一种投影镜头及近眼显示装置的制作方法

本实用新型实施例涉及光学投影技术领域，特别是涉及一种投影镜头及近眼显示装置。

背景技术：

近年来，增强现实技术等近眼显示技术得到快速发展，例如，微软的Ho l oLens(一种不受线缆限制的全息计算机设备)、索尼的全息透视技术眼镜等等。增强现实近眼显示技术是一种将光场成像在现实空间的技术，能够实现虚拟世界与现实世界的互动。

目前，通过光学波导实现增强现实技术的方案被广泛应用，该方案能够在减小设备体积、减轻质量的同时，并且实现光线的定向传导。

本实用新型的发明人在实现本实用新型实施例的过程中发现：目前的投影镜头采用平面反射镜或者曲面反射镜对光束进行装转向，如图1a所示，曲面反射镜反射后会得到非平行光，容易引起像差，如图1b所示，平面反射镜虽然能得到平行光但会使得整个空间增大，从而使得装置体积增大。

技术实现要素：

本实用新型实施例主要解决的技术问题是提供一种投影镜头及近眼显示装置，能够不改变光束平行光的特性，同时缩小镜头的长度，使得体积较小。

为解决上述技术问题，本实用新型实施例采用的一个技术方案是：提供一种投影镜头，包括:引导显示元件组，用于将从第一方向入射的照明光束转换为投影光束，并使所述投影光束朝第二方向出射；透镜元件组，其中心光轴与所述第二方向重合，用于接收并透射所述引导显示元件组输出的投影光束；转向光学元件，用于对所述投影光束进行至少两次折射，以使所述投影光束转向和聚拢，并使其朝第三方向出射。

可选地，所述转向光学元件包括：透镜本体、第一折射面和第二折射面，所述第一折射面和所述第二折射面分别设于所述透镜本体的两端；当所述投影光束入射至所述第一折射面，所述第一折射面将所述投影光束折射至所述透镜本体，所述透镜本体透射所述投影光束至所述第二折射面，所述第二折射面折射所述投影光束，以使所述投影光束朝所述第三方向出射。

可选地，所述透镜本体由两个或者多个不同折射率的光楔组成，进而有效的消除所述投影光束的色差。

可选地，所述转向光学元件具体用于：对所述投影光束进行至少两次折射和至少一次反射，以使所述投影光束转向和聚拢，并使其朝第三方向出射。

可选地，所述转向光学元件包括：透镜本体、第一折射面、第二折射面和第一反射面，所述第一折射面和所述第二折射面分别设于所述透镜本体的两端，所述第一反射面设于所述透镜本体的一侧，并分别与所述第一折射面、所述第二折射面相交；当所述投影光束入射至所述第一折射面，所述第一折射面将所述投影光束折射至所述透镜本体，所述透镜本体透射所述投影光束至所述第一反射面，所述第一反射面反射所述投影光束，所述透镜本体透射反射后的所述投影光束至所述第二折射面，所述第二折射面折射所述投影光束，以使所述投影光束朝所述第三方向出射。

可选地，所述转向光学元件包括：透镜本体、第一折射面、第二折射面、第一反射面和第二反射面，所述第一折射面和所述第二折射面分别设于所述透镜本体的两端，所述第一反射面设于所述透镜本体的一侧，所述第二反射面设于所述透镜本体的另一侧，所述第一反射面、所述第二反射面均与所述第一折射面、所述第二折射面相交；当所述投影光束入射至所述第一折射面，所述第一折射面将所述投影光束折射至所述透镜本体，所述透镜本体透射所述投影光束至所述第一反射面，所述第一反射面反射所述投影光束，所述透镜本体透射第一次反射后的所述投影光束至所述第二反射面，所述第二反射面反射所述投影光束，所述透镜本体透射第二次反射后的所述投影光束至所述第二折射面，所述第二折射面折射所述投影光束，以使所述投影光束朝所述第三方向出射。

可选地，所述引导显示元件组包括第一显示芯片和棱镜；所述棱镜用于接收并透过所述照明光束，以使其输出至所述第一显示芯片；所述第一显示芯片用于将所述棱镜输出的所述照明光束转换为所述投影光束，并使其输出至所述棱镜；所述棱镜还用于反射所述第一显示芯片输出的所述投影光束，以使所述投影光束朝所述第二方向出射。

