基于发光阵列的背光光学系统及投影显示系统

技术领域

本发明涉及光学系统领域，特别是涉及一种基于发光阵列的背光光学系统及投影显示系统。

背景技术

随着增强现实(Augmented Reality，AR)智能眼镜的发展和成熟，高清且小型化的微型投影显示系统的重要性越来越突出。对于自发光的微型显示器如Micro-OLED、LCD等，由于其发光亮度较低，暂时无法大规模应用，而反射式微型显示器由于使用外部光源，可以实现高亮度输出，因而成为微型投影显示系统的主流方案，比如硅基液晶(Liquid Crystalon Silicon，LCOS)显示器、数字微镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)显示器等。

当前反射式微型显示器主流的背光方案有导光柱混光方式、分色镜混光方式和X-cube棱镜混光方式，但是，现有的这些背光方案对应的光学系统普遍体积还是较大，不适用于AR领域产品。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于发光阵列的背光光学系统，能够在出射光的颜色均匀性较好的同时体积较小。本发明还提供一种投影显示系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于发光阵列的背光光学系统，包括：

光源部，其包括发光元件阵列，所述发光元件阵列的发光元件用于出射原色光，使得所述发光元件阵列出射至少两种原色光；

匀光层，设置于所述光源部的出光一侧，用于使得所述发光元件阵列的各个所述发光元件的出射光入射至所述匀光层并在所述匀光层内散射，使得各种原色光混合并从所述匀光层出射；

聚光部，设置于所述光源部的出光光路上，用于将所述光源部出光光路上的光线聚拢，使所述背光光学系统的出射光入射至预设屏幕。

可选地，所述发光元件阵列中出射不同原色光的所述发光元件均匀布置。

可选地，所述发光元件阵列的每一所述发光元件独立布置，所述发光元件阵列的各个所述发光元件以阵列形式排布。

可选地，所述发光元件阵列的任意一行发光元件遵循第一发光元件至第N发光元件的顺序周期性排列，任意一列发光元件遵循第一发光元件至第N发光元件的顺序周期性排列，第i发光元件用于出射第i种原色光，i∈[1，N]，N大于等于二。

可选地，所述发光元件阵列包括以阵列形式排布的多个发光元件组，所述发光元件组包括至少三个发光元件，所述至少三个发光元件的任一发光元件出射原色光，使得所述发光元件组出射各种原色光的混合光。

可选地，所述匀光层还用于使得所述发光元件阵列的各个所述发光元件的出射光入射至所述匀光层并在所述匀光层内散射，使得所述匀光层的出射光强度均匀。

可选地，还包括：

反光部，其包括围合的反射面，所述反光部设置于所述光源部的出光一侧，使得所述光源部出射的大角度光线入射至所述反射面，所述反射面用于将入射至自身的光线反射并使光线聚拢，使光线入射至所述匀光层。

可选地，所述匀光层设置于所述反光部的所述反射面内侧或者设置于所述反光部的出光一侧；

所述匀光层设置于所述光源部和所述聚光部之间，或者所述匀光层设置于所述聚光部的出光一侧，或者所述聚光部包括至少两个光学元件，所述匀光层设置于所述聚光部的相邻两个光学元件之间。

可选地，所述聚光部包括菲涅尔透镜、平凸透镜、平凹透镜、双凸透镜、双凹透镜和自由曲面透镜中的任意一种或者任意多种。

一种投影显示系统，包括：

以上任一项所述的基于发光阵列的背光光学系统；

显示屏，设置于所述基于发光阵列的背光光学系统的出光一侧，使得所述基于发光阵列的背光光学系统的出射光入射至所述显示屏。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种基于发光阵列的背光光学系统包括光源部、匀光层和聚光部，光源部包括发光元件阵列，发光元件阵列的发光元件用于出射原色光，使得发光元件阵列出射至少两种原色光，匀光层设置于光源部的出光一侧，用于使得发光元件阵列的各个发光元件的出射光入射至匀光层并在匀光层内散射，使得各种原色光混合并从匀光层出射，聚光部设置于光源部的出光光路上，用于将光源部出光光路上的光线聚拢，使背光光学系统的出射光入射至预设屏幕。本发明基于发光阵列的背光光学系统中，采用发光元件阵列出射各种原色光，发光元件阵列出射的各种原色光入射至匀光层，通过匀光层使各种原色光混合，能够使本背光光学系统的出射光颜色混合较均匀。并且发光元件阵列和匀光层占用体积小，使得本背光光学系统体积可以较小。因此，本发明基于发光阵列的背光光学系统能够在出射光的颜色均匀性较好的同时体积较小。

