專利名稱：基于自由曲面的超薄型反射式投影顯示成像方法及物鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于自由曲面的超薄型反射式投影顯示成像方法及物鏡。
背景技術(shù)：
投影顯示技術(shù)在近幾年來發(fā)展迅速，大屏幕、高清晰度.像顯示是投影顯示的主要優(yōu)點(diǎn)，而且其體積小、重量輕，可廣泛應(yīng)用于電化教學(xué)、辦公、商務(wù)以及廣告娛樂等方面，應(yīng)用前景十分廣泛。根據(jù)應(yīng)用的顯示器件的不同，目前應(yīng)用的投影顯示技術(shù)有DMD、LCD、LCoS投影顯示，投影顯示將計算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字信號或其他視頻信號經(jīng)驅(qū)動電路在顯示器件上形成圖像源，通過照明系統(tǒng)將光源發(fā)出的光由顯示器件調(diào)制后，再由投影成像物鏡放大成像在屏幕上形成彩色圖像。
在投影顯示系統(tǒng)中，投影成像物鏡具有重要的作用，系統(tǒng)的許多性能尤其是清晰度等與投影成像物鏡密切相關(guān)，同時目前投影系統(tǒng)要求盡可能地縮短投影距離，以能在短距離情況下投影大面積，而在投影顯示系統(tǒng)中，由于被照明物體(成像器件)和系統(tǒng)的工作要求，需要提供遠(yuǎn)心照明，以及需要相應(yīng)增加成像物鏡的相對孔徑以提高系統(tǒng)的輸出亮度，因此，對于高效高亮度的投影系統(tǒng)中，投影物鏡是一個短焦、大相對孔、大視場角的遠(yuǎn)心成像物鏡。因此成像物鏡的整體發(fā)展趨勢是短焦距、大視場角、大相對孔徑和高清晰度，這就形成了成像物鏡的設(shè)計和生產(chǎn)的難度在不斷提高，目前普遍采用的透射式成像物鏡由于隨著視場角和相對孔徑的增大，會造成各種色差、軸外像差、畸變的急劇變化并很難同時得以校正，為滿足性能要求就需要不斷提出新的成像物鏡結(jié)構(gòu)形式，或?qū)Τ上裎镧R的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行復(fù)雜化，因此透射式的成像物鏡結(jié)構(gòu)會越來越復(fù)雜并存在著一定局限性。而反射式成像物鏡的設(shè)計概念已經(jīng)越來越被重視，目前反射式成像物鏡大多采用偶次非球面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，偶次非球面為旋轉(zhuǎn)對稱，而采用偶次非球面的成像物鏡在很短投影距離的情況下，就會造成視場角的增大，引起各種色差的增加，同時在短焦距大視場情況下，像差還是難以同時得到矯正，難以保證成像清晰度，并且非球面在面形較大的情況下，在加工和面形測量方面都存在一定困難，隨著近幾年來加工與檢測技術(shù)的飛速進(jìn)步，自由曲面發(fā)展迅速，自由曲面較傳統(tǒng)的偶次軸對稱形式的非球面具有更大的設(shè)計自由度，因而能夠更好地校正球差、慧差等各種像差，獲得更好的成像質(zhì)量，并使簡化結(jié)構(gòu)、降低成本成為可能。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于自由曲面的超薄型反射式投影顯示成像方法及物鏡。
基于自由曲面的超薄型反射式投影顯示成像方法包括1)采用用于校正反射離軸產(chǎn)生的球差和慧差的凹反射面S1、用于校正由大相對孔徑和離軸引起的軸外像差的凸反射面S2、用于校正離軸產(chǎn)生的畸變的凸反射面S3的反射式結(jié)構(gòu)，凹反射面S1、凸反射面S2、凸反射面S3利用Zernike多項式自由曲面校正像差；2)采用多次折疊反射配合離軸方式延長各反射面之間的距離，利用延長反射面之間的距離縮短整體投影成像距離；3)采用提高像平面上的光照度的短焦距大相對孔徑大視場角反射式成像，焦距為8～15mm，相對孔徑為2.0～2.4，視場角為100～135度；4)采用保證像面輻照度均勻的像方遠(yuǎn)心光路結(jié)構(gòu)。
