一种消除微透镜阵列旁瓣的照明系统及其设计方法与流程

1.本发明属于微透镜列投影的技术领域，具体涉及一种消除微透镜阵列旁瓣的照明系统及其设计方法。

背景技术：

2.投影系统一般包含照明单元及成像单元两部分，传统的投影系统是单通道成像，因此配套的照明单元一般满足只需要满足常规的照明条件即可，即采用科勒照明或者临界照明方式。常规投影系统照明方式存在均匀性差,像面照度低等缺点。
3.随着mla技术的推广，高亮度及高均匀性的微投影系统对照明系统又提出不同要求，该微投影系统采用常规的设计及优化方式，在mla微透镜投影中会产生杂光、旁瓣等信号串扰等问题，导致照明系统均匀度和亮度不能达到最佳，针对该mla特点，需要采用新的设计方法，实现mla微透镜阵列投影系统照明单元的设计。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述不足，提供一种消除微透镜阵列旁瓣的照明系统及其设计方法，该系统可消除微透镜阵列旁瓣，均匀度高，亮度好，准直镜头光线输出角度固定。
5.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种消除微透镜阵列旁瓣的照明系统，包括准直镜头，准直镜头一侧为led芯片，准直镜头另一侧依次设置光阑、mla光束整形阵列和接收屏。
7.准直镜头中间为折射型透镜，两侧面型均为非球面。
8.光阑中间开设圆形通孔。
9.准直镜头、mla光束整形阵列和接收屏同轴设置。
10.准直镜头可更换为微透镜阵列形式或者tir透镜。
11.mla光束整形阵列包括整形阵列面，整形阵列面固定设置在基底玻璃一侧，基底玻璃另一侧设置投影阵列面，整形阵列面位于光阑与基底玻璃之间。
12.整形阵列面与准直镜头有间隙。
13.整形阵列面为阵列非球面组成，投影阵列面与整形阵列面面型一致。
14.一种消除微透镜阵列旁瓣的照明系统的设计方法，包括以下步骤：
15.s1.获取mla光束整形阵列设计入射角度；
16.s2.利用zemax优化操作数优化准直镜头的面型参数，控制led芯片发光面不同区域的光线经过准直镜头后的光线的准直角度≤mla光束整形阵列设计入射角度；
17.s3.利用lighttools软件路径分析功能验证阵列透镜光线串扰，统计成像后的照明系统利用率、系统投影结果杂光和像面照度的结果，执行s4；
18.s4.若照明系统利用率≥90％、系统投影结果杂光≤5％且像面照度≥9000lx，输出准直镜头的结构参数，否则执行s2。
19.s1中获取mla光束整形阵列入射角度具体为：
[0020][0021][0022]
由公式1得mla光束整形阵列入射角度：
[0023]
i＝arcsin(n’’
sin i’)公式3
[0024]
其中，i为mla光束整形阵列入射角度，i’为mla光束整形阵列出射光线角度，n为物方折射率，n’’
为像方折射率，h为入射光线在子通道lens表面入射高度，为mla光束整形阵2子通道lens镜头的光焦度，r为整形阵列面或投影阵列面的通光区域半径，l为基底玻璃的厚度。
[0025]
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果如下：
[0026]
本发明的照明系统包括准直镜头，准直镜头一侧为led芯片，准直镜头另一侧依次设置mla光束整形阵列和接收屏，照明系统在原有mla光束整形阵列的基础上增设直镜头可有效消除微透镜阵列旁瓣，提升目标图案的均匀度和亮度，对于不同的mla光束整形阵列和led芯片可通过修改准直镜头相应参数即可完成对旁瓣图案的消除，消除旁瓣图案后的目标图案在接收屏上的输出位置固定。
[0027]
进一步的，准直镜头和mla光束整形阵列之间设置光阑，光阑中间开设圆形通孔，使led芯片偏角过大的光线无法通过，进一步避免了旁瓣图案的产生。
[0028]
进一步的，准直镜头可更换为微透镜阵列形式或者tir透镜，该设计理论，可应用于不同规格光源、不同准直透镜形式的优化设计，实用性强。
[0029]
本发明的方法，依据mla光束整形阵列设计入射角度，利用zemax优化操作数优化准直镜头的面型参数，控制led芯片发光面不同区域的光线经过准直镜头后的的准直角度≤mla光束整形阵列设计入射角度，然后再利用lighttools软件路径分析功能验证阵列透镜光线串扰，统计成像后的照明系统利用率、系统投影结果杂光和像面照度的结果，若照明单元利用率≥90％、系统投影结果杂光≤5％且像面照度≥9000lx，则符合成像要求，所得准直镜头操作数即为准确设计数据，设计完成，若不满足要求则需要利用zemax继续优化准直镜头的操作数。整个优化验证过程无需人为操作，设计结果准确可靠。
