CN116794920A - 基于透光单元阵列的背光光学系统及投影显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于透光单元阵列的背光光学系统及投影显示系统，涉及光学系统领域，背光光学系统包括光源部、透光单元阵列和匀光层，光源部用于出射至少两种原色光，使出射光入射至透光单元阵列，透光单元阵列设置于光源部的出光一侧，透光单元阵列的任一透光单元用于将入射至本透光单元的光以发散形式出射，与其它至少一个透光单元的出射光至少部分交叠，匀光层设置于透光单元阵列的出光一侧，使得透光单元阵列的各个透光单元的出射光入射至匀光层并在匀光层内散射，使得各个透光单元的出射光混合并从匀光层出射，以将匀光层作为背光光学系统的次级光源。本发明基于透光单元阵列的背光光学系统能够在出射光的颜色均匀性较好的同时体积较小。

Description

基于透光单元阵列的背光光学系统及投影显示系统

技术领域

本发明涉及光学系统领域，特别是涉及一种基于透光单元阵列的背光光学系统及投影显示系统。

背景技术

随着增强现实（Augmented Reality，AR）智能眼镜的发展和成熟，高清且小型化的微型投影显示系统的重要性越来越突出。对于自发光的微型显示器如Micro-OLED、LCD等，由于其发光亮度较低，暂时无法大规模应用，而反射式微型显示器由于使用外部光源，可以实现高亮度输出，因而成为微型投影显示系统的主流方案，比如硅基液晶（Liquid Crystalon Silicon，LCOS）显示器、数字微镜器件（Digital Micromirror Device，DMD）显示器等。

当前反射式微型显示器主流的背光方案有导光柱混光方式、分色镜混光方式和X-cube棱镜混光方式，但是，现有的这些背光方案对应的光学系统普遍体积还是较大，不适用于AR领域产品。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于透光单元阵列的背光光学系统，能够在达到颜色均匀性好的同时体积较小。本发明还提供一种投影显示系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于透光单元阵列的背光光学系统，包括：

光源部，用于出射至少两种原色光，使出射光入射至透光单元阵列；

所述透光单元阵列，设置于所述光源部的出光一侧，所述透光单元阵列的任一透光单元用于将入射至本透光单元的光以发散形式出射，使得本透光单元的出射光与除本透光单元之外的至少一个所述透光单元的出射光至少部分交叠；

匀光层，设置于所述透光单元阵列的出光一侧，用于使得所述透光单元阵列的各个所述透光单元的出射光入射至所述匀光层并在所述匀光层内散射，使得各个所述透光单元的出射光混合并从所述匀光层出射，以将所述匀光层作为所述背光光学系统的次级光源；

反光部，其包括围合的反射面，所述反光部设置于所述光源部的出光一侧，使得所述光源部出射的大角度光线或/和所述透光单元阵列出射的大角度光线入射至所述反射面，所述反射面用于将入射至自身的光线反射并使光线聚拢，使得从所述光源部入射至所述反射面的光线被反射至所述透光单元阵列或者所述匀光层，或/和使得从所述透光单元阵列入射至所述反射面的光线被反射至所述匀光层；

所述光源部和所述透光单元阵列均设置于所述反光部的所述反射面内侧，所述匀光层设置于所述反光部的所述反射面内侧或者所述反光部的出光一侧。

可选地，所述透光单元的直径小于等于1毫米。

可选地，所述透光单元的出射光的光束角大于等于60°。

可选地，所述匀光层还用于使得所述透光单元阵列的各个所述透光单元的出射光入射至所述匀光层并在所述匀光层内散射，使得所述匀光层的出射光强度均匀。

可选地，所述匀光层包括扩散膜。

可选地，还包括：

聚光部，设置于所述光源部的出光光路上，用于将所述光源部出光光路上的光线聚拢，使所述背光光学系统的出射光入射至预设屏幕。

可选地，所述聚光部包括菲涅尔透镜、平凸透镜、平凹透镜、双凸透镜、双凹透镜和自由曲面透镜中的任意一种或者任意多种。

可选地，所述匀光层设置于所述透光单元阵列和所述聚光部之间，或者所述匀光层设置于所述聚光部的出光一侧，或者所述聚光部包括至少两个光学元件，所述匀光层设置于所述聚光部的相邻两个光学元件之间。

