CN213581720U - 一种投影显示设备及其投影光机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种投影显示设备的投影光机，包括光源部件、光波导、图像源芯片和投影镜头；光波导为板状结构，光波导用于通过耦入元件将光源部件输出的光线耦入至光波导内，光线传导至光波导的第二端通过耦出元件耦出入射至图像源芯片，使得图像源芯片向光波导的第二端反射出射投影光线，且投影光线经过光波导的第二端透射入射至投影镜头并输出。本申请的投影显示设备的投影光机中，采用扁平结构的光波导代替偏振分束器，使得投影光机整体结构扁平化，有利于在AR眼镜等设备中的安装和使用。本申请还提供了一种投影显示设备，具有上述有益效果。

Description

一种投影显示设备及其投影光机

技术领域

本实用新型涉及光学系统技术领域，特别是涉及一种投影显示设备的投影光机以及一种投影显示设备。

背景技术

投影光机是投影显示设备中的重要组成部分之一，主要由照明光源、图像源以及投影镜头，通过照明光源输出光线投射到图像源上，并从图像源反射出射带有投影图像的投影光线，并通过投影镜头输出该投影光线。

随着投影显示技术的发展和投影显示设备越来越广泛的应用，人们对显示设备携带使用的便利性要求越来越高，因此，如何合理性的设置投影显示设备在各种不同应用设备中的形状结构，是投影显示技术行业需要研究的问题之一。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种投影显示设备的投影光机以及一种投影显示设备，有利于投影显示设备在各种不同环境的应用。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种投影显示设备的投影光机，包括光源部件、第一端设置在所述光源部件的输出光路上的光波导、分别设置在所述光波导的第二端相对的两侧的图像源芯片和投影镜头；

其中，所述光波导为板状结构，所述光波导的第一端的表面设置有耦入元件，所述光波导的第二端的表面设置有耦出元件；

所述光波导用于通过所述耦入元件将所述光源部件输出的光线耦入至所述光波导内，所述光线传导至所述光波导的第二端通过所述耦出元件耦出入射至所述图像源芯片，使得所述图像源芯片向所述光波导的第二端反射出射投影光线，且所述投影光线经过所述光波导的第二端透射入射至所述投影镜头并输出。

可选地，所述光源部件包括光源和设置在光源输出光路上的光波调制装置；所述光波调制装置用于将所述光源输出的光线调制成第一圆偏振光；

所述图像源芯片和所述耦出元件之间设置有调光装置；所述调光装置用于将从所述图像源芯片出射的投影光线调制为第二圆偏振光；

其中，所述第一圆偏振光和所述第二圆偏振光的旋转方向相反，所述耦出元件为对所述第一圆偏振光反射衍射，对所述第二圆偏振光透射的偏振全息光栅。

可选地，所述图像源芯片为LCOS芯片；所述调光装置为第一1/4波片。

可选地，所述光波调制装置包括偏振片和第二1/4波片，且所述第二1/4波片的快慢轴和所述偏振片的偏振方向夹角为45度。

可选地，所述光源为激光光源，所述激光光源的输出光路上还设置有消斑装置；

所述消斑装置为电控偏振片装置，包括消斑偏振片和TN液晶盒，所述消斑偏振片设置在所述TN液晶盒的表面；

或者，所述消斑装置为电控PDLC面板。

可选地，所述PDLC面板贴合所述光波导的第一端表面设置或嵌入所述光波导的第一端内部。

可选地，所述光源和所述光波调制装置之间还设置有扩束准直装置。

可选地，所述耦入元件为面浮雕光栅、全息光栅、PVG光栅中的任意一种光栅。

一种投影显示设备，包括如上任一项所述的投影显示设备的投影光机。

可选地，所述投影显示设备为AR眼镜。

本实用新型所提供的一种投影显示设备的投影光机，包括光源部件、第一端设置在光源部件的输出光路上的光波导、分别设置在光波导的第二端相对的两侧的图像源芯片和投影镜头；其中，光波导为板状结构，光波导的第一端的表面设置有耦入元件，光波导的第二端的表面设置有耦出元件；光波导用于通过耦入元件将光源部件输出的光线耦入至光波导内，光线传导至光波导的第二端通过耦出元件耦出入射至图像源芯片，使得图像源芯片向光波导的第二端反射出射投影光线，且投影光线经过光波导的第二端透射入射至投影镜头并输出。

