光成像系統(tǒng)及具有該光成像系統(tǒng)的投影成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型適用于光學設備【技術領域】，公開了一種光成像系統(tǒng)及具有該光成像系統(tǒng)的投影成像系統(tǒng)。光成像系統(tǒng)包括第一、第二微透鏡陣列，透鏡使用凸透鏡形式，第一、二微透鏡陣列相向間距設置或背向間距設置，各第一、二微凸透鏡陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)相同且焦距相等，第一、第二微凸透鏡的光軸一一對應并重合，第一、第二微凸透鏡陣列之間的距離為第一、第二微凸透鏡的焦距的兩倍或同一單位量級。投影成像系統(tǒng)包括光投射系統(tǒng)、反射成虛像系統(tǒng)和上述光成像系統(tǒng)。本實用新型提供的光成像系統(tǒng)及具有該光成像系統(tǒng)的投影成像系統(tǒng)，其可獲得高亮度、高對比度、高清晰度、高分辨率的圖像，避免了激光散斑效應，圖像、字體邊緣清晰，顯像效果佳。
【專利說明】光成像系統(tǒng)及具有該光成像系統(tǒng)的投影成像系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本實用新型屬于光學設備【技術領域】，尤其涉及一種光成像系統(tǒng)及具有該光成像系統(tǒng)的投影成像系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]目前，微型投影成像系統(tǒng)，其大多利用LED(發(fā)光二極管)作為光源，光利用率低下，不利于明亮場合使用。
[0003]激光單色性好，方向性強，亮度高。使用激光作為投影顯示光源，具有色彩逼真，圖像清晰，適用于大、小畫面顯示的優(yōu)點，能得到高亮度圖像。但是，現(xiàn)有技術中，在激光作為顯示光源的成像系統(tǒng)中，一般所使用投影膜為投影系統(tǒng)的成像系統(tǒng)，這樣必然會產(chǎn)生一些擴散，與激光散斑效應，導致圖像亮度減弱與分辨率下降。對于小尺寸畫面，激光的擴散與散斑對圖像分辨率影響更為明顯。針對使用微投影儀作為圖像源系統(tǒng)的投影成像系統(tǒng)，必須有一個圖像成像系統(tǒng)，接收微投影儀的投射光，形成對人眼可視的圖像。投影膜一般可分為反射式、透射式兩類；反射式用于正投，透射式用于背投；無論是前投還是背投，都是基于光的擴散原理，使帶有圖像信息的光源進入人眼。透射式投影膜:光源透過投影膜時，損失一部分光強度，有甚者高達40%，這就直接導致圖像的亮度減弱，光的使用效率低。激光通過投影膜時，使得光發(fā)生許多折射、反射與散射的現(xiàn)象，達到光學擴散的效果。由于散光顆粒擴散的作用，會使光輻射面積增大，但是降低了單位面積的光強度，即減低光亮度。同時，激光照射到光學粗糙表面(即平均起伏大于波長數(shù)量級的表面)上時，由于表面上大量無規(guī)則分布面元所散射的子波相干疊加的結(jié)果，形成的反射光場具有隨機的空間光強分布，呈現(xiàn)顆粒狀的結(jié)構(gòu)，即激光散斑效應，也導致圖像的分辨率的降低，使圖像、字體邊緣模糊化，清晰度降低。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供了一種光成像系統(tǒng)及具有該光成像系統(tǒng)的投影成像系統(tǒng)，其成像分辨率高、清晰度高，成像效果好。
[0005]本實用新型的技術方案是:一種光成像系統(tǒng)，包括第一微凸透鏡陣列和第二微凸透鏡陣列，所述第一微凸透鏡陣列、第二微凸透鏡陣列相向間距設置或背向間距設置，各所述第一微凸透鏡陣列、第二微凸透鏡陣列微單元透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)相同且焦距相等，所述第一微凸透鏡陣列中各所述微凸透鏡的光軸和所述第二微凸透鏡陣列中微凸透鏡的光軸一一對應并重合，第一微凸透鏡陣列和第二微凸透鏡陣列之間的距離為微凸透鏡陣列的焦距的兩倍或同一單位量級。
