CN114167671B - 一种折衍式投影照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学投影技术领域，具体涉及一种折衍式投影照明系统，包括依次设置的光源模块、收光系统、匀光器件、反射镜、衍射光学元件、棱镜模块和镜头，收光系统用于将光源模块发出的光线进行准直并出射到匀光器件上，所述匀光器件的两个有效光学面上分别分布有微透镜阵列，且两个有效光学面上的微透镜阵列相互对称，光线经过匀光器件后入射到反射镜，经反射镜反射后入射到衍射光学元件，光线经衍射光学元件后出射到棱镜模块，经棱镜模块出射到芯片上，芯片接收到光线后形成图像光线并发射至棱镜模块，图像光线经由棱镜模块出射至镜头。本发明通过在匀光器件和棱镜模块之间设置衍射光学元件，有效缩短光程，减小体积，实现设备的微型化设计。

Description

一种折衍式投影照明系统

技术领域

本发明涉及光学投影技术领域，具体涉及一种折衍式投影照明系统。

背景技术

随着互联网的高速发展与普及，视频显示行业也由数字时代跨入了网络时代，向着网络化、高清化、智能化的方面发展。正因为如此，对电子信息产品的需求也发生了变化，平板电脑、智能手机、智能穿戴等产品就是在这种需求的推动下逐步发展成熟起来的。从目前的情况来看，移动智能产品必将在未来的几年成为电子产品市场的绝对主流，数字微型投影光机引擎会顺势在移动智能产品中得到广泛应用，光引擎产业将会迅猛发展。

传统的投影机需要远距离才可以实现大画面，因此用户需要很大的使用空间，所以很多会议室或者影音室都采用了吊装的方式，这样可以利用上部的空间，来实现大画面的输出。随着小户型格局空间的出现，以及大量小型化会议室的兴起、短焦技术的成熟，重量越来越轻、体积越来越小，透射比越来越低、操作越来越智能的各型微型投影发展势头强劲。

而现有的投影系统中，如中国专利公开号CN101257637B公开的显示装置及投影型照明装置，包括作为使从光源射出的光量可变的调光部，用由比图像显示用液晶面板的尺寸小的，与映像信号对应地对入射光的强度进行调制的液晶面板构成的光调制部，由投影部放大由光调制部根据映像信号对每个像素进行了调光的光束并投影在图像显示用液晶面板上，该投影型照明装置能够提高对比度的映像，但受光路限制，该投影型照明装置的尺寸偏大，无法适用于现行市场的小型化要求。

为此，本发明提供一种能够有效缩短光源和镜头之间光路长度，让装置能够实现小型化的折衍式投影照明系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种折衍式投影照明系统，利用收光系统对光源模块产生的光线进行收集并准直，保证匀光器件能够接收到全部的光能量，再利用匀光器件对光线进行整形和匀光，带来更均匀的环色彩和亮度，同时通过在匀光器件和棱镜模块之间设置衍射光学元件，有效缩短光程，减小体积，实现设备的微型化设计，满足现有市场需求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种折衍式投影照明系统，包括依次设置的光源模块、收光系统、匀光器件、反射镜、衍射光学元件、棱镜模块和镜头，所述收光系统用于将光源模块发出的光线进行准直并出射到匀光器件上，所述匀光器件的两个有效光学面上分别分布有微透镜阵列，且两个有效光学面上的微透镜阵列相互对称，光线经过匀光器件后经反射镜反射后入射到衍射光学元件，光线经衍射光学元件后出射到棱镜模块，光线经棱镜模块出射到芯片上，芯片接收到光线后形成图像光线并发射至棱镜模块，图像光线经由棱镜模块出射至镜头。利用收光系统对光源模块产生的光线进行收集并准直，保证匀光器件能够接收到全部的光能量，再利用匀光器件对光线进行整形和匀光，而后，通过在匀光器件和棱镜模块之间设置衍射光学元件，有效缩短光路长度，使得整个投影照明系统相较于普通系统，光路长度上能够缩短15％，使得相应的装置尺寸将进一步小型化；光线进入棱镜模块后，光线出射至芯片，芯片接收到光线后形成的图像光线发射出去，并传播至棱镜模块，再经由棱镜模块出射至镜头。在一个优选方案中，光线进入棱镜模块后，光线反射至芯片，芯片接收到光线后形成的图像光线发射出去，并传播至棱镜模块，再经由棱镜模块透射至镜头；在另一个优选方案中，光线进入棱镜模块后，光线透射至芯片，芯片接收到光线后形成的图像光线发射出去，并传播至棱镜模块，再经由棱镜模块反射至镜头。

