Цифровий проектор

Реферат: Винахід стосується цифрових проекторів, переважно використовуваних у проекційних і проекційно-колімаційних системах візуалізації тренажерів. Задачею винаходу є створення цифрового проектора, який забезпечує автоматичну корекцію геометричних викривлень, формованих на неплоских екранах видимих зображень, і зниження вартості проектора за рахунок використання в проекторі більш простого й тому менш дорогого проекційного об'єктива. Пропонований цифровий проектор, як і відомий, містить джерело світла, конденсор, просторовий модулятор світла, проекційний об'єктив і контролер, виходи якого з'єднані з керуючими входами джерела світла й просторового модулятора світла. Новим у UA 112189 C2 (12) UA 112189 C2 пропонованому цифровому проекторі є те, що в нього додатково введений фотоприймальний пристрій, розташований по ходу променів від поля проекції через проекційний об'єктив за просторовим модулятором світла, причому вихід фотоприймального пристрою з'єднаний з додатковим входом контролера. UA 112189 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід стосується цифрових проекторів, переважно використовуваних у проекційних і проекційно-колімаційних системах візуалізації тренажерів. Відомий лазерний цифровий проектор, що містить лазерне джерело світла, конденсор, оптичний модулятор і контролер [див., наприклад, Васильєв А.А., Касасент Д., Компанієць І.Н., Парфенов А.В., "Просторові модулятори світла". М.: Радіо й зв'язок, 1987]. Недоліками цього відомого лазерного цифрового проектора є складність корекції геометричних викривлень зображень, формованих таким цифровим проектором на криволінійних екранах та неможливість її автоматизації. Найбільш близьким до того, що заявляється, є цифровий проектор, що містить джерело світла, конденсор, просторовий модулятор світла, проекційний об'єктив і контролер, вхід якого з'єднаний зі входом проектора, а виходи - з керуючими входами джерела світла й просторового модулятора світла [див., наприклад, L.J. Hornbeck, "Deformable-Mirror Spatial Light Modulators (Invited Paper)," Spatial Light Modulators and Applications III, SPIE Critical Reviews, Vol. 1140, pp. 86-102 (August 1989)]. Недоліками цього відомого цифрового проектора є неможливість автоматизації корекції геометричних викривлень видимих зображень, формованих на неплоских екранах, і висока вартість проектора через високу вартість складного проекційного об'єктива проектора з виправленими дисторсією та хроматичними абераціями. Задачею винаходу є створення цифрового проектора, що забезпечує автоматичну корекцію геометричних викривлень формованих на неплоских екранах видимих зображень і зниження вартості проектора за рахунок використання в проекторі більш простого й тому менш дорогого проекційного об'єктива. Технічний результат досягається тим, що пропонований цифровий проектор, як і відомий, містить джерело світла, конденсор, просторовий модулятор світла, проекційний об'єктив і контролер, вхід якого з'єднаний із входом проектора, а виходи - з керуючими входами джерела світла та просторового модулятора світла. Новим у пропонованому цифровому проекторі є те, що в нього додатково введений фотоприймальний пристрій, розташований по ходу променів від поля проекції через проекційний об'єктив за просторовим модулятором світла, причому вихід фотоприймального пристрою з'єднаний з додатковим входом контролера. Фотоприймальний пристрій може бути розташований по ходу променів від поля проекції через проекційний об'єктив за конденсором. Фоточутливий елемент фотоприймального пристрою може бути розташований між випромінюючими елементами джерела світла. Оскільки в пропонованому цифровому проекторі фотоприймальний пристрій розташований по ходу променів від поля проекції через проекційний об'єктив за просторовим модулятором світла, при корекції геометричних колірних викривлень, формованих цифровим проектором зображень, можна повністю врахувати параметри як проекційного об'єктива, так і просторового модулятора світла, забезпечити можливість автоматичної корекції таких викривлень і знизити вартість цифрового проектора за рахунок використання в цифровому проекторі порівняно простого й менш дорогого проекційного об'єктива з низькими вимогами до дисторсії та хроматичних аберацій. Суть винаходу пояснюється наведеними на фіг. 1-5 схемами пропонованого цифрового проектора та зображеннями, що пояснюють юстирування цифрового проектора та корекцію геометричних викривлень зображення, формованого на проекційному екрані пропонованим цифровим проектором. На фіг. 1 наведена схема пропонованого цифрового проектора, у якому фотоприймальний пристрій розташований по ходу променів від поля проекції через проекційний об'єктив за просторовим модулятором світла перед конденсором. На фіг. 2 наведена схема, по якій проводиться юстирування цифрового проектора та корекція геометричних викривлень зображення, формованого цифровим проектором на криволінійному проекційному екрані. На фіг. 3 наведена схема пропонованого цифрового проектора, у якому фотоприймальний пристрій розташований по ходу променів від поля проекції через проекційний об'єктив за конденсором. На фіг. 4 наведена схема пропонованого цифрового проектора, у якому фоточутливий елемент фотоприймального пристрою розташований між випромінюючими елементами джерела світла. 