CN111694211A - 投影系统以及ar显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种投影系统，包括自发光图像源，设置在自发光图像源的输出光路上的聚光透镜；设置在聚光透镜的输出光路上的偏振分束器，设置在偏振分束器的输出光路上的偏振转换元件，设置在偏振转换元件出射光路上的曲面反光元件；聚光透镜对自发光图像源的发散光线进行汇聚后，光线依次经过偏振分束器和偏振转换元件入射至曲面反光元件转换为平行光后输出。本申请中的投影系统中，本身具有发光功能的自发光图像源，并利用聚光透镜、偏振分束器、偏振转换元件、曲面反光元件配合作用将自发光图像源的发散光转换为平行光输出，进而减小投影系统的光路占用的空间体积，利于投影系统和AR显示设备的小型化发展。

Description

投影系统以及AR显示设备

技术领域

本发明涉及投影设备技术领域，特别是涉及一种投影系统以及AR显示设备。

背景技术

增强现实(AR，Augmented Reality)，是通过计算机系统提供的信息增加用户对现实世界感知的技术，将虚拟的信息应用到真实世界，并将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中，从而实现对现实的增强。

AR通常是以透过式头盔或眼镜显示系统的形式来实现的，为了更好的用户体验，提升用户佩戴AR头戴设备的舒适性，要求AR头戴显示装置要轻量化、小型化。现有的AR显示设备中用于投射信息的投影光机设计复杂，价格昂贵，使之成为消费级产品比较困难，且使用AR显示设备的舒适性也相对较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种投影系统以及AR显示设备，减小投影系统的所占的空间体积，进而有利于使用该投影系统的AR显示设备的小型化发展。

为解决上述技术问题，本发明提供一种投影系统，包括自发光图像源，设置在所述自发光图像源的输出光路上的聚光透镜；设置在所述聚光透镜的输出光路上的偏振分束器，设置在所述偏振分束器的输出光路上的偏振转换元件，设置在所述偏振转换元件出射光路上的曲面反光元件；

其中，所述聚光透镜用于对所述自发光图像源输出的发散光线进行汇聚，并将汇聚后的光线入射至所述偏振分束器；所述偏振分束器用于将入射的光线向所述偏振转换元件输出，并经过所述偏振转换元件透射入射至所述曲面反光元件；