本申请的投影显示设备的投影光机中，光源部件和图像源芯片分别设置在光波导的第一端和第二端，使得光源部件输出的照明光线通过在光波导内全反射传导至光波导的第二端后耦出输入至图像源芯片，相对于现有技术中通常采用偏振分束器等方形且体积较大的光学元件将光源部件输出的光束传导至图像源芯片表面的结构而言，板状结构的光波导相对于偏振分束器的厚度更小，有利于降低投影光机整体体积，且使得投影光机整体结构扁平化，有利于在AR眼镜等设备中的安装和使用。

本申请还提供了一种投影显示设备，具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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为现有技术的投影光机的光路结构示意图；

图2为本申请实施例提供的投影显示设备的投影光机的光路结构示意图。

具体实施方式

传统的投影显示设备的投影光机如图1所示，在照明系统01的输出光路上一般需要设置一个偏振分束器02，通过偏振分束器02将照明光线导入至图像源03表面之后再通过偏振分束器02传导至镜头04输出至显示设备。

偏振分束器02为两个三棱镜拼接而成的立方体结构，占据空间体积较大，导致整个投影光机的结构体积较大，也使得投影光机适应各种不同显示设备的安装而作外形调整产生困难。

例如，在投影光机应用于AR眼镜中，投影光机一般是设置在眼镜的镜脚中，而偏振分束器02为立方体结构，会导致整个投影光机的厚度尺寸较大，进而导致镜脚的厚度较大，使得投影光机眼镜镜脚过宽或过厚，带给用户不舒适的使用体验。

当然现有技术中也存在采用棱镜、分光片等光学元件代替偏振分束器，但这些光学元件所占空间体积和偏振分束器近似，并不能对投影光机的整体结构产生实质的影响。

为此，本申请提供的投影显示设备的投影光机能够在一定程度上减小投影光机的整体厚度实现投影光机的扁平化，有利于适应投影光机在各种不同显示设备中的应用。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图2所示，图2为本申请实施例提供的投影显示设备的投影光机结构示意图，该投影光机可以包括：

光源部件1；基于投影显示设备投影需要，一般光源部件1采用可输出白光的部件，可在光源部件1中配置红绿蓝三色光源，通过将三色光源的均匀混合获得白光光线。

第一端设置在光源部件1的输出光路上的光波导2；分别设置在光波导2的第二端相对的两侧的图像源芯片3和投影镜头4；

其中，光波导2为板状结构，光波导2的第一端的表面设置有耦入元件21，光波导2的第二端的表面设置有耦出元件22；

光波导2一般可以采用板状结构或其他形状结构且折射率大于空气折射率的透光板。例如，可以是透光玻璃板，也不排除透光塑料板，只要光线在该光波导2中可以发生全反射传导即可。该耦入元件21可以是面浮雕光栅、全息光栅、PVG光栅中的任意一种光栅，类似地耦出元件22同样可以采用光栅结构。当然耦出元件22和耦入元件21也可以考虑代用三棱镜等贴合设置在光波导2的端部。

光波导2用于通过耦入元件21将光源部件1输出的光线耦入至光波导2内，进行全反射传导至光波导2的第二端，并通过耦出元件22从光波导2内耦出入射至图像源芯片3表面，以便入射至图像源芯片3表面的光线形成投影光线，并经过光波导2的第二端透射入射至投影镜头4并输出。

