CN210666222U - 合色装置 - Google Patents

Abstract

一种合色装置包括：用于全反射第二路单色光的第二棱镜；用于全反射第三路单色光第三棱镜；用于反射该第二路单色光，并透射第一路单色光和该第三路单色光的第一膜系；以及用于反射该第三路单色光，并透射该第一路单色光的第二膜系。该第一膜系位于该第二棱镜和该第三棱镜之间，用于将经由该第二棱镜全反射的该第二路单色光反射回该第二棱镜，以沿一合色光路传播。该第三棱镜位于该第二膜系和该第一膜系之间，其中该第二膜系用于将经由该第三棱镜全反射的该第三路单色光反射回该第三棱镜，以沿该合色光路传播，并且该第二膜系还用于透射该第一路单色光，以沿该合色光路传播。

Description

合色装置

技术领域

本实用新型涉及投影技术领域，特别是涉及一种合色装置。

背景技术

近年来，微型显示芯片技术的出现，使得小型化和高分辨率的投影显示成为可能。随着投影显示技术的不断发展以及市场需求，大视场、高成像质量、小体积、可穿戴的微型投影光引擎越来越受到重视，尤其是在现如今发展火热的增强现实(Augmented reality,简称AR)、近眼显示(Near-eye display,简称NED)以及可穿戴等领域。

然而，现有的微型投影光引擎为实现彩色显示，其照明系统通常采用诸如X合色棱镜(X-Cube)等之类的合色装置将来自三条光路的三基色偏振光合并到同一条光路中。如图1所示，X合色棱镜通常由四个直角棱镜11P沿直角面胶合而成，并且直角棱镜11P的直角面镀有相应的第一和第二膜系12P、13P；其中四个直角棱镜11P的斜面分别作为光的输入面和输出面，并且红、绿、蓝三基色偏振光源21P、22P、23P分别对应于三个直角棱镜11P的斜面，其余的一个直角棱镜11P的斜面作为三基色光合成白光后的输出面。

然而，虽然该X合色棱镜能够将三路基色偏振光合成一路白光，但是受该X合色棱镜自身结构的限制，其结构比较松散、体积大，导致配置有该X合色棱镜的照明系统的体积和重量均比较大，无法满足小体积、轻重量的市场需求。

此外，如图1所示，该X合色棱镜的该第一膜系12P为用于反射红光而透射蓝光和绿光的短波通双色滤光膜，该第二膜系13P为用于反射蓝光而透射红光和绿光的长波通双色滤光膜，这使得膜系设计要求较高。与此同时，该X合色棱镜的加工制作比较复杂，一方面是因为镀于直角棱镜11P的直角面上的该第一和第二膜系12P、13P必须具有很好的一致性而导致镀膜难度较高；另一方面是因为在胶合直角棱镜11P的直角面时，四个直角棱镜11P间的X型交叉线容易产生错位。

实用新型内容

本实用新型的一优势在于提供一种合色装置，其能够将三路单色光换成一路光，以实现相应的合色效果。

本实用新型的另一优势在于提供一种合色装置，其中，在本实用新型的一实施例中，所述合色装置的结构紧凑，有助于减小所述照明系统的尺寸、体积。

本实用新型的另一优势在于提供一种合色装置，其中，在本实用新型的一实施例中，所述合色装置能够采用普通的镀膜和胶合工艺，不存在对位难的问题，有利于降低成本。

本实用新型的另一优势在于提供一种合色装置，其中，在本实用新型的一实施例中，所述合色装置的合色效率较高，能够适用于各种类型的投影显示系统。

本实用新型的另一优势在于提供一种合色装置，其中，在本实用新型的一实施例中，所述合色装置能够在对三路图像光进行合色的过程中，确保三路图像光在所述合色装置中的光程相等，有助于减小像差、提升像质。

本实用新型的另一优势在于提供一种合色装置，其中，在本实用新型的一实施例中，所述合色装置能够通过折返的方式，在保证为图像光提供足够光程的情况下，减少所述合色装置的尺寸或体积。

本实用新型的另一优势在于提供一种合色装置，其中，为了达到上述目的，在本实用新型中不需要采用昂贵的材料或复杂的结构。因此，本实用新型成功和有效地提供一解决方案，不只提供一简单的合色装置，同时还增加了所述合色装置的实用性和可靠性。

为了实现上述至少一优势或其他优势和目的，本实用新型提供了一合色装置，用于将第一路单色光、第二路单色光以及第三路单色光合成一路光，其中所述合色装置具有一合色光路，并包括：

一第二棱镜，用于全反射射入所述第二棱镜的该第二路单色光；

一第三棱镜，用于全反射射入所述第三棱镜的该第三路单色光；

一第一膜系，其中所述第一膜系用于反射该第二路单色光，并透射该第一路单色光和该第三路单色光，其中所述第一膜系位于所述第二棱镜和所述第三棱镜之间，并且所述第一膜系用于将经由所述第二棱镜全反射的该第二路单色光反射回所述第二棱镜，以使该第二路单色光在穿过所述第二棱镜后沿所述合色光路传播；以及

一第二膜系，其中所述第二膜系用于反射该第三路单色光，并透射该第一路单色光，其中所述第三棱镜位于所述第二膜系和所述第一膜系之间，其中所述第二膜系用于将经由所述第三棱镜全反射的该第三路单色光反射回所述第三棱镜，以使该第三路单色光在依次穿过所述第三棱镜、所述第一膜系以及所述第二棱镜后沿所述合色光路传播，并且所述第二膜系还用于将该第一路单色光透射至所述第三棱镜，以使该第一路单色光在依次穿过所述第二膜系、所述第三棱镜、所述第一膜系以及所述第二棱镜后沿所述合色光路传播。

