一种投影成像装置及投影成像系统的制作方法

1.本实用新型涉及超透镜应用技术领域，具体而言，涉及一种投影成像装置和投影成像系统。


背景技术：

2.数字光处理(digital light processing，dlp)是使用在背投电视和投影仪上的一项显像技术。其中，数字微镜装置(digital micromirrordevice，dmd)作为应用dlp技术的图像显示装置，成像系统一般由在半导体芯片上布置的一个微镜片矩阵组成，成像系统中的每一个微镜片负责控制投影画面中的一个像素。相关技术中dmd投影装置还包括用于会聚入射光至数字微镜装置的微透镜组件，但微透镜组件体积较大，重量较重，不利于整个dmd投影装置的小型化和轻量化。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本实用新型实施例提供一种投影成像装置和投影成像系统。
4.第一方面，本实用新型实施例提供了一种投影成像装置，包括：三原色光生成模块、准直超透镜、聚焦超透镜阵列、数字微镜阵列、全反射棱镜及成像系统；
5.聚焦超透镜阵列，包括：阵列排布的多个超透镜；
6.数字微镜阵列，包括：阵列排布的多个数字微镜单元；
7.三原色光生成模块产生的三原色光经过准直超透镜准直后，分别入射到聚焦超透镜阵列的多个超透镜中的各超透镜中；其中，三原色光，包括：红光、蓝光和绿光；
8.超透镜对入射的三原色光进行会聚，会聚后的三原色光经过全反射棱镜反射后，入射到多个数字微镜单元中与超透镜对应设置的数字微镜单元上；
9.三原色光被数字微镜单元反射后，透过全反射棱镜射入成像系统，其中，超透镜和准直超透镜都是消色差超透镜。
10.第二方面，本实用新型实施例还提供了一种投影成像系统，包括：上述第一方面所述的投影成像装置。
11.本实用新型上述第一方面和第二方面提供的方案中，投影成像装置中的用于成像的入射光为三原色光，三原色光经过消色差的准直超透镜准直后，分别入射到聚焦超透镜阵列的多个消色差的超透镜中的各超透镜中；超透镜对入射的三原色光进行会聚，会聚后的三原色光经过全反射棱镜反射后，入射到多个数字微镜单元中与超透镜对应设置的数字微镜单元上；三原色光被数字微镜单元反射后，透过全反射棱镜射入成像系统，与相关技术中成像系统使用微透镜会聚光线成像相比，由于超透镜具有轻，薄，简且易于量产的特点，使得采用超透镜的投影成像装置体积小、重量轻、结构简单且成本较低的优势；而且，本技术利用消色差的准直超透镜对入射的三原色光进行准直，准直后的三原色光再经包括多个消色差的超透镜的聚焦超透镜阵列聚焦后入射至多个数字微镜单元中与超透镜对应设置的数字微镜单元，并在数字微镜单元的反射下进行彩色图像成像，适用于dmd全彩色投影显
示。
12.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
13.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，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。
14.图1示出了本实用新型实施例所提供的一种投影成像装置结构示意图；
15.图2示出了本实用新型实施例中会聚光线在数字微镜阵列上的投影的示意图；
16.图3示出了本技术实施例所提供的超结构单元可选的排布图；
17.图4示出了本技术实施例所提供的超结构单元可选的纳米结构示意图。
18.图标：101、光源；102、会聚超透镜模块；103、色轮；20、准直超透镜；30、聚焦超透镜阵列；301、超透镜；40、数字微镜阵列；401、数字微镜单元；402、投影光斑；50、全反射棱镜；60、成像系统。
具体实施方式
19.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”、“顺时针”、“逆时针”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。
