CN110687625A - 一种空气成像用平板透镜及空气成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空气成像用平板透镜，包括光波导阵列结构，所述光波导阵列结构包括呈多排多列布置的二面角反射器，沿列的方向所述二面角反射器的横截面积由光波导阵列结构中心到边缘减小设置。还公开了一种空气成像系统，包括光源和平板透镜，所述平板透镜为上述任意一种空气成像用平板透镜。本发明的优点是：沿列的方向从中间到边缘二面角反射器横截面积减小，形成狭缝的波导结构，让光通过狭缝进行光学成像，球差也更小，成像景深更大，有效提高了成像清晰度，而且这样的设计并不会改变原有平板透镜的尺寸，可以直接替换到原有的空气成像设备上。

Description

一种空气成像用平板透镜及空气成像系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种空气成像用平板透镜及空气成像系统。
背景技术
空气成像用平板透镜，一般采用长条形反射器或者二面角反射器，采用二面角反射器的方案利用两块透明基板之间压印周期性且斜45°排布地尺寸相等的二面角矩形反射器或长条形反射器，通过二次反射进行空气成像。
该技术因采用尺寸相等的二面角矩形反射器，因尺寸相等的光波导，离光源越远产生地球差较大、景深越小，从而降低成像的清晰度，在光学镜组中，常用凸透镜和凹透镜的组合来减少球差，但是凸透镜和凹透镜组合放在空气成像装置中，会严重影响到画面的可视角度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需使用凹凸透镜组合即可提高平板透镜清晰度的空气成像用平板透镜及空气成像系统。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种空气成像用平板透镜，包括光波导阵列结构，所述光波导阵列结构包括呈多排多列布置的二面角反射器，沿列的方向所述二面角反射器的横截面积由光波导阵列结构中心到边缘减小设置。
优选的，同一排二面角反射器尺寸均相等，如果同一排尺寸不相等会导致图像光源与同一排各个二面角反射器的反射距离不相等，从而使得成像发生偏移或者不能成像。
优选的，所述二面角反射器横截面为矩形，两个反射面相互垂直形成较好的反射效果，基本满足成像要求。
优选的，所述二面角反射器的横截面为正方形，两个反射面面积相等，反射光线产生清晰度最佳的反射图像。
优选的，所述二面角反射器横截面的边长在0.1～4mm之间，低于0.1mm会导致通光量减小，图像整体亮度降低，而高于4mm不易发生全反射。
优选的，所述二面角反射器的面积沿列的方向由光波导阵列结构中心到边缘逐步减小，防止出现尺寸较大波动对成像画面均匀度和亮度造成影响。
优选的，所述二面角反射器的面积沿列的方向由光波导阵列结构中心到边缘等差递减，使得光程差和成像后实际间距成周期性变化，提高图像的均匀性。
优选的，至少两排尺寸完全相同的二面角反射器组成镜片组，沿列的方向由光波导阵列结构中心到边缘相邻镜片组的二面角反射器面积逐步递减。
优选的，面积不同的两排二面角反射器之间留有调整间隙，让不同尺寸的两排二面角反射器能保持同一排间相互距离一致，保持成像画面均匀性。
优选的，所述光波导阵列结构的厚度在0.5～4mm之间，厚度太低会出现杂光，而厚度太厚会增加摄入光线的损耗。
一种空气成像系统，包括光源和平板透镜，所述平板透镜为上述任意一种空气成像用平板透镜。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、沿列的方向从中间到边缘二面角反射器横截面积减小，形成狭缝的波导结构，让光通过狭缝进行光学成像，同一排中分布更多的二面角反射器，使得经过光线经过外围二面角反射器反射朝向中心成像面的光斑更小，球差也更小，成像景深更大，有效提高了成像清晰度，
2、相对于现有采用凹凸透镜提升清晰度的方式，上述设计不会改变原有平板透镜的尺寸，无需改变空气成像设备中用于安装平板透镜部件的结构和尺寸，可以直接替换到原有的空气成像设备上，避免需更换安装部件而造成成本上升；
3、同时由于未采用凹凸透镜的结构，不会改变原有空气成像装置的可视角度，无需调整设备中成像相关部件的位置关系。
附图说明
图1为本发明一种空气成像用平板透镜的爆炸图；
图2为本发明一种空气成像用平板透镜中光波导镜片阵列的主视图；
图3为本发明一种空气成像用平板透镜的成像原理图；
图4为一种空气成像系统原理图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
参阅图1、图2为本发明一种空气成像用平板透镜的实施例，一种空气成像用平板透镜，包括光波导阵列结构1和两块平面基板2，光波导结构夹在两块平面基板之间，所述光波导阵列结构包括呈多排多列布置的二面角反射器3，沿列的方向所述二面角反射器的横截面积由光波导阵列结构中心到边缘减小设置。
沿列的方向从中间到边缘二面角反射器横截面积减小，形成狭缝的波导结构，让光通过狭缝进行光学成像，球差也更小，成像景深更大，有效提高了成像清晰度，而且这样的设计并不会改变原有平板透镜的尺寸，可以直接替换到原有的空气成像设备上。
由于空气成像平板透镜使用时都是需要将一个图像在空气中成像，而原光源图像一般成水平放置，这就要求同一排的二面角反射器尺寸要相等，使得原光源图像通过同一排二面角反射器的反射距离相等，可以清楚的成像。
而二面角反射器的横截面可以为矩形，但是长边和宽边的差不能太大，满足基本的成像条件，最好二面角反射器的横截面为正方形，两个反射面面积一致，反射光线成像后亮度均匀，并且边长在0.1～4mm之间，如果边长太短会使进光量太少，成像亮度受到极大影响，画面偏暗，而边长太长就不易发生全反射，导致成像失败或者画面模糊。而对于光波导阵列结构的厚度最好在0.5～4mm之间，厚度太低会出现杂光，杂光即未发生反射且通过的光，而厚度太厚会增加摄入光线的损耗。
对于不同列的二面角反射器减小设置规则，最好是逐排沿列的方向从中心到边缘等差递减，这样可以最大的保持画面亮度的均匀，获得最佳的成像效果。也可以不按等差递减，而选用按某递减函数的规律递减，比如选择余弦函数0～90度区间的规律递减等等。如图2所示，还可以保持几排尺寸完全相同的二面角反射器组成镜片组，沿列的方向由光波导阵列结构中心到边缘相邻镜片组的二面角反射器面积逐步递减。这需要根据实际所要达到的成像效果和成本预算来控制。
为了保证同一排二面角反射器之间的间距相等，面积不同的两排二面角反射器之间留有调整间隙4，将相邻的两排二面角反射器隔开一定距离作为调整。
光波导阵列结构可以先制作二面角反射器，然后通过光敏胶粘接成形，再与两块平面基板胶合压注成整体，也可以通过微纳加工技术或光刻技术在基板上直接刻蚀出二面角反射器。平面基板采用高透光率光学基板，主要起固定和保护的作用。
如图3所示，为本发明的成像原理图，实线为改进后的成像图，虚线为改进前的成像图，改进前点光源O通过光波导的成像弥散斑直径为虚线的B1B2，而本发明方案的成像弥散斑直径为实线A1A2，因B1B2比A1A2大，因此本发明专利弥散斑较小，像差较小，优于之前的专利设计。
如图4所示，一种空气成像系统，包括光源5和平板透镜6，所述平板透镜为上述任意一种空气成像用平板透镜，光源5发出的光线通过平板透镜6在空气中成像7。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (11)

