CN212112011U - 分光合光棱镜及投影显示系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种分光合光棱镜，包括本实用新型的分光合光棱镜，包括呈六面立方体结构的壳体，其一面用作所述分光合光棱镜的合光输出面或分光输入面，其余五面对应作为所述分光合光棱镜的合光输入面或分光输出面；还包括设置于所述壳体内的分束膜片，所述分束膜片对入射至所述分光合光棱镜的光束进行选择性透射或反射；自所述合光输入面入射的多束光束经由所述分束膜片反射或透射后由所述合光输出面出射，以实现合光；自所述分光输入面入射的光束经由所述分束膜片反射或透射后由所述分光输出面出射，以实现分光。与相关技术相比，本实用新型的分光合光棱镜可以同时实现最多5束光束的分光或合光。

Description

分光合光棱镜及投影显示系统

技术领域

本实用新型涉及一种光学投影领域，尤其涉及一种分光合光棱镜。

背景技术

随着光学投影领域的兴起，人们对投影系统的要求也越来越高。在投影系统中，分光与合光器件是光源光机中常见的元件，分光与和合光器件增加了投影系统对光束的操控，大大拓展了投影机的设计自由度。

现有技术的分光合光棱镜主要有三类，以合光举例，第一类是利用偏振选择性的分光合光棱镜，其包括立方体以及收容于所述立方体内部的一个偏振分束镀膜，所述偏振分束镀膜用于反射s偏振光，透射p偏振光；此时在偏振分束膜的左侧入射p偏振光，在偏振分束膜的右上方入射s偏振光，以实现s偏振光和p偏振光的合光，分光同理。第二类是利用波长选择性的分光合光棱镜，其包括立方体以及收容于所述立方体内部的第一分色膜和第二分色膜，第一分色膜和第二分色膜交叉设置，第一分色膜可以反射长波长的光束而透射其他波长的光束，第二分色膜可以反射短波长而透射其他波长的光束；长波长的光束从第一分色膜的左侧入射并通过第一分色膜反射至下方，短波长的光束从第二分色膜的右侧入射并通过第二分色膜反射至下方，中波长的光束从上方入射并透过第一分色膜和第二分色膜至下方，从而实现三个光束的合光，分光同理。第三类是同时利用偏振选择性和波长选择性的分光合光棱镜，将上述第一类的利用偏振选择性的分光合光棱镜和第二类的利用波长选择性的分光合光棱镜组合设置，可以实现四束光束的合光。

但是现有技术中，第一类和第二类的分光合光棱镜最多能实现三束光束的合光或分光，第三类分光合光棱镜虽然可以实现四束光束的合光，但结构复杂，成本较高且整体体积较大。

因此，有必要提供一种新的分光合光棱镜解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型需要解决的技术问题是提供一种同时实现最多5束光束的分光或合光的分光合光棱镜。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种分光合光棱镜，其包括：

呈六面体结构的壳体，其一面用作所述分光合光棱镜的合光输出面或分光输入面，其余五面对应作为所述分光合光棱镜的合光输入面或分光输出面；设置于所述壳体内的分束膜片，所述分束膜片用于对入射至所述分光合光棱镜的光束进行选择性透射或反射，优选的，所述分束膜片为四片；自所述合光输入面入射的多束光束经由所述分束膜片反射或透射后由所述合光输出面出射，以实现合光；自所述分光输入面入射的光束经由所述分束膜片反射或透射后由所述分光输出面出射，以实现分光。

优选的，所述分束膜片为分色膜片；或所述分束膜片为分色膜片与偏振分束膜片组合，且所述偏振分束膜片仅为一片。

优选的，所述壳体包括相对间隔且呈水平设置的第一面和第二面，以及呈垂直于第一面设置且依次首尾连接的第三面、第四面、第五面和第六面，其中，

所述第一面、所述第二面、所述第三面、所述第四面以及所述第五面分别作为第一光束、第二光束、第三光束、第四光束以及第五光束的合光输入面或分光输出面，所述第六面作为所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束、所述第四光束以及所述第五光束的合光输出面或分光输入面；