20.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一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
21.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，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。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。
22.目前，dlp产品中每一个dlp芯片组的核心都有一个dmd。 dmd由在半导体芯片上布置的一个微镜片矩阵组成，其中每一个微镜片负责控制投影画面中的一个像素。微镜片在数字驱动信号控制下可迅速改变角度，在倾斜+10度/+12度(开)，0度，-10度/-12度(关) 三种状态间转换。dmd数字微镜单元“开”状态反射出去的入射光通过投影镜片将影像投影到屏幕上；而“关”状态下反射的入射光被吸收而不能成像。
23.当前投影成像技术中，dmd投影装置还包括用于会聚入射光至数字微镜单元的微透镜组件，入射光经微透镜组件透射后，会聚到微镜片矩阵中的微镜片上，会聚后的入射光
再经微镜片矩阵中的微镜片反射入射到成像系统。该dmd投影装置中的微透镜组件和其他透镜组件体积较大，重量较重，不利用整个dmd投影设备的小型化和轻量化。
24.基于此，本实用新型实施例提出一种投影成像装置，包括：三原色光生成模块、准直超透镜、聚焦超透镜阵列、数字微镜阵列、全反射棱镜及成像系统；聚焦超透镜阵列，包括：阵列排布的多个超透镜；数字微镜阵列，包括：阵列排布的多个数字微镜单元；三原色光生成模块产生的三原色光经过准直超透镜准直后，分别入射到聚焦超透镜阵列的多个超透镜中的各超透镜中；其中，三原色光，包括：红光、蓝光和绿光；超透镜对入射的三原色光进行会聚，会聚后的三原色光经过全反射棱镜反射后，入射到多个数字微镜单元中与超透镜对应设置的数字微镜单元上；三原色光被数字微镜单元反射后，透过全反射棱镜射入成像系统，其中，超透镜和准直超透镜都是消色差超透镜。与相关技术中成像系统使用微透镜会聚光线成像相比，由于超透镜具有轻，薄，简且易于量产的特点，使得采用超透镜的投影成像装置体积小、重量轻、结构简单且成本较低的优势；而且，本技术利用消色差的准直超透镜对入射的三原色光进行准直，准直后的三原色光再经包括多个消色差的超透镜的聚焦超透镜阵列聚焦后入射至多个数字微镜单元中与超透镜对应设置的数字微镜单元，并在数字微镜单元的反射下进行彩色图像成像，适用于dmd全彩色投影显示。
25.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术做进一步详细的说明。
26.实施例
27.参见图1所示的本实用新型实施例所提供的投影成像装置结构示意图，一种投影成像装置包括：三原色光生成模块、准直超透镜20、聚焦超透镜阵列30、数字微镜阵列40、全反射棱镜50及成像系统60。
28.聚焦超透镜阵列30，包括：阵列排布的多个超透镜301。
29.数字微镜阵列40，包括：阵列排布的多个数字微镜单元401。
30.具体地，阵列排布的多个超透镜301与阵列排布的多个数字微镜单元401一一对应。聚焦超透镜阵列30和数字微镜阵40列均为方形排布，优选地，聚焦超透镜阵列30和数字微镜阵列40均为正方形排布。
31.聚焦超透镜阵列30的多个超透镜301为透射式超透镜，为缩小光束在数字微镜单元401上的投影面积，每个超透镜301均被配置为会聚光线。
32.准直超透镜20能够对入射的三原色光准直，使三原色光垂直入射至聚焦超透镜阵列30的多个超透镜301。
33.在一实施例中，聚焦超透镜阵列30中的超透镜301和准直超透镜都是消色差超透镜，能够对三种波长(蓝光、绿光、和红光)的光线的色差进行校正。
