[0001] 本申请涉及光电技术领域，特别涉及一种投影设备。

[0002] 随着光电技术的发展，对于投影设备的小型化及制备简易性的要求越来越高。

[0003] 目前，超短焦投影设备由于其所需的投射距离小，便于携带等优点越来越受到大众的青睐。

[0004] 但是，目前超短焦投影设备的镜头结构较为复杂，且体积较大，因而投影设备的结构也较为复杂，且不利于投影设备的小型化。

[0033] 为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

[0034] 随着光电技术的发展，投影设备的应用越来越广泛，对于投影设备的各种要求也越来越高。如要求投影设备的结构较为简单，体积较小，便于携带，且便于安装，在投射时避免外界物体的干扰。在该要求下超短焦投影设备越来越受到人们的青睐。超短焦投影设备所需的投影距离较近，可以直接放置在投射面(如幕布或墙面)之前很近的位置，避免用户走动对投影光束的遮挡，保证投影画面的稳定显示，且避免投影光束直接射入人眼对人眼的伤害。

[0035] 目前的超短焦投影设备(包括激光电视)，在设计上的主要难点在于超短焦镜头的设计。超短焦镜头的设计难度和成本相对于长焦投影和短焦投影来说会大幅增加，且超短焦镜头的结构较为复杂，体积较大，不利于投影设备的小型化以及结构的简易化。需要说明的是，短焦镜头指的是焦距小于标准焦距的镜头，长焦镜头指的是焦距大于标准焦距的镜头。例如该标准焦距可以为50毫米。在不同的场景中对于标准焦距的数值定义可能存在一定的差别，本申请实施例对此不作限定。

[0036] 镜头的焦距越短，投影设备在进行投影时投射比就可以越小。图1是本申请实施例提供的一种投影场景的示意图。如图1所示，投影设备10的投射比指的是投影距离d1与投影画面M的宽度d2之比，投影距离也即是投影设备10与投影屏幕之间的距离。示例地，普通的短焦投影设备的投射比可以在0.4至0.7之间，投射比在0.4以内的可以为超短焦投影设备。需要说明的是，上述短焦投影设备和超短焦投影设备的投射比仅为一种示例，在不同的场景中对于超短焦投影设备的投射比的定义也可能存在一定的差别，在一些场景中投射比略大于0.4的投影设备也可以被认为是超短焦投影设备。

[0037] 本申请实施例提供了一种投影设备，可以通过较为简单的结构实现投影设备的超短焦投影，保证投影设备的结构简易性以及小型化，降低制备难度，且提高投影设备的使用灵活性。

[0038] 图2是本申请实施例提供的一种投影设备的结构框图。如图2所示，投影设备10可以包括投影光源101、光阀102、镜头103和衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)104。衍射光学元件104位于镜头103的出光侧。

[0039] 投影光源101发出的光可以射向光阀102，光阀102用于将接收到的光调制后射向镜头103，镜头103用于将接收到的光射向衍射光学元件104，衍射光学元件104用于将接收到的光进行衍射处理后射出，以形成投影画面。

[0040] 衍射光学元件104对光进行的该衍射处理可以缩短形成投影画面所需的投射距离。如此相当于缩短了投影设备10整体的镜头焦距，镜头103与衍射光学元件104的组合相当于一个焦距比镜头103的焦距更短的镜头，投影设备10可以实现更短焦距的投影。

[0041] 可选地，本申请实施例中镜头103的焦距可以大于超短焦镜头的焦距。如该镜头103可以为长焦镜头或者短焦镜头。若投影设备10中的镜头103为短焦镜头，则镜头103射出的光经过衍射光学元件104的衍射处理后进行投射，可以使投影设备10实现超短焦投影。若投影设备10中的镜头103为长焦镜头，则镜头103射出的光经过衍射光学元件104的衍射处理后进行投射，可以使投影设备10实现短焦投影或者超短焦投影。

[0042] 综上所述，本申请实施例提供的投影光源中，镜头的出光侧设置有衍射光学元件，该衍射光学元件可以对镜头射处的光进行衍射处理后射出，以形成投影画面，且该衍射处理可以缩短形成投影画面所需的投射距离。如此也即是可以采用较长焦距的镜头结合衍射光学元件实现更短焦距的投影。这样一来，该投影设备中可以无需采用结构较为复杂的超短焦镜头即可实现超短焦投影，可以在实现超短焦投影的基础上简化投影设备的结构，降低投影设备的制备复杂度，且有利于投影设备的小型化。

