合光装置和投影装置的制作方法

1.本技术涉及投影技术领域，特别是涉及一种合光装置和投影装置。


背景技术：

2.传统的微型投影应用中，使用红(red，r)、绿(green，g)、蓝(blue，b)三原色光源进行照明，通过rgb三原色不同比例的混合，从而实现彩色画面的输出。一般会将rb分在一路，g单独一路，再使用两片二向色片进行rgb的合光，这种传统方案采用两个独立的rb和g光源，结构不够紧凑。
3.而将三路rgb原色光排布在同一侧的装置中，三原色光经过光栅衍射后合光效果差，且光斑分离现象严重，进一步降低合光效果。


技术实现要素：

4.本技术提供一种结构紧凑的合光装置和投影装置。
5.本技术采用的一个技术方案是：提供一种合光装置，合光装置包括发光装置和沿着发光装置的发光侧依次设置的棱镜和光栅；发光装置用于提供至少两种原色光；棱镜设置有入射面和出射面，原色光以入射角经过入射面进入棱镜，以出射角经过出射面进入光栅；光栅设置于棱镜出射面的表面，用于对从棱镜的出射面的出射光进行衍射；其中，棱镜的入射面与棱镜的出射面之间的夹角为40
°‑
48
°
。
6.其中，光栅周期为450nm-500nm。
7.其中，光栅的衍射级数为：(-1)-(+1)。
8.其中，原色光的衍射角之间的差值为：0
°‑5°
。
9.其中，棱镜包括三角形棱镜，三角形棱镜为直角棱镜，直角棱镜的入射面位于一直角边，出射面位于斜边。
10.其中，棱镜的入射面设置有增透膜。
11.其中，收集透镜，位于发光装置与棱镜入射面之间，用于调整原色光的入射角。
12.其中，棱镜与光栅一体成型。
13.本技术采用的另一个技术方案是：提供一种投影装置，包括上述合光装置。
14.本技术的有益效果：本技术提出了一种合光装置和投影装置，所述合光装置包括发光装置以及沿所述发光装置的发光侧依次设置的棱镜和光栅，所述发光装置用于提供至少两种原色光，所述棱镜设置有入射面和出射面，所述原色光以入射角经过所述入射面进入棱镜，以出射角经过所述出射面进入所述光栅，所述光栅设置于所述棱镜出射面的表面，用于对从所述棱镜的出射面的出射光进行衍射，其中，所述棱镜的入射面与所述棱镜的出射面之间的夹角为40
°‑
48
°
，通过将原色光设置在同一侧的发光装置，并在发光装置的发光侧依次设置棱镜和光栅，并且光栅设置在棱镜的出射面的表面，而棱镜的入射面与出射面之间的夹角为40
°‑
48
°
，使得原色光光线能够在光栅的出射面合光，从而实现了结构紧凑的合光装置和投影装置。
15.同时，由于发光装置与光学元件之间结构紧凑，使得合光装置的体积减小，且结构简单，降低成本。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
17.图1是本技术所提供的合光装置与无棱镜时合光效果的对比示意图；
18.图2是本技术所提供的合光装置的结构示意图；
19.图3是b光与r光衍射角与棱镜夹角α的关系曲线图；
20.图4是本技术所提供的投影装置的结构示意图。
具体实施方式
21.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
22.需要说明，若本技术实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
23.另外，若本技术实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本技术要求的保护范围之内。
24.参阅图1至图2，图1是本技术所提供的合光装置与无棱镜时合光效果的对比示意图；图2是本技术所提供的合光装置的结构示意图。合光装置10包括发光装置110、棱镜120和光栅130，其中，棱镜120和光栅130沿着发光装置110的发光侧依次设置。