34.所述消色差超透镜的具体结构和具体的实现方式为现有技术，不在本实施例的讨论范围内。
35.其中，全反射棱镜50为横截面是直角三角形的棱镜，对入射光反射到对应的数字微镜单元401上，并对处于开状态的数字微镜单元401 反射的光线进行透射，使处于开状态的数字微镜单元401反射的光线入射到成像系统60。
36.具体地，投影成像装置的成像过程如下：三原色光生成模块产生的三原色光经过准直超透镜20准直后，分别入射到聚焦超透镜阵列 30的多个超透镜301中的各超透镜中；
其中，三原色光，包括：红光、蓝光和绿光；聚焦超透镜阵列30中的超透镜301对入射的三原色光进行会聚，会聚后的三原色光经过全反射棱镜50反射后，入射到与超透镜301对应设置的数字微镜单元401中，三原色光被数字微镜单元 401反射后，透过全反射棱镜50射入成像系统60。
37.在一个实施方式中，为实现投影成像装置的全彩成像，需要产生三原色光，三原色光生成模块包括光源101、会聚超透镜模块102和色轮103。会聚超透镜模块102为会聚超透镜或者为包括会聚超透镜的光学系统。会聚超透镜为消色差超透镜。
38.其中，光源101和会聚超透镜模块102之间的距离不做具体限制，可根据设计需求选择不同的距离，优选地，光源101和会聚超透镜模块102之间的距离小于会聚超透镜模块102的焦距；会聚超透镜模块 102和色轮103之间的距离为会聚超透镜模块102的焦距；色轮103 和准直超透镜20之间的距离为准直超透镜20的焦距。
39.在一个实施方式中，光源101采用白光光源。
40.其中，色轮103包括：三原色滤光片；其中，所述三原色滤光片，包括：红光滤光片、绿光滤光片及蓝光滤光片。
41.光源101发出的照明光(即白光光源发出的白光)，经会聚超透镜模块102聚焦后入射到旋转的三原色滤光片上，分时产生三原色光。
42.具有三原色滤光片的色轮103，可将入射的白光进行滤光，快速转动色轮，然后顺序分出红光、蓝光和绿光于指定的光路上，最后经由其它光机元件合成并投射出全彩影像。
43.其中，超透镜301，包括：基底和纳米结构。其中，纳米结构设置于基底的一侧，且纳米结构呈周期排列。超透镜301通过周期性排列的亚波长尺寸纳米结构对入射光的相位、幅度和偏振进行调制。
44.聚焦超透镜阵列30中的每个超透镜301对入射光有一定的会聚功能，每个超透镜301的相位均满足如下公式1：
[0045][0046]
其中，λ表示超透镜的工作波长，(x，y)表示纳米结构相对于基底中心的位置坐标，f表示超透镜的焦距。
[0047]
dmd的微镜片之间是有一定间隙的，由于微镜片的间隔排列，光入射至微镜片矩阵，会像光栅一样发生栅格衍射而产生杂散光，这会严重影响着投影成像装置的成像对比度。
[0048]
为了消除因为dmd的微镜片间隙形成的杂散光对投影成像装置成像的不利影响，相关技术中将准直后的面光源经过微透镜阵列整形后变成点光源入射到dmd上，缩小了dmd的入射光斑，从而使得 dmd无衍射。但是该系统中的微透镜阵列不会消色差，只适用于单色 dmd投影设备。
[0049]
为了在进行全彩色显示的同时，消除数字微镜单元间隔布置造成的杂散光，提高dmd投影设备的显示质量，在一实施例中，三原色光入射到数字微镜单元后形成投影光斑，限制投影光斑位于数字微镜单元内，从而防止三原色光入射到数字微镜单元401之间的间隙，形成反射式闪耀光斑而造成杂散光，影响成像质量。
[0050]
示例地，参见图2所示的本实施例中会聚光线在数字微镜阵列上的投影的示意图，
数字微镜阵列40为具有4
×
4数字微镜单元401的正方形阵列。每个数字微镜单元401为边长为d的正方形微镜片，相邻数字微镜单元401之间距离为a，数字微镜单元401上投影光斑402 的直径为h。如果投影光斑402被限制在每个数字微镜单元401表面之内，则可以有效降低因为数字微镜单元401之间的间隙形成的杂散光。阵列排布的多个超透镜301中位于第m行，第n列的超透镜的焦距满足如下公式2：