[0006]可選地，所述第一微凸透鏡陣列和第二微凸透鏡陣列分設于第一基板和第二基板上相向的一面上。
[0007]可選地，所述第一微凸透鏡陣列和第二微凸透鏡陣列分設于同一基板的兩面上。
[0008]可選地，所述基板的厚度為第一微凸透鏡陣列或第二微凸透鏡陣列的焦距的兩倍或同一單位量級。
[0009]可選地，所述第一基板、第二基板的表面鍍設有增透膜。
[0010]可選地，所述基板的表面鍍設有增透膜。
[0011]可選地，所述第一微凸透鏡陣列、第二微凸透鏡陣列的微結(jié)構(gòu)單元呈正方形、長方形或六邊形。
[0012]本實用新型還提供了一種投影成像系統(tǒng)，包括光投射系統(tǒng)和反射成虛像系統(tǒng)，還包括上述的且用于將光投射系統(tǒng)中的光線折射至所述反射成虛像系統(tǒng)的光成像系統(tǒng)。
[0013]可選地，所述光投射系統(tǒng)為光源采用RGB三色激光二極管的微投影儀。
[0014]可選地，所述反射成虛像系統(tǒng)包括用于將圖像反射至眼睛的曲面反射鏡或反射鏡組合或反射鏡組合和擋風玻璃。
[0015]本實用新型提供了的光成像系統(tǒng)及具有該光成像系統(tǒng)的投影成像系統(tǒng)，其第一微凸透鏡陣列和第二微凸透鏡陣列不僅具有傳統(tǒng)透鏡的聚焦、成像等基本功能，而且具有單元尺寸小、集成度高的特點，使得它能夠完成傳統(tǒng)光學元件無法完成的功能。光通過第一微凸透鏡陣列和第二微凸透鏡陣列后，光得到一定的擴散，這就保證了人眼可接收觀察到圖像。但是其擴散角可控、不像普通的擴散膜的無規(guī)則擴散、擴散角不可控。通過第一微凸透鏡陣列和第二微凸透鏡陣列，可知當光斑的發(fā)散角光斑更加集中，從而獲得高亮度、高對比度、高清晰度的圖像，為下一步的光學系統(tǒng)(反射系統(tǒng)、反射成虛像系統(tǒng))提供良好的圖像源，圖像的分辨率高、避免了激光散斑效應，圖像、字體邊緣清晰，顯像效果佳。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0017]圖1是本實用新型實施例提供的光成像系統(tǒng)的平面示意圖；
[0018]圖2是本實用新型實施例提供的光成像系統(tǒng)的部分光路示意圖；
[0019]圖3是本實用新型實施例提供的光成像系統(tǒng)的部分光路示意圖；
[0020]圖4是本實用新型實施例提供的光成像系統(tǒng)的平面示意圖；
[0021]圖5是本實用新型實施例提供的光成像系統(tǒng)中第一微凸透鏡陣列的局部平面示意圖；
[0022]圖6是本實用新型實施例提供的另一光成像系統(tǒng)的平面示意圖。

【具體實施方式】
[0023]為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0024]需要說明的是，當元件被稱為“固定于”或“設置于”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者可能同時存在居中元件。當一個元件被稱為是“連接于”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。
[0025]還需要說明的是，本實施例中的左、右、上、下等方位用語，僅是互為相對概念或是以產(chǎn)品的正常使用狀態(tài)為參考的，而不應該認為是具有限制性的。
