專(zhuān)利名稱(chēng)：棱鏡裝置、發(fā)光系統(tǒng)以及投影系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及照明和顯示用的光源技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種棱鏡裝置、發(fā)光系統(tǒng)以及投影系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，為了產(chǎn)生高亮度時(shí)序色光，一般而言會(huì)將激發(fā)光源收集并聚焦于一個(gè)熒光粉轉(zhuǎn)盤(pán)上激發(fā)熒光粉材料發(fā)光，并隨著轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生周期性時(shí)序的色光序列。而在該方法中，需要在激發(fā)光和突光材料之間使用一個(gè)濾光片，該濾光片使藍(lán)光透射同時(shí)反射熒光粉受激發(fā)光，目的是使熒光粉面向光源的發(fā)光被反射到另一面得以出射，以增強(qiáng)熒光粉出射面的發(fā)光亮度，理論上該濾光片可以增強(qiáng)發(fā)光亮度80% 100%。而在現(xiàn)有技術(shù)中往往會(huì)采用光學(xué)鍍膜的方式周期性的把高折射率和低折射率的 透明材料鍍?cè)谝粋€(gè)玻璃基材表面，利用光線的干涉原理選擇性的透過(guò)或反射特定角度和波長(zhǎng)的光線。例如，激發(fā)光采用400 480nm的藍(lán)光，采用發(fā)光波段為500 800nm的熒光粉，則可以通過(guò)對(duì)光學(xué)濾光片的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在激發(fā)光的入射角內(nèi)透過(guò)激發(fā)藍(lán)光，同時(shí)在整個(gè)角度空間內(nèi)反射熒光粉發(fā)光。但現(xiàn)有技術(shù)中的光學(xué)濾光片的設(shè)計(jì)存在以下問(wèn)題，就是實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾光片的方法都依賴(lài)于光學(xué)鍍膜方法，其缺點(diǎn)是透射/反射譜線與入射角度有關(guān)，因此存在理論上的極限，限制了這些膜片在使用中的性能。另外光學(xué)鍍膜設(shè)備昂貴，使得鍍膜的成本居高不下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種棱鏡裝置、發(fā)光系統(tǒng)以及投影系統(tǒng)，可使得入射到棱鏡裝置的光線允許進(jìn)行單向傳輸，且無(wú)需限定光線的入射角度。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題而采用的技術(shù)方案是提供一種棱鏡裝置，該棱鏡裝置包括至少一個(gè)棱鏡單元，棱鏡單元至少包括第一面、第二面以及第三面，第一面、第二面以及第三面兩兩相交，從第一面和/或第二面入射的第一入射光經(jīng)棱鏡單元光路調(diào)整后從第三面出射，從第三面入射的第二入射光經(jīng)棱鏡單元光路調(diào)整后，至少部分從第三面出射。其中，棱鏡單元具有一垂直于第一面、第二面以及第三面的截面，截面為等腰三角形，且棱鏡單元滿(mǎn)足關(guān)系式arccos (1/n) ^ Θ /2+arcsin (cos ( θ /2+Φ)/η)其中，θ為第一面和第二面的夾角，且為等腰三角形的頂角，η為棱鏡單元的折射率，Φ為第一入射光的入射方向與垂直并指向第三面的方向的夾角。其中，棱鏡裝置包括多個(gè)棱鏡單元以及與棱鏡單元具有相同材料的基座，基座包括一表面，多個(gè)棱鏡單元的第三面設(shè)置在表面上，基座與多個(gè)棱鏡單元一體成型。其中，φ為0，η為2. 235，Θ在80 100度之間。其中，棱鏡單元為三棱柱。其中，棱鏡單元為正棱錐,每個(gè)正棱錐的側(cè)面?zhèn)€數(shù)為2m,m為正整數(shù),且m3 2。
其中，第一入射光設(shè)置為僅從第一面入射，第二面設(shè)置為反射面，用于反射從第一面入射的第一入射光或從第三面入射的第二入射光，棱鏡單元具有一垂直于第一面、第二面以及第三面的截面，截面為直角三角形，直角三角形的兩個(gè)直角邊分別位于第二面和第三面，且棱鏡單元滿(mǎn)足關(guān)系式arccos(l/n) < 5+arcsin(cos(5+^)/n)其中，5為第一面和第二面的夾角，η為棱鏡單元的折射率，Φ為第一入射光的入射方向與垂直并指向第三面的方向的夾角。其中，棱鏡裝置進(jìn)一步包括第一增透膜，第一增透膜設(shè)置在第三面上；和/或，第 二增透膜，第二增透膜設(shè)置在第一面或第二面上。其中，棱鏡裝置進(jìn)一步包括偏振片，偏振片設(shè)置在第三面上，偏振片的偏振方向設(shè)置為與第一入射光的偏振方向平行。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題而采用的技術(shù)方案是提供一種發(fā)光系統(tǒng)，包括上述的棱鏡裝置，發(fā)光系統(tǒng)進(jìn)一步包括激發(fā)光源和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置，激發(fā)光源產(chǎn)生第一入射光，第一入射光從第一面和/或第二面入射，經(jīng)棱鏡單元光路調(diào)整后，從第三面出射至波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置；波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置將第一入射光轉(zhuǎn)換為與第一入射光具有不同波長(zhǎng)的第二入射光，部分第二入射光從第三面入射，經(jīng)棱鏡單元光路調(diào)整后，從第三面出射。