CN218938659U - 投影显示系统及ar眼镜 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种投影显示系统及AR眼镜。投影显示系统包括：光波导、空间光调制器、偏振片以及投影镜头。光波导包括第一表面以及第二表面，光波导的第一表面上设有耦出区，耦出区具备偏振选择特性。空间光调制器位于耦出区的一侧。偏振片位于光波导的第二表面一侧。投影镜头位于耦出区与空间光调制器之间，用于生成图像。投影显示系统通过将投影镜头设置在空间光调制器以及光波导的耦出区之间，并给耦出区赋予偏振选择特征，使光波导内全反射传输的光线以较高的效率从光波导耦出，同时使空间光调制器调制后的图像光在穿过耦出区时以较高的效率透射并过滤杂散光，减小衍射造成的能量损失，提高了投影图像的对比度。

Description

投影显示系统及AR眼镜

技术领域

本申请涉及投影设备技术领域，具体而言，涉及一种投影显示系统及AR眼镜。

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。对于AR眼镜来说，小体积、高效率是至关重要的参数。

目前，在投影显示系统中，由于光栅散射产生的杂散光会被镜头成像，导致投影图像对比度降低。

实用新型内容

本申请实施方式提出了一种投影显示系统及AR眼镜，以解决上述技术问题。

本申请实施方式通过以下技术方案来实现上述目的。

第一方面，本申请提供一种投影显示系统，可以包括：光波导、空间光调制器、偏振片以及投影镜头。光波导用于限制光束在空间的传播路径，可以包括第一表面以及第二表面，所述光波导的第一表面上设有耦出区，所述耦出区用于将所述光波导内传播的光线耦出，所述耦出区具备偏振选择特性。空间光调制器位于所述耦出区的一侧，对光线进行调制，生成具有偏振态的图像光。偏振片位于所述光波导的第二表面一侧，用于反射第一偏振态的光，透射第二偏振态的光。投影镜头位于所述耦出区与所述空间光调制器之间，用于将所述图像光转换成影像。

在一些实施方式中，所述投影显示系统还可以包括：光源，所述光源用于向所述光波导发出偏振光线。

在一些实施方式中，所述耦出区与所述投影镜头的出瞳相对设置，所述耦出区与投影镜头的出瞳在垂直于所述耦出区方向上的投影重合。

在一些实施方式中，所述耦出区与所述投影镜头的出瞳之间设有夹角。

在一些实施方式中，所述夹角为15°-30°。

在一些实施方式中，所述耦出光线的出光角度与所述投影镜头的F数相匹配。

在一些实施方式中，所述空间光调制器为LCOS，所述投影镜头将所述耦出区耦出的光线照射在所述空间光调制器的不同位置，所述空间光调制器用于对耦出的光线的偏振态进行调制并将调制光反射回所述投影镜头。

在一些实施方式中，所述空间光调制器用于将所述耦出区耦出的光线由第一偏振态转换为第二偏振态，所述偏振片用于透射第二偏振态的光线。

在一些实施方式中，所述空间光调制器位于所述投影镜头的焦平面。

第二方面，本申请实施例提供一种AR眼镜，可以包括：眼镜本体以及如上述的投影显示系统。

本申请实施例提供的投影显示系统及AR眼镜，投影显示系统通过将投影镜头设置在空间光调制器以及光波导的耦出区之间，并给耦出区赋予偏振选择特征，使光波导内全反射传输的光线以较高的效率从光波导耦出，同时使空间光调制器调制后的图像光在穿过耦出区时以较高的效率透射并过滤杂散光，减小衍射造成的能量损失，提高了投影图像的对比度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式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方式，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为LCOS的投影原理图。

图2为现有技术中的投影显示系统的结构示意图。

图3为本申请实施例提供的一种投影显示系统的结构示意图。

图4为本申请实施例提供的一种投影显示系统的另一种结构示意图。

图5为本申请实施例提供的一种AR眼镜的结构示意图。

附图标记：AR眼镜1、投影显示系统10、光波导110、第一表面111、耦出区111a、第二表面112、空间光调制器120、偏振片130、投影镜头140、光源150、匀光系统160、偏振分光棱镜170、眼镜本体20。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，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、完整的描述。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，都属于本申请保护的范围。

