光成像系统及具有该光成像系统的投影成像系统的制作方法
【专利摘要】本发明适用于光学设备【技术领域】，公开了一种光成像系统及具有该光成像系统的投影成像系统。光成像系统包括第一、第二微透镜阵列，透镜使用凸透镜形式，第一、二微透镜阵列相向间距设置或背向间距设置，各第一、二微凸透镜阵列的结构参数相同且焦距相等，第一、第二微凸透镜的光轴一一对应并重合，第一、第二微凸透镜阵列之间的距离为第一、第二微凸透镜的焦距的两倍或同一单位量级。投影成像系统包括光投射系统、反射成虚像系统和上述光成像系统。本发明提供的光成像系统及具有该光成像系统的投影成像系统，其可获得高亮度、高对比度、高清晰度、高分辨率的图像，避免了激光散斑效应，图像、字体边缘清晰，显像效果佳。
【专利说明】光成像系统及具有该光成像系统的投影成像系统
【技术领域】
[0001]本发明属于光学设备【技术领域】，尤其涉及一种光成像系统及具有该光成像系统的投影成像系统。
【背景技术】
[0002]目前，微型投影成像系统，其大多利用LED(发光二极管)作为光源，光利用率低下，不利于明亮场合使用。
[0003]激光单色性好，方向性强，亮度高。使用激光作为投影显示光源，具有色彩逼真，图像清晰，适用于大、小画面显示的优点，能得到高亮度图像。但是，现有技术中，在激光作为显示光源的成像系统中，一般所使用投影膜为投影系统的成像系统，这样必然会产生一些扩散，与激光散斑效应，导致图像亮度减弱与分辨率下降。对于小尺寸画面，激光的扩散与散斑对图像分辨率影响更为明显。针对使用微投影仪作为图像源系统的投影成像系统，必须有一个图像成像系统，接收微投影仪的投射光，形成对人眼可视的图像。投影膜一般可分为反射式、透射式两类；反射式用于正投，透射式用于背投；无论是前投还是背投，都是基于光的扩散原理，使带有图像信息的光源进入人眼。透射式投影膜:光源透过投影膜时，损失一部分光强度，有甚者高达40%，这就直接导致图像的亮度减弱，光的使用效率低。激光通过投影膜时，使得光发生许多折射、反射与散射的现象，达到光学扩散的效果。由于散光颗粒扩散的作用，会使光辐射面积增大，但是降低了单位面积的光强度，即减低光亮度。同时，激光照射到光学粗糙表面(即平均起伏大于波长数量级的表面)上时，由于表面上大量无规则分布面元所散射的子波相干叠加的结果，形成的反射光场具有随机的空间光强分布，呈现颗粒状的结构，即激光散斑效应，也导致图像的分辨率的降低，使图像、字体边缘模糊化，清晰度降低。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种光成像系统及具有该光成像系统的投影成像系统，其成像分辨率高、清晰度高，成像效果好。
[0005]本发明的技术方案是:一种光成像系统，包括第一微凸透镜阵列和第二微凸透镜阵列，所述第一微凸透镜阵列、第二微凸透镜阵列相向间距设置或背向间距设置，各所述第一微凸透镜阵列、第二微凸透镜阵列微单元透镜结构参数相同且焦距相等，所述第一微凸透镜阵列中各所述微凸透镜的光轴和所述第二微凸透镜阵列中微凸透镜的光轴一一对应并重合，第一微凸透镜阵列和第二微凸透镜阵列之间的距离为微凸透镜阵列的焦距的两倍或同一单位量级。
[0006]可选地，所述第一微凸透镜阵列和第二微凸透镜阵列分设于第一基板和第二基板上相向的一面上。
[0007]可选地，所述第一微凸透镜阵列和第二微凸透镜阵列分设于同一基板的两面上。
[0008]可选地，所述基板的厚度为第一微凸透镜阵列或第二微凸透镜阵列的焦距的两倍或同一单位量级。
[0009]可选地，所述第一基板、第二基板的表面镀设有增透膜。
[0010]可选地，所述基板的表面镀设有增透膜。
[0011]可选地，所述第一微凸透镜阵列、第二微凸透镜阵列的微结构单元呈正方形、长方形或六边形。
[0012]本发明还提供了一种投影成像系统，包括光投射系统和反射成虚像系统，还包括上述的且用于将光投射系统中的光线折射至所述反射成虚像系统的光成像系统。
