CN113031130B - 一种倾斜投影的微透镜阵列投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明系提供一种倾斜投影的微透镜阵列投影系统，包括准直光源模块，准直光源模块的一侧设有第一微透镜阵列面、投影源和接收面，投影源与接收面之间设有聚光面和第二微透镜阵列面，接收面与第一微透镜阵列面的光轴之间夹角为α；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，各个第一微透镜单元的光轴分别穿过各个投影图像单元的中心，各个第一微透镜单元的光轴分别穿过各个第二微透镜单元的中心，第二微透镜单元的光轴与第一微透镜单元的光轴之间的形成有θ夹角。本发明同时具备倾斜角度下的近距离清晰投影、系统结构简洁以及系统总长度小的优良性能。

Description

一种倾斜投影的微透镜阵列投影系统

技术领域

本发明涉及投影系统，具体公开了一种倾斜投影的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，包括整体光轴共线的光源、准直透镜、微透镜阵列1、投影源、正透镜和微透镜阵列2，可缩小投影装置的体积，同时能够增大光能的利用率，还能在近场或短距离投影中形成一定的优势，但该方案应用于倾斜投影时会存在清晰度降低的问题，如图2所示，图像源与微透镜所在的主平面是平行的，因而理论上最清晰的投影成像面也与此平行，倾斜的接收面偏离了最佳的投影成像面，从而导致点离焦变成了离散斑，最终导致清晰度下降。

在专利号为201280035689.0的现有技术中，为了实现清晰的投影配置每个通道一个菲林图案，针对任一通道而言，物面与微透镜所在的主平面都是平行的，理论上最清晰的投影面仍然是平行于物面的，倾斜投影的清晰度仍是不足。

现有技术中的投影系统无法同时获得倾斜角度的近距离清晰投影、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，提供一种倾斜投影的微透镜阵列投影系统，同时具备倾斜角度下的近距离清晰投影、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，本发明公开一种倾斜投影的微透镜阵列投影系统，包括准直光源模块，准直光源模块的一侧依次设有第一微透镜阵列面、投影源和接收面，投影源与接收面之间设有聚光面和第二微透镜阵列面，接收面与第一微透镜阵列面的光轴之间夹角为α；

第一微透镜阵列面包括m个阵列排布的第一微透镜单元，m≥5，m∈Z，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，第一微透镜单元的光轴与准直光源模块的光轴平行，各个第一微透镜单元的光轴分别穿过各个投影图像单元的中心，各个第一微透镜单元的光轴分别穿过各个第二微透镜单元的中心，第二微透镜单元的光轴与第一微透镜单元的光轴之间的形成有θ夹角。

进一步的，准直光源模块包括照明光源和准直透镜。

进一步的，第一微透镜阵列面设于第一多通道透镜的表面。

进一步的，投影源为菲林片或LCD液晶屏。

进一步的，第二微透镜阵列面由m个独立的微型透镜体组成，第二微透镜单元的光轴与第一微透镜单元的光轴之间的θ夹角满足：

f₀为第二微透镜单元的焦距，s′为虚像距离，l为投影距离，聚光面设于聚光透镜的表面。

进一步的，第二微透镜单元的光轴与第一微透镜阵列的光轴之间的θ夹角满足：

n为复合透镜的折射率，l为投影距离，s为第二微透镜单元与投影图像单元之间的距离。

进一步的，第二微透镜阵列面和聚光面分别设于复合透镜的两侧。

进一步的，聚光面为具有正光焦度的非球面。

进一步的，聚光面为具有正光焦度的微棱镜阵列面。

进一步的，第二微透镜阵列面设于第二多通道透镜的一侧表面，第二多通道透镜的另一侧表面为平面，聚光面设于聚光透镜的表面，聚光面为微棱镜阵列面。

本发明的有益效果为：本发明公开一种倾斜投影的微透镜阵列投影系统，准直光源模块发出的光线经多个第一微透镜单元调节后能够分别进入各个投影图像单元以及第二微透镜单元中，可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，被聚光面以及倾斜设置的第二微透镜单元调整后，获得的子实像单元能够在近距离且倾斜设置的接收面上复合叠加，最终获得倾斜且清晰的投影实像；本发明只采用了少量的光学透明就能够实现在倾斜的接收面上形成近距离的清晰投影，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，且多个第二微透镜阵列面的占用空间小，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应用于倾斜投影时的光路结构示意图。