现代社会以来，个人电脑作为第一代信息交互平台，率先为信息的传输与交互带来了新篇章。近年来发展迅速的智能手机终端，将信息交互平台变得更加轻量化、小型化，并提升了便捷性，进一步改变了人类生活。随着智能手机渗透率的逐渐饱和、用户碎片时间赋能上的逐渐疲软，以及大数据通讯和人工智能等新技术的快速发展，对新形态的信息交互平台的需求已经迫在眉睫。

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。基于AR显示全新的形态，AR技术在近年来得到了广泛的关注和投入。

相较于通讯、大数据、软件算法等方面，现阶段AR硬件显示系统的性能从某种程度上制约了AR领域的快速发展，同时具有小体积、轻质化、高效率、大场视角(FieldofView，FOV)、大动眼框范围性能的AR显示系统仍未获得突破。AR硬件显示系统通常包含微型光机(optical engine)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，主要技术路线可以包括硅基液晶(Liquid Crustal OnSilicon,LCOS)、激光束扫描(Laser Beam Scanning)、微型发光二极管(MicroLightEmittingDiode，MicroLED)、微型有机发光显示器(MicroOrganic Light EmittingDisplay，Micro OLED)等。对于AR眼镜来说，小体积、高效率是至关重要的参数。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。

AR设备中的光机系统用于生成投影显示图像，基于LCOS和数字微镜元件(DigitalMicroDevice，DMD)的投影系统是非主动发光芯片投影方案中的主流：

LCOS是一种新型的结合了半导体与液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)技术的新型微显示技术。就技术面来看，它具有高分辨率、高亮度的特性，加上其产品结构简单，亦具有低成本的优点。LCOS投影显示技术起源于反射式液晶投影显示。所谓反射式液晶投影显示，就是指所采用的液晶显示芯片为反射式的工作方式，它在液晶层后面设置了一个反射镜，而和液晶驱动相关的薄膜或集成部件均隐藏在反射镜的后面。用于投影显示的反射型液晶器件都采用了扭曲向列液晶或电控双折射，因为这些液晶工作模式的光效率较高，对比度较大。

基于LCOS的传统投影方案基本原理如图1所示，在LCOS前放置偏振分光棱镜(Polarization Beam Splitter，PBS)170，光源150出射光束经匀光系统160后均匀入射到偏振分光棱镜170，非偏振光进入偏振分光棱镜170后，s偏振光被反射进入空间光调制器120，p偏振光透过偏振分光棱镜170出射。当空间光调制器120上的像素点处于亮态时，s偏振光通过空间光调制器120的液晶层以及反射镜的反射后，变成为p偏振光。光线沿原光路反射后，透过偏振分光棱镜170进入镜头。而对于处在暗态的像素点，液晶对入射s偏振光无调制，因此通过显示芯片反射的s光仍被偏振分光棱镜170反射，无法进入镜头。这种方案下的偏振分光棱镜170厚度与宽度相同，由此导致照明系统的尺寸和重量都比较大，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。

请参阅图2，现有的投影显示系统由于耦出光栅散射产生的杂散光会被投影镜头成像，导致投影图像对比度降低。耦出光栅向投影镜头方向耦出的光线无法有效利用，导致整体效率变低。

基于上述问题，请参阅图3，本申请提供一种投影显示系统10，可以包括：光波导110、空间光调制器120、偏振片130以及投影镜头140。

光波导110用于限制光束在空间的传播路径，当光束传播角度满足全反射条件时只能在光波导110内传播。在本实施例中，光波导110可以为轻薄的玻璃平板形态，光波导110可以包括第一表面111以及第二表面112，所述光波导110的第一表面111上设有耦出区111a，所述耦出区111a用于将所述光波导110内传播的光线耦出，所述耦出区111a具备偏振选择特性，即对某种偏振态的光线衍射效率高，对另一种偏振态光线衍射效率低，这种特性可以使光波导110内全反射传输的光线以较高的效率从光波导110耦出，同时使空间光调制器120调制后的图像光在穿过耦出区111a时以较高的效率透射，减小衍射造成的能量损失。

假设光波导110的折射率为n、玻璃平板的厚度为d，n_a为空气折射率，全反射临界角θ₀＝arcsin(n_a/n)，光波导110的折射率n越大，全反射临界角越小，此时光在光波导110内可发生全反射的角度随之增大。在本实施例中，光波导110折射率n在1.5-2.5之间，此时能够获得最大的传播效率。

