CN113970834A - 合色棱镜、光学模组和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种合色棱镜、光学模组和电子设备，所述合色棱镜包括胶合棱镜，所述胶合棱镜通过两个直角三棱镜的斜面互相胶合而成，所述胶合棱镜的主截面为矩形，所述胶合棱镜的一个直角面为出射面,所述胶合棱镜上，与所述出射面相对的面为第一入射面，所述出射面与胶合斜面所成夹角相对的面为第二入射面，所述第一入射面与所述胶合斜面所成夹角相对的面为第三入射面。本申请中的合色棱镜在实现合色功能的前提下，相比于现有技术减少了整个结构的组件数，从而减小了合色棱镜的整体体积、降低了合色棱镜的加工和组装难度。

Description

合色棱镜、光学模组和电子设备

技术领域

本申请涉及光学技术领域，更具体地，涉及一种合色棱镜、光学模组和电子设备。

背景技术

随着技术的发展，人们对消费类电子产品的便携性提出了更高的要求，体积小、质量轻成为电子市场的重要发展方向，基于此，目前在投影仪、AR(增强现实)、VR(虚拟现实)等光学设备中，对于光学系统的设计提出了更高的设计要求。

在投影仪、AR、VR等光学设备中，根据功能需求常需要对多个色光进行合色，现有技术中有使用多种组合滤光片、x cube、x plate等方式。但这些方式存在体积大、加工困难、组装难度高等缺点。

发明内容

本申请的一个目的是提供一种合色棱镜和光学模组的新技术方案。

根据本申请的第一方面，提供了一种合色棱镜，包括：

胶合棱镜，所述胶合棱镜通过两个直角三棱镜的斜面互相胶合而成，所述胶合棱镜的主截面为矩形，所述胶合棱镜的一个直角面为出射面,所述胶合棱镜上，与所述出射面相对的面为第一入射面，所述出射面与胶合斜面所成夹角相对的面为第二入射面，所述第一入射面与所述胶合斜面所成夹角相对的面为第三入射面。

可选地，所述胶合斜面上设置有偏振分光介质膜，所述第一入射面和/或第二入射面上设置有相位延迟片。

可选地，所述相位延迟片的外侧设置有第一滤光膜或第二滤光膜；所述第一滤光膜能够透射第一波段的光，反射第三波段的光，所述第二滤光膜能够透射第二波段的光，反射所述第三波段的光，所述第三波段的光为偏振光。

可选地，所述胶合斜面上还设置有第三滤光膜，所述第三滤光膜能够透射所述第一波段的光和所述第三波段的光，反射所述第二波段的光。

根据本申请的第二方面，提供了一种光学模组，包括：第一光源、第二光源、第三光源和第一方面所述的合色棱镜；

所述第一光源发出的第一波段的光从所述第一入射面射入，所述第二光源发出的第二波段的光从所述第二入射面射入，所述第三光源发出的第三波段的光从所述第三入射面射入；所述第一波段的光、第二波段的光和第三波段的光最终均从所述出射面射出。

可选地，所述第一光源、第二光源、第三光源均为面光源。

可选地，所述第一波段的光、第二波段的光和第三波段的光经过所述合色棱镜的光程均相等。

可选地，两个所述直角三棱镜分别为等腰三棱镜。

可选地，所述第一入射面和所述第二入射面上还设置有补偿棱镜，所述补偿棱镜能够使所述第一波段的光和第二波段的光与所述第三波段的光经过所述胶合棱镜的光程相等。

根据本申请的第三方面，提供了一种电子设备，包括第二方面所述的光学模组。

根据本申请的一个实施例，提供了一种合色棱镜，其主体是由两个直角三棱镜的斜面胶合而成的具有矩形主截面的胶合棱镜，得到的合色棱镜可以将三个不同波段的光合成一束，从出射面射出。本申请在实现合色功能的前提下，减少了合色棱镜的组件数，从而减小了合色棱镜的整体体积、降低了合色棱镜的加工和组装难度。

通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且连同其说明一起用于解释本申请的原理。

图1是本申请提供的一种合色棱镜的示意图。

图2是本申请提供的另一种合色棱镜的示意图。

图3是本申请提供的具有补偿棱镜的光学模组示意图。

附图标记说明：

1、直角三棱镜；2、胶合斜面；3、出射面；4、相位延迟片；5、第一入射面；6、第二入射面；7、第三入射面；8、第一光源；9、第二光源；10、第三光源；11、补偿棱镜。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

