一种投影镜头及投影系统的制作方法

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投影系统。

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HoloLens(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：目前的波导式投影镜头或者其他的近眼显示装置应用需要满足大视角的成像要求，常规的方法是通过增加透镜数量等方式满足大视角等成像质量，使得装置的光学总长度增加，不利于镜头的小型化。

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投影系统，能够减少装置的光学总长度，并保证满足大视角等成像质量。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；反射光学元件组，包括：第一偏振分光元件、四分之一波片和曲面反射镜，所述第一偏振分光元件设于所述透镜元件组的出光侧，所述四分之一波片、所述曲面反射镜设于所述第一偏振分光元件的一侧，所述四分之一波片设于所述第一偏振分光元件和所述曲面反射镜之间；所述第一偏振分光元件用于反射所述投影光束的第一偏振光，所述四分之一波片用于使所述第一偏振光产生附加光程差，所述曲面反射镜用于将所述四分之一波片输出的所述第一偏振光反射回所述四分之一波片，所述四分之一波片还用于使所述曲面反射镜反射的所述第一偏振光产生附加光程差，使其转换为所述投影光束的第二偏振光，所述第一偏振分光元件还用于透过所述第二偏振光，以使所述第二偏振光朝第三方向出射。

可选地，所述反射光学元件组还包括：会聚透镜；所述会聚透镜设于所述第一偏振分光元件远离所述四分之一波片的一侧，所述会聚透镜用于接收所述第一偏振分光元件输出的所述第二偏振光，并会聚所述第二偏振光，以使会聚后的所述第二偏振光朝所述第三方向出射。

可选地，所述反射光学元件组还包括：光阑，所述光阑设于所述会聚透镜的出光侧。

可选地，所述光阑、所述会聚透镜、所述四分之一波片和所述曲面反射镜的设置方向与所述透镜元件组的出光方向垂直；所述光阑、所述会聚透镜、所述四分之一波片和所述曲面反射镜的中心光轴重合，并与所述透镜元件组的中心光轴垂直。

可选地，所述四分之一波片、所述曲面反射镜和所述第一偏振分光元件胶合。

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，所述第一方向与所述第二方向的夹角大于0°小于等于90°，所述第二方向与所述第三方向垂直。

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：提供一种投影系统，包括照明装置以及上述的投影镜头，所述照明装置用于为所述投影镜头提供照明光束。

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使得沿第一方向入射的照明光束转换为投影光束，并朝第二方向出射，通过反射光学元件组使沿第二方向传输的投影光束朝第三方向出射，从而能够减少装置的光学总长度，并且保证满足大视角等成像质量。

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1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2为图1的投影镜头的反射光学元件组的另一结构示意图；

图3a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3b为图3a投影镜头的透镜元件组的另一结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种投影系统的结构示意图。

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，通过改变光束方向，能够减少装置的光学总长度，并保证满足大视角等成像质量。

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投影系统，以减小投影系统的体积。

具体地，下面将通过实施例对投影镜头和投影系统进行阐述。

实施例一

请参阅图1，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1所示，投影镜头100包括引导显示元件组110、透镜元件组120和反射光学元件组130。

其中，透镜元件组120设于引导显示元件组110和反射光学元件组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，反射光学元件组130用于使该投影光束从第三方向出射，通过以上方式，改变光束的方向，从而减少装置的光学总长度。

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1，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。

反射光学元件组130设于透镜元件组120远离引导显示元件组110的一侧，反射光学元件组130使透镜元件组120输出的投影光束从第三方向出射，以改变光束的方向，从而减少投影镜头100的光学总长度。其中，第三方向与第二方向垂直。

具体地，请再参阅图1，反射光学元件组130包括：第一偏振分光元件131、四分之一波片132、曲面反射镜133、会聚透镜134和光阑135。第一偏振分光元件131设于透镜元件组120的出光侧(即第三透镜123远离引导显示元件组110的一侧)，四分之一波片132、曲面反射镜133设于第一偏振分光元件131的一侧，四分之一波片132设于第一偏振分光元件131和曲面反射镜133之间，会聚透镜134设于第一偏振分光元件131远离四分之一波片132的一侧，光阑135设于会聚透镜134的出光侧(即会聚透镜134远离第一偏振分光元件131的一侧)。

其中，光阑135、会聚透镜134、四分之一波片132和曲面反射镜133的设置方向与透镜元件组120的出光方向垂直；光阑135、会聚透镜134、四分之一波片132和曲面反射镜133的中心光轴重合，并与透镜元件组120的中心光轴垂直。

其中，四分之一波片132、曲面反射镜133和第一偏振分光元件131胶合，以使得投影镜头100的结构更紧凑，从而缩短投影镜头100的宽度。具体为，四分之一波片132的一侧面与第一偏振分光元件131胶合，四分之一波片132的另一侧面与曲面反射镜133的凹面的边缘胶合。

其中，第一偏振分光元件131的入光面与第三透镜123的出光面可以无间隙连接，或者胶合，以在满足光路要求的前提下，进一步缩小镜头的长度和尺寸。

其中，请再参阅图1，第一偏振分光元件131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，另一偏振光以45°角被反射，并且两束偏振光的出射方向成90°。在本实施例中，第一偏振分光元件131用于将投影光束分成第一偏振光和第二偏振光，并透过投影光束的第二偏振光，以使第二偏振光沿第二方向出射，反射投影光束的第一偏振光，以使第一偏振光入射至四分之一波片132；第一偏振分光元件131还用于透过第二偏振光，以使第二偏振光朝第三方向出射。