[0026]如圖1?圖4所示，本實用新型實施例提供的一種光成像系統(tǒng)，可以用于投影儀、平視顯示儀器等設備中。上述光成像系統(tǒng)包括第一微凸透鏡陣列I和第二微凸透鏡陣列2，所述第一微凸透鏡陣列1、第二微凸透鏡陣列2相向間距(如圖1所示)設置或背向間距(如圖6所示)設置，各所述第一微凸透鏡陣列I中的第一微凸透鏡11、第二微凸透鏡陣列I中第二微凸透鏡21的結(jié)構(gòu)參數(shù)相同且焦距相等，所述第一微凸透鏡陣列I中各所述第一微凸透鏡11的光軸和所述第二微凸透鏡陣列2中第二微凸透鏡21的光軸一一對應并重合，第一微凸透鏡11、第二微凸透鏡21的光軸重合，第一微凸透鏡11、第二微凸透鏡21的參數(shù)、結(jié)構(gòu)可以相同，第一微凸透鏡11、第二微凸透鏡21可相對或背對。當實際使用時，入射光傾斜于平行光軸，存在較小夾角時，當這些光線通過第一微凸透鏡陣列I后，光束會聚點偏離焦點，當照射到第二微凸透鏡陣列2時，光線發(fā)散，或會聚。發(fā)散會聚的角度可由兩組透鏡(即第一微凸透鏡11、第二微凸透鏡21)的焦距決定。并且相對于漫散射，光散射角度小，會使光輻射面積減小，但是在可視方向上，增加了單位面積的光強度，即提高了光亮度。通過第一微凸透鏡陣列I和第二微凸透鏡陣列2后，光得到一定的擴散，這就保證了人眼可接收觀察到圖像。但是其擴散角可控、不像普通的擴散膜的無規(guī)則擴散、擴散角不可控。通過第一微凸透鏡陣列I和第二微凸透鏡陣列2，可知當光斑的發(fā)散角光斑更加集中，亮度更高。擴散角與每個第一微凸透鏡11、第二微凸透鏡21的尺寸與其之間的距離相關。第一微凸透鏡陣列I和第二微凸透鏡陣列2之間的距離為第一微凸透鏡11、第二微凸透鏡21的焦距的兩倍或同一單位量級，以確保微透鏡(第一微凸透鏡11、第二微凸透鏡12)的對光路的收斂效果。根據(jù)以上所述的光學原理，光斑束有一定的大小尺寸。經(jīng)過透鏡的光偏轉(zhuǎn)后，在焦距范圍內(nèi)會聚，過了焦距點后光束會發(fā)散，不能保證光斑束基本作用于對應的一對微透鏡內(nèi)。第一微凸透鏡陣列I和第二微凸透鏡陣列2之間的距離為第一微凸透鏡11、第二微凸透鏡21的焦距的兩倍或同一單位量級時，以確保微透鏡(第一微凸透鏡11、第二微凸透鏡21)的對光路的收斂效果，能達到增強亮度與提高分辨率的效果，如上所述，發(fā)散會聚的角度可由兩透鏡的焦距決定。為保證光斑束基本作用于對應的一對第一微凸透鏡11、第二微凸透鏡21內(nèi)。第一微凸透鏡陣列I和第二微凸透鏡陣列2，其微單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)與激光光斑的單位可采用同一量級設計。
[0027]如圖1?圖4所示，本實用新型所提供的光成像系統(tǒng)，采用微凸透鏡陣列(即第一微凸透鏡陣列I和第二微凸透鏡陣列2)替代普通的投影膜，微凸透鏡陣列不僅具有傳統(tǒng)透鏡的聚焦、成像等基本功能，而且具有單元尺寸小、集成度高的特點，使得它能夠完成傳統(tǒng)光學元件無法完成的功能，并能構(gòu)成許多新型的光學系統(tǒng)。當實際使用時，光射光傾斜于平行光軸，存在較小夾角時，當這些光線通過第一微凸透鏡陣列I后，光束會聚點偏離焦點，當照射到第二微凸透鏡陣列2時，光線發(fā)散，或會聚。發(fā)散、會聚的角度可由兩透鏡的焦距決定。并且相對于漫散射來，光散射角度小，會使光輻射面積減小，在可視方向上，但是增加了單位面積的光強度，即提高了光亮度。第二微凸透鏡陣列2有一定的校正作用。第二微凸透鏡陣列2消除了第一微凸透鏡陣列I產(chǎn)生的衍射光斑，從而獲得高亮度、高對比度、高清晰度的圖像，為下一步的光學系統(tǒng)(反射系統(tǒng)、反射成虛像系統(tǒng))提供良好的圖像源，圖像的分辨率高、避免了激光散斑效應，圖像、字體邊緣清晰，顯像效果佳。
