CN108089394B - 一种图案投影灯光学模组结构 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种用于汽车照明的图案投影灯光学模组结构，特别涉及一种多通道光学投影模组，其用于汽车门迎宾灯，用来投影具有特殊造型的艺术图案，或者营造欢迎气氛的结构光图案。该图案投影灯光学模组的特征为：其为一种采用复眼透镜(透镜阵列)的多通道光学投影模组，其包括大数值孔径的自由曲面准直系统、前端复眼透镜、图案胶片、后端复眼透镜。所述的多通道光学模组，其至少由两个以上的光学通道组成，其每一个光学通道投射出完全相同的图案，在远处叠加后形成清晰的、单一的图案。

Description

一种图案投影灯光学模组结构

技术领域

本发明实施例涉及光学成像技术领域，具体涉及一种图案投影灯光学模组结构。

背景技术

本部分向读者介绍可能与本发明的各个方面相关的背景技术，相信能够向读者提供有用的背景信息，从而有助于读者更好地理解本发明的各个方面。因此，可以理解，本部分的说明是用于上述目的，而并非构成对现有技术的承认。

传统的复眼透镜主要用于照明系统，其包括：用于投影机的光引擎系统的均匀照明，其通过一片或两片复眼透镜均匀照明DLP(数码光输处理器)，LCOS(硅基板液晶显示器)等微型显示器，再通过后端的投影镜头投射出来；用于生物检测显微系统的均匀照明，譬如均匀照明生物切片、细胞结构、血液等；用于激光系统的均匀照明，譬如激光焊接热处理等；紫外光刻系统的均匀照明；以及其它复杂和均匀度要求苛刻的照明系统中。目前由于图案投影需求的兴起，复眼透镜在复杂图案的投影方面也开始获得越来越广泛的应用。

现有技术提出了一种采用复眼透镜投影的多通道光学模组方案，其结构如图1所示，由光源91和规则排列的多组光学通道组成，其每一组光学通道由前端一个小透镜92、胶片的一个小图案93、以及后端一个小透镜94组成，其在远处95的位置投射出胶片上的同一个图案。多组通道的投影像叠加后形成清晰、单一的图案。现有技术的多通道光学模组，其具有明显的缺点：

首先，照明光源91为非准直光，而是一个面光源。其入射到前端复眼透镜92的光线是具有较大发散角的发散光线，其通过两组复眼透镜92和94之后，每个小通道出来的投影方向都不一样，而且会产生很多杂光，其需要将后端复眼透镜94的每个小透镜往中心轴方向进行一定程度的错位(即后端复眼透镜94的每个小透镜都靠得比较近，相邻两个小透镜之间的间隔，比前端复眼透镜92的相邻两个小透镜之间的间隔较小)才能在远处某一个位置获得相对清楚的单一投影图像。其前后两组复眼透镜92和94中每个小透镜以及每个小图案单元的对准过程非常困难，需要一一调试，对准稍有误差，远处的像就会产生重影，变得模糊。

其次，由于其照明光源91为非准直光，其发散角很大，超过了前端复眼透镜中每个小透镜的数值孔径角。光源上的同一点发出的光线，除了入射到复眼透镜92的数值孔径之内用于通道投影的有用光线之外，其它发散角大于复眼透镜数值孔径之外的光线，就会入射到相邻的小透镜单元，形成串扰，产生多层重影，最后投射出来的杂光会变成一片背景光，严重影响投影图案的对比度。

发明内容

要解决的技术问题是如何实现多通道光学投影。

针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种多通道光学投影模组，可以多通道光学投影。

第一方面，本发明实施例提供了一种多通道光学投影模组，包括：

光源、准直系统和依序设置在所述准直系统出光方向上的前端复眼透镜、图案胶片、后端复眼透镜；

所述多通道光学模组，其至少包括两个光学通道，每一个光学通道投射出完全相同的图案，在远处叠加后形成清晰的、单一的图案；

所述光学通道，包括依序设置的：第一透镜单元、图案单元、第二透镜单元，所述的第一透镜单元、图案单元、所述第二透镜单元相互对心、一一对应；

第一透镜单元将平行光聚焦于第二透镜单元的曲面顶点附近位置；所述图案单元位于所述第二透镜单元的前焦点附近，所述第二透镜单元以相对应的图案单元为物点，将其投射到远处。

可选地，所述准直系统为自由曲面准直系统。

可选地，所述的每一个光学通道，所述的小图案单元，其位于前端的小透镜单元的后面，并位于后端小透镜单元的前焦点附近。所述的前端一个小透镜单元、小图案单元、后端一个小透镜单元，只需要相互对心、一一对应，就可以在远处获得清晰的单一像。

可选地，所述准直系统的数值孔径NA大于0.6。

可选地，所述光源包括单芯片LED光源。

可选地，所述准直系统包括大数值孔径的自由曲面全反射准直棱镜。

可选地，所述自由曲面全反射准直棱镜包括：凹面、以及全反射自由曲面；

所述凹面设置在入光面；

所述大数值孔径的自由曲面全反射准直棱镜将光源发出的光束进行全反射准直，经过全反射后的光线平行入射到所述前端复眼透镜上。

可选地，光源发出的光线，入射到自由曲面全反射准直棱镜的凹面折射后，再经过自由曲面全反射面进行反射，全反射后的光线，其光轴旋转90°，平行地入射到位于棱镜上方的前端复眼透镜上。