所述曲面反光元件用于将经过所述偏振转换元件入射的光线转换为平行光并反射至所述偏振转换元件，经过所述偏振分束器输出；

所述偏振转换元件用于将两次透射所述偏振转换元件的偏振光的偏振方向改变90度。

在本申请的一种可选地实施例中，所述偏振分束器的第一表面为所述聚光透镜输出光线的入射面；

所述偏振转换元件包括正对于所述偏振分束器的第二表面设置的第一偏振转换元件和正对所述偏振分束器的第三表面设置的第二偏振转换元件；

所述曲面反射元件包括设置在所述第一偏振转换元件背离所述偏振分束器的一侧的第一曲面反射元件，和设置在所述第二偏振转换元件背离所述偏振分束器一侧的第二曲面反射元件。

在本申请的一种可选地实施例中，所述聚光透镜用于将所述自发光图像源输出的发散光束转换为汇聚光束；

所述曲面反光元件为凸曲面反光元件。

在本申请的一种可选地实施例中，所述凸面反射镜为一侧为平面另一侧为凹曲面的凹透镜，且所述凹透镜的凹曲面设有反光膜层的；

两个所述偏振转换元件分别贴合所述偏振分束器的第一表面和第二表面设置，两个所述凹透镜的平面表面分别贴合两个所述偏振转换元件设置。

在本申请的一种可选地实施例中，所述聚光透镜用于将所述自发光图像源输出的发散光束转换为发散度更小的发散光束，所述曲面反光元件为凹曲面反光元件。

在本申请的一种可选地实施例中，所述凹面反射镜为一侧为平面另一侧为凸曲面的凸透镜，且所述凸透镜的凸曲面上设置有反光膜层；

两个所述偏振转换元件分别贴合所述偏振分束器的第一表面和第二表面设置，两个所述凸透镜的平面表面分别贴合两个所述偏振转换元件设置。

在本申请的一种可选地实施例中，所述偏振转换元件为1/4波片或相位延迟器。

本申请还提供了一种AR显示设备，所述自发光图像源为microLED、OLED、LCD中的任意一种图像源。

本申请还提供了一种AR显示设备，包括如上任一项所述的投影系统。

本发明所提供的投影系统，包括自发光图像源，设置在自发光图像源的输出光路上的聚光透镜；设置在聚光透镜的输出光路上的偏振分束器，设置在偏振分束器的输出光路上的偏振转换元件，设置在偏振转换元件出射光路上的曲面反光元件；其中，聚光透镜用于对自发光图像源输出的发散光线进行汇聚，并将汇聚后的光线入射至偏振分束器；偏振分束器用于将入射的光线向偏振转换元件输出，并经过偏振转换元件透射入射至曲面反光元件；曲面反光元件用于将入射的光线转换为平行光反射出射，并依次经过偏振转换元件和偏振分束器输出；偏振转换元件用于将两次透射入射偏振转换元件的偏振光的偏振方向改变90度。

本申请中的投影系统中，本身具有发光功能的自发光图像源，相对于常规的LCOS图像源而言，能够在很大程度上简化了投影系统中的光源结构；另外，自发光图像源输出的光线为发散光线，因此进一步地在自发光图像源的输出光路上设置聚光透镜和偏振分束器，使得自发光图像源输出的光线经过聚光透镜进行一定程度的汇聚后，经过偏振分束器入射至曲面反光元件后可以再次反射回偏振分束器后输出，使得经过聚光透镜输出光线的光路经过偏振分束器产生一定程度的折叠，进而减小自发光图像源输出光路占用的空间体积，有利于实现投影系统的小型化发展，并有利于采用本申请中的投影系统的AR显示设备的小型化发展。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1为本申请实施例提供的一种投影系统的光路结构示意图。

具体实施方式

目前常规的AR显示设备的投影光机中，是通过投影光源输出光线后经过多个透镜或其他光学器件进行反复调制后，入射至LCOS图像源，并经过LCOS图像源反射输出携带有图像信息的投影光束，整个投影光机的光路复杂，且光程较长，在很大程度上增大了投影光机所需要的空间体积，进而增大AR显示设备的空间体积，不利于AR设备的小型化发展。

为此本申请中提供了一种能够减小投影光机的空间体积的技术方案，有利于投影光机以及应用该投影光机的AR设备的小型化。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

如图1所示，图1为本申请实施例提供的一种投影系统的光路结构示意图，该投影光机可以包括：

自发光图像源1；

需要说明的是，本实施例中的自发光图像源1相对于现有技术中的LCOS图像源而言，主要区别在于自发光图像源1本身具有发光功能，无需其他的光源为其提供光照，相当于在一定程度上将光源和图像源集成，进而在很大程度上简化了投影光源和图像源的结构。对于本实施例中的自发光图像源1，可以采用microLED，具有高亮度的特性，也可以采用例如，其他类似的图像源OLED或LCD任意一种形式的图像源，对此本申请中不做具体限制。

尽管自发光图像源1具有简化光源和图像源结构的优点，但同样具有输出的图案光线是发散光的问题，因此就需要对其进行汇聚，因此，进一步地，在投影系统还可以进一步地包括：

设置在自发光图像源1的输出光路上的聚光透镜2；

设置在聚光透镜2的输出光路上的偏振分束器3；

设置在偏振分束器3的输出光路上的偏振转换元件4；

设置在偏振转换元件4出射光路上的曲面反光元件5；

其中，聚光透镜2用于对自发光图像源1输出的发散光线进行汇聚，并将汇聚后的光线入射至偏振分束器3；偏振分束器3用于将入射的光线向偏振转换元件4输出，并经过偏振转换元件4透射入射至曲面反光元件5；

