CN113126299A - 一种投影光机和头戴式智能设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种投影光机和头戴式智能设备，该投影光机包括：光源系统，用于发出偏振光；偏振分光器件，设置在光源系统与成像中继复用系统之间，且偏振分光器件的放置位置与光源系统的出光方向呈预设的倾斜角度，预设的倾斜角度为45±20度；成像中继复用系统，设置在偏振分光器件与显示器件之间，且成像中继复用系统的光轴垂直于显示器件的像面；显示器件，用于对成像中继复用系统会聚的光线进行反射，反射光线与射入到显示器件的光线的偏振方向相差90度；反射光线经过成像中继复用系统准直后第二次经过偏振分光器件射出。通过共用光学零部件得到结构简洁紧凑、零部件少、成本更低的增强现实投影光机。

Description

一种投影光机和头戴式智能设备

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种投影光机和头戴式智能设备。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，简称AR)是一种把虚拟世界的图像和现实世界的场景有机融合在一起的技术，可将虚拟信息叠加在真实世界，在各行各业有广泛的应用。目前实现增强现实的设备包括手机、平板电脑等手持设备以及智能眼镜等头戴式增强现实显示设备，头戴式增强现实显示设备由于无需手持，具备解放双手的特性，较其他设备具有明显的优势，也是目前的主要发展方向。

为了实现将虚拟信息叠加在真实世界中，要求头戴式增强现实显示设备的光结合器具有较高的透明度，波导镜片因其透明度高且极其轻薄，是头戴式增强现实显示设备中光结合器的理想选择。目前市场上用于AR头戴式增强现实显示设备一般由波导镜片和投影光机两部分组成，其中投影光机多沿用传统投影仪的构架，由光源系统、中继系统、微显示器件(如硅基液晶，Liquid Crystal on Silicon，简称LCOS)、成像系统组成，导致增大了投影光机的体积，限制结构布局，进而影响最终头戴式增强现实显示设备的形态，使之无法接近正常眼镜；且零部件较多，导致结构复杂，也增加制造、装配过程中的困难。

上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种投影光机和头戴式智能设备，解决现有技术中投影光机结构复杂，体积大的问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明一方面提供一种投影光机，包括：光源系统、偏振分光器件、成像中继复用系统和显示器件；

所述光源系统用于发出偏振光；

所述偏振分光器件设置在所述光源系统与所述成像中继复用系统之间，且所述偏振分光器件的放置位置与所述光源系统的出光方向呈预设的倾斜角度；

所述成像中继复用系统设置在所述偏振分光器件与所述显示器件之间，且所述成像中继复用系统的光轴垂直于所述显示器件的像面；

所述显示器件用于对所述成像中继复用系统会聚的光线进行反射，反射光线与射入到所述显示器件的光线的偏振方向相差90度；

其中反射光线经过所述成像中继复用系统准直后第二次经过所述偏振分光器件射出。

在本发明的一种示例性实施例中，所述光源系统发出的偏振光的偏振方向与所述偏振分光器件的透光方向一致。

在本发明的一种示例性实施例中，所述偏振分光器件为偏振分光平板或偏振分光棱镜。

在本发明的一种示例性实施例中，所述投影光机沿着所述成像中继复用系统的光轴方向上包括第一端和第二端，其中所述第一端位于所述显示器件一侧，所述第二端位于所述光源系统一侧。

在本发明的一种示例性实施例中，还包括：

偏振片，设置在所述偏振分光器件与所述投影光机的出口之间。

在本发明的一种示例性实施例中，所述光源系统发出的偏振光的偏振方向与所述偏振分光器件的反射方向一致。

在本发明的一种示例性实施例中，所述偏振分光器件为偏振分光棱镜或偏振分光平板。

在本发明的一种示例性实施例中，所述投影光机沿着所述成像中继复用系统的光轴方向上包括第一端和第二端，其中所述第一端位于所述显示器件一侧，所述第二端位于所述偏振分光器件第二次射出光线的一侧。

