CN111856850A - 一种多通道微透镜阵列投影系统 - Google Patents

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Abstract

本发明系提供一种多通道微透镜阵列投影系统，包括光源、准直复合透镜、投影源、投影复合透镜和接收面，准直复合透镜的两侧面分别为第一聚光面和第一微透镜阵列面，投影复合透镜的两侧面分别为第二微透镜阵列面和第二聚光面；第一微透镜阵列面包括m个第一微透镜单元，投影源包括m个投影图像单元，第二微透镜阵列面包括m个第二微透镜单元，第一微透镜单元和第二微透镜单元的曲率半径分别为r1和r2，
Figure DDA0002617779920000011
Figure DDA0002617779920000012
本发明能够有效避免相邻光通道之间发生光信息串扰，子实像单元在接收面上复合叠加，获得清晰的投影实像；能简化系统结构，光能的利用率高。

Description

一种多通道微透镜阵列投影系统
技术领域
本发明涉及投影系统，具体公开了一种多通道微透镜阵列投影系统。
背景技术
投影系统即将物体照明后成像于投影屏上的光学系统。短距离的投影系统可应用于汽车侧面用于迎宾，也可以应用于汽车前后用作警示提醒，还能设于应用于桌面投影，如键盘图像的投影。
投影系统主要包括三个重要部件：光源、投影源以及成像单元。以投影源中的图像是否重复出现在接收面上为依据，分为单通道投影系统和多通道投影系统。
单通道投影系统如图1所示，设置多片式的成像单元，包括LED、准直透镜、菲林片等投影源和投影单元镜片组，可以在不同的距离获得清晰度较高的投影实像，但景深较浅，镜片数目较多，系统的总长度大。
多通道投影系统如图2所示，包括光源、准直透镜、第一微透镜阵列、投影源和第二微透镜阵列，可实现远场的成像，但接收面距离较近时，微透镜单元的高度相较于投影实像的像高较大，不能忽略，如微透镜单元的高度与投影实像的高度比大于1/50时，由于每个成像光路的偏移，会造成接收面上形成多个错开的实像单元，导致最终无法形成清晰且单一的投影实像。
为解决上述问题，专利号为201480039253.8的现有技术1公开了一种多孔径投影显示器和针对所述多孔经投影显示器的单图像生成器，对图2中第二微透镜阵列的中心进行偏置，使之对应的光轴与第一微透镜阵列的光轴不重合，从而实现多通道的图像重合叠加，最终实现近距离投影时，最终所获投影实像清晰，但由于第一微透镜阵列与第二微透镜阵列的光轴偏置错开，即第一微透镜阵列中某单元中的部分光进入到第二微透镜阵列的相邻单元，相邻通道之间的光信息会相互串扰，最终造成投影实像形成重影。
为解决上述问题，现有技术2公开一种激光束整形技术(DICKEY,FRED M,WEICHMAN,LOUIS S,and SHAGAM,RICHARD N.Laser beam shaping techniques.UnitedStates:N.p.,2000.Web.)，基于图2的结构，在第二微透镜阵列的后方增设一个积分透镜，从而对激光进行整型；专利号为201280035689.0的现有技术3公开了一种用于投影自由曲面或倾斜投影表面的显示整体图像的投影显示器和方法，在起投影功能的微透镜阵列后方增设积分透镜，从而实现多通道的近距离投影，但大量的光学零件会导致光能发生明显的损失，结构复杂，且装配操作繁琐、系统成本高。
现有技术中的投影系统无法同时获得近距离清晰投影、结构简洁和光能利用率高的性能。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术问题，提供一种多通道微透镜阵列投影系统，同时具备近距离清晰投影、系统结构简洁、装配使用操作简便、系统成本低、光能利用率高以及系统总长度小的优良性能。
为解决现有技术问题，本发明公开一种多通道微透镜阵列投影系统，包括依次设置的光源、准直复合透镜、投影源、投影复合透镜和接收面，准直复合透镜的两侧面分别为第一聚光面和第一微透镜阵列面，投影复合透镜的两侧面分别为第二微透镜阵列面和第二聚光面，第一微透镜阵列面和第二微透镜阵列面均正对投影源；
第一微透镜阵列面包括m个阵列排布的第一微透镜单元，投影源包括m个阵列排布的投影图像单元，第二微透镜阵列面包括m个阵列排布的第二微透镜单元，各个投影图像单元分别与两侧的各个第一微透镜单元和各个第二微透镜单元对应，相对的第一微透镜单元和第二微透镜单元具有共同的光轴，第一微透镜单元和第二微透镜单元的曲率半径分别为r1和r2，r1和r2满足以下关系式：
Figure BDA0002617779900000021
