CN217561910U - 一种光机系统及近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例涉及光学技术领域，公开了一种光机系统及近眼显示设备，该光机系统至少包括照明模组、调光模组、偏振分光元件、成像模组和波导片，成像模组包括透镜组和空间光调制器，所述照明模组出射的照明光沿第一方向传输并通过所述调光模组调整方向和偏振态后、输出至所述偏振分光元件，经所述偏振分光元件反射后、沿第二方向传输并通过所述透镜组照射在所述空间光调制器上生成图像光，所述图像光沿所述第一方向通过所述透镜组后、透过偏振分光元件射至所述波导片，本实用新型实施例照明光路和成像光路共用所述透镜组，能够有效缩小光机体积，利于近眼显示设备的轻便设计。

Description

一种光机系统及近眼显示设备

技术领域

本实用新型实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种光机系统及近眼显示设备。

背景技术

近年来，随着近眼显示技术的日趋成熟及发展，多种类型的小型穿戴式显示设备开始进入消费者的视野，近眼显示系统在多种场景下获得了更多的应用，其发展前景备受期待，而在近眼显示领域中，光波导显示技术以其最接近眼镜形态的轻薄体积而备受关注。使用光波导的各种图像显示方案主要包括有机发光二极管(Organic Light-EmittingDiode，OLED)、微型发光二极管(Micro-LED)、数字光处理(Digital Light Processing,DLP)投影以及硅基液晶(LiquidCrystalonSilicon,LCoS)投影这几个方案。其中，采用LCoS芯片的投影光学引擎目前是最具性价比的一种可大规模量产的技术方案。

在实现本实用新型实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：当前的LCoS投影技术方案在照明部分和成像部分各自采用独立的光学通路，都需要采用透镜，且在对光束质量要求较高时会需要较多的透镜，导致光学引擎的体积和重量都比较大。

实用新型内容

本申请实施例提供了一种光机系统及近眼显示设备。

本实用新型实施例的目的是通过如下技术方案实现的。

为解决上述技术问题，第一方面，本实用新型实施例中提供了一种光机系统，包括照明模组、调光模组、偏振分光元件、成像模组和波导片，所述成像模组包括透镜组和空间光调制器，所述照明模组出射的照明光沿第一方向传输并通过所述调光模组调整方向和偏振态后、输出至所述偏振分光元件，经所述偏振分光元件反射后、沿第二方向传输并通过所述透镜组照射在所述空间光调制器上生成图像光，所述图像光沿所述第一方向通过所述透镜组后、透过偏振分光元件射至所述波导片，所述第一方向和所述第二方向相反。

在一些实施例中，所述调光模组包括聚光准直装置、扩散片和线偏振片，所述聚光准直装置靠近所述照明模组设置，所述线偏振片靠近所述偏振分光元件的入光侧设置，所述照明模组出射的照明光通过所述聚光准直装置调整方向后经所述扩散片输出为均匀平行的照明光，平行的照明光经过所述线偏振片转换为第一偏振光，经所述第一偏振光照射、所述空间光调制器产生的所述图像光为第二偏振光，所述第一偏振光和所述第二偏振光具有不同的偏振态，所述偏振分光元件配置为反射所述第一偏振光并透射所述第二偏振光。

在一些实施例中，所述聚光准直装置为转折式光学积分光棒。

在一些实施例中，所述调光模组包括聚光准直装置、三色分光楔形板、复眼透镜和线偏振片，所述聚光准直装置靠近所述照明模组设置，所述线偏振片靠近所述偏振分光元件的入光侧设置，所述照明模组出射的照明光通过所述聚光准直装置调整为平行的照明光，平行的照明光通过所述三色分光楔形板将所述照明光分为三原色的光束矫正输出，矫正输出的三原色光束通过所述复眼透镜调整为均匀的照明光，均匀的照明光经过所述线偏振片转换为第一偏振光，经所述第一偏振光照射、所述空间光调制器产生的所述图像光为第二偏振光，所述第一偏振光和所述第二偏振光具有不同的偏振态，所述偏振分光元件配置为反射所述第一偏振光并透射所述第二偏振光。

