CN220137488U - 一种紧凑型空中成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种紧凑型空中成像装置，包括阵列菲涅尔透镜和至少两个子成像系统，阵列菲涅尔透镜用于将所有的子图像拼接成完整的实像；每个子成像系统均包括：图像源、偏振透反膜、第一四分之一波片、凹面反射镜和线偏光片；图像源用于产生线偏振光或者圆偏振光的图像，图像源产生的光线经过偏振透反膜反射后穿过第一四分之一波片射向凹面反射镜，凹面反射镜将光线反射后依次穿过第一四分之一波片和偏振透反膜，然后光线经过线偏光片和阵列菲涅尔透镜成实像。优点是：可以缩短某一方向的尺寸占用，进而让整个装置更好的布置，利用阵列菲涅尔透镜对子成像系统产生的图像进行拼接，可以有效消除子图像之间的缝隙，让拼接的图像更加完整。

Description

一种紧凑型空中成像装置

技术领域

本实用新型涉及光学成像领域，具体涉及一种紧凑型空中成像装置。

背景技术

现有空中成像装置，主要由图像源产生图像，然后经过透镜组或者二面角反射器等光学元件后，在空气中成实像，现有的空中成像装置如图1所示，一般都是图像源1呈现画面，经过后透镜3和前透镜4消色差后，再由反射镜调整角度控制实像5的位置。随着空中成像装置越来越成熟，配合手势识别装置后应用的领域也越来越宽，但是在一些空间狭小的区域，比如汽车内，现有的空中成像装置由于在深度方面要求较多，无法安装在汽车的中控台内，如果要强行安装在汽车中控台内，其显示的画面尺寸又将受到影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种紧凑型空中成像装置，能够有效解决现有空中成像设备在获得较大画面时对某一方向尺寸要求较大的问题。

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：

一种紧凑型空中成像装置，包括阵列菲涅尔透镜和至少两个子成像系统，每个所述子成像系统均包括：图像源、偏振透反膜、第一四分之一波片、凹面反射镜，并且可以被构造成以下两种成像模式；

第一成像模式，所述图像源用于产生线偏振光的图像，所述图像源产生的光线经过所述偏振透反膜反射后穿过所述第一四分之一波片射向凹面反射镜，所述凹面反射镜将光线反射后依次穿过第一四分之一波片和偏振透反膜；

第二成像模式，所述图像源用于产生圆偏振光的图像，所述图像源产生的光线穿过第一四分之一波片后被偏振透反膜反射，被反射的光线再次穿过第一四分之一波片后射向凹面反射镜，光线被凹面反射镜反射后依次穿过第一四分之一波片和偏振透反膜；

至少两个所述子成像系统采用所述第一成像模式和所述第二成像模式中的至少一种生成子图像，所述阵列菲涅尔透镜对至少两个子成像系统生成的子图像进行拼接。

优选的，每个所述子成像系统还包括线偏光片，所述线偏光片位于所述偏振透反膜与所述阵列菲涅尔透镜之间；或者，每个所述子成像系统还包括线偏光片，所述线偏光片按光线照射方向位于所述阵列菲涅尔透镜的下游。

优选的，所述线偏光片的偏振方向与偏振透反膜的偏振方向在垂直于光轴平面上的分量的差值在±1°之间。减少杂光，提高光能利用率。

优选的，第一成像模式中的图像源包括背光、LCD屏幕和透镜组，所述背光产生的光线依次穿过LCD屏幕和透镜组，所述透镜组的光焦度为正。该结构的图像源可以产生线偏振光的图像，透镜组光焦度为正，可以补偿正光焦度菲涅尔产生的色差。

优选的，第二成像模式中的图像源包括背光、LCD屏幕、第二四分之一波片和透镜组，所述背光产生的光线依次穿过LCD屏幕、第二四分之一波片和透镜组，所述透镜组的光焦度为正。该结构的图像源可以产生圆偏振光的图像，透镜组光焦度为正，可以补偿正光焦度菲涅尔产生的色差。

优选的，阵列菲涅尔透镜包括多个阵列排布的子菲涅尔透镜，每个子菲涅尔透镜的等效曲率半径为子菲涅尔透镜对角线长度的1～3.4倍，子菲涅尔透镜的菲涅尔齿间距在0.1mm～0.8mm之间，拔模角在0°～23°之间。子菲涅尔透镜的曲率半径决定了其光焦度，其光焦度太大影响成像质量，太小又会不足以使光线避开拼缝；子菲涅尔透镜的齿距太小会导致菲涅尔成型后杂散光增多，有效光减少，齿距太大又会造成画面不够精细，拔模角取上述区间可以使杂散光小，且利于注塑或模压成型。

