折反式超短焦投影镜头设计

摘要

超短焦投影技术是近年来兴起的一项新型投影显示技术，其特点是能在很短的投影距离下实现大画面的显示效果，由于工作距离很短，几乎靠近投影幕布，极大的节约了使用空间，同时克服了普通投影机工作时强光容易直射人眼的问题，也完美地解决了讲演者站在投影机和屏幕之间时会产生阴影遮挡的问题，增加了自由活动空间，提升了教学、演讲和展示的互动性。
　　这种新型投影技术的实现主要依赖于经过特殊光学设计的投影物镜，前人在这种超短焦镜头的设计上做过很多相关的研究与实践，在此基础上本文采用离轴折反式的成像光学系统设计方法，成功设计了一款折反式超短焦投影镜头。
　　论文首先介绍了传统的共轴成像系统在大视场、超短焦投影成像上所表现出来的问题和局限性，基于此提出了本文所采用的折反式离轴成像系统设计理论，从原理上分析了这种结构在大视场的情况下解决畸变校正、垂轴色差和场曲控制的问题。随后针对本文所要设计镜头的各项参数目标，选取了合适的初始结构，在设计原理所体现出的优化思想下，经过大量的修改、调整和优化，最终得出符合要求的设计结果。之后对所设计的镜头系统做了详细的公差分析，结果表明公差性能优越、良品率高，同时利用该分析结果确定了系统光机设计的公差要求。
　　最后，在完成光机设计之后，本文加工和装配了一套实验样机系统，经过几轮反复的调试得到满意像质的投影画面，随后对镜头做了成像清晰度评价、畸变与色差评价以及投射比和放大率计算，各项评价结果表明所设计的折反式超短焦投影镜头较好的完成了设计目标要求，其中投射比大小为0.3，视场角达到150°，F数为2.6。镜头结构简单紧凑，折射镜组部分仅含有13片透镜，只使用到1片非球面透镜和1片凹面非球面反射镜。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 投影显示技术的起源和发展概述

1．1．2 现代投影技术

1．2 短焦／超短焦投影技术

1．2．1 不同焦距类型的投影技术概述

1．2．2 超短焦投影技术的发展和研究现状

1．3 课题研究内容与创新

2 折反式投影镜头设计原理分析

2．1 光学设计基本像差理论

2．2 共轴折射成像系统与大视场投影

2．3 折反式离轴成像系统原理分析

2．4 投影镜头设计的性能指标

2．5 本章小结

3 折反式超短焦投影镜头光学设计

3．1 镜头设计参数的确定

3．2 初始结构的选取

3．3 反射镜的面型计算和拟合

3．4 优化设计与分析

3．4．1 优化概述

3．4．2 优化思想与过程分析

3．5 优化设计结果

3．6 像质分析

3．7 本章小结

4 镜头的公差分析与系统光机设计

4．1 公差分析

4．2 镜简光机设计

4．3 实验系统的整体结构设计

4．4 本章小结

5 实验结果与分析

5．1 镜头的加工与装配

5．2 样机调试与实验结果分析

5．2．1 实验样机调试

5．2．2 清晰度评价

5．2．3 畸变与色差评价

5．2．4 投影画面效果分析

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简历

攻读硕士学位期间所取得的科研成果