可选地，第一偏振分光元件131为偏振分光棱镜时，偏振分光棱镜的外部工作面可以为平面或者曲面，当其工作面为曲面时可进一步对光束进行会聚补偿。

可选地，在另一些实施例中，如图2所示，第一偏振分光元件131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。其中，偏振片可以为偏光片或者其他晶体，只要能够将自然光变成偏振光即可。在此实施例中，第一偏振分光元件131用于将投影光束分成第一偏振光和第二偏振光，并遮蔽投影光束的第二偏振光，反射投影光束的第一偏振光，以使第一偏振光入射至四分之一波片132；第一偏振分光元件131还用于透过第二偏振光，以使第二偏振光朝第三方向出射。

需要说明的是，投影光束的第一偏振光可以为纵向光或横向光，投影光束的第二偏振光可以为纵向光或横向光，可以根据实际情况进行选择。当投影光束的第一偏振光为纵向光时，投影光束的第二偏振光为横向光；当投影光束的第一偏振光为横向光时，投影光束的第二偏振光为纵向光。

其中，四分之一波片132为一定厚度的双折射单晶薄片，能够使通过的光产生λ/4的附加光程差。在本实施例中，四分之一波片132用于使第一偏振分光元件131反射的第一偏振光产生附加光程差，四分之一波片132还用于使曲面反射镜133反射的第一偏振光产生附加光程差，使其转换为投影光束的第二偏振光。例如，若第一偏振光为横向光，第一偏振光两次经过四分之一波片132后，则转换为第二偏振光(即纵向光)。可选地，使第一偏振光的入射至四分之一波片132的入射振动面与四分之一波片132的光轴的夹角为45°时，第一偏振光首次经过四分之一波片132后，变为圆偏振光，第一偏振光再次经过四分之一波片132后，由圆偏振光变为线偏振光，从而能够根据需要改变第一偏振光的偏振态。

其中，曲面反射镜133用于将四分之一波片132输出的第一偏振光反射回四分之一波片132，以使第一偏振光再次经过四分之一波片132。通过设置曲面反射镜133，改变光束方向，从而减少装置的光学总长度，并且增大视场角，并保证成像质量。

可选地，在一些其他实施例中，曲面反射镜133还可以用曲面反射棱镜代替。

其中，会聚透镜134的焦距为正，会聚透镜134位于第一偏振分光元件131与光阑135之间。在本实施例中，会聚透镜134用于接收第一偏振分光元件131输出的第二偏振光，并会聚第二偏振光，以使其朝第三方向出射。其中，第二方向与第三方向垂直。

其中，光阑135为孔径光阑，能够限制光束或限制视场(成像范围)大小。在本实施例中，光阑135用于调节会聚透镜134输出的第二偏振光的光束大小。

可选地，在一些其他实施例中，当不需要会聚光束时，会聚透镜134可以省略。

可选地，在一些其他实施例中，当不需要调节光束大小时，光阑135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，第一偏振分光元件131接收透镜元件组120输出的投影光束，将投影光束分成第一偏振光和第二偏振光，并透过第二偏振光，反射第一偏振光，四分之一波片132使第一偏振分光元件131反射的第一偏振光产生附加光程差并出射至曲面反射镜133，曲面反射镜133将第一偏振光反射回四分之一波片132，第一偏振光再次经过四分之一波片132，转变为第二偏振光，第二偏振光入射至会聚透镜134，会聚透镜134会聚第二偏振光，会聚的第二偏振光经过光阑135后沿第三方向出射。通过以上方式，使得沿第二方向传播的投影光束的传播方向改变，以使其沿第三方向出射，从而减少装置的光学总长度。

在本实施例中，投影镜头100通过引导显示元件组110使得沿第一方向入射的照明光束转换为投影光束，并朝第二方向出射，通过反射光学元件组130使沿第二方向传输的投影光束朝第三方向出射，从而能够减少装置的光学总长度，并且保证满足大视角等成像质量。

实施例二

请参阅图3a，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。如图3a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3b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，第一偏振分光元件131接收透镜元件组120输出的投影光束，将投影光束分成第一偏振光和第二偏振光，并透过第二偏振光，反射第一偏振光，四分之一波片132使第一偏振分光元件131反射的第一偏振光产生附加光程差并出射至曲面反射镜133，曲面反射镜133将第一偏振光反射回四分之一波片132，第一偏振光再次经过四分之一波片132，转变为第二偏振光，第二偏振光入射至会聚透镜134，会聚透镜134会聚第二偏振光，会聚的第二偏振光经过光阑135后沿第三方向出射。通过以上方式，使得沿第二方向传播的投影光束的传播方向改变，以使其沿第三方向出射，从而减少装置的光学总长度。

在本实施例中，投影镜头100通过引导显示元件组110使得沿第一方向入射的照明光束转换为投影光束，并朝第二方向出射，通过反射光学元件组130使沿第二方向传输的投影光束朝第三方向出射，从而能够减少装置的光学总长度，并且保证满足大视角等成像质量。

实施例三

请参阅图4，为本实用新型实施例提供的一种投影系统的结构示意图。如图4所示，该投影系统200包括照明装置210和上述实施例一或实施例二中的投影镜头100。照明装置210用于为投影镜头100提供照明光束。

其中，在本实施例中，以实施一为例举例说明。

其中，照明装置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。照明装置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，照明装置210能够使投影镜头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，照明装置210与投影镜头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，则照明装置210设于棱镜112的斜面侧。

在本实施例中，投影系统200通过设置光学总长度较小的投影镜头100，使得整个投影系统200的设备体积较小，并同时不影响成像质量，有利于镜头的小型化。

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。