第十章-投影系统及其光能计算剖析

第十章投影系统及其光能计算•§10-5投影仪的作用及其类别•§10-6投影仪中的照明系统•§10-7投影物镜•§10-8投影系统中的光能计算10.5投影仪的作用及其类别作用：把一定大小物体用光源照明后成像到屏幕上进行观察和测量。种类：电影放映机，幻灯机，印相放大机、投影仪等要求：成像清晰；物像相似；像面有足够的光照度，分布均匀。二、投影系统的组成1、照明系统：-----照明物体，充分利用光源发出的光能，并使照明均匀。2、投影物镜：-----把一定大小的物体成像在屏幕上，使成像清晰，物象相似yy’三、投影系统的分类（1）临界照明:光源通过照明系统成像在物平面上，照亮物体；物体再经投影物镜成像在屏幕上。多用于投影物体面积较小的情形：电影放映机照明系统光源投影物镜屏幕ABB’A’透射照明：光源通常用强光放映灯泡临界照明中照明器的分类：反射照明：光源通常采用电弧或短弧氙气灯（2）柯勒照明:光源通过照明系统成像在投影物镜的入瞳上；物体在经投影物镜成像在屏幕上。用于大面积的投影仪中，如幻灯机，放大机。容易在像平面上获得均匀的照明。计量用的投影仪，为避免调焦不准，采用物方远心光路。10.6投影仪中的照明系统一、聚光照明系统的作用和要求(1)提高光源利用率，使光源发出的光能尽可能多地进入投影物镜(2)充分发挥投影物镜的作用，使照明光束能充满物镜的口径；(3)使投影物平面照明均匀，即物平面上各点地照明光束口径尽可能一致。对照明系统的像差一般要求不严格，因其并不影响物平面的成像质量，只是影响像面的光照度二、照明系统的基本结构型式聚光镜的结构型式由光束最大偏转角U’-U决定20º20º~30º30º~50º聚光镜主要光学特性孔径角倍率偏转角度越大，结构越复杂。透镜个数一定时，光束总偏转角越大，每个折射面分担的偏转角越大，进而增大光纤在透镜表面的入射角，导致后果：（1）光线的入射角增大，球差增大，使投影物镜产生渐晕，使像面光照度不均匀；（2）光线入射角增大，光线在透镜表面的反射损失增加。对第一类系统：像面光照度下降对第二类系统：像面光照度不均匀非球面透镜：简化结构，消球差环带状螺纹透镜：消球差存在暗区，不适用于第二类照明系统。每个环带相当于一个透镜的边缘部分10.7投影物镜一、投影物镜的作用将被光源照明的投影物体成像在屏幕上保证成像清晰、物像相似与照明系统合理配合，保证屏幕上有足够的光照度投影物镜的光学特性:视场相对孔径，放大率工作距离(一)视场线视场：投影物体的最大尺寸例：一个100倍的投影物镜，屏幕尺寸为1500mm，线视场为''yyyy或mmy151001500max(二)相对孔径通常，屏幕距投影物镜距离与物镜焦距相比，达数十倍，因此投影物平面近似为物镜的物方焦平面，物方孔径角因为物镜放大率'2sinfDU1'2'sinfDU'sinsinUU2201'41'fDE光照度与相对孔径的平方成正比，光照度与垂轴放大率的平方成反比。像面光照度：'fD：相对孔径(三)放大率放大率影响投影物镜的最大线视场和相对孔径。放大率越大，屏幕上的像越大，测量精度越高。''fl''fl焦距一定时，放大率增大，像距加大，物像之间的距离加大，系统结构尺寸加大。(四)工作距离--------与屏幕共轭的物平面到投影物镜第一面的距离。工作距离的大小直接影响投影仪使用范围；工作距离与物镜放大率，物像之间的共轭距有关；物镜焦距一定，放大率低，工作距离就长；当放大率一定时，物像之间的共轭距大，工作距离就长。物镜的工作距离与它的结构型式有关，在焦距相同条件下，反摄远物镜具有较长的工作距离。二、投影物镜的结构型式投影物镜与照相物镜同属一类光学系统。