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題而采用的技術(shù)方案是提供一種發(fā)光系統(tǒng)，包括上述的棱鏡裝置，發(fā)光系統(tǒng)進(jìn)一步包括激發(fā)光源和散光裝置，激發(fā)光源產(chǎn)生第一入射光，第一入射光從第一面和/或第二面入射，經(jīng)棱鏡單元光路調(diào)整后，從第三面出射至散光裝置；散光裝置對(duì)第一入射光進(jìn)行發(fā)散處理，并產(chǎn)生朝向第三面入射的第二入射光，第二入射光從第三面入射，經(jīng)棱鏡單元光路調(diào)整后，從第三面出射。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題而采用的技術(shù)方案是提供一種發(fā)光系統(tǒng)，包括上述的棱鏡裝置，發(fā)光系統(tǒng)進(jìn)一步包括激發(fā)光源、散光裝置、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置以及馬達(dá)，棱鏡裝置分別包括第一部分和第二部分，第一部分與散光裝置對(duì)應(yīng)設(shè)置，第二部分與波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置對(duì)應(yīng)設(shè)置，棱鏡裝置、散光裝置以及波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置相對(duì)固定，并在馬達(dá)的定速驅(qū)動(dòng)下同步運(yùn)動(dòng)，激發(fā)光源產(chǎn)生第一入射光，第一入射光經(jīng)由棱鏡裝置周期性照射于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置以及散光裝置以產(chǎn)生朝向第三面入射的第二入射光，第二入射光經(jīng)由棱鏡裝置的光路調(diào)整后，從第三面出射。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題而采用的技術(shù)方案是提供一種投影系統(tǒng)，包括上述的棱鏡裝置。本發(fā)明的有益效果是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明的棱鏡裝置、發(fā)光系統(tǒng)以及投影系統(tǒng)中的棱鏡裝置設(shè)置為使得入射到第一面和/或第二面的第一入射光從第三面出射，入射到第三面的第二入射光從第三面出射，可使得射入到棱鏡裝置的光線進(jìn)行單向傳輸，且無(wú)需限定光線的入射角度。


圖I是本發(fā)明棱鏡裝置的第一實(shí)施例的立體示意圖；圖2是本發(fā)明棱鏡裝置的第一實(shí)施例的帶有截面的立體示意圖；圖3是本發(fā)明棱鏡裝置的第二實(shí)施例的立體示意圖4是本發(fā)明棱鏡裝置的第二實(shí)施例的帶有第一截面的立體示意圖；圖5是本發(fā)明棱鏡裝置的第二實(shí)施例的帶有第二截面的立體示意圖；圖6是本發(fā)明棱鏡裝置的第一入射光線的光路圖；圖7是本發(fā)明棱鏡裝置的第二入射光線的光路圖；圖8是本發(fā)明棱鏡裝置的第三實(shí)施例的立體示意圖；圖9是本發(fā)明棱鏡裝置的第四實(shí)施例的立體示意圖；圖10是本發(fā)明棱鏡裝置在第三和第四實(shí)施例中的截面示意圖；圖11是本發(fā)明棱鏡裝置的第六實(shí)施例的示意圖；圖12是本發(fā)明棱鏡裝置的第七實(shí)施例的示意圖；圖13是本發(fā)明棱鏡裝置的第六實(shí)施例中頂角角度與光能量透過(guò)率的關(guān)系示意圖；圖14是本發(fā)明棱鏡裝置在實(shí)際應(yīng)用中的光路圖；圖15是本發(fā)明棱鏡裝置的第七實(shí)施例的示意圖；圖16是本發(fā)明棱鏡裝置的第八實(shí)施例的示意圖；圖17是本發(fā)明棱鏡裝置的第九實(shí)施例的第一入射光線光路示意圖；圖18是本發(fā)明棱鏡裝置的第九實(shí)施例的第二入射光線光路示意圖；圖19是本發(fā)明棱鏡裝置的第九實(shí)施例的立體示意圖；圖20是本發(fā)明棱鏡裝置的第十實(shí)施例的立體示意圖；圖21是本發(fā)明發(fā)光系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意圖；圖22是本發(fā)明激光顯示光源第一實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所揭示的棱鏡裝置包括至少一棱鏡單元，請(qǐng)參見(jiàn)圖I和圖2，圖I是本發(fā)明棱鏡裝置的第一實(shí)施例的立體示意圖，圖2是本發(fā)明棱鏡裝置的第一實(shí)施例的帶有截面的立體示意圖。其中，如圖I和圖2所示，棱鏡單元為三棱柱200，三棱柱200的側(cè)面包括面0QNL、面PQNM以及面0PML，并且，該三棱柱200具有一垂直于面0QLM、面PQNM以及面OPML的截面WYJ，且該截面WYJ為等腰三角形，并且，面OQLM和面PQNM的夾角為Θ，其中，Θ為等腰三角形WYJ的頂角。請(qǐng)進(jìn)一步參見(jiàn)圖3至圖5，圖3是本發(fā)明棱鏡裝置的第二實(shí)施例的立體示意圖，圖4是本發(fā)明棱鏡裝置的第二實(shí)施例的帶有第一截面的立體示意圖，圖5是本發(fā)明棱鏡裝置的第二實(shí)施例的帶有第二截面的立體示意圖。在本實(shí)施例中，棱鏡單元為正四棱錐，首先請(qǐng)參見(jiàn)圖4，如圖4所示，正四棱錐300包括面AHK、面AIJ以及面HIJK，并且該正四棱錐300具有一垂直于面AHK、面AIJ以及面HIJK的截面AYZ，且該截面AYZ為等腰三角形，并且，面AHK和面AIJ的夾角為Θ。請(qǐng)參見(jiàn)圖5，與圖4相比，圖5中的截面AMN為切割正四棱錐的另外兩個(gè)面(面AHI和面AKJ)所得，同樣地，該截面AMN垂直于面AHI、面AKJ以及面HIJK，且該截面AMN為等腰三角形，并且，面AHI和面AKJ的夾角同樣為Θ。以下請(qǐng)參見(jiàn)圖6和圖7，圖6是本發(fā)明棱鏡裝置的第一入射光線的光路圖，圖7是本發(fā)明棱鏡裝置的第二入射光線的光路圖。