可选地，所述自由曲面全反射准直棱镜的全反射自由曲面为离轴抛物面、离轴二次曲面、B样条曲面中的任意一种。

可选地，所述第一复眼透镜与所述自由曲面复合棱镜一体成型，所述第一复眼透镜设置在所述自由曲面复合棱镜的上方出光面上。

可选地，所述第一复眼透镜按照六边形阵列方式排列、四边形排列或圆对称排列。

可选地，所述图案胶片包括：透光部分和不透光部分，图案部分为透光部分，其它部分为不透光部分。

可选地，所述图案部分为镂空或者透明；

所述不透光部分为黑色或者银色。

可选地，所述图案胶片是玻璃薄片、石英薄片、或者塑胶薄片。

可选地，所述图案部分是采用丝印、模压、或者光刻的方法制作在透明薄片的底面的。

可选地，所述图案部分为许多个倒置的L形错位叠加而成。

可选地，所述第二透镜为四方形的厚平板透镜，所述平板透镜的上排列有多个小透镜单元。

可选地，所述图案单元位于第二透镜单元的前焦点，第一透镜单元将入射过来的平行光光线会聚到第二透镜单元的顶点附近位置，经过后端复眼透镜上的第二透镜单元之后在远处形成该图案单元的清晰的像。

可选地，当其中的一个或多个光学通道损坏、玷污、或者受到遮挡后，由于其它通道还能正常工作，其只会降低整体投影光斑的亮度，而投影图案大小和形状不受影响，投影图案也不会受到遮挡。

可选地，所述的前端复眼透镜、图案胶片、后端复眼透镜，采用夹心饼干的方式合在一起。

可选地，所述准直系统、前端复眼透镜、图案胶片和后端复眼透镜通过胶水固定。

可选地，所述的自由曲面全反射棱镜与所述前端复眼透镜分离设置。

可选地，所述准直系统包括对称结构的一片或多片大数值孔径的非球面透镜。

可选地，所述前端复眼透镜是复合非球面复眼透镜。

可选地，所述复合非球面复眼透镜包括设置在下表面的非球面透镜和上表面的前端复眼透镜。

可选地，所述的大数值孔径的非球面透镜下表面为平面，上表面为高次项非球面。

可选地，所述前端复眼透镜数值孔径NA大于0.99。

可选地，准直系统包括一片或多片大数值孔径的非球面透镜。

可选地，所述前端复眼透镜数值孔径NA大于0.6。

可选地，所述准直系统包括两片大数值孔径的非球面准直透镜、转折棱镜；

所述两片大数值孔径的非球面准直透镜对光源发出的光线进行会聚并准直射出准直光线平行地入射到右方的转折棱镜中。

可选地，所述的转折棱镜为直角转折棱镜。

可选地，所述的转折棱镜为自由曲面全反射棱镜。

可选地，所述准直系统包括一片或多片大数值孔径的菲涅尔透镜。

可选地，所述准直系统包括两片大数值孔径的菲涅尔透镜和转折棱镜；

所述两片大数值孔径的菲涅尔准直透镜，两片大数值孔径的菲涅尔透镜组合起来对光源发出的光线进行会聚并准直射出，准直光线平行地入射到右方的转折棱镜中。

可选地，所述前端复眼透镜数值孔径N.A大于0.6。

可选地，所述准直系统包括折叠的全反射准直透镜，所述折叠的全反射准直透镜光源发出的180°之内的所有光线。

可选地，所述的折叠的全反射准直透镜，包括设置在中间的折射非球面和设置在侧面的两个环形全反射曲面。

可选地，从光源发出的光线，经过折叠的全反射准直透镜进行准直；

其中，

与光轴的夹角在0-30°的光线，由中间非球面进行折射准直；

与光轴OZ的夹角在30°-60°的光线，由内圈全反射面进行全反射准直；

与光轴OZ的夹角在60°-90°左右的光线，由外圈全反射面进行全反射准直。

由上述技术方案可知，本发明实施例提供的一种图案投影灯光学模组结构，其对准和定位比现有技术更加简单容易。由于本发明采用了大数值孔径的自由曲面准直系统，其入射到前端复眼透镜的光线为窄角度准直光线，入射光线基本上平行。其前后端复眼透镜的相邻小透镜单元间隔、以及图案胶片中相邻小图案单元的间隔完全一致，只要每一片的位置对准，就可以实现所有光学通道完全对心，极大地简化了对准的过程，更加容易获得清晰的像。其不需要将后端复眼透镜的每个小透镜往中心轴方向进行一定程度的错位，从而简化了多通道光学投影模组的对准，保证投影系统的品质、重复性、以及成品率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中多通道投影系统结构示意图；