在本发明的一种示例性实施例中，还包括：

相位补偿片，设置在所述成像中继复用系统与所述显示器件之间。

本发明另一方面还提供一种头戴式智能设备，包括：

以上所述的投影光机，用于投射含有虚拟画面的光线；以及

波导镜片，用于对含有虚拟画面的光线进行光学处理得到虚拟画面的图像。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：提供一种投影光机和头戴式智能设备，一方面，让成像系统担负成像和会聚照明光的双重功能，将中继系统与成像系统进行整合形成成像中继复用系统，通过共用光学零部件，可以大大缩减投影光机的体积，得到结构简洁紧凑、零部件少、成本更低的增强现实投影光机；另一方面，由于投影光机整机体积缩小，扩大产品的适用范围。

附图说明

图1为本发明相关实施例中提供的增强现实显示设备的成像原理示意图；

图2为本发明相关实施例中提供的一种增强现实显示设备的组成示意图；

图3为本发明提供的一种投影光机的示意图；

图4为本发明实施例一提供的投影光机的结构示意图；

图5为本发明实施例二提供的投影光机的结构示意图；

图6为本发明实施例三提供的投影光机的结构示意图。

附图标记说明：

101、投影光机；102、波导镜片；103、人眼；1011、光源系统；1012、中继系统；1013、偏振分光器件；1014、LCOS微显示器件；1015、成像系统；1016、转折棱镜；1017、相位补偿片；

30、投影光机；31、光源系统；32、偏振分光器件；33、成像中继复用系统；34、显示器件；

201a/201b、投影光机；2011、光源系统；2012、偏振分光平板；2013、成像中继复用系统；2014、出口偏振片；2015、偏振分光棱镜；1014、LCOS微显示器件；

301、投影光机；3011、光源系统；3013、成像中继复用系统；3014、偏振分光棱镜；1014、LCOS微显示器件。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1为本发明相关实施例中提供的增强现实显示设备的成像原理示意图，其中以波导镜片作为光学融合器的增强现实显示设备。如图1所示，增强现实显示设备由波导镜片102和投影光机101两部分组成，光线转换过程为：投影光机101用于生成一定视场的虚拟画面并投射出携带虚拟画面的光线至波导镜片102的耦入区域，波导镜片102的耦入区域通过衍射反射等将携带虚拟画面的光耦入波导镜片102，扩展投影光机101的出瞳并将投影光机101产生的虚拟画面传送至人眼103。但是为了提高头戴式增强现实显示设备的佩戴舒适度且外观能够接近常规眼镜，对投影光机101的体积、重量、结构布局等方面提出更严格的要求；同时因为光波导镜片102，特别是进行二维出瞳扩展的光波导镜片光能利用率较低，要求投影光机101输出图像具备较高的亮度，使图像经过波导镜片102传输后仍具备较高的亮度，因此投影光机101多采用反射式的显示器件，如LCOS(硅基液晶)、DLP(数字光处理)，需要额外配备照明模块对显示器件进行照明。

图2为本发明相关实施例中提供的一种增强现实显示设备的组成示意图，如图2所示，以基于LCOS(硅基液晶)显示器件的AR投影光机为例，沿用传统投影仪的构架，投影光机101由光源系统1011、中继系统1012、偏振分光器件1013、微显示器件1014(如硅基液晶Liquid Crystal on Silicon，简称LCOS)、成像系统1015、转折棱镜1016等六部分组成，其中偏振分光器件1013包括偏振分光棱镜、偏振分光平板等。光源系统1011发出偏振的光线经中继系统1012会聚后，再通过偏振分光器件1013反射后到达LCOS微显示器件1014，经LCOS微显示器件1014反射后偏振态发生变化，透过偏振分光器件1013然后经成像系统1015后，通过转折棱镜1016出瞳后进入波导镜片102。另外，还可以在LCOS微显示器件1014和成像系统1015之间还可以设置有相位补偿片1017，用于改善对比度。可见，在上述头戴式增强现实显示设备中仅投影光机就占用较大体积且结构复杂。

