вершине 2ω, равным

(4.2)

где d- диаметр светового тела .

В случае бесконечно малого источника света угол рассеяния лучей, вышедших из коллиматора, определяется законом дифракции света и приближенно равен

, (4.3)

где - длина волны света;

D- диаметр выходного зрачка оптической системы коллиматора.

Для видимого света среднее значение , тогда

Так как оптическая система коллиматора обычно имеет сферическую аберрацию, то действительный угол рассеяния будет больше, чем вычисленный по приведенным выше формулам. Числовые значения угла рассеяния в этих случаях находятся из результатов аберрационного расчета оптической системы коллиматора.

Из формул (4.1) и (4.2) следует, что чем больше фокусное расстояние , тем меньше угол рассеяния, определяемый конечными размерами с и b источника излучения. Фокусное расстояние коллиматора обычно определяют при заданном допустимом угле рассеяния и известных размерах излучающей площадки, учитывая влияние сферической аберрации и явление дифракции. На рис. 4.4 показан простейший коллиматор, у которого оптическая система состоит из одной плоско-выпуклой линзы. Точечный источник света помещен в переднем фокусе F линзы. Световые лучи, идущие в параксиальной плоскости (заштрихованная область), по выходе из линзы образуют пучок лучей, параллельных оптической оси .

Рис. 4.4. Коллиматор в виде плоско-выпуклой линзы

Лучи, образующие с осью большие апертурные углы U, обладают сферической аберрацией и по выходе из линзы образуют с осью угол , величина которого быстро возрастает с увеличением угла U. Вследствие этого пучок лучей, создаваемый линзой-коллиматором, даже при точечном источнике света будет иметь угловое рассеивание . Угловая сферическая аберрация плоско-выпуклой линзы при различных относительных отверстиях , где D- диаметр линзы; -фокусное расстояние, имеет значения представленные в табл. 4.1 [29].

Таблица 4.1

Угловая сферическая аберрация плоско-выпуклой линзы

Относительное отверстие 	Угол охвата 2U
1:2	280	68'
1:2,8	220	29'
1:4	140	7' 40''
1:8	70	50''

Как видно из табл. 4.1, величина сферической аберрации у плоско-выпуклой линзы становится недопустимо большой при угле охвата . Кроме того, при увеличении значительно увеличивается толщина линзы и ее вес, а также увеличиваются потери света за счет большого френелевского отражения от криволинейной поверхности и поглощения в самой линзе.

При необходимости увеличения угла охвата плоско-выпуклых линз необходимо применить асферическую поверхность, внешняя преломляющая грань которой образована профильной кривой, состоящей из дуг окружностей с различными радиусами и центрами кривизны, либо являющейся частью эллипса с определенным эксцентриситетом. В работе [14] выполнены теоретические и экспериментальные исследования использования асферических линз с целью повышения эффективности осветительных систем для проекции. В результате проведенных исследований было установлено, что асферические поверхности, в частности эллипсоидные, также не формируют параллельный световой пучок для точки на оси. Асферическая поверхность линзы, обеспечивающая параллельный выход световых лучей, должна иметь сложную форму, вершинная зона которой близка к гиперболоиду. Такие линзы при больших углах охвата имеют большую толщину и значительные потери света за счет френелевского отражения и поглощения.

Недостатки плоско-выпуклых линз весьма эффективно могут быть устранены при использовании френелевских линз. Ступенчатая, или френелевская, линза состоит из центрального плоско-выпуклого элемента и определенного числа элементов, расположенных сверху и снизу от центрального (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Схемы линз Френеля

Число элементов может быть разным и зависит от параметров линзы, требуемой оптической точности и способа ее изготовления. Первая, или внутренняя, преломляющая поверхность линзы может быть плоской и сферической (криволинейной). Вторая, или внешняя, преломляющая поверхность имеет ступенчатую форму. Она в каждом элементе френелевской линзы представляет собой тороидальную поверхность, профиль которой образован дугой с определенным радиусом и центром кривизны. Последние в каждом элементе подбираются так, чтобы фокальные лучи, падающие на основание и вершину элемента, отклонялись параллельно оптической оси. Все другие фокальные лучи могут иметь сферическую аберрацию допустимой величины.

