CN102644898B - 发光系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种棱镜装置、发光系统以及投影系统。棱镜装置包括至少一个棱镜单元，棱镜单元至少包括第一面、第二面以及第三面，第一面、第二面以及第三面两两相交，从第一面和/或第二面入射的第一入射光经棱镜单元光路调整后从第三面出射，从第三面入射的第二入射光经棱镜单元光路调整后，至少部分从第三面出射。通过上述方式，可使得射入到棱镜装置的光线仅允许进行单向传输，且无需限定光线的入射角度。

Description

发光系统

技术领域

本发明涉及照明和显示用的光源技术领域，特别是涉及一种棱镜装置、发光系统以及投影系统。

背景技术

在现有技术中，为了产生高亮度时序色光，一般而言会将激发光源收集并聚焦于一个荧光粉转盘上激发荧光粉材料发光，并随着转盘的转动产生周期性时序的色光序列。而在该方法中，需要在激发光和荧光材料之间使用一个滤光片，该滤光片使蓝光透射同时反射荧光粉受激发光，目的是使荧光粉面向光源的发光被反射到另一面得以出射，以增强荧光粉出射面的发光亮度，理论上该滤光片可以增强发光亮度80%～100%。

而在现有技术中往往会采用光学镀膜的方式周期性的把高折射率和低折射率的透明材料镀在一个玻璃基材表面，利用光线的干涉原理选择性的透过或反射特定角度和波长的光线。例如，激发光采用400～480nm的蓝光，采用发光波段为500～800nm的荧光粉，则可以通过对光学滤光片的设计，实现在激发光的入射角内透过激发蓝光，同时在整个角度空间内反射荧光粉发光。

但现有技术中的光学滤光片的设计存在以下问题，就是实现光学滤光片的方法都依赖于光学镀膜方法，其缺点是透射/反射谱线与入射角度有关，因此存在理论上的极限，限制了这些膜片在使用中的性能。另外光学镀膜设备昂贵，使得镀膜的成本居高不下。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种发光系统，可使得入射到棱镜装置的光线允许进行单向传输，且无需限定光线的入射角度。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是：提供一种发光系统，包括棱镜装置，发光系统进一步包括激发光源和波长转换装置；棱镜装置包括至少一个棱镜单元，棱镜单元至少包括第一面、第二面以及第三面，第一面、第二面以及第三面两两相交，从第一面和/或第二面入射的第一入射光经棱镜单元光路调整后从第三面出射，从第三面入射的第二入射光经棱镜单元光路调整后，至少部分从第三面出射；激发光源产生第一入射光，第一入射光从第一面和/或第二面入射，经棱镜单元光路调整后，从第三面出射至波长转换装置；波长转换装置将第一入射光转换为与第一入射光具有不同波长的第二入射光，部分第二入射光从第三面入射，经棱镜单元光路调整后，从第三面出射。

本发明还提供一种发光系统，包括棱镜装置，发光系统进一步包括激发光源和散光装置；棱镜装置包括至少一个棱镜单元，棱镜单元至少包括第一面、第二面以及第三面，第一面、第二面以及第三面两两相交，从第一面和/或第二面入射的第一入射光经棱镜单元光路调整后从第三面出射，从第三面入射的第二入射光经棱镜单元光路调整后，至少部分从第三面出射；激发光源产生第一入射光，第一入射光从第一面和/或第二面入射，经棱镜单元光路调整后，从第三面出射至散光装置；散光装置对第一入射光进行发散处理以产生朝向第三面入射的第二入射光，第二入射光从第三面入射，经棱镜单元光路调整后，从第三面出射。

本发明还提供一种发光系统，包括棱镜装置，发光系统进一步包括激发光源、散光装置、波长转换装置以及马达，棱镜装置包括至少一个棱镜单元，棱镜单元至少包括第一面、第二面以及第三面，第一面、第二面以及第三面两两相交，从第一面和/或第二面入射的第一入射光经棱镜单元光路调整后从第三面出射，从第三面入射的第二入射光经棱镜单元光路调整后，至少部分从第三面出射；棱镜装置分别包括第一部分和第二部分，第一部分与散光装置对应设置，第二部分与波长转换装置对应设置，棱镜装置、散光装置以及波长转换装置相对固定，并在马达的定速驱动下同步运动，激发光源产生第一入射光，第一入射光经由棱镜装置周期性照射于波长转换装置以及散光装置以产生朝向第三面入射的第二入射光，第二入射光经由棱镜装置的光路调整后，从第三面出射。

其中，棱镜单元具有一垂直于第一面、第二面以及第三面的截面，截面为等腰三角形，且棱镜单元满足关系式：

arccos(1/n)≤θ/2+arcsin(cos(θ/2+φ)/n)