优选的，所述阵列菲涅尔透镜与凹面反射镜之间的距离＞0.2倍阵列菲涅尔透镜的子菲涅尔透镜对角线。阵列菲涅尔透镜与凹面反射镜之间的距离小于上述要求会导致经过阵列菲涅尔透镜分裂开的光线不足以避开拼缝。

优选的，所述偏振透反膜镀在透明基板上或者以贴膜形式贴附在透明基板上，所述透明基板的进光面与入射光线的夹角大于20°且小于60°。为偏振透反膜提供支撑，更好的固定偏振透反膜，透明基板的进光面与入射光线的夹角大于20°且小于60°可以减少杂散光，避免出现鬼影情况。

优选的，0.3倍阵列菲涅尔透镜的子菲涅尔透镜对角线＞所述透明基板与阵列菲涅尔透镜的最小距离＞1mm。

优选的，0.3倍凹面反射镜通光口径＞所述透明基板与凹面反射镜的最小距离＞1mm。

优选的，所述图像源射出的光线与所述第一四分之一波片的光轴成45度夹角。

优选的，所述凹面反射镜的光焦度大于阵列菲涅尔透镜的光焦度。

优选的，凹面反射镜的曲率半径取值为其对角线长度的1～1.7倍。凹面反射镜的曲率半径太大光路会比较长，太小则影响像质。

优选的，所有成像元件面型的数学模型皆为回旋对称面型。回旋对称面型利于加工，像差好控制，有利于保证成像质量。

优选的，两个相邻子成像系统射到所述菲涅尔透镜上光线间隙±0.5mm；每个子成像系统的光线穿过菲涅尔透镜后的偏折角度大于2°且小于20°，并且光线在穿过菲涅尔后位于凹面反射镜的通光口径内。偏折角越大越容易避开拼接缝，但是成像质量也会下降，满足上述条件后，在保证拼接缝可以避开的同时能获得较高的成像质量。

优选的，光线穿过偏振透反膜后的偏振方向与第一四分之一波片的光轴方向夹角在40°～50°之间。再此夹角内光能利用率较高，杂光也比较少，有利于提高成像质量。

优选的，0.3<凹面反射镜焦距/阵列菲涅尔透镜焦距<0.9。

优选的，所述阵列菲涅尔透镜中每个子菲涅尔透镜的光轴与对应子光路光轴重合。

优选的，单个子成像系统经过阵列菲涅尔透镜成像，整个光路的总焦距为f，光学总长为TTL，最后成像高度为Imgh，满足0.4<TTL/f<0.7；4<TTL/Imgh<20。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

通过至少两个子成像系统成像后利用阵列菲涅尔透镜拼接成完整的实像，可以缩短某一方向的尺寸占用，进而让整个装置更好的布置，从而解决目前空中成像设备在获得较大画面时对某一方向尺寸要求较大的问题。将成像部分分解成多个子成像系统，从而分别布置每个子成像系统的位置，减少对整个装置深度方向的尺寸要求，而且每个子成像系统也利用凹面反射镜折叠光路，增加对宽度方向的空间利用，进一步缩小了子成像系统在深度方向的深度，在子成像系统中采用第一四分之一波片与偏振透反膜联合作用，可以大幅提升工作光线的透光率，而且可以降低环境光的反射。利用阵列菲涅尔透镜对子成像系统产生的图像进行拼接，可以有效消除子图像之间的缝隙，让拼接的图像更加完整。

附图说明

图1为现有空中成像装置的原理图；

图2为本实用新型一种紧凑型空中成像装置中实施例一的原理图；

图3为本实用新型一种紧凑型空中成像装置中实施例二的原理图；

图4为本实用新型一种紧凑型空中成像装置中实施例三的原理图；

图5为本实用新型一种紧凑型空中成像装置中实施例四的原理图。

附图标记为：

背光110、LCD屏幕120、第二四分之一波片121、透镜组130、透明基板140、偏振透反膜141、线偏光片142、第一四分之一波片150、凹面反射镜160；

阵列菲涅尔透镜200；

实像300。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，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，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

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。在本实用新型的描述中，“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。

在本实用新型中，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实用新型中的具体含义。

如图2至图5，一种紧凑型空中成像装置，包括阵列菲涅尔透镜和至少两个子成像系统，每个子成像系统均包括：图像源、偏振透反膜、第一四分之一波片、凹面反射镜，并且可以被构造成以下两种成像模式；

