CN216434655U - 一种光学元件及投影系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种光学元件，包括靠近调制元件设置的第一棱镜和与第一棱镜相邻设置的第二棱镜，所述第一棱镜的第一表面与所述第二棱镜的第二表面相邻并且两者之间具有间隙，所述第一表面表面上设置有若干的用于增强全反射的微棱镜一，所述微棱镜一沿着光束相对于第一表面的倾斜方向排布，所述第二表面上设置有用于增强透射的微棱镜二，所述微棱镜二沿着光束相对于第二表面的倾斜方向排布。本实用新型所述的光学元件和投影系统利用有微棱镜一和微棱镜二来使光束更好的按照预设要求进行透射以及全反射，减少光损失，提高出光量，提高光束通过光学元件的效率。

Description

一种光学元件及投影系统

技术领域

本实用新型涉及投影照明技术领域，尤其涉及一种光学元件及投影系统。

背景技术

投影系统中通常会用到TIR棱镜，光源系统发出的照明光束通过TIR棱镜引导到DMD(Digital Micro mirror Device，数字微镜元件)上，然后数字微镜元件对照明光束进行反射以得到成像光束，成像光束通过TIR棱镜后被引导至成像镜头，TIR棱镜与数字微镜元件相配合以分离照明光束和数字微镜元件所反射的成像光束，照明光束以接近全反射临界角的状态入射到TIR棱镜中的界面(在界面处发生全反射或透射)，数字微镜元件对照明光束反射后所形成的成像光束相对于原来的照明光束存在角度变化，从而改变照明光束相对于TIR棱镜中的界面的角度，换言之照明光束在界面处发生全反射则成像光束在界面处发生透射，或者照明光束在界面处发生透射则成像光束在界面处发生全反射，从而实现照明光束和数字微镜元件所反射的成像光束的分离。

如图1所示的一种TIR棱镜，光源系统1进入TIR棱镜2的照明光束为聚焦光束，照明光束从AC表面进入第一个棱镜后并到达BC表面时，照明光束相对BC表面具有变化的入射角，照明光束穿过BC表面后进入到第一个棱镜与第二个棱镜之间的空气间隙中，然后再从DF表面进入第二个棱镜，接着照明光束穿透DE表面射向DMD3，经过DMD反射得到成像光束，成像光束穿过DE表面进入到第二个棱镜中并达到DF表面，成像光束为发散光束，成像光束相对于DF表面具有变化的入射角，成像光束在DF表面发生全反射后从EF表面出射，最终进入成像镜头4。照明光束需要尽量都透过BC表面而不发生全反射，而成像光束需要尽量都进行全反射而不发生透射，这样才能保障系统效率和出光功率，而实际上，照明光束相对BC表面具有变化的入射角，成像光束相对于DF表面具有变化的入射角，存在部分照明光束在BC表面发全反射以及部分成像光束在DF表面发生透射的状况，也就是部分光束无法最终进入到成像镜头，传统的TIR棱镜的效率有限，出光功率损失较大。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术进行改进，提供一种光学元件，解决目前技术中传统的TIR棱镜难以使光束按照预设要求尽可能的进行透射或全反射，出光功率损失较大的问题。

为解决以上技术问题，本实用新型的技术方案是：

一种光学元件，包括靠近调制元件设置的第一棱镜和与第一棱镜相邻设置的第二棱镜，所述第一棱镜的第一表面与所述第二棱镜的第二表面相邻并且两者之间具有间隙，所述第一表面表面上设置有若干的用于增强全反射的微棱镜一，所述微棱镜一沿着光束相对于第一表面的倾斜方向排布,所述第二表面上设置有用于增强透射的微棱镜二，所述微棱镜二沿着光束相对于第二表面的倾斜方向排布。本实用新型所述的光学元件利用微棱镜二使得照明光束尽可能的从第二棱镜的第二表面透射而出以进入到第一棱镜中，避免发生全反射，利用微棱镜一使得成像光束射向第一棱镜的第一表面时能充分的进行全反射而避免发生透射，减少光损失，提高出光量。

进一步的，所述微棱镜一的折射率小于第一棱镜的折射率，所述微棱镜二的折射率大于或等于第二棱镜的折射率。成像光束从第一表面射向微棱镜一时为从光密介质到光疏介质，确保成像光束能充分的发生全反射，照明光束从第二表面射向微棱镜二时是从光疏介质到光密介质，确保照明光束能充分透射，避免发生全反射。

进一步的，所述微棱镜二的微表面三倾斜于第二表面以减小入射角而使光束透射，照明光束在微表面三处的入射角减小，从而能更好的出射，避免发生全反射。

进一步的，不同微棱镜二的微表面三与第二表面的夹角不同，并且夹角随着光束中的光线相对于第二表面的入射角增大而增大，由于照明光束为聚焦光束，聚焦光束中的光线相对于第二表面而言具有变化的入射角，微表面三与第二表面的夹角随着聚焦光束中的光线的入射角变化而变化，从而确保照明光束能更充分的进行透射，有效避免发生全反射。

