CN115598904A - 偏振折反式微投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明主要提供一种偏振折反式微投影系统，所述偏振折反式微投影系统包括至少一偏振回收系统、一第一偏振片、一第一1/4波片、一部分透射部分反射元件、一第二1/4波片、一第二偏振片以及多个透镜，其中所述偏振回收系统、所述第一偏振片、所述第一1/4波片、所述部分透射部分反射元件、所述第二1/4波片以及所述第二偏振片被依次排列并分别被设置于不同的所述透镜的表面，从而提高对光线的使用率。本发明所述的偏振折反式微投影系统及微投影装置能够减少所使用的透镜数量，从而减少微投影系统或微投影装置的重量，以实现微投影装置及微投影系统的微型化。

Description

偏振折反式微投影系统

技术领域

本发明属于光学元件领域，具体而言，本发明涉及一种用于增强现实显示设备的偏振折反式微投影系统及微投影装置。

背景技术

增强现实(AR)显示系统常包括：微投影系统和光波导系统，光波导系统又分为：衍射光波导、几何阵列光波导，将微投影系统中投射出的信息通过光波导传递到人眼中。衍射光波导通常为包含微结构的透明玻璃片，其系统的体积通常小于几何阵列光波导系统的体积，使得其产品形态易于被消费者所接受，使得衍射光波导AR系统的使用范围远远大于阵列光波导；相应的，也应尽可能地减小微投影系统的体积，与衍射光波导系统相匹配，使增强现实系统整体实现小型化。

微投影机构常被用于将显示屏中的图像内容投射到衍射波导片的耦入区域。其光学系统的体积决定着其能否用于更多的产品形态，目前现有的投影机构体积较大，难以被集成到小体积的眼镜框架等产品中，解决佩戴舒适性与美观性的问题，使用偏振折反式投影机构即可迎刃而解。

微投影系统也有多种实现方案：

①基于Micro-OLED的AR显示方案(由于其发光亮度的局限，与其适配的近眼显示光学系统一般为光学效率高、光路简单的折反式光路，其中最为常见的是棱镜系统和Birdbath光学系统，且FOV小、易遮挡视线)。

②基于LCOS/DMD的AR显示光路(由于显示芯片不能自主发光，故需照明光学系统进行照明，造成系统体积较大)。

③基于Micro-LED的AR显示方案(具有高亮度的巨大优势，故其可适用于更接近眼镜形态的阵列/衍射波导的入眼显示光路)。但Micro-LED光源的发散角比较大，难以与投影系统的NA角进行匹配，造成光能的浪费，所以，当投影系统的NA角尽可能地增大，就可以接收到更多的Micro-LED的光能。

Micro-LED光源发散角与强度分布的关系如图4所示：

而图5为当发散角为±5°--±30°时，与光强传输效率的关系，光源发散角对应微投影系统设计中的像方NA角，NA角越大，投影机构能接收到越多的光能量，传输效率越高。偏振折反式投影系统能够在系统总长更短的条件下得到较大的视场角，使系统在小体积的状态下得到大的NA角，提高传输效率。

其中投影机构的主要参数包括：焦距、视场角(FOV)、孔径、入瞳大小、屏幕/显示器尺寸、NA角等。以良好的成像质量、更小的口径和长度为优化目标。

目前常见的投影机构为透射式投影机构，其镜片数量较多、系统总长较长、口径较大，导致系统体积大，难以集成到较小型的产品中，实现实际产品应用。

发明内容

本发明的一个优势在于提供一种偏振折反式微投影系统及微投影装置，其中所述偏振折反式微投影系统及微投影装置相对于现有技术中的投影系统和投影设备而言，体积小、重量轻、像质优良，因此能够实现投影设备及增强现实系统的微型化，从而促进其消费品化，以适应市场需求。

本发明的一个优势在于提供一种偏振折反式微投影系统及微投影装置，其中所述偏振折反式微投影系统及微投影装置能够减少所使用的透镜数量，从而减少微投影系统或微投影装置的重量，以实现微投影装置及微投影系统的微型化。

本发明的一个优势在于提供一种偏振折反式微投影系统及微投影装置，其中所述偏振折反式微投影系统及微投影装置能够缩短光路，并且能在其总长更短、有效口径更小以及体积更小的情况下得到更大的视场角和更佳的成像质量，从而适用于短焦距、大视场的微投影系统和微投影装置。

本发明的一个优势在于提供一种偏振折反式微投影系统及微投影装置，其中所述偏振折反式微投影系统及微投影装置能够解决目前增强现实显示系统中对于光机系统小型化的使用需求，使增强现实显示系统更易于集成到各个设备上，且根据美观性，从而提高用户的使用体验感。