曲面反光元件5用于将经过偏振转换元件4入射的光线转换为平行光并反射至偏振转换元件4，且经过偏振分束器3输出；

偏振转换元件4用于将两次透射偏振转换元件4的偏振光的偏振方向改变90度。

对于自发光图像源1输出的光线，要最终获得显示效果良好的输出画面，就需要使得最终的自发光图像源1的发散光束转换为平行光输出。本实施例中中将自发光图像源1的输出光路上设置有聚光透镜2，该聚光透镜2将自发光图像源1输出的发散光线进行一定程度的汇聚。在聚光透镜2对自发光图像源1输出的光线进行一定汇聚后，可以在利用曲面反光元件5对光线进行再一次的调制，形成反射出射的平行光束。也即是说本实施例中对自发光图像源1输出的发散光线的调制是聚光透镜2和曲面反光元件5的相结合，实现自发光图像源1的发散光线转换为平行光线。相对于完全采用多个聚光透镜将发散光线转换为平行光线而言，聚光透镜2和曲面反光元件5的结合使用光路更为简单，使用的聚光透镜2的镜片更少光路更为简单。

进一步地，还在聚光透镜2和曲面反光元件5之间设置偏振分束器3。因为反光元件可以在一定程度上实现入射光线和出射光线的光路在空间中的重合，但是反光元件输出的出射光线最终需要从入射光线中分离输出。由此，本申请中进一步地在聚光透镜2和曲面反光元件5之间设置偏振分束器3，该偏振分束器3并不具有屈光度，光线可在偏振分束器3中传输时不改变汇聚程度，但可以对光线的方向进行偏转，进而能够将曲面反光元件3反射的光线的光路方向进行偏转，进而实现光线的导出，且偏振分束器3对光线进行偏转的光路和聚光透镜2输出至曲面反光元件5的光路在空间中是重合的，均是在偏振分束器3内部，在一定程度上提升整个光路占据空间的体积大小，进而减小投影光机的光路。

因为偏振分束器3对光线的反射和透射针对入射光线的偏振方向具有选择性，仅仅只对特定偏振方向的光线进行反射而对垂直该特定反射方向的光线进行透射，而要实现光线最终从偏振分束器3输出，就需要对偏振光线的偏振方向进行一定程度的调制。

因此，在本实施例中偏振分束器3和曲面反光元件5之间还进一步地设置偏振转换元件4，进而使得经过偏振分束器3的分光面入射至曲面反光元件5后再次被反射至该分光面，其偏振方向可以发生改变，使得该光线在该分光面由反射变换透射，或者由透射变换为反射，实现光线经过该分光面输出。该偏振转换元件4可以采用1/4波片或者相位延时器等光学元件，使得线偏振光每经过该偏振转换元件4，其相位就发生π/4的变量，两次经过该偏振转换元件4，其相位就发生π/2的变量，进而相应地使得其偏振方向发射90度的偏转。

在光机中，基于实际的安装需要，投影系统输出平行光线的方向和图像源输出的光线的方向需要存在角度的方向偏转，本申请中采用聚光透镜+偏振分束器+反射镜结构的可以将光线调制的光路和光路方向转换的光路进行重合，在很大程度上简化结构所占空间大小。而现有的直筒式光机(通过透镜组调制光线)往往需要在透镜组输出光路上一个棱镜，实现光路方向偏转导致结构更为复杂，所占空间体积也更大；并且而透镜组是多片透镜，需要设置每片透镜的参数(曲率、半径、材料、非球面系数等)，调节每个透镜的每个系数使成像效果最佳，聚光透镜+偏振分束器+反射镜的参数设置更为简单。

其次，透镜组需要用到多片非球面透镜，加工生产成本相对较高；而偏振分束器+反射镜的结构加工成本相对较低，在非大规模生产的情况下价格更低廉。

最后，光机组装的一大难点就是对准光轴，特别是小尺寸的镜片。透镜组有多片透镜，要一一对准光轴，反复调试；而聚光透镜+偏振分束器+反射镜的结构中，反射镜+1/4波片+偏振分束器是可以直接粘连在一起，无需对光轴，只需偏振分束器和聚光透镜对光轴即可。

综上所述，本申请中提供的投影系统采用本身具有发光功能的自发光图像源1作输出携带有图像信息的光线，并利用聚光透镜2、偏振分束器3以及曲面反光元件5进行配合使用，在一定程度上简化投影系统的光路结构，并减小投影光机的空间体积，进而减小使用该投影光机的AR显示设备的体积，有利于AR显示设备的小型化。

