專利名稱：帶折反射菲涅爾透鏡的俯視投影儀的制作方法
概括地說，本發(fā)明涉及光學(xué)透鏡和投影系統(tǒng)，更確切地說，涉及外形較低的俯視投影儀中所用的消色差折反射透鏡。
透鏡俯視投影儀(OHP)在現(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的，通常包括帶有透明平臺面的底座、位于底座內(nèi)部的光源、安裝在平臺上方的投影頭，以及位于平臺附近，將光射向投影頭的聚光鏡系統(tǒng)。該聚光鏡系統(tǒng)通常采用菲湼爾透鏡或者兩元菲湼爾透鏡組合，有如在授予本發(fā)明受讓人明尼蘇達(dá)礦業(yè)制造業(yè)公司(3M)的美國專利4，436，393中所描述者。
為了輕便以及使用時(shí)減少對被投影象的遮斷，曾作過許多減小OHP底座高度的嘗試。為了獲得這種外形較低的底座，有些設(shè)備在存放或搬運(yùn)時(shí)是折疊的，以后實(shí)際使用時(shí)再打開。在比如美國專利4，969，733和德國專利申請3，519，506中對這類設(shè)備均有描述。不過這種可折疊的OHP有一些缺點(diǎn)，比如需要增加部件，這就增加了設(shè)備的復(fù)雜性及其成本;運(yùn)動部件還會對隨時(shí)對準(zhǔn)光學(xué)元件產(chǎn)生不利影響。最后與普通OHP相比，這些設(shè)備的底座高度從操作上講并無優(yōu)點(diǎn)。為了構(gòu)成底座高度低的OHP而無須折疊底座和光學(xué)元件，曾經(jīng)作過一些其它嘗試。例如授予3M的美國專利4，741，613，采用三組元的折射菲湼爾透鏡系統(tǒng)，使得點(diǎn)光源非?？拷脚_。然而該發(fā)明的若干方面尚待改進(jìn)。光源燈依然直接位于緊靠平臺的正下方，而且是那樣近，就使平臺處的熱處理成為值得注意的問題。由于需用三塊菲湼爾透鏡，勢必增加成本。最后，該系統(tǒng)并不能充分補(bǔ)償平臺面邊緣附近照明的減弱。
美國專利4，118，761及4，952，053所公開的OHP，為了給出較為緊湊的底座，采用折疊光路。在前一專利中，光源還是離軸的，這就意味著光源的視在位置與平臺中心不重合，即其視在位置離開過平臺中心的法線。該裝置要求復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，包括拋物面反射鏡以提供準(zhǔn)直光，兩塊平面的刻有凹槽的反射鏡和聚光鏡組件，而且在離光源最遠(yuǎn)處可能呈現(xiàn)稍微變暗的邊緣。在后一專利中，通過提供兩個(gè)光源對變暗的邊緣加以補(bǔ)償。扭曲且彎曲的鏡面、刻有凹槽的棱鏡比平的聚光鏡更難制造。最后，由于要得到較低的外形，就需要極為貼緊的彎折，這就可能引起光源本身與彎折光路的干擾，因而彎折的光路可能產(chǎn)生實(shí)物尺寸的平臺規(guī)格(例如歐洲的A1格式)問題。
應(yīng)當(dāng)指出的是，在這些已有技術(shù)的各個(gè)OHP中，光源的實(shí)際或者有效位置(即便在離軸時(shí))仍然處于平臺的下方，即處在由聚光鏡系統(tǒng)限定的區(qū)域內(nèi)。
