CN111856851B - 一种复合微透镜和微棱镜的投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明系提供一种复合微透镜和微棱镜的投影系统，包括光源、复合准直镜模块、投影源、复合投影镜模块和接收面，复合准直镜模块包括准直聚光面和第一微透镜阵列面，第一微透镜阵列面包括阵列排布的第一微透镜单元，投影源包括阵列排布的投影图像单元；复合投影镜模块包括第二微透镜阵列面和微棱镜阵列面，第二微透镜阵列面包括阵列排布的第二微透镜单元，微棱镜阵列面包括阵列排布的楔形微棱镜单元；楔形微棱镜单元的楔角满足：

本发明可避免相邻光通道之间发生光信息串扰，楔形微棱镜单元令子实像单元获得针对性的偏折调节，最终获得清晰单一的投影实像。

Description

一种复合微透镜和微棱镜的投影系统

技术领域

本发明涉及投影系统，具体公开了一种复合微透镜和微棱镜的投影系统。

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，会造成像面上多个像面相互叠加，导致最终无法形成清晰且单一的投影实像。

现有技术中的投影系统无法同时获得近距离投影、投影实像清晰单一以及系统总长度小的性能。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术问题，提供一种复合微透镜和微棱镜的投影系统，同时具备近距离投影、投影实像清晰单一以及系统总长度小的优良性能。

为解决现有技术问题，本发明公开一种复合微透镜和微棱镜的投影系统，包括依次设置的光源、复合准直镜模块、投影源、复合投影镜模块和接收面，复合准直镜模块包括准直聚光面和第一微透镜阵列面，准直聚光面位于第一微透镜阵列面远离投影源的一侧，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；

复合投影镜模块包括第二微透镜阵列面和微棱镜阵列面，微棱镜阵列面位于第二微透镜阵列面远离投影源的一侧，第二微透镜阵列面包括m个阵列排布的第二微透镜单元，微棱镜阵列面包括m个阵列排布的楔形微棱镜单元，各个第二微透镜单元分别与两侧相对的第一微透镜单元和楔形微棱镜单元具有共同的中心轴，各个投影图像单元分别位于各个第二微透镜单元的中心轴上；

第一微透镜阵列面和第二微透镜阵列面之间的距离为s，微棱镜阵列面与接收面之间的距离为L′，第一微透镜单元的焦距f₁＝s，第二微透镜单元的焦距f₂＝(L′*s)/(L′+s)；

楔形微棱镜单元的楔角为α_i，i*d＜＜L′，距离系统光轴的第i个楔形微棱镜单元的楔角满足以下关系式：

其中，相邻两个第一微透镜单元的间距、相邻两个第二微透镜单元的间距和相邻两个楔形微棱镜单元的间距均为d，n为折射率。

进一步的，准直聚光面设于准直透镜上，第一微透镜阵列面设于第一多通道透镜上。

进一步的，第一微透镜阵列面位于第一多通道透镜远离投影源的一侧。

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，第二微透镜阵列面设于第二多通道透镜上，微棱镜阵列面设于偏折镜片上。

进一步的，偏折镜片的两侧面均设有微棱镜阵列面。

进一步的，第二微透镜阵列面和微棱镜阵列面均设于投影复合镜片上。

本发明的有益效果为：本发明公开一种复合微透镜和微棱镜的投影系统，在接收面之前设置有微棱镜阵列面，相对的微透镜单元和楔形微棱镜单元之间具有共同的中心轴，可有效避免相邻光通道之间发生光信息串扰，投影源选择输出的光经第二微透镜阵列面形成多个子实像单元，各个楔形微棱镜单元分别对各个子实像单元进行偏折调节，令每一个子实像单元都获得具有针对性的偏折调节，最终各个子实像单元在近距离的接收面上复合重叠并获得清晰单一的投影实像，系统总长度小。

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为本发明的光路结构示意图。

图4为本发明的局部结构示意图。

图5为本发明一实施例的光路结构示意图。

图6为本发明另一实施例的光路结构示意图。

图7为本发明又一实施例的光路结构示意图。

图8为本发明又一实施例的光路结构示意图。

附图标记为：光源10、复合准直镜模块20、准直聚光面21、准直透镜21A、第二微透镜阵列面22、第二微透镜单元221、第一多通道透镜22A、投影源30、投影图案单元31、复合投影镜模块40、第二微透镜阵列面41、第二微透镜单元411、第二多通道透镜41A、微棱镜阵列面42、楔形微棱镜单元421、偏折镜片42A、投影复合镜片43、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8。

本发明基础实施例公开一种复合微透镜和微棱镜的投影系统，如图3所示，包括依次设置的光源10、复合准直镜模块20、投影源30、复合投影镜模块40和接收面50，投影源30可以为菲林片或液晶屏，复合准直镜模块20包括准直聚光面21和第一微透镜阵列面22，优选地，准直聚光面21具有正光焦度的非球面，准直聚光面21位于第一微透镜阵列面22远离投影源30的一侧，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；

