照明系统以及光机系统的制作方法

1.本技术涉及投影技术领域，具体涉及一种照明系统以及光机系统。


背景技术：

2.增强现实(augmented reality，ar)是一种实时采集现实世界信息，并将虚拟信息、图像等与现实世界相结合的显示技术，有望成为继个人电脑、智能手机后的新一代信息交互终端，具有广阔的市场规模和想象空间。首先在信息显示上，ar将不再受限于实体屏幕，而是可以在整个物理空间中显示，采用虚实结合的方式，在物理实体的基础上实时显示虚拟信息，即为增强现实显示；其次在人机交互上，指令采集可以突破实体的操作界面，使用更加自然便捷的交互方式，如语音、手势、图像等，使得人机交互模式更像是与人的自然交流。
3.ar设备中的光机系统用于生成投影显示图像，其中主要有基于lcos或 dmd的投影系统。
4.硅基液晶(liquid crustal on silicon,lcos)是一种新型的结合了半导体与 lcd技术的新型微显示技术。其通常需要设置体积较大的一个或多个pbs棱镜作为照明系统的一部分，因此，设备的整体的体积和重量均较大。dlp投影显示技术是以dmd器件为核心的投影显示技术，应用dmd芯片构成投影显示系统，dlp投影系统通常采用具有椭球形反光碗的光源和方棒照明系统，这类照明系统存在体积普遍较大的问题。
5.对于ar设备等光机系统而言，现有技术中的光机系统的投影光斑过大，不能很好的与ar设备匹配，因此有必要设计更为轻薄化的光机系统。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供一种照明系统以及光机系统，以改善上述问题。
7.第一方面，本技术实施例提供了一种照明系统，包括光波导件和耦出光栅，光波导件用于接收入射光，并以全反射方式传导入射光。耦出光栅设置于光波导件，耦出光栅的光栅周期沿预定方向渐变设置，以使从耦出光栅耦出的光线向耦出光栅的中心收敛。
8.在一些实施方式中，耦出光栅为直光栅。
9.在一些实施方式中，耦出光栅的光栅周期沿单一方向逐渐增大或逐渐减小。
10.在一些实施方式中，耦出光栅的光栅周期沿入射光在光波导件内的行进方向逐渐增大。
11.在一些实施方式中，耦出光栅的光栅周期沿多个不同方向逐渐增大或逐渐减小。
12.在一些实施方式中，以耦出光栅的中心为圆点，耦出光栅的光栅周期沿圆点的径向逐渐增大或逐渐减小。
13.在一些实施方式中，照明系统还包括耦入装置，耦入装置用于接收入射光，并将入射光耦入光波导件，以使入射光在光波导件内发生全反射。
14.第二方面，本技术实施例还提供了一种光机系统，包括上述的照明系统、空间光调
制器、以及投影镜头，空间光调制器接收并调制照明系统出射的照明光，形成图像光，投影镜头用于显示图像光。
15.在一些实施方式中，空间光调制器与投影镜头位于光波导件的相背的两侧，空间光调制器调制照明光形成的图像光透过光波导件后，进入投影镜头。
16.在一些实施方式中，光机系统还包括偏振件，偏振件用于滤过图像光，投影镜头用于显示透过偏振件后的图像光。
17.本技术提供的照明系统以及光机系统，采用厚度尺寸更小的光波导件进行光照明，因此可以使得照明系统更加轻薄，利于应用于虚拟显示设备等对体积和重量要求较高的光机系统中。
18.本技术的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本技术实施例示出的一种衍射光栅的衍射原理图。
21.图2是本技术实施例提供的一种光机系统的结构示意图。
22.图3是本技术实施例提供的另一种光机系统的结构示意图。
23.图4是本技术实施例中提供的一种耦入装置的结构示意图。
24.图5是本技术实施例中提供的另一种耦入装置的结构示意图。
25.图6是本技术实施例中提供的又一种耦入装置的结构示意图。
26.图7是入射光在不同光栅周期的衍射光栅发生衍射时的光路示意图。
27.图8是本技术实施例中提供的一种耦出光栅的光路图。
28.图9是本技术实施例中提供的一种耦出光栅的光栅周期分布示意图。
29.图10是本技术实施例中提供的另一种耦出光栅的光栅周期分布示意图。
具体实施方式
30.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.下面将结合附图具体描述本技术的各实施例。
32.图1示出了当入射光入射于衍射光栅时，各级次衍射光线的出射路径，其中 d是光栅结构的周期，θm为衍射角度，m为衍射级次，λ为光束波长，则其光栅方程可以表示为dsinθm＝mλ。