在本实用新型的一实施例中，所述的合色装置，进一步包括一第一棱镜，其中所述第二膜系位于所述第一棱镜和所述第三棱镜之间，用于使该第一路单色光在依次穿过所述第一棱镜、所述第二膜系、所述第三棱镜、所述第一膜系以及所述第二棱镜后沿所述合色光路传播。

在本实用新型的一实施例中，所述第一棱镜具有一第一入射面和一第一出射面，并且所述第一棱镜的所述第一出射面面向所述第二膜系，用于使从所述第一入射面射入的该第一路单色光在穿过所述第一棱镜后从所述第一出射面射出，以射向所述第二膜系。

在本实用新型的一实施例中，所述第一棱镜进一步具有一第一功能面，其中所述第一棱镜的所述第一功能面作为全反射面，用于全反射从所述第一入射面射入的该第一路单色光，使得被全反射后的该第一路单色光从所述第一出射面射出。

在本实用新型的一实施例中，所述的合色装置，进一步包括一第三膜系，其中所述第三膜系用于反射该第一路单色光，并且所述第三膜系对应地设置于所述第一棱镜，用于反射从所述第一入射面射入的该第一路单色光，使得被反射后的该第一路单色光从所述第一出射面射出。

在本实用新型的一实施例中，所述第二棱镜具有一第二入射面和一第二出射面，其中所述第二棱镜的所述第二出射面作为全反射面，用于全反射从所述第二入射面射入的该第二路单色光，使得被全反射后的该第二路单色光射向所述第一膜系。

在本实用新型的一实施例中，所述第二棱镜进一步具有一第二功能面，其中所述第二棱镜的所述第二功能面面向所述第三棱镜，并且所述第一膜系被镀于所述第二棱镜的所述第二功能面。

在本实用新型的一实施例中，所述第三棱镜具有一第三入射面和一第三出射面，其中所述第三棱镜的所述第三出射面作为全反射面，并且所述第三棱镜的所述第三出射面对应于所述第二棱镜的所述第二功能面，用于全反射从所述第三入射面射入的该第三路单色光，使得被全反射后的该第三路单色光射向所述第二膜系。

在本实用新型的一实施例中，所述第三棱镜进一步具有一第三功能面，其中所述第三棱镜的所述第三功能面对应于所述第一棱镜的所述第一出射面，并且所述第二膜系被镀于所述第三棱镜的所述第三功能面。

在本实用新型的一实施例中，所述的合色装置，进一步具有一空气间隙，其中所述空气间隙位于所述第三棱镜的所述第三出射面和所述第一膜系之间。

在本实用新型的一实施例中，所述的合色装置，进一步包括减反射膜，其中所述减反射膜分别被设置于所述第一棱镜的所述第一入射面和所述第一出射面、所述第二棱镜的所述第二入射面以及所述第三棱镜的所述第三入射面。

在本实用新型的一实施例中，所述第一膜系为反红光膜或反蓝光膜，并且所述第二膜系相应地为所述反蓝光膜或所述反红光膜。

通过对随后的描述和附图的理解，本实用新型进一步的目的和优势将得以充分体现。

本实用新型的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。

附图说明

图1示出了现有技术中配置有X合色棱镜的照明系统的合色原理示意图。

图2是根据本实用新型的一实施例的照明系统的结构示意图。

图3示出了根据本实用新型的上述实施例的所述照明系统的合色原理示意图。

图4A和图4B示出了根据本实用新型的上述实施例的所述照明系统的第一变形实施方式。

图5示出了根据本实用新型的上述实施例的所述照明系统的第二变形实施方式。

图6示出了根据本实用新型的上述实施例的所述照明系统的第三变形实施方式。

图7是根据本实用新型的一实施例的合色方法的流程示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本实用新型的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，权利要求和说明书中术语“一”应理解为“一个或多个”，即在一个实施例，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个。除非在本实用新型的揭露中明确示意该元件的数量只有一个，否则术语“一”并不能理解为唯一或单一，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，属于“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或者一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过媒介间接连结。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

参考附图之图2和图3所示，根据本实用新型的一实施例的一照明系统被阐明。具体地，所述照明系统1包括一光源单元10和一合色装置20，其中所述光源单元10被对应地设置于所述合色装置20的入光侧，其中所述光源单元10用于为所述合色装置20提供三路单色光，其中所述合色装置20具有一合色光路(图中未示出)，用于将经由所述光源单元10提供的三路单色光合成沿所述合色光路传播的一路光。

更具体地，如图2和图3所示，所述光源单元10可以包括一第一发光元件11、一第二发光元件12以及一第三发光元件13，其中所述第一发光元件11用于发射第一路单色光101；其中所述第二发光元件12用于发射第二路单色光102；其中所述第三发光元件13用于发射第三路单色光103。值得注意的是，所述第一发光元件11、所述第二发光元件12以及所述第三发光元件13优选地依次被实施为绿色发光元件、红色发光元件以及蓝色发光元件，以使所述第一路单色光101、所述第二路单色光102以及所述第三路单色光103依次被实施为绿光、红光以及蓝光(即RGB)这三种基色光。可以理解的是，在本实用新型的其他示例中，所述第一发光元件11、所述第二发光元件12以及所述第三发光元件13也可以被实施为其他颜色的发光元件，用于发出相应的单色光。

在本实用新型的上述实施例中，所述合色装置20用于将来自所述第一发光元件11的所述第一路单色光101、来自所述第二发光元件12的所述第二路单色光102以及来自所述第三发光元件13的所述第三路单色光103合成一路沿着所述合色光路传播的合色光。可以理解的是，本实用新型为了保证附图能够清楚地显示所述合色装置20的合色过程和原理，例如，如图3的附图中将合色后沿所述合色光路传播的三种单色光分开绘制。

