CN113608400B - 一种图案投影设备 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种图案投影设备。该图案投影设备包括：准直光源组件和双层微透镜阵列结构，准直光源组件配置为生成平行的入射光；双层微透镜阵列结构包括：微图案源和平行间隔设置的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列；第一微透镜阵列位于准直光源组件与第二微透镜阵列之间；微图案源与第一微透镜阵列相对设置；第一微透镜阵列和第二微透镜阵列均包括多个子透镜；微图案源包括多个微图案，微图案与第一微透镜阵列的子透镜和第二微透镜阵列的子透镜一一对应，每个微图案经各自对应的子透镜成像后重叠于同一指定位置。通过本方案可以减小现有图案投影设备的体积和改善所生成的投影图案的边沿不清晰的问题。

Description

一种图案投影设备
技术领域
本申请涉及图案显示技术领域，特别是涉及一种图案投影设备。
背景技术
随着数字技术的发展，当今社会已进入多媒体时代。在多媒体时代，图案投影已经被广泛应用于生活的方方面面。例如，图案投影不仅应用到日常汽车车距警示、汽车互动指示、影院指示、迎宾等指示引导场景，还常用于城市夜景布置等提升视觉体验的场景。
目前，现有图案投影设备通常采用传统透镜和图案遮挡片的方式实现图案的投影。但是，采用这种方式的图案投影设备存在体积大，且投影图案的边沿不清晰的问题。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种图案投影设备，以改善现有图案投影设备体积大和所生成的投影图案的边沿不清晰的问题。具体技术方案如下：
本申请实施例提供一种图案投影设备，包括：
准直光源组件，所述准直光源组件配置为生成平行的入射光；
双层微透镜阵列结构，所述双层微透镜阵列结构包括：微图案源和平行间隔设置的第一微透镜阵列和第二微透镜阵列；所述第一微透镜阵列位于所述准直光源组件与所述第二微透镜阵列之间；所述微图案源与所述第一微透镜阵列相对；
所述第一微透镜阵列和所述第二微透镜阵列均包括多个子透镜；所述微图案源包括多个微图案，所述微图案与所述第一微透镜阵列和所述第二微透镜阵列的子透镜一一对应，每个所述微图案经各自对应的子透镜成像后重叠于同一指定位置。
本申请实施例提供的方案中，采用双层微透镜阵列结构，其中，第一微透镜阵列对入射光进行汇聚，第二微透镜阵列对微透镜源上的微图案进行成像。准直光源组件产生的平行入射光的边沿光线对应第一微透镜阵列边沿的子透镜，其距离该边沿子透镜的光轴近，相比于传统单个大透镜***中光线离光轴远，光线成像时具有较大畸变和像差的缺陷，可以有效降低入射光成像时的畸变和像差；并且，通过设置包括多个微图案的微图案源，使微图案与第一微透镜阵列和第二微透镜阵列的子透镜一一对应并经子透镜成像后重叠于同一指定位置，可以使得经子透镜成像后的图案精确叠加。因此，综合上述两方面的作用，本申请能够有效改善现有投影设备所生成的投影图案的边沿不清晰的问题。此外，本申请实施例的子透镜对应的等效入射孔径仅为入射孔径的一小部分，等效入射孔径显著小于入射孔径。根据近轴光学***的相似三角形原理，微图案源与第二微透镜阵列与之间的距离较小，并且该距离随着子透镜的数量而进一步减小，因此，本申请图案投影设备具有整体长度尺寸短小的优点。
在本申请的一些实施例中，所述微图案源为静态微图案源或者动态微图案源。
在本申请的一些实施例中，所述子透镜为平凸、双凸或自由曲面微透镜；所述微图案源位于所述第一微透镜阵列靠近或远离所述准直光源组件的一侧。
在本申请的一些实施例中，所述子透镜的孔径形状为多边形或圆形。
在本申请的一些实施例中，多个多边形的所述子透镜按照蜂窝排列的方式排列。
在本申请的一些实施例中，所述第一微透镜阵列与所述第二微透镜阵列之间设有透光的填充物。
在本申请的一些实施例中，所述填充物为空气、石英层、SiO2层、有机PC层或PET层。
在本申请的一些实施例中，所述准直光源组件包括光源和准直整形模组；所述准直整形模组配置为将所述光源发出的光线准直为平行光，以及将所述平行光的通光孔径与所述第一微透镜阵列的通光孔径相匹配。
在本申请的一些实施例中，所述准直整形模组包括反光网、透镜和衍射光学元件中的至少一个。
