CN111830719A - 照明装置和增强现实显示设备 - Google Patents

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CN111830719A CN202010789497.5A CN202010789497A CN111830719A CN 111830719 A CN111830719 A CN 111830719A CN 202010789497 A CN202010789497 A CN 202010789497A CN 111830719 A CN111830719 A CN 111830719A
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Abstract

本公开是关于一种照明装置和增强现实显示设备，照明装置，包括：照明光源、棱镜、匀光元件、分光元件和微显示器；所述照明光源，用于发光；所述棱镜，紧贴所述照明光源，用于将所述照明光源射出的光线全反射传播至所述匀光元件；所述匀光元件，设置在所述棱镜和所述分光元件之间，用于将射入的光线变成均匀光，并出射至所述分光元件；所述分光元件，设置在所述匀光元件和所述微显示器之间，用于使射入的均匀光出射至所述微显示器；所述微显示器，用于将射入的均匀光调制后出射。通过该技术方案，可以同时兼顾光效利用率和照明装置的生产成本。

Description

照明装置和增强现实显示设备
技术领域
本公开涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种照明装置和增强现实显示设备。
背景技术
在增强现实近眼显示领域，使用的微显示器主要有Lcos、OLED、DLP、Micro-LED、激光投影。这些屏幕中，Lcos(反射式硅基液晶)因为其高亮度及高分辨率成为很多厂商的首选。然而Lcos作为微显示器它无法自发光，必须要用LED来设计额外的照明光路。
现技术利用Lcos做AR显示的原理如下：LED相当于一个点光源，球面光经过透镜组(透镜数≥2)被准直和匀光后照射到PBS中反射到Lcos上使其得到照明光，再经过Lcos调制后反射出射。
然而现技术存在一些问题：照明系统中的透镜组使得照明系统体积较大；为了使近眼显示光机的体积和质量降低，照明系统中的透镜需要做到很小很薄，这又增加了工艺难度，使得成本居高不下。同时由于体积原因LED光受到透镜组通光孔径问题，光效浪费较大。
后来利用菲涅尔透镜来代替传统光学元件，使得照明系统结构更加紧凑、轻便，照射均匀性也有所高。用高精度的菲涅尔透镜取代传统透镜确实能够降低光机的重量和体积，但是高精度菲涅尔透镜的成本却又更高。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种照明装置和增强现实显示设备，以实现同时兼顾光效利用率和照明装置的生产成本。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种应用于增强现实显示的照明装置，包括：照明光源、棱镜、匀光元件、分光元件和微显示器；
所述照明光源，用于发光；
所述棱镜，紧贴所述照明光源，用于将所述照明光源射出的光线全反射传播至所述匀光元件；
所述匀光元件，设置在所述棱镜和所述分光元件之间，用于将射入的光线变成均匀光，并出射至所述分光元件；
所述分光元件，设置在所述匀光元件和所述微显示器之间，用于使射入的均匀光出射至所述微显示器；
所述微显示器，用于将射入的均匀光调制后出射。
在一个实施例中，优选地，还包括：
珊片，设置在所述匀光元件和所述分光元件之间，用于遮挡所述匀光元件出射的扩展方向的大于预设角度的光线。
在一个实施例中，优选地，所述珊片包括多个交替叠放的吸光片和反光片。
在一个实施例中，优选地，所述吸光片和所述反光片的上表面和下表面均平行设置，所述吸光片的上表面和下表面为黑色吸光面，所述反光片的内表面为镜面。其中反光片的内表面是指和与其相邻的反光片相对的面。
在一个实施例中，优选地，所述吸光片的厚度与吸光片的宽度比为预设值，所述预设值根据所述预设角度进行设置。
在一个实施例中，优选地，所述吸光片和所述反光片包括以下任一项：金属片、塑料片和玻璃片，所述吸光片的厚度小于所述反光片的厚度。