特别地，如图2和图3所示，本实用新型的所述合色装置20可以包括一第一棱镜21、一第二棱镜22、一第三棱镜23、一第一膜系24以及一第二膜系25，其中所述第三棱镜23被设置于所述第一棱镜21和所述第二棱镜22之间，其中所述第一膜系24被设置于所述第二棱镜22和所述第三棱镜23之间，并且所述第二膜系25被设置于所述第一棱镜21和所述第三棱镜23之间。所述光源单元10中的所述第一发光元件11、所述第二发光元件12以及所述第三发光元件13被设置以分别对应于所述合色装置20中的所述第一棱镜21、所述第二棱镜22以及所述第三棱镜23，使得经由所述第一发光元件11、所述第二发光元件12以及所述第三发光元件13发射的所述第一路单色光101、所述第二路单色光102以及所述第三路单色光103分别射入所述第一棱镜21、所述第二棱镜22以及所述第三棱镜23。

值得注意的是，在本实用新型的上述实施例中，如图3所示，所述第二棱镜22和所述第三棱镜23的结构能够使得所述第二路单色光102和所述第三路单色光103在分别射入所述第二棱镜22和所述第三棱镜23后的光线角度满足全反射条件，用于使所述第二路单色光102和所述第三路单色光103分别在所述第二棱镜22和所述第三棱镜23内发生全反射，以改变所述第二路单色光102和所述第三路单色光103的传播方向，使得所述第二路单色光102和所述第三路单色光103分别朝向所述第一膜系24和所述第二膜系25传播。

如图3所示，所述第一膜系24优选地用于反射所述第二路单色光102，并透射所述第一路单色光101和所述第三路单色光103；所述第二膜系25优选地用于反射所述第三路单色光103，并透射所述第一路单色光101。更优选地，所述第二膜系25用于反射所述第三路单色光103，并透射所述第一路单色光101和所述第二路单色光。

这样，如图3所示，来自所述第一发光元件11的所述第一路单色光101能够依次穿过所述第一棱镜21、所述第二膜系25、所述第三棱镜23、所述第一膜系24以及所述第二棱镜24后沿所述合色装置20的所述合色光路传播；来自所述第二发光元件12的所述第二路单色光102先在所述第二棱镜22内发生全反射以传播至所述第一膜系24，并在被所述第一膜系24反射回所述第二棱镜22后，再穿过所述第二棱镜22以后沿所述合色装置20的所述合色光路传播；来自所述第三发光元件13的所述第三路单色光103先在所述第三棱镜23内发生全反射以传播至所述第二膜系25，并在被所述第二膜系24反射回所述第三棱镜23后，再依次穿过所述第三棱镜23、所述第一膜系24以及所述第二棱镜24后沿所述合色装置20的所述合色光路传播。这样射出所述合色装置20的所述第一路单色光101、所述第二路单色光102以及所述第三路单色光103均沿后沿所述合色装置20的所述合色光路传播，从而使得来自所述第一发光元件11的所述第一路单色光101、来自所述第二发光元件12的所述第二路单色光102以及来自所述第三发光元件13的所述第三路单色光103在所述合色装置20内被合成一路合色光(如彩色光)。

示例性地，在本实用新型的上述实施例中，如图3所示，所述第一棱镜21具有一第一入射面211和一第一出射面212，其中所述第一棱镜21的所述第一入射面211面向所述第一发光元件11，并且所述第一棱镜21的所述第一出射面212面向所述第二膜系25，使得来自所述第一发光元件11的所述第一路单色光101能够从所述第一棱镜21的所述第一入射面211射入，并在从所述第一棱镜21的所述第一出射面212射出后，射向所述第二膜系25。

如图3所示，所述第二棱镜22具有一第二入射面221和一第二出射面222，其中所述第二棱镜22的所述第二出射面222为全反射面，并且所述第二棱镜22的所述第二入射面221面向所述第二发光元件12，使得来自所述第二发光元件12的所述第二路单色光102能够从所述第二棱镜22的所述第二入射面221射入，并在所述第二棱镜22的所述第二出射面222处发生全反射后，射向所述第一膜系24。

如图3所示，所述第三棱镜23具有一第三入射面231和一第三出射面232，并且所述第三出射面232为全反射面，其中所述第三发光元件13对应于所述第三棱镜23的所述第三入射面231，使得来自所述第三发光元件13的所述第三路单色光103能够从所述第三棱镜23的所述第三入射面231射入，并在所述第三棱镜23的所述第三出射面232处发生全反射后，射向所述二膜系25。所述第三棱镜23被设置于所述第一棱镜21和所述第二棱镜22之间，其中所述第三棱镜23的所述第三出射面232面向所述第二棱镜22，并且所述第一棱镜21的所述第一出射面212面向所述第三棱镜23，使得从所述第一棱镜21的所述第一出射面212射出的所述第一路单色光101先穿过所述第三棱镜23以从所述第三出射面232射出后，再穿过所述第二棱镜22以从所述第二出射面222射出所述合色装置20。

如图3所示，所述第一膜系24，用于反射所述第二路单色光102，被设置于所述第三棱镜23的所述第三出射面232和所述第二棱镜22之间，使得经由所述第二棱镜22的所述第二出射面222全反射的所述第二路单色光102能够被所述第一膜系24反射回所述第二棱镜22，并从所述第二棱镜22的所述第二出射面222射出所述合色装置20。换言之，所述第二路单色光102首先在第一次传播至所述第二棱镜22的所述第二出射面222时发生全反射以朝向所述第一膜系24传播，接着在传播至所述第一膜系24时发生反射以被反射回所述第二棱镜22，最后在第二次传播至所述第二棱镜22的所述第二出射面222时发生透射以射出所述第二棱镜22。也就是说，所述第一膜系24和所述第二棱镜22相互配合在所述第二棱镜22内形成折返光路，使得所述第二路单色光102在所述第二棱镜22内折返地传播，进而保证所述第二路单色光102在所述合色装置20内具有足够长的传播路径。