基于自由曲面的超薄型反射式投影顯示成像物鏡依次具有相向放置的用于校正反射離軸產(chǎn)生的球差和慧差的凹反射面S1、用于校正由大相對孔徑和離軸引起的各種軸外像差的凸反射面S2、用于校正離軸產(chǎn)生的畸變的凸反射面S3，凸反射面S2放置位置高于凹反射面S1，凸反射面S3放置位置高于凸反射面S2。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1)采用自由曲面成像方法，三片反射式Zernike多項式自由曲面形成短焦距大相對孔徑大視場角成像，更好地校正像差，結(jié)構(gòu)簡單；2)采用無透鏡形式的反射式結(jié)構(gòu)，消除了各種色差影響，保證成像清晰度；3)采用短焦距大視場角設(shè)計，焦距8～15mm，具有100～135度的視場角，在250mm成像距離下有120倍的放大倍數(shù)，具有超薄特性；4)采用大相對孔徑設(shè)計，相對孔徑為2.0～2.4，提高像平面上的光照度；5)采用像方遠(yuǎn)心成像方法，保證像面輻照度均勻。
圖1是基于自由曲面的超薄型反射式投影顯示成像結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的成像調(diào)制傳遞函數(shù)；圖4(a)是本發(fā)明的歸一化后像面上方1位置的點(diǎn)列圖；圖4(b)是本發(fā)明的歸一化后像面上方0.5位置的點(diǎn)列圖；
圖4(c)是本發(fā)明的歸一化后像面中心點(diǎn)位置的點(diǎn)列圖；圖4(d)是本發(fā)明的歸一化后像面下方0.5位置的點(diǎn)列圖；圖4(e)是本發(fā)明的歸一化后像面下方1位置的點(diǎn)列圖；圖5(a)是本發(fā)明的歸一化后像面上方1位置的瞳面像差圖；圖5(b)是本發(fā)明的歸一化后像面上方0.5位置的瞳面像差圖；圖5(c)是本發(fā)明的歸一化后像面中心點(diǎn)位置的瞳面像差圖；圖5(d)是本發(fā)明的歸一化后像面下方0.5位置的瞳面像差圖；圖5(e)是本發(fā)明的歸一化后像面下方1位置的瞳面像差圖；圖6(a)是本發(fā)明成像物鏡的場曲曲線；圖6(b)是本發(fā)明成像物鏡的畸變曲線。
圖7是本發(fā)明成像物鏡的畸變形狀示意圖。
具體實(shí)施例方式
基于自由曲面的超薄型反射式投影顯示成像方法包括1)采用用于校正反射離軸產(chǎn)生的球差和慧差的凹反射面S1、用于校正由大相對孔徑和離軸引起的軸外像差的凸反射面S2、用于校正離軸產(chǎn)生的畸變的凸反射面S3的反射式結(jié)構(gòu)，凹反射面S1、凸反射面S2、凸反射面S3利用Zernike多項式自由曲面校正像差；2)采用多次折疊反射配合離軸方式延長各反射面之間的距離，利用延長反射面之間的距離縮短整體投影成像距離；3)采用提高像平面上的光照度的短焦距大相對孔徑大視場角反射式成像，焦距為8～15mm，相對孔徑為2.0～2.4，視場角為100～135度；4)采用保證像面輻照度均勻的像方遠(yuǎn)心光路結(jié)構(gòu)。
如圖1所示，它依次具有相向放置的用于校正反射離軸產(chǎn)生的球差和慧差的凹反射面S1、用于校正由大相對孔徑和離軸引起的各種軸外像差的凸反射面S2、用于校正離軸產(chǎn)生的畸變的凸反射面S3，凸反射面S2放置位置高于凹反射面S1，凸反射面S3放置位置高于凸反射面S2。