基于上述，本发明提供一种结构紧凑的投影光机，可以适用于智能眼镜等轻薄的头戴式虚拟现实显示设备。

图3为本发明提供的一种投影光机的示意图，如图3所示，该投影光机30包括：光源系统31、偏振分光器件32、成像中继复用系统33和显示器件34。

光源系统31用于发出偏振光；

偏振分光器件32设置在光源系统31与成像中继复用系统33之间，且偏振分光器件32的放置位置与光源系统31的出光方向呈预设的倾斜角度；

成像中继复用系统33设置在偏振分光器件32与显示器件34之间，且成像中继复用系统33的光轴垂直于显示器件34的像面；

显示器件34用于对成像中继复用系统33会聚的光线进行反射，反射光线与射入到显示器件34的光线的偏振方向相差90度；

其中反射光线经过成像中继复用系统33准直后第二次经过偏振分光器件32射出。

基于上述，成像系统和中继系统共用光学零部件，使得投影光机的结构简洁紧凑、零部件少、成本更低，适用范围更广，特别是可以适用于智能眼镜等体积小、便携带的增强现实显示设备。

在本发明的一种示例性实施例中，所述光源系统31也是照明系统，可采用常规投影光机里的照明系统，发光源可以是LED、激光或其他发光源，还可包括准直透镜、TIR(全反射透镜)、二向色镜、复眼透镜、匀光棒等光学零部件中的一种或几种或全部。

在本发明的一种示例性实施例中，根据投影光机具体结构的不同，光源系统31发出的偏振光也不同，偏振光的偏振方向与偏振分光器件的透光方向一致或者与反射方向一致。

在本发明的一种示例性实施例中，当偏振光的偏振方向与偏振分光器件的透光方向一致时，偏振分光器件32为偏振分光平板或偏振分光棱镜；当光源系统发出的偏振光的偏振方向与偏振分光器件32的反射方向一致时，偏振分光器件32为偏振分光棱镜。

在本发明的一种示例性实施例中，偏振分光器件32放置预设的倾斜角度可以为45度，或45度附近其他角度，比如预设的倾斜角度的范围在45°±20度。在本发明的一种示例性实施例中，与光源系统31所发出的偏振光的偏振方向不同，投影光机中的组成结构沿着成像中继复用系统33的光轴方向也有不同，具体的：当偏振光的偏振方向与偏振分光器件32的透光方向一致时，沿着成像中继复用系统33的光轴方向上包括第一端和第二端，其中第一端位于显示器件34一侧，第二端位于光源系统31一侧；当偏振光的偏振方向与偏振分光器件32的反射方向一致时，投影光机沿着成像中继复用系统3的光轴方向上包括第一端和第二端，其中第一端位于显示器件34一侧，第二端位于偏振分光器件32第二次射出光线的一侧。

在本发明的一种示例性实施例中，当偏振光的偏振方向与偏振分光器件的透光方向一致时，投影光机中还包括：偏振片，设置在偏振分光器件与投影光机的出口之间，即反射光线经过偏振分光器件反射后射入到偏振片中之后再从投影光机的出光口射出。