33.从光栅方程中，可以看出，波长λ不变时，周期d越大，各级次衍射光线的衍射角度θm越小。
34.第一实施例
35.参阅图2，本实施例提供一种光机系统10，光机系统10包括照明系统20、空间光调制器30以及投影镜头50，其中照明系统20用于生成照明光，空间光调制器30接收照明光并调制成图像光，图像光进入投影镜头50进行显示。
36.具体的，照明系统20包括光波导件100以及耦出光栅300，耦出光栅300 设置于光波导件100。光波导件100包括相背的第一表面110以及第二表面120，第一表面110与第二表面120大致相互平行，光波导件100可以供传播光线，具体的，当入射光进入光波导件后，以全反射的形式在光波导件内进行传播。
37.其中入射光可以是偏振光，例如s偏振态光，入射光可以由光源生成，在一种实施方式中，光源可以是线偏振激光器。在另一种实施方式中，光源可以包括led光源或其他类型激光器以及偏振片，led光源或其他类型激光器出射的光束通过偏振片后，经准直匀化形成均匀的光斑，作为单一偏振态的入射光。其中光源出射的入射光可以是白光或者单色光，在此不做具体限定。
38.在一些实施方式中，如图3所示，照明系统20还可以包括耦入装置200，耦入装置200用于接收入射光，并将入射光耦入光波导件100，以使入射光在光波导件100内发生全反射，发生全反射的入射光向耦出光栅300方向传播。通过改变入射光入射于光波导件100时的入射角度，使得入射光满足全反射条件，进而可以在光波导件100内实现全反射。
39.作为一种实施方式，本实施例中，如图4所示，耦入装置200包括棱镜210，棱镜210可以是三棱镜210，棱镜210的折射率可以大于1，棱镜210设置于耦入区的第二表面120，棱镜210具有入射面、贴合面和与入射面相背的背面，贴合面贴设于第二表面120，入射面用于接收入射光，并馈入光波导件100，以使入射光在光波导件100的表面发生全反射。进一步地，背面还可以设置有光吸收层220，光吸收层220可以吸收光线，避免入射光光线从背面逸出形成热效应。具体的，光吸收层220可以是吸光胶，通过粘接的方式形成于背面。
40.在另一种实施方式中，如图5所示，耦入装置200也可以采用表面浮雕光栅/全息光栅方式，具体的，光波导件100的第二表面120加工一层表面浮雕光栅240作为耦入装置200，光栅区域宽度为光线在光波导件100内进行一次全反射后行进的宽度，此时入射光垂直入射到表面浮雕光栅240，进而使得表面浮雕光栅240的t1级衍射或者t-1
级衍射朝向耦出光栅300方向以特定衍射角传播，使得t1级衍射或者t-1
级衍射可以在光波导件100内发生全反射，并进入耦出光栅300。需要说明的是，控制t1级衍射或者t-1
级衍射的衍射角，可以通过控制表面浮雕光栅240的光栅参数实现。
41.在另一种实施方式中，如图6所示，耦入装置200还可以设置成楔角全反射的形式，光波导件100的位于光波导件100的端面设置成斜面，在斜面设置光反射层230作为耦入装置200，光线以垂直于第二表面120的方式入射至斜面，在斜面发生全反射，进入光波导件100。通过调整斜面的角度，可以调整光线在光波导件100内的全反射角，进而使之可以经全反射到达耦出光栅300，示例性的，斜面可以是30
°‑
60
°
。
42.耦出光栅300设置于第二表面120，耦出光栅300的光栅周期沿预定方向渐变设置，以使从耦出光栅300耦出的光线向耦出光栅300的中心收敛。耦出光栅300用于耦出由光波导件100传导的入射光。具体的入射光在光波导件100 内发生一次或多次全反射后，进入耦出光栅300，并经过耦出光栅300出射形成照明光。
43.耦出光栅300可以采用表面浮雕光栅，表面浮雕光栅可以利用纳米压印工艺批量
生产，其量产型与可靠性相比于其他诸如布拉格光栅相比，具有明显优势，并且表面浮雕光栅的响应光谱不受加工材料所限，具备更宽的光谱响应范围，更利于形成稳定、均匀的照明光。需要说明的是，耦出光栅300可以是直光栅、斜光栅、闪耀光栅等，在此不做限定。较佳的，耦出光栅300可以是直光栅，直光栅具有加工方便，且对于各级次的衍射光线而言，能更为精确的控制衍射光线的衍射角，因此可以精确的调控衍射光线的出射路径。
44.图7中分别示出了两种不同光栅周期的衍射光栅的衍射光线的衍射角的示意图，左图光栅周期大于右图光栅周期，可以看出当光栅周期更大时，衍射光栅对于t-1