本發(fā)明的OHP采用新型折反射透鏡，能夠克服以上幾點(diǎn)局限性。盡管在OHP中使用任何折反射透鏡本身都是新的，然而折反射透鏡在其它技術(shù)領(lǐng)域中卻是公知的?！罢鄯瓷洹币辉~是指既利用折射又利用反射而使光波改變方向或彎折的透鏡。例如可以參見美國專利2，003，804，4，859，043和5，097，395。如這些專利中描述的那樣，折反射透鏡類似于菲湼爾透鏡，用于光的準(zhǔn)直。在美國專利5，150，966中，通過排除(discard)光將折反射透鏡用于調(diào)整光強(qiáng)分布。還可參見美國專利4，755，921，描述一種在大入射角情況下提高了效率的單元件折反射透鏡，提供一種適用于小型光學(xué)裝置的“快速”鏡頭(低f數(shù))。然而光源燈被定位在鏡頭下面，可能引起與該設(shè)計(jì)，特別是對于大功率的光源燈有關(guān)的熱處理問題。
純折射透鏡及折反射菲爾透鏡的一個(gè)問題是由于通過這種透鏡各種顏色被色散所引起的色差。這種色散是由透鏡材料的光學(xué)特性引起的，即其折射率隨所通過光的波長而變化。這種效應(yīng)特別會因采用三組元的折射聚光鏡系統(tǒng)而加重，如美國專利4，741，613中所示者。但有若干種減小這種效應(yīng)的方法。例如通過予先將具有不同色散的正、負(fù)玻璃透鏡組合，可以矯正限定的波長數(shù)。還作過許多償試，使單元件透鏡中的色差減到最小，比如通過提供不連續(xù)的軸對稱表面，或者通過使用非球面?？蓪⒀苌涔鈻叛b在透鏡(包括菲湼爾透鏡)上面，如美國專利5，161，057所描述者。也可參見美國專利4，337，759，它描述一種彎曲的底座和具有受控色散量的折反射菲湼爾透鏡，用作太陽能聚能器。許多先有技術(shù)僅對于作為與全部(可見)頻譜相對的選定波長將色散減到最小。大多數(shù)這種技術(shù)(包括美國專利4，337，759)還要求具有特定折射率的材料，以得到具有顏色矯正的特定焦距。
根據(jù)前面所述，設(shè)計(jì)一種在外形較低的OHP中所用的折反射透鏡，應(yīng)該是合乎需要和有創(chuàng)造性的。這種透鏡有利于消色差，并由具有很大折射率范圍的隨意數(shù)量透光材料構(gòu)成，它能將光有效地聚焦在OHP的投影鏡頭上。聚光系統(tǒng)最好避免使用微米精度的衍射光柵，而且通常要將光學(xué)元件的個(gè)數(shù)(例如刻有凹槽的反射鏡)減到最小，其中包括聚光鏡中的元件數(shù)減到最小，但仍然要與彎折光路相協(xié)調(diào)。
本發(fā)明提供一種外形較低的俯視投影儀，一般而言，包括帶平臺面的底座、安裝在該底座靠近平臺面的投影儀頭部、鄰近平臺面并在其下面的朝向簡單反射鏡的光源，還包括有折反射菲湼爾透鏡元件和普通折射菲湼爾透鏡的聚光鏡系統(tǒng)。光源為離軸的，而折反射透鏡為偏心的，結(jié)果得到一種快速鏡頭，能夠有效地透過以大角入射到透鏡遠(yuǎn)邊緣上的光。光源相對于平臺位于平臺一側(cè)，這樣的位置便于該光源燈的冷卻，并且避免使用任何能夠產(chǎn)生色差的單純折射。
該折反射透鏡可以包括一種新型表面結(jié)構(gòu)，使之對所有可見光顏色消色差，并且顏色矯正與所用的材料無關(guān)。還公開了一種雙折反射透鏡設(shè)計(jì)，以改善較小入射角情況下的效率。
本發(fā)明的新特征和范圍將在所附的權(quán)利要求中陳述。不過，參照附圖將能很好地理解本發(fā)明本身，其中，

圖1為本發(fā)明的透射OHP的一種實(shí)施例透視圖;
圖2為本發(fā)明OHP的側(cè)視圖，它示意地給出其光學(xué)元件;
圖3為本發(fā)明所用折反射透鏡一種實(shí)施例的底部平面圖，表示其中圓形凹槽為離心取向;
