专利名称：投影用锥面反射镜失真成像装置和成像方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及投影成像技术，特别是一种投影用锥面反射镜失真成像装置和成像方法及其应用，用简单的设计方案实现把图像做单向性的压缩或放大，可以在几何光学教学仪器等领域得到特殊应用。
背景技术：
光学是理工高校物理教材中的基本内容，采用光的直线传播概念研究光传播的基本规律和光通过光学系统成像的原理与应用的几何光学因其实用性而又被作为应用光学的基础。球面透镜、柱面透镜，棱镜和平面反射镜等光学元件因为加工水平高和应用广泛而早已经被研究清楚，但非球面透镜，非球面非平面的各种反射镜等成像问题，因为加工难，应用特殊，人们对这些光学元件和光学现象的研究很不够。
目前，随着数字加工技术的发展，非球面透镜的加工水平提高了，各种应用了非球面透镜的光学产品越来越多，柱面透镜在宽银幕投影镜头，眼科仪器，激光扩束等领域有特殊应用，抛物面反射镜发射装置和聚焦装置，不锈钢圆柱反射成像，哈哈镜成像等是日常人们见到过的有趣的几何光学现象，但这些内容在现行光学教材中是难觅踪影的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种投影用锥面反射镜失真成像装置和成像方法及其应用，用简单的设计方案实现把投影图像做单向性的压缩或放大，为研究非球面非平面的各种反射镜等成像问题提供实验手段，为设计新的光学仪器工作原理提供参考，尤其是可以在几何光学教学仪器等领域得到特殊应用。
本发明提供的投影用锥面反射镜失真成像装置包括凹锥面反射镜、凸锥面反射镜、滑槽、支杆、底座、螺丝以及调节架；其中凸锥面反射镜用螺丝固定在调节架上的一端，而凹锥面反射镜可沿调节架的滑槽移动而后再用螺丝固定。调节架用支杆与底座连接。凹锥面反射镜和凸锥面反射镜的面形、方位和间距可以调节，构成一种单方向的伽利略望远镜系统，其功能是把投影图像做单向性的压缩或放大。
所述的凹锥面反射镜和凸锥面反射镜用先进材料亚克力柔性薄板镀膜制作，用靠模顶板加工成调节架；调节架能实现反射镜面形从平面向抛物柱面到抛物锥面的调节，也能实现凹凸两个镜面的俯仰角度和间距的调节。
最终图像在单方向上压缩或放大的倍数由凹锥面反射镜平均曲率半径和凸锥面反射镜平均曲率半径的比值以及两个凹凸锥面反射镜的间距确定。
所述的调节架材料可以是金属框架、塑料框架、木质框架或金属与塑料组合结构。
所述的投影用锥面反射镜失真成像装置的应用是用在几何光学教学仪器或超薄背投电视等。
本发明的技术核心是采用凹锥面反射镜和凸锥面反射镜对，构成单方向伽利略望远镜系统，加插在投影机和屏幕之间，使投影图像做失真单向再压缩或放大，但还能比较清晰地成像。
使用投影用锥面反射镜失真成像装置的成像方法步骤1，打开投影机放映图像，调节焦距使之在屏幕上成像清晰。步骤2，在投影机前放置凹锥面反射镜，调节凹锥面反射镜的面形与俯仰角度，在投影机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。步骤3，在凹锥面反射镜前再放置凸锥面反射镜，把步骤1的屏幕向前移动2倍的凹锥面反射镜和凸锥面反射镜的间距，调节凸锥面反射镜的面形与俯仰角度，再使图像在水平和垂直两个方向上都清晰。
本发明的光路原理叙述如下在没有放置本发明锥面反射镜失真成像装置时，调节投影机焦距，使图像清晰地投影到屏幕上。放置本发明锥面反射镜失真成像装置，从投影机发出的光束以一定的张角入射到凹锥面反射镜上，反射光束指向另外的特定方向，原有的成像关系遭到破坏，沿锥面母线方向和垂直锥面母线的两个方向成像面在不同的位置，因此不能得到清晰的图像。当反射光束再入射到凸锥面反射镜上时(凸锥面反射镜的锥面母线与凹锥面反射镜锥面母线平行)，能把光束折返到屏幕上。把屏幕向投影机方向移动约2倍的凹锥面反射镜和凸锥面反射镜的间距，在屏幕平行锥面母线方向上把光路看作平面反射镜的折反过程，在与原来没有放置本发明装置的等光程位置得到与原来图像等幅的还原图像，而在屏幕垂直锥面母线方向上得到比原来图像压缩或放大的失真图像。这两个垂直方向的像平面再次重合，所以会比较清晰地成像。凹锥面反射镜和凸锥面反射镜的面形、方位和间距都可以调节，构成一种单方向的伽利略望远镜系统。把凹锥面反射镜看作会聚柱面透镜，凸锥面反射镜看作发散柱面透镜，每次反射都可以套用单方向薄透镜成像公式求出像距，虽然成像不够完善，但最后能使图像还比较清晰地投影在屏幕上。
