CN111176056B - 一种适用于短距离场景的集成投影成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于投影成像技术领域，特别是指一种适用于短距离场景的集成投影成像光学系统，包括集成投影镜头；集成投影镜头包括多个以阵列形式分布的子通道，每个子通道均包括一个子图像单元以及与其对应的一个成像透镜单元，成像透镜单元设于子图像单元一侧，每个子图像单元通过成像透镜单元在投影面的实际投影区域拼接叠加投影成像；每个子通道中，子图像单元分别根据其在阵列中的位置，提供部分最终投影成像所需的图像信息，集成投影镜头到投影面之间的距离L范围为2f～4f，f表示所有子通道的焦距。该集成投影成像光学系统可以实现边缘清晰的、高照度均匀性的投影成像效果，且易于拓展。

Description

一种适用于短距离场景的集成投影成像光学系统

技术领域

本发明属于投影成像技术领域，特别是指一种适用于短距离场景的集成投影成像光学系统及用于集成投影成像光学系统的图像处理方法。

背景技术

微透镜阵列具有大焦深、短像距、微型化等特点，广泛应用于包括3D集成投影成像、光场成像、波前信息获取、光束整形与均匀化等领域。尤其是近二十年以来，微透镜阵列加工工艺的提高以及材料的丰富多样化，使得更高面形精度、自由度得以实现。随着微透镜阵列加工技术以及精度的日益提高，基于微透镜阵列的多孔径集成投影显示技术正在逐步得到重视。

传统的单孔径投影成像光学系统，往往具有大的镜头孔径尺寸以及投影视场角，因此会造成投影系统较为庞大笨重。在实现相同的投影镜头孔径尺寸的情况下，传统的投影镜头需要更多的光学镜片来校正成像的像差，且在整个投影视场区域内很难实现理想的照度均匀性。基于微透镜阵列的超短距投影成像系统属于多孔径多通道的投影成像系统，具有照度均匀性高、体积和重量小，以及超短距离成像的优点。

目前，基于微透镜阵列构成的集成投影成像光学系统，特别是超短距离投影(厘米级)，由于每个子通道成像的边缘处往往出现光强衰减，叠加后得到的最终投影成像通常存在部分区域模糊，照度均匀性差，实际成像效果不理想等缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种适用于短距离场景的集成投影成像光学系统。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种适用于短距离场景的集成投影成像光学系统，包括：集成投影镜头；

所述集成投影镜头包括多个以阵列形式分布的子通道，每个所述子通道均包括一个子图像单元以及与其对应的一个成像透镜单元，所述成像透镜单元设于所述子图像单元一侧，每个所述子图像单元通过所述成像透镜单元在投影面的实际投影区域拼接叠加投影成像；

每个所述子通道中，所述子图像单元分别根据其在阵列中的位置，提供部分最终投影成像所需的图像信息，集成投影镜头到投影面之间的距离L范围为2f～4f，f表示所有子通道的焦距。

