CN113485063A - 一种光机光路系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光机光路系统及其控制方法，包括：透射式衍射光栅，用于将白光进行分光，形成不同角度不同波长的衍射光；MEMS反射镜，用于扫描衍射光后将特定时序的光线反射至照明整形部件；照明整形部件，用于对接收的特定时序的光线进行匀光处理和整形处理；显示芯片，用于对进入的光线进行调制，并将调制后的光线反射至成像光路。这样将透射式衍射光栅、MEMS反射镜照明整形部件以及显示芯片进行组合使用，应用透射式衍射光栅的分光能力替代滤色轮的分光作用，通过MEMS反射镜扫对不同角度的衍射光进行反射，只将特定时序的光进行反射，可以提高光线透过率，减少光损失，提升整体亮度，且满足不同颜色的时序要求。

Description

一种光机光路系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及显示技术领域，特别是涉及一种光机光路系统及其控制方法。

背景技术

目前，投影仪、增强现实(Augmented Reality，AR)设备中常常会使用数字微镜器件(Digtial Micromirror Devices，DMD)或硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)等被动显示芯片，这些芯片本身不会发光，需要额外的光源以及照明光路配合将不同颜色的光照射到芯片上，再由芯片经不同时序将不同颜色的光至反射至成像光路，最终不同颜色光按照相应时序叠加形成图像。

现有的照明系统中光源的架构一般使用蓝色激光通过激发荧光粉形成白光，白光经过滤色轮形成三基色光，滤色轮由红(R)绿(G)蓝(B)有时候也会增加黄色(Y)的滤光片组成。当白光通过滤色轮时，马达会按照特定的时序转到相应颜色的滤光片位置，只允许特定颜色的光通过。但是，滤光片在对特定谱段的光(R/G/B)进行过滤时由于滤光片的光透过率较低，导致过多的光能损耗，很大一部分光都会损失在滤色轮中且由于多余的光会被滤色轮的结构件吸收，损失的光会导致滤色轮马达过热或者光机总体温度提升，增加了散热成本。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光机光路系统及其控制方法，可以提高光线透过率，提升整体亮度，且满足不同颜色的时序要求。其具体方案如下：

一种光机光路系统，包括：

透射式衍射光栅，用于将白光进行分光，形成不同角度不同波长的衍射光；

MEMS反射镜，用于扫描所述衍射光后将特定时序的光线反射至照明整形部件；

所述照明整形部件，用于对接收的所述特定时序的光线进行匀光处理和整形处理；

所述显示芯片，用于对进入的光线进行调制，并将调制后的光线反射至成像光路。

优选地，在本发明实施例提供的上述光机光路系统中，所述照明整形部件包括：

复眼透镜，用于将所述MEMS微反射镜反射来的所述特定时序的光线进行匀光处理；

整形透镜，用于对匀光处理后的光线进行整形处理。

优选地，在本发明实施例提供的上述光机光路系统中，当所述显示芯片为DMD芯片时，所述照明整形部件还包括：

TIR棱镜，用于将整形处理后的光线进行全反射，并将全反射后的光线入射至所述DMD芯片。

优选地，在本发明实施例提供的上述光机光路系统中，所述TIR棱镜包括胶合而成且均为三角形的第一棱镜和第二棱镜；所述第一棱镜和所述第二棱镜的胶合面具有设定间距的空气间隙。

优选地，在本发明实施例提供的上述光机光路系统中，当所述显示芯片为LCOS芯片时，所述照明整形部件还包括：

偏振片，用于将整形处理后的光线经透射后传输至所述LCOS芯片，并将所述LCOS芯片反射回的光线经偏振反射面进行反射。

优选地，在本发明实施例提供的上述光机光路系统中，所述MEMS反射镜包括反射镜框架，位于所述反射镜框架内且可移动的矩形平板玻璃；

所述矩形平板玻璃包括不同颜色的反射区，以及在相邻两个所述反射区之间设置的过渡区；各所述反射区镀有相应波长的反射膜；所述过渡区镀有增透膜。

优选地，在本发明实施例提供的上述光机光路系统中，所述MEMS反射镜还包括在所述反射镜框架的上下两侧设置的用于水平移动所述矩形平板玻璃的轨道，以及在所述反射镜框架的左右两侧设置的用于施加电磁力来控制所述矩形平板玻璃位置的磁力设备。