可选地，所述光源部包括至少两个发光元件，所述至少两个发光元件分别出射不同的原色光。

一种投影显示系统，包括：

以上任一项所述的基于透光单元阵列的背光光学系统；

显示屏，设置于所述基于透光单元阵列的背光光学系统的出光一侧，使得所述基于透光单元阵列的背光光学系统的出射光入射至所述显示屏。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种基于透光单元阵列的背光光学系统，包括光源部、透光单元阵列和匀光层，光源部用于出射至少两种原色光，使出射光入射至透光单元阵列，透光单元阵列设置于光源部的出光一侧，透光单元阵列的任一透光单元用于将入射至本透光单元的光以发散形式出射，匀光层设置于透光单元阵列的出光一侧，使得透光单元阵列的各个透光单元的出射光入射至匀光层并在匀光层内散射，使得各个透光单元的出射光混合并从匀光层出射，以将匀光层作为背光光学系统的次级光源。本发明基于透光单元阵列的背光光学系统，光源部出射的至少两种原色光入射至透光单元阵列，透光单元阵列的任一透光单元将入射至本透光单元的光以发散形式出射，将入射到自身的光扩散而照射至匀光层，使得本透光单元的出射光与除本透光单元之外的至少一个透光单元的出射光至少部分交叠，如此使各个透光单元的出射光能够相互混合，并且各个透光单元的出射光通过匀光层时在匀光层内散射而进一步混合，从而使得本背光光学系统的出射光颜色均匀性较好。并且光源部、透光单元阵列和匀光层占用体积可以较小，使得本背光光学系统体积可以较小。因此，本发明基于透光单元阵列的背光光学系统能够在出射光的颜色均匀性较好的同时体积较小。

本发明提供的一种投影显示系统，其包括的背光光学系统能够在出射光的颜色均匀性较好的同时体积较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种基于透光单元阵列的背光光学系统的示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种基于透光单元阵列的背光光学系统的光线传播示意图。

说明书附图中的附图标记包括：

10-预设屏幕，11-光源部，12-透光单元阵列，13-匀光层，14-聚光部，15-反光部，111-红光发光元件，112-绿光发光元件，113-蓝光发光元件，141-第一透镜，142-第二透镜。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种基于透光单元阵列的背光光学系统，包括：

光源部，用于出射至少两种原色光，使出射光入射至透光单元阵列；

所述透光单元阵列，设置于所述光源部的出光一侧，所述透光单元阵列的任一透光单元用于将入射至本透光单元的光以发散形式出射，使得本透光单元的出射光与除本透光单元之外的至少一个所述透光单元的出射光至少部分交叠；

匀光层，设置于所述透光单元阵列的出光一侧，用于使得所述透光单元阵列的各个所述透光单元的出射光入射至所述匀光层并在所述匀光层内散射，使得各个所述透光单元的出射光混合并从所述匀光层出射，以将所述匀光层作为所述背光光学系统的次级光源。

光源部出射的至少两种原色光入射至透光单元阵列。透光单元阵列的任一透光单元将入射至本透光单元的光以发散形式出射，将入射到本透光单元的光扩散而照射至匀光层，使得本透光单元的出射光与除本透光单元之外的至少一个透光单元的出射光至少部分交叠，透光单元阵列的各个透光单元分别将入射到自身的光扩散而照射至匀光层，各个透光单元的出射光会相互交叠，如此各个透光单元的出射光能够相互混合，并且，各个透光单元的出射光通过匀光层时在匀光层内散射而进一步混合，从而使得各种原色光能够较好地混合，使得本背光光学系统的出射光颜色均匀性较好。并且光源部、透光单元阵列和匀光层占用体积可以较小，使得本背光光学系统体积可以较小。因此，本实施例的基于透光单元阵列的背光光学系统能够在出射光的颜色均匀性较好的同时体积较小。

