CN219016710U - 微型光引擎及近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种微型光引擎，包括：光源装置，所述光源装置用于沿同一光路发出第一颜色光、第二颜色光以及第三颜色光；合光组件，用于接收所述光源装置发出的所述第一颜色光、所述第二颜色光以及所述第三颜色光，并用于分别将所述第一颜色光、所述第二颜色光以及所述第三颜色光沿同一光轴出射以合光为照明光；光调制装置，用于将所述照明光调制为图像光；以及成像组件，设置于所述合光组件与所述光调制装置的光路之间，用于将所述合光组件出射的所述照明光传输到所述光调制装置，并用于出射所述图像光。本申请还提供一种近眼显示设备。

Description

微型光引擎及近眼显示设备

技术领域

本申请涉及显示领域，尤其涉及一种微型光引擎以及一种近眼显示设备。

背景技术

随着微投影技术的发展，越来越多的小型便携式投影机以及近眼显示设备相继面世。其中，增强现实(Augmented Reality，AR)技术作为将真实世界的信息与虚拟世界的信息相结合的技术已然成为一种新兴技术，在微投影领域的地位逐渐提高。作为近眼显示设备，目前对AR眼镜微型光引擎的小型化、轻量化的要求越来越高。然而，现有的微型光引擎，其光源装置通常需要将不同的颜色光从不同的光路分别出射再进行合光，导致空间利用率较低。

实用新型内容

本申请一方面提供一种微型光引擎，包括：

光源装置，所述光源装置用于沿同一光路发出第一颜色光、第二颜色光以及第三颜色光；

合光组件，用于接收所述光源装置发出的所述第一颜色光、所述第二颜色光以及所述第三颜色光，并用于分别将所述第一颜色光、所述第二颜色光以及所述第三颜色光沿同一光轴出射以合光为照明光；

光调制装置，用于将所述照明光调制为图像光；以及

成像组件，设置于所述合光组件与所述光调制装置的光路之间，用于将所述合光组件出射的所述照明光传输到所述光调制装置，并用于出射所述图像光。

本申请实施例提供的微型光引擎，通过设置所述光源装置沿同一光路出射第一颜色光、第二颜色光以及第三颜色光，相较于现有技术中从不同光路分别出射不同的颜色光，减小了光源装置的体积，提高了空间利用率，有利于微型光引擎的小型化及轻量化。通过利用所述合光组件使波长不同的第一颜色光、第二颜色光以及第三颜色光沿同一光轴出射以进行合光，搭配所述光源装置，进一步提高了空间利用率，有利于微型光引擎的小型化及轻量化，且具有高光效的特点。

在一实施例中，所述合光组件包括第一合光镜和第二合光镜，所述第一合光镜包括用于反射所述第一颜色光的第一表面以及用于反射所述第二颜色光的第二表面；所述第二合光镜包括用于反射所述第三颜色光的第三表面。

在一实施例中，所述微型光引擎还包括匀光组件，所述匀光组件用于对所述合光组件出射的所述照明光进行匀光，即将高斯光束整形为颜色均匀、亮度均匀的矩形光斑。

在一实施例中，所述匀光组件包括微透镜阵列，用于对所述照明光进行匀光；所述微透镜阵列包括阵列排列的多个微透镜，每一所述微透镜的尺寸小于0.22mm。

在一实施例中，所述成像组件包括分光棱镜、第一透镜、第二透镜以及反射镜；从所述合光组件出射的所述照明光被所述分光棱镜反射后依次经过所述第一透镜和所述第二透镜到达所述光调制装置；从所述光调制装置出射的所述图像光依次穿过所述第二透镜、所述第一透镜和所述分光棱镜后到达所述反射镜，再依次被所述反射镜和所述分光棱镜反射后出射。

在一实施例中，所述分光棱镜包括第一棱镜、第二棱镜以及分光膜；所述分光膜贴合于所述第一棱镜与所述第二棱镜之间，用于反射第一偏振态的光并透射第二偏振态的光。

在一实施例中，所述成像组件还包括四分之一波片，所述四分之一波片设置于所述分光棱镜和所述反射镜之间，用于改变所述图像光的偏振态，使得两次穿过所述四分之一波片的所述图像光由所述第二偏振态转换为所述第一偏振态。