下面将对本申请中的投影系统的结构部件进行详细说明。

参考图1，对于自发光图像源1而言，其输出的光线是发散光线且是非偏振光，经过聚光透镜2汇聚后，入射至偏振分束器3，该偏振分束器3的分光面可以将非偏振光分成两束偏振方向相互垂直的线偏振光，一束线偏振光继续沿原光路的方向从分光面透射出射，另一束线偏振光在分光面反射出射，两束线偏振光从偏振分束器3相邻的两个表面出射。

为了最大程度上对偏振分束器3两个不同的表面出射的两束线偏振光全部进行利用，可以将偏振分束器3的两个不同的表面均设置曲面反光元件。

如图1所示，自发光图像源1的输出光线经过聚光透镜2进行一定程度的汇聚后，从偏振分束器3的第一表面31入射至偏振分束器3的分光面，该分光面对特定方向的偏振光反射，另一偏振方向的偏振光透射，进而实现对非偏振光的分光，形成两个偏振方向相互垂直的两束线偏振光。

设定该分光面反射的光线为第一线偏振光，透射的光线为第二线偏振光，第一线偏振光从该偏振分束器3的第二表面32出射，该偏振分束器的第二表面32一侧设置有第一偏振转换元件41，第一线偏振光从经过第一偏振转换元件41入射至第一曲面反光元件51，第一曲面反光元件51对该第一线偏振光产生一定程度的扩散，使得该第一线偏振光被转换为平行光束反射至第一偏振转换元件41，第一线偏振光在入射至第一曲面反光元件51前后两次经过第一偏振转换元件41，偏振方向发生90度变化后，再次从偏振分束器3的第二表面32入射至分光面，因此此时第一线偏振光的可以在偏振分束器3的分光面透射，最终从偏振分束器3的第四表面34出射。

对于第二线偏振光可以从偏振分束器3的第三表面33出射并经过第二偏振转换元件42入射至第二曲面反光元件52，由第二曲面反光元件52扩散后转换为平行光束后，再次经过第二偏振转换元件52，从偏振分束器3的第三表面33入射至分光面，因为第二线偏振光的偏振方向也发生了90度的转变，因此，在此入射至分光面后不再发生透射，而发生反射，最终和第一线偏振光合光从偏振分束器3的第四表面34出射。

考虑到从聚光透镜2入射到偏振分束器3的光束光斑越大，偏振分束器3接收该光束入射的第一表面31面积也就相应越大，进而导致偏振分束器3的体积也相应越大。

为了尽可能的减小偏振分束器31所占空间体积，在自发光图像源1和偏振分束器3之间的聚光透镜2可以选择能够将自发光图像源1输出的发散光调制转换为汇聚光的透镜组，进而在很大程度上减小入射到偏振分束器3的第一表面31的光束的光斑，相应地也能够在一定程度上减小偏振分束器3的尺寸。

因为经过偏振分束器3的第一表面31最终入射至曲面反光元件5表面的光束为汇聚光束，相应地，将该汇聚光束调制成平行光的曲面反光元件5就需要设置为凸面反射镜。

为了进一步地提升整个投影系统内部各个光学部件之间安装的紧凑性，偏振转换元件4可以为板状结构，贴合偏振分束器3的表面设置，而凸面反射镜可以采用表面镀有反光膜层的凹透镜，参考图1，该凸面反射镜正对偏振转换元件4的表面为平面，而背离该偏振转换元件4的表面为凹曲面，该凹曲面上设置有反射膜层，因为凸面反射镜和偏振转换元件4相邻的两个表面均为平面，因此该凸面反射镜可以直接贴合该偏振转换元件4相连接，实现偏振分束器3、偏振转换元件4以及凸面反射镜之间可以实现无间隙设置，在最大程度上保证了各个光学元件之间的紧凑性，并保证各个光学元件之间相对位置的稳定性，且便于安装。

