专利名称：全内反合色棱镜的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种合色棱镜，特别涉及一种能够将三基色光入射到对
应的DMD，并将由DMD输出的图像合成为彩色图像的全内反合色棱镜。
背景技术：
目前市场所采用的单片DLP (digital light processing)投影系统如 图1所示，灯泡101发出的白光经过色轮102后时序输出红绿蓝三色，光束 经过光棒103的匀场和中继透镜组104后，光束经过全内反射棱镜105 (Reverse Total Interface Reflection,简称RTIR棱镜)后照射到凄t 字孩"竟器件106 ( Digital Micro-mirror Device,简称DMD)上，由DMD106 处理过后的光束经过投影透镜组107后，最后照射到屏幕108上成像。由 于单片DLP对色轮102的使用，白光通过色轮102时，有三分之二的光能 被浪费掉，所以造成光能利用率较低。此光学系统所使用的RTIR棱镜， 光束先通过空气隙后入射到DMD上，再经全内反射后进入投影系统中。
目前市场所采用的三片DLP投影系统如图2所示，灯泡201发出的光首 先经过光棒202进行匀场，再通过聚焦透镜组203会聚，然后经过平面反射 镜204反射，进入TIR棱镜205, TIR棱镜205的作用是实现入射光与出射 光分离，互不干扰，使入射光全反射，出射光透过。之后，光束经过分色 再合色棱镜206 (color splitting/recombining prism)使白光先分为红 绿蓝三色，并分别入射到红绿蓝DMD207、 217、 227上，之后三束光再进 行合色，通过TIR棱镜205出射，最后经过投射透镜组208后再成像。从 图2可见，三片DLP投影系统采用了白光先分为红绿蓝三色再合色的方法， 增加了分色再合色棱镜206的使用。而分色再合色棱镜206的制作工艺非 常困难，价格成本也十分高昂，且体积大，重量较重，占据了整个DLP投 影系统的绝大部分重量。而且，光路在分色再合色棱镜206中先分色再合 色，光路复杂且长，故而影响投影效果。
足色平衡，通常采用抑制部分谱段光的办法来调制色平衡，从而造成了光能
利用率的降低。而且由于灯泡中红光的不足，还会采用选择宽谱来解决红光 亮度的问题，而这样又会造成色饱和度和对比度的降低。
发明内容
因此，本实用新型的任务是针对现有技术存在的不足，提出一种全内 反合色棱镜。
提供了一种全内反合色棱镜，包括第一、第二、第三、第四、第五、第 六、第七和第八界面、第一、第二、第三表面、第一、第二、第三入射面，
以及出射面；所述第七和第八界面彼此交叉垂直；
所述第七界面对红光和绿光透过，对蓝光反射；所述第八界面对蓝光和 绿光透过，对红光反射；
由所述第一入射面入射的红光 一表面透射出去；
由所述第二入射面入射的绿光 二表面透射出去；
由所述第三入射面入射的蓝光 三表面透射出去；
由所述第一表面入射的光先后被第四界面和第八界面反射后由所述出 射面出射；
由所述第三表面入射的光先后被第六界面和第七界面反射后由所述出 射面出射；
由所述第二表面入射的光先被第五界面反射再经过第七界面和第八界
面透射后由所述出射面出射。
上述技术方案中，优选所述第一、第三表面和出射面平行。 进一步地，优选所述第三表面和出射面在同一平面上。 上述技术方案中，优选所述第二表面和所述出射面垂直。 上述技术方案中，优选所述第一表面与所述第八界面的夹角为135° 。 上述技术方案中，优选所述第一和第四界面之间、第二和第五界面之间、
第三和第六界面之间都设有空气隙。
进一步地，所述空气隙的厚度优选小于0. 6毫米。
进一步地，所述空气隙设置在相应界面之间的中央通光处，用光学胶将
所述空气隙两侧相应界面的边或角粘合在一起。
