CN216956426U - 照明系统以及光机系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种照明系统，包括光波导件、耦入装置以及耦出光栅，耦入装置设置于耦入区，用于接收单一偏振态的入射光，并将入射光耦入光波导件，以使入射光在光波导件内发生全反射。耦出光栅设置于耦出区，耦出光栅用于耦出由光波导件传导的入射光，形成垂直于耦出区出射的照明光。通过采用厚度尺寸更小的光波导件进行光照明，因此可以使得照明系统更加轻薄，利于应用于虚拟显示设备等对体积和重量要求较高的光机系统中。此外，本申请实施例还提供了一种光机系统。

Description

照明系统以及光机系统

技术领域

本申请涉及投影技术领域，具体涉及一种照明系统以及光机系统。

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。首先在信息显示上，AR将不再受限于实体屏幕，而是可以在整个物理空间中显示，采用虚实结合的方式，在物理实体的基础上实时显示虚拟信息，即为增强现实显示；其次在人机交互上，指令采集可以突破实体的操作界面，使用更加自然便捷的交互方式，如语音、手势、图像等，使得人机交互模式更像是与人的自然交流。

AR设备中的光机系统用于生成投影显示图像，其中主要有基于LCoS或DMD的投影系统。

硅基液晶(Liquid Crustal On Silicon,LCoS)是一种新型的结合了半导体与LCD技术的新型微显示技术。其通常需要设置体积较大的一个或多个PBS棱镜作为照明系统的一部分，因此，设备的整体的体积和重量均较大。DLP投影显示技术是以DMD器件为核心的投影显示技术，应用DMD芯片构成投影显示系统，DLP投影系统通常采用具有椭球形反光碗的光源和方棒照明系统，这类照明系统存在体积普遍较大的问题。

对于AR设备等光机系统而言，现有技术中的光机系统的体积和重量过大，因此有必要设计更为轻薄化的光机系统。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种照明系统以及光机系统，以改善上述问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种照明系统，包括光波导件、耦入装置以及耦出光栅，耦入装置设置于耦入区，用于接收单一偏振态的入射光，并将入射光耦入光波导件，以使入射光在光波导件内发生全反射。耦出光栅设置于耦出区，耦出光栅用于耦出由光波导件传导的入射光，形成垂直于耦出区出射的照明光。

第二方面，本申请实施例还提供了一种光机系统，包括至少一个上述的照明系统、空间光调制器、偏振件以及投影镜头，空间光调制器接收并调制照明系统出射的照明光，形成图像光并朝向光波导件方向出射，偏振件用于滤过图像光，投影镜头用于显示透过偏振件后的图像光，投影镜头位于光波导件的远离空间光调制器的一侧。

本申请提供的照明系统以及光机系统，采用厚度尺寸更小的光波导件进行光照明，因此可以使得照明系统更加轻薄，利于应用于虚拟显示设备等对体积和重量要求较高的光机系统中。

本申请的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。

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是本申请第一实施例提供的一种光机系统的结构示意图。

图2是本申请第一实施例中提供的一种耦入装置的结构示意图。

图3是本申请第一实施例中提供的另一种耦入装置的结构示意图。

图4是本申请第一实施例中提供的又一种耦入装置的结构示意图。

图5是本申请第一实施例中提供的光机系统中入射光在光波导件中传播的原理示意图。

图6是本申请第二实施例提供的一种光机系统的结构示意图。

图7是本申请第三实施例提供的一种光机系统的结构示意图。

图8是本申请第四实施例提供的一种光机系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性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。

下面将结合附图具体描述本申请的各实施例。其中，需要说明的是，附图中R代表入射光的边缘光束，S代表S偏振态光，P代表P偏振态光，L代表从耦出光栅耦出的耦出光束，以下不再赘述。

第一实施例

参阅图1，本实施例提供一种光机系统10，光机系统10包括至少一个照明系统20、空间光调制器30、偏振件40以及投影镜头50，其中照明系统20用于生成照明光，空间光调制器30接收照明光并调制成图像光，图像光透过偏振件40后进入投影镜头50显示。

