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1、河北工业大学 硕士学位论文 柱透镜成像规律的研究 姓名：张恒 申请学位级别：硕士 专业：理论物理 指导教师：范志新 20071201 河北工业大学硕士学位论文 柱透镜成像规律的研究柱透镜成像规律的研究 摘摘 要要 经典几何光学对于球面透镜成像基本规律已经给出了透彻的研究。正柱透镜有会聚光 的作用，在激光扫描扩束，眼睛光学仪器，宽银幕投影镜头等领域有一定的应用。除了光 学设计专业以外，目前还难以检索到对正交柱透镜成像规律的研究报道的内容，本文对正 交柱透镜成像进行研究。 通过简单的实验研究会发现两正交的有一定间距的不同焦距的柱透镜可以成像，所成 的像会产生畸变。本文首先证明了两正交密接柱透镜等效
2、于一个球面透镜，并且求出了组 合透镜的焦距，然后用光路追迹的方法研究了两正交有距柱透镜成像，求出从物点发出的 任意一光线经两柱透镜组后与光屏交点的位置，并且本文给出了正交有距柱透镜的成像的 性质，这些性质是球面透镜所没有的。在研究柱透镜成像的同时发现，柱透镜在不同向度 是一个椭圆，本文参考单球面透镜折射公式给出了单椭圆面的折射公式。 本文研究的意义在于：正交有距柱透镜可以把图像按照不同的倍数放大，得到长条形 图像，并且变化的程度可以通过改变两透镜主焦距的及透镜间距方法进行控制，柱透镜作 为投影镜头在超薄背投显示中有重要作用，使背投电视做薄，而且可以把大屏幕背投电视 机重量减轻、价格降低。本文对
3、正交柱透镜成像的一些研究具有原始创新的意义，给以后 的柱透镜的研究工作者提供了参考，使经典几何光学成像理论内容更加丰富。 关键词：关键词：球面透镜，正交，柱透镜，成像，焦距，密接，有距，超薄背投 i 柱透镜成像规律的研究 THE STUDY ON LAW OF IMAGING OF CYLINDRICAL LENS ABSTRACT Classical Geometrical optics have given deep investigation on the basic law of spherical lens .The study on cylindrical lens is very
4、 little. Protruding cylindrical lens play a convergence role on light,single cylindrical lens play an important role on Laser Scanning Beam Expander and wide-screen projector lens and glass optics. Now except the specialty of designing optics, it is difficult to search the content on the laws of ort
5、hogonal cylindrical lenses. This article does a study on the imaging of orthogonal cylindrical lenses. Through simple experiments we have discovered that two orthogonal distanced cylindrical lenses of diffierent focus can be imaging ,the image may have distortion .The article firstly proves that two
6、 orthogonal bonding cylindrical lenses are equivalent to a spherical lens ,then get the focus of the compounding lens ,the article does some research on orthogonal distanced cylindrical lenses with the idea of optical path-tracing, accordingly we may get the crossing point of light and screen, also
7、the article gives the characters of imaging of orthogonal distanced cylindrical lenses,spherical lens does not have the characters. At the same time, we found that the cross-section is oval at different directions, on the base of spherical surface refraction formula we give the refraction formulas o
8、f the single elliptical surface. The significance of this paper is: as orthogonal distanced cylindrical lenses can make image different multiple ,then get a strip like image ,the degree can be controlled by the method of changing the focus and the distance of the two lenses，cylindrical lenses as a p