[0043] 图3是本申请实施例提供的一种衍射光学元件的表面微观结构的示意图。衍射光学元件104可以包括采用微纳刻蚀工艺构成二维分布的多个衍射单元D，每个衍射单元D可以有特定的形貌以及折射率等，通过该多个衍射单元可以实现对光的相位分布的精细调控。光经过每个衍射单元后可以发生衍射，并在一定距离处产生干涉，进而形成特定的光强分布及相位分布。示例地，如图3所示，每个衍射单元D可以呈矩形，各个衍射单元D的尺寸和深度(或者称为高度)可以存在差异，且不同衍射单元D之间的间隔距离也可以存在差异，以实现对射入的光的针对性调整。如衍射单元D的深度越深，则相应的高度可以越低。

[0044] 衍射光学元件104中各个衍射单元的尺寸、深度及间隔等情况可以整体称为衍射光学元件104的面型。衍射光学元件104的面型可以决定其对接收到的光的相位调整情况，进而可以决定通过衍射光学元件104后的光的相位分布情况，本申请实施例中将衍射光学元件104对接收到的光的相位调整情况称为衍射光学元件104上的相位分布情况。相应地，可以通过衍射光学元件104上所需的相位分布情况来设计衍射光学元件104的面型。本申请实施例中，需要通过衍射光学元件104将镜头103射出的光调整为形成投影画面所需的光，故可以基于镜头103射出的光的光强分布情况，以及投影画面所需的光的光强分布情况和相位分布情况，确定该衍射光学元件104上所需的相位分布情况，进而设计衍射光学元件104的面型。某一位置光的光强分布和相位分布可以整体称为该位置的光场分布。投影画面所需的光的相位分布可以根据所需的成像尺寸(也即是投影画面的尺寸)和投射比确定。

[0045] 示例地，可以通过迭代傅里叶变换算法(如G‑S算法)确定衍射光学元件104上的相位分布情况。首先，可以为衍射光学元件假定一初始相位分布，该初始相位分布作为输入面的相位分布，将该初始相位分布与输入面的光强分布相结合得到输入面的光场分布。该输入面的光强分布可以为镜头103射出的光的光强分布。之后对该光场分布作正傅里叶变换处理，可以得到输出面的光场分布，该输出面可以为投影画面的形成面，如投影幕布所在位置。接着，可以针对输出面的光场分布，引入限制条件来改变输出面的光场分布，该限制条件为G‑S算法中的收敛条件。然后可以对改变后的输出面的光场分布作逆傅立叶变换，得到输入面的光场分布，并针对输入面再引入限制条件来改变输入面的光场分布；接着再次对输入面的光场分布作正向傅里叶变换。如此循环使得G‑S算法逐渐收敛，最终得到的输入面的相位分布即为衍射光学元件104所需满足的相位分布。

[0046] 图4是本申请实施例提供的一种衍射光学元件上的二维相位分布图。图4中的圆形区域表示衍射光学元件104，横向坐标轴(也即X轴)和纵向坐标轴(也即Y轴)表示该方向上衍射光学元件104的尺寸。如图4对应的衍射光学元件可以呈直径大致为30毫米(mm)的圆形。该二维相位分布图可以反映衍射光学元件104的面型，如该圆形区域中颜色深度不同的各个小点可以对应不同的衍射单元，该小点的颜色的深浅用于反映该衍射单元的高度，该小点的尺寸用于反映衍射单元的尺寸。如图4所示的二维相位分布图中小点的颜色越接近白色表示该衍射单元高度越高，小点的颜色越接近黑色表示该衍射单元的高度越低。

[0047] 图5是本申请实施例提供的一种衍射光学元件上的一维相位分布图，图5可以表示图4所示的衍射光学元件104的二维相位分布中在X方向上的相位(phase)分布情况，该相位的单位为弧度(rad)。如图4中还示出了颜色深度与相位值的对应关系。黑色对应的相位值为0，白色对应的相位值为6，颜色深度从黑色到白色变化，对应的相位值依次从0到6变化。图5中相位的高低可以对应图4中小点的颜色深度，图4中颜色越深的小点在图5中对应的相位值越小。

[0048] 本申请实施例中，在确定出图4与图5所示的相位分布之后，便可以基于该相位分布相应地确定能得到该相位分布的衍射光学元件104的面型。

[0049] 可选地，本申请实施例中的衍射光学元件104可以包括全息膜。

[0050] 本申请实施例的投影设备10中，衍射光学元件104可以为反射式的衍射光学元件，用于将镜头103发出的光进行衍射处理后反射出射以进行投影；或者衍射光学元件104也可以为透射式的衍射光学元件，用于将镜头103发出的光进行衍射处理后透射出射以进行投影。

