CN219737819U - 光学棱镜结构及投影系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种光学棱镜结构及包括该光学棱镜结构的投影系统，光学棱镜结构包括四个直角棱镜，每个直角棱镜包括一斜侧面以及两相邻且彼此垂直的直角侧面，四个直角棱镜具有彼此相同的尺寸，通过将四个直角棱镜的直角顶靠在一起而将四个直角棱镜拼接成柱形棱镜结构，其中，相邻的直角侧面胶合连接形成呈对称分布的四个胶合面；第一分色膜，设置在四个胶合面中处于同一平面的两个胶合面上；以及第二分色膜，设置在四个胶合面中处于同一平面的另两个胶合面上。

Description

光学棱镜结构及投影系统

技术领域

本申请涉及光学技术领域，更具体地，涉及一种光学棱镜结构及包括该光学棱镜结构的投影系统。

背景技术

在投影系统中，为了更好的呈现出投影效果，确保投影无偏色，投影更清晰，需要将不同的三色光进行合成。X型魔方棱镜是三色光合成中使用较多的工具。但是，如何使得X型魔方棱镜合成的光达到投影无偏色、更清晰的效果仍是当下研究的热点之一。

实用新型内容

本申请提出的实施方式可解决或部分解决上述背景技术部分提出的不足或现有技术中的其它不足。

本申请的第一方面提供了一种光学棱镜结构，所述光学棱镜结构可包括四个直角棱镜，每个所述直角棱镜包括一斜侧面以及两相邻且彼此垂直的直角侧面，所述四个直角棱镜具有彼此相同的尺寸，通过将所述四个直角棱镜的直角顶靠在一起而将所述四个直角棱镜拼接成柱形棱镜结构，其中，相邻的直角侧面胶合连接形成呈对称分布的四个胶合面；第一分色膜，设置在所述四个胶合面中处于同一平面的两个胶合面上；以及第二分色膜，设置在所述四个胶合面中处于同一平面的另两个胶合面上。

在一个实施方式中，光线以45°±15°的角度入射至所述第一分色膜时，所述第一分色膜对波长在420nm至580nm范围内的光线的透过率大于88％，所述第一分色膜对波长在610nm至660nm范围内的光线的反射率大于80％；以及光线以45°±15°的角度入射至所述第二分色膜时，所述第二分色膜对波长在510nm至660nm范围内的光线的透过率大于88％，所述第二分色膜对波长在420nm至475nm范围内的光线的反射率大于80％。

在一个实施方式中，所述第一分色膜和/或所述第二分色膜均包括多个膜层，所述多个膜层包括高折射率膜层、低折射率膜层以及中折射率膜层中的至少两种。

在一个实施方式中，所述第一分色膜和/或所述第二分色膜的多个膜层包括高折射率膜层、低折射率膜层以及中折射率膜层，且所述多个膜层中任意相邻两膜层为选自所述高折射率膜层、所述低折射率膜层以及所述中折射率膜层中的两个不同膜层。

在一个实施方式中，所述第一分色膜和/或所述第二分色膜的多个膜层包括高折射率膜层和低折射率膜层，且所述高折射率膜层的材料为氧化钛或氧化钽，所述低折射率膜层的材料为氧化硅。

在一个实施方式中，所述高折射率膜层的材料为氧化钛或氧化钽，所述低折射率膜层的材料为氧化硅，所述中折射率膜层的材料为钛酸镧。

在一个实施方式中，所述斜侧面设置有增透膜。

在一个实施方式中，所述四个直角棱镜由折射率小于2.0的白玻璃制成。

在一个实施方式中，所述直角棱镜的直角边的长度在2nm至100nm的范围内，所述直角棱镜沿垂直于两相邻直角边的方向上的长度在2nm至100nm的范围内。

在一个实施方式中，所述直角棱镜的直角边的长度与所述直角棱镜沿垂直于两相邻直角边的方向上的长度相同。

本申请的第二方面提供了一种投影系统，所述投影系统包括上述第一方面所述的光学棱镜结构。

本申请提供的光学棱镜结构在棱镜的胶合面设置第一分色膜和第二分色膜，通过合理设置第一分色膜和第二分色膜的材料和厚度，可以通过棱镜三个斜侧面对不同色光进行合成，使合成光达到投影无偏色、更清晰的效果。