图3为现有技术中单通道投影系统简单变形后应用于倾斜投影时的结构示意图。

图4为现有技术中多通道投影系统简单变形后应用于倾斜投影时的结构示意图。

图5为本发明实施例一的光路结构示意图。

图6为本发明实施例一的光学原理图。

图7为本发明实施例二的光学原理图。

图8为本发明实施例二省略准直光源模块后的光路结构示意图。

图9为本发明实施例三省略准直光源模块后的光路结构示意图。

图10为本发明实施例三省略准直光源模块后的光路结构示意图。

附图标记为：准直光源模块10、照明光源11、准直透镜12、第一微透镜阵列面20、第一多通道透镜20a、第一微透镜单元21、投影源30、投影图像单元31、聚光面40、聚光透镜40a、第二微透镜阵列面50、微型透镜体50a、第二多通道透镜50b、第二微透镜单元51、接收面60、复合透镜70。

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10。

在单通道式的投影装置中，为了得到斜接收面的清晰投影，可以根据沙姆定律，偏转投射透镜角度实现。简单变形后获得如图3所示的方案，由于多个通道的图像无法融合一体，从而存在重影。

而对多通道投影系统进行简单的变形，在其后方加一个偏转的透镜或棱镜，如图4，虽然可以实现非大角度倾斜的清晰投影，但这样会导致投影模组体积变大。

本发明基础实施例公开一种倾斜投影的微透镜阵列投影系统，包括准直光源模块10，准直光源模块10的出光面一侧依次设有第一微透镜阵列面20、投影源30和接收面60，投影源30与接收面60之间设有聚光面40和第二微透镜阵列面50，聚光面40和第二微透镜阵列面50两者位置顺序可颠倒，接收面60与第一微透镜阵列面20的光轴之间夹角为α；

第一微透镜阵列面20包括m个阵列排布的第一微透镜单元21，m≥5，m∈Z，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50包括m个阵列排布的第二微透镜单元51，所有第一微透镜单元21的光轴均与准直光源模块10的光轴平行，各个第一微透镜单元21的光轴分别穿过各个投影图像单元31的中心，第一微透镜单元21的光轴与第一微透镜阵列面20的光轴平行，第一微透镜阵列面20的光轴与投影源30的平面垂直，各个第一微透镜单元21的光轴分别穿过各个第二微透镜单元51的中心，第二微透镜单元51的光轴与第一微透镜单元21的光轴之间的形成有θ夹角，θ角为第二微透镜单元51的倾斜角度，即第二微透镜阵列面50所在的主平面与投影源30所在平面之间的夹角为θ，m个倾斜设置的第二微透镜单元51能够确保对各个子物像单元实现独立的调节效果，避免各个光通道之间发生串光而影响投影效果。

本发明工作时，准直光源模块10发出的准直光线经过第一微透镜阵列面20后形成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，各个子物像单元仅通过其对应的第二微透镜单元51，各个子物像单元被各个第二微透镜单元51调整后能够形成m个倾斜投影的子实像单元，配合聚光面40的作用，各个子实像单元能够汇聚到接收面60上复合叠加，最终在获得一个近距离且清晰的投影实像。本系统能够实现近距离且清洗的倾斜投影成像效果，整体结构简洁，系统成本低，本系统应用较少的光学零件，能够有效减少光能的损耗，从而有效提高光能的利用率。