复合投影镜模块40包括第二微透镜阵列面41和微棱镜阵列面42，微棱镜阵列面42位于第二微透镜阵列面41远离投影源30的一侧，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，微棱镜阵列面42包括m个阵列排布的楔形微棱镜单元421，楔形微棱镜单元421的截面为直角三角形，同一水平位置上的各个第一微透镜单元221、第二微透镜单元411和微棱镜单元一一对应，各个第二微透镜单元411分别与两侧相对应的第一微透镜单元221和楔形微棱镜单元421具有共同的中心轴，即第二微透镜单元411的光轴穿过其相对两侧的第一微透镜单元221的中心和楔形微棱镜单元421的中心，能有效避免相邻的光通道之间发生光信息串扰而导致最终所获投影实像形成重影，各个投影图像单元31分别位于各个第二微透镜单元411的中心轴上，相对的第一微透镜单元221、第二微透镜单元411和楔形微棱镜单元421形成光通道，各个投影图像单元31分别位于各个光通道中；

第一微透镜阵列面22和第二微透镜阵列面41之间的距离为s，微棱镜阵列面42与接收面50之间的距离为L′，L′为投影距离，为确保经准直聚光面21准直之后的光能够准确到达第二微透镜单元411对应的光通道且不发生串光，第一微透镜单元221作为场镜其焦点设置在对应第二微透镜单元411的主点，第一微透镜单元221的焦距f₁＝s，第二微透镜单元411的焦距f₂＝(L′*s)/(L′+s)。

整体系统的光轴平行线穿过各个楔形微棱镜单元421的斜面，任一微透镜单元的光轴与系统的光轴所组成的平面，垂直于该微透镜单元对应的楔形微棱镜单元421的斜面，楔形微棱镜单元421的楔角为α_i，楔角为系统光轴所垂直的平面与楔形微棱镜单元421的斜面之间的夹角，每个楔形微棱镜单元421中楔角的尖端相对于另一端远离系统光轴，如图4所示，根据几何光学的折射公式以及几何关系可得以下三式：α_i＝I_i，sin(I_i)*n＝sin(ri)，

其中，I_i为入射角，r_i为出射角，相邻两个第一微透镜单元221中心的间距、相邻两个第二微透镜单元411中心的间距和相邻两个楔形微棱镜单元421中心的间距均为d，n为微棱镜阵列面42所在镜片的折射率，当第一微透镜阵列或第二微透镜阵列的位置相对投影距离足够小时，即i*d＜＜L′，此时入射角I_i很小，故而该角度的正弦值可近似为该角弧度，根据以上三式可得距离系统光轴的第i个楔形微棱镜单元421的楔角满足以下关系式：

其中，i取0～m的整数，i＝0是中心处。距离系统光轴的第i个楔形微棱镜单元421的楔角可近似取

通过上述关系式计算获得的数值为设计参考值，在具体应用中可根据实际情况进行调整以适配对应的需求。

工作时，光源10发出的光依次到达准直聚光面21、第一微透镜阵列面22、投影源30、第二微透镜阵列面41、微棱镜阵列面42和接收面50，具体原理为：光源10发出的光线被准直聚光面21准直后到达第一微透镜阵列，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，获得m个子实像单元，利用微棱镜阵列面42的偏折效应，使各个子实像单元能够被准确投射到接收面50的同一位置，从而令各个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。本系统增设微棱镜阵列面42对光线的偏折效应，能够对具有微透镜阵列的投影系统实现多通道的光路成像复合叠加，从而获得清晰的投影实像。

复合投影镜模组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..mE_i(x_i,y_i)，其中(x,y)为接收面50的位置坐标，E为接收面50的照度，(x_i,y_i)为投影源30的位置坐标，E_i为投影源30的照度。

在本实施例中，光源10和投影源30之间设有准直透镜21A和第一多通道透镜22A，准直聚光面21设于准直透镜21A上，第一微透镜阵列面22设于第一多通道透镜22A上准直透镜21A位于第一多通道透镜22A远离投影源30的一侧，第一微透镜单元221可以是平凸透镜、双凸透镜、凸平透镜或凹凸透镜，甚至可以是多微透镜组合。

基于上述实施例，第一微透镜阵列面22位于第一多通道透镜22A远离投影源30的一侧，第一多通道透镜22A靠近投影源30的一侧为平面，投影源30与第一多通道投影的平面紧贴接触，能够有效提高投影源30对光能的利用率，同时能够有效缩短整体系统的长度。