级次的衍射光的偏折角度更大。因此利用衍射光栅的衍射特性，可以制作出一种光栅周期渐变的衍射光栅结构，使特定衍射主光线的偏转方向逐渐变大或逐渐变小。这样可以使得从耦出光栅300出射的照明光向耦出光栅300 的中心收敛，其中，收敛是指光线向中心汇聚。
45.在一个更为具体的实施方式中，耦出光栅300的光栅周期沿单一方向逐渐增大或逐渐减小。其中，特别地，如图8和图9所示，耦出光栅300的光栅周期沿入射光在光波导件内的行进方向逐渐增大，其中图8和图9中，颜色越深代表光栅周期越大。以耦出光栅300的光栅周期沿入射光在光波导件内的行进方向逐渐增大为例，当入射光进入光波导件后，沿行进方向全反射前进，光栅周期周期性增大，此时，耦出光栅300对于入射光的t-1
级衍射光线的偏折角度越来越大，耦出光束形成向耦出光栅300的中部收敛的效果，这样耦出光栅300 的边缘耦出的光线也能照射入空间光调制器30中，并且由于入射于空间光调制器30的照明光是向中心收敛的，因此可以提高耦出光束进入空间光调制器30 的效率，同时照明光相对于空间光调制器30是非垂直入射的，因此在经过空间光调制器30调制后，形成的图像光会进一步向中心收敛，实现场镜效果。
46.可以理解的是，在其他的一些实施方式中，耦出光栅300的光栅周期也可以沿其他方向逐渐增大或逐渐减小，也可以实现上述效果，在此不做限定。
47.在另一种实施方式中，耦出光栅300的光栅周期可以沿多个不同方向逐渐增大或逐渐减小。例如，在一个更为具体的实施方式中，如图10所示，其中图 10中，颜色越深代表光栅周期越大。以耦出光栅300的中心为圆点，耦出光栅 300的光栅周期沿圆点的径向逐渐增大。这样耦出光栅300的各个方向的边缘耦出的光线均会向耦出光栅300的中心收敛，收敛效果更佳，并且由于入射于空间光调制器30的照明光是向中心收敛的，因此可以提高耦出光束进入空间光调制器30的效率，同时照明光相对于空间光调制器30是非垂直入射的，因此在经过空间光调制器30调制后，形成的图像光会进一步向中心收敛，实现场镜效果。
48.可以理解的是，在其他的一些实施方式中，也可以以耦出光栅300的任一点为圆点，耦出光栅300的光栅周期设置成沿圆点的径向逐渐增大的形式，也可以实现上述效果，在此不做限定。
49.从耦出区的耦出光栅300出射的照明光出射，并入射于空间光调制器30，且照明光的光斑大于等于空间光调制器30的尺寸，使得空间光调制器30的各处均能实现成像。照明光的光斑小于耦出光栅300的面积。
50.空间光调制器30可以是lcos器件或者dmd器件，在此不做限定。本实施例中，空间光调制器30为lcos器件，空间光调制器30与耦出光栅300对应设置，且与投影镜头50位于光波导件100的相背的两侧。照明光可以直接进入空间光调制器30，空间光调制器30接收并调制照明系统20出射的照明光，形成图像光并朝向光波导件100方向出射。图像光透过耦出光
栅300以及光波导件100后出射。
51.本实施例中，还可以包括偏振件40，偏振件40设置于光波导件100的远离空间光调制器30的一侧，位于投影镜头50与光波导件100之间，且偏振件40 位于图像光的出射光路上，当图像光经过偏振件40时，偏振件40可以滤过图像光，使得具有指定偏振态的图像光才能透过进入投影镜头50。具体的，本实施例中，偏振件40可以透过p偏振态光。投影镜头50位于光波导件100的远离空间光调制器30的一侧。
52.以入射光为s偏振态光为例，在光波导件100内传播时，其偏振态不变，仍为s偏振态光。具体的，照明光照射到空间光调制器30时，亮态像素将s光转化为p光，p光可以透过波导和偏振件40进入投影镜头50。暗态像素只对s 光反射，反射后的s光透过波导后不能透过偏振件40，无法进入投影镜头50。
53.其中，本实施例中，偏振件40也可以是吸收式偏振片，其可以透过p偏振态光并吸收s偏振态光。此外，偏振件40也可以为反射式偏振片，可以透过p 偏振态光，并反射s偏振态光，被反射的s偏振态光可以重新进入光波导件100 形成照明光，并进入空间光调制器30进行调制，因此可以提高光效。
54.本实施例提供的照明系统20，采用光波导件100以及光栅结构进行照明光出射，整体体积、重量均较小，且照明光和图像光均可以朝向中心收敛，实现场镜效果，因此可以应用于ar设备中作为光机系统10，利于降低用户的佩戴负重，提高用户的使用体验。
55.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。