CN101470267B - 全内反合色棱镜及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全内反合色棱镜，包括第一、第二、第三、第四、第五界面、第一、第二、第三表面、第一、第二、第三入射面，以及出射面；所述第四界面对红光和绿光透过，对蓝光反射；所述第五界面对蓝光和绿光透过，对红光反射；分别由所述第一、第二和第三入射面入射的红、绿、蓝光，分别经过第一、第二和第三界面反射后，由第一、第二和第三表面透射出去；由所述第一表面输入的图像经过第五界面反射后由所述出射面输出；由所述第三表面输入的图像经过第四界面反射后由所述出射面输出；由所述第二表面输入的图像直接透射经过第四界面和第五界面后由所述出射面输出。

Description

全内反合色棱镜及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种合色棱镜及其制作方法，特别涉及一种能够将三基色光耦合进入对应的DMD，并将由DMD输出的图像合成为彩色图像的全内反合色棱镜及其制作方法。

背景技术

目前市场所采用的单片DLP(digital light processing)投影系统如图1所示，灯泡101发出的白光经过色轮102后时序输出红绿蓝三色，光束经过光棒103的匀场和中继透镜组104的转像后，光束经过内部全反射棱镜105(Total Interface Reflection，简称TIR棱镜)后照射到数字微镜器件106(Digital Micro-mirror Device，简称DMD)上，由DMD106处理过后的光束经过投影透镜组107后，最后照射到屏幕108上成像。由于单片DLP对色轮102的使用，白光通过色轮102时，有三分之二的光能被浪费掉，所以造成光能利用率较低。

目前市场所采用的三片DLP投影系统如图2所示，灯泡201发出的光首先经过光棒202进行匀场，再通过聚焦透镜组203会聚，然后经过平面反射镜204反射，进入TIR棱镜205，TIR棱镜205的作用是实现入射光与出射光分离，互不干扰，使入射光全反射，出射光透过。之后，光束经过分色再合色棱镜206(color splitting/recombining prism)使白光先分为红绿蓝三色，并分别入射到红绿蓝DMD207、217、227上，之后三束光再进行合色，通过TIR棱镜205出射，最后经过投射透镜组208后再成像。从图2可见，三片DLP投影系统采用了白光先分为红绿蓝三色再合色的方法，增加了分色再合色棱镜206的使用。而分色再合色棱镜206的制作工艺非常困难，价格成本也十分高昂，且体积大，重量较重，占据了整个DLP投影系统的绝大部分重量。而且，光路在分色再合色棱镜206中先分色再合色，光路复杂且长，故而影响投影效果。

此外，由于光源的白光在光谱分布上并不满足色平衡的要求，为了满足色平衡，通常采用抑制部分谱段光的办法来调制色平衡，从而造成了光能利用率的降低。而且由于灯泡中红光的不足，还会采用选择宽谱来解决红光亮度的问题，而这样又会造成色饱和度和对比度的降低。