在一个实施例中，优选地，所述棱镜为长方体棱镜。
在一个实施例中，优选地，所述分光元件包括偏振分光棱镜。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种增强现实显示设备，包括：
上述第一方面任一项所述的波导显示装置。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明实施例中，利用棱镜替代现有技术中的透镜组，棱镜和匀光元件解决了匀光的问题，成本较低，同时可以提高光效利用率。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1和图2示出了相关技术中照明装置的结构示意图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种照明装置的结构示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的一种照明光源的照明光路细节图。
图5是根据一示例性实施例示出的另一种照明装置的结构示意图。
图6是根据一示例性实施例示出的一种珊片结构示意图。
图7是根据一示例性实施例示出的一种珊片的光线吸收原理示意图。
图8是根据一示例性实施例示出的照明装置的光学仿真示意图。
图9是根据一示例性实施例示出的照明装置的实验展示示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
现有技术利用Lcos做AR显示的原理如图1所示，其主要过程为：
LED相当于一个点光源，球面光经过透镜组(透镜数≥2)被准直和匀光后照射到PBS中反射到Lcos上使其得到照明光，再经过Lcos调制后反射出射。
然而现有技术存在一些问题：照明系统中的透镜组使得照明系统体积较大；为了使近眼显示光机的体积和质量降低，照明系统中的透镜需要做到很小很薄，这又增加了工艺难度，使得成本居高不下。同时由于体积原因LED光受到透镜组通光孔径问题，光效浪费较大。
后来对透镜组进行优化，如图2所示，照明装置包括：照明光源1、衍射菲涅尔透镜2、匀光衍射光学元件3、照明分光器4和微显示器5；所述照明光源1发出光，依次经过所述衍射菲涅尔透镜2、所述匀光衍射光学元件3、所述照明分光器4和微显示器5。衍射菲涅尔透镜2包括第一衍射菲涅尔透镜21和第二衍射菲涅尔透镜22，照明光源1依次经过第一衍射菲涅尔透镜21、第二衍射菲涅尔透镜22和匀光衍射光学元件3。即利用菲涅尔透镜来代替传统光学元件，使得照明系统结构更加紧凑、轻便，照射均匀性也有所高。但是用高精度的菲涅尔透镜取代传统透镜确实能够降低光机的重量和体积，但是高精度菲涅尔透镜的成本却又更高。
因此，为了解决上述技术问题，提出了本发明的照明装置。
图3是根据一示例性实施例示出的一种照明装置的结构示意图，如图3所示，照明装置，包括：照明光源31、棱镜32、匀光元件33、分光元件34和微显示器35；
所述照明光源31，用于发光；
所述棱镜32，紧贴所述照明光源，用于将所述照明光源射出的光线全反射传播至所述匀光元件；
在一个实施例中，优选地，所述棱镜为长方体棱镜。
所述匀光元件33，设置在所述棱镜和所述分光元件之间，用于将射入的光线变成均匀光，并出射至所述分光元件；
所述分光元件34，设置在所述匀光元件和所述微显示器之间，用于使射入的均匀光出射至所述微显示器；在一个实施例中，优选地，所述分光元件包括偏振分光棱镜。
所述微显示器35，用于将射入的均匀光调制后出射。
在该实施例中，将长方体棱镜紧贴LED，使得LED发出的光入射到棱镜中，如下图3所示。由于棱镜的折射率n相对空气而言属于光密介质，因此当LED发出的角度为θ的入射光进入棱镜后的折射角即为
Figure BDA0002623251080000051
Figure BDA0002623251080000052
光进入棱镜后将会在棱镜内部发生全反射往后传播，此时的入射角θ”与θ’互余，因此有：
Figure BDA0002623251080000053
因为入射角θ”与θ’互余，所以
Figure BDA0002623251080000054