第一成像模式，图像源用于产生线偏振光的图像，图像源产生的光线经过偏振透反膜反射后穿过第一四分之一波片射向凹面反射镜，凹面反射镜将光线反射后依次穿过第一四分之一波片和偏振透反膜；

第二成像模式，图像源用于产生圆偏振光的图像，图像源产生的光线穿过第一四分之一波片后被偏振透反膜反射，被反射的光线再次穿过第一四分之一波片后射向凹面反射镜，光线被凹面反射镜反射后依次穿过第一四分之一波片和偏振透反膜；

至少两个子成像系统采用第一成像模式和第二成像模式中的至少一种生成子图像，阵列菲涅尔透镜对至少两个子成像系统生成的子图像进行拼接。

进一步，两个相邻子成像系统射到菲涅尔透镜上光线间隙±0.5mm；每个子成像系统的光线穿过菲涅尔透镜后的偏折角度大于2°且小于20°，并且光线在穿过菲涅尔后位于凹面反射镜的通光口径内。偏折角越大越容易避开拼接缝，但是成像质量也会下降，满足上述条件后，在保证拼接缝可以避开的同时能获得较高的成像质量。

下面将分为两个实施例具体介绍采用两种不同成像模式的子成像系统组成紧凑型空中成像装置，对采用具体哪种子成像系统不做具体限定，其包含但不限于以下实施方式所列举的情况：

实施例一：

参阅图2为本实用新型一种紧凑型空中成像装置的实施例一，包括阵列菲涅尔透镜200和至少两个子成像系统，为了方便介绍，本实施例中以两个子成像系统为例，如果有更多的子成像系统可以按照矩形阵列的方式排列。每个子成像系统都可以单独成像，形成子图像，而阵列菲涅尔透镜200则可以将所有的子图像拼接成完整的实像300，也就是每个子成像系统只呈现最终画面的一部分，然后通过阵列菲涅尔透镜200进行图像拼接，利用阵列菲涅尔透镜200，相对于传统的透镜，体积小更加薄，有利于节省空间，并且在阵列菲涅尔透镜200中每个子透镜之间的图像畸变较小，形成的拼接图案之间的依靠的更加紧密，不容易出现拼接黑缝，获得更好的拼接效果。所有子成像系统按m行*n列成阵列排布，m和n中最小值≥1。

每个子成像系统均包括：图像源、偏振透反膜141、第一四分之一波片150、凹面反射镜160和线偏光片142。图像源用于产生线偏振光的图像，图像源产生的光线照射到偏振透反膜上，被偏振透反膜反射后穿过第一四分之一波片150射向凹面反射镜160，被凹面反射镜160反射的光线穿过第一四分之一波片150后，依次穿过偏振透反膜、线偏光片142，然后通过阵列菲涅尔透镜200与其他子成像系统成的像进行拼接。线偏光片142的偏振方向与偏振透反膜141的偏振方向在垂直于光轴平面上的分量的差值在±1°之间。

图像源包括背光110、LCD屏幕120和透镜组130，背光110负责产生背景光线，LCD屏幕120产生画面，背光110的光线通过LCD屏幕120后产生偏振光，通过透镜组后将图案放大，透镜组130中透镜数量在1～3片，且透镜组130的光焦度为正。从图像源射出的光线与第一四分之一波片150光轴方向呈45°夹角放置。

为了更好的固定偏振透反膜141和线偏光片142，增加透明基板140，线偏光片142固定在透明基板140上，而偏振透反膜141固定在线偏光片142上，使偏振透反膜141、线偏光片142和透明基板140层叠设置。当然，还可以将偏振透反膜141和线偏光片142分别固定在透明基板140相对的两面上，偏振透反膜141镀在透明基板上140或者以贴膜形式贴附在透明基板140上。透明基板140与阵列菲涅尔透镜200的最近距离大于1mm且小于0.3*阵列菲涅尔透镜200子单元对角线。透明基板140与凹面反射镜160的最近距离大于1mm且小于0.3*凹面反射镜160通光口径。透明基板140的进光面与入射光线的夹角大于20°且小于60°，可以减少杂散光，避免出现鬼影情况。光线穿过偏振透反膜后的偏振方向与第一四分之一波片的光轴方向夹角在40°～50°之间超过此值光能利用率迅速下降，杂光也会更多。