在本申请的一些实施例中，所述光源为LED光源或激光光源。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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实施例。
图1是本申请实施例提供的一种图案投影设备的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的一种图案投影设备的局部光路示意图；
图3是现有的一种图案投影设备的局部光路示意图，
图4是本申请实施例提供的一种图案投影设备的局部光路及光强示意图；
图5是本申请实施例提供的一种双层微透镜阵列结构的示意图；
图6是图1图案投影设备中子透镜的第一种结构示意图；
图7是图1图案投影设备中子透镜的第二种结构示意图；
图8是图1图案投影设备中子透镜的第三种结构示意图；
图9是图1图案投影设备中微图案源的一种结构示意图。
图中各标号的说明如下：
01—图案遮挡片、02—传统透镜；
1—准直光源组件，11—光源、12—准直整形模组；
2—双层微透镜阵列结构；
21—微图案源，211—微图案；
22—第一微透镜阵列，23—第二微透镜阵列；
S—投影。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员基于本申请所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了解决现有图案投影设备体积大和所生成的投影图案的边沿不清晰的问题，本申请实施例提供一种图案投影设备。下面将结合附图对本申请提供的图案投影设备进行详细说明。
如图1所示，本申请实施例提供的一种图案投影设备，包括准直光源组件1和双层微透镜阵列结构2。所述准直光源组件1配置为生成平行的入射光。
所述双层微透镜阵列结构2包括：微图案源21和平行间隔设置的第一微透镜阵列22和第二微透镜阵列23；所述第一微透镜阵列22位于所述准直光源组件1与所述第二微透镜阵列23之间；所述微图案源21与所述第一微透镜阵列22相对设置；
所述第一微透镜阵列22包括多个子透镜，所述第二微透镜阵列23包括多个子透镜；所述微图案源21包括多个微图案211(参见图9)，所述微图案211与所述第一微透镜阵列22的子透镜和所述第二微透镜阵列23的子透镜一一对应，每个所述微图案211经各自对应的子透镜成像后重叠于同一指定位置。
其中，子透镜的通光孔径及透镜矢高均为微米级。本申请实施例中，准直光源组件1生成的入射光的光束大小与第一微透镜阵列22的通光孔经相匹配。如果入射光过大，入射光将无法得到有效利用，使得能量的利用率低；而如果较小，则导致第一微透镜阵列22的尺寸冗余，无法充分发挥图案投影设备体积小的效能。
可以理解的是，当投影的距离和投影成像的尺寸不同时，微图案211的尺寸和形状也不相同。在实际应用中，可以根据投影距离和投影尺寸，对微图案211的位置、形状和尺寸进行灵活调整，以保证每个微图案211所成图案严格重叠于同一指定位置。以图9所示的微图案211为例，参照图1和图9，图9中每一个微图案211经过与其对应的子透镜成像后，均在图1的指定位置形成投影S。图9中9个微图案211分别形成的投影S进行9次叠加，并重叠在同一指定位置。
本申请实施例提供的方案中，采用双层微透镜阵列结构2，其中，第一微透镜阵列22对入射光进行汇聚，第二微透镜阵列23对微透镜源上的微图案211进行成像。准直光源组件1产生的平行入射光的边沿光线对应第一微透镜阵列22边沿的子透镜，其距离该边沿子透镜的光轴近，相比于传统单个大透镜***中光线离光轴远，光线成像时具有较大畸变和像差的缺陷，可以有效降低入射光成像时的畸变和像差；并且，通过设置包括多个微图案211的微图案源21，使微图案211与第一微透镜阵列22的子透镜和第二微透镜阵列23的子透镜一一对应并经子透镜成像后重叠于同一指定位置，可以使得经子透镜成像后的图案精确叠加。因此，综合上述两方面的作用，本申请能够有效解决现有投影设备所生成的投影图案的边沿不清晰的问题。
此外，本申请实施例的第一微透镜阵列22与第二微透镜阵列23中，每个子透镜对应的等效入射孔径仅为入射孔径的一小部分，等效入射孔径显著小于入射孔径。根据近轴光学***的相似三角形原理，微图案源21与第二微透镜阵列23之间的距离较小，并且该距离随着子透镜数量的增多而进一步减小，因此，本申请图案投影设备具有整体长度尺寸短小的优点。