本发明提供的一种投影显示系统，其包括的背光光学系统能够在出射光的颜色均匀性较好的同时体积较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明第一实施例提供的一种基于发光阵列的背光光学系统的示意图；

图2为本发明一实施例的基于发光阵列的背光光学系统的光源部的示意图；

图3为本发明又一实施例的基于发光阵列的背光光学系统的光源部的示意图；

图4为本发明第二实施例提供的一种基于发光阵列的背光光学系统的示意图；

图5为本发明第二实施例提供的一种基于发光阵列的背光光学系统的光线传播示意图；

图6为本发明第三实施例提供的一种基于发光阵列的背光光学系统的示意图。

说明书附图中的附图标记包括：

10-预设屏幕，11-光源部，12-匀光层，13-聚光部，14-反光部，100-基板，101-红光发光元件，102-绿光发光元件，103-蓝光发光元件，131-第一透镜，132-第二透镜。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种基于发光阵列的背光光学系统，包括：

光源部，其包括发光元件阵列，所述发光元件阵列的发光元件用于出射原色光，使得所述发光元件阵列出射至少两种原色光；

匀光层，设置于所述光源部的出光一侧，用于使得所述发光元件阵列的各个所述发光元件的出射光入射至所述匀光层并在所述匀光层内散射，使得各种原色光混合并从所述匀光层出射；

聚光部，设置于所述光源部的出光光路上，用于将所述光源部出光光路上的光线聚拢，使所述背光光学系统的出射光入射至预设屏幕。

本实施例的基于发光阵列的背光光学系统中，采用发光元件阵列出射各种原色光，发光元件阵列出射的各种原色光入射至匀光层，通过匀光层使各种原色光混合，能够使本背光光学系统的出射光颜色均匀性较好。并且发光元件阵列和匀光层占用体积小，使得本背光光学系统体积可以较小。因此，本实施例的基于发光阵列的背光光学系统能够在出射光的颜色均匀性较好的同时体积较小。

聚光部设置于光源部的出光光路上，能够将光源部出光光路上的光线聚拢，以减少光损失，提高光利用率，使得本背光光学系统的出射光亮度能够满足要求。示例性地可参考图1，图1为第一实施例提供的一种基于发光阵列的背光光学系统的示意图，如图所示，背光光学系统包括光源部11、匀光层12和聚光部13，光源部11的发光元件阵列的出射光入射至匀光层12，通过匀光层12时各个发光元件的出射光混合并从匀光层12出射，使各个发光元件出射的各种原色光混合，聚光部13起到将光线聚拢的作用，使光线入射至预设屏幕10。

发光元件阵列的各个发光元件以阵列形式排布，优选地，发光元件阵列中出射不同原色光的发光元件均匀布置，出射同一原色光的各个发光元件均匀布置，这样使得发光元件阵列的出射光中各种原色光分布均匀，进一步通过匀光层12混合后，有助于提高本背光光学系统出射光的颜色均匀性。

在一些实施方式中，发光元件阵列的每一发光元件独立布置，发光元件阵列的各个发光元件以阵列形式排布。本实施方式中，为了使得发光元件阵列中出射不同原色光的发光元件均匀布置，可选地，发光元件阵列的任意一行发光元件遵循第一发光元件至第N发光元件的顺序周期性排列，任意一列发光元件遵循第一发光元件至第N发光元件的顺序周期性排列，第i发光元件用于出射第i种原色光，i∈[1，N]，N大于等于二。这样排列可以使得发光元件阵列中出射不同原色光的发光元件均匀布置，使得发光元件阵列的出射光中各种原色光分布均匀，有助于提高本背光光学系统出射光的颜色均匀性。示例性地可参考图2，图2为一实施例的基于发光阵列的背光光学系统的光源部的示意图，如图所示，光源部11包括基板100，在基板100上布置多个发光元件形成发光元件阵列，每一发光元件独立布置，其中的任一发光元件出射原色光，发光元件阵列可出射多种原色光。比如图2所示的发光元件阵列包括红光发光元件101、绿光发光元件102和蓝光发光元件103。图中标“R”的发光元件表示红光发光元件101，标“G”的发光元件表示绿光发光元件102，标“B”的发光元件表示蓝光发光元件103。