可选的，单个所述子通道在所述投影面的成像大小S满足：2p≤S≤4p，p表示单个所述子通道的成像孔径大小。

可选的，各个所述子通道的成像透镜单元成像时，满足如下表达式：

可选的，所述成像透镜单元包括至少一个成像子透镜；多个所述成像子透镜组合、胶合或部分胶合，紧密相接构成所述成像透镜单元。

可选的，每个所述子通道中还包括光阑掩膜单元，所述光阑掩膜单元设于所述成像透镜单元一侧，或设于所述成像透镜单元内部两个所述成像子透镜之间。

可选的，所述子图像单元为显示单元或子图像掩膜。

可选的，所述集成投影成像光学系统还包括背光照明设备；

所述背光照明设备设于所述集成投影镜头远离所述投影面的一侧，用于提供背光照明。

可选的，每个所述子通道还包括聚光透镜单元，所述聚光透镜单元设于所述子图像单元远离所述投影面的一侧。

可选的，所述集成投影镜头中，各个所述子通道相切。

可选的，所述集成投影镜头中，各个所述子通道以矩形阵列、六边形阵列或圆形阵列的形式分布。

本发明还提供了一种用于上述任一项所述的集成投影成像光学系统的图像处理方法，包括：

子图像单元提供的图像信息根据其在阵列中的位置预畸变，子图像预畸变校正方法为径向基函数图像变形方法，包括：

设投影面上每个理想网格采样点为M_j'(x_j',y_j')，其对应的预畸变网格点为M_j(x_j,y_j)，则M_j'(x_j',y_j')与M_j(x_j,y_j)满足如下公式：

R_i(d)＝(d²+λr_i ²)^μ/2＝[(x_j-x_{center_i})²+(y_j-y_{center_i})²+λr_i ²]^μ/2

采用n阶多项式基函数实现图像预畸变过程，其中，R_i(d)代表第i个基函数，中心位于(x_{center_i},y_{center_i})；α_x,i、α_y,i为相应的基函数的权重；p_m(x_j,y_j)为m阶多项式，用以保证m阶拟合精度；j为由1至n的整数；λ为缩放因子，特征半径r_i等于理想网格采样点之间的最小间隔。

可选的，投影成像的每一像点对应不少于四个所述子通道的图像信息。

根据本发明的适用于短距离场景的集成投影成像光学系统，可以实现完整、清晰、照度均匀且像质高的短距离投影成像效果，系统体积更为轻薄，占用空间小，在实现较好成像质量的同时达到设备轻小型的需求。

附图说明

图1是本发明实施例中一种适用于短距离的集成投影成像光学系统结构示意图；

图2是本发明实施例中一种适用于短距离的集成投影镜头结构示意图；

图3是本发明实施例中集成投影镜头不同阵列排布方式示意图；

图4是本发明实施例中集成投影镜头多通道投影成像分析示意图；

图5是本发明实施例中集成投影镜头多通道投影成像原理示意图；

图6是本发明实施例中可投影区域分析与实际投影区域分析示意图；

图7是本发明实施例中的不同成像透镜单元结构示意图。

图中：1：集成投影镜头；11：投影成像阵列组件；111：光阑掩膜阵列层；112：第一成像透镜阵列子层；1121：成像子透镜；113：第二成像透镜阵列子层；110：集成投影镜头中列；

100：中心子通道；101：第一子通道；102：第二子通道；103：第三子通道；104：第四子通道；108：第一边缘子通道；109：第二边缘子通道；

12：子图像阵列层；120：中心子通道掩膜图像；121：第一子通道掩膜图像；122：第二子通道掩膜图像；123：第三子通道掩膜图像；124：第四子通道掩膜图像；

13：背光汇聚阵列层；131：聚光透镜单元；

2：背光照明光束；3：投影面；4：最终投影成像；

4-100：中心子通道成像区域；4-101：第一子通道成像区域；4-102：第二子通道成像区域；4-103：第三子通道成像区域；4-104：第四子通道成像区域；

42：外接矩形边界；43：成像矩形边界；44：舍弃投影区域；45：实际投影区域。

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的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。

在本发明中，表述“第一”和“第二”等可以修饰本发明的多种组成元件，但是不限制对应的组成元件。例如，表述不限制对应的组成元件的顺序和/或重要性等。表述可以用于将一个组成元件与另一组成元件区分开来。例如，第一用户装置和第二用户装置全部为用户装置，且代表不同的用户装置。例如，第一组成元件可以被命名为第二组成元件而不脱离本发明的精神和范围。相同地，即使第二组成元件也可以被命名为第一组成元件。

本发明实施例提供的一种适用于短距离的集成投影成像光学系统，包括集成投影镜头1。如图1所示，投影面3设于集成投影镜头1一侧。集成投影镜头1包括多个以阵列形式分布的子通道，每个子通道均包括一个子图像单元以及与其对应的一个成像透镜单元，成像透镜单元设于子图像单元一侧，每个子图像单元通过其对应的一个成像透镜单元在投影面3的实际投影区域拼接叠加投影成像。