，先后透射经过第 ,先后透射经过第 ,先后透射经过第
和第四界面后，由第 和第五界面后，由第 和第六界面后，由第
进一步地，优选所述第一和第四界面、第二和第五界面、第三和第六界 面互相平行设置。
进一步地，优选所述第一和第四界面之间、第二和第五界面之间和第三 和第六界面之间的空气隙厚度相同。
上述的全内反合色棱镜可以应用于三片DLP投影系统中。 将本实用新型的全内反合色棱镜用于三片DLP投影系统，优点如下
1. 使用本实用新型的全内反合色棱镜，不仅适用于传统的分色再合色的 投影系统，同样也可以适用于独立照明的情况。尤其是使用独立照明的方 法，可以使投影系统省去白光的分色环节，有效地简化了 DLP投影系统的 光路，从而使系统设计更容易，减少了光损耗，提高了光能利用率；
2. 和目前成本极高的复杂棱镜器件，例如色分离及色合成棱镜相比，本 实用新型不仅有效地减小了 DLP投影系统的体积和重量，降低了成本，同 时缩短了光路，减小了光路的复杂性，增强了投影系统的效果。
3. 如果采取独立照明的方法，可以根据白光配光比来合理的设置红绿蓝 光源或者其他颜色光源的功率需求，不仅避免了由于红光不足采用选宽谱 造成的色饱和度和对比度的降低，而且避免了光能的浪费，将光能充分化 利用。
4. 使用本实用新型全内反合色棱镜的投影系统比现有的DLP投影系统技 术具有明显的高集成度的优势，省去了传统的TIR棱镜或者RTIR棱镜， 本实用新型的全内反合色棱镜既可实现传统TIR棱镜的功能又可以实现 合色功能，从而4吏投影系统的结构更为紧凑，体积因此缩小，重量也因此 减轻，且成本也相应得到降低。
5. 由于光束先通过空气隙后入射到DMD上，再经全内反射后进入投影 系统中，所以本实用新型中的空气隙出现在照明系统中，与空气隙出现 在成像系统中相比，大大降低了空气隙的指标要求，不仅使棱镜加工更容 易，减去了光路调制过程的随机性与不统一性，使得光路调制更为简便， 而且明显地提高了成Y象质量。
因此，本实用新型是实现三片DLP低成本、高效率、高投影显示效果的 有效途径和方法，在投影显示技术领域具有很高的实用价值及规模化生产的 价值。
以下，结合附图来详细说明本实用新型的实施例，其中 图1为传统单片DLP投影系统的光路示意图； 图2为传统三片DLP投影系统的光路示意图； 图3为全内反合色棱镜的结构示意图； 图4为独立照明的三片DLP投影系统装置图； 图5为一种独立照明的激光投影系统示意图； 图6为一种独立照明的LED投影系统示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行详细的解释和说明。
图3为一种全内反合色棱镜的结构示意图。该全内反合色棱镜由七块 棱镜胶合而成。其中，第一、第二和第三棱镜301, 302和303为结构相同 的三角棱镜，出于加工的方便，通常采用直角棱镜，锐角角度根据实际设计 中选择的具体棱镜的材料而有所不同，当然根据具体要求，完全可以釆用其 他形状的棱镜，其中，第一、第二、第三棱镜中，斜边所在面为入射面；第 四、第五和第六棱镜304, 305和306为结构相同的四棱镜，且有两个相邻 的直角，还有一个135度角，同时第四、第五和第六棱镜304, 305， 306中 与135度角相邻的直角为等腰直角；第七棱镜307为等腰直角三角棱镜，其 等腰直角边与第四、第五、第六棱镜304， 305， 306的等腰直角边相等。
通过光学胶顺序将第四至第七棱镜的等腰直角面不留空隙地完全胶合 在一起，且使其等腰直角棱彼此重合，同时尽可能地在此四个棱镜的中心交 叉点处不留空隙，或至少应当将空隙控制在微米量级或其以下，如图3所示。 从而，形成互相交叉垂直的第七界面308 (包括第一子界面308a和第二子界 面308b)和第八界面309 (包括第三子界面309a和第四子界面309b)。此外， 第 一至第三棱镜的材料采用相同牌号的玻璃材料，第四至第七棱镜的材料采 用相同牌号的玻璃材料，采用的光学胶折射率应与第四、第五、第六、第七 棱镜的折射率相同或相近，且光学胶与第四、第五、第六、第七棱镜材料 的相对折射率为0. 98-1. 02。
