CN116974134A - 一种基于梯形偏振分光棱镜结构的投影*** - Google Patents

一种基于梯形偏振分光棱镜结构的投影*** Download PDF

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CN116974134A CN202310971037.8A CN202310971037A CN116974134A CN 116974134 A CN116974134 A CN 116974134A CN 202310971037 A CN202310971037 A CN 202310971037A CN 116974134 A CN116974134 A CN 116974134A
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Abstract

本发明公开了一种基于梯形偏振分光棱镜结构的投影***，包括：用于发出照明光束的照明光源；用于控制不同偏振态光束的偏振装置；用于实现偏振分光的新型偏振分光棱镜；用于反射成像的显示芯片；用于投影成像的投影镜头。本发明基于新型偏振分光棱镜结构的投影***，通过一种新型的偏振分光棱镜实现照明光束与成像光束的分离，并且相比传统PBS投影，具备更高的消光比，提供更小的角度效应，应用于LCoS投影显示***。

Description

一种基于梯形偏振分光棱镜结构的投影***
技术领域
本申请涉及投影显示领域，具体而言，涉及一种基于梯形偏振分光棱镜结构的投影***。
背景技术
LCoS(Liquid Crystal on Silicon，液晶附硅或硅基液晶)显示装置是一种新型的反射式投影显示装置，其是采用半导体硅晶技术控制液晶进而“投射”彩色画面的液晶显示装置。与穿透式LCD(Liquid Crystal Display)和DLP(Digital Light Procession)显示装置相比，LCoS显示装置具有光利用效率高、体积小、开口率高、制造技术成熟等优点，可以很容易实现高分辨率和充分的色彩表现。
传统的基于LCoS投影照明***引入了偏振光，但由于偏振不纯导致对光能的利用率不高，黑白对比度不佳，导致最后的成像效果不佳；并且传统的PBS棱镜通光对不同偏振态光束的分光实现照明光束和成像光束的分离，其中棱镜内部镀有偏振分光膜能够反射S光透射P光，但是其消光比较低且具有很大的角度效应(不同入射角度光线消光比差异较大)。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种基于梯形偏振分光棱镜结构的投影***，以改善传统的PBS棱镜投影***，光能利用率不高、成像对比度差的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种基于新型偏振分光棱镜结构的投影***，包括：照明光源、偏振装置、新型偏振分光棱镜、显示芯片以及投影镜头；所述照明光源用于提供显示芯片所需的照明光束；所述偏振装置用于控制不同偏振态的光束；所述新型偏振分光棱镜用于分离S光和P光并将所述照明光束传输给所述显示芯片；所述显示芯片对所述照明光束进行反射得到带有图像信息的反射光束；所述新型偏振分光棱镜还用于将所述反射光束传输给所述投影镜头对应投影成像。
本申请实施例通过在投影中设置照明光源，可以为显示芯片提供照明光束实现高亮度投影显示，偏振装置用于对照明光束的偏振态进行控制，通过新型偏振分光棱镜，可以实现照明光束与成像光束的分离，并将照明光束传输给显示芯片，使得显示芯片可以利用所有的偏振光束，来进行反射成像，新型偏振分光棱镜还可以将显示芯片反射的反射光束传输给投影成像镜头进行投影。
进一步地，所述照明光源包含红、绿、蓝三色光源，照明光源可为激光光源或LED光源，通过新型偏振分光棱镜后照射显示芯片提供背光源。