附图说明
[0030]
图1为本发明微透镜投影系统结构及光路示意图；
[0031]
图2为微透镜阵列不同入射角度光线投影示意图；
[0032]
图3为微透镜阵列不同路径光线投影效果图；
[0033]
图4为本发明复眼照明系统光路示意图；
[0034]
图5为为本发明led芯片经准直透镜后角度优化示意图；
[0035]
图6为本发明mla系统添加光阑滤除掉120
°
以上的大角度杂光示意图；
[0036]
图7-1为本发明led芯片中心视场的不同孔径光线优化仿真结果；
[0037]
图7-2为本发明led芯片最大视场的不同孔径光线优化仿真结效果；
[0038]
图8为本发明实际投影结果图。
[0039]
其中，1-准直镜头；2-mla光束整形阵列；3-整形阵列面；4-基底玻璃；5-投影阵列面；6-接收屏；7-光阑；8-led芯片。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0041]
如图1所示，一种消除微透镜阵列旁瓣的照明系统，包括准直镜头1，准直镜头1一侧为led芯片8，准直镜头1另一侧依次设置光阑7、mla光束整形阵列2和接收屏6。
[0042]
优选的，本发明的照明系统包括准直镜头1，准直镜头1一侧为led芯片8，准直镜头1另一侧依次设置光阑7、mla光束整形阵列2和接收屏6，led芯片8的光线经过准直镜头1以一定角度进入mla光束整形阵列2，最终只呈现一个像，即目标图案。照明系统在原有mla光束整形阵列2的基础上增设直镜头1可有效消除微透镜阵列旁瓣，提升目标图案的均匀度和亮度，对于不同的mla光束整形阵列2和led芯片8可通过修改准直镜头1的相应参数即可完成对旁瓣图案的消除，消除旁瓣图案后的目标图案在接收屏6上的输出位置固定。
[0043]
进一步的，图2为微透镜阵列不同入射角度光线投影结构示意图，led芯片不同区域光线经过准直镜头1出射的角度满足设计要求时，为正常路径光线，最终投影成像在目标区域；当出射角度大于设计要求时，为异常路径，会产生旁瓣投影结果，图3即为异常路径产生旁瓣投影结果图。
[0044]
进一步的，图4为微透镜阵列投影系统复眼照明光路示意图，该照明方式进一步提高led光源的光线进入照明系统光锥中的均匀性；二是进一步的收缩入射到mla光束整形阵列的入射角度，避免旁瓣图案产生，最终成像只有目标图案，如图8所示。
[0045]
准直镜头1中间为折射型透镜，两侧面型均为非球面。
[0046]
优选的，光阑7中间开设圆形通孔。光阑7的通光口径大小取决于光阑7距离准直镜头1的距离和准直镜头1最大孔径边缘光线的出射角度。
[0047]
准直镜头1、mla光束整形阵列2和接收屏6同轴设置。
[0048]
准直镜头1可更换为微透镜阵列形式或者tir透镜。
[0049]
mla光束整形阵列2包括整形阵列面3，整形阵列面3固定设置在基底玻璃4一侧，基底玻璃4另一侧设置投影阵列面5，整形阵列面3位于光阑7与基底玻璃4之间。
[0050]
整形阵列面3与准直镜头1有间隙。
[0051]
优选的，整形阵列面3为阵列非球面组成，投影阵列面5与整形阵列面3面型一致。整形阵列面为阵列的非球面透镜，该阵列透镜在系统中作用两个：一是均匀led光源进入照明系统光锥中均匀性；二是进一步的收缩入射到mla光束整形阵列的入射角度。
[0052]
一种消除微透镜阵列旁瓣的照明系统的设计方法，包括以下步骤：
[0053]
s1.获取mla光束整形阵列2设计入射角度，具体为：
[0054][0055][0056]
由公式1得mla光束整形阵列2入射角度：
[0057]
i＝arcsin(n’’
sin i’)公式3
[0058]
其中，u为mla光束整形阵列2入射角度，i’为mla光束整形阵列2出射光线角度，n为物方折射率，n’’
为像方折射率，h为入射光线在子通道lens表面入射高度，为mla光束整形阵2子通道lens镜头的光焦度，r为整形阵列面3或投影阵列面5的通光区域半径，l为基底玻璃4的厚度，如图5所示；
[0059]
s2.利用zemax优化操作数和准直镜头1的面型参数，控制led芯片8发光面不同区域的光线经过准直镜头1后的光线的准直角度≤mla光束整形阵列2设计入射角度；
[0060]
s3.利用lighttools软件路径分析功能验证阵列透镜光线串扰，统计成像后的照明系统利用率、系统投影结果杂光和像面照度的结果，执行s4；
