一种光学引擎系统及投影系统的制作方法

本申请涉及光学技术领域，特别是涉及一种光学引擎系统及投影系统。

背景技术：

在光学引擎中，分光、合光装置(如分光平板、棱镜等)通常为介质膜镀膜器件，其透过率特性与光线入射至光学镀膜面的角度紧密关联。光源发出的照明光束经过分光、合光装置时有一定的光锥角度，如果入射角度的差异导致透过率特性不一致，容易在分光和合光过程中损失较多的光，使得光能量利用率降低。

本申请的发明人在长期的研发过程中发现，现有技术中，合光装置通过在合光面胶合以防止图像光在合光时发生全反射。胶合膜层的合光效率较低，使得整机虽然能够实现放映机的色域标准，但能够达到的亮度受到限制。另外，由于光路中存在胶水，在高亮度的机器中使用时，胶水对光谱进行不断的吸收，存在可靠性问题，导致光机亮度衰减严重，返修频率和返修成本增加。

技术实现要素：

本申请主要解决的技术问题是提供一种光学引擎系统及投影系统，能够减少合光时的光能损失，提高光束的合光效率，且能实现光路无胶，提高光学引擎系统的可靠性。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种光学引擎系统，该光学引擎系统包括：分光装置，用于将入射至分光装置的照明光束分为第一光束和第二光束；第一空间光调制器，用于对第一光束进行调制以形成第一调制光束；第二空间光调制器，用于对第二光束进行调制以形成第二调制光束；合光装置，包括有合光面，合光面为镀膜面，合光面用于将第一调制光束和第二调制光束合成出射光束后出射，其中，第一调制光束和第二调制光束到合光面的入射角小于合光面的全反射角。

其中，合光装置包含至少一个全反射面。

其中，第一调制光束或第二调制光束经过全反射面反射后再进入合光面。

其中，合光面与第一空间光调制器之间的夹角满足以下公式：

θ+α≤β；其中，照明光束包括第一边缘光束及第二边缘光束，θ为第一边缘光束与第二边缘光束的夹角，α为合光面与第一空间光调制器之间的夹角，β为合光面的全反射角。

其中，第一调制光束在合光装置的入射面与第一空间光调制器平行，第二调制光束在合光装置的入射面与第二空间光调制器平行。

其中，合光装置包括至少一个三棱镜和至少一个棱镜柱。

其中，第一调制光束和/或第二调制光束在合光装置中经过至少一次反射后再进入合光面。

其中，光学引擎系统还包括有第一引导组件和第二引导组件，第一引导组件位于第一空间光调制器的一侧，第二引导组件位于第二空间光调制器的一侧，第一引导组件用于将第一光束引导至第一空间光调制器，并将第一调制光束引导至合光装置；第二引导组件用于将第二光束引导至第二空间光调制器，并将第二调制光束引导至合光装置。

其中，合光装置包括第一棱镜和第二棱镜，第一棱镜和第二棱镜相邻接的表面为合光面，第一棱镜还包括与合光面相对设置的第一全反射面，第二调制光束经第一全反射面后被反射至合光面，第二棱镜用于将第一调制光束引导至合光面。

其中，合光装置包括第三棱镜、第四棱镜和第五棱镜，第四棱镜位于第三棱镜和第五棱镜之间，第四棱镜与第五棱镜相邻接的表面为合光面，第四棱镜与第三棱镜相邻接的表面为第五全反射面，第二调制光束经过第五全反射面后被反射至合光面，第五棱镜用于第一调制光束引导至合光面，出射光束经第四棱镜和第三棱镜引导后出射。

其中，合光装置包括第六棱镜和第七棱镜，第六棱镜和第七棱镜相邻接的表面为合光面，第六棱镜还包括反射面，反射面与合光面相对设置，第七棱镜还包括与合光面相对设置第二全反射面，第二调制光束依次经过合光面和反射面后被反射后进入合光面，第一调制光束经过第二全反射面后被反射至合光面。

