CN204129323U - 数字微镜投影光学引擎的全反射式棱镜组件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种数字微镜投影光学引擎的全反射式棱镜组件，包括棱镜组、与棱镜组的一侧面平行设置的数字微镜显示器件、设于棱镜组另一侧与所述数字微镜显示器件相对的中继透镜，设于中继透镜另一侧的光源，所述棱镜组包括斜面相互贴合的一直角棱镜和一楔角棱镜，所述直角棱镜的一直角边侧面与所述数字微镜显示器件相平行。本实用新型光学效率高、投影效果好，应用前景十分广泛。
Description
技术领域
本实用新型涉及数字微镜投影光学引擎的全反射式棱镜组件。
背景技术
在目前的采用数字微镜器件作为投影显示芯片的投影机的光学引擎中，与数字微镜器件搭配组合的用于管理光学图像的棱镜组件充当了很重要的角色，尤其是当投影机用于家庭娱乐等场合时，一些黑暗场景画面出现的频率很高，对投影机的色彩和对比度提出了更高的要求，同时采用具有使用寿命长、节能环保、驱动控制更加灵活等诸多优点的发光二极管或激光等固定光源也逐渐成为一种必然的选择，而以上这些特征必然需要匹配更适合系统要求的光学棱镜组件，以提升色彩还原和对比度等光学指标。
全反射式光学棱镜组件是数字微镜投影光学引擎中很重要的光学元件，不同的投影系统可以采用不同的全反射式的棱镜组件，一般大致分为三种，透射式的投影光学引擎、反射式的投影光学引擎、单体反射式的全反射式棱镜。此外还可以采用偏轴反光镜来代替棱镜组件。
一般来说，针对比如汞灯等小面积发光光源的光学系统的设计，因为轴向光线或微小的偏轴斜光占光源发射的大部分能量，设计光学系统时，投影光学引擎的角度分布与系统孔径的良好匹配很容易实现，采用低折射率的玻璃棱镜材质就能达到要求，达到不满足全反射条件而透射的照明光束与满足全反射条件而反射的成像光束很好的分离；而当采用发光面积相对较大的固体光源，偏轴很大的斜光线的能量占比高，这时候部分偏轴很大的照明光束应该折射进入系统但因满足全反射条件而反射出去，部分偏轴很大的成像光束应该反射进入系统但因不满足全反射条件而折射出去，这样损失的光束，造成系统的光学效率的大大降低，同时形成的杂散光，也造成对比度指标的降低。
发明内容
本实用新型为了解决上述现有技术中存在的技术问题，提出一种数字微镜投影光学引擎的全反射式棱镜组件，包括棱镜组、与棱镜组的一侧面平行设置的数字微镜显示器件、设于棱镜组另一侧与所述数字微镜显示器件相对的中继透镜，以及设于中继透镜另一侧的光源。
在本技术方案的第一实施例中，全反射式棱镜组由一片直角棱镜及一片楔角棱镜粘合而成，粘合面位于两者的斜面，且相邻斜面之间的通光面范围内留有微小的空气间隙，此空气间隙的尺寸最大允许达到0.1mm，当直角棱镜和楔角棱镜在二者采用相同的玻璃材料时，均采用高折射率的重冕牌玻璃或者重火石玻璃，以增加系统在全反射面反射的通光数值孔径，楔角棱镜的其中一个内角的角度在22.5度±2度的范围内，以保证照明光最大限度的通过楔角棱镜、空气间隙和直角棱镜后出射，并入射到数字微镜显示器件的微镜上，反射后将处于亮状态的光垂直入射回到直角棱镜的直角面，并经过直角棱镜的斜面后发生全反射，中继透镜的中心轴并不垂直于楔角棱镜的照明光入射面。
在本技术方案的第二实施例中，全反射式棱镜组由一片直角棱镜及一片楔角棱镜粘合而成，粘合面位于两者的斜面，且相邻斜面之间的通光面范围内留有微小的空气间隙，此空气间隙的尺寸最大允许达到0.1mm，当直角棱镜和楔角棱镜采用不相同的玻璃材料时，直角棱镜在采用重冕牌玻璃或者重火石玻璃时，楔角棱镜可以采用较低折射率的材料比如火石玻璃或重镧冕牌玻璃等，目的是为了提高照明光在楔角棱镜空气间隙面的全反射角度，从而让更多的照明光折射进入空气间隙。
