CN111948892A - 一种集成成像显示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成成像显示系统。该集成成像显示系统包括：光源、汇聚透镜、照明微透镜阵列和投影微透镜阵列；照明微透镜阵列中的照明微透镜单元与投影微透镜阵列中的投影微透镜单元一一对应设置，汇聚透镜将光源发出的全部光线形成平行光线后照射至照明微透镜阵列；每一个照明微透镜单元靠近投影微透镜单元的一侧均设置有子图；每一个照明微透镜单元出射的所有光线穿过子图后均照射在对应的投影微透镜单元上，投影微透镜阵列显示子图的图像。采用本发明提供的集成成像显示系统，能够避免伪像，提高集成成像显示系统的成像效果。

Description

一种集成成像显示系统
技术领域
本发明涉及集成成像显示系统技术领域，特别是涉及一种集成成像显示系统。
背景技术
对于大多数光学系统，适当的照明是很重要的。现有的集成成像系统中穿过照明微透镜的光线照射在其对应的投影微透镜的同时，也会照射与其对应投影微透镜的相邻透镜上，此时，在投影微透镜上形成伪像，破坏了图像本身，导致图像的对比度和分辨率降低，严重影响了光学系统的成像效果。因此，如何使得穿过照明微透镜的光线只照射在与其对应的投影微透镜上，从而避免伪像，进而提高光学系统的成像效果是目前本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成成像显示系统，具有能够避免伪像的优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种集成成像显示系统，包括：
光源、汇聚透镜、照明微透镜阵列、待成像的子图和投影微透镜阵列；
所述汇聚透镜位于所述光源的出射光路上；所述照明微透镜阵列位于所述汇聚透镜的输出光路上；所述子图位于所述照明微透镜阵列的输出光路上；所述投影微透镜阵列位于所述子图的输出光路上；所述投影微透镜阵列用于显示所述子图的图像；
所述光源包括多个点光源；所述照明微透镜阵列包括多个照明微透镜单元，所述投影微透镜阵列包括多个投影微透镜单元；所述照明微透镜单元的个数与所述投影微透镜单元的个数相同；所述照明微透镜单元与所述投影微透镜单元一一对应设置；
每一个所述点光源均位于所述汇聚透镜的焦平面处；所述汇聚透镜用于将所述点光源发出的全部光线形成平行光线后照射至所述照明微透镜阵列；每一个所述照明微透镜单元出射的所有光线穿过所述子图后均照射在对应的所述投影微透镜单元上。
可选的，所述汇聚透镜，具体包括：
凹透镜和凸透镜；
所述凹透镜的平面侧与所述光源匹配设置；
所述凹透镜的凹面侧与所述凸透镜的第一凸面侧匹配设置；
所述凸透镜的第二凸面与所述照明微透镜阵列匹配设置。
可选的，所述光源与所述汇聚透镜之间的距离等于所述汇聚透镜的焦距。
可选的，所述照明微透镜单元的直径、所述投影微透镜单元的直径和所述子图的直径均相等。
可选的，所述照明微透镜阵列与所述投影微透镜阵列之间的距离等于所述照明微透镜单元的焦距和所述投影微透镜单元的焦距之和。
可选的，所述光源的直径、所述照明微透镜阵列与所述投影微透镜阵列之间的距离、所述汇聚透镜的焦距和所述投影微透镜单元的直径，满足如下公式：
Figure BDA0002662710400000021
式中，φs为光源的直径，PR为投影微透镜单元的直径，fCL为汇聚透镜的焦距，fPL为照明微透镜阵列与投影微透镜阵列之间的距离。
可选的，所述汇聚透镜的焦距为90毫米。