圖4為本發(fā)明所述聚光鏡系統(tǒng)一種實(shí)施例的詳細(xì)截面圖，帶有彼此分開的折反射透鏡和折射菲湼爾透鏡元件;
圖5為本發(fā)明所述折反射透鏡消色差實(shí)施例的詳細(xì)截面圖;
圖6為表示消色差的折反射透鏡和具有最佳的準(zhǔn)直光透過率的有色差的折反射透鏡凹槽角度值的曲線;
圖7為本發(fā)明所述聚光鏡系統(tǒng)一種實(shí)施例的詳細(xì)截面圖，其中的折反射表面和折射菲湼爾表面被組合為單一元件;
圖8為其中結(jié)合有液晶顯示面板的本發(fā)明的OHP另一種實(shí)施例視圖;
圖9為根據(jù)本發(fā)明做成的雙合折反射透鏡的詳細(xì)截面圖。
參見附圖，特別參見圖1，描繪出本發(fā)明的透射式俯視投影儀(OHP)10的一個(gè)實(shí)施例。一般地說，該OHP10包括一個(gè)帶平臺面14的底座12和由懸臂18將其裝在底座12上的普通投影儀的頭部16。底座12可由任何耐用材料構(gòu)成，尤其是如摻雜聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三聚物(ABS)的聚合物。底座12中裝有許多標(biāo)準(zhǔn)部件(未全部示出)，其中包括光源、冷卻光源用的電扇、控制光源和電機(jī)的電源、控制電源的手動開關(guān)以及連接外部電源用的電纜。該投影儀的頭16包括可折疊反射鏡20和多元投影鏡頭22，最好是具有不同焦距的變焦型投影鏡頭，以便調(diào)整焦點(diǎn)和屏幕的大小。底座12具有較低的外形，以便提高OHP10的可攜帶性。用來增加可攜帶性的其它部件包括攜帶提手24(可裝在底座12的兩側(cè))以及可令懸臂18繞迥轉(zhuǎn)軸向下轉(zhuǎn)動的掣子26。還可配備一些機(jī)構(gòu)(未示出)能使懸臂18放松，收緊成緊湊的存放/搬運(yùn)狀態(tài)。其它一些常規(guī)部件，如認(rèn)為需要，可隨意給出。
再參見圖2可以看到這個(gè)OHP10采用彎折的光路，用一塊簡單的平面反射鏡28將來自光源燈30的光反射給位于平臺面14處的菲湼爾聚光鏡系統(tǒng)32。在所示的特定實(shí)施例中，聚光鏡系統(tǒng)32包括一塊帶有許多棱鏡體或螺脊36的折反射菲湼爾透鏡元件34，以及一塊帶有許多螺脊40的屈光的或折射的菲湼爾透鏡元件38。在本申請中，折反射透鏡34用來使光在被折射透鏡38聚焦之前先被準(zhǔn)直。平臺14還可包括一個(gè)位于菲湼爾透鏡38的頂部的書寫臺板42，最好為化學(xué)增強(qiáng)(防斷裂)的玻璃板。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會理解，如果來自光源燈30的光線在射到聚光鏡系統(tǒng)32上之前已被準(zhǔn)直，則螺脊36及40可以是直的(彼此平行)，不過在優(yōu)選的實(shí)施例中，螺脊36及40為圓形或者半圓形的。通過將上部的元件和下部的元件分開并選擇其凹槽寬度比(參見美國專利4，900，129)，可以使因螺脊36及40的重疊所產(chǎn)生的干涉圖減至最小。如圖2所見，菲湼爾透鏡38的徑向中心44最好(但并非必須)位于平臺面14的邊界以內(nèi)，最好與該平臺的幾何中心重合。與此相比，如圖3所示，折反射透鏡34的有效中心45則位于平臺面14的外邊，即折反射透鏡34是偏心的或離軸的。