一种微型投影显示装置及AR显示系统

技术领域

本发明涉及微型投影仪技术领域，具体涉及一种微型投影显示装置及AR显示系统。

背景技术

随着半导体技术的发展，便携式电子产品日益增多，人们对微型投影仪的需求越来越大。目前，LCOS微型投影仪通常包括：投影照明系统、PBS偏振分光棱镜、LCOS成像芯片和投影镜头，通常投影照明系统和PBS偏振分光棱镜位于第一方向，LCOS成像芯片、PBS偏振分光棱镜和投影镜头位于第二方向，并且第一方向和第二方向垂直，此时，投影照明系统和投影镜头垂直设置，由于投影照明系统的体积和投影镜头的体积均较大，当投影照明系统和投影镜头垂直设置时，投影照明系统和投影镜头之间存在空间空余，造成大量空间浪费，同时，导致投影仪体积较大，难以做到微型，不便于携带，更不便于切入到AR显示系统。

其次，如何提高LCOS微投显示系统的对比度，以及降低LCOS微投显示系统的成本也已成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的当投影照明系统和投影镜头垂直设置时，投影照明系统和投影镜头之间存在空间空余，造成大量空间浪费，导致投影仪体积较大，难以做到微型，不便于携带，更不便于切入到AR显示系统的技术问题，本发明提供一种微型投影显示装置及AR显示系统。

本发明提供的技术方案是：

一种微型投影显示装置，应用于增强现实领域中，包括：投影光源模组、PBS棱镜、投影镜头模组以及成像芯片；

所述投影光源模组用于出射第一偏振光；

所述PBS棱镜用于将所述投影光源模组出射的所述第一偏振光反射至所述成像芯片；

所述成像芯片用于将经所述PBS棱镜反射的所述第一偏振光调制成第二偏振光，所述PBS棱镜还用于经所述成像芯片调制后的所述第二偏振光入射至所述投影镜头模组；

所述投影镜头模组包括：偏振光转换器件、反射型第二聚光镜和成像透镜组；所述偏振光转换器件用于将经所述成像芯片调制的所述第二偏振光调制成中间态，所述偏转光转换器件还用于将经所述反射型第二聚光镜反射的所述中间态调制成所述第一偏振光，并将调制后的所述第一偏振光入射至所述PBS棱镜；

所述PBS棱镜还用于将所述偏振光转换器件调制的所述第一偏振光反射至所述成像透镜组，所述成像透镜组用于将所述偏振光转换器件调制的所述第一偏振光入射至光波导；

其中，所述投影镜头模组设置于所述PBS棱镜四周。

进一步的，所述投影光源模组包括：投影光源、准直透镜模组以及偏振片；

所述投影光源用于产生光源，所述光源为LED光源或激光光源；

所述准直透镜模组用于将经过所述投影光源出射的所述LED光源或激光光源准直；

所述偏振片用于将所述准直透镜模组准直的所述LED光源或激光光源偏制成所述第一偏振光。

进一步的，所述准直透镜组可替换为反光碗反射镜。

进一步的，所述PBS棱镜包括：第一直角棱镜、第二直角棱镜以及第一偏振光吸收型偏振片；

所述第一直角棱镜和第二直角棱镜的斜面镀有透射所述第二偏振光和反射所述第一偏振光的偏振膜，所述第一偏振光吸收型偏振片设置于所述第一直角棱镜和第二直角棱镜之间，用于吸收透过所述PBS棱镜的所述第一偏振光。