在本实施例中，如图5所示，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，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，如图3、6所示，投影源30和接收面50之间设有第二多通道透镜41A和偏折镜片42A，第二微透镜阵列面41设于第二多通道透镜41A上，第二微透镜阵列面41可位于第二多通道透镜41A的任一侧，微棱镜阵列面42设于偏折镜片42A上，微棱镜阵列面42可位于偏折镜片42A的任一侧，第二多通道透镜41A位于偏折镜片42A远离接收面50的一侧，偏折镜片42A的厚度小，能够有效缩短系统的总长度，被投影源30选择后的光线依次经过第二微透镜阵列面41和微棱镜阵列面42，第二微透镜单元411可以是平凸透镜、双凸透镜、凸平透镜或凹凸透镜，甚至可以是多微透镜组合。

基于上述实施例，如图7所示，偏折镜片42A的两侧面均设有微棱镜阵列面42，即微棱镜阵列面42设有两个，两个微棱镜阵列面42分别位于偏折镜片42A的两侧面，两侧的微棱镜阵列面42关于偏折镜片42A对称，具有同一中心轴的两个楔形微棱镜单元421的两个斜面之间的夹角为楔角。

在本实施例中，如图8所示，投影源30和接收面50之间设有投影复合镜片43，第二微透镜阵列面41和微棱镜阵列面42均设于投影复合镜片43上，即第二微透镜阵列面41和微棱镜阵列面42分别位于投影复合镜片43的两表面，能够有效减少系统的光学零件的数目，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还能够有效减少光能损失，从而提高光能的利用率；优选地，准直聚光面21和第一微透镜阵列面22设于同一透镜上，能进一步简化系统结构。

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 (7)

1.一种复合微透镜和微棱镜的投影系统，其特征在于，包括依次设置的光源(10)、复合准直镜模块(20)、投影源(30)、复合投影镜模块(40)和接收面(50)，所述复合准直镜模块(20)包括准直聚光面(21)和第一微透镜阵列面(22)，所述准直聚光面(21)位于所述第一微透镜阵列面(22)远离所述投影源(30)的一侧，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)；

所述复合投影镜模块(40)包括第二微透镜阵列面(41)和微棱镜阵列面(42)，所述微棱镜阵列面(42)位于所述第二微透镜阵列面(41)远离所述投影源(30)的一侧，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)，所述微棱镜阵列面(42)包括m个阵列排布的楔形微棱镜单元(421)，各个所述第二微透镜单元(411)分别与两侧相对的所述第一微透镜单元(221)和所述楔形微棱镜单元(421)具有共同的中心轴，各个所述投影图像单元(31)分别位于各个所述第二微透镜单元(411)的中心轴上；

所述第一微透镜阵列面(22)和所述第二微透镜阵列面(41)之间的距离为s，所述微棱镜阵列面(42)与所述接收面(50)之间的距离为L′，所述第一微透镜单元(221)的焦距f₁＝s，所述第二微透镜单元(411)的焦距f₂＝(L′*s)/(L′+s)；

整体系统的光轴平行线穿过各个所述楔形微棱镜单元(421)的斜面，任一微透镜单元的光轴与系统的光轴所组成的平面，垂直于该微透镜单元对应的所述楔形微棱镜单元(421)的斜面，所述楔形微棱镜单元(421)的楔角为α_i，楔角为系统光轴所垂直的平面与所述楔形微棱镜单元(421)的斜面之间的夹角，每个所述楔形微棱镜单元(421)中楔角的尖端相对于另一端远离系统光轴，i*d＜＜L′，距离系统光轴的第i个所述楔形微棱镜单元(421)的楔角满足以下关系式：

其中，相邻两个所述第一微透镜单元(221)的间距、相邻两个所述第二微透镜单元(411)的间距和相邻两个所述楔形微棱镜单元(421)的间距均为d，n为折射率；

通过各个所述楔形微棱镜单元(421)分别对各个子实像单元进行偏折调节在接收面上复合重叠。

2.根据权利要求1所述的一种复合微透镜和微棱镜的投影系统，其特征在于，所述准直聚光面(21)设于准直透镜(21A)上，所述第一微透镜阵列面(22)设于第一多通道透镜(22A)上。

3.根据权利要求2所述的一种复合微透镜和微棱镜的投影系统，其特征在于，所述第一微透镜阵列面(22)位于所述第一多通道透镜(22A)远离所述投影源(30)的一侧。

4.根据权利要求1所述的一种复合微透镜和微棱镜的投影系统，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)。

5.根据权利要求1所述的一种复合微透镜和微棱镜的投影系统，其特征在于，所述第二微透镜阵列面(41)设于第二多通道透镜(41A)上，所述微棱镜阵列面(42)设于偏折镜片(42A)上。

6.根据权利要求5所述的一种复合微透镜和微棱镜的投影系统，其特征在于，所述偏折镜片(42A)的两侧面均设有微棱镜阵列面(42)，具有同一中心轴的两个所述楔形微棱镜单元(421)的两个斜面之间的夹角为楔角。

7.根据权利要求1所述的一种复合微透镜和微棱镜的投影系统，其特征在于，所述第二微透镜阵列面(41)和所述微棱镜阵列面(42)均设于投影复合镜片(43)上。

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