本发明与已有技术相比，具有如下的优点1、由于本发明的光路设计，能实现单方向的伽利略望远镜原理的凹锥面反射镜和凸锥面反射镜对成像。因为还难以找到如锥面反射镜成像方面的理论与实验研究的报道，本发明为光学工作者提出了新的理论研究课题和实验手段。
2、由于本发明的结构设计，能使凹锥面反射镜和凸锥面反射镜的面形、俯仰角度和间距都可以调节。已有的光学玻璃元件不具有面形可调的性质，而现在大面积磁控溅射镀膜技术的发展，先进亚克力镀膜工业产品已经很多，用亚克力已经能镀出柔性板高反镜，为本发明的实现提供了材料上的根本保障。
3、由于本发明的装置设计，能把投影图像失真地压缩或放大出很多趣味变形图像来。已有的大学物理实验内容几乎都是验证性的实验，因为原理和现象都还不清楚，以此装置为教学仪器，可以开发出新的研究性几何光学实验。
图1本发明的侧视光路示意图。
图2本发明的上视光路示意图。
图3本发明的调节架立体示意图。
图4棋盘格像图。
图5利用本发明的棋盘格像效果图。
图6棋盘格像凸锥面反射镜图。
图7凹锥面反射镜棋盘格像图。
具体实施例方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
参见图1和图2，本发明的一个原理性具体实施例。选用张角为A的投影机做物光源，成像屏幕P0与投影机的距离为L0。凹锥面反射镜中部的曲率半径为R凹，放置在到屏幕的距离为L1的位置，仰角为B，在垂直锥面母线方向上把图像会聚投到投影机上方P1位置，像距为L1′。凸锥面反射镜中部的曲率半径为R凸，放置在与凹锥面反射镜距离为d的位置，仰角为B，物距L2＝L1′-d，反射成像在P2位置，像距为L2′。P0P2距离约等于2d。不考虑符号规则，两次反射成像原理表达式如下。
(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镜的离轴反射，会引起像场弯曲枕形失真弧形失真等多种现象，本发明用锥面反射镜而不是柱面反射镜，意在设法改善成像质量。参见图1，在本实施例中，锥面反射镜母线在垂直平面内，该方向可以看作是平面反射镜的折反成像，像高H0＝H2。参见图2，像宽为W0的P0处图像先被凹锥面反射镜会聚成像在P1位置成像宽为W1的图像，P1处图像再被凸锥面反射镜发散成像在P2位置成像宽W2的图像。调节凹凸锥面反射镜对的面形和间距，可以得到各种压缩(W2＜W0)、等幅(W2＝W0)和放大(W2＞W0)的图像。本实施例的一组具体光路数据如下设原物图片长宽比为4/3，投影机发出的投影光束张角A水平＝20°，A垂直＝15°，投距L0＝1800mm，在屏幕上成像宽度W0＝620mm，高度H0＝465mm。凹锥面反射镜距离投影机300mm，仰角B1＝15°，到屏幕距离L1＝1500mm，凹锥面反射镜焦距f1＝(500±50)mm，压缩成像距离L1＝(750±50)mm，成像宽度W1＝310mm，高度H1＝270mm。凸锥面反射镜与凹锥面反射镜距离d＝200mm，仰角B2＝-15°，凸锥面反射镜焦距f2＝(380±20)mm，虚物距L2＝550mm，放大成像距离L2＝(1250±50)mm，成像宽度W2＝700mm，高度H2＝465mm。