最好將折反射透鏡34的有效中心定位成使光源燈30的有效位置恰在該折反射透鏡元件的焦點(diǎn)處。選擇折反射透鏡34的偏心量，使得折反射透鏡34在光源離它最遠(yuǎn)場合下以較陡的角度入射時(shí)具有增強(qiáng)透射的優(yōu)點(diǎn)。透過折反射透鏡34的光隨距其有效中心的距離增加而增加，而且當(dāng)入射角在約45°至70°之間時(shí)，透射光超過90%，這是對已有技術(shù)的單純折射元件的顯著改進(jìn)。這勢必會使入射到上部菲湼爾透鏡38的準(zhǔn)直光強(qiáng)度得到均衡，也使照明均衡，使之更均勻地越過平臺面14。
現(xiàn)在參見圖4，通過檢查來自光源燈30照在透鏡34上的光線48可以理解折反射透鏡34的性能。光線48經(jīng)過螺脊36的一個(gè)面50進(jìn)入折反射透鏡34，并在此被折射。此后該光線在面52處進(jìn)行完全內(nèi)反射，以使改變方向后從表面54出射的光線48與從表面54出射的其它光線一起受到準(zhǔn)直。繼而，此準(zhǔn)直光在面56及58上被屈光菲湼爾透鏡38折射射向投影鏡頭22。與已有技術(shù)的裝置相比，這種帶折射透鏡38的折反射透鏡34結(jié)構(gòu)，允許使用以很大的入射角入射的離軸光源。這本身又使透射的OHP可具有非常低的外形，光源燈可以緊靠平臺14且在其外邊，這是由于光離開水平反射鏡28反射時(shí)基本上并不增加高度。折疊光學(xué)系統(tǒng)中的大多數(shù)光源燈都在平臺的后面，即在平臺14的正常投影所限定的體積外邊，只不過它們的視在位置(被反射的象)看來似乎仍然在平臺中心的正下方;然而在OHP10中，并不存在這種情況。相反，光源燈30的視在位置位于該體積外側(cè)，以致于此視在位置并非僅僅離軸，而是“離開平臺”更遠(yuǎn)。光源燈30的這種位置補(bǔ)充了透鏡34螺脊36的離開平臺的定心。此外，無需靠折疊底座12就實(shí)現(xiàn)較低的底座高度，盡管通過提供可折疊底座和附帶的光學(xué)元件有助于降低高度。因而OHP10是緊湊的且非常輕便。
圖4中的折反射透鏡34是以會聚方式工作的，即為正透鏡。它還可以如圖5所示那樣完全成為消色差的。圖5中的新型折反射透鏡46可用于OHP10中，或者與其它光學(xué)系統(tǒng)一起使用。如同已有技術(shù)的其它折反射透鏡一樣，透鏡46帶有許多凹槽，確定了一些通常為三角形截面的棱鏡體。不過，透鏡46之所以是新的，在于它對所有(可見)波長基本消除色差。這是通過確保折射面51與反射面53之間的角α等于反射面53與出射面55之間的角β來實(shí)現(xiàn)的。為使每個(gè)凹槽對整個(gè)透鏡設(shè)置為消色差的，必須根據(jù)入射角選擇α和β，特別是這些角度須符合方程式α＝β＝(π-φ1+φ2)/2其中φ1為光線48與表面55的法線間的角度;φ2為在表面55上出射光線所需的折射角。對于每個(gè)棱鏡體47而言，很容易計(jì)算角度φ1和φ2，因?yàn)棣?是光源燈30相對給定棱鏡體47位置的函數(shù)，φ2是所需焦點(diǎn)(鏡頭22)位置的函數(shù)。這個(gè)幾何關(guān)系還能用凹槽角度F1和F2來表示，其中F1＝φ1-φ2F2＝(π-F1)/2。
倘若這一條件得到滿足，則角度φ2也就是光線48在表面51上的入射角，而對于所有可見波長而言，在表面51上的折射角總是等于在表面55上的入射角的，因此透鏡34并不顯現(xiàn)有效的色散。
