一种基于微透镜阵列的点光斑投影系统

1.本发明涉及光学技术领域，具体为一种基于微透镜阵列的点光斑投影系统。


背景技术：

2.近年来，随着微透镜阵列加工工艺的进步，以及材料的多样化，微透镜的面型精度和自由度也有很大的提高。基于微透镜陈列的光学系统的应用也日新月异，包括3d集成成像、波前信息获取、光场成像以及光束整形等等。
3.在激光光束整形应用中，经常会将随机排布的微透镜构成的微透镜阵列作为光学散射器，实现在一定角空间内对激光光束的散射和匀光。当激光光束通过规则排布的微透镜阵列的子通道时，会产生子光束衍射，不同子通道之间的衍射光波叠加，在成像平面会形成点光斑阵列，所述子通道即为微透镜构成的通道，所子光束为激光光束通过微透镜后产生的光束。例如，当微透镜阵列的排布为矩形时，在成像平面形成矩形排布的点光斑阵列。当微透镜阵列的排布为六边形时，在成像平面形成六边形排布的点光斑阵列。
4.在测量标定或计算机视觉领域，通常需要投影点光斑进行目标的标定，利用在具有一定三维特征的物体表面投影满足特定规律的点光斑，然后通过标定相机拍摄，获得点光斑的分布特征，由该分布特征在计算机中复原出三维物体的形态特征，从而实现对目标物体的标定。投影点光斑具有如下特性，更有利于目标的标定：(1)点光斑照度足够高，易于获取；(2)点光斑尺寸足够小，易于进行精确的位置识别；(3)对于需要规则排布投影点光斑的测量标定领域，需要实现投影点光斑位置的规则和精确性，对于需要伪随机排布点光斑投影的计算机视觉领域，需要实现投影点光斑位置的伪随机性。
5.随着激光光源以及微透镜阵列的应用，虽然可以获取照度及排布精度较高的点光斑投影，但是，投影点光斑时，仍会出现杂散光，甚至在投影的点光斑阵列中心会出现亮度极大值，从而导致整体照度均匀性较低的问题。


技术实现要素：

6.本发明目的在于提供一种基于微透镜阵列的点光斑投影系统，以克服现有技术中投影点光斑时，仍会出现杂散光，甚至在投影的点光斑阵列中心会出现亮度极大值，从而导致整体照度均匀性较低的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种基于微透镜阵列的点光斑投影系统，包括沿光路设置的微透镜阵列和光学镜组；
9.所述光学镜组的光轴通过微透镜阵列的中心；
10.所述光学镜组包括沿光路设置的多个透镜和光阑；
11.所述微透镜阵列包括多个依次排列的子透镜。
12.优选地，多个所述子透镜结构相同，朝向光学镜组的一面为凸透镜。
13.优选地，微透镜阵列的非透镜区域为不透光的平面。
14.优选地，多个透镜与光阑共轴排列。
15.优选地，多个透镜包括沿光路设置的第二双胶合透镜、双凸单透镜和第一双胶合透镜。
16.优选地，第一双胶合透镜双凹透镜和双凸透镜的胶合透镜，其中双凹透镜在靠近光阑的一侧。
17.优选地，双凸单透镜的前表面和后表面均采用非球面的面型。
18.优选地，第二双胶合透镜为双凹透镜和双凸透镜的胶合透镜，其中双凹透镜在靠近微透镜阵列的一侧，第一双胶合透镜中透镜的前表面和后表面均为球面。
19.优选地，多个透镜包括沿光路设置的菲涅尔透镜和非球面透镜。
20.优选地，光阑的通光孔孔径直径为1mm-5mm。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种基于微透镜阵列的点光斑投影系统，准直光线通过微透镜阵列产生离散子光束，离散子光束经过光学镜组聚焦到投影面，形成点光斑，光学镜组包括沿光路设置的多个透镜和光阑，这样的设置减少了杂散光，且形成的点光斑照度更加均匀。