如圖6和圖7所示，棱鏡單元100可為圖2所示、實(shí)施例中所述的三棱柱200或第二實(shí)施例中所述的正四棱錐300，其中，面S為三棱柱200的截面WYJ，或正四棱錐300的截面AYZ，第一面SI可對(duì)應(yīng)于三棱柱的面OQLN，第二面S2可對(duì)應(yīng)于三棱柱的面PQNM，第三面S3可對(duì)應(yīng)于三棱柱的面OPML。另外，第一面SI也可對(duì)應(yīng)于正四棱錐300的面AHK，第二面S2可對(duì)應(yīng)于正四棱錐300的面AIJ，第三面S3可對(duì)應(yīng)于正四棱錐300的面HIJK。同樣地，第一面SI也可對(duì)應(yīng)于正四棱錐300的面AHI，第二面S2可對(duì)應(yīng)于正四棱錐300的面AKJ，第三面S3可對(duì)應(yīng)于正四棱錐300的面HIJK。請(qǐng)進(jìn)一步參見(jiàn)圖6和圖7，第一面SI、第二面S2以及第三面S3兩兩相交，從第一面SI和/或第二面S2入射的第一入射光LI經(jīng)棱鏡單元100光路調(diào)整后從第三面S3出射，從第三面S3入射的第二入射光L2經(jīng)棱鏡單元100光路調(diào)整后，至少部分從第三面S3出射。在本發(fā)明中，經(jīng)過(guò)模擬設(shè)計(jì)及多次試驗(yàn)可知，若棱鏡單元100滿(mǎn)足以下關(guān)系式，則可有效保證第一入射光LI經(jīng)棱鏡單元100光路調(diào)整后能從第三面S3出射，其中，該關(guān)系式為arccos (1/n) ^ Θ /2+arcsin (cos ( θ /2+Φ)/η)(I)其中，θ為第一面SI和第二面S2的夾角，且為截面所示的等腰三角形的頂角，η為棱鏡單兀100的折射率，Φ為第一入射光LI的入射方向與垂直并指向第三面S3的方向的夾角。以下將具體說(shuō)明關(guān)系式⑴的推導(dǎo)過(guò)程首先，如圖6和圖7所示，從下向上入射并與垂直并指向第三面S3的方向的夾角為Φ的第一入射光LI在某種條件下可以經(jīng)過(guò)一系列的折射得以從第三面S3出射。對(duì)于第一面SI和第二面S2的夾角為Θ的棱鏡單元100，假設(shè)第一入射光線LI在截面S上，那么第一入射光LI入射到棱鏡單元100的第一面SI的入射角是90- Θ /2-Φ，根據(jù)光的折射定律，其出射角為arcsin (cos ( Θ /2+ Φ ) /n)，其中η是棱鏡單元100的折射率，其為棱鏡單元100的材料所決定。經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到在第一面SI上經(jīng)第一次折射后的第一入射光LI入射到第三面S3 的入射角度為 90- Θ /2-arcsin (cos ( θ /2+ Φ) /η)。為了使第一入射光LI可以順利從第三面S3出射，入射角必須能夠保證不發(fā)生全反射，即90- Θ /2-arcsin (cos ( θ /2+ Φ) /n) ^ arcsin (1/n)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換得到arccos (1/n) ^ Θ /2+arcsin (cos ( θ /2+Φ)/η)(I)在關(guān)系式(I)中的小于等于關(guān)系，是對(duì)于棱鏡單元100的折射率η、第一面SI和第二面S2的夾角Θ以及第一入射光LI的入射方向與垂直并指向第三面S3的方向的夾角Φ的一種限制。當(dāng)滿(mǎn)足相等關(guān)系時(shí)，對(duì)應(yīng)的情況是第一入射光LI經(jīng)過(guò)第一面SI折射后，入射到第三面S3是剛好處于發(fā)生全反射的臨界條件，即理論上沿著與第三面S3相平行的方向出射。 而根據(jù)光路可逆的原理，入射到第三面S3上的第二入射光LI只有平行于第三面S3才能得以透過(guò)，而這種光線的能量比例極低。入射到第三面S3上的第二入射光L2如圖7所示會(huì)在棱鏡單兀100的內(nèi)部反射后從第三面S3出射。
結(jié)合之前的推導(dǎo)，就實(shí)現(xiàn)了從棱鏡單元100的第一面SI或第二面S2入射的第一入射光LI得以透過(guò)第三面S3，從第三面S3入射的第二入射光L2則會(huì)被棱鏡單元100反射的單面透過(guò)效果。請(qǐng)參見(jiàn)圖8，圖8是本發(fā)明棱鏡裝置的第三實(shí)施例的立體示意圖。如圖8所示，在本實(shí)施例中，棱鏡裝置400包括基座10和多個(gè)第一實(shí)施例中所述的三棱柱200，基座10包括表面11和底面12，多個(gè)三棱柱200的第三面(對(duì)應(yīng)于第一實(shí)施例所述的面0PML)設(shè)置在表面11上，并且，基座10與該多個(gè)三棱柱200 —體成型。通過(guò)以上設(shè)置可使得本發(fā)明的棱鏡裝置400可形成一由多個(gè)三棱柱200和基座10所組成的棱鏡膜，只要使得每一三棱柱200的第一面LI (對(duì)應(yīng)于第一實(shí)施例中所述的面0QLN)和第二面L2(對(duì)應(yīng)于第一實(shí)施例中所述的面PQNM)的夾角Θ、第一入射光的入射方向與垂直并指向基座的底面12的方向的夾角Φ以及三棱柱200的折射率η滿(mǎn)足關(guān)系式 (I)，就可實(shí)現(xiàn)從三棱柱200的第一面LI和/或第二面L2入射的第一入射光得以透過(guò)第三面(對(duì)應(yīng)于第一實(shí)施例所述的面0PML)，從第三面入射的第二入射光則會(huì)被三棱柱200反射的單面透過(guò)效果。請(qǐng)參見(jiàn)圖9，圖9是本發(fā)明棱鏡裝置的第四實(shí)施例的立體示意圖。如圖9所示，在本實(shí)施例中，棱鏡裝置500包括基座20和多個(gè)第二實(shí)施例中所述的正四棱錐，基座20包括表面(圖未標(biāo)號(hào))，多個(gè)正四棱錐300設(shè)置在表面上，并且，基座20與該多個(gè)正四棱錐300一體成型。