CN114675481A - 一种光学投影系统以及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光学投影系统以及电子设备。所述光学投影系统包括：光源模组和投影模组；所述光源模组具有出光面；所述投影模组包括入射光瞳、光路处理组件和出射光瞳；所述出光面与所述入射光瞳相对设置，并且所述入射光瞳与所述出射光瞳具有共轭关系，所述光路处理组件用于接收从入射光瞳传输的第一光束，所述出射光瞳用于接收从所述光路处理组件传输的第二光束。

Description

一种光学投影系统以及电子设备

技术领域

本申请涉及光学设备技术领域，更具体地，本申请涉及一种光学投影系统以及电子设备。

背景技术

头戴式增强现实近眼显示装置是一种让使用者体验虚像与环境结合的显示应用装置。头戴式显示装置讲究舒适度，头戴式显示装置中投影系统的体积及重量即为决定头戴式显示装置舒适度的重要因素。

当投影系统在搭载LCoS显示屏使用时,因为LCoS显示屏为非自发光显示屏,需要附加光源模块提供光源,同时需要照明模块将光源模块产生的光线传导至LCoS显示屏,LCoS显示屏再反射带有显示资讯的光束至投影模块,经由投影模块的出射光瞳对接光波导片接续传导至使用者眼睛。

然而,现有投影系统的体积及重量均不能满足使用者要求，使用者在使用头戴式显示装置时并没有良好的舒适度体验。

发明内容

本申请的一个目的是提供一种光学投影系统以及电子设备新技术方案。

根据本申请实施例的第一方面，提供了一种光学投影系统。所述光学投影系统包括：光源模组和投影模组；

所述光源模组具有出光面；

所述投影模组包括入射光瞳、光路处理组件和出射光瞳；

所述出光面与所述入射光瞳相对设置，并且所述入射光瞳与所述出射光瞳具有共轭关系，所述光路处理组件用于接收从入射光瞳传输的第一光束，所述出射光瞳用于接收接收从所述光路处理组件传输的第二光束。

可选地，所述出光面具有第一直径尺寸，所述入射光瞳具有第二直径尺寸，所述出射光瞳具有第三直径尺寸，所述第一直径尺寸等于所述第二直径尺寸，所述第二直径尺寸等于所述第三直径尺寸。

可选地，所述光路处理组件包括偏振组件和透镜组件；

所述偏振组件位于所述入射光瞳一侧，所述偏振组件用于接收从入射光瞳传输的第一光束，并将所述第一光束传输至透镜组件。

可选地，所述偏振组件由两个直角三棱柱的斜面连接而成。

可选地，所述两个直角三棱柱包括第一直角三棱柱和第二直角三棱柱，所述第一直角三棱柱远离第二直角三棱柱的一侧面为入射面，所述第二直角三棱柱远离第一直角三棱柱的一侧面为出射面，所述入射面与所述出射面相互垂直；

所述入射光瞳位于所述入射面一侧，并与所述入射面之间的距离为第一距离，所述出射光瞳位于所述出射面一侧，并与所述出射面之间的距离为第二距离，所述第一距离与所述第二距离相等。

可选地，所述偏振组件包括第一聚光透镜群、第二聚光透镜群和偏振分光板，所述第一聚光透镜群位于所述入射光瞳与所述偏振分光板之间，所述第二聚光透镜群位于所述出射光瞳与所述偏振分光板之间。

可选地，所述入射光瞳至所述第一聚光透镜群的中心的距离为第三距离，所述出射光瞳至所述第二聚光透镜群的中心的距离第四距离，所述第三距离与所述第四距离相等；并且所述第一聚光透镜群的中心至所述偏振分光板的中心的距离为第五距离，所述第二聚光透镜群的中心至所述偏振分光板的中心的距离为第六距离，所述第五距离与所述第六距离相等。

