CN117289532A - 一种投影系统 - Google Patents

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CN117289532A CN202210708395.5A CN202210708395A CN117289532A CN 117289532 A CN117289532 A CN 117289532A CN 202210708395 A CN202210708395 A CN 202210708395A CN 117289532 A CN117289532 A CN 117289532A
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light
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赵鹏
朴妍玲
严子深
李屹
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Abstract

本申请公开了一种投影系统，该投影系统包括：光源，用于出射至少一种波长的照明光；光学调整装置设置于照明光的第一传输路径上，用于调整照明光的传输路径，以将照明光的传输路径由第一传输路径调整为第二传输路径；数字微镜器件设置于第二传输路径上，基于照明光出射成像光，将成像光传输至下级光学器件；其中，成像光的传输路径垂直于数字微镜器件的出射面，第二传输路径与数字微镜器件的出射面之间的夹角为入射角，入射角为照明光转化为衍射主级次光线的成像光的角度，多种波长的照明光具有不同的入射角。本申请通过光学调整装置调整照明光输入数字微镜器件的入射角，以使照明光转化为衍射效率最高的成像光出射，提高投影系统的显示照明效率。

Description

一种投影系统
技术领域
本申请涉及投影技术领域，特别是涉及一种投影系统。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，AR)是一种实时采集现实世界信息，并将虚拟信息、图像等与现实世界相结合的显示技术，有望成为继个人电脑、智能手机后的新一代信息交互终端，具有广阔的市场规模和想象空间。AR硬件显示系统通常包含微型光机(opticalengine)和光学组合器(optical combiner)两部分。其中，AR设备中采用的微型光机是用于生成图像光线的器件，主要技术路线包括LCoS(硅基液晶，Liquid Crustal On Silicon)、Laser Beam Scanning(激光束扫描)、Micro LED(微米发光二极管，Micro Light EmittingDiode)、Micro OLED(微型有机发光二极管，Micro Organic Light-Emitting Diode)等。光学组合器的作用是将实际环境光线和图像光线进行组合，使得人眼同时能够观察到环境和光机产生的图像信息。
具体地，AR设备中的光机系统用于生成投影显示图像，基于LCoS和DMD(数字微镜元件，Digital Micromirror Device)的投影系统是非主动发光芯片投影方案中的主流。
第一，LCOS是一种新型的结合半导体与LCD技术的新型微显示技术，具有高分辨率、高亮度的特性，加上其产品结构简单，亦具有低成本的优点。但是LCOS光学引擎系统复杂，且系统能量利用率较低，不利于AR设备的小型化和轻型化，影响AR设备的佩戴舒适感。
第二，DMD是由许多小型铝制反射镜面构成的，镜片的多少由显示分辨率决定，一个小镜片对应一个像素。将物体成像DMD器件上，通过DMD器件的像素级可控特性及其高速的翻转频率，再将每个像点依次扫描到探测器上，实现白天对可见光条件下物体的高速被动式点扫描成像，加入适当光源还可实现主动式扫描成像。