可选地，所述引导显示元件组包括：第二显示芯片和第二偏振分光元件；所述第二偏振分光元件用于接收并透过部分所述照明光束，以使其输出至所述第二显示芯片；所述第二显示芯片用于将所述第二偏振分光元件输出的部分所述照明光束转换为所述投影光束，并使其输出至所述第二偏振分光元件；所述第二偏振分光元件还用于反射所述第二显示芯片输出的所述投影光束，以使所述投影光束朝所述第二方向出射。

可选地，所述透镜元件组包括：第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜沿所述透镜元件组的中心光轴按照从所述引导显示元件组至所述反射光学元件组的方向依序排列；所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述投影镜头的焦距满足：0.8＜|F1/F|＜1.3,0.5＜|F2/F|＜1.0；其中，F1为所述第一透镜的焦距，F2为所述第二透镜和所述第三透镜组合后的焦距，F为所述投影镜头的焦距。

可选地，所述投影镜头还包括：会聚透镜；所述会聚透镜设于所述转向光学元件的出光侧，所述会聚透镜用于接收所述转向光学元件输出的所述投影光束，并会聚所述投影光束以及消除色差，以使会聚后的所述投影光束朝所述第三方向出射。

可选地，所述投影镜头还包括：光阑，所述光阑设于所述会聚透镜的出光侧，所述光阑的中心光轴与所述会聚透镜的中心光轴重合。

为解决上述技术问题，本实用新型实施例采用的另一个技术方案是：提供一种近眼显示装置，包括照明模块、衍射波导以及上述的投影镜头，所述照明模块设于所述投影镜头的入光侧，所述衍射波导设于所述投影镜头的出光侧。

本实用新型实施例的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例提供一种投影镜头通过引导显示元件组将入射的照明光束转换为投影光束，透镜元件组对透镜光束进行处理和透射，以保证投影镜头的成像质量，转向光学元件对投影光束进行折射，以进行转向和聚拢，从而能够不改变光束平行光的特性，同时缩小镜头的长度，使得体积较小。

附图说明

一个或多个实施通过与之对应的附图进行示例性说明，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表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1a为现有技术中曲面反射镜对光束转向的示意图；

图1b为现有技术中平面反射镜对光束转向的示意图；

图2为本实用新型其中一实施例提供的一种投影镜头的结构示意图；

图3a为图2的投影镜头的转向光学元件的结构示意图；

图3b为图2的投影镜头的转向光学元件的另一结构示意图；

图3c为图2的投影镜头的转向光学元件的又一结构示意图；

图4a为图2的投影镜头的转向光学元件的另又一结构示意图；

图4b为图3a的转向光学元件的结构示意图；

图5a为本实用新型另一实施例提供的一种投影镜头的结构示意图；

图5b为图5a投影镜头的处理模块的另一结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种近眼显示装置的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本实用新型。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，下面所描述的本实用新型不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实用新型实施例中的投影镜头，通过设置转向光学元件，能够不改变光束平行光的特性，同时缩小镜头的长度，使得体积较小。

本实用新型实施例中的投影镜头，能够应用于本实施例中的近眼显示装置，以减小装置的体积。

具体地，下面将通过实施例对投影镜头和近眼显示装置进行阐述。

实施例一

请参阅图2，为本实用新型其中一实施例提供的一种投影镜头的结构示意图。如图2所示，投影镜头100包括引导显示元件组110、透镜元件组120和转向光学元件130。

其中，透镜元件组120设于引导显示元件组110和转向光学元件130之间，引导显示元件组110用于将从第一方向入射的照明光束转换为投影光束，并使该投影光束朝第二方向出射，透镜元件组120用于接收并透射引导显示元件组110输出的投影光束，转向光学元件130用于对投影光束进行至少两次折射，以使投影光束转向和聚拢，并使其朝第三方向出射。其中，第一方向与第二方向的夹角大于0°小于等于90°，第二方向与第三方向的夹角大于0°小于等于90°。通过以上方式，对投影光束进行转向和聚拢，能够不改变光束平行光的特性，同时缩小镜头的长度，使得体积较小。

引导显示元件组110可以为显示芯片和光学元件组成的模块，显示芯片能够将照明光束转换为投影光束，光学元件能够改变光束的传播方向。

具体地，请再参阅图2，引导显示元件组110包括：第一显示芯片111和棱镜112。第一显示芯片111可以为DMD显示芯片，能够对光进行数字化调制，从而将照明光束转换为投影光束。第一显示芯片111用于将棱镜112输出的照明光束转换为投影光束，并使其输出至棱镜112。棱镜112可以为直角三棱镜，能够对光进行透射和反射。棱镜112用于接收并透过照明光束，以使其输出至第一显示芯片111；棱镜112还用于反射第一显示芯片111输出的投影光束，以使该投影光束朝第二方向出射。