可选地，所述第一聚光透镜群和第二聚光透镜群具有相等的光焦度。

可选地，所述光源模组包括光源、准直透镜群、反射镜群和微透镜阵列；所述光源发出所述第一光束，所述第一光束依次经过所述准直透镜群和所述反射镜群至所述微透镜阵列，所述微透镜阵列的出光面与所述入射光瞳相对设置。

可选地，所述光学模组包括光源，光积分柱和聚光透镜群；所述光源发出所述第一光束，所述第一光束经过所述光积分柱传输至所述聚光透镜群，所述聚光透镜群的出光面与入射光瞳相对设置。

可选地，所述光学投影系统还包括非自发光显示屏，所述非自发光显示屏用于接收所述投影模组传输的第一光束，并反射第一光束形成所述第二光束，所述第二光束经过所述投影模组传输至所述出射光瞳。

可选地，所述非自发光显示屏为LCoS显示屏。

根据本申请实施例的第二方面，提供了一种电子设备。所述电子设备包括如第一方面所述的光学投影系统。

在本申请实施例中，提供了一种光学投影系统，光学投影系统包括光源模组和投影模组，光源模组的出光面与投影模组的入射光瞳相对设置，同时投影模组的入射光瞳和出射光瞳具有共轭关系，使得光源模块能够直接耦合投影模块，避免使用照明模块将光源模块的光线传导至投影模块，缩小了光学投影系统的体积。

通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本申请的实施例，并且连同说明书一起用于解释本申请的原理。

图1所示为本申请光学投影系统的结构图一。

图2所示为本申请光学投影系统的结构图二。

图3所示为本申请光学投影系统的结构图三。

附图标记说明：

1、光源模组；10、出光面；11、光源；12、准直透镜群；13、反射镜群；14、微透镜阵列；15、光积分柱；16、聚光透镜群；

2、投影模组；21、入射光瞳；22、出射光瞳；23、光路处理组件；231、偏振组件；232、透镜组件；2311、第一直角三棱柱；2312、第二直角三棱柱；2313、第一聚光透镜群；2314、第二聚光透镜群；2315、偏振分光板；

3、非自发光显示屏；

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

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讨论。

本申请提供了一种光学投影系统，光学投影系统可以应用于头戴式显示设备、腕带式显示设备等电子设备中，当光学投影系统应用于电子设备中，能够降低电子设备的整体重量，以及缩小电子设备的体积。

参照图1-图3所示，光学投影系统包括：光源模组1和投影模组2；所述光源模组1具有出光面10；所述投影模组2包括入射光瞳21、光路处理组件23和出射光瞳22；所述出光面10与所述入射光瞳21相对设置，并且所述入射光瞳21与所述出射光瞳22具有共轭关系，所述光路处理组件23用于接收从入射光瞳21传输的第一光束，所述出射光瞳22用于接收从所述光路处理组件23传输的第二光束L2。其中第一光束包括无偏振态的第一光束L1,和具有第一偏振态的第一光束L3。

在该实施例中，光源模组1的出光面10与投影模组2的入射光瞳21相对设置，同时入射光瞳21的出射光瞳22关于投影模组2具有共轭关系，使得光源模组1发出的光线通过入射光瞳21直接进入投影模组2，光源模组1的光线进入投影模组2后，通过投影模组2继续传导至非自发光显示屏3，非自发光显示屏3将带有显示资讯的光束反射并第二次经过投影模组2到达出射光瞳22，进而进入到用户眼球。因此在本申请实施例中，第一光束为从光源模组1发出的光线，第二光束为非自发光显示屏3反射的光线。

在该实施例中，光源模组1的出光面10与投影模组2的入射光瞳21相对设置，同时入射光瞳21的出射光瞳22关于投影模组2具有共轭关系，相对于现有技术，本申请避免使用照明模组将光源模组1发出的光线传导至投影模组2，减少了光学元件数量，使得光学投影系统达到体积小、重量轻的效果。另外入射光瞳21与出射光瞳22的相对位置关系，影响了图像清晰度和亮度。本实施例光源模组1的出光面10与入射光瞳21的位置关系，以及限定入射光瞳21和出射光瞳22具有共轭关系，提升了图像清晰度、亮度。