同樣地，通過(guò)以上設(shè)置可使得本發(fā)明的棱鏡裝置500可形成一由多個(gè)正四棱錐300和基底20所組成的棱鏡膜，只要使得每一正四棱錐300的第一面Rl和第二面R2的夾角Θ、第一入射光的入射方向與垂直并指向第三面22的方向的夾角Φ以及正四棱錐300的折射率η滿(mǎn)足關(guān)系式(I)，就可實(shí)現(xiàn)從第一面Rl或第二面R2入射的第一入射光得以透過(guò)第三面(對(duì)應(yīng)于第二實(shí)施例中所述的面HIJK)，從第三面入射的第二入射光則會(huì)被正四棱錐300反射的單面透過(guò)效果。值得注意的是，在本實(shí)施例中，僅以正四棱錐300作為說(shuō)明，但，本發(fā)明可以利用側(cè)面?zhèn)€數(shù)為2m的正棱錐作為棱鏡單元，m為正整數(shù)，且m彡2，即，正四棱錐、正六棱錐、正八棱錐等均可在本發(fā)明中使用。請(qǐng)參見(jiàn)圖10，圖10是本發(fā)明棱鏡裝置在第三和第四實(shí)施例中的截面示意圖，如圖10所示，三棱柱的截面和正四棱錐的截面實(shí)際上是相同的，因此，本發(fā)明的棱鏡裝置可包括多個(gè)棱鏡單元以及與棱鏡單元具有相同材料的基座，基座包括一表面，多個(gè)棱鏡單元設(shè)置在表面上，基座與多個(gè)棱鏡單元一體成型，從而使得本發(fā)明的棱鏡裝置可為薄膜狀，可在實(shí)際應(yīng)用中替代濾光片。請(qǐng)參見(jiàn)圖11，圖11是本發(fā)明棱鏡裝置的第六實(shí)施例的示意圖。在上述第三和第四實(shí)施例中設(shè)置了多個(gè)棱鏡單元，但在薄膜狀的棱鏡單元上設(shè)置多個(gè)棱鏡單元的話(huà)，往往需要將棱鏡單元設(shè)置得非常小，使得加工難度較大，因此，在本實(shí)施例中，如圖11所示，僅采用了一個(gè)棱鏡單元90，其中，該棱鏡單元90可為上述的三棱柱或正棱錐，其中，當(dāng)采用正棱錐時(shí)，正棱錐的側(cè)面?zhèn)€數(shù)為2m，m為正整數(shù)，且m彡2。激發(fā)光源50產(chǎn)生第一入射光線LI，第一入射光線LI經(jīng)準(zhǔn)直透鏡60后變?yōu)槠叫泄馐肷涞嚼忡R單元90的第一面Hl和第二面H2，并從第三面H3出射，而出射后的第一入射光線LI經(jīng)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置70 (或散光裝置)后，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置70吸收第一入射光線LI并產(chǎn)生受激光，該受激光中包括朝向第三面H3入射的第二入射光線L2，該第二入射光線L2從第三面H3入射，會(huì)被棱鏡單元90反射，并從第三面H3出射。請(qǐng)參見(jiàn)圖12，圖12是本發(fā)明棱鏡裝置的第七實(shí)施例的示意圖。如圖12所示，面S可為上述的三棱柱200的截面WYJ，或上述的正四棱錐300的截面AYZ，或其他具有偶數(shù)個(gè)側(cè)面的正棱錐的對(duì)應(yīng)截面，事實(shí)上，從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，對(duì)于從下向上入射并與垂直并指向第三面的方向的夾角為Φ的第一入射光LI，只要Φ古0，則顯然該第一入射光LI與第三面S3的夾角一定不等于Φ，也就是說(shuō)對(duì)于棱鏡單元的不同面具有不同方向的第一入射光LI而言，關(guān)系式(I)中的Φ取值隨第一入射光LI的方向而不同，這就給棱鏡單元的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。這樣為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和達(dá)到最佳效果，一種優(yōu)選的方案是，令Φ =0。此時(shí)關(guān)系式
(I)變形為arccos(1/n) ^ Θ/2+arcsin(cos(θ/2)/η)(2)
關(guān)系式(2)對(duì)棱鏡單元的材料的折射率η和第一面SI與第二面S2的夾角Θ的關(guān)系進(jìn)行了限制，但該關(guān)系式僅保證從第一面SI和/或第二面S2入射并垂直于第三面S3的第一入射光線LI能夠透過(guò)，并不能保證反方向的第二入射光線L2(圖未示)可以得到最大的反射。因此需要通過(guò)軟件仿真及模擬計(jì)算找出最優(yōu)的折射率η和第一面SI與第二面S2的夾角Θ的具體數(shù)值。請(qǐng)進(jìn)一步參見(jiàn)圖13，圖13是本發(fā)明棱鏡裝置的第六實(shí)施例中頂角角度與光能量透過(guò)率的關(guān)系示意圖。如圖13所示，圖中的曲線為經(jīng)光學(xué)軟件模擬所得，從第一面SI和/或第二面S2入射并垂直于第三面S3的第一入射光線LI經(jīng)過(guò)棱鏡單元后，得以反射的比例與棱鏡單元的第一面SI與第二面S2的夾角Θ有關(guān)，通過(guò)改變?chǔ)?，并使η滿(mǎn)足前述的關(guān)系式(2)，得到圖13所示的透過(guò)率隨Θ的變化曲線。從圖13中可見(jiàn)，最優(yōu)化的Θ在90度附近，大致范圍在80 100度之間。最優(yōu)化的情況是，Θ = 90度，η = 2. 235，此時(shí)第二入射光L2從第三面S3入射后穿透棱鏡單元的比率僅為12%左右。請(qǐng)參見(jiàn)圖14，圖14是本發(fā)明棱鏡裝置在實(shí)際應(yīng)用中的光路圖。圖13及其對(duì)應(yīng)描述都是假設(shè)第一入射光LI是完美的平行光來(lái)論述的，而實(shí)際上，第一入射光LI不可能完美的平行，總會(huì)有一定的發(fā)散角，只有第一入射光LI的光束中軸線光線滿(mǎn)足Φ =0，而其余光線則圍繞該中軸線形成光錐，光錐的半錐角的光線對(duì)應(yīng)于該光錐最邊緣的光線，此時(shí)的光線示意如圖14所示。設(shè)入射光錐的半錐角為V，第一入射光L12為入射光錐的軸心方向，其到達(dá)第三面后滿(mǎn)足全反射的臨界條件而平行于第三面方向出射。