其中，第一引导组件包括第八棱镜和第九棱镜，第八棱镜和第九棱镜相邻接的表面为第三全反射面，第一光束经过第三全反射面后被反射至第一空间光调制器；第二引导组件包括第十棱镜和第十一棱镜，第十棱镜和第十一棱镜相邻接的表面为第四全反射面，第二光束经过第四全反射面后被反射至第二空间光调制器。

其中，分光装置根据波长特性或者偏振特性对照明光束进行分光。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种一种投影系统，该投影系统包括：光源和上述任一实施例的光学引擎系统，光源用于出射照明光束。

其中，投影系统还包括光学中继系统，光学中继系统位于光源与分光装置之间，用于使照明光束聚集至预定的范围内。

本申请实施例的有益效果是：本申请实施例的光学引擎系统包括分光装置、第一空间光调制器、第二空间光调制器及合光装置，分光装置用于将入射至分光装置的照明光束分为第一光束和第二光束，第一空间光调制器和第二空间光调制器分别用于对第一光束和第二光束进行调制以形成第一调制光束和第二调制光束，合光装置包括合光面，合光面为镀膜面，合光面用于将第一调制光束和第二调制光束合成出射光束后出射，其中第一调制光束和第二调制光束到合光面的入射角小于合光面的全反射角。本申请通过减小光束到合光面的入射角，一方面可以使镀膜介质两侧的折射率差较大，减少设计的膜层数量，且可减小镀膜曲线的漂移量，提高合光效率；另一方面本申请可实现光路无胶，从而能够提高光学引擎系统的整体可靠性和效率。

附图说明

图1是本申请光学引擎系统第一实施例的结构示意图；

图2是本申请投影系统第一实施例的结构示意图；

图3是本申请投影系统第二实施例的结构示意图；

图4是本申请投影系统第三实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

实施例一

请参阅图1，图1是本申请光学引擎系统第一实施方式的结构示意图，本实施例中，光学引擎系统80包括：分光装置30、第一空间光调制器41、第二空间光调制器42及合光装置60。

分光装置30根据波长特性或者偏振特性对入射至分光装置的照明光束进行分光，具体地，分光装置30将照明光束分为第一光束和第二光束。其中，分光装置30可以为二向色片。

分光装置30根据波长特性对照明光束进行分光时，分光装置30反射第一波长范围的光并透射第二波长范围的光。可以理解，在本申请另一实施方式中，通过将光路调换，分光装置30也可以设置成透射第一波长范围的光并反射第二波长范围的光，对此本申请不做具体限定。

分光装置30根据偏振特性对照明光束进行分光时，分光装置30透射p偏振光，反射s偏振光。

第一空间光调制器41用于对第一光束进行调制以形成第一调制光束，再将调制后的携带有图像信息的第一调制光束反射至合光装置60。第二空间光调制器42用于对第二光束进行调制以并形成第二调制光束，再将调制后的携带有图像信息的第二调制光束反射至合光装置60。第一空间光调制器41和第二空间光调制器42相对于分光装置30镜面对称。

第一空间光调制器41和第二空间光调制器42可以为反射型显示元件，例如，dmd(digitalmicromirrordevice，数字微镜器件)。在其他可替代的实施例中，第一空间光调制器41和第二空间光调制器42还可以是lcos(liquidcrystalonsilicon，硅基液晶显示器)和lcd(liquidcrystaldisplay，液晶显示器)。

合光装置60包括有合光面s1，合光面s1用于将第一调制光束和第二调制光束合成出射光束后出射。第一空间光调制器41形成的实像和第二空间光调制器42形成的虚像相对于合光面s1镜面对称。可选地，光学引擎系统80还可包括投影物镜70，投影物镜70与合光装置60相对设置。合光面s1将第一调制光束和第二调制光束合成出射光束后出射至投影物镜70。

