CN211061779U - 采用平板透镜的图像再现缩放光学装置及空气成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了采用平板透镜的图像再现缩放光学装置，包括光源、光学透镜和平板透镜，所述光学透镜位于光源与平板透镜之间，所述平板透镜为长条形反射器或者二面角光波导阵列透镜。空气成像系统，采用上述的缩放光学装置。本实用新型的优点是：通过在光源与平板透镜之间设置光学透镜，使光源经过光学透镜以后成放大或者缩小的像，再经过平板透镜实现成像，从而实现成像画面相对于光源的放大或者缩小，图像的放大，在投影显示技术方面，更利于成像设备的小型化和便携性，图像的缩小，在摄影显示技术方面，其成像系统利于设备的信息收集，而采用长条形反射器或者二面角光波导阵列透镜，实现空气中成像，应用范围广，不受画面介质的影响。

Description

采用平板透镜的图像再现缩放光学装置及空气成像系统

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，具体涉及采用平板透镜的图像再现缩放光学装置及空气成像系统。

背景技术

空气成像用平板透镜，一般采用长条形反射器或者二面角反射器，长条形反射器是将长条形透光体镀上反射面后形成长条形反射器，若干的长条形反射器并排拼接成光波导镜片阵列，两片光波导镜片阵列成正交叠在一起构成一整块光学成像元件；而二面角反射器的方案利用两块透明基板之间压印周期性且斜45°排布地尺寸相等的二面角矩形反射器，通过二次反射进行空气成像。

采用上述技术的通过二次反射进行空气成像，其放大率只为1，其光学系统不具备缩放功能，应用领域会受限制，这种光学系统存在两方面的缺陷，一方面，图像不能放大，在投影显示技术方面，其成像系统不利于设备的小型化和便携性；另一方面，图像不能缩小，在摄影显示方面，其成像系统不利于设备的信息收集。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供采用平板透镜的图像再现缩放光学装置及空气成像系统，能够有效解决现有空气成像系统只能原比例显示的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：采用平板透镜的图像再现缩放光学装置，包括光源、光学透镜和平板透镜，所述光学透镜位于光源与平板透镜之间，所述平板透镜为长条形反射器或者二面角光波导阵列透镜。

优选的，所述光学透镜组为凸透镜或者凹透镜或者凸透镜与凹透镜的组合透镜，采用凸透镜或者凹透镜或者组合透镜在调节放大或者缩小图像时更加方便，只要控制光源与透镜之间的距离即可，降低用户的使用难度。

优选的，所述平板透镜为长条形反射器，所述长条形反射器包括平行设置的第一光波导镜片阵列和第二光波导镜片阵列，每块光波导镜片阵列均包括多个平行设置的反射镜片，所述第一光波导镜片阵列内的反射镜片与第二光波导镜片阵列内的反射镜片正交布置，所述反射镜片的宽度由光波导镜片阵列的中心到边缘减小设置。

优选的，至少两块相邻且宽度相等的反射镜片组成镜片组，相邻镜片组的反射镜片的宽度由光波导镜片阵列的中心到边缘逐步递减。

优选的，所述反射镜片的宽度为0.1～4mm，所述反射镜片的厚度为0.5～4mm，且反射镜片的厚度大于等于宽度，低于0.1mm会导致通光量减小，图像整体亮度降低，而高于4mm不易发生全反射，同样厚度太低会降低通光量，影响成像亮度，而厚度太厚会增加摄入光线的损耗，厚度大于等于宽度可以有效的消除杂光。

优选的，所述平板透镜为二面角光波导阵列透镜，二面角光波导阵列透镜包括呈多排多列布置的二面角反射器，沿列的方向所述二面角反射器的横截面积由光波导阵列结构中心到边缘减小设置。

