專利名稱：投影用錐面反射鏡失真成像裝置和成像方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及投影成像技術(shù)，特別是一種投影用錐面反射鏡失真成像裝置和成像方法及其應(yīng)用，用簡單的設(shè)計方案實(shí)現(xiàn)把圖像做單向性的壓縮或放大，可以在幾何光學(xué)教學(xué)儀器等領(lǐng)域得到特殊應(yīng)用。
背景技術(shù)：
光學(xué)是理工高校物理教材中的基本內(nèi)容，采用光的直線傳播概念研究光傳播的基本規(guī)律和光通過光學(xué)系統(tǒng)成像的原理與應(yīng)用的幾何光學(xué)因其實(shí)用性而又被作為應(yīng)用光學(xué)的基礎(chǔ)。球面透鏡、柱面透鏡，棱鏡和平面反射鏡等光學(xué)元件因為加工水平高和應(yīng)用廣泛而早已經(jīng)被研究清楚，但非球面透鏡，非球面非平面的各種反射鏡等成像問題，因為加工難，應(yīng)用特殊，人們對這些光學(xué)元件和光學(xué)現(xiàn)象的研究很不夠。
目前，隨著數(shù)字加工技術(shù)的發(fā)展，非球面透鏡的加工水平提高了，各種應(yīng)用了非球面透鏡的光學(xué)產(chǎn)品越來越多，柱面透鏡在寬銀幕投影鏡頭，眼科儀器，激光擴(kuò)束等領(lǐng)域有特殊應(yīng)用，拋物面反射鏡發(fā)射裝置和聚焦裝置，不銹鋼圓柱反射成像，哈哈鏡成像等是日常人們見到過的有趣的幾何光學(xué)現(xiàn)象，但這些內(nèi)容在現(xiàn)行光學(xué)教材中是難覓蹤影的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種投影用錐面反射鏡失真成像裝置和成像方法及其應(yīng)用，用簡單的設(shè)計方案實(shí)現(xiàn)把投影圖像做單向性的壓縮或放大，為研究非球面非平面的各種反射鏡等成像問題提供實(shí)驗手段，為設(shè)計新的光學(xué)儀器工作原理提供參考，尤其是可以在幾何光學(xué)教學(xué)儀器等領(lǐng)域得到特殊應(yīng)用。
本發(fā)明提供的投影用錐面反射鏡失真成像裝置包括凹錐面反射鏡、凸錐面反射鏡、滑槽、支桿、底座、螺絲以及調(diào)節(jié)架；其中凸錐面反射鏡用螺絲固定在調(diào)節(jié)架上的一端，而凹錐面反射鏡可沿調(diào)節(jié)架的滑槽移動而后再用螺絲固定。調(diào)節(jié)架用支桿與底座連接。凹錐面反射鏡和凸錐面反射鏡的面形、方位和間距可以調(diào)節(jié)，構(gòu)成一種單方向的伽利略望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，其功能是把投影圖像做單向性的壓縮或放大。
所述的凹錐面反射鏡和凸錐面反射鏡用先進(jìn)材料亞克力柔性薄板鍍膜制作，用靠模頂板加工成調(diào)節(jié)架；調(diào)節(jié)架能實(shí)現(xiàn)反射鏡面形從平面向拋物柱面到拋物錐面的調(diào)節(jié)，也能實(shí)現(xiàn)凹凸兩個鏡面的俯仰角度和間距的調(diào)節(jié)。
最終圖像在單方向上壓縮或放大的倍數(shù)由凹錐面反射鏡平均曲率半徑和凸錐面反射鏡平均曲率半徑的比值以及兩個凹凸錐面反射鏡的間距確定。
所述的調(diào)節(jié)架材料可以是金屬框架、塑料框架、木質(zhì)框架或金屬與塑料組合結(jié)構(gòu)。
所述的投影用錐面反射鏡失真成像裝置的應(yīng)用是用在幾何光學(xué)教學(xué)儀器或超薄背投電視等。
本發(fā)明的技術(shù)核心是采用凹錐面反射鏡和凸錐面反射鏡對，構(gòu)成單方向伽利略望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，加插在投影機(jī)和屏幕之間，使投影圖像做失真單向再壓縮或放大，但還能比較清晰地成像。