22.进一步地，微透镜阵列的非透镜区域为不透光的平面，以便吸收光线或遮挡光线。
23.进一步地，第一双胶合透镜双凹透镜和双凸透镜的胶合透镜，其中双凹透镜在靠近光阑的一侧，具有校正色差的作用；
24.进一步地，双凸单透镜的前表面和后表面均采用非球面的面型，减少了光学镜组的畸变，提升了系统像素；
附图说明
25.图1为本发明一种基于微透镜阵列的点光斑投影系统的结构示意图；
26.图2为投影系统中微透镜阵列的结构示意图；
27.图3为投影系统中光学镜组的结构示意图；
28.图4为目镜与微透镜阵列原件之间f/#匹配条件
29.图5为投影的点光斑分析图；
30.图6为光学镜组畸变成像图；
31.图7为对投影点光斑进行光线追迹后，获得的中间像面追迹点位置示意图；
32.图8为根据预畸变获得的子透镜位置示意图；
33.图9为投影系统在投影面形成点光斑的照度分析图；
34.图10为光学镜组在投影面的最大投影区域示意图；
35.图11为本发明又一实施例中光学镜组结构示意图。
具体实施方式
36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
37.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护
的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
39.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
41.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”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发明中的具体含义。
42.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
43.如图1所示，本发明提出了一种基于微透镜阵列的点光斑投影光学系统，包括沿光路设置的微透镜阵列2和光学镜组1，光学镜组1的光轴通过微透镜阵列2的中心，微透镜阵列2包括多个依次排列的子透镜，光学镜组1包括沿光路设置的多个透镜和光阑11；
44.光学镜组1位于微透镜阵列2与点光斑投影的投影面之间，准直光束通过微透镜阵列，形成离散子光束，所述离散子光束在中间像面汇聚，进一步入射至光学镜组1，通过光学镜组1后在投影面3投影成特定分布的点光斑31。
45.本发明又一实施例提供了一种基于微透镜阵列的点光斑投影光学系统，包括沿光路设置的微透镜阵列2和光学镜组1，光学镜组1的光轴通过微透镜阵列2的中心，微透镜阵列2包括多个依次排列的子透镜，光学镜组1包括沿光路设置的多个透镜和光阑11，微透镜阵列2的结构如图2所示，由分布在特定位置的结构相同的子透镜构成，朝向光学镜组1的一面为凸透镜；背向光学镜组的一面为平面，准直光线从微透镜阵列平面一侧入射，仅通过子透镜所覆盖的区域，从而实现准直光线的离散，形成子光束，子光束通过子透镜后汇聚在中间像面，每个子透镜对应一个汇聚的子光束。所述子透镜的位置分布根据所需的点光斑投影分布预先设定。
46.本发明又一实施例提供了一种基于微透镜阵列的点光斑投影光学系统，包括沿光路设置的微透镜阵列2和光学镜组1，光学镜组1的光轴通过微透镜阵列2的中心，微透镜阵列2包括多个依次排列的子透镜，光学镜组1包括沿光路设置的多个透镜和光阑11，微透镜阵列2的非透镜区域为不透光的平面，以便吸收光线或遮挡光线。