发明内容

因此，本发明的任务是针对现有技术存在的不足，提出一种全内反合色棱镜；

本发明的另一任务是提供一种全内反合色棱镜的制作方法。

一方面，本发明的全内反合色棱镜，包括第一、第二、第三、第四、第五界面、第一、第二、第三表面、第一、第二、第三入射面，以及出射面；

所述第四界面对红光和绿光透过，对蓝光反射；所述第五界面对蓝光和绿光透过，对红光反射；

分别由所述第一、第二和第三入射面入射的红、绿、蓝光，分别经过第一、第二和第三界面反射后，由第一、第二和第三表面透射出去；

由所述第一表面输入的图像经过第五界面反射后由所述出射面输出；

由所述第三表面输入的图像经过第四界面反射后由所述出射面输出；

由所述第二表面输入的图像直接透射经过第四界面和第五界面后由所述出射面输出。

所述第四和第五界面相互垂直。

所述第一和第三表面彼此平行。

所述第二表面和所述出射面彼此平行。

所述第二表面和第一表面垂直。

所述第一表面与所述第四界面的夹角为45°。

所述第一、第二和第三界面中央填充有透明介质。

进一步地，所述透明介质的折射率小于棱镜材料的折射率。

进一步地，所述透明介质为空气、光学胶。

进一步地，所述透明介质厚3微米到10微米。

另一方面，本发明提供了一种制作全内反合色棱镜的方法，选择第一、第二和第三直角棱镜，并将所述三个直角棱镜和一个直角三棱镜的各个直角面使用光学胶彼此不留空隙地完全胶合在一起，形成相互垂直的第四界面和第五界面，所述直角三棱镜的斜面作为出射面，其中，所述第四界面和第五界面两侧的棱镜表面分别镀有相应的减反膜和高反膜，使得第四界面对红光和绿光通过，对蓝光反射，且第五界面对蓝光和绿光通过，对红光反射；直角三棱镜的出射面镀有对可见光的宽带减反膜。

选择第一棱镜，该第一棱镜包括第一表面、第一入射面和第一胶合表面，将所述第一胶合表面与所述第一直角棱镜的一个表面胶合，形成第一界面，使得由第一入射面入射到第一棱镜中的红光在第一界面发生全反射后经第一表面透射，且由所述第一表面输入的红光直接透射通过第一界面，并在第五界面处被反射，由所述出射面输出；第一胶合面两侧的棱镜表面、第一入射面、第一表面均镀有红光的减反膜。

选择第二棱镜，该第二棱镜包括第二表面、第二入射面和第二胶合表面，将所述第二胶合表面与所述第二直角棱镜的一个表面胶合，形成第二界面，使得由第二入射面入射到第二棱镜中的绿光在第二界面发生全反射后经第二表面透射，且由所述第二表面输入的绿光直接透射通过第二、第四和第五界面，由所述出射面输出；第二胶合面两侧的棱镜表面、第一入射面、第二表面均镀有绿光的减反膜。

选择第三棱镜，该第三棱镜包括第三表面、第三入射面和第三胶合表面，将所述第三胶合表面与所述第三直角棱镜的一个表面胶合，形成第三界面，使得由第三入射面入射到第三棱镜中的蓝光在第三界面发生全反射后经第三表面透射，且由所述第三表面入射的蓝光直接透射通过第三界面，并在第四界面处被反射，由所述出射面输出，第三胶合面两侧的棱镜表面、第三入射面、第三表面均镀有蓝光的减反膜。

所述第四和第五界面彼此垂直。

所述第一和第三表面彼此平行。

所述第二表面和所述出射面彼此平行。

所述第二表面和所述第一表面垂直。

所述第一表面与所述第四界面的夹角为45°。

所述的第一、第二、第三三角棱镜结构相同，第一、第二、第三直角棱镜结构相同。

所述的第一、第二、第三三角棱镜与第一、第二、第三直角棱镜和直角三棱镜采用相同的棱镜材料。

所述第一、第二和第三界面中央填充有透明介质，且所述透明介质的折射率小于所述棱镜材料的折射率。

所述透明介质厚度为3微米到10微米。

所述透明介质为空气。

所述光学胶的折射率与全内反合色棱镜的折射率相同或者相近。

上述的全内反合色棱镜的可以应用于独立照明的三片DLP投影系统中。

将本发明的全内反合色棱镜用于独立照明的三片DLP投影系统，优点如下：

1.使投影系统省去了白光的分色环节，有效地简化了DLP投影系统的光路，从而使系统设计更容易，减少了光损耗，提高了光能利用率；

2.不必再使用目前成本极高的复杂棱镜器件色分离及色合成棱镜，不仅有效地减小了DLP投影系统的体积和重量，极大地降低了成本，同时缩短了光路，减小了光路的复杂性，使投影系统不易因温度变化受到影响，增强了投影系统的效果。

3.由于采取独立照明的方法，可以根据白光配光比来合理的设置红绿蓝光源或者其他颜色光源的功率需求，不仅避免了由于红光不足采用选宽谱造成的色饱和度和对比度的降低，而且避免了光能的浪费，将光能充分化利用。