在本技术方案的第三个实施例中，全反射式棱镜组由一片直角棱镜及一片楔角棱镜粘合而成，粘合面位于两者的斜面，且相邻斜面之间的通光面范围内留有微小的空气间隙，此空气间隙的尺寸最大允许达到0.1mm, 中继透镜、全反射式棱镜组及数字微镜显示器件三者的位置及角度有特定的关系，数字微镜显示器件的保护玻璃表面平行于直角棱镜的一个直角面，且二者之间有一定的间隔，此直角面定义为照明光出射面；楔角棱镜的面对中继透镜的一个面定义为照明光入射面，照明光入射面与照明光出射面在截面形成一定的夹角，也只有此截面夹角的平分线垂直于中继透镜的光轴时，能够实现照明出射光与照明入射光的最小偏角，一般对基于采用数字微镜显示器件作为显示芯片的投影光学引擎来说，往往需要在与数字微镜的微镜转角匹配的前提下，偏角尽可能的小，以减少照明光斑的离轴像差和变形量。
为了减少系统非参与成像的杂散光，以提升系统的对比度，本实用新型的直角棱镜和楔角棱镜的除空气间隙面以外的非通光面均设有遮光层，或者需要做涂黑处理，并且涂黑区域需要覆盖除空气间隙周围棱边以外的其他所有棱边。
附图说明
图1为本实用新型第一实施例的结构示意图；
图2为本实用新型第二实施例的结构示意图；
图3为本实用新型第一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面根据附图对本实用新型的实施例进行详细说明。
如图1所示，本实用新型的第一实施例中，数字微镜投影光学引擎的全反射式棱镜组件的主要部件为棱镜组、与棱镜组的一侧面平行设置的数字微镜显示器件3、设于棱镜组另一侧与数字微镜显示器件相对的中继透镜5、以及设于中继透镜另一侧的光源，棱镜组由一片直角棱镜2及一片楔角棱镜1粘合而成，粘合面位于两者的斜面，且相邻斜面之间的通光面范围内留有微小的空气间隙，此空气间隙的尺寸最大允许达到0.1mm，在投影过程中，来自于中继透镜另一侧的照明光，经过中继透镜5后入射到楔角棱镜1的入射面并折射到楔角棱镜1邻近空气间隙的斜面上，因不满足全反射条件而折射到空气间隙，再折射到直角棱镜2内，并从直角棱镜2靠近数字微镜显示器件5的直角面折射出，这些折射出的光线入射到数字微镜显示器件的微镜5上，经过处于亮状态的微镜反射后将光垂直入射回到直角棱镜2的直角面上，到达直接棱镜的邻近空气间隙的斜面上，因满足全反射条件而从斜面反射出直角棱镜2来参与成像。
如图2所示，本实用新型的第二实施例中，其主要部件仍然为棱镜组、与棱镜组的一侧面平行设置的数字微镜显示器件、设于棱镜组另一侧与数字微镜显示器件相对的中继透镜、设于中继透镜另一侧的光源。但是棱镜组在材料上进行了变化，当直角棱镜2a的折射率过小时，直角棱镜2a的斜面1b上的全反射角偏离45度也小，这样在直角棱镜2a的斜面1b发生全反射而出射的光束孔径角也小，必然会有部分光折射出斜面1b而损失掉，所以直角棱镜2a可以采用折射率在1.58 到1.68之间的重冕牌玻璃或折射率在1.68到1.85之间的重火石玻璃材料，当楔角棱镜1a采用与直角棱镜2a相同的玻璃材料时，因楔角棱镜1a斜面1b上的全反射角相对较小，来自中继透镜5并入射在楔角棱镜1a邻近空气间隙4斜面1b上的部分光容易满足全反射条件而反射出去，从而损失掉，当楔角棱镜1a采用折射率低于1.58玻璃材料时，可以减少这个问题的发生。也就是说，直角棱镜和楔角棱镜可以采用不相同的材料，且直角棱镜的材料的折射率大于1.58的同时，楔角棱镜的材料的折射率要小于1.58。