如图3所示，所述第二膜系25，用于反射所述第三路单色光103，被设置于所述第一棱镜21的所述第一出射面212和所述第三棱镜23之间，使得经由所述第三棱镜23的所述第三出射面232全反射的所述第三路单色光103能够被所述第二膜系25反射回所述第三棱镜23，并在从所述第三棱镜23的所述第三出射面232射出后，穿过所述第二棱镜22以从所述第二棱镜22的所述第二出射面222射出所述合色装置20。换言之，所述第三路单色光103首先在第一次传播至所述第三棱镜23的所述第三出射面232时发生全反射以朝向所述第二膜系25传播，接着在传播至所述第二膜系25时发生反射以被反射回所述第三棱镜23，最后在第二次传播至所述第三棱镜23的所述第三出射面232时发生透射以射出所述第三棱镜23。也就是说，所述第二膜系25和所述第三棱镜23相互配合在所述第三棱镜23内形成折返光路，使得所述第三路单色光103在所述第三棱镜23内折返地传播，进而保证所述第三路单色光103在所述合色装置20内具有足够长的传播路径。

综上所述，如图3所示，所述合色装置20能够用于：将来自所述第一发光元件11并从所述第一棱镜21的所述第一入射面211射入的所述第一路单色光101依次穿过所述第一棱镜21、所述第二膜系25、所述第三棱镜23、所述第一膜系24以及所述第二棱镜22，以从所述第二棱镜22的所述第二出射面222射出；将来自所述第二发光元件12并从所述第二棱镜22的所述第二入射面221射入的所述第二路单色光102在依次经由所述第二棱镜22的所述第二出射面222全反射和经由所述第一膜系24反射后，穿过所述第二棱镜22，以从所述第二棱镜22的所述第二出射面222射出；以及将来自所述第三发光元件13并从所述第三棱镜23的所述第三入射面231射入的所述第三路单色光103在依次经由所述第三棱镜23的所述第三出射面232全反射和经由所述第二膜系25反射后，依次穿过所述第三棱镜23、所述第二膜系24以及所述第二棱镜22，以从所述第二棱镜22的所述第二出射面222射出，并且从所述第二棱镜22的所述第二出射面222射出的所述第一路单色光101、所述第二路单色光102以及所述第三路单色光103沿同一光路传播，从而使得从所述第二棱镜22的所述第二出射面222射出的所述第一路单色光101、所述第二路单色光102以及所述第三路单色光103被合成一路光。

值得注意的是，在本实用新型的上述示例中，所述第一膜系24可以但不限于被实施为反红光膜，用于反射红光，并透射蓝光和绿光。所述第二膜系25可以但不限于被实施为反蓝光膜，用于反射蓝光，并透射红光和绿光。当然，在本实用新型的其他示例中，所述第二膜系25还可以被实施为诸如透绿光膜等其他类型的膜系，只要能够保证反射蓝光且透射绿光即可。或者，所述第一膜系24也可以被实施为所述反蓝光膜；相应地所述第二膜系25被实施为所述反红光膜。

此外，所述第二棱镜22的所述第二入射面221和所述第二出射面222之间的夹角优选地大于一第一临界角，使得当来自所述第二发光元件12的所述第二路单色光102垂直地射入所述第二棱镜22，即所述第二路单色光102垂直于所述第二入射面221时，从所述第二入射面221垂直地射入的所述第二路单色光102能够在所述第二棱镜22的所述第二出射面222处发生全内反射。可以理解的是，正是由于所述第二路单色光102从所述第二入射面221垂直地射入所述第二棱镜22，使得所述第二路单色光102能够沿直线传播至所述第二棱镜22的所述第二出射面222，因此所述第二路单色光102在所述第二棱镜22的所述第二入射面221处不发生反射和折射，有助于减少光损失，提升所述合色装置20的光能利用率。此外，本实用新型的所述第一临界角被实施为光线在所述第二棱镜22的所述第二出射面222处发生全反射时的最小入射角。

同样地，所述第三棱镜23的所述第三入射面231和所述第三出射面222之间的夹角优选地大于一第二临界角，使得当来自所述第三发光元件13的所述第三路单色光103垂直地射入所述第三棱镜23，即所述第三路单色光103垂直于所述第三入射面231时，从所述第三入射面231垂直地射入的所述第三路单色光103能够在所述第三棱镜23的所述第三出射面232处发生全内反射，有助于减少所述第三路单色光103在射入所述第三棱镜23时的光损失，进而提升所述合色装置20的光能利用率。可以理解的是，本实用新型的所述第二临界角被实施为光线在所述第三棱镜23的所述第三出射面232处发生全反射时的最小入射角。

此外，在本实用新型的这个示例中，所述第一棱镜21的所述第一入射面211和所述第一出射面212之间的夹角小于一第三临界角，以防当来自所述第一发光元件11的所述第一路单色光101垂直地射入所述第一棱镜21，即所述第一路单色光101垂直于所述第一入射面211时，从所述第一入射面211垂直地射入的所述第一路单色光101不会在所述第一棱镜21的所述第一出射面212处发生全内反射，以保证所述第一路单色光101能够所述第一出射面212射出。

优选地，所述第一棱镜21的所述第一入射面211平行于所述第二棱镜22的所述第二出射面222，以便尽可能确保从所述第一入射面211垂直地射入的所述第一路单色光101能够从所述第二出射面222垂直地射出。换言之，所述合色装置20中通过所述第一棱镜21定义的所述合色光路优选地垂直于所述第二棱镜22的所述第二出射面222，以确保沿着所述合色光路传播的所述第一路单色光101从所述第二出射面222垂直地射出，进而减少在射出所述第二棱镜22时因反射而造成的光能损失。

