CN110515204A - 基于数字光处理的照明模块及增强现实设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于数字光处理的照明模块，所述照明模块包括：具有导光板的面光源、三角棱镜和直角棱镜；所述三角棱镜包括底边、第一边和第二边；所述直角棱镜包括斜边、第一直角边和第二直角边；所述底边与所述斜边贴合，所述第一边与所述面光源贴合，所述第二边与所述数字光处理的部件相邻。在本发明中，面光源通过导光板对自身发出的三色光线进行混色匀光，三角棱镜和直角棱镜组合成全反射棱镜，将面光源的照明光线进行汇率，缩小了照明模块的体积。

Description

基于数字光处理的照明模块及增强现实设备

技术领域

本发明涉及光学领域，特别涉及基于数字光处理(Digital Light Process， 英文缩写DLP)的照明模块及增强现实(Augmented Reality，英文缩写AR) 设备。

背景技术

AR显示技术是将信息以虚像的方式投影到人眼，使得虚拟信息与现实 环境叠加在一起同时呈献给人眼。在户外等高亮度环境下，显示的信息亮 度直接影响使用者对信息的获取，而DLP由于其投影的高亮度和高对比度， 可以解决AR显示亮度的问题。

图1是现有技术中DLP的原理图。每个像素为一片微型反射镜，该反 射镜可以在两个角度值之间切换。以图1为例，DLP成像具有如下三个状 态：

1、照明光线从光源以-24°入射，当反射镜翻转至超向光源一侧的-12° 时，照明光线被反射成0°，与镜头光轴平行，此时反射光线进入成像光路， 即反射光线进入成像镜头，这个状态像素为点亮状态，将这个状态称为“on” 态；

2、当反射镜翻转至光源另一侧的12°时，照明光线被发射成48°，偏离 光轴，反射光线不能进入成像光路，即反射光线不能进入成像镜头，这个 状态像素为黑，将这个状态称为“off”态；

3、在“off”态时，DLP保护窗的反射面法线为0°，反射光线为24°， 此时的反射光线称为“flat”态光线。

可以看出，为避免更多的杂散光进入成像镜头，DLP照明技术将照明 光线汇聚成光锥，同时因为DLP中采用红、黄、蓝三色混合照明，混色部 分和汇聚光线部分都需要有相应的部件来实现功能，造成照明模块体积庞 大。

发明内容

本发明实施例提供了基于DLP的成像镜头及AR设备。为了对披露的 实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部 分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的 保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详 细说明的序言。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于DLP的照明模块，所述照明 模块包括：具有导光板的面光源、三角棱镜和直角棱镜；

所述三角棱镜包括底边、第一边和第二边；

所述直角棱镜包括斜边、第一直角边和第二直角边；

所述底边与所述斜边贴合，所述第一边与所述面光源贴合，所述第二 边与所述数字光处理的部件相邻。

基于所述照明模块，作为可选的第一实施例，所述底边与所述斜边之 间，具有空气间隙。

基于所述照明模块，作为可选的第二实施例，所述底边与所述第二边 的夹角α，满足如下公式：

α＝ф-γ′；

其中，ф＝asin(1/n)，ф是所述三角棱镜的全反射角，n是所述三角棱镜 的折射率；

γ′＝asin(sin(γ)/n)＝asin(sin(θ)/n)，γ＝θ，γ′是所述面光源的边缘光束在射出 所述三角棱镜前的角度，γ是所述面光源射出的光束光锥在二维平面展开的 扇形光线最靠近所述数字光处理法线一侧的边缘光束的角度，2θ是所述面 光源的主光束的入射角度。

基于所述第二实施例，作为可选的第三实施例，所述面光源的主光束 在射出所述三角棱镜前的角度η′，满足如下公式：

η′＝asin(sin(2θ)/n)。

基于所述第三实施例，作为可选的第四实施例，与所述底边相对的夹 角β，满足如下公式：

β＝π-η′-2α。

基于所述照明模块，作为可选的第五实施例，所述第一边的长度大于 所述面光源的长度。

基于所述照明模块，作为可选的第六实施例，所述照明模块中还包括 消光板，用于吸收不参与成像的反射光线。

第二方面，本发明实施例提供了一种AR设备，所述设备中包括前文所 述的任一种照明模块。

在本发明实施例中，面光源通过导光板对自身发出的三色光线进行混 色匀光，三角棱镜和直角棱镜组合成全反射棱镜，将面光源的照明光线进 行汇率，缩小了照明模块的体积。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释 性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本 发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是现有技术中DLP***的原理图；