對(duì)于該光錐的其它光線來(lái)說(shuō)，如圖第一入射光Lll和第一入射光L13所不，第一入射光L13由于可以滿(mǎn)足關(guān)系式(I)可以出射，而第一入射光Lll則發(fā)生全反射而造成損失。因此對(duì)于中軸線垂直于平面方向的入射光錐，并不能套用關(guān)系式(2)，而應(yīng)該使用關(guān)系式(I)，使第一入射光Lll代表的光錐的邊緣光線滿(mǎn)足全反射條件。在這種情況下，所有的光都沒(méi)有發(fā)生全反射，即所有光線均滿(mǎn)足arccos (1/n) ^ Θ /2+arcsin (cos ( θ /2+Φ)/η)(I)另外，在全反射臨界角附近，即使不發(fā)生全反射，其折射后的透過(guò)率也是很低的，即使鍍?cè)鐾改?于下文將會(huì)詳細(xì)介紹)作用也不顯著，出于這個(gè)原因，往往也不會(huì)剛好取臨界角，即(I)和(2)中的相等關(guān)系(I)的變形如下Θ /2+arcsin (cos ( θ /2+Φ)/η) -arccos (1/n) ^ O考慮到在界面折射時(shí)的反射率的因素，可以定義Θ /2+arcsin (cos ( θ /2+Φ)/η) -arccos (1/n) = μ (3)(3)中μ代表某一個(gè)指定的數(shù)值大于O角度.例如可以選取μ = 5度，此時(shí)就可以通過(guò)增透膜顯著的減少折射時(shí)的反射損耗，提高界面的透過(guò)率。請(qǐng)參見(jiàn)圖15，圖15是本發(fā)明棱鏡裝置的第七實(shí)施例的示意圖。如圖15所示，在本實(shí)施例中，在本發(fā)明的棱鏡單元的第三面S3上設(shè)置一偏振片30，其具體設(shè)置方法可以是放置并固定，或直接在第三面上加工。如圖15所示，對(duì)于從下向上傳播的第一入射光LI，若第一入射光LI具有固定的偏振態(tài)，只需要將偏振片30的偏振方向設(shè)置為與第一入射光LI的偏振方向平行,就可以使第一入射光LI不受阻擋的出射。而對(duì)于從上向下傳播的第二入射光L2(其一般為由第一入射光激發(fā)熒光粉發(fā)光或第一入射光經(jīng)過(guò)散光片散射而產(chǎn)生)是無(wú)偏振的，所以會(huì)有約一半的第二入射光L2直接由偏振片30反射為第二反射光L2’，另一半的第二入射光則通過(guò)棱鏡單元反射。這樣做的好處是，至少有一半的第二入射光L2不經(jīng)過(guò)棱鏡單元反射，避免了一半的透射損失。請(qǐng)參見(jiàn)圖16，圖16是本發(fā)明棱鏡裝置的第八實(shí)施例的示意圖。如圖16所示，本發(fā)明的棱鏡裝置進(jìn)一步包括第一增透膜40，第一增透膜40設(shè)置在第一面SI和第二面S2上，以提高第一入射光LI入射第一面SI和/或第二面S2的透過(guò)率。具體而言,在第一入射光LI入射到第一面SI時(shí)，會(huì)產(chǎn)生第一反射光LI ’，因此，在第一面SI上設(shè)置第一增透膜40，該第一增透膜40可使得第一反射光LI’的強(qiáng)度變小，從而提高第一入射光LI入射第一面SI的透過(guò)率。同理，棱鏡裝置還可以包括第二增透膜41，以提高第一入射光LI入射第三面S3的透過(guò)率。值得注意的是，上述的增透膜只能減小介質(zhì)-空氣界面帶來(lái)的反射。在空氣-介質(zhì)界面由于折射率的不連續(xù)，光入射時(shí)會(huì)發(fā)生一定的反射，折射率差越大，也就是介質(zhì)折射率越高，則光線的反射就越強(qiáng)，增透膜只能針對(duì)這一現(xiàn)象設(shè)計(jì)為鍍?cè)诮橘|(zhì)-空氣界面的薄膜，利用光的干涉原理來(lái)消除這種反射，以達(dá)到增加透過(guò)率的目的。以下參見(jiàn)圖17至圖19，對(duì)本發(fā)明的第九實(shí)施例作出具體說(shuō)明，其中，在本實(shí)施例中，第一入射光L101, L102設(shè)置為僅從第一面Dl入射,第二面D2設(shè)置為反射面,用于反射從第一面Dl入射的第一入射光L101、L102或從第三面D3入射的第二入射光L2，棱鏡單元具有一垂直于第一面D1、第二面D2以及第三面D3的截面D，截面D為直角三角形，直角三角形的兩條直角邊分別位于第二面D2和第三面D3。請(qǐng)參見(jiàn)圖17，圖17是本發(fā)明棱鏡裝置的第九實(shí)施例的第一入射光線光路示意圖。如圖17所不,第一入射光LlOl和第一入射光L102分別射入第一面Dl,其中第一入射光L102在棱鏡單元中經(jīng)兩次折射而從第三面D3出射，而第一入射光LlOl在第一面Dl折射后，經(jīng)第二面D2反射至第三面D3，經(jīng)第三面D3折射后出射。其中，圖17中的點(diǎn)劃線D1’和D3’為第二面D2所反射的虛擬鏡像，本實(shí)施例通過(guò)設(shè)置作為反射面的第二面D2，以等效出對(duì)稱(chēng)的鏡像，在限定第一入射光LlOl，L102僅從第一面Dl入射時(shí)，可達(dá)成與前述實(shí)施例相同的技術(shù)效果。其中，與前述實(shí)施例相同，第一面Dl和第一面鏡像D1’的夾角Θ，棱鏡單元的折射率n，第一入射光L101，L102的入射方向與垂直并指向第三面D3的方向的夾角Φ需滿(mǎn)足關(guān)系式⑴arccos (1/n) ^ Θ /2+arcsin (cos ( θ /2+Φ)/η)(I)而實(shí)際上第一面Dl和第一面鏡像D1’的夾角Θ等于第一面Dl和第二面D2的夾角5的兩倍，即5 = 6 /2。因此，公式(I)在本實(shí)施例中可轉(zhuǎn)換為 arccos(l/n) < 5+arcsin(cos(c5+^)/n)(4)其中為第一面Dl和第二面D2的夾角，η為棱鏡單元的折射率，Φ為第一入射光L101，L102的入射方向與垂直并指向第三面D3的方向的夾角。以下請(qǐng)進(jìn)一步參見(jiàn)圖18，圖18是本發(fā)明棱鏡裝置的第九實(shí)施例的第二入射光線光路示意圖。