以下将结合附图1至附图3，来详细描述本申请提供的一种合色棱镜和光学模组以及电子设备。

如图1至图3，本实施例提拱了一种合色棱镜，其包括胶合棱镜，所述胶合棱镜通过两个直角三棱镜1的斜面互相胶合而成，所述胶合棱镜的主截面为矩形，所述胶合棱镜的一个直角面为出射面3,所述胶合棱镜上，与所述出射面3相对的面为第一入射面5，所述出射面3与胶合斜面2所成夹角相对的面为第二入射面6，所述第一入射面5与所述胶合斜面2所成夹角相对的面为第三入射面7。

在本实施例中，通过将两个直角三棱镜1的斜面互相胶合，形成一个具有胶合斜面2和矩形主截面的胶合棱镜，将形成的此胶合棱镜作为整个合色棱镜的主体。胶合棱镜上具有第一入射面5、第二入射面6和第三入射面7，不同波长的光无论从第一入射面5、第二入射面6还是第三入射面7射入，通过胶合棱镜的作用，均可以从出射面3射出，实现对于光波的合色(或合束作用)。具体地，可以通过在胶合棱镜的胶合斜面2上以及各入射面上设置不同类型的介质膜，实现胶合棱镜对于不同光波的合色(合束)作用，为电子设备可以提供照明或成像功能。

现有技术中的合色棱镜一般通过四个直角等腰三棱镜胶合而成，并且主截面一般为正方形，其组件数较多，加工工艺复杂，对于各个三角棱镜的尺寸误差要求较高。而本申请提供的合色棱镜仅由两个直角三棱镜1胶合而成，其主截面为矩形，组件数少，加工工艺要求较低，简化了系统结构，降低了系统重量和制造成本。

可选地，所述胶合斜面2上设置有偏振分光介质膜，所述第一入射面5和/或第二入射面6上设置有相位延迟片4。

具体地，在胶合斜面2上可以设置偏振分光介质膜，偏振分光介质膜(即PBS膜)是一种能够对某一波段的光，透射其P偏振态的光，反射其S偏振态的光的膜，而相位延迟片4能够将某一波段的光的P偏振态的光和S偏振态的光互相进行转换。例如，某一波段的光的P偏振态的光和S偏振态的光从第三入射面7射入胶合棱镜后，P偏振态的光从偏振分光介质膜透过，到达第二反射面，而S偏振态的光被偏振分光介质膜呈45°反射，到达第一反射面。

进一步地，通过在第一反射面或第二反射面上设置相位延迟片4(如图1所示，为在第二反射面上设置相位延迟片4的示意图)，可以将到达第一反射面的S偏振态的光转换为P偏振态的光，达到第二反射面的P偏振态的光转换为S偏振态的光。这样，只需要在相位延迟片4外侧设置相应的能够反射P偏振态的光或者S偏振态的光的反射膜，即可将P偏振态的光或者S偏振态的光重新反射回胶合斜面2，经过相位延迟片4转换后的P偏振态的光或者S偏振态的光再次经过偏振分光介质膜的透射或反射，便可从出射面3射出。这种设置方式可以使得胶合棱镜在不增加组件数量的基础上，使某一波段的光从第三入射面7射入后，从出射面3射出，降低了合色棱镜的系统重量和加工难度。优选地，第一入射面5和第二入射面6均设置有相位延迟片4(如图2所示)，以提高光的利用效率。

可选地，所述相位延迟片4的外侧设置有第一滤光膜或第二滤光膜；所述第一滤光膜能够透射第一波段的光，反射第三波段的光，所述第二滤光膜能够透射第二波段的光，反射所述第三波段的光，所述第三波段的光为偏振光。