折反射透鏡的總體性能在于，當(dāng)φ1和φ2二者趨近于零，即非?？拷哥R(有效)中心時(shí)，它們變得非常不適用，不過它們卻反而特別適合于以大角度入射的離軸準(zhǔn)直。盡管圖5表示出光線48顏色分量的某些理論偏移，但這種效應(yīng)(為清楚計(jì)，圖5中已大大夸張了)可以忽略不計(jì)。此外，由于透過光線的所有波長均以同樣角度射入透鏡46，即透鏡46的聚焦特性與波長無關(guān)，所以在技術(shù)上也不構(gòu)成色差。這種總體上的與波長無關(guān)意味著實(shí)際上可用任何透光材料構(gòu)成透鏡，而不改變其聚焦性能。雖然為保證完全內(nèi)反射，折射率必須是高的，然而很寬變化范圍的材料(意味著很大范圍的折射率)都可以采用。
消色差折反射透鏡46可用于OHP10中，盡管這種設(shè)計(jì)比透鏡34的效率低。為了提供準(zhǔn)直光(光線48)，可將角度φ2簡單地設(shè)置為零，它相應(yīng)于光在每個(gè)面51上都有垂直入射角度，完全消除透鏡46折射特性的特定情況。然而，在將折反射透鏡應(yīng)用于OHP的情況下，最大光透射比消色差更為重要，而且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，帶色差的透鏡設(shè)計(jì)能提供更為有效的光透射。圖6以曲線表示OHP用的折反射透鏡34的優(yōu)選凹槽角度。曲線A和B分別表示消色差透鏡中的凹槽角度F1和F2的值，曲線C和D分別表示用在OHP10中的優(yōu)選帶色差的透鏡34的凹槽角度F1和F2的值。
盡管共心的菲湼爾透鏡38和偏心的折反射透鏡34已作為分立元件描述過，然而也可如圖7所示的那樣，將它們作為一個(gè)整體元件進(jìn)行設(shè)計(jì)并制造。在本實(shí)施例中，組合透鏡60由模壓在光學(xué)塑料(如有機(jī)玻璃之類的熱塑性樹脂)板64上表面62中的菲湼爾透鏡凹槽和同時(shí)模壓在光學(xué)塑料板64下表面66中的折反射透鏡凹槽構(gòu)成。組合透鏡60比分立元件34和38更可取，因?yàn)樗芟齼蓚€(gè)空氣/透鏡界面，從而使透過該聚光系統(tǒng)的光約增加8%。
作為折反射結(jié)構(gòu)和菲湼爾透鏡結(jié)構(gòu)之間對光的準(zhǔn)直的另一種應(yīng)用，涉及彩色液晶顯示(LCD)面板。許多這類傳統(tǒng)的面板都采用疊層設(shè)計(jì)，要求準(zhǔn)直光，目的是防止顏色的視差畸變。圖8示出一種改進(jìn)的OHP68，它具有設(shè)在折反射元件和折射菲湼爾元件之間的液晶面板70。還應(yīng)當(dāng)指出的是，由于控制輻射熱和對流熱比較容易，所以光源燈30離開平臺配置有利于它的冷卻。這在液晶面板的應(yīng)用中尤為重要，因?yàn)檫@些面板通常對熱非常敏感。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會理解，可將本發(fā)明提出的離軸透鏡和/或消色差折反射透鏡用于其它帶菲爾透鏡或不帶菲湼爾透鏡的光學(xué)系統(tǒng)中。此外，適當(dāng)選擇α角和β角，可提供按發(fā)散方式工作，即作為負(fù)透鏡的消色差折反射透鏡。關(guān)于這一點(diǎn)，本發(fā)明還設(shè)想將會聚折反射透鏡與發(fā)散折反射透鏡結(jié)合在一起的雙合透鏡方案。如上面指出的那樣，所述會聚折反射透鏡對于較小入射角(即靠近螺脊36的徑向中心)效率比較差。