一种投影光学系统及近眼显示设备

技术领域

本发明实施例涉及近眼显示领域，特别涉及一种投影光学系统及近眼显示设备。

背景技术

目前，应用在近眼显示设备中的投影光学系统根据光源的不同主要分为两大类，一类是采用能够自发光、直接出射包含图像信息的光束的显示芯片或装置，如采用有机发光半导体(OLED，Organic Light-Emitting Diode)作为显示芯片或装置，另一类则是采用需要照明光源激发以输出包含图像信息的光束的显示芯片或装置，如硅基液晶(LCOS，Liquid Crystal on Silicon)作为显示芯片或装置，后者具有成本低、性能更为可靠的优点。

在实现本发明实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：目前需要采用照明光源的投影光学系统中，照明装置中通常由一个正方体PBS棱镜和照明光路组成，而照明光路往往由多个透镜或反射镜组成，体积较大，不利于近眼显示设备这类小型设备的小型化设计。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例的目的是提供一种体积较小的投影光学系统及近眼显示设备。

本发明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，本发明实施例中提供了一种投影光学系统，包括：

照明光源，用于发射照明光线；

偏振片，其设置在所述照明光源的出光侧，用于起偏所述照明光线；

转折光路，设置在所述偏振片的出光侧，其配置为在水平方向上调整所述照明光线的传播方向；

金属线栅，其透光面朝向所述转折光路的出光侧，用于透射出射所述照明光线；

显示芯片，其朝向所述金属线栅的反光面，用于接收所述照明光线并输出包含图像信息的光束，所述包含图像信息的光束经所述金属线栅的反光面反射出射。

在一些实施例中，所述转折光路为反射镜阵列，所述反射镜阵列包括至少一个反射镜，所述反射镜阵列的入光侧用于接收所述照明光线，所述反射镜阵列的出光侧配置为能够将所述照明光线调整为能够垂直入射到所述显示芯片上的照明光线。

在一些实施例中，所述反射镜阵列包括：

第一反射镜，用于接收所述照明光线并进行第一次反射；

第二反射镜，用于接收经过所述第一次反射的所述照明光线并进行第二次反射；

第三反射镜，用于接收经过所述第二次反射的所述照明光线并进行第三次反射，经过所述第三次反射的所述照明光线能够垂直入射到所述显示芯片上。

在一些实施例中，所述转折光路至少包括一转折棱镜，所述转折棱镜的出光面配置为在所述照明光线以大于预设临界角的角度入射时反射回所述转折棱镜再次反射以调整所述照明光线的方向，在所述照明光线以小于预设临界角的角度入射时透射出射且透射出射的所述照明光线能够垂直入射到所述显示芯片上。

在一些实施例中，所述转折棱镜包括：

入光面，其为一透光面，用于接收所述照明光线；

反射面，其与所述入光面相交，用于接收所述照明光线并进行反射；

出光面，其为一透光面，且分别与所述入光面和所述反射面相交，用于透射出射经过所述反射面反射后的所述照明光线，且经过所述出光面透射出射的所述照明光线能够垂直入射到所述显示芯片上。