其中，以DMD器件为核心的投影显示又称为DLP投影显示技术(Digital LightProcessing)。DLP投影系统主要可以分为远心和非远心两种结构，远心结构系统亮度均匀性好，但是采用的偏心设计会引起投影物镜口径增大，导致整个系统体积的增加；非远心结构比较简单，光学元件少，但是投影物镜的前组镜片口径较大，而且偏心量固定，无法调节。
发明内容
本申请提供了一种投影系统，该投影系统包括：
光源，用于出射至少一种波长的照明光；
光学调整装置，设置于照明光的第一传输路径上，用于调整照明光的传输路径，以将照明光的传输路径由第一传输路径调整为第二传输路径；
数字微镜器件，设置于第二传输路径上，基于照明光出射成像光，将成像光传输至下级光学器件；
其中，成像光的传输路径垂直于数字微镜器件的出射面，第二传输路径与数字微镜器件的出射面之间的夹角为照明光的入射角，入射角为照明光转化为衍射主级次光线的成像光的角度，多种波长的照明光具有不同的入射角。
可选地，光学调整装置包括TIR棱镜，设置于成像光的传输路径上，TIR棱镜用于对照明光进行全反射，以使照明光以对应的入射角入射数字微镜器件，TIR棱镜还用于透射成像光，以分离照明光与成像光；其中，不同波长的照明光与TIR棱镜的全反射平面之间的夹角不同。
可选地，TIR棱镜包括第一三棱镜与第二三棱镜，第一三棱镜的第一侧壁与第二三棱镜的第一侧壁抵接，以形成临界表面，用于全反射照明光和透射成像光；数字微镜器件的出射面、第一三棱镜的第二侧壁以及第二三棱镜的第二侧壁沿成像光的传输路径依次平行设置；
其中，第一三棱镜的第三侧壁为照明光的入射平面，第一三棱镜的第二侧壁为照明光的出射平面，第二三棱镜的第二侧壁为成像光的出射平面。
可选地，光学调整装置还包括准直透镜，用于将光源出射的照明光进行准直处理，准直透镜、第一三棱镜的第三侧壁、第一三棱镜的第一侧壁、第二三棱镜的第一侧壁以及第一三棱镜的第三侧壁沿垂直于成像光的传输路径依次设置。
可选地，光学调整装置包括全息光学元件，全息光学元件用于衍射照明光，以使照明光以相应的入射角入射数字微镜器件。
可选地，不同波长的照明光的第一传输路径相互平行设置。
可选地，光源用于出射第一照明光、第二照明光以及第三照明光，第一照明光的波长为第一波长，第二照明光的波长为第二波长，第三照明光的波长为第三波长，第一照明光的入射角为第一入射角，第二照明光的入射角为第二入射角，第三照明光的入射角为第三入射角，
其中，第一波长大于第二波长且小于第三波长，第二入射角小于第一入射角且大于第三入射角。
可选地，第一波长为532nm，第二波长为450nm，第三波长为633nm，第一入射角为59.15°，第二入射角为55.08°，第三入射角为53.1°。
可选地，数字微镜器件包括：
基底，数字微镜器件的出射面平行于基底；
至少一个微反射镜阵列，设置于基底，用于基于照明光产生成像光，以使成像光垂直于基底出射；其中，至少一个微反射镜阵列与数字微镜器件的出射面之间的夹角为预设翻转角度。
可选地，数字微镜器件还包括控制器，用于控制至少一个微反射镜阵列的翻转角度，其中，预设翻转角度为17°。
本申请的有益效果是：区别于现有技术，本申请在光源与数字微镜器件之间设置光学调整装置，通过调整光学调整装置以调整照明光输入数字微镜器件的入射角，利用数字微镜器件本身的闪耀光栅特性，使得照明光的衍射主级次方向为垂直数字微镜器件的出射面方向，即使照明光转化为衍射效率最高的成像光出射，在减小数字微镜器件像素大小的同时，仍保证投影系统具有较高的照明效率；另一方面，本申请通过调整光学调整装置，能够调整不同波长的照明光输入数字微镜器件的入射角，使得每一个不同波长的照明光都能转化为衍射效率最高的成像光出射，能够提高投影系统的显示照明效率，同时适用于各类现有的光学系统。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本申请。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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是本申请投影系统一实施例的结构示意图；