47.本发明又一实施例提供了一种基于微透镜阵列的点光斑投影光学系统，包括沿光路设置的微透镜阵列2和光学镜组1，光学镜组1的光轴通过微透镜阵列2的中心，微透镜阵
列2包括多个依次排列的子透镜，光学镜组1包括沿光路设置的多个透镜和光阑11，多个透镜与光阑(11)共轴排列。
48.本发明又一实施例提供了一种基于微透镜阵列的点光斑投影光学系统，包括沿光路设置的微透镜阵列2和光学镜组1，光学镜组1的光轴通过微透镜阵列2的中心，微透镜阵列2包括多个依次排列的子透镜，光学镜组1包括沿光路设置的多个透镜和光阑11，多个透镜包括沿光路设置的第二双胶合透镜14、双凸单透镜13和第一双胶合透镜12；
49.光学镜组1的结构如图3所示，包括从投影面侧依次共轴排列的光阑11、第一双胶合透镜12、双凸单透镜13、第二双胶合透镜14，平面3即为点光斑投影的投影面。
50.本发明又一实施例提供了一种基于微透镜阵列的点光斑投影光学系统，包括沿光路设置的微透镜阵列2和光学镜组1，光学镜组1的光轴通过微透镜阵列2的中心，微透镜阵列2包括多个依次排列的子透镜，光学镜组1包括沿光路设置的多个透镜和光阑11，多个透镜包括沿光路设置的第二双胶合透镜14、双凸单透镜13和第一双胶合透镜12；第一双胶合透镜12是双凹透镜和双凸透镜的胶合透镜，其中双凹透镜在靠近光阑11一侧，具有校正色差的作用，进一步的，为了更好的显示效果和加工的便利，第一双胶合透镜中的透镜的前表面和后表面均为球面，本发明实施例的光学镜组中，靠近投影面的透镜表面标记为前表面，远离投影面的透镜表面标记为后表面。
51.本发明又一实施例提供了一种基于微透镜阵列的点光斑投影光学系统，包括沿光路设置的微透镜阵列2和光学镜组1，光学镜组1的光轴通过微透镜阵列2的中心，微透镜阵列2包括多个依次排列的子透镜，光学镜组1包括沿光路设置的多个透镜和光阑11，多个透镜包括沿光路设置的第二双胶合透镜14、双凸单透镜13和第一双胶合透镜12；双凸单透镜(13)的前表面和后表面均采用非球面的面型，双凸单透镜13位于第一双胶合透镜和第二双胶合透镜之间，具有较大的光焦度，提供较大的光线汇聚作用，双凸单透镜13的前表面和后表面采用非球面的面型时，可以减少光学镜组1的畸变，提升系统像质。
52.本发明又一实施例提供了一种基于微透镜阵列的点光斑投影光学系统，包括沿光路设置的微透镜阵列2和光学镜组1，光学镜组1的光轴通过微透镜阵列2的中心，微透镜阵列2包括多个依次排列的子透镜，光学镜组1包括沿光路设置的多个透镜和光阑11，多个透镜包括沿光路设置的第二双胶合透镜14、双凸单透镜13和第一双胶合透镜12；第二双胶合透镜14为双凹透镜和双凸透镜的胶合透镜，其中双凹透镜在靠近微透镜阵列2的一侧，具有校正色差和场曲的作用，第一双胶合透镜中透镜的前表面和后表面均为球面，具有更好的显示效果和加工的便利。
53.子光束从中间像面继续传输进入光学镜组1，为了实现光的高效利用，子光束进入光学镜组1的发散角和在中间像面上的汇聚角无限接近或相等，也就是，子光束经过中间像面时主光线与中间像面成90度角，光学镜组1在中间像面的像方f/#1等于或大于微透镜阵列2在中间像面15上聚光所对应的像方f/#2，即：f/#1≥f/#2，从而实现光学镜组在中间像面处形成像方远心。当然，当f/#1＝f/#2时，光效率可以达到最大值。
54.子光束经过光学镜组的第二双胶合透镜14、双凸单透镜13、第一双胶合透镜12后，通过光阑11出射。基于光学镜组1的目镜结构，中间像面同时也是光学镜组的物面，从中间像面上任意点发出的光线，经过光学镜组后，都会由光阑出射，将光学镜组的物距设置为无穷远，则出射的子光束是由光阑的通光孔径所限制的平行细光束，本实施例中的光学镜组，
