CN101526672B

CN101526672B - 一种光学成像薄膜

Info

Publication number: CN101526672B
Application number: CN2009100254238A
Authority: CN
Inventors: 楼益民; 申溯; 王辉; 陈林森
Original assignee: SVG OPTRONICS(SUZHOU)CO Ltd; Suzhou University; Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Suzhou University; Suzhou Sudavig Science and Technology Group Co Ltd; Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2029-03-04
Also published as: CN101526672A

Abstract

本发明公开了一种光学成像薄膜，包括成像元件和遮光元件，其特征在于：所述成像元件和遮光元件为薄膜结构，所在的平面相互平行，其中，所述成像元件包括至少两层微透镜阵列，所述遮光元件位于成像系统的入瞳或出瞳位置，遮光元件上设有孔径光阑阵列，每一孔径光阑与各微透镜阵列中的对应的微透镜单元构成一个成像通道，各成像通道符合综合成像条件，在所述由成像元件和遮光元件构成的薄膜结构的至少一个表面上，涂布有粘接层。本发明利用微透镜阵列以及光阑阵列等微型元件构成成像系统，具有体积小，质量轻，适于批量生产，制作成本底等优点；可以方便地粘贴或者吸附于各种图像、显示器等物体的表面，形成相应的光学成像效果。

Description

一种光学成像薄膜

技术领域

本发明涉及一种用于光学成像的器件，具体涉及一种多层薄膜结构的光学成像器件，可以实现对物体的放大成像、缩小成像、一比一成像等功能；还适合与现有的光学系统或者光电显示器件相互集成。

背景技术

微型化和集成化是当前各种光电子器件及产品的重要发展趋势。常见的如：拍照手机、数码相机、笔记本电脑、电子词典、MP3、MP4等消费电子产品的体积和重量都越来越小，甚至出现了超薄、超轻的迷你型产品。但是，随着这类产品的不断集成化和微型化，其体积和重量将受到各种元器件的物理尺寸的限制。其中，光学成像组件(如：成像透镜组等)和光电显示器件(如：LCD等)是其进一步微型化的主要瓶颈。普通光学成像组件的进一步微型化受到了衍射现象和机械固定装置的限制。而光电显示器件的进一步小型化则受到了人们的观察需求的限制。过小的显示系统不但无法满足人们的观察需求，而且容易造成视觉疲劳，中老年人对此更是无法接受。

非球面光学系统和折、衍混合结构光学系统的发明和应用，使得光学系统的体积和重量得到了一定程度的减小。但是，相对于现代光电子器件及其系统的集成化和微型化的发展需求，还是存在着体积大、质量重、结构复杂、制作成本高，等缺点。

高分辨率光电显示器件的出现，虽然提高了图像显示的清晰度，但是其图像显示面积还是受到了显示器件本身和系统边界的限制，并不能解决大幅面图像显示需求和系统微型化之间的矛盾。