具体的，照明系统20包括光波导件100、耦入装置200以及耦出光栅300，耦入装置200以及耦出光栅300均设置于光波导件100。

进一步地，照明系统20还可以包括光源400，光源400用于生成单一偏振态的入射光，其中，单一偏振态的入射光是指S偏振光或P偏振光。在一种实施方式中，光源400可以是线偏振激光器。在另一种实施方式中，光源400可以包括LED光源400或其他类型激光器以及偏振片，LED光源400或其他类型激光器出射的光束通过偏振片后，经准直匀化形成均匀的光斑，作为单一偏振态的入射光。本实施例中，光源400出射的入射光为S偏振态光。其中光源400出射的入射光可以是白光或者单色光，在此不做具体限定。

光波导件100包括相背的第一表面110、第二表面120以及端面130，第一表面110与第二表面120大致相互平行，光波导件100可以供传播光线。耦入装置200以及耦出光栅300均设置于第二表面120，即耦入装置200和耦出光栅300设置于光波导件100的同侧表面.端面130连接于第一表面110和第二表面120之间，且大致与第一表面110和第二表面120相互垂直。其中光波导件100包括耦入区和耦出区，第一表面110和第二表面120同时形成于耦入区和耦出区。

耦入装置200设置于耦入区，用于接收单一偏振态的入射光，并将入射光耦入光波导件100，以使入射光在光波导件100内发生全反射，发生全反射的入射光从耦入区向耦出区方向传播。通过改变入射光入射于光波导件100时的入射角度，使得入射光满足全反射条件，进而可以在光波导件100内实现全反射。

作为一种实施方式，本实施例中，如图2所示，耦入装置200包括棱镜210，棱镜210可以是三棱镜210，棱镜210的折射率可以大于1，棱镜210设置于耦入区的第二表面120，棱镜210具有入射面、贴合面和与入射面相背的背面，贴合面贴设于第二表面120，入射面用于接收入射光，并馈入耦入区，以使进入耦入区的入射光在光波导件100的表面发生全反射。进一步地，背面还可以设置有光吸收层220，光吸收层220可以吸收光线，避免入射光光线从背面逸出形成热效应。具体的，光吸收层220可以是吸光胶，通过粘接的方式形成于背面。

在另一种实施方式中，如图3所示，耦入装置200也可以采用表面浮雕光栅/全息光栅方式，具体的，耦入区的第二表面120加工一层表面浮雕光栅240作为耦入装置200，光栅区域宽度为光线在光波导件100捏进行一次全反射后行进的宽度，此时入射光垂直入射到表面浮雕光栅240，进而使得表面浮雕光栅240的T₁级衍射或者T_-1级衍射朝向耦出区方向以特定衍射角传播，使得T₁级衍射或者T_-1级衍射可以在光波导件100内发生全反射，并进入耦出区。需要说明的是，控制T₁级衍射或者T_-1级衍射的衍射角，可以通过控制表面浮雕光栅240的光栅参数实现。

在另一种实施方式中，如图4所示，耦入装置200还可以设置成楔角全反射的形式，光波导件100的位于耦入区的端面130设置成斜面，在斜面设置光反射层230作为耦入装置200，光线以垂直于第二表面120的方式入射至斜面，在斜面发生全反射，进入光波导件100。通过调整斜面的角度，可以调整光线在光波导件100内的全反射角，进而使之可以经全反射到达耦出区，示例性的，斜面可以是30°-60°。

请一并参阅图1和图5，光波导件100可以采用平板玻璃，其折射率为n、厚度为d，其全反射临界角θ₀＝arcsin(n_a/n)，其中，n_a为空气折射率，光波导件100的折射率越大，全反射临界角越小，此时光在光波导件100内可发生全反射的角度范围增加，可以增加设计自由度。全反射角度对耦出效率有较大影响，以光波导件100的折射率为1.71，入射光的波长520nm，耦出光栅300为直光栅为例，此时的全反射临界角为37.8°，由于照明光对均匀性要求较高，当均匀性限制在比较高的水平(2％)时，全反射角越小，总耦出效率越高，并且全反射角度越大总耦出效率下降越快。因此全反射角选择接近临界角的角度可以获得更高的耦出效率，基于此，可以合理的选择光波导件100的折射率。

耦出光栅300设置于耦出区，耦出光栅300用于耦出由光波导件100传导的入射光，形成垂直于耦出区出射的照明光。具体的入射光在光波导件100内发生一次或多次全反射后，进入耦出区，并经过耦出光栅300出射形成照明光。