视场较小时：校正球差，彗差，轴向色差视场较大时：还需校正像散，场曲例如：长工作距离物镜（在反摄远物镜基础上发展起来）测量用结构简单，但系统较长检查仪用系统长度较小例如：大相对孔径物镜用于反射式，物体不透明，光能量很低，相对孔径需很大。10.8投影系统中的光能计算已知投影系统结构参数，求像平面光照度已知像平面光照度，求投影系统和照明系统结构参数光能计算例1：假定一个35mm的电影放映机，采用电弧作光源，要求屏幕照度为100lx，放映机离开银幕的距离为50m，银幕宽7m，求放映物镜的焦距和相对孔径。35mm电影机的片框尺寸为21×16mm2根据电影机的片框尺寸，要求放映物镜的放大率为333217000fx根据放大率公式，x’为物镜的像方焦点到像点的距离。因相距比焦距大得多，所以x′≈l′=50000mmmmxf150333/50000''照明系统光源投影物镜屏幕ABB’A’根据像平面光照度公式有max20sinULE假定系统的透过率为0.5，电弧的光亮度由表6-4查得为28/105.1mcd480max2102361105.11416.35.0100sinLEU15351sinmaxUmmUlD6515351500002sin2max所以，物镜的口径为：物镜的相对口径为：3.2115065fDA照明系统光学特性的计算mmD3703.21850反D反850f’假定片门离照明反射镜的距离为850mm，则反射镜的口径为：设电弧焰口的直径为9mm，片门的对角线尺寸为27mm，为使照明反射镜所成的像大于投影面积，假定反射镜将电弧放大3.5×，则焰口像的最大尺寸为y′=βy=3.5×9=31.5mm由放大率β=-3.5，像距l′=850mm，就可以求得照明反射镜的焦距。对反射的情形n′=-n，得l=-l′/β=-850/(-3.5)=243mm0053.0243185011'1'1llf将l、l′、f′=f代入高斯公式，得所以，照明反射镜的焦距为189mm，口径370mm。f′=189mm例2：一个小型投影仪采用6V30W的白炽灯照明。灯泡的光视效能为15lm/W灯丝为直径3mm，长3mm的螺线管。投影物镜的焦距为50mm，相对孔径1∶3.5，放大率为15×，投影仪的光学系统如下图所示。采用第二种照明方式，照明系统的放大率为2×，系统的透过率τ=0.6，求像平面的光照度。解：光源发出的总光通量为Φ=KΦe=15×30=450lm因光源后面加了球面反光镜，使平均光亮度提高50%，则得到发光体的平均光亮度为L=1.5×4×106=6×106cd/m2假定各方向均匀发光，则发光强度为I=450/4π=35.8cd光亮度为：L=I/dSn=35.8/(0.003×0.003)=4×106cd/m2因为照明器的放大率为2×，因此，投影物镜的有效通光面积为S=6×6=36mm2投影物镜的放大率为-15×，焦距为50mm，则像距l′为：l′=f′+x′=f′(1-β)=50(1+15)=800mm相应的通光口径D为πD2/4=36D=6.77mm对应的像方孔径角为00423.0800277.62sinmaxlDUlxULE200sinmax20互动投影系统：通过捕捉设备（感应器）对目标影像（如参与者）进行捕捉拍摄，然后由影像分析系统分析，从而产生被捕捉物体的动作，该动作数据结合实时影像互动系统，使参与者与屏幕之间产生紧密结合的互动效果。互动投影系统的四个组成部分：（1）信号采集部分：根据互动需求进行捕捉拍摄，捕捉设备有红外感应器、视频摄录机、热力拍摄器等；（2）信号处理部分：把实时采集的数据进行分析，所产生的数据与虚拟场景系统对接；（3）成像部分：利用投影机把影像呈现在特定的位置；（4）辅助设备，如传输线路，安装构件，音响装置等。地面互动投影系统墙面互动投影系统电子翻书系统全息互动投影系统