其中，n1和n2分别为准直复合透镜和投影复合透镜的光折射率，s为第一微透镜阵列面与投影源之间的距离。
进一步的，准直复合透镜远离投影源的一侧设有置光腔，光源位于置光腔内。
进一步的，置光腔的腔底为置光凸面。
进一步的，第一微透镜阵列面与投影源贴合连接。
进一步的，投影源包括至少两种具有不同投影图像的投影图像单元。
进一步的，第二微透镜阵列面与投影源之间的距离为L，L满足以下关系式：
Figure BDA0002617779900000022
进一步的，第二聚光面的曲率半径为r3，第二聚光面与接收面之间的距离为L’，r3和L’满足以下关系式：
Figure BDA0002617779900000023
进一步的，第二聚光面为具有非球面结构或菲涅尔透镜面。
本发明的有益效果为：本发明公开一种多通道微透镜阵列投影系统，相对的微透镜单元之间具有共同的光轴，能够有效避免相邻光通道之间发生光信息串扰，从而避免最终所获的投影实像形成重影，从投影源发出的各个子物像单元被投影复合透镜调整后，获得的子实像单元能够在近距离的接收面上复合叠加，最终获得清晰的投影实像；本发明只需两个复合透镜便能够配合光源和投影源实现在接收面上形成近距离的清晰投影，显著减少了系统中光学透镜的数量，能够有效简化系统结构、降低系统成本，装配使用方便，还能够有效减少光能因光学零件而造成的损耗，光能的利用率高，系统的总长度小。
附图说明
图1为现有技术中单通道投影系统的光路结构示意图。
图2为现有技术中多通道投影系统的光路结构示意图。
图3为本发明的结构示意图。
图4为本发明实施例一的光路结构示意图。
图5为本发明实施例二的光路结构示意图。
图6为本发明实施例三的光路结构示意图。
图7为本发明实施例四的光路结构示意图。
附图标记为：光源10、准直透镜20、第一聚光面21、第一微透镜阵列22、第一微透镜单元221、置光腔23、置光凸面231、投影源30、投影图像单元31、投影复合透镜40、第二微透镜阵列41、第二微透镜单元411、第二聚光面42、接收面50。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参考图3至图7。
本发明基础实施例公开一种多通道微透镜阵列投影系统，如图3所示，包括依次设置的光源10、准直复合透镜20、投影源30、投影复合透镜40和接收面50，光源10可以为LED灯珠，投影源30可以为菲林片、液晶屏等，接收面50可以为墙面、地面、白屏等平面结构，准直复合透镜20的两侧面分别为第一聚光面21和第一微透镜阵列面22，投影复合透镜40的两侧面分别为第二微透镜阵列面41和第二聚光面42，微透镜阵列也称复眼透镜，第二聚光面42能够将远场成像转换为近场成像，第一微透镜阵列面22和第二微透镜阵列面41均正对投影源30，即准直复合透镜20靠近光源10的一侧为第一聚光面21，准直复合透镜20靠近投影源30的一侧为第一微透镜阵列面22，投影复合透镜40靠近投影源30的一侧为第二微透镜阵列面41，投影复合透镜40靠近接收面50的一侧为第二聚光面42；
第一微透镜阵列面22包括m个阵列排布的第一微透镜单元221，投影源30包括m个阵列排布的投影图像单元31，第二微透镜阵列面41包括m个阵列排布的第二微透镜单元411，各个投影图像单元31分别与两侧的各个第一微透镜单元221和各个第二微透镜单元411一一对应，即第一微透镜单元221、投影图像单元31和第二微透镜单元411的阵列排布方式相同，相对的第一微透镜单元221和第二微透镜单元411具有共同的光轴，相对的第一微透镜单元221和第二微透镜单元411形成一个光通道单元，各个投影图像单元31分别位于各个光通道单元中，避免各个光通道之间发生串光而导致最终投影实像形成重影，第一微透镜单元221和第二微透镜单元411的曲率半径分别为r1和r2，为确保第一微透镜单元221和对应第二微透镜单元411能够形成的稳定光通道单元，避免所获的子实像单元发生畸变，r1和r2满足以下关系式：
Figure BDA0002617779900000041
其中，n1和n2分别为准直复合透镜20和投影复合透镜40的光折射率，s为第一微透镜阵列面22与投影源30之间的距离。
工作时，光源10发出的光依次到达第一聚光面21、第一微透镜阵列面22、投影源30、第二微透镜阵列面41、第二聚光面42和接收面50，具体原理为：光源10发出的光线被第一聚光面21准直后到达第一微透镜阵列面22，从而形成m个光束单元，各个光束单元被各个对应的投影图像单元31选择输出后形成m个子物像单元，各个子物像单元被各个对应的第二微透镜单元411调整后，能够在介质空间的远场成像，再经过第二聚光面42的汇聚能够获得可在近场成像并实现复合的子实像单元，各个单独的子实像单元在接收面50上实现复合叠加，最终获得清晰的投影实像。本系统能够有效减少所需的光学零件数目，系统结构简洁，系统成本低，且由于光学零件会对光能造成损耗，本系统减少光学零件的使用，能够有效减少光能损耗，从而有效提高光能的利用率。