4.采用三基色激光器或LED作为光源的话，比灯泡具有可调节性，可降低发热量，较好地避免高发热的问题。

5.本发明的投影系统比现有的DLP投影系统技术具有明显的高集成度的优势，省去了传统的TIR棱镜，本发明的全内反合色棱镜既可实现传统TIR棱镜的功能又可以实现合色功能，从而使投影系统的结构更为紧凑，体积因此得到了大幅度的缩小，重量也因此减轻，且成本也相应得到降低。

因此，本发明是实现三片DLP低成本、高效率、高投影显示效果的有效途径和方法，在投影显示技术领域具有很高的实用价值及规模化生产的价值。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1为传统单片DLP投影系统的光路示意图；

图2为传统三片DLP投影系统的光路示意图；

图3为全内反合色棱镜的结构示意图；

图4为独立照明的三片DLP投影系统装置图；

图5为一种独立照明的激光投影系统示意图；

图6为一种独立照明的LED投影系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的解释和说明。

图3为一种全内反合色棱镜的结构示意图。该全内反合色棱镜由七块棱镜胶合而成。其中，第一、第二和第三棱镜301，302和303为结构相同的三角棱镜，第一、第二、第三棱镜301，302和303各个角的角度根据实际设计中入射光的角度和DMD的具体情况而有所不同，其中与第一、第二、第三界面301a，302a，303a相对的第一、第二、第三棱镜的角通常为钝角；第四、第五和第六棱镜304，305和306为结构相同的四棱镜，且至少有一个角为直角，其形状主要根据第一、第二和第三棱镜301，302和303的形状和具体光路系统设计情况而定，同时第四、第五和第六棱镜304，305，306的两个直角边必须相等，其余两边通常不等；第七棱镜307为等腰直角三角棱镜，其等腰边与第四、第五、第六棱镜304，305，306的直角边相等；并且第一、第二和第三棱镜301，302和303的β角比第四、第五、第六棱镜304，305，306的α角小45度，从而保证第一棱镜的边301c与第三棱镜的边303c平行，第二棱镜的边302c与第七棱镜的边307c平行，第一、第三棱镜的边301c，303c与第二、第七棱镜的边302c，307c垂直。

通过光学胶顺序将第四至第七棱镜的直角面不留空隙地完全胶合在一起，且使其直角棱彼此重合，同时尽可能地在此四个棱镜的中心交叉点处不留空隙，或将空隙控制在微米量级或其以下。从而，形成互相垂直的第四界面308和第五界面309。此外，第一至第七棱镜的材料均采用相同材料，采用的光学胶折射率应与棱镜折射率相同或相近。

然后将第一棱镜301的钝角所对的面胶合在所述第四棱镜304的直角所对的面，两个面之间并非完全胶合，是部分胶合，即在胶合面的中央部分留有通光区域不予胶合，该胶合面为第一界面301a。通光区域填充有折射率小于棱镜折射率的物质，厚度约为3-10微米，可以为空气，也可以为某种折射率较小的光学胶。而胶合所用的胶可以为与棱镜折射率相同或相近的胶，也可以采用其他胶。同理，将第二棱镜302和第三棱镜303分别与第五棱镜305和第六棱镜306对应面胶合，形成带有通光区域的第二界面302a和第三界面303a，其中，形成第一、第二和第三界面301a，302a，303a两侧的棱镜表面分别镀有对所通过光线的减反膜。第一、第二和第三棱镜的光线的入射面分别为第一、第二和第三入射面301b，302b和303b，其表面分别镀有对入射光线的减反膜，第一、第二和第三棱镜的第一、第二和第三表面301c，302c和303c也同样镀有对相应通过光线的减反膜。

第四、第五、第六、第七棱镜304，305，306，307的镀膜和入射光有关。当红光从第一棱镜301入射，绿光从第二棱镜302入射，蓝光从第三棱镜303入射，形成第四界面308a的第四、第七棱镜的相应面和形成第四界面308b的第二、第三棱镜的相应面则镀有连续的绿光和红光的减反膜及蓝光的高反膜；形成第五界面309a的第一、第二棱镜的相应面和形成第五界面309b的第三、第七棱镜的相应面镀有连续的绿光和蓝光的减反膜及红光的高反膜。第七棱镜的出射面307c镀有对可见光的宽带减反膜。通常绿光都是从第二棱镜入射，蓝光和红光的入射位置则可以相互交换，而当蓝光和红光的位置交换时，相当于将当前系统沿水平轴翻转而已。