进一步地，所述照明系统包括两个光源模块，收光系统包括两个聚焦透镜组和一个滤光片，第一光源模块和第二光源模块产生的光线分别通过聚焦透镜组入射到滤光片上，第一光源模块包括红色和蓝色光源，第二光源模块包括绿色光源，一个光源模块对应一个聚焦透镜组，且聚焦透镜组位于光源模块与滤光片之间。

进一步地，每个聚焦透镜组包括两个聚焦透镜。

进一步地，所述匀光器件为9*7眼的复眼匀光镜，眼间距为0.8mm。利用匀光器件将整个入射的宽光束分为多个细光束照明，且处于对称位置的细光束的相互叠加，使得每个细光束范围内的微小不均匀性获得补偿，有利于在光线的传播过程中，高效利用光能，同时极大提升出射光线的均匀度。优选地，匀光器件上的微透镜阵列，透镜为凸球面，球面半径为0.5～0.7mm。

进一步地，所述棱镜模块包括第一棱镜和第二棱镜，第一棱镜长边所在斜面和第二棱镜长边所在斜面相互靠近，且第一棱镜和第二棱镜长边所在斜面之间可以贴合在一起，也可以设置间隙。优选地，第一棱镜和第二棱镜长边所在斜面贴合在一起。

进一步地，所述第二棱镜为直角棱镜，第二棱镜的一个直角出射面与芯片对应设置，第二棱镜的另一个直角出射面与镜头对应设置。

进一步地，所述第一棱镜长边所在斜面和/或第二棱镜长边所在斜面上设置有偏振膜。

优选地，所述镜头位于偏振膜背对衍射光学元件的一侧。

进一步地，所述第二棱镜的截面分别为等腰直角三角形。

进一步地，所述匀光器件和反射镜之间设置有辅助透镜。

进一步地，所述照明系统还包括连接筒、调节组件和安装筒，所述镜头设置在连接筒的一端，连接筒的另一端通过调节组件与安装筒的一端连接，所述光源模块设置在安装筒的另一端，所述收光系统和匀光器件设置在安装筒内，所述反射镜与调节组件的内壁连接，所述衍射光学元件和棱镜模块分别与连接筒的内壁固定连接。

进一步地，所述连接筒和安装筒之间设置有连接件，连接筒通过连接件与安装筒可拆卸连接。

进一步地，所述光源模块为LED光源、纯激光光源或激光加色轮光源。

进一步地，所述安装筒内还设置有与光源模块对应的弧面罩。

进一步地，所述安装筒内设置有第一安装架和第二安装架，所述第一安装架用于安装固定收光系统，所述第二安装架用于安装固定匀光器件，所述连接筒内设置有第三安装架，所述第三安装架用于安装棱镜模块。

进一步地，所述芯片与连接筒内壁固定连接，所述衍射光学元件、棱镜模块和芯片之间相对位置固定。

进一步地，所述调节组件由橡胶内管和波纹管共同组成，橡胶内管的一侧内壁上设置有橡胶滑道，所述橡胶滑道延伸至连接筒，橡胶滑道的内壁上设有移动块，所述移动块与橡胶滑道滑动连接，安装管的内壁上固定连接该有固定块，反光镜的一端通过固定块与安装管内壁转动连接，反光镜的另一端通过移动块与橡胶滑道滑动连接。优选地，所述移动块与橡胶滑道配合部分为球形结构。