每个用于成像的子通道中，子图像单元分别根据子通道在阵列中的位置，相应地提供部分最终投影成像所需的图像信息。为确保投影成像效果，集成投影镜头到投影面之间的距离L范围为2f～4f，f表示所有子通道的焦距。

优选地，各个子通道提供的图像信息(可认为是子图像单元具体提供的图片内容)根据其在阵列中的位置预畸变。构成集成投影镜头1的所有子通道分别形成对应最终投影成像不同部分的实像，每个子通道所包含的图像信息均为最终投影面上得到的全部成像信息的部分信息，投影成像是将所有子通道对应的子图像投影在投影面的不同区域，即最终投影成像4所显示的图像由各个子通道投影的、互不相同的实像叠加及拼接而形成。并且，子图像单元具体提供的图像优选为最终投影成像4实际所显示的图像经过相应的预畸变处理后得到的图像，确保投影在投影面的图像为期望显示的内容，提高像质与分辨率。

由于本发明所提供的集成投影成像光学系统中，所有子通道在投影面3上的成像区域并不完全相交，某个子通道的成像区域仅与其邻近的若干子通道的成像区域存在部分重叠，因此，需对投影进行一定的约束，单个子通道的成像大小S需满足：2p≤S≤4p，p表示单个子通道的成像孔径大小。在此范围内，投影成像的尺寸接近于集成投影镜头的孔径尺寸，最终投影成像4上各区域对应的子通道数目相对平均。具体每个像点对应多少个子通道成像的叠加可由具体需求和成像照度均匀性确定，一般优选至少有四个子通道的叠加，即投影成像的每一像点对应不少于四个子通道，以便实现高照度均匀性的短距离集成投影成像，且最终投影成像分辨率足够高。

优选地，集成投影镜头中，各个子通道的成像透镜单元成像时，满足如下表达式：

其中，S表示单个子通道在投影面3的成像大小，f表示所有子通道的焦距，p表示单个子通道的成像孔径大小，L表示集成投影镜头1到投影面3的投影距离。进一步地，孔径越大，可实现的分辨率越高，同时，对镜头加工的精度要求也越高，所以，为了便于加工，孔径p取值范围为1mm～2mm。

本发明所提供的集成投影成像光学系统中，组成最终投影成像4的每一像点相对平均地来自若干个子通道投影成像，因此所有子通道的成像将高精度的拼接融合在一起，实现高照度均匀性的集成投影成像，有效避免了因为单个子通道成像边缘衰减造成的图像不清、照度不均等问题，能够获得更为高像质的投影。

实际应用中，为便于生产加工，集成投影镜头1通常采用多层结构实现以阵列形式分布的子通道，即多个子图像单元以阵列形式分布构成子图像阵列层12，多个成像透镜单元以阵列形式分布构成成像透镜阵列层，成像透镜阵列层平行设于子图像阵列层12靠近投影面3的一侧，组成集成投影镜头1。具体的，请参阅图2，图2(a)是本发明实施例中一种集成投影镜头1以多层结构实际拼接后结构示意图，图2(b)是本发明实施例中一种集成投影镜头1拆分体结构示意图，其中子图像阵列层12包括多个以阵列形式分布的子图像单元，用以提供最终投影成像4所需的图像信息。成像透镜阵列层平行设于子图像阵列层12一侧，包括多个以(与子图像阵列层12)相同的阵列形式分布的结构相同的成像透镜单元，每个成像透镜单元对应一个子图像单元。各子图像单元分别通过其对应的一个成像透镜单元在投影面3投影成像。

作为一些典型的实施方式，成像透镜单元包括至少一个成像子透镜1121。成像子透镜1121的面型可采用平面、球面、二次曲面或非球面等不同面型。多个成像子透镜1121组合、胶合或部分胶合，紧密相接构成一个成像透镜单元。进一步地，成像透镜单元还可采用梯度折射率透镜，以便实现更薄、更高像质的集成投影镜头。