如图所示，发光元件阵列任意一行遵循红光发光元件101、绿光发光元件102和蓝光发光元件103的顺序排列，发光元件阵列任意一列遵循红光发光元件101、绿光发光元件102和蓝光发光元件103的顺序排列。这种排列形式可使得红光发光元件101与红光发光元件101之间等间距排列蓝光发光元件103和绿光发光元件102，绿光发光元件102和绿光发光元件102之间等间距排列蓝光发光元件103和红光发光元件101，蓝光发光元件103和蓝光发光元件103之间等间距排列红光发光元件101和绿光发光元件102。

在图2所示的发光元件阵列中，是以红光发光元件101为左上角的起始发光元件，并且遵循R、G、B顺序进行排列的，在其它实施例中，还可以是以绿光发光元件102或者蓝光发光元件103为左上角的起始发光元件进行排列，排列顺序还可以遵循G、R、B顺序进行排列。但不限于此，在其它实施例中，在发光元件阵列的每一发光元件独立布置的情况下，发出各种原色光的各个发光元件还可以是以其它形式排列形成阵列，也都在本发明保护范围内。

在一些实施方式中，发光元件阵列包括以阵列形式排布的多个发光元件组，所述发光元件组包括至少三个发光元件，所述至少三个发光元件的任一发光元件出射原色光，使得所述发光元件组出射各种原色光的混合光，这样排列可以使得发光元件阵列中出射不同原色光的发光元件均匀布置，使得发光元件阵列的出射光中各种原色光分布均匀，有助于提高本背光光学系统出射光的颜色均匀性。本实施方式中，对发光元件组包括的发光元件数量、发光元件排列形式不做限定，在实际应用中，可以根据应用需求进行灵活设置。示例性地可参考图3，图3为又一实施例的基于发光阵列的背光光学系统的光源部的示意图，如图所示，光源部11包括基板100，在基板100上多个发光元件组以阵列形式布置，任一发光元件组包括红光发光元件101、绿光发光元件102和蓝光发光元件103，一组的三个发光元件以“品”字形排列。

在图3所示的发光元件阵列中，是以一个发光元件组包括三个发光元件以及三个发光元件以“品”字形排列为例说明的，在其它实施例中，一个发光元件组还可包括其它数量的发光元件以及各发光元件以其它形式排列，也都在本发明保护范围内。

在以上各实施方式中，发光元件可以是但不限于LED。

匀光层12使得发光元件阵列的各个所述发光元件的出射光入射至所述匀光层12，通过匀光层12后各种原色光混合，优选地匀光层12能够使得各种原色光混合均匀，使得本背光光学系统的出射光颜色混合更为均匀。

进一步优选地，匀光层12还用于使得所述发光元件阵列的各个所述发光元件的出射光入射至所述匀光层12并在所述匀光层12内散射，使得所述匀光层12的出射光强度均匀。通过匀光层12对发光元件阵列的各个发光元件的出射光进行均匀化处理，消除各个发光元件的像，不仅使得各种原色光混合均匀，并且使得通过匀光层12后的出射光强度均匀，使得本背光光学系统的出射光亮度均匀。

匀光层12为层状结构，使得混光距离短，使得本背光光学系统体积较小。匀光层12可采用但不限于扩散膜。

优选地在一些实施方式中，本背光光学系统还包括反光部，其包括围合的反射面，所述反光部设置于所述光源部11的出光一侧，使得所述光源部11出射的大角度光线入射至所述反射面，所述反射面用于将入射至自身的光线反射并使光线聚拢，使光线入射至所述匀光层12。光源部11出射的大角度光线是指出射的光线与光源部11的光轴之间的夹角大于预设角度的光线。通过在光源部11的出光一侧设置反光部，反光部起到聚光作用，能够将光源部11的大角度光线反射至匀光层12，避免光源部11的大角度光线损失掉，从而达到提高本背光光学系统的光利用率的效果。可选地，可以是光源部11出射的大角度光线入射至反光部的反射面，反射面将入射至自身的光线反射而将光线准直，使光线以准直形式入射至匀光层12。本实施例中，对反光部的反射面面形不做限定，在实际应用中可以根据光源部11的大角度光线情况、匀光层12的尺寸等进行设置，以保证通过反光部能够将光源部11的大角度光线收集而入射至匀光层12。反光部可以是反光杯。