在一个具体的实施例中，出射光瞳22和入射光瞳21可以是孔径光阑。

在一个实施例中，所述出光面10具有第一直径尺寸，所述入射光瞳21具有第二直径尺寸，所述出射光瞳22具有第三直径尺寸，所述第一直径尺寸等于所述第二直径尺寸，所述第二直径尺寸等于所述第三直径尺寸。

在该实施例中，出光面10的直径尺寸范围限定了光源模组1发出的光线范围。出射光瞳22和入射光瞳21具有限制成像光束和成像范围的作用。因此需要规范出光面10的尺寸、出射光瞳22的孔径尺寸和位置，以及入射光瞳21的孔径尺寸和位置,以确保投影质量。

为了同时提升成像画面的清晰度和亮度，本实施例限定出光面10的直径尺寸等于入射光瞳21的直径尺寸，以使光源模组1发出的光线能够很大程度的均传导至投影模组2；以及同时限定入射光瞳21的直径尺寸等于出射光瞳22的直径尺寸，以进一步提升成像质量。

在一个具体的实施例中，第一直径尺寸范围为：2mm-8mm，可选地，第一直径尺寸可以为：3mm、5mm。第二直径尺寸范围为：2mm-8mm，可选地，第二直径尺寸可以为：3mm、5mm。第三直径尺寸范围为：2mm-8mm，可选地，第三直径尺寸可以为：3mm、5mm。。

例如入射光瞳21和出射光瞳22均为孔径光阑，孔径光阑尺寸过大，投影模块投影的画面清晰度变差(模糊),孔径光阑尺寸过小,投影画面的亮度下降。为了同时提升成像画面的清晰度和亮度，本实施例将第一直径尺寸、第二直径尺寸和第三直径尺寸限定在此范围内。

在一个实施例中，参照图1-图3所示，所述光路处理组件23包括偏振组件231和透镜组件232；所述偏振组件231位于所述入射光瞳21一侧，所述偏振组件231用于接收从入射光瞳21传输的第一光束，并将所述第一光束传输至所述透镜组件232。

在该实施例中，光路处理组件23包括偏振组件231和透镜组件232，从光源模组1发出的第一光束L1直接传导至偏振组件231，经过偏振组件231的处理，以使具有第一偏振态的第一光束L3传到至透镜组件232，穿过透镜组件232的具有第一偏振态的第一光束L3传导至非自发光显示屏3，非自发光显示屏3将带有显示资讯的第二光束L2以第二偏振态的形式反射重回并第二次经过透镜组件232和偏振组件231到达出射光瞳22。

在该实施例中，由于偏振组件231位于入射光瞳21的一侧，以及入射光瞳21和出射光瞳22具有共轭关系，因此入射光瞳21和出射光瞳22对称的位于偏振组件231的两侧。例如入射光瞳21为第一孔径光阑，出射光瞳22为第二孔径光阑，第一孔径光阑和第二孔径光阑的相对位置存在偏差(即入射光瞳21和出射光瞳22并非对称的位于偏振组件231的两侧)，此时位置偏离误差就会成为制约最佳投影质量的因素。

在一个实施例中，参照图1和图3所示，所述偏振组件231由两个直角三棱柱的斜面连接而成。

在该实施例中，偏振组件231由两个直角三棱柱的斜面贴合而成，即偏振组件231为偏振分光棱镜。具体地，两个直角三棱柱的斜面的连接关系可以胶合连接，这样设置在不影响光束通过的情况下，实现了相邻部件之间的连接固定。