图2是图1中光学调整装置一实施例的第一结构示意图；
图3是图1中光学调整装置一实施例的第二结构示意图；
图4是图3中数字微镜器件一实施例的结构示意图；
图5是本申请投影系统的工作原理示意图；
图6是图1中光学调整装置另一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请所提供的投影系统做进一步详细描述。可以理解的是，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
本申请提供一种投影系统，请参阅图1，图1是本申请投影系统一实施例的结构示意图。如图1所示，投影系统1包括光源10、光学调整装置20以及数字微镜器件30。
具体地，光源10用于出射至少一种波长的照明光，多束同一波长的照明光平行入射光学调整装置20。其中，在本实施例中，光源10可包括激光器或LED。
光学调整装置20设置于照明光的第一传输路径上，用于调整照明光的传输路径，以将照明光的传输路径由第一传输路径调整为第二传输路径，进而使照明光通过第二传输路径输入数字微镜器件30。
数字微镜器件30设置于第二传输路径上，基于照明光出射成像光，并将成像光传输至下级光学器件。其中，成像光的传输路径垂直于数字微镜器件30的出射面，第二传输路径与数字微镜器件30的出射面之间的夹角为照明光的入射角，入射角为照明光转化为衍射主级次光线的成像光的角度，多种波长的照明光具有不同的入射角。
可选地，下级光学器件可为投影镜头，投影镜头接收数字微镜器件30输出的成像光，并根据成像光成像。具体地，光源10在一个周期内依次出射多种波长的照明光，例如依次出射红光、绿光与蓝光，光学调整装置20依次接收红光、绿光与蓝光，并将其转为成像光输出，成像光以垂直于数字微镜器件30的出射面的方向输出至投影镜头，投影镜头接收相互平行且垂直于投影镜头的入射平面的成像光，以根据成像光成像。
结合图1，进一步参阅图2，图2是图1中光学调整装置一实施例的第一结构示意图。如图2所示，光学调整装置20包括TIR棱镜21，设置于成像光的传输路径上，TIR(TotalInternal Reflection，全反射)棱镜21用于对照明光进行全反射，以使照明光以对应的入射角入射数字微镜器件30，同时TIR棱镜21还用于透射成像光，以分离照明光与成像光。
具体地，TIR棱镜21包括第一三棱镜211与第二三棱镜212，第一三棱镜211的第一侧壁与第二三棱镜212的第一侧壁抵接，以形成临界表面213，用于全反射照明光和透射成像光。
数字微镜器件30的出射面、第一三棱镜211的第二侧壁以及第二三棱镜212的第二侧壁沿成像光的传输路径依次平行设置。
第一三棱镜211的第三侧壁为照明光的入射平面，第一三棱镜211的第二侧壁为照明光的出射平面，同时也为成像光的入射平面，第二三棱镜212的第二侧壁为成像光的出射平面。
照明光通过第一三棱镜211的第三侧壁入射TIR棱镜21，通过第一三棱镜211的第一侧壁全反射，并进一步通过第一三棱镜211的第二侧壁出射至数字微镜器件30。其中，TIR棱镜21通过临界表面213改变照明光的传输路径，第一传输路径具体为照明光由光源10至第一三棱镜211的第一侧壁的传输路径，第二传输路径具体为照明光由第一三棱镜211的第一侧壁至数字微镜器件30的传输路径。
其中，临界表面213即为上述的全反射平面，在该表面上，某个角度光束经历全内反射而其他角度的光束通过该表面，利用临界表面213的工作原理，能够实现将照明光与成像光分离。
可选地，不同波长的照明光与TIR棱镜21的全反射平面之间的夹角不同，以使对应波长的照明光输入TIR棱镜21进行全反射之后，以预设的角度入射数字微镜器件30。