具体而言，以图2和图3为例，针对相同大小的入射孔径D，在如图3和图4所示设备的投影距离L0及投影S大小均一致，图3中第一微透镜阵列22的子透镜数量为3个的情况下，根据相似三角形原理，图3中S/L0＝D/3/L1，图4中S/L0＝D/L2；即L1＝D/3*L0/S，L2＝D*L0/S；可以得到L1＝L2/3，即L1明显小于L2。图3所示本申请提供的图案投影设备中，微图案源21与第二微透镜阵列23之间的距离L1，远小于图4所示现有设有传统透镜02和图案遮挡片01的图案投影设备中，图案遮挡片01和传统透镜02之间的距离L2。因此，采用本申请实施例提供的方案，可以显著降低现有图案投影设备的整体长度。
需要说明的是，通常情况下，入射光在入射截面具有非均匀的光强分布，并且在不同空间位置的光强也不同，因此现有仅通过传统透镜02和图案遮挡片01的图案投影设备在投影时存在投影图案光强不均匀的问题。而本申请实施例提供的图案投影设备中，第一微透镜阵列22和第二微透镜阵列23均包括多个子透镜，如图4所示，入射光的D1部分经过第一微透镜阵列22的最上方子透镜，汇聚在微透镜阵列2的最上方子透镜上，经第二微透镜阵列23的最上方子透镜成像投影成S；同理，入射光的D2部分经过第一微透镜阵列22和第二微透镜阵列23对应的子透镜后，成像投影成S；D3部分类似。即入射光不同空间位置的光经各自对应的第一微透镜阵列22的子透镜和第二微透镜阵列23的子透镜后均成像投影叠加成S，投影S上各个空间位置的光强均为入射光不同位置的光的叠加，光强差异较小，较为均匀；因此，具有匀光效果，对入射光的均匀度要求不高，投影图案光强较为均匀，有效解决了投影图案光强不均匀的问题。
在本申请的一些实施例中，所述微图案源21可以为静态微图案源或者动态微图案源。
其中，静态微图案源为微图案不随时间发生变化的微图案源。如图9所示，静态微图案源可以为微图案掩膜版。微图案掩膜版上的微图案211部分为透光区域，微图案源21上除微图案211之外的部分为不透光区域，该区域设置有不透光材料。
动态微图案源为微图案随时间发生变化的微图案源。动态微图案源可以为LCOS(Liquid Crystal On Silicon，硅上液晶或片上液晶)、LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)和DLP(DigitalLight Procession，数字光处理)等。在图案投影设备工作过程中，通过改变动态微图案源中不透光区域的状态，来产生不同形状的微图案。本申请提供的图案投影设备采用动态微图案源可以生成丰富多样，形态生动、鲜活的投影。
本申请的一些实施例中，所述子透镜可以为平凸、双凸或自由曲面微透镜；如图1和图5所示，所述微图案源21位于所述第一微透镜阵列22靠近或远离所述准直光源组件1的一侧。
在本申请的一些实施例中，如图6至图8所示，所述子透镜的孔径形状为多边形或圆形。
其中，如图6和图7所示，多边形可以为四边形、六边形等。与四边形的子透镜相比，孔径形状为六边形和圆形的子透镜具有能量利用率高的优点。
在本申请的一些实施例中，如图6至8所示，多个多边形的所述子透镜按照蜂窝排列的方式排列。
本申请实施例中，第一微透镜阵列22和第二微透镜阵列23采用蜂窝排列的方式，可以使微透镜排列紧密，从而具有较高的能量利用率。
在本申请的一些实施例中，所述第一微透镜阵列22与所述第二微透镜阵列23之间设有透光的填充物。
本申请实施例中，经第一微透镜阵列22后出射的光线通过填充物传输至第二微透镜阵列23。填充物可以选择不同折射率的物质。由于填充物具有不同的折射率，会使通过其的光线沿不同长短的光路传输。通过选择填充物的材料，可以方便的调整第一微透镜阵列22与第二微透镜阵列23之间的距离，方便设备的装配和后期维修。
在本申请的一些实施例中，所述填充物为空气、石英层、SiO2层、有机PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)层或PET(polyethylene glycol terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)层。
其中，当选用空气作为填充物时，填充物长度最短，第一微透镜阵列22与第二微透镜阵列23之间的距离最小。可见，选用空气作为填充物可以进一步缩短图案投影设备的整体长度尺寸。