具体地，在上述实施例的基础上，假设第一波段的光从第一入射面5射入胶合棱镜，第二波段的光从第二入射面6射入胶合棱镜，第三波段的光从第三入射面7射入胶合棱镜。其中，第三波段的光可以为偏振光，所述偏振光可以直接由带有偏振片的光源发出，也可以通过在第三入射面7上设置偏振膜实现，本申请对此不作限制。根据相位延迟片4的具体设置位置，在其外侧可以设置能够反射第三波段的P偏振态的光或者S偏振态的光滤光膜，将第三波段的光继续反射回胶合棱镜。在本实施例中，在位于第一反射面的相位延迟片4外侧设置第一滤光膜，使其不仅能够反射第三波段的光，还能够透射第一波段的光，使第一波段的光和第三波段光均能够透过胶合斜面2从出射面3射出(参考图2)。在位于第二反射面的相位延迟片4外侧设置第二滤光膜，使其不仅能够反射第三波段的光，还能够透射第二波段的光，使第二波段的光和第三波段光均能被胶合斜面2反射，从出射面3射出(参考图1)。第一滤光膜或/和第二滤光膜的设置，不仅能够使第三波段的光反射回胶合棱镜，还能够增强第一波段的光或/和第二波段的光的透射率，提升合色棱镜的合色效果。

可选地，所述胶合斜面2上还设置有第三滤光膜，所述第三滤光膜够透射所述第一波段的光和所述第三波段的光，反射所述第二波段的光。

具体地，第三滤光膜可以仅是第二波段的光的反射膜，也可以是第一波段的光和第三波段的光的增透膜加第二波段的光的反射膜。第三滤光膜的设置，可以使从第一入射面5射入的第一波段的光直接透过胶合斜面2由出射面3射出，使从第二入射面6射入的第二波段的光到达胶合斜面2后经被反射，由出射面3射出。另外，第三滤光片的设置使从第三入射面7射入的第三波段P偏振态的光透过胶合斜面2，或经相位延迟片4转换后的第三波段P偏振态的光透过胶合斜面2，配合偏振分光介质膜和相位延迟片4，使第三波段的光也能够从出射面3射出，实现合色棱镜的合色效果。

为了使上述方案的描述更加详细，如图1所示，以红、绿、蓝三种色光分别作为第一波段的光、第二波段的光和第三波段的光(即红光为第一波段的光，绿色为第二波段的光，蓝色为第三波段的光)为例。在胶合斜面2上设置偏振分光介质膜和第三滤光膜，在第二入射面6上设置相位延迟片4，在相位延迟片4外侧设置第二滤光膜。另外，在第三入射面7上可以设置偏振片，以使从第三入射面7射入的光为偏振光。其中，第二滤光膜能够透过所述第二波段的光，反射第三波段的光。偏振片能够将第三波段的光分为P偏振态的光和S偏振态的光，偏振分光介质膜能够通过P偏振态的光，反射S偏振态的光，相位延迟片4能够将P偏振态的光和S偏振态的光互相进行转换，第三滤光膜能够透过第一波光的光和第三波段的光，反射第二波段的光。

如图1所示，对应于红、绿、蓝三种色光，第三滤光膜为透红反绿膜，其可以通过红光和蓝光，反射绿光。第二滤光膜为反蓝透绿膜，其可以通过绿光，反射蓝光。偏振分光介质膜为蓝色PBS膜，其可以通过蓝光的P偏振态的光，反射蓝光的S偏振态的光。偏振片为蓝光偏振片，可以将蓝光分为P偏振态的光和S偏振态的光，相位延迟片4为四分之一玻片。

上述方案的工作原理为：

红光直接透过胶合棱镜，从下方的出射面3射出。绿光经过左侧的相位延迟片4后到达胶合斜面2，在第三滤光膜(反绿透红蓝膜)的作用下，传播方向向下偏转90°，与红光一样从下方的出射面3射出。蓝光经过偏振片，产生P偏振态的光和S偏振态的光，经过胶合斜面2时，蓝色PBS膜的作用下，P偏振态的光继续向左传播(图1中的虚线光路)，S偏振态的光被反射(图1中未示出)。P偏振态的光到达相位延迟片4，经第二滤光膜(反蓝透绿膜)的作用被反射后，再次经过相位延迟片4，P偏振态的光转换成S偏振态的光向右传播，达到胶合斜面2后，蓝色PBS膜的作用下，传播方向向下偏转90°，与红光和绿光一样从下方的出射面3射出。

在另外一个实施例中，同样以红、绿、蓝三种色光分别作为第一波段的光、第二波段的光和第三波段的光(即红光为第一波段的光，绿色为第二波段的光，蓝色为第三波段的光)为例。

