Статья из сайта petrovlam.ru
Автор: Петров В. М.
Введена 29.07.2008
Последнее обновление: Исправлена: 29.10.2009

Линзовые растры в проекционном экране

 

 

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

 

 

На рисунке 1 в плоскости прозрачного экрана проектором формируется некое изображение. В зрачок глаза наблюдателя, находящегося по другую сторону экрана, сможет попасть с такого экрана только малая зона, окружающая точку пересечения луча, соединяющего глаз наблюдателя с объективом.

Рис. 1

Яркость луча, попадающего в глаз, в этом варианте, разумеется, будет максимальной. Плата за такую яркость – невидимость всех остальных точек изображения. Весь остальной экран будет восприниматься чёрным.

Для расширения видимого поля приходится придавать экрану рассеивающие свойства. Способов, обеспечивающих решение этой задачи – множество. Самый популярный приём – применить матовое стекло. Тогда на частицах материала, создающих матовость, проходящий свет будет отклоняться уже в пределах некоторого конуса (серый цвет на рисунке 2).

Рис. 2

Наблюдатель, находящийся в зоне всех конусов рассеяния (жёлтый цвет), будет видеть все точки экрана и, следовательно, всё проецируемое на экран изображение.

И всё было бы замечательно, если бы не «маленькое» НО!

Дело в том, что:

- Во-первых, из-за частиц, создающих экрану матовость, часть светового потока вообще не проходит сквозь экран, а возвращается назад.

- Во-вторых, в пределах конуса рассеяния яркость точки по сечению этого конуса оказывается сильно зависимой от угла наклона луча к поверхности растра. Чем ближе луч приближается к поверхности экрана, тем меньше света он передаёт наблюдателю. По этой причине наблюдателю краевые зоны экрана кажутся значительно темнее серединных.

Если в продольном сечении конуса рассеяния обозначить векторами мгновенное значение яркости по выбранному направлению и соединить вершины мгновенных векторов плавной линией, то огибающая линия носит название «индикатриса» (рисунок 3).

Рис. 3

На этом же рисунке голубой полуокружностью показана индикатриса, обеспечивающая идеальное перераспределение яркости по углу сканирования (яркость постоянна).

Конечно же, нигде и ничего не даётся даром. Здесь всё - так же. Световой поток, прошедший через конкретную точку рассеивающего экрана, перераспределяется по всему телесному конусу рассеяния. Поэтому платой за равномерную яркость по углу сканирования будет снижение видимой яркости наблюдаемой точки экрана. Такое снижение необходимо компенсировать повышением яркости источника освещения. И при этом всё равно бόльшая часть светового потока не попадает в зону наблюдения (в зону жёлтого цвета на рисунке 2).

Способ «прямолинейного» решения задачи по выравниванию яркости с максимальным использованием светового потока заключается в использовании самостоятельной собирательной линзы (коллиматора). Задача коллиматора – повернуть боковые лучи светового потока к главной оси (рисунок 4).

Рис. 4

С целью минимизации потерь света можно рассчитать коллиматор под конкретные условия рассматривания изображений на экране.

И здесь опять вмешивается «маленькое» НО!

Показанная схема пригодна только для малоразмерных экранов, ибо линзы большого диаметра дороги в изготовлении, да и весят не мало.

Пришло время рассказать немного о линзах Френеля.

Если разрезать обычную линзу на тонкие «ломтики» перпендикулярно её оптической оси (рисунок 5), то каждый такой «ломтик» можно считать сборкой, состоящей из двух частей: краевое кольцо и серединная часть (рисунок 6).

Рис. 5

Рис. 6

Серединная часть является плоско-параллельной пластиной и поэтому не участвует в формировании изображения. Во всякой вещественной линзе отклонения световых пучков создаются только за счёт криволинейной (наклонной к лучу) поверхности. Поэтому и в рассматриваемом «ломтике» работает только наружная поверхность краевого кольца (синий цвет на рисунке 6).

Из такого рассуждения вытекает возможность изъятия серединной части из каждого «ломтика» и размещения оставшихся краевых колец на общую подложку (рисунок 7).

Рис. 7

Не вдаваясь здесь в подробности о технологических тонкостях изготовления таких линз, можно только сказать, что масса экрана, совмещённого с таким коллиматором, на много меньше, чем в варианте со стеклянной линзой. Тем более что сама линза Френеля изготавливается из пластика.

И вновь – «небольшое» НО!

- Во-первых, для изготовления хорошей линзы Френеля необходим станок с алмазным резцом специальной формы, который управляется прецизионным механизмом.

- Во-вторых, применить линзу Френеля совместно с крупноформатным проекционным экраном пока невозможно, так как ещё никто не научился изготавливать пригодные к применению крупноформатные линзы Френеля совместно с крупноформатными просветными экранами.

Для решения задачи по оптимизации светоперераспределения можно было бы поговорить ещё и о других вариантах. Например, о световолоконных, о зеркальных, и т.д. Но это уже интересно, скорее, для экзотических рассуждений, чем для практического использования.

Другое дело линзовые растры!

На рисунке 1 показано, что в случае прозрачного экрана в зрачок глаза наблюдателя попадает только очень узкий пучок света. Весь остальной световой поток проходит мимо зрачка.

На рисунке 2 показано, что для формирования конуса рассеяния можно применить поверхность, содержащую в себе частицы, рассеивающие свет. Тогда часть света от краевых конусов рассеяния тоже попадёт в зону наблюдения, и экран станет видимым весь. Было упомянуто также, что часть светового потока, от названных частиц отражается назад в предметную область.

А если экран будет составлен из микролинз со сферической поверхностью?

Тогда можно ожидать, что лучи, формирующие каждую точку изображения в плоскости экрана, проходя далее сквозь микролинзу, будут этой микролинзой фокусироваться и формировать после себя конус рассеяния. При этом весь световой поток окажется в пространстве наблюдения, а сама точка (пиксель изображения) будет построена в фокальной плоскости микролинзы (рисунок 8).

Рис. 8

ПРИМЕЧАНИЕ

Масштабы на рисунке 8, разумеется, сильно утрированы.

Изображение на экране будет состоять из раздельных точек с расстоянием между ними, практически равным расстоянию между центрами микролинз. Если угловое расстояние между соседними точками от места наблюдения не будет превышать примерно одну угловую минуту, то изображение будет восприниматься слитным.

Индикатриса такого экрана обеспечивает практически постоянную яркость по углу сканирования.

Существуют разные способы изготовления таких растров. Разработаны даже такие технологии, которые позволяют изготовить линзовый растр в домашних условиях («на коленке»).

Плата за эту простоту – малая доля пространства наблюдения, занимаемая зоной всего охвата (то же самое, что и с матовым экраном, только к.п.д. выше).

ПРИМЕЧАНИЕ

Если экран предназначен для обычного наблюдения, то, учитывая горизонтальность базы зрения человека, сферические микролинзы можно заменить на цилиндрические с их вертикальной ориентацией.


Просмотров: 3771

Комментарии к статье:

№ 256   Н.Ежов   2011-14-01 03:41:28
По теме растровых решеток можно у Ландсберга в " Оптике " порыться .
№ 267   Владимир Максимович   2011-14-01 07:59:25
На №256. Николай, можно, конечно, порыться и у Ландсберга.

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]