本申请实施例通过设置照明光源，形成由红蓝绿三原色混合而成的主光束，方便后续可以根据需求调配主光束的色彩。
进一步地，所述偏振装置包含偏振片，偏振片能过通过特定偏振方向的光束，吸收或反射其余偏振态光束，用于将主光束由自然光转换为特定偏振方向光束。
本申请实施例通过设置偏振装置，消除杂散偏振光的影响，避免了杂散偏振态光线直接透过偏振分束棱镜进入投影镜头形成杂散光，从而提升投影***对比度。
所述偏振装置能够实现不同偏振态照明光束的控制作用，从而实现不同构型的投影***。
进一步地，所述新型偏振分光棱镜包含两个胶合的梯形棱镜，其中胶合面镀有偏振分光薄膜，能够透射S光并反射P光，所述分光膜在特定角度范围内S光透过率大于99％，P光透过率小于0.5％。
所述新型偏振分光棱镜在实现高消光比小角度效应的同时，实现了照明光束以及成像光束的分离。
其余通光表面镀有减反膜，所述减反膜在特定角度范围内可见光波段透过率大于99.8％。
所述分光棱镜用于分离照明光束和成像光束，分光棱镜分光面镀有偏振分光膜，入射主角度为68°或72°，S光透过率大于99％，P光透过率小于0.5％。
所述的偏振分光膜，具体镀膜要求：
基底1：SF57
AOI＝64°(in glass)Ts avg≥99％，420nm-680nm
Tp avg≤0.5％，420nm-680nm；
AOI＝68°(in glass)Ts avg≥99％，420nm-680nm
Tp avg≤0.5％，420nm-680nm；
AOI＝72°(in glass)Ts avg≥99％，420nm-680nm
Tp avg≤0.5％，420nm-680nm；
基底2：H-ZLAF77A
AOI＝67°(in glass)Ts avg≥99％，420nm-680nm
Tp avg≤0.5％，420nm-680nm；
AOI＝72°(in glass)Ts avg≥99％，420nm-680nm
Tp avg≤0.5％，420nm-680nm；
AOI＝77°(in glass)Ts avg≥99％，420nm-680nm
Tp avg≤0.5％，420nm-680nm；
本申请实施例通过设置偏振分光薄膜以及减反薄膜，使得特定偏振光束可以通过偏振分光棱镜反射或透射后传输到显示芯片，同时反射光线还可以通过偏振分光棱镜反射或透射后传输到成像镜头进行投影，由此通过偏振分光棱镜即可实现光束的控制，改变光束的光路，以避免发生投影装置与反射光束因微小的空间差异造成的像质恶化问题。
进一步地，所述投影***包含显示芯片，所述显示芯片可为LCoS芯片，显示芯片位置可位于所述新型偏振分光棱镜反射出光面位置或透射出光面位置。反射成像的显示芯片用于反射得到带有图像信息的反射光束，可反射S偏振光束或P偏振光束，并实现偏振态的转换。
本申请实例通过设置不同位置的显示芯片，可实现基于不同偏振态的投影画面输出，从而针对不同应用环境具备更好的适应性。
进一步地，所述投影***包含投影镜头，所述投影镜头包含多个具有光焦度的透镜，可以实现投影画面的放大成像，降低像差影响的同时保证了投影画面的清晰度。所述投影成像的成像镜头用于将带有图像信息的光束投影放大后成像。
最优选的，一种基于梯形偏振分光棱镜结构的投影***，包括：
用于发出照明光束的照明光源；
用于对所述照明光束控制不同偏振态光束的偏振装置；
用于对所述偏振装置输出的偏振态光束进行偏振分光的偏振分光棱镜；
用于对所述偏振分光棱镜输出的偏振光反射调制并输出带图像信息的偏振光给所述偏振分光棱镜的显示芯片；
以及用于对所述偏振分光棱镜输出的带图像信息的偏振光投影成像的投影镜头。
所述偏振分光棱镜包括：两个截面为梯形的第一棱镜和第二棱镜、设置在所述第一棱镜和第二棱镜之间的反P透S的偏振膜；
所述偏振装置设置在所述第一棱镜的入射面，所述第一棱镜的出射面或第二棱镜的出射面与所述显示芯片光路连接。