为了避免在后续进入空间光调制器30时形成暗点，需要使得形成的照明光光斑为连续光斑。当入射光光束在光波导件100内以全反射角θ₁向前传播，根据菲涅耳反射定律可知，当入射光束为p光或s光时，全反射后偏振态保持不变。全反射光束进入耦出区后，在耦出区多次弹射耦出多束光，当光波导件100内全反射的光束在波导表面的截面宽度l_b与入射光在光波导件100内经过一次全反射行进的距离l相同，即l＝2d*tanθ₁时，从耦出区出射的多个出射光束之间不存在缝隙，此时耦出光束的尺寸与耦出区的尺寸相等，从耦出光栅300耦出的多束光可以形成完整、连续的照明光光斑。需要说明的是，若l＜2d*tanθ₁，从耦出区出射的多个出射光束之间会形成部分的重叠，虽然也可以形成连续的照明光光斑，但形成的照明光会存在一定的明暗分布，可能影响后续成像的对比度。

耦出光栅300可以采用表面浮雕光栅，表面浮雕光栅可以利用纳米压印工艺批量生产，其量产型与可靠性相比于其他诸如布拉格光栅相比，具有明显优势，并且表面浮雕光栅的响应光谱不受加工材料所限，具备更宽的光谱响应范围，更利于形成稳定、均匀的照明光。需要说明的是，耦出光栅300可以是直光栅、斜光栅、闪耀光栅等，在此不做限定。

当入射光在光波导件100内行进时，部分光线从耦出区的耦出光栅300耦出，剩余光线继续沿行进方向发生全反射，此时入射光的光束亮度会逐渐减小，并从后续的耦出光栅300耦出，形成多束光束，从不同位置的光栅出射的耦出光束L的光亮度会存在一定的差异，这会影响后续空间光调制器30的成像质量。因此需要对耦出光栅300的光栅参数进行合理的设计，使得从耦出光栅300耦出的多束光束的光强均匀。

在一个更为具体的实施例中，请再次参阅图1，耦出光栅300包括多个耦出区域310，多个耦出区域310沿入射光在光波导件100内的行进方向并排设置，且每个光栅区域的至少一项光栅参数不相等，以使从不同的耦出区域310出射的照明光具有相同的光强。原因在于：光栅参数可以包括光栅参数包括光栅周期、光栅占空比、光栅深度、倾斜角和折射率。例如：同一个耦出区域310内的光栅参数可以保持固定，不同的耦出区域310中，光栅周期可以不同，使得从不同的耦出区域310出射的照明光具有相同的光强，距离耦入装置200更远的耦出区域310的光栅周期相比于距离耦入装置200更近的耦出区域310的光栅周期更小；或者，距离耦入装置200更远的耦出区域310的光栅占空比相比于距离耦入装置200更近的耦出区域310的光栅占空比更大；或者，距离耦入装置200更远的耦出区域310的光栅深度相比于距离耦入装置200更近的耦出区域310的光栅深度更大等，在此不做具体限定。

示例性的，本实施例中，耦出光栅300包括4个耦出区域310，4个耦出区域310沿入射光在光波导件100内的行进方向并排设置，且距离耦入装置200更远的耦出区域310的光栅周期相比于距离耦入装置200更近的耦出区域310的光栅周期更小。

在另一种更为具体的实施方式中，耦出光栅300也可以不划分耦出区域310，此时，耦出光栅300的至少一项光栅参数沿入射光在光波导件100内的行进方向渐变设置。具体的，可以按以下方式进行设置：距离耦入装置200更远的区域的光栅周期相比于距离耦入装置200更近的区域的光栅周期更小；或者，距离耦入装置200更远的区域的光栅占空比相比于距离耦入装置200更近的区域的光栅占空比更大；或者，距离耦入装置200更远的区域的光栅深度相比于距离耦入装置200更近的区域的光栅深度更大。

上述的两种设置方式，都可以使得从耦出光栅300的出射的照明光束具有相同的光强，因此可以保证后续的空间光调制器30形成的图像光的成像质量。

从耦出区的耦出光栅300出射的照明光以垂直于第二表面120的形式出射，并入射于空间光调制器30，且照明光的光斑大于等于空间光调制器30的尺寸，使得空间光调制器30的各处均能实现成像。空间光调制器30可以是LCoS器件或者DMD器件，在此不做限定。本实施例中，空间光调制器30为LCoS器件，空间光调制器30与耦出光栅300对应设置，照明光可以直接进入空间光调制器30，空间光调制器30接收并调制照明系统20出射的照明光，形成图像光并朝向光波导件100方向出射。图像光透过耦出光栅300以及光波导件100后出射。

