(12)实用新型专利
(10)授权公告号 CN 212083835 U(45)授权公告日 2020.12.04
(21)申请号 202020948675.X(22)申请日 2020.05.29
(73)专利权人 浙江棱镜全息科技有限公司
地址 310052 浙江省杭州市滨江区长江路
336号3幢402室(72)发明人 彭显楚 张峰 李宗扬 许敏 (74)专利代理机构 杭州华鼎知识产权代理事务
所(普通合伙) 33217
代理人 欧阳俊(51)Int.Cl.
G02B 30/56(2020.01)G02B 3/08(2006.01)
(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利
权利要求书1页 说明书5页 附图7页
CN 212083835 U(54)实用新型名称
用于空气成像的菲涅尔透镜组及空间成像光学系统(57)摘要
本实用新型公开了用于空气成像的菲涅尔透镜组，包括至少两片平行设置的菲涅尔透镜，每片所述菲涅尔透镜均包括基板和平行排列在基板上的直齿，相邻菲涅尔透镜的直齿均不平行。空间成像光学系统，包括：用于显示图案的图像源和上述的菲涅尔透镜组；所述菲涅尔透镜组用于将图像源发出光线折射后在空气中成放大实像。本实用新型的优点是：穿过第一个菲涅尔透镜的光线经过第二个菲涅尔透镜进行修正，可以有效降低像差，获得更加清晰的放大的图像，同时有利于矫正畸变，确保图像周边也有较高的清晰度。
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权 利 要 求 书
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1.用于空气成像的菲涅尔透镜组，其特征在于：包括至少两片平行设置的菲涅尔透镜，每片所述菲涅尔透镜均包括基板和平行排列在基板上的直齿，相邻菲涅尔透镜的直齿均不平行。
2.如权利要求1所述的用于空气成像的菲涅尔透镜组，其特征在于：相邻菲涅尔透镜的直齿相互垂直。
3.如权利要求1所述的用于空气成像的菲涅尔透镜组，其特征在于：所述直齿远离基板的顶端设有棱线，且棱线为平行于所述基板的直线。
4.如权利要求3所述的用于空气成像的菲涅尔透镜组，其特征在于：所述直齿为三棱柱，且一侧面紧贴在基板上。
5.如权利要求3所述的用于空气成像的菲涅尔透镜组，其特征在于：所述直齿的横截面包括依次首尾相连的底边和两条斜边，所述底边紧贴在基板上，一条所述斜边为弧线，另一条所述斜边为弧线或者直线。
6.如权利要求1至5中任一项所述的用于空气成像的菲涅尔透镜组，其特征在于：相邻两块所述菲涅尔透镜对向设置；或者，相邻两块所述菲涅尔透镜同向设置；或者，相邻两块所述菲涅尔透镜背向设置。
7.如权利要求1至5中任一项所述的用于空气成像的菲涅尔透镜组，其特征在于：两块所述菲涅尔透镜紧贴在一起；或者，两块所述菲涅尔透镜之间留有间隙。
8.空间成像光学系统，其特征在于：包括：用于显示图案的图像源；
和权利要求1至7中任一项所述的菲涅尔透镜组；
所述菲涅尔透镜组用于将图像源发出光线折射后在空气中成放大实像。9.如权利要求8所述的空间成像光学系统，其特征在于：所述图像源与菲涅尔透镜组之间的光路上还设有第一反射镜；和/或，所述菲涅尔透镜组与实像之间的光路上设有第二反射镜。
10.如权利要求8所述的空间成像光学系统，其特征在于：所述菲涅尔透镜组的尺寸大于所成实像的尺寸。
11.如权利要求8所述的空间成像光学系统，其特征在于：所述图像源为LCD、LED、OLED、LCOS或者投影机中的一种。
12.如权利要求11所述的空间成像光学系统，其特征在于：所述投影机为DLP投影机或者激光MEMS模组，所述投影机与菲涅尔透镜组之间还设有扩散片。
13.如权利要求12所述的空间成像光学系统，其特征在于：所述扩散片的透光率为70％±10％。
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说 明 书
用于空气成像的菲涅尔透镜组及空间成像光学系统
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技术领域
[0001]本实用新型涉及一种在空气中的成像装置，具体涉及用于空气成像的菲涅尔透镜组及空间成像光学系统。
背景技术
[0002]三维实像成像装置一般采用空气成像平板透镜在空气中成像，空气成像平板透镜一般采用长条形反射器或者二面角反射器，采用二面角反射器的方案利用两块透明基板之间压印周期性且斜45°排布地尺寸相等的二面角矩形反射器或长条形反射器，通过二次反射进行空气成像。
