CN110031958A - 一种改进型三组元tir棱镜 - Google Patents

一种改进型三组元tir棱镜 Download PDF

Info

Publication number
CN110031958A
CN110031958A CN201910320002.1A CN201910320002A CN110031958A CN 110031958 A CN110031958 A CN 110031958A CN 201910320002 A CN201910320002 A CN 201910320002A CN 110031958 A CN110031958 A CN 110031958A
Authority
CN
China
Prior art keywords
face
prism
dmd
constituent element
light beam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910320002.1A
Other languages
English (en)
Inventor
刘方
高教波
郑雅卫
孟合民
张茗璇
王军
胡煜
白玉杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian institute of Applied Optics
Original Assignee
Xian institute of Applied Optics
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian institute of Applied Optics filed Critical Xian institute of Applied Optics
Priority to CN201910320002.1A priority Critical patent/CN110031958A/zh
Publication of CN110031958A publication Critical patent/CN110031958A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/02—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of crystals, e.g. rock-salt, semi-conductors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • G02B17/0856—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/04—Prisms

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Projection Apparatus (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
  • Transforming Electric Information Into Light Information (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于红外场景投影仪的改进型三组元TIR棱镜，相互之间隔以一固定空气隙由玻璃夹板从侧面胶合在一起。棱镜在一定的尺寸和角度下，当DMD处于“on”、“flat”、“off”三种不同状态时，光束通过此TIR棱镜后“off”和“flat”光束与“on”态出射光束从不同表面出射，以彻底分开三种不同状态的光束，避免非成像光束进入投影系统而影响成像质量，实现对DMD“on”、“flat”、“off”状态的调制。选择不同的红外材料可以满足不同工作波段的使用要求。本发明解决了专利申请号201310071235.5中由于进入投影系统的光束在通过TIR棱镜时经过了三块棱镜相交的棱，以至于投影后的图像中央有一条无法避免的亮线，严重影响成像质量的问题。