在一个实施例中，参照图1和图3所示，所述两个直角三棱柱包括第一直角三棱柱2311和第二直角三棱柱2312，所述第一直角三棱柱2311远离第二直角三棱柱2312的一侧面为入射面，所述第二直角三棱柱2312远离第一直角三棱柱2311的一侧面为出射面，所述入射面与所述出射面相互垂直；

所述入射光瞳21位于所述入射面一侧，并与与所述入射面之间的距离为第一距离，所述出射光瞳22位于所述出射面一侧，并与所述出射面之间的距离为第二距离，所述第一距离与所述第二距离相等。

在该实施例中，光源模组1发出的无偏振态的第一光束L1经过偏振分光棱镜反射成为具有第一偏振态的第一光束L3，具有第一偏振态的第一光束L3经过透镜组件232进入非自发光显示屏3。非自发光显示屏3将带有显示资讯的第二光束L2以第二偏振态形式反射重回并第二次经过透镜组件232和偏振分光棱镜到达出射光瞳22。

在该实施例中，入射光瞳21位于入射面的一侧，出射光瞳22位于出射面的一侧，由于入射面与出射面相互垂直，因此入射光瞳21与出射光瞳22的设置位置相互垂直，同时入射光瞳21距入射面的距离等于出射光瞳22距出射面的距离，也即入射光瞳21和出射光瞳22对称的设置在偏振分光棱镜的两侧，使得入射光瞳21和出射光瞳22具有共轭关系。

在该实施例中，光源模组1与偏振分光棱镜直接耦合,无需配置一照明模组，因此可减少光学元件数量,以缩小光学投影系统和减轻重量的效果。

在一个实施例中，参照图2所示，所述偏振组件231包括第一聚光透镜群2313、第二聚光透镜群2314和偏振分光板2315，所述第一聚光透镜群2313位于所述入射光瞳21与所述偏振分光板2315之间，所述第二聚光透镜群2314位于所述出射光瞳22与所述偏振分光板2315之间。

在该实施例中，光源模组1发出的无偏振态的第一光束L1经过第一聚光透镜群2313传导至偏振分光板2315，无偏振态的第一光束经过偏振分光板2315反射成为具有第一偏振态的第一光束L3，具有第一偏振态的第一光束经过透镜组件232进入非自发光显示屏3。非自发光显示屏3将带有显示资讯的第二光束L2以第二偏振态形式反射重回并第二次经过透镜组件232和偏振分光板2315到达第二聚光透镜群2314，第二聚光透镜群2314将其接收的光束传导至出射光瞳22。第一聚光透镜群2313包括至少一个聚光透镜。第二聚光透镜群2314包括至少一个聚光透镜。

在一个实施例中，参照图2所示，所述入射光瞳21距所述第一聚光透镜群2313的中心的距离为第三距离，所述出射光瞳22距所述第二聚光透镜群2314的中心的距离第四距离，所述第三距离与所述第四距离相等；并且所述第一聚光透镜群2313的中心至所述偏振分光板2315的中心的距离为第五距离，所述第二聚光透镜群2314的中心至所述偏振分光板2315的中心的距离为第六距离，所述第五距离与所述第六距离相等。

在该实施例中，限定了入射光瞳21至第一聚光透镜群2313的距离等于出射光瞳22至第二聚光透镜群2314的距离，同时限定了第一聚光透镜群2313的中心至偏振分光板2315的中心的距离，等于第二聚光透镜群2314的中心至偏振分光板2315的中心的距离，即入射光瞳21至第一聚光透镜群2313的中心的距离，等于出射光瞳22至第一聚光透镜群2313的中心的距离，也就是说，通过对光瞳对偏振分光板2315的距离限定，使得入射光瞳21和出射光瞳22对称的设置在了偏振分光板2315的两侧。当入射光瞳21和出射光瞳22对称的设置在了偏振分光板2315的两侧，入射光瞳21和出射光瞳22相对于偏振分光板2315具有共轭关系。