[0003]但是目前的空气成像装置放大率只有1，其光学系统不具备放大的功能，因此会导致体积过大而使应用领域受限，同时其成像系统不利于设备的小型化。实用新型内容
[0004]本实用新型的目的在于提供用于空气成像的菲涅尔透镜组及空间成像光学系统，能够有效解决现有空气成像装置体积过大而应用领域受限的问题。[0005]为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：用于空气成像的菲涅尔透镜组，包括至少两片平行设置的菲涅尔透镜，每片所述菲涅尔透镜均包括基板和平行排列在基板上的直齿，相邻菲涅尔透镜的直齿均不平行。[0006]优选的，相邻菲涅尔透镜的直齿相互垂直，垂直状态图像最好，可以避免图像倾斜旋转。
[0007]优选的，所述直齿远离基板的顶端设有棱线，且棱线为平行于所述基板的直线，更有利于光线的折射和汇聚，达到更好的图像修正效果，形成更加清晰的图像。[0008]优选的，所述直齿为三棱柱，且一侧面紧贴在基板上，三棱柱式的直齿易于制造，具有较好的消像差效果，同时成品率更高。[0009]优选的，所述直齿的横截面包括依次首尾相连的底边和两条斜边，所述底边紧贴在基板上，一条所述斜边为弧线，另一条所述斜边为弧线或者直线，弧线比直线消像差效果更好，最佳是两条斜边都为弧线。[0010]优选的，相邻两块所述菲涅尔透镜对向设置；或者，相邻两块所述菲涅尔透镜同向设置；或者，相邻两块所述菲涅尔透镜背向设置；对向设置可以获得最佳的光学性能，背向设置可以更好的固定两块菲涅尔透镜之间的相对位置，同向设置也能获得较好的光学效果，同向设置菲涅尔透镜利于多块菲涅尔透镜的叠加。[0011]优选的，两块所述菲涅尔透镜紧贴在一起；或者，两块所述菲涅尔透镜之间留有间隙。紧贴在一起可以尽量降低菲涅尔透镜组的厚度，使整个装置更加薄。[0012]空间成像光学系统，包括：[0013]用于显示图案的图像源；[0014]和上述的菲涅尔透镜组；
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说 明 书
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所述菲涅尔透镜组用于将图像源发出光线折射后在空气中成放大实像。
[0016]优选的，所述图像源与菲涅尔透镜组之间的光路上还设有第一反射镜；和/或，所述菲涅尔透镜组与实像之间的光路上设有第二反射镜。利用反射镜调整图像源、菲涅尔透镜组和实像之间的位置，合理利用空间，便于布局。[0017]优选的，所述菲涅尔透镜组的尺寸大于所成实像的尺寸，让用户能观看到完整的像。
[0018]优选的，所述图像源为LCD、LED、OLED、LCOS或投影机中的一种，降低图像源的成本和门槛，适应性更广。[0019]优选的，所述投影机为DLP投影机或者激光MEMS模组，所述投影机与菲涅尔透镜组之间还设有扩散片，加入扩散片提高图像源的发散角度，扩大人眼观测实像的角度。[0020]优选的，所述扩散片的透光率为70％±10％，透光率过高，观察者可以看到投影机明亮的投射点，透光率过低，会导致图像模糊，亮度不够。[0021]与现有技术相比，本实用新型的优点是：采用菲涅尔透镜组，改变了以往采用长条反射器或者二面角反射器利用反射进行成像的原理，利用菲涅尔透镜组的折射原理在空气中成放大的实像，从而在图像源较小的情况下可以获得比图像源大得多的像，相对于传统的空气成像系统不仅可以有效的降低整个装置的重量，而且可以有效降低生产成本。[0022]相对于普通环形齿且平行叠放的菲涅尔透镜仅仅是进行倍率放大，本系统中的菲涅尔透镜组采用直齿结构，并且相邻菲涅尔透镜的直齿不平行，穿过第一个菲涅尔透镜的光线经过第二个菲涅尔透镜进行修正，可以有效降低像差，获得更加清晰的图像，同时有利于矫正畸变，确保图像周边也有较高的清晰度。附图说明
[0023]图1为本实用新型空间成像光学系统实施例一的结构示意图；[0024]图2为本实用新型空间成像光学系统实施例一的成像原理图；[0025]图3为本实用新型空间成像光学系统实施例二的结构示意图；[0026]图4为本实用新型空间成像光学系统实施例二的成像原理图；
[0027]图5为本实用新型用于空气成像的菲涅尔透镜组实施例一中相邻菲涅尔透镜的组合形式；
[0028]图6为本实用新型用于空气成像的菲涅尔透镜组实施例三中相邻菲涅尔透镜的组合形式；
