LCOS背光装置及AR显示设备的制作方法

本实用新型涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种LCOS背光装置及AR显示设备。

背景技术：

LCOS(Liquid Crystal on Silicon,液晶附硅)是一种尺寸非常小的矩阵液晶显示装置。LCOS不能自主发光，需要采用偏振光来照明其显示芯片才能显示出不同的灰阶和颜色的画面。

现有技术中，通常采用光源设备，例如LED(Light Emitting Diode，发光二极管)以及偏振分光棱镜(polarization beam splitter，PBS)搭建LCOS的照明光路。在该照明光路中，光源设备发出的光经过PBS棱镜反射并偏振化后照射在LCOS的显示芯片上，从而显示出不同的灰阶和颜色的画面。

为确保LCOS显示装置的光照均匀度，现有技术中，通常在LCOS显示装置中增加用于匀光的透镜组或扩散膜。但是上述采用透镜组或扩散膜的方式会导致LCOS显示装置具较大的重量及体积。因此，一种新的LCOS显示装置亟待提出。

技术实现要素：

本实用新型的多个方面提供一种LCOS背光装置及AR显示设备，用以在使照明光线均匀照射在LCOS芯片上的同时，减小了LCOS显示装置的重量和体积，使得AR显示设备更加轻量化以及小型化。

本实用新型提供一种LCOS背光装置，包括：

依次排列的导光板、扩散片、棱镜片和偏振分光棱镜偏振分光棱镜，以及设于所述偏振分光棱镜的偏振光的出光方向的LCOS显示芯片；

所述导光板上远离扩散片的光学表面上分布有反射式微透镜，靠近所述扩散片的光学表面上分布有透射式微透镜；

照明光线经导光板均匀化后，经所述扩散片扩散在所述棱镜片上，再经所述棱镜片汇聚至所述偏振分光棱镜，以供所述偏振分光棱镜偏振化后进入所述LCOS显示芯片。

进一步可选地，还包括：平行于所述导光板上远离所述扩散片的光学表面的反射镜，所述反射镜用于反射经所述导光板漏出去的光至所述导光板。

进一步可选地，所述导光板与所述反射镜之间的间距小于0.5mm。

进一步可选地，所述导光板为楔形导光板，且所述导光板上靠近所述扩散片的光学表面与所述偏振分光棱镜上靠近所述扩散片的光学表面平行。

进一步可选地，所述楔形导光板的楔形角度为3°～8°。

进一步可选地，所述反射式微透镜包括：阵列式均匀分布的多个半球反射镜，所述半球反射镜的球面靠近所述扩散片；

所述透射式微透镜包括：阵列式均匀分布的多个半球透射镜，所述半球透射镜的球面靠近所述扩散片。

进一步可选地，所述半球反射镜和/或所述半球透射镜的直径为0.5mm。

进一步可选地，所述棱镜片包括：两张正交放置的棱镜片。

进一步可选地，所述两张正交放置的棱镜片的总厚度为0.5mm。

本实用新型还提供一种AR显示设备，包括本实用新型提供的LCOS背光装置。

在本实用新型中，LCOS背光装置主要包括导光板、扩散片以及棱镜片，且导光板的两个光学表面上均分布有微透镜，在这样的背光装置中，照明光线首先经导光板均匀化，并经过扩散片扩散在棱镜片上，再经棱镜片汇聚至偏振分光棱镜，最终均匀地照射在LCOS显示芯片上。上述组成LCOS背光装置的主要光学元件，其光学性能良好，且具有轻、薄的特点，进而能够在照明光线均匀照射在LCOS芯片上的同时，减小了LCOS显示装置的重量和体积，使得AR显示设备更加轻量化以及小型化。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型一实施例提供的LCOS背光装置的结构示意图；

图2a为本实用新型另一实施例提供的LCOS背光装置的结构示意图；

图2b为本实用新型一实施例提供的导光板10的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的LCOS背光装置在LCOS显示芯片上的照度分布示意图；