在一实施例中，所述成像组件还包括第一偏振片及第二偏振片；所述第一偏振片设置于所述分光棱镜靠近所述合光组件的一侧，用于将所述照明光转换为所述第一偏振态；所述第二偏振片设置于所述分光棱镜远离所述合光组件的一侧，用于将所述分光棱镜反射的所述图像光出射。

在一实施例中，所述微型光引擎还包括调焦组件，用于调整所述光调制装置与所述第二透镜之间的距离，以用于调整所述微型光引擎的成像距离。

本申请另一方面提供一种近眼显示设备，其包括：

上述的微型光引擎；以及

波导片，所述波导片设置于所述微型光引擎的一侧，用于传播所述微型光引擎出射的图像光。

附图说明

图1为本申请一实施例中微型光引擎的结构示意图。

图2为本申请一实施例中光源装置的部分结构示意图。

图3为本申请一实施例中合光组件的结构示意图。

图4为本申请另一实施例中微型光引擎的结构示意图。

图5为本申请一实施例中近眼显示设备的结构示意图。

图6为本申请一实施例中波导片的结构示意图。

主要元件符号说明

微型光引擎                   100

光源装置                     10

灯芯                         101

光源芯片                     10R、10G、10B

准直组件                     20

合光组件                     30

第一合光镜                   31

第一表面                     311

第二表面                     313

第二合光镜                   33

第三表面                     331

匀光组件                     40

微透镜阵列                   41

积分透镜                     43

成像组件                     50

分光棱镜                     51

第一棱镜                     511

第二棱镜                     513

分光膜                       515

第一偏振片                   521

第二偏振片                   523

第一透镜                     53

胶合透镜                     54

第二透镜                     55

四分之一波片                 56

反射镜                       57

外反反射层                   58

镜头                         59

光调制装置                   70

调焦组件                     90

近眼显示设备                 200

波导片                       210

入光口                       211

第一颜色光                   LR

第二颜色光                   LG

第三颜色光                   LB

照明光                       L1

图像光                       L3

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。

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，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。

除非另有定义，本申请所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

为能进一步阐述本申请达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施方式，对本申请作出如下详细说明。

本申请实施例提供一种微型光引擎，请参阅图1，微型光引擎100包括：光源装置10、合光组件30、匀光组件40、成像组件50以及光调制装置70。光源装置10用于沿同一光路发出第一颜色光LR、第二颜色光LG、以及第三颜色光LB。合光组件30用于接收第一颜色光LR、第二颜色光LG、以及第三颜色光LB，并用于分别将第一颜色光LR、第二颜色光LG、以及第三颜色光LB沿同一光轴出射以合光为照明光L1。光调制装置70用于将照明光L1调制为图像光L3。成像组件50设置于合光组件30与光调制装置70的光路之间，用于将合光组件30出射的照明光L1传输到光调制装置70，并用于出射图像光L3。

在一实施例中，请一并参阅图1和图2，光源装置10包括用于发出第一颜色光LR的光源芯片10R、用于发出第二颜色光的光源芯片10G以及用于发出第三颜色光的光源芯片10B。具体来说，光源芯片10R、10G及10B设置于同一个灯芯101上，从而可以沿同一光路发出第一颜色光LR、第二颜色光LG以及第三颜色光LB。其中，灯芯101具体可以为一电路基板，用于绑定光源芯片10R、10G及10B。光源装置10还可以包括电源、外壳等其他结构(图未示)。通过将三种颜色的光源芯片10R、10G及10B设置于同一个灯芯101上，有利于缩小光源装置10的体积，实现微型光引擎100的小型化和轻量化。在其他实施例中，灯芯101上每一种颜色的光源芯片10R、10G或10B还可以包括多个，从而增加第一颜色光LR、第二颜色光LG或第三颜色光LB的亮度。