为达上述至少一发明优势，本发明提供一种偏振折反式微投影系统，所述偏振折反式微投影系统包括至少一偏振回收系统、一第一偏振片、一第一1/4波片、一部分透射部分反射元件、一第二1/4波片、一第二偏振片以及多个透镜，其中所述偏振回收系统、所述第一偏振片、所述第一1/4波片、所述部分透射部分反射元件、所述第二1/4波片以及所述第二偏振片被依次排列并分别被设置于不同的所述透镜的表面，从而提高对光线的使用率。

在其中一些实施例中，所述多个透镜包括一第一透镜、一第二透镜和一第三透镜，所述第二透镜被设置于所述第一透镜和所述第三透镜之间，所述部分透射部分反射元件被设置于所述第三透镜和所述偏振回收系统之间，所述第二偏振片和所述第二1/4波片被设置为膜层并分别被附着于所述第二透镜的两侧表面，所述第一1/4波片和所述第一偏振片也被设置为膜层，并依次被设置于所述部分透射部分反射元件的表面。

在其中一些实施例中，所述多个透镜包括一第一透镜、一第二透镜和一第三透镜，所述第二透镜被设置于所述第一透镜和所述第三透镜之间，所述部分透射部分反射元件被设置于所述第三透镜和所述偏振回收系统之间，所述第二偏振片和所述第二1/4波片分别被设置为膜层且分别被附着于所述第一透镜的两侧表面，所述第一1/4波片和所述第一偏振片也被设置为膜层，并被依次附着于所述部分透射部分反射元件的表面。

在其中一些实施例中，所述透镜包括一第一透镜、一第二透镜和一第三透镜，所述第二透镜被设置于所述第一透镜和所述第三透镜之间，所述部分透射部分反射元件被设置于所述第三透镜和所述偏振回收系统之间，所述第二偏振片和所述第二1/4波片被设置为膜层并分别被附着于所述第三透镜的两侧表面，所述第一1/4波片和所述第一偏振片也被设置为膜层，且被依次附着于所述部分透射部分反射元件的表面。

在其中一些实施例中，所述多个透镜包括一第一透镜、一第二透镜和一第三透镜，所述第二透镜被设置于所述第一透镜和所述第三透镜之间，所述部分透射部分反射元件被设置于所述第三透镜和所述偏振回收系统之间，所述第二偏振片和所述第二1/4波片分别被设置为膜层且分别被附着于所述第二透镜的左右两侧表面，所述部分透射部分反射元件也被设置为膜层并被附着于所述第三透镜的左侧表面，所述第一1/4波片也被设置为膜层并被附着于所述第三透镜的右侧表面。

在其中一些实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的表面包括球面和非球面，其中非球面公式为：

其中，c为表面曲率；k为圆锥系数；

x和y为非球面表面上一点的坐标；α为多次项系数。

在其中一些实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的表面包括平面或曲面，所述第一偏振片和所述第二偏振片能够被附着于所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的表面。

在其中一些实施例中，所述偏振折反式微投影系统被设置于一光瞳和一投影光源之间，以使所述投影光源出射的光线经过所述偏振折反式微投影系统并被所述偏振折反式微投影系统作用后到达所述光瞳，其中所述投影光源为主动发光屏幕。

在其中一些实施例中，所述投影光源为Micro-led或Micro-OLED。

在其中一些实施例中，所述光瞳至所述第一透镜之间的距离d的范围为0.1mm-10mm。

在其中一些实施例中，所述光瞳至所述第一透镜之间的距离d为1mm。

在其中一些实施例中，所述偏振折反式微投影系统的焦距f范围为1.1mm-14.3mm。

在其中一些实施例中，所述偏振折反式微投影系统的焦距f为4.5mm。

在其中一些实施例中，所述偏振折反式微投影系统的入瞳直径D的范围为2mm-5mm。

在其中一些实施例中，所述偏振折反式微投影系统的入瞳直径D为3mm。

在其中一些实施例中，所述偏振折反式微投影系统的入瞳直径D与焦距f之间的关系为：

的比值值范围为0.17-0.91。

本发明进一步提供一种偏振折反式微投影系统，用于使一光线通过所述偏振折反式微投影系统成像于一投影光源，所述偏振折反式微投影系统包括一第一透射表面、一第二透射表面、一偏振反射表面、一第三透射表面、一第四透射表面、一第五透射表面、一部分透射部分反射表面以及一第六透射表面，其中所述第一透射表面、所述第二透射表面、所述偏振反射表面、所述第三透射表面、所述第四透射表面、所述第五透射表面、所述部分透射部分反射表面以及所述第六透射表面依次排列，以使所述光线能够依次进入所述第一透射表面、所述第二透射表面、所述偏振反射表面、所述第三透射表面、所述第四透射表面、所述第五透射表面以及所述部分透射部分反射表面并在所述部分透射部分反射表面发生反射，再依次透射进入所述第五透射表面、所述第四透射表面、所述第三透射表面和所述偏振反射表面，并在所述偏振反射表面上再次发生反射，之后依次透射经过所述第三透射表面、所述第四透射表面、所述第五透射表面、所述部分透射部分反射表面以及所述第六透射表面，最后成像于所述投影光源。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，以及说明书附图得以充分体现。