优选地，每个子通道中还包括光阑掩膜单元，光阑掩膜单元设于成像透镜单元一侧，例如成像透镜单元与子图像单元之间，或设于成像透镜单元内部两个成像子透镜之间，用于遮挡杂光，确保每个子图像单元通过且仅通过其所对应的一个成像透镜单元在投影面3投影成像，提升像质。

以多层结构的形式实现，即集成投影镜头1还包括光阑掩膜阵列层111，光阑掩膜阵列层111包括多个以(与子图像阵列层12)相同的阵列形式分布的结构相同的光阑掩膜单元。光阑掩膜阵列层111与子图像阵列层12相对应，每个光阑掩膜单元对应一个子图像单元。光阑掩膜阵列层111设于成像透镜阵列层与子图像阵列层12之间，或设于成像透镜阵列层内部。

如图2(b)所示，一个具体的实施方式中，成像透镜阵列层包括第一成像透镜阵列子层112和第二成像透镜阵列子层113，一个成像透镜单元由第一成像透镜阵列子层112中的成像子透镜和第二成像透镜阵列子层113中的成像子透镜组成，在此情况下，光阑掩膜阵列层111可设于成像透镜阵列层内部，位于第一成像透镜阵列子层112和第二成像透镜阵列子层113之间，易于加工，且易于控制其具体位置。图2(b)中所示投影成像阵列组件11即由第一成像透镜阵列子层112、光阑掩膜阵列层111和第二成像透镜阵列子层113构成。光阑掩膜阵列层111可直接刻蚀于第一成像透镜阵列子层112或第二成像透镜阵列子层113上。

在一些典型的实施方式中，用于提供图像信息的子图像单元为显示单元或子图像掩膜，显示单元直接发出光线显示相应的图像信息，子图像掩膜则通过遮挡部分光线提供相应的图像信息。以多层结构的形式实现，即子图像阵列层12可采用显示模块或图像掩膜阵列。显示模块包括多个以阵列形式分布的显示单元，每个显示单元为一个子图像单元。图像掩膜阵列包括多个以阵列形式分布的子图像掩膜，每个子图像掩膜为一个子图像单元。

优选地，当显示单元的显示亮度较低，为提高投影成像的对比度、清晰度，或者采用子图像掩膜提供图像信息，需要背光照明以实现投影，如图1所示，该集成投影成像光学系统还包括背光照明设备，背光照明设备设于集成投影镜头1远离投影面3的一侧，用于提供背光照明光束2。背光照明光束2优选采用准直光束，以使得最终投影成像4更加清晰。

进一步地，为实现汇聚照明背光的作用，提升光效率，每个子通道还包括聚光透镜单元131，聚光透镜单元131设于子图像单元远离投影面3的一侧。

如图1和图2所示，以多层结构的形式实现，即集成投影镜头1还包括背光汇聚阵列层13，背光汇聚阵列层13包括多个以相同的阵列形式分布的结构相同的聚光透镜单元131。背光汇聚阵列层13与子图像阵列层12相对应，平行设于所述子图像阵列层12远离所述成像透镜阵列层的一侧，每个聚光透镜单元131对应一个子图像单元。聚光透镜单元131和成像透镜单元共同构成科勒照明投影成像系统，保证了光利用率。

优选地，为保证结构整体的紧凑性，集成投影镜头1采用紧密接合结构，以多层结构的形式实现即集成投影镜头1包括的各层组件之间紧密接合。

在一个具体的实施方式中，如图1、图2(a)和图2(b)所示，该集成投影成像光学系统从打光侧到投影成像侧依次设有：背光照明设备、集成投影镜头1和投影面3，其中，集成投影镜头1包括的各组件，从打光侧到投影成像侧依次为：背光汇聚阵列层13、图像掩膜阵列(子图像阵列层12)、第二成像透镜阵列子层113、光阑掩膜阵列层111、第一成像透镜阵列子层112。第二成像透镜阵列子层113和第一成像透镜阵列子层112构成了成像透镜阵列层。第一成像透镜阵列子层112采用阵列形式排布的成像子透镜1121构成，用于调制光线。第二成像透镜阵列子层113可采用阵列形式排布的成像子透镜，用于调制光线，或采用双面平板结构，不调制光线，仅用于增加光阑掩膜阵列层111和子图像阵列层12之间的间距。

