CN115628423A

CN115628423A - 一种大视场角微透镜车灯投影装置

Info

Publication number: CN115628423A
Application number: CN202211187370.1A
Authority: CN
Inventors: 杨剑宏; 万佳
Original assignee: Suzhou Jingfang Photoelectric Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Jingfang Photoelectric Technology Co ltd
Priority date: 2022-09-28
Filing date: 2022-09-28
Publication date: 2023-01-20

Abstract

本申请涉及一种大视场角微透镜车灯投影装置，包括沿光轴方向依次排布的光源、准直镜、微透镜阵列、棱镜阵列，微透镜阵列上具有若干个光学通路，棱镜阵列上具有分别与微透镜阵列上的若干光学通路一一对应的若干高折射率棱镜组，各光学通路分别具有透镜、用于形成投影图案的光罩以及基层，投影装置在垂直于光轴方向的投影面上被划分为多个子区域，位于同一子区域内的多个光学通路具有同样投影图案的光罩，且同一子区域内的多个光学通路的投影光束被对应的多个棱镜组折射后形成同一投影图案。本发明的车灯投影装置可同时显示多个投影图案，且投影图案具有高亮度和大视场角，具有亮度高、清晰度高、梯度高的优点。

Description

一种大视场角微透镜车灯投影装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其是一种具有大视场角的微透镜车灯投影装置。

背景技术

晶圆级光学透镜阵列是用半导体工艺，在一片晶圆上批量复制加工出的若干光学部件。微透镜阵列（MLA）结合了微透镜的光学设计和半导体晶圆级封装的前段光刻镀膜刻蚀技术，并利用硬模压印技术来完成MLA的制作。单颗MLA在正反两面集成了100多个微米级透镜来构成高梯度光学通路。

晶圆级微透镜阵列的一大应用是用在汽车的迎宾光毯投射模块中。汽车迎宾光毯模块可以将图形、符号或光毯清晰投影在汽车旁，作为问候和定位用。而现有的汽车迎宾光毯模块存在的缺点是：投影图案单一、视场角小，如果增大微透镜阵列的视场角，则投影的光强会衰减很多，达不到设计投影图案的亮度、清晰度和高梯度。

发明内容

针对上述视场边缘光强衰减问题，本发明的目的是提供一种适应于汽车外围照明的微透镜车灯投影模块，可同时显示多个投影图案，并在较大视场内保持照明的亮度和清晰度。

为了达到上述的目的，本发明提供以下技术方案：一种大视场角微透镜车灯投影装置，包括沿光轴方向依次排布的光源、准直镜、微透镜阵列、棱镜阵列，所述的微透镜阵列上具有若干个光学通路，所述的棱镜阵列上具有分别与所述的微透镜阵列上的若干光学通路一一对应的若干高折射率棱镜组，所述的各光学通路分别具有透镜、用于形成投影图案的光罩以及基层，所述的投影装置在垂直于光轴方向的投影面上被划分为多个子区域，位于同一子区域内的多个光学通路具有同样投影图案的光罩，且同一子区域内的多个所述的光学通路的投影光束被对应的多个所述的棱镜组折射后形成同一投影图案。

在本申请的一个实施例中，所述的微透镜阵列上的各光学通路具有第一视场角α，各所述的光学通路的出射光被所述的棱镜组折射后，以第二视场角β出射，β大于α。

在本申请的一个实施例中，所述的第一视场角α≤21°，所述的第二视场角β≥30°。

在本申请的一个实施例中，所述的棱镜组的折射率大于1.5。

在本申请的一个实施例中，所述的棱镜组形成消色散棱镜，所述的棱镜组包括第一棱镜和第二棱镜，且所述的第一棱镜的色散大于所述的第二棱镜的色散。

在本申请的一个实施例中，所述的第一棱镜的阿贝数为28.5，折射率为1.6，所述的第二棱镜的阿贝数为52，折射率为1.52。

在本申请的一个实施例中，所述的第一棱镜为梯形棱镜，所述的第二棱镜为直角棱镜，所述的第二棱镜的斜面与所述的第一棱镜的侧面贴合。

在本申请的一个实施例中，所述的棱镜组还包括平镜，所述的平镜的入光面与所述的第二棱镜的出光面相连。

在本申请的一个实施例中，所述的微透镜阵列包括进光层、所述的光罩、所述的基层以及出光层，所述的进光层和出光层均形成有若干所述的透镜，所述的光罩上开设有若干带有投影图案的光阑孔。

在本申请的一个实施例中，相邻的两个子区域内的棱镜组的偏转方向相反。

在本申请的一个实施例中，所述的光源为LED灯。

相较于现有技术，本发明技术方案采用微透镜阵列结合高折射率棱镜，可同时显示多个投影图案，且投影图案具有高亮度和大视场角，在波长为450nm-850nm的范围内，投影具有亮度高、清晰度高、梯度高的优点。