进一步的，所述投影镜头模组还包括：第一聚光镜；

所述第一聚光镜放设置于所述PBS棱镜与所述成像芯片之间，并紧贴所述PBS棱镜；

所述第一聚光镜用于聚焦所述投影光源模组出射的所述第一偏振光。

进一步的，所述反射性材料为高反膜。

进一步的，所述成像芯片为带有滤色器的LCOS芯片。

进一步的，所述微型投影显示装置还包括：1/4波片以及检偏器；

所述1/4波片用于滤除所述PBS棱镜反射的所述第一偏振光中的杂散光；

所述检偏器用于检测经所述1/4波片滤除杂散光的所述第一偏振光；

所述检偏器以及1/4波片依次设置于所述第一聚光镜与所述PBS棱镜之间，并紧贴所述PBS棱镜和所述第一聚光镜。

进一步的，所述第一偏振光为S偏振光，所述第二偏振光为P偏振光。

本发明还提供一种AR显示系统，包括上述中任一项所述的微型投影显示装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供一种微型投影显示装置，应用于增强现实领域中，包括：投影光源模组、PBS棱镜、投影镜头模组和成像芯片，投影光源模组用于出射第一偏振光，PBS棱镜用于将投影光源模组出射的第一偏振光反射至成像芯片，成像芯片用于将经PBS棱镜反射的第一偏振光调制成第二偏振光，PBS棱镜还用于经成像芯片调制后的第二偏振光入射至投影镜头模组，投影镜头模组包括：偏振光转换器件、反射型第二聚光镜和成像透镜组，偏振光转换器件用于将经成像芯片调制的第二偏振光调制成中间态，偏转光转换器件还用于将经反射型第二聚光镜反射的中间态调制成第一偏振光，并将调制后的第一偏振光入射至PBS棱镜，PBS棱镜还用于将偏振光转换器件调制的第一偏振光反射至成像透镜组，成像透镜组用于将偏振光转换器件调制的第一偏振光入射至光波导；其中，投影镜头模组设置于PBS棱镜四周。本发明提供的微型投影显示装置，有效解决或者在一定程度上改善了投影镜头的空间浪费，从而使微投显示系统的空间体积更加扁平化，方便后续的小型化设计，更有利于后端AR眼镜一体化设计。

2、本发明提供一种微型投影显示装置，通过在PBS棱镜之间内置一个第一偏振光吸收型偏振片，有效吸收无效的第一偏振光对系统杂光的影响，从而提高微型投影显示装置的对比度。

3、本发明提供一种微型投影显示装置，通过采用反光碗反射镜对照明光源进行准直聚焦光收集的手段，有效取代采用两个非球面准直透镜的技术方案，降低了微型投影显示装置的制作成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明实施例一的微型投影显示装置示意图；

图2为本发明实施例二的微型投影显示装置示意图；

图3为本发明实施例三的微型投影显示装置示意图；

图4为本发明实施例四的微型投影显示装置示意图；

图5为传统投影仪投影镜头的排布方式示意图；

其中：100-LED光源；101-准直透镜一；102-准直透镜二；103-偏振片；104-PBS棱镜；104-1：第一直角棱镜；104-2：第二直角棱镜；104-3：第一偏振光吸收型偏振片；105-1/4波片；106-检偏器；107-第一聚光镜；108-LCOS芯片；109-偏振光转换器件；110-反射型第二聚光镜；111-成像透镜组；112-孔径光阑；113-衍射光波导；114-人眼；

300-1：红光LED光源；300-2：绿光LED光源；300-3：蓝光LED光源；301-准直透镜一；302-准直透镜二；303-3：全反射镜；303-2：透蓝反红绿二向色镜；303-1：透蓝绿反红二向色镜；304-复眼透镜；305-第一聚光镜；306-偏振片；307-PBS棱镜；307-1：第一直角棱镜；307-2：第二直角棱镜；307-3：第一偏振光吸收型偏振片；308-1/4波片；309-检偏器；310-第二聚光镜；311-LCOS芯片；312-偏振光转换器件；313-反射型透镜；314-成像透镜组；315-孔径光阑；316-衍射光波导；317-人眼；

400-1：红光LED光源；400-2：绿光LED光源；400-3：蓝光LED光源；401-准直透镜一；402-准直透镜二；403-2：反蓝透红绿二向色镜；403-1：反红透蓝绿二向色镜；404-复眼透镜；405-第一聚光镜；406-偏振片；407-PBS棱镜；407-1：第一直角棱镜；407-2：第二直角棱镜；407-3：第一偏振光吸收型偏振片；408-1/4波片；409-检偏器；410-第二聚光镜；411-LCOS芯片；412-偏振光转换器件；413-反射型透镜；414-成像透镜组；415-孔径光阑；416-衍射光波导；417-人眼；

200-LED光源；201-反光碗反射镜；202-第一聚光镜；203-偏振片；204-PBS棱镜；204-1：第一直角棱镜；204-2：第二直角棱镜；204-3：第一偏振光吸收型偏振片；205-1/4波片；206-检偏器；207-第二聚光镜；208-LCOS芯片；209-偏振光转换器件；210-反射型透镜；211-成像透镜组；212-孔径光阑；213-衍射光波导；214-人眼。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。