使用投影用錐面反射鏡失真成像裝置的成像方法步驟1，打開投影機(jī)放映圖像，調(diào)節(jié)焦距使之在屏幕上成像清晰。步驟2，在投影機(jī)前放置凹錐面反射鏡，調(diào)節(jié)凹錐面反射鏡的面形與俯仰角度，在投影機(jī)后上方特定位置放屏幕得到垂直方向清晰而水平方向不清晰的投影。步驟3，在凹錐面反射鏡前再放置凸錐面反射鏡，把步驟1的屏幕向前移動2倍的凹錐面反射鏡和凸錐面反射鏡的間距，調(diào)節(jié)凸錐面反射鏡的面形與俯仰角度，再使圖像在水平和垂直兩個方向上都清晰。
本發(fā)明的光路原理敘述如下在沒有放置本發(fā)明錐面反射鏡失真成像裝置時，調(diào)節(jié)投影機(jī)焦距，使圖像清晰地投影到屏幕上。放置本發(fā)明錐面反射鏡失真成像裝置，從投影機(jī)發(fā)出的光束以一定的張角入射到凹錐面反射鏡上，反射光束指向另外的特定方向，原有的成像關(guān)系遭到破壞，沿錐面母線方向和垂直錐面母線的兩個方向成像面在不同的位置，因此不能得到清晰的圖像。當(dāng)反射光束再入射到凸錐面反射鏡上時(凸錐面反射鏡的錐面母線與凹錐面反射鏡錐面母線平行)，能把光束折返到屏幕上。把屏幕向投影機(jī)方向移動約2倍的凹錐面反射鏡和凸錐面反射鏡的間距，在屏幕平行錐面母線方向上把光路看作平面反射鏡的折反過程，在與原來沒有放置本發(fā)明裝置的等光程位置得到與原來圖像等幅的還原圖像，而在屏幕垂直錐面母線方向上得到比原來圖像壓縮或放大的失真圖像。這兩個垂直方向的像平面再次重合，所以會比較清晰地成像。凹錐面反射鏡和凸錐面反射鏡的面形、方位和間距都可以調(diào)節(jié)，構(gòu)成一種單方向的伽利略望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。把凹錐面反射鏡看作會聚柱面透鏡，凸錐面反射鏡看作發(fā)散柱面透鏡，每次反射都可以套用單方向薄透鏡成像公式求出像距，雖然成像不夠完善，但最后能使圖像還比較清晰地投影在屏幕上。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)1、由于本發(fā)明的光路設(shè)計，能實(shí)現(xiàn)單方向的伽利略望遠(yuǎn)鏡原理的凹錐面反射鏡和凸錐面反射鏡對成像。因為還難以找到如錐面反射鏡成像方面的理論與實(shí)驗研究的報道，本發(fā)明為光學(xué)工作者提出了新的理論研究課題和實(shí)驗手段。
2、由于本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計，能使凹錐面反射鏡和凸錐面反射鏡的面形、俯仰角度和間距都可以調(diào)節(jié)。已有的光學(xué)玻璃元件不具有面形可調(diào)的性質(zhì)，而現(xiàn)在大面積磁控濺射鍍膜技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)亞克力鍍膜工業(yè)產(chǎn)品已經(jīng)很多，用亞克力已經(jīng)能鍍出柔性板高反鏡，為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)提供了材料上的根本保障。
3、由于本發(fā)明的裝置設(shè)計，能把投影圖像失真地壓縮或放大出很多趣味變形圖像來。已有的大學(xué)物理實(shí)驗內(nèi)容幾乎都是驗證性的實(shí)驗，因為原理和現(xiàn)象都還不清楚，以此裝置為教學(xué)儀器，可以開發(fā)出新的研究性幾何光學(xué)實(shí)驗。


圖1本發(fā)明的側(cè)視光路示意圖。
圖2本發(fā)明的上視光路示意圖。
圖3本發(fā)明的調(diào)節(jié)架立體示意圖。
圖4棋盤格像圖。
圖5利用本發(fā)明的棋盤格像效果圖。
圖6棋盤格像凸錐面反射鏡圖。
圖7凹錐面反射鏡棋盤格像圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
參見圖1和圖2，本發(fā)明的一個原理性具體實(shí)施例。選用張角為A的投影機(jī)做物光源，成像屏幕P0與投影機(jī)的距離為L0。凹錐面反射鏡中部的曲率半徑為R凹，放置在到屏幕的距離為L1的位置，仰角為B，在垂直錐面母線方向上把圖像會聚投到投影機(jī)上方P1位置，像距為L1′。凸錐面反射鏡中部的曲率半徑為R凸，放置在與凹錐面反射鏡距離為d的位置，仰角為B，物距L2＝L1′-d，反射成像在P2位置，像距為L2′。P0P2距離約等于2d。不考慮符號規(guī)則，兩次反射成像原理表達(dá)式如下。