[0061]
s4.若照明系统利用率≥90％、系统投影结果杂光≤5％且像面照度≥9000lx，输出准直镜头1的结构参数，否则执行s2。
[0062]
优选的，led芯片8具有一定的尺寸，芯片不同区域的光线，经过准直透镜1后，入射到整形阵列面3上会产生不同的入射角，对应光线经过基底玻璃4后，入射到投影阵列面5上，此时，入射角度不同会在投影阵列面5上产生2种状态，一种是入射角度小，满足mla光束整形阵列2的入射角度范围，经过整形阵列面3的偏折，会入射到与之对应的投影阵列面5上，该方式称为正常路径；另一种是入射角度大，不满足mla光束整形阵列2的入射角度范围，经过整形阵列面3偏折后，光线入射投影阵列面5上临近的透镜上，该方式称为异常路径，该路径投影像面上会产生旁瓣图案，如图2和图3所示。
[0063]
针对上述旁瓣图案问题，本发明设计的照明系统需要满足条件：照明单元出射角度≤mla光束整形阵列2的设计入射角度和照明单元利用率≥90％。采用zemax和lighttools软件结合方法进行照明系统优化及结果验证。利用zemax中优化操作数，控制led芯片8发光面不同区域的光线的准直角度。利用lighttools软件路径分析功能验证阵列透镜光线串扰，统计照明系统利用率、系统投影结果杂光、像面照度的结果。
[0064]
该发明专利采用复眼照明方式,常规单通道投影照明单元采用科勒照明,该方式对比临界照明均匀性有了很大提高。科勒照明中，实际光源进入照明系统的光锥中的光分布无法十分均匀，因此科勒照明投影像面均匀性受限于光源进入照明系统光锥中均匀性。
[0065]
下面结合实施例具体说明：
[0066]
优选的，在mla光束整形阵列2投影中，整形阵列面3与准直透镜1组成复眼照明系统，整形阵列面3将经过准直镜头1后的大光锥再次分割成许多小光锥，每个小光锥经过对应投影阵列面5投影到接收屏6上，由于每个子通道，均能覆盖整个像面，像面均匀性进一步提高。该照明方式的均匀性比普通的科勒照明更好，整形阵列面3口径越小，像面均匀性越好，如图4所示。
[0067]
在该系统中，整形阵列面3作用有两个：一方面是与准直透镜1组成复眼照明，达到匀光效果；另一方面，调整及控制进入mla光束整形阵列2的入射角度。当光源经过准直透镜1准直后，入射角为i，整形阵列面3的焦距为入射光线在子通道lens表面入射高度为h,由公式可知，当入射角度一定时，经过投影阵列面5后的角度i’角度会被压缩，避免异常路径光线现象。
[0068][0069]
该系统的准直透镜1的设计中，通过利用zemax优化功能，控制发光芯片不同视场、
不同孔径光线的角度大小，从而使进入mla光束整形阵列2的光线满足mla光束整形阵列2的角度和孔径参数要求；在微透镜阵列系统中，整形阵列面3与投影阵列面5面型一致，整形阵列面3需要满足投影的像差要求，该系统中基板玻璃为l＝5mm，折射率为n’＝1.523，从图一分析可知，旁瓣产生最大概率由led芯片8边界区域发出的光纤所形成的，整形阵列面3与投影阵列面5孔径为0.8mm，经过整形阵列面3与投影阵列面5形成串扰的角度
[0070][0071]
由公式1反推入射角度i＝arcsin(n’’
sin i’)＝6.86
°
公式3
[0072]
即led芯片8经过准直透镜1准直后，边缘出射角度＜6.8度，见图5。
[0073]
优选的，如图6所示，由led芯片8、准直透镜1和mla光束整形阵列2组成复眼照明系统。整形阵列面3与投影阵列面5面型一致，准直镜头1准直角度取决于整形阵列面3光学参数及基底玻璃4光学参数。该led芯片8的尺寸为1.1*1.1mm，发射角度α＝120度，光源利用率＞90％，复眼照明的均匀性＞80％。led芯片8的发光角度一般定义为半功率角，为了避免大角度入射引起旁瓣，系统在整形阵列面3前加光阑7，去除掉大于120度大角度光线。光阑7的通光口径大大小取决于光阑7距离准直镜头1的距离和准直镜头1最大孔径边缘光线的出射角度。
[0074]
如图7-1和图7-2所示，为led芯片8不同视场，不同孔径的光线经过准直透镜1后优化仿真的光路示意图，后续按照公式3利用zemax进行角度优化。
[0075]
如表1所示为zemx控制led芯片8不同视场、不同孔径光线经过准直镜头1后的出射角度优化函数表。
[0076]
表1、本发明照明系统出射角度优化函数表：
[0077][0078]
如图8所示为led芯片8发出的光线经过准直镜头1和mla光束整形阵列2的出射角度满足理论计算要求时的成像图案。
[0079]