图4为本实用新型实施例提供的LCOS背光装置在LCOS显示芯片上的照明光斑余量的示意图；

图5为本实用新型实施例提供的LCOS背光装置在LCOS显示芯片上的照明光斑的角度分布示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型具体实施例及相应的附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型一实施例提供的LCOS背光装置的结构示意图。如图1所示，该装置包括：

依次排列的导光板10、扩散片11、棱镜片12和偏振分光棱镜PBS13，以及设于PBS13的偏振光的出光方向的LCOS显示芯片14。

其中，导光板10上远离扩散片11的光学表面上分布有反射式微透镜，靠近扩散片11的光学表面上分布有透射式微透镜。到达导光板10上远离扩散片11的光学表面的光可以再次被该反射式微透镜均匀地反射至导光板10中，以提高光的使用效率，降低光源设备的功耗。

到达导光板10上靠近扩散片11的光学表面的光，能够被该透射式微透镜均匀透射至扩散片11上，经扩散片11扩散在棱镜片12上，再经棱镜片12汇聚至PBS13。PBS13将入射至其上的光进行偏振化后照射入LCOS显示芯片14，进而，LCOS显示芯片14可显示出不同的灰阶和颜色的画面。

可选的，光源设备100可以采用寿命长且低能耗的LED，以降低照明装置的成本以及能耗。

可选的，导光板10的入光方式可以是侧式入光，也可以是直下式入光。其中，侧式入光如图1所示，光源设备可放置于导光板10的侧面；直下式入光时，光源设备可放置于导光板下侧，也就是非出光侧。当然，应当理解，图1所示的侧式入光仅仅是一种示例，本实用新型在实际实现的过程中，针对导光板10可以采用侧式入光，也可以采用直下式入光，并不受附图举例的限制。

其中，扩散片11的光学表面有不规则微结构，光线经过扩散片11会发生漫透射。从导光板10出射的大角度光线，经扩散片11后，能够变化为与PBS13的入光面垂直漫透射光线。

其中，棱镜片12，也称棱镜膜BEF(Brightness Enhancement Film)。经扩散片11出射的光线通过棱镜片12之后，光线角度进一步减小，使得特定角度范围内的光能更加集中。

其中，PBS13可由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个直角棱镜的斜面上镀有偏振分光介质膜，该偏振分光介质膜能把入射的非偏振光分成两束相互垂直的线偏振光。其中水平偏振光(P光)完全通过，而垂直偏振光(S光)以45度角反射出去，也就是说S偏光的出射方向与P偏光的出射方向成90度角。因此，PBS13的偏振光的出光方向，可以是图1中所示的P偏光的出光方向，也可以是S偏光的出光方向。LCOS显示芯片14可以设置在P光的出光侧，也可以设置在S光的出光侧，本实用新型实施例对此不做限制。

在本实用新型中，LCOS背光装置主要包括导光板、扩散片以及棱镜片，且导光板的两个光学表面上均分布有微透镜，在这样的背光装置中，照明光线首先经导光板均匀化，并经过扩散片扩散在棱镜片上，再经棱镜片汇聚至PBS，最终均匀地照射在LCOS芯片上。上述组成LCOS背光装置的主要光学元件，其光学性能良好，且具有轻、薄的特点，进而能够在照明光线均匀照射在LCOS芯片上的同时，使得LCOS显示装置更加轻量化以及小型化。

在一可选实施方式中，如图2a所示，本实用新型提供的LCOS背光装置还包括：平行于导光板10上远离扩散片11的光学表面的反射镜15。反射镜15用于反射经导光板10漏出去的光至导光板10。在图2a中，光源设备位于导光板10的侧面，采用侧式入光，进入导光板10的光在导光板10内部不断反射的过程中，可能会存在部分透射出去的光。这部分透射出去的光，能够被反射镜15反射回导光板10，进而提高LCOS背光装置的光利用率。