在该实施例中，光源模组1与第一聚光透镜群2313直接耦合,无需配置一照明模组，因此可减少光学元件数量,以缩小光学投影系统和减轻重量的效果。

在可选的实施例中，第一聚光透镜群和第二聚光透镜群具有相同或者相近的光焦度，使得出射光瞳和入射光瞳关于偏振分光板具有共轭关系。

在一个实施例中，参照图1所示，所述光源模组1包括光源11、准直透镜群12、反射镜群13和微透镜阵列14；所述光源11发出所述第一光束，所述第一光束依次经过所述准直透镜群12和所述反射镜群13至所述微透镜阵列14，所述微透镜阵列14的出光面10与所述入射光瞳21相对设置。

在该实施例中，光源11(例如光源11可以是LED)发射出一无偏振态的第一光束，无偏振态的第一光束经过准直透镜群12与反射镜群13群至微透镜阵列14，微透镜阵列14的出光面10与投影模组2的入射光瞳21相对设置并且近乎重叠，经微透镜阵列14的无偏振态第一光束经过偏振组件231反射成为具有第一偏振态的第一光束,具有第一偏振态的第一光束经过透镜组件232进入非自发光显示屏3，非自发光显示屏3将带有显示资讯的第二光束以第二偏振态反射重回并第二次经过透镜组件232和偏振

到达出射光瞳22。其中第一偏振态为S偏振态，第二偏振态为P偏振态。在该实施例中，反射镜群13包括至少一个反射镜。

在一个实施例中，参照图2所示，所述光学模组包括光源11，光积分柱15和聚光透镜群16；所述光源11发出所述第一光束，所述第一光束经过所述光积分柱15传输至所述聚光透镜群16，所述聚光透镜群16的出光面10与入射光瞳21相对设置。

在该实施例中，光学模组包括光源11，光积分柱15和聚光透镜群16。通过光积分柱15对光源11发出的光线进行均匀化处理。

在一个实施例中，所述光学投影系统还包括非自发光显示屏3，所述非自发光显示屏3用于接收所述投影模组2传输的第一光束，并反射第一光束形成所述第二光束，所述第二光束经过所述投影模组2传输至所述出射光瞳22。

具体地，当显示屏为自发光显示屏，则不需要光源模组1向显示屏传输光线。因此本实施例中光源模组1和投影模组2配合非自发光显示屏3一起使用。其中第一光束和第二光束的区别在于：非自发光显示屏3反射的第二光束携带了显示资讯。光源11发出的第一光束没有携带显示资讯。另外非自发光显示屏3用于接收投影模组2传输的第一光束，其中投影模组2传输的第一光束为具有第一偏振态的第一光束。非自发光显示屏3反射形成的第二光束为具有第二偏振态的第二光束。非自发光显示屏3接收的第一光束的偏振态与其发射的第二光束的偏振态不同，使得带有显示资讯的第二光束能够被偏振组件231透射传导至出射光瞳22。

在一个实施例中，所述非自发光显示屏3为LCoS显示屏。在该实施例中，LCoS显示屏可以改变光的偏振，能够使得LCoS显示屏发出的光束被偏振组件231所透射至出射光瞳22。

根据本申请实施例第二方面，提供了一种电子设备。所述电子设备包括如第一方面所述的光学投影系统。

在该实施例中，电子设备包括了上述的光学投影系统，缩小了电子设备的体积，以及降低了电子设备的重量。例如电子设备可以是智能眼镜。

上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

虽然已经通过示例对本申请的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。

Claims (13)

1.一种光学投影系统，其特征在于，所述光学投影系统包括：光源模组(1)和投影模组(2)；

所述光源模组(1)具有出光面(10)；

所述投影模组(2)包括入射光瞳(21)、光路处理组件(23)和出射光瞳(22)；

所述出光面(10)与所述入射光瞳(21)相对设置，并且所述入射光瞳(21)与所述出射光瞳(22)具有共轭关系，所述光路处理组件(23)用于接收从入射光瞳(21)传输的第一光束，所述出射光瞳(22)用于接收从所述光路处理组件(23)传输的第二光束。