为克服系统进一步微型化的瓶颈，需要寻找新的技术途径。美国专利(U.S.Patent RE 28，162)以及文献(Appl.Opt.18：477-484，1979)采用一对马赛克状的光学阵列元件，较大幅度地减小了复印机、扫描仪等仪器的光学系统的体积，但是这些光学系统的厚度还是在十厘米左右的量级。美国专利(U.S.Patent4,630,902)利用一对复眼透镜和机械装置实现了一套放大率可调的成像系统，但是其机械结构复杂而且体积较大。美国专利(U.S.Patent 5,796,522)、(U.S.Patent 5,822,125)、(U.S.Patent 5,812,322)、(U.S.Patent 6,057,538)利用微透镜阵列设计了一种照相物镜，一定程度上减小了照相机的体积。美国专利(U.S.Patent 5,973,844)利用多层折射透镜阵列和衍射光栅阵列等阵列元件设计了一套成像系统，有利于光学系统体积的进一步减小。但是其衍射光栅阵列元件制作工艺复杂，成本高，而且存在色散和衍射效率随光波长变化等问题。文献(Appl.Opt.42：6838-6845，2003)等进一步优化了基于微透镜阵列的一比一成像系统。美国专利(U.S.Patent 7,009,773 B2)及文献(Opt.Lett.29：709-711 2004)利用一对透镜阵列和一个孔径光阑组成的成像系统，减小了头盔显示器的体积和质量，并提高了头盔显示的视角。但是该系统受到了杂散光的干扰，成像质量不高，而且无法方便有效地与现有的系统进行集成。中国专利公开(CN 1804732)、(CN 1584752A)，以及中国专利(ZL 02144346.7)、(ZL02158350.1)、(ZL 00101925.2)、(ZL 01120202.5)、(ZL 01139308.4)、(ZL02104510.0)等利用棒状梯度折射率透镜阵列改进了复印机、扫描仪的成像系统，提高了成像质量。但是该种透镜阵列的制作工艺相对复杂，且成本高。中国专利公开的(CN 1641478)利用化学方法制备的超微球结构薄膜提高了投影显示屏的性能。

显然，寻求体积更小，质量更轻的光学成像器件，是本领域技术人员研究的焦点。

发明内容

本发明的目的是提供一种体积小、质量轻的光学成像薄膜，能成放大像、缩小像或等大的像，以大幅降低传统光学系统的体积和重量。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光学成像薄膜，包括成像元件和遮光元件，所述成像元件和遮光元件为薄膜结构，所在的平面相互平行，其中，所述成像元件包括至少两层微透镜阵列，所述遮光元件包括位于成像系统的入瞳或出瞳位置的孔径光阑阵列，每一孔径光阑与各微透镜阵列中的对应的微透镜单元构成一个成像通道，各成像通道符合综合成像条件，在所述由成像元件和遮光元件构成的薄膜结构的至少一个表面上，涂布有粘接层。

上述技术方案中，单个成像通道中的各个光学元件的中心连线构成成像通道的光轴，所述“综合成像条件”，是指当采用透镜阵列时，各个成像通道间应当符合的条件。本领域技术人员根据普通的透镜阵列的综合成像条件，可以确定本发明的微透镜阵列的排列应当符合的条件。在APPLIED OPTICS第18卷第4期(1979年2月15日)第477-484页公开的“Close-up imaging ofdocuments and displays with lens arrays”一文中，即对透镜阵列的综合成像条件进行了说明。所述粘接层由涂布在薄膜表面的黏性材料构成，可以采用各种透明的包括有机或者无机的胶体进行涂布。

上述技术方案中，薄膜系统中不同的微透镜阵列中微透镜单元中心的间距大小可以相同，也可以不同。间距相同时，构成放大率M为1的成像薄膜；间距不同时，系统放大率M大于1或者小于1。

对于放大率M为1的薄膜系统，系统中各个成像通道的光轴相互平行。对于放大率M大于1或者小于1的薄膜系统，系统中各个成像通道的光轴相对于系统中心的成像通道的光轴存在不同角度的倾斜。其光轴的斜率K满足如下条件：K_i＝i·(p₂-p₁)/d，其中，p₁，p₂分别表示第一微透镜阵列和第二微透镜阵列中透镜单元的间距，d表示两微透镜阵列之间的距离，i表示成像通道的序号，取值(0，±1，±2，±3……)，其中0对应系统中心的成像通道的光轴，该光轴垂直于薄膜系统表面，(±1，±2，±3……)分别对应系统中心两侧的各个成像通道的光轴。光轴相对倾斜的方向决定该系统是放大或是缩小系统。相对倾斜程度影响系统的放大率M。光轴相对倾斜的程度由p₁，p₂，d决定，其中p₁，p₂，M存在如下关系：

