CN116224703A - 投影光学引擎结构、投影装置以及可穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种投影光学引擎结构、投影装置以及可穿戴设备；其中，所述投影光学引擎结构包括曲面发光屏及投影镜头；所述曲面发光屏的发光面为凹面，能够使得出射的光线聚集，所述曲面发光屏的曲率K为：0＜K＜π/L₁，L₁为所述曲面发光屏的有效发光区域的口径；所述投影镜头位于所述曲面发光屏的出光路径上，经所述曲面发光屏出射的光线倾斜的投射至所述投影镜头，所述投影镜头用于将所述光线直接投影成像。本申请实施例提供的投影光线引擎结构在小体积的情况下能够兼具较高亮度。

Description

投影光学引擎结构、投影装置以及可穿戴设备

技术领域

本申请实施例涉及光学成像技术领域，更具体地，本申请实施例涉及一种投影光学引擎结构、投影装置以及可穿戴设备。

背景技术

在AR光学领域，作为AR产品的核心部件，光学引擎结构需要做到体积较小的基础上，能够提供足够的亮度。目前，AR产品中的显示屏均为平面结构，显示屏发出的光线为平行分布，也即主光线入射角度（CRA）以几乎0度入射至投影***，这样，投影***所接收到的光线是非常有限的，这就导致投影***的进光量有限，从而影响产品的亮度，进而影响成像效果。

发明内容

本申请的目的是提供一种投影光学引擎结构、投影装置以及可穿戴设备的新技术方案，曲面发光屏可实现出光的聚光效果，利于增加投影镜头的进光量，从而能够提高投影成像的亮度。

第一方面，本申请提供了一种投影光学引擎结构。所述投影光学引擎结构包括：

曲面发光屏，所述曲面发光屏的发光面为凹面，能够使得出射的光线聚集，所述曲面发光屏的曲率K为：0＜K＜π/L₁，L₁为所述曲面发光屏的有效发光区域的口径；以及

投影镜头，所述投影镜头位于所述曲面发光屏的出光路径上，经所述曲面发光屏出射的光线倾斜的投射至所述投影镜头，所述投影镜头用于将所述光线直接投影成像。

可选地，所述曲面发光屏设置为一个。

可选地，在所述曲面发光屏设置为至少两个的情况下，所述投影光学引擎结构还包括合光器件，所述合光器件位于各所述曲面发光屏的出光路径之间，所述合光器件用于将各所述曲面发光屏发出的光线合为一束光线，并投射至所述投影镜头中。

可选地，所述曲面发光屏设置为三个，所述合光器件为合光棱镜，且包括三个入光面及一个出光面；

所述曲面发光屏与所述入光面为一一对应设置，且所述入光面与对应的所述曲面发光屏为相邻设置；

所述投影镜头与所述出光面相邻设置。

可选地，所述合光器件包括合光棱镜或者合光镜片；

其中，所述合光镜片包括光学镜片以及设于所述光学镜片上的膜材。

可选地，所述曲面发光屏包括曲面基底及设于所述曲面基底上的光源；其中，所述光源包括呈目标阵列排布的多个发光单元，各所述发光单元能够发出可见光。

可选地，所述曲面基底为硅基底，且所述硅基底包括凹面，所述多个发光单元设于所述凹面上。

可选地，所述曲面基底包括平面硅基底及设置在所述平面硅基底一侧的透镜层，且所述透镜层背离所述平面硅基底的表面为凹面；

所述多个发光单元设于所述平面硅基底上，且所述透镜层覆盖所述多个发光单元。

可选地，所述透镜层包括玻璃材质。

第二方面，本申请提供了一种投影装置，所述投影装置包括：

壳体；以及

如第一方面所述的光学模组。

第三方面，本申请提供了一种可穿戴设备，所述可穿戴设备包括：

外壳；以及

如第一方面所述的光学模组。

本申请的有益效果为：

根据本申请实施例提供的投影光学引擎结构，采用了曲面发光屏的发光方式，提高了发出光线的聚光效果，能够增进投影镜头的进光量，从而提升投影成像的亮度。

通过以下参照附图对本说明书的示例性实施例的详细描述，本说明书的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本说明书的实施例，并且连同其说明一起用于解释本说明书的原理。