优选地，在本发明实施例提供的上述光机光路系统中，所述透射式衍射光栅，具体用于将白光分成红色衍射光、绿色衍射光和蓝色衍射光；

所述MEMS反射镜中的所述反射区包括只对所述红色衍射光进行反射的红色反射区、只对所述绿色衍射光进行反射的绿色反射区，以及只对所述蓝色衍射光进行反射的蓝色反射区。

本发明实施例还提供了一种本发明实施例提供的上述光机光路系统的控制方法，包括：

通过透射式衍射光栅将白光进行分光，形成不同角度不同波长的衍射光；

利用MEMS反射镜扫描所述衍射光后将特定时序的光线反射至照明整形部件；

通过所述照明整形部件对接收的所述特定时序的光线进行匀光处理和整形处理；

利用显示芯片对进入的光线进行调制，并将调制后的光线反射至成像光路。

优选地，在本发明实施例提供的上述光机光路系统的控制方法中，所述利用MEMS反射镜扫描所述衍射光后将特定时序的光线反射至照明整形部件，包括：

当所述透射式衍射光栅将白光分成红色衍射光、绿色衍射光和蓝色衍射光时，在MEMS反射镜中，通过磁力设备和轨道控制并移动矩形平板玻璃的位置，使所述矩形平板玻璃中的红色反射区只对所述红色衍射光进行反射，绿色反射区只对所述绿色衍射光进行反射，以及蓝色反射区只对所述蓝色衍射光进行反射，将反射后的光线经特定时序传输至照明整形部件。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种光机光路系统，包括：透射式衍射光栅，用于将白光进行分光，形成不同角度不同波长的衍射光；MEMS反射镜，用于扫描衍射光后将特定时序的光线反射至照明整形部件；照明整形部件，用于对接收的特定时序的光线进行匀光处理和整形处理；显示芯片，用于对进入的光线进行调制，并将调制后的光线反射至成像光路。

本发明将透射式衍射光栅、MEMS反射镜照明整形部件以及显示芯片进行组合使用，首先应用透射式衍射光栅的分光能力替代滤色轮的分光作用，将白光进行分光，形成不同角度不同波长的衍射光，然后通过MEMS反射镜扫对不同角度的衍射光进行反射，由于不同谱段的光的衍射角有差异，所以MEMS反射镜只会将特定时序的光反射至照明整形部件，最后经照明整形部件和显示芯片的作用将不同颜色的光反射至成像光路最终形成图像，这样可以提高光线透过率，减少光损失，提升整体亮度，且满足不同颜色的时序要求。此外，本发明还针对光机光路系统提供了相应的控制方法，进一步使得上述系统更具有实用性，该方法具有相应的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术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发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的光机光路系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的透射式衍射光栅的分光示意图；

图3为本发明实施例提供的TIR棱镜的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的DMD芯片的照明光路示意图；

图5为本发明实施例提供的LCOS芯片的照明光路示意图；

图6为本发明实施例提供的MEMS反射镜的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的矩形平板玻璃的反射区和过渡区的示意图；

图8a至图8c分别为本发明实施例提供的反射RGB三种波长的光对应的反射态的示意图；

图9为本发明实施例提供的光机光路系统的控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种光机光路系统，如图1所示，包括：

