CN116859657A - 一种光学系统、微投影光机及显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种光学系统，光学系统应用于微投影光机，光学系统包括：光源和组合棱镜；光源包括：用于发射红光的激光二极管、整形模组、用于发射蓝光的第一发光二极管和用于发射绿光的第二发光二极管；组合棱镜包括：第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜和第四棱镜；激光二极管发射的红光经整形模组后形成平行光束，平行光束经第一棱镜的第一面反射后出射，形成出射红光；第一发光二极管发射的蓝光经第二棱镜的第二面反射后，再经第四棱镜的第四面后出射，形成出射蓝光；第二发光二极管发射的绿光经第三棱镜的第三面反射后，再经第四面后出射，形成出射绿光；红光、蓝光和绿光的光程匹配。

Description

一种光学系统、微投影光机及显示设备

技术领域

本申请涉及微投影光机制造技术，尤其涉及一种光学系统、微投影光机及显示设备。

背景技术

微投影光机是辅助现实(Augmented Reality，AR)和虚拟现实(Virtual Reality，VR)系统或产品中的关键模块，微投影光机的分辨率，亮度，色彩保真度等性能与微投影机的应用范围和用户的使用体验息息相关。因此，如何提高微投影光机的性能是微投影光机制造技术一直追求的目标。

发明内容

本申请实施例提供一种光学系统、微投影光机及显示设备，能够提高微投影光机的性能。

本申请实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种光学系统，所述光学系统应用于微投影光机，所述光学系统至少包括：光源和组合棱镜；

所述光源包括：用于发射红光的激光二极管、整形模组、用于发射蓝光的第一发光二极管和用于发射绿光的第二发光二极管；

所述组合棱镜包括：第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜和第四棱镜；

所述激光二极管发射的红光经所述整形模组后形成平行光束，所述平行光束经所述第一棱镜的第一面反射后出射，再经所述第四棱镜的第四面后出射，形成出射红光；

所述第一发光二极管发射的蓝光经所述第二棱镜的第二面反射后，再经所述第四面后出射，形成出射蓝光；

所述第二发光二极管发射的绿光经所述第三棱镜的第三面反射后，再经所述第四面后出射，形成出射绿光；

其中，所述激光二极管发射的红光、所述第一发光二极管发射的蓝光和第二发光二极管发射的绿光的光程匹配。

在一些可选实施例中，所述整形模组包括：扫描器和聚焦透镜；

所述激光二极管发射的红光入射至所述扫描器；

所述红光经所述扫描器反射，形成以所述扫描器为出射点的多束红光；

所述多束红光入射至所述聚焦透镜后，形成多束平行红光；

所述多束平行红光入射至所述第一棱镜，经所述第一棱镜的第一面反射后出射。

在一些可选实施例中，所述激光二极管发射的红光、所述第一发光二极管发射的蓝光和第二发光二极管发射的绿光的光程匹配，包括：

所述红光从所述红光的焦平面传播至所述光学系统的出射面的第一光程，与所述绿光从所述绿光对应的像素单元传播至所述光学系统的出射面的第二光程之差小于光程阈值；

所述第一光程与所述蓝光从所述蓝光对应的像素单元传播至所述光学系统的出射面的第三光程之差小于所述光程阈值。

在一些可选实施例中，所述光学系统还包括：位于所述第一发光二极管内的第一透镜阵列；

所述第一发光二极管发射的蓝光经所述第一透镜阵列后形成的光束的发散角，小于所述第一发光二极管发射的蓝光的发散角。

在一些可选实施例中，所述蓝光经所述第一透镜阵列后形成的光束的虚焦点与所述第四面之间的距离，大于所述第一发光二极管与所述第四面之间的距离。

在一些可选实施例中，所述光学系统还包括：位于所述第二发光二极管内的第二透镜阵列；

所述第二发光二极管发射的绿光经所述第二透镜阵列后形成的光束的发散角，小于所述第二发光二极管发射的绿光的发散角。

在一些可选实施例中，所述绿光经所述第二透镜阵列后形成的光束的虚焦点与所述第四面之间的距离，大于所述第二发光二极管与所述第四面之间的距离。

在一些可选实施例中，所述第二面镀有对所述蓝光的反射率大于第一反射阈值的第一分色膜；所述第三面镀有对所述绿光的反射率大于第二反射阈值的第二分色膜；其中，所述第一反射阈值与第二反射阈值相同或不同。