然后将第一棱镜301长直角棱所在的面胶合在第四棱镜304最长棱所在 的面上，两个面之间并非完全胶合，是部分胶合，即在胶合面中央的通光区 域不予胶合，从而保留有空气隙，厚度一般应当小于0. 6毫米。该空气隙与
第一棱镜之间形成第一界面301b，空气隙与第四棱镜之间形成第四界面 3Q4a。而通光区域周围的胶合所用的光学胶可以是与第一或第四棱镜折射率 相同或相近的光学胶，也可以采用其他光学胶。同理，将第二棱镜和第三棱 镜分别与第五棱镜和第六棱镜胶合，形成第二界面302b和第五界面305a, 第三界面303b和第六界面306a。其中，形成第一至第六界面的棱镜表面分 别镀有对所通过光线的减反膜。第一、第二和第三棱镜的光线的入射面分别 为第一、第二和第三入射面301a， 302a和303a,其表面分别镀有对入射光 线的减反膜。第四、第五和第六棱镜的第一、第二和第三表面304b、 305b、 306b分别镀有对入射光线的减反膜。
当红光从第一入射面301a入射，绿光/人第二入射面302a入射，蓝光从 第三入射面303a入射时，形成第一子界面308a的第四、第七棱镜的相应面 和形成第二子界面308b的第五、第六棱镜的相应面则镀有连续的绿光和红 光的减反膜及蓝光的高反膜；形成第三子界面309a的第四、第五棱镜的相 应面和形成第四子界面309b的第六、第七棱镜的相应面镀有连续的绿光和 蓝光的减反膜及红光的高反膜。第七棱镜的出射面307c镀有对可见光的宽 带减反膜。通常绿光都是从第二入射面302a入射，蓝光和红光的入射位置 则可以相互交换，而当蓝光和红光的位置交换时，镀膜也相应改变，相当于 将当前系统沿水平轴翻转而已，这对本领域技术人员是可以理解的。
入射光束在第一、第二、第三棱镜的第一、第二、第三界面上的入射角 必须小于相应棱镜的全反射角，以确保入射光束透射通过该界面；由第一、 第二和第三表面304b， 305b, 306b入射到第四、第五、第六棱镜的第四、第 五、第六界面304a、 305a、 306a上的入射角必须大于相应棱镜的全反射角， 以确保入射光在该界面产生全反射。
作为一个优选的实施例，图3中的所有棱镜玻璃材料的中国牌号选用 Fl，其折射率为1.60。第一、第二和第三棱镜的锐角P为21。， oc为90。。 所述第一和第四界面、第二和第五界面、第三和第六界面之间的空气隙厚度 为0. 3毫米。最后构成第一表面304b与出射面307c平行，且第三表面306b 和出射面307c在同一平面上；第二表面305b和出射面307c垂直；第二表面 305b和第一表面304b垂直；第一表面304b与第八界面309的夹角为135° 。
当然，如前所述，根据不同的DMD和实际使用的需要，本领域技术人员 根据上面描述的原则还可以使用其他不同角度的棱镜。
图4给出了一种使用图3所示全内反合色棱镜的独立照明的三片DLP投
影系统的装置图，包括红绿蓝光源装置421， 422， 423、红绿蓝光对应的 DMD411, 412， 413、全内反合色棱镜310、投影透镜组414和投影屏幕415; 其中，红绿蓝光DMD411， 412, 413均使用0. 7DDR12的DMD，且红光DMD411 平行设置于全内反合色棱镜310的第一表面304b之外，绿光DMD412平行设 置于全内反合色棱镜310的第二表面305b之外，蓝光DMD413平行设置于全 内反合色棱镜310的第三表面306b之外。全内反合色棱镜310采用图3所 示结构，且棱镜玻璃材料的中国牌号选用Fl。