(1/L1′)+(1/L1)＝1/f凹＝2/R凹(1/L2′)+(1/L2)＝1/f凸＝2/R凸由于是非球面非平面反射鏡的離軸反射，會引起像場彎曲枕形失真弧形失真等多種現(xiàn)象，本發(fā)明用錐面反射鏡而不是柱面反射鏡，意在設(shè)法改善成像質(zhì)量。參見圖1，在本實(shí)施例中，錐面反射鏡母線在垂直平面內(nèi)，該方向可以看作是平面反射鏡的折反成像，像高H0＝H2。參見圖2，像寬為W0的P0處圖像先被凹錐面反射鏡會聚成像在P1位置成像寬為W1的圖像，P1處圖像再被凸錐面反射鏡發(fā)散成像在P2位置成像寬W2的圖像。調(diào)節(jié)凹凸錐面反射鏡對的面形和間距，可以得到各種壓縮(W2＜W0)、等幅(W2＝W0)和放大(W2＞W(wǎng)0)的圖像。本實(shí)施例的一組具體光路數(shù)據(jù)如下設(shè)原物圖片長寬比為4/3，投影機(jī)發(fā)出的投影光束張角A水平＝20°，A垂直＝15°，投距L0＝1800mm，在屏幕上成像寬度W0＝620mm，高度H0＝465mm。凹錐面反射鏡距離投影機(jī)300mm，仰角B1＝15°，到屏幕距離L1＝1500mm，凹錐面反射鏡焦距f1＝(500±50)mm，壓縮成像距離L1＝(750±50)mm，成像寬度W1＝310mm，高度H1＝270mm。凸錐面反射鏡與凹錐面反射鏡距離d＝200mm，仰角B2＝-15°，凸錐面反射鏡焦距f2＝(380±20)mm，虛物距L2＝550mm，放大成像距離L2＝(1250±50)mm，成像寬度W2＝700mm，高度H2＝465mm。
參見圖3，錐面反射鏡失真成像裝置由凹錐面反射鏡1和調(diào)節(jié)架2以及凸錐面反射鏡3構(gòu)成，其中一個凸錐面反射鏡用固定在調(diào)節(jié)架上的一端，凹錐面反射鏡和凸錐面反射鏡的面形用螺絲4調(diào)節(jié)，而另一個凹錐面反射鏡可沿調(diào)節(jié)架上的滑槽5移動，調(diào)節(jié)好后用螺絲固定。調(diào)節(jié)架用支桿6與底座7連接。凹凸錐面反射鏡調(diào)節(jié)架制作的原則是兩個錐面反射鏡的尺寸和間距根據(jù)投影機(jī)發(fā)出光束的張角確定，調(diào)節(jié)架結(jié)構(gòu)以凸錐面反射鏡不遮擋入射光束，凹錐面反射鏡不遮擋出射光束為前提條件。調(diào)節(jié)架材料可以是金屬框架，也可以是塑料框架，更可以是金屬與塑料組合結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例調(diào)節(jié)架的一組具體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如下凹錐面反射鏡截面尺寸180×180mm，凸錐面反射鏡截面尺寸180×180mm，不計支架，框體長寬高(LWH)尺寸250×200×300mm，凹錐面反射鏡曲率半徑R凹＝(1000±100)mm，凸錐面反射鏡曲率半徑R凸＝(750±50)mm。調(diào)節(jié)架長度雖然固定，但兩個凹凸錐面反射鏡的間距可以在180至220mm之間調(diào)節(jié)。兩個凹凸錐面反射鏡對的上端和下端曲率半徑R凹上和R凹下，R凸上和R凸下都可以從半徑為無窮大的平面至R＝500mm的曲面之間調(diào)節(jié)。把裝置轉(zhuǎn)向，兩個凹錐面反射鏡和凸錐面反射鏡的位置可以交換。
使用本發(fā)明可以得到棋盤格像效果圖，圖4棋盤格像圖。圖5利用本發(fā)明的棋盤格成像效果圖。圖6棋盤格像凸錐面反射鏡圖。圖7凹錐面反射鏡棋盤格像圖。
在電腦里畫出棋盤格圖像，用投影機(jī)放映出來，按前述步驟1得到如圖4所給出的棋盤格圖像。在投影機(jī)前放置本發(fā)明的裝置，按前述步驟2-3得到如圖5所給出的棋盤格失真成像效果圖。在投影機(jī)前單獨(dú)放置凸錐面反射鏡得到棋盤格圖像如圖6。在投影機(jī)前單獨(dú)放置凹錐面反射鏡得到棋盤格圖像如圖7。