[0029]图7为本实用新型用于空气成像的菲涅尔透镜组实施例四中相邻菲涅尔透镜的组合形式；
[0030]图8为本实用新型用于空气成像的菲涅尔透镜组中菲涅尔透镜直齿的第一种形式；
[0031]图9为本实用新型用于空气成像的菲涅尔透镜组中菲涅尔透镜直齿的第二种形式；
[0032]图10为本实用新型用于空气成像的菲涅尔透镜组中菲涅尔透镜直齿的第三种形式；
[0033]图11为本实用新型用于空气成像的菲涅尔透镜组中单片菲涅尔透镜的结构示意
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说 明 书
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图。
具体实施方式
[0034]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。[0035]在本发明的描述中，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”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发明和简化描述，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发明的限制。[0036]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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。[0037]在本发明中，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，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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发明中的具体含义。[0038]实施例一：[0039]参阅图1、图2为本实用新型空间成像光学系统的实施例一，空间成像光学系统，包括：[0040]用于显示图案的图像源1；[0041]和用于将图像源1发出光线折射后在空气中成放大实像5的菲涅尔透镜组3；
[0042]所述图像源1距离菲涅尔透镜组3的距离在菲涅尔透镜组3的一倍到两倍焦距之间，所述菲涅尔透镜组3包括至少两片平行设置的菲涅尔透镜，每片所述菲涅尔透镜均包括基板8和平行排列在基板8上的直齿9，相邻菲涅尔透镜的直齿9均不平行。两片平行设置的菲涅尔透镜是指两片菲涅尔透镜的基板相互平行，而且每片基板上的直齿也相互平行，即直齿的长度方向都平行设置，如图11所示；所谓直齿是指两个端面形状完全相同，每条棱线93都相互平行，如图8至图10所示。[0043]光线从图像源1发出，经过菲涅尔透镜组3折射后在空气中形成放大的实像5，采用菲涅尔透镜组3，改变了以往采用长条反射器或者二面角反射器利用反射进行成像的原理，利用菲涅尔透镜组3的折射原理在空气中成放大的实像5，从而在图像源1较小的情况下可以获得比图像源1大得多的像，相对于传统的空气成像系统不仅可以有效的降低整个装置的重量，而且可以有效降低生产成本。一般来说最好菲涅尔透镜组的尺寸大于所成实像的尺寸，让用户能看到完整的像。
[0044]本系统中的菲涅尔透镜组3采用直齿9，并且相邻菲涅尔透镜的直齿9不平行，相对于普通环形齿且平行叠放的菲涅尔透镜，可以有效降低像差，获得更加清晰的图像，同时有利于矫正畸变，确保图像周边也有较高的清晰度。
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上述系统的图像源1可以采用LCD、LED、OLED或LCOS中的一种，这些图像源1拥有较
为成熟的显示技术，比较易于获得，而且成本比较容易控制，适用于图像源不太大的情况下使用。