在一些实施例中，所述偏振片的偏振方向与所述金属线栅的吸收轴垂直。

在一些实施例中，所述投影光学系统还包括：

波导片，其设置在所述金属线栅的反光面的一侧，用于接收并传输所述包含图像信息的光束。

在一些实施例中，所述金属线栅与所述显示芯片的入光面呈45度夹角设置。

在一些实施例中，所述投影光学系统还包括：

控制器，其分别与所述显示芯片和所述照明光源连接，用于调整所述显示芯片的显示图像，以及根据所述显示图像控制所述照明光源调整所述照明光线的光强及光强分布。

为解决上述技术问题，第二方面，本发明实施例中提供了一种近眼显示设备，包括：如上述第一方面所述的投影光学系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例中提供了一种投影光学系统，能够应用在近眼显示设备上，该系统包括照明光源、依次设置在照明光源出光侧的偏振片和转折光路、金属线栅和显示芯片，金属线栅的透光面朝向转折光路的出光侧，反光面则朝向显示芯片，照明光源出射的照明光线经过偏振片、转折光路、金属线栅后照射到显示芯片，激发显示芯片输出包含图像信息的光束，所述包含图像信息的光束经所述金属线栅的反光面反射出射，本发明实施例提供的投影光学系统采用能够在水平方向上调整照明光线的传播方向的转折光路，能够大大缩小光学系统在竖直方向上的尺寸，应用在近眼显示设备上时，能够充分利用空间结构、体积较小、重量较轻，适用于AR近眼显示领域。

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/模块表示为类似的元件/模块，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明实施例一提供的一种投影光学系统的结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的一种投影光学系统的结构示意图；

图3是本发明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发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

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，本发明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，本发明以光束/光线的出光方向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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明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，不是用于限制本发明。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，下面所描述的本发明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。

传统的照明装置由于没有设置转折光路，照明光源需要在竖直方向上从上到下经过厚重的透镜/透镜组后，直接入射到显示源上，体积较大、不符合近眼显示设备重视人体工学设计的需求；且市面上也有一些案例为了使得体积较小省去了透镜，直接使用少量的扩散片进行照明光路的调整的方式，这类方案通常光能利用率不高，整形效果不好，照明不均匀。为了解决目前投影光学系统中如上述的无法兼顾投影光学系统的体积和照明光线的问题，本发明实施例中提供了一种投影光学系统，能够应用在近眼显示设备上，该系统包括照明光源、依次设置在照明光源出光侧的偏振片和转折光路、金属线栅和显示芯片，金属线栅的透光面朝向转折光路的出光侧，反光面则朝向显示芯片，照明光源出射的照明光线经过偏振片、转折光路、金属线栅后照射到显示芯片，激发显示芯片输出包含图像信息的光束，所述包含图像信息的光束经所述金属线栅的反光面反射出射，本发明实施例提供的投影光学系统充分利用了空间结构、体积较小、重量较轻，照明效果好，能量利用率高，适用于AR近眼显示领域。

具体地，下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。

实施例一

本发明实施例提供了一种投影光学系统，请参见图1，其示出了本发明实施例提供的一种投影光学系统的结构，所述投影光学系统100包括：照明光源110、偏振片120、转折光路130、金属线栅140、显示芯片150、波导片160。其中，

所述照明光源110，用于发射照明光线；优选地，所述照明光源110为白光/自然光光源、三基色光源或者激光光源，在本发明实施例中，所述照明光源110为发光二极管(LED，Light Emitting Diode)，在其他的一些实施例中，所述照明光源110也可以其他照明光源如灯光/荧光灯等，具体地，根据实际需要进行选择，不需要拘泥于本发明实施例的限定。

所述偏振片120，其设置在所述照明光源110的出光侧，用于起偏所述照明光线，将所述照明光线转换为P偏振光；所述偏振片120的偏振方向需与所述金属线栅140的吸收轴垂直。

所述转折光路130，设置在所述偏振片120的出光侧，其配置为在水平方向上调整所述照明光线的传播方向；在本发明实施例中，所述转折光路130在调整所述照明光线的传播方向时，能够在水平方向上对照明光线进行至少一次的转折，从而调整照明光线的传播方向，相比于现有在竖直方向上对照明光线的传播方向进行调整的方案，本发明实施例提供的方案更符合人体工学设计，且能够大大缩小采用能够在竖直方向上体积。其中，所述水平方向和所述竖直方向分别指的用户佩戴近眼显示设备时，设备放置于水平面或地面时相对于水平面或地面的方向，平行与水平面或地面的方向为水平方向，垂直于水平面或地面的方向为竖直方向。