Description

一种改进型三组元TIR棱镜
技术领域
本发明主要涉及一种用于红外场景投影仪的三组元式TIR(内全反射，TotallyInternally Reflect)棱镜，尤其涉及一种基于DMD(Digital Micro mirror Devices)的红外场景投影仪光学引擎的TIR棱镜。
背景技术
采用DMD的红外场景投影仪光学引擎中，根据DMD工作原理，投影系统与照明系统夹角为24°，若不使用TIR棱镜，就会导致照明系统与投影系统口径之间相互制约，解决这一问题就需要将投影系统的工作距离增大，但会增大系统体积，降低能量利用率，增加设计难度。
目前可查阅资料较多的是双组元式TIR棱镜，(1)对比中国发明专利：DLP投影机用TIR棱镜系统，申请号：201511019780.5，(2)对比中国实用新型专利：一种DLP投影机用小型化TIR棱镜系统，申请号：201521132165.0，(3)对比中国发明专利：用于DMD投影仪的TIR棱镜，申请号：02823251.8，此三个专利所述TIR棱镜为双组元式棱镜，由于“on”、“off”两种状态下光束通过TIR棱镜后从同一表面出射，两种状态光束在出射面上互相交叠，不能彻底分开这两种不同状态的光束，尤其当后续投影系统离棱镜出射面距离越近时，“off”状态的光会更多进入后续光学系统，使得背景能量升高，对场景投影仪性能产生较大影响。此外科研实验证明，DMD“flat”态及窗口处的反射光进入投影系统后对像质影响较大，而此类专利未考虑“flat”状态。
三组元式TIR棱镜可见资料较少，对比中国专利：一种用于红外目标模拟器的三组元式内全反射棱镜，申请号：201310071235.5，此专利为三组元式棱镜，理论上可以有效分开三种不同状态的光束，但通过实际对此种棱镜样品进行验证发现，此棱镜存在一个非常大的弊端是“on”态光束在进入投影系统前，必须通过一个三块棱镜相交的棱，如图1所示，从成像结果来看图像中央出现一条亮线，提高加工精度和胶合工艺会使得亮线变窄但不会消失，此亮线严重影响成像质量。
发明内容
要解决的技术问题
本发明的目的在于提出一种基于DMD的红外场景投影仪光学引擎的改进型三组元TIR棱镜，针对中国专利：一种用于红外目标模拟器的三组元式内全反射棱镜，申请号：201310071235.5进行改进，本发明所提供的方案既可以解决“flat”和“off”状态的光束与“on”状态光束不能完全分开的问题，同时解决了上述专利中“on”态光束在进入投影系统前，由于必须通过一个三块棱镜相交的棱，从成像结果来看，图像中央出现一条严重影响成像质量的亮线的问题。
本发明的技术方案为：
所述一种改进型三组元TIR棱镜，包括三块棱镜S1、S2和S3，其中棱镜S2的LG面与DMD器件平行放置，LG面为DMD的入射面；其特征在于：棱镜S2中，与入射面LG面相邻的两个面LD面和GH面上分别布置棱镜S1和棱镜S3；棱镜S1的BC面与棱镜S2的LD面相对，棱镜S3的FM面与棱镜S2的GH面对，BC面与LD面之间以及FM面与GH面之间间隔一定的空气间隙，并由玻璃夹板从侧面将三个棱镜胶合在一起；
光束垂直AC面入射，透过棱镜S1后再透过棱镜S2入射到DMD上，当DMD处于“on”态时，反射光线在LD面上发生全反射，经过棱镜S3由EF面出射；当DMD处于“flat”态时，反射光线在LD面和GH面上经过多次全反射后由LD面和DH面出射；当DMD处于“off”态时，反射光线在LD面和GH面上经过多次全反射由LD和DH面出射。
进一步的优选方案，所述一种改进型三组元TIR棱镜，其特征在于：当红外场景投影仪工作波段为3μm-5μm时，棱镜材料为CaF2，BaF2，ZnS，ZnSe，Ge，Si，GaAs中的一种。
进一步的优选方案，所述一种改进型三组元TIR棱镜，其特征在于：当红外场景投影仪工作波段为8μm-12μm时，可选择的材料为ZnS，BaF2，ZnSe，Ge中的一种。
进一步的优选方案，所述一种改进型三组元TIR棱镜，其特征在于：当工作波段为中波红外3μm-5μm时，以CaF2为棱镜材料，棱镜S1中AC面与BC面夹角β为36.87°；棱镜S2中LD面与LG面夹角θ为53.64°；LG面与GH面夹角α为109.42°；棱镜S3中FM面与FE面夹角δ为36.7°。
进一步的优选方案，所述一种改进型三组元TIR棱镜，其特征在于：DMD芯片的反射角度为±12°。
进一步的优选方案，所述一种改进型三组元TIR棱镜，其特征在于：棱镜S1与S2以及S3与S2之间的空气间隙厚度为50μm-100μm。
有益效果
本发明的整体技术效果体现在以下几个方面。
(1)此种改进型红外三组元式TIR棱镜可以使整个光学引擎结构更加紧凑，缩小照明和投影系统体积，同时提高系统能量利用率。
(2)此种改进型红外三组元式TIR棱镜相较于双组元式红外TIR棱镜，彻底将“flat”和“off”状态的光束与“on”状态光束分开，提高了投影对比度，规避了“flat”态所产生的平态亮斑。
(3)此种改进型红外三组元式TIR棱镜可以使入射光束经过DMD后反射处TIR棱镜后的主光线平行于投影系统光轴。
(4)此种改进型红外三组元式TIR棱镜对DMD“flat”状态以及窗口处反射光束进行调制，使其与“on”态光束分开，提高对比度。实际验证证明，如果不对“flat”态以及窗口处反射光束进行考虑，其进入投影系统后会在图像上形成一个大的亮斑严重影响成像质量。