实施例一

现阶段，随着半导体技术的发展，便携式电子产品日益增多，人们对微型投影仪的需求越来越大。目前，LCOS微型投影仪通常包括：投影照明系统、PBS偏振分光棱镜、LCOS成像芯片和投影镜头，由于投影照明系统的体积和投影镜头的体积均较大，当投影照明系统和投影镜头垂直设置时，投影照明系统和投影镜头之间存在空间空余，造成大量空间浪费，同时，导致投影仪体积较大，难以做到微型，不便于携带，更不便于切入到AR显示系统。

为解决上述问题，本发明通过将投影镜头模组围绕PBS棱镜进行空间折叠，即将投影镜头模组设置于PBS棱镜四周的手段，大大缩减了投影镜头的空间浪费，从而使微投显示系统的空间体积更加扁平化，方便后续的小型化设计，更有利于后端AR眼镜一体化设计。

本发明提供一种微型投影显示装置，图1为本发明实施例一的微型投影显示装置示意图；图2为本发明实施例二的微型投影显示装置示意图；图3为本发明实施例三的微型投影显示装置示意图；图4为本发明实施例四的微型投影显示装置示意图；图5为传统投影仪投影镜头的排布方式示意图。

如图1所示，本发明提供一种微型投影显示装置，应用于增强现实领域中，包括：投影光源模组、PBS棱镜104、投影镜头模组以及成像芯片；

投影光源模组用于出射第一偏振光；

PBS棱镜104用于将投影光源模组出射的第一偏振光反射至

成像芯片；

成像芯片用于将经PBS棱镜104反射的第一偏振光调制成第二偏振光，PBS棱镜104还用于经成像芯片调制后的第二偏振光入射至投影镜头模组；

投影镜头模组包括：偏振光转换器件109、反射型第二聚光镜110和成像透镜组111；偏振光转换器件109用于将经成像芯片调制的第二偏振光调制成中间态，偏转光转换器件109还用于将经反射型第二聚光镜110反射的中间态调制成第一偏振光，并将调制后的第一偏振光入射至PBS棱镜104；

PBS棱镜104还用于将偏振光转换器件109调制的第一偏振光反射至成像透镜组111，成像透镜组111用于将偏振光转换器件109调制的第一偏振光入射至光波导；

其中，所述投影镜头模组设置于所述PBS棱镜104四周。采用将投影镜头模组设置于所述PBS棱镜104四周的手段，有效解决或者在一定程度上改善了投影镜头的空间浪费，从而使微投显示系统的空间体积更加扁平化，方便后续的小型化设计，更有利于后端AR眼镜一体化设计。

进一步的，所述投影光源模组包括：投影光源、准直透镜组以及偏振片103；

投影光源用于产生光源，产生的光源为LED光源100或激光光源；

准直透镜组用于将经过投影光源出射的LED光源100或激光光源准直；

偏振片103用于将准直透镜组准直的LED光源100或激光光源偏制成第一偏振光。其中，所述准直透镜组可替换为反光碗反射镜201。

进一步的，投影光源可产生自然光，其特点是功率低，发出的光中不含红外线和紫外线，使用寿命长，节能环保，并且光源衰减慢。本发明以投影光源为LED光源100以及RGB多芯片集成的LED光源100进行不同实施例的描述。

进一步的，PBS棱镜104包括：第一直角棱镜104-1、第二直角棱镜104-2和第一偏振光吸收型偏振片104-3；

第一直角棱镜104-1和第二直角棱镜104-2的斜面镀有透射第二偏振光和反射第一偏振光的偏振膜，第一偏振光吸收型偏振片104-3设置于第一直角棱镜104-1和第二直角棱镜104-2之间，用于吸收透过PBS棱镜104的所述第一偏振光。

由于技术及工艺影响，PBS棱镜104的偏振膜的极化效率只能达到有限值，因此，经偏振片103起偏获得的第一偏振光经PBS棱镜104后有一定部分第一偏振光会透过PBS棱镜104进入投影镜头模组，从而出现漏光现象(杂散光)，导致微型投影显示装置对比度降低，而本专利通过在PBS棱镜104之间加入第一偏振光吸收型偏振片104-3，能够有效的吸收透过PBS棱镜104的第一偏振光，从而大大的提高了微型投影显示装置的对比度；同时，经偏振光转换器109转换的第一偏振光也有一定的概率透过第二直角棱镜104-2，并经多次反射入射至投影镜头模组，从而造成重影杂光，而本专利通过在PBS棱镜104之间加入第一偏振光吸收型偏振片104-3，能够有效吸收该杂光，从而有效降低微型投影显示装置的杂光，进而提高微型投影显示装置的对比度。