然而已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可如圖9所示那樣，將會聚透鏡與發(fā)散透鏡結(jié)合成為雙合透鏡，在以較小的入射角跨過其整個(gè)區(qū)域(在透鏡72的平面一側(cè)入射)時(shí)，這種雙合透鏡是高效率的。在這個(gè)實(shí)施例中，發(fā)散折反射透鏡72與會聚折反射透鏡74配對，每個(gè)透鏡的凹槽/棱鏡體結(jié)構(gòu)彼此相對，各棱鏡體對準(zhǔn)在一起，即透鏡72螺脊的尖峰與透鏡74螺脊的尖峰相接觸。凹槽的角度由以下公式確定F1＝φ3-φ4，F(xiàn)2＝(π-F1)/2，F(xiàn)3＝(π-F4)/2，F(xiàn)4＝φ1+φ2，φ2＝φ3，結(jié)果是透鏡為全消色差的，且對于各種傾角都是高效率的。
通過提供特定的光學(xué)部件，可進(jìn)一步改進(jìn)本發(fā)明。重新參看圖2，該光源包括后反射器76和光源燈聚光鏡78。為改善聚光鏡系統(tǒng)32的離軸照明，可使光源燈30相對聚光鏡78偏心或者傾斜。此外，輔助性的柱面聚光鏡80可與常規(guī)透鏡結(jié)合在一起使用。在離軸照明系統(tǒng)中，可將光束拉長或者橢圓化，這意味著靠近橢圓光束主軸兩側(cè)的光可能損耗，或者相反，靠近該光束非主要側(cè)的照明將會暗些。使用輔助柱面鏡80可補(bǔ)償這種效應(yīng)，將拉長的光束拉回到圓形(橢圓地壓扁該光束)，得到更均勻的光分布。可將分立的柱面鏡和圓形透鏡結(jié)合成一塊復(fù)曲面型透鏡，或者非旋轉(zhuǎn)對稱的非球面透鏡。最后，在所示的實(shí)施例中，投影鏡頭22正好位于平臺面14中心的上方。然而，還可以像美國專利4，436，393所設(shè)想的那樣，將投影儀的頭部16向前移動，將梯形畸變作用減至最小，以改進(jìn)本發(fā)明。這還需要將螺脊40的中心向前移動，保持投影儀的頭部16正好位于菲湼爾透鏡38光學(xué)中心(光軸)的上方。
盡管可以根據(jù)特定的應(yīng)用大大改變OHP10的具體尺寸和光學(xué)參數(shù)，但下面的近似值被認(rèn)為是示范性的。對具有A4規(guī)格(平臺面積約為285毫米×285毫米)的OHP來說，變焦透鏡具有280毫米至320毫米的變焦，它位于平臺14上方370厘米。焦距為370毫米的圓形共心的屈光菲湼爾透鏡38和焦距約為165毫米的圓形離軸折反射透鏡34，恰好位于玻璃平臺的正下方。屈光透鏡中心和折反射透鏡中心之間橫向分開約229毫米。每個(gè)透鏡被模壓在2毫米厚的丙烯酸塑料中，并有每毫米2到16個(gè)凹槽的凹槽出現(xiàn)率。選擇上部元件和下部元件之間的凹槽出現(xiàn)率之比，將兩種凹槽結(jié)構(gòu)間的莫爾干涉條紋減至最少。典型的凹槽出現(xiàn)率之比為4.74∶1。將這些透鏡組裝在一起，并沿它們的周邊進(jìn)行密封，同時(shí)透鏡34的平表面54與透鏡38的螺脊40之間間隔1至2毫米。平面反射鏡28裝在玻璃板42下方100毫米處，并與透鏡34和38平行。光源組件包括焦距在80至90毫米之間的平凸聚光鏡，400瓦的36伏EVD型白熾燈，以及帶有二向色冷反射鏡鍍層的后向球面反射鏡，該組件位于反射鏡28之上，以便在折反射透鏡34下方165毫米處形成光源燈30的虛象。這個(gè)示范性O(shè)HP的有效底座高度約為100至115毫米，從而得到極為輕便的設(shè)備，尤其是把投影儀的頭部向下折疊時(shí)。