所述分束膜片包括第一分束膜片、第二分束膜片、第三分束膜片以及第四分束膜片，其中，

所述第一分束膜片用于反射所述第一光束，且透射所述第二光束、所述第三光束、所述第四光束以及所述第五光束；

所述第二分束膜片用于反射所述第二光束，且透射所述第一光束、所述第三光束、所述第四光束及所述第五光束；

所述第三分束膜片用于反射所述第三光束，且透射所述第一光束、所述第二光束、所述第四光束以及所述第五光束；

所述第四分束膜片用于反射所述第四光束，且透射所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束以及所述第五光束；所述第一光束由所述第一面入射并经所述第一分束膜片反射后由所述第六面出射；所述第二光束由所述第二面入射并经所述第二分束膜片反射后由所述第六面出射；所述第三光束由所述第三面入射并经所述第三分束膜片反射后由所述第六面出射；所述第四光束由所述第五面入射并经所述第四分束膜片反射后由所述第六面出射；所述第五光束由所述第四面入射并透过所述第一分束膜片、所述第二分束膜片、所述第三分束膜片以及所述第四分束膜片后由所述第六面出射，实现合光；

或，所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束、所述第四光束以及所述第五光束同时由所述第六面入射，并分别经所述第一分束膜片反射后由所述第一面出射，经所述第二分束膜片反射后由所述第二面出射，经所述第三分束膜片反射后由所述第三面出射，经所述第四分束膜片反射后由所述第五面出射，经所述第一分束膜片、所述第二分束膜片、所述第三分束膜片以及所述第四分束膜片透射后由所述第四面出射，实现分光。

优选的，所述第一分束膜片、所述第二分束膜片、所述第三分束膜片以及所述第四分束膜片均为分色膜片。

优选的，所述第一分束膜片、所述第二分束膜片以及所述第三分束膜片为分色膜片，所述第四分束膜片为偏振分束膜片。

优选的，所述第一分束膜片由所述第一面的后侧向所述第二面的前侧延伸设置，所述第二分束膜片由所述第一面的前侧向所述第二面的后侧延伸设置，所述第三分束膜片由所述第三面的后侧向所述第五面的前侧延伸设置，所述第四分束膜片由所述第五面的后侧向所述第三面的前侧延伸设置。

优选的，所述分光合光棱镜还包括分别安装固定于所述壳体的八个顶点处并向远离所述壳体方向延伸的立柱。

优选的，每一所述立柱沿所述壳体的几何中心至该立柱对应的所述顶点之间的连线方向延伸设置。

优选的，所述壳体的棱线处安装设置边框，所述立柱固定于所述边框。

本实用新型还提供一种投影显示系统，所述投影显示系统包括如上所述的分光合光棱镜以及调制器，所述调制器用于发出待合光的所述光束或接收所述分光合光棱镜分光后的所述光束，其包括与所述合光输入面或所述分光输出面正对且平行设置的第一调制器、第二调制器、第三调制器、第四调制器以及第五调制器。

相较于现有技术，本实用新型的分光合光棱镜，包括呈六面立方体结构的壳体，其一面用作所述分光合光棱镜的合光输出面或分光输入面，其余五面对应作为所述分光合光棱镜的合光输入面或分光输出面；还包括设置于所述壳体内的分束膜片，所述分束膜片对入射至所述分光合光棱镜的光束进行选择性透射或反射，仅采用一个分光合光棱镜，即可实现最多5束光束的同时分光或合光，有效降低了现有多器件组合实现多光束分光合光的成本和复杂度，并减少了整个分光合光棱镜的体积以及光束入射面和分光合光输出面的距离。

附图说明

为了使本实用新型的内容更加清晰，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对本领域的普通技术人员来讲，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附图，其中：