优选地，所述转折光路130为反射镜阵列，所述反射镜阵列包括至少一个反射镜，所述反射镜阵列的入光侧用于接收所述照明光线，所述反射镜阵列的出光侧配置为能够将所述照明光线调整为能够垂直入射到所述显示芯片150上的照明光线。本发明实施例采用以反射为原理制成的反射镜阵列作为转折光路130，相比于采用衍射、散射等方式的光学器件，照明光线在光路中的能量损耗更少，从所述转折光路130输出的照明光线的照明效果更好，能量利用率更高。

具体地，请继续参见图1，所述反射镜阵列包括：第一反射镜131，用于接收所述照明光线并进行第一次反射；第二反射镜132，用于接收经过所述第一次反射的所述照明光线并进行第二次反射；第三反射镜133，用于接收经过所述第二次反射的所述照明光线并进行第三次反射，经过所述第三次反射的所述照明光线能够垂直入射到所述显示芯片150上。在本发明实施例中，所述第一反射镜131、所述第二反射镜132和所述第三反射镜133皆为曲面镜，且所述第一反射镜131和所述第三反射镜133的凹面，以及所述第二反射镜132的凸面为用于反射所述照明光线的反射面。在其他的一些实施例中，所述反射镜阵列以及所述反射镜阵列所包含的反射镜的数量、形状、大小、位置等可根据实际需要进行设置，只需满足最后出射的照明光线能够尽量垂直入射到所述显示芯片150中即可，不需要拘泥于本发明实施例中的限定。

所述金属线栅140，其透光面朝向所述转折光路130的出光侧，用于透射出射所述照明光线；所述金属线栅140能够透射P偏振光，反射S偏振光。优选地，所述金属线栅140与所述显示芯片150的入光面呈45度夹角设置。

所述显示芯片150，其朝向所述金属线栅140的反光面，用于接收所述照明光线并输出包含图像信息的光束，所述包含图像信息的光束经所述金属线栅140的反光面反射出射。所述显示芯片150为硅基液晶显示芯片、数字光处理显示芯片、微机电系统显示芯片中的一种。所述显示芯片150所输出的包含图像信息的光束为S偏振光。

所述波导片160，其设置在所述金属线栅140的反光面的一侧，用于接收并传输所述包含图像信息的光束。优选地，所述波导片160上设置有耦入区域和耦出区域，所述耦入区域朝向所述金属光栅140的反光面设置，所述金属线栅140可以与所述波导片160的耦入区域呈45度夹角设置，所述耦出区域设置在近眼显示设备上需要出射图像的位置，比如对准人眼瞳孔的位置处。从所述金属线栅140的反光面反射出射的所述包含图像信息的光束从所述耦入区域入射至所述波导片160中，传输到耦出区域后耦出所述包含图像信息的光束。

进一步地，所述投影光学系统还可以包括：控制器(图未示)，其分别与所述显示芯片150和所述照明光源110连接，用于调整所述显示芯片150的显示图像，以及根据所述显示图像控制所述照明光源110调整所述照明光线的光强及光强分布，以提高投影画面的清晰度。

在本发明实施例中，所述照明光源110出射的照明光线经过所述偏振片120起偏后变为P偏振光，因此，经所述所偏振片120起偏后的照明光线经过所述转折光路130调整出光方向后，能够从所述金属线栅140透射出射，透射出射的所述照明光线到达所述显示芯片150激发所述显示芯片150产生并输出包含图像信息的光束，此时所述包含图像信息的光束为S偏振光，因此，所述包含图像信息的光束能够经过所述金属线栅140反射出射，进一步地，进入所述波导片160中传输。

本发明实施例采用利用反射的中空反射光路作为转折光路，将照明光路由传统的竖直方向上的布置(多个透镜和/或反射镜的组成)转折到水平方向上，缩小照明光路在竖直方向上的高度，应用于近眼显示设备的设计中时更加合理，更加符合人体工学，眼镜设计，同时，采用偏振片和金属线栅替换传统的偏振分光棱镜PBS实现起偏和分光，进一步缩小了整个投影光学系统的体积，充分利用了空间结构，减少了投影光学系统的体积，且重量较轻，适用于AR近眼显示领域。