在本实施例中，准直光源模块10包括照明光源11和准直透镜12，照明光源11的光轴与准直透镜12的光轴共线，照明光源11可以为LED灯珠，准直透镜12可以是平凸透镜、双凸透镜、菲涅尔透镜、凹凸透镜等具有正光焦度的透镜或透镜组。

在本实施例中，第一微透镜阵列面20设于第一多通道透镜20a的一侧表面，优选地，多通道透镜的另一侧表面为平面。

在本实施例中，投影源30为菲林片或LCD液晶屏。

实施例一，如图5所示，第二微透镜阵列面50由m个独立的微型透镜体50a的表面组成，即各个第二微透镜单元51分布于m个独立的微型透镜体50a上，微型透镜体50a可以是平凸透镜、双凸透镜、凸平透镜、或凹凸透镜，还可以是能够提高成像质量的多微透镜组合，第二微透镜单元51的光轴与第一微透镜单元21的光轴之间的θ夹角满足：

f₀为第二微透镜单元51的焦距，s′为虚像距离，即投影图像单元31在聚光面40所形成的虚像与第二微透镜单元51之间的距离，如图6所示，设置投影图像单元31在聚光透镜40a所形成的虚像位于第二微透镜单元51的焦点位置，即s′＝f₀，l为投影距离，即l为第二微透镜单元51与接收面60对应投影位置之间的距离，聚光面40设于聚光透镜40a的表面，聚光透镜40a可以是单片的平凸透镜、双凸透镜、凸平透镜、凹凸透镜或菲涅尔透镜等，还可以是多个多片式具有正光焦度的透镜组。

实施例二，第二微透镜单元51的光轴与第一微透镜阵列的光轴之间的θ夹角满足：

n为复合透镜70的折射率，l为投影距离，即l为第二微透镜单元51与接收面60对应投影位置之间的距离，s为第二微透镜单元51与投影图像单元31之间的距离。

在实际应用中，如图7所示，为该实施例应用时的光学原理图，∠POM₀为α，M₀0为投影距离l，第二微透镜单元51的倾斜角为θ，即第二微透镜单元51所在主平面的与投影图像单元31所在平面之间的夹角为θ，可看作小楔形棱镜的楔角，投影图像单元31与第二微透镜单元51之间的距离为s，投影图像单元31的中心像重点A₀经第二微透镜单元51后的虚像为A₀’，距离A₀’M₀为s′，由棱镜的特性可知s′≈s，若小楔形棱镜的楔角较小且厚度较薄时，而投影距离相对较远，根据投影光学物与像特性，若投影距离l相对较远，则投影图像单元31处于投影的焦点附近位置，设第二微透镜单元51的焦距为f，s′≈s≈f，可知，在△POM₀中：

在△A₀PM₀中：

根据小楔形棱镜的偏角公式：∠A₀’MA₀＝(n-1)*θ

综上可得，

小楔形棱镜的楔角满足

基于上述实施例，如图8所示，第二微透镜阵列面50和聚光面40分别设于复合透镜70的两侧表面，优选地，聚光面40位于靠近准直光源模块10的一侧，第二微透镜阵列面50位于靠近接收面60的一侧。

基于上述实施例，聚光面40为具有正光焦度的非球面。

实施例三，基于实施例二，如图9所示，聚光面40为具有正光焦度的微棱镜阵列面。

实施例四，基于实施例二，如图10所示，第二微透镜阵列面50设于第二多通道透镜50b的一侧表面，第二多通道透镜50b的另一侧表面为平面，聚光面40设于聚光透镜40a的表面，聚光面40为微棱镜阵列面，优选地，多通道透镜位于靠近准直光源模块10的一侧，聚光透镜40a位于靠近接收面60的一侧。

在实际应用的过程中，不要求投影源30中所有投影图像单元31完全一致，也不要求所有投影图像单元31同时被点亮。如图8、10所示，可以看出图像接收面60的投影实像是两种投影图像单元31组成的叠加图，这种叠加可以是不同步的，取决于相应的入射光束是否工作。第二微透镜阵列面50与聚光面40的组合实质上是一个对投影图像单元31的光学加法器。