本实施例中，合光面s1为镀膜面，合光面s1根据波长特性对第一调制光束和第二调制光束进行合光。由于合光面s1为镀膜面，其光线透过率特性与光线入射至合光面s1的角度紧密相关。如果光线入射角大，镀膜设计复杂，膜层数量较多，镀膜曲线的漂移较大，容易在的合光过程中损失较多的光，使得光能量利用率降低。

为了能够减少光损失，提高光学引擎系统80的可靠性，本实施例中，合光装置60包括至少一个全反射面，第一调制光束或第二调制光束经过该全反射面反射后再进入合光面，即第一调制光束和/或第二调制光束经过至少一次反射后再进入合光面s1，以使第一调制光束和第二调制光束到合光面s1的入射角小于合光面s1的全反射角。通过减小第一调制光束和第二调制光束到合光面s1的入射角，可以使合光面s1不需要胶合，膜层两侧介质的折射率差异大，镀膜曲线的漂移较小，并且由于光路中没有胶水，光学引擎系统80的可靠性大大提高。

可以理解的是，照明光束包括有多个子光束，多个子光束到分光装置30的入射角不同，在本申请实施例中，将入射角相同的一小束光作为一个子光束。具体地，如图1所示，多个子光束中包括有第一边缘光束b1、第二边缘光束b2及中心光束c，第一边缘光束b1在分光装置30处的入射角小于中心光束c在分光装置30处的入射角，因此第一边缘光束b1对应的分光镀膜曲线偏长波长。第一边缘光束b1经分光后的光束经过第二空间光调制器42调制后入射至合光面s1的入射角度仍小于中心光束c分光并经过第二空间光调制器42调制后至合光面s1的入射角，因此第一边缘光束b1对应合光镀膜曲线亦偏长波长。同理，第二边缘光束b2在分光装置30分光和经过第二空间光调制器42调制后到合光面s1合光的镀膜曲线相对应(偏短波长)，因此照明光束分光合光的效率较高，光能损失少。

具体地，第一边缘光束b1与第二边缘光束b2的夹角为θ，第一空间光调制器41或者第二空间光调制器42与合光面s1的夹角为α，合光面s1的全反射角为β，则θ、α、β满足以下公式：

θ+α≤β，即α≤β-θ。在一个具体的实施例中，当第一边缘光束b1与第二边缘光束b2的夹角θ为12°、合光面s1的全反射角β为42°时，即玻璃棱镜的临界角为42度，则第一空间光调制器41与合光面s1的夹角α需要满足：α≤42°－12°，即α≤30°。

合光装置60中，第一调制光束的入射面与第一空间光调制器41平行，第二调制光束的入射面与第二空间光调制器42平行。

本实施例中，合光装置60包括至少一个三棱镜和至少一个棱镜柱。该棱镜柱可以为四棱柱或者五棱柱等，具体可根据实际情况进行设置。

优选地，该棱镜柱与其它棱镜的接合面为斜面。接合面指棱镜与棱镜相接触的面。在其它实施例中，合光装置60也可以包括至少两个三棱镜。由两个、三个或多个三棱镜组合而成的合光装置，通过在棱镜的非接合面镀反射膜以增加调制光束在入射到合光面s1前的反射次数。

具体地，本实施例中，合光装置60包括第一棱镜61和第二棱镜62，第一棱镜61和第二棱镜62相邻设置，第一棱镜61和第二棱镜62相邻接的表面为合光面s1，第一棱镜61还包括与合光面s1相对设置的第一全反射面611，第一全反射面611对入射角大于第一阈值的光线全反射，第一阈值为使光线入射至第一全反射面611产生全反射的临界角，第一全反射面611对入射角小于第一阈值的光线可产生透射。第二调制光束经第一全反射面611后被反射至合光面s1。第二棱镜62用于将第一调制光束引导至合光面s1。合光面s1将第调制一光束和第二调制光束合成出射光束后出射，其中为保证出射光束的顺利出射，出射光束到第一全反射面611的入射角小于第一全反射面611的全反射角。