附图说明

图1为现有技术中透射式微投影机构的结构示意图。

图2为本发明所述的偏振折反式微投影系统的结构示意图。

图3为图2中所述的偏振折反式微投影系统中各器件的结构和光路示意图。

图4为图2中所述的偏振折反式微投影系统中光源发散角与强度分布的分布示意图。

图5为图2中所述的偏振折反式微投影系统中发散角与传输效率之间的关系示意图。

图6为本发明所述的偏振折反式微投影系统的第一实施例的结构示意图。

图7为图6中所述的偏振折反式微投影系统的光路示意图。

图8为图6中所述的偏振折反式微投影系统的MTF图。

图9为图6中所述的偏振折反式微投影系统的畸变图。

图10为图6中所述的偏振折反式微投影系统的场曲图。

图11为图6中所述的偏振折反式微投影系统的相对照度图。

图12为本发明所述的偏振折反式微投影系统的第二实施例的结构示意图。

图13为图12中所述的偏振折反式微投影系统的光路示意图。

图14为图12中所述的偏振折反式微投影系统的MTF图。

图15为图12中所述的偏振折反式微投影系统的畸变图。

图16为图12中所述的偏振折反式微投影系统的场曲图。

图17为图12中所述的偏振折反式微投影系统的相对照度图。

图18为本发明所述的偏振折反式微投影系统的第三实施例的结构示意图。

图19为图18中所述的偏振折反式微投影系统的光路示意图。

图20为图18中所述的偏振折反式微投影系统的MTF图。

图21为图18中所述的偏振折反式微投影系统的畸变图。

图22为图18中所述的偏振折反式微投影系统的场曲图。

图23为图18中所述的偏振折反式微投影系统的相对照度图。

图24为本发明所述的偏振折反式微投影系统的第四实施例的结构示意图。

图25为图24中所述的偏振折反式微投影系统的光路示意图。

图26为图24中所述的偏振折反式微投影系统的MTF图。

图27为图24中所述的偏振折反式微投影系统的畸变图。

图28为图24中所述的偏振折反式微投影系统的场曲图。

图29为图24中所述的偏振折反式微投影系统的相对照度图。

图30为本发明所述的偏振折反式微投影装置的第一实施例的立体结构示意图。

图31为图30中所述的偏振折反式微投影装置与一波导片耦合在一起的立体结构示意图。

图32为图30中的偏振折反式微投影装置的第一实施例的应用示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

如图6至图32所示，本发明提供一种偏振折反式微投影系统10，如图2至图5所示，所述偏振折反式微投影系统10包括多个透镜、一偏振回收系统19、一第一偏振片18、一第一1/4波片17、一部分透射部分反射元件16、一第二1/4波片15以及一第二偏振片14，其中所述偏振回收系统19、所述第一偏振片18、所述第一1/4波片17、所述部分透射部分反射元件16、所述第二1/4波片15以及所述第二偏振片14依次排列并分别被设置于不同的所述透镜的表面，从而提高对光线的使用率。

详细而言，如图6至图11所示，在本发明所述的偏振折反式微投影系统10的第一实施例中，所述偏振折反式微投影系统10包括一第一透镜11、所述第二偏振片14、一第二透镜12、所述第二1/4波片15、一第三透镜13、所述部分透射部分反射元件16、所述第一1/4波片17、所述第一偏振片18以及所述偏振回收系统19，其中所述第二透镜12被设置于所述第一透镜11和所述第三透镜13之间，所述部分透射部分反射元件16被设置于所述第三透镜13和所述偏振回收系统19之间，所述第二偏振片14和所述第二1/4波片15为膜层，并分别被附着于所述第二透镜12的两侧，所述第一1/4波片17和所述第一偏振片18也被设置为膜层，并依次被设置于所述部分透射部分反射元件16的表面。

如图7所示，为本发明所述的偏振折反式微投影系统10的光路示意图。所述偏振折反式微投影系统10被设置于光瞳30和一投影光源20之间，所述偏振回收系统19首先将所述投影光源20发出的自然光转化为线偏光，由于线偏光分为S光和P光，其中P光穿透，S光反射，所述偏振回收系统19能够使反射的S光再转化为P光透光，通过多次的反射使透过的P光的量增大，从而达到偏振回收的目的，从而提高本发明所述的偏振折反式微投影系统对光的利用率，进而提升本发明所述的偏振折反式微投影系统10的工作效率。

