CN111190320B - 一种适用于远距离使用的投影光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于远距离投影技术领域，特别是指一种适用于远距离使用的投影光学系统，包括集成投影镜头；其中，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，子图像单元通过成像透镜单元在投影面投影成像；每个子通道中，子图像单元均提供最终投影成像所需的全部图像信息，且提供的图像信息优选的根据其在阵列中的位置进行预畸变；各子图像单元可提供图像信息的有效信息区域对应在投影面的成像区域均完全重合。该投影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。

Description

一种适用于远距离使用的投影光学系统

技术领域

本发明属于远距离投影技术领域，特别是指一种适用于远距离使用的投影光学系统及用于确定投影光学系统有效信息区域的处理方法。

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微光学应用领域。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。基于微透镜阵列的集成投影成像系统属于多孔径多通道的投影成像系统，所需光学元件少，且体积小、重量轻，更具优势。

目前，基于微透镜阵列构成的投影光学系统，其各个成像的通道通常分别投影最终投影成像的不同部分，叠加后得到的最终投影成像边缘区域较为模糊，照度均匀性差，实际成像效果不够理想。

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远距离使用的投影光学系统。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种适用于远距离使用的投影光学系统，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后，均在投影面的有效成像区域叠加投影成像；

每个所述子通道中，所述子图像单元均提供最终投影成像所需的全部图像信息；所述集成投影镜头到所述投影面的投影距离L满足：20Np≤L≤3000Np，Np表示所述集成投影镜头的成像孔径大小。

可选的，所述成像透镜单元成像满足如下表达式：

其中，S表示单个子通道在投影面的成像大小，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。

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，所述投影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。

可选的，所述子图像单元提供图像信息为动态或静态的图像，或点光源。

本发明还提供了一种用于确定如上述任一项所述的投影光学系统有效信息区域的处理方法，包括：

通过光线追迹方法结合所述子通道的通光孔径圆，确定各个所述子通道在所述投影面上的最大成像区域，将所有最大成像区域的重叠区域确定为共同成像区域；

在所述共同成像区域内绘制一个内接多边形或内接圆，将该内接多边形或内接圆覆盖区域作为有效成像区域；

根据所述有效成像区域的边界，反向光线追迹计算各所述子图像单元可提供图像信息的有效信息区域。

可选的，各所述子图像单元提供的图像信息根据其在阵列中的位置通过光线追迹法进行预畸变。

根据本发明的投影光学系统，可以实现完整的、无畸变的、高照度均匀性，且高像质的投影成像效果，投影成像边缘清晰，投影视场大，且系统体积更为轻薄，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投影光学系统结构示意图；

图2是本发明实施例中一种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成像原理示意图；

图5是本发明实施例中集成投影镜头多通道投影成像分析示意图；

图6是本发明实施例中光线追迹方法采样点示意图；

图7是本发明实施例中利用共同成像区域边界曲线进行有效成像区域的选择和定位示意图；

图8是本发明实施例中投影光学系统多通道投影成像分析示意图；

图9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；

12：子图像阵列层；13：背光汇聚阵列层；131：聚光透镜单元；

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；

120：中心子通道掩膜图像；123：非中心子通道掩膜图像；124：实际成像区域；125：非成像区域；

2：背光照明设备；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；

41：共同成像区域；41-101：第一子通道对应共同成像区域边界；41-102：第二子通道对应共同成像区域边界；41-103：第三子通道对应共同成像区域边界；41-104：第四子通道对应共同成像区域边界；

20：准直光线；60：出射光线。

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远距离使用的投影光学系统，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后，均在投影面3的有效成像区域叠加投影成像。

每个用于成像的子通道中，子图像单元均提供最终投影成像所需的全部图像信息。为确保最终投影成像的效果，集成投影镜头1到投影面3的投影距离L满足：20Np≤L≤3000Np，Np表示集成投影镜头1的成像孔径大小，N表示集成投影镜头1在一个方向上所包含的最大子通道个数。对于矩形的集成投影镜头1，N为两个相对的顶角(在一个方向上距离最远的两点)之间包含成像透镜单元个数。优选地，子图像单元提供的图像信息可以为动态或静态的图像，或者也可以为点光源。