透射式衍射光栅1，用于将白光进行分光，形成不同角度不同波长的衍射光；

MEMS反射镜2，用于扫描衍射光后将特定时序的光线反射至照明整形部件3；

照明整形部件3，用于对接收的特定时序的光线进行匀光处理和整形处理；

显示芯片4，用于对进入的光线进行调制，并将调制后的光线反射至成像光路。

需要说明的是，白光是一种混合光，红光绿光蓝光可以混合成白光，蓝色激光经荧光粉激发出的白光具有红(R)绿(G)蓝(B)三种波长的光。本发明所提出的透射式衍射光栅1具有分光的能力，利用光衍射的原理，可将不同谱段的光按照不同的衍射角分开，具体依据衍射公式d*sinθ＝m*λ，如图2所示，白光透射过透射式衍射光栅1后红(R)绿(G)蓝(B)三种波长的光将会形成不同的衍射角；其中d是光栅微结构间隔，sinθ是衍射角，m是衍射级次，λ是光波波长，其中蓝光波长大约为450nm，绿光波长大约为540nm，红光波长大约为650nm。本发明通过设计透射式衍射光栅1的微结构构成可以使衍射光能量集中特定的衍射级次达到效率最大化。

在实际应用中，MEMS反射镜2可以具体为MEMS 2D反射镜。MEMS反射镜2对不同角度的衍射光进行反射，由于不同谱段的光的衍射角有差异，所以MEMS反射镜2只会反射特定时序的光，其他谱段的光不会进入照明整形部件3，剩余的杂光由于入射角度问题也会在后续显示芯片4(即LCOS或者DMD)中被反射出光路。

在本发明实施例提供的上述光机光路系统中，将透射式衍射光栅、MEMS反射镜照明整形部件以及显示芯片进行组合使用，首先应用透射式衍射光栅的分光能力替代滤色轮的分光作用，将白光进行分光，形成不同角度不同波长的衍射光，然后通过MEMS反射镜扫对不同角度的衍射光进行反射，由于不同谱段的光的衍射角有差异，所以MEMS反射镜只会将特定时序的光反射至照明整形部件，最后经照明整形部件和显示芯片的作用将不同颜色的光反射至成像光路最终形成图像，这样可以提高光线透过率，减少光损失，提升整体亮度，且满足不同颜色的时序要求。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光机光路系统中，如图1所示，照明整形部件3可以包括：复眼透镜31，用于将MEMS微反射镜反射来的特定时序的光线进行匀光处理；整形透镜32，用于对匀光处理后的光线进行整形处理。具体地，MEMS 2D反射镜2对不同角度的衍射光进行扫面投射至复眼透镜31中，复眼透镜31将扫描光进行匀光处理，匀化后光束通过镜片32整形后打在显示芯片4(即LCOS或者DMD)上，LCOS及DMD对进入的光线进行光线调制形成图像并将形成的图像光束反射至成像光路。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光机光路系统中，如图3和图4所示，当显示芯片4为DMD芯片时，照明整形部件3还可以包括：TIR棱镜33，用于将整形处理后的光线进行全反射，并将全反射后的光线入射至DMD芯片。较佳地，如图3所示，TIR棱镜33可以包括胶合而成且均为三角形的第一棱镜和第二棱镜；第一棱镜和第二棱镜的胶合面具有设定间距的空气间隙。在实际应用中，设定间距可以设置为5微米，即胶合面保留5微米空气间隙，该设定间距具体可以根据实际情况而定，在此不做限定。