成像物鏡為三片反射式離軸結(jié)構(gòu)，三片凹反射面S1、凸反射面S2、凸反射面S3分別采用Zernike自由曲面反射面，且為離軸工作方式，焦距分配形式依次為正-負(fù)-負(fù)形式，即凹反射面S1焦距為正，凸反射面S2、凸反射面S3焦距為負(fù)。設(shè)計中采用多次折疊反射配合離軸方式延長各反射面之間的距離，由顯示器件S4發(fā)出的光線經(jīng)凹反射面S1反射后，折疊返回達(dá)到反射面凸S2，凸反射面S2略高于遠(yuǎn)于顯示器件S4，經(jīng)反射面凸S2后再次折疊反射返回反射面凸S3，凸反射面S3又高于遠(yuǎn)于反射面凸S2，凸經(jīng)反射面S3后再次反射返回達(dá)到屏幕S5上，通過多次折疊反射從而達(dá)到縮短投射距離的作用；并且反射式結(jié)構(gòu)可以完全消除了材料折射率的影響，消除色差；而且凹反射面S1、凸反射面S2、凸反射面S3分別采用Zernike多項式自由曲面反射面，Zernike多項式自由曲面具有更多的自由度，可以最大地降低像差，從而提高清晰度。
凹反射面S1、凸反射面S2、凸反射面S3全部采用Zernike多項式反射式自由曲面結(jié)構(gòu)形式，自由曲面的結(jié)構(gòu)形式可以由Zernike多項式進(jìn)行描述，如式(1)表示Z(x,y)=cr21+1-(1+k)c2r2+Σi=1NAiEi(x,y)---(1)]]>式(1)中，r2＝x2+y2，Z(x，y)Sag量，k圓錐系數(shù)，c曲面頂點(diǎn)處基本球面的曲率，Ai多項式系數(shù)，Ei(x，y)為多項式。將多項式項展開，可寫為Σi=1NAiEi(x,y)=A1x1y0+A2x0y1+A3x2y0+A4x1y1+A5x0y2+·····+ANxj-kyk---(2)]]>多項式項數(shù)為N=12j(j+1)+k]]>由式(2)可以看出，同傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)對稱形式的偶次非球面相比較，Zernike多項式自由曲面為非對稱形式，因而具有更多的設(shè)計自由度，在離軸成像系統(tǒng)中能夠更好地校正球差、慧差、畸變等各種像差，獲得更好的成像質(zhì)量。
式(1)的Zernike多項式自由曲面可以寫成極坐標(biāo)形式，即Z(x,y)=cr21+1-(1+k)c2r2+Σi=1NBiFi(ρ,θ)---(3)]]>式(3)中，Bi為極坐標(biāo)形式下的多項式系數(shù)，ρ為極坐標(biāo)下的極軸的長度，θ為極坐標(biāo)下的極軸的角度。
極坐標(biāo)情況下的Zernike多項式各項是互為線性無關(guān)的，對其歸一化后用來描述光學(xué)系統(tǒng)的波前邊界，因此，同物鏡的Seidel像差建立一定的對應(yīng)關(guān)系
將Zernike多項式各項與Seidel像差項建立對應(yīng)后，可以有選擇地單獨(dú)處理各像差系數(shù)，從而分別校正各級像差。
圖2為成像物鏡詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖，反射面S1采用凹面鏡形式，焦距為正值，主要用于校正反射離軸產(chǎn)生的球差和慧差，而且采用凹面鏡結(jié)構(gòu)能夠保證由顯示器件面的光線經(jīng)反射面S1會聚，從而減小后繼反射鏡的口徑，同時使整個系統(tǒng)主面后移，達(dá)到系統(tǒng)的長后工作距要求，而且反射面S1彎曲向顯示器件方向，視場角大的軸外光線經(jīng)反射面S1會聚后，相對于后反射鏡來說視場角變小，從而達(dá)到擴(kuò)大視場角的目的，反射面S1的焦距滿足以下條件3.5＜F1/F＜4.0 (4)其中，F(xiàn)1為反射面S1的焦距，F(xiàn)為系統(tǒng)的整體焦距。
