Статья из сайта petrovlam.ru
Автор: Петров В. М.
Введена 08.11.2009
Последнее обновление:

Часть 2.     Проекционные устройства с просветными экранами
(рассеивающими и растровыми)

 

 

Аннотация.  В этой части описываются некоторые свойства просветных проекционных экранов.

 

 

1. Освещённость экрана проекционного устройства

Проекционным прибором называется оптико-механическое устройство, предназначенное для получения на экране увеличенного изображения предмета (обычно плоского).

Оптическая система проекционного устройства состоит из двух основных частей: осветительной и проекционной. Первая служит для освещения проектируемого объекта, а вторая – для получения изображения на экране. Обе части прибора работают вместе и должны соответствовать друг другу.

Проекционные приборы в зависимости от характера освещения объекта делятся на два типа: диаскопические и эпископические.

При диаскопической проекции объект прозрачен и освещается проходящими лучами.

При эпископической проекции объект не прозрачен и освещается с лицевой стороны. Изображение получается за счёт лучей света, отражённых от объекта.

В зависимости от характера освещения устройства могут быть двух типов.

В первом – тело накала источника света изображается конденсором во входном зрачке проекционного объектива. Такое осветительное устройство применяется с лампами накаливания, у которых тело накала не имеет равномерную яркость и не может полностью закрыть кадровое окно прибора. По этому типу устроены осветительные устройства для чтения микрофильмов, фотоувеличителей, диапроекторов.

Во втором типе – тело накала источника света изображается конденсором в плоскости объекта. Тут применяются источники света с равномерной яркостью тела накала. Это, как правило, специальные проекционные лампы, в том числе и галогенные.

В обоих типах осветительных устройств для более полного использования светового потока от источника света апертура проекционного объектива должна быть заполнена светом, что обеспечивает более высокое качество изображения.

На рисунках 1 и 2 приведены принципиальные оптические схемы проекционных приборов с первым и вторым типами осветительных устройств.

Рис. 1

Рис. 2

Освещённость экрана – одна из основных характеристик проекционного прибора, поскольку она определяет видимую яркость изображения на поверхности экрана (рисунок 3).

Рис. 3

Освещённость в плоскости экрана

τ – коэффициент пропускания проекционного объектива или системы

n' и n – показатели преломления сред, находящихся в пространстве предметов и изображений

В – яркость выходного зрачка проекционного объектива в нитах

α' – задний апертурный угол проекционной системы

Становится очевидным, что освещённость экрана в основном определяется задним апертурным углом и яркостью выходного зрачка объектива.

В проекционных микроскопах, в большинстве случаев, сплошная нить накала проектируется в кадровое окно, и яркость выходного зрачка объектива при отсутствии наблюдаемого объекта определяется яркостью источника света с учётом τ объектива.

В случае использования источника света с неравномерным телом накала (спиральная нить накала) при расчёте принимается габаритная яркость, которая учитывает конструктивные особенности лампы и по значению ниже яркости нити в 2÷10 раз.

Яркость нити лампы и габаритная яркость приводятся в паспортных данных на лампу.

Примеры некоторых источников света:

Вольфрамовая нить накаливания - 27000 ÷ 33000кнт

Электрическая лампа газонаполненная

низкого напряжения - 15000 ÷ 25000кнт

Электрическая лампа газонаполненная

с перекалом - 35000кнт

Ртутная лампа сверхвысокого давления - 4×105 - 18×105кнт

Кратер дуговой лампы простой - 13×104 - 18×104кнт

В том случае, когда проецируемый объект непрозрачен, под действием внешней засветки он сам становится источником света.

Его яркость

Е – альбедо, или коэффициент отражательной способности объекта

Альбедо некоторых поверхностей

Окись магния - 0.98

Белая клеевая краска - 0.80

Мел очищенный - 0.85 ÷ 0.90

Пемза (серая) - 0.56

Песок - 0.42

Зелень растительная - 0.17

Базальт - 0.05

Чёрная матовая краска - 0.01

Проекционные объективы характеризуются входным апертурным углом α, который определяет светосилу и разрешающую способность проекционного устройства.