如图4所示，MEMS反射镜2按照一定的角度将衍射光束反射经过照明整形光路后进入TIR棱镜33中的第一棱镜，在第一棱镜与空气间隙表面由于棱镜的折射率高于空气属于光密出射入光束，由于入射光角度θ'大于全反射角，即sinθ'>n，n为玻璃棱镜的折射率，满足全反射条件，故在此表面发生全反射，全反射光入射至DMD，DMD属于空间光调制器，由一定数量微型反射镜组成，DMD按照特定时序改变反射镜偏转角度将入射光反射出去，出射光被DMD改变了在TIR棱镜33空气间隙的入射角度且这个角度小于全反射临界角，因此光束可以透射出TIR棱镜进入成像光路。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光机光路系统中，如图5所示，当显示芯片4为LCOS芯片时，照明整形部件3还可以包括：偏振片34，用于将整形处理后的光线经透射后传输至LCOS芯片，并将LCOS芯片反射回的光线经偏振反射面进行反射。也就是说，LCOS芯片对进入的光线进行调制后，将调制后的光线首先反射至偏振片34的偏振反射面，然后由偏振片34的偏振反射面反射至成像光路。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光机光路系统中，如图6所示，MEMS反射镜2可以包括反射镜框架，位于反射镜框架内且可移动的矩形平板玻璃；如图7所示，矩形平板玻璃包括不同颜色的反射区，以及在相邻两个反射区之间设置的过渡区；各反射区镀有相应波长的反射膜；过渡区镀有增透膜。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光机光路系统中，MEMS反射镜2还可以包括在反射镜框架的上下两侧设置的用于水平移动矩形平板玻璃的轨道，以及在反射镜框架的左右两侧设置的用于施加电磁力来控制矩形平板玻璃位置的磁力设备。具体地，通过上下两侧设置的轨道可以保证矩形平板玻璃在一水平面上移动，通过左右两侧的磁力设备施加电磁力可以控制矩形平板玻璃的位置。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光机光路系统中，透射式衍射光栅1，具体可以用于将白光分成红色衍射光、绿色衍射光和蓝色衍射光；如图8a至图8c所示，MEMS反射镜2中的反射区可以包括只对红色衍射光进行反射的红色(R)反射区、只对绿色衍射光进行反射的绿色(G)反射区，以及只对蓝色衍射光进行反射的蓝色(B)反射区。具体地，R、G、B反射区分别镀相应波长的反射膜，只能对相应波长的光进行反射，其他波长的光可以通过，过渡区镀有增透膜，所有波长光均可以通过。MEMS反射镜在电磁力控制下依次将R、G、B相应反射区域移动至衍射出射光，将衍射光反射进照明光路，同时其他波长光会通过MEMS反射镜不会进入照明光路。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种光机光路系统的控制方法，由于该方法解决问题的原理与前述一种光机光路系统相似，因此该方法的实施可以参见光机光路系统的实施，重复之处不再赘述。

在具体实施时，本发明实施例提供的光机光路系统的控制方法，如图9所示，具体包括以下步骤：

S901、通过透射式衍射光栅将白光进行分光，形成不同角度不同波长的衍射光；

S902、利用MEMS反射镜扫描衍射光后将特定时序的光线反射至照明整形部件；

S903、通过照明整形部件对接收的特定时序的光线进行匀光处理和整形处理；

S904、利用显示芯片对进入的光线进行调制，并将调制后的光线反射至成像光路。

在本发明实施例提供的上述光机光路系统的控制方法中，通过执行上述步骤，可以提高光线透过率，减少光损失，提升整体亮度，且满足不同颜色的时序要求。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光机光路系统的控制方法中，步骤S902利用MEMS反射镜扫描衍射光后将特定时序的光线反射至照明整形部件，具体可以包括：当透射式衍射光栅将白光分成红色衍射光、绿色衍射光和蓝色衍射光时，在MEMS反射镜中，通过磁力设备和轨道控制并移动矩形平板玻璃的位置，使矩形平板玻璃中的红色反射区只对红色衍射光进行反射，绿色反射区只对绿色衍射光进行反射，以及蓝色反射区只对蓝色衍射光进行反射，将反射后的光线经特定时序传输至照明整形部件。

关于上述各个步骤更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

综上，本发明实施例提供的一种光机光路系统，包括：透射式衍射光栅，用于将白光进行分光，形成不同角度不同波长的衍射光；MEMS反射镜，用于扫描衍射光后将特定时序的光线反射至照明整形部件；照明整形部件，用于对接收的特定时序的光线进行匀光处理和整形处理；显示芯片，用于对进入的光线进行调制，并将调制后的光线反射至成像光路。本发明将透射式衍射光栅、MEMS反射镜照明整形部件以及显示芯片进行组合使用，首先应用透射式衍射光栅的分光能力替代滤色轮的分光作用，将白光进行分光，形成不同角度不同波长的衍射光，然后通过MEMS反射镜扫对不同角度的衍射光进行反射，由于不同谱段的光的衍射角有差异，所以MEMS反射镜只会将特定时序的光反射至照明整形部件，最后经照明整形部件和显示芯片的作用将不同颜色的光反射至成像光路最终形成图像，这样可以提高光线透过率，减少光损失，提升整体亮度，且满足不同颜色的时序要求。此外，本发明还针对光机光路系统提供了相应的控制方法，进一步使得上述系统更具有实用性，该方法具有相应的优点。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的光机光路系统及其控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种光机光路系统，其特征在于，包括：

