CN111856852B - 一种微透镜阵列的光学投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明系提供一种微透镜阵列的光学投影系统，包括依次设置的光源、准直透镜、第一微透镜阵列、投影源、正透镜模块、第二微透镜阵列和接收面，第一微透镜阵列包括n个阵列排布的第一微透镜单元，投影源包括n个阵列排布的投影图像单元，第二微透镜阵列包括n个阵列排布的第二微透镜单元；相对的第一微透镜单元和第二微透镜单元具有共同的光轴；投影源与正透镜模块之间的距离为s，第二微透镜阵列与接收面之间的距离为L′，正透镜模块的等效焦距f₀＝L′，第一微透镜单元的焦距f₁≈s，第二微透镜单元的焦距f₂＝s。本发明能够使子实像单元在接收面上复合叠加，能够避免相邻的光通道之间发生串光。

Description

一种微透镜阵列的光学投影系统

技术领域

本发明涉及投影系统，具体公开了一种微透镜阵列的光学投影系统。

背景技术

投影系统即将物体照明后成像于投影屏上的光学系统。短距离的投影系统可应用于汽车侧面用于迎宾，也可以应用于汽车前后用作警示提醒，还能设于应用于桌面投影，如键盘图像的投影。

投影系统主要包括三个重要部件：光源、投影源以及成像单元。以投影源中的图像是否重复出现在接收面上为依据，分为单通道投影系统和多通道投影系统。

单通道投影系统如图1所示，设置多片式的成像单元，包括LED、准直透镜、菲林片等投影源和投影单元镜片组，可以在不同的距离获得清晰度较高的投影实像，但景深较浅，镜片数目较多，系统的总长度大。

多通道投影系统如图2所示，包括光源、准直透镜、第一微透镜阵列、投影源和第二微透镜阵列，可实现远场的成像，但接收面距离较近时，微透镜单元的高度相较于投影实像的像高较大，不能忽略，如微透镜单元的高度与投影实像的高度比大于1/50时，由于每个成像光路的偏移，会造成接收面上形成多个错开的实像单元，导致最终无法形成清晰且单一的投影实像。

为解决上述问题，专利号为201480039253.8的现有技术公开了一种多孔径投影显示器和针对所述多孔经投影显示器的单图像生成器，对图2中第二微透镜阵列的中心进行偏置，使之对应的光轴与第一微透镜阵列的光轴不重合，从而实现多通道的图像重合叠加，最终实现近距离投影且投影实像单一，但由于第一微透镜阵列与第二微透镜阵列的光轴偏置错开，即第一微透镜阵列中某单元中的部分光进入到第二微透镜阵列的相邻单元，相邻通道之间的光信息会相互串扰，最终造成投影实像形成重影。

现有技术中的投影系统无法在获得近距离投影时确保投影实像清晰无重影。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术问题，提供一种微透镜阵列的光学投影系统，能够实现近距离投影成像，同时能够确保投影实像清晰无重影。

为解决现有技术问题，本发明公开一种微透镜阵列的光学投影系统，包括依次设置的光源、准直透镜、第一微透镜阵列、投影源、正透镜模块、第二微透镜阵列和接收面，第一微透镜阵列包括n个阵列排布的第一微透镜单元，投影源包括n个阵列排布的投影图像单元，正透镜模块包括至少一个具有正光焦度的光学结构面，第二微透镜阵列包括n个阵列排布的第二微透镜单元；

各个投影图像单元分别与两侧的各个第一微透镜单元和各个第二微透镜单元对应，相对的第一微透镜单元和第二微透镜单元具有共同的光轴；

投影源与正透镜模块之间的距离为s，第二微透镜阵列与接收面之间的距离为L′，正透镜模块的等效焦距f₀＝L′，第一微透镜单元的焦距f₁≈s，第二微透镜单元的焦距f₂＝s。

进一步的，第一微透镜单元为平凸透镜，第一微透镜单元的平面紧贴投影源。

进一步的，投影源包括至少两种具有不同投影图像的投影图像单元。

进一步的，正透镜模块具有正光焦度的光学结构面为非球面或菲涅尔结构面。

进一步的，正透镜模块包括一个具有正光焦度的光学结构面和一个平面。

进一步的，第二微透镜单元为平凸透镜。

进一步的，正透镜模块与第二微透镜阵列为一体成型的复合透镜，正透镜模块的平面紧贴第二微透镜阵列的平面。

本发明的有益效果为：本发明公开一种微透镜阵列的光学投影系统，在两组微透镜阵列之间设置投影源和正透镜模块，通过正透镜的放大作用配合第二微透镜阵列，能够使多光通道中的各个子实像单元在接收面上复合叠加，从而获得清晰的投影实像，此外，第一微透镜单元、投影图像单元和第二微透镜单元的中心共轴，能够有效避免相邻的光通道之间发生串光，可有效避免最终所获的投影实像形成重影。