本背光光学系统中，根据光学原理匀光层可以视为次级光源，本背光光学系统的后续光学设计时匀光层即为背光光学系统的光源。

可选地，光源部包括至少两个发光元件，所述至少两个发光元件分别出射不同的原色光。示例性地光源部可包括红光发光元件、绿光发光元件和蓝光发光元件，即光源部为红光发光元件、绿光发光元件和蓝光发光元件三合一的光源。其中对三个发光元件的排列形式不做限定，示例性地可以排列为1字形或者品字形。可以是光源部包括电路板和至少两个发光元件，各个发光元件设置于电路板上，通过电路板向发光元件供电从而使发光元件发光。发光元件可以是发光芯片，可以是但不限于LED。

透光单元阵列的各个透光单元以阵列形式排布，优选地透光单元阵列的各个透光单元排列形成面阵列。本实施例中，对任一透光单元的结构不做限定，只要任一透光单元能够将入射至本透光单元的光扩散，使光以发散形式出射即可。透光单元可以是透镜，可以是但不限于凸透镜或者凹透镜。

光源部的出射光入射至透光单元阵列，被透光单元阵列的以阵列形式排布的透光单元在空间上分割成多个子光束，每一透光单元对应一个子光束。而每一透光单元将入射至本透光单元的光以发散形式出射，使本透光单元的出射光与除本透光单元之外的其它透光单元的出射光至少部分交叠，如此通过透光单元阵列将光源部的出射光细分成很多束再相互混合，将光源部出射的各种原色光混合。优选地，透光单元阵列的透光单元的直径小于等于1毫米，透光单元阵列是一种微结构透光单元阵列。透光单元阵列的透光单元较小，光源部的出射光照射至各个透光单元，通过透光单元阵列将光源部的出射光精细地分成很多束，对光源部的出射光分割越精细，而每一透光单元将入射至本透光单元的光以发散形式出射，使各个透光单元的出射光相互混合，这样有助于使光源部的出射光中各种原色光混合均匀，进一步通过匀光层混合后，提高了本背光光学系统出射光的颜色均匀性。优选地，透光单元的直径为0.1-0.5毫米，甚至可以小于0.1毫米。对于任一透光单元，光源的出射光经透光单元扩散后，透光单元的出射光的光束角大于等于第一预设角度。光源的出射光经透光单元扩散后，透光单元的光束角越大，本透光单元的出射光与其它透光单元的出射光交叠相对越多，有助于各个透光单元的出射光更好地混合。第一预设角度是针对透光单元设定的角度，对其具体取值不做限定。示例性地第一预设角度可以是60°。

示例性地可参考图1和图2，图1为一实施例提供的一种基于透光单元阵列的背光光学系统的示意图，图2为一实施例提供的一种基于透光单元阵列的背光光学系统的光线传播示意图，如图所示，透光单元阵列12设置于光源部11的出光一侧，匀光层13设置于透光单元阵列12的出光一侧。透光单元阵列12包括多个排列形成阵列的透光单元。光源部11包括红光发光元件111、绿光发光元件112和蓝光发光元件113，可参考图2所示，各个发光元件的出射光入射至透光单元阵列12。透光单元阵列12的任一透光单元将入射至本透光单元的光扩散，以发散形式出射，使得各个透光单元的出射光相互混合。匀光层13使得透光单元阵列12的各个透光单元的出射光入射至匀光层13并在匀光层13内散射，使得各个透光单元的出射光进一步混合，能够使得光源部11出射的各种原色光较好地混合。