光束入射到在第一、第二、第三棱镜的第一、第二、第三界面301a，302a，303a上的入射角必须大于棱镜的全反射角，以确保光束发生全反射。

作为一个优选的实施例，图3中的棱镜材料选用BK7，对应于0.7XGADDR12的DMD，第一、第二和第三棱镜角度分别为48度、101度、31度，其中β＝31度，则第四、第五、第六棱镜的四个角中，α＝31+45＝76度，另外两个相对角为直角，所述第一、第二和第三界面中的通光区域填充厚度为5微米的空气层，并且红绿蓝光束垂直于相应三棱镜的入射面入射。

当然，如前所述，根据不同的DMD和实际使用的需要，本领域技术人员根据上面描述的原则还可以使用不同的棱镜角度。

图4给出了一种使用图3所示全内反合色棱镜的独立照明的三片DLP投影系统的装置图，包括红绿蓝光源装置421，422，423、红绿蓝光对应的DMD411，412，413、全内反合色棱镜410、投影透镜组414和投影屏幕415；

所述红光光源装置421输出的红光垂直于第一棱镜401的光线入射面401b入射，在第一界面401a中通光区域的空气隙上满足全反射条件而全反射后从第一表面401c出射，并进入与所述第一表面401c平行设置的红光DMD411中，经过红光DMD411反射后的光束再次由第一表面401c入射到第一棱镜401中，光束由于入射角小而不发生全内反射，从而直接透射过第一界面401a后进入第四棱镜404，光束在第五界面409上反射后进入第七棱镜407，最后由出射面407c出射；

所述绿光光源装置422输出的绿光垂直于第二棱镜402的光线入射面402b入射，在第二界面402a中通光区域的空气隙上满足全反射条件而全反射后从第二表面402c出射，并进入与所述第二表面402c平行设置的绿光DMD412中，经过绿光DMD412反射后的光束再次由第二表面402c入射到第二棱镜402中，光束由于入射角小而不发生全内反射，从而直接透射过第二界面402a后进入第五棱镜405，光束在第四、第五界面上透射入第七棱镜407，最后由出射面407c出射；

所述蓝光光源装置423输出的蓝光垂直于第三棱镜403的光线入射面403b入射，在第三界面403a中通光区域的空气隙上满足全反射条件而全反射后从第三表面403c出射，并进入与所述第三表面403c平行设置的蓝光DMD413中，经过蓝光DMD413反射后的光束再次由第三表面403c入射到第三棱镜403中，光束由于入射角小而不发生全内反射，从而直接透射过第三界面403a后进入第六棱镜406，光束在第四界面408上反射后进入第七棱镜407，最后由出射面407c出射。

其中，第四界面408镀有连续的绿光和红光的减反膜及蓝光的高反膜，第五界面409镀有连续的绿光和蓝光的减反膜及红光的高反膜；第一棱镜401的光线入射面401b、组成第一界面401a的两侧的棱镜表面及第一表面401c镀有红光减反膜，第二棱镜402的光线入射面402b、组成第二界面402a的两侧的棱镜表面及第二表面402c镀有绿光减反膜，第三棱镜403的光线入射面403b、组成第三界面403a的两侧的棱镜表面及第三表面403c镀有蓝光减反膜；出射面407c镀有可见光的宽带减反膜。

上面三个DMD反射的光束在全内反合色棱镜中实现了合束，再由投影透镜组414将全内反合色棱镜的输出光投影显示到投影屏幕415上。

图5给出了一种独立照明的激光投影系统，该系统中在红绿蓝三色激光光源510，520，530与全内反合色棱镜501之间的光路上顺序设有聚焦透镜511，521，531、积分棒512，522，532和中继透镜组513，523，533，其他装置和结构与图4相同。