可以作为光波导110的耦出区111a的光学元件可以包括：超表面、全息光栅、衍射光栅等微结构，这些微结构可以采用光刻、刻蚀、纳米压印、激光直写等微纳加工工艺制备到光波导110上。耦出区111a的主要作用是打破全反射条件，将全反射光束，从光波导110耦出至空间光调制器120，并且可以使空间光调制器120反射的光束可以全部或部分经耦出区111a透射出光波导110。可以理解的是，全反射光束是指：光源150出射的光束耦入光波导110后，在光波导110内发生全反射的光束。

空间光调制器120位于所述耦出区111a的一侧，空间光调制器120为非主动发光的偏振光学显示器件，例如LCOS，空间光调制器120用对光线进行调制，生成具有偏振态的图像光。可以理解的是，空间光调制器120在使用过程中可以根据实际情况产生亮点与暗点，当偏振光线照射在亮点上时，空间光调制器120将转换偏振光的形态，并反射转换后的偏振光；当偏振光线照射在暗点上时，空间光调制器120仅对偏振光线进行反射。

偏振片130位于所述光波导110的第二表面112一侧，偏振片130对入射光有透过、遮蔽或反射功能，用于反射第一偏振态的光，透射第二偏振态的光。偏振片130可以使一种偏振光透射、另一种遮蔽或反射，本发明所用偏振片130的放置位置可以根据实例需求选择透过一种偏振态的光线，对其他偏振光吸收或反射。入射到偏振片130的光束经空间光调制器120调制后同时包含多种偏振光，偏振片130的主要作用是只透过其中某种偏振光。在本实施例中，偏振片130可以采用吸收型偏振片130或反射型偏振片130，偏振片130消光轴方向和入射光方向相同，以提高偏振片130的分光效果。

投影镜头140位于所述耦出区111a与所述空间光调制器120之间，用于将所述图像光转换成影像。

在本实施例中，所述投影镜头140将所述耦出区111a耦出的光线照射在所述空间光调制器120的不同位置，所述空间光调制器120用于对耦出的光线的偏振态进行调制并将调制光反射回所述投影镜头140。空间光调制器120还用于选择性的将所述耦出区111a耦出的光线由第一偏振态转换为第二偏振态，所述偏振片130用于透射第二偏振态的光线。

如下对本申请实施例的投影显示系统10的光路进行详细阐述：光波导110中的偏振光由耦出区111a耦出后，经过投影镜头140射向空间光调制器120，投影镜头140将不同角度的偏振光照射到空间光调制器120上，照射在空间光调制器120的亮点的偏振光经过空间光调制器120的转换由第一偏振态转换为第二偏振态后被空间光调制器120反射，照射在显示器的暗点的偏振光将继续保持第一偏振态被空间光调制器120反射。可以理解的是，上述的第一偏振态可以为S光形态，第二偏振态可以为P光形态，在此不做限制。由于耦出区111a具有偏振选择特性，因此耦出区111a可以对第二偏振态的偏振光具有较高的透射率和交底的衍射率，并对除第二偏振态的偏振光以外的其他光线具有较高的反射率，或及吸收第二偏振态的偏振光以外的其他光线，以提高能量传递效率。

本申请实施例提供的投影显示系统10，通过将投影镜头140设置在空间光调制器120以及光波导110的耦出区111a之间，并给耦出区111a赋予偏振选择特征，使光波导110内全反射传输的光线以较高的效率从光波导110耦出，同时使空间光调制器120调制后的图像光在穿过耦出区111a时以较高的效率透射并过滤杂散光，减小衍射造成的能量损失，提高了投影图像的对比度。

在本实施例中，耦出区111a与所述投影镜头140的出瞳相对设置，所述耦出区111a与投影镜头140的出瞳在垂直于所述耦出区111a方向上的投影重合。上述的耦出区111a以及投影镜头140的设置能够使得偏振光线从耦出区111a耦出后全部进入投影镜头140中，提高了能量的利用率。