如圖18所示，第二入射光L2從第三面D3入射，經(jīng)第三面D3折射后，從第二面D2反射，再?gòu)牡谝幻鍰l反射，后經(jīng)第三面D3折射后出射，其中，圖18中的點(diǎn)劃線D1’和D3’為第二面D2所反射的虛擬鏡像，本實(shí)施例通過(guò)設(shè)置作為反射面的第二面D2，以等效出對(duì)稱(chēng)的鏡像，在第二入射光L2從第三面D3入射時(shí)，可達(dá)成與前述實(shí)施例相同的反射效果。在本實(shí)施例中的棱鏡單元的工作原理與前述的棱鏡單元相似，不同點(diǎn)在于在本實(shí)施例中只取用了原棱鏡單元的一半，中間的分解面鍍反射膜(即本實(shí)施例中的第二面D2)。由于反射膜的鏡像作用使得入射到反射膜上的光線沿鏡像返回，其返回軌跡與前述實(shí)施例中的棱鏡單元中的光線軌跡(可參見(jiàn)圖17和圖18的點(diǎn)劃線部分)也呈鏡像關(guān)系，因此具有相同的性能。因此，在本實(shí)施例中，將前述實(shí)施例中的棱鏡單元去掉一半，并配合反射膜，也可以實(shí)現(xiàn)前述棱鏡單元的功能。值得注意的是，在本實(shí)施例中，棱鏡單元可為一側(cè)面與第三面垂直的棱錐或三棱柱。請(qǐng)進(jìn)一步參見(jiàn)圖19，圖19是本發(fā)明棱鏡裝置的第九實(shí)施例的立體示意圖。如圖19所示，可在正四棱錐900沿軸截面AEB和軸截面AFD剖開(kāi)，并在面AOD和面AOB上鍍上反射膜，就可以使得照射到面ABC或面ADC上的第一入射光線從面ODCB出射，使得照射到面OB⑶的第二入射光線至少部分從面ODCB出射。當(dāng)然，滿(mǎn)足以上技術(shù)效果的前提為以下關(guān)系式成立arccos (1/n) ^ a +arcsin (cos ( α + φ) /n)(5)其中，α為面ABC和面AOD的夾角，η為棱鏡單元的折射率，Φ為第一入射光的入射方向與垂直并指向面ODCB的方向的夾角。并且，以下關(guān)系式亦需同時(shí)成立arccos (1/n) ^ β +arcsin (cos ( β + Φ) /n)(6)其中，β為面A⑶和面AOB的夾角，η為棱鏡單元的折射率，Φ為第一入射光的入射方向與垂直并指向面ODCB的方向的夾角。請(qǐng)參見(jiàn)圖20，圖20是本發(fā)明棱鏡裝置的第十實(shí)施例的立體示意圖。如圖20所示，作為第九實(shí)施例的進(jìn)一步擴(kuò)展，通過(guò)將面Z設(shè)置為反射面，公式(4)亦可作用于三棱柱600中，其原理于上述第九實(shí)施例一致，于此不再贅述。請(qǐng)參見(jiàn)圖21，圖21是本發(fā)明發(fā)光系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意圖。如圖21所示，本發(fā)明進(jìn)一步提供一種發(fā)光系統(tǒng)700，其包括上述的棱鏡裝置，且進(jìn)一步包括激發(fā)光源701和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置703,激發(fā)光源701產(chǎn)生第一入射光,第一入射光從第一面和/或第二面入射，經(jīng)棱鏡單元光路調(diào)整后，從第三面出射至波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置703，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置703將第一入射光轉(zhuǎn)換為與第一入射光具有不同波長(zhǎng)的第二入射光，部分第二入射光從第三面入射，經(jīng)棱鏡單元光路調(diào)整后，從第三面出射。優(yōu)選地，激發(fā)光源701設(shè)置在棱鏡裝置702的第一面和第二面所在一側(cè)，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置703設(shè)置在棱鏡裝置的第三面所在一側(cè)。可以理解的是，只要能使激發(fā)光源產(chǎn)生的第一入射光從第一面和/或第二面入射，從波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置703出射的第二入射光從第三面入射，激發(fā)光源701、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置703與棱鏡裝置702的位置關(guān)系也可以采用設(shè)置方式。
此外，在棱鏡裝置702的第三面S3上還可以設(shè)置一個(gè)干涉濾光片，該干涉濾光片介于第三面S3與波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置703之間，用于透射第三面S3出射的第一入射光且反射來(lái)自波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置703的部分第二入射光。此時(shí)，本發(fā)明棱鏡裝置可反射被干涉濾光片透射的部分第二入射光，和反射被波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料層反射的第一入射光。其中，上述的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置703也可使用散光裝置來(lái)代替，具體而言，激發(fā)光源701產(chǎn)生第一入射光,第一入射光從第一面和/或第二面入射，經(jīng)棱鏡單兀光路調(diào)整后，從第三面出射至散光裝置；散光裝置對(duì)第一入射光進(jìn)行發(fā)散處理以產(chǎn)生朝向第三面入射的第二入射光，第二入射光從第三面入射，經(jīng)棱鏡單元光路調(diào)整后，從第三面出射。優(yōu)選地，激發(fā)光源701設(shè)置在棱鏡裝置702的第一面和第二面所在一側(cè)，散光裝置設(shè)置在棱鏡裝置的第三面所在一側(cè)?？梢岳斫獾氖牵灰苁辜ぐl(fā)光源產(chǎn)生的第一入射光從第一面和/或第二面入射，從散光裝置出射的第二入射光從第三面入射，激發(fā)光源701、散光裝置與棱鏡裝置702的位置關(guān)系也可以采用設(shè)置方式。