具体地，不同波长的照明光的第一传输路径均不相同，则光源10在一个周期内按一定时序输出若干不同波长的照明光时，对应波长的照明光以对应第一传输路径进行传输；不同波长的照明光的第二传输路径也均不相同，则对应波长的照明光以对应预设的角度入射数字微镜器件30。
结合图1-2，进一步参阅图3，图3是图1中光学调整装置一实施例的第二结构示意图。如图3所示，光学调整装置20还包括准直透镜214，用于将光源10出射的照明光进行准直处理。
其中，准直透镜214、第一三棱镜211的第三侧壁、第一三棱镜211的第一侧壁、第二三棱镜212的第一侧壁以及第一三棱镜211的第三侧壁沿垂直于成像光的传输路径依次设置。
结合图1-3，进一步参阅图4，图4是图3中数字微镜器件一实施例的结构示意图。如图4所示，数字微镜器件30包括基底31和至少一个微反射镜阵列32。
具体地，数字微镜器件30的出射面平行于基底31，至少一个微反射镜阵列32设置于基底31，用于基于照明光产生成像光，以使成像光垂直于基底31出射。
其中，至少一个微反射镜阵列32与数字微镜器件30的出射面之间的夹角α为预设翻转角度，具体地，数字微镜器件30的出射面平行于基底31。
可选地，在其他实施例中，数字微镜器件30还包括控制器，用于控制至少一个微反射镜阵列32的翻转角度，以使光源10输出的照明光通过光学调整装置20传输至数字微镜器件30时，数字微镜器件30的翻转角度为预设翻转角度，即至少一个微反射镜阵列32与数字微镜器件30的出射面之间的夹角α为预设翻转角度。
具体地，在本实施例中，预设翻转角度可为17°，即控制器控制数字微镜器件30的翻转角度为17°时，数字微镜器件30处于开启状态；控制器控制数字微镜器件30的翻转角度为-17°时，数字微镜器件30处于关闭状态。
可选地，控制器可为设置于基底31上的处理芯片，或与至少一个微反射镜阵列32电连接的外接电脑。
数字微镜器件30包括至少一个微反射镜阵列32，每一个微反射镜阵列32中的一个小镜片对应一个像素，每个像素阵列本质上为闪耀光栅。闪耀定义为将一段光谱的衍射转移到其他衍射阶次而非零阶。通过特殊设计，闪耀光栅能够实现在特定波长的较高衍射效率。
当单个像素与数字微镜器件30的光栅平面存在γ的角度时，入射光设计为2γ角度，可以从几何反射上保证反射光垂直于数字微镜器件30的光栅面出射，此时，单个像素所形成的单缝衍射包络的中心会位于垂直数字微镜器件30的光栅平面的角度上，但周期像素导致的干涉级次则不会从垂直的0度角开始分布。当考虑周期化的像素时，单个像素所具有的具体形貌可以忽略，仅关心像素的周期排列位置，考虑到像素沿着数字微镜器件30的光栅平面进行周期化的分布，因此当光束以2γ入射时，对应的干涉的0级级次一定位于另外一侧的2γ角度处，再以此为中心，分布其他高级级次。这就使得干涉的中心级次与单个像素衍射包络的中心分布错开了，使得干涉获得的级次并不一定存在中心主极大，典型的情况是在中间处存在两个能量都较强的干涉级次。若想避免这种情况的发生，则需要当光束以斜入射时，垂直出射的角度也是干涉级次的角度，这样干涉级次与衍射包络中心能够重新汇合。
然而由于角度够大并不满足小角近似，因此以2γ角度为中心的不同入射角，所对应的衍射分裂情况也略有差异，最终会使得当光束以一定锥角入射向数字微镜器件30时，衍射收集效率的极大值会与上述干涉级次存在一定差异。当减小数字微镜器件30的像素大小时，这个差异将会放大。
结合图1-4，进一步参阅图5，图5是本申请投影系统的工作原理示意图。如图5所示，在本实施例中，光源10用于出射第一照明光、第二照明光以及第三照明光。其中，第一照明光的波长为第一波长λ1，第二照明光的波长为第二波长λ2，第三照明光的波长为第三波长λ3，第一照明光的入射角为第一入射角θ1，第二照明光的入射角为第二入射角θ2，第三照明光的入射角为第三入射角θ3。
具体地，光源10在一个周期内以一定时序输出第一照明光、第二照明光以及第三照明光，在不同周期输出第一照明光、第二照明光以及第三照明光的时序可相同或不同。