Линейное увеличение проекционного устройства определяется, как отношение синуса входного апертурного угла к синусу выходного

Таким образом, зная характеристики проекционного устройства, можно определить освещённость экрана.

2. Разрешающая способность проекционного устройства

Кроме обеспечения необходимой освещённости поверхности экрана проекционная система должна обеспечивать передачу определённой информации о рассматриваемом объекте, т. е. обеспечивать необходимое разрешение объекта.

Предельное разрешение проекционного микроскопа

е – период решётки [мкм]

А – апертура проекционного объектива микроскопа

λ – длина волны [мкм]

Разрешение в плоскости экрана меньше в число раз, соответствующее увеличению проекционной системы.

Предельная разрешающая способность проекционной системы в плоскости экрана по критерию Релея может быть определена из величины выходного апертурного угла α'.

Можно воспользоваться формулой разрешающей способности объектива:

N0 – предельная разрешающая способность [лин/мм]

D – диаметр объектива

f - заднее фокусное расстояние объектива

Опыт показывает, что разрешающая способность объективов значительно меньше расчётной и падает до 0.8 ÷ 0.9 от N0.

В отдельных случаях проекционные объективы рассчитываются с максимальным разрешением и их разрешающая способность практически соответствует теоретической.

Экраны проекционных устройств, как правило, рассчитаны на просмотр изображения невооружённым глазом и на их поверхности реализовывать разрешение более 8 ÷ 10 [лин/мм] бесполезно из-за ограниченной остроты зрения. Поэтому проекционные устройства рассчитываются из обеспечения в плоскости изображения 5 ÷ 10 [лин/мм], а экранный материал, в свою очередь, должен минимально снижать создаваемое разрешение.

3. Просветные экраны

Назначение просветного экрана состоит в восприятии светового потока проекционного устройства и рассеянии его в форме видимой яркости.

Являясь составной частью проекционной системы, экран, как поглощающая среда, мало влияет на величину светового потока, но сильно влияет на его светопропускание.

Известно, что слишком низкая яркость экрана создаёт чрезмерное напряжение зрения, снижает остроту зрения, контрастную чувствительность глаза, цветопередачу и т. д., а слишком большая – слепит зрение, снижает зрительные функции глаза, делает заметными изъяны проецируемого объекта.

Считается, что минимальный уровень яркости экрана (без объекта) для восприятия чёрно-белых и цветных изображений в затемнённом помещении составляет около 17нт. При яркости ниже 17нт цвета выглядят тусклыми и ненасыщенными.

При 3.5нт – цветное изображение не отличить от чёрно-белого.

Часто изображение проектируется на просветный экран в условиях внешней засветки, что создаёт на его поверхности дополнительную яркость.

Паразитная яркость:

Рэкр – коэффициент отражения экрана

Епараз – паразитная освещённость экрана

Паразитная яркость снижает контраст изображения, поэтому требуется создать такую рабочую яркость экрана, которая обеспечит должный контраст изображения, зависящий, в свою очередь, от содержания отображаемой информации.

Рекомендуемая контрастность (отношение наибольшей яркости изображения к яркости фона) составляет:

Для полутоновых и цветных изображений - 100

Для печатных знаков и штриховых изображений - 25

Для проекции белых знаков и белых штриховых

изображений на чёрном фоне - 5 ÷ 10

Связь между освещённостью экрана и его яркостью выражается через коэффициент яркости r, под которым подразумевается сравнение яркости интересующего экрана при заданной освещённости с идеальным экраном.

Идеальным экраном принято считать равномерно рассеивающую поверхность, создающую яркость в 1 апостильб или 1 / π [нт] от освещённости в 1 люкс.

Коэффициент яркости идеального экрана равен 1.

На рисунке 4 показана яркость элементарной площадки экрана при идеальном распределении вышедшего светового потока с r = 1 и реального с максимальным коэффициентом яркости, совпадающим с направлением падающего пучка.

Наиболее удобным для приближённой оценки качества экрана является угол отклонения, при котором коэффициент яркости падает до 50% или 33% своего максимального значения.

Из опубликованных работ известно, что глаз человека почти не реагирует на двукратное постепенное изменение яркости. Поэтому при подборе характеристик экранного материала можно считать удовлетворительным трёхкратное падение яркости.