图2为本发明实施例1的多通道光学投影模组正式爆炸示意图；

图3为本发明实施例1的等轴侧爆炸示意图；

图4为本发明实施例1的结构剖面示意图；

图5为本发明实施例1所述自由曲面复合棱镜120的三视图示意图；

图6为本发明实施例1所述图案胶片130的三视图示意图；

图7为本发明实施例1所述图案胶片130，其底部小图案单元的放大示意图；

图8为本发明为本发明实施例1所述后端复眼透镜140的三视图示意图；

图9为本发明实施例1所述多通道投影的设计原理示意图；

图10为本发明实施例1单个光学通道的投影原理；

图11为本发明一米远处投影图案的模拟结果示意图；

图12为本发明实施例2的结构剖面示意图；

图13为本发明实施例2所述多通道投影的设计原理示意图；

图14为本发明实施例3的结构剖面示意图；

图15为本发明实施例3所述多通道投影的设计原理示意图；

图16为本发明实施例4的结构剖面示意图；

图17为本发明实施例4所述多通道投影的设计原理示意图；

图18为本发明实施例5所述的结构剖面示意图；

图19为本发明实施例5所述多通道投影的设计原理示意图；

图20为本发明实施例6所述的结构剖面示意图；

图21为本发明实施例6所述多通道投影的设计原理。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明实施例提供一种多通道光学投影模组，包括：自由曲面准直系统和依序设置在准直系统出光方向上的复眼透镜、图案胶片、后端复眼透镜；多通道光学模组，其至少包括两个光学通道，每一个光学通道投射出完全相同的图案，在远处叠加后形成清晰的、单一的图案；光学通道，包括：第一透镜单元、图案单元、第二透镜单元，的第一透镜单元、图案单元、第二透镜单元相互对心、一一对应；第一透镜单元将平行光聚焦于第二透镜单元的曲面顶点附近位置；图案单元位于第二透镜单元的前焦点附近，第二透镜单元以相对应的图案单元为物点，将其投射到远处。下面对本发明提供的移动式超高压保鲜加工系统展开详细的说明。

实施例1：

本发明所涉及的一种多通道光学投影模组，其实施例1的正式爆炸图如图1所示，其等轴侧爆炸图如图3所示，其剖面图如；

图4所示。其由单芯片LED光源110、自由曲面复合棱镜120、图案胶片130、以及后端复眼透镜140组成。

本实施例1的单芯片LED光源110，其为瓦级单芯片的高功率LED，其为平头LED或者球头LED，其为白色或者彩色。

本实施例1的自由曲面复合棱镜120，其三视图如图5所示。其组合了大数值孔径的自由曲面全反射准直棱镜及前端复眼透镜123。大数值孔径的自由曲面全反射准直棱镜，其由凹面121、以及全反射自由曲面122组成，其数值孔径N.A.大于0.6。其将LED发出的光束进行全反射准直，经过全反射后的光线，其光轴旋转90°竖直向上，平行地入射到位于棱镜上方的前端复眼透镜123上。全反射自由曲面122，其为离轴抛物面、离轴二次曲面、B样条曲面，本实施例1优选其为离轴二次曲面。前端复眼透镜123，其直接做在自由曲面复合棱镜120的上方出光面上，其每一个小透镜单元(第一透镜单元)分别将下方入射过来的平行光线进行会聚，一一对应地会聚到后端复眼透镜142的每个小透镜单元(第二透镜单元)的顶点附近位置。前端复眼透镜123，其按照六边形阵列的方式排列。

本实施例1的图案胶片130，其三视图如；

图6所示，其为在一个透明薄片的底面采用丝印、模压、或者光刻的方法制作出精细的一个个小图案单元，图案部分可以为镂空或者透明，其他部分不透光，镀成黑色或者银色。透明薄片，其为玻璃薄片、石英薄片、或者塑胶薄片的图案胶片130，其每个小图案单元的图案放大图如；

图7所示，图案形状根据投影需要来制作，本实施例优选其图案的形状为许多个倒置的”L”形错位叠加而成。每个小图案单元，其位置、大小、和形状完全一致。其位于前端的小透镜单元的后面，并位于后端小透镜单元的前焦点附近。每一个小图案单元经过后端复眼透镜的小透镜单元142投影后，其在远处叠加后形成清晰的、单一的图案。图案胶片130，其每个小图案单元按照六边形阵列的方式来排列，其位置与前端复眼透镜123的每个小透镜单元一一对应。

本实施例1后端复眼透镜140，其三视图如；

图8所示，其为四方形的厚平板透镜，平板透镜的上方排列着许多小透镜单元142。后端复眼透镜，其每个小透镜单元位置分别与前端复眼透镜的小透镜单元、图案胶片上的小图案单元一一对应、相互对准，其位置和间隔完全一致。

本实施例1的前端复眼透镜123、图案胶片130、以及后端复眼透镜140，其每个相互对准的前后端小透镜单元以及图案单元组成一个光学通道，在同一个位置投影出完全一样的图案。整体组成后在远处叠加形成清晰的、单一的图案。

本实施例1的多通道光学投影模组，其投影原理如；

图9所示。从单芯片LED110发出的光线，入射到自由曲面复合棱镜120中，经过凹面121折射后，再经过自由曲面全反射面122进行反射，全反射后的光线，其光轴旋转90°竖直向上，平行地入射到位于棱镜上方的前端复眼透镜123上。前端复眼透镜123，其每一个小透镜单元分别将下方入射过来的平行光线进行会聚，一一对应地会聚到后端复眼透镜142的每个小透镜单元的顶点附近位置，同时照明图案胶片130上每个图案单元的镂空或者透明的位置。图案胶片130上每个图案单元分别位于后端复眼透镜142的小透镜单元的前焦点附近。经过小透镜单元142投影后，其在远处叠加后形成清晰的、单一的图案。