如图7至图11所示，从所述偏振回收系统19出来的光线经过所述第一偏振片18后，被所述第一偏振片18转化为偏振态为单一的P光；再经过所述第一1/4波片17后将光线转化为圆偏振光并从所述部分透射部分反射元件16透射；透射后的光线到达所述第二1/4波片15后被转化为线偏振光并透射，在所述第二偏振片14的表面被反射，光线的方向被改变；之后，再经过所述第二1/4波片15后光线被转化为圆偏振光并从所述第二1/4波片15透射，光线再到达所述部分透射部分反射元件16的表面并被所述部分透射部分反射元件16的表面反射，光线方向再次被改变；之后光线被透射至所述第二1/4波片15后转化为振动方向改变的线偏光，并到达所述光瞳30。

换言之，如图2所示，在所述偏振折反式微投影系统的第一实施例中，所述第一透镜11的左右两个表面分别为一第一透射表面1001和一第二透射表面1002，所述第二偏振片14和所述第二1/4波片15分别使所述第二透镜12的左右两个表面形成一偏振反射表面1003和一第三透射表面1004，所述第三透镜13的左右两个表面分别为一第四透射表面1005和一第五透射表面1006，所述部分透射部分反射元件16、所述第一1/4波片17和所述第一偏振片18分别被设置于所述偏振回收系统19的左侧表面并使所述偏振回收系统19的左侧表面形成一部分透射部分反射表面1007，所述偏振回收系统19的右侧形成一第六透射表面1008。

在设计中，光线能够依次进入所述第一透射表面1001、所述第二透射表面1002、所述偏振反射表面1003、所述第三透射表面1004、所述第四透射表面1005、所述第五透射表面1006以及所述部分透射部分反射表面1007并在所述部分透射部分反射表面1007发生反射，再依次透射进入所述第五透射表面1006、所述第四透射表面1005、所述第三透射表面1004和所述偏振反射表面1003，并在所述偏振反射表面1003上再次发生反射，之后依次透射经过所述第三透射表面1004、所述第四透射表面1005、所述第五透射表面1006、所述部分透射部分反射表面1007以及所述第六透射表面1008，最后成像于所述投影光源20。反之亦然。

在本发明上述偏振折反式微投影系统10中，光线从所述投影光源20经过所述偏振折反式微投影系统10并到达所述光瞳30时，进入所述光瞳30的入瞳直径为3mm，视场角为40°，焦距为4.5mm，使用的Micro-LED40屏幕对角线尺寸为0.13英寸，分辨率为640*480，有效区域大小为2.64*2mm，像素尺寸为4um。

所述偏振折反式微投影系统10的最大有效孔径小于4.5mm，总长为5.3mm，畸变为0.4861％，MTF在125lp/mm处接近衍射极限。

在本发明所述的偏振折反式微投影系统10的第一实施例中，由于从所述投影光源20中出来的光首先就被所述偏振回收系统19进行了偏振回收，从而提高了所述偏振折反式微投影系统10的整体传输效率。

如图12至图17所示，为本发明所述的偏振折反式微投影系统10A的第二实施例的结构示意图。在该第二实施例中，所述偏振折反式微投影系统10A包括所述第二偏振片14A、所述第一透镜11A、所述第二1/4波片15A、所述第二透镜12A、所述第三透镜13A、所述部分透射部分反射元件16A、所述第一1/4波片17A、所述第一偏振片18A以及所述偏振回收系统19A，其中所述第二偏振片14A和所述第二1/4波片15A分别为设置为膜层且分别被附着于所述第一透镜11A的两侧，所述第一1/4波片17A和所述第一偏振片18A也被设置为膜层，并被依次附着于所述部分透射部分反射元件16A的表面。

如图13所示，为本发明所述的偏振折反式微投影系统10A的第二实施例的光路示意图。如图所示，所述偏振折反式微投影系统10A被设置于一光瞳30A和一投影光源20A之间，从所述投影光源20A出射的光线首先经过所述偏振回收系统19A，并被所述偏振回收系统19A将自然光转化为线偏光，线偏光分为S光和P光，其中P光穿透，S光反射，所述偏振回收系统19能够使反射的S光再转化为P光透光，通过多次的反射使透射过的P光的量增大，从而达到偏振回收的目的，以实现所述偏振折反式微投影系统10A对光的使用效率。

从所述偏振回收系统19A出来的光线经过所述第一偏振片18A后，所述第一偏振片18A将光线的偏振态转化为单一的P光，再经过所述第一1/4波片17A后转化为圆偏振光；之后，透射到所述第二1/4波片15A后转化为线偏振光；之后到达所述第二偏振片14A，并被所述第二偏振片14A反射，完成光线方向的转换；之后，到达所述第二1/4波片15A并被所述第二1/4波片15A转化为圆偏振光；到达所述部分透射部分反射元件16A的表面并被所述部分透射部分反射元件16A反射，再次发生光线方向的改变；光线继续透射至所述第二1/4波片15A后转变为振动方向改变的线偏光，最后到达所述光瞳30A。