附图说明

图1为本申请的一个实施例中微透镜阵列的结构示意图；

图2为本申请的一个实施例中微透镜阵列的剖面图；

图3为光学通路与棱镜组的光路图；

图4为本申请的车灯投影装置光路图；

图5为光源与准直镜的示意图。

其中：11、LED灯；12、准直镜；20、微透镜阵列；21、进光层；22、光罩；23、基层；24、出光层；25、光学通路；30、棱镜阵列；31、第一棱镜；32、第二棱镜；33、平镜；4、投影面。

具体实施方式

为详细说明发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以提供对发明的各种示例性实施例或实施方式的详细说明。然而，各种示例性实施例也可以在没有这些具体细节或者在一个或更多个等同布置的情况下实施。此外，各种示例性实施例可以不同，但不必是排他的。例如，在不脱离发明构思的情况下，可以在另一示例性实施例中使用或实现示例性实施例的具体形状、构造和特性。

在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了透镜的厚度、尺寸和形状。具体来说，附图中所示的球面或非球面的形状通过示例的方式示出。球面或非球面的形状不限于附图中标出的球面或非球面的形状。附图仅为示意图，并非严格按照比例绘制。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细描述。

参见附图所示，本申请揭示了一种具有大视场角的微透镜阵列车灯投影装置，其包括沿光轴方向依次排布的LED灯11、准直镜12、微透镜阵列20、棱镜阵列30。光轴方向由物侧指向像侧。

在本申请的一个实施例中，光源为LED灯，光线从准直镜的出光侧以平行光出射。本申请对光源不做特殊限制，其还可以是任意已知的能够为微透镜阵列和棱镜组提供平行入射光的照明形式。

微透镜阵列20是整个光学模块的关键器件，在本实施例中，参见图1、2所示，微透镜阵列20包括四层结构，分别是第一层进光层21，进光层21上有由100多个微透镜构成的阵列；第二层是铬光罩22，光罩上开设有若干带有投影图案的光阑孔，光阑孔形成了投影图案的边界，使孔外的其他部分光线被遮挡；第三层是高透玻璃晶圆基层23；第四层是出光层24，同样出光层24上有由100多个微透镜构成的阵列，进光层21和出光层24上的微透镜阵列的光路一一对应，并且与光阑孔一一对应，形成若干个光学通路25，光线从光学通路25中出射，形成角度为α的第一视场角（FOV）。

参见图3、4所示，棱镜阵列30上具有分别与微透镜阵列20上的若干光学通路25一一对应的若干高折射率棱镜组，使得各光学通路25出射的光束经过棱镜组折射后在投影面4上形成投影。一般来说高折射率棱镜是指折射率大于1.5的棱镜或棱镜组合，本实施例中的棱镜组折射率大于1.5。为获得更好的清晰度，本申请的一个实施例中，棱镜组采用消色散棱镜结构，如图3所示，棱镜组包括第一棱镜31、第二棱镜32和平镜33。本实施例中，第一棱镜31为梯形棱镜，第二棱镜32为直角棱镜，第二棱镜32的斜面与第一棱镜31侧面贴合，第二棱镜32的直角面与平镜33贴合，第一棱镜31的阿贝数为28.5，折射率为1.6，第二棱镜的阿贝数为52，折射率为1.52。

棱镜组具有高折射率和低色散的特性，可以将微透镜阵列的出射光大角度折射后出射，使光学模块具有第二视场角β，β大于α。本申请中，选择第一视场角α≤21°的微透镜阵列，可以获得更高的亮度和梯度，通过棱镜组折射后使出射光线的第二视场角β≥30°。

为实现同时投射多个图案，并使多个投影图像之间互不干扰，本申请的投影装置在垂直于光轴方向的投影面上被划分为多个子区域。参见图1所示，微透镜阵列上的若干光通路被划分为4个区，分别是：S1、S2、S3、S4，位于同一子区域内的多个光学通路的光罩22相同，使光穿过该光学通路后形成与光阑孔形状相同的投影，再被位于同一子区域内的相应棱镜组折射后偏折并在投影面形成投影。比如，S1区域的光阑孔为三角形，而S1区域对应的多个棱镜组折射后形成在投影面形成三角形投影图案；S2区域的光阑孔为圆形，S2区域对应棱镜组将出射光折射后在投影面上形成圆形投影图案。从单个光学通路出来的光线，几乎是点光源发出，因此相邻两个子区域发出的光不存在串扰问题，同时通过棱镜组合，可以将车灯投影装置的出射光线折射到投影面上的不同区域，从而显示不同的投影图案，这些投影图案之间互相不串扰，因此投影清晰、亮度高、梯度高。