可选的，所述照明微透镜单元的直径、所述投影微透镜单元的直径和所述子图的直径均为28毫米。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种集成成像显示系统，该集成成像显示系统通过在光源和照明微透镜阵列之间设置汇聚透镜，将光源发出的全部光线形成平行光线后照射至照明微透镜阵列，照明微透镜阵列中每一个照明微透镜单元出射的所有光线穿过子图后均照射在对应的投影微透镜单元上。避免了现有的集成成像显示系统，因一个照明微透镜单元出射的光线照射至投影微透镜阵列中的多个投影微透镜单元上而形成伪像的现象，进而提高了集成成像显示系统的成像效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中所提供的集成成像显示系统结构示意图；
图2为本发明实施例中所提供的光障形成的第一原理图；
图3为本发明实施例中所提供的光障形成的第二原理图；
图4为本发明实施例中所提供的伪像形成的原理图；
图5为本发明实施例中所提供的避免伪像的原理图。
其中，1-光源；2-汇聚透镜；3-照明微透镜阵列；4-子图；5-投影微透镜阵列。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
本发明的目的是提供一种集成成像显示系统，具有能够避免伪像的优点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例
图1为本发明实施例中所提供的集成成像显示系统结构示意图，如图1所示，本发明提供的集成成像显示系统，包括：光源1、汇聚透镜2、照明微透镜阵列3、待成像的子图4和投影微透镜阵列5；
汇聚透镜2位于光源1的出射光路上；照明微透镜阵列3位于汇聚透镜2的输出光路上；子图4位于照明微透镜阵列3的输出光路上；投影微透镜阵列5位于子图4的输出光路上；投影微透镜阵列5用于显示子图的图像。
光源1包括多个点光源；照明微透镜阵列3包括多个照明微透镜单元，投影微透镜阵列5包括多个投影微透镜单元；照明微透镜单元的个数与投影微透镜单元的个数相同；照明微透镜单元与投影微透镜单元一一对应设置；每一个点光源均位于汇聚透镜2的焦平面处；汇聚透镜2用于将点光源发出的全部光线形成平行光线后照射至照明微透镜阵列3；每一个照明微透镜单元靠近投影微透镜单元的一侧均设置有子图4；每一个照明微透镜单元出射的所有光线穿过子图4后均照射在对应的投影微透镜单元上。
其中，汇聚透镜2，具体包括：凹透镜和凸透镜；凹透镜的平面侧与光源1匹配设置；凹透镜的凹面侧与凸透镜的第一凸面侧匹配设置；凸透镜的第二凸面与照明微透镜阵列3匹配设置；凹透镜与光源1的距离小于凸透镜与光源1的距离；凹透镜的平面侧与光源1的距离小于凹透镜的凹面侧与光源1的距离；凹透镜的凹面侧与凸透镜的第一凸面侧匹配设置；凸透镜的第一凸面与照明微透镜阵列3的距离大于凸透镜的第二凸面与照明微透镜阵列3的距离。
光源1与汇聚透镜2之间的距离等于汇聚透镜2的焦距，照明微透镜单元的直径、投影微透镜单元的直径和子图4的直径均相等。照明微透镜阵列3与投影微透镜阵列5之间的距离等于照明微透镜单元的焦距和投影微透镜单元的焦距之和。
具体的，汇聚透镜2的焦距为90毫米，照明微透镜单元的直径、投影微透镜单元的直径和子图4的直径均为28毫米。
另外，光源1的直径、照明微透镜阵列3与投影微透镜阵列5之间的距离、汇聚透镜2的焦距和投影微透镜单元的直径，满足如下公式：
Figure BDA0002662710400000041
式中，φs为光源1的直径，PR为投影微透镜单元的直径，fCL为汇聚透镜2的焦距，fPL为照明微透镜阵列3与投影微透镜阵列5之间的距离。
本发明提供的集成成像显示系统在照明微透镜阵列3和汇聚透镜2作用下，形成了一组平行光线，均匀地照亮子图4，使得观察到的图像具有更高的对比度。另外，本发明提供的集成成像显示系统将光学照度阻挡原理应用到集成成像系统中，从而避免了伪像的形成。