25.发光装置110用于提供至少两种原色光，两种原色光可以是rb、rg、bg，或者是rgb三原色光。并且，发光装置110将不同原色光的光源设置在同一侧，其中，原色光以偏离光轴，或者平行于光轴，进入棱镜120的入射面。在一种实施例中，发光装置110发出rgb三原色光时，g光线以平行于光轴的角度进入棱镜120的入射面，r光线以及b光线则以偏离光轴15
°
的入射角进入棱镜120的入射面。
26.发光装置110中的原色光光源可以是激光二极管(laser diode，ld)，或者是发光二极管(light emitting diode，led)。
27.发光装置110中不同原色光的波长范围可以包括，b光的波长为600nm-700nm，例如，600nm、632nm、640nm、660nm、700nm等；g光的波长为500nm-550nm，例如：500nm、525nm、
534nm、546nm、550nm等；b光的波长为400nm-470nm，例如：400nm、425nm、431nm、460nm、470nm等。
28.由于不同原色光的波长不同，它们自光源出射的角度也不同，因此可以通过调整发光装置110的原色光源的出光位置，或者利用具有调整光线角度的光学元件，以保证不同的原色光光线以预设范围内的入射角进入棱镜120，以提高合光效果。
29.棱镜120设置有入射面和出射面，并且入射面与出射面之间的夹角为40
°‑
48
°
，例如：40
°
、42
°
、43
°
、46
°
、48
°
等。如图1所示，通过设置棱镜，对比没有设置棱镜的合光装置，能够有效缓解合光时光斑的分离现象，从而提高合光装置的合光效果。发光装置110发出的原色光光线以偏离光轴10
°‑
20
°
或者平行与光轴的入射角经过棱镜120的入射面进入棱镜120，在棱镜120内折射后以出射角经过棱镜120的出射面进入光栅130。光栅130设置在棱镜120出射面的表面上，用于对从棱镜120的出射面的出射光进行衍射。原色光光线经过入射面与出射面之间的夹角为40
°‑
48
°
的棱镜进行光线调整，使得经过光栅130衍射后的原色光光线，以误差范围内的衍射角在光栅130的出射面合光，提高原色光的合光效果。
30.本技术提出的合光装置10，通过将原色光设置在同一侧的发光装置110，并在发光装置110的发光侧依次设置棱镜120和光栅130，且光栅130设置在棱镜120的出射面的表面，使得原色光光线利用棱镜120的入射面与出射面之间的夹角为40
°‑
48
°
调整原色光光线进入光栅130的角度，在从而在原色光光线经过光栅后发生衍射，从而实现合光，由于原色光光源设置在同一侧，实现了结构紧凑的合光装置；进一步地，棱镜能够缓解合光时光斑分离的现象，从而提高合光效果。
31.在发光装置110的发光侧，不同的原色光光线以偏离光轴10
°‑
20
°
或者平行于光轴的入射角经过入射面进入棱镜120，原色光光线在棱镜120内进行折射和反射。其中，原色光光线进行折射时，其折射角满足公式：
32.n1sinθ1＝n2sinθ2(1)
33.其中，θ1为原色光光线的入射角；θ2为原色光光线在棱镜120内折射后的折射角；n1为入射面的折射率；n2为棱镜120的折射率。
34.在本实施例中，棱镜120入射面的介质是空气，因此n1的折射率即为空气的折射率，则n1的值为1。其他实施例中，棱镜120入射面的表面是其他介质时，则n1即为对应介质的折射率。n2为棱镜120的折射率，根据棱镜120的材料不同，取其对应的折射率，例如，棱镜120的材料为玻璃，则n2的值为1.6。
35.原色光光线以偏离光轴10
°‑
20
°
或者平行于光轴的入射角进入棱镜120，并在棱镜120内折射后，其折射角满足公式(1)，保证不同原色光光线之间的出射角的差值相同并进入光栅130，从而保证合光装置10合光的有效性。