第一棱镜61可以为包含上述第一全反射面611和合光面s1的任意形状的棱镜，如三棱柱形状的棱镜等。第二棱镜62可以为包含合光面s1的任意形状的棱镜，比如四棱柱形状的棱镜。

在成像光路中，第一空间光调制器41的实物处于投影物镜70的像平面上，而第二空间光调制器42的实物关于第一全反射面611表面先成了一次虚像，其虚像形成合光面s1表面的虚物，经过s1再成了一次虚像，并且该虚像与第一空间光调制器41的实物重叠，因此第二空间光调制器42经过第一全反射面611、合光面s1形成的二次虚像与第一空间光调制器41的实物重合，共同位于投影物镜70的像平面上。

进一步地，光学引擎系统还包含有第一引导组件51和第二引导组件52，第一引导组件51和第二引导组件52相对于分光装置30镜面对称设置。可选地，第一引导组件51和第二引导组件52相对于合光面s1也镜面对称。

其中，第一引导组件51将第一光束引导至第一空间光调制器41，并将第一调制光束引导至合光装置60，第二引导组件52将第二光束引导至第二空间光调制器42，并将第二调制光束引导至合光装置60。

具体地，第一引导组件51包括第八棱镜511和第九棱镜512，第八棱镜511和第九棱镜512相邻设置。第八棱镜511和第九棱镜512相邻接的表面为第三全反射面513，第三全反射面513对入射角大于第三阈值的光线全反射，第三阈值为使光线在第三全反射面513产生全反射的临界角，第三全反射面513对入射角小于第三阈值的光线可产生透射。第一光束经过第三全反射面513后被反射至第一空间光调制器41。第一调制光束经过第八棱镜511和第九棱镜512后被引导至合光装置60。

第二引导组件52包括第十棱镜521和第十一棱镜522，第十棱镜521和第十一棱镜522相邻设置，第十棱镜521和第十一棱镜522相邻接的表面为第四全反射面523，第四全反射面523对入射角大于第四阈值的光线全反射，第四阈值为使光线在第四全反射面523产生全反射的的临界角，第四全反射面523对入射角小于第四阈值的光线可产生透射。第二光束经过第四全反射面523后被反射至第二空间光调制器42。第二调制光束经过第十棱镜521和第十一棱镜522后被引导至合光装置60。

第八棱镜511可以为包含第三全反射面513的任意形状的棱镜，比如三棱柱形状的棱镜。第九棱镜512可以为包含第三全反射面513的任意形状的棱镜，比如三棱柱形状的棱镜。第十棱镜521可以为包含第四全反射面523的任意形状的棱镜，比如三棱柱形状的棱镜。第十一棱镜522可以为包含第四全反射面523的任意形状的棱镜，比如三棱柱形状的棱镜。优选地，上述棱镜可为tir(totalinternalreflection，全内反射)棱镜。

在上述光学引擎系统80的基础上，本申请还提供一种投影系统，请参阅图2所示，该投影系统包括光源10及上述所介绍的光学引擎系统80，该光学引擎系统80的具体结构请参阅图1及上述文字说明。

光源10用于发射照明光束，该照明光束包含至少两种基色光。其中，光源10可以包括激光二极管、发光二极管等固体光源。

投影系统还可包括光学中继系统20，光学中继系统20位于光源10与分光装置30之间，可使照明光束聚集至预定的范围内。光学中继系统20用于对光源10出射的光线进行中继。

本实施例中，合光面为镀膜面，第二调制光束经过全反射后再入射至合光面，以减小第一调制光束和第二调制光束到合光面s1的入射角，并使其小于合光面s1的全反射角。通过此种方式，一方面可以使镀膜介质两侧的折射率差较大，减少设计的膜层数量，且可减小镀膜曲线的漂移量，提高合光效率；另一方面本申请可实现光路无胶，从而能够提高光学引擎系统及整个投影系统的整体可靠性和效率。