本实施例1的多通道光学投影模组，其单个光学通道的投影原理如；

图10所示。123-n为前端复眼透镜上其中的一个小透镜单元，142-n为与之相对应的后端复眼透镜上其中的一个小透镜单元。123-n将下方入射过来的平行光光线R1S1、R0S0、R2S2会聚到后端复眼透镜上其中的一个小透镜单元142-n的顶点附近位置T0，经折射后投影输出。F点位于图案胶片130上一个小图案单元上，其为后端复眼透镜上其中的一个小透镜单元142-n的前焦点，以F点为中心的光线FT1、FT0、FT2分别为入射到该小透镜单元142-n的左边缘光线、中心光线、右边缘光线，经过该小透镜单元142-n折射后，沿T1U1、T0U0、T2U2方向准直射出。因此以F点为中心的小图案单元，经过后端复眼透镜上的一个小透镜单元142-n之后在远处形成该图案单元的清晰的像。

实施例2：

本发明所涉及的一种多通道光学投影模组，前端复眼透镜、图案胶片、后端复眼透镜，可以采用夹心饼干的方式合在一起，如本实施例2。

本实施例2的多通道光学投影模组，其剖面图如；

图12所示，其由单芯片LED光源210、自由曲面全反射棱镜220、前端复眼透镜230、图案胶片240、以及后端复眼透镜250组成。前端复眼透镜230、图案胶片240、以及后端复眼透镜250，其采用夹心饼干的方式，通过胶水胶合在一起。

本实施例2的自由曲面全反射棱镜220，其由凹面221、以及全反射自由曲面222、以及上方的水平输出面223组成，其数值孔径N.A.大于0.6。其将LED发出的光束进行全反射准直，经过全反射后的光线，其光轴旋转90°竖直向上，从水平输出面223平行地射出。全反射自由曲面222，其为离轴抛物面、离轴二次曲面、B样条曲面，本实施例2优选其为离轴二次曲面。

本实施例2的前端复眼透镜230，其下表面231由按照六边形整齐排列的一个个小透镜单元组成。其每一个小透镜单元(第一透镜单元)分别将下方自由曲面全反射棱镜入射过来的平行光线进行会聚，通过上方的图案胶片240，一一对应地会聚到后端复眼透镜252的每个小透镜单元的顶点附近位置。

本实施例2的图案胶片240，其为在一个透明薄片的底面采用丝印、模压、或者光刻的方法制作出精细的一个个小图案单元，图案部分可以为镂空或者透明，其他部分不透光，镀成黑色或者银色。透明薄片，其为玻璃薄片、石英薄片、或者塑胶薄片。每个小图案单元，其大小、和形状完全一致。其位于前端的小透镜单元的后面，并位于后端小透镜单元的前焦点附近。图案胶片上每一个小图案单元经过后端复眼透镜的小透镜单元252投影后，其在远处叠加后形成清晰的、单一的图案。图案胶片240，其每个小图案单元也按照六边形阵列的方式来排列，其位置与前端复眼透镜230的每个小透镜单元一一对应。

本实施例2后端复眼透镜250，其为四方形的厚平板透镜，平板透镜的上方排列着许多小透镜单元(第二透镜单元)252。后端复眼透镜，其每个小透镜单元位置分别与前端复眼透镜的小透镜单元、图案胶片上的小图案单元一一对应、相互对准，其位置和间隔完全一致。

本实施例2的前端复眼透镜230、图案胶片240、以及后端复眼透镜250，其通过采用夹心饼干的方式胶合在一起，其每个相互对准的前后端小透镜单元以及图案单元组成一个光学通道，在远处同一个位置投影出完全一样的图案。整体组成后在远处叠加形成清晰的、单一的图案。

本实施例2的多通道光学投影模组，其投影原理如；

图13所示。从单芯片LED210发出的光线，入射到自由曲面全反射棱镜220中，经过凹面221折射后，再经过自由曲面全反射面222进行反射，全反射后的光线，其光轴旋转90°竖直向上，从水平输出面223平行地向上射出，入射到前端复眼透镜230上。前端复眼透镜230，其每一个小透镜单元231分别将下方入射过来的平行光线进行会聚，会聚后的光线一一对应地会聚到后端复眼透镜252的每个小透镜单元的顶点附近位置，同时照明图案胶片240上每个图案单元的镂空或者透明的位置。图案胶片240上每个图案单元分别相对应地位于后端复眼透镜252的每个小透镜单元的前焦点附近。经过小透镜单元252投影后，其在远处叠加后形成清晰的、单一的图案。

实施例3：

本发明所涉及的一种多通道光学投影模组，LED准直系统，其可以采用对称结构的一片或多片大数值孔径的非球面透镜，前端复眼透镜，其可以和其中一片非球面透镜结合一起使用，如本实施例3。

本实施例3的多通道光学投影模组，其结构剖面图如；

图14所示，其由单芯片LED光源310、大数值孔径的非球面透镜320、复合非球面-复眼透镜330、图案胶片340、以及后端复眼透镜350组成。

复合非球面-复眼透镜330，其由下表面的非球面透镜331及上表面的前端复眼透镜332结合而成。

大数值孔径的非球面透镜320，其下表面321为平面，上表面322为高次项非球面，其可以收集从LED发出的全角超过168°的光线，即数值孔径N.A.大于0.99。

复合非球面-复眼透镜330，其下表面的非球面透镜331，与大数值孔径的非球面透镜320，一起组成LED准直系统，将LED发出的光线进行会聚和准直，准直后的光线入射到前端复眼透镜332上，进行多通道的投影。通过调节非球面透镜331的弧度，可以在远处不同位置获得清晰的投影图案，譬如0.5米、1米、3米等不同距离的清晰的投影图案。