36.可选地，原色光光线以预设的入射角在棱镜120的入射面发生第一次折射，并以第二入射角即出射角经过棱镜120的出射面进入光栅130发生衍射，原色光光线的衍射角满足公式：
[0037][0038]
其中，为衍射角；i为出射角；n
t
为出射面的折射率；ni为光栅130的折射率；m为光栅130的衍射级次；λ为原色光的波长；d为光栅130的周期。
[0039]
为了保证原色光的合光效果，不同原色光光线以出射角进入光栅130发生衍射时，
即原色光从光栅进行衍射之后的衍射角之间的差值为0
°‑5°
，例如：0
°
、1
°
、1.5
°
、2.5
°
、5
°
等。
[0040]
为了减少杂散光，提高合光效果，光栅130的衍射级数尽可能的小，则光栅130的衍射级数可以为-1-+1级，例如-1级、+1级。
[0041]
为了保证光栅130的衍射级次尽可能的低，光栅130的周期可以为450nm-500nm，例如450nm、464nm、473nm、486nm、500nm等。
[0042]
在一些实施例中，棱镜120包括三角形棱镜，三角形棱镜包括相互连接的第一面、第二面和第三面。三角形棱镜的第一面可以设置为入射面，或者设置出射面，在此不做具体限定，但是三角形棱镜的入射面与出射面之间的夹角为40
°‑
48
°
。其中，三角形棱镜可以是等腰三角形或者直角三角形，在此不做具体限定。
[0043]
通过设置三角形棱镜，减少光线进入棱镜的面，从而减少杂散光进入光栅130，降低杂散光对合光的干扰，进而提高合光效果。
[0044]
在一些实施例中，三角形棱镜为直角棱镜，直角棱镜的入射面位于一直角边；直角棱镜的出射面位于直角棱镜的。则直角棱镜以斜边为出射面，保证原色光在出射面的出光量，从而保证合光的效果。并且直角棱镜的另一直角边可以作为底面，以维持直角棱镜的稳定，减少棱镜在合光装置10中固定件的使用，进而减小合光装置10的体积以及降低成本。
[0045]
可选地，直角棱镜的入射面与直角棱镜的出射面之间的夹角所对的面设置有吸光层122，吸光层122能够吸收可见光光线。吸光层122主要用于吸收原色光光线在三角形棱镜内反射或者折射时，落在吸光层122的杂散原色光光线，以减少杂散原色光光线的干扰，从而提高合光装置10的合光效果。
[0046]
可选地，棱镜120的入射面设置有增透膜121。增透膜121是指在光学元件表面设置的透明介质薄膜，以减少光学元件表面的反射损失，增加光学元件的入射光量。通过在棱镜120的入射面设置增透膜121，减少原色光在棱镜120表面的反射损失，增加棱镜120的原色光入射光量，从而增加棱镜120的有效出光量，进而提高合光装置10的合光效果。
[0047]
在一些实施方式中，合光装置10还包括收集透镜140。收集透镜140位于发光装置110与棱镜120入射面之间，用于调整原色光的入射角。收集透镜140能够将以不同角度入射的光进行收光，并偏移光轴一定角度后，以偏移角作为进入棱镜120的入射角。其中，不同原色光光线经收集透镜140后偏离光轴的角度通常在10
°‑
20
°
范围内，即原色光光线的预设范围入射角为10
°‑
20
°
，则收集透镜140能够调整原色光光线的入射角，保证合光的有效性。
[0048]
可选地，棱镜与光栅一体成型设置。比如，在棱镜的出射面上通过刻蚀或者纳米压印技术形成光栅。棱镜与光栅一体成型设置，能够减少光栅的安装步骤并减少原料的使用，降低成本。
[0049]
在一些实施方式中，合光装置10包括发光装置110，以及依次在发光装置的发光侧设置的收集透镜140、直角棱镜、光栅130。rgb三原色led光源发出r、g、b光线，由于他们波长不同，它们自光源出射的角度不同。为了实现合光，先采用收集透镜140对不同角度的原色光光线进行收光，并以预设范围内的入射角经过直角棱镜的偏折后，原色光光线入射到直角棱镜出射面表面的光栅130上，由于光栅130对不同波长的光线衍射角度不同，因此设计特定光栅周期的光栅130，使得以不同角度入射到光栅130的rgb三原色光线经过光栅130衍射后，在误差范围内，例如不同原色光衍射角之间相差5