Рис. 4

По светораспределению экраны можно разделить на три группы:

- Экраны со светораспределением, удовлетворяющим степени косинуса - когда яркость падает по мере увеличения угла наблюдения.

- Экраны со светораспределением «плоского» вида, когда яркость остаётся постоянной при возрастании угла наблюдения до определённого значения.

- Экраны со светораспределением, сочетающим характеристики первой и второй групп.

На рисунке 5 приведены сравнительные характеристики экранов по коэффициенту яркости от угла наблюдения.

Рис. 5

Примером экрана 1-й группы может служить любая рассеивающая безрастровая структура.

Примером экрана 2-й группы – растровый экран.

По исполнению просветлённые экраны можно классифицировать следующим образом:

- Прозрачный экран с матовой рассеивающей поверхностью

- Экран с замутнённым слоем и матовой поверхностью

- Экран с замутнённым слоем и гладкой поверхностью

- Экран с прозрачным слоем и растровой поверхностью

- Экран с волоконной оптикой

Степень равномерной видимой яркости зависит от характера рассеяния пропускаемого светового потока в пространство наблюдения.

Хорошим и экономичным можно считать тот экран, который пропускает к зрителю с достаточной равномерностью возможно большую часть падающего на него света в ограниченном телесном угле, определяемым зоной наблюдения.

Такой экран теоретически можно назвать идеальным, а его техническим осуществлением может служить растровый экран.

Такие экраны имеют структуру, состоящую из закономерно расположенных микролинз, имеющих как сферический, так и асферический профиль поверхностей, невидимый невооружённому глазу наблюдателя.

Пример растровой структуры экрана с ограниченным углом просмотра представлен на рисунке 6.

Рис. 6

Светосила элемента линзового растра может быть выше, когда линза обращена выпуклой поверхностью к источнику света.

Каждый элемент линзового растра создаёт изображение выходного зрачка проекционного объектива в своей фокальной плоскости с яркостью, соответствующей яркости выходного зрачка с учётом растрового элемента. Это изображение просматривается глазом наблюдателя на фоне поверхности линзы в пределах её апертурного угла.

Поскольку структура растровых элементов экрана лежит на пределе или за пределами разрешающей способности глаза наблюдателя, то можно считать, что глаз ощущает интегральную яркость поверхности экрана или её усреднённое значение.

Обычно для характеристики светорассеяния экрана строится график зависимости коэффициента яркости r от угла наблюдения β', называемый кривой коэффициента яркости или индикатрисой.

На рисунке 5 три типа экранов характеризуются своими и ндикатрисами светораспределения.

Представление о физическом смысле коэффициента яркости можно составить из рассмотрения рисунка 7.

Рис. 7

В' – яркость направленного экрана

β' – телесный угол, которым ограничен выходящий световой поток

Отношение яркости В' к яркости идеального экрана Bл определяет коэффициент яркости экрана

с учётом τ

Данная зависимость позволяет определить возможное увеличение яркости экрана при сужении зоны выхода светового потока.

Данное рассуждение справедливо для идеального перераспределения светового потока , выходящего из экрана, которое удовлетворяется растровым экраном.

Освещённость на поверхности экрана:

α' апертурный угол источника света

Яркость идеального (ламбертовского) экрана

Световой поток dF от элементарной площадки экрана dS может быть распределён как в телесном угле, равном 180º,

так и в любом ограниченном угле

На рисунке 8 показано действие элемента растрового экрана.

Рис. 8

Пусть площадь элемента растра будет обозначаться как dS. Тогда ламбертовская яркость данной площадки от светового потока dF, прошедшего через неё, как было показано выше

На самом деле, элемент линзового растра формирует в фокальной плоскости изображение выходного зрачка проекционного объектива площадью ΔS с максимальным расхождением пучков под углом β'. Световой поток, прошедший через элемент растра, составит

или

Bоб – яркость выходного зрачка объектива

Видимая или интегральная яркость меньше яркости изображения выходного зрачка объектива в число раз, соответствующее отношение площадей или квадрату линейного увеличения.