在本发明的一种示例性实施例中，成像中继复用系统即是图2中的成像系统和中继系统共用光学零部件组成的一个复用系统，以节省整体体积大小，结构紧凑，降低成本。

在本发明的一种示例性实施例中，显示器件34可以为LCOS微显示器件，用于对射入的偏振光线进行反射并将偏振反向旋转90度后射出。

在本发明的一种示例性实施例中，成像中继复用系统33与显示器件34之间的距离小于成像中继复用系统与偏振分光器件之间的距离。

在本发明的一种示例性实施例中，投影光机中还包括：相位补偿片，设置在成像中继复用系统与显示器件之间，可以改善对比度。

以下结合几个实施例对投影光机的具体结构进行介绍：

实施例一

图4为本发明实施例一提供的投影光机的结构示意图，如图4所示，投影光机201a由光源系统2011、偏振分光平板2012、成像中继复用系统2013、LCOS微显示器件1014和出口偏振片2014组成。投影光机201a的两端分别为LCOS微显示器件1014和光源系统2011，成像中继复用系统2013靠近LCOS微显示器件1014且光轴基本垂直于LCOS微显示器件1014像面。本实施例中的偏振分光器件采用偏振分光平板，偏振分光平板2012位于成像中继复用系统2013和光源系统2011之间并倾斜约45°放置，也为45°附近的其他角度，比如45°±20°范围内的其他角度。出口偏振片2014位于光线出射位置，且透光方向与平板偏振分光器件2012反射方向一致。

该投影光机的光线转换过程为：由光源系统2011向偏振分光平板2012出射偏振光，偏振光的偏振方向与平板偏振分光平板2012的透光方向一致因而透过偏振分光平板2012向成像中继复用系统2013前进，经成像中继复用系统2013会聚后到达LCOS微显示器件1014并反射、偏振方向旋转90°后再次通过成像中继复用系统2013并准直后到达平板偏振分光器件2012，因为此时光线的偏振方向与偏振分光器件2012的反射方向一致，因此光线被反射向出口偏振片2014，并透过出口偏振片2014出射。另外，如图4所示，在LCOS微显示器件1014和成像中继复用系统3013之间一般还可添加相位补偿片2016，用于改善对比度。

实施例二

图5为本发明实施例二提供的投影光机的结构示意图，如图5所示，与实施例一不同，本实施例中的偏振分光平板2012可替换为偏振分光棱镜2015。投影光机201b由光源系统2011、偏振分光棱镜2015、成像中继复用系统2013、LCOS微显示器件1014和出口偏振片2014组成。投影光机的两端分别为LCOS微显示器件1014和光源系统2011，成像中继复用系统2013靠近LCOS微显示器件1014且光轴基本垂直于LCOS微显示器件1014像面，偏振分光棱镜2015位于成像中继复用系统2013和光源系统2011之间并放置使偏振分光面倾斜约45°，也可为45°附近的其他角度，比如45°±20°范围内的其他角度；出口偏振片2014位于光线出射位置，且透光方向与偏振分光棱镜2015反射方向一致。

该投影光机的光线转换过程为：由光源系统2011向偏振分光棱镜2015出射偏振光，偏振光的偏振方向与偏振分光棱镜2015的透光方向一致因而透过偏振分光棱镜2015向成像中继复用系统2013前进，经成像中继复用系统2013会聚后到达LCOS微显示器件1014并反射、偏振方向旋转90°后再次通过成像中继复用系统2013并准直后到达偏振分光棱镜2015，因为此时光线的偏振方向与偏振分光棱镜2015的反射方向一致，故光线被反射向偏振片2014，并透过出口偏振片2014出射。在LCOS微显示器件1014和成像中继复用系统3013之间一般还可添加相位补偿片2016，用于改善对比度。

实施例三

图6为本发明实施例三提供的投影光机的结构示意图，与实施例一和实施例二均不同，本实施例中光源系统发出的偏振光的偏振方向与偏振分光器件的反射方向一致，此时偏振分光器件选用偏振分光棱镜或偏振分光平板。如图6所示，投影光机301由光源系统3011、偏振分光棱镜3014、成像中继复用系统3013、LCOS微显示器件1014组成；投影光机的两端分别为LCOS微显示器件1014和光线出射端，成像中继复用系统3013靠近LCOS微显示器件1014且光轴基本垂直于LCOS微显示器件1014像面，偏振分光棱镜3014位于成像中继复用系统2013和光线出射端之间，放置时偏振分光面倾斜约45°，也可为45°附近的其他角度，比如45°±20°范围内的其他角度；光源系统3011对着偏振分光棱镜3014的另一面。