进一步地，所述照明系统包括第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，所述第一棱镜为直角棱镜，所述第一衍射光学元件靠近第一棱镜的一个直角入射面，第二衍射光学元件靠近第一棱镜的另一个直角入射面。优选地，所述第一衍射光学元件和第二衍射光学元件分别与连接筒内壁固定连接。优选地，第一棱镜的两个直角入射面呈凸型弧面设置而具有预定的曲率，使得入射光线能够全部聚集与偏振膜，以此提高光的亮度。

进一步地，所述橡胶滑道靠近镜头的一端设置有前限位件，橡胶滑道靠近安装筒的一端设置有后限位件，所述调节组件包括第一状态、第二状态和第三状态，在第一状态下，所述连接筒和安装筒同轴设置，移动块与前限位件抵接，匀光器件的出射光线经过第一衍射光学元件入射到棱镜模块中，反光镜与光路无交集；第二状态下，所述连接筒和安装筒相互垂直，移动块位于橡胶滑道的中部，匀光器件的出射光线经过第二衍射光学元件入射到棱镜模块中，反光镜与光路无交集；第三状态下，所述连接筒和安装筒相互平行，移动块与后限位件抵接，匀光器件的出射光线经过反光镜反射后，再通过第二衍射光学元件入射到棱镜模块中，反光镜与匀光器件的出射光线之间的夹角为45°。

进一步地，第一状态下，调节组件无弯折，连接筒通过连接件与安装筒连接固定；第二状态下，调节组件弯折90°，连接筒和安装筒相互垂直；第三状态下，调节组件弯折180°，连接筒和安装筒相互平行。在弯折135°时，移动块滑动至与后限位件抵接。

进一步地，所述固定块和移动块内侧分别设置有软质保护层，固定块和移动块分别通过软质保护层与反光镜连接。

本发明的有益效果是：本发明折衍式投影照明系统，利用收光系统对光源模块产生的光线进行收集并准直，保证匀光器件能够接收到全部的光能量，再利用匀光器件对光线进行整形和匀光，带来更均匀的环色彩和亮度，同时通过在匀光器件和棱镜模块之间设置衍射光学元件，有效缩短光程，减小体积，实现设备的微型化设计，满足现有市场需求。

附图说明

图1为本发明折衍式投影照明系统的光路示意图；

图2为本发明折衍式投影照明系统的结构示意图；

图3为本发明折衍式投影照明系统的剖视图；

图4为本发明折衍式投影照明系统在第二状态下的结构示意图；

图5为本发明折衍式投影照明系统在第三状态下的结构示意图；

图6为本发明反射镜的结构示意图；

图中，1、光源模块；2、收光系统；201、聚焦透镜；202、滤光片；3、匀光器件；4、反射镜；5、衍射光学元件；6、棱镜模块；7、镜头；8、芯片；9、连接筒；10、调节组件；11、安装筒；12、弧面罩；13、第一安装架；14、第三安装架；15、连接件；16、橡胶滑道；17、后限位件；18、移动块；19、固定块；20、橡胶内管。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1～6所示，一种折衍式投影照明系统，包括依次设置的光源模块1、收光系统2、匀光器件3、反射镜4、衍射光学元件5、棱镜模块6和镜头7，所述收光系统2用于将光源模块1发出的光线进行准直并出射到匀光器件3上，所述匀光器件3的两个有效光学面上分别分布有微透镜阵列，且两个有效光学面上的微透镜阵列相互对称，光线经过匀光器件3后入射到反射镜4，经反射镜4反射后入射到衍射光学元件5，光线仅衍射光学元件5后出射到棱镜模块6，经棱镜模块6出射到芯片8上，芯片8接收到光线后形成图像光线并发射至棱镜模块6，图像光线经由棱镜模块6出射至镜头7。利用收光系统2对光源模块1产生的光线进行收集并准直，保证匀光器件3能够接收到全部的光能量，再利用匀光器件3对光线进行整形和匀光，而后，通过在匀光器件3和棱镜模块6之间设置衍射光学元件5，有效缩短光路长度，使得整个投影照明系统相较于普通系统，光路长度上能够缩短15％，使得相应的装置尺寸将进一步小型化；光线进入棱镜模块6后，光线出射至芯片8，芯片8接收到光线后形成的图像会以P光或S光发射出去，并传播至棱镜模块6的偏振膜，再在偏振膜的反射下出射至镜头7。在一个优选方案中，光线进入棱镜模块6后，光线反射至芯片8，芯片8接收到光线后形成的图像光线发射出去，并传播至棱镜模块6，再经由棱镜模块6透射至镜头7；在另一个优选方案中，光线进入棱镜模块6后，光线透射至芯片8，芯片8接收到光线后形成的图像光线发射出去，并传播至棱镜模块6，再经由棱镜模块6反射至镜头7。