优选地，集成投影镜头1中，各个子通道相切，使得集成投影镜头1结构紧凑，以便实现器件小型化。进一步地，常见的几种不同阵列形式包括矩形阵列、六边形阵列、圆形阵列，如图3所示，在一些具体的实施方式中，集成投影镜头1中，各个子通道可采用如图3(a)所示出的矩形阵列、如图3(b)所示出的六边形阵列，或如图3(c)所示的圆形阵列的形式排布，其中虚线框内为不同阵列形式下的集成投影镜头中列110，包含了位于阵列中心的中心子通道100。成像透镜单元通过相应的拼接方法可以构成所需要的阵列排布形式，可以实现一定填充因子的微透镜阵列设计，填充因子的考虑结合了杂光和子通道串扰分析与光能的利用率。

请参阅图4，对于一个矩阵的集成投影镜头1，包含X和Y方向排布的均匀拼接的多个子通道，子通道对应子图像单元的成像区域孔径与该子通道的孔径一致，图4(a)示出了五个具有代表性的子通道及其相应的投影成像区域，五个子通道分别为一个位于阵列中心的子通道以及四个距离阵列中心最远的边界子通道：中心子通道100以及第一子通道101、第二子通道102、第三子通道103、第四子通道104。如图4(a)所示，将第一子通道101、第二子通道102、第三子通道103、第四子通道104的通光孔径圆在投影面3成像，可得到四个边界子通道对应的最大投影成像区域：第一子通道成像区域4-101、第二子通道成像区域4-102、第三子通道成像区域4-103、第四子通道成像区域4-104，由图4(a)可知，上述各成像区域分别覆盖最终投影成像4的部分区域，最终投影成像4落在四个边界子通道成像区域的并集范围内。集成投影镜头1的每个子通道在投影面3上均形成一个独立的圆形的成像区域，且不同子通道在投影面3的投影成像区域存在一定的重叠情况。

因此，以最终投影成像显示内容为图案‘A’为例，为了在投影面3投影成像得到一个完整的图案‘A’，不同的投影子通道应承担不同的投影内容，即不同子通道中需包含部分图案‘A’的信息，最终即可在投影面3成像拼接融合为一个完整的‘A’。

图4(b)示出了子图像阵列层12中五个具有代表性的子图像单元及其应提供的图像信息，五个子图像单元包括一个位于阵列中心的子图像单元以及四个距离阵列中心最远的边界子图像单元：中心子通道掩膜图像120以及第一子通道掩膜图像121、第二子通道掩膜图像122、第三子通道掩膜图像123、第四子通道掩膜图像124，如图4(b)所示，中心子通道掩膜图像120、第一子通道掩膜图像121、第二子通道掩膜图像122、第三子通道掩膜图像123、第四子通道掩膜图像124具体提供的图片内容均不相同，分别提供对应不同部分的最终投影成像4所需图像信息。

如图5所示，以一列子通道(如图3中选定的集成投影镜头中列110)进行分析，根据其上方边缘的第一边缘子通道108和下方边缘的第二边缘子通道109在投影面投影成像区域，可得到本发明中，集成投影镜头在投影面的投影区域孔径为：