具体的，如图2-5所示，图2为本发明实施例中所提供的光障形成的第一原理图；其中，o(x)表示照明微透镜上的任一点，L表示投影微透镜，O表示照明微透镜，φL表示投影微透镜的直径，φO表示照明微透镜的直径，g表示透明微透镜到投影微透镜的距离，Lup和Ldown分别表示投影微透镜上的一条直径的两个端点如图2所示，集成成像系统中，为使子图的像落在对应的投影微透镜上，若干光线穿过照明微透镜上的任一点o(x)后发出的光锥的范围受到投影微透镜的直径的限制。可见，一个可实现的光学照明壁垒，需同时满足以下三个基本条件：
(一)照明域的大小必须与子图的大小相等；
(二)锥透镜平面上的光线直径必须与微透镜直径相匹配；微透镜指微透镜和投影微透镜；
(三)中央线锥必须指向相应的微透镜的中心。
其中，照明域的大小为光源直径；子图的大小(图2中未示出)等于照明微透镜的直径；锥透镜平面上的光线直径指光源的所有光线进入照明微透镜的一点形成的圆锥的直径，也就是光源的直径；中央线锥包括光源所有的光线进入照明微透镜的一点形成正圆锥，以及从照明微透镜的上的这一点射出的光线与投影微透镜形成正圆锥。
图3为本发明实施例中所提供的光障形成的第二原理图；其中，IL表示照明微透镜，L表示投影微透镜，o(x)表示照明微透镜上的任一点，L表示投影微透镜，O表示照明微透镜，φL表示投影微透镜的直径，φIL表示照明微透镜的直径，S表示光源，φS表示光源直径，S1和S2分别表示光源上的一条直径的两个端点；S′1表示光源上的S1点发出的光线穿过照明微透镜上的o(x)点后在投影微透镜上对应的点，S′1为图2中Ldown，S′2表示光源上的S2点发出的光线穿过照明微透镜上的o(x)点后在投影微透镜上对应的点，S'2为图2中Lup，g表示透明微透镜到投影微透镜的距离，ds表示光源到照明微透镜的距离。另外，图3中未示出，子图的直径等于φIL照明微透镜的直径φIL。
如图3所示，若要实现光学照明壁垒，第一，需保证投影微透镜直径大小与子图的大小相等成立，子图的大小(图3中未示出)等于照明微透镜的直径，即公式φL＝φIL成立，此时条件(一)成立；第二，光源直径与投影微透镜直径相匹配，即公式：
Figure BDA0002662710400000061
成立，图3中光源平面上的点S1成像到与图2中Ldown重合的点S′1上，同时，光源S上的点S2成像到与图2中Lup重合的点S′2上。因此，很容易验证射线S1O(x)S1′和S2O(x)S2′提供了射线圆锥的上下限。因此，从照明微透镜的上一点射出的光线形成的圆锥直径必须等于微透镜直径,，以满足条件(二)。第三，图3中所有的光线都是从o(x)的镜头光圈发射的，所以中央线锥穿过微透镜中心，此时条件(三)成立。因此，使光源S与投影微透镜L一致，直接保证了条件(二)和(三)同时成立。
图4为本发明实施例中所提供的伪像形成的原理图，图5为本发明实施例中所提供的避免伪像的原理图。其中，S表示光源，φS表示光源S的直径，IMLA表示照明微透镜阵列，PLMA表示投影为透镜阵列，ILi表示第i个照明微透镜，ILi+1表示第i+1个照明微透镜，PLi表示第i个投影微透镜，PLi+1表示第i+1个投影微透镜，PR表示相邻两个投影微透镜光心的距离(即投影微透镜的直径)。另外，图4中，g表示透明微透镜到投影微透镜的距离，ds表示光源到照明微透镜的距离。图5中，CL表示汇聚透镜，fCL为汇聚透镜的焦距，dCP表示汇聚透镜到照明微透镜的距离，fPL为照明微透镜阵列与投影微透镜阵列之间的距离，SC表示光源S的中心，P表示第i+1个照明微透镜ILi+1的光心在汇聚透镜上对应的点。