优选的，同一排二面角反射器尺寸均相等，如果同一排尺寸不相等会导致图像光源与同一排各个二面角反射器的反射距离不相等，从而使得成像发生偏移或者不能成像。

优选的，所述二面角反射器的横截面为正方形，所述二面角反射器横截面的边长在0.1～4mm之间，所述二面角反射器的面积沿列的方向由光波导阵列结构中心到边缘逐步减小，低于0.1mm会导致通光量减小，图像整体亮度降低，而高于4mm不易发生全反射，而面积逐步减小是防止出现尺寸较大波动对成像画面均匀度和亮度造成影响。

优选的，至少两排尺寸完全相同的二面角反射器组成镜片组，相邻镜片组的二面角反射器面积沿列的方向由光波导阵列结构中心到边缘逐步递减，使得光程差和成像后实际间距成周期性变化，提高图像的均匀性。

优选的，面积不同的两排二面角反射器之间留有调整间隙，让不同尺寸的两排二面角反射器能保持同一排间相互距离一致，保持成像画面均匀性。。

优选的，所述平板透镜为二面角光波导阵列透镜，所述二面角光波导阵列透镜包括呈多排多列布置的二面角反射器，沿列的方向所述二面角反射器的高度由光波导阵列结构中心到边缘减小设置。

优选的，至少两排尺寸完全相同的二面角反射器组成镜片组，相邻镜片组的二面角反射器高度沿列的方向由光波导阵列结构中心到边缘逐步递减，使得光程差和成像后实际间距成周期性变化，提高图像的均匀性。

空气成像系统，采用上述的缩放光学装置。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：通过在光源与平板透镜之间设置光学透镜，使光源经过光学透镜以后成放大或者缩小的像，再经过平板透镜实现成像，从而实现成像画面相对于光源的放大或者缩小，图像的放大，在投影显示技术方面，更利于成像设备的小型化和便携性，图像的缩小，在摄影显示技术方面，其成像系统利于设备的信息收集，而采用长条形反射器或者二面角光波导阵列透镜，实现空气中成像，应用范围广，不受画面介质的影响。

附图说明

图1为本实用新型采用平板透镜的图像再现缩放光学装置中光学透镜采用凸透镜时的示意图；

图2为本实用新型采用平板透镜的图像再现缩放光学装置中光学透镜采用凹透镜时的示意图；

图3为本实用新型采用平板透镜的图像再现缩放光学装置实施例一中的平板透镜爆炸图；

图4为本实用新型采用平板透镜的图像再现缩放光学装置实施例二中光波导镜片阵列的结构示意图；

图5为本实用新型采用平板透镜的图像再现缩放光学装置实施例三中平板透镜的爆炸图；

图6为本实用新型采用平板透镜的图像再现缩放光学装置实施例三中光波导阵列结构的结构示意图；

图7为本实用新型采用平板透镜的图像再现缩放光学装置实施例四中平板透镜的爆炸图；

图8为本实用新型采用平板透镜的图像再现缩放光学装置实施例四中光波导阵列结构的结构示意图；

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

参阅图1为本实用新型采用平板透镜的图像再现缩放光学装置的实施例，采用平板透镜的图像再现缩放光学装置，包括光源3、光学透镜1和平板透镜2，所述光学透镜1位于光源3与平板透镜2之间。

如图1所示，光学透镜采用凸透镜或者凸透镜组，如果光源处于光学透镜一倍焦距内时，成放大的虚像，经过平板透镜后在空气中成像为放大的像；如果光源处于光学透镜一倍到两倍焦距之间，则成放大的实像，经过平板透镜后在空气中成像为放大的像；如果光源位于光学透镜两倍焦距以外时，成缩小的实像，经过平板透镜后在空气中成像为缩小的像。