所述红光光源装置421输出的红光于第一棱镜301的第一入射面301a 以16。入射角入射，由于在第一界面上的入射角小于全反射角，所以经过第 一界面301b透射到空气隙，再由空气隙经第四界面304a入射到第四棱镜 304,从第一表面304b出射到红光DMD411中，经过红光麵D411反射后的光 束再次由第一表面304b入射到第四棱镜304中，光束在到达第四界面304a 时由于入射角大于全反射角而发生全内反射，反射光透射通过第七界面308, 在第八界面309反射后进入第七棱镜307，最后由出射面307c出射；
所述绿光光源装置422输出的绿光于第二棱镜302的第二入射面302a 以16。入射角入射，由于在第二界面上的入射角小于全反射角，所以经过第 二界面302b透射到空气隙，再由空气隙经第五界面305a入射到第五棱镜 305，从第二表面305b出射到绿光DMD412中，经过绿光DMD412反射后的光 束再次由第二表面305b入射到第五棱镜305中，光束在到达第五界面305a 时由于入射角大于全反射角而发生全内反射，反射光透过第七界面308和第 八界面309后进入第七棱镜307，最后由出射面307c出射；
所述蓝光光源装置423输出的蓝光于第三棱镜303的第三入射面303a 以16。入射角入射，由于在第三界面上的入射角小于全反射角，所以经过第 三界面303b透射到空气隙，再由空气隙经第六界面306a入射到第六棱镜 306，从第三表面306b出射到蓝光DMD413中，经过蓝光DMD413反射后的光 束再次由第三表面306b入射到第六棱镜306中，光束在到达第六界面306a 时由于入射角大于全反射角而发生全内反射，反射光透射通过第八界面309 ， 在第七界面308反射后进入第七棱镜307，最后由出射面307c出射；
其中，第七界面308镀有绿光和红光的减反膜及蓝光的高反膜，第八界 面309镀有绿光和蓝光的减反膜及红光的高反膜；第一入射面301a、第一界 面301b、第四界面304a和第一表面304b皆镀有红光减反膜，第二入射面 302a、第二界面302b、第五界面305a和第二表面305b皆镀有绿光减反膜，
第三入射面303a、第三界面303b、第六界面306a和第三表面306b皆镀有 蓝光减反膜；第七棱镜307的出射面307c镀有可见光的宽带减反膜。
上面三个DMD反射的光束在全内反合色棱镜310中实现了合束，再由投 影透镜组414将全内反合色棱镜的输出光投影显示到投影屏幕415上。
本领域人员都应当了解，此具体实施例中第 一到第七棱镜采用相同牌号 玻璃材料，但实际上，只要满足第一、第二和第三棱镜釆用相同牌号的玻璃 材料，第四、第五、第六直角棱镜和所述直角等腰三棱镜釆用相同牌号的玻
璃材料即可，也就是第一、第二、第三棱镜的材料可以和第四、第五、第六 及第七棱镜的材料不同。另外，本实施例中给出的DMD型号和规格只是作为 一个示例，而非限制，实际上，在本实施例中，可以使用几乎所有型号和规 才各的DMD。
图5给出了一种独立照明的激光投影系统，该系统中在红、绿、蓝三色 激光光源510， 520， 530与全内反合色棱镜310之间的光路上顺序设有红、 绿、蓝聚焦透镜511, 521, 531,红、绿、蓝积分棒512， 522, 532和红、 绿、蓝中继透4fe组513， 523， 533，其他装置和结构与图4相同。
图6给出了一种独立照明的LED投影系统示意图，其中，三基色光源使 用红、绿、蓝LED光源装置601， 602， 603，并在每个光源与全内反合色棱 镜310之间的光路上顺序设有红、绿、蓝光束整形系统611， 621， 631和红、 绿、蓝中继透镜组612， 622， 632,其他装置和结构与图4相同。