其中，在入射光在光波导件100内的行进过程中，部分入射光会到达光波导件100的端面130，为了防止入射光从端面130逸出引起热效应，端面130可以设置吸光层，用于吸收入射至端面130的入射光，吸光层可以是吸光胶。

本实施例中，偏振件40设置于光波导件100的远离空间光调制器30的一侧，位于投影镜头50与光波导件100之间，且偏振件40位于图像光的出射光路上，当图像光经过偏振件40时，偏振件40可以滤过图像光，使得具有指定偏振态的图像光才能透过进入投影镜头50。具体的，本实施例中，偏振件40可以透过P偏振态光。投影镜头50位于光波导件100的远离空间光调制器30的一侧。

由于入射光为S偏振态光，在光波导件100内传播时，其偏振态不变，仍未S偏振态光。具体的，照明光照射到空间光调制器30时，亮态像素将s光转化为p光，p光可以透过波导和偏振件40进入投影镜头50。暗态像素只对s光反射，反射后的s光透过波导后不能透过偏振件40，无法进入投影镜头50。

其中，本实施例中，偏振件40也可以是吸收式偏振片，其可以透过P偏振态光并吸收S偏振态光。此外，偏振件40也可以为反射式偏振片，可以透过P偏振态光，并反射S偏振态光，被反射的S偏振态光可以重新进入光波导件100形成照明光，并进入空间光调制器30进行调制，因此可以提高光效。

本实施例提供的照明系统20，采用光波导件100以及光栅结构进行照明光出射，整体体积、重量均较小，因此可以应用于AR设备中作为光机系统10，利于降低用户的佩戴负重，提高用户的使用体验。

第二实施例

参阅图6，本实施例提供一种光机系统10，其与第一实施例中的光机系统10结构大致相同，相同部分不再赘述，可以参阅第一实施例的相关内容，以下仅就不同部分进行描述。

本实施例中，偏振件40采用反射式偏振片，其可以透过P偏振态光，并反射S偏振态光。同时，端面130未设置吸收层140，而是设置有反射层150，反射层150可以通过在端面130镀全反射膜或者在端面130剖光实现。

这种实施方式的好处在于：当入射光到达光波导件100的端面130时，会被反射层150反射回光波导件100，并在光波导件100内继续发生全反射，进而从耦出光栅300耦出，因此可以收集光线，提高耦出效率。同时，被空间光调制器30反射的S偏振光透过光波导件100后被偏振件40反射回光波导件100，因此可以进一步的收集光线，提高耦出效率。

第三实施例

参阅图7，本实施例提供一种光机系统10，其与第一实施例中的光机系统10结构大致相同，相同部分不再赘述，可以参阅第一实施例的相关内容，以下仅就不同部分进行描述。

本实施例中，光波导件100还包括反射区，反射区位于耦出区的远离耦入区的一侧，端面130位于反射区，且位于反射区的第一表面110以及第二表面120均设置有反射光栅500。

这种实施方式的好处在于：当入射光在光波导件100内传播过程中，经过耦出区后，部分入射光进入反射区，并继续在反射区的第一表面110和第二表面120发生全反射，由于设置有反射光栅500，反射光栅500可以将这部分光线朝向耦出区的耦出光栅300反射，这部分光线可以得到重新利用，提高耦出效率。相比于第二实施例，由于通过精确控制反射光栅500的光栅参数，可以精确的控制被反射光栅500反射的光线的路径，因此可以使得这部分光线在反射回耦出光栅300时分布均匀，避免空间光调制器30内的暗区变亮现象，提高图像光的对比度。

当然，需要说明的是，此时的吸收层140可以替换为反射层150，设置方式可以参阅第二实施例。

第四实施例

参阅图8，本实施例提供一种光机系统10，其与第一实施例中的光机系统10结构大致相同，相同部分不再赘述，可以参阅第一实施例的相关内容，以下仅就不同部分进行描述。

本实施例中，照明系统20为多个，每个照明系统20中的耦入装置200用于接收一种颜色的入射光，并从耦出光栅300出射形成单色照明光，每个照明系统20中的耦出光栅300对应设置，以使每个照明系统20形成的单色照明光合光入射于空间光调制器30。具体地，照明系统20为三个，分别对应接收红色、绿色和蓝色的入射光。三个照明系统20的光波导件100可以邻接也可以间隔设置，且三个照明系统20的耦出光栅300具有相同的面积且完全对应设置，这样每个照明系统20形成的单色照明光均能照射入空间光调制器30。