进一步的，所述微棱镜二的微表面三与光束中的光线相垂直，最大限度的减少全反射的发生，提高出光量，所述微棱镜二的微表面四与光束中的光线相平行，最大限度的减小光损失。

进一步的，所述微棱镜一的微表面一倾斜于第一棱镜的第一表面，以供从第一棱镜内部射向第一表面光束进行全反射，微表面一倾斜于第一棱镜的第一表面以增大成像光束在微表面一处的入射角，从而确保能发生全反射。

进一步的，所述微表面一与第一表面的夹角大于0°而小于等于7°，能有效保障成像光束进行全反射率。

进一步的，照明光束依次通过第二棱镜、第一棱镜后到达调制元件，调制元件反射产生的成像光束在第一棱镜上全反射后出射。

一种投影系统，包括上述的光学元件。

与现有技术相比，本实用新型优点在于：

本实用新型所述的光学元件和投影系统利用有微棱镜一和微棱镜二来使光束更好的按照预设要求进行透射以及全反射，减少光损失，提高出光量，提高光束通过光学元件的效率。

附图说明

图1为现有技术中投影系统的结构示意图；

图2为本实用新型的光学元件的结构示意图；

图3为第二表面的局部结构示意图；

图4为第一表面的局部结构示意图。

图中：

光源系统1、TIR棱镜2、DMD3、成像镜头4、第二棱镜5、第二表面51、第一棱镜6、第一表面61、微棱镜一71、微表面一72、微表面二73、微棱镜二81、微表面三82、微表面四83、调制元件9。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。

本实用新型实施例公开的一种光学元件，能使光束按照预设尽可能进行透射以及全反射，提高光束通过的效率，提高出光量。

实施例一

如图2所示，一种光学元件，主要包括靠近调制元件9设置的第一棱镜6和与第一棱镜6相邻设置的第二棱镜5，所述第一棱镜6的第一表面61与所述第二棱镜5的第二表面51相邻并且两者之间具有间隙，所述第一表面61表面上设置有若干的用于增强全反射的微棱镜一71，所述微棱镜一71沿着光束相对于第一表面61的倾斜方向排布，所述第二表面51上设置有用于增强透射的微棱镜二81，所述微棱镜二81沿着光束相对于第二表面51的倾斜方向排布，所述微棱镜一71的折射率小于第一棱镜6的折射率，所述微棱镜二81的折射率大于或等于第二棱镜5的折射率，微棱镜一71和微棱镜二81通过镀膜等方式加工而成，调制元件9具体采用DMD。

在本实施例中，所述第一棱镜6和第二棱镜5的剖面形状分别为三角形，换言之，所述第一棱镜6和第二棱镜5都为三棱镜，结构简单，易于实施。具体的，所述第一棱镜6具有三个表面，分别是DF面、DE面和EF面，所述的第一表面61即为DF面，调制元件9靠近DE面设置，所述第二棱镜5也具有三个表面，分别是BC面、AC面和AB面，与第一表面61相邻的第二表面51则是BC面，在本实施例中，所述BC面与第一表面61大致平行，从而第一表面61与第二表面51之间为均匀间隙。

本实施例所述的光学元件为RTIR棱镜，照明光束从第二棱镜5入射，照明光束依次通过第二棱镜5、第一棱镜6后到达调制元件9，调制元件9具体采用DMD，调制元件9反射产生的成像光束进入第一棱镜6然后发生全反射后出射，而成像光束最终从第一棱镜6出射，具体的，照明光束从AC面射入第二棱镜5中，然后再从BC面出射，照明光束透过微棱镜二81后进入第一表面61与第二表面51之间的间隙中，照明光束射向BC面时整体倾斜于BC面，由于照明光束为聚焦光束，从而照明光束中的光线相对于该分界面的入射角存在变化，如图2所示，照明光束中靠近C点一侧的光线的入射角更大，而照明光束中靠近B点一侧的光线的入射角更小，所述微棱镜二81的折射率大于或等于第二棱镜5的折射率，从而照明光束是从光疏介质到光密介质，照明光束能顺畅透过BC面而进入微棱镜二81中；