针对不同激光器和LED还可以采取其他方式将三色光耦合进全内反合 色棱镜。此外，三色光可以为红绿蓝三色，也可以根据需要选择其他三色 光源。此外，本实用新型的全内反合色棱镜也可以用于传统的白光光源的 DLP照明系统中，按照传统的方法分色后，再使用本实用新型的全内反合 色棱镜进行合色。
上面各个实施例的投影显示系统中，全内反合色棱镜的空气隙厚度可以 根据需要在0. 6毫米以下进行适当调节，更优选的范围是0. 2至0. 6毫米之 间。本领域普通技术人员应当理解，在不改变各个界面和表面功能和作用的 情况下，可以对上述实施例进行各种变形，例如适当改变各个棱镜的角度、 使用更多表面的棱镜、进行各种镀膜等，都应该在本实用新型的权利要求范 围之内。
权利要求1.一种全内反合色棱镜，其特征在于，包括第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八界面、第一、第二、第三表面、第一、第二、第三入射面，以及出射面；所述第七界面对红光和绿光透过，对蓝光反射；所述第八界面对蓝光和绿光透过，对红光反射；所述第七界面和第八界面相互垂直；由所述第一入射面入射的红光，先后透射经过第一和第四界面后，由第一表面透射出去；由所述第二入射面入射的绿光，先后透射经过第二和第五界面后，由第二表面透射出去；由所述第三入射面入射的蓝光，先后透射经过第三和第六界面后，由第三表面透射出去；由所述第一表面入射的光先后被第四界面和第八界面反射后由所述出射面出射；由所述第三表面入射的光先后被第六界面和第七界面反射后由所述出射面出射；由所述第二表面入射的光先经过第五界面反射再经过第七界面和第八界面透射后由所述出射面出射。
2. 根据权利要求1所述的全内反合色棱镜，其特征在于，所述第一、第三 表面和出射面平行。
3. 根据权利要求1所述的全内反合色棱镜，其特征在于，所述第二表面和 所述出射面垂直。
4. 根据权利要求1所述的全内反合色棱镜，其特征在于，所述第一表面与 所述第八界面的夹角为135° 。
5. 根据权利要求1所述的全内反合色棱镜，其特征在于，所述第一和第四 界面之间、第二和第五界面之间、第三和第六界面之间都设有空气隙。
6. 根据权利要求5所述的全内反合色棱镜，其特征在于，所述空气隙的厚 度小于0.6毫米。
7. 根据权利要求5所述的全内反合色棱镜，其特征在于，所述空气隙设置 在相应界面之间的中央通光处，并用光学胶将所述空气隙两侧相应界面的边 或角粘合在一起。
8. 根据权利要求5所述的全内反合色棱镜，其特征在于，所述第一和第四 界面之间、第二和第五界面之间和第三和第六界面之间的空气隙厚度相同。
9. 根据权利要求1所述的全内反合色棱镜，其特征在于，所述第一和第四界面、第二和第五界面、第三和第六界面互相平行设置。
10. —种投影显示系统，其特征在于，包括权利要求l-9任一项所述的全内 反合色棱镜。
专利摘要本实用新型提供了一种全内反合色棱镜，包括第一至第八界面、第一至第三表面、第一至第三入射面，以及出射面；第七和第八界面彼此交叉垂直；第七界面对红光和绿光透过，对蓝光反射；第八界面对蓝光和绿光透过，对红光反射；由第一入射面入射的红光，先后透射经过第一和第四界面后，由第一表面透射出去；由第一入射面入射的绿光，先后透射经过第二和第五界面后，由第二表面透射出去；由第一入射面入射的蓝光，先后透射经过第三和第六界面后，由第三表面透射出去；由第一表面入射的光经过第八界面反射后由出射面出射；由第三表面入射的光经过第七界面反射后由出射面出射；由第二表面入射的光直接透射经过第七界面和第八界面后由出射面出射。
文档编号G02B27/14GK201188152SQ20082007916
公开日2009年1月28日 申请日期2008年2月22日 优先权日2008年2月22日
发明者张明勇, 华 成, 勇 毕, 王延伟, 贾中达, 光 郑 申请人:北京中视中科光电技术有限公司;中国科学院光电研究院