图2是一示例性实施例中基于DLP的照明模块示意图；

图3是一示例性实施例中基于DLP的照明模块示意图；

图4是一示例性实施例中全反射棱镜和面光源在子午面的尺寸示意图；

图5为一示例性实施例中的基于DLP的照明模块的第一种照明光路；

图6为一示例性实施例中的基于DLP的照明模块的第二种至第四种照 明光路；

图7为一示例性实施例中的基于DLP的照明模块的第六种照明光路。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技 术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单 独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部 分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施 方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的 等同物。在本文中，各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要 自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中，诸如第一 和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操 作区分开来，而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系 或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非 排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括 那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。本文中各个实施例采用 递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处， 各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的结构、产 品等而言，由于其与实施例公开的部分相对应，所以描述的比较简单，相 关之处参见方法部分说明即可。

在一示例性的实施例中，如图2所示，基于DLP的照明模块，包括： 具有导光板的面光源21、三角棱镜22和直角棱镜23。

三角棱镜22包括底边221、第一边222和第二边223。

直角棱镜23包括斜边231、第一直角边232和第二直角边233。

底边221与斜边231贴合，第一边222与面光源21贴合，第二边223 与DLP的部件相邻。

面光源21通过导光板对自身发出的三色光线进行混色匀光，三角棱镜 22和直角棱镜23组合成全反射棱镜，将面光源21的照明光线进行汇率， 缩小了照明模块的体积。

可选的，底边221与斜边231之间，具有为了全反射分光设置的空气 间隙，为了不影像成像光路像质，该空气间隙需要尽量小，例如采用10微 米或5微米。

在一示例性的实施例中，三角棱镜22和直角棱镜23的各个角度可以 通过计算得出，为后续确定三角棱镜22和直角棱镜23的尺寸做准备。

如图3所示，面光源21射出的照明光线为具有一定宽度的汇聚光锥， 包括边缘光束和主光束，其中主光束的入射角度设为2θ，汇聚光锥在二维 平面展开的扇形光线最靠近DLP法线一侧的边缘光束的角度最大值为 γ＝2θ-θ＝θ。

先来求解三角棱镜22的各夹角的角度。

根据折射定律和三角棱镜22的折射率n，照明光线在射出三角棱镜22 前的角度γ′满足如下公式一：

γ′＝asin(sin(γ)/n)＝asin(sin(θ)/n)。

主光束212在射出三角棱镜22前的角度η′，满足如下公式二：

η′＝asin(sin(2θ)/n)。

进一步，三角棱镜22的全反射角ф满足如下公式三：

ф＝asin(1/n)。

进一步，三角棱镜22中底边221与第二边223的夹角α，满足如下公 式四：

α＝ф-γ′。

进一步，与底边221相对的夹角β，满足如下公式五：

β＝π-η′-2α。

基于三角棱镜22的各夹角的角度，下面来求解直角棱镜23的各夹角 的角度。

斜边231与第一直角边232的夹角也是α，计算方法在上文中已详述。

斜边231与第二直角边232的夹角为π-90°-2α。

根据三角棱镜22和直角棱镜23的各夹角的角度，可以进一步求得三 角棱镜22和直角棱镜23的尺寸。尺寸的计算分为子午面的计算和弧矢面 的计算。

图4是一示例性实施例中全反射棱镜和面光源在子午面的尺寸示意图。 根据DLP成像光路，可以确定出图4所示的边缘视场主光线角度和边缘视 场的光束孔径角，再根据前文所计算出的三角棱镜22及直角棱镜23的各 夹角的角度，利用已有方法作图可以计算出第一边222和面光源的长度。 考虑到加工和装配的需求，第一边222的长度可以大于面光源的长度，例 如单边扩展1至2毫米。

在弧矢面，根据成像镜头在弧矢面的0°视场的光束孔径角作图计算全 反射棱镜的高度和光源的高度尺寸H。同样考虑到加工和装配需要，全反 射棱镜的高度可以大于面光源的高度，例如单边扩展5毫米。

利用基于DLP的照明模块，可以形成6种典型的光线传播。

图6为一示例性实施例中的基于DLP的照明模块的第一种照明光路。

如图6所示，光线1代表面光源出射面法线±10°出射的光线，这部分 光线占照明主要能量。光线1在空气隙发生全反射和折射后照在DLP上。 光线1在棱镜出射面由于菲涅尔反射分成光线11和光线12。光线12为flat 态光线，其传播方向与光轴成12°夹角，最终射出成像***，被消光板吸收。 光线11是透过部分，根据上面全反射棱镜角度的计算，光线11射在DLP 上的入射角为24°±10°。根据DLP成像原理，在off态时，反射光线与DLP 法线夹角48°，并在进入全反射棱镜时分成两部分。光线13为off态光线， 射出棱镜并被消光板吸收。光线11的反射部分为光线14，光线14又被DLP 反射，反射后的光线与DLP法线夹角进一步增加，最终透过棱镜成为光线 15，射在全反射棱镜侧壁被吸收。由于菲涅尔反射率很低，光线14的能量 已经很弱，光线14在棱镜界面再次产生的反射光线能量更弱，可以忽略。 当DLP为on态时，光线11被反射至成像光路内，参与成像。