式(4)為反射面S1的焦距分配條件，式(4)為結(jié)構(gòu)像差平衡必須滿足的條件，當(dāng)F1/F＜3.5時，整體結(jié)構(gòu)就很難校正在大相對孔徑大視場角條件下所引起的像差，當(dāng)F1/F＞4.0時，就會引起大的球差和慧差，加大后繼反射面的成像壓力，使像差難以矯正。同時，反射面S1還充當(dāng)焦距微調(diào)整功能，通過反射面S1位移的移動，以保證成像過程像面位置保持不變。
反射面S2為自由曲面形式的凸面鏡，主要用于校正由大相對孔徑和離軸引起的各種軸外像差，焦距分配為負(fù)，用于校正慧差和場曲等軸外像差，反射面S2的焦距分配滿足-5.0＜F2/F＜-4.5(5)其中，F(xiàn)2為后反射面S2的焦距，F(xiàn)為系統(tǒng)的整體焦距。
式(5)為反射面S1的焦距分配條件，式(5)為結(jié)構(gòu)像差平衡必須滿足的條件，當(dāng)F2/F＜-5.0時，整體結(jié)構(gòu)就很難校正在大相對孔徑條件下變焦所引起的慧差，當(dāng)F5/F＞-4.5時，就會縮短系統(tǒng)的后工作距離，造成系統(tǒng)后截距不足以滿足條件。
反射面S3也為自由曲面形式的凸面鏡，主要用于校正離軸產(chǎn)生的畸變，焦距分配為負(fù)，反射面S3的焦距分配滿足-10.0＜F3/F＜-9.0(6)反射面S3可以采用繞反射面的下部作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這樣能夠更好地校正由于屏幕傾斜產(chǎn)生的畸變。
成像物鏡整體采用像方遠(yuǎn)心成像方法設(shè)計，能夠保證由顯示器件發(fā)出的光線盡可能地進(jìn)入物鏡，從而保證像面的照度和照度均勻性。
表1為各反射式自由曲面的詳細(xì)參數(shù)表1反射成像物鏡結(jié)構(gòu)詳細(xì)參數(shù)
表1的各反射曲面基本參數(shù)表1的參數(shù)中，曲率半徑C和圓錐系數(shù)K的定義見式(1)，位置是以顯示器件的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平朝向反射面S1方向?yàn)閄方向。
表2為各反射曲面Zernike多項式各項的多項式系數(shù)表2Zernike多項式各項系數(shù)詳細(xì)參數(shù)
其中，多項式項Ei(x，y)為式(2)中各項，Ai式(2)中各項參數(shù)。
圖3為本發(fā)明成像物鏡的調(diào)制傳遞函數(shù)；在像面可以達(dá)到60線對60％以上，而且子午與弧矢分離小，中心的調(diào)制傳遞函數(shù)已經(jīng)接近衍射極限，因而設(shè)計容差大，易于保證加工。
圖4為本發(fā)明在像面各位置的點(diǎn)列圖，圖4各圖中上方數(shù)字為物面位置，下放數(shù)字為相對應(yīng)的像面位置，如將其歸一化后，則分別為歸一化像面上方1、像面上方0.5、中心位置、像面下方0.5位置、像面下方1位置的點(diǎn)列圖；可以從圖4各圖中看出，由于離軸的原因，像面下方的點(diǎn)列圖大小要大于像面上方的點(diǎn)列圖，因而像面上方的清晰度要高于像面上方的清晰度。
圖5為本發(fā)明在像面各位置的瞳面像差圖，圖5各圖中上方數(shù)字為物面位置，如將其歸一化后，則分別為歸一化像面上方1、像面上方0.5、中心位置、像面下方0.5位置、像面下方1位置的點(diǎn)列圖；各圖中左圖為子物面的瞳面像差，右圖為弧矢面的瞳面像差，可以從圖5各圖中看出，弧矢面像差要小于子午面像差，像面上方的弧矢面像差要小于像面下方的弧矢面像差。
圖6(a)為本發(fā)明成像物鏡的場曲曲線；圖6(b)為本發(fā)明成像物鏡的畸變曲線。圖6(b)表明，本發(fā)明成像物鏡的畸變小于2％，完全能夠滿足成像質(zhì)量要求。圖7是本發(fā)明成像物鏡的畸變形狀示意圖。實(shí)線部分為理想的位置，交叉點(diǎn)位置為模擬的實(shí)際系統(tǒng)的畸變圖形示意。
權(quán)利要求