进一步从，耦出光线的出光角度与投影镜头140F数匹配，此时耦出区111a出射的所有光线可以被镜头收集到面板，进一步提高了能量利用率。

请参照图4，本申请还提供一种投影显示系统10的另一种实施例，在本实施例中，投影显示系统10可以包括：光波导110、空间光调制器120、偏振片130以及投影镜头140。光波导110、空间光调制器120、偏振片130以及投影镜头140的结构与前述实施例的结构可以相同，在此不做赘述，与前述实施例不同的是，在本实施例中，耦出区111a与所述投影镜头140的出瞳之间设有夹角，上述的夹角可以为15°至30°例如15°、25°、30°，具体的角度可以根据实际情况进行设置，在此不做限制，这种排布方式可以在牺牲一定效率的同时，提高设计自由度。

进一步的，在一些实施方式中，投影显示系统10还可以包括：光源150，光源150用于向光波导110发出偏振光线，可以理解的是，光源150可以为LED和偏振片130的组合光源150，也可以是偏振激光器，在此不做限制，光源150发出的偏振光线使耦入到光波导110内的光线为偏振光，光源150发出的偏振光的波长在380nm至780nm均可，例如可以是波长500nm的偏振光。

需要说明的是，在一些实施方式中，光源还可以是用于发出非偏振光线的光源，在光源和光波导之间可以设置偏振片，使用偏振片将光源发出的光线转换为偏振光。

进一步的，在一些实施方式中，空间光调制器120始终位于投影镜头140的焦平面，上述的空间光调制器120与投影镜头140的设置能够保证投影镜头140对空间光调制器120成像，提高成像效率与精度。

请参阅图5，本申请实施例还提供一种AR眼镜1，可以包括眼镜本体20以及如上述中的任意一种投影显示系统10。可以理解的是，上述的眼镜本体20除了包括眼镜框架如镜框、镜腿等，还可以包括光学组合器。投影显示系统10可以设置在光学组合器内。

请同时参阅图3-图5，本申请实施例提供的AR眼镜1，其中投影显示系统10通过将投影镜头140设置在空间光调制器120以及光波导110的耦出区111a之间，并给耦出区111a赋予偏振选择特征，使光波导110内全反射传输的光线以较高的效率从光波导110耦出，同时使空间光调制器120调制后的图像光在穿过耦出区111a时以较高的效率透射并过滤杂散光，减小衍射造成的能量损失，提高了投影图像的对比度。

术语“一些实施方式”、“其他实施方式”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本申请中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本申请中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。

以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本申请进行了详细的说明，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方式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申请各实施方式技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种投影显示系统，其特征在于，包括：

光波导，用于限制光束在空间的传播路径，包括第一表面以及第二表面，所述光波导的第一表面上设有耦出区，所述耦出区用于将所述光波导内传播的光线耦出，所述耦出区具备偏振选择特性；

空间光调制器，位于所述耦出区的一侧，用于对光线进行调制，生成具有偏振态的图像光；

偏振片，位于所述光波导的第二表面一侧，用于反射第一偏振态的光，透射第二偏振态的光；以及

投影镜头，位于所述耦出区与所述空间光调制器之间，用于将所述图像光转换成影像。

2.如权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于，还包括：

光源，用于向所述光波导发出偏振光线。

3.如权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于，所述耦出区与所述投影镜头的出瞳相对设置，所述耦出区与投影镜头的出瞳在垂直于所述耦出区方向上的投影重合。

4.如权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于，所述耦出区与所述投影镜头的出瞳之间设有夹角。

5.如权利要求4所述的投影显示系统，其特征在于，所述夹角为15°-30°。

6.如权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于，所述耦出光线的出光角度与所述投影镜头的F数相匹配。

7.如权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于，所述空间光调制器为LCOS，所述投影镜头将所述耦出区耦出的光线照射在所述空间光调制器的不同位置，所述空间光调制器用于对耦出的光线的偏振态进行调制并将调制光反射回所述投影镜头。

8.如权利要求7所述的投影显示系统，其特征在于，所述空间光调制器用于将所述耦出区耦出的光线由第一偏振态转换为第二偏振态。

9.如权利要求1所述的投影显示系统，其特征在于，所述空间光调制器位于所述投影镜头的焦平面。

10.一种AR眼镜，其特征在于，包括：眼镜本体以及如权利要求1-9中任一项所述的投影显示系统。

Images