Bвид = Bоб / V2

Коэффициент яркости

или

с учётом τ экрана

Как видно, оба вывода справедливы и численно совпадают.

Возможна оценка яркости экрана или его коэффициента яркости через выходную апертуру проекционного объектива.

с учётом τ экрана

Из зависимости Bвид = Bоб / V2 можно сделать вывод, что яркость Bвид достигнет максимального значения при τ = 1, так как видимая яркость не может быть выше яркости источника света.

Дальнейшее уменьшение τ приведёт к изменению угла просмотра, который будет определяться не углом β', а углом α'.

Приведённые зависимости позволяют произвести энергетический расчёт элемента растра и оценить его пригодность для различных целей.

При расчётах для растров без межлинзовых промежутков можно принимать

Ρрастр.экр = 0.1 ÷ 0.06

τ = 0.9 ÷ 0.92

4. Разрешающая способность растрового экрана

Под разрешающей способностью растрового экрана следует понимать возможность наблюдения на его поверхности мелких деталей изображения объекта. В предыдущем параграфе было показано, что глаз наблюдателя видит на фоне растрового экрана множество изображений выходного зрачка объектива. Чем больше разница между углом рассеяния растра и выходной апертурой проекционного объектива, тем меньшую величину составляет изображение выходного зрачка относительно площади растрового элемента.

Проекционный объектив строит изображение объекта на поверхностях растровых элементов. Схематично можно представить, что наблюдение его производится через набор отверстий, соответствующих по форме и расположению изображениям выходного зрачка проекционного объектива (рисунок 9).

Рис. 9

Становится очевидным, что непрерывное изображение наблюдаемого объекта превращается для наблюдателя в прерывистое.

Просматриваются отдельные участки наблюдаемого изображения. И чем меньше отверстия, через которые просматривается объект, тем меньше передаётся информации об участке изображения, соответствующем поверхности линзового элемента.

При большой выходной апертуре α' проекционного объектива в случае, когда его значение близко по величине к β' , практически отсутствует потеря разрешения наблюдаемого объекта.

Примером такой системы может служить визирь зеркального фотоаппарата.

При малой выходной апертуре проекционного объектива наблюдение объекта становится дискретным. Каждая светящаяся точка несёт только энергетическую информацию об изображении, и разрешение его определяется шагом растра.

Из работ по скоростной фоторегистрации можно определить минимальное разрешение растрового экрана из следующей зависимости

Nмин = (0.4 ÷ 0.45) / t

t – шаг растра

Nмин – минимальное разрешение

Следовательно, разрешающая способность линзо-растрового экрана находится в диапазоне, обеспечивающем практически полное разрешение проекционного объектива при α ≥ β' и падающем до 2.2 × τ [лин/мм].

Известно, что для обеспечения опознаваемости машинописного текста необходимо на высоту буквы иметь 7 ÷ 8 линз растра. При этом шаг растра для высоты буквы 2мм составит 0.25мм.

Очевидно, можно считать, что уменьшение шага заметного повышения разрешающей способности не даст.

5. Коллективная линза для выравнивания яркости по полю экрана

На рисунке 10 показано распределение световой энергии в пространство наблюдения от отдельных точек экрана.

Рис. 10

Свет от точки «А» в глаз наблюдателя с зкрана не попадает. Следовательно, просмотр растрового экрана ограничен углом 2×β'. Края экрана остаются для наблюдателя тёмными, хотя они освещены проекционным устройством, и линзы растра сквозь себя пропускают световой поток.

Ограничение просмотра экрана будет неизбежным, если не будут введены дополнительные оптические элементы, создающие перераспределение (заклон) световых пучков ото всех линз растра в сторону наблюдателя (см. в рубрике ОПТИКА статью ЧАСТЬ 1) .

Наиболее простым решением может служить коллективная линза, рассчитанная на перенос выходного зрачка проекционного объектива на расстояние наилучшего условия наблюдения, тем самым, обеспечивая на этом расстоянии зону наблюдения, равную для всей поверхности экрана:

В случае значительных размеров экрана коллективную линзу рационально выполнить в виде линзы Френеля.

Относительно низкие оптические свойства линз Френеля (из-за её ступенчатой структуры), тем не менее, позволяют использовать их, когда проецируемое изображение фокусируется вблизи самой линзы.