[0051] 图6是本申请实施例提供的一种投影设备的使用场景的示意图，且图6以该投影设备中的衍射光学元件104为反射式的衍射光学元件为例。图7是本申请实施例提供的一种投影设备的结构示意图，图6所示的使用场景可以为图7所示的投影设备10的使用场景。如图6所示，投影设备10中的衍射光学元件104可以对镜头103发出的光反射向投影屏幕20，以在投影屏幕20上形成投影画面。图6仅以该使用场景包括投影屏幕为例，可选地，投影设备10也可以直接在墙面上或者其他位置投射画面，本申请实施例不做限定。

[0052] 如图6所示，镜头103可以沿x方向射出光。镜头103射出的光可以具有一定的发散角度，该光可以为楔形光束，本申请实施例中仅以该光束的光轴的方向作为镜头103的出光方向。衍射光学元件104可以呈板状结构，衍射光学元件104倾斜设置。该衍射光学元件104的板面可以与镜头103的出光方向(x方向)存在夹角，且该夹角可以小于90度。如图7所示，投影设备10的出光口K可以位于投影设备10的顶面，衍射光学元件104反射的光可以从该出光口K射出。

[0053] 可选地，反射式的衍射光学元件104可以包括：沿远离镜头103的方向依次叠加的片状的衍射光学元件本体和反射膜(图中未示出)。该反射膜与镜头103的出光方向可以形成小于90度的夹角。该衍射光学元件本体用于对接收到的光进行衍射处理，该反射膜用于反射衍射处理后的光。示例地，该衍射光学元件本体可以为全息膜。

[0054] 图8是本申请实施例提供的另一种投影设备的使用场景的示意图，且图8以该投影设备10中的衍射光学元件104为透射式的衍射光学元件为例。如图8所示，投影设备10中的衍射光学元件104可以对镜头103发出的光透射向投影屏幕20。图8仅以该使用场景包括投影屏幕为例，可选地，投影设备10也可以直接在墙面上或者其他位置投射画面，本申请实施例不做限定。如衍射光学元件104可以呈板状结构，衍射光学元件104的板面可以与镜头103的出光方向(x方向)形成90度的夹角。可选地，该种投影设备10的出光口可以位于投影设备10的侧面，本申请实施例未对此进行示意。

[0055] 可选地，本申请实施例中衍射光学元件104可以依附于镜头103设置。衍射光学元件104可以利用连接件设置在镜头103上，覆盖镜头103的出光面。可选地，衍射光学元件104为可拆卸结构，衍射光学元件104与镜头103可以可拆卸连接。示例地，衍射光学元件104的边缘和镜头103的边缘均可以具有螺纹，衍射光学元件104可以与镜头103螺纹连接。在使用时可以将衍射光学元件104按照某一方向拧至镜头103上，在无需衍射光学元件104时可以将其沿反方向拧离镜头103。又示例地，衍射光学元件104的边缘和镜头103的边缘均可以具有卡扣，衍射光学元件104可以与镜头103卡扣连接。如此相当于使镜头实现模块化，还可以使投影设备的外形设计有更多的可能性。

[0056] 本申请实施例提供的投影设备10中，衍射光学元件104可拆卸，镜头103为长焦镜头或者短焦镜头。若镜头103为长焦镜头，则在衍射光学元件104未拆卸时，投影设备10可以进行超短焦投射或者短焦投射；在衍射光学元件104拆卸后，投影设备10可以进行长焦投影。如此可以通过拆卸衍射光学元件104实现投影设备10在长焦投影和短焦投影之间切换，或者实现投影设备10在长焦投影和超短焦投影之间切换。若镜头103为短焦镜头，则在衍射光学元件104未拆卸时，投影设备10可以进行超短焦投射；在衍射光学元件104拆卸后，投影设备10可以进行短焦投影。如此可以通过拆卸衍射光学元件104实现投影设备10在短焦投影和超短焦投影之间切换。因此，本申请实施例提供的投影设备10在简易地实现超短焦投影的基础上，使用灵活性还可以较高。

[0057] 可选地，本申请实施例中的投影设备10可以仅包括一个衍射光学元件104，或者也可以包括多个可拆卸的衍射光学元件104。不同的衍射光学元件对形成投影画面所需的投射距离的缩短程度不同。示例地，镜头103为长焦镜头，一个衍射光学元件可以使投影设备10实现短焦投影，另一个衍射光光学元件可以使投影设备实现超短焦投影。这样一来，可以通过灵活地更换衍射光学元件，来使投影设备10具备长焦投影、短焦投影和超短焦投影的功能，进一步提高投影设备的使用灵活性以及扩大投影设备的应用范围。