假设用的棱镜材料为H-K9L，其折射率n为1.52，那么：θ”≥41.14°，θ’≤48.86°，由于θ取值为[-90°,90°]，因此根据公式可得θ’最大为41.14°，满足θ’≤48.86°的要求，因此LED发出的所有光将在长方体棱镜中全反射，大大提高了LED的光效，具体可参考图4。
LED发出的光为球面光，经过长方体棱镜传播后出射到匀光元件后将变成均匀光，此刻匀光元件类似于一个均匀的面光源。
本发明利用一个长方体棱镜和匀光片元件解决了匀光的问题，成本较低。
如图5所示，在一个实施例中，优选地，还包括：
珊片51，设置在所述匀光元件33和所述分光元件34之间，用于遮挡所述匀光元件33出射的扩展方向的大于预设角度的光线。
如图6所示，在一个实施例中，优选地，所述珊片51包括多个交替叠放的吸光片61和反光片62。
在一个实施例中，优选地，所述吸光片和所述反光片的上表面和下表面均平行设置，所述吸光片的上表面和下表面为黑色吸光面，所述反光片的内表面为镜面。
在一个实施例中，优选地，所述吸光片的厚度与吸光片的宽度比为预设值，所述预设值根据所述预设角度进行设置。
在一个实施例中，优选地，所述吸光片和所述反光片包括以下任一项：金属片、塑料片和玻璃片，所述吸光片的厚度小于所述反光片的厚度，且所述吸光片的硬度大于所述反光片的硬度。
具体的，吸光片可以使用厚度为0.1mm的发黑锰钢片，反光片可以使用厚度为0.5毫米的不锈钢片交替叠放组合而成，锈钢片的宽度为3mm，并且表面设置成镜面。其作用是挡住匀光片上发出的扩展方向的大角度光线，原理如图7所示：图中为宽度为3mm的锰钢片，做了发黑处理，当大角度的光线入射到锰钢片上将被吸收，
Figure BDA0002623251080000061
α＞10°的光将都会被吸收。
本发明通过上述技术方案，将大大减小透镜的生产成本，同时提高LED的光效利用率，上述照明装置的光学仿真图和实验展示图如图8和图9所示，光学仿真亮度均匀，且实验验证显示图像亮度均匀，无杂散光，清晰度良好。
基于相同的构思，本公开实施例还提供一种增强现实显示设备，包括上述技术方案中任意一项所述的波导显示装置。增强现实显示设备可以是AR眼镜或AR头盔等设备。
进一步可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种应用于增强现实显示的照明装置，其特征在于，包括：照明光源、棱镜、匀光元件、分光元件和微显示器；
所述照明光源，用于发光；
所述棱镜，紧贴所述照明光源，用于将所述照明光源射出的光线全反射传播至所述匀光元件；
所述匀光元件，设置在所述棱镜和所述分光元件之间，用于将射入的光线变成均匀光，并出射至所述分光元件；
所述分光元件，设置在所述匀光元件和所述微显示器之间，用于使射入的均匀光出射至所述微显示器；
所述微显示器，用于将射入的均匀光调制后出射。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，还包括：
珊片，设置在所述匀光元件和所述分光元件之间，用于遮挡所述匀光元件出射的扩展方向的大于预设角度的光线。
3.根据权利要求2所述的照明装置，其特征在于，所述珊片包括多个交替叠放的吸光片和反光片。
4.根据权利要求3所述的照明装置，其特征在于，所述吸光片和所述反光片的上表面和下表面均平行设置，所述吸光片的上表面和下表面为黑色吸光面，所述反光片的内表面为镜面。
5.根据权利要求3所述的照明装置，其特征在于，所述吸光片的厚度与吸光片的宽度比为预设值，所述预设值根据所述预设角度进行设置。
6.根据权利要求3所述的照明装置，其特征在于，所述吸光片和所述反光片包括以下任一项：金属片、塑料片和玻璃片，所述吸光片的厚度小于所述反光片的厚度。
7.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述棱镜为长方体棱镜。
8.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述分光元件包括偏振分光棱镜。
9.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括：
如权利要求1至8中任一项所述的照明装置。
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