CN116382019A - 光学投影系统以及电子设备 - Google Patents

光学投影系统以及电子设备 Download PDF

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CN116382019A
CN116382019A CN202310331468.8A CN202310331468A CN116382019A CN 116382019 A CN116382019 A CN 116382019A CN 202310331468 A CN202310331468 A CN 202310331468A CN 116382019 A CN116382019 A CN 116382019A
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optical
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赵云
孙文强
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Goertek Optical Technology Co Ltd
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本申请实施例公开了一种光学投影系统以及电子设备；其中，所述光学投影系统包括光源模组、导光器件以及成像模组；所述光源模组用于产生投影光线；所述导光器件包括波导基底，以及设置在所述波导基底上的耦入区和耦出区；其中，所述耦入区位于所述光源模组的光路传输路径上；所述投影光线经所述耦入区射入所述波导基底并全反射传播至所述耦出区，再以与入射角度相同的角度从所述耦出区出射；所述成像模组位于所述耦出区的出光传输路径上，经所述耦出区出射的光线可直接进入所述成像模组进行投影成像。本申请实施例提供的方案，在照明光路与成像光路之间设置了导光器件，在保证光学性能的同时，利于缩小整个系统的体积。

Description

光学投影系统以及电子设备
技术领域
本申请属于光学投影技术领域，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
近年来，智能穿戴设备作为电子设备的一个大类，越来越得到消费者的关注和青睐。目前，智能穿戴设备包括增强现实设备(AR，Augmented ReaHity)、虚拟现实设备(VR，VirtuaH ReaHity)及介导现实设备(MR，Mediated ReaHity)及XR设备等。其中，以AR设备为例，AR设备的一种常见形式例如为AR眼镜，其属于头戴式设备。目前，AR眼镜的缺点主要集中在厚度较大，且重量普遍较重。这就与AR设备的第一性能要求是可穿戴的舒适性包括微型化及轻薄化相悖。为了提升用户的使用体验感，AR的微型化及轻薄化设计成为AR眼镜的重要发展方向。
发明内容
本申请的目的在于提供一种光学投影系统以及电子设备的新技术方案，至少解决了现有光学投影系统的体积较大的问题。
根据本申请的第一方面，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，所述光源模组用于产生投影光线；
导光器件，所述导光器件包括波导基底，以及设置在所述波导基底上的耦入区和耦出区；其中，所述耦入区位于所述光源模组的光路传输路径上；所述投影光线经所述耦入区射入所述波导基底并全反射传播至所述耦出区，再以与入射角度相同的角度从所述耦出区出射；
成像模组，所述成像模组位于所述耦出区的出光传输路径上，经所述耦出区出射的光线可直接进入所述成像模组进行投影成像。
可选地，所述光源模组包括多个发光芯片，且能够发射不同波段的光线；
所述波导基底为多层堆叠结构，且每层对应一种波段的光线。
可选地，所述成像模组包括沿同一光轴依次设置的偏振元件、成像镜头及LCOS芯片；其中，所述偏振元件与所述耦出区为相邻设置；
所述耦出区的面积为所述偏振元件的面积的一半。
可选地，所述波导基底包括层叠设置的红光基底、绿光基底及蓝光基底；其中，所述绿光基底位于所述红光基底与所述蓝光基底之间，以使所述导光器件能对三种不同波段的光线进行衍射；
所述波导基底的厚度为0.5mm～0.8mm，所述波导基底的折射率为1.6～1.8。
可选地，所述红光基底位于靠近所述光源模组的一侧，所述蓝光基底位于远离所述光源模组的一侧。
可选地，所述光源模组包括光源、准直器件及合光器件；
所述光源包括红光芯片、绿光芯片及蓝光芯片，且所述红光芯片、所述绿光芯片及所述蓝光芯片分别以目标角度排列并围合在所述准直器件和所述合光器件的外周；
所述准直器件设置为三个，且分设在所述红光芯片、所述绿光芯片及所述蓝光芯片的光路传输路径上；