在一实施例中，光源芯片10R、光源芯片10G和光源芯片10B均可以为发光二极管，光源芯片10R发出的第一颜色光LR为红色光，光源芯片10G发出的第二颜色光LG为绿色光，光源芯片10B发出的第三颜色光LB为蓝色光，三种颜色光组成的三原色光通过调制后可以形成用于投影出图像的图像光。

在一实施例中，微型光引擎100还包括准直组件20，设置于光源装置10与合光组件30之间，用于对光源装置10发出的第一颜色光LR、第二颜色光LG、以及第三颜色光LB进行准直，准直组件20可以为透镜或透镜组，具体可以为球面透镜或非球面透镜，本申请对此不做限制。准直组件20可以将光源装置10出射的第一颜色光LR、第二颜色光LG、以及第三颜色光LB变为平行光，从而提高微型光引擎100的光利用率。

在一实施例中，请一并参阅图1和图3，合光组件30包括第一合光镜31和第二合光镜33，第一合光镜31包括用于反射第一颜色光LR的第一表面311以及用于反射第二颜色光LG的第二表面313。第二合光镜33包括用于反射第三颜色光LB的第三表面331。具体来说，第一合光镜31和第二合光镜33均为二向色镜，用于反射部分波长的光并透过另一部分波长的光。由于第一颜色光LR、第二颜色光LG、以及第三颜色光LB为波长不同的三种光，在从光源装置10出射后，入射到不同的光学元件时，会发生不同角度的偏折，因此，通过设置合光组件30，从而分别调整不同波长的颜色光，使第一颜色光LR、第二颜色光LG以及第三颜色光LB能够向同一方向从同一空间位置出射，从而实现合光的效果。

在一实施例中，第一表面311通过镀有用于反射第一颜色光LR并透射其他颜色光的膜来实现分光，第二表面313通过镀有用于反射第二颜色光LG并透射其他颜色光的膜来实现分光，第三表面331通过镀有用于反射第三颜色光LB并透射其他颜色光的膜来实现分光。其中，第三表面331可以位于第二合光镜33远离第一合光镜31的一侧(如图1所示)，可以为位于第二合光镜33靠近第一合光镜31的一侧(如图3所示)，本申请对此不做限制。

在一实施例中，第一合光镜31包括楔形透镜，也即第一表面311与第二表面313之间具有一定的夹角。从而便于调整第二颜色光LG与第三颜色光LB的角度。第二合光镜33同样可以包括楔形透镜，从而调整第三颜色光LB的角度。第一合光镜31与第二合光镜33之间具有一定的夹角，从而便于调整第三颜色光LB的反射角度。通过设置第一表面311、第二表面313以及第三表面331之间的夹角，有利于实现对第一颜色光LR、第二颜色光LG以及第三颜色光LB三种颜色光的合光，从而缩小光路的体积。

在一实施例中，匀光组件40用于对合光组件30出射的照明光L1进行匀光。具体来说，匀光组件40设置于合光组件30的出光口，包括微透镜阵列41及积分透镜43，照明光L1通过匀光组件40后，可以均匀的照射在光调制装置70上。其中，微透镜阵列41用于对照明光L1进行匀光，微透镜阵列41包括双层阵列排列的多个微透镜，每一微透镜的尺寸小于0.22mm。每一微透镜用于将对应的部分照明光L1分成一个子光源，由于微透镜阵列41上每一微透镜的尺寸较小，因此微透镜阵列41上可以容纳大量的微透镜，例如891个，从而使照明光L1被分解为891个子光源，进而实现充分匀光。微透镜阵列41可以采用包括但不限于机械模压、纳米压印等工艺将光学材料K26R注塑成型。

在一实施例中，积分透镜43用于将微透镜阵列41出射的多束子光源进行积分，从而在光调制装置70上形成光强度均匀分布的矩形光斑。积分透镜43的曲率可以减小，从而与微透镜阵列41匹配，有利于缩短积分透镜43与微透镜阵列41之间的距离，从而使光路紧凑，进而减小微型光引擎100的体积。