Линза Френеля может располагаться как на оборотной стороне экрана, так и на лицевой. И может даже выполняться заодно с экраном.

Следует отметить, что максимальное светопропускание линзы Френеля обеспечивается, когда она обращена к источнику света плоской стороной.

Профиль линзы Френеля представляет собой совокупность концентрических преломляющих поверхностей, совместное действие которых эквивалентно действию стеклянной линзы сферического или асферического профиля.

В сечении элементарного профиля различают следующие участки:

abc – сечение рабочего элемента линзы

ab – рабочая грань элемента линзы

bc – соединительная грань элемента линзы

t – шаг рабочих элементов линзы

l – толщина несущего слоя

αл – угол профиля рабочего элемента линзы

δ – действительный угол между соединительной и рабочей гранями линзы

Угол наклона рабочей грани

Ө - угол наклона световых лучей к оптической оси в пространстве предметов

Ө' - угол наклона световых лучей к оптической оси в пространстве изображения

ω' - угол наклона световых лучей к поверхности несущего слоя

n – показатель преломления линзы

Каждый рабочий элемент линзы Френеля имеет определённый угол наклона рабочей грани, осуществление которого производится на специальном станке с программным устройством либо при помощи копировальных устройств.

Освещённость в плоскости экрана уменьшается от центра к краям по закону cos4β, где β – угол поля проекционного объектива.

Основной задачей коллективной линзы является сохранение максимальной освещённости на поверхности экрана.

Если обычная коллективная линза приводит к достаточному выравниванию освещённости поверхности экрана, то коллективная линза Френеля в большинстве случаев её применения приводит к потерям по светопропусканию. Эти потери объясняются наличием призменного увеличения в рабочем элементе линзы и могут быть определены из геометрического построения хода луча через рабочий элемент линзы (рисунок 11).

Рис. 11

Призменное увеличение или раздробленность пучка

Из рисунка 11 можно увидеть, что одна из особенностей линзы Френеля – это возможность полного пропускания светового потока со стороны несущего слоя с раздробленностью на кольцевые зоны и ограниченного пропускания светового потока при падении его на рабочие элементы, ввиду частичного срезания потока соединительными гранями.

Такое рассуждение справедливо, если угол между рабочей и соединительной гранями, имеющий переменное значение, соответствует расчётному. Практически данный угол образуется профилем режущего инструмента и направлением врезания резца. Поэтому несоответствие его расчётному значению создаёт дополнительные потери светового потока.

Для обеспечения максимального светопропускания линзы в каждом случае определяется наиболее рациональный угол профиля режущего инструмента.

Тёмные кольцевые зоны линзы Френеля совместно с растром могут создать муаровую картину, мешающую наблюдению объекта. Поэтому расположение коллективной линзы Френеля относительно растра должно быть согласовано.

Ориентировочно можно считать, что расстояние от линзы Френеля до растра должно быть не менее

α' – выходная апертура проекционного объектива

tл – шаг линзы Френеля

Обычно шаг линзы Френеля находится в пределах 0.1÷ 0.5мм. Из-за технологических трудностей малый шаг обычно выполняется на линзах диаметром до 100мм. С увеличением диаметра линзы шаг её тоже увеличивается.

6. Некоторые особенности растрового экрана

При проведении расчётов растровых элементов по светораспределению и разрешающей способности не рассматривался вопрос влияния формы линз растра и структуры их расположения на некоторые вытекающие из этого характеристики.

Следует отметить, что растровый экран – это прежде всего энергетический элемент оптической схемы проекционного устройства и требования к его элементам с точки зрения обеспечения геометрической формы значительно ниже, чем для растров, передающих изображения объектов в свою фокальную плоскость.

Иными словами, значительные аберрации элемента растра в основном исказят форму и размер изображения выходного зрачка проекционного объектива, а наглядно можно представить, что будет искажена форма отверстий сетки, не влияя на его качество. Эти соображения позволят вести разработку растровых экранов со значительными апертурными углами для обеспечения более широкой зоны наблюдения.