所述合光器件用于将准直后的各光线合成一束光线，所述合光器件包括第一滤光片及第二滤光片，所述第一滤光片被配置为透过蓝光且能反射红光，所述第二滤光片被配置为透过红光和蓝光且能反射绿光。
可选地，所述第一滤光片相对于所述蓝光芯片的光轴，其倾斜角度为32°～34°；所述第二滤光片相对于所述蓝光芯片的光轴，其倾斜角度为38°～40°。
可选地，每个所述准直器件(106包括准直镜组或者单个超表面镜片，所述准直器件用于将与之相对应的发光芯片所发射的投影光线准直为平行光线后出射至所述合光器件；
其中，所述准直镜组包括沿同一光轴且间隔设置的第一准直镜片及第二准直镜片。可选地，所述成像镜头包括第一成像镜组或者第二成像镜组；
所述第一成像镜组的FOV为55°～65°；
所述第二成像镜组的FOV为25°～35°。
可选地，所述第一成像镜组包括沿同一光轴依次设置的第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片、第六镜片及第七镜片；其中，所述第一镜片位于靠近所述耦出区的一侧，所述第七镜片位于远离所述耦出区的一侧；
所述第一镜片、所述第二镜片、所述第四镜片、所述第五镜片及所述第七镜片的光焦度为正，所述第三镜片及所述第六镜片的光焦度为负。
可选地，所述第一成像镜组的有效焦距为6.5mm～7.3mm，所述第一成像镜组的F数为2.1～2.5。
可选地，在所述成像镜头包括所述第一成像镜组的情况下，对应的LCOS芯片的直径为6.8mm～7.4mm。
可选地，所述第二成像镜组包括沿同一光轴依次设置的第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片、第六镜片及第七镜片；其中，所述第一镜片位于靠近所述耦出区的一侧，所述第七镜片位于远离所述耦出区的一侧；
所述第一镜片、所述第二镜片、所述第五镜片及所述第六镜片的光焦度为正，所述第三镜片、所述第四镜片及所述第七镜片的光焦度为负。
可选地，所述第二成像镜组的有效焦距为5.5mm～6.5mm，所述第二成像镜组的F数为1.4～1.6。
可选地，在所述成像镜头包括所述第二成像镜组的情况下，对应的LCOS芯片直径为5.5mm～6.5mm。
可选地，所述光源模组与所述成像模组位于所述导光器件的同一侧；其中，所述成像模组包括沿同一光轴依次设置的偏振元件、成像镜头及LCOS芯片；
所述光源模组发出的投影光线经所述耦入区进入所述波导基底内部，再从所述耦出区出射，出射的光线穿过所述偏振元件，所述偏振元件能够透过P光的同时反射S光，所述P光经所述成像镜头出射后到达所述LCOS芯片，经所述LCOS芯片对光线进行调制，将无效光线转换为S光，同时保留带有图像信息的P光，所述带有图像信息的P光会再次透过所述成像镜头、再透过所述偏振元件后出射。
根据本申请的第二方面，还提供了一种电子设备。所述电子设备包括：
壳体；以及
如第一方面所述的光学投影系统。
本申请的有益效果在于：
本申请实施例提出的光学投影系统为一种体积小巧的LCOS投影光学构架，通过在照明光路与成像光路之间引入导光器件，使得照明与成像可以共用光路，在保证光学性能的同时，减少了整个光学构架中的光学器件的使用数量，这利于缩小整个光学投影系统的体积，进而可以实现电子设备例如智能穿戴设备的微型化及轻薄化设计；而且，整个光路构架的设计也较为简单、制作成本较低。
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
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且连同其说明一起用于解释本申请的原理。
图1为本申请实施例提供的光学投影系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的光学投影系统的光源模组的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的光学投影系统的导光器件的侧视图；
图4为本申请实施例提供的光学投影系统的导光器件的结构图之一；
图5为本申请实施例提供的光学投影系统的导光器件的结构图之二；
图6为本申请实施例提供的光学投影系统的第一成像镜组的结构图；
图7为本申请实施例提供的光学投影系统的第二成像镜组的结构图；
图8为本申请实施例提供的一种光路图；
图9为本申请实施例提供的另一种光路图；
图10为本申请实施例提供的光学投影系统的畸变图之一；
图11为本申请实施例提供的光学投影系统的离焦MTF图之一；
图12为本申请实施例提供的光学投影系统的垂轴色差图之一；
图13为本申请实施例提供的光学投影系统的MTF图之一；
图14为本申请实施例提供的光学投影系统的畸变图之二；
图15为本申请实施例提供的光学投影系统的离焦MTF图之二；
图16为本申请实施例提供的光学投影系统的垂轴色差图之二；