图1为本申请一实施例提供的曲面发光屏的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的投影光学引擎结构的结构示意图之一；

图3为本申请实施例提供的投影光学引擎结构的结构示意图之二；

图4为本申请另一实施例提供的曲面发光屏的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的投影光学引擎结构的结构示意图之三；

图6为本申请实施例提供的投影光学引擎结构的结构示意图之四；

图7为发光单元的发光强度与发光角度的关系示意图；

图8为曲面发光屏与平面屏的出光效果图之一；

图9为曲面发光屏与平面屏的出光效果图之二；

图10为曲面发光屏与平面屏的出光效果图之三；

图11为曲面发光屏与平面屏的出光效果图之四；

图12为曲面发光屏与平面屏的出光效果图之五；

图13为曲面发光屏与平面屏的出光效果图之六。

附图标记说明：

1、曲面发光屏；11、曲面基底；111、平面硅基底；112、透镜层；12、发光单元；2、投影镜头；3、合光器件；31、入光面；32、出光面；01、光线；02、平面屏。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

下面结合附图对本申请实施例提供的投影光学引擎结构、投影装置以及可穿戴设备进行详细地描述。

根据本申请的一个实施例，提供了一种投影光学引擎结构，所述投影光学引擎结构例如可以为应用在AR设备中的光机，当然，所述投影光学引擎结构也可以应用在例如家用投影仪等具有投影成像功能的产品中。

根据本申请实施例提供的投影光学引擎结构，参见图1、图2，以及图4和图5所示，所述投影光学引擎结构包括曲面发光屏1以及投影镜头2。其中，所述曲面发光屏1的发光面设置为凹面，能够使得出射的光线01聚集，所述曲面发光屏1的曲率K为：0＜K＜π/L₁，L₁为所述曲面发光屏1的有效发光区域的口径。所述投影镜头2位于所述曲面发光屏1的出光路径上，经所述曲面发光屏1出射的光线01倾斜的投射至所述投影镜头2，所述投影镜头2用于将所述光线01直接投影成像。

根据本申请上述实施例提供的投影光学引擎结构，在其中采用了曲面发光屏1，所述曲面发光屏1的使用能够增加所发出的光线01的聚集能力。并且，将投影镜头2安排布设在所述曲面发光屏1的出光路径上，经由所述曲面发光屏1出射的光线01可以直接进入所述投影镜头2中投影成像。

需要强调的是，所述曲面发光屏1的发光面具有一定的曲率，如上述实施例中提及的曲率范围，提高了聚光效果，如此可以使所述投影镜头2增加进光量，从而可以提高整个投影光学引擎结构的亮度情况，这利于提升最终的投影成像质量。

参见图2及图5，所述投影镜头2可以对入射的光线01进行整形，并能够以近乎平行光的形式出射，最终就能够在一定远的位置投影成像，也即形成放大的虚像。从而使得用户可以看到成像画面。

其中，所述曲面发光屏1例如包括多个发光单元12。所述发光单元12例如为LED灯珠。

以0.13寸的曲面发光屏1为例，当其发光面的曲率K为0.2时，所形成的投影光学引擎结构（例如AR光机）的亮度可以提升约10%，同时整个投影光学引擎结构的体积并无显著增加，这实现了小体积兼顾高亮度的方案设计。

在本申请的实施例中，光线接收器件根据所述曲面发光屏1的数量和位置分布情况，可以包括单独的投影镜头2，也可以包括投影镜头和合光器件3。

本申请上述实施例提供的投影光学引擎结构，采用了曲面发光屏1，其带来了两方面的优势：一方面，通过最大限度的排列发光单元，可以增加整个投影光学引擎结构的亮度；另一方面，曲面发光屏1提高了发光的聚光效果，能够在所述投影镜头2光阑一定的情况下，增加进光量，从而提高亮度。

本申请上述实施例提供的投影光学引擎结构，在既定的小体积基础上，能够增大所述投影镜头2的进光量。

在本申请的一些示例中，参见图2及图5所示，所述曲面发光屏1设置为一个。

根据上述的示例，所述投影光学引擎结构例如包括一个曲面发光屏1及一个投影镜头2，所述投影镜头2设计位于所述曲面发光屏1的出光路径上，所述曲面发光屏1发出的光线01可以直接进入所述投影镜头2进行投影成像。其中，所述投影镜头2可以对所述光线01进行整形，最后在一定远的位置形成可以看到的虚像。