將棋盤格圖換做其他的圖片(人物或動物)經(jīng)本發(fā)明裝置再度放映出來，所得到的失真圖像妙趣橫生，與哈哈鏡效果相當(dāng)。
從本發(fā)明的原理出發(fā)，可以設(shè)計出新的光學(xué)部件，在幾何光學(xué)教學(xué)儀器或超薄背投電視等領(lǐng)域獲得潛在應(yīng)用。采用本發(fā)明的裝置，可以在幾何光學(xué)實(shí)驗課堂上演示很多趣味成像現(xiàn)象，或者為古老的幾何光學(xué)找到新的研究課題。采用本發(fā)明的裝置，經(jīng)過巧妙的設(shè)計，可以把大屏幕背投電視機(jī)做得很薄。
權(quán)利要求
1.一種投影用錐面反射鏡失真成像裝置，其特征在于它包括凹錐面反射鏡、凸錐面反射鏡、滑槽、支桿、底座、螺絲以及調(diào)節(jié)架；凸錐面反射鏡用螺絲固定在調(diào)節(jié)架上的一端，凹錐面反射鏡沿調(diào)節(jié)架上的滑槽移動；調(diào)節(jié)架用支桿與底座連接；凹錐面反射鏡和凸錐面反射鏡的面形、方位和間距可以調(diào)節(jié)，構(gòu)成一種單方向的伽利略望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，以便把投影圖像做單向性的壓縮或放大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影用錐面反射鏡失真成像裝置，其特征在于調(diào)節(jié)架對反射鏡面形從平面向拋物柱面到拋物錐面的調(diào)節(jié)，或凹凸兩個鏡面的俯仰角度和間距的調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影用錐面反射鏡失真成像裝置，其特征在于所述的兩個凹錐面反射鏡和凸錐面反射鏡的位置可以交換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影用錐面反射鏡失真成像裝置，其特征在于凹錐面反射鏡和凸錐面反射鏡用亞克力柔性薄板鍍膜制作，用靠模頂板加工成調(diào)節(jié)架
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影用錐面反射鏡失真成像裝置，其特征在于調(diào)節(jié)架材料可以是金屬框架、塑料框架或金屬與塑料組合結(jié)構(gòu)。
6.一種投影用錐面反射鏡失真成像裝置的成像方法，其特征在于包括的步驟1)打開投影機(jī)放映圖像，調(diào)節(jié)焦距使之在屏幕上成像清晰；2)在投影機(jī)前放置凹錐面反射鏡，調(diào)節(jié)凹錐面反射鏡的面形與俯仰角度，在投影機(jī)后上方特定位置放屏幕得到垂直方向清晰而水平方向不清晰的投影；3)在凹錐面反射鏡前再放置凸錐面反射鏡，把步驟1)的屏幕向前移動2倍的凹錐面反射鏡和凸錐面反射鏡的間距，調(diào)節(jié)凸錐面反射鏡的面形與俯仰角度，再使圖像在水平和垂直兩個方向上都清晰。
7.權(quán)利要求1所述的投影用錐面反射鏡失真成像裝置的應(yīng)用，其特征在于用在幾何光學(xué)教學(xué)儀器或超薄背投電視。
全文摘要
本發(fā)明涉及投影用錐面反射鏡失真成像裝置和成像方法及其應(yīng)用，由凹錐面反射鏡和凸錐面反射鏡對構(gòu)成單方向的伽利略望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，其功能是把投影圖像做單向性的壓縮或放大。凹凸錐面反射鏡對用先進(jìn)材料亞克力柔性薄板鍍膜制作，凹凸兩個錐面反射鏡對的面形從平面向拋物柱面到拋物錐面可以調(diào)節(jié)，兩個反射鏡的俯仰角度和間距也可以調(diào)節(jié)。從本發(fā)明的原理出發(fā)，可以設(shè)計出新的光學(xué)部件，在幾何光學(xué)教學(xué)儀器或超薄背投電視機(jī)等領(lǐng)域獲得潛在的應(yīng)用。
文檔編號G02B7/198GK1916684SQ20061001560
公開日2007年2月21日 申請日期2006年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月7日
發(fā)明者范志新 申請人:河北工業(yè)大學(xué)