在本实施例中，第一显示芯片111设于棱镜112其中一直角面(直角面为直角边形成的侧面)的一侧，透镜元件组120设于棱镜112另一直角面的一侧，照明光束从第一方向朝棱镜112的斜面入射，棱镜112透过该照明光束，以使照明光束输出至第一显示芯片111，第一显示芯片111将棱镜112输出的照明光束转换为投影光束并输出至棱镜112的斜面，棱镜112将反射该投影光束，以使该投影光束朝第二方向出射。

其中，棱镜112的斜面靠近第一显示芯片111设有透射膜，以透射照明光束。棱镜112的斜面靠近第一显示芯片111设有反射膜，以反射投影光束。

其中，照明光束沿第一方向入射至棱镜112的斜面时，入射角为锐角。棱镜112的斜面对投影光束进行反射时，反射角度为90°。通过以上方式，使得照明光束入射的第一方向与投影光束出射的第二方向的夹角为大于0°小于90°。并且，第一方向与第一显示芯片111工作面的法向夹角φ为第一显示芯片111内小镜子偏转角的两倍，夹角φ的范围为24°至34°。

透镜元件组120可以包括若干个光学透镜，用于对投影光束进行发散和/或会聚，从而缩短投影镜头100的光学总长度，并保证投影镜头100的成像质量。透镜元件组120的中心光轴与第二方向重合，透镜元件组120用于接收并透射引导显示元件组110输出的投影光束。

具体地，透镜元件组120包括第一透镜121、第二透镜122和第三透镜123。第一透镜121、第二透镜122和第三透镜123可以由玻璃或塑料材料制备而成，第一透镜121、第二透镜122和第三透镜123的入光面可以为球面或非球面，第一透镜121、第二透镜122和第三透镜123的出光面也可以为球面或非球面。第一透镜121、第二透镜122和第三透镜123沿透镜元件组120的中心光轴按照从引导显示元件组110至反射光学元件组130的方向依序排列，第一透镜121、第二透镜122和第三透镜123的中心光轴重合，以使得引导显示元件组110出射的投影光束沿第二方向依次经过第一透镜121、第二透镜122和第三透镜123。

其中，第一透镜121、第二透镜122和第三透镜123和投影镜头100的焦距满足：0.8＜|F1/F|＜1.3,0.5＜|F2/F|＜1.0；其中，F1为第一透镜121的焦距，F2为第二透镜122和第三透镜133组合后的焦距，F为投影镜头100的焦距。例如，F1、F2、F满足0.81＜|F1/F|＜1.2,0.6＜|F2/F|＜0.9；又例如，F1、F2、F满足0.82＜|F1/F|＜1.1,0.51＜|F2/F|＜0.9。通过以上方式，能够有利于缩短投影镜头100的光学总长度，实现模组的小型化，同时保证投影镜头100的成像质量。

可选地，第二透镜122的出光面与第三透镜123的入光面可以无间隙贴合设置，第三透镜123的出光面和转向光学元件130的入光面可以无间隙贴合设置。

转向光学元件130设于透镜元件组120远离引导显示元件组110的一侧，转向光学元件130对透镜元件组120输出的投影光束进行至少两次折射，使得投影光束转向和聚拢，并使其朝第三方向出射。其中，转向是指投影光束输出的第三方向与照明光束入射的第一方向不同；聚拢是指投影光束输出的第三方向朝照明光束入射的第一方向偏转，使得入射光束和出射光束相靠拢，并且通过改变折射率能够获取所需的聚拢效果。其中，第三方向与第一方向的夹角大于90°小于等于180°。

其中，至少两次折射，可以包括：透射和两次折射、一次反射和两次折射、两次反射和两次折射、多次反射和多次折射等等。

其中，当转向光学元件130对投影光束依次进行折射、透射、折射后，沿第三方向出射时，请一并参阅图3a，转向光学元件130包括：透镜本体131、第一折射面132和第二折射面133。透镜本体131为四棱透镜，第一折射面132和第二折射面133分别设于透镜本体131的相对两端。当投影光束入射至第一折射面132，投影光束在第一折射面132发生折射偏转，第一折射面132将投影光束折射至透镜本体131，投影光束沿透镜本体131传输，以使透镜本体131透射投影光束至第二折射面133，第二折射面133折射该投影光束，以使投影光束朝第三方向出射。当然，在一些其他实施例中，透镜本体131也可以由两个或者多个不同折射率的光楔组成，进而有效的消除投影光束的色差。