[0013]可选地，所述光投射系统为光源采用RGB三色激光二极管的微投影仪。
[0014]可选地，所述反射成虚像系统包括用于将图像反射至眼睛的曲面反射镜或反射镜组合或反射镜组合和挡风玻璃。
[0015]本发明提供了的光成像系统及具有该光成像系统的投影成像系统，其第一微凸透镜阵列和第二微凸透镜阵列不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能。光通过第一微凸透镜阵列和第二微凸透镜阵列后，光得到一定的扩散，这就保证了人眼可接收观察到图像。但是其扩散角可控、不像普通的扩散膜的无规则扩散、扩散角不可控。通过第一微凸透镜阵列和第二微凸透镜阵列，可知当光斑的发散角光斑更加集中，从而获得高亮度、高对比度、高清晰度的图像，为下一步的光学系统(反射系统、反射成虚像系统)提供良好的图像源，图像的分辨率高、避免了激光散斑效应，图像、字体边缘清晰，显像效果佳。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1是本发明实施例提供的光成像系统的平面示意图；
[0018]图2是本发明实施例提供的光成像系统的部分光路示意图；
[0019]图3是本发明实施例提供的光成像系统的部分光路示意图；
[0020]图4是本发明实施例提供的光成像系统的平面示意图；
[0021]图5是本发明实施例提供的光成像系统中第一微凸透镜阵列的局部平面示意图；
[0022]图6是本发明实施例提供的另一光成像系统的平面示意图。
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0024]需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
[0025]还需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
[0026]如图1?图4所示，本发明实施例提供的一种光成像系统，可以用于投影仪、平视显示仪器等设备中。上述光成像系统包括第一微凸透镜阵列I和第二微凸透镜阵列2，所述第一微凸透镜阵列1、第二微凸透镜阵列2相向间距(如图1所示)设置或背向间距(如图6所示)设置，各所述第一微凸透镜阵列I中的第一微凸透镜11、第二微凸透镜阵列I中第二微凸透镜21的结构参数相同且焦距相等，所述第一微凸透镜阵列I中各所述第一微凸透镜11的光轴和所述第二微凸透镜阵列2中第二微凸透镜21的光轴一一对应并重合，第一微凸透镜11、第二微凸透镜21的光轴重合，第一微凸透镜11、第二微凸透镜21的参数、结构可以相同，第一微凸透镜11、第二微凸透镜21可相对或背对。当实际使用时，入射光倾斜于平行光轴，存在较小夹角时，当这些光线通过第一微凸透镜阵列I后，光束会聚点偏离焦点，当照射到第二微凸透镜阵列2时，光线发散，或会聚。发散会聚的角度可由两组透镜(即第一微凸透镜11、第二微凸透镜21)的焦距决定。并且相对于漫散射，光散射角度小，会使光辐射面积减小，但是在可视方向上，增加了单位面积的光强度，即提高了光亮度。通过第一微凸透镜阵列I和第二微凸透镜阵列2后，光得到一定的扩散，这就保证了人眼可接收观察到图像。但是其扩散角可控、不像普通的扩散膜的无规则扩散、扩散角不可控。通过第一微凸透镜阵列I和第二微凸透镜阵列2，可知当光斑的发散角光斑更加集中，亮度更高。扩散角与每个第一微凸透镜11、第二微凸透镜21的尺寸与其之间的距离相关。第一微凸透镜阵列I和第二微凸透镜阵列2之间的距离为第一微凸透镜11、第二微凸透镜21的焦距的两倍或同一单位量级，以确保微透镜(第一微凸透镜11、第二微凸透镜12)的对光路的收敛效果。根据以上所述的光学原理，光斑束有一定的大小尺寸。经过透镜的光偏转后，在焦距范围内会聚，过了焦距点后光束会发散，不能保证光斑束基本作用于对应的一对微透镜内。第一微凸透镜阵列I和第二微凸透镜阵列2之间的距离为第一微凸透镜11、第二微凸透镜21的焦距的两倍或同一单位量级时，以确保微透镜(第一微凸透镜11、第二微凸透镜21)的对光路的收敛效果，能达到增强亮度与提高分辨率的效果，如上所述，发散会聚的角度可由两透镜的焦距决定。为保证光斑束基本作用于对应的一对第一微凸透镜11、第二微凸透镜21内。第一微凸透镜阵列I和第二微凸透镜阵列2，其微单元的结构参数与激光光斑的单位可采用同一量级设计。