[0051][0052]
其中，f
m,n
表示位于第m行，第n列的超透镜的焦距，r
m,n
表示位于第m行，第n列的超透镜的直径，l
m,n
表示第m行，第n列的超透镜到多个数字微镜单元中与第m行，第n列超透镜对应设置的数字微镜单元的中心光程；h
m,n
表示被第m行，第n列的超透镜会聚后的三原色光在数字微镜单元上形成的投影光斑的直径。
[0053]
其中，所述中心光程是指三原色光从超透镜301的表面出射到全反射棱镜50反射面的距离与三原色光从全反射棱镜50反射面反射到数字微镜单元401表面的距离之和。
[0054]
由于投影光斑402被限制在每个数字微镜单元401表面内，每个数字微镜单元401的尺寸确定后，投影光斑402的直径范围也可被确定，根据上述公式2，则可确定位于第m行，第n列的超透镜的焦距以及第m行，第n列的超透镜到多个数字微镜单元中与第m行，第n 列超透镜对应设置的数字微镜单元的中心光程。
[0055]
由此，三原色光在各数字微镜单元上形成的投影光斑被限制在数字微镜单元内，消除了因为数字微镜单元之间的间隙造成的杂散光，提高了成像对比度，且成像更清晰。
[0056]
在一个实施方式中，为调节聚焦超透镜阵列30的超透镜301的焦距，聚焦超透镜阵列30中的每个超透镜301均被配置为可调超透镜。可采用电控、光控或者机械控制等方式，对可调超透镜的焦距进行改变，具体的实现方式是现有技术，这里不再一一赘述。
[0057]
在一个实施方式中，投影成像装置还包括：投影镜片(图中未示出)，投影镜片位于全反射棱镜50与成像系统60之间，用于将经全反射棱镜50透射的光束投射至成像系统60。为进一步降低整个投影成像装置的重量，投影镜片被配置为超表面。
[0058]
本技术实施例中的会聚超透镜模块、准直超透镜、聚焦超透镜阵列中的每个超透镜以及投影镜片均为超表面的应用。超表面包括超结构单元。超结构单元包括：基底和在基底上周期性排布的纳米结构。在一些情况下，基底的一侧设置有纳米结构。在一些情况下，基底的两侧都设置有纳米结构。
[0059]
超结构单元是一层亚波长的人工纳米结构膜，包括基底和纳米结构的超结构单元。超结构单元可根据基底上的纳米结构来调制入射的成像光线。其中纳米结构包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。
[0060]
可选地，纳米结构可以采用全介质结构单元，在可见光波段具有高透过率，可选的材料包括但不限于：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅。
[0061]
参见图3所示的超结构单元可选的排布图，超结构单元呈阵列排布，超结构单元为正六边形和/或正方形和/或扇形，每个超结构单元的中心位置，或者每个超结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构。该超结构单元以可密堆积图形的形式阵列排布，以使纳米结构位于所述可密堆积图形的中心和/或顶点。本技术实施例中，可密堆积图形指的是一种或多种可以无缝隙不重叠地填充整个平面的图形。可密堆积图形包括正六边
形、正四边形或扇形中的一种或多种。根据本技术的实施方式，超结构单元可以布置成扇形、正六边形或者正方形的阵列。优选地，超结构单元布置为正六边形。本领域技术人员应认识到，超结构单元还可以包括其他形式的阵列布置，所有这些变型方案均涵盖于本技术的范围内。
[0062]
可选地，超表面的工作波段为可见光波段(400nm-700nm)，或者其中至少一个波段(450nm-700nm)。
[0063]
参见图4所示的超结构单元可选的纳米结构示意图，可选地，纳米结构可为偏振相关的结构，如纳米鳍或纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射的成像光线施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏振无关结构，如纳米圆柱或纳米方柱等结构，此类结构对入射的成像光线施加一个传播相位。超结构单元的纳米结构包括纳米鳍、纳米椭圆柱、纳米圆柱或者纳米方柱结构中的一种或多种。