具体地，所述照明系统包括两个光源模块1，收光系统2包括两个聚焦透镜组和一个滤光片202，第一光源模块和第二光源模块产生的光线分别通过聚焦透镜组相互入射到滤光片202上，第一光源模块1包括红色和蓝色光源，第二光源模块1包括绿色光源，一个光源模块1对应一个聚焦透镜组，且聚焦透镜组位于光源模块1与滤光片202之间。

具体地，每个聚焦透镜组包括两个聚焦透镜201。

具体地，所述匀光器件3为9*7眼的复眼匀光镜，眼间距为0.8mm。利用匀光器件3将整个入射的宽光束分为多个细光束照明，且处于对称位置的细光束的相互叠加，使得每个细光束范围内的微小不均匀性获得补偿，有利于在光线的传播过程中，高效利用光能，同时极大提升出射光线的均匀度。优选地，匀光器件3上的微透镜阵列，透镜为凸球面，球面半径为0.5～0.7mm。

具体地，所述棱镜模块6包括第一棱镜和第二棱镜，第一棱镜长边所在斜面和第二棱镜长边所在斜面相互靠近，且第一棱镜和第二棱镜长边所在斜面之间可以贴合在一起，也可以设置间隙。优选地，第一棱镜和第二棱镜长边所在斜面贴合在一起。

具体地，所述第二棱镜为直角棱镜，第二棱镜的一个直角出射面与芯片8对应设置，第二棱镜的另一个直角出射面与镜头7对应设置。

具体地，所述第一棱镜长边所在斜面和/或第二棱镜长边所在斜面上设置有偏振膜。优选地，所述镜头7位于偏振膜背对衍射光学元件5的一侧。

具体地，所述第二棱镜的截面分别为等腰直角三角形。

具体地，所述匀光器件3和反射镜4之间设置有辅助透镜。

具体地，所述照明系统还包括连接筒9、调节组件10和安装筒11，所述镜头7设置在连接筒9的一端，连接筒9的另一端通过调节组件10与安装筒11的一端连接，所述光源模块1设置在安装筒11的另一端，所述收光系统2和匀光器件3设置在安装筒11内，所述反射镜4与调节组件10的内壁连接，所述衍射光学元件5和棱镜模块6分别与连接筒9的内壁固定连接。

具体地，所述连接筒9和安装筒11之间设置有连接件15，连接筒9通过连接件15与安装筒11可拆卸连接。

具体地，所述光源模块1为LED光源、纯激光光源或激光加色轮光源。

具体地，所述安装筒11内还设置有与光源模块1对应的弧面罩12。

具体地，所述安装筒11内设置有第一安装架13和第二安装架，所述第一安装架13用于安装固定收光系统2，所述第二安装架用于安装固定匀光器件3，所述连接筒9内设置有第三安装架14，所述第三安装架14用于安装棱镜模块6。