单个微棱镜二81就是条状的锯齿凸起，单个微棱镜二81具有两个表面，即微表面三82和微表面四83，其中，所述微棱镜二81的微表面三82倾斜于第二表面51以减小入射角而供照明光束的光线透射而出，照明光束的光线入射到微表面三82时，光线相对于微表面三82的入射角减小，从而使得照明光束的光线能有效透射，避免全反射的发生，优选的所述微棱镜二81的微表面三82与照明光束的光线相垂直，能充分的避免照明光束发生全反射而损失掉，由于照明光束为聚焦光束，从而照明光束中不同位置处的光线的方向不同，具体的，照明光束中靠近C点一侧的光线的入射角更大，而照明光束中靠近B点一侧的光线的入射角更小，为了使照明光束更充分的透射，不同微棱镜二81的微表面三82与第二表面51的夹角不同，并且夹角随着照明光束中的光线相对于第二表面51的入射角增大而增大，具体的，微表面三82与第二表面51的夹角沿着B至C的方向逐渐增大，使得照明光束中靠近C点一侧的光线能有效的发生透射，降低照明光束中的光线的入射角度逐步增大导致发生全反射的风险，减小光损失。进一步的，所述微棱镜二81的微表面四83与照明光束的光线相平行，保证最小的光损失；

然后照明光束穿过第一表面61与第二表面51之间的间隙后透射入微棱镜一71，接着照明光束从DF面透射入第一棱镜6中，然后照明光束从DE面透射而出至调制元件9，照明光束由调制元件9反射以产生成像光束，成像光束再从DE面透射入第一棱镜6，然后成像光束行进至DF表面，由于微棱镜一71的折射率小于第一棱镜6的折射率，成像光束是从光密介质到光疏介质，在调制元件9的作用下，成像光束相对于射向调制元件9的照明光束发生了角度变化，从而使得成像光束相对于DF表面的入射角增大，绝大部分的成像光束会在DF面发生全反射并最终从EF面出射，成像光束具体呈锥形的发散光束，从而成像光束中的光线相对于DF表面入射角度存在变化，具体的如图2所示，成像光束中靠近D点一侧的光线的入射角更小，而成像光束中靠近F点一侧的光线的入射角更大，成像光束是从光密介质到光疏介质，从而成像光束中靠近D点一侧的光线更容易出现透射的状况而损失掉，在本实施例中，单个微棱镜一71就是锯齿状凸起，单个微棱镜一71具有两个表面，即微表面一72和微表面二73，其中，所述微棱镜一71的微表面一72倾斜于第一棱镜6的第一表面61以供从第一表面61出射的成像光束的光线进行全反射，具体的，所述微表面一72与第一表面61的夹角大于0°而小于等于7°，利用微表面一72增大了的成像光束中的光线的入射角，使得成像光束中靠近D点一侧的光线也能充分全反射，减小光损失，降低了成像光束中的光线的入射角度逐步减小导致易透射的风险，并且通过调整微表面一72与第一表面61的夹角可以控制光线进入镜头的角度，从而控制和变化镜头F数。

一种投影系统，包括上述的光学元件以及光源系统、投影镜头和调制元件，光源系统产生的照明光束射向光学元件，并且在调制元件的作用下产生成像光束，成像光束从光学元件出射至投影镜头。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种光学元件，其特征在于，包括靠近调制元件(9)设置的第一棱镜(6)和与第一棱镜(6)相邻设置的第二棱镜(5)，所述第一棱镜(6)的第一表面(61)与所述第二棱镜(5)的第二表面(51)相邻并且两者之间具有间隙，所述第一表面(61)表面上设置有若干的用于增强全反射的微棱镜一(71)，所述微棱镜一(71)沿着光束相对于第一表面(61)的倾斜方向排布，所述第二表面(51)上设置有用于增强透射的微棱镜二(81)，所述微棱镜二(81)沿着光束相对于第二表面(51)的倾斜方向排布。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述微棱镜一(71)的折射率小于第一棱镜(6)的折射率，所述微棱镜二(81)的折射率大于或等于第二棱镜(5)的折射率。

3.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述微棱镜二(81)的微表面三(82)倾斜于第二表面(51)以减小入射角而使光束透射。

4.根据权利要求3所述的光学元件，其特征在于，不同微棱镜二(81)的微表面三(82)与第二表面(51)的夹角不同，并且夹角随着光束中的光线相对于第二表面(51)的入射角增大而增大。

5.根据权利要求3所述的光学元件，其特征在于，所述微棱镜二(81)的微表面三(82)与光束中的光线相垂直，所述微棱镜二(81)的微表面四(83)与光束中的光线相平行。

6.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述微棱镜一(71)的微表面一(72)倾斜于第一棱镜(6)的第一表面(61)，以供从第一棱镜(6)内部射向第一表面(61)光束进行全反射。

7.根据权利要求6所述的光学元件，其特征在于，所述微表面一(72)与第一表面(61)的夹角大于0°而小于等于7°。

8.根据权利要求1至7任一项所述的光学元件，其特征在于，照明光束依次通过第二棱镜(5)、第一棱镜(6)后到达调制元件(9)，调制元件(9)反射产生的成像光束在第一棱镜(6)上全反射后出射。

9.一种投影系统，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的光学元件。

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