可选地，在一些其他实例中，转向光学元件130可以具体用于：对投影光束进行至少两次折射和至少一次反射，以使投影光束转向和聚拢，并使其朝第三方向出射。当转向光学元件130对投影光束依次进行折射、透射、反射、透射、折射后，沿第三方向出射时，请一并参阅图3b，转向光学元件130包括：透镜本体131、第一折射面132、第二折射面133和第一反射面134。透镜本体131为四棱透镜，第一折射面132和第二折射面133分别设于透镜本体131的相对两端，第一反射面134设于透镜本体131的一侧，并分别与第一折射面132、第二折射面133相交。当投影光束入射至第一折射面132，投影光束在第一折射面132发生折射偏转，第一折射面132将投影光束折射至透镜本体131，透镜本体131透射投影光束至第一反射面134，第一反射面134反射投影光束，反射后的投影光束沿透镜本体131传输，以使透镜本体131透射投影光束至第二折射面133，第二折射面133折射该投影光束，以使投影光束朝第三方向出射。

可选地，当转向光学元件130对投影光束依次进行折射、透射、反射、透射、反射、透射、折射后，沿第三方向出射时，请一并参阅图3c，转向光学元件130包括：透镜本体131、第一折射面132、第二折射面133、第一反射面134和第二反射面135。透镜本体131为四棱透镜，第一折射面132和第二折射面133分别设于透镜本体131的相对两端，第一反射面134、第二反射面135分别设于透镜本体131的另相对两侧，第一反射面134、第二反射面135均与第一折射面132、第二折射面133相交。当投影光束入射至第一折射面132，投影光束在第一折射面132发生折射偏转，第一折射面132将投影光束折射至透镜本体131，透镜本体131透射投影光束至第一反射面134，第一反射面134反射投影光束，第一次反射后的投影光束沿透镜本体131透射至第二反射面135，第二反射面135反射投影光束，第二次反射后的投影光束沿透镜本体131透射至第二折射面133，第二折射面133折射该投影光束，以使投影光束朝第三方向出射。

可选地，在一些其他实例中，透镜本体131的形状不一定为四棱透镜，还可以为其他多棱透镜，只要能够使得投影光束转向和聚拢即可。请一并参阅图4a和4b，透镜本体131的形状为不规则多面棱镜，其中，不规则多面棱镜可以为一个棱镜，也可以两个或者多个棱镜一体成型或胶合而成。采用不规则多面棱镜设计自由度更高，可通过反射面等角度设置，使光束偏转的角度更大，更容易实现小角度的调节。

需要说明的是，无论投影光束在转向光学元件130内进行一次反射和两次折射、两次反射和两次折射还是多次反射等等，并不是本实用新型限定的内容，可以通过改变入射角度、透镜本体的折射率等等进行调节。

其中，请再参阅图2，该投影镜头100还可以包括：会聚透镜140和光阑150。会聚透镜140可以凸透镜等具有会聚作用的透镜，焦距为正。会聚透镜140设于转向光学元件130的出光侧，会聚透镜140用于接收转向光学元件130输出的投影光束，并会聚该投影光束以及消除色差，以使会聚后的投影光束朝第三方向出射。光阑150为视场光阑，能够限制视场(成像范围)大小。光阑150设于会聚透镜140的出光侧，且光阑150的中心光轴与会聚透镜140的中心光轴重合，光阑150用于调节会聚透镜140输出的投影光束成像的视场大小。当然，在一些其他实施例中，当不需要会聚光束时，会聚透镜140可以省略；当不需要调节视场大小时，光阑150可以省略。

在本实施例中，投影镜头100的工作过程大致为：从第一方向入射的照明光束经过棱镜112透射至第一显示芯片111，第一显示芯片111将照明光束转换为投影光束并输出至棱镜112的斜面反射面上，棱镜112反射投影光束，以使该投影光束朝第二方向进入透镜元件组120，透镜元件组120透射处理后的投影光束，转向光学元件130接收透镜元件组120输出的投影光束，对投影光束进行至少两次折射，以使投影光束转向和聚拢，会聚透镜140会聚转向光学元件130输出的投影光束，会聚的投影光束经过光阑150后沿第三方向出射。