在一些可选实施例中，所述第一面、所述第二面和所述第三面镀有针对所述红光的增透膜。

在一些可选实施例中，所述第一面镀有对所述红光的反射率大于第三反射阈值的第三分色膜。

第二方面，本申请实施例提供一种微投影光机，所述微投影光机包括投影镜头和上述的光学系统；

所述光学系统输出的出射红光、出射蓝光和出射绿光入射经所述投影镜头后投影出射。

第三方面，本申请实施例提供一种显示设备，所述显示设备包括微投影光机和波导器件，所述微投影光机包括投影镜头和上述的光学系统；

所述微投影光机设置于所述波导器件的耦入侧，所述光学系统输出的光经所述投影镜头投影至所述波导器件的耦入口。

本申请实施例提供的应用于微投影光机的光学系统包括：光源和组合棱镜；光源包括：用于发射红光的激光二极管、整形模组、用于发射蓝光的第一发光二极管和用于发射绿光的第二发光二极管；组合棱镜包括：第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜和第四棱镜；激光二极管发射的红光经整形模组后形成平行光束，平行光束经第一棱镜的第一面反射后出射，形成出射红光；第一发光二极管发射的蓝光经第二棱镜的第二面反射后，再经第四棱镜的第四面后出射，形成出射蓝光；第二发光二极管发射的绿光经第三棱镜的第三面反射后，再经第四面后出射，形成出射绿光。本申请实施例利用激光二极管发射红光，能够解决微投影光机中利用发光二极管发射红光导致的红光亮度不足的问题，使得红光的亮度与蓝光和绿光的亮度匹配，构造完善的色彩空间，进而提高由光学系统构成的微投影光机的全彩性能。通过设计红光、蓝光和绿光的光程匹配，使得经光学系统出射的光在后续成像的过程中不出现色差。

附图说明

图1是本申请实施例提供的光学系统的一种可选结构示意图；

图2是本申请实施例提供的组合棱镜的一种可选结构示意图；

图3是本申请实施例提供的第二发光二极管的一种可选结构示意图；

图4是本申请实施例提供的第二发光二极管的另一种可选结构示意图；

图5是本申请实施例提供的第二发光二极管所出射的绿光示意图；

图6是本申请实施例提供的微投影光机的一种可选结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述，所描述的实施例不应视为对本申请的限制，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它实施例，都属于本申请保护的范围。

在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解,“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。

在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。

应理解，在本申请的各种实施例中，各实施过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

常见的微投影光机包括四种，第一种是基于数字光线处理器(Digital LightProcessor，DLP)芯片的微投影光机，使用红绿蓝(RGB)三色光源，对单个DLP芯片进行高速分时照明，以获得彩色图像。虽然这类微投影光机的色彩和对比度很好，但尺寸较大，功耗较高。第二种是基于液晶硅片(liquid crystal on silicon，LCOS)芯片的微投影光机，通常也使用RGB三色光源对单个芯片进行高速分时照明获得彩色图像。虽然这类微投影光机的尺寸较小，LCOS芯片技术成熟供应链较为稳定，但仍有功耗高、对比度不足的问题。第三种是激光束扫描(Laser Beam Scanning，LBS)微投影光机,其利用高速扫描器将三色激光逐点扫描投影成彩色图像，此类微投影光机虽然能耗低、尺寸小，但对调节精度要求极高，制作困难。第四种是基于微发光二极管(Micro LED)面板的微投影光机，使用能够出射红光、绿光和蓝光的3片Micro LED面板，通过交叉方形棱镜，将3片Micro LED面板的光合在一起，之后由镜头投影为彩色图像。申请人发现此类微投影光机中的用于形成红光的MicroLED面板的亮度不足造成显示色彩空间局限于或蓝绿色，使得Micro LED光机的全彩性能不能满足需求，导致基于Micro LED面板的微投影光机的应用范围狭窄。

基于此，本申请实施例提供一种光学系统，所述光学系统应用于微投影光机，本申请实施例提供的光学系统的一种可选结构示意图，如图1所示，光学系统100至少包括：光源和组合棱镜20；