图17为本申请实施例提供的光学投影系统的MTF图之二；
附图标记说明：
1、光源模组；101、红光芯片；102、绿光芯片；103、蓝光芯片；104、第一滤光片；105、第二滤光片；106、准直器件；2、导光器件；201、波导基底；202、耦入区；203、耦出区；3、偏振元件；4、成像镜头；401、第一镜片；402、第二镜片；403、第三镜片；404、第四镜片；405、第五镜片；406、第六镜片；407、第七镜片；5、LCOS芯片。
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、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法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。
下面结合附图1至图17，对本申请实施例提供的光学投影系统以及电子设备进行详细地描述。
根据本申请实施例提供的光学投影系统，其可应用于例如AR设备中。
本申请实施例提供的光学投影系统，参见图1，所述光学投影系统包括：光源模组1、导光器件2以及成像模组。整个光路构架简单。
所述光源模组1能够用于产生投影光线。参见图3，所述导光器件2包括波导基底201，以及设置在所述波导基底201上的耦入区202和耦出区203；其中，所述耦入区202位于所述光源模组1的光路传输路径上；所述投影光线经所述耦入区202射入所述波导基底201并全反射传播至所述耦出区203，再以与入射角度相同的角度从所述耦出区203出射。所述成像模组位于所述耦出区203的出光传输路径上，经所述耦出区203出射的光线可直接进入所述成像模组进行投影成像。
根据上述实施例提供的光学投影系统，实现了在体积微型化及轻薄化设计的同时，还能够保证自身的光学性能。其非常适合应用于电子设备例如AR头戴设备中，能够提升用户的佩戴舒适性及沉浸式体验感。
具体而言，本申请上述实施例提供的光学投影系统，在所述光源模组1与所述成像模组之间引入了至少一个导光器件2，所述导光器件2例如为衍射光波导，使得照明与成像可以共用光路。由于所述导光器件2较轻薄，且在引入所述导光器件2之后，可以省去例如中继镜组等光学器件(在传统投影光学系统中需要应用的光学器件，为一种透镜式转向系统，其体积和重量都大于导光器件2)，这就利于缩小所述光学投影系统的体积尺寸。
其中，在所述光源模组1与所述成像模组之间引入所述导光器件2的主要作用为，可以将经所述光源模组1发射出的投影光线引入至所述波导基底201的内部，通过所述波导基底201内部的全反射，投影光线会再以与入射时相同的角度从所述耦出区203出射，并进入所述成像模组中，最终可以在人眼中进行成像。所述导光器件2能够用以将所述投影光线收聚到所述成像模组，这利于提升光效。
例如，投影光线以第一角度经所述耦入区202耦入至所述波导基底201的内部，并在所述波导基底201内全反射传播至所述耦出区203，再以第一角度(入射至所述耦入区202时的角度)经所述耦出区203出射。需要说明的是，这是衍射光波导本身的性能。
本申请实施例提供的光学投影系统，其为一种新型的光学构架，引入的导光器件2介于所述光源模组1与所述成像模组之间，省去了原本独立设置的体积较大的中继部分，大幅度的缩小了所述光学投影系统的体积。尤其是，引入的所述导光器件2为一种照明的波导片，可以实现投影光线的传递，其优势在于，并不会改变出射光与入射光的光线角度，光学效率高，且体积轻薄、小巧，因此占用空间也非常小。
根据本申请上述实施例提供的光学投影系统，所述光源模组1能够发出投影光线，该投影光线经所述耦入区202进入所述波导基底201内，通过所述波导基底201内部的全反射，之后从所述耦出区203出射至所述成像模组，所述成像模组最终进行投影成像。
本申请实施例提出的光学投影系统为一种体积小巧的LCOS投影光学构架，通过在所述光源模组1与所述成像模组之间引入一导光器件2，使得照明与成像可以共用光路，在保证光学性能的同时，减少了整个光学构架中的光学器件的使用数量，这利于缩小整个光学投影系统的体积，进而可以实现电子设备例如智能穿戴设备的微型化及轻薄化设计；而且，整个光路构架的设计也较为简单、制作成本较低。
需要强调的是，本申请实施例提供的光学投影系统，引入的导光器件2是位于光源模组1与成像模组之间的，其用于为将所述光源模组1出射的投影光线汇聚至所述成像模组中，所述光源模组1发出的光线是投影光线并不带有图像信息，所述导光器件2为中继部分起到转向投影光线至成像模组的作用。由于导光器件2能够实现光线以与入射角度相同的角度出射，这样，可以更好的提升光效。
在本申请的一些示例中，参见图2，所述光源模组1包括多个发光芯片，且能够发射不同波段的光线。所述波导基底201为多层堆叠结构，且每层对应一种波段的光线。