值得一提的是，在本实用新型的一些示例中，为了减少因反射而造成的光能损失，本实用新型的所述合色装置20还可以进一步包括减反射膜(图中未示出)，其中所述减反射膜可以分别被设置于所述第一棱镜21的所述第一入射面211、所述第二棱镜22的所述第二入射面221以及所述第三棱镜23的所述第三入射面231，以减少所述第一、第二以及第三路单色光101、102、103在相应的入射面处发生的反射，有助于提高所述合色装置20的光能利用率。当然，在本实用新型的其他示例中，所述减反射膜可以分别被可选择地设置于所述第一棱镜21的所述第一出射面212、所述第二棱镜22的所述第二出射面222以及所述第三棱镜23的所述第三出射面232，以进一步减少所述第一、第二以及第三路单色光101、102、103因不必要的反射而造成的光能损失。

根据本实用新型的上述实施例，如图3所示，本实用新型的所述合色装置20的所述第二棱镜22进一步具有一第二功能面223，其中所述第二棱镜22的所述第二功能面223对应于所述第三棱镜23的所述第三出射面232，并且所述第一膜系24优选地被镀于所述第二棱镜22的所述第二功能面223，以使所述第二棱镜22的所述第二功能面223作为部分反射面，用于在所述第二棱镜22的所述第二功能面223处反射所述第二路单色光102，并在所述第二棱镜22的所述第二功能面223处透射所述第一路单色光101和所述第三路单色光103。可以理解的是，在本实用新型的其他示例中，所述第一膜系24也可以通过诸如贴附等方式被设置于所述第二棱镜22的所述第二功能面223，本实用新型对此不再赘述。

优选地，所述第二棱镜22的所述第二功能面223与所述第二出射面222之间的夹角等于所述第二棱镜22的所述第二入射面221与所述第二出射面22之间的夹角的一半，使得从所述第二入射面221垂直地射入的所述第二路单色光102在折返(经由所述第二出射面222的全反射和经由被镀于所述第二功能面223的所述第一膜系24的反射)后能够从所述第二出射面222垂直地射出。换言之，所述合色装置20中通过所述第二棱镜22定义的所述合色光路优选地垂直于所述第二棱镜22的所述第二出射面222，以确保沿着所述合色光路传播的所述第二路单色光102均从所述第二出射面222垂直地射出，进而减少在射出所述第二棱镜22时因反射而造成的光能损失。

类似地，如图3所示，本实用新型的所述合色装置20的所述第三棱镜23进一步具有一第三功能面233，其中所述第三棱镜23的所述第三功能面233对应于所述第一棱镜21的所述第一出射面212，并且所述第二膜系25优选地被镀于所述第三棱镜23的所述第三功能面233，以使所述第三棱镜23的所述第三功能面233作为部分反射面，用于在所述第三棱镜23的所述第三功能面233处反射所述第三路单色光103，并在所述第三棱镜23的所述第三功能面233处透射所述第一路单色光101。可以理解的是，在本实用新型的其他示例中，所述第二膜系25也可以通过诸如贴附、粘接等方式被固设于所述第三棱镜23的所述第三功能面233，本实用新型对此不再赘述。当然，在本实用新型的另一示例中，所述第二膜系25也可以通过镀膜、贴附等方式被固设于所述第一棱镜21的所述第一出射面212。

优选地，所述第三棱镜23的所述第三出射面232平行于所述第二棱镜22的所述第二功能面233，并且从所述第三入射面231垂直地射入的所述第三路单色光103在折返(经由所述第三出射面232的全反射和经由被镀于所述第三功能面233的所述第二膜系25的反射)后能够从所述第二出射面222垂直地射出。换言之，所述合色装置20中通过所述第三棱镜23定义的所述合色光路优选地垂直于所述第二棱镜22的所述第二出射面222，以确保沿着所述合色光路传播的所述第三路单色光103从所述第二出射面222垂直地射出，进而减少在射出所述第二棱镜22时因反射而造成的光能损失。

更进一步地，在本实用新型的一示例中，所述第二棱镜22的所述第二功能面223可以通过胶合的方式被叠置于所述第三棱镜23的所述第三出射面232，以使所述第一膜系24位于所述第三棱镜23的所述第三出射面232和所述第二棱镜22的所述第二功能面223之间。

值得注意的是，由于所述第三棱镜23的所述第三出射面232面向所述第一膜系24，并且所述第二棱镜22的所述第二功能面223和所述第一膜系24依次被叠置于所述第三棱镜23的所述第三出射面232，因此，如图3所示，本实用新型的所述合色装置20优选地进一步具有一空气间隙230，其中所述空气间隙230被设置于所述第三棱镜23的所述第三出射面232和所述第一膜系24之间，以便确保从所述第三棱镜23的所述第三入射面231射入的所述第三路单色光103能够在所述第三棱镜23的所述第三出射面232处发生全反射。此外，由于所述第二棱镜22的所述第二出射面222不需设置任何物体，使得所述第二棱镜22的所述第二出射面222能够直接面向外部，因此本实用新型的所述合色装置20无需特意地在所述第二棱镜22的所述第二出射面222的外侧预留空间，就可以保证所述第二棱镜22的所述第二出射面222被实施为全反射面。

优选地，当制作所述合色装置20时，可以在所述第三棱镜23的所述第三出射面232的边缘施涂胶合剂，以在胶合剂固化后形成位于所述第三棱镜23的所述第三出射面232和所述第一膜系24之间且位于所述第三出射面232的边缘处的胶合层，并且形成位于所述第三棱镜23的所述第三出射面232和所述第一膜系24之间且位于所述第三出射面232的中部处的所述空气间隙230，从而在固定地胶合所述第三棱镜23和所述第一膜系24的同时，仍能够在所述第三棱镜23的所述第三出射面232和所述第一膜系24之间预留所述空气间隙230。

可以理解的是，在本实用新型的其他示例中，本实用新型也可以施涂一光疏介质于所述所述第三棱镜23的所述第三出射面232，其中所述光疏介质的折射率只有小于所述第三棱镜23(即光密介质)的折射率，同样能够保证所述第三棱镜23的所述第三出射面232被实施为全反射面。例如，当所述第一膜系24的折射率小于所述第三棱镜23的折射率时，所述第一膜系24可以被镀于所述第三棱镜23的所述第三出射面232，同样能够保证所述第三路单色光103在所述第三棱镜23的所述第三出射面232处发生全反射。