所述光源包括：用于发射红光的激光二极管101、整形模组104、用于发射绿光的第二发光二极管120和用于发射蓝光的第一发光二极管130。

本申请实施例中，利用激光二极管101发射红光，能够解决利用发光二极管发射红光导致的红光亮度不足的问题，使得红光的亮度与蓝光和绿光的亮度匹配，构造完善的色彩空间，进而提高由光学系统100构成的微投影光机的全彩性能。其中，激光二极管出射的红光的波长范围可以是630nm-670nm。

本申请实施例提供的组合棱镜的一种可选结构示意图，如图2所示，组合棱镜20包括：第一棱镜201、第二棱镜202、第三棱镜203和第四棱镜204。

所述激光二极管101发射的红光经所述整形模组104后形成平行光束，所述平行光束经所述第一棱镜201的第一面211反射后出射，再经所述第四棱镜204的第四面160后出射，形成出射红光。

所述第一发光二极管130发射的蓝光经所述第二棱镜202的第二面212反射后，再经所述第四棱镜204的第四面160后出射，形成出射蓝光。

所述第二发光二极管120发射的绿光经所述第三棱镜203的第三面213反射后，再经所述第四面160后出射，形成出射绿光。

其中，所述激光二极管101发射的红光、所述第一发光二极管130发射的蓝光和第二发光二极管120发射的绿光的光程匹配。

在一些实施例中，整形模组104可以包括扫描器102和聚焦透镜103；其中，扫描器102可以是一片或多片(如两片)微机电系统(Micro-Electro-Mech anical System，MEMS)。

下面分别对红光、绿光和蓝光的传输过程进行说明。

针对红光，扫描器102在二维空间对激光二极管101进行连续扫描，激光二极管101发射的红光入射至所述扫描器102后，经扫描器102反射形成以扫描器102为出射点的多束红光；多束红光入射至所述聚焦透镜103后，形成多束平行红光；多束平行红光入射至所述第一棱镜201，经所述第一棱镜201的第一面211反射后出射。其中，经所述扫描器102出射的多束红光聚焦于图1所示的焦平面150处。

在一些实施例中，所述第一面211可以不镀膜，也可以镀有对所述红光的反射率大于第三反射阈值的第三分色膜。若所述第一面211不镀膜，则多束平行红光入射至第一面211时，在第一面211会发生全反射。若所述第一面211镀有对所述红光的反射率大于第三反射阈值的第三分色膜，则多束平行红光入射至第一面211时，在第一面会发生发射，避免多束平行红光损耗。其中，所述第三反射阈值可以根据实际需要灵活设置，如第三发射阈值设置为90％或95％等不同的值。

在一些实施例中，多束平行红光经第一面211反射后，可以入射至第二面212或第三面213，最后经第四面160出射。因此，第二面212、第三面213和第四面160均可以镀有针对红光的增透膜。

针对绿光，本申请实施例提供的第二发光二极管120的一种可选结构示意图，如图3所示，包括多个像素单元121，多个像素单元121构成像素阵列；每个像素单元121可以是一个发射发散绿光的点光源。像素单元121发射的绿光经图2所示的第三棱镜203的第三面213反射后，再经图2所示的第四面160后出射，形成出射绿光。因此，第三面213可以镀有对所述绿光的反射率大于第二反射阈值的第二分色膜，第四面160可以镀有针对绿光的增透膜。其中，所述第二反射阈值可以根据实际需要灵活设置，如第二发射阈值设置为95％或98％等不同的值。

针对蓝光，第一发光二极管130的结构与图2所示第二发光二极管120的结构相同或相似，包括多个像素单元，多个像素单元构成像素阵列；每个像素单元可以是一个发射发散蓝光的点光源。像素单元发射的蓝光经图2所示的第二棱镜202的第二面212反射后，再经图2所示的第四面160后出射，形成出射蓝光。因此，第二面212可以镀有对所述蓝光的反射率大于第一反射阈值的第一分色膜，第四面160可以镀有针对蓝光的增透膜。其中，所述第一反射阈值可以根据实际需要灵活设置，如第二发射阈值设置为96％或98％等不同的值。

本申请实施例中，经第四面160出射的光包括红色、蓝色和绿色三种颜色。可以通过控制第一光程与第二光程之差小于光程阈值，以及控制第一光程与第三光程之差小于光程阈值，来避免经第四面160出射的光在后续成像的过程中不出现色差。其中，第一光程为红光从所述红光的焦平面150传播至图1所示光学系统的出射面170的光程；第二光程为绿光从所述绿光对应的像素单元传播至图1所示光学系统的出射面170的光程；第三光程为蓝光从所述蓝光对应的像素单元传播至图1所示光学系统的出射面170的光程。光程阈值可以根据实际的应用场景或应用需求灵活设置，在一些场景下，可以设置光程阈值为零；即第一光程、第二光程和第三光程相等。