2.根据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，所述出光面(10)具有第一直径尺寸，所述入射光瞳(21)具有第二直径尺寸，所述出射光瞳(22)具有第三直径尺寸，所述第一直径尺寸等于所述第二直径尺寸，所述第二直径尺寸等于所述第三直径尺寸。

3.根据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，所述光路处理组件(23)包括偏振组件(231)和透镜组件(232)；

所述偏振组件(231)位于所述入射光瞳(21)一侧，所述偏振组件(231)用于接收从入射光瞳(21)传输的第一光束，并将所述第一光束传输至所述透镜组件(232)。

4.根据权利要求3所述的光学投影系统，其特征在于，所述偏振组件(231)由两个直角三棱柱的斜面连接而成。

5.根据权利要求4所述的光学投影系统，其特征在于，所述两个直角三棱柱包括第一直角三棱柱(2311)和第二直角三棱柱(2312)，所述第一直角三棱柱(2311)远离第二直角三棱柱(2312)的一侧面为入射面，所述第二直角三棱柱2312远离第一直角三棱柱(2311)的一侧面为出射面，所述入射面与所述出射面相互垂直；

所述入射光瞳(21)位于所述入射面一侧，并与所述入射面之间的距离为第一距离，所述出射光瞳(22)位于所述出射面一侧，并与所述出射面之间的距离为第二距离，所述第一距离与所述第二距离相等。

6.根据权利要求3所述的光学投影系统，其特征在于，所述偏振组件(231)包括第一聚光透镜群(2313)、第二聚光透镜群(2314)和偏振分光板(2315)，所述第一聚光透镜群(2313)位于所述入射光瞳(21)与所述偏振分光板(2315)之间，所述第二聚光透镜群(2314)位于所述出射光瞳(22)与所述偏振分光板(2315)之间。

7.根据权利要求6所述的光学投影系统，其特征在于，所述入射光瞳(21)至所述第一聚光透镜群(2313)的中心的距离为第三距离，所述出射光瞳(22)至所述第二聚光透镜群(2314)的中心的距离第四距离，所述第三距离与所述第四距离相等；并且所述第一聚光透镜群(2313)的中心至所述偏振分光板(2315)的中心的距离为第五距离，所述第二聚光透镜群(2314)的中心至所述偏振分光板(2315)的中心的距离为第六距离，所述第五距离与所述第六距离相等。

8.根据权利要求6所述的光学投影系统，其特征在于，所述第一聚光透镜群(2313)和第二聚光透镜群(2314)具有相等的光焦度。

9.根据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，所述光源模组(1)包括光源(11)、准直透镜群(12)、反射镜群(13)和微透镜阵列(14)；所述光源(11)发出所述第一光束，所述第一光束依次经过所述准直透镜群(12)和所述反射镜群(13)至所述微透镜阵列(14)，所述微透镜阵列(14)的出光面与所述入射光瞳(21)相对设置。

10.根据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，所述光学模组包括光源(11)，光积分柱(15)和聚光透镜群(16)；所述光源(11)发出所述第一光束，所述第一光束经过所述光积分柱(15)传输至所述聚光透镜群(16)，所述聚光透镜群(16)的出光面与入射光瞳(21)相对设置。

11.根据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，所述光学投影系统还包括非自发光显示屏(3)，所述非自发光显示屏(3)用于接收所述投影模组(2)传输的第一光束，并反射第一光束形成所述第二光束，所述第二光束经过所述投影模组(2)传输至所述出射光瞳(22)。

12.根据权利要求11所述的光学投影系统，其特征在于，所述非自发光显示屏(3)为LCoS显示屏。

13.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1-12任一项所述的光学投影系统。

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