附图说明

图1为现有技术中单通道投影系统的光路结构示意图。

图2为现有技术中多通道投影系统的光路结构示意图。

图3为本发明的结构示意图。

图4为本发明隐藏光源和准直透镜后的成像原理示意图。

图5为本发明一实施例的结构示意图。

图6为本发明另一实施例的结构示意图。

图7为本发明又一实施例的结构示意图。

附图标记为：光源10、准直透镜20、第一微透镜阵列30、第一微透镜单元31、投影源40、投影图像单元41、正透镜模块50、第二微透镜阵列60、第二微透镜单元61、接收面70、复合透镜80。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

参考图3至图7。

本发明基础实施例公开一种微透镜阵列的光学投影系统，如图3所示，包括依次设置的光源10、准直透镜20、第一微透镜阵列30、投影源40、正透镜模块50、第二微透镜阵列60和接收面70，光源10可以为LED灯珠，投影源40可以为菲林片、液晶屏等，正透镜模块50位于投影源40和第二微透镜阵列60之间，接收面70可以为墙面、地面、白屏等，微透镜阵列也称复眼透镜，第一微透镜阵列30包括n个阵列排布的第一微透镜单元31，投影源40包括n个阵列排布的投影图像单元41，正透镜模块50包括至少一个具有正光焦度的光学结构面，第二微透镜阵列60包括n个阵列排布的第二微透镜单元61；

各个投影图像单元41分别与两侧的各个第一微透镜单元31和各个第二微透镜单元61一一对应，相对的第一微透镜单元31和第二微透镜单元61具有共同的光轴，相对的第一微透镜单元31和第二微透镜单元61之间形成一个光通道单元，各个投影图像单元41分别位于各个光通道单元中；

正透镜模块50能够对投影源40和第一微透镜阵列30形成正立放大的虚像，如图4所示，正透镜模块50的等效焦距为f₀，投影源40与正透镜模块50之间的距离为s，第二微透镜阵列60与接收面70之间的距离为L′，L′为投影距离，第一微透镜阵列30与第二微透镜阵列60之间的距离≈s，即第一微透镜阵列30与投影源40在沿光轴的空间位置几乎不存在差异，同时第二微透镜阵列60与正透镜模块50在沿光轴方向的空间位置几乎不存在差异，相邻两个第一微透镜单元31中心的间距、相邻两个投影图像单元41中心的间距以及相邻两个第二微透镜单元61中心的间距均为d₁，相邻两个投影图像单元41的虚像中心的间距为d₂，即相邻两个子物像单元中心的间距为d₂，投影源40的虚像与正透镜之间的距离为s′，根据薄透镜的成像公式可得s′＝(f₀*s)/(f₀-s)，d₂＝(f₀*d₁)/(f₀-s)，根据图4中的三角比例关系可得，(L′+s′)/L′＝d₂/d₁，设置正透镜模块50的等效焦距f₀＝L′，由于第一微透镜单元31的作用是场镜，能够把来自准直透镜20的平行光聚焦于第二微透镜单元61的中心，设置第一微透镜单元31的焦距f₁≈s，可取f₁＝s，能够确保第一微透镜单元31能够将平行光聚焦到第二微透镜单元61的中心，能够有效确保光能的利用率，第二微透镜单元61起投影成像的作用，根据图4中心处投影图像单元41的成像光路图，薄透镜的成像公式可得1/L′+1/s′＝1/f₂，设置第二微透镜单元61的焦距f₂＝s，通过上述关系式计算获得的f₀、f₁、f₂的数值为理想值，在具体应用中可根据实际情况在理想值的基础上进行调整以适配对应的需求。

工作时，光源10发出的光线依次到达准直透镜20、第一微透镜阵列30、投影源40、正透镜模块50、第二微透镜阵列60和接收面70，正透镜模块50能够对投影源40和第一微透镜阵列30形成正立放大的虚像，如图4所示，第二微透镜单元61的光轴与第一微透镜单元31的虚像光轴不共线，第二微透镜单元61的光轴与投影图像单元41的虚像光轴也不共线，投影图案单元的虚像为子物像单元，各个子物像单元经过第二微透镜阵列60的投影作用后获得的子实像单元能够在接收面70上叠加复合，最终获得清晰的投影实像。

正透镜模块50和第二微透镜阵列60的组合从数学角度看事实上是个光学加法器，接收面70的照度分布满足以下关系式：E(x,y)＝∑_i＝1..nE_i(x_i,y_i)，其中(x,y)为接收面70的位置坐标，E为接收面70的照度，(x_i,y_i)为投影源40的位置坐标，E_i为投影源40的照度。