如图13至图17所示，在本发明的第二实施例中，所述第一偏振片18A和所述第二偏振片14A分别被设置于所述部分透射部分反射元件16A的表面和所述一透镜的表面，光线从所述投影光源20A经过所述偏振折反式微投影系统10A并到达所述光瞳30A时，进入所述光瞳30A的入瞳直径为3mm，视场角为40°，焦距为4.5mm，使用的Micro-LED40屏幕对角线尺寸为0.13英寸，分辨率为640*480，有效区域大小为2.64*2mm，像素尺寸为4um。

所述偏振折反式微投影系统10A的最大有效孔径大于5mm，总长为5.3mm，畸变为1％。

与上述第一实施例相比，在本实施例中，由于将所述第二偏振片14A向前移动，从而导致所述偏振折反式微投影系统10A的整体口径增大比较明显，但其总长不变，仍属于整体总长较小的尺寸。

如图18至图23所示，为本发明所述的偏振折反式微投影系统10B的第三实施例的结构示意图。如图18所示，所述偏振折反式微投影系统10B包括一第一透镜11B、一第二透镜12B、所述第二偏振片14B、一第三透镜13B、所述第二1/4波片15B、所述部分透射部分反射元件16B、所述第一1/4波片17B、所述第一偏振片18B以及所述偏振回收系统19B，其中所述第二偏振片14B和所述第二1/4波片15B被设置为膜层，且分别被附着于所述第三透镜13B的两侧，所述第一1/4波片17B和所述第一偏振片18B也被设置为膜层，且被依次附着于所述部分透射部分反射元件16B的表面。

如图19所示，为本发明所述的偏振折反式微投影系统10B的第三实施例的光路示意图。所述偏振折反式微投影系统10B被设置于一光瞳30B和一投影光源20B之间，所述投影光源20B出射的光线首先到达所述偏振回收系统19B，所述偏振回收系统19B将光线由自然光转化为线偏光，包括S光和P光，其中P光穿透，S光反射，所述偏振回收系统19B能够将反射的S光再转化为P光透光，并通过多次的反射使透射过的P光量增大，从而达到偏振回收的目的，进而提高所述偏振折反式微投影系统10B对光线的使用效率。

光线从所述偏振回收系统19B透射后到达所述第一偏振片18B，光线被所述第一偏振片18B转化为偏振态单一的P光；再经过所述第一1/4波片17B后光线转化为圆偏振光；随后光线透射至所述第二1/4波片15B并被转化为线偏振光；随后光线到达所述第二偏振片14B并在所述第二偏振片14B上反射；之后，光线到达所述第二1/4波片15B并被所述第二1/4波片15B转化为圆偏振光；光线继续穿透所述第二1/4波片15B并到达所述部分透射部分反射元件16B的表面，并被所述部分透射部分反射元件16B反射，使光线的旋向改变；之后，光线投射至所述第二1/4波片15B后转变为振动方向改变的线偏光，最后到达所述光瞳30B。

如图19至图23所示，在本发明的第三实施例中，所述第一偏振片18B和所述第二偏振片14B分别被设置于所述部分透射部分反射元件16B的表面和所述第三透镜13B的表面，光线从所述投影光源20B经过所述偏振折反式微投影系统10B并到达所述光瞳30B时，进入所述光瞳30B的入瞳直径为3mm，视场角为40°，焦距为4.5mm，使用的Micro-LED40屏幕对角线尺寸为0.13英寸，分辨率为640*480，有效区域大小为2.64*2mm，像素尺寸为4um。

所述偏振折反式微投影系统10B的最大有效孔径为6.9mm，总长为8mm，畸变为4.9％。

与上述第一实施例相比，在该第三实施例中，由于将所述第二偏振片14B向后移动，从而导致所述偏振折反式微投影系统10B的整体口径和总长均有所增大，但仍小于透射式微投影系统的体积，且根据上述参数可知，该第三实施例所述的偏振折反式微投影系统10B所达到的性能优秀。

如图24至图29所示，为本发明所述的偏振折反式微投影系统10C的第四实施例的结构示意图。在该第四实施例中，所述偏振折反式微投影系统10C包括一第一透镜11C、一第二透镜12C、一第三透镜13C、所述第一偏振片18C、所述偏振回收系统19C、所述第二偏振片14C、所述第一1/4波片17C、所述第二1/4波片15C以及所述部分透射部分反射元件16C，其中所述第二偏振片14C和所述第二1/4波片15C分别被设置为膜层并且分别被附着于所述第二透镜12C的左右两个表面，所述部分透射部分反射元件16C也被设置为膜层并被附着于所述第三透镜13C的左侧表面，所述第一1/4波片17C也被设置为膜层并被附着于所述第三透镜13C的右侧表面。

如图25所示，为本发明第四实施例中的偏振折反式微投影系统10C的光路示意图。所述偏振折反式微投影系统10C被设置于一投影光源20C和一光瞳30C之间，从所述投影光源20C出射的光线首先到达所述偏振回收系统19C，所述偏振回收系统19C将光线由自然光转化为线偏光，包括S光和P光，其中P光穿透，S光反射，所述偏振回收系统19C能够将反射的S光再转化为P光透光，并通过多册的反射使透射过的P光量增大，从而达到偏振回收的目的，进而提高所述偏振折反式微投影系统10C对光线的使用效率。