具体地，所述芯片8与连接筒9内壁固定连接，所述衍射光学元件5、棱镜模块6和芯片8之间相对位置固定。

具体地，所述调节组件10由橡胶内管20和波纹管共同组成，橡胶内管20的一侧内壁上设置有橡胶滑道16，所述橡胶滑道16延伸至连接筒9，橡胶滑道16的内壁上设有移动块18，所述移动块18与橡胶滑道16滑动连接，安装管11的内壁上固定连接该有固定块19，反光镜4的一端通过固定块19与安装管11内壁转动连接，反光镜4的另一端通过移动块18与橡胶滑道16滑动连接。优选地，所述移动块18与橡胶滑道16配合部分为球形结构。

具体地，所述照明系统包括第一衍射光学元件501和第二衍射光学元件502，所述第一棱镜为直角棱镜，所述第一衍射光学元件501靠近第一棱镜的一个直角入射面，第二衍射光学元件502靠近第一棱镜的另一个直角入射面。优选地，所述第一衍射光学元件501和第二衍射光学元件502分别与连接筒9内壁固定连接。优选地，第一棱镜的两个直角入射面呈凸型弧面设置而具有预定的曲率，使得入射光线能够全部聚集与偏振膜，以此提高光的亮度。

具体地，所述橡胶滑道16靠近镜头7的一端设置有前限位件，橡胶滑道16靠近安装筒11的一端设置有后限位件17，所述调节组件10包括第一状态、第二状态和第三状态，在第一状态下，所述连接筒9和安装筒11同轴设置，移动块18与前限位件抵接，匀光器件3的出射光线经过第一衍射光学元件501入射到棱镜模块6中，反光镜4与光路无交集；第二状态下，所述连接筒9和安装筒11相互垂直，移动块18位于橡胶滑道16的中部，匀光器件3的出射光线经过第二衍射光学元件502入射到棱镜模块6中，反光镜4与光路无交集；第三状态下，所述连接筒9和安装筒11相互平行，移动块18与后限位件17抵接，匀光器件3的出射光线经过反光镜4反射后，再通过第二衍射光学元件502入射到棱镜模块6中，反光镜4与匀光器件3的出射光线之间的夹角为45°。

具体地，第一状态下，调节组件10无弯折，连接筒9通过连接件15与安装筒11连接固定；第二状态下，调节组件10弯折90°，连接筒9和安装筒11相互垂直；第三状态下，调节组件10弯折180°，连接筒9和安装筒11相互平行。在弯折135°时，移动块18滑动至与后限位件17抵接。在将投影照明系统应用到可折叠的设备上时，如AR智能眼镜，为方便适用于不同的适用习惯，减小投影照明系统对人体面部空间的挤占，通过将光路系统做出调整，让光路系统具备三个工作状态，在第一工作状态下，连接筒9和安装筒11同轴设置，移动块18与前限位件抵接，匀光器件3的出射光线经过第一衍射光学元件501入射到棱镜模块6中，反光镜4与光路无交集，此时，光源模块1产生光线，利用收光系统2对光源模块1产生的光线进行收集并准直，保证匀光器件3能够接收到全部的光能量，再利用匀光器件3对光线进行整形和匀光，通过第一衍射光学元件501入射到棱镜模块6，光线进入棱镜模块6后，光线出射至芯片8，芯片8接收到光线后形成的图像再发射至棱镜模块6，在棱镜模块6的偏振膜的反射下出射至镜头7；在第二工作状态下，连接筒9和安装筒11相互垂直，移动块18位于橡胶滑道16的中部，匀光器件3的出射光线经过第二衍射光学元件502入射到棱镜模块6中，反光镜4与光路无交集，此时，光源模块1产生光线，利用收光系统2对光源模块1产生的光线进行收集并准直，保证匀光器件3能够接收到全部的光能量，再利用匀光器件3对光线进行整形和匀光，通过第二衍射光学元件502入射到棱镜模块6，光线进入棱镜模块6后，光线出射至芯片8，芯片8接收到光线后形成的图像再发射至棱镜模块6，在棱镜模块6的偏振膜的反射下出射至镜头7；而在第三工作状态下，所述连接筒9和安装筒11相互平行，移动块18与后限位件17抵接，匀光器件3的出射光线经过反光镜4反射后，再通过第二衍射光学元件502入射到棱镜模块6中，此时，光源模块1产生光线，利用收光系统2对光源模块1产生的光线进行收集并准直，保证匀光器件3能够接收到全部的光能量，再利用匀光器件3对光线进行整形和匀光，经过反射镜4反射后，再通过第二衍射光学元件502入射到棱镜模块6，光线进入棱镜模块6后，光线出射至芯片8，芯片8接收到光线后形成的图像再发射至棱镜模块6，在棱镜模块6的偏振膜的反射下出射至镜头7，实现设备在不同折叠状态下都能够正常进行投影照明工作，提高智能眼镜的佩戴舒适度，满足市场多样化、个性需求。