可选地，在本实施例中，第一波长λ1大于第二波长λ2且小于第三波长λ3。其中，第一波长λ1为532nm，第二波长λ2为450nm，第三波长λ3为633nm，即第一照明光为绿光，第二照明光为蓝光，第三照明光为红光。
第一照明光、第二照明光以及第三照明光分别以第一入射角θ1、第二入射角θ2以及第三入射角θ3入射数字微镜器件30，具体入射至少一个微反射镜阵列32，根据数字微镜器件30闪耀光栅的特性发生衍射，并沿垂直于数字微镜器件30的出射面分别输出第一照明光、第二照明光以及第三照明光的衍射主级次光线。
可选地，在本实施例中，第二入射角θ2小于第一入射角θ1且大于第三入射角θ3。其中，第一入射角θ1为59.15°，第二入射角θ2为55.08°，第三入射角θ3为53.1°。
本实施例通过设置光学调整装置20调整第一照明光、第二照明光以及第三照明光输入数字微镜器件30的入射角，以使第一照明光、第二照明光以及第三照明光在数字微镜器件30发生衍射，并沿垂直于数字微镜器件30的出射面分别输出第一照明光、第二照明光以及第三照明光的衍射主级次光线，即使照明光转化为衍射效率最高的成像光出射，在减小数字微镜器件30像素大小的同时，仍能保证投影系统1具有较高的照明效率。可选地，本实施例数字微镜器件30的像素大小可为3μm。
结合图1，进一步参阅图6，图6是图1中光学调整装置另一实施例的结构示意图。如图6所示，区别于上述实施例，光学调整装置20包括全息光学元件22(自然曲面HOE)，全息光学元件22用于衍射照明光，以使照明光以相应的入射角入射数字微镜器件30。其中，数字微镜器件30与上述实施例所阐述的结构及工作原理相同，在此不在阐述。
具体地，光源10出射的不同波长的照明光的第一传输路径相互平行设置，且不同波长的照明光均垂直入射全息光学元件22的入射平面。
其中，在本实施例中，光源10出射第一照明光、第二照明光以及第三照明光，第一照明光的波长为第一波长λ1，第二照明光的波长为第二波长λ2，第三照明光的波长为第三波长λ3，第一照明光的入射角为第一入射角θ1，第二照明光的入射角为第二入射角θ2，第三照明光的入射角为第三入射角θ3。
具体地，光源10在一个周期内以一定时序输出第一照明光、第二照明光以及第三照明光，在不同周期输出第一照明光、第二照明光以及第三照明光的时序可相同或不同。
可选地，在本实施例中，第一波长λ1大于第二波长λ2且小于第三波长λ3。其中，第一波长λ1为532nm，第二波长λ2为450nm，第三波长λ3为633nm，即第一照明光为绿光，第二照明光为蓝光，第三照明光为红光。
第一照明光、第二照明光以及第三照明光分别以第一入射角θ1、第二入射角θ2以及第三入射角θ3入射数字微镜器件30，具体入射至少一个微反射镜阵列32，根据数字微镜器件30闪耀光栅的特性发生衍射，并沿垂直于数字微镜器件30的出射面分别输出第一照明光、第二照明光以及第三照明光的衍射主级次光线。
可选地，在本实施例中，第二入射角θ2小于第一入射角θ1且大于第三入射角θ3。其中，第一入射角θ1为59.15°，第二入射角θ2为55.08°，第三入射角θ3为53.1°。
本申请在光源10与数字微镜器件30之间设置光学调整装置20，通过调整光学调整装置20以调整照明光输入数字微镜器件30的入射角，利用数字微镜器件30本身的闪耀光栅特性，使得照明光的衍射主级次方向为垂直数字微镜器件30的出射面方向，即使照明光转化为衍射效率最高的成像光出射，在减小数字微镜器件30像素大小的同时，仍保证投影系统1具有较高的照明效率。
另一方面，本申请通过调整光学调整装置20，能够调整不同波长的照明光输入数字微镜器件30的入射角，使得每一个不同波长的照明光都能转化为衍射效率最高的成像光出射，能够提高投影系统1的显示照明效率，同时适用于各类现有的光学系统。