如图2所示，光波导2一般为板状结构，具体可以采用条形板状结构，在厚度上小于偏振分束器的厚度。光源部件1设置在光波导2的第一端，光源部件1输出的光线从光波导2的第一端入射，光波导2的第一端设置有耦入元件21，使得光源部件1输出的光线从光波导2的第一端耦入到光波导2内，使得光线在光波导2内全反射传输，当该光线在光波导2中全反射传导至光波导2的第二端，通过光波导2的第二端的耦出元件22从光波导2的第二端耦出，而耦出光路上设置有图像源芯片3，使得耦出光线入射至图像源芯片3表面形成从图像源芯片3表面反射出射的投影光线，投影光线经过光波导2的第二端透射入射至位于光波导2的第二端另一侧的投影镜头4后出射。

基于图1可以确定本申请中所提供的投影光机相对于常规的采用偏振分束器的投影光机而言，采用扁平结构的光波导2代替偏振分束器，在一定程度上减小了投影光机的整体厚度，实现投影光机的扁平化结构，使得投影光机能够很好的适应类似于眼镜镜脚等狭长的安装环境，有利于投影显示设备的广泛应用。

进一步地，如图1所示，图像源芯片3和投影镜头4分别设置在光波导2的第二端的两侧，从图像源芯片3出射的投影光线需要经过透射光波导2之后才能够入射至投影光线。而光波导2的第二端的耦出元件22，投影光线从光波导2的第二端透射时，不可避免的会对投影光线的透射率产生一定影响，使得投影光线仅仅只部分光线能够入射至投影镜头4，使得投影镜头4输出的投影光线所成投影图像亮度降低，影响投影显示设备的成像效果。

为此，在本申请的一种可选地实施例中，光源部件1包括光源10和设置在光源10输出光路上的光波调制装置12；

光波调制装置12用于将光源10输出的光线调制成第一圆偏振光；

图像源芯片3和耦出元件22之间设置有调光装置5；调光装置5用于将从图像源芯片3出射的投影光线调制为第二圆偏振光；

其中，第一圆偏振光和第二圆偏振光的旋转方向相反，耦出元件为对第一圆偏振光反射衍射，对第二圆偏振光透射的偏振全息光栅。

例如，该图像源芯片3可以为LCOS芯片，且该图像源芯片3和耦出元件22之间设置的调光装置5为可调节角度的第一1/4波片；

第一1/4波片用于将从光波导2中耦出的第一圆偏振光转换为线偏振光入射至图像源芯片3，并将图像源芯片3表面反射出射的线偏振光转换为第二圆偏振光；

如图2所示，光波调制装置12用于将光源10输出的光线调制成第一圆偏振光；该第一圆偏振光通过耦入元件21耦入至光波导2，并传导至光波导2的第二端，因为耦出元件22为偏振全息光栅，对第一偏振光反射衍射，即可使得第一圆偏振光耦出光波导2，入射至第一1/4波片，第一圆偏振光经过第一1/4波片之后即可形成线偏振光入射至图像源芯片3的表面，因为图像源芯片3为LCOS芯片，其表面可以反射出射投影光线，该投影光线也是线偏振光，该投影光线在此经过第一1/4波片即可形成第二圆偏振光，并且，通过合理设置第一1/4波片以及光波调制装置12，可使得第二圆偏振光的旋转方向和第一圆偏振光旋转方向相反。而本实施例中所采用的偏振全息光栅为对第一圆偏振光反射衍射，对第二圆偏振光透射的光栅，因此，第二圆偏振光入射至光波导2并入射至偏振全息光栅时，即可高效率的从偏振全息光栅透射并入射至投影镜头。

需要说明的是，本实施例中第一圆偏振光和第二圆偏振光的旋转方向是指两个圆偏振光是左旋圆偏振光还是右旋圆偏振光，而第一圆偏振光和第二圆偏振光是左旋圆偏振光还是右旋圆偏振光，通过由光波调制装置12和第一1/4波片确定的；第二圆偏振光的旋转方向和第一圆偏振光旋转方向相反是指，当第一圆偏振光为左旋圆偏振光时，则第二圆偏振光则为右旋圆偏振光；反之当第一圆偏振光为右旋圆偏振光时，则第二圆偏振光则为左旋圆偏振光。无论第一圆偏振光和第二圆偏振光中哪个是左旋圆偏振光哪个是右旋圆偏振光，只要保证耦出元件22也即是偏振全息光栅对第一圆偏振光反射衍射，对第二圆偏振光透射即可。

