摘要：曲面反光杯的调校直接影响超短焦投影的投射比、视场、图像质量等关键参数。针对人工调校效率低、联动性差、性能不稳定等问题，设计了一种新型的智能调校装置，制作了原理样机并进行了实验测试。装置由三轴移动平台及调校螺丝刀组成，其中三轴移动平台采用滚珠丝杆直线模组搭建，定位精度高，可让调校螺丝刀沿X，Y，Z三个方向运动，以适用于不同安装位置的曲面反光杯；螺丝刀头部凹槽设计成外圆内方结构，通过3D打印成型，由伺服电机驱动，能与反光杯调校螺母自动对中。样机测试结果表明，装置运行稳定、联动性好、可根据投影图像畸变信息，60 s内自动完成调校过程，相比人工调校，效率至少提高了50%。

　　关键词：超短焦投影；曲面反光杯；智能调校；3D打印

　　Design of Intelligent Adjusting Device for Curved Reflector of Ultra-short-focus Projection Lens

　　Xu Yanhua1，Xu Hongpeng1，Liu Wei1，Zhang Yanyan1，Su Wenlu2

　　(1.Minnan University of Science and Technology,Quanzhou,Fujian 362700,China;

　　2.Quanzhou Rishes Intelligent Technology Co.,Ltd.,Quanzhou,Fujian 362000,China)

　　Abstract:The adjustment of curved reflector directly affects the key parameters of ultra short focus projection,such as projection ratio,field of

　　view,image quality,etc.Aiming at the problems of low efficiency,poor linkage and unstable performance of manual adjustment,a new type of

　　intelligent adjustment device is designed,and a prototype is made and tested.The main structure is composed of a three-axis mobile platform

　　and an adjusting screwdriver.The three-axis mobile platform is built with ball screw linear module,with high positioning accuracy.The

　　adjusting screwdriver can be moved in three directions of X,Y and Z to be suitable for curved reflector cups at different installation positions.

　　The screwdriver has a top structure with an outer circle and an inner side,which is formed by 3D printing,driven by a servo motor,and can be

　　automatically aligned with the adjusting nut of the reflector cup.The experimental results show that the device is stable in operation,good in

　　linkage,and can realize automatic focusing.The calibration process can be completed automatically within 60 s according to the distortion

　　information of the projected image.Compared with manual calibration,the efficiency is improved by at least 50%.

　　Key words:ultra-short-focus projection;curved reflector cup;intelligent adjustment;3D printing

　　0引言

　　随着投影技术的不断发展，尤其是短焦互动投影技术的出现，投影机的应用越来广泛[1-4]。超短焦投影机由于其屏幕尺寸大、超短焦距、亮度高、画质清晰、空间占用率小等优势，能在很短的投影距离下实现大画面的显示效果，被广泛应用于家庭影院、会议投影、科技展览等[5-6]。它克服了传统投影机的强光直射入演讲者眼睛，带来直接刺激，影响视力健康的问题，达到了在最小空间内实现清晰大画面的最佳分享。

　　超短焦镜头的特点是视场角度大、镜头片数较多、结构复杂。由于超短焦投影图像经过反射才能到达屏幕，图像很容易因为安装偏差而在投影屏幕上造成图像畸变和清晰度不匀。目前超短焦投影机的出厂检测和调试基本都是人工调校，即人工观察投影图像质量、手动调校。依靠人的主观感知来进行检测一方面很难完全保证其测试结果的准确性，另一方面操作者劳动强度大、长时间面对亮光显示屏会视力造成伤害。故采用人工调校费时费力、产品一致性差，很难保证品质及时效性。

　　目前针对超短焦投影的研究，主要集中在投影镜头[7-10]及其光学系统[11-14]的设计上，主要优化了超短焦镜头及光路结构。但反光杯智能调校的方法未见有相关文献报道。鉴于此，针对反光杯人工调校存在的问题，本文设计了一种新型的智能调校装置。该装置可接收经计算机进行图像处理后的信息数据，自动完成超短焦投影调校，形成无畸变、清晰度高的投影图像，代替粗放的人工调整模式，提高生产效率和质量。装置主运动采用三轴移动平台，由步进电机控制，定位精度高，能够适应不同尺寸系列的反光杯。调校动作通过伺服电机驱动特制结构调校螺丝刀进行旋转运动，控制反光杯调校螺帽的旋入长度，调节反光杯的安装位置。

　　1方案设计

　　1.1任务分析

　　超短焦投影镜头是指投射比低于0.4以下的镜头。投射比是指镜头到屏幕的距离与所投影的画面宽度的比值，即投射比=投影距离/画面宽度，如图1(a)所示。目前，实现超短焦投影的一种方式是折返式短焦投影，其原理如图1(b)所示。照明光照射作为物面的数字微镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)，DMD反射的光线经过球面透镜组折射和曲面反光杯反射后成放大的像于投影屏幕上[8]。

　　图2是图1(b)中投影镜头模组实物和3D数字模型图。其中，反光杯是超短焦投影镜头模组的重要组成部分，影响投影机的投射比、投影视场及投影图像质量等。目前调校方法都通过人工观察投影图像质量，采用螺丝刀手动调节图2中反光杯调校螺母A和螺母B的旋紧程度，实现反光杯与镜头的相对位移调节，补偿光学设计要求的间隔和偏心公差，以达到调校目的。

　　投影屏幕一般为100寸(2.21 m×1.25 m)或120寸(2.66 m×1.49 m)。因屏幕尺寸过大，人工调校时为了观察到正面图像的变化，需在调机位与屏幕之间3~5 m距离上多次来回走动观察图像，效率低下。另一方面，根据投影图像质量进行调校时，需同时调整反光杯2个螺母，就有同进、同退、左进右退、左退右进、左进右不动、右进左不动等6个“自由度”要调。采用人工调校，无法实现联调，只是凭感觉和经验反复调校，耗时巨大，试调成本极高。通常，人工调校一个反光杯需要2~3 min。