1 UA 112189 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг. 5 наведений приклад схеми розташування фоточутливих площадок фоточутливого елемента фотоприймального пристрою між випромінюючими елементами світлодіодного джерела світла. Наведена на фіг. 1 схема пропонованого цифрового проектора містить джерело світла 1, конденсор 2, просторовий модулятор світла 3, проекційний об'єктив 4, контролер 5 і фотоприймальний пристрій 6, що містить фоточутливий елемент 7, лінзу Френеля 8, дзеркало 9 і поворотний механізм 10. Виходи контролера 5 з'єднані з відповідними входами джерела світла 1 і просторового модулятора світла 3. Вихід фотоприймального пристрою 6 з'єднаний з додатковим входом контролера 5, перший додатковий вихід якого з'єднаний з керуючим входом поворотного механізму 10 фотоприймального пристрою 6, а другий додатковий вихід через додатковий вихід цифрового проектора 11 з'єднаний із входом генератора тестового зображення 12 (див. фіг. 2). На фіг. 1а показана схема цифрового проектора, у якій дзеркало 9 виведене з ходу променів від джерела світла 1 при проектуванні зображення на проекційний екран. На фіг. 1б показана схема цифрового проектора, у якій дзеркало 9 введене в хід променів від поля проекції через проекційний об'єктив 4 при юстируванні проектора та корекції геометричних викривлень проектованого ним на проекційний екран зображення з виключеним джерелом світла. Працює пропонований цифровий проектор у показаній на фіг. 1 конфігурації в такий спосіб. Світловий потік від джерела світла 1 конденсором 2 спрямовується на просторовий модулятор світла 3. Просторовий модулятор світла 3, керований контролером 5, через проекційний об'єктив 4 формує на проекційному екрані 13 (див. фіг. 2) оптичне зображення, яке складається з R- (червоних), G- (зелених), В- (синіх) пікселів. Юстирування цифрового проектора 11 та корекція геометричних викривлень зображення, формованого ним на криволінійному проекційному екрані 13, виконується за схемою, наведеною на фіг. 2. За допомогою генератора тестового зображення 12 на проекційний екран 13 із заданої точки спостереження 14 проектується довільне зображення, наприклад "білий екран". Як генератор тестового зображення 12 може використовуватися будь-який цифровий проектор із проекційним об'єктивом, у якому виправлені дисторсія та хроматичні аберації. На вхід контролера 5 через вхід цифрового проектора 11 подається цифрове зображення, наприклад зображення ортогональної сітки. По команді контролера 5 джерело світла 1 включається, а дзеркало 9 поворотним механізмом 10 установлюється в горизонтальне положення (див. фіг. 1, а). Змінюючи положення та орієнтацію цифрового проектора 11, масштаб і фокусування проекційного об'єктива 4, домагаються, щоб формоване юстированим цифровим проектором 11 зображення було чітким і повністю покривало зображення, проектоване із заданої точки спостереження 14 на проекційний екран 13 генератором тестового зображення 12. Тестове зображення при цьому цілком перебуває у полі проекції цифрового проектора 11. На цьому підготовчі до юстирування операції закінчуються. Відзначимо, що такі підготовчі операції необхідні при юстируванні будь-якого цифрового проектора. Далі, по командах контролера 5 джерело світла 1 вимикається, а дзеркало 9 поворотним механізмом 10 фотоприймального пристрою 6 переводиться в показане на фіг. 1б похиле положення. При похилому положенні дзеркала 9 промені від зображення, сформованого генератором тестового зображення 12 на проекційному екрані 13, які пройшли проекційний об'єктив 4 та просторовий модулятор 3 цифрового проектора 11, відбиваються від дзеркала 9, попадають на лінзу Френеля 8 та фокусуються нею на фоточутливому елементі 7 фотоприймального пристрою 6. По команді контролера 5 по черзі повністю відкриваються Rпікселі просторового модулятора світла 3 цифрового проектора 11. Для кожного відкритого Rпікселя просторового модулятора світла 3 на вхід генератора тестового зображення 12 контролером 5 з додаткового виходу через вихід цифрового проектора 11 послідовно подаються цифрові зображення всіх R-пікселів, а на проекційному екрані 13 по черзі формуються оптичні зображення тестових R-пікселів. Оскільки в кожний момент часу генератором