在一可选实施方式中，如图1以及图2a所示，导光板10可以为楔形导光板。导光板10上靠近扩散片11的光学表面与PBS13上靠近扩散片11的光学表面平行。换言之，若LCOS背光装置中的光学元件是自上而下设置，则导光板10的下表面平行于PBS13的上表面。

可选的，导光板10的楔形角度为3°～8°，这个角度范围能够保证光能够均匀地照射到LCOS显示芯片14上。优选的，在本实施例中，导光板10的楔形角度为5°，以确保光具有更好的均匀性。

可选的，在本实施例中，导光板10上远离扩散片11的光学表面上的反射式微透镜包括：如图2b所示的阵列式均匀分布的多个半球反射镜，半球反射镜的球面靠近扩散片11。其中，每个半球反射镜的球面上可镀有反射率接近1的反光介质膜。进而，以任意角度到达导光板10上半球反射镜的光，都能够被半球反射镜以最小的光能损失均匀地反射至导光板10中，进一步提高了光的使用效率。

可选的，透射式微透镜包括：如2b所示的阵列式均匀分布的多个半球透射镜，半球透射镜的球面靠近扩散片11。半球透射镜能够使得以任意角度入射至其上的光线以较小的发散角以及较高的能量出射至扩散片11上。可选的，半球透射镜的球面上可以镀增透介质膜，以使到达导光板10上靠近扩散片11的光学表面上的光以较高的光利用率继续传播。

其中，可选的，半球反射镜和/或半球透射镜的直径可以为0.5mm。应当理解，0.5mm只是本实用新型实施例提供的一个典型值，这个典型值下，导光板10的加工难度与导光效果达到平衡。当然，在其他可选实施例中，半球反射镜和/或半球透射镜的直径可以为其他值，本实用新型对此不做限制。

在一可选实施方式中，棱镜片12包括正交放置的第一棱镜片和第二棱镜片。第一棱镜片和第二棱镜片的摆放角度相互垂直，进而，在两个正交方向上均能够进一步减小光线出射角度，提高入射在PBS13上的光能的集中度。

可选的，在本实施例中，反射镜15的厚度可选为0.3mm,与导光板10之间的间距可以小于0.5mm。导光板的厚度可选为1.5mm，扩散片11的厚度可选为0.2mm,两张正交放置的棱镜片的总厚度可选为0.5mm。进而，在本实施例提供的LCOS背光模组中，除PBS13以及LCOS显示芯片14之外，其他光学元件组成的光学系统的整体厚度控制在3mm之内，极大缩小了LCOS背光装置的体积。除此之外，上述光学元件材质轻、体积小，更加有利于LCOS背光装置的轻量化。

图3为本实用新型实施例提供的LCOS背光装置在LCOS显示芯片上的照度分布示意图，图3中的横纵坐标XY表示LCOS显示芯片的尺寸，单位为毫米，LCOS显示芯片所在区域的不同灰度表示不同照度。从图3可以看出，本实用新型提供的LCOS背光装置的照明光斑在LCOS显示芯片上有良好的分布均匀性。

图4为本实用新型实施例提供的LCOS背光装置在LCOS显示芯片上的照明光斑余量的示意图。如图4所示，照明光斑在LCOS显示芯片15上有充足的照明余量，并且余量的分布符合LCOS显示芯片15的形状，余量在四周的分布很均匀，保证了对安装定位和零件公差的容差范围。

图5为本实用新型实施例提供的LCOS背光装置在LCOS显示芯片上的照明光斑的角度分布示意图，如图5所示，LCOS背光装置形成的照明光斑半光强角度分布控制在±15°之内，保证了与其搭配的成像光路的角度匹配后的光能利用率，提高了经过成像光路后的总光效率。

本实用新型还提供一种AR显示设备，采用本实用新型提供的LCOS背光装置，具有体积小以及重量轻的特点。

以上所述仅为本实用新型的实施例而已，并不用于限制本实用新型。对于本领域技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。