請(qǐng)參見(jiàn)圖22，圖22是本發(fā)明發(fā)光系統(tǒng)第一實(shí)施例的示意圖。如圖22所述，本發(fā)明進(jìn)一步揭示一種發(fā)光系統(tǒng)800，包括上述棱鏡裝置，且進(jìn)一步包括激發(fā)光源801、散光裝置和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置(在圖22中二者均以803標(biāo)示)以及馬達(dá)(圖未示)，棱鏡裝置802分別包括第一部分和第二部分，第一部分與散光裝置對(duì)應(yīng)設(shè)置，第二部分與波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置對(duì)應(yīng)設(shè)置，棱鏡裝置802、散光裝置以及波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置803相對(duì)固定，并在馬達(dá)的定速驅(qū)動(dòng)下同步運(yùn)動(dòng)，激發(fā)光源801產(chǎn)生第一入射光，第一入射光經(jīng)由棱鏡裝置802周期性照射于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置以及散光裝置803以產(chǎn)生朝向第三面入射的第二入射光，第二入射光經(jīng)由棱鏡裝置802的光路調(diào)整后，從第三面出射。值得注意的是，在圖22中，散光裝置以及波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置803為圓盤(pán)狀，此時(shí)，其與棱鏡裝置802同軸固定。但，在本發(fā)明的備選實(shí)施例中，棱鏡裝置802以及波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置803還可以為帶狀或筒狀，二者相對(duì)固定，可利用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)棱鏡裝置802以及波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置803線性平移以使得第一入射光經(jīng)由棱鏡裝置802周期性照射于波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置以及散光裝置 803。請(qǐng)進(jìn)一步參見(jiàn)圖22，在優(yōu)選實(shí)施例中，進(jìn)一步設(shè)置光收集系統(tǒng)804、光調(diào)制器件805以及成像透鏡806與發(fā)光系統(tǒng)800協(xié)同使用，其中，光收集系統(tǒng)804從波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置和散光裝置803收集第一入射光和第二入射光并發(fā)送至光調(diào)制器件805進(jìn)行調(diào)制，光調(diào)制器件805將調(diào)制后的第一入射光和第二入射光發(fā)送至成像透鏡806，成像透鏡806根據(jù)第一入射光和第二入射光進(jìn)行成像，具體而言，可成像于屏幕807上。值得注意的是，上述的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置可包括多個(gè)不同的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換區(qū)，以產(chǎn)生具有周期性色序的第二入射光。本發(fā)明還提供了一種投影系統(tǒng)，其使用上述任意一種棱鏡裝置。綜上所述，本發(fā)明的棱鏡裝置、發(fā)光系統(tǒng)及投影系統(tǒng)中的棱鏡裝置設(shè)置為使得入射到第一面和/或第二面的第一入射光從第三面出射，入射到第三面的第二入射光從第三面出射，可使得射入到棱鏡裝置的光線僅允許進(jìn)行單向傳輸，且 無(wú)需限定光線的入射角度，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，并能夠有效降低制造成本。以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專(zhuān)利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書(shū)及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專(zhuān)利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種棱鏡裝置，其特征在于，所述棱鏡裝置包括至少一個(gè)棱鏡單元，所述棱鏡單元至少包括第一面、第二面以及第三面，所述第一面、第二面以及第三面兩兩相交，從所述第一面和/或第二面入射的第一入射光經(jīng)所述棱鏡單元光路調(diào)整后從所述第三面出射，從所述第三面入射的第二入射光經(jīng)所述棱鏡單元光路調(diào)整后，至少部分從所述第三面出射。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的棱鏡裝置，其特征在于，所述棱鏡單元具有一垂直于所述第一面、第二面以及第三面的截面，所述截面為等腰三角形，且所述棱鏡單元滿(mǎn)足關(guān)系式arccos (1/n) ^ Θ /2+arcsin (cos ( θ /2+Φ)/η) 其中，所述θ為所述第一面和所述第二面的夾角，且為所述等腰三角形的頂角，所述η為所述棱鏡單元的折射率，所述Φ為所述第一入射光的入射方向與垂直并指向所述第三面的方向的夾角。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的棱鏡裝置，其特征在于，所述棱鏡裝置包括多個(gè)所述棱鏡單元以及與所述棱鏡單元具有相同材料的基座，所述基座包括一表面，多個(gè)所述棱鏡單元的第三面設(shè)置在所述表面上，所述基座與多個(gè)所述棱鏡單元一體成型。