盡管本發(fā)明是參照具體實(shí)施例來描述的，但這種描述并不意味著對發(fā)明構(gòu)成限制。參照對本發(fā)明的描述，所公開的實(shí)施例以及本發(fā)明其它實(shí)施例的各種變型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，都將是非常明顯的。因此可以予料，可以做出這樣的變型而不會脫離所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種俯視投影儀，包括帶平臺面的底座；裝在所述底座上的投影儀頭部，緊靠著所述平臺面；位于底座中的光源；將來自所述光源的光射向所述平臺面的裝置；將來自所述平臺面的光聚光，射向所述投影儀頭部的裝置，該聚光鏡裝置包括通常為平面的、固定于底座上、緊靠平臺面的折反射透鏡。
2.一種如權(quán)利要求1所述的俯視投影儀，其特征在于所述折反射透鏡具有許多同心的圓形螺脊，限定一有效中心，該有效中心位于所述平臺面外邊。
3.一種如權(quán)利要求1所述的俯視投影儀，其特征在于所述聚光鏡裝置還包括與所述折反射透鏡鄰接的菲湼爾透鏡，所述折反射透鏡具有多個(gè)螺脊，可使通過它的光受到準(zhǔn)直，所述菲湼爾透鏡具有多個(gè)螺脊，用以會聚上述被準(zhǔn)直的光。
4.一種如權(quán)利要求1所述的俯視投影儀，其特征在于所述折反射透鏡是消色差的。
5.一種如權(quán)利要求1所述的俯視投影儀，其特征在于所述的將光射向平臺面的裝置包括設(shè)在底座中通常為平面的反射鏡，該反射鏡通常與所述折反射透鏡平行。
6.一種如權(quán)利要求5所述的俯視投影儀，其特征在于所述平臺面有一中心;所述反射鏡可產(chǎn)生所述光源的視在位置;所述光源和反射鏡相對于所述平臺面定位，從而使光源的上述視在位置偏移通過上述平臺面中心的法線。
7.一種如權(quán)利要求6所述的俯視投影儀，其特征在于所述的將光射向平臺面的裝置還包括插在上述光源和反射鏡之間的裝置，將來自光源的光橢圓形地壓扁。
8.一種如權(quán)利要求7所述的俯視投影儀，其特征在于所述的將光射向平臺面的裝置包括與所述光源鄰近的聚光鏡;所述將光橢圓形地壓扁的裝置為一插在上述聚光鏡和反射鏡之間的輔助性柱面透鏡。
9.一種如權(quán)利要求7所述的俯視投影儀，其特征在于所述的將光橢圓形地壓扁的裝置為一復(fù)曲面透鏡。
10.一種俯視投影儀，包括帶平臺面的底座;裝在所述底座上的投影儀頭部，疊置于所述平臺面上;位于底座中的光源;將來自所述平臺面的光聚光，射向所述投影儀頭部的透鏡裝置;將來自所述光源的光射向所述平臺面的裝置，該裝置包括設(shè)在底座中的反射鏡，它產(chǎn)生所述光源的視在位置;上述光源和反射鏡相對于平臺面定位，從而使上述光源的視在位置處于平臺面的正投影所限定的范圍之外。
11.一種如權(quán)利要求10所述的俯視投影儀，其特征在于所述聚光鏡裝置包括通常為平面的折反射透鏡;所述反射鏡通常為平面的并與上述折反射透鏡平行。
12.一種如權(quán)利要求11所述的俯視投影儀，其特征在于所述折反射透鏡具有多個(gè)同心的圓形螺脊，限定一有效中心，該中心位于上述平臺面外邊。
13.一種如權(quán)利要求12所述的俯視投影儀，其特征在于所述光源與穿過上述折反射透鏡有效中心的法線對準(zhǔn)。