在一些实施例中，所述聚光准直装置为反光杯、全内反射透镜、复合抛物面聚光器或准直透镜。

在一些实施例中，所述照明模组为发光二极管光源。

在一些实施例中，所述波导片为几何光波导或者衍射光波导。

在一些实施例中，所述成像模组中的透镜组由一个或多个切边透镜组成，所述切边透镜的切边靠近所述照明模组设置。

在一些实施例中，所述切边透镜为球面透镜或非球面透镜。

为解决上述技术问题，第二方面，本实用新型实施例提供了一种近眼显示设备，包括如第一方面所述的光机系统。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果有：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例中提供了一种光机系统及近眼显示设备，该光机系统至少包括照明模组、调光模组、偏振分光元件、成像模组和波导片，成像模组包括透镜组和空间光调制器，所述照明模组出射的照明光沿第一方向传输并通过所述调光模组调整方向和偏振态后、输出至所述偏振分光元件，经所述偏振分光元件反射后、沿第二方向传输并通过所述透镜组照射在所述空间光调制器上生成图像光，所述图像光沿所述第一方向通过所述透镜组后、透过偏振分光元件射至所述波导片，本实用新型实施例照明光路和成像光路共用所述透镜组，能够有效缩小光机体积，利于近眼显示设备的轻便设计。

附图说明

一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本实用新型实施例一提供的一种投影光机的结构示意图；

图2是本实用新型实施例二提供的一种投影光机的结构示意图；

图3是本实用新型实施例三提供的一种近眼显示设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。为了便于连接结构限定，本实用新型光的传播为参考进行部件的位置限定。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

具体地，下面结合附图，对本实用新型实施例作进一步阐述。

实施例一

本实施例提供了一种光机模组，请参见图1，其示出了本实施例提供的一种光机模组的结构，其中，虚线表示照明光路，实线表示成像光路，所述光机模组包括照明模组101、调光模组(可包括102、103、104)、偏振分光元件201、成像模组(可包括301、302)和波导片401，所述成像模组可包括透镜组301和空间光调制器302，所述照明模组101出射的照明光沿第一方向传输并通过所述调光模组(可包括102、103、104)调整方向和偏振态后、输出至所述偏振分光元件201，经所述偏振分光元件201反射后、沿第二方向传输并通过所述透镜组301照射在所述空间光调制器302上生成图像光，所述图像光沿所述第一方向通过所述透镜组301后、透过偏振分光元件201射至所述波导片401，所述第一方向和所述第二方向相反。

所述照明模组101为发光二极管光源，所述的发光二极管光源可以是三色或四色的集成发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)，或者，也可以是其他可充当发光源的元件。

所述调光模组可包括聚光准直装置102、扩散片103和线偏振片104，所述聚光准直装置102靠近所述照明模组101设置，所述线偏振片104靠近所述偏振分光元件201的入光侧设置，所述照明模组101出射的照明光通过所述聚光准直装置102调整方向后经所述扩散片104输出为均匀平行的照明光，平行的照明光经过所述线偏振片104转换为第一偏振光，所述空间光调制器302产生的所述图像光为第二偏振光，所述第一偏振光和所述第二偏振光具有不同的偏振态，所述偏振分光元件201配置为反射所述第一偏振光并透射所述第二偏振光。

其中，所述聚光准直装置102为转折式光学积分光棒，用于将照明光收集并准直，以及调整照明光的方向，使其能够入射到所述偏振分光元件201中。所述扩散片(Diffuser)103用于将照明光进一步调整为均匀的照明光。所述线偏振片104用于将非偏振态的照明光调制为第一偏振光。

可选的，所述偏振分光元件201可为偏振分光棱镜或偏振分光片。所述偏振分光元件201为所述偏振分光棱镜(Polarization Beam Splitter，PBS)时，所述偏振分光元件201内设置有偏振分光膜层201-1，所述偏振分光膜层201-1能够反射经过所述线偏振片104调制出射的第一偏振光，透射所述空间光调制器302调制产生的第二偏振光。所述偏振分光元件201为所述偏振分光片时，所述偏振分光片反射经过所述线偏振片104调制出射的第一偏振光，透射所述空间光调制器302调制产生的第二偏振光。

所述成像模组(可包括301、302)中的透镜组301由一个或多个切边透镜组成，所述切边透镜的切边靠近所述照明模组101设置，如此可使所述照明模组101更加靠近所述成像模组，从而使光机模组的整体更加紧凑，体积进一步缩小。所述切边透镜为球面透镜或非球面透镜，且当存在多个切边透镜时，多个切边透镜可以都是球面透镜、或者都是非球面透镜，或者球面透镜和非球面透镜的组合。当所述切边透镜为非球面透镜时，非球面的表达式如下：