如图2所示，而光学透镜采用凹透镜或者凹透镜组的时候，光源经过光学透镜后都成缩小的虚像，经过平板透镜后在空气中成像为缩小的像。

另外光学透镜还可以采用凸透镜和凹透镜组成的组合透镜，具体需要放大还是缩小图像由实际需要情况决定，采用组合透镜后，降低图相差。

如图3所示，上述平板透镜采用长条形反射器，包括平行设置的第一光波导镜片阵列21和第二光波导镜片阵列22，每块光波导镜片阵列均包括多个平行设置的反射镜片23，所述第一光波导镜片阵列21内的反射镜片23与第二光波导镜片阵列22内的反射镜片23正交布置，所述反射镜片23的宽度W由光波导镜片阵列的中心到边缘减小设置，所谓光波导镜片阵列中心即为整个镜片阵列最中间的那块反射镜片23，其宽度是最宽的，越远离它的反射镜片23宽度越来越小，在图3中最中间的反射镜片应该是最靠近对角线的那条反射镜片，这样形成狭缝的波导结构，让光通过狭缝进行光学成像，从而减小球差，而反射镜片23的宽度是指反射镜片23两个反射面之间的距离。

从中间到边缘反射镜片23的宽度可以无规律的减小也可以成等差递减，最好采用等差递减的方式，周期性递减光的光程差和成像前后实际差距也成周期性变化，每个点的光线通过平板透镜后光斑较为均匀。

进一步，反射镜片23的宽度W在0.1～4mm之间，过低的反射镜片23宽度会导致进入反射镜片23的光线太少，从而影响到成像亮度，而高于4mm不易发生全反射，同样对成像质量造成影响。最好反射镜片23的厚度H在0.5～4mm，并且厚度H要大于宽度W，差值越大越好，可以有效的消除杂光，所谓杂光即只经过其中一个光波导镜片阵列的光线。

第一光波导镜片阵列21内的反射镜片23其长度方向与第一光波导镜片阵列21边缘成45度或135度夹角，实现最好的成像效果。而本实施例中最中心的反射镜片即为长度最长的那块反射镜片。

对于反射镜片23，一般称长条状，两个相对的面上镀有反射层，一般这两个相对的面是整个反射镜片23最大的侧面，保证足够的反射角度，多块反射镜片23平行叠加形成光波导镜片阵列，再在两片叠加的光波导镜片阵列外侧加上两片透光基板25，对光波导镜片阵列进行固定和保护，透光基板25和反射镜片23均采用高透光率材料制造，两块光波导镜片阵列的尺寸和排布完全相同，只是角度相反，第一光波导镜片阵列21内的反射镜片23成45度，第二光波导镜片阵列22内的反射镜片23成135度。

实施例二：

与实施例一的区别在于：长条形反射器的结构不同，至少两块相邻且宽度相等的反射镜片23组成镜片组24，每组镜片组内的反射镜片数量可以相等，也可以不相等，在本实施例中每组镜片组24内为两片宽度相等且平行设置的反射镜片23。如图4中a、b、c分别代表不同宽度的反射镜片23，且宽度a>b>c，两片一组，同样可以形成狭缝波导结构，以降低球差，这样设置可以在保证降低球差效果的同时降低制造成本。

除实施例一和二的反射镜片排列方式外，反射镜片的宽度从中心到边缘还可以按照其他规律或者无规律的方式排列，只要保证远离中心的反射镜片相对于靠近中心的反射镜片宽度在减小或者不变，且最终有至少一片非中心位置反射镜片宽度小于中心位置反射镜片宽度即可。

实施例三：

如图5、图6所示，与实施例一的区别在于，平板透镜采用二面角光波导阵列透镜，二面角光波导阵列透镜包括光波导阵列结构26和两块平面基板27，光波导结构夹在两块平面基板之间，所述光波导阵列结构包括呈多排多列布置的二面角反射器28，沿列的方向所述二面角反射器的横截面积由光波导阵列结构中心到边缘减小设置。

沿列的方向从中间到边缘二面角反射器横截面积减小，形成狭缝的波导结构，让光通过狭缝进行光学成像，球差也更小，成像景深更大，有效提高了成像清晰度，而且这样的设计并不会改变原有平板透镜的尺寸，可以直接替换到原有的空气成像设备上。