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的棱鏡裝置，其特征在于，所述Φ為0，所述η為2.235，所述Θ在80 100度之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的棱鏡裝置，其特征在于，所述棱鏡單元為三棱柱。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的棱鏡裝置，其特征在于，所述棱鏡單元為正棱錐，其中，所述正棱錐的側(cè)面?zhèn)€數(shù)為2m，m為正整數(shù)，且m彡2。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的棱鏡裝置，其特征在于，所述第一入射光設(shè)置為僅從所述第一面入射，所述第二面設(shè)置為反射面，用于反射從所述第一面入射的所述第一入射光或從所述第三面入射的所述第二入射光，所述棱鏡單元具有一垂直于所述第一面、第二面以及第三面的截面，所述截面為直角三角形，所述直角三角形的兩個(gè)直角邊分別位于所述第二面和所述第三面，且所述棱鏡單元滿(mǎn)足關(guān)系式 arccos(l/n) < 5+arcsin(cos(c5+^)/n) 其中，所述3為所述第一面和所述第二面的夾角，所述η為所述棱鏡單元的折射率，所述Φ為所述第一入射光的入射方向與垂直并指向所述第三面的方向的夾角。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的棱鏡裝置，其特征在于，所述棱鏡裝置進(jìn)一步包括第一增透膜，所述第一增透膜設(shè)置在所述第三面上；和/或， 第二增透膜，所述第二增透膜設(shè)置在所述第一面或第二面上。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的棱鏡裝置，其特征在于，所述棱鏡裝置進(jìn)一步包括偏振片，所述偏振片設(shè)置在所述第三面上，所述偏振片的偏振方向設(shè)置為與所述第一入射光的偏振方向平行。
10.一種發(fā)光系統(tǒng)，其特征在于，包括權(quán)利要求I至9任一項(xiàng)所述的棱鏡裝置，所述發(fā)光系統(tǒng)進(jìn)一步包括激發(fā)光源和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置； 所述激發(fā)光源產(chǎn)生所述第一入射光，所述第一入射光從所述第一面和/或所述第二面入射，經(jīng)所述棱鏡單元光路調(diào)整后，從所述第三面出射至所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置； 所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置將所述第一入射光轉(zhuǎn)換為與所述第一入射光具有不同波長(zhǎng)的所述第二入射光，部分所述第二入射光從所述第三面入射，經(jīng)所述棱鏡單元光路調(diào)整后，從所述第三面出射。
11.一種發(fā)光系統(tǒng)，其特征在于，包括權(quán)利要求I至9任一項(xiàng)所述的棱鏡裝置，所述發(fā)光系統(tǒng)進(jìn)一步包括激發(fā)光源和散光裝置； 所述激發(fā)光源產(chǎn)生所述第一入射光，所述第一入射光從所述第一面和/或所述第二面入射，經(jīng)所述棱鏡單元光路調(diào)整后，從所述第三面出射至所述散光裝置； 所述散光裝置對(duì)所述第一入射光進(jìn)行發(fā)散處理以產(chǎn)生朝向所述第三面入射的所述第二入射光，所述第二入射光從所述第三面入射，經(jīng)所述棱鏡單元光路調(diào)整后，從所述第三面出射。
12.一種發(fā)光系統(tǒng)，其特征在于，包括權(quán)利要求I至9任一項(xiàng)所述的棱鏡裝置，所述發(fā)光系統(tǒng)進(jìn)一步包括激發(fā)光源、散光裝置、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置以及馬達(dá)，所述棱鏡裝置分別包括第一部分和第二部分，所述第一部分與所述散光裝置對(duì)應(yīng)設(shè)置，所述第二部分與所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置對(duì)應(yīng)設(shè)置，所述棱鏡裝置、所述散光裝置以及所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置相對(duì)固定，并在所述馬達(dá)的定速驅(qū)動(dòng)下同步運(yùn)動(dòng)，所述激發(fā)光源產(chǎn)生所述第一入射光，所述第一入射光經(jīng)由所述棱鏡裝置周期性照射于所述波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置以及所述散光裝置以產(chǎn)生朝向所述第三面入射的第二入射光，所述第二入射光經(jīng)由所述棱鏡裝置的光路調(diào)整后，從所述第三面出射。
13.一種投影系統(tǒng)，其特征在于，包括如權(quán)利要求I至9中任一項(xiàng)所述的棱鏡裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種棱鏡裝置、發(fā)光系統(tǒng)以及投影系統(tǒng)。棱鏡裝置包括至少一個(gè)棱鏡單元，棱鏡單元至少包括第一面、第二面以及第三面，第一面、第二面以及第三面兩兩相交，從第一面和/或第二面入射的第一入射光經(jīng)棱鏡單元光路調(diào)整后從第三面出射，從第三面入射的第二入射光經(jīng)棱鏡單元光路調(diào)整后，至少部分從第三面出射。通過(guò)上述方式，可使得射入到棱鏡裝置的光線僅允許進(jìn)行單向傳輸，且無(wú)需限定光線的入射角度。
文檔編號(hào)F21V5/02GK102644898SQ20111035528
公開(kāi)日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者楊毅 申請(qǐng)人:深圳市光峰光電技術(shù)有限公司