тестового зображення 12 на проекційний екран 13 проектується зображення тільки одного тестового R-пікселя, промені від цього зображення потраплять на фоточутливий елемент 7 фотоприймального пристрою 6 цифрового проектора 11, тільки тоді, коли в цей час відкритий R-піксель просторового модулятора світла 3, оптично сполучений через проекційний об'єктив 4 з тестовим R-пікселем на проекційному екрані. Згідно із принципом зворотності світлових променів у геометричній оптиці саме цей R-піксель просторового модулятора світла 3 при включеному джерелі світла 1 у режимі проектування 2 UA 112189 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 цифрового проектора 11 сформує на проекційному екрані 13 зображення, що просторово співпадає із проектованим генератором тестового зображення 12 у цей момент часу тестовим R-пікселем. Контролер 5 для кожного відкритого в цей момент R-пікселя просторового модулятора 3 цифрового проектора 11 визначає адреси (номери рядка та стовпця) оптично сполученого з ним тестового R-пікселя, якому відповідає максимальна амплітуда перевищуючого поріг виявлення сигналу з виходу фотоприймального пристрою 6. Контролер 5 запам'ятовує впорядковану послідовність пар адрес сполучених R-пікселів - R-пікселя просторового модулятора світла 3 і оптично сполученого з ним через проекційний об'єктив 4 тестового R-пікселя. Таким чином у контролері 5 формується таблиця відповідності атрибутів R-пікселів просторового модулятора світла 3 атрибутам тестових R-пікселів цифрового зображення, яке подається на генератор тестового зображення 12 (Атрибути пікселів визначають їх відповідну колірну яскравість). Завдяки тому, що зображення, формоване на проекційному екрані 13 цифровим проектором 11 повністю покриває зображення, проектоване генератором тестового зображення 12 на тому ж проекційному екрані, для кожного тестового R-пікселя на проекційному екрані 13 завжди знайдеться такий R-піксель просторового модулятора світла 3, при відкриванні якого амплітуда перевищуючого поріг виявлення сигналу з виходу фотоприймального пристрою 6 буде максимальною. Відзначимо, що зазначена відповідність існує тільки для тих R-пікселів просторового модулятора світла 3, зображення яких попадають у зону зображення, формованого на проекційному екрані 13 генератором тестового зображення 12. При цьому тому самому тестовому R-пікселю, формованого генератором тестового зображення 12, може відповідати два й більше R-пікселів просторового модулятора світла 3, залежно від співвідношення форматів цифрового проектора та генератора тестового зображення. Іншими словами, не для кожного з R-пікселів просторового модулятора світла 3 знайдеться такий тестовий R-піксель створюваного на проекційному екрані 13 тестового зображення 12, для якого сигнал з виходу фотоприймального пристрою 6 перевищить поріг виявлення. Зокрема, не знайдеться тестових R-пікселів для всіх R-пікселів просторового модулятора світла 3, зображення яких на проекційному екрані 13 перебувають за межами зони проекції генератора тестового зображення 12. Атрибутам таких R-пікселів просторового модулятора світла 3 привласнюється значення "0" - як R-пікселям нульової інтенсивності. Далі по командах контролера 5 ці ж операції провадяться для всіх G-пікселів і всіх В-пікселів просторового модулятора світла 3. У результаті в пам'яті контролера 5 формуються та зберігаються три таблиці відповідності атрибутів R-, G- і В-пікселів просторового модулятора світла 3 цифрового проектора 11 атрибутам R-, G- і В-пікселів зображення, яке подається на генератор тестового зображення 12. Далі джерело світла 1 включається, дзеркало 9 поворотним механізмом 10 фотоприймального пристрою 6 по команді з додаткового виходу контролера 5 вертається показане на фіг. 1, а горизонтальне положення, на вхід контролера 5 через вхід цифрового проектора 11 подаються вхідні цифрові зображення в тому вигляді, у якому ці зображення повинні бачитися із точки спостереження 14. Контролер 5 відповідно до збережених у його пам'яті таблиць привласнює атрибутам R-, G- і В-пікселів просторового модулятора світла 3 цифрового проектора 11 значення атрибутів R-, G- і В-пікселів вхідного зображення. При цьому на проекційному екрані 13 формується зображення, видиме із заданої точки спостереження 14 без геометричних викривлень та хроматичних аберацій. Відзначимо, що описаний вище алгоритм пошуку адрес R-, G- і В-пікселів вхідного зображення проектора, значення атрибутів яких слід привласнювати атрибутам R-, G- і Впікселів просторового модулятора світла 3, є простим і точним, але не єдино можливим. Використання як тестового зображення по черзі тестових зображень R-, G- і В-пікселів і, відповідно, збереження в пам'яті контролера 5 таблиць відповідності кожного з атрибутів формованих