由于空气成像平板透镜使用时都是需要将一个图像在空气中成像，而原光源图像一般成水平放置，这就要求同一排的二面角反射器尺寸要相等，使得原光源图像通过同一排二面角反射器的反射距离相等，可以清楚的成像。

而二面角反射器的横截面可以为矩形，但是长边和宽边的差不能太大，满足基本的成像条件，最好二面角反射器的横截面为正方形，两个反射面面积一致，反射光线成像后亮度均匀，并且边长在0.1～4mm之间，如果边长太短会使进光量太少，成像亮度受到极大影响，画面偏暗，而边长太长就不易发生全反射，导致成像失败或者画面模糊。而对于光波导阵列结构的厚度最好在0.5～4mm之间，厚度太低会出现杂光，杂光即未发生反射且通过的光，而厚度太厚会增加摄入光线的损耗。

对于不同列的二面角反射器减小设置规则，最好是逐排沿列的方向从中心到边缘等差递减，这样可以最大的保持画面亮度的均匀，获得最佳的成像效果。也可以不按等差递减，而选用按某递减函数的规律递减，比如选择余弦函数0～90度区间的规律递减等等。还可以保持几排尺寸完全相同的二面角反射器组成镜片组，沿列的方向由光波导阵列结构中心到边缘相邻镜片组的二面角反射器面积逐步递减。这需要根据实际所要达到的成像效果和成本预算来控制。

为了保证同一排二面角反射器之间的间距相等，面积不同的两排二面角反射器之间留有调整间隙29，将相邻的两排二面角反射器隔开一定距离作为调整。

光波导阵列结构可以先制作二面角反射器，然后通过光敏胶粘接成形，再与两块平面基板胶合压注成整体，也可以通过微纳加工技术或光刻技术在基板上直接刻蚀出二面角反射器。平面基板采用高透光率光学基板，主要起固定和保护的作用。

实施例四：

如图7、图8所示，与实施例三的区别在于沿列的方向所述二面角反射器的高度由光波导阵列结构中心到边缘减小设置，图7中为半块光波导阵列结构，沿列的方向从中间到边缘二面角反射器28的高度减小，形成狭缝的光波导结构，让光通过狭缝进行光学成像，球差更小，成像景深更大，有效提高了成像清晰度，并且最高的二面角反射器28高度可以和原有的二面角反射器28高度一致，从而可以不改变现有平板透镜的尺寸，直接替换到原有空气成像设备上使用。

由于空气成像平板透镜使用时都是需要将一个图像在空气中成像，而原光源图像一般成水平放置，这就要求同一排的二面角反射器28尺寸要相等，使得原光源图像通过同一排二面角反射器28的反射光程差相等，可以清楚的成像。

而二面角反射器28的横截面一般为正方形，其高度在0.1～4mm之间，边长在0.1～2mm之间，边长低于0.1mm会导致通光量减小，图像整体亮度降低，高于2mm不易发生全反射，导致成像失败；高度低于0.1mm也会导致通光量减小，图像整体亮度降低，而高度高于4mm光损失太大，图像整体亮度降低。

对于不同列的二面角反射器28高度减小规则，最好是逐排沿列的方向从中心到边缘等差递减，这样最大限度保持画面的亮度均匀，获得最佳的成像效果，当然，也可以不按等差递减，而选用按某递减函数的规律递减，比如选择余弦函数0～90度区间的规律递减等等。还可以选择保持几排尺寸完全相同的二面角反射器28组成镜片组30，相邻镜片组30的二面角反射器28高度沿列的方向由光波导阵列结构中心到边缘逐步递减，这样可以尽量的节省预算，可以根据实际的成本预算和成像要求进行控制。