可选的，集成投影镜头1包括的所有子通道均形成完全相同的实像，最终投影成像4所显示的图像由各个子通道投影的、完全相同的实像叠加而成。并且，每个子通道中，子图像单元提供的图像信息优选根据该子通道在构成集成投影镜头1的阵列中的位置预畸变，即子图像单元提供的图像为最终投影成像4实际所显示的图像经过相应的预畸变处理后的图像。

该集成投影镜头1中，各子图像单元、成像透镜单元结构相同。投影时，各子图像单元所提供的具体图像存在差异，可提供图像的有效信息区域也不相同，但有效信息区域对应在投影面3的成像区域完全相同，子图像单元仅在其有效信息区域内提供图像信息，以避免某一子通道成像在其他子通道无法投影的区域中，这样，最终投影成像4的照度效果不会在成像的边缘处产生衰减，保证了最终投影成像4的完整性和照度均匀性。

优选地，该投影光学系统中，成像透镜单元成像满足如下表达式：

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优选的取值范围为1mm～2mm。

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均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，该投影光学系统还包括背光照明设备2，背光照明设备2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。背光照明设备2优选采用准直光照明，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了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，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2(a)和图2(b)所示，该投影光学系统从打光侧到投影成像侧依次设有：背光照明设备2、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，各个子通道可以如图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。

请参阅图4，图4是本发明实施例中集成投影镜头1成像原理示意图，所用子图像单元为子图像掩膜，背光照明设备2采用准直光照明。图3中以虚线框选出了几种不同阵列形式下的集成投影镜头中列110，集成投影镜头中列110对应投影面3的中心，图4(a)以集成投影镜头中列110为例，示出了最终投影成像4的成像原理，图4(b)为根据图4(a)中A-A线得到的截面图，图4(c)为根据图4(a)中B-B线得到的截面图。

如图4(a)所示，以位于阵列中心的中心子通道为例，准直光线20经过中心子通道的聚光透镜单元131，再经过中心子通道掩膜图像120上包含图像信息的子图像点S₀(即物点S₀)，再经过中心子通道的成像子透镜，以出射光线60成像于投影面3上的像点S'处。

如图4(b)所示，为保证各个子通道最终投影成像4区域均完全重合，以集成投影镜头中列110为例，不同位置的子图像在其所在显示单元或子图像掩膜中的位置有所偏移，但是所提供图像的信息不变，这里信息不变的意思是，每个子通道内投影的子图像包含了最终投影成像4所需的全部信息，即各个子通道中均包含了成像于投影面3上像点S'的物点，如图4(a)中，位于非中心子通道掩膜图像123上的子图像点S₀、子图像点S₁、子图像点S₂、子图像点S_i等，均是投影面3上的像点S'的物点。

光阑掩膜阵列层111的作用为避免各个子通道之间串扰，如图4(b)所示，优选地，通过光阑掩膜单元，可限制每个子通道实际成像区域124为相切的圆形，相应的每个子通道的非成像区域125即光阑掩膜单元遮挡位置，可采用黑色材料覆盖，利用其光吸收属性，避免引入杂光对成像产生干扰。本发明提供的投影光学系统的投影成像的最终效果是，各通道内的子图像‘A’经过各子通道的成像透镜单元最终成像在投影面3上同样的位置，生成一个完整清晰的大‘A’。每个子通道均投影一个完整的大‘A’，使得最终投影成像4具有高照度均匀性，边缘清晰无模糊。

在一些优选的实施方式中，所述的投影光学系统中，各子图像单元可提供图像信息的有效信息区域可进一步通过如下方式确定：

本发明中所提到的光线追迹为成像系统光学设计领域中的主光线追迹法，主光线为通过光学系统光瞳中心的参考光线，且整个光线的追迹采样过程是在光学设计软件中通过程序进行控制。由物面某位置处物点进行光线追迹，经过光学系统后其主光线在像面的位置即对应该物点在像面的几何位置。由于光学系统可能存在的畸变，即物面图案在像面会有失真变形，但畸变并不引起成像清晰度的变化。对应物面图案的采样点，它的主光线在像面的交点即确定了畸变造成的图案成像变形后的形状数据。因此，可以定义正向及反向光线追迹来获得对于某一成像镜头，其物面与像面间图案的形状映射关系，从而对图像进行预畸变。本领域技术人员可以理解的，各子图像单元可提供图像信息也可以通过其他方式进行预畸变。