[0064]
优选地，纳米结构选用多种偏振不相关的纳米结构，通过不同结构类型和占空比来调节色散。可选地，纳米结构包括纳米柱结构、中空纳米柱结构、纳米孔结构、纳米环孔结构、纳米方柱结构、方纳米孔结构、纳米方环结构和纳米方环孔结构中的一种或多种。
[0065]
可选地，超表面还包括填充物，纳米结构之间的空隙由填充物填充，并且，填充物的材料对工作波段的消光系数小于0.01。可选地，填充物包括空气或在其他l光波段波段透明的材料。根据本技术的实施方式，填充物的材料的折射率与纳米结构的折射率之间的差值的绝对值应大于或等于0.5。
[0066]
可选地，基底的材料包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅和氢化非晶硅。可选地，当超透镜的工作波段为近红外波段时，基底的材质包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、非晶硅和晶体硅中的一种或多种。可选地，当超透镜的工作波段为可见光波段时，基底的材料包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石和碱性玻璃。可选地，当超透镜的工作波段为远红外波段时，基底的材料包括晶体硅、晶体锗、硫化锌和硒化锌中的一种或多种。
[0067]
在一实施例中，基底材料选用石英玻璃，纳米结构材料选用氮化硅时，可选地，纳米结构高度为1200nm，周期为400nm，最小线宽选用60nm。纳米结构选用纳米柱结构、中空纳米柱结构、纳米孔结构、纳米环孔结构、纳米方柱结构、方纳米孔结构、纳米方环结构和纳米方环孔结构中的一种或多种时，对应等效折射率区间δn
eff
＝0.65。等效折射率区间与超表面(例如超透镜)的最大口径之间满足下公式3：
[0068][0069]
其中，r
max
表示超表面的最大口径；δn
eff
为等效折射率区间，d为纳米结构的高度，f为超表面的焦距。
[0070]
本实施例公开了一种投影成像系统，该投影成像系统包括上述任一实施例所述的投影成像装置。
[0071]
综上所述，本实用新型实施提出一种投影成像装置及投影成像系统，包括：三原色光生成模块、准直超透镜、聚焦超透镜阵列、数字微镜阵列、全反射棱镜及成像系统；聚焦超透镜阵列，包括：阵列排布的多个超透镜；数字微镜阵列，包括：阵列排布的多个数字微镜单元；三原色光生成模块产生的三原色光经过准直超透镜准直后，分别入射到聚焦超透镜阵
列的多个超透镜中的各超透镜中；其中，三原色光，包括：红光、蓝光和绿光；超透镜对入射的三原色光进行会聚，会聚后的三原色光经过全反射棱镜反射后，入射到多个所述数字微镜单元中与所述超透镜对应设置的数字微镜单元上；三原色光被数字微镜单元反射后，透过全反射棱镜射入成像系统，其中，超透镜和准直超透镜都是消色差超透镜。与相关技术中成像系统使用微透镜会聚光线成像相比，由于超透镜具有轻，薄，简且易于量产的特点，使得采用超透镜的投影成像装置体积小、重量轻、结构简单且成本较低的优势；而且，本技术利用消色差的准直超透镜对入射的三原色光进行准直，准直后的三原色光再经包括多个消色差的超透镜的聚焦超透镜阵列聚焦后入射至多个数字微镜单元中与超透镜对应设置的数字微镜单元，并在数字微镜单元的反射下进行彩色图像成像，适用于dmd全彩色投影显示；此外，入射的三原色光入射到聚焦超透镜阵列的各超透镜上，经各超透镜会聚入射到与超透镜对应设置的各数字微镜单元中，三原色光在各数字微镜单元上形成的投影光斑被限制在数字微镜单元内，消除了因为数字微镜单元之间的间隙造成的杂散光，成像更清晰。
[0072]
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。