其中，z表示非球面矢高值，即非球面沿光轴方向在高度为γ时所对应的高度，c＝1/R，R表示是非球面曲率半径，k表示圆锥系数，α_n表示非曲面的n阶系数，n取正整数。所述空间光调制器302为反射式图像源，可以采用LCoS显示芯片。

所述波导片401为几何光波导或者衍射光波导，需要说明的是，图1中标号401仅示出了波导片的耦入部分，全反射部分和耦出部分皆未示出。

本实施例提供的光机系统工作时，以所述第一偏振光为S型偏振光、所述第二偏振光为P型偏振光、所述偏振分光膜层201-1配置为反射S型偏振光且透射P型偏振光为例，照明模组101发出的非偏振的照明光沿第一方向经转折式光学积分光棒102收集、匀化、调整出光方向后，通过扩散片103进一步匀化光强角分布，均化后的照明光经过线偏振片104转换为均匀的S型偏振光，S型偏振光到达所述偏振分光膜层201-1处被反射并沿第二方向进入所述透镜组301中，由于所述透镜组301的入瞳面(即所述偏振分光元件201的出光侧)和照射焦面(即所述空间光调制器302的表面)形成柯勒照明条件，S型偏振光(即S型偏振的照明光)能够均匀照射至所述空间光调制器302，空间光调制器302对S型偏振光调制后，将带有显示信息的画面的光束调制为P型偏振光(即P型偏振的图像光)后反射，沿第一方向继续利用同一个透镜组301调整为平行光后，通过所述所述偏振分光膜层201-1透射出射并进入波导片401内传输。

本实施例将用于成像光路的透镜组301复用为照明光路中的中继镜组，能够极大的减小了整个投影光机模组的体积，十分有利于可穿戴增强现实产品的轻便设计。且有，本实施例中还将所述偏振分光元件201从传统的靠近显示芯片(也即空间光调制器302)的一侧移动至投影镜头前端(也即波导片401)的耦入侧，空间光调制器302和透镜组301之间不存在其他光学元件，透镜组301更加靠近所述空间光调制器302，成像透镜组的后焦距更短，光机尺寸能够得到进一步压缩，且此时光机由于具有大视场角的优点，在不需要较大的视场角范围时使用的偏振分光元件201体积可以进一步缩小，从而进一步减小整个投影光机模组的体积。进一步地，应用于近眼显示设备时，图像光经过波导片301传输并以平行光出射后进入人眼，实现增强现实显示的成像效果。

实施例二

本实施例提供了一种光机模组，请参见图2，其示出了本实施例提供的一种光机模组的结构，其中，虚线表示照明光路，实线表示成像光路，所述光机模组包括照明模组101、调光模组(可包括102、103’、104、105)、偏振分光元件201、成像模组(可包括301、302)和波导片401，所述成像模组可包括透镜组301和空间光调制器302，所述照明模组101出射的照明光沿第一方向传输并通过所述调光模组(可包括102、103’、104、105)调整方向和偏振态后、输出至所述偏振分光元件201，经所述偏振分光元件201反射后、沿第二方向传输并通过所述透镜组301照射在所述空间光调制器302上生成图像光，所述图像光沿第一方向通过所述透镜组301后、透过偏振分光元件201射至所述波导片401，所述第一方向和所述第二方向相反。

所述照明模组101为发光二极管光源，所述的发光二极管光源为具有RGB三色的集成发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)，在其他的一些实施例中，也可以是其他可充当发光源的元件。

所述调光模组包括聚光准直装置102、三色分光楔形板105、复眼透镜103’和线偏振片104，所述聚光准直装置102靠近所述照明模组101设置，所述线偏振片104靠近所述偏振分光元件201的入光侧设置，所述照明模组101出射的照明光通过所述聚光准直装置102调整为平行的照明光，平行的照明光通过所述三色分光楔形板105将所述照明光分为三原色的光束矫正输出，矫正输出的三原色光束通过所述复眼透镜103’调整为均匀的照明光，均匀的照明光经过所述线偏振片104转换为第一偏振光，经所述第一偏振光照射、所述空间光调制器302产生的所述图像光为第二偏振光，所述第一偏振光和所述第二偏振光具有不同的偏振态，所述偏振分光元件201配置为反射所述第一偏振光并透射所述第二偏振光。