当所述曲面发光屏1设置为一个，所述投影镜头2无需配设合光器件。

此外，单个所述曲面发光屏1可以为单色光源，也可以为全彩光源。

在本申请的一些示例中，参见图3及图6，在所述曲面发光屏1设置为至少两个的情况下，所述投影光学引擎结构还包括合光器件3，所述合光器件3位于各所述曲面发光屏1的出光路径之间，所述合光器件3用于将各所述曲面发光屏1发出的光线01合为一束光线，并投射至所述投影镜头2中。

根据上述示例，所述投影光学引擎结构包括但并不限于仅设置单个曲面发光屏1，其中还可以根据需要设置两个或者两个以上的曲面发光屏1。随着所述曲面发光屏1数量的增多，可以增加所述投影光学引擎结构的亮度，可以更好的提升投影成像的质量，进而提升用户的沉浸体验感。

当所述投影光学引擎结构中包括两个或者两个以上的所述曲面发光屏1时，基于各个所述曲面发光屏1分布在不同的位置/方向，在这些曲面发光屏1发出的光线01入射至所述投影镜头2之前，还要将各个所述曲面发光屏1发出的光线01进行合束处理，之后进入所述投影镜头2进行投影成像。因此，在不同的所述曲面发光屏1的出光路径之间需要设置上述示例中的合光器件3。

其中，不同的所述曲面发光屏1例如可以设计为能够发出不同波段的光线，此时，每个所述曲面发光屏1例如设计为能够发出一种波段的光线。

当然，也可以是，每个所述曲面发光屏1能够发出不同波段的光线。

参见图7，所述发光单元12发光的强度与发光角度相关。例如，在发光角度（CRA角度）为0度时，发光的光强最大，而随着发光角度增大，发光的光强会呈明显的下降趋势。在所述投影镜头2或所述合光器件3的尺寸一定的情况下，边缘视场的光线除了以0度的入射角度进入，部分大于0度的主光线入射角度也可进入，参见图8及图9左侧示出的视图。

在一个例子中，参见图3及图6所示，所述曲面发光屏1设置为三个，所述合光器件3为合光棱镜，且所述合光棱镜例如包括三个入光面31及一个出光面32。所述曲面发光屏1与所述入光面31为一一对应设置，且所述入光面31与对应的所述曲面发光屏1为相邻设置；所述投影镜头2与所述出光面32相邻设置。

将所述曲面发光屏1设计为三个，实现了所述投影光学引擎结构在既定的小体积基础上，能够显著增大所述投影镜头2的进光量。

在本申请的一些示例中，所述合光器件3包括合光棱镜或者合光镜片；

其中，所述合光镜片包括光学镜片以及设于所述光学镜片上的膜材。

也就是说，所述合光器件3可以为合光棱镜。当然，所述合光器件3也可以选择光学镜片，在光学镜片上贴设相应的滤光膜等即可。

在本申请的一些示例中，参见图1及图3，所述曲面发光屏1包括曲面基底11及设于所述曲面基底11上的光源；其中，所述光源包括呈目标阵列排布的多个发光单元12，各所述发光单元12能够发出可见光。

在同一个所述曲面发光屏1上，所述多个发光单元12可以发出相同波段（相同颜色）的光线。当然，在同一个所述曲面发光屏1上，所述多个发光单元12也可以发出不同波段的光线，本申请中对此不做限制。

在一个例子中，参见图1，所述曲面基底11为硅基底，且所述硅基底包括凹面，所述多个发光单元12设于所述凹面上。

根据上述例子，提出了一种曲面发光屏的结构，在该结构设计下，所述曲面基底11为具有曲面的硅基底，将所述多个发光单元12以目标阵列排列在所述硅基底的表面上，增加了出光聚集的能力。

参见图2，提出了一种投影光学引擎结构，其中包括上述例子中示出的曲面发光屏1的结构，可参见图1，这种曲面发光屏1的结构简单，将发光单元12直接排布在具有曲面的硅基底上，在既定的小体积基础上，可以增大所述投影镜头2的进光量。