14.一種如權(quán)利要求12所述的俯視投影儀，其特征在于所述折反射透鏡有一焦點(diǎn)，上述光源的視在位置近似位于該焦點(diǎn)處。
15.一種消色差折反射透鏡，用于改變來自光源的光的方向，它包括通常為平面的基片，它具有平的表面和構(gòu)造表面;所述構(gòu)造表面具有多個(gè)棱鏡螺脊，每個(gè)棱鏡螺脊有一折射面和一反射面，所述折射面和反射面之間限定第一角度α，而所述反射面和平的表面之間限定第二角度β;所述角α和β近似相等，通常符合方程式α＝β＝(π-φ1+φ2)/2其中φ1為自光源來的光線在所述折射面上的入射角，φ2為從所述平的表面出射的光線所需的出射角。
16.一種如權(quán)利要求15所述的消色差折反射透鏡，其特征在于所述螺脊通常為圓形且同心的。
17.一種如權(quán)利要求16所述的消色差折反射透鏡，其特征在于所述同心圓形螺脊限定一個(gè)有效中心，該中心位于該透鏡外邊。
18.一種雙合折反射透鏡系統(tǒng)，包括具有第一平表面和第一構(gòu)造表面的第一發(fā)散折反射透鏡，該第一構(gòu)造表面有多個(gè)棱鏡螺脊和凹槽;具有第二平表面和第二構(gòu)造表面的第二會聚折反射透鏡，該第二構(gòu)造表面有多個(gè)棱鏡螺脊和凹槽，而且所述第二構(gòu)造表面設(shè)置成與上述第一透鏡的第一構(gòu)造表面相貼近，所述第一及第二透鏡通常為平行的。
19.一種如權(quán)利要求18所述的雙合折反射透鏡系統(tǒng)，其特征在于該透鏡系統(tǒng)為消色差的;所述第二透鏡的每個(gè)螺脊都有一反射面和一折射面，而且所述折射面與第二平表面之間限定第一凹槽角F1，而在所述反射面與第二平表面之間限定第二凹槽角F2;所述第一透鏡的每個(gè)螺脊都有一反射面和一折射面，而且所述反射面與第一平表面之間限定第三凹槽角F3，而在所述折射面與第一平表面之間限定第四凹槽角F4;上述各凹槽角通常符合方程式F1＝φ3-φ4，F(xiàn)2＝(π-F1)/2，F(xiàn)3＝(π-F3)/2，F(xiàn)4＝φ1+φ2，φ2＝φ3，其中φ1為自光源來的光線在第一平表面上的入射角，φ2為從上述第一構(gòu)造表面的一個(gè)螺脊出射的光線相對于上述第一平表面的法線的出射角，φ3為從上述第二構(gòu)造表面的一個(gè)螺脊出射的光線相對于上述第一平表面的法線的出射角，φ4為從上述第二平表面出射的光線所需的出射角。
20.一種如權(quán)利要求18所述的雙合折反射透鏡系統(tǒng)，其特征在于所述第一透鏡的各螺脊與所述第二透鏡的各螺脊對準(zhǔn);上述第一和第二透鏡的各螺脊為圓形、同心的，限定一個(gè)有效中心，該中心位于各透鏡系統(tǒng)的外邊。
全文摘要
一種外形較低的透射俯視投影儀，采用彎折光路和折反透鏡的離軸菲涅爾透鏡聚光系統(tǒng)。該透鏡提供快速聚光系統(tǒng)，使大角度入射到其上的光在遠(yuǎn)邊緣高效率透射。以低平的角度安裝單塊反射鏡，降低底座高度，光源仍保持在平臺下鄰近處。新方案還具有消色差特性，可由任何材料構(gòu)成，與其折射率無關(guān)。該系統(tǒng)可以有單一的或雙合折反射透鏡。
文檔編號G03B21/132GK1089730SQ9311992
公開日1994年7月20日 申請日期1993年12月20日 優(yōu)先權(quán)日1992年12月21日
發(fā)明者J·C·納爾遜, R·M·費(fèi)斯勒, D·F·范德沃夫 申請人:明尼蘇達(dá)礦產(chǎn)制造公司