　　本设计任务是，设计一款机械装置，可以根据接收到的图像畸变信息，同时自动调节螺母A和螺母B的旋紧程度，代替人工调节，避免人工调校的不确定性，精确校正投影图像质量，提高超短焦投影的调校质量和效率。

　　1.2实现总体方案

　　超短焦系统中反光杯面积与大屏幕面积比高达1∶120，微小的调整就会使屏幕上的图案产生巨大的变化。一般地，反光杯紧固的可调范围很小，在几十微米至数毫米范围。因此，自动调校机构必须有很高的控制精度。同时超短焦投影产品系列的投放尺寸可在80~300寸(1.626 m×1.219 m~6.64 m×3.73 m)之间调节，不同尺寸产品其反光杯的紧固螺丝中心距及高度会有一定变化。自动调校装置应具备较好的可调性及适应性，同时做到结构紧凑，克服空间狭小带来的布局困难。反光杯安装位置的调节通过控制其紧固螺母的旋紧程度来实现。自动调校时，需设计对应的螺丝刀以实现与调校螺母自动对中。

　　三轴运动平台是工业自动化不可或缺的参与系统，越来越多的设备和自动化流水线开始采用多轴运动平台，以实现高效高质量的自动化[15-16]。针对任务需求，总体运动设计方案采用三轴运动平台控制。其运动通过4个步进电机控制，可以适用于不同尺寸的反光杯。调校螺丝刀的旋转运动由2个高精度伺服电机独立控制，其头部设计有外圆内方凹槽结构，可以实现与反光杯固定螺母自动对中。智能调校整体装置如图3所示。调校装置工作时，三轴运动平台先行移动到位，图2中调校螺母A、螺母B与螺丝刀对中，并被固定在螺丝刀头部孔槽中。然后调校电机启动，根据投影图像质量，螺丝刀带动反光杯螺母旋转，调整旋入松紧程度，实现反光杯与镜头的相对位移调节，以达到调校目的。校准图像完毕，调校电机停止转动，三轴运动平台带动螺丝刀向后运动，完成调校操作。

　　2曲面反光杯智能调校装置结构设计

　　2.1三轴运动平台设计

　　三轴移动平台采用4根滚珠丝杆直线模组组合而成，设计丝杆直径16 mm，导程5 mm，如图4所示。平台具备沿XYZ三轴方向移动功能，由4个相同步进电机驱动，定位位置精度0.05 mm。设计水平最大负载20 kg，垂直最大负载15 kg，需满足承载调校电机及固定架要求。

　　2.2自动调校螺丝刀设计

　　自动调校螺丝刀及控制电机通过机架固定在三轴移动平台上。调校时，螺丝刀的旋入运动要与图像视觉监测系统精度匹配，调节余量小、精度要求高，单个脉冲调整量要在精确到微米。螺丝刀的旋转运动采用2个独立伺服电机控制，选用60系列永磁交流伺服电机，型号60ST-M01330，编码器线数为2 500，具备抗干扰、高转矩、高精度等特点。

　　自动调校装置通过电机控制螺母的旋入度实现，螺丝刀的结构设计尤为关键，需能与六角螺母自动对中。螺丝刀总体结构为阶梯轴，大端与电机输出轴键槽连接，小端与反光杯螺栓的六角螺母配合。为确保自动调校时螺丝刀能与六角螺母实现对中，保证螺母往里旋进时不脱落，往外旋出时不卡壳，对螺丝刀与螺母连接的小端内孔部分设计了3种不同结构，并通过实验进行了验证，如表1所示。

　　实验结果表明，方案3效果最佳。故采用方案3螺丝刀内孔设计为外圆内方的结构。调校装置及螺丝刀结构如图5所示。

　　3原理样机试制及调试

　　3.1三轴运动平台实现

　　三轴运动平台根据设计要求，选购丝杆滑台元件搭建而成，如图6所示。平台总体尺寸为220 mm×220 mm×220 mm，结构紧凑。有效行程100 mm，可根据需求在滑台任意位置安装行程开关。每个丝杆由步进电机驱动，选用两相混合式步进电机，型号FM5756SFD04，步距角1.8°，重复定位精度±0.03 mm，满足功能要求。

　　3.2 3D打印制作调校螺丝刀

　　螺丝刀内孔为外圆内方结构，采用传统机加工方法较为不便。本设计采用3D打印成型。打印设备为极光公司的A6型号3D打印机，打印方式为熔融沉积(Fused Deposition Modeling，FDM)，打印材料为PLA。为保证螺丝刀表面质量和强度，采用竖直放置。设置好打印参数：设置层高为0.2 mm，填充密度为50%，打印速度为80 mm/s，采用局部支撑方式，切工工艺参数如图7所示。

　　3.3装置调试

　　最后，将三轴运动平台与螺丝刀调校装置进行组装装配，连接相关控制线，进行自动调校实验，如图8所示。实验结果表明，本调校装置可以根据图像畸变输入信号，进行相应机械动作，自动完成调校过程。实验测得，整个调试时间少于60 s，与人工相比，效率至少提高了50%。

　　4结束语

　　本文介绍了超短焦投影的原理，针对超短焦投影人工调校存在的问题，设计了一种智能调校机构。通过电机精确控制三轴运动平台及调校螺丝刀的运动实现自动调校。通过实验验证，该调校机构满足根据投影图像质量实现自动调校的机械条件，并能够适应不同的投影尺寸、联动性好、可靠性及精准度高，有效地解决了人为调校存在的难题，提高了超短焦投影镜头模组的质量和生产效率。

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