其中，所述光源模组1例如包括光源。所述光源例如包括上述示例中的多个发光芯片。具体地，每个所述发光芯片例如为一个LED。
不同的所述发光芯片例如可以发出不同波段的光线。在此基础上，所述光源模组1就可以发射出不同波段的光线。
需要说明的是，所述光源模组1的光源负责发出发散的光线，还需要经过例如准直器件106将光线准直为平行光线，之后经过所述合光器件将不同波段的光线合束为一束光线再入射至所述导光器件2中。
在上述的示例中，所述导光器件2包括有波导基底201，所述波导基底201可以设计为多层堆叠结构，以与所述光源模组1所发出的不同波段的光线相对应，以便于对不同波段的光线进行高光效的传递。
例如，所述光源模组1能够发射出红光、绿光及蓝光(也即RGB三色光)，此时，可以将所述导光器件2的波导基底201的架构设计为三层堆叠结构，也即包括红光基底、绿光基底及蓝光基底，以分别对RGB三色光进行衍射传递。
此外，需要说明的是，为了实现整个光学投影系统的轻薄化及微型化设计，所述导光器件2的厚度不易过大，例如所述导光器件2的波导基底201的厚度可以设计为0.5mm～0.8mm。
当然，随着波导基底201的堆叠层数越多，例如当堆叠层数大于三层时，所述波导基底201的厚度会有所增加。本申请实施例中可根据堆叠的层数灵活调整各层的厚度，以保证合理控制所述波导基底201的厚度。
根据本申请的上述示例，所述波导基底201的厚度范围包括但不限于上述的0.5mm～0.8mm。
其中，所述红光R、所述绿光G及所述蓝光B均为可见光，三者分别具有不同波段。例如，所述红光R的波段为590nm～640nm，所述绿光G的波段为510nm～560nm，所述蓝光B的波段为440nm～490nm。
根据本申请上述实施例提供的光学投影系统，包括有光源模组1，该光源模组1为一种照明光路设计，属于光学投影系统的照明光路部分。
所述光源模组1例如为多色光源。所述光源模组1能够发射用于投影的投影光线，且投影光线可包括多种不同波段的光线，如绿光、红光及蓝光等。当然，本申请实施例中的光源模组1包括但并不限于能发射出这三种颜色的光，还可以发射出其他颜色的光，只要能够发射出可见光即可。
在本申请的一些示例中，参见图1，所述成像模组包括沿同一光轴依次设置的偏振元件3、成像镜头4及LCOS芯片5；其中，所述偏振元件3与所述耦出区203为相邻设置。所述耦出区203的面积为所述偏振元件3的面积的一半。
根据本申请上述示例提供的成像模组，其包括三个主要部分，分别为上述的偏振元件3、成像镜头4及LCOS芯片5。
其中，所述偏振元件3位于所述成像镜头4的入光路径上
所述偏振元件3例如为偏振片。所述偏振片靠近所述导光器件2的耦出区203。此时，所述偏振片就覆盖了所述成像镜头4的入瞳区域。在设计所述耦出区203的尺寸时可以参考所述偏振片的面积和形状。具体地，所述耦出区203占所述偏振片的一半，以使投影光线可通过所述偏振片的一半区域打入，而还有一部分光线可通过所述偏振片的另一半区域出去。
例如，当所述成像镜头4的入瞳区域为矩形，且尺寸为4mm*4mm，则所述导光器件2上的耦出区203为4mm*2mm的矩形，参见图4，所述耦出区203占所述入瞳区域的一半，也即占所述偏振元件3的一半。
又例如，当所述成像镜头4的入瞳区域为直径尺寸为4mm的圆形时，则所述导光器件2上的耦出区203为直径尺寸为4mm的半圆形，参见图5，所述耦出区203占所述入瞳区域的一半，也即占所述偏振元件3的一半。
其中，所述LCOS芯片5具有密集的像素点，可以选择性的控制像素点，例如转换S光与P光的偏振态。
其中，所述成像镜头4用于将所述LCOS芯片5生成的图像信息成像至人眼中。
在一个例子中，所述波导基底201包括层叠设置的红光基底、绿光基底及蓝光基底；其中，所述绿光基底位于所述红光基底与所述蓝光基底之间，以使所述导光器件能对三种不同波段的光线进行衍射；所述波导基底201的厚度为0.5mm～0.8mm，所述波导基底201的折射率为1.6～1.8。
需要说明的是，所述导光器件2在上述的折射率范围内，可以降低生产成本，且在上述的折射率范围内，可以使接收正负25°的光线，完全能够满足基本的光学要求。
可选的是，所述波导基底201的材质可以为玻璃材料。这样，可以使整个导光器件2的耐温性能较好。
可选的是，所述红光基底位于靠近所述光源模组1的一侧，所述蓝光基底位于远离所述光源模组1的一侧。
此时，所述绿光基底夹设在所述红光基底与所述蓝光基底之间。
在本申请的一些示例中，参见图2，所述光源模组1包括光源、准直器件106及合光器件。其中，所述光源包括红光芯片101、绿光芯片102及蓝光芯片103，且所述红光芯片101、所述绿光芯片102及所述蓝光芯片103分别以目标角度排列并围合在所述准直器件106和所述合光器件的外周。所述准直器件106设置为三个，且分设在所述红光芯片101、所述绿光芯片102及所述蓝光芯片103的光路传输路径上。所述合光器件用于将准直后的各平行光线合成一束光线，且所述合光器件包括第一滤光片104及第二滤光片105，所述第一滤光片104被配置为透过蓝光且能反射红光，所述第二滤光片105被配置为透过红光和蓝光且能反射绿光。