在本实施例中，投影镜头100通过引导显示元件组110将入射的照明光束转换为投影光束，透镜元件组120对透镜光束进行处理和透射，以保证投影镜头100的成像质量，转向光学元件130对投影光束进行折射，以进行转向和聚拢，从而能够不改变光束平行光的特性，同时缩小镜头的长度，使得体积较小。

实施例二

请参阅图5a，为本实用新型另一实施例提供的一种投影装置的结构示意图。如图5a所示，与实施例一的区别在于，引导显示元件组110包括：第二显示芯片113和第二偏振分光元件114。

其中，第二显示芯片113为LCOS显示芯片，第二显示芯片113用于将第二偏振分光元件114输出的部分照明光束转换为投影光束的第一偏振光，并使其输出至第二偏振分光元件114。

其中，第二偏振分光元件114为偏振分光棱镜，该偏振分光棱镜由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一棱镜的斜面上镀有偏振分光膜，以使该偏振分光棱镜能够把入射的非偏振自然光束分成两束垂直的线偏振光，其中一偏振光完全通过，另一偏振光被反射。第二偏振分光元件114用于接收并透过部分照明光束，以使其输出至第二显示芯片113；第二偏振分光元件114还用于反射第二显示芯片113输出的投影光束，以使投影光束朝第二方向出射。

其中，照明光束沿第一方向入射至偏振分光棱镜，与该偏振分光棱镜的分光面的夹角为45°，以使得照明光束入射的第一方向与投影光束出射的第二方向的夹角等于90°，从而使得投影镜头100输出的投影光束的方向与入射的照明光束的方向平行且相反(即第一方向与第三方向平行且相反)。

可选地，如图5b所示，第二偏振分光元件114还可以为偏振片，该偏振片与第二方向成45°角设置，该偏振片能够将入射的非偏振自然光束分成两束垂直的线偏振光，其中一偏振光完全通过，另一偏振光被遮蔽。

在本实施例中，投影镜头100的工作过程大致为：从第一方向入射的照明光束经过第二偏振分光元件114后，照明光束的部分偏振光透射至第二显示芯片112，照明光束的另一部分偏振光被反射，第二显示芯片112将部分照明光束转换为投影光束，并输出至第二偏振分光元件114的偏振分光面上，第二偏振分光元件114反射该投影光束，以使该投影光束朝第二方向进入透镜元件组120，透镜元件组120透射处理后的投影光束，转向光学元件130接收透镜元件组120输出的投影光束，对投影光束进行至少两次折射，以使投影光束转向和聚拢，会聚透镜140会聚转向光学元件130输出的投影光束，会聚的投影光束经过光阑150后沿第三方向出射。

在本实施例中，投影镜头100通过引导显示元件组110将入射的照明光束转换为投影光束，透镜元件组120对透镜光束进行处理和透射，以保证投影镜头100的成像质量，转向光学元件130对投影光束进行折射，以进行转向和聚拢，从而能够不改变光束平行光的特性，同时缩小镜头的长度，使得体积较小。

实施例三

请参阅图6，为本实用新型实施例提供的一种近眼显示装置的结构示意图。如图6所示，该近眼显示装置200包括照明模块210、衍射波导220和上述实施例一或实施例二中的投影镜头100。

其中，在本实施例中，以实施一为例举例说明。

照明模块210可以为激光光源，例如光纤耦合激光光源、二极管激光光源或固体激光光源等等。照明模块210可以包括红色激光光源、绿色激光光源、蓝色激光光源，通过采用三基色激光，照明模块210能够使投影装置100最真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，提供更具震撼的表现力。

其中，照明模块210设于投影镜头100的入光侧，照明模块210用于为投影镜头100提供照明光束，照明模块210与投影装置100的相对位置可以由照明光束的入射方向(即第一方向)决定，例如，若要求第一方向与第二方向所成夹角为锐角，则照明模块210设于棱镜112的斜面侧。

衍射波导220设于投影镜头100的出光侧，用于接收投影镜头100输出的投影光束，将投影光束限制在衍射波导220内传播，以进行成像，从而人眼能够通过衍射波导220接收成像信息。

在本实施例中，近眼显示装置200通过设置体积较小的投影镜头100，使得整个近眼显示装置200的设备体积较小，同时不不改变光束平行光的特性，不影响成像质量，有利于装置的小型化。

需要说明的是，本实用新型的说明书及其附图中给出了本实用新型的较佳的实施方式，但是，本实用新型可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施方式，这些实施方式不作为对本实用新型内容的额外限制，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施方式，均视为本实用新型说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。