本实施例通过微透镜阵列41对照明光L1进行匀光，可以将照明光L1分解为多束子光源，从而在照射到光调制装置70上时的光强度均匀，从而有利于微型光引擎100应用于近眼显示装置时，降低从微型光引擎100出射的图像光L3在通过二维阵列波导片时出现的纱窗效应，相较于现有微型光引擎中的复眼透镜，能够提高显示效果。此外，由于微透镜阵列41上包括多个尺寸较小的微透镜，相较于现有技术中的匀光元件，其焦距更短，因此可以使光路紧凑，从而缩小微型光引擎100的体积。

在一实施例中，成像组件50包括分光棱镜51、第一透镜53、第二透镜55以及反射镜57。从合光组件30出射的照明光L1被分光棱镜51反射后依次经过第一透镜53和第二透镜55到达光调制装置70，从光调制装置70出射的图像光L3依次穿过第二透镜55、第一透镜53和分光棱镜51后到达反射镜57，再依次被反射镜57和分光棱镜51反射后出射。

在一实施例中，分光棱镜51包括第一棱镜511、第二棱镜513以及分光膜515，分光膜515贴合于第一棱镜511与第二棱镜513之间，用于反射第一偏振态的光并透射第二偏振态的光。其中，第一棱镜511与第二棱镜513均为直角三角棱镜，其斜边相互贴合。第一棱镜511的一条直角边对准匀光组件40，用于接收匀光后的照明光L1，另一条直角边对准光调制装置70。第二棱镜513的一条直角边对准反射镜57，另一条直角边用于出射图像光L3。

在一实施例中，分光膜515为贴合在第一棱镜511与第二棱镜513之间金属线栅，具体为一铝膜，该铝膜具有良好的反射第一偏振态的光线与透射第二偏振态的光线的特性，并且在大角度依然具有良好的分光功能，相较于现有技术中镀膜方式进行分光，具有较高的对比度，并且可以有效降低从匀光组件40出射的照明光L1直接穿透分光棱镜51出射的程度，从而解决了高串扰光线的问题。

在一实施例中，成像组件50还包括四分之一波片56，用于改变图像光L3的偏振态，使得两次穿过四分之一波片56的图像光L3从第二偏振态转换为第一偏振态。使得从光调制装置出射并穿过分光膜515的具有第二偏振态的图像光L3转换为第一偏振态，然后被分光膜515反射后出射。

在一实施例中，成像组件还包括第一偏振片521及第二偏振片523，第一偏振片521设置于分光棱镜51靠近合光组件30的一侧，用于将照明光L1转换为第一偏振态，第二偏振片523设置于分光棱镜51远离合光组件30的一侧，用于将分光棱镜51反射的图像光L3出射。具体来说，第一偏振片521用于使穿过的照明光L1只具备第一偏振态，使得其完全被分光棱镜51反射。第二偏振片523用于过滤其他偏振态的光，使得只具有第一偏振态的图像光L3可以在被分光棱镜51反射后出射，从而防止串扰光线。

在一实施例中，第一偏振片521、第二偏振片523以及四分之一波片56均贴合于分光棱镜51上，其可以为具备相应功能的光学薄膜或薄片。

在一实施例中，第一偏振态的光为S偏振光，第二偏振态的光为P偏振光，分光膜515用于反射S偏振光并透射P偏振光。从匀光组件40入射到成像组件50并出射的流程具体为：照明光L1穿过第一偏光片521后变为S偏振光，入射到分光棱镜51后被分光膜515反射，然后穿过第一透镜53及第二透镜55后到达光调制装置70，光调制装置70会将S偏振态的照明光L1转换为P偏振态的图像光L3并反射出射，P偏振态的图像光L3从光调制装置70出射后穿过第二透镜55与第一透镜53，入射到分光棱镜51后从分光膜515透射出射，从而到达反射镜57，在图像光L3到达反射镜57并被反射的过程中两次穿过四分之一波片56，从而从P偏振态变为S偏振态，使得从反射镜57反射回的图像光L3入射到分光棱镜51后被分光膜515反射，并穿过第二偏振片523后出射。