匀光层12可以设置于反光部的反射面内侧，或者匀光层12可以设置于反光部的出光一侧。示例性地可参考图4和图5，图4为第二实施例提供的一种基于发光阵列的背光光学系统的示意图，图5为第二实施例提供的一种基于发光阵列的背光光学系统的光线传播示意图，如图所示，反光部14设置于光源部11的出光一侧，匀光层12设置于反光部14的出光一侧。参考图5所示，光源部11出射的小角度光线入射至匀光层12，光源部11出射的大角度光线入射至反光部14的反射面，大角度光线经反光部14的反射面反射后以准直形式入射至匀光层12。

示例性地可参考图6，图6为第三实施例提供的一种基于发光阵列的背光光学系统的示意图，如图所示，反光部14设置于光源部11的出光一侧，匀光层12设置于反光部14的反射面内侧。光源部11出射的小角度光线入射至匀光层12，光源部11出射的大角度光线入射至反光部14的反射面，大角度光线经反光部14的反射面反射后以准直形式入射至匀光层12。

光源部11的出射光通过匀光层12后，匀光层12的出射光中有比较多的大角度光线，通过聚光部13能够将大角度光线聚拢，避免这些光线损失掉，使得光线汇聚至预设屏幕10，使得本背光光学系统的出射光亮度较高。本实施例中，对聚光部13的结构不做限定，只要能够使背光光学系统的出射光入射至预设屏幕即可。聚光部13可包括菲涅尔透镜、平凸透镜、平凹透镜、双凸透镜、双凹透镜和自由曲面透镜中的任意一种或者任意多种，在实际应用中可以根据应用需求设置。示例性地可参考图4和图5所示，聚光部13包括第一透镜131和第二透镜132，第一透镜131可认为是一种聚光透镜，能够将匀光层12的出射光中一些光线汇聚收拢，能够使另一些光线准直；通过第一透镜131的光线入射至第二透镜132，第二透镜132能够将光线进一步汇聚收拢，能够使其中一些光线准直，使光线入射至预设屏幕10。

可选地，匀光层12可以设置于光源部11和聚光部13之间，比如匀光层12设置于反光部14的反射面内侧，或者设置于反光部14与聚光部13之间。

可选地，匀光层12可以设置于聚光部13的出光一侧，即设置于聚光部13和预设屏幕10之间。或者，聚光部13包括至少两个光学元件，匀光层12设置于聚光部13的相邻两个光学元件之间。

若本背光光学系统应用于投影显示系统，预设屏幕10可以是投影显示系统的显示屏。预设屏幕10可以是但不限于硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)显示屏或者数字光处理(Digital Light Processing，DLP)显示屏。

本实施例基于发光阵列的背光光学系统提供了一种亮度高、亮度均匀性好、颜色均匀性好、体积小的背光方案，该方案可实现RGB三种色光的均匀混合，光效高，混光距离短，颜色混合均匀，可很好地适用于微型投影光机。

本实施例基于发光阵列的背光光学系统采用发光元件阵列加匀光层的方案来实现各种原色光的聚光以及颜色混合，并使用以及配套反光杯来进一步提高光利用率，并用聚光透镜来进一步对经匀光层混光后的光线进行准直汇聚，使汇聚到预设屏幕的光亮度高，亮度均匀性好，颜色均匀性好，以提高投影光机的显示效果。并且，本背光方案由简单的发光元件阵列，反光杯、匀光层和聚光透镜组成，其组成结构简单，装配精度要求不高，其结构可以做得非常小巧，此背光方案的长度可以很短，可以做到3-4mm的长度，且有很高的光利用率，由此可以使得在微型投影光机的体积变得更为小巧轻便。

本实施例还提供一种投影显示系统，包括：

以上任一项实施方式所述的基于发光阵列的背光光学系统；

显示屏，设置于所述基于发光阵列的背光光学系统的出光一侧，使得所述基于发光阵列的背光光学系统的出射光入射至所述显示屏。

本实施例的投影显示系统中，其背光光学系统采用发光元件阵列出射各种原色光，发光元件阵列出射的各种原色光入射至匀光层，通过匀光层使各种原色光混合，能够使背光光学系统的出射光颜色混合较均匀。并且发光元件阵列和匀光层占用体积小，使得背光光学系统体积可以较小。因此可以使得本投影显示系统在颜色均匀性较好的同时体积较小。

本投影显示系统可适用于AR领域的几何光波导显示模组或AR衍射光波导显示模组，该光学系统兼具体积小、亮度高、亮度均匀性高、颜色均匀性好的优势，其形态结构非常好地匹配了AR智能眼镜、AR头盔等领域的头戴显示领域产品。

以上对本发明所提供的基于发光阵列的背光光学系统及投影显示系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。