经过所述偏振回收系统19C的光线透射至所述第一偏振片18C，并被所述第一偏振片18C将光线的偏振态转化为单一的P光；再经过所述第一1/4波片17C后光线转化为圆偏振光；之后，光线透射至所述第二1/4波片15C并被所述第二1/4波片15C转化为线偏振光并透射；透射后的光线到达所述第二偏振片14C，并在所述第二偏振片14C上反射，光线方向被改变；改变方向后的光线再次到达所述第二1/4波片15C后转化为圆偏振光并透射至所述第三透镜13C，被所述第三透镜13C左侧表面的所述部分透射部分反射元件16C的表面反射，光线方向再次改变；改变方向后的光线再次透射至所述第二1/4波片15C后转变为振动方向改变的线偏光，经过到达所述光瞳30C。

如图25至图29所示，在本发明的第四实施例中，所述第二偏振片14C被设置于所述第二透镜12C的表面，光线从所述投影光源20C经过所述偏振折反式微投影系统10C并到达所述光瞳30C时，进入所述光瞳30C的入瞳直径为3mm，视场角为40°，焦距为4.5mm，使用的Micro-LED40屏幕对角线尺寸为0.13英寸，分辨率为640*480，有效区域大小为2.64*2mm，像素尺寸为4um。

所述偏振折反式微投影系统10的最大有效孔径大于6.2mm，总长为6.8mm，畸变为0.7％。

与上述第一实施例相比，在该第四实施例中，由于所述第二偏振片14C与所述部分透射部分反射元件16C的距离更加接近，从而导致所述偏振折反式微投影系统10C的整体孔径和总长均有所增大，但在本实施例中，由于将更多的偏振期间作为膜层集成到所述第一透镜11C、所述第二透镜12C和/或所述第三透镜13C的表面，因此能够减少系统器件的使用，由于使用的器件减少，从而整体上减轻了所述偏振折反式微投影系统10C的重量。

优选地，在本发明所述的偏振折反式微投影系统中，所述第一透镜11、所述第二透镜12和所述第三透镜13的材料包括但不限于玻璃、树脂或者塑料等。优选地，所述第一透镜11、所述第二透镜12和所述第三透镜13为玻璃材料制成，从而提高所述偏振折反式微投影系统10的耐温性。

作为选择，所述第一透镜11、所述第二透镜12和所述第三透镜13也可以选用树脂材料制成，从而降低所述偏振折反式微投影系统10的制造成本。

如上所述，在本发明所述偏振折反式微投影系统10中，所述第一透镜11、所述第二透镜12和/或所述第三透镜13主要包括透射表面和偏振反射表面，而偏振反射表面位于所述偏振折反式微投影系统10中的不同位置的表面会使所述偏振折反式微投影所能达到的性能发生变化，比如放置所述偏振反射面的透镜位置过于靠近或远离所述投影光源20都会导致所述偏振折反式微投影系统10的最大口径增大以及总长增加，而所述偏振折反面(即放置所述第二偏振片14的面)的最佳放置位置为整个所述偏振折反式微投影系统10的中间处。

优选地，第二偏振片14被设置为所述第二透镜12的左侧表面。

如上所述，在本发明上述偏振折反式微投影系统10的第一至第四实施例中，光线优选为经过两次反射，但本发明的具体实施方式并不以此为限，在本发明所述的偏振折反式微投影系统10中，光线的反射次数可以根据所述偏振折反式微投影系统10的参数以及所述透镜的数量进行调整，以所述偏振折反式微投影系统10的总长最小、成像质量最佳为目标。

优选地，本发明所述的第一透镜11、第二透镜12和所述第三透镜13的表面类型包括非球面与球面，其中非球面公式为：

其中，c为表面曲率；k为圆锥系数；

x和y为非球面表面上一点的坐标；α为多次项系数。

优选地，在本发明上述第一实施例至第四实施例中，所述第一偏振片18和所述第二偏振片14都是通过在所述第一透镜11、所述第二透镜12或所述第三透镜13的表面贴上偏振反射膜而实现，但本发明的保护范围并不限于此，本领域技术人员也可以根据实际情况将所述第一偏振片18和所述第二偏振片14设置为独立的偏振片。

在本发明上述第一实施例至第四实施例中，所述第一透镜11、所述第二透镜12和所述第三透镜13的表面包括平面或曲面，所述第一偏振片18和所述第二偏振片14能够被设置于平面上或曲面上。