进一步的，投影镜头模组包括：第一聚光镜107；

第一聚光镜107放设置于PBS棱镜104与成像芯片之间，并紧贴PBS棱镜104；

第一聚光镜107用于聚焦投影光源模组出射的所述第一偏振光。

其中，反射性材料为高反膜，成像芯片包括带有滤色器的LCOS芯片108或者普通的LCOS芯片108。

进一步的，微型投影显示装置还包括：1/4波片105以及检偏器106；

1/4波片105用于滤除PBS棱镜104反射的第一偏振光中的杂散光；检偏器106用于检测经1/4波片105滤除杂散光的第一偏振光；检偏器106以及1/4波片105依次设置于第一聚光镜107与PBS棱镜104之间，并紧贴PBS棱镜104和第一聚光镜107。

进一步的，微型投影显示装置还包括：孔径光阑112；孔径光阑112用于拦截经偏振光转换器件109起偏的第一偏振光，再经PBS棱镜104反射入射至衍射光波导113光源中的无效光或杂光。

进一步的，所述第一偏振光可以为S偏振光，也可以为P偏振光，相应的，第一偏振光为S偏振光时，第二偏振光为P偏振光；第一偏振光为P偏振光时，第二偏振光为S偏振光，另外，根据涂覆不同工艺，PBS棱镜104的分光面可呈现不同透射、反射功能，例如，PBS棱镜104可透射P偏振光并反射S偏振光，或透射S偏振光并反射P偏振光，本发明采用能够透射P偏振光并反射S偏振光的PBS棱镜104。

本发明实施例一的工作原理为：当投影光源为LED光源100时，LED光源100经准直透镜一101和准直透镜二102准直，经偏振片103起偏获得S偏振光，随后依次经过PBS棱镜104，PBS棱镜104包括：第一直角棱镜、第二直角棱镜以及第一偏振光吸收型偏振片，在第一直角棱镜和第二直角棱镜的斜面镀有透射所述P偏振光和反射S偏振光的偏振膜，1/4波片105，检偏器106，第一聚光镜107入射至LCOS芯片108上，S偏振光经LCOS芯片108调制后变成P偏振光并反射依次通过第一聚光镜107，检偏器106，1/4波片105，PBS棱镜104，PBS棱镜104透射P偏振光反射S偏振光，偏振光转换器件109，反射型第二聚光镜110，反射型第二聚光镜110远离PBS棱镜104一面镀有高反膜，LED光源100经过反射型第二聚光镜110反射，再次经过偏振光转换器件109时，将P偏振光转换为S偏振光，随后经PBS棱镜104，成像透镜组111入射至衍射光波导113上，并不限于衍射光波导113，也可为阵列光波导、几何光波导中的一种，优选使用衍射光波导113，LED光源100在衍射光波导113里面传输最后从衍射光波导113另一侧入射至人眼114。

实施例二

如图2所示，本发明实施例二的工作原理为：当投影光源为RGB多芯片集成的LED光源，即投影光源包括：红光LED光源300-1、绿光LED光源300-2和蓝光LED光源300-3，当红光、绿光和蓝光LED光源经过准直透镜一301和准直透镜二302进行准直，在分别经过透蓝绿反红二向色镜303-1、透蓝反红绿二向色镜303-2和全反射镜303-3形成一束入射光，再经复眼透镜304和第一聚光镜305进行聚光；过偏振片306起偏获得S偏振光，随后依次经过PBS棱镜307(透射P偏振光反射S偏振光)，1/4波片308，检偏器309，第二聚光镜310入射至LCOS芯片311上，S偏振光经LCOS芯片311作用后变成P偏振光并反射依次通过第二聚光镜310，检偏器309，1/4波片308，PBS棱镜307(透射P偏振光反射S偏振光)，偏振光转换器件312，反射型透镜313，反射型透镜313远离PBS棱镜307一面镀有高反膜，照明光束经反射型透镜313反射，再次经过偏振光转换器312时，将P偏振光转换为S偏振光，随后经PBS棱镜307，成像透镜组314入射至衍射光波导316上，并不限于衍射光波导316，也可为阵列光波导、几何光波导中的一种，优选使用衍射光波导316，光束在衍射光波导316里面传输最后从衍射光波导316另一侧入射至人眼317。