(5)此种改进型红外三组元式TIR棱镜相比于申请号为201310071235.5的专利，本发明最终所成像质良好，均匀性良好，无亮线或亮斑现象。解决了上述专利中“on”态光束在进入投影系统前，由于必须通过一个三块棱镜相交的棱，以致图像中央出现一条严重影响成像质量的亮线的问题。
(6)此种改进型红外三组元式TIR棱镜可用于中波和长波红外波段。
(7)此种改进型红外三组元式TIR棱镜可实现对P光和S光实现100％反射。
(8)此种改进型红外三组元式TIR棱镜中DH相对HM呈一个倾角的优点是减小棱镜体积且不影响“flat”和“off”光束走向。
附图说明
图1.专利申请号：201310071235.5中，DMD“on”状态时照明光束在棱镜中的光路走向。
图2.基于DMD的场外场景投影仪改进型三组元TIR棱镜结构图。S1-棱镜1，S2-棱镜2，S3-棱镜3。
图3.DMD“on”，“flat”和“off”态时照明光束在棱镜中的光路走向示意图。
图4.以CaF2为材料时计算棱镜S2倾角θ时过程图a
图5.以CaF2为材料时计算棱S2倾角θ时过程图b
图6.以CaF2为材料时计算棱镜S2倾角α时过程图
图7.以CaF2为材料时计算棱镜S1倾角β时过程图
图8.以CaF2为材料时计算棱镜S3倾角δ时过程图
具体实施方式
本发明提出的一种基于DMD的红外场景投影仪用改进型红外三组元式TIR棱镜，基于光的全反射原理，通过对棱镜角度的计算，实现对DMD“on”“flat”“off”状态的调制。选择不同的红外光学材料，以满足工作波段为3-5μm及8-12μm的红外场景投影仪的工作要求。
所述该TIR棱镜包括三块棱镜。如图2，棱镜S2的LG面与DMD器件平行放置，LG面为DMD的入射面。与入射面相邻的两个面分别布置棱镜S1和S3，棱镜S1,S2和S3之间隔以一定的空气隙由玻璃夹板从侧面胶合在一起，空气间隙在50μm-100μm之间取一个数值，小于50μm易使得棱镜贴合在一起，不能满足全反射条件，空气间隙太大会使得折射光束和入射光束相对位移太大。
如图3所示，棱镜在一定的角度下，光束垂直AC面入射透过S1，再透过S2入射到DMD上，当DMD处于“on”态时，反射光线在LD面上发生全反射，经过S3由EF面出射。当DMD处于“flat”态时，反射光线在LD和GH面上经过多次全反射由LD和DH面出射。当DMD处于“off”态时，反射光线在LD和GH面上经过多次全反射由LD和DH面出射。即当DMD处于三种不同状态时，光束通过此TIR棱镜后“off”和“flat”光束与“on”态光束从不同表面出射，以彻底分开了三种不同状态的光束，避免非成像光束进入投影系统而影响成像质量，实现对DMD“on”、“flat”、“off”状态的调制。选择不同的红外材料可以满足不同工作波段的使用要求。本发明解决了专利申请号201310071235.5中由于进入投影系统的光束在通过TIR棱镜时经过了三块棱镜相交的棱，以至于投影后的图像中央有一条无法避免的亮线，严重影响成像质量的问题。
当红外场景投影仪工作波段为3μm-5μm时，棱镜可选择的材料为CaF2，BaF2，ZnS，ZnSe，Ge，Si，GaAs等。
当红外场景投影仪工作波段为8μm-12μm时，棱镜可选择的材料为ZnS，ZnSe，Ge等。
本实施例中对于中波红外波段，以CaF2材料为例进行说明。
如图4，S2棱镜中θ可由下式确定：
有几何关系可知，θ＝θ0，θ0为垂直于LG面的光线再LD面上的入射角；“on”态时从DMD反射回的光线要在LD面上发生全发射，须使得θ0>θc，θc为全反射角，nCaF2是CaF2材料折射率。其中θc＝arcsin(1/nCaF2),θs＝arcsin(sin12°/nCaF2)，θ＝θ0≥θc+θs，得到θ≥53.64°。
如图5所示，必须使得入射光可以从LD面入射(即从LD面入射后的折射角需小于全反射角，否则按照光路可逆原理，将无光线从LD面入射)，有几何关系可得，即90°-(180°-θ-(90°-θf))＝θx≤θc，其中θf＝arcsin(sinθg/nCaF2)，当θg分别取12°、24°、36°时带入上式可得，θ≤53.64°，因此，θ＝53.64°。
棱镜S2中，α＝α1+α2，如图6所示：α1＝90°-θ，α2＝180°-(90°-θy)-(θ+θs)，α＝α1+α2＝180°-2θ-θs+θy，当且仅当θy＝θc时，“on”态光束可以全部通过MH面，而“flat”和“off”态光束在MH面上发生全反射。有θs＝arcsin(sin12°/nCaF2)，可以得到α＝109.42°。
对于棱镜S1中的β，如图7所示：棱镜S1作用是使得入射光束的主光线可以垂直AC面入射，便于光源对准，根据几何关系，β＝θx，如图5所示，θf＝arcsin(sinθg/nCaF2)，θx＝θ-θf，取θg＝24°，得到β＝36.87°。
棱镜S3的作用是使得“on”态出射光线主光线垂直于EF面出射，便于与后续投影系统镜头对准。如图8所示，主光线从DMD出射，在LD面全反射后垂直于EF面出射，延长LD和GH相交，F1E1平行于FE，由几何关系有，δ＝90°-(90°-θ0)-(180-θ-α)，带入数据得到δ＝36.7°。