投影复合透镜40从数学角度看事实上是个光学加法器，接收面50的照度分布满足以下关系式：E(x,y)＝∑i＝1..mEi(xi,yi)，其中(x,y)为接收面50的位置坐标，E为接收面50的照度，(xi,yi)为投影源30的位置坐标，Ei为投影源30的照度。
实施例一，基于上述实施例，如图4所示，其中虚线为光路线，第一聚光面21为具有正光焦度的非球面结构，第二聚光面42为具有正光焦度的非球面结构，通过非球面结构能够令成像更清晰、畸变更小。
实施例二，基于实施例一，如图5所示，其中虚线为光路线，准直复合透镜20远离投影源30的一侧设有置光腔23，置光腔23贯穿第一聚光面21的中心，第一聚光面21为全反射面，光源10位于置光腔23内，光源10发出的光线均通过置光腔23的各内壁进入准直复合透镜20，能够有效提高对光能的利用率，n1和n2均大于空气折射率n0，光源10发出的光线从置光腔23的侧壁进入准直复合透镜20后到达第一聚光面21，由于全反射的作用，被反射到第一微透镜阵列面22。优选地，置光腔23的腔底为置光凸面231，置光凸面231可为具有正光焦度的非球面结构，能够对光源10所发出的中心部分的光线实现会聚，可有效提高准直复合透镜20整体对光源10聚光的均匀效果。
实施例三，如图6所示，其中虚线为光路线，除第二聚光面42为菲涅尔透镜面外，其他结构与实施例一相同；第二聚光面42的菲涅尔透镜面由若干同心的菲涅尔凸环组成，能够有效降低投影复合透镜40的厚度，从而有效降低系统整体的体积以及重量。
实施例四，如图7所示，其中虚线为光路线，除第二聚光面42为菲涅尔透镜面外，其他结构与实施例二相同。
在本实施例中，第一微透镜阵列面22与投影源30贴合连接，具体为第一微透镜阵列面22凹凸结构的最外点与投影源30的表面贴合接触，能够令距离s足够小，能够有效确保投影源30能够最大限度地利用来自准直复合透镜20的光能，可有效减少光能损耗。
在本实施例中，投影源30包括至少两种具有不同投影图像的投影图像单元31，如图3、图7所示，即投影图像单元31设置有至少两种，不同种投影图像单元31的投影图像不相同，最终所形成图像不同的各种子实像单元在接收面50上复合叠加，从而形成图像特定的投影实像。
在本实施例中，第二微透镜阵列面41与投影源30之间的距离为L，即物距为L，L满足以下关系式：
Figure BDA0002617779900000051
第二微透镜单元411的曲率半径r2需要与物距L相匹配，从而能够确保最终所获投影实像的清晰度。
在本实施例中，第二聚光面42的曲率半径为r3，第二聚光面42与接收面50之间的距离为L’，即投影距离为L’，r3和L’满足以下关系式：
Figure BDA0002617779900000052
由于超焦距的存在，使得r3可以缩小到一定程度，在不影响成像清晰度的情况下能够获得较大的景深。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种多通道微透镜阵列投影系统，其特征在于，包括依次设置的光源(10)、准直复合透镜(20)、投影源(30)、投影复合透镜(40)和接收面(50)，所述准直复合透镜(20)的两侧面分别为第一聚光面(21)和第一微透镜阵列面(22)，所述投影复合透镜(40)的两侧面分别为第二微透镜阵列面(41)和第二聚光面(42)，所述第一微透镜阵列面(22)和所述第二微透镜阵列面(41)均正对所述投影源(30)；
所述第一微透镜阵列面(22)包括m个阵列排布的第一微透镜单元(221)，所述投影源(30)包括m个阵列排布的投影图像单元(31)，所述第二微透镜阵列面(41)包括m个阵列排布的第二微透镜单元(411)，各个投影图像单元(31)分别与两侧的各个所述第一微透镜单元(221)和各个所述第二微透镜单元(411)对应，相对的所述第一微透镜单元(221)和所述第二微透镜单元(411)具有共同的光轴，所述第一微透镜单元(221)和所述第二微透镜单元(411)的曲率半径分别为r1和r2，r1和r2满足以下关系式：
Figure FDA0002617779890000011