该投影光机的光线转换过程为：由光源系统3011向偏振分光棱镜3014出射偏振光，偏振光的偏振方向与偏振分光棱镜3014的反射光方向一致，因而偏振分光棱镜3014反射光线向成像中继复用系统3013前进，经成像中继复用系统3013会聚后到达LCOS微显示器件1014并反射、偏振方向旋转90°后再次通过成像中继复用系统3013并准直后到达偏振分光棱镜3014，因为此时光线的偏振方向与偏振分光棱镜3014的透过方向一致，透过偏振分光棱镜3014出射。同样，在LCOS微显示器件1014和成像中继复用系统3013之间一般还可添加相位补偿片2016，用于改善对比度。

综上所述，采用本发明实施例提供的一种投影光机，具有以下效果：

一方面，让成像系统担负成像和会聚照明光的双重功能，将中继系统与成像系统进行整合形成一个成像中继复用系统，通过共用光学零部件，可以大大缩减投影光机的体积，得到结构简洁紧凑、零部件少、成本更低的增强现实投影光机；另一方面，由于投影光机整机体积缩小，可以扩大产品的适用范围。

基于上述，本发明还提供一种头戴式智能设备，包括：

以上所述的投影光机，用于投射含有虚拟画面的光线；以及

波导镜片，用于对含有虚拟画面的光线进行光学处理得到虚拟画面的图像。

例如，该头戴式智能设备可以为AR智能眼镜。

在本发明的描述中，需要理解的是，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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

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；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。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种投影光机，其特征在于，包括：光源系统、偏振分光器件、成像中继复用系统和显示器件；

所述光源系统用于发出偏振光；

所述偏振分光器件设置在所述光源系统与所述成像中继复用系统之间，且所述偏振分光器件的放置位置与所述光源系统的出光方向呈预设的倾斜角度；

所述成像中继复用系统设置在所述偏振分光器件与所述显示器件之间，且所述成像中继复用系统的光轴垂直于所述显示器件的像面；

所述显示器件用于对所述成像中继复用系统会聚的光线进行反射，反射光线与射入到所述显示器件的光线的偏振方向相差90度；

其中反射光线经过所述成像中继复用系统准直后第二次经过所述偏振分光器件射出。

2.如权利要求1所述的投影光机，其特征在于，所述光源系统发出的偏振光的偏振方向与所述偏振分光器件的透光方向一致。

3.如权利要求2所述的投影光机，其特征在于，所述偏振分光器件为偏振分光平板或偏振分光棱镜。

4.如权利要求3所述的投影光机，其特征在于，所述投影光机沿着所述成像中继复用系统的光轴方向上包括第一端和第二端，其中所述第一端位于所述显示器件一侧，所述第二端位于所述光源系统一侧。

5.如权利要求4所述的投影光机，其特征在于，还包括：

偏振片，设置在所述偏振分光器件与所述投影光机的出口之间。

6.如权利要求1所述的投影光机，其特征在于，所述光源系统发出的偏振光的偏振方向与所述偏振分光器件的反射方向一致。

7.如权利要求6所述的投影光机，其特征在于，所述偏振分光器件为偏振分光棱镜或偏振分光平板。

8.如权利要求7所述的投影光机，其特征在于，所述投影光机沿着所述成像中继复用系统的光轴方向上包括第一端和第二端，其中所述第一端位于所述显示器件一侧，所述第二端位于所述偏振分光器件第二次射出光线的一侧。

9.如权利要求1-8中任一项所述的投影光机，其特征在于，还包括：

相位补偿片，设置在所述成像中继复用系统与所述显示器件之间。

10.一种头戴式智能设备，其特征在于，包括：

权利要求1-9中任一项所述的投影光机，用于投射含有虚拟画面的光线；以及

波导镜片，用于对含有虚拟画面的光线进行光学处理得到虚拟画面的图像。

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