在一实施例中，第一透镜53与第二透镜55既用于对照明光L1进行匀光，也用于参与图像光L3的聚焦成像，从而缩小光路的体积。具体来说，照明光L1从分光棱镜51出射后，会经过第一透镜53与第二透镜55，从而使照明光L1均匀的照射在光调制装置70上。在被光调制装置70反射后，转换成的图像光L3会再次穿过第二透镜55与第一透镜53，此时第二透镜55与第一透镜53用于参与图像光L3的聚焦，从而使图像光L3从微型光引擎100出射后能够成像。

在一实施例中，第一透镜53与第二透镜55可以为如图1所示的两个独立且具有一定间隔的元件。在另一实施例中，请参阅图4，第一透镜53和第二透镜55也可以贴合在一起形成胶合透镜54，本申请对此不做限制。

在一实施例中，请继续参阅图1，反射镜57为一内反反射镜，其远离四分之一波片56的一侧镀有反射层，使得从靠近四分之一波片56一侧的图像光L3在反射层上被反射。在另一实施例中，请参阅图4，反射镜57本身可以不具备反射功能，反射镜57远离四分之一波片56的一侧设置有外反反射层58，用于将穿过反射镜57的图像光L3反射。具体来说，外反反射层58可以为一镀有反射层的反射镜，反射层靠近反射镜57远离四分之一波片56的一侧。通过将反射镜57设置为外反反射，可以使微型光引擎100出射的图像光L3具有更高的清晰度。

在一实施例中，成像组件50还包括镜头59，镜头59设置于第二偏振片523远离分光棱镜51的一侧，用于参与图像光L3的聚焦，以便于成像。

在一实施例中，光调制装置70包括一液晶覆硅(Liquid Crystal on Silicon，Lcos)芯片，通过将照明光L1反射调制为图像光L3，从而实现投影功能。

在一实施例中，微型光引擎100还包括调焦组件90，用于调整光调制装置70与第二透镜55之间的距离，以用于调整微型光引擎100的成像距离。具体来说，由于第二透镜55同样用于对图像光L3进行聚焦，因此通过调整光调制装置70与第二透镜55之间的距离，相当于调整了物距，可以改变成像的距离，使得微型光引擎100可以应用于微投影装置或近眼显示装置。举例来说，调焦组件90可以使光调制装置70与第二透镜55之间的距离在0-0.38mm之间移动，从而使成像距离在50mm至无穷远之间。当成像距离为无穷远时，微型光引擎100可以与阵列波导片或衍射波导片搭配使用，以用作近眼显示装置。当成像距离为50mm时，微型光引擎100可以作为微投影仪使用，根据微型光引擎100的光强，可以预先设置微型光引擎100作为微投影仪时的使用范围，如50mm-100mm、50mm-150mm等，在使用范围内，调焦组件90可以进行微调，以便于调整合适的成像距离。在超出使用范围后，调焦组件90可以直接跳转到近眼显示的模式。

本申请实施例提供的微型光引擎100，通过设置光源装置10沿同一光路发出三种颜色光，相较于现有技术，缩小了光源装置10的体积。通过设置合光组件30包括两个合光镜，可以以较小的体积将三种不同波长的颜色光沿同一光轴出射合光，相较于现有技术，缩小了合光组件30的体积。通过设置匀光组件40包括微透镜阵列，在提高光利用率的同时，可以缩短匀光的距离，从而缩短光路长度，有利于优化空间利用。通过设置成像组件50，并使分光棱镜51的四个面均被利用，拉长了照明光L1及图像光L3在成像组件50中的光路长度，提高了空间利用率。上述光源装置10、合光组件30、匀光组件40以及成像组件50之间相互配合，从整体上大幅缩小了微型光引擎100的体积，从而实现了微型光引擎100的轻量化与小型化。通过设置调焦组件90，有利于使用者根据情况选择微型光引擎100的应用环境，也即在近眼显示和微投影之间进行切换。