各子光束的大小、汇聚角一致，与微透镜阵列中的子透镜相匹配。如附图4所示，前述的f/#1≥f/#2可理解为在目镜与微透镜设计时，满足角度β1≤β2，且当β1＝β2时，光效率最高。
55.本发明又一实施例提供了一种基于微透镜阵列的点光斑投影光学系统，包括沿光路设置的微透镜阵列2和光学镜组1，光学镜组1的光轴通过微透镜阵列2的中心，微透镜阵列2包括多个依次排列的子透镜，光学镜组1包括沿光路设置的多个透镜和光阑11，从光阑出射的子光束在投影面形成具有特定分布的点光斑，为实现点光斑的半径为r，则光学镜组的光阑通光孔径的直径d为2r，通光孔径的大小根据实际需要确定，一般为1mm《d《5mm。
56.图5为本发明中光学镜组的点光斑成像列图分析，由于光学设计采用反向设计，本图所示成像的点光斑为各子光束由光学镜组的光阑通光孔进入，在光学镜组中传递，然后在中间像面上汇聚形成。在中间像面形成的点光斑应尽可能小，从而保证从不同方向的子光束经过光阑通光孔后是平行细光束，进而使得最终在投影面形成的点光斑大小具有均匀一致性。从附图5可以看出，各子光束在中间像面形成的点光斑尺寸均小于10微米。
57.在光学镜组中会出现成像畸变，如图6所示，为多个波长的光线通过光学镜组1后，在中间像面15上形成的沿径向方向、不同视场的畸变率变化曲线，畸变率为负值，因此所述畸变为桶形畸变。不同波长的畸变基本一致，色差对畸变的影响非常有限，因此，本发明的投影系统可采用可见光波段的光源。光学镜组1的畸变会导致光线通过微透镜阵列中的子透镜后，获得的离散子光束经过光学镜组1投影的点光斑位置产生误差，为了实现精准投影，需要对微透镜阵列中的子透镜位置进行预畸变。
58.首先，确定需要获得的投影点光斑，例如，矩形点光斑阵列、六边形点光斑阵列、圆环形点光斑阵列等等。以n*n的矩形点光斑阵列为例，需要获得的投影点光斑需在光学镜组的最大投影区域内，然后，对所述需要获得的投影点光斑根据其位置进行主光线追迹，获取其在中间像面上的追迹点，如图7所示。可以看出，所述追迹点呈桶形分布。所述追迹点的位置与微透镜阵列中的子透镜对应，为准直光线通过子透镜后，子光束在中间像面所汇聚的光斑的位置，因此，根据所述追迹点的位置进一步确定子透镜位置，如图8所示的，即为根据所示追迹点的位置所获取的微透镜阵列中子透镜的位置排布。
59.根据上述预畸变方法得到确定的微透镜阵列，然后根据包含所述微透镜阵列的投影系统进行点光斑投影后，在投影面上获得的点光斑的照度分布图，如图9所示。点光斑的照度分布呈现陡峭的脉冲特征，说明点光斑能量集中度高，没有形成大的散斑，正符合我们前面所提到的对光斑大小的需求。此外，投影面3上的点光斑的阵列排布的尺寸和分布情况，可以看出点光斑排布十分均匀，且没有杂散光的分布。
60.其中，所述光学镜组在投影面的最大投影区域如图10所示，是以o点为圆心，半径为h的区域。θ为光学镜组1的最大视场角，p为光阑的中心，o为光学镜组1的光轴在投影面的交点，投影面与光阑的距离为l。光学镜组1最大视场角对应的主光线112与光轴的夹角是投射点光斑的最大角度，主光线112与投影面3的交点为s，在投影面的投射高度为h，满足关系式：
61.h＝l
·
tan(θ)
62.本发明又一实施例提供了一种基于微透镜阵列的点光斑投影光学系统，包括沿光路设置的微透镜阵列2和光学镜组1，光学镜组1的光轴通过微透镜阵列2的中心，微透镜阵列2包括多个依次排列的子透镜，光学镜组1包括沿光路设置的多个透镜和光阑11，多个透