Claims (6)

1.一种改进型三组元TIR棱镜，包括三块棱镜S1、S2和S3，其中棱镜S2的LG面与DMD器件平行放置，LG面为DMD的入射面；其特征在于：棱镜S2中，与入射面LG面相邻的两个面LD面和GH面上分别布置棱镜S1和棱镜S3；棱镜S1的BC面与棱镜S2的LD面相对，棱镜S3的FM面与棱镜S2的GH面对，BC面与LD面之间以及FM面与GH面之间间隔一定的空气间隙，并由玻璃夹板从侧面将三个棱镜胶合在一起；
光束垂直AC面入射，透过棱镜S1后再透过棱镜S2入射到DMD上，当DMD处于“on”态时，反射光线在LD面上发生全反射，经过棱镜S3由EF面出射；当DMD处于“flat”态时，反射光线在LD面和GH面上经过多次全反射后由LD面和DH面出射；当DMD处于“off”态时，反射光线在LD面和GH面上经过多次全反射由LD和DH面出射。
2.根据权利要求1所述一种改进型三组元TIR棱镜，其特征在于：当红外场景投影仪工作波段为3μm-5μm时，棱镜材料为CaF2，BaF2，ZnS，ZnSe，Ge，Si，GaAs中的一种。
3.根据权利要求1所述一种改进型三组元TIR棱镜，其特征在于：当红外场景投影仪工作波段为8μm-12μm时，棱镜材料为ZnS，BaF2，ZnSe，Ge中的一种。
4.根据权利要求2所述一种改进型三组元TIR棱镜，其特征在于：当工作波段为中波红外3μm-5μm时，以CaF2为棱镜材料，棱镜S1中AC面与BC面夹角β为36.87°；棱镜S2中LD面与LG面夹角θ为53.64°；LG面与GH面夹角α为109.42°；棱镜S3中FM面与FE面夹角δ为36.7°。
5.根据权利要求4所述一种改进型三组元TIR棱镜，其特征在于：DMD芯片的反射角度为±12°。
6.根据权利要求1所述一种改进型三组元TIR棱镜，其特征在于：棱镜S1与棱镜S2以及棱镜S3与棱镜S2之间的空气间隙厚度为50μm-100μm。
CN201910320002.1A 2019-04-19 2019-04-19 一种改进型三组元tir棱镜 Pending CN110031958A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910320002.1A CN110031958A (zh) 2019-04-19 2019-04-19 一种改进型三组元tir棱镜

