一种基于MicroLED的AR光栅波导投影系统的制作方法

本实用新型涉及投影技术领域，具体为一种基于microled的ar光栅波导投影系统。

背景技术：

随着虚拟现实和增强现实技术逐渐被人们认识和接受，近眼显示设备得到了快速发展，如微软的hololens和magicleap公司的magicleapone。增强现实技术中的近眼显示可以将虚拟图像叠加到现实景物中，同时兼具透视特性，不影响对现实景物的正常观察。利用传统光学元件将虚拟图像耦合进入人眼的方式已经被采用，包括棱镜、半透半反镜片、自由曲面波导、镜面阵列波导、光栅波导等。光栅波导显示技术是利用衍射光栅实现光线的入射、转折和出射，利用全反射原理实现光线传输，将微显示器的图像传导至人眼，进而看到虚拟图像。

由于采用和光纤技术一样的全反射原理，光栅波导显示组件可以做的和普通眼镜镜片一样轻薄透明。且由于对光线的转折是通过镜片表面的衍射光栅来实现的，与底板的形状基本没有关系，易于批量制造，生产成本低。因此，光栅波导技术被认为是ar近眼显示技术的发展趋势而被越来越多的人重视和采用。

传统的衍射波导显示装置采用lcos或dlp微投影系统，此类系统需要采用led作为光源照射微显示元件产生图像，系统复杂，体积和重量都较大，另外，采用led作为光源，无论图像上的像素是否需要显示，光源都需要一直工作，使很大一部分光能浪费，系统整体光效较低。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于microled的ar光栅波导投影系统，以解决上述背景技术中传统的衍射波导显示装置采用lcos或dlp微投影系统，此类系统需要采用led作为光源照射微显示元件产生图像，系统复杂，体积和重量都较大，另外，采用led作为光源，无论图像上的像素是否需要显示，光源都需要一直工作，使很大一部分光能浪费，系统整体光效较低的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于microled的ar光栅波导投影系统，包括led微显示屏、投影镜片组、棱镜、显示屏支架、镜筒和棱镜支架，led微显示屏安装在显示屏支架外侧，所述投影镜片组安装在镜筒内侧，所述棱镜安装在棱镜支架内侧，所述显示屏支架和棱镜支架均与镜筒卡接相连，所述棱镜顶端设有第一粗糙面，所述棱镜底端设有第二粗糙面，所述棱镜正面设有反光射面，所述棱镜一侧外壁设有第一透光面，所述棱镜另一侧外壁设有第二透光面，所述显示屏支架由第一卡块和显示屏固定槽组成，所述镜筒内侧开设有镜片槽，所述棱镜支架由第二卡块、卡槽和第二倒角组成，所述棱镜上方设有ar光栅波导元件，所述ar光栅波导元件表面开设有耦入窗口。

优选的，所述第一卡块呈u型结构对称设置在显示屏支架边缘处，所述显示屏固定槽开设在显示屏支架外壁处，所述led微显示屏与显示屏固定槽相衔接。

优选的，所述镜筒顶部和底部均开设有第一凹槽，所述第一凹槽一侧开设有第二凹槽，所述第一凹槽与第二卡块插接相连，所述第二凹槽与第一卡块插接相连，所述镜筒一侧外壁对称设有第一倒角，所述镜筒一侧外壁为平面结构。

优选的，所述镜片槽设有多个，且多个所述镜片槽与投影镜片组一一对应。

优选的，所述第二卡块对称固定在棱镜支架外壁处，所述卡槽位于棱镜支架内侧。

优选的，所述耦入窗口与棱镜上的第一透光面相对应。

本实用新型提供了一种基于microled的ar光栅波导投影系统，具备以下有益效果：

本实用新型提出的适用于ar光栅波导的投影系统，采用microled微显示屏作为显示元件，不需要额外的背光系统，使得整个投影系统结构更紧凑小巧，光效更高。

通过设置棱镜支架的u形固定结构，显示屏支架u形固定结构，及镜筒中的凹槽，通过直接的粘接或焊接等方式相互固定，使得在保证系统各光学元件和结构配合可靠性及精度的前提下，进一步压缩了系统的体积。

在不影响整个系统功能和配合的情况下，把一些结构上的棱或边设置成为圆角或倒角，以减小整个microled投影系统的体积和重量。

通过将微显示屏，投影镜片组，棱镜固定在镜筒上，然后利用镜筒侧边较大的接触面积，将整个系统与ar光栅波导相固定，使整个系统的固定结构的体积和复杂性得到进一步压缩，从而进一步减小了系统的体积，提高了紧凑性。