需要说明的是，在实际应用中，要使得从图像源芯片3输出的投影光线转换为第二圆偏振光也并不仅限于采用第一1/4波片等调光装置5实现，例如，当图像源芯片3如果采用本身具有1/2波片功能的LCOS芯片，LCOS芯片恰好满足其反射的图像光与入射光的相位差为π或其奇数倍，则无需采用调光装置5，LCOS芯片本身输出的投影光线即为第二圆偏振光。

对于光波调制装置12可以采用偏振片121和第二1/4波片122，该第二1/4波片122的快慢轴和偏振片121的偏振方向夹角为45度。当然，本申请中也并不排除采用其他的光波调制装置。

由此，通过光波调制装置12、第一1/4波片以及设置在光波导2的第二端的偏振全息光栅之间的相互配合，即可完成对有效投影光线的分离，并在很大程度上避免了投影光线经过光波导2的第二端透射出射至投影镜头4时，耦出元件22对投影光线的吸收和反射，提升耦出元件22对投影光线的透射率，进而提升投影光机输出投影光线的亮度，保证投影显示设备的显示效果。

进一步地，投影光机的光源10一般可以采用激光光源或者LED光源。发光二极管(LED)和激光光源都属于基色光源，除了色彩上的优势以外，还具有光学扩展量小，稳定性好的优点，这就使得光源20后续照明系统的复杂度大大降低，从而可以达到高度集成化，减少系统的体积，非常合适作为微型投影显示系统的光源。

但是，当采用激光光源时，光源10输出光线光斑中存在激光散斑，会在一定程度上影响输出的投影光线的成像效果。为此，在本申请的一种可选的实施例中，还进一步地设置有消斑装置。

该消斑装置存在多种不同的设置形式。例如，该消斑装置可以为电控偏振片，可以包括TN液晶盒和设置在TN液晶盒表面的消斑偏振片，该偏振片和TN液晶盒共同形成电控偏振片。

当TN液晶盒上不施加外电场时，入射光偏振方向在通过液晶层过程中会随着液晶分子的扭曲方向而偏转90度；而在液晶盒上施加一个电压并达到一定值后，液晶分子长轴将沿电场方向偏转，此时出射光偏振方向不发生偏转。可通过电路控制偏振片根据Hadamard矩阵排列规则作出随机的、快速的变化。随着液晶盒上施加电压的改变，透过光偏振方向也随之改变，而每一时刻的图样都满足Hadamard矩阵分布，同样大小的Hadamard矩阵之间均为正交，使任意时刻的透过光相干性趋近于零；电场的频率需超过人眼的分辨极限60Hz，使人眼无法分辨到光场的变化，如此可达到抑制或消除激光散斑的效果。

另外，该消斑装置中的消斑偏振片可以和上述光波调制装置中的偏振片为同一个偏振片，也可以分别为两个不同的偏振片。

可选地，该消斑装置还可以采用电控PDLC面板。通过电路控制PDLC面板，根据Hadamard矩阵排列规则作出随机的、快速的变化。其中，随着电压改变，透过光偏振方向也随之改变，而每一时刻的图样都满足Hadamard矩阵分布，同样大小的Hadamard矩阵之间均为正交，使任意时刻的透过光相干性趋近于零；电场的频率需超过人眼的分辨极限60Hz，使人眼无法分辨到光场的变化，如此可达到抑制或消除激光散斑的效果。

该电控PDLC面板可以嵌入在光波导2的第一端内部，也可以设置光波导2的第一端表面，使得光源10输出的光束经过光波调制装置12调制为圆偏振光之后，透过电控PDLC面板耦入光波导2内部。