如图2和图3所示，在胶合斜面2上设置偏振分光介质膜和第三滤光膜，在第入射面和第二入射面6上均设置相位延迟片4，在第一入射面5的相位延迟片4外侧设置第一滤光膜，在第二相位延迟片4的外侧设置第二滤光膜。其中，第一滤光膜能够透过第一波段的光，反射第三波段的光，第二滤光膜能够透过所述第二波段的光，反射第三波段的光。第三波段的光包括P偏振态的光和S偏振态的光，偏振分光介质膜能够透过P偏振态的光，反射S偏振态的光，相位延迟片4能够将P偏振态的光和S偏振态的光互相进行转换，第三滤光膜能够透过第一波光的光和第三波段的光，反射第二波段的光。对应于红、绿、蓝三种色光，第三滤光膜为透红反绿膜，其可以通过红光和蓝光，反射绿光。第一滤光膜为反蓝透红膜，第二滤光膜为反蓝透绿膜，其可以通过绿光，反射蓝光。偏振分光介质膜为蓝色PBS膜，其可以通过蓝光的P偏振态的光，反射蓝光的S偏振态的光。偏振片为蓝光偏振片，可以将蓝光分为P偏振态的光和S偏振态的光。

其中，蓝光的P偏振态的光以及红光、绿光的传播路径与上述实施例相同，而蓝光的S偏振态的光与上述实施例有所区别。如图2所示，在本实施例中，由于第一入射面5的相位延迟片4和第一滤光膜的共同作用，蓝光的S偏振态的光在被蓝色PBS膜反射后，向上传播到达第一入射面5上的相位延迟片4，经第二滤光膜(反蓝透红膜)的作用被反射后，再次经过相位延迟片4，此时S偏振态的光转换成P偏振态的光向下传播，直接透过蓝色PBS膜，与红光、绿光以及蓝光的P偏振态的光一样从下方的出射面3射出。

本实施例在上述实施例的基础上，在第一入射面5上也增加了相位延迟片4，使得第三波段的光在第一次到达胶合斜面2后，被反射的S偏振态的光重新反射回合色棱镜，提高了第三波段的光的利用效率，使得合色棱镜的合色效果得到了提升。

在上述实施例中，相位延迟片4可以为四分之一玻片，一定波长的光垂直入射通过四分之一波片时，出射的寻常光和异常光之间相位差1/4波长。在光路中，四分之一波片可以使线偏振光变为圆偏振光或椭圆偏振光；或者相反，在本实施例中用以实现P偏振态的光和S偏振态的互相转换，以配合合色棱镜的其它结构及各个滤光膜实现合色。

由上述实施例可知，本实施例提供的合色棱镜，相较于现有技术，在主体结构上只需要两个直角三棱镜1，其组件少，降低了合色棱镜的整体体积。在功能上，只需要在不同的棱镜面上设置不同功能的滤光膜，其中，各滤光膜可以通过传统的镀膜工艺制得，在镀膜数量和镀膜工艺上大大降低了加工和组装的难度。另外，在所述胶合棱镜的每个直角面上还可以分别设置有可见光波段的增透膜。增透膜又称减反射膜，它的主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。在胶合棱镜的每个直角边上设置可见光波段的增透膜，可以提高各个可见光波段的光的透过率，提高了各个光波段的光的利用效率，提高了合色棱镜的合色效果。

根据本申请的第二方面还提供了一种光学模组，包括第一光源8、第二光源9、第三光源10上述任意实施例所述的合色棱镜；所述第一光源8发出的第一波段的光从所述第一入射面5射入，所述第二光源9发出的第二波段的光从所述第二入射面6射入，所述第三光源10发出的第三波段的光从所述第三入射面7射入；所述第一波段的光、第二波段的光和第三波段的光最终均从所述出射面3射出。

具体地，例如，在图1至图3中，第一光源8为红光，第二光源9为绿光，第三光源10为蓝光。红光光源设置在合色棱镜的上侧，蓝光光源设置在合色棱镜的右侧，绿光光源设置在合色棱镜的左侧。在本实施例中，采用了上述实施例中的合色棱镜，其组件少、加工和装配都比较容易，配合光源能够实现较小的体积，其组成的光学模组同样体积较小，易于应用于各种光学设备中。其中，光学设备可以为投影仪、AR、VR等，本申请对此不作限制。

可选地，如图1至图3所示，所述第一光源8、第二光源9、第三光源10均为面光源。例如，三个所述光源可以采用Micro-LED显示面板，三个显示面板分别贴合在所述合色棱镜上，每个所述显示面板与其对应的贴合面的尺寸可以设置相同，提高合色棱镜的适用效率，提升合色效果。