Для светосильных растров существенное значение имеет форма их поверхности с точки зрения исключения сферической аберрации. То есть для линз, обращённых выпуклой поверхностью в сторону падающих пучков, требуется гиперболическая поверхность, и наоборот – эллиптическая.

Остаются в силе требования, что при светосильных растрах их выпуклая поверхность должна быть обращена к проекционному объективу для исключения полного внутреннего отражения на краях линз.

Следующая особенность растрового экрана – это существенное влияние расположения линзовых элементов на качество изображения и его светораспределение структуры.

На рисунке 12 показаны наиболее часто применяемые структуры растров.

Рис. 12

Очевидно, что растр «а» имеет низкое τ из-за необходимого затемнения межлинзовых зон.

Если представить себе, что зона просмотра растра определяется как бы наблюдением изображения выходного зрачка проекционного объектива на поверхности растрового элемента, становится очевидным, что зона просмотра растра «а» - круглая, растра «в» - квадратная и растра «б» - шестигранная. То есть форма поверхности линзы растра определяет форму зоны просмотра экрана.

Основываясь на этом, можно подойти к осуществлению более рациональных форм поверхности линзового элемента, создающих зону просмотра со свободным размещением глазной базы наблюдателя.

На рисунке 12«г» показаны элементы растра прямоугольной формы. При одинаковых условиях проекции и одинаковой поверхности линзовых растров растр «г» создаёт более благоприятные условия наблюдения из-за большей степени свободы глаз наблюдателя.

При рассмотрении разрешающей способности растра была приведена наименьшая разрешающая способность, определяемая шагом растра

Следует отметить, что шаг растра в зависимости от его структуры имеет переменное значение (см. рис. 12).

Следовательно, разрешающая способность растрового экрана в зависимости от направления сканирования будет изменяться.

Ещё одной из особенностей растрового экрана следует считать его повышенную чувствительность к установке относительно плоскости изображения. Плоскость должна проходить через основания линз и её отступления приведут к раздваиванию изображения. Это явление применяется для индикации точной фокусировки в зеркальных фотоаппаратах. Там растр составлен из микропризм. Причём, величина растровых элементов (шаг растра) и будет являться основным фактором, определяющим чувствительность наводки.


Просмотров: 5842

Комментарии к статье:

№ 53   Антон   2010-18-03 11:56:45
Очень подробное и хорошее описание. Спасибо!)
№ 54   Владимир Максимович   2010-18-03 12:29:14
Да Пожалуйста! Мне для Вас не жалко!
№ 257   Н.Ежов   2011-14-01 03:47:21
Ну ? И где список использованных источников ?
№ 268   Владимир Максимович   2011-14-01 08:03:12
На №257. Николай, список использованных источников требуется либо для того, чтобы не повторять уже сказанное ранее другими, либо для оправдания типа: "А я тут ни при чём!"
№ 950   Варфоломей   2012-09-10 14:37:43
Здравструйте!А имеются ли патенты на такого вида растр? Можно ссылки?
№ 951   Владимир Максимович   2012-09-10 15:54:48
На №950
     В своё время я лично занимался изготовлением таких растров. Но о патентной чистоте не задумывался, поскольку сотрудничал по этим вопросам с НИКФИ.
     Думаю, что в Интернете Вы сможете найти нужную информацию.
№ 1926   Сергей   2017-08-09 18:57:55
Подскажите, кто в нашей стране занимается данной тематикой.
№ 1927   Владимир Максимович   2017-09-09 08:27:24
На 1926
     Занимался я лично.
Сейчас не занимается никто.

Растровыми экранами занимался даже НИКФИ. Был даже кинотеатр безочкового стереокино.
Но растры там были линейные.

В г. Горьком пытались создать растровый телеэкран. Но растры для них изготавливала моя группа.

Велась работа с нашими растрами в г. Ереван - оптическая память для компьютеров.

Ваще сообщение:
 

 

Добавить комментарий

[B] [I] [u] [S] [2] [2]       [TAB] [∑] [∓] [≈] [≠] [≤] [≥] [π] [×] [√]       [RED] [GRE] [BLU]

[α] [β] [Γ] [γ] [Σ] [σ] [Δ] [δ] [Ω] [ω] [μ] [Λ] [λ]