为了进一步地提升投影光机出射投影光线的成像效果，还可以进一步地在光源10的输出光路上设置扩束准直装置11。该扩束准直装置11设置在光源10和光波调制装置12之间，可以包括扩束透镜和准直透镜。光源10输出的光线经过扩束透镜和准直透镜后形成平行光束入射至光波调制装置12。

本申请还提供了一种投影显示设备的实施例，该投影显示设备包括如上任意一项实施例所述的投影显示设备的投影光机。该投影光机的输出光路上设置有显示设备，通过将投影光机输出的投影光线输入至显示设备，用户即可根据该显示设备上显示的投影画面进行观看。

例如，该投影显示设备可以是AR显示眼镜，该投影光机设置在AR眼镜的镜脚中。因为本申请中投影光机的外形结构更趋向于扁平化结构，有利于适应狭长的镜脚结构内的安装设置，避免AR眼镜的镜脚过大导致用户使用体验差的问题。

当然，本申请中的投影显示设备也并不排除其他种类的投影显示设备，只要是包含如上任一项所示的投影光机的任意投影显示设备，应当均属于本申请的保护范围内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型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，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种投影显示设备的投影光机，其特征在于，包括光源部件、第一端设置在所述光源部件的输出光路上的光波导、分别设置在所述光波导的第二端相对的两侧的图像源芯片和投影镜头；

其中，所述光波导为板状结构，所述光波导的第一端的表面设置有耦入元件，所述光波导的第二端的表面设置有耦出元件；

所述光波导用于通过所述耦入元件将所述光源部件输出的光线耦入至所述光波导内，所述光线传导至所述光波导的第二端通过所述耦出元件耦出入射至所述图像源芯片，使得所述图像源芯片向所述光波导的第二端反射出射投影光线，且所述投影光线经过所述光波导的第二端透射入射至所述投影镜头并输出。

2.如权利要求1所述的投影显示设备的投影光机，其特征在于，所述光源部件包括光源和设置在光源输出光路上的光波调制装置；

所述光波调制装置用于将所述光源输出的光线调制成第一圆偏振光；

所述图像源芯片和所述耦出元件之间设置有调光装置；所述调光装置用于将从所述图像源芯片出射的投影光线调制为第二圆偏振光；

其中，所述第一圆偏振光和所述第二圆偏振光的旋转方向相反，所述耦出元件为对所述第一圆偏振光反射衍射，对所述第二圆偏振光透射的偏振全息光栅。

3.如权利要求2所述的投影显示设备的投影光机，其特征在于，所述图像源芯片为LCOS芯片；所述调光装置为第一1/4波片。

4.如权利要求2所述的投影显示设备的投影光机，其特征在于，所述光波调制装置包括偏振片和第二1/4波片，且所述第二1/4波片的快慢轴和所述偏振片的偏振方向夹角为45度。

5.如权利要求2所述的投影显示设备的投影光机，其特征在于，所述光源为激光光源，所述激光光源的输出光路上还设置有消斑装置；

所述消斑装置为电控偏振片装置，包括消斑偏振片和TN液晶盒，所述消斑偏振片设置在所述TN液晶盒的表面；

或者，所述消斑装置为电控PDLC面板。

6.如权利要求5所述的投影显示设备的投影光机，其特征在于，所述PDLC面板贴合所述光波导的第一端表面设置或嵌入所述光波导的第一端内部。

7.如权利要求2所述的投影显示设备的投影光机，其特征在于，所述光源和所述光波调制装置之间还设置有扩束准直装置。

8.如权利要求2所述的投影显示设备的投影光机，其特征在于，所述耦入元件为面浮雕光栅、全息光栅、PVG光栅中的任意一种光栅。

9.一种投影显示设备，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的投影显示设备的投影光机。

10.如权利要求9所述的投影显示设备，其特征在于，所述投影显示设备为AR眼镜。

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