为了达到最佳的图像拼接效果，凹面反射镜160的光轴和阵列菲涅尔透镜200的光轴重合，透明基板140与阵列菲涅尔透镜200的光轴夹角为20°至70°之间。阵列菲涅尔透镜200基底为平面，其子单元的等效曲率半径取值为子单元对角线长度的1～3.4倍，菲涅尔齿间距在0.1mm～0.8mm之间，拔模角取值在0°～23°之间。凹面反射镜160的曲率半径取值为其对角线长度的1～1.7倍。凹面反射镜160的光焦度大于阵列菲涅尔透镜200光焦度。阵列菲涅尔透镜200与凹面反射镜160的距离＞0.2*阵列菲涅尔透镜200子单元对角线。阵列菲涅尔透镜200材料为光学塑料，加工工艺为模压或注塑。垂直入射到阵列菲涅尔透镜200两个相邻子单元间隙±0.5mm的光线，偏折角度大于2°，并且在穿过菲涅尔后打在透明基板140和阵列菲涅尔透镜200的通光口径内。第一四分之一波片150到凹面反射镜160的距离小于0.7*第一四分之一波片150到阵列菲涅尔透镜200的距离。光线穿过偏振透反膜后的偏振方向与第一四分之一波片150的光轴方向夹角在40°～50°之间。

再进一步，反射镜与菲涅尔透镜的焦距的比值范围需满足：0.3<凹面反射镜焦距/阵列菲涅尔透镜焦距<0.9。阵列菲涅尔透镜中每个子菲涅尔透镜的光轴与对应子光路光轴重合，间距在5cm-20cm之间。单个子成像系统经过阵列菲涅尔透镜成像，整个光路的总焦距为f，光学总长为TTL，最后成像高度为Imgh，满足0.4<TTL/f<0.7；4<TTL/Imgh<20。

采用上述方案后光路分成数个并排的子光路可以缩短光机结构厚度；子光路采用折叠光路的形式可以进一步缩短光机结构厚度；透射反射板采用第一四分之一波片150与偏振透反膜141联合作用的形式可以大幅提升工作光线的透光率：假设偏振透反膜141对于p光的透射效率为90％，对于s光的反射效率为99％，则系统的光能利用率＝90％*99％＝98％。在本专利中，图像源发出的光线经过线偏振片后变为线偏振光，线偏振光经过第一四分之一波片150后被凹面反射镜160反射，又穿过第一四分之一波片150，两次穿过同一片第一四分之一波片150使得线偏振光转变为和初始振动方向相垂直的线偏振光，在经过线偏振片的时候，由于振动方向和线偏振片偏振方向垂直，光线被截止，无法打向用户，由此，大大降低了外界环境光在系统内部反射回来的光线。本实施例中所有成像元件面型的数学模型皆为回旋对称面型，这样有利于加工和控制像差，降低生产和调试成本。

实施例二：

如图3所示，与实施例一的区别在于，本实施例中线偏光片142不是位于透明基板140的正面或者反面，线偏光片142位于阵列菲涅尔透镜200背向光线射入的一侧，被凹面反射镜160反射的光线依次穿过第一四分之一波片150、偏振透反膜、透明基板140、阵列菲涅尔透镜200和线偏光片142后拼接成完整的实像300。

实施例三：

如图4所示，本实施例与实施例一的区别在于图像源产生圆偏振光图像，并且第一四分之一波片150的位置不同。本实施例中，第一四分之一波片150也固定在透明基板140上，从背光110射出的光线先穿过LCD屏幕120变为线偏振光，然后穿过第二四分之一波片121后变为圆偏振光，在经过透镜组130后穿过第一四分之一波片150变为线偏振光，线偏振光被偏振透反膜141反射，穿过第一四分之一波片150后变为圆偏振光，被凹面反射镜160反射后再次穿过第一四分之一波片150，变为与第一次打在偏振透反膜141上时偏振方向垂直的线偏振光，此光再次经过偏振透反膜141时，大部分光都透过，然后依次透过线偏光片142，透明基板140、阵列菲涅尔透镜200后在空中成实像300。

实施例四：

如图5所示，本实施例与实施例三的区别在于线偏光片142的位置发生变化，线偏光片不在透明基板140的正面或者反面，线偏光片位于阵菲涅尔透镜背向光线射入的一侧，被凹面反射镜160反射的光线依次穿过第一四分之一波片150、偏振透反膜、透明基板140、阵列菲涅尔透镜200和线偏光片142后拼接成完整的实像300。

除了上述实施例所列举的子成像系统结构外，也可以同时采用两种不同成像模式的子成像系统在空中成像装置中使用，但是要使所有子成像单元的成像素质相同，对于调校的要求较高，可以更具实际布置情况自由选择采用何种成像模式的子成像系统。