值得注意的时，随着MicroLED显示技术的出现，使得投影系统和近眼显示设备的更小型化成为可能。首先，MicroLED是将传统LED微缩化后形成微米级间距LED阵列以达到超高密度像素分辨率，也就是说，MicroLED就是高密度集成的微米级间距的LED阵列，阵列中的每一个LED像素点均可被独立的定址、点亮。换言之，所述MicroLED中每个LED像素都能自发光，通过对每个LED发光强度的精确控制，进而实现图像显示，即所述MicroLED能够直接发出图像光。其次，MicroLED除了能达到高亮度、超高分辨率与色彩饱和、发光效率高的特点外，更重要的是不会受受水汽、氧气或高温的影响，因而所述MicroLED在稳定性、使用寿命、工作温度等方面具有明显的优势。另外，MicroLED的功率消耗量约为LCD的10％、OLED的50％；与OLED比较，达到同等显示器亮度，只需要后者10％左右的涂覆面积。综上，所述MicroLED上述诸多优势决定了其在微投影领域、尤其近眼显示，增强现实领域将有广泛的应用。

然而，MicroLED的全彩化一直是阻碍其发展的瓶颈，因为诸如RGB三色的阵列需要分次装贴红、蓝、绿三色的晶粒，并且需要嵌入几十万颗LED晶粒。这对于LED晶粒的光效、波长一致性、以及良率有着更高的要求。此外，对于LED产生色差的支出也是阻碍技术的瓶颈。但是对单色MicroLED而言，就不会存在诸多此类问题，这是因为所述单色MicroLED通过倒装结构封装和驱动IC贴合就可以实现组装。因此，为了实现微型投影光引擎的彩色显示，就都需要通过合色装置对不同颜色的单色MicroLED发出的图像光进行合色。

根据本实用新型的上述实施例，所述照明系统1的所述光源单元10的所述第一、第二以及第三发光元件11、12、13优选地被实施为不同颜色的单色MicroLED。当然，在本实用新型的其他示例中，所述第一、第二以及第三发光元件11、12、13也可以但不限于被实施为诸如单色LCOS、单色LCD、单色DMD、单色OLED等等各种类型的阵列式发光元件。

值得注意的是，当所述第一、第二以及第三发光元件11、12、13依次被实施为绿色MicroLED、红色MicroLED以及蓝色MicroLED时，所述第一、第二以及第三路单色光101、102、103依次被实施为绿色图像光、红色图像光以及蓝色图像光。

在本实用新型的上述实施例中，优选地，基于所述合色装置20中的折返光路，所述合色装置20中的所述第一棱镜21、所述第二棱镜22以及所述第三棱镜23的尺寸被匹配地设计，使得所述第一、第二以及第三路单色光101、102、103在所述合色装置20中的光程相等，以最大程度地减少像差，有助于提高配置有所述照明系统1的投影系统的投影质量。可以理解的是，本实用新型所提及的光程等于光的物理路程与当前传播介质(如所述第一、第二以及第三棱镜21、22、23)的折射率的乘积。

此外，所述光源单元1中的所述第一、第二以及第三发光元件11、12、13相对于所述合色装置20的位置能够被校准，使得所述第一、第二以及第三路单色光101、102、103能够从所述第二棱镜22的所述第二出射面222上相同的位置且沿着相同的方向射出，也就是说，从所述第二棱镜22的所述第二出射面222射出的所述第一路单色光101、所述第二路单色光102以及所述第三路单色光103沿同一光路传播，以实现均匀的色彩，有助于提高配置有所述照明系统1的投影系统的彩色投影质量。

值得一提的是，在根据本实用新型的上述实施例中，由于所述第一路单色光101在所述合色装置20内进行近似直线传播，而所述第二和第三路单色光102、103分别在所述合色装置20内进行折返地传播，因此为了使所述第一、第二以及第三路单色光101、102、103在所述合色装置20中的光程相等，本实用新型的所述第一棱镜21在所述第一路单色光101的传播方向上的尺寸相对较大。

而为了减小所述第一棱镜21的尺寸，附图4A和图4B示出了根据本实用新型的上述实施例的所述照明系统1的所述合色装置20的第一变形实施方式，其中所述合色装置20的所述第一棱镜21进一步具有一第一功能面213，其中所述第一棱镜21的所述第一功能面213用于反射所述第一路单色光101，使得从所述第一棱镜21的所述第一入射面211射入的所述第一路单色光101先在所述第一功能面213处发生反射以折转地传播，再从所述第一棱镜21的所述第一出射面212射出。这样，所述第一路单色光101将在所述合色装置20内进行折转地传播，以在保证所述第一路单色光101在所述合色装置20中光程不变的情况下，所述第一棱镜21的尺寸得以减小，进而减小所述合色装置20和所述照明系统1的体积和尺寸。

更具体地，在本实用新型的这个变形实施方式中，如图4B所示，所述第一棱镜21的所述第一功能面213为全反射面，使得来自所述第一发光元件11的所述第一路单色光101能够先从所述第一棱镜21的所述第一入射面211射入，并在所述第一棱镜21的所述第一功能面213处发生全反射后，再从所述第一棱镜21的所述第一出射面212射出，以通过全反射的方式来实现所述第一路单色光101在所述合色装置20中折返地传播，从而保证在较小体积的所述第一棱镜21内为所述第一路单色光101提供足够长的光程。