当然，本申请中也并不排除聚光透镜2仅仅只是缩小自发光图像源1输出的发散光束的发散程度的实施例，可选地，若是聚光透镜2仅仅只是缩小自发光图像源1输出的光束的发散程度，那么入射到曲面反光元件5上的光束就依然为发散光束，此时曲面反光元件5就需要采用凹面反射镜。和上述实施例同理，对于凹面反射镜而言，也可以采用一面为平面另一面为设有反射膜层的凸曲面的凸透镜，实现光学元件的紧凑安装，对此不再重复说明。

可以理解的是，在实际应用过程中还可能存在聚光透镜2对自发光图像源1的光束由发散光束变为了汇聚光束，但是该汇聚光束的汇聚点是位于该光线入射至曲面反光元件5之前，也即是说该聚光透镜2将自发光图像源1的转换为汇聚光束后，该汇聚光束随着光路的传输先汇聚成最小的光斑点后，又由最小的光斑点向外扩散，重新变为发散光束后，才入射至曲面反光元件5，这种情况下，曲面反光元件5仍然采用凹面反射镜，凹面反射镜的设置方式可以和上述实施例相同，在此不再赘述。

本申请还提供了一种AR显示设备的实施例，该AR显示设备中可以包含如上任意一个实施例所述的投影系统，该投影系统可以输出携带有投影图像的投影光线入射至AR显示设备的波导中，由波导将该投影光线导入人眼，使得使用者既可以观看到投影图像，又能够透过波导观看到现实环境中的景物。

本申请中的投影系统的结构紧凑，占用空间小，进而在很大程度上减小了AR显示设备的体积，有利于AR显示设备的小型化发展。

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”或者其任何其他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，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种投影系统，其特征在于，包括自发光图像源，设置在所述自发光图像源的输出光路上的聚光透镜；设置在所述聚光透镜的输出光路上的偏振分束器，设置在所述偏振分束器的输出光路上的偏振转换元件，设置在所述偏振转换元件出射光路上的曲面反光元件；

其中，所述聚光透镜用于对所述自发光图像源输出的发散光线进行汇聚，并将汇聚后的光线入射至所述偏振分束器；所述偏振分束器用于将入射的光线向所述偏振转换元件输出，并经过所述偏振转换元件透射入射至所述曲面反光元件；

所述曲面反光元件用于将经过所述偏振转换元件入射的光线转换为平行光并反射至所述偏振转换元件，经过所述偏振分束器输出；

所述偏振转换元件用于将两次透射所述偏振转换元件的偏振光的偏振方向改变90度。

2.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述偏振分束器的第一表面为所述聚光透镜输出光线的入射面；

所述偏振转换元件包括设于所述偏振分束器的第二表面出射光路的第一偏振转换元件和设于所述偏振分束器的第三表面出射光路的第二偏振转换元件；

所述曲面反射元件包括设置在所述第一偏振转换元件背离所述偏振分束器的一侧的第一曲面反射元件，和设置在所述第二偏振转换元件背离所述偏振分束器一侧的第二曲面反射元件。

3.如权利要求1或2所述的投影系统，其特征在于，所述聚光透镜用于将所述自发光图像源输出的发散光束转换为汇聚光束；

所述曲面反光元件为凸曲面反光元件。

4.如权利要求3所述的投影系统，其特征在于，所述凸面反射镜为一侧为平面另一侧为凹曲面的凹透镜，且所述凹透镜的凹曲面设有反光膜层；

两个所述偏振转换元件分别贴合所述偏振分束器的第一表面和第二表面设置，两个所述凹透镜的平面表面分别贴合两个所述偏振转换元件设置。

5.如权利要求1或2所述的投影系统，其特征在于，所述聚光透镜用于将所述自发光图像源输出的发散光束转换为发散度更小的发散光束，所述曲面反光元件为凹曲面反光元件。

6.如权利要求5所述的投影系统，其特征在于，所述凹面反射镜为一侧为平面另一侧为凸曲面的凸透镜，且所述凸透镜的凸曲面上设置有反光膜层；

两个所述偏振转换元件分别贴合所述偏振分束器的第一表面和第二表面设置，两个所述凸透镜的平面表面分别贴合两个所述偏振转换元件设置。

7.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述偏振转换元件为1/4波片或相位延迟器。

8.如权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述自发光图像源为microLED、OLED、LCD中的任意一种图像源。

9.一种AR显示设备，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的投影系统。

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