透射式衍射光栅，用于将白光进行分光，形成不同角度不同波长的衍射光；

MEMS反射镜，用于扫描所述衍射光后将特定时序的光线反射至照明整形部件；

所述照明整形部件，用于对接收的所述特定时序的光线进行匀光处理和整形处理；

所述显示芯片，用于对进入的光线进行调制，并将调制后的光线反射至成像光路。

2.根据权利要求1所述的光机光路系统，其特征在于，所述照明整形部件包括：

复眼透镜，用于将所述MEMS微反射镜反射来的所述特定时序的光线进行匀光处理；

整形透镜，用于对匀光处理后的光线进行整形处理。

3.根据权利要求2所述的光机光路系统，其特征在于，当所述显示芯片为DMD芯片时，所述照明整形部件还包括：

TIR棱镜，用于将整形处理后的光线进行全反射，并将全反射后的光线入射至所述DMD芯片。

4.根据权利要求3所述的光机光路系统，其特征在于，所述TIR棱镜包括胶合而成且均为三角形的第一棱镜和第二棱镜；所述第一棱镜和所述第二棱镜的胶合面具有设定间距的空气间隙。

5.根据权利要求2所述的光机光路系统，其特征在于，当所述显示芯片为LCOS芯片时，所述照明整形部件还包括：

偏振片，用于将整形处理后的光线经透射后传输至所述LCOS芯片，并将所述LCOS芯片反射回的光线经偏振反射面进行反射。

6.根据权利要求1所述的光机光路系统，其特征在于，所述MEMS反射镜包括反射镜框架，位于所述反射镜框架内且可移动的矩形平板玻璃；

所述矩形平板玻璃包括不同颜色的反射区，以及在相邻两个所述反射区之间设置的过渡区；各所述反射区镀有相应波长的反射膜；所述过渡区镀有增透膜。

7.根据权利要求6所述的光机光路系统，其特征在于，所述MEMS反射镜还包括在所述反射镜框架的上下两侧设置的用于水平移动所述矩形平板玻璃的轨道，以及在所述反射镜框架的左右两侧设置的用于施加电磁力来控制所述矩形平板玻璃位置的磁力设备。

8.根据权利要求7所述的光机光路系统，其特征在于，所述透射式衍射光栅，具体用于将白光分成红色衍射光、绿色衍射光和蓝色衍射光；

所述MEMS反射镜中的所述反射区包括只对所述红色衍射光进行反射的红色反射区、只对所述绿色衍射光进行反射的绿色反射区，以及只对所述蓝色衍射光进行反射的蓝色反射区。

9.一种如权利要求1至8任一项的光机光路系统的控制方法，其特征在于，包括：

通过透射式衍射光栅将白光进行分光，形成不同角度不同波长的衍射光；

利用MEMS反射镜扫描所述衍射光后将特定时序的光线反射至照明整形部件；

通过所述照明整形部件对接收的所述特定时序的光线进行匀光处理和整形处理；

利用显示芯片对进入的光线进行调制，并将调制后的光线反射至成像光路。

10.根据权利要求9所述的光机光路系统的控制方法，其特征在于，所述利用MEMS反射镜扫描所述衍射光后将特定时序的光线反射至照明整形部件，包括：

当所述透射式衍射光栅将白光分成红色衍射光、绿色衍射光和蓝色衍射光时，在MEMS反射镜中，通过磁力设备和轨道控制并移动矩形平板玻璃的位置，使所述矩形平板玻璃中的红色反射区只对所述红色衍射光进行反射，绿色反射区只对所述绿色衍射光进行反射，以及蓝色反射区只对所述蓝色衍射光进行反射，将反射后的光线经特定时序传输至照明整形部件。

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