1.一種基于自由曲面的超薄型反射式投影顯示成像方法，其特征在于包括1)采用用于校正反射離軸產(chǎn)生的球差和慧差的凹反射面S1、用于校正由大相對孔徑和離軸引起的軸外像差的凸反射面S2、用于校正離軸產(chǎn)生的畸變的凸反射面S3的反射式結(jié)構(gòu)，凹反射面S1、凸反射面S2、凸反射面S3利用Zernike多項式自由曲面校正像差；2)采用多次折疊反射配合離軸方式延長各反射面之間的距離，利用延長反射面之間的距離縮短整體投影成像距離；3)采用提高像平面上的光照度的短焦距大相對孔徑大視場角反射式成像，焦距為8～15mm，相對孔徑為2.0～2.4，視場角為100～135度；4)采用保證像面輻照度均勻的像方遠(yuǎn)心光路結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法的基于自由曲面的超薄型反射式投影顯示成像物鏡，其特征在于它依次具有相向放置的用于校正反射離軸產(chǎn)生的球差和慧差的凹反射面S1、用于校正由大相對孔徑和離軸引起的各種軸外像差的凸反射面S2、用于校正離軸產(chǎn)生的畸變的凸反射面S3，凸反射面S2放置位置高于凹反射面S1，凸反射面S3放置位置高于凸反射面S2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法的基于自由曲面的超薄型反射式投影顯示成像物鏡，其特征在于所述的凹反射面S1采用Zernike多項式自由曲面結(jié)構(gòu)，焦距為正值，凹反射面S1的焦距滿足以下條件3.5＜F1/F＜4.0，其中，F(xiàn)1為凹反射面S1的焦距，F(xiàn)為成像物鏡的整體焦距。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法的基于自由曲面的超薄型反射式投影顯示成像物鏡，其特征在于所述的凸反射面S2采用Zernike多項式自由曲面結(jié)構(gòu)，焦距為負(fù)值，凸反射面S2的焦距滿足以下條件-5.0＜F2/F＜-4.5，其中，F(xiàn)2為凸反射面S2的焦距，F(xiàn)為成像物鏡的整體焦距。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法的基于自由曲面的超薄型反射式投影顯示成像物鏡，其特征在于所述的凸反射面S3采用Zernike多項式自由曲面結(jié)構(gòu)，焦距為負(fù)值，凸反射面S3的焦距滿足以下條件-10.0＜F3/F＜-9.0，其中，F(xiàn)3為凸反射面S2的焦距，F(xiàn)為成像物鏡的整體焦距。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于自由曲面的超薄型反射式投影顯示成像方法及物鏡。它依次具有凹反射面S1、凸反射面S2、凸反射面S3、物面S4和像面S5。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1)采用自由曲面成像方法，三片反射式Zernike多項式自由曲面形成短焦距大相對孔徑大視場角成像，更好地校正像差，結(jié)構(gòu)簡單；2)采用無透鏡形式的反射式結(jié)構(gòu)，消除了各種色差影響，保證成像清晰度；3)采用短焦距大視場角設(shè)計，焦距8～15mm，具有100～135度的視場角，在250mm成像距離下有120倍的放大倍數(shù)，具有超薄特性；4)采用大相對孔徑設(shè)計，相對孔徑為2.0～2.4，提高像平面上的光照度；5)采用像方遠(yuǎn)心成像方法，保證像面輻照度均勻。
文檔編號G02B13/00GK1975506SQ20061015505
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月7日
發(fā)明者鄭臻榮, 孫旭濤, 李海峰, 劉旭, 顧培夫 申請人:浙江大學(xué)