其中，所述聚光准直装置102为反光杯、全内反射透镜(total internalreflection，TIR)、复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator，CPC)或准直透镜等，用于将照明光收集并准直，具体可根据实际需要进行选择。所述复眼透镜103’也可以替换为柱面阵列透镜。所述线偏振片104用于将非偏振态的照明光调制为第一偏振光。所述三色分光楔形板105包括三块分光棱镜105-1、105-2、105-3，且三块棱镜分别根据发光二极管光源101中R、G、B三色光源的空间位置的排布设置有具有不同的反射角和反射膜系，从而分别反射R、G、B三种颜色的光源，能够有效减弱RGB光源照射在所述空间光调制器302时的色散效应。

可选的，所述偏振分光元件201可为偏振分光棱镜镜或偏振分光片。所述偏振分光元件201为所述偏振分光棱镜(Polarization Beam Splitter，PBS)时，所述偏振分光元件201内设置有偏振分光膜层201-1，所述偏振分光膜层201-1能够反射经过所述线偏振片104调制出射的第一偏振光，透射所述空间光调制器302调制产生的第二偏振光。所述偏振分光元件201为所述偏振分光片时，所述偏振分光片反射经过所述线偏振片104调制出射的第一偏振光，透射所述空间光调制器302调制产生的第二偏振光。

所述成像模组(可包括301、302)中的透镜组301由一个或多个切边透镜组成，所述切边透镜的切边靠近所述照明模组101设置，如此可使所述照明模组101更加靠近所述成像模组(可包括301、302)，从而使光机模组的整体更加紧凑，体积进一步缩小。所述透镜切边透镜为球面透镜或非球面透镜，且当存在多个切边透镜时，多个切边透镜可以都是球面透镜、或者都是非球面透镜，或者球面透镜和非球面透镜的组合。当所述的透镜为非球面透镜时，非球面的表达式如下：

其中，z表示非球面矢高值，即非球面沿光轴方向在高度为γ时所对应的高度，c＝1/R，R表示是非球面曲率半径，k表示圆锥系数，α_n表示非曲面的n阶系数，n取正整数。所述空间光调制器302为反射式图像源，可以采用,LCoS显示芯片。

所述波导片401为几何光波导或者衍射光波导，需要说明的是，图1中标号401仅示出了波导片的耦入部分，全反射部分和耦出部分皆未示出。

本实施例提供的光机系统工作时，以所述第一偏振光为S型偏振光、所述第二偏振光为P型偏振光、所述偏振分光膜层201-1配置为反射S型偏振光且透射P型偏振光为例，由于集成发光二极管光源101的RGB灯珠在空间上成分离排布，因此不同颜色灯珠发出的三色照明光在空间角度上产生分离，三色且非偏振的照明光沿第一方向通过聚光准直装置102收集并准直后，通过三色分光楔形板105矫正RGB三色照明光的色散现象对三相光进行分色合束、且对不同波长的光进行角度调整RGB三色光出射角度一致后输出，分光调整角度后的照明光通过复眼透镜103’匀化后经过线偏振片104转换为均匀的S型偏振光，S型偏振光到达所述偏振分光膜层201-1处被反射并沿第二方向进入所述透镜组301中，由于所述透镜组301的入瞳面(即所述偏振分光元件201的出光侧和照射焦面(即所述空间光调制器302的表面)形成柯勒照明条件，S型偏振光(即S型偏振的照明光)能够均匀照射至所述空间光调制器302，空间光调制器302对S型偏振光调制后，将带有显示信息的画面的光束调制为P型偏振光(即P型偏振的图像光)后反射，沿第三方向继续利用同一个透镜组301调整为平行光后，通过所述所述偏振分光膜层201-1透射出射并进入波导片401内传输。

本实施例将用于成像光路的透镜组301复用为照明光路中的中继镜组，能够极大的减小了整个投影光机模组的体积，十分有利于可穿戴增强现实产品的轻便设计。且有，本实施例中还将所述偏振分光元件201从传统的靠近显示芯片(也即空间光调制器302)的一侧移动至投影镜头前端(也即波导片401)的耦入侧，空间光调制器302和透镜组301之间不存在其他光学元件，透镜组301更加靠近所述空间光调制器302，成像透镜组的后焦距更短，光机尺寸能够得到进一步压缩，且此时光机由于具有大视场角的优点，在不需要较大的视场角范围时使用的偏振分光元件201体积可以进一步缩小，从而进一步减小整个投影光机模组的体积。进一步地，应用于近眼显示设备时，图像光经过波导片301传输并以平行光出射后进入人眼，实现增强现实显示的成像效果。