图案胶片340，其为在一个透明薄片的底面采用丝印、模压、或者光刻的方法制作出精细的一个个小图案单元，图案部分可以为镂空或者透明，其他部分不透光，镀成黑色或者银色。透明薄片，其为玻璃薄片、石英薄片、或者塑胶薄片。图案胶片340，其每个图案单元的大小、和形状完全一致，其位于前端复眼透镜332的每个小透镜单元(第一透镜单元)的后面，并位于后端复眼透镜上表面352的每个小透镜单元的前焦点附近。每一个小图案单元经过后端复眼透镜上表面352的每个小透镜单元投影后，其在远处叠加后形成清晰的、单一的图案。图案胶片340，其每个小图案单元按照六边形阵列的方式来排列，其位置与前后端复眼透镜的每个小透镜单元一一对应。

后端复眼透镜350，其为四方形的厚平板透镜，平板透镜的上表面352排列着许多小透镜单元。后端复眼透镜，其每个小透镜单元位置分别与前端复眼透镜的小透镜单元、以及图案胶片上的小图案单元一一对应、相互对准，其位置和间隔完全一致。

后端复眼透镜350，其下表面平面的与的图案胶片340对准后采用胶合的方法固定。

本实施例3的多通道光学投影模组，其投影原理如；

图15所示。从单芯片LED 310发出的光线，入射到大数值孔径的非球面透镜320中，经过其下表面321平面的折射后，先经过其上表面的高阶非球面322进行初次会聚，会聚后的光线，再经过复合非球面-复眼透镜330的下表面的非球面透镜331再次会聚，两次会聚后的光线，平行入射到上表面的前端复眼透镜332上，进行多通道的投影。

前端复眼透镜332，其每一个小透镜单元分别将下方入射过来的平行光线进行会聚，会聚后的光线一一对应地会聚到后端复眼透镜阵列面352上每个小透镜单元的顶点附近位置，同时照明图案胶片340上每个图案单元的镂空或者透明的位置。图案胶片340上每个图案单元分别相对应地位于后端复眼透镜阵列面352的每个小透镜单元(第二透镜单元)的前焦点附近。经过352上每个小透镜单元投影后，其在远处叠加后形成清晰的、单一的图案。

本实施例的优点为：

由于采用轴对称的高阶非球面，其准直透镜的加工和成型比自由曲面棱镜相对简单。

同时，在透镜的装配位置固定不变的情况下，通过调节非球面透镜331的弧度，可以在远处不同位置获得清晰的投影图案，譬如0.5米、1米、3米等不同距离的清晰的投影图案。

但对比实施例1和2的折叠光路的方案，本实施例具有光学总长较长的缺点。

实施例4：

本发明所涉及的一种多通道光学投影模组，LED准直系统，其可以采用一片或多片大数值孔径的非球面透镜，以及棱镜转折系统来实现光路的折叠。在光学总长比较长的情况下，采用转折光路可以获得较矮的高度，如本实施例4。

本实施例4的一种多通道光学投影模组，其结构剖面图如；

图16所示。其由单芯片LED光源410、两片大数值孔径的非球面准直透镜420及430、转折棱镜440、前端复眼透镜450、图案胶片460、以及后端复眼透镜470组成。

两片大数值孔径的非球面准直透镜420及430，其组合起来对LED发出的光线进行会聚并准直射出，其数值孔径N.A大于0.6，准直光线平行地入射到右方的转折棱镜440中。

转折棱镜440，其可以为直角转折棱镜，或者根据转折光线的需要设置为其它的转折棱镜，或者为自由曲面全反射棱镜。本实施例优选其为直角转折棱镜，其有一个全反射斜面442，其为45°全反射面。

前端复眼透镜450，其下表面451由按照六边形整齐排列的一个个小透镜单元(第一透镜单元)组成。其每一个小透镜单元分别将下方自由曲面全反射棱镜入射过来的平行光线进行会聚，通过上方的图案胶片460，一一对应地会聚到后端复眼透镜470的每个小透镜单元472的顶点附近位置。

图案胶片460，其为在一个透明薄片的底面采用丝印、模压、或者光刻的方法制作出精细的一个个小图案单元，图案部分可以为镂空或者透明，其他部分不透光，镀成黑色或者银色。透明薄片，其为玻璃薄片、石英薄片、或者塑胶薄片。每个小图案单元，其位置、大小、和形状完全一致。其位于前端的小透镜单元的后面，并位于后端小透镜单元的前焦点附近。图案胶片上每一个小图案单元经过后端复眼透镜470上表面的小透镜单元472投影后，其在远处叠加后形成清晰的、单一的图案。图案胶片460，其每个小图案单元也按照六边形阵列的方式来排列，其位置与前端复眼透镜下表面451的每个小透镜单元一一对应。

后端复眼透镜470，其为四方形的厚平板透镜，平板透镜的上表面为复眼透镜阵列面，其排列着许多小透镜单元472(第二透镜单元)。后端复眼透镜，其每个小透镜单元位置分别与前端复眼透镜的小透镜单元、图案胶片上的小图案单元一一对应、相互对准，其位置和间隔完全一致。

本实施例4的前端复眼透镜450、图案胶片460、以及后端复眼透镜470，其通过采用夹心饼干的方式胶合在一起，其每个相互对准的前后端小透镜单元以及图案单元组成一个光学通道，在远处同一个位置投影出完全一样的图案。整体组成后在远处叠加形成清晰的、单一的图案。