附图说明

结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：

图1为根据本申请示例性实施方式的光学棱镜结构的结构示意图；

图2为图1中光学棱镜结构的俯视图；

图3为第一分色膜对波长在420nm至580nm范围内的光线的透过率的曲线图；

图4为第一分色膜对波长在610nm至660nm范围内的光线的反射率的曲线图；

图5为第二分色膜对波长在510nm至660nm范围内的光线的透过率的曲线图；

图6为第二分色膜对波长在420nm至475nm范围内的光线的反射率的曲线图；以及

图7为根据本申请示例性实施方式的光学棱镜结构将三色光合成的光路示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。

应注意，在本说明书中，第一、第二、第三等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制，尤其不表示任何的先后顺序。因此，在不背离本申请的教导的情况下，本申请中讨论的第一分色膜也可被称作第二分色膜，第一棱镜也可被称作第二棱镜等，反之亦然。

在附图中，为了便于说明，已稍微调整了部件的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。如在本文中使用的，用语“大致”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。

还应理解的是，诸如“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”等表述在本说明书中是开放性而非封闭性的表述，其表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合的存在。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，其修饰整列特征，而非仅仅修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

除非另外限定，否则本文中使用的所有措辞(包括工程术语和科技术语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，除非本申请中有明确的说明，否则在常用词典中定义的词语应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，而不应以理想化或过于形式化的意义解释。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，除非明确限定或与上下文相矛盾，否则本申请所记载的方法中包含的具体步骤不必限于所记载的顺序，而可以任意顺序执行或并行地执行。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

以下对本申请的特征、原理和其它方面进行详细描述。

图1是根据本申请一个实施方式的光学棱镜结构100的结构示意图，如图1所示，光学棱镜结构100可包括四个大小相同的直角棱镜，四个大小相同的直角棱镜分别是第一棱镜1、第二棱镜2、第三棱镜3以及第四棱镜4。第一棱镜1、第二棱镜2、第三棱镜3以及第四棱镜4均分别包括一斜侧面以及两相邻且彼此垂直的直角侧面。图2是光学棱镜结构100的俯视图。如图2所示，第一棱镜1具有第一直角侧面1A、第二直角侧面1B以及斜侧面1C，第二棱镜2具有第一直角侧面2A、第二直角侧面2B以及斜侧面2C，第三棱镜3具有第一直角侧面3A、第二直角侧面3B以及斜侧面3C，第四棱镜4具有第一直角侧面4A、第二直角侧面4B以及斜侧面4C。通过将第一棱镜1、第二棱镜2、第三棱镜3以及第四棱镜4的直角顶靠在一起而拼接成柱形棱镜结构，其中，相邻的直角侧面胶合连接以形成呈对称分布的四个胶合面。呈对称分布的四个胶合面分别是第一棱镜1与第二棱镜2之间的胶合面12、第二棱镜2与第三棱镜3之间的胶合面23、第三棱镜3与第四棱镜4之间的胶合面34以及第一棱镜1与第四棱镜4之间的胶合面14。其中，在四个胶合面中处于同一平面的两个胶合面上设置有第一分色膜，在四个胶合面中处于同一平面的另两个胶合面设置有第二分色膜。示例性地，第一棱镜1与第二棱镜2之间的胶合面12以及第三棱镜3与第四棱镜4之间的胶合面34上设置第一分色膜，第二棱镜2与第三棱镜3之间的胶合面23以及第一棱镜1与第四棱镜4之间的胶合面14设置第二分色膜。反之，亦可在第一棱镜1与第二棱镜2之间的胶合面12以及第三棱镜3与第四棱镜4之间的胶合面34上设置第二分色膜，第二棱镜2与第三棱镜3之间的胶合面23以及第一棱镜1与第四棱镜4之间的胶合面14设置第一分色膜。

第一分色膜可以是反红透蓝绿分色膜，当光线以45°±15°的角度入射至第一分色膜时，第一分色膜对波长在420nm至580nm范围内的光线(即，蓝绿光)的透过率大于88％，第一分色膜对波长在610nm至660nm范围内的光线(即，红光)的反射率大于80％。

图3示出了第一分色膜对波长在420nm至580nm范围内的光线的透过率，横轴表示光线的波长，纵轴表示透过率，曲线T1、T2和T3分别表示光线以30°、45°和60°入射第一分色膜的透过率，由图3可见，第一分色膜对波长在420nm至580nm范围内的光线以30°、45°和60°入射第一分色膜的透过率均大于88％。