在本实施例中，第一微透镜单元31为微型平凸透镜，第一微透镜单元31的平面紧贴投影源40设置，能够有效提高光能的利用率，可有效减少光能损耗，第一微透镜单元31还可以是双凸面透镜或凹凸透镜，甚至可以设置为多微透镜组合。

在本实施例中，投影源40包括至少两种具有不同投影图像的投影图像单元41，即投影图像单元41设置有至少两种，如图5所示，不同种投影图像单元41的投影图像不相同，最终所形成图像不同的各种子实像单元在接收面70上复合叠加，从而形成图像特定的投影实像。

在本实施例中，正透镜模块50具有正光焦度的光学结构面为具有正光焦度的非球面或具有正光焦度的菲涅尔结构面，菲涅尔结构面由若干同心的菲涅尔凸环组成，非球面的成像质量好，菲涅尔结构面能够降低正透镜模块50的厚度。

基于上述实施例，正透镜模块50包括一个具有正光焦度的光学结构面和一个平面，即正透镜模块50为平凸透镜或平凸型的菲涅尔透镜。

基于上述实施例，第二微透镜单元61为微型平凸透镜。

基于上述实施例，正透镜模块50与第二微透镜阵列60为一体成型的复合透镜80，正透镜模块50的平面紧贴第二微透镜阵列60的平面，复合透镜80为一体成型的透镜结构。如图6所示，复合透镜80靠近投影源40的一侧为非球面结构，复合透镜80的另一面为第二微透镜阵列60结构；如图7所示，复合透镜80靠近投影源40的一侧为菲涅尔透镜结构，复合透镜80的另一面为第二微透镜阵列60结构。通过复合正透镜模块50和第二微透镜阵列60获得一体化的复合透镜80，能够有效减少系统的光学零件数量，从而有效减少因光学零件对光能造成的反射等损耗，可有效提高系统对光能的利用率，还能降低系统成本，降低装配难度。

正透镜模块50还可以是双凸面透镜或凹凸透镜，正透镜模块50还可以是具有正光焦度的多片式透镜组；第二微透镜单元61还可以是双凸面透镜或凹凸透镜，甚至可以设置为多微透镜组合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种微透镜阵列的光学投影系统，其特征在于，包括依次设置的光源(10)、准直透镜(20)、第一微透镜阵列(30)、投影源(40)、正透镜模块(50)、第二微透镜阵列(60)和接收面(70)，所述第一微透镜阵列(30)包括n个阵列排布的第一微透镜单元(31)，所述投影源(40)包括n个阵列排布的投影图像单元(41)，所述正透镜模块(50)包括至少一个具有正光焦度的光学结构面，所述第二微透镜阵列(60)包括n个阵列排布的第二微透镜单元(61)；

各个投影图像单元(41)分别与两侧的各个所述第一微透镜单元(31)和各个所述第二微透镜单元(61)对应，相对的所述第一微透镜单元(31)和所述第二微透镜单元(61)具有共同的光轴；

所述投影源(40)与所述正透镜模块(50)之间的距离为s，所述第二微透镜阵列(60)与所述接收面(70)之间的距离为L′，所述第一微透镜阵列(30)与所述第二微透镜阵列(60)之间的距离≈s，所述正透镜模块(50)的等效焦距f₀＝L′，所述第一微透镜单元(31)的焦距f₁≈s，所述第二微透镜单元(61)的焦距f₂＝s。

2.根据权利要求1所述的一种微透镜阵列的光学投影系统，其特征在于，所述第一微透镜单元(31)为平凸透镜，所述第一微透镜单元(31)的平面紧贴所述投影源(40)。

3.根据权利要求1所述的一种微透镜阵列的光学投影系统，其特征在于，所述投影源(40)包括至少两种具有不同投影图像的所述投影图像单元(41)。

4.根据权利要求1所述的一种微透镜阵列的光学投影系统，其特征在于，所述正透镜模块(50)具有正光焦度的光学结构面为非球面或菲涅尔结构面。

5.根据权利要求4所述的一种微透镜阵列的光学投影系统，其特征在于，所述正透镜模块(50)包括一个具有正光焦度的光学结构面和一个平面。

6.根据权利要求5所述的一种微透镜阵列的光学投影系统，其特征在于，所述第二微透镜单元(61)为平凸透镜。

7.根据权利要求6所述的一种微透镜阵列的光学投影系统，其特征在于，所述正透镜模块(50)与所述第二微透镜阵列(60)为一体成型的复合透镜(80)，所述正透镜模块(50)的平面紧贴所述第二微透镜阵列(60)的平面。

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