优选地，所述第一棱镜21的所述第一入射面211和所述第一功能面213之间的夹角大于一第三临界角，使得当来自所述第一发光元件11的所述第一路单色光101垂直地射入所述第一棱镜21，即所述第一路单色光101垂直于所述第一入射面211时，从所述第一入射面211垂直地射入的所述第一路单色光101能够在所述第一棱镜21的所述第一功能面213处发生全内反射。可以理解的是，正是由于所述第一路单色光101从所述第一入射面211垂直地射入所述第一棱镜21，使得所述第一路单色光101能够沿直线传播至所述第一棱镜21的所述第一功能面213，因此所述第一路单色光101在所述第一棱镜21的所述第一入射面211处不发生反射和折射，有助于减少光损失，提升所述合色装置20的光能利用率。此外，本实用新型的所述第三临界角被实施为光线在所述第一棱镜21的所述第一功能面213处发生全反射时的最小入射角。

更优选地，所述第一棱镜21可以被实施为一全反射棱镜，也就是说，所述第一棱镜21的所述第一入射面211和所述第一功能面213之间的夹角等于45°，并且所述第一棱镜21的所述第一入射面211垂直于所述第一出射面212，使得从所述第一入射面211垂直地射入的所述第一路单色光101在经由所述第一功能面213的全反射后，从所述第一出射面212垂直地射出，以最大限度地降低所述第一路单色光101因在所述第一入射面211和所述第一出射面212处发生反射而造成的光能损失。

值得注意的是，附图5示出了根据本实用新型的上述实施例的所述照明系统的所述合色装置的第二变形实施方式。具体地，相比于根据本实用新型的上述第一变形实施方式，根据本实用新型的所述第二变形实施方式的所述合色装置20的区别在于：所述合色装置20进一步包括一第三膜系26，用于反射所述第一路单色光101，其中所述第三膜系26被对应地设置于所述第一棱镜21，使得从所述第一入射面211射入的所述第一路单色光101在经由所述第三膜系26的反射后，从所述第一出射面212射出。

换言之，如图5所示，所述第一棱镜21的所述第一功能面213不是全反射面，并且所述第三膜系26优选地被镀于所述第一棱镜21的所述第一功能面213，使得所述第一路单色光101在所述第一棱镜21的所述第一功能面213处发生的不是全内反射，而是镜面反射。可以理解的是，在本实用新型的其他示例中，所述第三膜系26也可以通过粘贴、贴附等方式被贴装于所述第一棱镜21的所述第一功能面213。

更优选地，所述第三膜系26被实施为镜面反射膜，用于同时反射诸如所述第一、第二以及第三路单色光101、102、103等等之类的所有光线，有助于避免外部光线对所述合色装置20的合色产生影响。当然，在本实用新型的其他示例中，所述第三膜系26也可以被实施为诸如反绿光膜(反射绿光，且透射红光和蓝光)等等之类的局部反射膜，只要能够反射所述第一路单色光101即可，本实用新型对此不再赘述。

值得一提的是，为了进一步减少所述合色装置20的体积和重量，附图6示出了根据本实用新型的上述实施例的所述照明系统的所述合色装置的第三变形实施方式，其中所述合色装置20省去所述第一棱镜21，并且所述第一发光元件11直接对应于所述第二膜系25，也就是说，所述第二膜系25位于所述第一发光元件11和所述第三棱镜23之间，使得来自所述第一发光元件11的所述第一路单色光101依次穿过所述第二膜系25、所述第三棱镜23、所述第一膜系24以及所述第二棱镜21，以射出所述合色装置20，同样能够将不同路的所述第一、第二以及第三路单色光101、102、103合成一路光。

换言之，如图6所示，所述第一膜系24位于所述第二棱镜22和所述第三棱镜23之间，并且所述第三棱镜23位于所述第二膜系25和所述第一膜系24之间，其中所述第一发光元件11、所述第二发光元件12以及所述第三发光元件13依次对应于所述第二膜系25、所述第二棱镜22以及所述第三棱镜23。

这样，如图6所示，来自所述第一发光元件11的所述第一路单色光101能够依次穿过所述第二膜系25、所述第三棱镜23、所述第一膜系24以及所述第二棱镜24而射出所述合色装置20；来自所述第二发光元件12的所述第二路单色光102先在所述第二棱镜22内发生全反射以传播至所述第一膜系24，并在被所述第一膜系24反射回所述第二棱镜22后，再穿过所述第二棱镜22以射出所述合色装置20；来自所述第三发光元件13的所述第三路单色光103先在所述第三棱镜23内发生全反射以传播至所述第二膜系25，并在被所述第二膜系24反射回所述第三棱镜23后，再依次穿过所述第三棱镜23、所述第一膜系24以及所述第二棱镜24而射出所述合色装置20，并且射出所述合色装置20的所述第一路单色光101、所述第二路单色光102以及所述第三路单色光103沿同一光路传播，从而使得来自所述第一发光元件11的所述第一路单色光101、来自所述第二发光元件12的所述第二路单色光102以及来自所述第三发光元件13的所述第三路单色光103在所述合色装置20内被合成一路合色光(如彩色光)。

可以理解的是，在本实用新型的这个变形实施方式中，虽然因所述合色装置20不包括所述第一棱镜21而使所述合色装置20的重量和体积得以大幅地缩小，但是所述第一路单色光101在所述合色装置20中传播的光程也随之减小，因此，相比于根据本实用新型的上述实施例，根据本实用新型的所述第三变形实施方式的所述照明系统1中：所述第一发光元件11与所述第三棱镜23之间直线距离不得不变大，以确保所述第一、第二以及第三路单色光101、102、103在所述照明系统1中的光程保持一致。

值得注意的是，在本实用新型的其他变形示例中，所述合色装置20还可以用反射镜来替代根据本实用新型的上述第一变形实施方式的所述合色装置20中的所述第一棱镜21，其中所述反射镜用于反射来自所述第一发光元件11的所述第一路单色光101，以使被反射后的所述第一路单色光101朝向所述第二膜系25传播，并依次穿过所述第二膜系25、所述第三棱镜23、所述第一膜系24以及所述第二棱镜24而射出所述合色装置20，同样能够使得射出所述合色装置20的所述第一路单色光101、所述第二路单色光102以及所述第三路单色光103沿同一光路传播。可以理解的是，在本实用新型的这个示例中，所述合色装置20通过所述反射镜来改变所述第一路单色光101的传播方向，使得所述第一发光元件11与所述第三棱镜23之间直线距离得以缩短，有助于减少所述照明系统1的整体体积。