D＝(N-1)p+S

其中，N表示该列子通道个数。

特别地，由于最终投影成像4中任一点优选对应不少于四个子通道，以避免边缘处出现较为明显的照度衰减和图案损失，可用于投影最终投影成像4的实际投影成像的区域需要截去所有子通道成像区并集的边沿部分。请参阅图6，图6(a)以圆形虚线示出了所有子通道对应的通光孔径圆成像在投影面的分布情况示意图，其中外接矩形边界42对应集成投影镜头1最大可投影的可投影区域(即所有子通道成像区并集)，成像矩形边界43对应实际可清晰投影的实际投影区域，成像矩形边界43具体大小可根据子通道投影区域重叠情况以及工程的需求来确定，所有子通道投影区域在投影面的边缘处重叠较少，相比之下，成像矩形边界43对应区域内具有更多子通道投影，重叠区域数量均匀。图6(b)示出了在投影面3上进行可投影区域与实际投影区域划分的示意图，其中阴影区域为舍弃投影区域44，在其区域内成像，将由于对应子通道数量较少、子通道成像边缘衰减而造成成像模糊。图6(b)中的中心区域即实际投影区域45，考虑工程的需要，比如实际需要清晰投影的区域为S，则应将该区域S设置在成像矩形边界43对应区域内，即最终投影成像4在实际投影区域45范围以内，以保证成像的完整性均匀性。特别地，通光孔径圆在投影面的具体成像位置信息可以通过光线追迹的方法获得。

图7给出了在一些典型的实施方式中，成像透镜单元的具体设计样式，其中所有S₁面为紧贴子图像单元的平面。如图7(a)所示，一种成像透镜单元包含两片成像子透镜，其中S₂面及S₃面均为平面，光阑掩膜单元位于S₂面、S₃面之间，当采用玻璃表面进行光刻或电子束直刻图案工艺时，光阑掩膜单元可直接刻蚀在S₂面或S₃面。如图7(b)所示，一种成像透镜单元主要包含两片成像子透镜，其中S₁面为平面，S₂面及S₃面可为球面、二次曲面、非球面等，且S₂面为凹面，S₃面与S₄面为凸面。进一步地，本发明提出如图7(c)所示三层式成像透镜单元，S₁面、S₄面、S₅面为平面，S₂面、S₃面、S₆面分别为凹面、凸面、凸面。光阑面(Stop面)位于最后一个面，即最靠近投影面3的面。其中S₂面、S₃面、S₄面、S₅面、S₆面可根据实际需求调整面型为球面、二次曲面，非球面等面型，且S₄面、S₅面可根据实际需求调整为具有一定曲率的凹面或凸面。进一步地，还可采用如图7(d)所示的胶合式三层成像透镜单元，其中S₂面与S₃面胶合，S₄面与S₅面胶合。更进一步地，本发明提出如图7(e)所示成像透镜单元结构，该种类型的成像透镜单元包含n个镜面，即包含了多层成像子透镜的串行结构，其中位于S₁面与S_n面之间的成像子透镜可以全部为独立的成像子透镜，可以全部为胶合拼接的成像子透镜，也可以为部分独立、部分胶合拼接的成像子透镜。通过上述方式，可在单一的成像子透镜的基础上，对成像透镜单元进行进一步优化设计，根据实际成像需求对成像子透镜数目、样式进行调整，包括引入非球面、二次曲面等面型，可以在实现高像质的同时不要求过小的阵列子通道孔径，不仅保证了投影成像的高照度均匀性需求，也可相对提高投影成像的分辨率。

如果子通道投影镜头在前述设计中主要考虑了其成像质量，对于成像畸变的问题并没有及时解决，因此子通道投影成像可能会有畸变问题的产生，优选地，可结合子图像预畸变校正方法对阵列中每个子图像进行预畸变校正。

进一步地，可根据最终投影成像的具体位置及各子通道的成像区域特征，确定每个子通道中的子图像单元需提供的图像信息范围，反向光线追迹确定每个子通道对应的畸变情况，结合子图像预畸变校正方法对期望显示的图像信息进行预畸变校正，得到各子图像单元提供的图像信息。