在本发明中，定义子图像掩膜(子图像单元)所在平面为物面，则由掩膜图像所在平面的采样点进行光线追迹，在投影面上即获得成像图案的几何形状数据，该过程定义为正向光线追迹。本发明采用该过程结合子通道的通光孔径圆，确定各个子通道在投影面3上的最大成像区域。

同样的，在本发明中，定义由投影面上图案采样点进行光线追迹，在掩膜图像所在平面上即获得对应投影面上图案的几何形状数据，该过程定义为反向光线追迹。本发明采用反向光线追迹过程以计算各子图像单元可提供图像信息的有效信息区域。

由此，本发明还提供了一种用于确定如上述任一实施方式所述的投影光学系统有效信息区域的处理方法，具体步骤说明如下：

(1)、通过光线追迹方法结合子通道的通光孔径圆，确定各个子通道在投影面3上的最大成像区域，将所有最大成像区域的重叠区域确定为共同成像区域。

优选地，为减少计算量，可通过选取多个距离集成投影镜头1的阵列中心最远的边界子通道来确定所有子通道的共同成像区域。如图5所示，对于一个矩阵的集成投影镜头1，图5示出了位于阵列中心的子通道：中心子通道100，以及四个距离阵列中心最远的边界子通道：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5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，分别确定四个边界子通道的最大成像区域：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，将上述各成像区域取交集，即可得到所有子通道都可以清晰投影的共同成像区域41。如图5所示，由于确定重叠区域时，选取的是距离中心最远的四个边界子通道，中心子通道100的通光孔径圆在投影面3上成像得到的中心子通道成像区域4-100包含共同成像区域41。

如图6所示，图6(a)是本发明实施例中通光孔径圆成像对应的最大成像区域光线追迹方法采样点示意图；图6(b)是共同成像区域边界曲线对应的光线追迹方法采样点示意图。通过光线追迹方法计算第一子通道101、第二子通道102、第三子通道103、第四子通道104的通光孔径圆对应在投影面3上最大成像区域的边界，即计算如图6(a)所示的离散采样点，确定共同成像区域41，可得到如图6(b)所示的、共同成像区域41的边界曲线所对应的离散采样点，共同成像区域41的边界曲线包括四个部分：第一子通道对应共同成像区域边界41-101、第二子通道对应共同成像区域边界41-102、第三子通道对应共同成像区域边界41-103、第四子通道对应共同成像区域边界41-104。

利用离散点的多项式曲线拟合即可获得第一子通道对应共同成像区域边界41-101、第二子通道对应共同成像区域边界41-102、第三子通道对应共同成像区域边界41-103、第四子通道对应共同成像区域边界41-104的多项式表达式，即：y＝a₄x⁴+a₃x³+a₂x²+a₁x+a₀，其中a₀、a₁、a₂、a₃、a₄分别为多项式拟合系数。

(2)、在共同成像区域内绘制一个内接多边形或内接圆，将该内接多边形或内接圆覆盖区域作为有效成像区域。

由于在共同成像区域内投影可保证所有子通道的成像清晰无模糊，因此，为了获得完整的、清晰的、照度均匀的集成投影成像的效果，集成投影镜头1的有效成像区域，即用于显示图像信息的投影图案区，需限制在共同成像区域范围之内。通过绘制内接多边形或内接圆，能够选取面积更大的有效成像区域，充分利用共同成像区域内的空间位置。图7是本发明实施例中，利用共同成像区域41边界曲线进行有效成像区域的选择和定位示意图，通过绘制内接矩形，其四个角点A1、A2、A3、A4分别位于共同成像区域41的边界曲线上。已知共同成像区域41边界曲线的多项式表达式，即可精确确定边界曲线上四个角点A1、A2、A3、A4的位置，进而可精确确定在共同投影区41内，某一投影点在由四个角点构成的矩形A1-A2-A3-A4(有效成像区域)的位置。