实施例三

与实施例二类似，如图3所示，本发明实施例三的工作原理为：当投影光源为RGB多芯片集成的LED光源，即投影光源包括：红光LED光源400-1、绿光LED光源400-2和蓝光LED光源400-3，当红光、绿光和蓝光LED光源经准直透镜一401和准直透镜二402进行准直，在分别经过反红透蓝绿二向色镜403-1和反蓝透红绿二向色镜403-2形成一束入射光，再经复眼透镜404和第一聚光镜405进行聚光；过偏振片406起偏获得S偏振光，随后依次经过PBS棱镜407(透射P偏振光反射S偏振光)，1/4波片408，检偏器409，第二聚光镜410入射至LCOS芯片411上，S偏振光经LCOS芯片411作用后变成P偏振光并反射依次通过第二聚光镜410，检偏器409，1/4波片408，PBS棱镜407(透射P偏振光反射S偏振光)，偏振光转换器件412，反射型透镜413，反射型透镜413远离PBS棱镜407一面镀有高反膜，照明光束经反射型透镜413反射，再次经过偏振光转换器412时，将P偏振光转换为S偏振光，随后经PBS棱镜407，成像透镜组414入射至衍射光波导416上，并不限于衍射光波导416，也可为阵列光波导、几何光波导中的一种，优选使用衍射光波导416，光束在衍射光波导416里面传输最后从衍射光波导416另一侧入射至人眼417。

实施例四

与实施例一类似，如图4所示，本发明实施例四的工作原理为：当投影光源为LED光源200时，LED光源200经反光碗反射镜201对大角度光进行预处理并进行准直，在经过第一聚光镜202对LED光源200进行聚光，再经偏振片203起偏获得S偏振光，随后依次经过PBS棱镜204(透射P偏振光反射S偏振光)，1/4波片205，检偏器206，第二聚光镜207入射至LCOS芯片208上，S偏振光经LCOS芯片208作用后变成P偏振光并反射依次通过第二聚光镜207，检偏器206，1/4波片205，PBS棱镜204(透射P偏振光反射S偏振光)，偏振光转换器件209，反射型透镜210，反射型透镜210远离PBS棱镜204一面镀有高反膜，LED光源200经反射型透镜210反射，再次经过偏振光转换器209时将P偏振光转换为S偏振光，随后经PBS棱镜204，成像透镜组211入射至衍射光波导213上，并不限于衍射光波导213，也可为阵列光波导、几何光波导中的一种，优选使用衍射光波导213，LED光源200在衍射光波导213里面传输最后从衍射光波导213另一侧入射至人眼214。

另一方面，本发明还提供一种AR显示系统，包括上述实施例中所述的微型投影显示装置。

上述各个实施例仅是对微型投影装置的介绍。可以理解的是，本发明所述技术方案不仅仅用于微型投影显示装置，还可应用于各类光学系统以缩减空间浪费，同时使光学系统本身的空间体积更加扁平化，方便后续的小型化设计，例如可应用于光固化打印机中。

以上，本发明的有益效果至少包括：通过将投影镜头模组设置于所述PBS棱镜四周。本发明提供的微型投影显示装置，有效解决或者在一定程度上改善了投影镜头的空间浪费，从而使微投显示系统的空间体积更加扁平化，方便后续的小型化设计，更有利于后端AR眼镜一体化设计，其中，通过在PBS棱镜之间内置一个S偏振光吸收型偏振片，有效吸收无效的S偏振光对系统杂光的影响，从而提高微型投影显示装置的对比度，并且通过采用反光碗反射镜对照明光源进行准直聚焦光收集的手段，有效取代采用两个非球面准直透镜的技术方案，降低了微型投影显示装置的制作成本。

以上结合具体实施例描述了本发明的基本原理，但是，需要指出的是，在本发明中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本发明的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本发明为必须采用上述具体的细节来实现。

本发明中涉及的器件、装置的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本发明。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本发明的范围。因此，本发明不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

最后应当说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。