图7为一示例性实施例中的基于DLP的照明模块的第二种至第四种照 明光路。

光线2是面光源出射角度大于10°并偏向全反射棱镜上表面一侧的光线， 这部分光线会透过空气隙直接射入直角棱镜23中，会在直角棱镜23出光 口，也就是全反射棱镜上表面发生一次全反射，最终射在棱镜侧壁的消光 面被吸收。光线2不会射出棱镜进入成像光路。

光线3是面光源出射角度大于10°并偏向全反射棱镜下表面一侧的光线， 这部分光线仍然会在空气隙表面发射全发射，但是由于角度太大，会在全 反射棱镜下表面发生全反射，而不会射出棱镜，最终还是射在棱镜消光面 上被吸收。光线3不会射出棱镜进入成像光路。

光线4是面光源靠近全反射棱镜上表面一侧部分，并且角度大于10° 偏向全反射棱镜上表面一侧的光线，这部分光线会直接射出全反射棱镜， 所以需要在全反射棱镜下表面凸出的位置设置消光板。消光板与凸出部分 需要有空气间隙。光线4不会射出棱镜进入成像光路。

光线5是面光源靠近全反射棱镜下表面一侧部分，并且角度大于45° 偏向全反射棱镜下表面一侧的光线，这部分光线在棱镜出光口发生全反射， 不会射出棱镜，最终还是射在棱镜的消光面被吸收。光线5不会射出棱镜 进入成像光路。

图7为一示例性实施例中的基于DLP的照明模块的第六种照明光路。

光线6出射角度偏向棱镜下表面角度介于10°到45°之间，这部分光线 是不需要的。光线6产生的flat态光线62角度更大，最终被成像***侧壁 吸收。光线61射到DLP上，经off态反射后成为光线64，光线64偏转角 很大射出光路，被结构内壁吸收。

可以看出，不通过全反射棱镜的光全部做了消光处理，最大程度吸收 不需要的光线。可选的，对全反射棱镜中不通光的表面进行粗糙处理，粗 糙度可以控制在Ra＝1.6到Ra＝3.2微米之间。进一步可选的，还可以在删除 粗糙的表面涂覆高吸收系数的黑漆，来提高消光效果。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的流 程及结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围 仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种基于数字光处理的照明模块，其特征在于，所述照明模块包括：具有导光板的面光源、三角棱镜和直角棱镜；

所述三角棱镜包括底边、第一边和第二边；

所述直角棱镜包括斜边、第一直角边和第二直角边；

所述底边与所述斜边贴合，所述第一边与所述面光源贴合，所述第二边与所述数字光处理的部件相邻。

2.如权利要求1所述的照明模块，其特征在于，所述底边与所述斜边之间，具有空气间隙。

3.如权利要求1所述的照明模块，其特征在于，所述底边与所述第二边的夹角α，满足如下公式：

α＝ф-γ′；

其中，ф＝asin(1/n)，ф是所述三角棱镜的全反射角，n是所述三角棱镜的折射率；

γ′＝asin(sin(γ)/n)＝asin(sin(θ)/n)，γ＝θ，γ′是所述面光源的边缘光束在射出所述三角棱镜前的角度，γ是所述面光源射出的光束光锥在二维平面展开的扇形光线最靠近所述数字光处理法线一侧的边缘光束的角度，2θ是所述面光源的主光束的入射角度。

4.如权利要求3所述的照明模块，其特征在于，所述面光源的主光束在射出所述三角棱镜前的角度η′，满足如下公式：

η′＝asin(sin(2θ)/n)。

5.如权利要求4所述的照明模块，其特征在于，与所述底边相对的夹角β，满足如下公式：

β＝π-η′-2α。

6.如权利要求1所述的照明模块，其特征在于，所述第一边的长度大于所述面光源的长度。

7.如权利要求1所述的照明模块，其特征在于，所述照明模块中还包括消光板，用于吸收不参与成像的反射光线。

8.一种增强现实设备，其特征在于，所述设备中包括如权利要求1至7任一项所述的照明模块。