[0046]如图5所示，菲涅尔透镜组包括两块菲涅尔透镜，两块菲涅尔透镜最好为对向设置，即两块菲涅尔透镜的直齿9与直齿9相对，两块菲涅尔透镜的之间最好贴紧，缩小整个菲涅尔透镜组的厚度，也能获得更好的光学性能，当然也可以间隔一定间隙，间隙之间利用透光性能好的胶水固定。当然菲涅尔透镜组也可以包括两块以上的菲涅尔透镜，菲涅尔透镜使用的数量根据成像实际需要确定，相邻两片菲涅尔透镜也可以采用相向和背向结合的方式设置。[0047]相邻菲涅尔透镜的直齿9最好是相互垂直，可以是相互接触的垂直，也可以是在空间中成垂直状态，即在平行于基板的平面上的投影为相互垂直状态，比如一块菲涅尔透镜上的所有直齿9沿横向设置，相邻的另一块菲涅尔透镜上的直齿9全部沿纵向设置，这样易于调整和控制在获得放大实像的同时拥有较好的成像质量。当然两块菲涅尔透镜的直齿9之间也可以成锐角，这个锐角是两片菲涅尔透镜上的齿在平行于菲涅尔透镜的面上的投影所成的夹角为锐角，这样得到的图像会有倾斜旋转，可以满足一些特殊的场景需求。[0048]如图11所示，每片菲涅尔透镜的尺寸和参数最好是相同的，这样容易调整和计算相关参数，但是也可以根据实际需要选择尺寸和参数不同的菲涅尔透镜进行组合，但是菲涅尔透镜的大致结构是相同的，即每片菲涅尔透镜均包括基板8和设置在基板8上的直齿9，本方案采用的菲涅尔透镜和平常的菲涅尔透镜有所不同，常规的菲涅尔透镜是在基板8上设置若干同心圆环形的齿，而本方案是采用直齿9，并且直齿9是平行排列的，即齿不再是圆环形，而是长条形，直齿9远离基板的顶端设有棱线93，且棱线93平行于基板的直线，如图8至图10所示，直齿的横截面形状最好为三角形或者类似的三角形，横截面为三角形即三棱柱，最好横截面的三角形为直角三角形，所谓类似的三角形即由首尾相连的底边91和两条斜边92组成，底边91与基板8贴合或者重合，两条斜边92可以都为弧形，也可以一条斜边是弧形另一条斜边是直线，但是如果两条斜边都为弧形，他们相交处不是平滑过渡，保持相交形成棱线，可以获得更好的光学性能。
[0049]同一块基板8上直齿9的高度遵循菲涅尔透镜要求，从中心到两侧高度逐渐降低，也就是中间的直齿高度最高，其两侧的直齿高度逐渐降低，而且直齿9的斜边与基板8之间的角度也可以不同，这些参数根据实际成像效果做相应调整。基板8可以是矩形或者圆形，也可以是其他形状，根据实际布局和显示需要确定，直齿的棱与基板的边可以平行也可以不平行，基板8和直齿9一体制造，采用玻璃或者塑料等材料制造。[0050]对于整个光学系统来说，为了合理布局，提高空间利用率，在图像源1与菲涅尔透镜之间可以增加第一反射镜2，而菲涅尔透镜组和实像5之间的光路上也可以增加第二反射镜4，利用反射镜调整光线走向。[0051]如图2所示，图像源1竖直设置，菲涅尔透镜组3水平设置，第一反射镜2和第二反射镜4均与水平面成45度，图像源1发出的光线经过第一反射镜2的反射垂直射入菲涅尔透镜组3，经过菲涅尔透镜组3的折射后，光线照射在第二反射镜4上，通过第二反射镜4的反射在空气中成实像5，而用户看见的就是悬浮在空气中的像，该实像5的尺寸比图像源1的尺寸大，所以可以理解为得到的是一个放大的实像5。
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实施例二：
[0053]如图3、图4，与实施例一的区别在于，图像源1变为投影机6，比如DLP投影机6或者激光MEMS模组，因为图像源1的发光特性改变了，所以在投影机6与菲涅尔透镜组3之间增加扩散片7，高图像源1的发散角度，扩大人眼观测实像5的角度，一般来说，扩散片7的透光率为70％±10％，高于80％的透光率，观察者可以看到投影机6明亮的投射点，而低于60％的透光率，会导致图像模糊，亮度不够，影响到用户的使用。[0054]实施例二相对于实施例一来说，更换了可以形成更大源图像的图像源1，用于呈现更大实像5的场景中使用，对于更大的显示场景来说投影机6的造价和体积要明显低于实施例一的图像源1。[0055]实施例三：[0056]如图6所示，与实施例一和二的区别在于：两片菲涅尔透镜的朝向不同，两片菲涅尔透镜同向设置，这样利于多片菲涅尔透镜的平行排列，在制造时便于菲涅尔透镜的安装，按同一个方向排列即可。[0057]实施例四：[0058]如图7所示，与实施例一和二的区别在于：两片菲涅尔透镜的朝向不同，两片菲涅尔透镜背向设置，即两片菲涅尔的基板和基板靠在一起，这样两片菲涅尔透镜更容易实现定位，装配精度也可以得到更好的提高。
[0059]以上所述仅为本实用新型的具体实施例，但本实用新型的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本实用新型的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本实用新型的专利范围之中。
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