进一步优选地，匀光层13还用于使得透光单元阵列12的各个透光单元的出射光入射至匀光层13并在匀光层13内散射，使得匀光层13的出射光强度均匀。通过匀光层13对透光单元阵列12的各个透光单元的出射光进行均匀化处理，消除光源部11各个发光元件的像，不仅使得各种原色光混合均匀，并且使得通过匀光层12后的出射光强度均匀，通过匀光层13形成颜色混合均匀，亮度均匀的次级光源。匀光层13为层状结构，使得混光距离短，使得本背光光学系统体积较小。匀光层13可采用但不限于扩散膜。

在一些实施方式中，本背光光学系统还可包括反光部15，其包括围合的反射面，所述反光部15设置于所述光源部11的出光一侧，使得所述光源部11出射的大角度光线或/和所述透光单元阵列12出射的大角度光线入射至所述反射面，所述反射面用于将入射至自身的光线反射并使光线聚拢，使得从所述光源部11入射至所述反射面的光线被反射至所述透光单元阵列12或者所述匀光层13，或/和使得从所述透光单元阵列12入射至所述反射面的光线被反射至所述匀光层13。光源部11出射的大角度光线是指出射的光线与光源部11的光轴之间夹角大于第二预设角度的光线。透光单元阵列12出射的大角度光线是指出射的光线与透光单元阵列12的光轴之间夹角大于第二预设角度的光线。

通过在光源部11的出光一侧设置反光部15，反光部15起到聚光作用，能够将光源部11的大角度光线反射而将大角度光线聚拢，使这部分光线入射至透光单元阵列12或者匀光层13，避免光源部11的大角度光线损失掉，从而达到提高本背光光学系统的光利用率的效果。可选地，可以是光源部11出射的大角度光线入射至反光部15的反射面，反射面将入射至自身的光线反射而将光线准直，使光线以准直形式入射至透光单元阵列12或者匀光层13。

由于透光单元阵列12的透光单元将入射至本透光单元的光以发散形式出射，使得由透光单元阵列12出射的光中有大角度光线，通过在光源部11的出光一侧设置反光部15，使透光单元阵列12出射的大角度光线可以入射至反光部15的反射面，反光部15起到聚光作用，反光部15的反射面能够将透光单元阵列12出射的大角度光线反射，使反射后的光线相对于背光光学系统光轴的角度减小，从而将这部分大角度光线聚拢，使这部分光线入射至匀光层13，避免由透光单元阵列12出射的大角度光线损失掉，从而达到提高本背光光学系统的光利用率的效果，有助于提高本背光光学系统出射光的亮度。可选地，可以是透光单元阵列12出射的大角度光线入射至反光部15的反射面，反射面将入射至自身的光线反射而将光线准直，使光线以准直形式入射至匀光层13。

本实施例中，对反光部15的反射面面形不做限定，在实际应用中可以根据光源部11的大角度光线情况、透光单元阵列12的大角度光线情况、透光单元阵列12的尺寸、匀光层13的尺寸等进行设置，以保证通过反光部15能够将光源部11的大角度光线收集而入射至透光单元阵列12或者匀光层13，或/和能够将透光单元阵列12的大角度光线收集而入射至匀光层13。反光部15可以是反光杯。

可选地，光源部11和透光单元阵列12均设置于反光部15的所述反射面内侧，匀光层13可设置于反光部15的所述反射面内侧或者可设置于反光部15的出光一侧。示例性地可参考图2所示，光源部11和透光单元阵列12设置于反光部15的反射面内侧，光源部11出射的小角度光线入射至透光单元阵列12，光源部11出射的大角度光线被反光部15的反射面接收，反射面将光线反射至匀光层13。