本发明提出通过反向光线追迹的方法获得子图像，提高分析的准确性。特别地，在投影面上期望显示图像的位置中取多个采样点(如按照网格形式取点)，进行反向光线追迹，可得到经过镜头成像畸变后的图像对应在子图像单元中的位置，即具体确定每个子通道引起的畸变形态，根据各子通道相应的畸变形态，对期望显示的图像(原图像)进行预畸变校正处理，即可得到各子图像单元实际显示的图像信息。

优选地，本发明还提供了一种用于上述任一项所述的集成投影成像光学系统的图像处理方法，该方法包括：

子图像单元提供的图像信息根据其在阵列中的位置预畸变，子图像预畸变校正方法为径向基函数图像变形方法，具体包括：

设投影面上每个理想网格采样点为M_j'(x_j',y_j')，其对应的预畸变网格点为M_j(x_j,y_j)，则M_j'(x_j',y_j')与M_j(x_j,y_j)满足如下公式：

R_i(d)＝(d²+λr_i ²)^μ/2＝[(x_j-x_{center_i})²+(y_{j-ycenter_i})²+λr_i ²]^μ/2

采用n阶多项式基函数实现图像预畸变过程，其中，R_i(d)代表第i个基函数，中心位于(x_{center_i},y_{center_i})；α_x,i、α_y,i为相应的基函数的权重；p_m(x_j,y_j)为m阶多项式，用以保证m阶拟合精度；j为由1至n的整数；λ为缩放因子，特征半径r_i等于理想网格采样点之间的最小间隔。

本发明利用基于径向基函数的图像变形方法进行子图像预畸变校正，该预畸变校正方法同时可以实现包括图像缩放、平移，以及各种不规则弹性形变在内的各种图像变形需求。基于径向基函数的图像变形方法具有高精度的图像预畸变能力，因此结合光学设计软件高精度的光线追迹，并通过足够的控制点实现的图像预畸变，可以达到高精度的校正效果，即，每个子图像单元通过其对应的子通道投影成像可在投影面3上实现高精度的集成成像效果，该集成成像的精度体现在每个子图像单元在投影面3上投影生成的子像能够精确的‘对准’，最终在投影面3上体现出一个完整的、高照度均匀性的、无畸变变形的成像效果。

同时，基于径向基函数的图像预畸变方法可以实现生成从期望显示的理想原始图像到所有子通道预畸变子图像之间的像素映射表，通过该映射表即可实现图像的实时替换，这意味着可实现实时动态的投影成像。例如，当子图像单元采用可变化的显示单元，如透射式液晶显示器等，即可通过本发明所提出的基于径向基函数的图像预畸变方法生成集成投影镜头1对应的预畸变像素映射查找表，进而可实现图像的实时替换与显示。

进一步地，该图像处理方法还包括每个所述子图像单元通过所述成像透镜单元在投影面的实际投影区域拼接叠加投影成像时，投影成像的每一像点对应不少于四个所述子通道的图像信息，以确保成像的完整性、均匀性。

此外，本发明提供的集成投影成像光学系统还可以进一步延伸扩展其应用。根据集成投影镜头1具有的匀光照明特点，可以将其用作光束整形和匀光器件。每个子通道将一束准直光束离散成多个微型子光束，每部分子光束通过各自的子通道并打在投影面3上，即便照在集成投影镜头1的光束的入射强度分布有一定不均匀性，但是经过集成投影镜头1的离散分束和集成投影下，在投影面3的实际投影区域内依然具有较高的照度均匀性，即可实现光束的离散和均匀化。

综上所述，本发明提供的集成投影成像光学系统可以实现超短距离(厘米级)投影成像，可实现超短距离微米级光刻或曝光成像等应用；可以通过扩展微透镜阵列尺寸(即增加子通道阵列大小)的方式实现大尺寸的高分辨集成投影成像，易于拓展。由于微透镜阵列自身的匀光特性，结合多孔径集成投影成像的集成成像特征，该集成投影成像光学系统成像的照度均匀性可以达到95％以上。同时，相比于传统微透镜阵列的近轴近似分析方法，本发明提出了通过光线追迹方法确定实际投影区域及各子图像单元具体提供的图像信息，具有高集成成像精度、高设计自由度的优势。另外，成像透镜单元可根据需要进一步优化，有效实现更轻薄的集成投影成像。聚光透镜单元与成像透镜单元共同构成科勒照明投影成像系统，保证了光利用率。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (8)