图1为本实用新型分光合光棱镜的立体结构示意图；

图2为本实用新型分光合光棱镜分束膜片的一种光谱图；

图3为本实用新型分光合光棱镜分束膜片的另一种光谱图；

图4为本实用新型投影显示系统的立体结构示意图；

图5为本实用新型包括立柱的分光合光棱镜立体结构示意图；

图6为本实用新型包括立柱的分光合光棱镜主视图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参图1-图5所示，本实用新型提供了一种分光合光棱镜100，其包括壳体1、设置于所述壳体1内的分束膜片以及立柱511，所述壳体1呈六面立方体结构，优选的，所述壳体1呈正六面立方体。

所述壳体1可以为实心结构，其各个面为实际棱镜面，也可以为空心壳体结构，其各个面为虚拟合光/分光面，本领域技术人员可以根据实际需要进行设定，但本实用新型对此不做限制。

为了便于后续对本实用新型作出更加清晰的解释，在本实施例中，所述壳体1为实心结构。

所述壳体1的其中一面用作所述分光合光棱镜100的合光输出面或分光输入面，其余五面对应用作所述分光合光棱镜100的合光输入面或分光输出面；所述分束膜片对入射至所述分光合光棱镜的光束进行选择性透射或反射，优选的，所述分束膜片为四个，且所述四个分束膜片的反射波长范围互不重合；自所述合光输入面入射的多束光束经由所述分束膜片反射或透射后由所述合光输出面出射，以实现合光；自所述分光输入面入射的光束经由所述分束膜片反射或透射后由所述分光输出面出射，以实现分光。

本实例中，所述壳体1包括相对间隔且呈水平设置的第一面11和第二面12，以及呈垂直于第一面11设置且依次首尾连接的第三面13、第四面14、第五面15和第六面16。

参图1所示，本实施例中，第一面11为壳体1的上面，第二面12为壳体1的下面，第三面13为壳体1的左面，第四面14为壳体1的后面，第五面15为壳体1的右面，第六面为壳体1的前面。

所述第一面11、所述第二面12、所述第三面13、所述第四面14以及所述第五面15分别作为第一光束、第二光束、第三光束、第四光束以及第五光束的合光输入面或分光输出面，所述第六面16作为所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束、所述第四光束以及所述第五光束的合光输出面或分光输入面。

在本实施例中，所述分束膜片为设置在所述分光合光棱镜100各个面围成的实心立方体空间中的切面结构。

在其他实施例中，根据所述壳体1结构的不同，所述分束膜片也可以为由不同分束功能拼接的分束膜片支架，如截面形状为X型、XX型结构等，其中X型可以是一体的，也可以是由两个V字的分束膜片上下对称或者左右对称拼接构成，本领域技术人员可以根据需要进行设置，均不超出本实用新型所要保护的范围，在此不做限定。

优选的，所述分束膜片包括第一分束膜片21、第二分束膜片22、第三分束膜片23以及第四分束膜片24。

本实施例中，所述第一分束膜片21由所述第一面11的后侧向所述第二面12的前侧延伸设置，所述第二分束膜片22由所述第一面11的前侧向所述第二面12的后侧延伸设置，所述第三分束膜片23由所述第三面13的后侧向所述第五面15的前侧延伸设置，所述第四分束膜片24由所述第五面15的后侧向所述第三面13的前侧延伸设置。

所述第一分束膜片21用于反射所述第一光束，且透射所述第二光束、所述第三光束、所述第四光束以及所述第五光束；所述第二分束膜片22用于反射所述第二光束，且透射所述第一光束、所述第三光束、所述第四光束及所述第五光束；所述第三分束膜片23用于反射所述第三光束，且透射所述第一光束、所述第二光束、所述第四光束以及所述第五光束；所述第四分束膜片24用于反射所述第四光束，且透射所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束以及所述第五光束。

当分光合光棱镜100进行合光时，所述第一光束由所述第一面11入射并经所述第一分束膜片21反射后由所述第六面16出射；所述第二光束由所述第二面12入射并经所述第二分束膜片22反射后由所述第六面16出射；所述第三光束由所述第三面13入射并经所述第三分束膜片23反射后由所述第六面16出射；所述第四光束由所述第五面15入射并经所述第四分束膜片24反射后由所述第六面16出射；所述第五光束由所述第四面14入射并透过所述第一分束膜片21、所述第二分束膜片22、所述第三分束膜片23以及所述第四分束膜片24后由所述第六面16出射，实现合光。