\frac{p_{1}}{p_{2}} = \frac{m_{2} + 1}{m_{2} + M},

其中m₂表示第二微透镜阵列中透镜单元的放大率。

上述技术方案中，所述的不同的微透镜阵列可以做在一个基底的上下两个表面，也可以做在不同的基底上。由此，一种技术方案是，所述成像元件由制作于一个基底层的两侧表面的两层微透镜阵列构成。

另一种技术方案是，所述成像元件由至少两层基底层构成，每层基底层上设置有一个或两个微透镜阵列，相邻基底层之间设置有限位结构，限位结构的厚度使得相邻微透镜阵列的间距符合综合成像条件。

上述技术方案中，所述微透镜阵列的基底层制作材料可以是各种适合制作微透镜阵列的透明材料，包括高分子材料，如聚碳酸酯(PC：Polycarbonate)、聚氯乙烯(PVC：Polyringl Chloride)、聚酯(PET：Polyester)、丙烯酸(PMMA：Polymethyl Methacrylate)等等。

上述技术方案中，所述微透镜阵列中每一微透镜单元的口径为5μm～1500μm，微透镜单元的口径小于或等于相邻微透镜单元中心的间距。

微透镜单元的口径形状可以是圆形、矩形、蜂房六角等各种规则的几何形状；微透镜阵列中微透镜的排列方式，可以是正交排列、六角密排等拓扑排列方式。微透镜单元的表面面型可以是球面，也可以是椭球面、抛物面等非球面，还可以是梯度折射率分布结构的微透镜阵列。

上述技术方案中，可以在成像系统的中间成像面处加入视场光阑阵列用于限制视场，也可以在孔径光阑阵列和视场光阑阵列之间加入遮光光阑阵列，用于消除杂散光和干扰像，以提高像的信噪比。各个光阑阵列的光阑单元口径可以是圆形、矩形、蜂房六角等各种规则的几何形状。

光学成像薄膜的整体厚度一般小于5毫米，但不限于此范围。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明利用微透镜阵列以及光阑阵列等微型元件构成成像系统，具有体积小，质量轻，适于批量生产，制作成本底等优点。

2.由于粘接层的设置，本发明的薄膜型结构可以方便地粘贴或者吸附于各种图像、显示器等物体的表面，形成相应的光学成像效果。该薄膜也可以方便地剥离上述物体的表面而不影响其结构和性质，有利于和现有的各种光学器件相互集成。

3.本发明的薄膜结构中设置了遮光光阑阵列，降低了噪声，提高了成像质量。

4.采用本发明设计制作的光学成像薄膜，可以实现保持各种光电显示器件尺寸不变的同时增大图像显示面积大小的功能；也可以实现减小光电显示器件尺寸的同时增大图像显示面积的功能。从而解决大幅面图像显示和系统微型化之间的矛盾。

5.本发明设计制作的各种放大率相同或者不同的成像薄膜之间可以任意集成和组合，形成特定的成像效果。

附图说明

图1是实施例一的分解示意图。

图2是实施例一的光学成像薄膜示意图。

图3实施例一的侧剖面示意图。

图4是实施例一中限位连接装置侧剖面放大示意图。

图5是实施例二的侧剖面示意图。

图6是实施例三的侧剖面示意图。

图7是实施例四的侧剖面示意图。

图8是实施例五中光学放大成像薄膜应用于手机LCD显示屏的示意图。

图9是实施例五中成像效果的正面视图。

图10是实施例六中光学放大成像薄膜应用于照片成像的正面视图。

图11是实施例七中放大率不同的光学成像薄膜组合应用于普通图文成像的示意图。

图12是实施例七中放大率不同的光学成像薄膜组合应用于普通图文成像的正面视图。

其中：1、物平面；2、孔径光阑阵列；3、第一微透镜阵列； 4、第二微透镜阵列；5、像平面；6、成像通道的光轴；7、微透镜阵列和光阑阵列之间的限位连接装置；8、遮光光阑阵列；9、视场光阑阵列；10、第三微透镜阵列；11、光学放大薄膜；12、手机；13、LCD显示屏；14、图文；15、照片。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1至附图4所示，图1是本实施例中由两层微透镜阵列和一个孔径光阑阵列构成的光学成像薄膜结构以及物体通过薄膜成像的分解示意图；图2是本实施例的光学成像薄膜示意图；图3是本实施例的侧剖面视图；图4是本实施例中限位连接装置侧剖面放大示意图。