本实施例4的多通道光学投影模组，其多通道光学系统的投影原理如；

图17所示。从单芯片LED 410发出的光线，经过两片非球面聚光透镜420和430，准直地入射到转折棱镜440中，经过全反射面442进行反射，全反射后的光线，旋转90°竖直向上，从上方水平输出面平行地向上射出，入射到前端复眼透镜450上。前端复眼透镜450，其下表面451的每一个小透镜单元分别将下方入射过来的平行光线进行会聚，会聚后的光线一一对应地会聚到后端复眼透镜470上表面的每个小透镜单元472的顶点附近位置，同时照明图案胶片460上每个图案单元的镂空或者透明的位置。图案胶片460上每个图案单元分别相对应地位于后端复眼透镜470上表面的每个小透镜单元472的前焦点附近。经过470上小透镜单元472投影后，其在远处叠加后形成清晰的、单一的图案。

实施例5：

本发明所涉及的一种多通道光学投影模组，LED准直系统，其可以采用一片或多片大数值孔径的菲涅尔透镜，以及棱镜转折系统来实现光路的折叠。在光学总长比较长的情况下，采用转折光路可以获得较矮的高度，另外采用锯齿状的菲涅尔透镜，可以进一步缩短光学总长，如本实施例5。

本实施例5的一种多通道光学投影模组，其结构剖面图如；

图18所示。其由单芯片LED光源510、两片大数值孔径的菲涅尔透镜520及530、转折棱镜540、前端复眼透镜550、图案胶片560、以及后端复眼透镜570组成。

两片大数值孔径的菲涅尔准直透镜520及530，其组合起来对LED发出的光线进行会聚并准直射出，其数值孔径N.A大于0.6，准直光线平行地入射到右方的转折棱镜540中。

转折棱镜540，其可以为直角转折棱镜，或者根据光线转折方向的需要设置为其它的转折棱镜，或者为自由曲面全反射棱镜。本实施例优选其为直角转折棱镜，其有一个全反射斜面542，其为45°全反射面。

前端复眼透镜550，其下表面551由按照六边形整齐排列的一个个小透镜单元(第一透镜单元)组成。其每一个小透镜单元分别将下方自由曲面全反射棱镜入射过来的平行光线进行会聚，通过上方的图案胶片560，一一对应地会聚到后端复眼透镜570的每个小透镜单元572的顶点附近位置。

图案胶片560，其为在一个透明薄片的底面采用丝印、模压、或者光刻的方法制作出精细的一个个小图案单元，图案部分可以为镂空或者透明，其他部分不透光，镀成黑色或者银色。透明薄片，其为玻璃薄片、石英薄片、或者塑胶薄片。的每个小图案单元，其位置、大小、和形状完全一致。其位于前端的小透镜单元的后面，并位于后端小透镜单元的前焦点附近。图案胶片上每一个小图案单元经过后端复眼透镜570上表面的每个小透镜单元572投影后，其在远处叠加后形成清晰的、单一的图案。的图案胶片560，其每个小图案单元也按照六边形阵列的方式来排列，其位置与前端复眼透镜550小表面的每个小透镜单元一一对应。

后端复眼透镜570，其为四方形的厚平板透镜，平板透镜的上表面为复眼透镜阵列面，其排列着许多小透镜单元572(第二透镜单元)。后端复眼透镜，其每个小透镜单元位置分别与前端复眼透镜的小透镜单元、图案胶片上的小图案单元一一对应、相互对准，其位置和间隔完全一致。

本实施例5的前端复眼透镜550、图案胶片560、以及后端复眼透镜570，其通过采用夹心饼干的方式胶合在一起，其每个相互对准的前后端小透镜单元以及图案单元组成一个光学通道，在远处同一个位置投影出完全一样的图案。整体组成后在远处叠加形成清晰的、单一的图案。

本实施例5的多通道光学投影模组，其多通道光学系统的投影原理如；

图19所示。从单芯片LED510发出的光线，经过两片锯齿状的菲涅尔聚光透镜520和530，准直地入射到转折棱镜540中，经过全反射面542进行反射，全反射后的光线，旋转90°竖直向上，从上方水平输出面平行地向上射出，入射到前端复眼透镜550上。前端复眼透镜550，其下表面551的每一个小透镜单元分别将下方入射过来的平行光线进行会聚，会聚后的光线一一对应地会聚到后端复眼透镜570上表面的每个小透镜单元572的顶点附近位置，同时照明图案胶片560上每个图案单元的镂空或者透明的位置。图案胶片560上每个图案单元分别相对应地位于后端复眼透镜阵列面的每个小透镜单元572的前焦点附近。经过570上的每个小透镜单元572投影后，其在远处叠加后形成清晰的、单一的图案。

实施例6：

如图10、图21所示，本发明所涉及的一种多通道光学投影模组，LED准直系统，其可以采用折叠的全反射准直透镜，其可以收集LED发出的大约180°之内的所有光线，同时将准直部分的光学总长大大缩短。如本实施例6。

本实施例6的一种多通道光学投影模组，其结构剖面图如图19所示。其由单芯片LED光源610、折叠的全反射准直透镜620、前端复眼透镜630、图案胶片640、以及后端复眼透镜650组成。

折叠的全反射准直透镜620，其由中间一个折射非球面621、侧面两个环形全反射曲面622、623三个部分组成。其可以收集LED发出的180°之内(即透镜的数值孔径N.A＝n·sinθ＝1，θ为光线的发散半角)的全部光线，并通过中间非球面621、以及侧面两个环形全反射曲面622、623三个部分同时进行准直。准直后的光线，平行入射到上方的前端复眼透镜630中。