参见图3，锥面反射镜失真成像装置由凹锥面反射镜1和调节架2以及凸锥面反射镜3构成，其中一个凸锥面反射镜用固定在调节架上的一端，凹锥面反射镜和凸锥面反射镜的面形用螺丝4调节，而另一个凹锥面反射镜可沿调节架上的滑槽5移动，调节好后用螺丝固定。调节架用支杆6与底座7连接。凹凸锥面反射镜调节架制作的原则是两个锥面反射镜的尺寸和间距根据投影机发出光束的张角确定，调节架结构以凸锥面反射镜不遮挡入射光束，凹锥面反射镜不遮挡出射光束为前提条件。调节架材料可以是金属框架，也可以是塑料框架，更可以是金属与塑料组合结构。本实施例调节架的一组具体结构数据如下凹锥面反射镜截面尺寸180×180mm，凸锥面反射镜截面尺寸180×180mm，不计支架，框体长宽高(LWH)尺寸250×200×300mm，凹锥面反射镜曲率半径R凹＝(1000±100)mm，凸锥面反射镜曲率半径R凸＝(750±50)mm。调节架长度虽然固定，但两个凹凸锥面反射镜的间距可以在180至220mm之间调节。两个凹凸锥面反射镜对的上端和下端曲率半径R凹上和R凹下，R凸上和R凸下都可以从半径为无穷大的平面至R＝500mm的曲面之间调节。把装置转向，两个凹锥面反射镜和凸锥面反射镜的位置可以交换。
使用本发明可以得到棋盘格像效果图，图4棋盘格像图。图5利用本发明的棋盘格成像效果图。图6棋盘格像凸锥面反射镜图。图7凹锥面反射镜棋盘格像图。
在电脑里画出棋盘格图像，用投影机放映出来，按前述步骤1得到如图4所给出的棋盘格图像。在投影机前放置本发明的装置，按前述步骤2-3得到如图5所给出的棋盘格失真成像效果图。在投影机前单独放置凸锥面反射镜得到棋盘格图像如图6。在投影机前单独放置凹锥面反射镜得到棋盘格图像如图7。
将棋盘格图换做其他的图片(人物或动物)经本发明装置再度放映出来，所得到的失真图像妙趣横生，与哈哈镜效果相当。
从本发明的原理出发，可以设计出新的光学部件，在几何光学教学仪器或超薄背投电视等领域获得潜在应用。采用本发明的装置，可以在几何光学实验课堂上演示很多趣味成像现象，或者为古老的几何光学找到新的研究课题。采用本发明的装置，经过巧妙的设计，可以把大屏幕背投电视机做得很薄。
权利要求
1.一种投影用锥面反射镜失真成像装置，其特征在于它包括凹锥面反射镜、凸锥面反射镜、滑槽、支杆、底座、螺丝以及调节架；凸锥面反射镜用螺丝固定在调节架上的一端，凹锥面反射镜沿调节架上的滑槽移动；调节架用支杆与底座连接；凹锥面反射镜和凸锥面反射镜的面形、方位和间距可以调节，构成一种单方向的伽利略望远镜系统，以便把投影图像做单向性的压缩或放大。
2.根据权利要求1所述的投影用锥面反射镜失真成像装置，其特征在于调节架对反射镜面形从平面向抛物柱面到抛物锥面的调节，或凹凸两个镜面的俯仰角度和间距的调节。
3.根据权利要求1所述的投影用锥面反射镜失真成像装置，其特征在于所述的两个凹锥面反射镜和凸锥面反射镜的位置可以交换。
4.根据权利要求1所述的投影用锥面反射镜失真成像装置，其特征在于凹锥面反射镜和凸锥面反射镜用亚克力柔性薄板镀膜制作，用靠模顶板加工成调节架
5.根据权利要求1所述的投影用锥面反射镜失真成像装置，其特征在于调节架材料可以是金属框架、塑料框架或金属与塑料组合结构。
6.一种投影用锥面反射镜失真成像装置的成像方法，其特征在于包括的步骤1)打开投影机放映图像，调节焦距使之在屏幕上成像清晰；2)在投影机前放置凹锥面反射镜，调节凹锥面反射镜的面形与俯仰角度，在投影机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)在凹锥面反射镜前再放置凸锥面反射镜，把步骤1)的屏幕向前移动2倍的凹锥面反射镜和凸锥面反射镜的间距，调节凸锥面反射镜的面形与俯仰角度，再使图像在水平和垂直两个方向上都清晰。
7.权利要求1所述的投影用锥面反射镜失真成像装置的应用，其特征在于用在几何光学教学仪器或超薄背投电视。
全文摘要
本发明涉及投影用锥面反射镜失真成像装置和成像方法及其应用，由凹锥面反射镜和凸锥面反射镜对构成单方向的伽利略望远镜系统，其功能是把投影图像做单向性的压缩或放大。凹凸锥面反射镜对用先进材料亚克力柔性薄板镀膜制作，凹凸两个锥面反射镜对的面形从平面向抛物柱面到抛物锥面可以调节，两个反射镜的俯仰角度和间距也可以调节。从本发明的原理出发，可以设计出新的光学部件，在几何光学教学仪器或超薄背投电视机等领域获得潜在的应用。
文档编号G02B7/198GK1916684SQ20061001560
公开日2007年2月21日 申请日期2006年9月7日 优先权日2006年9月7日
发明者范志新 申请人:河北工业大学