[0027]如图1?图4所示，本发明所提供的光成像系统，采用微凸透镜阵列(即第一微凸透镜阵列I和第二微凸透镜阵列2)替代普通的投影膜，微凸透镜阵列不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学系统。当实际使用时，光射光倾斜于平行光轴，存在较小夹角时，当这些光线通过第一微凸透镜阵列I后，光束会聚点偏离焦点，当照射到第二微凸透镜阵列2时，光线发散，或会聚。发散、会聚的角度可由两透镜的焦距决定。并且相对于漫散射来，光散射角度小，会使光辐射面积减小，在可视方向上，但是增加了单位面积的光强度，即提高了光亮度。第二微凸透镜阵列2有一定的校正作用。第二微凸透镜阵列2消除了第一微凸透镜阵列I产生的衍射光斑，从而获得高亮度、高对比度、高清晰度的图像，为下一步的光学系统(反射系统、反射成虚像系统)提供良好的图像源，图像的分辨率高、避免了激光散斑效应，图像、字体边缘清晰，显像效果佳。
[0028]具体地，如图1?图4所示，所述第一微凸透镜阵列I和第二微凸透镜阵列2分设于第一基板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平行相距设置。第一基板12和第二基板22未设置有第一微凸透镜阵列I和第二微凸透镜阵列2的另一面可为平面。具体应用中，所述第一基板12、第二基板22的表面镀设有增透膜，以减少反射光的强度，增加光的透过率，消除反射光对其产生不良影响，从而增加透射光的强度，使光学系统成像更清晰。第一基板12和第二基板22可为透明的玻璃或有机玻璃等。
[0029]或者，作为替代方案，如图6所示，所述第一微凸透镜阵列I和第二微凸透镜阵列2也可以分设于同一基板3的两面上，其结构更紧凑。具体地，所述基板3的厚度为第一微凸透镜11、第二微凸透镜21的焦距的两倍或为同一单位量级，以提高显像效果。具体地，所述基板3的表面镀设有增透膜，以减少反射光的强度，从而增加透射光的强度，使光学系统成像更清晰。基板可为透明的玻璃或有机玻璃等。
[0030]具体应用中，所述第一微凸透镜阵列1、第二微凸透镜阵列2的微结构单位呈正方形、长方形或六边形等合适形状。如图5所示，本实施例中，所述第一微凸透镜11、第二微凸透镜21的微结构单元呈正六边形。假设，在这里激光到达成像系统激光光斑为6微米，那么所述第一微凸透镜11、第二微凸透镜21六边形的外接圆的直径也在6微米左右，即同一单位量级，当然参数可小范围调整。
[0031]本发明还提供了一种投影成像系统，包括光投射系统和反射成虚像系统，还包括上述的光成像系统，上述光成像系统用于将光投射系统中的光线折射至所述反射成虚像系统。
[0032]具体地，所述光投射系统可为光源采用RGB三色激光二极管的微投影仪等。光投射系统可为指微投影仪，包括但不限于DLP、LCOS投影仪等。
[0033]具体地，所述反射成虚像系统包括用于将图像反射至眼睛的曲面反射镜或反射镜组合或反射镜组合和挡风玻璃等。曲面镜作用:在成像系统上形成的图像，经过曲面镜的反射，到达人眼，在镜子后形成虚像。同时，曲面镜还有放大图像与拉长成像距离的作用，使得成像效果更炫，以满足不同的使用需求。
[0034]同时地，在(有机玻璃或玻璃)基板的两面镀增透膜，为了增加光的透过率，消除反射光对其产生不良影响。