本实施例的光学成像薄膜，包括成像元件和遮光元件，所述成像元件和遮光元件为薄膜结构，所在的平面相互平行，其中，所述成像元件包括第一微透镜阵列3和第二微透镜阵列4，所述遮光元件位于成像系统的入瞳位置，遮光元件上设有孔径光阑阵列2。各个元件通过连接装置7连接。所述连接装置可以是聚碳酸酯(PC：Polycarbonate)、聚酯(PET：Polyester)、丙烯酸(PMMA：Polymethyl Methacrylate)等高分子材料形成的柱体。连接装置两端通过胶水与元件连接。每一孔径光阑与各微透镜阵列中的对应的微透镜单元构成一个成像通道，各成像通道符合综合成像条件，在所述由成像元件和遮光元件构成的薄膜结构的至少一个表面上，涂布有粘接层。

本实施例中，微透镜阵列的基底层制作材料可以是各种适合制作微透镜阵列的透明材料，包括高分子材料，如聚碳酸酯(PC：Polycarbonate)、聚氯乙烯(PVC：Polyringl Chloride)、聚酯(PET：Polyester)、丙烯酸(PMMA：Polymethyl Methacrylate)等等。所述微透镜阵列中每一微透镜单元的口径为5μm～1500μm，微透镜单元的口径小于或等于相邻微透镜单元中心的间距。

实施例二：

参见图5所示：本实施例中，光学成像薄膜由第一微透镜阵列3，第二微透镜阵列4构成系统的成像元件，由孔径光阑阵列2、视场光阑阵列9和遮光光阑阵列8构成系统的遮光元件。各个元件通过连接装置7连接。其中视场光阑位于物体仅通过第一微透镜阵列所成的像的像面处，即系统的中间像面处。遮光光阑阵列8位于孔径光阑阵列2和视场光阑阵列9之间，图中只示意了一个遮光光阑阵列，实际可以根据需要加入多个遮光光阑阵列，以提高信噪比。6a为系统中心成像通道的光轴，垂直于成像薄膜表面，6b为与中心成像通道相邻的成像通道的光轴。本实施例中，从物平面1到像平面5，各个成像通道的光轴形成了发散的趋势，也即是说，各个成像通道的光轴在物平面1上截得的线段小于其像平面5上截得的线段，该薄膜实现放大成像功能。

实施例三

参见图6所示：本实施例中，光学成像薄膜由第一微透镜阵列3，第二微透镜阵列4构成系统的成像元件，由孔径光阑阵列2、视场光阑阵列9和遮光光阑阵列8构成系统的遮光元件。各个元件通过连接装置7连接。其中视场光阑位于物体仅通过第一微透镜阵列3所成的像的像面处，即系统的中间像面处。遮光光阑阵列8位于孔径光阑阵列2和视场光阑阵列9之间，图中只示意了一个遮光光阑阵列，实际可以根据需要加入多个遮光光阑阵列，以提高信噪比。6a为系统中心成像通道的光轴，垂直于成像薄膜表面，6b为与中心成像通道相邻的成像通道的光轴。本实施例中，从物平面1到像平面5，各个成像通道的光轴形成了汇聚的趋势，也即是说，各个成像通道的光轴在物平面1上截得的线段大于其像平面5上截得的线段，该薄膜实现缩小成像功能。