在一些实施方式中，本背光光学系统还包括：聚光部14，设置于所述光源部11的出光光路上，用于将所述光源部11出光光路上的光线聚拢，使所述背光光学系统的出射光入射至预设屏幕10。由于光源部11的出射光经过透光单元阵列12第一次扩散，再经过匀光层13进一步扩散，光通过匀光层13后，匀光层13的出射光中有比较多的大角度光线，通过聚光部14能够将大角度光线聚拢，避免这些光线损失掉，使得光线汇聚至预设屏幕10，使得本背光光学系统的出射光亮度较高。通过聚光部14能够将光源部11出光光路上的光线聚拢，以减少光损失，提高光利用率，使得本背光光学系统的出射光亮度能够满足要求。

本实施例中，对聚光部14的结构不做限定，只要能够使背光光学系统的出射光入射至预设屏幕10即可。聚光部14可包括菲涅尔透镜、平凸透镜、平凹透镜、双凸透镜、双凹透镜和自由曲面透镜中的任意一种或者任意多种，在实际应用中可以根据应用需求设置。示例性地可参考图1和图2所示，聚光部14包括第一透镜141和第二透镜142，第一透镜141可认为是一种聚光透镜，能够将匀光层13的出射光中一些光线汇聚收拢，能够使另一些光线准直；通过第一透镜141的光线入射至第二透镜142，第二透镜142能够将光线进一步汇聚收拢，能够使其中一些光线准直，使光线入射至预设屏幕10。优选地，第一透镜141可采用菲涅尔透镜或/和第二透镜142可采用菲涅尔透镜，使得第一透镜141或者第二透镜142在结构体积较小的同时具有强的聚光能力。

可选地，匀光层13可以设置于光源部11和聚光部14之间，比如匀光层13设置于反光部15的反射面内侧，或者设置于反光部15与聚光部14之间。

可选地，匀光层13可以设置于聚光部14的出光一侧，即设置于聚光部14和预设屏幕10之间。或者，聚光部14包括至少两个光学元件，匀光层13设置于聚光部14的相邻两个光学元件之间。

若本背光光学系统应用于投影显示系统，预设屏幕10可以是投影显示系统的显示屏。预设屏幕10可以是但不限于硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon，LCOS）显示屏或者数字光处理（Digital Light Processing，DLP）显示屏。

本实施例基于透光单元阵列的背光光学系统采用透光单元阵列加匀光层混光方式，其结构小巧，装配精度要求低，亮度均匀性好，混光颜色均匀，亮度较高，可应用于AR/VR领域的反射式微型显示器的背光方案。

本实施例基于透光单元阵列的背光光学系统采用RGB三合一光源加透光单元阵列和匀光层的方案来实现RGB色光的聚光以及颜色混合，并使用配套的反光杯准直聚光来提高光利用率，并用聚光透镜来进一步对经匀光层混光后的光线进行准直汇聚，使汇聚到预设屏幕的光亮度高，亮度均匀性好，颜色均匀性好，以提高投影光机的显示效果。并且，本背光方案组成结构简单，装配精度要求不高，其结构可以做得非常小巧，此背光方案的长度很短，可以做到4-5毫米的长度，且有较高的光利用率，由此可以使得在微型投影光机的体积变得更为小巧轻便。

本实施例还提供一种投影显示系统，包括：

以上任一项实施方式所述的基于透光单元阵列的背光光学系统；

显示屏，设置于所述基于透光单元阵列的背光光学系统的出光一侧，使得所述基于透光单元阵列的背光光学系统的出射光入射至所述显示屏。

本实施例的投影显示系统中，其背光光学系统的光源部出射的至少两种原色光入射至透光单元阵列。透光单元阵列的任一透光单元将入射至本透光单元的光以发散形式出射，将入射到本透光单元的光扩散而照射至匀光层，透光单元阵列的各个透光单元分别将入射到自身的光扩散而照射至匀光层，如此各个透光单元的出射光能够相互混合，并且，各个透光单元的出射光通过匀光层时在匀光层内散射而进一步混合，从而使得各种原色光能够较好地混合，使得背光光学系统的出射光颜色均匀性较好；并且光源部、透光单元阵列和匀光层占用体积可以较小，使得背光光学系统体积可以较小，因此可以使得本投影显示系统在出射光的颜色均匀性较好的同时体积较小。