[0058] 本申请实施例中，投影设备10中的投影光源101可以为灯泡光源、发光二极管(light‑emitting diode，LED)光源或者激光光源。

[0059] 若该投影光源101为激光光源，则该投影光源101可以包括激光器，该激光器可以用于发出多种颜色的激光，如可以发出红色激光、绿色激光和蓝色激光，以实现投影设备的全色激光显示。由于衍射光学元件104对于波长比较敏感，而激光的波长范围较窄，投影光源101为激光光源时通过衍射光学元件104的光的效率可以较高，形成的投影画面的显示亮度可以较高。

[0060] 可选地，图9是本申请实施例提供的一种投影光源的结构示意图。如图9所示，投影光源101可以包括激光器1011、缩束镜组1012、扩散板1013和会聚透镜1014。激光器1011射出的激光可以射向缩束镜组1012，缩束镜组1012可以将射入的激光缩束后射向扩散板1013，经过扩散板1013扩散匀化后可以通过会聚透镜1014会聚射出。

[0061] 从激光器1011射出的激光可以通过缩束镜组1012进行缩束，以进一步缩小形成的光斑的尺寸，确保激光器1011射出的激光可以全部被利用，且保证后续器件的尺寸较小即可实现对激光的传输。示例地，图9以缩束镜组1012包括一个凸透镜和一个凹透镜为例，可选地，该缩束镜组也可以包括两个凸透镜，如该缩束镜组可以为开普勒望远镜。

[0062] 扩散板1013可以包括按照一定规律排布的扩散角不同的微结构，如该微结构可以为类似于微型凸透镜的结构。可选地，在投影光源101工作时，该扩散板还可以运动。扩散板在运动时可以保证激光在不同时刻射向扩散片的不同位置，如此激光在不同时刻的发散角度不同，投影设备根据该激光进行投影形成的不同形状位置的散斑可以散乱叠加，进而用户可以无法看到明显的散斑，起到消除散斑的作用。

[0063] 图10是本申请实施例提供的另一种投影设备的结构示意图。如图10所示，该投影设备10可以包括图9所示的投影光源101，还可以包括光阀102和镜头103。需要说明的是，图10未对衍射光学元件104进行示意。投影设备10还可以包括位于投影光源101和光阀102之间的匀光部件104和照明镜组105。投影光源101发出的的激光经匀光部件104匀化后，可以通过照明镜组105射向光阀102。

[0064] 示例地，该匀光部件104可以为光导管或者复眼透镜。该照明镜组105可以包括反射片F、透镜T以及全内反射(total internal reflection prism，TIR)棱镜L。匀光部件104射出的激光可以射向反射片F，反射片F可以将射入的光反射至凸透镜T，凸透镜T可以将射入的激光会聚至全内反射棱镜L，全内反射棱镜L将射入的激光反射至光阀102。匀光部件104、照明镜组105和光阀102可以整体称为投影设备10的照明系统。

[0065] 可选地，光阀102可以为数字微镜器件(Digtial Micromirror Devices，DMD)。光阀102可以包括多个反射片，每个反射片可以用于形成投影画面中的一个像素，光阀102可以根据待显示的图像使其中需呈亮态显示的像素对应的反射片将接收到的激光反射至镜头103，以实现对激光的调制。

[0066] 镜头103可以包括多个透镜(图中未示出)。从光阀102射出的激光可以依次通过镜头103中的多个透镜射出。

[0067] 综上所述，本申请实施例提供的投影光源中，镜头的出光侧设置有衍射光学元件，该衍射光学元件可以对镜头射处的光进行衍射处理后射出，以形成投影画面，且该衍射处理可以缩短形成投影画面所需的投射距离。如此也即是可以采用较长焦距的镜头结合衍射光学元件实现更短焦距的投影。这样一来，该投影设备中可以无需采用结构较为复杂的超短焦镜头即可实现超短焦投影，可以在实现超短焦投影的基础上简化投影设备的结构，降低投影设备的制备复杂度，且有利于投影设备的小型化。

[0068] 本申请中术语“A和B的至少一种”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和B的至少一种，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。术语“A、B和C的至少一种”表示可以存在七种关系，可以表示：单独存在A，单独存在B，单独存在C，同时存在A和B，同时存在A和C，同时存在C和B，同时存在A、B和C这七种情况。在本申请实施例中，术语“第一”和“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“至少一个”指的是一个或多个，术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

[0069] 如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件，本领域技术人员应可理解，制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”和“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

[0070] 以上所述仅为本申请的可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。