也就是说，本申请实施例提供的光源模组1，基于三个独立的RGB灯珠以及两片滤光片，可以将RGB三色光合成一束光线。
具体地，所述合光器件包括第一滤光片104及第二滤光片105；其中，第一滤光片104可以透过蓝光(440nm～490nm)，同时可以反射红光(590nm～640nm)；第二滤光片105可以透过红蓝光(440nm～490nm、590nm～640nm)，同时可以反射绿光(510nm～560nm)。
参见图2，本申请实施例提供的光源模组1中光源的排布方式较为紧凑，这利于缩小整体的体积。在所述光源模组1中，所述合光器件包括的两个滤光片倾斜设置在三个准直器件106围成的空间之内。
可选的是，所述第一滤光片104相对于所述蓝光芯片103的光轴，其倾斜角度为32°～34°；所述第二滤光片105相对于所述蓝光芯片103的光轴，其倾斜角度为38°～40°。
所述第一滤光片104和所述第二滤光片105在设置时的倾斜角度可以参考上述示例中示出的范围。在上述的范围内，再基于所述光源模组1的光学构架，可以做到整个光源模组1的体积微型化。也就是说，可以使光源模组1达到最佳的体积尺寸。
可选的是，每个所述准直器件106包括准直镜组或者单个超表面镜片，所述准直器件106用于将与之相对应的发光芯片所发射的投影光线准直为平行光线后出射至所述合光器件；其中，所述准直镜组包括沿同一光轴且间隔设置的第一准直镜片及第二准直镜片。
参见图2，当将所述准直器件106设置为准直镜组时，其包括沿同一光轴间隔设置的两个准直镜片，也即上述示例中的第一准直镜片及第二准直镜片。以红光芯片为例，经所述红光芯片101发出的红色光线可以依次透过所述第一准直镜片、所述第二准直镜片，就可以形成0°的平行光出射，从而实现对红色光线的准直效果。需要说明的是，所述绿色光线和所述蓝色光线的准直原理与上述的红色光线相同，在此不再重复论述。
对于准直镜组而言，设计其包括两个准直镜片，该设计可以使每个准直镜片的曲率都较小，这样准直镜片的厚度就会较小。这相比单个准直镜片的设计而言，两个准直镜片组合的设计实际比单个准直镜片设计的厚度会更小一些，利于缩减整个光源模组沿厚度方向的尺寸，同时也能降低准直镜片的制作难度。
表1示出一种准直镜组的光学设计参数，具体如下：
表1
Figure BDA0004156365380000111
此外，需要说明的是，在本申请的实施例提供的光源模组中引入准直镜组，准直镜组的作用是，将光源发出的发散的投影光线汇聚成一束较为平行的光线。根据拉赫不变量定理，光线经准直镜组后形成的光斑尺寸、光线角度、光源的发光面积与光源的发光角存在以下关系式：
S(光斑尺寸)*tan(光线角度)＝S(光源发光面积)*tan(光源发光角)。例如，所选的LED光源发光面积为1mm2，发光角为±60°，当所需准直后的光斑光线角度为30°，则可以计算出所需准直后的光斑尺寸为3mm2。
参见图8及图9示出的两幅光路图，光路左侧为同一LED光源，光路右侧为准直后光斑。当光线角度较小时，光斑尺寸较大，参见图8所示。而当光线角度较大时，光斑尺寸较小，参见图9所示。
准直后的光线会经过所述导光器件2进入所述成像镜头4，由于所述导光器件2本身不会改变光线的角度，因此准直后光线的角度即为所述成像镜头4的光线角度。根据公式：tan(导光器件光角度)*成像镜头焦距*LCOS芯片处照明光斑尺寸＝tan(成像镜头FOV)*成像镜头焦距*LCOS芯片有效区尺寸。
LCOS芯片5处照明光斑尺寸一般要求要略大于LCOS芯片5的有效区尺寸，以防止产生画面暗带。因此，准直后光斑光线角度＝光学投影系统所需要(FOV+2)°。
在本申请的实施例中，对于导光器件2而言，其上的耦入区202的耦入面积与所述耦入区202耦入的光线角度满足如下关系，可参见下表2：
表2
光线角度(°) 耦入面积(mm2)
10 6.2
15 6
20 5.8
25 5.6
30 5.3
35 5.1
40 4.8
当然，所述准直器件106也可以直接采用超表面镜片实现光线准直效果。超表面镜片只需使用一片就可以替代上述的由两片准直镜片组成的准直镜组，且其厚度为微米级。超表面镜片的优势在于匀光效果较好，占用空间小。
根据本申请实施例提供的光学投影模组，参见图1及图2，其工作原理如下：