优选地，所述第一偏振片18和所述第二偏振片14被附着于平面上，从而降低所述第一透镜11、所述第二透镜12或所述第三透镜13的加工成本。

更进一步地，所述投影光源20包括但不限于Micro-LED40或Micro-OLED等主动发光的屏幕。

优选地，在本发明所述的偏振折反式微投影系统10中，可用的波长包括可见光波段，也包括单波长，都属于本发明的保护范围之内。

此外，在本发明所述的偏振折反式微投影系统10中，所述光瞳30至所述第一透镜11之间的距离d的范围为0.1mm-10mm。优选地，所述光瞳30至所述第一透镜11之间的距离d为1mm。

相应地，本发明所述的偏振折反式微投影系统10的入瞳直径D的范围为2mm-5mm。优选地，所述偏振折反式微投影系统10的入瞳直径D为3mm。

进一步地，本发明所述的偏振折反式微投影系统10的焦距范围为1.1mm-14.3mm。优选地，所述偏振折反式微投影系统10的焦距为4.5mm。

进一步地，本发明所述的偏振折反式微投影系统10的入瞳直径与焦距的关系为：

比值范围为0.17-0.91。

除此以外，本领域技术人员可以根据实际情况对本发明上述的偏振折反式微投影系统10中的偏振器件中的各元件位置进行整体调整，以通过改变所述第一偏振片18和/或所述第二偏振片14被附着的位置而改变所述偏振折反式微投影系统10的整体投影效果等，都属于本发明的保护范围之内。换句话说，只要在本发明上述揭露的基础上，采用了与本发明相同或近似的技术方案，解决了与本发明相同或近似的技术问题，并且达到了与本发明相同或近似的技术效果，都属于本发明的保护范围之内，本发明的具体实施方式并不以此为限。

此外，本发明所述的透镜的数量优选为3个，但本发明所述的透镜数量不受限制，但是考虑到成本与重量最低原则，所述透镜的数量需要在成像质量满足需要的情况下尽可能地少。本领域技术人员也可以根据实际需要对所述透镜的数量进行调整，比如调整为其他数量等，都属于本发明的保护范围之内。

如图30至图32所示，为本发明所述的偏振折反式微投影装置200的第一实施例的结构示意图。所述偏振折反式微投影装置200包括一偏振折反式微投影机构100和一波导片50，其中所述偏振折反式微投影机构100包括所述偏振折反式微投影系统10和一Micro-LED40，其中所述偏振折反式微投影系统10和所述Micro-LED40被封装于一起而形成所述偏振折反式微投影机构100。

在本发明所述的偏振折反式微投影装置200的第一实施例中，所述波导片50被设置为一眼镜镜片的结构，所述偏振折反式微投影机构100通过与所述波导片50耦合而使所述偏振折反式微投影装置200能够被使用者穿戴，以便于使用者通过将所述偏振折反式微投影装置200戴在眼睛上即可对所述偏振折反式微投影装置200进行使用而对图像达到增强现实的效果，并不需要额外通过手部或其他肢体对所述偏振折反式微投影装置200进行抓取或控制，从而提高使用者对所述偏振折反式微投影装置200的使用便利性。

除此以外，本领域技术人员可以根据实际情况对所述波导片50的具体形状和结构进行变形或调整，比如将所述波导片50设置为其他可穿戴的结构等，只要在本发明上述揭露的基础上，采用了与本发明相同或近似的技术方案，解决了与本发明相同或近似的技术问题，并且达到了与本发明相同或近似的技术效果，都属于本发明的保护范围之内，本发明的具体实施方式并不以此为限。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意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。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (20)

1.一偏振折反式微投影系统，其特征在于，所述偏振折反式微投影系统包括至少一偏振回收系统、一第一偏振片、一第一1/4波片、一部分透射部分反射元件、一第二1/4波片、一第二偏振片以及多个透镜，其中所述偏振回收系统、所述第一偏振片、所述第一1/4波片、所述部分透射部分反射元件、所述第二1/4波片以及所述第二偏振片被依次排列并分别被设置于不同的所述透镜的表面，从而提高对光线的使用率。

2.根据权利要求1所述的偏振折反式微投影系统，其中所述多个透镜包括一第一透镜、一第二透镜和一第三透镜，所述第二透镜被设置于所述第一透镜和所述第三透镜之间，所述部分透射部分反射元件被设置于所述第三透镜和所述偏振回收系统之间，所述第二偏振片和所述第二1/4波片被设置为膜层并分别被附着于所述第二透镜的两侧表面，所述第一1/4波片和所述第一偏振片也被设置为膜层，并依次被设置于所述部分透射部分反射元件的表面。

3.根据权利要求1所述的偏振折反式微投影系统，其中所述多个透镜包括一第一透镜、一第二透镜和一第三透镜，所述第二透镜被设置于所述第一透镜和所述第三透镜之间，所述部分透射部分反射元件被设置于所述第三透镜和所述偏振回收系统之间，所述第二偏振片和所述第二1/4波片分别被设置为膜层且分别被附着于所述第一透镜的两侧表面，所述第一1/4波片和所述第一偏振片也被设置为膜层，并被依次附着于所述部分透射部分反射元件的表面。