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910320002.1A CN110031958A (zh) 2019-04-19 2019-04-19 一种改进型三组元tir棱镜

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110031958A true CN110031958A (zh) 2019-07-19

Family

ID=67239419

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910320002.1A Pending CN110031958A (zh) 2019-04-19 2019-04-19 一种改进型三组元tir棱镜

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110031958A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI727890B (zh) * 2020-09-18 2021-05-11 財團法人國家實驗研究院 光纖旋轉耦合裝置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030147158A1 (en) * 2001-12-31 2003-08-07 Penn Steven M. Prism for high contrast projection
CN104035193A (zh) * 2013-03-06 2014-09-10 徐熙平 一种用于红外目标模拟器的三组元式内全反射棱镜
CN107250882A (zh) * 2014-11-07 2017-10-13 奥斯特豪特集团有限公司 用于头戴式计算的电源管理
CN107450263A (zh) * 2017-09-18 2017-12-08 中国华录集团有限公司 Dlp投影机用小型化光学引擎系统
CN108490720A (zh) * 2018-04-27 2018-09-04 深圳市安华光电技术有限公司 一种带空气间隙的粘合棱镜组件和投影光机

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030147158A1 (en) * 2001-12-31 2003-08-07 Penn Steven M. Prism for high contrast projection
CN104035193A (zh) * 2013-03-06 2014-09-10 徐熙平 一种用于红外目标模拟器的三组元式内全反射棱镜
CN107250882A (zh) * 2014-11-07 2017-10-13 奥斯特豪特集团有限公司 用于头戴式计算的电源管理
CN107450263A (zh) * 2017-09-18 2017-12-08 中国华录集团有限公司 Dlp投影机用小型化光学引擎系统
CN108490720A (zh) * 2018-04-27 2018-09-04 深圳市安华光电技术有限公司 一种带空气间隙的粘合棱镜组件和投影光机

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI727890B (zh) * 2020-09-18 2021-05-11 財團法人國家實驗研究院 光纖旋轉耦合裝置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6394607B1 (en) Polarized light separation device, method of fabricating the same and projection display apparatus using the polarized light separation device
US5978136A (en) Optical element, polarization illumination device, and projection display apparatus
US6685322B2 (en) Optical system and projection-type image display device
US20060139575A1 (en) Optical collection and distribution system and method
WO2010061699A1 (ja) 薄型バックライトシステムおよびこれを用いた液晶表示装置
CN102193294A (zh) 照明系统
JPH11271744A (ja) カラー液晶表示装置
JPH11271677A (ja) カラー投影表示装置
JP7434808B2 (ja) 光源装置及び画像投射装置
US20040046942A1 (en) Illumination optical unit liquid crystal projector and production method of liquid crystal projector
US6481852B2 (en) Projector apparatus comprising a light composing optical system vertically stacked with respect to a light separation optical system
JP3408202B2 (ja) 照明装置および投写型映像表示装置
KR100811575B1 (ko) 액정 디스플레이 소자 및 투사형 액정 디스플레이 장치
CN112882226A (zh) 一种光学引擎
EP1909507B1 (en) Image display apparatus
CN114114700B (zh) 一种混色装置
CN110031958A (zh) 一种改进型三组元tir棱镜
CN116880119A (zh) 光源装置和投影设备
CN113156745B (zh) 一种数字光处理投影光机及投影仪
US6671101B2 (en) Color combining optical element, color separation optical element, and projection type display apparatus using them
CN221056819U (zh) 投影光机和ar显示装置
CN216118360U (zh) 合光装置及投影系统
CN113109984B (zh) 一种数字光处理投影光机及投影仪
CN220154786U (zh) 投影光机
CN211086898U (zh) 棱镜元件及投影设备

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190719