以上仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种投影系统，其特征在于，包括：
光源，用于出射至少一种波长的照明光；
光学调整装置，设置于所述照明光的第一传输路径上，用于调整所述照明光的传输路径，以将所述照明光的传输路径由所述第一传输路径调整为第二传输路径；
数字微镜器件，设置于所述第二传输路径上，基于所述照明光出射成像光，将所述成像光传输至下级光学器件；
其中，所述成像光的传输路径垂直于所述数字微镜器件的出射面，所述第二传输路径与所述数字微镜器件的出射面之间的夹角为所述照明光的入射角，所述入射角为所述照明光转化为衍射主级次光线的成像光的角度，多种波长的所述照明光具有不同的入射角。
2.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述光学调整装置包括TIR棱镜，设置于所述成像光的传输路径上，所述TIR棱镜用于对所述照明光进行全反射，以使所述照明光以对应的入射角入射所述数字微镜器件，所述TIR棱镜还用于透射所述成像光，以分离所述照明光与所述成像光；其中，不同波长的所述照明光与所述TIR棱镜的全反射平面之间的夹角不同。
3.根据权利要求2所述的投影系统，其特征在于，所述TIR棱镜包括第一三棱镜与第二三棱镜，所述第一三棱镜的第一侧壁与所述第二三棱镜的第一侧壁抵接，以形成临界表面，用于全反射所述照明光和透射所述成像光；所述数字微镜器件的出射面、所述第一三棱镜的第二侧壁以及所述第二三棱镜的第二侧壁沿所述成像光的传输路径依次平行设置；
其中，所述第一三棱镜的第三侧壁为所述照明光的入射平面，所述第一三棱镜的第二侧壁为所述照明光的出射平面，所述第二三棱镜的第二侧壁为所述成像光的出射平面。
4.根据权利要求3所述的投影系统，其特征在于，所述光学调整装置还包括准直透镜，用于将所述光源出射的照明光进行准直处理，所述准直透镜、所述第一三棱镜的第三侧壁、所述第一三棱镜的第一侧壁、所述第二三棱镜的第一侧壁以及所述第一三棱镜的第三侧壁沿垂直于所述成像光的传输路径依次设置。
5.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述光学调整装置包括全息光学元件，所述全息光学元件用于衍射所述照明光，以使所述照明光以相应的入射角入射所述数字微镜器件。
6.根据权利要求5所述的投影系统，其特征在于，不同波长的所述照明光的第一传输路径相互平行设置。
7.根据权利要求2或5所述的投影系统，其特征在于，所述光源用于出射第一照明光、第二照明光以及第三照明光，所述第一照明光的波长为第一波长，所述第二照明光的波长为第二波长，所述第三照明光的波长为第三波长，所述第一照明光的入射角为第一入射角，所述第二照明光的入射角为第二入射角，所述第三照明光的入射角为第三入射角，
其中，所述第一波长大于所述第二波长且小于所述第三波长，所述第二入射角小于所述第一入射角且大于所述第三入射角。
8.根据权利要求7所述的投影系统，其特征在于，所述第一波长为532nm，所述第二波长为450nm，所述第三波长为633nm，所述第一入射角为59.15°，所述第二入射角为55.08°，所述第三入射角为53.1°。
9.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述数字微镜器件包括：
基底，所述数字微镜器件的出射面平行于所述基底；
至少一个微反射镜阵列，设置于所述基底，用于基于所述照明光产生所述成像光，以使所述成像光垂直于所述基底出射；其中，所述至少一个微反射镜阵列与所述数字微镜器件的出射面之间的夹角为预设翻转角度。
10.根据权利要求9所述的投影系统，其特征在于，所述数字微镜器件还包括控制器，用于控制所述至少一个微反射镜阵列的翻转角度，其中，所述预设翻转角度为17°。
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