[0035]当实际使用时，入射光倾斜于平行光轴，存在较小夹角时，当这些光线通过第一微凸透镜阵列I后，光束会聚点偏离焦点，当照射到第二微凸透镜阵列2时，光线发散，或会聚。发散、会聚的角度可由两透镜(第一微凸透镜11、第二微凸透镜21)的焦距决定。并且相对于漫散射，光散射角度小，会使光辐射面积减小，但是在可视方向上，增加了单位面积的光强度，即提高了光亮度。通过第一微凸透镜阵列I和第二微凸透镜阵列2后，光得到一定的扩散，这就保证了人眼可接收观察到图像。但是，其扩散角可控、不像普通的扩散膜的无规则扩散、扩散角不可控。通过第一微凸透镜阵列I和第二微凸透镜阵列2，可知当光斑的发散角光斑更加集中，亮度更高。经过透镜的光偏转后，在焦距范围内会聚，过了焦距点后光束会发散，不能保证光斑束基本作用于对应的一对微透镜内。距离需有一个限制。若如不此，对光斑没有收敛作用，不能达到增强亮度与提高分辨率的效果。扩散角与每个第一微凸透镜11和第二微凸透镜21的尺寸与每对第一微凸透镜11和第二微凸透镜21的距离相关，通过使第一微凸透镜阵列I和第二微凸透镜阵列2之间的距离为第一微凸透镜11、第二微凸透镜21的焦距的两倍，或者，将第一微凸透镜阵列I和第二微凸透镜阵列2之间的距离设置为同一单位量级，以确保微透镜(第一微凸透镜11、第二微凸透镜21)的对光路的收敛效果，能达到增强亮度与提高分辨率的效果，显像效果佳。
[0036]上述投影成像系统可用作抬头显示器:投影仪(光投射系统)+光成像系统(透镜阵列)+曲面反射镜(反射成虚像系统)。
[0037]具体地，投影仪(光投射系统)+光成像系统(透镜阵列)+曲面反射镜(反射成虚像系统)组成抬头显示器，抬头显示器作为为一个器件可单独使用，光路经由抬头显示器到达人眼。
[0038]光路:抬头显示器(投影仪(光投射系统)——光成像系统(透镜阵列)——曲面反射镜(反射成虚像系统)。
[0039]上述投影成像系统还可用家庭投影机，其光路结构形式如下: [0040]投影仪+光成像系统------曲面反射镜人眼。
[0041]投影仪+光成像系统——玻璃人眼。
[0042]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种光成像系统，包括第一微凸透镜阵列和第二微凸透镜阵列，其特征在于，所述第一微凸透镜、第二微凸透镜相向间距设置或背向间距设置，各所述第一微凸透镜、第二微凸透镜的结构参数相同且焦距相等，所述第一微凸透镜阵列中各所述第一微凸透镜的光轴和所述第二微凸透镜阵列中第二微凸透镜的光轴一一对应并重合，第一微凸透镜阵列和第二微凸透镜阵列之间的距离为第一微凸透镜、第二微凸透镜的焦距的两倍或同一单位量级。
2.如权利要求1所述的光成像系统，其特征在于，所述第一微凸透镜阵列和第二微凸透镜阵列分设于第一基板和第二基板上相向的一面上。
3.如权利要求1所述的光成像系统，其特征在于，所述第一微凸透镜阵列和第二微凸透镜阵列分设于同一基板的两面上。
4.如权利要求3所述的光成像系统，其特征在于，所述基板的厚度为第一微凸透镜、第二微凸透镜的焦距的两倍或同一单位量级。
5.如权利要求2所述的光成像系统，其特征在于，所述第一基板、第二基板的表面镀设有增透膜。
6.如权利要求3所述的光成像系统，其特征在于，所述基板的表面镀设有增透膜。
7.如权利要求1至5中任一项所述的光成像系统，其特征在于，所述第一微凸透镜阵列、第二微凸透镜阵列的微结构单元呈正方形、长方形或六边形。
8.一种投影成像系统，包括光投射系统和反射成虚像系统，其特征在于，还包括如权利要求I至7中任一项所述且用于将光投射系统中的光线折射至所述反射成虚像系统的光成像系统。
9.如权利要求8所述的投影成像系统，其特征在于，所述光投射系统为光源采用RGB三色激光二极管的微投影仪。
10.如权利要求8或9所述的投影成像系统，其特征在于，所述反射成虚像系统包括用于将图像反射至眼睛的曲面反射镜或反射镜组合或反射镜组合和挡风玻璃。
【文档编号】G03B21/14GK103995420SQ201410235485
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】张佳, 康栋, 李关 申请人:深圳市矽韦氏科技有限公司