所述偏振装置发出的P偏振光经所述第一棱镜的入射面进入所述偏振分光棱镜中经所述反P透S的偏振膜反射后经所述第一棱镜的出射面到达所述显示芯片，经所述显示芯片将P偏振光转化为带有图像信息的S偏振光并反射回到所述偏振分光棱镜中经所述反P透S的偏振膜透射后进入到所述投影镜头进行投影成像；
所述偏振装置发出的S偏振光经所述第一棱镜的入射面进入所述偏振分光棱镜中经所述反P透S的偏振膜透射后经所述第二棱镜的出射面到达所述显示芯片，经所述显示芯片将S偏振光转化为带有图像信息的P偏振光并反射回到所述偏振分光棱镜中经所述反P透S的偏振膜反射后进入到所述投影镜头进行投影成像。
所述的第一棱镜和第二棱镜的材料均采用折射率为1.83～1.85材料；
所述的反P透S的偏振膜包括：设置在所述第一棱镜上交替的高折射率膜层和低折射率膜层；
所述的高折射率膜层为TiO2或Ta2O5，所述低折射率膜层为MgF2。
所述的反P透S的偏振膜的膜层数为16层，从所述第一棱镜向外，第1、3、5、7、9、11、13、15层为低折射率膜层MgF2，第2、4、6、8、10、12、14、16层为高折射率膜层TiO2。
第1、3、5、7、9、11、13、15层低折射率膜层MgF2的厚度依次为11.65、64.98、74.18、78.68、78.56、74.04、61.95、47.22，单位为nm；
第2、4、6、8、10、12、14、16层高折射率膜层TiO2的厚度依次为25.74、41、42、41.93、41.33、39.30、32.37、14.12，单位为nm。
所述的第一棱镜和第二棱镜的材料均采用1.91～1.93材料，所述的反P透S的偏振膜包括：设置在所述第一棱镜上交替的高折射率膜层和低折射率膜层；
所述的高折射率膜层为TiO2或Ta2O5，所述低折射率膜层为SiO2。
所述的反P透S的偏振膜的膜层数为42层，从所述第一棱镜向外，奇数层为高折射率膜层TiO2，偶数层为低折射率膜层MgF2。
从所述第一棱镜向外，所述的反P透S的偏振膜的42膜层的厚度依次为15.75、18.93、6.03、12.01、8.19、11.12、8.80、10.15、9.63、10.08、10.68、10.86、12.51、13.66、23.93、44.73、41.22、39.88、19.12、12.26、12.82、11.82、12.84、12.23、19.25、40.09、41.42、45.26、24.91、14.65、8.45、5.17、12.03、11.65、11.41、10.55、11.84、9.62、13.75、8.38、22.17、16.16，单位为nm。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
首先传统偏振分光棱镜受限于矩形棱镜的结构，导致照明光束与成像光束呈90°垂直排布，因此采用偏振分光结构的投影***呈“L”排布，体积较大；其次传统的透P反S的偏振薄膜，只能在小角度情况下实现高消光比，因此采用透P反S膜层的投影***难以实现在大角度情况下的高对比度投影，导致投影***无法兼顾高光效以及高对比度；
一：创新了一种梯形偏振分光棱镜结构，打破了照明光束与成像光束固定的垂直排布，使采用该分光棱镜的投影***在结构排不上更紧凑、更灵活；
二：创新了一种反P透S的偏振膜，在保证了小角度高消光比的同时，进一步优化了大角度情况下的高消光比，实现了兼顾高光效以及高对比度的投影***。
本发明一种基于梯形偏振分光棱镜结构的投影***，通过一种新型的偏振分光棱镜(即梯形偏振分光棱镜结构)实现照明光束与成像光束的分离，并且相比传统PBS投影，具备更高的消光比，提供更小的角度效应，应用于LCoS投影显示***。