цифровим проектором 11 зображень атрибутам вхідного зображення дозволяє ввести у адреси R-, G- і В-пікселів просторового модулятора світла попередні викривлення відносно вхідного цифрового зображення, необхідні для спостереження із заданої точки без спотворення вхідного зображення, сформувати просторовим модулятором світла 3 зображення з необхідними попередніми викривленнями, знизити вимоги до виправлення дисторсії та хроматичних аберацій проекційного об'єктива 4. Відзначимо, що при застосуванні в цифровому проекторі ахроматичного об'єктива таблиці відповідності атрибутів R-, G- і В-пікселів співпадають, і в цьому випадку достатньо визначити та зберегти в пам'яті контролера 5 одну таблицю відповідності атрибутів пікселів. 3 UA 112189 C2 5 10 15 20 25 30 35 Наведена на фіг. 3 схема пропонованого цифрового проектора відрізняється тим, що фотоприймальний пристрій 6 розміщується між джерелом світла 1 і конденсором 2 та не містить лінзи Френеля. У цьому випадку пропонований цифровий проектор працює так само, як і в конфігурації, показаної на фіг. 1, з тією лише різницею, що при юстируванні цифрового проектора та корекції геометричних викривлень зображення, формованого ним на сферичному проекційному екрані 13, виконуваних за наведеною на фіг. 2 схемою, при похилому положенні дзеркала 9 фотоприймального пристрою 6 промені від зображення, сформованого генератором тестового зображення 12 на проекційному екрані 13, які пройшли проекційний об'єктив 4, просторовий модулятор 3 і конденсор 2 цифрового проектора 11, відбиваються від дзеркала 9 і попадають на фоточутливий елемент 7 фотоприймального пристрою 6. Наведена на фіг. 4 схема пропонованого цифрового проектора відрізняється тим, що фотоприймальний пристрій 6 не містить ані дзеркала з поворотним механізмом, ані лінзи Френеля, а містить лише фоточутливий елемент 7 з фоточутливими площадками 15, які розташовано між випромінюючими елементами 16 світлодіодного джерела світла 1, наприклад, так, як показано на фіг. 5. У цьому випадку пропонований цифровий проектор працює так само, як і в конфігурації, показаній на фіг. 3, з тією лише різницею, що при юстируванні цифрового проектора та корекції геометричних викривлень зображення, формованого ним на криволінійному проекційному екрані 13, виконуваній за наведеною на фіг. 2 схемою, промені від зображення, сформованого генератором тестового зображення 12 на проекційному екрані 13, які пройшли проекційний об'єктив 4, просторовий модулятор світла 3 і конденсор 2 цифрового проектора 11, попадають хоча б на одну з фоточутливих площадок 15 фоточутливого елемента 7 фотоприймального пристрою 6, розташованих між випромінюючими елементами 16 світлодіодного джерела світла 1. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю істотних ознак пропонованого технічного розв'язку технічним результатом, який досягається, полягає в наступному. Установка фотоприймального пристрою по ходу променів від поля проекції через проекційний об'єктив за просторовим модулятором світла дозволяє здійснити в такому цифровому проекторі гранично точне оптичне сполучення пікселів формованого просторовим модулятором світла зображення з пікселями тестового зображення, відображуваними через проекційний об'єктив. Це дає можливість при корекції геометричних і хроматичних аберацій формованих цим цифровим проектором видимих зображень максимально точно та повністю врахувати як параметри проекційного об'єктива, так і параметри просторового модулятора світла цього цифрового проектора. Пропонований цифровий проектор може бути використаний у проекційних системах візуалізації як прямої, так і зворотної проекції, у тому числі мультипроекторних проекційно-колімаційних системах візуалізації тренажерів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 1. Цифровий проектор, що містить джерело світла, конденсор, просторовий модулятор світла, проекційний об'єктив і контролер, вхід якого з'єднаний із входом проектора, а виходи - з керуючими входами джерела світла й просторового модулятора світла, який відрізняється тим, що в нього додатково введений розташований по ходу променів від поля проекції через проекційний об'єктив за просторовим модулятором світла фотоприймальний пристрій, вихід якого з'єднаний з додатковим входом контролера. 2. Цифровий проектор за п. 1, який відрізняється тим, що фоточутливий елемент фотоприймального пристрою розташований по ходу променів від поля проекції через проекційний об'єктив за конденсором. 3. Цифровий проектор за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що фоточутливий елемент фотоприймального пристрою розташований між випромінюючими елементами джерела світла. 4 UA 112189 C2 5 UA 112189 C2 6 UA 112189 C2 7 UA 112189 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8