图4示出了第一分色膜对波长在610nm至660nm范围内的光线的反射率，横轴表示光线的波长，纵轴表示反射率，曲线F1、F2和F3分别表示光线以30°、45°和60°入射第一分色膜的反射率，由图4可见，第一分色膜对波长在610nm至660nm范围内的光线以30°、45°和60°入射第一分色膜的反射率均大于80％。

第二分色膜可以是反蓝透红绿分色膜，光线以45°±15°的角度入射至第二分色膜时，第二分色膜对波长在510nm至660nm范围内的光线(即，红绿光)的透过率大于88％，第二分色膜对波长在420nm至475nm范围内的光线(即，蓝光)的反射率大于80％。

图5示出了第二分色膜对波长在510nm至660nm范围内的光线的透过率，横轴表示光线的波长，纵轴表示透过率，曲线T4、T5和T6分别表示光线以30°、45°和60°入射第二分色膜的透过率，由图5可见，第二分色膜对波长在510nm至660nm范围内的光线以30°、45°和60°入射第二分色膜的透过率均大于88％。

图6示出了第二分色膜对波长在420nm至475nm范围内的光线的反射率，横轴表示光线的波长，纵轴表示反射率，曲线F4、F5和F6分别表示光线以30°、45°和60°入射第二分色膜的反射率，由图6可见，第二分色膜对波长在420nm至475nm范围内的光线以30°、45°和60°入射第二分色膜的反射率均大于80％。

在示例性实施方式中，第一分色膜和/或第二分色膜均包括多个膜层，多个膜层可以包括高折射率膜层、低折射率膜层以及中折射率膜层中的至少两种。示例性地，高折射率膜层的材料可以为氧化钛或氧化钽，低折射率膜层的材料可以为氧化硅，中折射率膜层的材料可以为钛酸镧。

示例性地，第一分色膜和/或第二分色膜的多个膜层可以均包括高折射率膜层、低折射率膜层以及中折射率膜层，且多个膜层中任意相邻两膜层为选自高折射率膜层、低折射率膜层以及中折射率膜层中的两个不同膜层。

示例性地，第一分色膜和/或第二分色膜的多个膜层可以均包括高折射率膜层和低折射率膜层，且多个膜层中任意相邻两膜层可以为选自高折射率膜层和低折射率膜层中的两个不同膜层。更具体地，高折射率膜层的材料为氧化钛或氧化钽，低折射率膜层的材料为氧化硅。

如图1和图2所示的光学棱镜结构100的直角棱镜的斜侧面还可以设置增透膜。增透膜的主要功能是减少或消除棱镜表面的反射光，从而增加棱镜的透光量，减少或消除杂散光。参考图1，L1和L2分别表示第一棱镜1的两个直角边的长度，L3表示第一棱镜1沿垂直于两相邻直角边的方向上的长度。光学棱镜结构100的直角棱镜的直角边的长度L1或L2可以在2nm至100nm的范围内，直角棱镜沿垂直于两相邻直角边的方向上的长度L3可以在2nm至100nm的范围内。在示例性实施方式中，直角棱镜的直角边的长度L1、L2与直角棱镜沿垂直于两相邻直角边的方向上的长度L3可以相同。