1.一种适用于短距离场景的集成投影成像光学系统，其特征在于，包括：集成投影镜头；

所述集成投影镜头包括多个以阵列形式分布的子通道，每个所述子通道均包括一个子图像单元以及与其对应的一个成像透镜单元，所述成像透镜单元设于所述子图像单元一侧，每个所述子图像单元通过所述成像透镜单元在投影面的实际投影区域拼接叠加投影成像；

每个所述子通道中，所述子图像单元分别根据其在阵列中的位置，提供部分最终投影成像所需的图像信息，所述子图像单元提供的图像信息根据其在阵列中的位置预畸变，各所述子通道相应的畸变形态由多个采样点反向光线追迹确定，投影成像的每一像点对应不少于四个所述子通道的图像信息；集成投影镜头到投影面之间的距离L范围为2f～4f，f表示所有子通道的焦距；单个所述子通道在所述投影面的成像大小S满足：2p≤S≤4p，p表示单个所述子通道的成像孔径大小，p取值范围为1mm～2mm；各个所述子通道的成像透镜单元成像时，满足如下表达式：

所述集成投影镜头适用于厘米级投影成像。

2.根据权利要求1所述的集成投影成像光学系统，其特征在于：

所述成像透镜单元包括至少一个成像子透镜；多个所述成像子透镜组合、胶合或部分胶合，紧密相接构成所述成像透镜单元。

3.根据权利要求2所述的集成投影成像光学系统，其特征在于：

每个所述子通道中还包括光阑掩膜单元，所述光阑掩膜单元设于所述成像透镜单元一侧，或设于所述成像透镜单元内部两个所述成像子透镜之间。

4.根据权利要求3所述的集成投影成像光学系统，其特征在于：

所述子图像单元为显示单元或子图像掩膜。

5.根据权利要求1所述的集成投影成像光学系统，其特征在于：

所述集成投影成像光学系统还包括背光照明设备；

所述背光照明设备设于所述集成投影镜头远离所述投影面的一侧，用于提供背光照明；

所述背光照明设备包括多个聚光透镜单元；

每个所述子通道还包括一个所述聚光透镜单元，每个所述聚光透镜单元对应一个所述子图像单元，聚光透镜单元和成像透镜单元共同构成了科勒照明投影成像系统。

6.根据权利要求1所述的集成投影成像光学系统，其特征在于：

所述集成投影镜头中，各个所述子通道相切。

7.根据权利要求6所述的集成投影成像光学系统，其特征在于：

所述集成投影镜头中，各个所述子通道以矩形阵列、六边形阵列或圆形阵列的形式分布。

8.一种用于权利要求1-7任一项所述的集成投影成像光学系统的图像处理方法，其特征在于：

子图像单元提供的图像信息根据其在阵列中的位置预畸变，子图像预畸变校正方法为径向基函数图像变形方法，包括：

设投影面上每个理想网格采样点为M_j'(x_j'，y_j')，其对应的预畸变网格点为M_j(x_j，y_j)，则M_j'(x_j'，y_j')与M_j(x_j，y_j)满足如下公式：

R_i(d)＝(d²+λr_i ²)^μ/2＝[(x_j-x_{center_i})²+(y_j-y_{center_i})²+λr_i ²]^μ/2

采用n阶多项式基函数实现图像预畸变过程，其中，R_i(d)代表第i个基函数，中心位于

α_y,i为相应的基函数的权重；p_m(x_j,y_j)为m阶多项式，用以保证m阶拟合精度；j为由1至n的整数；λ为缩放因子，特征半径r_i等于理想网格采样点之间的最小间隔。

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