[0028]具體地，如圖1?圖4所示，所述第一微凸透鏡陣列I和第二微凸透鏡陣列2分設于第一基板12和第二基板22上相向的一面上。第一基板12和第二基板22平行相距設置。第一基板12和第二基板22未設置有第一微凸透鏡陣列I和第二微凸透鏡陣列2的另一面可為平面。具體應用中，所述第一基板12、第二基板22的表面鍍設有增透膜，以減少反射光的強度，增加光的透過率，消除反射光對其產(chǎn)生不良影響，從而增加透射光的強度，使光學系統(tǒng)成像更清晰。第一基板12和第二基板22可為透明的玻璃或有機玻璃等。
[0029]或者，作為替代方案，如圖6所示，所述第一微凸透鏡陣列I和第二微凸透鏡陣列2也可以分設于同一基板3的兩面上，其結(jié)構(gòu)更緊湊。具體地，所述基板3的厚度為第一微凸透鏡11、第二微凸透鏡21的焦距的兩倍或為同一單位量級，以提高顯像效果。具體地，所述基板3的表面鍍設有增透膜，以減少反射光的強度，從而增加透射光的強度，使光學系統(tǒng)成像更清晰?；蹇蔀橥该鞯牟ＡЩ蛴袡C玻璃等。
[0030]具體應用中，所述第一微凸透鏡陣列1、第二微凸透鏡陣列2的微結(jié)構(gòu)單位呈正方形、長方形或六邊形等合適形狀。如圖5所示，本實施例中，所述第一微凸透鏡11、第二微凸透鏡21的微結(jié)構(gòu)單元呈正六邊形。假設，在這里激光到達成像系統(tǒng)激光光斑為6微米，那么所述第一微凸透鏡11、第二微凸透鏡21六邊形的外接圓的直徑也在6微米左右，即同一單位量級，當然參數(shù)可小范圍調(diào)整。
[0031]本實用新型還提供了一種投影成像系統(tǒng)，包括光投射系統(tǒng)和反射成虛像系統(tǒng)，還包括上述的光成像系統(tǒng)，上述光成像系統(tǒng)用于將光投射系統(tǒng)中的光線折射至所述反射成虛像系統(tǒng)。
[0032]具體地，所述光投射系統(tǒng)可為光源采用RGB三色激光二極管的微投影儀等。光投射系統(tǒng)可為指微投影儀，包括但不限于DLP、LCOS投影儀等。
[0033]具體地，所述反射成虛像系統(tǒng)包括用于將圖像反射至眼睛的曲面反射鏡或反射鏡組合或反射鏡組合和擋風玻璃等。曲面鏡作用:在成像系統(tǒng)上形成的圖像，經(jīng)過曲面鏡的反射，到達人眼，在鏡子后形成虛像。同時，曲面鏡還有放大圖像與拉長成像距離的作用，使得成像效果更炫，以滿足不同的使用需求。
[0034]同時地，在(有機玻璃或玻璃)基板的兩面鍍增透膜，為了增加光的透過率，消除反射光對其產(chǎn)生不良影響。
[0035]當實際使用時，入射光傾斜于平行光軸，存在較小夾角時，當這些光線通過第一微凸透鏡陣列I后，光束會聚點偏離焦點，當照射到第二微凸透鏡陣列2時，光線發(fā)散，或會聚。發(fā)散、會聚的角度可由兩透鏡(第一微凸透鏡11、第二微凸透鏡21)的焦距決定。并且相對于漫散射，光散射角度小，會使光輻射面積減小，但是在可視方向上，增加了單位面積的光強度，即提高了光亮度。通過第一微凸透鏡陣列I和第二微凸透鏡陣列2后，光得到一定的擴散，這就保證了人眼可接收觀察到圖像。但是，其擴散角可控、不像普通的擴散膜的無規(guī)則擴散、擴散角不可控。通過第一微凸透鏡陣列I和第二微凸透鏡陣列2，可知當光斑的發(fā)散角光斑更加集中，亮度更高。經(jīng)過透鏡的光偏轉(zhuǎn)后，在焦距范圍內(nèi)會聚，過了焦距點后光束會發(fā)散，不能保證光斑束基本作用于對應的一對微透鏡內(nèi)。距離需有一個限制。若如不此，對光斑沒有收斂作用，不能達到增強亮度與提高分辨率的效果。擴散角與每個第一微凸透鏡11和第二微凸透鏡21的尺寸與每對第一微凸透鏡11和第二微凸透鏡21的距離相關，通過使第一微凸透鏡陣列I和第二微凸透鏡陣列2之間的距離為第一微凸透鏡11、第二微凸透鏡21的焦距的兩倍，或者，將第一微凸透鏡陣列I和第二微凸透鏡陣列2之間的距離設置為同一單位量級，以確保微透鏡(第一微凸透鏡11、第二微凸透鏡21)的對光路的收斂效果，能達到增強亮度與提高分辨率的效果，顯像效果佳。