可选地，所述第一波段的光、第二波段的光和第三波段的光经过所述合色棱镜的光程均相等。将光程相等的光学模组应用于电子设备中，可以用于成像功能。光程的相等可以通过调整胶合棱镜的纵横比(三角棱镜的直角边尺寸比)，或者调整光源到胶合棱镜的距离来实现，本申请对此不作限制。

可选地，两个所述直角三棱镜1分别为等腰三棱镜。

在本实施例中，两个直角三棱镜1为等腰三棱镜，这样胶合而成的胶合棱镜的主截面为正方形，其可使得第一波段的光和第二波段的光在胶合棱镜中的传播距离相等，并且第三波段的光在胶合棱镜中传播的距离是第一波段的光或者第二波段的光的传播距离的倍数。在将本实施例中的合色棱镜应用于成像模组中时，方便调整各个波段的光的光程相等，使其同时从出射面3射出，达到成像效果。

可选地，所述第一入射面5和所述第二入射面6上还设置有补偿棱镜11，所述补偿棱镜11能够使所述第一波段的光和第二波段的光与所述第三波段的光经过所述胶合棱镜的光程相等。如图3所示，同样以红、绿、蓝三种色光分别作为第一波段的光、第二波段的光和第三波段的光为例，补偿棱镜11能够使红光、绿光和蓝光在合色棱镜中的光程相等，使得光学模组在实现合色功能得前提下，能够应用于成像技术中，实现成像效果。另外，补偿棱镜11的材料可以选择与两个直角三棱镜1相同的材料，这样，光波在补偿棱镜11中的折射率与胶合棱镜的折射率相同，便于计算补偿棱镜11的具体尺寸。或者，补偿棱镜11采用比胶合棱镜的折射率更高的材料制成，以减轻系统重量。

本申请还提供了一种电子设备，其包括上述任意实施例中所述的光学模组。采用本申请中的光学模组制备的电子设备，能够在保证照明或者成像功能的前提下，减轻系统总重量，降低加工难度。

上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

虽然已经通过例子对本申请的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种合色棱镜，其特征在于，包括：

胶合棱镜，所述胶合棱镜通过两个直角三棱镜的斜面互相胶合而成，所述胶合棱镜的主截面为矩形，所述胶合棱镜的一个直角面为出射面,所述胶合棱镜上与所述出射面相对的面为第一入射面，所述出射面与胶合斜面所成夹角相对的面为第二入射面，所述第一入射面与所述胶合斜面所成夹角相对的面为第三入射面。

2.根据权利要求1所述的合色棱镜，其特征在于，所述胶合斜面上设置有偏振分光介质膜，所述第一入射面和/或第二入射面上设置有相位延迟片。

3.根据权利要求2所述的合色棱镜，其特征在于，

所述相位延迟片的外侧设置有第一滤光膜或第二滤光膜；所述第一滤光膜能够透射第一波段的光，反射第三波段的光，所述第二滤光膜能够透射第二波段的光，反射所述第三波段的光，所述第三波段的光为偏振光。

4.根据权利要求3所述的合色棱镜，其特征在于，所述胶合斜面上还设置有第三滤光膜，所述第三滤光膜能够透射所述第一波段的光和所述第三波段的光，反射所述第二波段的光。

5.一种光学模组，其特征在于，包括：第一光源、第二光源、第三光源和权利要求1-4任意一项所述的合色棱镜；

所述第一光源发出的第一波段的光从所述第一入射面射入，所述第二光源发出的第二波段的光从所述第二入射面射入，所述第三光源发出的第三波段的光从所述第三入射面射入；所述第一波段的光、第二波段的光和第三波段的光最终均从所述出射面射出。

6.根据权利要求5所述的光学模组，其特征在于，所述第一光源、第二光源、第三光源均为面光源。

7.根据权利要求6所述的光学模组，其特征在于，所述第一波段的光、第二波段的光和第三波段的光经过所述合色棱镜的光程均相等。

8.根据权利要求7所述的光学模组，其特征在于，两个所述直角三棱镜分别为等腰三棱镜。

9.根据权利要求7所述的光学模组，其特征在于，所述第一入射面和所述第二入射面上还设置有补偿棱镜，所述补偿棱镜能够使所述第一波段的光和第二波段的光与所述第三波段的光经过所述胶合棱镜的光程相等。

10.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求5-9任意一项所述的光学模组。

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