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 (19)

1.一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：包括阵列菲涅尔透镜和至少两个子成像系统，每个所述子成像系统均包括：图像源、偏振透反膜、第一四分之一波片、凹面反射镜，并且可以被构造成以下两种成像模式；

第一成像模式，所述图像源用于产生线偏振光的图像，所述图像源产生的光线经过所述偏振透反膜反射后穿过所述第一四分之一波片射向凹面反射镜，所述凹面反射镜将光线反射后依次穿过第一四分之一波片和偏振透反膜；

第二成像模式，所述图像源用于产生圆偏振光的图像，所述图像源产生的光线穿过第一四分之一波片后被偏振透反膜反射，被反射的光线再次穿过第一四分之一波片后射向凹面反射镜，光线被凹面反射镜反射后依次穿过第一四分之一波片和偏振透反膜；

至少两个所述子成像系统采用所述第一成像模式和所述第二成像模式中的至少一种生成子图像，所述阵列菲涅尔透镜对至少两个子成像系统生成的子图像进行拼接。

2.如权利要求1所述的一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：每个所述子成像系统还包括线偏光片，所述线偏光片位于所述偏振透反膜与所述阵列菲涅尔透镜之间；或者，每个所述子成像系统还包括线偏光片，所述线偏光片按光线照射方向位于所述阵列菲涅尔透镜的下游。

3.如权利要求2所述的一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：所述线偏光片的偏振方向与偏振透反膜的偏振方向在垂直于光轴平面上的分量的差值在±1°之间。

4.如权利要求1所述的一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：第一成像模式中的图像源包括背光、LCD屏幕和透镜组，所述背光产生的光线依次穿过LCD屏幕和透镜组，所述透镜组的光焦度为正。

5.如权利要求1所述的一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：第二成像模式中的图像源包括背光、LCD屏幕、第二四分之一波片和透镜组，所述背光产生的光线依次穿过LCD屏幕、第二四分之一波片和透镜组，所述透镜组的光焦度为正。

6.如权利要求1所述的一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：阵列菲涅尔透镜包括多个阵列排布的子菲涅尔透镜，每个子菲涅尔透镜的等效曲率半径为子菲涅尔透镜对角线长度的1～3.4倍，子菲涅尔透镜的菲涅尔齿间距在0.1mm～0.8mm之间，拔模角在0°～23°之间。

7.如权利要求6所述的一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：所述阵列菲涅尔透镜与凹面反射镜之间的距离＞0.2倍阵列菲涅尔透镜的子菲涅尔透镜对角线。

8.如权利要求6所述的一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：所述偏振透反膜镀在透明基板上或者以贴膜形式贴附在透明基板上，所述透明基板的进光面与入射光线的夹角大于20°且小于60°。

9.如权利要求8所述的一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：0.3倍阵列菲涅尔透镜的子菲涅尔透镜对角线＞所述透明基板与阵列菲涅尔透镜的最小距离＞1mm。

10.如权利要求8所述的一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：0.3倍凹面反射镜通光口径＞所述透明基板与凹面反射镜的最小距离＞1mm。

11.如权利要求1所述的一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：所述图像源射出的光线与所述第一四分之一波片的光轴成45度夹角。

12.如权利要求1所述的一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：所述凹面反射镜的光焦度大于阵列菲涅尔透镜的光焦度。

13.如权利要求1所述的一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：凹面反射镜的曲率半径取值为其对角线长度的1～1.7倍。

14.如权利要求1所述的一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：所有成像元件面型的数学模型皆为回旋对称面型。

15.如权利要求1所述的一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：两个相邻子成像系统射到所述菲涅尔透镜上光线间隙±0.5mm；每个子成像系统的光线穿过菲涅尔透镜后的偏折角度大于2°且小于20°，并且光线在穿过菲涅尔后位于凹面反射镜的通光口径内。

16.如权利要求1所述的一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：光线穿过偏振透反膜后的偏振方向与第一四分之一波片的光轴方向夹角在40°～50°之间。

17.如权利要求1所述的一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：0.3<凹面反射镜焦距/阵列菲涅尔透镜焦距<0.9。

18.如权利要求1所述的一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：所述阵列菲涅尔透镜中每个子菲涅尔透镜的光轴与对应子光路光轴重合。

19.如权利要求1所述的一种紧凑型空中成像装置，其特征在于：单个子成像系统经过阵列菲涅尔透镜成像，整个光路的总焦距为f，光学总长为TTL，最后成像高度为Imgh，满足0.4<TTL/f<0.7；4<TTL/Imgh<20。