经所述光源(RGB三色光源)发出具有一定发散角度(发散角度例如为正负75°)的投影光线，经过所述准直器件106后，变成了具有更小的发散角度的投影光线，进入所述波导基底201上的耦入区202，通过所述波导基底201内部的全反射，再从所述耦出区203出射。接下来，经所述耦出区203出射的光线会穿过所述偏振元件3。所述偏振元件3的作用例如为透过P光，吸收S光。P光经过所述成像镜头4后，到达所述LCOS芯片5的表面，经过所述LCOS芯片5调制，将无效光线转换为S光，并保留有效的图像信息(例如P光)。从而带有图像信息的P光会再次穿过所述成像镜头4，透过所述偏振元件3，最终出射。
根据本申请上述实施例提供的光学投影系统，其中的所述成像模组4可以设计为一种大FOV的成像镜头，也可以设计为一种中等FOV的成像镜头。这两款成像镜头均能够在实现清晰成像的同时，保证从入瞳进入的平行光可以在LCOS芯片5上形成矩形光斑，保证LCOS芯片5上亮度均匀性。
在本申请的一些示例中，所述成像镜头4包括第一成像镜组或者第二成像镜组；其中，所述第一成像镜组的FOV为55°～65°；所述第二成像镜组的FOV为25°～35°。
具体地，所述第一成像镜组的FOV为55°～65°，其对应一种大FOV的成像镜头。而所述第二成像镜组的FOV为25°～35°，其对应一种中等FOV的成像镜头。
在一个例子中，所述的光学投影系统包括成像镜头4，参见图6所示，所述成像镜头4采用上述的第一成像镜组。所述成像镜头4包括沿同一光轴依次设置的第一镜片401、第二镜片402、第三镜片403、第四镜片404、第五镜片405、第六镜片406及第七镜片407；其中，所述第一镜片401位于靠近所述耦出区203的一侧，所述第七镜片407位于远离所述耦出区203的一侧；所述第一镜片401、所述第二镜片402、所述第四镜片404、所述第五镜片405及所述第七镜片407的光焦度为正，所述第三镜片403及所述第六镜片406的光焦度为负。
具体地，表3及表4出了第一成像镜组中包含的7片镜片的光学参数。
表3
Figure BDA0004156365380000131
Figure BDA0004156365380000141
其中，所述第四镜片404及所述第五镜片405可以胶合在一起，利于提高成像质量。
表4
Figure BDA0004156365380000142
其中，所述第一成像镜组的有效焦距为6.5mm～7.3mm，所述第一成像镜组的F数为2.1～2.5。
在上述例子中，将F数设置为2.1～2.5，可以在降低镜片加工难度的情况下，使用户获得良好沉浸感和视觉舒适度。
其中，在所述成像镜头4包括所述第一成像镜组的情况下，对应的LCOS芯片5的直径为6.8mm～7.4mm。
在上述的例子中，将LCOS芯片5的直径设置为6.8mm～7.4mm，其像面尺寸是较大的，如此可以提高分辨率，投影画面更细腻，观看起来更舒适。
根据本申请上述的例子，所述成像镜头4为大FOV的成像镜头。
参见图10，图10示出了畸变图，其反应的是在大视场下不同视场成像清晰像的像面位置差异，从图10可以看出，随着视场角的增大，畸变会增加，在FOV为30°左右时，畸变约为10％，但整体来看，在各视场下，投影光线经所述成像镜头4后的畸变是完全可以满足人眼要求的。
参见图11及图13，图11示出的是离焦MTF图，图13示出的是MTF曲线图是调制传递函数图，二者可以结合来看，在较大的视场范围下，边缘视场与中心视场均能看到清晰的投影图像，也即在较大的视场范围内整个画面的清晰度较为一致。用户看到的整幅画面都是较为清晰且完整的，用户可以获得非常好的视觉体验。
图12示出的是垂轴色差又称为倍率色差，根据图12可以看出，垂轴色差比较小，基本在两根黑色的虚线之间，投影成像的品质较好。
在一个例子中，所述的光学投影系统包括成像镜头4，参见图7所示，所述成像镜头4采用上述的第二成像镜组。所述成像镜头4包括沿同一光轴依次设置的第一镜片401、第二镜片402、第三镜片403、第四镜片404、第五镜片405、第六镜片406及第七镜片407；其中，所述第一镜片401位于靠近所述耦出区203的一侧，所述第七镜片407位于远离所述耦出区203的一侧；所述第一镜片401、所述第二镜片402、所述第五镜片405及所述第六镜片406的光焦度为正，所述第三镜片403、所述第四镜片404及所述第七镜片407的光焦度为负。
具体地，表5及表6出了第二成像镜组中包含的7片镜片的光学参数。
表5
Figure BDA0004156365380000151
Figure BDA0004156365380000161
表6
镜片编号 光焦度范围
第一镜片 8～9
第二镜片 6～7
第三镜片 -4～-3.5
第四镜片 -4.5～-4
第五镜片 3.5～4
第六镜片 6～6.5
第七镜片 -10.5～-9.5
其中，所述第二成像镜组的有效焦距为5.5mm～6.5mm，所述第二成像镜组的F数为1.4～1.6。
在上述例子中，将F数设置为1.4～1.6，可以使用户获得极佳的沉浸感和视觉舒适度。
其中，在所述成像镜头4所述第二成像镜组的情况下，对应的LCOS芯片5直径为5.5mm～6.5mm。