光学棱镜结构100的四个直角棱镜可以由折射率小于2.0的白玻璃制成。示例性地，折射率小于2.0的白玻璃可以为K9、B270或BK7玻璃。

根据本申请实施方式的光学棱镜结构100具备将红色、绿色、蓝色进行合成的功能，以下结合图1、图2和图7详细说明三色光的合成过程。

示例性地，第一棱镜1与第二棱镜2之间的胶合面12以及第三棱镜3与第四棱镜4之间的胶合面34上设置第一分色膜，且第一分色膜是反红透蓝绿分色膜，第二棱镜2与第三棱镜3之间的胶合面23以及第一棱镜1与第四棱镜4之间的胶合面14设置第二分色膜，且第二分色膜是反蓝透红绿分色膜。那么，将第一棱镜1的斜侧面1C作为绿光的入射面，第二棱镜2的斜侧面2C作为红光的入射面，第四棱镜4的斜侧面4C作为蓝光的入射面，第三棱镜3的斜侧面3C作为合成光的出射面，将三路光路合成的光从第三棱镜3的斜侧面3C出射，以用于后续投影中。图7中示例性示出了两条绿光G1和G2、两条红光R1和Rn以及两条蓝光B1和Bn。由于胶合面上的反红透蓝绿分色膜和反蓝透红绿分色膜均可以透过绿光，即绿光G1和G2从第一棱镜1的斜侧面1C入射后可以穿过任意胶合面，最后从第三棱镜3的斜侧面3C出射。红光R1和Rn从第二棱镜2的斜侧面2C入射，其中，红光R1在入射至胶合面12时会被胶合面12上的反红透蓝绿分色膜反射至胶合面23上，由于胶合面23上的分色膜是反蓝透红绿分色膜，所以红光R1可以穿过胶合面23并最终从第三棱镜3的斜侧面3C出射；红光Rn从第二棱镜2的斜侧面2C入射并穿过胶合面23至胶合面34，被胶合面34上设置的反红透蓝绿分色膜反射并最终从第三棱镜3的斜侧面3C出射。类似地，蓝光B1和Bn从第二棱镜4的斜侧面4C入射，蓝光B1被胶合面14上设置的反蓝透红绿的分色膜反射并最终从第三棱镜3的斜侧面3C出射，蓝光Bn被胶合面23上设置的反蓝透红绿的分色膜反射并最终从第三棱镜3的斜侧面3C出射。至此，光学棱镜结构100实现了通过棱镜的三个斜侧面对不同色光进行合成。

在具体应用中，根据本申请一个实施方式的光学棱镜结构的棱镜基板的材料和尺寸、第一分色膜和第二分色膜的多个膜层的材料、数量以及厚度均可根据需要自由设定。下面将分别结合图1和图2详细介绍根据本申请公开的实施方式的几个具体实施例。

实施例1

再次参考图1和图2，在本实施例中，光学棱镜结构100的四个直角棱镜的棱镜基板为K9玻璃。光学棱镜结构100的四个直角棱镜具有彼此相同的尺寸，直角棱镜的直角边的长度L1、L2以及直角棱镜沿垂直于两相邻直角边的方向上的长度L3均为3mm。

示例性地，第一棱镜1与第二棱镜2之间的胶合面12以及第三棱镜3与第四棱镜4之间的胶合面34上设置第一分色膜，第二棱镜2与第三棱镜3之间的胶合面23以及第一棱镜1与第四棱镜4之间的胶合面14设置第二分色膜。反之，亦可在第一棱镜1与第二棱镜2之间的胶合面12以及第三棱镜3与第四棱镜4之间的胶合面34上设置第二分色膜，第二棱镜2与第三棱镜3之间的胶合面23以及第一棱镜1与第四棱镜4之间的胶合面14设置第一分色膜。

在本实施例中，第一分色膜和第二分色膜的多个膜层均包括高折射率膜层、低折射率膜层以及中折射率膜层，且多个膜层中任意相邻两膜层为选自高折射率膜层、低折射率膜层以及中折射率膜层中的两个不同膜层。示例性地，高折射率膜层的材料可以选用氧化钛或氧化钽，低折射率膜层的材料可以选用氧化硅，中折射率膜层可以选用钛酸镧。

在本实施例中，第一分色膜和第二分色膜可以分别为反红透蓝绿分色膜和反蓝透红绿分色膜，表1示出了实施例1的反红透蓝绿分色膜的参数表，表2示出了实施例1的反蓝透红绿分色膜的参数表。其中，表1和表2中膜层厚度的单位为纳米(nm)，H4表示钛酸镧。表1所示的反红透蓝绿分色膜包括119个膜层，表2所示的反蓝透红绿分色膜包括127个膜层。反红透蓝绿分色膜和反蓝透红绿分色膜的膜层材料为氧化硅、氧化钛和H4，且任意相邻两膜层为选自氧化硅、氧化钛和H4中的两个不同膜层。

表1

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表2

实施例2

再次参考图1和图2，在本实施例中，光学棱镜结构100的四个直角棱镜的棱镜基板为BK7玻璃。光学棱镜结构100的四个直角棱镜具有彼此相同的尺寸，直角棱镜的直角边的长度L1、L2以及直角棱镜沿垂直于两相邻直角边的方向上的长度L3均为5mm。

示例性地，第一棱镜1与第二棱镜2之间的胶合面12以及第三棱镜3与第四棱镜4之间的胶合面34上设置第一分色膜，第二棱镜2与第三棱镜3之间的胶合面23以及第一棱镜1与第四棱镜4之间的胶合面14设置第二分色膜。反之，亦可在第一棱镜1与第二棱镜2之间的胶合面12以及第三棱镜3与第四棱镜4之间的胶合面34上设置第二分色膜，第二棱镜2与第三棱镜3之间的胶合面23以及第一棱镜1与第四棱镜4之间的胶合面14设置第一分色膜。