在本申请的一些实施例中，如图1所示，所述准直光源组件1包括光源11和准直整形模组12；所述准直整形模组12配置为将所述光源11发出的光线准直为平行光，以及将所述平行光的通光孔径与所述第一微透镜阵列22的通光孔径相匹配。
在本申请的一些实施例中，所述准直整形模组12包括反光网、透镜和衍射光学元件中的至少一个。
其中，准直整形模组12用于将光源11发出的光线准直为平行光，其具体实现方式有多种。例如，采用LED作为光源11，配合一个透镜，将光源11放置在透镜的前焦点处，便可获得一个准直整形模组12，此时出射光即为准直光。其中，透镜可以采用非球面透镜。此外，准直整形模组12也可以采用由多个透镜组成的透镜组。
在本申请的一些实施例中，所述光源11为LED光源或激光光源。
LED光源和激光光源都是固态光源，相比于传统的灯泡光源，其衰减速度慢，具有寿命长的优点。而激光光源相比于LED光源，可以具有更高的准直性，可以降低准直整形模组12的复杂性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围内。

Claims (9)

1.一种图案投影设备，其特征在于，包括：
准直光源组件(1)，所述准直光源组件(1)配置为生成平行的入射光；
双层微透镜阵列结构(2)，所述双层微透镜阵列结构(2)包括：微图案源(21)和平行间隔设置的第一微透镜阵列(22)和第二微透镜阵列(23)；所述第一微透镜阵列(22)位于所述准直光源组件(1)与所述第二微透镜阵列(23)之间；所述微图案源(21)与所述第一微透镜阵列(22)相对设置；所述第一微透镜阵列(22)与所述第二微透镜阵列(23)之间设有透光的填充物，所述填充物为空气、石英层、SiO2层、有机PC层或PET层；
所述第一微透镜阵列(22)和所述第二微透镜阵列(23)均包括多个子透镜；所述微图案源(21)包括多个微图案(211)，所述微图案(211)与所述第一微透镜阵列(22)的子透镜和所述第二微透镜阵列(23)的子透镜一一对应，每个所述微图案(211)经各自对应的子透镜成像后重叠于同一指定位置；
所述微图案源(21)位于所述第一微透镜阵列(22)靠近所述准直光源组件(1)的一侧。
2.一种图案投影设备，其特征在于，包括：
准直光源组件(1)，所述准直光源组件(1)配置为生成平行的入射光；
双层微透镜阵列结构(2)，所述双层微透镜阵列结构(2)包括：微图案源(21)和平行间隔设置的第一微透镜阵列(22)和第二微透镜阵列(23)；所述第一微透镜阵列(22)位于所述准直光源组件(1)与所述第二微透镜阵列(23)之间；所述微图案源(21)与所述第一微透镜阵列(22)相对设置；所述第一微透镜阵列(22)与所述第二微透镜阵列(23)之间设有透光的填充物，所述填充物为空气、石英层、SiO2层、有机PC层或PET层；通过改变所述填充物的材料进而改变所述图案投影设备的整体长度尺寸；
所述第一微透镜阵列(22)和所述第二微透镜阵列(23)均包括多个子透镜；所述微图案源(21)包括多个微图案(211)，所述微图案(211)与所述第一微透镜阵列(22)的子透镜和所述第二微透镜阵列(23)的子透镜一一对应，每个所述微图案(211)经各自对应的子透镜成像后重叠于同一指定位置；
所述微图案源(21)位于所述第一微透镜阵列(22)远离所述准直光源组件(1)的一侧，且所述微图案源(21)贴紧所述第一微透镜阵列(22)设置。
3.根据权利要求1或2所述的图案投影设备，其特征在于，所述微图案源(21)为静态微图案源或者动态微图案源。
4.根据权利要求1或2所述的图案投影设备，其特征在于，所述子透镜为平凸、双凸或自由曲面微透镜。
5.根据权利要求1或2所述的图案投影设备，其特征在于，所述子透镜的孔径形状为多边形或圆形。
6.根据权利要求5所述的图案投影设备，其特征在于，多个多边形的所述子透镜按照蜂窝排列的方式排列。
7.根据权利要求1或2所述的图案投影设备，其特征在于，所述光源(11)为LED光源或激光光源。
8.根据权利要求1或2所述的图案投影设备，其特征在于，所述准直光源组件(1)包括光源(11)和准直整形模组(12)；所述准直整形模组(12)配置为将所述光源(11)发出的光线准直为平行光，以及将所述平行光的通光孔径与所述第一微透镜阵列(22)的通光孔径相匹配。
9.根据权利要求8所述的图案投影设备，其特征在于，所述准直整形模组(12)包括衍射光学元件。
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