前端复眼透镜630，其下表面631由按照六边形整齐排列的一个个小透镜单元(第一透镜单元)组成。其每一个小透镜单元分别将下方自由曲面全反射棱镜入射过来的平行光线进行会聚，通过上方的图案胶片640，一一对应地会聚到后端复眼透镜650的上方阵列面652的每个小透镜单元的顶点附近位置。

图案胶片640，其为在一个透明薄片的底面采用丝印、模压、或者光刻的方法制作出精细的一个个小图案单元，图案部分可以为镂空或者透明，其他部分不透光，镀成黑色或者银色。透明薄片，其为玻璃薄片、石英薄片、或者塑胶薄片。每个小图案单元，其位置、大小、和形状完全一致。其位于前端每个小透镜单元的后面，并位于后端每个小透镜单元的前焦点附近。图案胶片上每一个小图案单元经过后端复眼透镜的小透镜单元投影后，其在远处叠加后形成清晰的、单一的图案。图案胶片640，其每个小图案单元也按照六边形阵列的方式来排列，其位置与前端复眼透镜下表面631的每个小透镜单元一一对应。

后端复眼透镜650，其为四方形的厚平板透镜，平板透镜的上表面652为复眼透镜阵列面，其排列着许多小透镜单元(第二透镜单元)。后端复眼透镜，其每个小透镜单元位置分别与前端复眼透镜的小透镜单元、图案胶片上的小图案单元一一对应、相互对准，其位置和间隔完全一致。

本实施例6的前端复眼透镜630、图案胶片640、以及后端复眼透镜650，其通过采用夹心饼干的方式胶合在一起，其每个相互对准的前后端小透镜单元以及图案单元组成一个光学通道，在远处同一个位置投影出完全一样的图案。整体组成后在远处叠加形成清晰的、单一的图案。

本实施例6的多通道光学投影模组，其多通道光学系统的投影原理如所示。从单芯片LED610发出的光线，经过折叠的全反射准直透镜620进行准直；其中与光轴OZ的夹角在0-30°左右的光线，由中间非球面621进行折射准直；其中与光轴OZ的夹角在30°-60°左右的光线，由内圈全反射面622进行全反射准直；其中与光轴OZ的夹角在60°-90°左右的光线，由外圈全反射面623进行全反射准直。准直后的全部光线，平行入射到位于上方的前端复眼透镜630中。前端复眼透镜630，其下表面631的每一个小透镜单元分别将下方入射过来的平行光线进行会聚，会聚后的光线一一对应地会聚到后端复眼透镜上表面652的每个小透镜单元的顶点附近位置，同时照明图案胶片640上每个图案单元的镂空或者透明的位置。图案胶片640上每个图案单元分别相对应地位于后端复眼透镜阵列面652的每个小透镜单元的前焦点附近。经过复眼透镜阵列面652上的每个小透镜单元投影后，其在远处叠加后形成清晰的、单一的图案。

其他实施例：

本发明所涉及的一种多通道光学投影模组，前端复眼透镜、图案胶片、后端复眼透镜，的小透镜单元、以及图案单元的排列方式除了六边形排列之外，其还可以按4边形排列、环形排列、或者其他规则排列，只要每个通道的前后小透镜、以及图案单元相互对准，就可以在远处投射出清晰和单一的图案。

综上所述，本发明实施例提供的多通道光学投影模组，其包括大数值孔径的自由曲面准直系统、前端复眼透镜、图案胶片、后端复眼透镜。所述的多通道光学模组，其先将光源发出的光线经过自由曲面准直系统进行准直，再由两个以上的光学通道投射出完全相同的图案，在远处叠加后形成清晰的、单一的图案。本发明提出的多通道光学模组，其每一个光学通道，其由前端一个小透镜单元、一个小图案单元、后端一个小透镜单元对应组成，前端的小透镜单元将平行光聚焦于后端小透镜单元的曲面顶点附近位置。而后端的小透镜单元则以相对应的小图案单元为物点，将其投射到远处；即所述的小图案单元，其位于前端的小透镜单元的后面，并位于后端小透镜单元的前焦点附近。所述的前端一个小透镜单元、小图案单元、后端一个小透镜单元，只需要相互对心、一一对应，就可以在远处获得清晰的单一像。本发明提出的多通道光学模组，其对准和定位比现有技术更加简单容易。由于本发明采用了大数值孔径的自由曲面准直系统，其入射到前端复眼透镜的光线为窄角度准直光线，入射光线基本上平行。其前后端复眼透镜的相邻小透镜单元间隔、以及图案胶片中相邻小图案单元的间隔完全一致，只要每一片的位置对准，就可以实现所有光学通道完全对心，极大地简化了对准的过程，更加容易获得清晰的像。其不需要将后端复眼透镜的每个小透镜往中心轴方向进行一定程度的错位，从而简化了多通道光学投影模组的对准，保证投影系统的品质、重复性、以及成品率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (35)

1.一种图案投影灯光学模组结构，其特征在于，包括：

光源、准直系统和依序设置在所述准直系统出光方向上的前端复眼透镜、图案胶片、后端复眼透镜；

多通道光学模组，其至少包括两个光学通道，每一个光学通道投射出完全相同的图案，在远处叠加后形成清晰的、单一的图案；

所述光学通道，包括依序设置的：第一透镜单元、图案单元、第二透镜单元，所述的第一透镜单元、图案单元、所述第二透镜单元相互对心、一一对应；

第一透镜单元将平行光聚焦于第二透镜单元的曲面顶点附近位置；所述图案单元位于所述第二透镜单元的前焦点附近，所述第二透镜单元以相对应的图案单元为物点，将其投射到远处；