9、rojection lenses play a important role on ultra-thin rear projection television, it can make the television thinner and the price lower . In this paper,the significance of the studying on imaging of orthogonal cylindrical lenses is a innovation ,it provides a reference to the subsequent operators, t
10、he study make classical theory of geometrical optics imaging more richness. KEYWORDS: spherical lens,orthogonal,cylindrical lens,imaging,focus,bonding ,distanced , ultra-thin rear projection ii 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，进行研究上作所取得的研究 成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已 公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本文
11、所涉及的研究 二作作出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位沦文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：号试幢日期：丑1 每l 乙A 辆 关于学位论文版权使用授权的说明 本学位论文作者完全了解河北工业大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权河北 T 业大学呵以将学位沦文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 涨t 魉 始知拗 f F 1 期：工b 文缉噬B5 窍 日期：似御、
12、，r 河北工业大学硕士学位论文 第一章第一章 绪论绪论 1-1 柱透镜概述柱透镜概述 透镜的成像作用很早就为人类所认识和利用， 随着人类社会的发展和科学技术的不断进步， 透镜的 应用领域也在不断扩大。球面透镜 1 2? 、柱面镜 3 4 、凹面镜 5 6 、凸面镜 7 、柱面镜组 1213 16? 等的 成像问题人们已经有了一定的了解， 在超薄背投显示领域用柱透镜成像是一种可行方案。 以往的研究是 柱透镜与球面透镜一起使用，柱透镜是辅助元件，广泛应用与激光扩束，眼镜光学，宽银幕电影镜头等 领域， 但没有单独用柱透镜成像的研究， 甚至我国光学领域的权威人士听人说要用柱透镜成像也是表示 惊奇。实验
13、发现两正交柱透镜可以成像，可以把图像按照不同的倍数放大，得到长条形图像，并且变化 的程度可以通过改变两透镜主焦距的及透镜间距方法进行控制，所以研究柱透镜成像有一定的意义。 在如图 1.1 所示， 透明介质制作的实心圆柱上， 平行于圆柱的轴切下一片， 得到的是凸圆柱面透镜， 或称正柱透镜。如图 1.2 所示，若在空心圆柱面的外面平行于轴切下一片，得到的是凹圆柱面透镜，或 称负柱透镜。 图 1.1 正柱透镜 图 1.2 负柱透镜 Fig.1.1 Protruding cylindrical lens Fig.1.2 Concave cylindrical lens 正柱透镜对光有会聚作用，负柱透镜
14、对光有发散作用。一个柱透镜对物成像，只在一个方向有会聚 或发散作用，另一个方向如同平板玻璃，不对光束有会聚或发散作用。 1-2 超薄背投电视研究进展超薄背投电视研究进展 CRT 背投是最早出现在市场上的大屏幕电视，但由于其在产品的清晰度、对比度、亮度等三项指 标上不能满足要求，而且始终没有取得技术突破，CRT 背投退出彩电市场已经不可避免。未来背投产 1 柱透镜成像规律的研究 品可能以 DLP 数码光显电视为主流产品， 三星、 TCL、 长虹、 康佳等众多国内外彩电巨头均采取了 DLP 技术作为背投电视的技术。特别的,DLP 数码光显电视可以做得很薄,超薄 DLP 数码光显电视又被称为 “可悬
15、挂的背投”或“平板背投”,正好迎合了消费者对电视“薄时尚”的追求。同时在数字电视消费理念上， 在目前技术下，只有液晶电视和 DLP 光显背投更适合家居使用。二者都是数字电视，其对图像的处理 都采用完全的数字点阵方式。对于目前的背投市场，整个社会基本上已经形成“背投未来在 DLP”的 观念，而 DLP 平板光显背投被视为主流中的主流。 背投电视的优势： （1） 更大、更清晰的画面视听享受 传统的显像管式电视机由于受技术及成本的限制，虽然现在显像管电视在设计和品质上有很大的提 高， 但是其尺寸的先天限制无法营造影院般的临场震撼感觉。 而背投彩电的尺寸却是 43 英寸、 48 英寸、 51 英寸，甚
16、至有公司的投影电视超出了 70 英寸。电视机内部除了左右两个声道的扬声器和重低音音箱 外，还装有一个中置扬声器，并提供两个外接的后置环绕音箱。其更大的画面带来更佳的视听效果。 传统显像管彩电大多仍采用隔行扫描技术，行间闪烁严重，看久了会眼睛疲乏。而现在的背投彩电 基本采用逐行扫描技术，可得到清晰度较佳的图像。 （2） 成熟的高亮度和长寿命使用技术。 背投式显示系统采用的是封闭的投射光路， 所以完全避免了外界光线干扰， 因此使得屏幕亮度大幅 提高。我们知道，一般普通投影机亮度也就在 1000 流明左右，而背投电视流明可以达到 40005000 左右， 这样不会有黯淡的效果， 使得显示图像更加艳丽逼真。 如长虹“精显王“背投彩电采用由双凸透镜、 菲涅尔光学透镜、保护透镜三层组成的均匀增益屏幕，具有超高亮度，还消除了环境光线反射的影响， 保护眼睛不疲劳。另外，过去背投彩电由于投影管高热问题没有有效解决，包括许多进口背投彩电仍只 有 15 万小时左右使用寿命，而长虹公司对投影管中起冷却作用的冷媒进行了独特配方，延长了使用