图6给出了一种独立照明的LED投影系统示意图，其中，三基色光源使用红绿蓝LED光源装置601，602，603，并在每个光源与全内反合色棱镜610之间的光路上顺序设有光束整形系统611，621，631和中继透镜组612，622，632，其他装置和结构与图4相同。

针对不同激光器和LED还可以采取其他方式将三色光耦合进全内反合色棱镜。此外，三色光可以为红绿蓝三色，也可以根据需要选择其他三色光源。

上面各个实施例的投影显示系统中，全内反合色棱镜的空气层厚度可以根据需要在微米量级之间调节。本领域普通技术人员应当理解，在不改变各个界面和表面功能和作用的情况下，可以对上述实施例进行各种变形，例如适当改变各个棱镜的角度、使用更多表面的棱镜、进行各种镀膜等，都应该在本发明的权利要求范围之内。

Claims (23)

1.一种全内反合色棱镜，包括第一、第二、第三、第四、第五界面、第一、第二、第三表面、第一、第二、第三入射面，以及出射面；

所述第四界面对红光和绿光透过，对蓝光反射；所述第五界面对蓝光和绿光透过，对红光反射；

分别由所述第一、第二和第三入射面入射的红、绿、蓝光，分别经过第一、第二和第三界面反射后，由第一、第二和第三表面透射出去；

由所述第一表面输入的图像经过第五界面反射后由所述出射面输出；

由所述第三表面输入的图像经过第四界面反射后由所述出射面输出；

由所述第二表面输入的图像直接透射经过第四界面和第五界面后由所述出射面输出；

所述第一、第二、第三、第四、第五界面、第一、第二、第三表面、第一、第二、第三入射面，以及出射面按下述方法构成：

选择第一、第二和第三直角棱镜，并将所述三个直角棱镜和一个直角三棱镜的各个直角面使用光学胶彼此不留空隙地完全胶合在一起，形成相互垂直的第四界面和第五界面，所述直角三棱镜的斜面作为出射面，其中，所述第四界面和第五界面两侧的棱镜表面分别镀有相应的减反膜和高反膜，使得第四界面对红光和绿光通过，对蓝光反射，且第五界面对蓝光和绿光通过，对红光反射；直角三棱镜的出射面镀有对可见光的宽带减反膜；

选择第一三角棱镜，该第一三角棱镜包括第一表面、第一入射面和第一胶合表面，将所述第一胶合表面与所述第一直角棱镜的一个表面胶合，形成第一界面，使得由第一入射面入射到第一三角棱镜中的红光在第一界面发生全反射后经第一表面透射，且由所述第一表面输入的红光直接透射通过第一界面，并在第五界面处被反射，由所述出射面输出；第一胶合面两侧的棱镜表面、第一入射面、第一表面均镀有红光的减反膜；

选择第二三角棱镜，该第二三角棱镜包括第二表面、第二入射面和第二胶合表面，将所述第二胶合表面与所述第二直角棱镜的一个表面胶合，形成第二界面，使得由第二入射面入射到第二三角棱镜中的绿光在第二界面发生全反射后经第二表面透射，且由所述第二表面输入的绿光直接透射通过第二、第四和第五界面，由所述出射面输出；第二胶合面两侧的棱镜表面、第二入射面、第二表面均镀有绿光的减反膜；

选择第三三角棱镜，该第三三角棱镜包括第三表面、第三入射面和第三胶合表面，将所述第三胶合表面与所述第三直角棱镜的一个表面胶合，形成第三界面，使得由第三入射面入射到第三三角棱镜中的蓝光在第三界面发生全反射后经第三表面透射，且由所述第三表面入射的蓝光直接透射通过第三界面，并在第四界面处被反射，由所述出射面输出，第三胶合面两侧的棱镜表面、第三入射面、第三表面均镀有蓝光的减反膜。