参见图3，图3示出的投影光学引擎结构为通过合光器件3（X-cube）合色的三色投影光学引擎结构，其中包含如图1示出的曲面发光屏。

在另一个例子中，参见图4，所述曲面基底11包括平面硅基底111及设置在所述平面硅基底111一侧的透镜层112，且所述透镜层112背离所述平面硅基底111的表面为凹面。所述多个发光单元12设于所述平面硅基底111上，且所述透镜层112覆盖所述多个发光单元12。

其中，所述透镜层112包括玻璃材质。

根据上述例子，提出了另一种曲面发光屏的结构，参见图4，其是在平面发光屏结构上增加了一层弧面的透镜层112。所述透镜层112可以使所述发光单元12发出的光线透出，还可以保护各个所述发光单元12。

可选的是，所述透镜层112可以采用例如光学胶贴附在所述平面硅基底111的表面上，所述透镜层112也可以采用塑胶注塑方式形成在所述平面硅基底111的表面上。

由于所述透镜层112背离所述平面硅基底111的表面为凹面，使得所述透镜层112增加了光线聚集的能力。

参见图5，提出了一种投影光学引擎结构，其中包括上述例子中示出的曲面发光屏1的结构，可参见图4，将所述发光单元12排布在所述平面硅基底111上，且在其上覆盖一层弧面的透镜层112，在既定的小体积基础上，也可以增大所述投影镜头2的进光量。

参见图6，图6示出的投影光学引擎结构为通过合光器件3（X-cube）合色的三色投影光学引擎结构，其中包含如图4示出的曲面发光屏。

需要强调的是，在保证0度CRA光线方向与光轴方向小于90度的情况下，弧面的透镜层112聚光能力随着折射率增大而增大，所述透镜层112的材质优选玻璃。

根据本申请实施例，提出了一种投影光学引擎结构，其中采用曲面发光屏的方式，一方面通过最大限度的排列发光单元12，增加了投影光学引擎结构的亮度；另一方面，发光面的曲面设计提高了发光屏的聚光效果，能够在所述投影镜头2光阑一定的情况下，增加进光量，从而提高亮度。

根据本申请实施例提供的投影光学引擎结构，具有如下有益效果：

第一、提高了投影光学引擎结构的亮度。

在本申请的实施例中，采用了曲面发光屏1，可分别参见图1及图4，所述曲面发光屏1采用了两种不同的结构设计，但是基于光源都是设置在一曲面上，且所述光源包括多个发光单元12，如此通过最大限度的排列发光单元12，可以增加投影光学引擎结构的亮度。另一方面，所述多个发光单元12在曲面分布提高了发光屏的聚光效果，能够在投影镜头2的光阑一定的情况下，增加进光量，从而提高投影光学引擎结构的亮度。

以0.13寸曲面发光屏为例，采用曲率K为0.2时，投影光学引擎结构的亮度提升约10%。

第二、减小了投影光学引擎结构的体积。

在投影光学引擎结构的亮度要求一定的情况下，由于曲面发光屏1发出的光线更为集中，使得光线01从曲面发光屏1出射后，接收光线器件例如合光器件3的尺寸可以更小一些。

参见图10及图11的左侧，以平面屏02对应的合光器件3尺寸为基准，其中，所述合光器件3可以为合光透镜，参见图10，所述合光器件3也可以为合光棱镜，参见图11。请继续参见图10及图11的右侧，当采用曲面发光屏1时，所述合光器件3的尺寸明显会相对减小，其边长的减少量如下：

2H=L₂*tanα，其中，α为所述曲面发光屏1边缘切线与竖直方向的夹角，L₂为所述曲面发光屏1至与所述入光面31的距离。

由于所述合光器件3的尺寸减小，将使得整个投影光学引擎结构的体积尺寸更小。

第三、提高了投影光学引擎结构的光效。

参见图12及图13的右侧，采用曲面发光屏1的方式，在光线接收单元也即所述合光器件3尺寸一定的情况下，边缘视场除了0度CRA的光线进入所述投影镜头，部分大于0度的CRA也可进去光机。