具体地，所述固定块19和移动块18内侧分别设置有软质保护层，固定块19和移动块18分别通过软质保护层与反光镜4连接。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种折衍式投影照明系统，其特征在于，包括依次设置的光源模块、收光系统、匀光器件、反射镜、衍射光学元件、棱镜模块和镜头，所述收光系统用于将光源模块发出的光线进行准直并出射到匀光器件上，所述匀光器件的两个有效光学面上分别分布有微透镜阵列，且两个有效光学面上的微透镜阵列相互对称，光线经过匀光器件后入射到反射镜，经反射镜反射后入射到衍射光学元件，光线经衍射光学元件后出射到棱镜模块，经棱镜模块出射到芯片上，芯片接收到光线后形成图像光线并发射至棱镜模块，图像光线经由棱镜模块出射至镜头；

其中，调节组件由橡胶内管和波纹管共同组成，橡胶内管的一侧内壁上设置有橡胶滑道，橡胶滑道延伸至连接筒，橡胶滑道的内壁上设有移动块，移动块与橡胶滑道滑动连接，安装管的内壁上固定连接有固定块，反光镜的一端通过固定块与安装管内壁转动连接，反光镜的另一端通过移动块与橡胶滑道滑动连接，移动块与橡胶滑道配合部分为球形结构；

其中，所述棱镜模块包括第一棱镜和第二棱镜，第一棱镜长边所在斜面和第二棱镜长边所在斜面相互贴合；所述第一棱镜和第二棱镜均为直角棱镜，第二棱镜的一个直角出射面与芯片对应设置，第二棱镜的另一个直角出射面与镜头对应设置；

其中，所述匀光器件为9*7眼的复眼匀光镜，眼间距为0.8mm，利用匀光器件将整个入射的宽光束分为多个细光束照明，且处于对称位置的细光束相互叠加；

其中，衍射光学元件包括第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，所述第一衍射光学元件靠近第一棱镜的一个直角入射面，第二衍射光学元件靠近第一棱镜的另一个直角入射面；第一棱镜的两个直角入射面呈凸型弧面设置而具有预定的曲率，使得入射光线能够全部聚集于偏振膜。

2.根据权利要求1所述的一种折衍式投影照明系统，其特征在于，所述照明系统包括两个光源模块，收光系统包括两个聚焦透镜组和一个滤光片，第一光源模块和第二光源模块产生的光线分别通过聚焦透镜组入射到滤光片上，第一光源模块包括红色和蓝色光源，第二光源模块包括绿色光源，一个光源模块对应一个聚焦透镜组，且聚焦透镜组位于光源模块与滤光片之间。

3.根据权利要求1所述的一种折衍式投影照明系统，其特征在于，每个聚焦透镜组包括两个聚焦透镜。

4.根据权利要求1所述的一种折衍式投影照明系统，其特征在于，所述第一棱镜长边所在斜面和/或第二棱镜长边所在斜面上设置有偏振膜。

5.根据权利要求1所述的一种折衍式投影照明系统，其特征在于，所述第二棱镜的截面分别为等腰直角三角形。

6.根据权利要求1所述的一种折衍式投影照明系统，其特征在于，所述匀光器件和反射镜之间设置有辅助透镜。