附图说明

图1为本实用新型的爆炸示意图；

图2为本实用新型的系统光原理示意图；

图3为本实用新型的棱镜整体结构示意图；

图4为本实用新型的棱镜俯视结构示意图；

图5为本实用新型的显示屏支架侧面结构示意图；

图6为本实用新型的显示屏支架正面结构示意图；

图7为本实用新型的镜筒外部结构示意图；

图8为本实用新型的镜筒剖面结构示意图；

图9为本实用新型的棱镜支架外侧结构示意图；

图10为本实用新型的棱镜支架内侧结构示意图。

图中：1、led微显示屏；101、投影镜片组；2、棱镜；201、第一粗糙面；202、第二粗糙面；203、反光射面；204、第一透光面；205、第二透光面；3、显示屏支架；301、第一卡块；302、显示屏固定槽；4、镜筒；401、第一凹槽；402、第二凹槽；403、第一倒角；404、镜片槽；5、棱镜支架；501、第二卡块；502、卡槽；503、第二倒角；6、ar光栅波导元件；601、耦入窗口。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-10所示，本实用新型提供一种技术方案：一种基于microled的ar光栅波导投影系统，包括led微显示屏1、投影镜片组101、棱镜2、显示屏支架3、镜筒4和棱镜支架5，led微显示屏1安装在显示屏支架3外侧，所述投影镜片组101安装在镜筒4内侧，所述棱镜2安装在棱镜支架5内侧，所述显示屏支架3和棱镜支架5均与镜筒4卡接相连，所述棱镜2顶端设有第一粗糙面201，所述棱镜2底端设有第二粗糙面202，所述棱镜2正面设有反光射面203，所述棱镜2一侧外壁设有第一透光面204，所述棱镜2另一侧外壁设有第二透光面205，所述显示屏支架3由第一卡块301和显示屏固定槽302组成，所述镜筒4内侧开设有镜片槽404，所述棱镜支架5由第二卡块501、卡槽502和第二倒角503组成，所述棱镜2上方设有ar光栅波导元件6，所述ar光栅波导元件6表面开设有耦入窗口601。

本实用新型提出的适用于ar光栅波导的投影系统，采用microled微显示屏作为图像显示元件，由于microled微显示屏为主动发光显示，不需要额外的背光系统，因此系统的结构更紧凑小巧。其结构如图1所示，系统主要由microled微显示屏1、显示屏支架3、投影镜片组101、镜筒40、棱镜2、棱镜支架5组成。

系统的光学原理如图2所示。microled微显示器产生的图像光经过投影镜片组101的调制后成为准直或接近准直的光束，调制后的光束经过棱镜2的反射转向后入射到ar光栅波导元件6的耦入窗口601，经过ar光栅波导元件6的作用后实现系统的正常工作和图像的正常显示。

microled微显示屏1可以是单色显示屏，也可以是多色或彩色显示屏。

投影镜片组101可以是由单个或多个光学镜片组成，光学镜片材质可以是塑料或光学玻璃，光学镜片可以是胶合透镜，单透镜，也可以为衍射透镜。每个镜片的面型可以为球面或非球面。

棱镜2的结构如图3和4所示，棱镜2的上下两个面，第一粗糙面201和第二粗糙面202加工成粗糙状，并涂黑色，以吸收入射到其上的光束，减少系统的杂光干扰。第一透光面204和第二透光面205呈透光设置，可以镀增透膜，以增加透光率。面203为光反射面，棱镜2的材质通常选择高折射率(如折射率大于1.7)的光学玻璃材料,使得入射到反光射面203的光束入射角大于棱镜2的全反射角θ0，从而使光束在反光射面203上发生近乎无损的全反射。

棱镜2的反光射面203工作在全反射状态下，棱镜可以传导的光束的角度范围：

θ＝2arcsin[n*sin(45-θ0)](1)

n为棱镜的折射率，θ0为棱镜的全反射角。θ0可由折射率n计算得出，公式为：

θ0＝arcsin(1/n)(2)

将(2)带入(1)，可得

θ＝2arcsin[n*sin(45-arcsin)](3)

(此公式适用于第一透光面204和第二透光面205夹角90度，反光射面203与第二透光面205夹角45度，即最常用的棱镜结构，其他结构下，计算方法类似，趋势相同，不再赘述)

从公式(3)可以看出，棱镜材料折射率n越大，棱镜可以传导的光束的角度范围越大。因此，棱镜2通常选择高折射率材料。作为参考的，折射率n为1.7时，棱镜2传导的角度范围为30度。