其中，n1和n2分别为所述准直复合透镜(20)和所述投影复合透镜(40)的光折射率，s为所述第一微透镜阵列面(22)与所述投影源(30)之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种多通道微透镜阵列投影系统，其特征在于，所述准直复合透镜(20)远离所述投影源(30)的一侧设有置光腔(23)，所述光源(10)位于所述置光腔(23)内。
3.根据权利要求2所述的一种多通道微透镜阵列投影系统，其特征在于，所述置光腔(23)的腔底为置光凸面(231)。
4.根据权利要求1所述的一种多通道微透镜阵列投影系统，其特征在于，所述第一微透镜阵列面(22)与所述投影源(30)贴合连接。
5.根据权利要求1所述的一种多通道微透镜阵列投影系统，其特征在于，所述投影源(30)包括至少两种具有不同投影图像的所述投影图像单元(31)。
6.根据权利要求1所述的一种多通道微透镜阵列投影系统，其特征在于，所述第二微透镜阵列面(41)与所述投影源(30)之间的距离为L，L满足以下关系式：
Figure FDA0002617779890000012
7.根据权利要求1所述的一种多通道微透镜阵列投影系统，其特征在于，所述第二聚光面(42)的曲率半径为r3，所述第二聚光面(42)与所述接收面(50)之间的距离为L’，r3和L’满足以下关系式：
Figure FDA0002617779890000021
8.根据权利要求1所述的一种多通道微透镜阵列投影系统，其特征在于，所述第二聚光面(42)为具有非球面结构或菲涅尔透镜面。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113820913A (zh) * 2021-08-27 2021-12-21 广东烨嘉光电科技股份有限公司 一种大光程的小尺寸保真型投影光学系统及其投影方法
CN114002900A (zh) * 2021-12-24 2022-02-01 宁波舜宇车载光学技术有限公司 图像投射装置及制造图像投射装置的方法
CN114261327A (zh) * 2021-12-17 2022-04-01 一汽奔腾轿车有限公司 一种电动汽车电量投影显示系统及显示方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000122178A (ja) * 1998-10-16 2000-04-28 Tamron Co Ltd 照明装置
CN106662799A (zh) * 2014-09-25 2017-05-10 宝马股份公司 具有用于投影图像的照明装置的机动车
CN107209392A (zh) * 2015-01-19 2017-09-26 飞利浦照明控股有限公司 具有准直器和微透镜阵列的光学设备
CN111240138A (zh) * 2018-11-29 2020-06-05 宁波舜宇车载光学技术有限公司 光学投影系统
CN111367136A (zh) * 2020-02-15 2020-07-03 江西微瑞光学有限公司 多通道投影光学组件、多通道投影设备以及投影方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000122178A (ja) * 1998-10-16 2000-04-28 Tamron Co Ltd 照明装置
CN106662799A (zh) * 2014-09-25 2017-05-10 宝马股份公司 具有用于投影图像的照明装置的机动车
CN107209392A (zh) * 2015-01-19 2017-09-26 飞利浦照明控股有限公司 具有准直器和微透镜阵列的光学设备
CN111240138A (zh) * 2018-11-29 2020-06-05 宁波舜宇车载光学技术有限公司 光学投影系统
CN111367136A (zh) * 2020-02-15 2020-07-03 江西微瑞光学有限公司 多通道投影光学组件、多通道投影设备以及投影方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113820913A (zh) * 2021-08-27 2021-12-21 广东烨嘉光电科技股份有限公司 一种大光程的小尺寸保真型投影光学系统及其投影方法
CN114261327A (zh) * 2021-12-17 2022-04-01 一汽奔腾轿车有限公司 一种电动汽车电量投影显示系统及显示方法
CN114002900A (zh) * 2021-12-24 2022-02-01 宁波舜宇车载光学技术有限公司 图像投射装置及制造图像投射装置的方法

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