在上述的例子中，将LCOS芯片5的直径设置为5.5mm～6.5，其像面尺寸也较大，如此可以提高分辨率，投影画面更细腻，观看起来更舒适。
根据本申请上述的例子，所述成像镜头4为中等FOV的成像镜头。
参见图14，图14示出了畸变图，其反应的是在大视场下不同视场成像清晰像的像面位置差异，从图14可以看出，随着视场角的增大，畸变会增加，但整体来看，在各视场下，投影光线经所述成像镜头4后的畸变是完全可以满足人眼要求的。
参见图15及图17，图15示出的是离焦MTF图，图17示出的是MTF曲线图是调制传递函数图，二者可以结合来看，在较大的视场范围下，边缘视场与中心视场均能看到清晰的投影图像，也即在较大的视场范围内整个画面的清晰度较为一致。用户看到的整幅画面都是较为清晰且完整的，用户可以获得非常好的视觉体验。
图16示出的是垂轴色差又称为倍率色差，根据图16可以看出，垂轴色差比较小，基本在两根黑色的虚线之间，投影成像的品质较好。
在本申请的一些示例中，参见图1，所述光源模组1与所述成像模组位于所述导光器件2的同一侧；其中，所述成像模组包括沿同一光轴依次设置的偏振元件3、成像镜头4及LCOS芯片5；所述光源模组1发出的投影光线经所述耦入区202进入所述波导基底201内部，再从所述耦出区203出射，出射的光线穿过所述偏振元件3，所述偏振元件3能够透过P光的同时反射S光，所述P光经所述成像镜头4出射后到达所述LCOS芯片5，经所述LCOS芯片5对光线进行调制，将无效光线转换为S光，同时保留带有图像信息的P光，所述带有图像信息的P光会再次透过所述成像镜头4、再透过所述偏振元件3后出射。
参见图1，根据本申请实施例提供的光学投影系统，其光学构架为：在所述波导基底201上设有耦入区202及耦出区203，且所述耦入区202及所述耦出区203二者共同位于所述波导基底201的同一侧，可以将所述成像模组与所述光源模组1设置在所述导光器件2的同一侧，也即所述成像模组与所述光源模组1位于同一侧，这样可以实现光学投影系统的紧凑、轻薄化设计。
投影光线可以经所述导光器件2的耦出区203出射后，可以在所述成像模组内折返，延长光路传播路径，利于提升成像质量。
又一方面，本申请实施例还提供了一种电子设备。所述电子设备包括壳体以及如上所述的光学投影系统。
上述的电子设备例如为可穿戴设备，可穿戴设备例如为AR智能眼镜或者AR智能头盔。
本申请实施例的投影显示系统及可穿戴设备电子设备的具体实施方式可以参照上述的光学投影系统的实施例，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
虽然已经通过例子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，以上例子仅是为了进行说明，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 (17)

1.一种光学投影系统，其特征在于，包括：
光源模组(1)，所述光源模组(1)用于产生投影光线；
导光器件(2)，所述导光器件(2)包括波导基底(201)，以及设置在所述波导基底(201)上的耦入区(202)和耦出区(203)；其中，所述耦入区(202)位于所述光源模组(1)的光路传输路径上；所述投影光线经所述耦入区(202)射入所述波导基底(201)并全反射传播至所述耦出区(203)，再以与入射角度相同的角度从所述耦出区(203)出射；
成像模组，所述成像模组位于所述耦出区(203)的出光传输路径上，经所述耦出区(203)出射的光线可直接进入所述成像模组进行投影成像。
2.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)包括多个发光芯片，且能够发射不同波段的光线；
所述波导基底(201)为多层堆叠结构，且每层对应一种波段的光线。
3.根据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，所述成像模组包括沿同一光轴依次设置的偏振元件(3)、成像镜头(4)及LCOS芯片(5)；其中，所述偏振元件(3)与所述耦出区(203)为相邻设置；
所述耦出区(203)的面积为所述偏振元件(3)的面积的一半。
4.根据权利要求1所述的光学投影系统，其特征在于，所述波导基底(201)包括层叠设置的红光基底、绿光基底及蓝光基底；其中，所述绿光基底位于所述红光基底与所述蓝光基底之间，以使所述导光器件能对三种不同波段的光线进行衍射；
所述波导基底(201)的厚度为0.5mm～0.8mm，所述波导基底(201)的折射率为1.6～1.8。
5.根据权利要求4所述的光学投影系统，其特征在于，所述红光基底位于靠近所述光源模组(1)的一侧，所述蓝光基底位于远离所述光源模组(1)的一侧。