本申请实施例还提供一种近眼显示设备，请参阅图5，近眼显示设备200包括微型光引擎100以及波导片210。其中，波导片210设置于微型光引擎100的一侧，用于传播微型光引擎100出射的图像光L3。

具体来说，请一并参阅图5和图6，波导片210包括一入光口211，入光口211与微型光引擎100的镜头59对应，从而接收从微型光引擎100出射的图像光L3，从入光口211入射进波导片210的图像光L3，通过在波导片内进行全反射并出射到人眼，可以在人眼的前方投射出一图像，以实现近眼显示功能。

在一实施例中，波导片210可以为二维阵列波导片，也可以为衍射波导片，本申请对此不做限制，只要是能够实现近眼显示的功能，都在本申请的范围内。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本申请，而并非用作为对本申请的限定，只要在本申请的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本申请要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种微型光引擎，其特征在于，包括：

光源装置，所述光源装置用于沿同一光路发出第一颜色光、第二颜色光以及第三颜色光；

合光组件，用于接收所述光源装置发出的所述第一颜色光、所述第二颜色光以及所述第三颜色光，并用于分别将所述第一颜色光、所述第二颜色光以及所述第三颜色光沿同一光轴出射以合光为照明光；

光调制装置，用于将所述照明光调制为图像光；以及

成像组件，设置于所述合光组件与所述光调制装置的光路之间，用于将所述合光组件出射的所述照明光传输到所述光调制装置，并用于出射所述图像光。

2.如权利要求1所述的微型光引擎，其特征在于，所述合光组件包括第一合光镜和第二合光镜，所述第一合光镜包括用于反射所述第一颜色光的第一表面以及用于反射所述第二颜色光的第二表面；所述第二合光镜包括用于反射所述第三颜色光的第三表面。

3.如权利要求1所述的微型光引擎，其特征在于，所述微型光引擎还包括匀光组件，所述匀光组件用于对所述合光组件出射的所述照明光进行匀光。

4.如权利要求3所述的微型光引擎，其特征在于，所述匀光组件包括微透镜阵列，用于对所述照明光进行匀光；所述微透镜阵列包括阵列排列的多个微透镜，每一所述微透镜的尺寸小于0.22mm。

5.如权利要求1所述的微型光引擎，其特征在于，所述成像组件包括分光棱镜、第一透镜、第二透镜以及反射镜；从所述合光组件出射的所述照明光被所述分光棱镜反射后依次经过所述第一透镜和所述第二透镜到达所述光调制装置；从所述光调制装置出射的所述图像光依次穿过所述第二透镜、所述第一透镜和所述分光棱镜后到达所述反射镜，再依次被所述反射镜和所述分光棱镜反射后出射。

6.如权利要求5所述的微型光引擎，其特征在于，所述分光棱镜包括第一棱镜、第二棱镜以及分光膜；所述分光膜贴合于所述第一棱镜与所述第二棱镜之间，用于反射第一偏振态的光并透射第二偏振态的光。

7.如权利要求6所述的微型光引擎，其特征在于，所述成像组件还包括四分之一波片，所述四分之一波片设置于所述分光棱镜和所述反射镜之间，用于将两次穿过所述四分之一波片的所述图像光偏振态由所述第二偏振态转换为所述第一偏振态。

8.如权利要求6所述的微型光引擎，其特征在于，所述成像组件还包括第一偏振片及第二偏振片；所述第一偏振片设置于所述分光棱镜靠近所述合光组件的一侧，用于将所述照明光转换为所述第一偏振态；所述第二偏振片设置于所述分光棱镜远离所述合光组件的一侧，用于将所述分光棱镜反射的所述图像光出射。

9.如权利要求5所述的微型光引擎，其特征在于，所述微型光引擎还包括调焦组件，用于调整所述光调制装置与所述第二透镜之间的距离，以用于调整所述微型光引擎的成像距离。

10.一种近眼显示设备，其特征在于，包括

如权利要求1-9中任意一项所述的微型光引擎；以及

波导片，所述波导片设置于所述微型光引擎的一侧，用于传播所述微型光引擎出射的图像光。

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