本投影显示系统可适用于AR领域的几何光波导显示模组或AR衍射光波导显示模组，该光学系统兼具体积小、亮度高、亮度均匀性高、颜色均匀性好的优势，其形态结构非常好地匹配了AR智能眼镜、AR头盔等领域的头戴显示领域产品。

以上对本发明所提供的基于透光单元阵列的背光光学系统及投影显示系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于透光单元阵列的背光光学系统，其特征在于，包括：

光源部，用于出射至少两种原色光，使出射光入射至透光单元阵列；

所述透光单元阵列，设置于所述光源部的出光一侧，所述透光单元阵列的任一透光单元用于将入射至本透光单元的光以发散形式出射，使得本透光单元的出射光与除本透光单元之外的至少一个所述透光单元的出射光至少部分交叠；

匀光层，设置于所述透光单元阵列的出光一侧，用于使得所述透光单元阵列的各个所述透光单元的出射光入射至所述匀光层并在所述匀光层内散射，使得各个所述透光单元的出射光混合并从所述匀光层出射，以将所述匀光层作为所述背光光学系统的次级光源；

反光部，其包括围合的反射面，所述反光部设置于所述光源部的出光一侧，使得所述光源部出射的大角度光线或/和所述透光单元阵列出射的大角度光线入射至所述反射面，所述反射面用于将入射至自身的光线反射并使光线聚拢，使得从所述光源部入射至所述反射面的光线被反射至所述透光单元阵列或者所述匀光层，或/和使得从所述透光单元阵列入射至所述反射面的光线被反射至所述匀光层；

所述光源部和所述透光单元阵列均设置于所述反光部的所述反射面内侧，所述匀光层设置于所述反光部的所述反射面内侧或者所述反光部的出光一侧。

2.根据权利要求1所述的基于透光单元阵列的背光光学系统，其特征在于，所述透光单元的直径小于等于1毫米。

3.根据权利要求1所述的基于透光单元阵列的背光光学系统，其特征在于，所述透光单元的出射光的光束角大于等于60°。

4.根据权利要求1所述的基于透光单元阵列的背光光学系统，其特征在于，所述匀光层还用于使得所述透光单元阵列的各个所述透光单元的出射光入射至所述匀光层并在所述匀光层内散射，使得所述匀光层的出射光强度均匀。

5.根据权利要求1所述的基于透光单元阵列的背光光学系统，其特征在于，所述匀光层包括扩散膜。

6.根据权利要求1至5任一项所述的基于透光单元阵列的背光光学系统，其特征在于，还包括：

聚光部，设置于所述光源部的出光光路上，用于将所述光源部出光光路上的光线聚拢，使所述背光光学系统的出射光入射至预设屏幕。

7.根据权利要求6所述的基于透光单元阵列的背光光学系统，其特征在于，所述聚光部包括菲涅尔透镜、平凸透镜、平凹透镜、双凸透镜、双凹透镜和自由曲面透镜中的任意一种或者任意多种。

8.根据权利要求6所述的基于透光单元阵列的背光光学系统，其特征在于，所述匀光层设置于所述透光单元阵列和所述聚光部之间，或者所述匀光层设置于所述聚光部的出光一侧，或者所述聚光部包括至少两个光学元件，所述匀光层设置于所述聚光部的相邻两个光学元件之间。

9.根据权利要求1所述的基于透光单元阵列的背光光学系统，其特征在于，所述光源部包括至少两个发光元件，所述至少两个发光元件分别出射不同的原色光。

10.一种投影显示系统，其特征在于，包括：

权利要求1至9任一项所述的基于透光单元阵列的背光光学系统；

显示屏，设置于所述基于透光单元阵列的背光光学系统的出光一侧，使得所述基于透光单元阵列的背光光学系统的出射光入射至所述显示屏。