如图3所示，本实用新型的第三实施例中，其主要部件与第一、第二实施例相同，且棱镜组也是由一片直角棱镜2b及一片楔角棱镜1c粘合而成，粘合面位于两者的斜面，相邻斜面之间的通光面范围内留有微小的空气间隙4，此空气间隙4的尺寸最大允许达到0.1mm。直角棱镜靠近数字微镜显示器件的直角面与楔角棱镜的面朝中继透镜的面之间的夹角的中分线，与中继透镜的光轴相互垂直。也就是说，直角棱镜2a的靠近数字微镜显示器件3的直角面为光线出射面，楔角棱镜1c的面朝中继透镜5的面为光线入射面，全反射棱镜的中心法线6C与中继透镜5的中心轴垂直，照明出射光与全反射棱镜的中心法线6c的夹角6a与照明入射光与全反射棱镜的中心法线6b的夹角面相等时，来自中继透镜5d的入射到楔角棱镜1c的照明入射光面的中心光线与直角棱镜2a的出射光的中心光线的夹角最小，同时需满足折射出的光线入射到数字微镜显示器件3的微镜上，经过处于亮状态的微镜反射后将光垂直入射回到直角棱镜2的直角面上，到达直接棱镜的邻近空气间隙4的斜面上，因满足全反射条件而从斜面反射出直角棱镜2来参与成像。
为了减少系统非参与成像的杂散光，以提升系统的对比度，在上述第一、第二、第三实施例中，直角棱镜和楔角棱镜的除斜面以外的其他所有面的非通光区域及棱边均设有遮光层，也就是说，直角棱镜和楔角棱镜的除位于空气间隙的侧面以及通光面以外的非通光面均需设有遮光层或者要做涂黑处理，并且涂黑区域需要覆盖除空气间隙周围棱边以外的其他所有棱边，并且，在上述三个实施例中，楔角棱镜的其中一个内角的角度范围为22.5度±2度。
以上具体实施例仅用以举例说明本实用新型的结构，本领域的普通技术人员在本实用新型的构思下可以做出多种变形和变化，这些变形和变化均包括在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种数字微镜投影光学引擎的全反射式棱镜组件，包括棱镜组、与棱镜组的一侧面平行设置的数字微镜显示器件、设于棱镜组另一侧与所述数字微镜显示器件相对的中继透镜、设于中继透镜另一侧的光源，其特征在于：所述棱镜组包括斜面相互贴合的一直角棱镜和一楔角棱镜，直角棱镜与楔角棱镜之间设有空气间隙，所述直角棱镜的一直角边侧面与所述数字微镜显示器件相平行。
2.如权利要求1所述的全反射式棱镜组件，其特征在于，所述直角棱镜与楔角棱镜之间的空气间隙小于或等于0.1mm。
3.如权利要求2所述的全反射式棱镜组件，其特征在于，所述楔角棱镜的其中一个内角的角度范围为22.5度±2度。
4.如权利要求3所述的全反射式棱镜组件，其特征在于，所述直角棱镜和楔角棱镜采用相同的材料，均采用重冕牌光学玻璃或重火石光学玻璃制成。
5.如权利要求3所述的全反射式棱镜组件，其特征在于，所述直角棱镜和楔角棱镜采用不相同的材料，且所述直角棱镜的材料的折射率大于1.58的同时，所述楔角棱镜的材料的折射率小于1.58。
6.如权利要求3所述的全反射式棱镜组件，其特征在于，所述直角棱镜靠近数字微镜显示器件的直角面与所述楔角棱镜的面朝中继透镜的面之间的夹角的中分线，与所述中继透镜的光轴相互垂直。
7.如权利要求1所述的全反射式棱镜组件，其特征在于，所述直角棱镜和所述楔角棱镜的除斜面以外的其他所有面的非通光区域及棱边均设有遮光层。
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