请参阅图8，图8(a)示出了多通道投影成像对应的共同成像区域，图8(b)为根据图8(a)中的C-C得到的截面图。由于所有子通道均为相同的结构，且每个子通道成像区域大小均相同，仅有子通道位置的不同造成的成像区域有所偏移，每个子通道的成像孔径大小为p，子通道在投影面3的成像大小为S，两个相对的顶角之间包含子通道个数N(以图5为例，N表示第一子通道101到第三子通道103包含子通道个数，或第二子通道102到第四子通道104包含子通道个数)，而所有子通道的成像投影重合的共同成像区域S_r满足：

S_r∝[S-(N-1)p]。

(3)、根据有效成像区域的边界，反向光线追迹计算各子图像单元可提供图像信息的有效信息区域。

此步骤中，可选择多个位于有效成像区域的边界上的点，反向光线追迹计算各子图像单元可提供图像信息的有效信息区域。

图9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9(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9(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9(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9(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9(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。

优选地，为提高最终投影的效果，该处理方法还包括各子图像单元提供的图像信息根据其在阵列中的位置通过光线追迹法进行预畸变。具体地，通过期望显示的图像所在位置中取多个采样点(如按照网格形式取点)反向光线追迹，可得到经过镜头而变形的图像所在位置，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)进行预畸变处理，即可得到各子图像单元实际显示的图像信息。

本发明中，为获取子图像单元提供的图像信息，即子图像单元所显示出的实际子图像，采用了光学软件光线追迹获取子图像位置、大小以及形变的具体信息，进而利用图像的预畸变方法进行求取实际子图像，最终通过将实际子图像拼接，实现了子图像阵列的生成。

此外，本发明提供的投影光学系统还可以进一步延伸扩展其应用。根据其在一定区域阵列子通道投影成像可以重叠在一定区域内的特点，可以将其用作光束整形和匀光器件，作为匀光器件时，投影光学系统中的子图像单元为点光源。每个子通道将一束准直光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的子通道共同成像区域41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。

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 (11)

1.一种适用于远距离使用的投影光学系统，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后，均在投影面的有效成像区域叠加投影成像；所述有效成像区域通过正向光线追迹所述子通道的通光孔径圆确定，不超出所有所述子通道最大成像区域的交集；

每个所述子通道中，所述子图像单元均提供最终投影成像所需的全部图像信息；各所述子图像单元可提供图像信息的有效信息区域通过反向光线追迹所述有效成像区域的边界确定；

所述集成投影镜头到所述投影面的投影距离L满足：20Np≤L≤3000Np，Np表示所述集成投影镜头的成像孔径大小；所述成像透镜单元成像满足如下表达式：

其中，S表示单个子通道在投影面的成像大小，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，p的取值范围为1mm～2mm。

2.根据权利要求1所述的投影光学系统，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所述的投影光学系统，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1所述的投影光学系统，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4所述的投影光学系统，其特征在于：

所述投影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，每个聚光透镜单元对应一个子图像单元，聚光透镜单元和成像透镜单元共同构成科勒照明投影成像系统。

6.根据权利要求1所述的投影光学系统，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所述的投影光学系统，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.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述子图像单元提供图像信息为动态或静态的图像，或点光源。

9.根据权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，

每个子通道中，子图像单元提供的图像信息根据该子通道在构成集成投影镜头的阵列中的位置预畸变。

10.一种用于确定如权利要求1-9任一项所述的投影光学系统有效信息区域的处理方法，其特征在于：

通过光线追迹方法结合所述子通道的通光孔径圆，确定各个所述子通道在所述投影面上的最大成像区域，将所有最大成像区域的重叠区域确定为共同成像区域；

在所述共同成像区域内绘制一个内接多边形或内接圆，将该内接多边形或内接圆覆盖区域作为有效成像区域；

根据所述有效成像区域的边界，反向光线追迹计算各所述子图像单元可提供图像信息的有效信息区域。

11.根据权利要求10所述的处理方法，其特征在于，

各所述子图像单元提供的图像信息根据其在阵列中的位置通过光线追迹法进行预畸变。

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