镜包括沿光路设置的菲涅尔透镜43和非球面透镜42；
63.光学镜组2的结构如图11所示，从投影面侧，依次包括共轴的光阑41、非球面透镜42、菲涅尔透镜43，非球面透镜42的前表面、后表面均为非球面，菲涅尔透镜的前表面为非球面，后表面为平面基底的菲涅尔面。准直光学通过微透镜阵列后，被微透镜阵列中特定位置的子透镜离散成子光束后在中间像面汇聚，到达光学镜组，从光学镜组的光阑出射，在投影面形成点光斑投影。本实施例中的光学镜组采用菲涅尔透镜可以实现相对较小的像方f/#，从而与微透镜阵列更加匹配，各个视场的子光束汇聚角也更加均匀，在投影面上形成的点光斑的照度均匀性更高。
64.尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

技术特征：
1.一种基于微透镜阵列的点光斑投影系统，其特征在于，包括沿光路设置的微透镜阵列(2)和光学镜组(1)；所述光学镜组(1)的光轴通过微透镜阵列(2)的中心；所述光学镜组(1)包括沿光路设置的多个透镜和光阑(11)；所述微透镜阵列(2)包括多个依次排列的子透镜。2.根据权利要求1所述的一种基于微透镜阵列的点光斑投影系统，其特征在于，多个所述子透镜结构相同，朝向光学镜组(1)的一面为凸透镜。3.根据权利要求1所述的一种基于微透镜阵列的点光斑投影系统，其特征在于，所述微透镜阵列(2)的非透镜区域为不透光的平面。4.根据权利要求1所述的一种基于微透镜阵列的点光斑投影系统，其特征在于，所述多个透镜与光阑(11)共轴排列。5.根据权利要求1所述的一种基于微透镜阵列的点光斑投影系统，其特征在于，所述多个透镜包括沿光路设置的第二双胶合透镜(14)、双凸单透镜(13)和第一双胶合透镜(12)。6.根据权利要求5所述的一种基于微透镜阵列的点光斑投影系统，其特征在于，所述第一双胶合透镜(12)双凹透镜和双凸透镜的胶合透镜，其中双凹透镜在靠近光阑(11)的一侧。7.根据权利要求5所述的一种基于微透镜阵列的点光斑投影系统，其特征在于，所述双凸单透镜(13)的前表面和后表面均采用非球面的面型。8.根据权利要求5所述的一种基于微透镜阵列的点光斑投影系统，其特征在于，所述第二双胶合透镜(14)为双凹透镜和双凸透镜的胶合透镜，其中双凹透镜在靠近微透镜阵列(2)的一侧，第一双胶合透镜中透镜的前表面和后表面均为球面。9.根据权利要求1所述的一种基于微透镜阵列的点光斑投影系统，其特征在于，所述多个透镜包括沿光路设置的菲涅尔透镜(43)和非球面透镜(42)。10.根据权利要求1所述的一种基于微透镜阵列的点光斑投影系统，其特征在于，所述光阑(11)的通光孔孔径直径为1mm-5mm。

技术总结
本发明公开了一种基于微透镜阵列的点光斑投影系统，包括沿光路设置的微透镜阵列和光学镜组，所述光学镜组的光轴通过微透镜阵列的中心，所述微透镜阵列包括多个依次排列的子透镜，所述光学镜组包括沿光路设置的多个透镜和光阑，准直光线通过微透镜阵列产生离散子光束，离散子光束经过光学镜组聚焦到投影面，形成点光斑，光学镜组包括沿光路设置的多个透镜和光阑，这样的设置减少了杂散光，且形成的点光斑照度更加均匀，同时，通过预畸变的方式获取微透镜阵列中子透镜的位置，形成的点光斑位置更加精确，投影点光斑时，不仅不会出现杂散光，光斑整体的均匀性也有很大的提高。光斑整体的均匀性也有很大的提高。光斑整体的均匀性也有很大的提高。


技术研发人员：刘悦 朱京平 陈晨
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/10/19