当分光合光棱镜100进行分光时，所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束、所述第四光束以及所述第五光束同时由所述第六面16入射，并分别经所述第一分束膜片21反射后由所述第一面11出射，经所述第二分束膜片22反射后由所述第二面12出射，经所述第三分束膜片23反射后由所述第三面13出射，经所述第四分束膜片24反射后由所述第五面15出射，经所述第一分束膜片21、所述第二分束膜片22、所述第三分束膜片23以及所述第四分束膜片24透射后由所述第四面14出射，实现分光。

所述分束膜片为分色膜片；或者所述分束膜片为分色膜片与偏振分束膜片组合，此时所述偏振分束膜片仅为一片。

对于本领域的技术人员而言，分光和合光属于可以相互推导的逆过程，因此，本实施例中，仅具体描述实现合光功能的分束膜片设置及工作过程，实现分光功能的具体过程不再赘述。

在本实施例中，所述第一分束膜片21、所述第二分束膜片22、所述第三分束膜片23以及所述第四分束膜片24均为分色膜片。参照图2所示，211是第一分束膜片21的透射谱，能够反射短波长的光；212是第二分束膜片22的透射谱，能够反射第一中波长的光；213是第三分束膜片23的透射谱，能够反射第一长波长的光；214是第四分束膜片24的透射谱，能够反射第二长波长的光，所述四个分束膜片都能透射第二中波长的光。此时，第一光束为短波长光，第二光束为第一中波长光，第三光束为第一长波长光，第四光束为第二长波长光，第五光束为第二中波长光，在本实施例中，所述短波长光为蓝光，所述第一中波长为绿光的短波分量，所述第一长波长的光为红光，所述第二长波长的光为红外光，所述的光为绿光的长波长分量。此实施例仅为本申请的其中一个，所述短波长光、第一中波长、第二中波长、第一长波长和第二长波长的光的具体光波大小和范围不做限制，只需所述四个分束膜片不存在反射交叠即可，通过本实施例，能够仅使用一个分光合光棱镜实现5种光束的合光，大大降低了分光合光棱镜的体积且减小了光束入射面和分光合光输出面的距离。

在另一个实施例中，所述第一分束膜片21、所述第二分束膜片22以及所述第三分束膜片23为分色膜片，所述第四分束膜片24为偏振分束膜片。参图3所示，311为第一分束膜片21的透射谱，反射短波长光束，在本实施例中，所述短波长光束为蓝光；312为第二分束膜片22的透射谱，反射第一长波长光束，在本实施例中，所述第一长波长光束为红光；313为第三分束膜片23的透射谱，反射第二长波长光束，在本实施例中，所述第二长波长光束为红外；而所述四个分束膜片都能够透过中波长光束，在本实施例中，所述中波长光束为绿光；并且第一分束膜片21、第二分束膜片22以及第三分束膜片23都是分偏振设计，可以透射相应波长的s偏振光束且反射相应波长的p偏振光束。第四分束膜片24为偏振膜片，透射p偏振光束，反射s偏振光束。此时，第一光束为短波长p偏振光，第二光束为第一长波长p偏振光，第三光束为第二长波长p偏振光，第四光束为中波长s偏振光，第五光束为中波长p偏振光，通过本实施例，不仅实现了仅利用一个分光合光棱镜实现多光束合光，还实现了同时利用偏振特性以及波长选择性的单立方体分光合光棱镜，结构简单，成本较低且整体体积较小。

在本实施例中，所述立柱511分别安装固定于所述壳体1的八个顶点处并向远离所述壳体1方向延伸。立柱511与壳体1的八个顶点通过螺丝或点胶固定；立柱511远离壳体1的一端与外部固定。从斜侧方将所有顶点进行固定，可以实现分光合光棱镜100的安装同时又不遮挡画面。