在本实施例中，第一分色膜和第二分色膜的多个膜层均包括高折射率膜层和低折射率膜层。其中，高折射率膜层的材料可以选用氧化钛或氧化钽，低折射率膜层的材料可以选用氧化硅。

在本实施例中，第一分色膜和第二分色膜可以分别为反红透蓝绿分色膜和反蓝透红绿分色膜，表3示出了实施例2的反红透蓝绿分色膜的参数表，表4示出了实施例2的反蓝透红绿分色膜的参数表。其中，表3和表4中膜层厚度的单位为纳米(nm)。表3所示的反红透蓝绿分色膜包括98个膜层，表4所示的反蓝透红绿分色膜包括116个膜层。反红透蓝绿分色膜和反蓝透红绿分色膜的膜层材料为氧化硅、氧化钛和氧化钽。

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表3

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表4

上述实施例1和实施例2只是对本申请的实施方式的示例性描述，而非以任何方式限制本申请的范围。

本申请还提供一种投影系统，该投影系统装配有前文描述的光学棱镜结构。

以上描述仅为本申请的实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的保护范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述技术构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (11)

1.一种光学棱镜结构，其特征在于，包括：

四个直角棱镜，每个所述直角棱镜包括一斜侧面以及两相邻且彼此垂直的直角侧面，所述四个直角棱镜具有彼此相同的尺寸，通过将所述四个直角棱镜的直角顶靠在一起而将所述四个直角棱镜拼接成柱形棱镜结构，其中，相邻的直角侧面胶合连接形成呈对称分布的四个胶合面；

第一分色膜，设置在所述四个胶合面中处于同一平面的两个胶合面上；以及

第二分色膜，设置在所述四个胶合面中处于同一平面的另两个胶合面上。

2.根据权利要求1所述的光学棱镜结构，其特征在于，光线以45°±15°的角度入射至所述第一分色膜时，所述第一分色膜对波长在420nm至580nm范围内的光线的透过率大于88％，所述第一分色膜对波长在610nm至660nm范围内的光线的反射率大于80％；以及

光线以45°±15°的角度入射至所述第二分色膜时，所述第二分色膜对波长在510nm至660nm范围内的光线的透过率大于88％，所述第二分色膜对波长在420nm至475nm范围内的光线的反射率大于80％。

3.根据权利要求1所述的光学棱镜结构，其特征在于，所述第一分色膜和/或所述第二分色膜均包括多个膜层，所述多个膜层包括高折射率膜层、低折射率膜层以及中折射率膜层中的至少两种。

4.根据权利要求1所述的光学棱镜结构，其特征在于，所述第一分色膜和/或所述第二分色膜的多个膜层包括高折射率膜层、低折射率膜层以及中折射率膜层，且所述多个膜层中任意相邻两膜层为选自所述高折射率膜层、所述低折射率膜层以及所述中折射率膜层中的两个不同膜层。

5.根据权利要求1所述的光学棱镜结构，其特征在于，所述第一分色膜和/或所述第二分色膜的多个膜层包括高折射率膜层和低折射率膜层，且所述高折射率膜层的材料为氧化钛或氧化钽，所述低折射率膜层的材料为氧化硅。

6.根据权利要求3或4所述的光学棱镜结构，其特征在于，所述高折射率膜层的材料为氧化钛或氧化钽，所述低折射率膜层的材料为氧化硅，所述中折射率膜层的材料为钛酸镧。

7.根据权利要求1所述的光学棱镜结构，其特征在于，所述斜侧面设置有增透膜。

8.根据权利要求1所述的光学棱镜结构，其特征在于，所述四个直角棱镜由折射率小于2.0的白玻璃制成。

9.根据权利要求1所述的光学棱镜结构，其特征在于，所述直角棱镜的直角边的长度在2nm至100nm的范围内，所述直角棱镜沿垂直于两相邻直角边的方向上的长度在2nm至100nm的范围内。

10.根据权利要求9所述的光学棱镜结构，其特征在于，所述直角棱镜的直角边的长度与所述直角棱镜沿垂直于两相邻直角边的方向上的长度相同。

11.一种投影系统，其特征在于，包括根据权利要求1-10中任一项所述的光学棱镜结构。