1.一种空气成像用平板透镜，包括光波导阵列结构，所述光波导阵列结构包括呈多排多列布置的二面角反射器，其特征在于：沿列的方向所述二面角反射器的横截面积由光波导阵列结构中心到边缘减小设置。
2.如权利要求1所述的一种空气成像用平板透镜，其特征在于：同一排二面角反射器尺寸均相等。
3.如权利要求1所述的一种空气成像用平板透镜，其特征在于：所述二面角反射器横截面为矩形。
4.如权利要求3所述的一种空气成像用平板透镜，其特征在于：所述二面角反射器的横截面为正方形。
5.如权利要求4所述的一种空气成像用平板透镜，其特征在于：所述二面角反射器横截面的边长在0.1～4mm之间。
6.如权利要求1所述的一种空气成像用平板透镜，其特征在于：所述二面角反射器的面积沿列的方向由光波导阵列结构中心到边缘逐步减小。
7.如权利要求6所述的一种空气成像用平板透镜，其特征在于：所述二面角反射器的面积沿列的方向由光波导阵列结构中心到边缘等差递减。
8.如权利要求1所述的一种空气成像用平板透镜，其特征在于：至少两排尺寸完全相同的二面角反射器组成镜片组，相邻镜片组的二面角反射器面积沿列的方向由光波导阵列结构中心到边缘逐步递减。
9.如权利要求1所述的一种空气成像用平板透镜，其特征在于：面积不同的两排二面角反射器之间留有调整间隙。
10.如权利要求1所述的一种空气成像用平板透镜，其特征在于：所述光波导阵列结构的厚度在0.5～4mm之间。
11.一种空气成像系统，包括光源和平板透镜，其特征在于：所述平板透镜为权利要求1至10中任意一项所述的空气成像用平板透镜。
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