如图4所示，光源中心、第i个照明微透镜ILi的光心和第i个投影微透镜PLi的光心呈直线排列，此时光源S发出的光线穿过第i个照明微透镜ILi的光心后全部照射至第i个投影微透镜PLi上，然而光源S发出的光线穿过第i+1个照明微透镜ILi+1的光心后形成的光线，一部分进入第i+1个投影微透镜PLi+1，还有一部分进入第i+2个投影微透镜PLi+2。在捕获阶段，当子图的缩微图像的直径(即由照明微透镜上的一点出射的所有光线在投影微透镜所在平面上形成的圆的直径)超过投影微透镜阵列中相邻两个微透镜中心之间的距离时，相邻子图在投影为透镜阵列上成的像就会发生重叠，出现翻转图像或伪像。其原因是来自特定微图像的光线将通过多个的投影微透镜微透镜，生成了多个重建路径。
为了使集成成像显示系统只有一个重建点，如图5所示，在光源S和照明微透镜阵列ILMA之间设置汇聚透镜CL，光源位于汇聚透镜CL的焦平面处。为了使子图的缩微图像的直径等于投影微透镜阵列中相邻两个投影微透镜光心的距离PR，需满足以下方程:
Figure BDA0002662710400000071
从光源S的中心SC发出的光线，经汇聚透镜CL上的点P折射后、穿过第i个照明微透镜ILi的光心后进入第i+1个投影微透镜PLi+1的光心，这就保证了集成成像显示系统中任一照明微透镜出射的光线均照射至对应的投影微透镜上。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种集成成像显示系统，其特征在于，所述集成成像显示系统，包括：
光源、汇聚透镜、照明微透镜阵列、待成像的子图和投影微透镜阵列；
所述汇聚透镜位于所述光源的出射光路上；所述照明微透镜阵列位于所述汇聚透镜的输出光路上；所述子图位于所述照明微透镜阵列的输出光路上；所述投影微透镜阵列位于所述子图的输出光路上；所述投影微透镜阵列用于显示所述子图的图像；
所述光源包括多个点光源；所述照明微透镜阵列包括多个照明微透镜单元，所述投影微透镜阵列包括多个投影微透镜单元；所述照明微透镜单元的个数与所述投影微透镜单元的个数相同；所述照明微透镜单元与所述投影微透镜单元一一对应设置；
每一个所述点光源均位于所述汇聚透镜的焦平面处；所述汇聚透镜用于将所述点光源发出的全部光线形成平行光线后照射至所述照明微透镜阵列；每一个所述照明微透镜单元出射的所有光线穿过所述子图后均照射在对应的所述投影微透镜单元上。
2.根据权利要求1所述的集成成像显示系统，其特征在于，所述汇聚透镜，具体包括：
凹透镜和凸透镜；
所述凹透镜的平面侧与所述光源匹配设置；
所述凹透镜的凹面侧与所述凸透镜的第一凸面侧匹配设置；
所述凸透镜的第二凸面与所述照明微透镜阵列匹配设置。
3.根据权利要求1所述的集成成像显示系统，其特征在于，所述光源与所述汇聚透镜之间的距离等于所述汇聚透镜的焦距。
4.根据权利要求1所述的集成成像显示系统，其特征在于，所述照明微透镜单元的直径、所述投影微透镜单元的直径和所述子图的直径均相等。
5.根据权利要求1所述的集成成像显示系统，其特征在于，所述照明微透镜阵列与所述投影微透镜阵列之间的距离等于所述照明微透镜单元的焦距和所述投影微透镜单元的焦距之和。
6.根据权利要求1所述的集成成像显示系统，其特征在于，所述光源的直径、所述照明微透镜阵列与所述投影微透镜阵列之间的距离、所述汇聚透镜的焦距和所述投影微透镜单元的直径，满足如下公式：
Figure FDA0002662710390000021
式中，φs为光源的直径，PR为投影微透镜单元的直径，fCL为汇聚透镜的焦距，fPL为照明微透镜阵列与投影微透镜阵列之间的距离。
7.根据权利要求1所述的集成成像显示系统，其特征在于，所述汇聚透镜的焦距为90毫米。
8.根据权利要求1所述的集成成像显示系统，其特征在于，所述照明微透镜单元的直径、所述投影微透镜单元的直径和所述子图的直径均为28毫米。
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