更优的，每一所述立柱511沿所述壳体1的几何中心至该立柱511对应的所述顶点之间的连线方向延伸设置。

更优的，所述壳体1的棱线处安装设置边框，所述立柱511固定于所述边框，因所述分光合光棱镜100由六个直角棱镜固定围成，其棱线边易受磨损，因此设置其边框以保护整个分光合光棱镜100。

本实施例还提供一种投影显示系统10，其包括分光合光棱镜100以及调制器，所述调制器用于发出待合光的所述光束或接收所述分光合光棱镜100分光后的所述光束，其包括分别与所述第一面11、所述第二面12、所述第三面13、所述第四面14、所述第五面15正对且平行设置的第一调制器411、第二调制器414、第三调制器415、第四调制器412以及第五调制器413。合光时，所述第一调制器411用发出所述第一光束，所述第二调制器414用发出所述第二光束，所述第三调制器415用发出所述第三光束，所述第四调制器412用发出所述第四光束，所述第五调制器413用发出所述第五光束；分光时，第一调制器411、第二调制器414、第三调制器415、第四调制器412以及第五调制器413接收经所述分光合光棱镜100分光后的所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束、所述第四光束以及所述第五光束。

在本实施例中，所述调制器可以是液晶显示屏、DMD、SLM等光调制器件，在此不做限制。

在本实施例中，所述第一长波长的光为红光，所述第二长波长的光为红外光，所述的光为绿光的长波长分量，由于整个投影系统采用了所述五个调制器用于显示，分别实现蓝光、绿光、红光和红外的画面，其中绿光分为了绿光短波分量和绿光长波分量两个部分，用两片调制器实现，能够有效降低每片调制器上的能量负载，提高投影系统的可靠性，而红外波段的画面可以用于一些特种应用，例如环境模拟等，提高了投影显示系统的适应性，扩展了投影显示系统的应用场景和使用范围。

同时，仅使用单个分光合光棱镜100就可以完成5个调制器发出光束的合光，缩短了调制器平面和分光合光棱镜100分光合光的输出面的距离，对后续的镜头后截距要求较小，降低了镜头设计难度和成本，有助于借助包括有本分光合光棱镜的投影显示系统可以在有限空间内实现更高的画面亮度和更多种的画面种类。

当然，根据实际情况所需所述分束膜片也可以为三个，此时所述多个光束为四束以实现利用一个分光合光棱镜实现四束光束的合光。

相较于现有技术，本实用新型的分光合光棱镜，该结构由于仅采用一个分光合光棱镜进行多光束分光合光，有效降低了现有多器件组合实现多光束分光合光的成本和复杂度，并减少了整个分光合光棱镜的体积以及光束入射面到分光合光输出面的距离；由于在所述壳体内部的分束膜片可以为四个分色膜片，或为三个分色膜片与一个偏振分束膜片的组合，因此，本实用新型不仅可以实现最多5束不同光波长光束的同时分光或合光，还能实现对波长和偏振两个维度上的最多5束光束的同时分光和合光；由于本实用新型能够提供额外的红外光束，且可以使用两片调制器提供绿光画面，可以有效提高显示画面的亮度，扩展了本实用新型提供的投影机的使用范围；本实用新型还提供了一种用于安装分光合光棱镜的安装装置，由于将固定立柱设置在壳体的8个顶点位置，并从斜侧方将所有顶点固定，可以实现壳体的安装固定的同时，不遮挡画面。

以上实施例仅为清楚说明本实用新型所作的举例，并非对实施方式的限定；本实用新型的范围包括并不限于上述实施例，凡是按照本实用新型的形状、结构所作的等效变化均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种分光合光棱镜，其特征在于，其包括：

呈六面体结构的壳体，其一面用作所述分光合光棱镜的合光输出面或分光输入面，其余五面对应作为所述分光合光棱镜的合光输入面或分光输出面；

设置于所述壳体内的分束膜片，所述分束膜片用于对入射至所述分光合光棱镜的光束进行选择性透射或反射；

自所述合光输入面入射的多束光束经由所述分束膜片反射或透射后由所述合光输出面出射，以实现合光；

自所述分光输入面入射的光束经由所述分束膜片反射或透射后由所述分光输出面出射，以实现分光。

2.根据权利要求1所述的分光合光棱镜，其特征在于，所述分束膜片为分色膜片；或所述分束膜片为分色膜片与偏振分束膜片组合，且所述偏振分束膜片仅为一片。

3.根据权利要求2所述的分光合光棱镜，其特征在于，所述壳体包括相对间隔且呈水平设置的第一面和第二面，以及呈垂直于第一面设置且依次首尾连接的第三面、第四面、第五面和第六面，其中，