6.根据权利要求1-5中任一项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、准直器件(106)及合光器件；
所述光源包括红光芯片(101)、绿光芯片(102)及蓝光芯片(103)，且所述红光芯片(101)、所述绿光芯片(102)及所述蓝光芯片(103)分别以目标角度排列并围合在所述准直器件(106)和所述合光器件的外周；
所述准直器件(106)设置为三个，且分设在所述红光芯片(101)、所述绿光芯片(102)及所述蓝光芯片(103)的光路传输路径上；
所述合光器件用于将准直后的各平行光线合成一束光线，所述合光器件包括第一滤光片(104)及第二滤光片(105)，所述第一滤光片(104)被配置为透过蓝光且能反射红光，所述第二滤光片(105)被配置为透过红光和蓝光且能反射绿光。
7.根据权利要求6所述的光学投影系统，其特征在于，所述第一滤光片(104)相对于所述蓝光芯片(103)的光轴，其倾斜角度为32°～34°；
所述第二滤光片(105)相对于所述蓝光芯片(103)的光轴，其倾斜角度为38°～40°。
8.根据权利要求6所述的光学投影系统，其特征在于，每个所述准直器件(106)包括准直镜组或者单个超表面镜片，所述准直器件(106)用于将与之相对应的发光芯片所发射的投影光线准直为平行光线后出射至所述合光器件；
其中，所述准直镜组包括沿同一光轴且间隔设置的第一准直镜片及第二准直镜片。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的光学投影系统，其特征在于，所述成像镜头(4)包括第一成像镜组或者第二成像镜组；
所述第一成像镜组的FOV为55°～65°；
所述第二成像镜组的FOV为25°～35°。
10.根据权利要求9所述的光学投影系统，其特征在于，所述第一成像镜组包括沿同一光轴依次设置的第一镜片(401)、第二镜片(402)、第三镜片(403)、第四镜片(404)、第五镜片(405)、第六镜片(406)及第七镜片(407)；其中，所述第一镜片(401)位于靠近所述耦出区(203)的一侧，所述第七镜片(407)位于远离所述耦出区(203)的一侧；
所述第一镜片(401)、所述第二镜片(402)、所述第四镜片(404)、所述第五镜片(405)及所述第七镜片(407)的光焦度为正，所述第三镜片(403)及所述第六镜片(406)的光焦度为负。
11.根据权利要求10所述的光学投影系统，其特征在于，所述第一成像镜组的有效焦距为6.5mm～7.3mm，所述第一成像镜组的F数为2.1～2.5。
12.根据权利要求10所述的光学投影系统，其特征在于，在所述成像镜头(4)包括所述第一成像镜组的情况下，对应的LCOS芯片(5)的直径为6.8mm～7.4mm。
13.根据权利要求9所述的光学投影系统，其特征在于，所述第二成像镜组包括沿同一光轴依次设置的第一镜片(401)、第二镜片(402)、第三镜片(403)、第四镜片(404)、第五镜片(405)、第六镜片(406)及第七镜片(407)；其中，所述第一镜片(401)位于靠近所述耦出区(203)的一侧，所述第七镜片(407)位于远离所述耦出区(203)的一侧；
所述第一镜片(401)、所述第二镜片(402)、所述第五镜片(405)及所述第六镜片(406)的光焦度为正，所述第三镜片(403)、所述第四镜片(404)及所述第七镜片(407)的光焦度为负。
14.根据权利要求13所述的光学投影系统，其特征在于，所述第二成像镜组的有效焦距为5.5mm～6.5mm，所述第二成像镜组的F数为1.4～1.6。
15.根据权利要求14所述的光学投影系统，其特征在于，在所述成像镜头(4)包括所述第二成像镜组的情况下，对应的LCOS芯片(5)直径为5.5mm～6.5mm。
16.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)与所述成像模组位于所述导光器件(2)的同一侧；
其中，所述成像模组包括沿同一光轴依次设置的偏振元件(3)、成像镜头(4)及LCOS芯片(5)；
所述光源模组(1)发出的投影光线经所述耦入区(202)进入所述波导基底(201)内部，再从所述耦出区(203)出射，出射的光线穿过所述偏振元件(3)，所述偏振元件(3)能够透过P光的同时反射S光，所述P光经所述成像镜头(4)出射后到达所述LCOS芯片(5)，经所述LCOS芯片(5)对光线进行调制，将无效光线转换为S光，同时保留带有图像信息的P光，所述带有图像信息的P光会再次透过所述成像镜头(4)、再透过所述偏振元件(3)后出射。
17.一种电子设备，其特征在于，包括：
壳体；以及
如权利要求1-16中任一项所述的光学投影系统。
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