光波导阵列结构可以先制作二面角反射器28在侧壁镀反射膜，然后通过光敏胶粘接成形，再与两块平面基板27胶合压注成整体，也可以通过微纳加工技术或光刻技术在基板上直接刻蚀出二面角反射器28在侧壁镀反射膜。平面基板27采用高透光率光学基板，主要起固定和保护的作用。

本实用新型还公开了空气成像系统，采用了上述实施例中的缩放光学装置，成为可以实现图像放大或者缩小的空气成像系统。

以上所述仅为本实用新型的具体实施例，但本实用新型的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本实用新型的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本实用新型的专利范围之中。

Claims (13)

1.采用平板透镜的图像再现缩放光学装置，其特征在于：包括光源、光学透镜和平板透镜，所述光学透镜位于光源与平板透镜之间，所述平板透镜为长条形反射器或者二面角光波导阵列透镜。

2.如权利要求1所述的采用平板透镜的图像再现缩放光学装置，其特征在于：所述光学透镜组为凸透镜或者凹透镜或者凸透镜与凹透镜的组合透镜。

3.如权利要求1所述的采用平板透镜的图像再现缩放光学装置，其特征在于：所述平板透镜为长条形反射器，所述长条形反射器包括平行设置的第一光波导镜片阵列和第二光波导镜片阵列，每块光波导镜片阵列均包括多个平行设置的反射镜片，所述第一光波导镜片阵列内的反射镜片与第二光波导镜片阵列内的反射镜片正交布置，所述反射镜片的宽度由光波导镜片阵列的中心到边缘减小设置。

4.如权利要求3所述的采用平板透镜的图像再现缩放光学装置，其特征在于：至少两块相邻且宽度相等的反射镜片组成镜片组，相邻镜片组的反射镜片的宽度由光波导镜片阵列的中心到边缘逐步递减。

5.如权利要求3所述的采用平板透镜的图像再现缩放光学装置，其特征在于：所述反射镜片的宽度为0.1～4mm，所述反射镜片的厚度为0.5～4mm，且反射镜片的厚度大于等于宽度。

6.如权利要求1所述的采用平板透镜的图像再现缩放光学装置，其特征在于：所述平板透镜为二面角光波导阵列透镜，二面角光波导阵列透镜包括呈多排多列布置的二面角反射器，沿列的方向所述二面角反射器的横截面积由光波导阵列结构中心到边缘减小设置。

7.如权利要求6所述的采用平板透镜的图像再现缩放光学装置，其特征在于：同一排二面角反射器尺寸均相等。

8.如权利要求6所述的采用平板透镜的图像再现缩放光学装置，其特征在于：所述二面角反射器的横截面为正方形，所述二面角反射器横截面的边长在0.1～4mm之间，所述二面角反射器的面积沿列的方向由光波导阵列结构中心到边缘逐步减小。

9.如权利要求6所述的采用平板透镜的图像再现缩放光学装置，其特征在于：至少两排尺寸完全相同的二面角反射器组成镜片组，相邻镜片组的二面角反射器面积沿列的方向由光波导阵列结构中心到边缘逐步递减。

10.如权利要求6所述的采用平板透镜的图像再现缩放光学装置，其特征在于：面积不同的两排二面角反射器之间留有调整间隙。

11.如权利要求1所述的采用平板透镜的图像再现缩放光学装置，其特征在于：所述平板透镜为二面角光波导阵列透镜，所述二面角光波导阵列透镜包括呈多排多列布置的二面角反射器，沿列的方向所述二面角反射器的高度由光波导阵列结构中心到边缘减小设置。

12.如权利要求11所述的采用平板透镜的图像再现缩放光学装置，其特征在于：至少两排尺寸完全相同的二面角反射器组成镜片组，相邻镜片组的二面角反射器高度沿列的方向由光波导阵列结构中心到边缘逐步递减。

13.空气成像系统，其特征在于：采用权利要求1至12中任一项所述的缩放光学装置。

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