°
以内，可以认为他们的衍射角相
同，从而实现合光。
[0050]
其中，采用棱镜120对原色光光线进行偏折后再进入光栅130衍射，可以减少原色光光线合光时光斑的分离现象，提升合光效果。
[0051]
取发光装置110的rgb三色led光源发射r、g、b光线的波长分别为632nm、525nm、460nm为例，假设g光线方向与光轴平行，r、b光线与光轴方向夹角均为15
°
，直角棱镜材料的折射率为1.6。参阅图3，图3是b光与r光衍射角与棱镜夹角α的关系曲线图。从图3可以知道，b光与r光的衍射角θb、θr随直角棱镜的入射面与出射面之间的夹角α的变化趋势，直角棱镜夹角α在40
°‑
48
°
范围内，θr、θg、θb三者相差均在5
°
范围内，为方便直角棱镜角度设计，可设计直角棱镜入射面与出射面之间的夹角α为45
°
。光线进入直角棱镜后会发生偏折，偏折方向满足公式(1)：n1sinθ1＝n2sinθ2。其中n1为入射面的折射率，这里介质为空气，取值为1；n2为折射面的折射率，这里介质为直角棱镜材料为玻璃，取值为1.6。g光线垂直入射到直角棱镜上，即入射角为0
°
，r、b光线入射到直角棱镜入射面的入射角都为15
°
，根据公式(1)可以算出r、b光线经直角棱镜入射面第一次折射的折射角为θ
2r
、θ
2b
，误差范围内可以认为θ
2r
＝θ
2b
。
[0052]
rgb光线在直角棱镜内以第二入射角即出射角，经过直角棱镜的出射面进入光栅130。其中，第二入射角可以根据公式(1)获取到的第一折射角，以及夹角α，并利用三角形内角关系，余角关系，计算得到rgb光线的第二入射角分别为：α+θ
2r
、α、α-θ
2b
。
[0053]
rgb光线经光栅130衍射的衍射角θ满足公式(2)：n
t
sinθ＝nisini-mλ/d。n
t
为出射面的折射率，这里介质为空气，取值为1；ni为光栅130入射面的折射率，这里介质为直角棱镜材料，取值为1.6，m为衍射级次。假定g光线经光栅130衍射后垂直光栅130面射出，即θg＝0
°
，光栅130周期应较小，保证透射的衍射级次只有1级，减小其他级次的杂散光，这里m取1或-1，光栅130周期d约为464nm。结合公式(1)、(2)θr、θg、θb分别为-3.6
°
、0
°
、-3.1
°
，并且三者相差均在5
°
范围内，符合rgb合光要求。
[0054]
其中，直角棱镜出射面上的光栅130可通过刻蚀或纳米压印技术实现。另外，为了提升合光效果，直角棱镜的第三面还设置有吸光层122，吸光层122用于吸收直角棱镜中的其他反射光。直角棱镜的入射面还设置了增透膜121，用于增强原色光光线透过直角棱镜的透射率。
[0055]
需要说明的是，这里棱镜120的设计不限于直角棱镜，可以是其它形状的棱镜，此时需要重新计算光栅130的参数，设计合适的光栅周期，满足原色光光线入射到光栅的衍射角相差在5
°
以内。
[0056]
参阅图4，图4是本技术所提供的投影装置的结构示意图。投影装置30包括上述实施例中任意一种合光装置10。合光装置10的结构简单，且体积与重量较小，因此投影装置30的体积相应的较小。其中，投影装置30可以是投影仪、可穿戴显示设备等，例如ar眼镜等。在此不对投影装置30做具体的限定。
[0057]
以上仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术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它相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。