本申请的一个实施例中，相邻的两个子区域内的棱镜组的偏转方向相反，比如一个向上偏折，一个向下偏折，偏折的角度相对于光轴对称。

每一颗微透镜阵列均结合了微透镜的光学设计来确定微透镜的面型和结构，利用半导体晶圆级封装的前段光刻镀膜刻蚀技术来形成投影图案，并使用硬模压印技术来完成微透镜阵列的制作。本申请中，不对微透镜的面型和结构做出限制，其可以是任意曲面的。同样的，本申请也不对微透镜阵列的结构限制，其还可以是三层或多层结构。

作为对比，申请人对其他结构的车灯投影装置成像做出测试，结果显示：

采用FOV＜21度的微透镜阵列制成的车灯投影装置（无棱镜组折射），该光学模块的投影投射到800mm处的投射平面上，视场角小，覆盖面积小，投影图像清晰。

采用FOV＞36度的微透镜阵列制成的车灯投影装置（无棱镜组折射），该光学模块的投影投射到800mm处的投射平面上，投影图像的光强显著低于采用FOV＜21度的微透镜阵列的车灯投影装置。

采用微透镜阵列和普通高折射率棱镜结合的车灯投影装置，棱镜的阿贝数为54，折射率为1.53，材料为D263玻璃，FOV为36°。穿过微透镜阵列的光，在波长为450nm-850nm的范围内，投射到800mm的投射平面上，可以看到12mm的色散。由于棱镜的折射，光学模块在投射平面上会产生色差，投影图案模糊不清。

如图4，本申请的实施例中，第一棱镜和第二棱镜分别采用阿贝数为28.5和52的材料，折射率分别为1.6和1.52。在波长为450nm-850nm的范围投射到800mm的投射平面上，可以获得色散小于1mm、投影效果清晰、视场角大于30°、亮度和梯度都很好的投影。

本发明利用在微透镜阵列的光路上，增加特殊设计的棱镜阵列使出射光线以更大的角度偏折，增加了视场角的同时能够保留微透镜阵列原有的21度FOV的照度，克服了光谱偏移产生色差，从而在投射平面上产生交叠色散。因此我们采用了消色散棱镜来确保在波长范围为450nm到850nm区间内，经过100多个微镜头通道的光，在800mm投射平面上没有色差地重合在一起，非常适合用于智能汽车氛围迎宾投射照明装置。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims

1.一种大视场角微透镜车灯投影装置，其特征是，包括沿光轴方向依次排布的光源、准直镜、微透镜阵列、棱镜阵列，所述的微透镜阵列上具有若干个光学通路，所述的棱镜阵列上具有分别与所述的微透镜阵列上的若干光学通路一一对应的若干高折射率棱镜组，所述的各光学通路分别具有透镜、用于形成投影图案的光罩以及基层，所述的投影装置在垂直于光轴方向的投影面上被划分为多个子区域，位于同一子区域内的多个光学通路具有同样投影图案的光罩，且同一子区域内的多个所述的光学通路的投影光束被对应的多个所述的棱镜组折射后形成同一投影图案。

2.根据权利要求1所述的一种大视场角微透镜车灯投影装置，其特征是：所述的微透镜阵列上的各光学通路具有第一视场角α，各所述的光学通路的出射光被所述的棱镜组折射后，以第二视场角β出射，β大于α。

3.根据权利要求2所述的一种大视场角微透镜车灯投影装置，其特征是：所述的第一视场角α≤21°，所述的第二视场角β≥30°。

4.根据权利要求2所述的一种大视场角微透镜车灯投影装置，其特征是：所述的棱镜组的折射率大于1.5。

5.根据权利要求1所述的一种大视场角微透镜车灯投影装置，其特征是：所述的棱镜组形成消色散棱镜，所述的棱镜组包括第一棱镜和第二棱镜，且所述的第一棱镜的色散大于所述的第二棱镜的色散。

6.根据权利要求5所述的一种大视场角微透镜车灯投影装置，其特征是：所述的第一棱镜的阿贝数为28.5，折射率为1.6，所述的第二棱镜的阿贝数为52，折射率为1.52。

7.根据权利要求5所述的一种大视场角微透镜车灯投影装置，其特征是：所述的第一棱镜为梯形棱镜，所述的第二棱镜为直角棱镜，所述的第二棱镜的斜面与所述的第一棱镜的侧面贴合。

8.根据权利要求5所述的一种大视场角微透镜车灯投影装置，其特征是：所述的棱镜组还包括平镜，所述的平镜的入光面与所述的第二棱镜的出光面相连。

9.根据权利要求1所述的一种大视场角微透镜车灯投影装置，其特征是：所述的微透镜阵列包括进光层、所述的光罩、所述的基层以及出光层，所述的进光层和出光层均形成有若干所述的透镜，所述的光罩上开设有若干带有投影图案的光阑孔。

10.根据权利要求1所述的一种大视场角微透镜车灯投影装置，其特征是：所述的光源为LED灯。