所述准直系统包括大数值孔径的自由曲面全反射准直棱镜；

所述自由曲面全反射准直棱镜包括：凹面、以及全反射自由曲面；所述凹面设置在入光面；

所述大数值孔径的自由曲面全反射准直棱镜将光源发出的光束进行全反射准直，经过全反射后的光线平行入射到所述前端复眼透镜上。

2.根据权利要求1所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述准直系统为自由曲面准直系统。

3.根据权利要求1所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述准直系统的数值孔径NA大于0.6。

4.根据权利要求1所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述光源包括单芯片LED光源。

5.根据权利要求1所述图案投影灯光学模组结构，其特征在于，光源发出的光线，入射到自由曲面全反射准直棱镜的凹面折射后，再经过自由曲面全反射面进行反射，全反射后的光线，其光轴旋转90°，平行地入射到位于棱镜上方的前端复眼透镜上。

6.根据权利要求1所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述自由曲面全反射准直棱镜的全反射自由曲面为离轴抛物面、离轴二次曲面、B样条曲面中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述第一透镜单元与所述自由曲面全反射准直棱镜一体成型，所述第一透镜单元设置在所述自由曲面全反射准直棱镜的上方出光面上。

8.根据权利要求1所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于所述第一透镜单元按照六边形阵列方式排列、四边形排列或圆对称排列。

9.根据权利要求1所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述图案胶片包括：透光部分和不透光部分，图案部分为透光部分，其它部分为不透光部分。

10.根据权利要求9所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述图案部分为镂空或者透明；

所述不透光部分为黑色或者银色。

11.根据权利要求9所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述图案胶片是玻璃薄片、石英薄片或塑胶薄片。

12.根据权利要求9所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述图案部分是采用丝印、模压、或者光刻的方法制作在透明薄片的底面的。

13.根据权利要求9所述图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述图案部分为许多个倒置的L形错位叠加而成。

14.根据权利要求1所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述第二透镜为四方形的厚平板透镜，所述平板透镜的上排列有多个小透镜单元。

15.根据权利要求1所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述图案单元位于第二透镜单元的前焦点，第一透镜单元将入射过来的平行光光线会聚到第二透镜单元的顶点附近位置，经过后端复眼透镜上的第二透镜单元之后在远处形成该图案单元的清晰的像。

16.根据权利要求1所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，当其中的一个或多个光学通道损坏、玷污、或者受到遮挡后，由于其它通道还能正常工作，其只会降低整体投影光斑的亮度，而投影图案大小和形状不受影响，投影图案也不会受到遮挡。

17.根据权利要求1所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述的前端复眼透镜、图案胶片、后端复眼透镜，采用夹心饼干的方式合在一起。

18.根据权利要求1所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述准直系统、前端复眼透镜、图案胶片和后端复眼透镜通过胶水固定。

19.根据权利要求1所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述的自由曲面全反射准直棱镜与所述前端复眼透镜分离设置。

20.根据权利要求1所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述准直系统包括对称结构的一片或多片大数值孔径的非球面透镜。

21.根据权利要求20所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述前端复眼透镜是复合非球面复眼透镜。

22.根据权利要求21所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述复合非球面复眼透镜包括设置在下表面的非球面透镜和上表面的前端复眼透镜。

23.根据权利要求20所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述的大数值孔径的非球面透镜下表面为平面，上表面为高次项非球面。

24.根据权利要求20所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述前端复眼透镜的数值孔径NA大于0.99。

25.根据权利要求1所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述准直系统包括一片或多片大数值孔径的非球面透镜。

26.根据权利要求25所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述前端复眼透镜的数值孔径NA大于0.6。

27.根据权利要求25所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述准直系统包括两片大数值孔径的非球面准直透镜、转折棱镜；

所述两片大数值孔径的非球面准直透镜对光源发出的光线进行会聚并准直射出准直光线平行地入射到右方的转折棱镜中。

28.根据权利要求27所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述的转折棱镜为直角转折棱镜。

29.根据权利要求27所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述的转折棱镜为自由曲面全反射棱镜。

30.根据权利要求1所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述准直系统包括一片或多片大数值孔径的菲涅尔透镜。

31.根据权利要求30所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述准直系统包括两片大数值孔径的菲涅尔透镜和转折棱镜；

所述两片大数值孔径的菲涅尔透镜组合起来对光源发出的光线进行会聚并准直射出，准直光线平行地入射到右方的转折棱镜中。

32.根据权利要求30所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述前端复眼透镜的数值孔径N.A大于0.6。

33.根据权利要求1所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述准直系统包括折叠的全反射准直透镜，所述折叠的全反射准直透镜光源发出的180°之内的所有光线。

34.根据权利要求33所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，所述的折叠的全反射准直透镜，包括设置在中间的折射非球面和设置在侧面的两个环形全反射曲面。

35.根据权利要求34所述的图案投影灯光学模组结构，其特征在于，从光源发出的光线，经过折叠的全反射准直透镜进行准直；

其中，

与光轴的夹角在0-30°的光线，由中间非球面进行折射准直；

与光轴OZ的夹角在30°-60°的光线，由内圈全反射面进行全反射准直；

与光轴OZ的夹角在60°-90°的光线，由外圈全反射面进行全反射准直。

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