实施例三

本实施例提供了一种近眼显示设备，请参见图3，其示出了本实施例提供的一种近眼显示设备的结构，所述近眼显示设备10包括如实施例一或实施例二所述的光机系统100。

所述光机系统100的具体结构及成像原理可参见上述实施例一和实施例二，以及附图1和附图2，此处不再详述。

所述近眼显示设备10可以是穿戴式近眼显示设备，如头盔、增强现实(AugmentedReality，AR)/虚拟现实(Virtual Reality，VR)眼镜等，或者，也可以是其他对轻便化、便携化等存在需求的近眼显示设备，具体可根据实际情况进行设计。

且有，应用于穿戴式近眼显示设备中时，实施例一和实施例二所示的光机系统100整个光路结构排布有序，呈规整的长条状，无不规则凸起，为后续整机的结构设计提供了极大的方便，可以方便地置于镜腿等位置。

本实用新型实施例中提供了一种光机系统及近眼显示设备，该光机系统至少包括照明模组、调光模组、偏振分光元件、成像模组和波导片，成像模组包括透镜组和空间光调制器，所述照明模组出射的照明光沿第一方向传输并通过所述调光模组调整方向和偏振态后、输出至所述偏振分光元件，经所述偏振分光元件反射后、沿第二方向传输并通过所述透镜组照射在所述空间光调制器上生成图像光，所述图像光沿所述第一方向通过所述透镜组后、透过偏振分光元件出射至所述波导片，本实用新型实施例照明光路和成像光路共用所述透镜组，能够有效缩小光机体积，利于近眼显示设备的轻便设计。

需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光机系统，其特征在于，包括照明模组、调光模组、偏振分光元件、成像模组和波导片，所述成像模组包括透镜组和空间光调制器，

所述照明模组出射的照明光沿第一方向传输并通过所述调光模组调整方向和偏振态后、输出至所述偏振分光元件，经所述偏振分光元件反射后、沿第二方向传输并通过所述透镜组照射在所述空间光调制器上生成图像光，所述图像光沿所述第一方向通过所述透镜组后、透过偏振分光元件射至所述波导片，

所述第一方向和所述第二方向相反。

2.根据权利要求1所述的光机系统，其特征在于，

所述调光模组包括聚光准直装置、扩散片和线偏振片，所述聚光准直装置靠近所述照明模组设置，所述线偏振片靠近所述偏振分光元件的入光侧设置，

所述照明模组出射的照明光通过所述聚光准直装置调整方向后经所述扩散片输出为均匀平行的照明光，平行的照明光经过所述线偏振片转换为第一偏振光，经所述第一偏振光照射、所述空间光调制器产生的所述图像光为第二偏振光，所述第一偏振光和所述第二偏振光具有不同的偏振态，所述偏振分光元件配置为反射所述第一偏振光并透射所述第二偏振光。

3.根据权利要求2所述的光机系统，其特征在于，

所述聚光准直装置为转折式光学积分光棒。

4.根据权利要求1所述的光机系统，其特征在于，

所述调光模组包括聚光准直装置、三色分光楔形板、复眼透镜和线偏振片，所述聚光准直装置靠近所述照明模组设置，所述线偏振片靠近所述偏振分光元件的入光侧设置，

所述照明模组出射的照明光通过所述聚光准直装置调整为平行的照明光，平行的照明光通过所述三色分光楔形板分为三原色的光束矫正输出，矫正输出的三原色光束通过所述复眼透镜调整为均匀的照明光，均匀的照明光经过所述线偏振片转换为第一偏振光，经所述第一偏振光照射、所述空间光调制器产生的所述图像光为第二偏振光，所述第一偏振光和所述第二偏振光具有不同的偏振态，所述偏振分光元件配置为反射所述第一偏振光并透射所述第二偏振光。

5.根据权利要求4所述的光机系统，其特征在于，

所述聚光准直装置为反光杯、全内反射透镜、复合抛物面聚光器或准直透镜。

6.根据权利要求1-5任一项所述的光机系统，其特征在于，

所述照明模组为发光二极管光源。

7.根据权利要求1-5任一项所述的光机系统，其特征在于，

所述波导片为几何光波导或者衍射光波导。

8.根据权利要求1-5任一项所述的光机系统，其特征在于，

所述成像模组中的透镜组由一个或多个切边透镜组成，所述切边透镜的切边靠近所述照明模组设置。

9.根据权利要求8所述的光机系统，其特征在于，

所述切边透镜为球面透镜或非球面透镜。

10.一种近眼显示设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的光机系统。

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