一方面，通过最大限度的排列发光单元12，增加光线利用率；另一方面，曲面分布提高了发光屏的聚光效果，能够在镜头光阑一定的情况下，增加进光量，从而提高光效。以0.13寸的曲面发光屏1为例，采用曲率K为0.2时，投影光学引擎结构的光效提升约10%。

根据本申请的另一实施例，提供了一种投影装置。所述投影装置包括：壳体以及如上所述的投影光学引擎结构。

所述投影装置例如为各种形式的投影仪，如家用投影仪及车载投影仪等，本申请实施例中对此不做限制。

基于所述投影装置的类型不同，所述壳体的结构不同。所述投影光学引擎结构设于所述壳体之内。

根据本申请的又一实施例，提供了一种可穿戴设备。所述可穿戴设备包括外壳以及如上述所述的投影光学引擎结构。

所述可穿戴设备包括头戴式显示设备，例如AR眼镜或者AR头盔，此时，所述投影光学引擎结构例如可以形成AR光机。当然所述可穿戴设备还可以为VR产品等，本申请实施例中对此不做限制。

本申请实施例的投影装置以及可穿戴设备的具体实施方式可以参照上述投影光学引擎结构各实施例，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

虽然已经通过示例对本申请的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种投影光学引擎结构，其特征在于，包括：

曲面发光屏（1），所述曲面发光屏（1）的发光面为凹面，能够使得出射的光线（01）聚集，所述曲面发光屏（1）的曲率K为：0＜K＜π/L₁，L₁为所述曲面发光屏（1）的有效发光区域的口径；以及

投影镜头（2），所述投影镜头（2）位于所述曲面发光屏（1）的出光路径上，经所述曲面发光屏（1）出射的光线（01）倾斜的投射至所述投影镜头（2），所述投影镜头（2）用于将所述光线（01）直接投影成像。

2.根据权利要求1所述的投影光学引擎结构，其特征在于，所述曲面发光屏（1）设置为一个。

3.根据权利要求1所述的投影光学引擎结构，其特征在于，在所述曲面发光屏（1）设置为至少两个的情况下，所述投影光学引擎结构还包括合光器件（3），所述合光器件（3）位于各所述曲面发光屏（1）的出光路径之间，所述合光器件（3）用于将各所述曲面发光屏（1）发出的光线（01）合为一束光线，并投射至所述投影镜头（2）中。

4.根据权利要求3所述的投影光学引擎结构，其特征在于，所述曲面发光屏（1）设置为三个，所述合光器件（3）为合光棱镜，且包括三个入光面（31）及一个出光面（32）；

所述曲面发光屏（1）与所述入光面（31）为一一对应设置，且所述入光面（31）与对应的所述曲面发光屏（1）为相邻设置；

所述投影镜头（2）与所述出光面（32）相邻设置。

5.根据权利要求3所述的投影光学引擎结构，其特征在于，所述合光器件（3）包括合光棱镜或者合光镜片；

其中，所述合光镜片包括光学镜片以及设于所述光学镜片上的膜材。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的投影光学引擎结构，其特征在于，所述曲面发光屏（1）包括曲面基底（11）及设于所述曲面基底（11）上的光源；其中，所述光源包括呈目标阵列排布的多个发光单元（12），各所述发光单元（12）能够发出可见光。

7.根据权利要求6所述的投影光学引擎结构，其特征在于，所述曲面基底（11）为硅基底，且所述硅基底包括凹面，所述多个发光单元（12）设于所述凹面上。

8.根据权利要求6所述的投影光学引擎结构，其特征在于，所述曲面基底（11）包括平面硅基底（111）及设置在所述平面硅基底（111）一侧的透镜层（112），且所述透镜层（112）背离所述平面硅基底（111）的表面为凹面；

所述多个发光单元（12）设于所述平面硅基底（111）上，且所述透镜层（112）覆盖所述多个发光单元（12）。

9.根据权利要求8所述的投影光学引擎结构，其特征在于，所述透镜层（112）包括玻璃材质。

10.一种投影装置，其特征在于，包括：

壳体；以及

如权利要求1-9中任一项所述的投影光学引擎结构。

11.一种可穿戴设备，其特征在于，包括：

外壳；以及

如权利要求1-9中任一项所述的投影光学引擎结构。

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