所述第一面、所述第二面、所述第三面、所述第四面以及所述第五面分别作为第一光束、第二光束、第三光束、第四光束以及第五光束的合光输入面或分光输出面，所述第六面作为所述分光合光棱镜的合光输出面或分光输入面；

所述分束膜片包括第一分束膜片、第二分束膜片、第三分束膜片以及第四分束膜片，其中，

所述第一分束膜片用于反射所述第一光束，且透射所述第二光束、所述第三光束、所述第四光束以及所述第五光束；

所述第二分束膜片用于反射所述第二光束，且透射所述第一光束、所述第三光束、所述第四光束及所述第五光束；

所述第三分束膜片用于反射所述第三光束，且透射所述第一光束、所述第二光束、所述第四光束以及所述第五光束；

所述第四分束膜片用于反射所述第四光束，且透射所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束以及所述第五光束；

所述第一光束由所述第一面入射并经所述第一分束膜片反射后由所述第六面出射；所述第二光束由所述第二面入射并经所述第二分束膜片反射后由所述第六面出射；所述第三光束由所述第三面入射并经所述第三分束膜片反射后由所述第六面出射；所述第四光束由所述第五面入射并经所述第四分束膜片反射后由所述第六面出射；所述第五光束由所述第四面入射并透过所述第一分束膜片、所述第二分束膜片、所述第三分束膜片以及所述第四分束膜片后由所述第六面出射，实现合光；

或，所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束、所述第四光束以及所述第五光束同时由所述第六面入射，并分别经所述第一分束膜片反射后由所述第一面出射，经所述第二分束膜片反射后由所述第二面出射，经所述第三分束膜片反射后由所述第三面出射，经所述第四分束膜片反射后由所述第五面出射，经所述第一分束膜片、所述第二分束膜片、所述第三分束膜片以及所述第四分束膜片透射后由所述第四面出射，实现分光。

4.根据权利要求3所述的分光合光棱镜，其特征在于，所述第一分束膜片、所述第二分束膜片、所述第三分束膜片以及所述第四分束膜片均为分色膜片。

5.根据权利要求3所述的分光合光棱镜，其特征在于，所述第一分束膜片、所述第二分束膜片以及所述第三分束膜片为分色膜片，所述第四分束膜片为偏振分束膜片。

6.根据权利要求3所述的分光合光棱镜，其特征在于，所述第一分束膜片由所述第一面的后侧向所述第二面的前侧延伸设置，所述第二分束膜片由所述第一面的前侧向所述第二面的后侧延伸设置，所述第三分束膜片由所述第三面的后侧向所述第五面的前侧延伸设置，所述第四分束膜片由所述第五面的后侧向所述第三面的前侧延伸设置。

7.根据权利要求1所述的分光合光棱镜，其特征在于，所述分光合光棱镜还包括分别安装固定于所述壳体的八个顶点处并向远离所述壳体方向延伸的立柱。

8.根据权利要求7所述的分光合光棱镜，其特征在于，每一所述立柱沿所述壳体的几何中心至该立柱对应的所述顶点之间的连线方向延伸设置。

9.根据权利要求7所述的分光合光棱镜，其特征在于，所述壳体的棱线处安装设置边框，所述立柱固定于所述边框。

10.一种投影显示系统，其特征在于，所述投影显示系统包括如权利要求1-9任意一项所述的分光合光棱镜以及调制器，所述调制器用于发出待合光的所述光束或接收所述分光合光棱镜分光后的所述光束，其包括与所述合光输入面或所述分光输出面正对且平行设置的第一调制器、第二调制器、第三调制器、第四调制器以及第五调制器。

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