本申请实施例中，激光二极管101发射的红光的发散角小于第一发光二极管130发射的蓝光的发散角和第二发光二极管120发射的绿光的发散角，为了提高应用该光学系统的微投影光机的性能，可通过在与第一发光二极管130和第二发光二极管120内增加透镜阵列，以减小第一发光二极管130发射的蓝光的发散角和第二发光二极管120发射的绿光的发散角，实现激光二极管101发射的红光的发散角与第一发光二极管130发射的蓝光的发散角和第二发光二极管120发射的绿光的发散角相等或相近。

在一些实施例中，在所述第一发光二极管130内的第一透镜阵列，第一透镜阵列包括多个微透镜，每个微透镜与第一发光二极管130内的一个像素单元对应。在所述第二发光二极管120内的第二透镜阵列，第二透镜阵列包括多个微透镜，每个微透镜与第二发光二极管120内的一个像素单元对应。

以在第二发光二极管120内增加第二透镜阵列300为例，对第二发光二极管的结构进行说明。本申请实施例提供的第二发光二极管的另一种可选结构示意图，如图4所示，包括多个像素单元121以及第二透镜阵列300，第二透镜阵列300包括多个微透镜301，微透镜301的数量与像素单元121的数量相同，微透镜与像素单元一一对应。每个像素单元出射的发散绿光经过与该像素单元对应的微透镜后出射。

基于图4所示的第二发光二极管所出射的绿光示意图，如图5所示，像素单元121发射绿光401，绿光401的发散角为第一角，微透镜301对绿光401进行准直处理，得到出射光402，出射光402的发散角为第二角。根据图5可知，第二角小于第一角。本申请实施例中，可通过控制微透镜301的焦距等参数使得第二角的大小等于红光的发散角，或者使得第二角的大小与红光的发散角之差小于预设的角度阈值。其中，角度阈值的大小可根据实际需要和实际应用场景灵活设置。

需要说明的是，在增加第二透镜阵列之后，绿光经所述第二透镜阵列后形成的光束的虚焦点与所述第四面之间的距离，大于所述第二发光二极管与所述第四面之间的距离。即出射光402的虚焦点403到所述光学系统的出射面170的距离，大于像素单元121到所述光学系统的出射面170的距离。为了保证红光与绿光的焦平面匹配，或为了保证第一光程与第二光程相等，需调整图1中焦平面150的位置，以实现第一光程与第二光程相等。

上述以在第二发光二极管120内增加第二透镜阵列300为例，对第二发光二极管的结构进行说明；在实际应用中，可以采用相同或相似的方式在第一发光二极管130内增加第一透镜阵列，这里不再赘述。

本申请实施例中，第一透镜阵列和第二透镜阵列均可以通过光学微纳加工的方式制作。具体的制作流程可以包括：在玻璃晶圆表面旋涂光刻胶，然后通过灰度光刻模式对光刻胶曝光，显影后在光刻胶里形成球面微透镜阵列，或者形成菲涅尔微透镜阵列，或者形成超透镜(Meta Lens)阵列；再通过等离子刻蚀，将光刻胶的图案转移到晶圆的玻璃材质中。晶圆经过进一步加工(如清洗，镀膜，切割等)成为微透镜阵列。

上述图1至图5对本申请实施例提供的光学系统以及构成所述光学系统的各组件进行了详细说明。下面对应用图1至图5所示的光学系统的微投影光机进行说明。

本申请实施例提供的微投影光机的一种可选结构示意图，如图6所示，包括：图1所示的光学系统100和投影镜头200；所述光学系统100输出的出射红光、出射蓝光和出射绿光入射经所述投影镜头200后投影出射。其中，所述投影镜头200可以由一组透镜构成，该组透镜可以包括凸透镜和凹透镜。图6所示的光学系统100的组成结构与图1所示的光学系统的组成结构相同。图6所示的光学系统100所包括的各光学元件的功能及编号均与图1所示的各光学元件的功能和编号相同。