其中，每个照明系统20的工作原理以及设置方式均可以参照前述各实施例，在此不再赘述。

本实施例中，照明系统20的耦入装置200采用光栅结构，光源400以垂直于第二表面120的方式入射于耦入装置200，多个光源400可以并排设置，多个照明系统20的耦入装置200彼此错开并与多个光源400对应设置。可以理解的是，在其他的一些实施方式中，也可以采用棱镜210或者楔角全反射的方式实现入射光耦入，具体可以参阅第一实施例中的相关内容。

需要说明的是，根据实际的需要，照明系统20的数量也可以是两个或者三个以上，本实施例不做具体限定。

本实施例提供的光机系统10可以提供三基色的图像光调制，通过时序地控制光源400开启或关闭，可以实现图像光的单色调制并在投影面形成彩色图像，且设备的整体体积、重量小，适于应用于AR设备中。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种照明系统，其特征在于，所述照明系统包括：

光波导件，所述光波导件包括耦入区和耦出区；

设置于所述耦入区的耦入装置，用于接收单一偏振态的入射光，并将所述入射光耦入所述光波导件，以使所述入射光在所述光波导件内发生全反射；以及

设置于所述耦出区的耦出光栅，所述耦出光栅用于耦出由所述光波导件传导的入射光，形成垂直于所述耦出区出射的照明光。

2.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述耦出光栅为表面浮雕光栅。

3.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述光波导件的厚度满足l＝2d*tanθ₁，其中，1为所述入射光在所述光波导件内经过一次全反射行进的距离，d为所述光波导件的厚度，θ₁为全反射角。

4.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述耦出光栅包括多个耦出区域，所述多个耦出区域并排设置，且每个所述耦出区域的至少一项光栅参数不相等以使从不同的所述耦出区域出射的照明光具有相同的光强，所述光栅参数包括光栅周期、光栅占空比、光栅深度、倾斜角和折射率；

其中，每个所述耦出区域的宽度与所述入射光在所述光波导件内经过一次全反射行进的距离相等。

5.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述耦出光栅的至少一项光栅参数沿所述入射光在所述光波导件内的行进方向渐变设置，所述光栅参数包括光栅周期、光栅占空比、光栅深度、倾斜角和折射率。

6.根据权利要求4或5所述的照明系统，其特征在于，所述光波导件具有相背的第一表面和第二表面，以及连接于所述第一表面和所述第二表面之间的端面，所述端面位于所述光波导件的远离所述耦入区的一端，所述端面设置有吸光层或反射层。

7.根据权利要求6所述的照明系统，其特征在于，所述光波导件还包括反射区，所述反射区位于所述耦出区的远离所述耦入区的一侧，所述端面位于所述反射区，且位于所述反射区的所述第一表面以及所述第二表面均设置有反射光栅。

8.根据权利要求1-5任一项所述的照明系统，其特征在于，所述耦入装置包括棱镜，所述棱镜设置于所述耦入区的表面，所述棱镜具有入射面和与所述入射面相背的背面，所述入射面用于接收入射光，并馈入所述耦入区，以使进入所述耦入区的入射光在所述光波导件的表面发生全反射，所述背面设置有光吸收层。

9.一种光机系统，其特征在于，包括至少一个如权利要求1-8任一项所述的照明系统、空间光调制器、偏振件以及投影镜头，所述空间光调制器接收并调制所述照明系统出射的照明光，形成图像光并朝向所述光波导件方向出射，所述偏振件用于滤过所述图像光，所述投影镜头用于显示透过所述偏振件后的图像光，所述投影镜头位于所述光波导件的远离所述空间光调制器的一侧。

10.根据权利要求9所述的光机系统，其特征在于，所述偏振件为吸收式偏振片或反射式偏振片。

11.根据权利要求9所述的光机系统，其特征在于，所述照明系统为多个，每个所述照明系统中的所述耦入装置用于接收一种颜色的入射光，并从所述耦出光栅出射形成单色照明光，每个所述照明系统中的所述耦出光栅对应设置，以使每个所述照明系统形成的单色照明光均入射于所述空间光调制器。

Images