根据本实用新型的另一方面，本实用新型进一步提供了一合色方法，用于将三路单色光合成一路光。具体地，如图7所示，所述合色方法，包括步骤：

S100：分别全反射第二路单色光102和第三路单色光103，以改变所述第二路单色光102和所述第三路单色光103的传播方向；和

S200：分别反射被全反射后的所述第二路单色光102和所述第三路单色光103，以再次改变所述第二路单色光102和所述第三路单色光103的传播方向，使得所述第二路单色光102和所述第三路单色光103在两次转向后同时与第一路单色光101沿同一光路传播。

值得注意的是，如图7所示，在本实用新型的另一示例中，所述合色方法，进一步地包括步骤：

S300：反射所述第一路单色光101，以改变所述第一路单色光101的传播方向，使得所述第二路单色光102和所述第三路单色光103在两次转向后同时与被反射后的所述第一路单色光101沿同一光路传播。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本实用新型的实施例只作为举例而并不限制本实用新型。本实用新型的目的已经完整并有效地实现。本实用新型的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本实用新型的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (12)

1.一合色装置，用于将第一路单色光、第二路单色光以及第三路单色光合成一路光，其特征在于，其中所述合色装置具有一合色光路，并包括：

一第二棱镜，用于全反射射入所述第二棱镜的该第二路单色光；

一第三棱镜，用于全反射射入所述第三棱镜的该第三路单色光；

一第一膜系，其中所述第一膜系用于反射该第二路单色光，并透射该第一路单色光和该第三路单色光，其中所述第一膜系位于所述第二棱镜和所述第三棱镜之间，并且所述第一膜系用于将经由所述第二棱镜全反射的该第二路单色光反射回所述第二棱镜，以使该第二路单色光在穿过所述第二棱镜后沿所述合色光路传播；以及

一第二膜系，其中所述第二膜系用于反射该第三路单色光，并透射该第一路单色光，其中所述第三棱镜位于所述第二膜系和所述第一膜系之间，其中所述第二膜系用于将经由所述第三棱镜全反射的该第三路单色光反射回所述第三棱镜，以使该第三路单色光在依次穿过所述第三棱镜、所述第一膜系以及所述第二棱镜后沿所述合色光路传播，并且所述第二膜系还用于将该第一路单色光透射至所述第三棱镜，以使该第一路单色光在依次穿过所述第二膜系、所述第三棱镜、所述第一膜系以及所述第二棱镜后沿所述合色光路传播。

2.如权利要求1所述的合色装置，进一步包括一第一棱镜，其中所述第二膜系位于所述第一棱镜和所述第三棱镜之间，用于使该第一路单色光在依次穿过所述第一棱镜、所述第二膜系、所述第三棱镜、所述第一膜系以及所述第二棱镜后沿所述合色光路传播。

3.如权利要求2所述的合色装置，其中，所述第一棱镜具有一第一入射面和一第一出射面，并且所述第一棱镜的所述第一出射面面向所述第二膜系，用于使从所述第一入射面射入的该第一路单色光在穿过所述第一棱镜后从所述第一出射面射出，以射向所述第二膜系。

4.如权利要求3所述的合色装置，其中，所述第一棱镜进一步具有一第一功能面，其中所述第一棱镜的所述第一功能面作为全反射面，用于全反射从所述第一入射面射入的该第一路单色光，使得被全反射后的该第一路单色光从所述第一出射面射出。

5.如权利要求3所述的合色装置，进一步包括一第三膜系，其中所述第三膜系用于反射该第一路单色光，并且所述第三膜系对应地设置于所述第一棱镜，用于反射从所述第一入射面射入的该第一路单色光，使得被反射后的该第一路单色光从所述第一出射面射出。

6.如权利要求3至5中任一所述的合色装置，其中，所述第二棱镜具有一第二入射面和一第二出射面，其中所述第二棱镜的所述第二出射面作为全反射面，用于全反射从所述第二入射面射入的该第二路单色光，使得被全反射后的该第二路单色光射向所述第一膜系。

7.如权利要求6所述的合色装置，其中，所述第二棱镜进一步具有一第二功能面，其中所述第二棱镜的所述第二功能面面向所述第三棱镜，并且所述第一膜系被镀于所述第二棱镜的所述第二功能面。

8.如权利要求7所述的合色装置，其中，所述第三棱镜具有一第三入射面和一第三出射面，其中所述第三棱镜的所述第三出射面作为全反射面，并且所述第三棱镜的所述第三出射面对应于所述第二棱镜的所述第二功能面，用于全反射从所述第三入射面射入的该第三路单色光，使得被全反射后的该第三路单色光射向所述第二膜系。

9.如权利要求8所述的合色装置，其中，所述第三棱镜进一步具有一第三功能面，其中所述第三棱镜的所述第三功能面对应于所述第一棱镜的所述第一出射面，并且所述第二膜系被镀于所述第三棱镜的所述第三功能面。

10.如权利要求8所述的合色装置，进一步具有一空气间隙，其中所述空气间隙位于所述第三棱镜的所述第三出射面和所述第一膜系之间。

11.如权利要求10所述的合色装置，进一步包括减反射膜，其中所述减反射膜分别被设置于所述第一棱镜的所述第一入射面和所述第一出射面、所述第二棱镜的所述第二入射面以及所述第三棱镜的所述第三入射面。

12.如权利要求1至5中任一所述的合色装置，其中，所述第一膜系为反红光膜或反蓝光膜，并且所述第二膜系相应地为所述反蓝光膜或所述反红光膜。

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