4.根据权利要求1所述的偏振折反式微投影系统，其中所述多个透镜包括一第一透镜、一第二透镜和一第三透镜，所述第二透镜被设置于所述第一透镜和所述第三透镜之间，所述部分透射部分反射元件被设置于所述第三透镜和所述偏振回收系统之间，所述第二偏振片和所述第二1/4波片被设置为膜层并分别被附着于所述第三透镜的两侧表面，所述第一1/4波片和所述第一偏振片也被设置为膜层，且被依次附着于所述部分透射部分反射元件的表面。

5.根据权利要求1所述的偏振折反式微投影系统，其中所述多个透镜包括一第一透镜、一第二透镜和一第三透镜，所述第二透镜被设置于所述第一透镜和所述第三透镜之间，所述部分透射部分反射元件被设置于所述第三透镜和所述偏振回收系统之间，所述第二偏振片和所述第二1/4波片分别被设置为膜层且分别被附着于所述第二透镜的左右两侧表面，所述部分透射部分反射元件也被设置为膜层并被附着于所述第三透镜的左侧表面，所述第一1/4波片也被设置为膜层并被附着于所述第三透镜的右侧表面。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的偏振折反式微投影系统，其中所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的表面包括球面和非球面，其中非球面公式为：

其中，c为表面曲率；k为圆锥系数；

x和y为非球面表面上一点的坐标；α为多次项系数。

7.根据权利要求2至5中任一项所述的偏振折反式微投影系统，其中所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的表面包括平面或曲面，所述第一偏振片和所述第二偏振片能够被附着于所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的表面。

8.根据权利要求7所述的偏振折反式微投影系统，其中所述偏振折反式微投影系统被设置于一光瞳和一投影光源之间，以使所述投影光源出射的光线经过所述偏振折反式微投影系统并被所述偏振折反式微投影系统作用后到达所述光瞳，其中所述投影光源为主动发光屏幕。

9.根据权利要求8所述的偏振折反式微投影系统，其中所述投影光源为Micro-led或Micro-OLED。

10.根据权利要求8所述的偏振折反式微投影系统，其中所述光瞳至所述第一透镜之间的距离d的范围为0.1mm-10mm。

11.根据权利要求10所述的偏振折反式微投影系统，其中所述光瞳至所述第一透镜之间的距离d为1mm。

12.根据权利要求8或10所述的偏振折反式微投影系统，其中，所述偏振折反式微投影系统的焦距f范围为1.1mm-14.3mm。

13.根据权利要求12所述的偏振折反式微投影系统，其中，所述偏振折反式微投影系统的焦距f为4.5mm。

14.根据权利要求12所述的偏振折反式微投影系统，其中，所述偏振折反式微投影系统的入瞳直径D的范围为2mm-5mm。

15.根据权利要求14所述的偏振折反式微投影系统，其中，所述偏振折反式微投影系统的入瞳直径D为3mm。

16.根据权利要求14所述的偏振折反式微投影系统，其中所述偏振折反式微投影系统的入瞳直径D与焦距f之间的关系为：

的比值值范围为0.17-0.91。

17.一偏振折反式微投影系统，用于使一光线通过所述偏振折反式微投影系统成像于一投影光源，其特征在于，所述偏振折反式微投影系统包括一第一透射表面、一第二透射表面、一偏振反射表面、一第三透射表面、一第四透射表面、一第五透射表面、一部分透射部分反射表面以及一第六透射表面，其中所述第一透射表面、所述第二透射表面、所述偏振反射表面、所述第三透射表面、所述第四透射表面、所述第五透射表面、所述部分透射部分反射表面以及所述第六透射表面依次排列，以使所述光线能够依次进入所述第一透射表面、所述第二透射表面、所述偏振反射表面、所述第三透射表面、所述第四透射表面、所述第五透射表面以及所述部分透射部分反射表面并在所述部分透射部分反射表面发生反射，再依次透射进入所述第五透射表面、所述第四透射表面、所述第三透射表面和所述偏振反射表面，并在所述偏振反射表面上再次发生反射，之后依次透射经过所述第三透射表面、所述第四透射表面、所述第五透射表面、所述部分透射部分反射表面以及所述第六透射表面，最后成像于所述投影光源。

18.根据权利要求17所述的偏振折反式微投影系统，其中所述偏振折反式微投影系统被设置于一光瞳和所述投影光源之间，以使所述投影光源出射的光线经过所述偏振折反式微投影系统并被所述偏振折反式微投影系统作用后到达所述光瞳，其中所述投影光源为主动发光屏幕。

19.根据权利要求18所述的偏振折反式微投影系统，其中所述投影光源为Micro-led或Micro-OLED。

20.根据权利要求17-19中任一项所述的偏振折反式微投影系统，其中所述偏振折反式微投影系统的焦距f范围为1.1mm-14.3mm。

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