反光射面203也可以做镀反射膜处理，此时棱镜适用于需要传导的光束角度范围过大，反光射面203无法依靠全反射效应反射全部光束的情况。

显示屏支架3的结构如图5和6所示。显示屏支架3设置有上下对称的u形结构-第一卡块301，用于将显示屏支架3固定在镜筒4上，保证固定牢固的前提下，使得结构紧凑。显示屏支架3还包括显示屏固定槽302，可以通过粘接或其他方式将microled微显示屏固定在槽302中。

棱镜支架5的结构如图9和10所示。棱镜支架5中设置有上下对称的u形结构-第二卡块501，用于将棱镜支架5固定在镜筒4上，保证结构紧凑且固定牢固。棱镜支架用于安装棱镜，其中棱镜支架5内壁对称设置的两个平面分别与第一粗糙面201和第二粗糙面202对应，通过粘接或其他方式固定。设有卡槽502的一面与反光射面203相对应，使得棱镜2安装到棱镜支架5之后，开设有卡槽502的一面上的大部分区域(此区域大于反光射面203的有效工作区域)与反光射面203之间留有间隙，以保证反光射面203在工作在全反射状态时不受影响。

镜筒4的结构如图7和8所示。镜筒4中设置多个镜片槽405，用于将投影镜片组101中的各个光学镜片固定其中，同时保证镜片间距与装配尺寸精度要求。镜筒4上下两侧设置有第一凹槽401和第二凹槽402，第二凹槽402与第一卡块301相配合，用于固定显示屏支架3，第一凹槽401与棱镜支架5上的第二卡块501相配合，用于固定棱镜支架5。镜筒4的一侧外壁设置为平面，且留有较大的面积(通常面的侧棱不设置为圆角及倒角，或圆角及倒角的尺寸很小)，用于将整个microled投影系统通过粘接或其他的结合方式固定在光栅波导镜片6上，或固定在其他结构上，使得microled投影系统能够和光栅波导镜片6配合工作，正常显示。

通过上述设置的第一卡块501，第二卡块301，镜筒4中的第一凹槽401和第二凹槽402，通过直接的粘接或焊接等方式相互固定，使得在保证系统各光学元件和结构配合可靠性及精度的前提下，进一步压缩了系统的体积。

在不影响整个系统功能和配合的情况下，把一些结构上的棱或边设置成为圆角或倒角，以减小整个microled投影系统的体积和重量。如显示屏支架中圆角，棱镜支架5中的第二倒角503，镜筒4中的第一倒角403等。

所述第一卡块301呈u型结构对称设置在显示屏支架3边缘处，所述显示屏固定槽302开设在显示屏支架3外壁处，所述led微显示屏1与显示屏固定槽302相衔接。

所述镜筒4顶部和底部均开设有第一凹槽401，所述第一凹槽401一侧开设有第二凹槽402，所述第一凹槽401与第二卡块501插接相连，所述第二凹槽402与第一卡块301插接相连，所述镜筒4一侧外壁对称设有第一倒角403，所述镜筒4一侧外壁为平面结构。

所述镜片槽404设有多个，且多个所述镜片槽404与投影镜片组101一一对应。

所述第二卡块501对称固定在棱镜支架5外壁处，所述卡槽502位于棱镜支架5内侧。

所述耦入窗口601与棱镜2上的第一透光面204相对应。

需要说明的是，一种基于microled的ar光栅波导投影系统，在工作时，采用microled微显示屏作为显示元件，不需要额外的背光系统，使得整个投影系统结构更紧凑小巧，光效更高；通过设置棱镜支架的u形固定结构，显示屏支架u形固定结构，及镜筒中的凹槽，通过直接的粘接或焊接等方式相互固定，使得在保证系统各光学元件和结构配合可靠性及精度的前提下，进一步压缩了系统的体积；在不影响整个系统功能和配合的情况下，把一些结构上的棱或边设置成为圆角或倒角，减小了整个microled投影系统的体积和重量；通过将微显示屏，投影镜片组，棱镜固定在镜筒上，然后利用镜筒侧边较大的接触面积，将整个系统与ar光栅波导相固定，使整个系统的固定结构的体积和复杂性得到进一步压缩，从而进一步减小了系统的体积，提高了紧凑性；棱镜支架上与棱镜反射面相邻的面设置有凹槽，保证棱镜反射面与棱镜支架之间留有空气间隙，从而保证棱镜工作过程中的全反射功能。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。