本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种投影***的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种投影***的光路示意图；
图3为本申请实施例提供的一种新型偏振分光棱镜镀膜情况示意图；
图4为本申请实施例提供的一种小角度AR膜透过率曲线；
图5为本申请实施例提供的两种不同基底材料分光膜膜层结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种基底1分光膜透过率曲线；
图7为本申请实施例提供的一种基底2分光膜透过率曲线；
图标：1-照明光源；2-偏振装置；3-新型分光棱镜；4-显示芯片；5-投影镜头。
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。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
图1为本申请实施例提供的一种投影***的结构示意图，本申请实施例提供了一种投影***，包括：1-照明光源；2-偏振装置；3-新型分光棱镜；4-显示芯片；5-投影镜头；所述照明光源1用于发出照明光束；所述偏振装置2用于控制不同偏振态的光束；所述新型偏振分光棱镜3用于实现偏振分光；所述显示芯片4用于反射成像；所述投影镜头5用于投影成像。
首先，考虑到传统的LCoS投影***中，由于偏振不纯导致对光能的利用率不高，黑白对比度不佳，导致最后的成像效果不佳；并且传统的PBS棱镜通光对不同偏振态光束的分光实现照明光束和成像光束的分离，其中棱镜内部镀有偏振分光膜能够反射S光透射P光，但是其消光比较低且具有很大的角度效应(不同入射角度光线消光比差异较大)，最终导致画面均匀性差。
在本申请可选的实施过程中，在投影***中设置：照明光源1；偏振装置2；新型分光棱镜3；显示芯片4；投影镜头5，通过偏振装置2控制照明光源1发出的照明光束偏振态，可以使显示芯片3利用所有的偏振光束，实现一种对光源的利用率较高的投影***，并创新了一种新型偏振分光棱镜，不同于传统PBS所述新型分光棱镜能够反射P光透射S光，且具有较高的消光比以及较小的角度效应(不同入射角度光线消光比差异不大)，从而实现了一种高对比度投影。
图2为本申请实施例提供的一种投影***的光路示意图，如图2所示，照明光源1发射出照明光束，照明光源1可为激光光源或LED光源，照明光源1所发出的照明光束为非偏振光，即S光+P光。
其次，照明光源1发出的非偏振光束入射到偏振装置2，偏振装置2由偏振薄膜与玻璃胶合而成，通过控制偏振装置2的透光轴。如图2所示，针对S光***，偏振装置2通过控制透光轴的方向，使入射进入新型偏振分光棱镜的照明光束为P偏振态；针对P光***，偏振装置2通过控制透光轴的方向，使入射进入偏振分光棱镜的照明光束为S偏振态。
再者，照明光束通过偏振装置2后进入新型偏振分光棱镜3，再经过新型偏振分光棱镜3后入射到显示芯片4。针对S光***，入射的P偏振光经偏振分光膜反射后入射到显示芯片4；针对P光***，入射的S偏振光经偏振分光膜透射后入射到显示芯片4。
最后，显示芯片4将入射光线的偏振态改变的同时将带有图像信息的偏振光束经新型分光棱镜3透射或反射进入投影镜头5进行投影成像。针对S光***，显示芯片3位于棱镜1出光面，将入射的P偏振光束转变为带有图像信息的S偏振光束，S偏振光束经过新型分光棱镜3分光面透射进入投影镜头5；针对P光***，显示芯片3位于棱镜2出光面，将入射的S偏振光束转变为带有图像信息的P偏振光束，P偏振光束经过新型分光棱镜3分光面反射进入投影镜头5。
其中，显示芯片4主要用于反射并产生带有图像信息的光束，同时也改变了光束的偏振态。显示芯片4可以为LCoS。显示芯片4具体类型不限定，可以根据实际的投影需求进行调整。