如表2所示为led芯片8发出的光线经过准直镜头1和mla光束整形阵列2的出射角度满足理论计算要求时的准直镜头1的面型参数。
[0080]
表2、本发明准直透镜面型参数表：
[0081] sur：typeradiusthicknessglassconic4th order term6th order term8th order term10th order termobj
ꢀꢀ
1.4662
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
1even asphere21.7798.0207pmma-13.75-6.0700e-05-5.0290e-06-5.046e-07 2even asphere-3.8943
ꢀ‑
0.572-1.6670e-03-5.9370e-07-0.00000013-3.092e-10
[0082]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种消除微透镜阵列旁瓣的照明系统，其特征在于，包括准直镜头(1)，准直镜头(1)一侧为led芯片(8)，准直镜头(1)另一侧依次设置光阑(7)、mla光束整形阵列(2)和接收屏(6)。2.如权利要求1所述的一种消除微透镜阵列旁瓣的照明系统，其特征在于，所述准直镜头(1)中间为折射型透镜，两侧面型均为非球面。3.如权利要求1所述的一种消除微透镜阵列旁瓣的照明系统，其特征在于，所述光阑(7)中间开设圆形通孔。4.如权利要求1所述的一种消除微透镜阵列旁瓣的照明系统，其特征在于，所述准直镜头(1)、mla光束整形阵列(2)和接收屏(6)同轴设置。5.如权利要求4所述的一种消除微透镜阵列旁瓣的照明系统，其特征在于，所述准直镜头(1)可更换为微透镜阵列形式或者tir透镜。6.如权利要求4所述的一种消除微透镜阵列旁瓣的照明系统，其特征在于，所述mla光束整形阵列(2)包括整形阵列面(3)，整形阵列面(3)固定设置在基底玻璃(4)一侧，基底玻璃(4)另一侧设置投影阵列面(5)，整形阵列面(3)位于光阑(7)与基底玻璃(4)之间。7.如权利要求6所述的一种消除微透镜阵列旁瓣的照明系统，其特征在于，所述整形阵列面(3)与准直镜头(1)有间隙。8.如权利要求6所述的一种消除微透镜阵列旁瓣的照明系统，其特征在于，所述整形阵列面(3)为阵列非球面组成，投影阵列面(5)与整形阵列面(3)面型一致。9.一种如权利要求1所述的消除微透镜阵列旁瓣的照明系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.获取mla光束整形阵列(2)设计入射角度；s2.利用zemax优化操作数优化准直镜头(1)的面型参数，控制led芯片(8)发光面不同区域的光线经过准直镜头(1)后的光线的准直角度≤mla光束整形阵列(2)设计入射角度；s3.利用lighttools软件路径分析功能验证阵列透镜光线串扰，统计成像后的照明系统利用率、系统投影结果杂光和像面照度的结果，执行s4；s4.若照明系统利用率≥90％、系统投影结果杂光≤5％且像面照度≥9000lx，输出准直镜头(1)的结构参数，否则执行s2。10.如权利要求9所述一种的消除微透镜阵列旁瓣的照明系统的设计方法，其特征在于，所述s1中获取mla光束整形阵列(2)入射角度具体为：于，所述s1中获取mla光束整形阵列(2)入射角度具体为：由公式1得mla光束整形阵列(2)入射角度：i＝arcsin(n
’’
sini’)
ꢀꢀꢀ
公式3其中，i为mla光束整形阵列(2)入射角度，i’为mla光束整形阵列(2)出射光线角度，n为物方折射率，n
’’
为像方折射率，h为入射光线在子通道lens表面入射高度，为mla光束整形阵(2)子通道lens镜头的光焦度，r为整形阵列面(3)或投影阵列面(5)的通光区域半径，l
为基底玻璃(4)的厚度。

技术总结

本发明属于微透镜列投影的技术领域，具体涉及一种消除微透镜阵列旁瓣的照明系统及其设计方法，本发明的照明系统包括准直镜头，准直镜头一侧为LED芯片，准直镜头另一侧依次设置光阑、MLA光束整形阵列和接收屏，照明系统在原有MLA光束整形阵列的基础上增设直镜头可有效消除微透镜阵列旁瓣，提升目标图案的均匀度和亮度，对于不同的MLA光束整形阵列和LED芯片可通过修改准直镜头相应参数即可完成对旁瓣图案的消除，消除旁瓣图案后的目标图案在接收屏上的输出位置固定。该系统可消除微透镜阵列旁瓣，均匀度高，亮度高，准直镜头光线输出角度固定。固定。固定。