实施例四

参见图7所示：本实施例中，光学成像薄膜由第一微透镜阵列3，第二微透镜阵列4，第三微透镜阵列10构成系统的成像元件，由孔径光阑阵列2、视场光阑阵列9和遮光光阑阵列8构成系统的遮光元件。各个元件通过连接装置7连接。其中视场光阑阵列位于物体仅通过第一微透镜阵列所成的像的像面处，即系统的中间像面处。第三微透镜阵列10也位于系统的中间成像面处，其各个微透镜单元在各个成像通道中起到场镜的作用。遮光光阑阵列8位于孔径光阑阵列2和视场光阑阵列9之间，图中只示意了一个遮光光阑阵列，实际可以根据需要加入多个遮光光阑阵列，以提高信噪比。6a为系统中心成像通道的光轴，垂直于成像薄膜表面，6b为与中心成像通道相邻的成像通道的光轴。本实施例中，从物平面1到像平面5，各个成像通道的光轴形成了发散的趋势，也即是说，各个成像通道的光轴在物平面1上截得的线段小其像平面5上截得的线段，该薄膜实现放大成像功能。

实施例五：

成像薄膜的其中一项应用，参见图8、图9所示：本实施例中的光学成像薄膜11具有放大成像功能，该成像薄膜粘贴于手机12的LCD显示屏幕13的表面。LCD显示屏13上显示的图像通过光学成像薄膜11形成放大的像5。像5的大小可以大于LCD显示屏13，也可以大于手机的边框。像的大小由成像薄膜的放大率决定。本实施中放大成像薄膜的应用并不局限于手机的LCD显示屏幕，而适用于各种显示系统，如笔记本电脑、MP3、MP4等的显示屏幕；钟、表以及各种仪器的显示面板等等。

实施例六：

成像薄膜的另一项应用，参见图10所示：本实施例中的光学成像薄膜11具有放大成像功能，该成像薄膜粘贴于照片15表面形成放大像5。本实施中放大成像薄膜的应用并不局限于照片，而适用于各种图像，如绘画创作、打印图片、印刷图文等等。

实施例七：

成像薄膜的应用，参见图11、图12所示：本实施例中的光学成像薄膜11由多块放大率M不同的成像薄膜组成，该薄膜粘贴于图文14表面。图文中字母0所在区域对应放大率M＝1的成像薄膜，图文中字母1所在区域对应放大率M＝2的成像薄膜，图文中字母2所在区域对应放大率M＝0.5的成像薄膜。图11为最终的成像效果。本实施例中成像薄膜的放大率的大小以及不同放大率薄膜区域的形状不限于特定的组合，可以是任意设计的组合。

Claims

1.一种光学成像薄膜，包括成像元件和遮光元件，其特征在于：所述成像元件和遮光元件为薄膜结构，所在的平面相互平行，其中，所述成像元件包括至少两层微透镜阵列，所述遮光元件由位于成像系统的入瞳或出瞳位置的孔径光阑阵列、视场光阑阵列和遮光光阑阵列构成，每一孔径光阑与各微透镜阵列中的对应的微透镜单元构成一个成像通道，各成像通道符合综合成像条件，在成像系统的中间成像面处设有所述视场光阑阵列，在所述孔径光阑阵列和所述视场光阑阵列之间设有所述遮光光阑阵列，在所述由成像元件和遮光元件构成的薄膜结构的至少一个表面上，涂布有粘接层。

2.根据权利要求1所述的光学成像薄膜，其特征在于：所述成像元件由制作于一个基底层的两侧表面的两层微透镜阵列构成。

3.根据权利要求1所述的光学成像薄膜，其特征在于：所述成像元件由至少两层基底层构成，每层基底层上设置有一个或两个微透镜阵列，相邻基底层之间设置有限位结构，限位结构的厚度使得相邻微透镜阵列的间距符合综合成像条件。

4.根据权利要求1所述的光学成像薄膜，其特征在于：所述微透镜阵列中每一微透镜单元的口径为5μm～1500μm，微透镜单元的口径小于或等于相邻微透镜单元中心的间距。