由此，本申请实施例提供的投影***，通过新型偏振分光棱镜3将照明光束与成像光束分离，相比传统PBS投影，该分光棱镜偏振分光薄膜具备更高的消光比，且提供更小的角度效应，从而能够实现更高对比度的LCoS投影***。
在上述实施例的基础上，如图3所示，所述新型偏振分光棱镜结构包含棱镜1和棱镜2，其中棱镜1中①面不镀膜，②面做磨砂处理并涂黑色消光漆，③面镀小角度AR膜，④面镀偏振分光薄膜；棱镜2中⑤面和⑦面均镀小角度AR膜，⑥面做磨砂面处理并涂黑色消光漆，⑧面不镀膜。
在上述实施例的基础上，结合图2与图3，新型偏振分光棱镜3由棱镜1和棱镜2胶合而成，胶合面⑧无需镀膜，并且新型偏振分光棱镜3的①面与偏振装置胶合，①面也无需镀膜；
如图2所示为投影***的光路示意图，在S光以及P光***中，照明光束经过新型偏振分光棱镜3个通光面的角度都为0°，同样的为了避免二次反射产生“鬼像”和杂散光影响成像质量，通光面③、⑤和⑦镀小角度AR膜；而分光面④作为偏振分光面镀偏振分光膜，S偏振光束直接透射，P偏振光束反射，入射角度为68°或72°。
在本申请可选的实施过程中，为了避免其余非通光面杂散光的问题，新型偏振分光棱镜3非通光面②与⑥做磨砂面处理并涂消光黑漆。
在上述实施例的基础上，如图4所示为小角度AR膜的透过率曲线，主要角度包括0°、±15°，小角度AR膜能有效减少因二次反射所产生的杂散光，提高成像质量避免产生鬼像。
在本申请可选的实施过程中，为了保证后续成像质量，非通光面均作磨砂面处理，边缘光线以及杂散光作用在磨砂面时，会发生散射，避免了反射进入原成像光路影响最终的成像质量。
在上述实施例的基础上，新型偏振分光棱镜3的棱镜基底材料可选，可以为SF57或H-ZLAF77A。不同基底材料对应不同的主光线入射角度，若基底材料为SF57，照明光束主光线入射分光面的角度68°；若基底材料为H-ZLAF77A，照明光束主光线入射分光面的角度为72°。
在上述实施例的基础上，图5为两种不同基底材料分光膜的膜层结构示意图，基底1分光膜由高折射率TIO2膜和低折射率MGF2膜两种材料交替组成，分光膜中TIO2高折射率膜和MGF2低折射率膜的总层数为16层，靠近基底材料的第一层为MGF2膜层，第二层为TIO2膜层；基底2分光膜由高折射率TIO2膜和低折射率SIO2膜两种材料交替组成，分光膜中TIO2高折射率膜和SIO2低折射率膜的总层数为42层，靠近基底材料的第一层为TIO2膜层，第二层为SIO2膜层。
图6和图7分别为基底1和基底2分光膜的透过率曲线示意图，基底1材料为SF57，分光膜主要角度包括64°、68°以及72°，基底1分光膜的膜系结构列于表一，总层数为16层；基底2材料为H-ZLAF77A，分光膜主要角度包括67°、72°、77°，基底2分光膜的膜系结构列于表二，总层数为42层。分光膜保证了照明光束与成像光束的分离，并将照明光束传输给显示芯片4，使得显示芯片4可以利用所有的偏振光束，反射形成成像光束，而成像光束经分光膜后，再经投影成像镜头进行投影。
表一
表二
表一和表二中，单位均为nm
综上所述，本申请实施例提供了一种基于新型偏振分光棱镜结构的投影***，包括：照明光源1、偏振装置2、新型偏振分光棱镜3、显示芯片4以及投影镜头5；所述照明光源1用于提供显示芯片所需的照明光束；所述偏振装置2用于控制不同偏振态的光束；所述新型偏振分光棱镜3用于分离S光和P光并将所述照明光束传输给所述显示芯片；所述显示芯片4对所述照明光束进行反射得到带有图像信息的反射光束；所述新型偏振分光棱镜3还用于将所述反射光束传输给所述投影镜头5对应投影成像。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于梯形偏振分光棱镜结构的投影***，其特征在于，包括：
用于发出照明光束的照明光源；
用于对所述照明光束控制不同偏振态光束的偏振装置；
用于对所述偏振装置输出的偏振态光束进行偏振分光的偏振分光棱镜；