本申请实施例还提供一种显示设备，该显示设备可以AR设备或VR设备，该显示设备包括微投影光机和波导器件，所述微投影光机包括投影镜头和图1至图5所述的光学系统。所述微投影光机设置于所述波导器件的耦入侧，所述光学系统输出的光经所述投影镜头投影至所述波导器件的耦入口。

本申请实施例提供的光学系统包括激光二极管和发光二极管两种类型的混合光源，通过激光二极管发射红光，能够解决现有的微投影光机利用发光二极管发射红光导致的红光亮度不足的问题，使得红光的亮度与蓝光和绿光的亮度匹配，构造完善的色彩空间，进而提高由光学系统100构成的微投影光机的全彩性能；本申请实施例提供的光学系统还具有易调节、可量产的特点。

以上，仅为本申请的实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和范围之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统应用于微投影光机，所述光学系统至少包括：光源和组合棱镜；

所述光源包括：用于发射红光的激光二极管、整形模组、用于发射蓝光的第一发光二极管和用于发射绿光的第二发光二极管；

所述组合棱镜包括：第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜和第四棱镜；

所述激光二极管发射的红光经所述整形模组后形成平行光束，所述平行光束经所述第一棱镜的第一面反射后出射，再经所述第四棱镜的第四面后出射，形成出射红光；

所述第一发光二极管发射的蓝光经所述第二棱镜的第二面反射后，再经所述第四面后出射，形成出射蓝光；

所述第二发光二极管发射的绿光经所述第三棱镜的第三面反射后，再经所述第四面后出射，形成出射绿光；

其中，所述激光二极管发射的红光、所述第一发光二极管发射的蓝光和第二发光二极管发射的绿光的光程匹配。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述整形模组包括：扫描器和聚焦透镜；

所述激光二极管发射的红光入射至所述扫描器；

所述红光经所述扫描器反射，形成以所述扫描器为出射点的多束红光；

所述多束红光入射至所述聚焦透镜后，形成多束平行红光；

所述多束平行红光入射至所述第一棱镜，经所述第一棱镜的第一面反射后出射。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述激光二极管发射的红光、所述第一发光二极管发射的蓝光和第二发光二极管发射的绿光的光程匹配，包括：

所述红光从所述红光的焦平面传播至所述光学系统的出射面的第一光程，与所述绿光从所述绿光对应的像素单元传播至所述出射面的第二光程之差小于光程阈值；

所述第一光程与所述蓝光从所述蓝光对应的像素单元传播至所述出射面的第三光程之差小于所述光程阈值。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括：

位于所述第一发光二极管内的第一透镜阵列；

所述第一发光二极管发射的蓝光经所述第一透镜阵列后形成的光束的发散角，小于所述第一发光二极管发射的蓝光的发散角。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述蓝光经所述第一透镜阵列后形成的光束的虚焦点与所述第四面之间的距离，大于所述第一发光二极管与所述第四面之间的距离。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括：

位于所述第二发光二极管内的第二透镜阵列；

所述第二发光二极管发射的绿光经所述第二透镜阵列后形成的光束的发散角，小于所述第二发光二极管发射的绿光的发散角。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述绿光经所述第二透镜阵列后形成的光束的虚焦点与所述第四面之间的距离，大于所述第二发光二极管与所述第四面之间的距离。

8.根据权利要求1至7任一项所述的光学系统，其特征在于，所述第二面镀有对所述蓝光的反射率大于第一反射阈值的第一分色膜；

所述第三面镀有对所述绿光的反射率大于第二反射阈值的第二分色膜；

其中，所述第一反射阈值与第二反射阈值相同或不同。

9.根据权利要求1至7任一项所述的光学系统，其特征在于，所述第一面、所述第二面和所述第三面镀有针对所述红光的增透膜。

10.根据权利要求1至7任一项所述的光学系统，其特征在于，所述第一面镀有对所述红光的反射率大于第三反射阈值的第三分色膜。

11.一种微投影光机，其特征在于，所述微投影光机包括投影镜头和权利要求1至10任一项所述的光学系统；

所述光学系统输出的出射红光、出射蓝光和出射绿光入射经所述投影镜头后投影出射。

12.一种显示设备，其特征在于，所述显示设备包括微投影光机和波导器件，所述微投影光机包括投影镜头和如权利要求1至10任一项所述的光学系统；

所述微投影光机设置于所述波导器件的耦入侧，所述光学系统输出的光经所述投影镜头投影至所述波导器件的耦入口。