实施例二

本发明实施例提供了一种投影光学系统，请参见图2，其示出了本发明实施例提供的一种投影光学系统的结构，所述投影光学系统100包括：照明光源110、偏振片120、转折光路130、金属线栅140、显示芯片150、波导片160。其中，

所述照明光源110，用于发射照明光线；优选地，所述照明光源110为白光/自然光光源、三基色光源或者激光光源，在本发明实施例中，所述照明光源110为发光二极管(LED，Light Emitting Diode)，在其他的一些实施例中，所述照明光源110也可以其他照明光源如灯光/荧光灯等，具体地，根据实际需要进行选择，不需要拘泥于本发明实施例的限定。

所述偏振片120，其设置在所述照明光源110的出光侧，用于起偏所述照明光线，将所述照明光线转换为P偏振光；所述偏振片120的偏振方向需与所述金属线栅140的吸收轴垂直。

所述转折光路130，设置在所述偏振片120的出光侧，其配置为在水平方向上调整所述照明光线的传播方向；在本发明实施例中，所述转折光路130在调整所述照明光线的传播方向时，能够在水平方向上对照明光线进行至少一次的转折，从而调整照明光线的传播方向，相比于现有在竖直方向上对照明光线的传播方向进行调整的方案，本发明实施例提供的方案更符合人体工学设计，且能够大大缩小采用能够在竖直方向上体积。其中，所述水平方向和所述竖直方向分别指的用户佩戴近眼显示设备时，设备放置于水平面或地面时相对于水平面或地面的方向，平行与水平面或地面的方向为水平方向，垂直于水平面或地面的方向为竖直方向。

优选地，所述转折光路130至少包括一转折棱镜，所述转折棱镜的出光面配置为在所述照明光线以大于预设临界角的角度入射时反射回所述转折棱镜再次反射以调整所述照明光线的方向，在所述照明光线以小于预设临界角的角度入射时透射出射且透射出射的所述照明光线能够垂直入射到所述显示芯片150上。本发明实施例采用以反射和透射为原理制成的转折棱镜作为转折光路130，相比于采用衍射、散射等方式的光学器件，照明光线在光路中的能量损耗更少，从所述转折光路130输出的照明光线的照明效果更好，能量利用率更高。

具体地，请继续参见图2，所述转折棱镜包括：入光面134，其为一透光面，用于接收所述照明光线；反射面135，其与所述入光面相交，用于接收所述照明光线并进行反射；出光面136，其为一透光面，且分别与所述入光面134和所述反射面135相交，用于透射出射经过所述反射面反射后的所述照明光线，且经过所述出光面透射出射的所述照明光线能够垂直入射到所述显示芯片上。需要说明的是，所述出光面136利用的是全反射原理来实现照明光线在所述转折棱镜中的全反射和透射出射，当大于全反射的临界角(即上述预设临界角)时能够在转折棱镜中实现全反射，小于时实现透射出射，具体地，所述预设临界角的设置可根据所述转折棱镜的材料，即其折射率来确定。在本发明实施例中，所述入光面134、所述反射面135和所述出光面136皆为曲面，且所述入光面134的凹面、所述反射面135的凹面和所述出光面136的凸面朝向所述转折棱镜的内部。在其他的一些实施例中，所述转折棱镜的数量、形状、大小、位置等可根据实际需要进行设置，只需满足最后出射的照明光线能够尽量垂直入射到所述显示芯片150中即可，不需要拘泥于本发明实施例中的限定。

所述金属线栅140，其透光面朝向所述转折光路130的出光侧，用于透射出射所述照明光线；所述金属线栅140能够透射P偏振光，反射S偏振光。优选地，所述金属线栅140与所述显示芯片150的入光面呈45度夹角设置。