实施例二

请参阅图3，图3是本申请投影系统第二实施例的结构示意图，在实施例一的基础上，本实施例的光学引擎系统80中，合光装置60包括第三棱镜63、第四棱镜64和第五棱镜65，第四棱镜64位于第三棱镜63和第五棱镜65之间，第四棱镜64与第五棱镜65相邻接的表面为合光面s1，第四棱镜64与第三棱镜63相邻接的表面为第五全反射面s2，第五全反射面s2可以为减反镀膜面，减反镀膜面的反射率小于第一预设的阈值。该第一预设的阈值可以根据实际情况进行设置，当减反镀膜面的反射率小于该第一预设的阈值时，减反镀膜面的反射率小于常规的全反射面的反射率，以增加第五全反射面的透光量。

第二调制光束经过第五全反射面s2后被反射至合光面s1。第五棱镜65用于第一调制光束引导至合光面s1，合光面s1再将第一调制光束和第二调制光束合成出射光束，出射光束再经第四棱镜64和第三棱镜63引导后出射，以补充光程差。其中，为了保证出射光束的出射，出射光束到第五全反射面s2的入射角小于第五全反射面s2的全反射角。

其中，第四棱镜64为包括有合光面s1和减反射面s2的任意形状的棱镜，比如三棱柱形状的棱镜等。

第五棱镜65为包括有合光面s1的任意形状的棱镜，比如三棱柱形状的棱镜、四棱柱形状的棱镜等。

第三棱镜63为包含减反射面s2的任意形状的棱镜，比如三棱柱形状的棱镜等。

本实施例中，关于投影系统中的其他具体结构请参阅上述实施例一中的附图及文字说明，在此不再赘述。

在实施例一的基础上，本实施例中，合光装置60包含第三棱镜63、第四棱镜64及第五棱镜65，通过合理设置第五全反射面s2及合光面s1的位置和角度，使得第一调制光束和第二调制光束入射至合光面s1的入射角更小，因此镀膜曲线的漂移量也更小，光束的合光效率更高。

实施例三

请参阅图4，图4是本申请投影系统第三实施例的结构示意图，在实施例一的基础上，本实施例的光学引擎系统80中，合光装置60包括：第六棱镜66和第七棱镜67，第六棱镜66和第七棱镜67相邻设置，第六棱镜66和第七棱镜67相邻接的表面为合光面s1。

第六棱镜66中与合光面s1相对设置的表面为反射面661，反射面661为高反镀膜面，高反镀膜面的反射率大于第二预设的阈值。第二预设的阈值可以根据实际情况进行选择设置，当高反镀膜面的反射率大于第二预设的阈值时，高反镀膜面对入射的光线基本都进行反射。第二调制光束经s1全反射至反射面661，再经反射面661的反射至合光面s1。

第七棱镜67中与合光面s1相对设置的为第二全反射面671，第二全反射面671对入射角大于第二阈值的光线全反射，第二阈值为使光线在第二全反射面671产生全反射的临界角，第二全反射面671对入射角小于第二阈值的光线可产生透射。第一调制光束经过第二全反射面671的反射后至合光面s1，合光面s1将第一调制光束和第二调制光束进行合光后形成出射光束，出射光束经第七棱镜67引导后出射。其中，为了保证出射光束的出射，出射光束到第二全反射面671的入射角小于第二全反射面671的全反射角。

第六棱镜66为包含合光面s1和反射面661的任意形状的棱镜，比如三棱柱形状的棱镜等。

第七棱镜67为包含合光面s1和第二全反射面671的任意形状的棱镜，比如三棱柱形状的棱镜等。

本实施例中，关于投影系统中的其他具体结构请参阅上述实施例一中的附图及文字说明，在此不再赘述。

在实施例一的基础上，本实施例中，第一调制光束和第二调制光束都经过至少一次反射后入射至合光面s1，且第二调制光束经过两次反射后再进入合光面，能够进一步地减小第一调制光束和第二调制光束到合光面的入射角，从而可以进一步减少镀膜曲线的漂移量，并进一步提高光束的合光效率。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。