用于对所述偏振分光棱镜输出的偏振光反射调制并输出带图像信息的偏振光给所述偏振分光棱镜的显示芯片；
以及用于对所述偏振分光棱镜输出的带图像信息的偏振光投影成像的投影镜头。
2.根据权利要求1所述的基于梯形偏振分光棱镜结构的投影***，其特征在于，所述偏振分光棱镜包括：两个截面为梯形的第一棱镜和第二棱镜、设置在所述第一棱镜和第二棱镜之间的反P透S的偏振膜；
所述偏振装置设置在所述第一棱镜的入射面，所述第一棱镜的出射面或第二棱镜的出射面与所述显示芯片光路连接。
3.根据权利要求2所述的基于梯形偏振分光棱镜结构的投影***，其特征在于，所述偏振装置发出的P偏振光经所述第一棱镜的入射面进入所述偏振分光棱镜中经所述反P透S的偏振膜反射后经所述第一棱镜的出射面到达所述显示芯片，经所述显示芯片将P偏振光转化为带有图像信息的S偏振光并反射回到所述偏振分光棱镜中经所述反P透S的偏振膜透射后进入到所述投影镜头进行投影成像；
所述偏振装置发出的S偏振光经所述第一棱镜的入射面进入所述偏振分光棱镜中经所述反P透S的偏振膜透射后经所述第二棱镜的出射面到达所述显示芯片，经所述显示芯片将S偏振光转化为带有图像信息的P偏振光并反射回到所述偏振分光棱镜中经所述反P透S的偏振膜反射后进入到所述投影镜头进行投影成像。
4.根据权利要求2所述的基于梯形偏振分光棱镜结构的投影***，其特征在于，所述的第一棱镜和第二棱镜的材料均采用折射率为1.83～1.85材料；
所述的反P透S的偏振膜包括：设置在所述第一棱镜上交替的高折射率膜层和低折射率膜层；
所述的高折射率膜层为TiO2或Ta2O5，所述低折射率膜层为MgF2。
5.根据权利要求4所述的基于梯形偏振分光棱镜结构的投影***，其特征在于，所述的反P透S的偏振膜的膜层数为16层，从所述第一棱镜向外，第1、3、5、7、9、11、13、15层为低折射率膜层MgF2，第2、4、6、8、10、12、14、16层为高折射率膜层TiO2。
6.根据权利要求5所述的基于梯形偏振分光棱镜结构的投影***，其特征在于，第1、3、5、7、9、11、13、15层低折射率膜层MgF2的厚度依次为11.65、64.98、74.18、78.68、78.56、74.04、61.95、47.22，单位为nm；
第2、4、6、8、10、12、14、16层高折射率膜层TiO2的厚度依次为25.74、41、42、41.93、41.33、39.30、32.37、14.12，单位为nm。
7.根据权利要求2所述的基于梯形偏振分光棱镜结构的投影***，其特征在于，所述的第一棱镜和第二棱镜的材料均采用1.91～1.93材料，所述的反P透S的偏振膜包括：设置在所述第一棱镜上交替的高折射率膜层和低折射率膜层；
所述的高折射率膜层为TiO2或Ta2O5，所述低折射率膜层为SiO2。
8.根据权利要求6所述的基于梯形偏振分光棱镜结构的投影***，其特征在于，所述的反P透S的偏振膜的膜层数为42层，从所述第一棱镜向外，奇数层为高折射率膜层TiO2，偶数层为低折射率膜层MgF2。
9.根据权利要求8所述的基于梯形偏振分光棱镜结构的投影***，其特征在于，从所述第一棱镜向外，所述的反P透S的偏振膜的42膜层的厚度依次为15.75、18.93、6.03、12.01、8.19、11.12、8.80、10.15、9.63、10.08、10.68、10.86、12.51、13.66、23.93、44.73、41.22、39.88、19.12、12.26、12.82、11.82、12.84、12.23、19.25、40.09、41.42、45.26、24.91、14.65、8.45、5.17、12.03、11.65、11.41、10.55、11.84、9.62、13.75、8.38、22.17、16.16，单位为nm。
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