Для достижения требуемой равномерности освещенности изображения при проецировании светового тела источника света в плоскость модулирующей матрицы рекомендуется применять сотовую конденсорную систему (рис.4.6) [14,37].

Рис. 4.6. Схема осветительной системы с сотовой конденсорной оптикой

Растровые пластины 4 и 5 образуют 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 модулирующей матрице 6. Вследствие этого обеспечивается не только высокая равномерность освещенности матрицы, но и достаточно большая величина полезного светового потока видеопроектора.

Зеркальные коллиматоры представляют собой сферическое или параболическое зеркало. В сферических зеркалах отраженный пучок лучей, исходящий из точечного источника света, помещенного в фокусе зеркала, всегда имеет некоторое угловое расхождение (рис.4.7). Величина угловой сферической аберрации зеркала может быть определена следующим образом. Пусть зеркало имеет радиус кривизны r, фокусное расстояние , диаметр D и апертурный угол U. Между этими величинами имеются следующие зависимости [10, 29].

; ; . (4.4)

Рис. 4.7. Принцип работы сферического отражателя

Из треугольника OMF (рис.4.7) по известной теореме, имеем

,

откуда

, (4.5)

и угловая сферическая аберрация равна

. (4.6)

В табл. 4.2 приведены значения угловой сферической аберрации сферического зеркала при различных углах охвата [29].

Таблица 4.2

Значения угловой сферической аберрации

сферического зеркала

	2U
1:1	540	45' 40''
1:1,4	390	16' 40''
1:2	280	6' 20''
1:2,8	220	3'
1:4	140	1'
1:8	70	6''

Из табл. 4.1 и 4.2 видно, что угловая сферическая аберрация зеркала значительно меньше, чем у линзы, поэтому зеркальный коллиматор дает больший световой поток.

Параболическое зеркало не имеет сферической аберрации для точек на оси, и при точечном источнике света, находящемся в фокусе параболы, отраженные лучи идут параллельно оси (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Принцип работы параболоидного отражателя

Форма и размеры светового пучка параболоидного зеркального отражателя, обеспечивающего максимальную концентрацию светового потока по направлению оптической оси, при заданном угле охвата и диаметре определяются формой светящегося тела и не могут варьироваться в широких пределах.

В светооптических системах видеопроекторов требуется не только достаточно большой световой поток, но и высокая равномерность освещенности модулирующих матриц. При больших углах охвата этого невозможно достигнуть с помощью сплошного зеркального параболоидного отражателя. Этим требованиям удовлетворяют пластичные (фацетные) параболоидные отражатели (рис. 4.9) [38,39].

Рис. 4.9. Фацетный отражатель

Фацетные отражатели состоят из плоских зеркальных пластин, выложенных обычно по параболоидному основанию (остову). Пластины можно располагать или по касательным к данной точке остова, или по хордам. При расчете фацетного отражателя ставится требование, чтобы центральный луч светового пучка, отраженного каждой из пластин, был направлен параллельно оптической оси параболоидного отражателя. С этой точки зрения первый способ расположения пластин на остове имеет преимущество, поскольку в этом случае известно, что указанное направление имеет луч, отраженный той точкой пластины, которая касается параболоидного остова. Однако на практике применяется второй способ расположения пластин по параболоидному остову как более удобный в производственном отношении, хотя при этом расчет отражателя несколько усложняется. В настоящее время разработана технология изготовления отражателей, в которой роль фацетных (сотовых) пластин выполняет тиснение непосредственно зеркальной поверхности отражателя. Существует принципиальная разница в образовании светового пучка сплошным параболоидным отражателем и фацетным отражателем. Она обусловлена тем, что оптические свойства фацетного параболоидного отражателя представляют собой комбинацию оптических свойств параболоида 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 (лампы накаливания), зависят от числа, размеров и расположения отражающих пластин, что наряду с увеличением угла охвата отражателя повышает однородность светового пучка. Второе требование выполняется за счет того, что каждая пластина создает полное изображение светящегося тела, следовательно, изменение освещенности от каждой пластины будет таким же плавным, как непосредственно от источника света.