2.根据权利要求1所述的全内反合色棱镜，其特征在于，所述第四和第五界面相互垂直。

3.根据权利要求1所述的全内反合色棱镜，其特征在于，所述第一和第三表面彼此平行。

4.根据权利要求1所述的全内反合色棱镜，其特征在于，所述第二表面和所述出射面彼此平行。

5.根据权利要求1所述的全内反合色棱镜，其特征在于，所述第二表面和第一表面垂直。

6.根据权利要求1所述的全内反合色棱镜，其特征在于，所述第一表面与所述第四界面的夹角为45°。

7.根据权利要求1所述的全内反合色棱镜，其特征在于，所述第一、第二和第三界面中央填充有透明介质。

8.根据权利要求7所述的全内反合色棱镜，其特征在于，所述透明介质的折射率小于棱镜材料的折射率。

9.根据权利要求8所述的全内反合色棱镜，其特征在于，所述透明介质为空气或折射率小于棱镜折射率的光学胶。

10.根据权利要求7所述的全内反合色棱镜，其特征在于，所述透明介质厚3微米到10微米。

11.一种制作全内反合色棱镜的方法，选择第一、第二和第三直角棱镜，并将所述三个直角棱镜和一个直角三棱镜的各个直角面使用光学胶彼此不留空隙地完全胶合在一起，形成相互垂直的第四界面和第五界面，所述直角三棱镜的斜面作为出射面，其中，所述第四界面和第五界面两侧的棱镜表面分别镀有相应的减反膜和高反膜，使得第四界面对红光和绿光通过，对蓝光反射，且第五界面对蓝光和绿光通过，对红光反射；直角三棱镜的出射面镀有对可见光的宽带减反膜；

选择第一三角棱镜，该第一三角棱镜包括第一表面、第一入射面和第一胶合表面，将所述第一胶合表面与所述第一直角棱镜的一个表面胶合，形成第一界面，使得由第一入射面入射到第一三角棱镜中的红光在第一界面发生全反射后经第一表面透射，且由所述第一表面输入的红光直接透射通过第一界面，并在第五界面处被反射，由所述出射面输出；第一胶合面两侧的棱镜表面、第一入射面、第一表面均镀有红光的减反膜；

选择第二三角棱镜，该第二三角棱镜包括第二表面、第二入射面和第二胶合表面，将所述第二胶合表面与所述第二直角棱镜的一个表面胶合，形成第二界面，使得由第二入射面入射到第二三角棱镜中的绿光在第二界面发生全反射后经第二表面透射，且由所述第二表面输入的绿光直接透射通过第二、第四和第五界面，由所述出射面输出；第二胶合面两侧的棱镜表面、第二入射面、第二表面均镀有绿光的减反膜；

选择第三三角棱镜，该第三三角棱镜包括第三表面、第三入射面和第三胶合表面，将所述第三胶合表面与所述第三直角棱镜的一个表面胶合，形成第三界面，使得由第三入射面入射到第三三角棱镜中的蓝光在第三界面发生全反射后经第三表面透射，且由所述第三表面入射的蓝光直接透射通过第三界面，并在第四界面处被反射，由所述出射面输出，第三胶合面两侧的棱镜表面、第三入射面、第三表面均镀有蓝光的减反膜。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第四和第五界面彼此垂直。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一和第三表面彼此平行。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二表面和所述出射面彼此平行。

15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二表面和所述第一表面垂直。

16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一表面与所述第四界面的夹角为45°。

17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述的第一、第二、第三三角棱镜结构相同，第一、第二、第三直角棱镜结构相同。

18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述的第一、第二、第三三角棱镜与第一、第二、第三直角棱镜和直角三棱镜采用相同的棱镜材料。

19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一、第二和第三界面中央填充有透明介质，且所述透明介质的折射率小于所述棱镜材料的折射率。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述透明介质厚度为3微米到10微米。

21.根据权利要19所述的方法，其特征在于，所述透明介质为空气。

22.根据权利要求7所述的全内反合色棱镜，其特征在于，所述光学胶的折射率与全内反合色棱镜的折射率相同或者相近。

23.一种使用权利要求1-10任一项所述的全内反合色棱镜的投影系统。

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