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)

1.一种倾斜投影的微透镜阵列投影系统，其特征在于，包括准直光源模块(10)，所述准直光源模块(10)的一侧依次设有第一微透镜阵列面(20)、投影源(30)、聚光透镜(40a)和接收面(60)，所述投影源(30)与所述接收面(60)之间设有聚光面(40)和第二微透镜阵列面(50)，所述接收面(60)与所述第一微透镜阵列面(20)的光轴之间夹角为α；

所述第一微透镜阵列面(20)包括m个阵列排布的第一微透镜单元(21)，m≥5，m∈Z，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(50)包括m个阵列排布的第二微透镜单元(51)，所述第一微透镜单元(21)的光轴与所述准直光源模块(10)的光轴平行，各个所述第一微透镜单元(21)的光轴分别穿过各个所述投影图像单元(31)的中心，各个所述第一微透镜单元(21)的光轴分别穿过各个所述第二微透镜单元(51)的中心，所述第二微透镜单元(51)的光轴与所述第一微透镜单元(21)的光轴之间的形成有θ夹角；

所述第二微透镜阵列面(50)由m个独立的微型透镜体(50a)组成，所述第二微透镜单元(51)的光轴与所述第一微透镜单元(21)的光轴之间的θ夹角满足：

f₀为所述第二微透镜单元(51)的焦距，s′为虚像距离，l为投影距离，所述聚光面(40)设于所述聚光透镜(40a)的表面。

2.根据权利要求1所述的一种倾斜投影的微透镜阵列投影系统，其特征在于，所述准直光源模块(10)包括照明光源(11)和准直透镜(12)。

3.根据权利要求1所述的一种倾斜投影的微透镜阵列投影系统，其特征在于，所述第一微透镜阵列面(20)设于第一多通道透镜(20a)的表面。

4.根据权利要求1所述的一种倾斜投影的微透镜阵列投影系统，其特征在于，所述投影源(30)为菲林片或LCD液晶屏。

5.一种倾斜投影的微透镜阵列投影系统，其特征在于，包括准直光源模块(10)，所述准直光源模块(10)的一侧依次设有第一微透镜阵列面(20)、投影源(30)、复合透镜(70)和接收面(60)，所述投影源(30)与所述接收面(60)之间设有聚光面(40)和第二微透镜阵列面(50)，所述接收面(60)与所述第一微透镜阵列面(20)的光轴之间夹角为α；所述第一微透镜阵列面(20)包括m个阵列排布的第一微透镜单元(21)，m≥5，m∈Z，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(50)包括m个阵列排布的第二微透镜单元(51)，所述第一微透镜单元(21)的光轴与所述准直光源模块(10)的光轴平行，各个所述第一微透镜单元(21)的光轴分别穿过各个所述投影图像单元(31)的中心，各个所述第一微透镜单元(21)的光轴分别穿过各个所述第二微透镜单元(51)的中心，所述第二微透镜单元(51)的光轴与所述第一微透镜单元(21)的光轴之间的形成有θ夹角；所述第二微透镜阵列面(50)和所述聚光面(40)分别设于复合透镜(70)的两侧；所述第二微透镜单元(51)的光轴与所述第一微透镜阵列的光轴之间的θ夹角满足：

n为所述复合透镜(70)的折射率，l为投影距离，s为所述第二微透镜单元(51)与所述投影图像单元(31)之间的距离。

6.根据权利要求5所述的一种倾斜投影的微透镜阵列投影系统，其特征在于，所述聚光面(40)为具有正光焦度的非球面。

7.根据权利要求5所述的一种倾斜投影的微透镜阵列投影系统，其特征在于，所述聚光面(40)为具有正光焦度的微棱镜阵列面。

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