所述显示芯片150，其朝向所述金属线栅140的反光面，用于接收所述照明光线并输出包含图像信息的光束，所述包含图像信息的光束经所述金属线栅140的反光面反射出射。所述显示芯片150为硅基液晶显示芯片、数字光处理显示芯片、微机电系统显示芯片中的一种。所述显示芯片150所输出的包含图像信息的光束为S偏振光。

所述波导片160，其设置在所述金属线栅140的反光面的一侧，用于接收并传输所述包含图像信息的光束。优选地，所述波导片160上设置有耦入区域和耦出区域，所述耦入区域朝向所述金属光栅140的反光面设置，所述金属线栅140可以与所述波导片160的耦入区域呈45度夹角设置，所述耦出区域设置在近眼显示设备上需要出射图像的位置，比如对准人眼瞳孔的位置处。从所述金属线栅140的反光面反射出射的所述包含图像信息的光束从所述耦入区域入射至所述波导片160中，传输到耦出区域后耦出所述包含图像信息的光束。

进一步地，所述投影光学系统还可以包括：控制器(图未示)，其分别与所述显示芯片150和所述照明光源110连接，用于调整所述显示芯片150的显示图像，以及根据所述显示图像控制所述照明光源110调整所述照明光线的光强及光强分布，以提高投影画面的清晰度。

在本发明实施例中，所述照明光源110出射的照明光线经过所述偏振片120起偏后变为P偏振光，因此，经所述所偏振片120起偏后的照明光线经过所述转折光路130调整出光方向后，能够从所述金属线栅140透射出射，透射出射的所述照明光线到达所述显示芯片150激发所述显示芯片150产生并输出包含图像信息的光束，此时所述包含图像信息的光束为S偏振光，因此，所述包含图像信息的光束能够经过所述金属线栅140反射出射，进一步地，进入所述波导片160中传输。

本发明实施例采用利用透射的实体棱镜作为转折光路，将照明光路由传统的竖直方向上的布置(多个透镜和/或反射镜的组成)转折到水平方向上，缩小照明光路在竖直方向上的高度，应用于近眼显示设备的设计中时更加合理，更加符合人体工学，眼镜设计，同时，采用偏振片和金属线栅替换传统的偏振分光棱镜PBS实现起偏和分光，进一步缩小了整个投影光学系统的体积，充分利用了空间结构，减少了投影光学系统的体积，且重量较轻，适用于AR近眼显示领域。

实施例三

本发明实施例提供了一种近眼显示设备，请参见图3，其示出了本发明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包括如上述实施例一和/或实施例二所述的投影光学系统100。

优选地，所述投影光学系统100设置在所述近眼显示设备10的眼镜框上，在图3所示实施例中，其设置在所述近眼显示设备10的眼镜框的镜架上，在其他的一些实施例中，也可是设置在所述近眼显示设备10的其他位置如镜腿上，在实际应用场景中，所述近眼显示设备10的形状可根据实际需要进行设计，不需要拘泥于本发明实施例及附图的限定。

需要说明的是，所述投影光学系统100为如上述实施例一和/或实施例二中所述的投影光学系统100，因此，所述投影光学系统100的具体结构、连接方式、设置位置等请参见上述实施例一及实施例二所述，此处不再详述

本发明实施例中提供了一种投影光学系统，能够应用在近眼显示设备上，该系统包括照明光源、依次设置在照明光源出光侧的偏振片和转折光路、金属线栅和显示芯片，金属线栅的透光面朝向转折光路的出光侧，反光面则朝向显示芯片，照明光源出射的照明光线经过偏振片、转折光路、金属线栅后照射到显示芯片，激发显示芯片输出包含图像信息的光束，所述包含图像信息的光束经所述金属线栅的反光面反射出射，本发明实施例提供的投影光学系统采用能够在水平方向上调整照明光线的传播方向的转折光路，能够大大缩小光学系统在竖直方向上的尺寸，应用在近眼显示设备上时，能够充分利用空间结构、且体积较小、重量较轻，更符合人体工学设计，适用于AR近眼显示领域。

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发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，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发明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发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的范围。