[0036]上述投影成像系統(tǒng)可用作抬頭顯示器:投影儀(光投射系統(tǒng))+光成像系統(tǒng)(透鏡陣列)+曲面反射鏡(反射成虛像系統(tǒng))。
[0037]具體地，投影儀(光投射系統(tǒng))+光成像系統(tǒng)(透鏡陣列)+曲面反射鏡(反射成虛像系統(tǒng))組成抬頭顯示器，抬頭顯示器作為為一個器件可單獨使用，光路經(jīng)由抬頭顯示器到達人眼。
[0038]光路:抬頭顯示器(投影儀(光投射系統(tǒng))——光成像系統(tǒng)(透鏡陣列)——曲面反射鏡(反射成虛像系統(tǒng))。
[0039]上述投影成像系統(tǒng)還可用家庭投影機，其光路結(jié)構(gòu)形式如下:
[0040]投影儀+光成像系統(tǒng)------曲面反射鏡人眼。
[0041]投影儀+光成像系統(tǒng)——玻璃人眼。
[0042]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種光成像系統(tǒng)，包括第一微凸透鏡陣列和第二微凸透鏡陣列，其特征在于，所述第一微凸透鏡、第二微凸透鏡相向間距設置或背向間距設置，各所述第一微凸透鏡、第二微凸透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)相同且焦距相等，所述第一微凸透鏡陣列中各所述第一微凸透鏡的光軸和所述第二微凸透鏡陣列中第二微凸透鏡的光軸一一對應并重合，第一微凸透鏡陣列和第二微凸透鏡陣列之間的距離為第一微凸透鏡、第二微凸透鏡的焦距的兩倍或同一單位量級。
2.如權(quán)利要求1所述的光成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第一微凸透鏡陣列和第二微凸透鏡陣列分設于第一基板和第二基板上相向的一面上。
3.如權(quán)利要求1所述的光成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第一微凸透鏡陣列和第二微凸透鏡陣列分設于同一基板的兩面上。
4.如權(quán)利要求3所述的光成像系統(tǒng)，其特征在于，所述基板的厚度為第一微凸透鏡、第二微凸透鏡的焦距的兩倍或同一單位量級。
5.如權(quán)利要求2所述的光成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第一基板、第二基板的表面鍍設有增透膜。
6.如權(quán)利要求3所述的光成像系統(tǒng)，其特征在于，所述基板的表面鍍設有增透膜。
7.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的光成像系統(tǒng)，其特征在于，所述第一微凸透鏡陣列、第二微凸透鏡陣列的微結(jié)構(gòu)單元呈正方形、長方形或六邊形。
8.一種投影成像系統(tǒng)，包括光投射系統(tǒng)和反射成虛像系統(tǒng)，其特征在于，還包括如權(quán)利要求I至7中任一項所述且用于將光投射系統(tǒng)中的光線折射至所述反射成虛像系統(tǒng)的光成像系統(tǒng)。
9.如權(quán)利要求8所述的投影成像系統(tǒng)，其特征在于，所述光投射系統(tǒng)為光源采用RGB三色激光二極管的微投影儀。
10.如權(quán)利要求8或9所述的投影成像系統(tǒng)，其特征在于，所述反射成虛像系統(tǒng)包括用于將圖像反射至眼睛的曲面反射鏡或反射鏡組合或反射鏡組合和擋風玻璃。
【文檔編號】G03B21/14GK203930303SQ201420282679
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】張佳, 康棟, 李關 申請人:深圳市矽韋氏科技有限公司