其中，θ为第一面和第二面的夹角，且为等腰三角形的顶角，n为棱镜单元的折射率，φ为第一入射光的入射方向与垂直并指向第三面的方向的夹角。

其中，棱镜装置包括多个棱镜单元以及与棱镜单元具有相同材料的基座，基座包括一表面，多个棱镜单元的第三面设置在表面上，基座与多个棱镜单元一体成型。

其中，φ为0，n为2.235，θ在80～100度之间。

其中，棱镜单元为三棱柱。

其中，棱镜单元为正棱锥，每个正棱锥的侧面个数为2m，m为正整数，且m≥2。

其中，第一入射光设置为仅从第一面入射，第二面设置为反射面，用于反射从第一面入射的第一入射光或从第三面入射的第二入射光，棱镜单元具有一垂直于第一面、第二面以及第三面的截面，截面为直角三角形，直角三角形的两个直角边分别位于第二面和第三面，且棱镜单元满足关系式：

$\arccos (1/n)\≤\∂+\arcsin (\cos (\∂+\mathrm{\φ})/n)$

其中，为第一面和第二面的夹角，n为棱镜单元的折射率，φ为第一入射光的入射方向与垂直并指向第三面的方向的夹角。

其中，棱镜装置进一步包括第一增透膜，第一增透膜设置在第三面上；和/或，第二增透膜，第二增透膜设置在第一面或第二面上。

其中，棱镜装置进一步包括偏振片，偏振片设置在第三面上，偏振片的偏振方向设置为与第一入射光的偏振方向平行。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是：提供一种发光系统，包括上述的棱镜装置，发光系统进一步包括激发光源和波长转换装置，激发光源产生第一入射光，第一入射光从第一面和/或第二面入射，经棱镜单元光路调整后，从第三面出射至波长转换装置；波长转换装置将第一入射光转换为与第一入射光具有不同波长的第二入射光，部分第二入射光从第三面入射，经棱镜单元光路调整后，从第三面出射。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是：提供一种发光系统，包括上述的棱镜装置，发光系统进一步包括激发光源和散光装置，激发光源产生第一入射光，第一入射光从第一面和/或第二面入射，经棱镜单元光路调整后，从第三面出射至散光装置；散光装置对第一入射光进行发散处理，并产生朝向第三面入射的第二入射光，第二入射光从第三面入射，经棱镜单元光路调整后，从第三面出射。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是：提供一种发光系统，包括上述的棱镜装置，发光系统进一步包括激发光源、散光装置、波长转换装置以及马达，棱镜装置分别包括第一部分和第二部分，第一部分与散光装置对应设置，第二部分与波长转换装置对应设置，棱镜装置、散光装置以及波长转换装置相对固定，并在马达的定速驱动下同步运动，激发光源产生第一入射光，第一入射光经由棱镜装置周期性照射于波长转换装置以及散光装置以产生朝向第三面入射的第二入射光，第二入射光经由棱镜装置的光路调整后，从第三面出射。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是：提供一种投影系统，包括上述的棱镜装置。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的棱镜装置、发光系统以及投影系统中的棱镜装置设置为使得入射到第一面和/或第二面的第一入射光从第三面出射，入射到第三面的第二入射光从第三面出射，可使得射入到棱镜装置的光线进行单向传输，且无需限定光线的入射角度。

附图说明

图1是本发明棱镜装置的第一实施例的立体示意图；

图2是本发明棱镜装置的第一实施例的带有截面的立体示意图；

图3是本发明棱镜装置的第二实施例的立体示意图；

图4是本发明棱镜装置的第二实施例的带有第一截面的立体示意图；

图5是本发明棱镜装置的第二实施例的带有第二截面的立体示意图；

图6是本发明棱镜装置的第一入射光线的光路图；

图7是本发明棱镜装置的第二入射光线的光路图；

图8是本发明棱镜装置的第三实施例的立体示意图；

图9是本发明棱镜装置的第四实施例的立体示意图；

图10是本发明棱镜装置在第三和第四实施例中的截面示意图；

图11是本发明棱镜装置的第六实施例的示意图；

图12是本发明棱镜装置的第七实施例的示意图；

图13是本发明棱镜装置的第六实施例中顶角角度与光能量透过率的关系示意图；

图14是本发明棱镜装置在实际应用中的光路图；

图15是本发明棱镜装置的第七实施例的示意图；

图16是本发明棱镜装置的第八实施例的示意图；

图17是本发明棱镜装置的第九实施例的第一入射光线光路示意图；

图18是本发明棱镜装置的第九实施例的第二入射光线光路示意图；

图19是本发明棱镜装置的第九实施例的立体示意图；

图20是本发明棱镜装置的第十实施例的立体示意图；

图21是本发明发光系统的第一实施例的示意图；

图22是本发明激光显示光源第一实施例的示意图。

具体实施方式

本发明所揭示的棱镜装置包括至少一棱镜单元，请参见图1和图2，图1是本发明棱镜装置的第一实施例的立体示意图，图2是本发明棱镜装置的第一实施例的带有截面的立体示意图。其中，如图1和图2所示，棱镜单元为三棱柱200，三棱柱200的侧面包括面OQNL、面PQNM以及面OPML，并且，该三棱柱200具有一垂直于面OQLM、面PQNM以及面OPML的截面WYJ，且该截面WYJ为等腰三角形，并且，面OQLM和面PQNM的夹角为θ，其中，θ为等腰三角形WYJ的顶角。

请进一步参见图3至图5，图3是本发明棱镜装置的第二实施例的立体示意图，图4是本发明棱镜装置的第二实施例的带有第一截面的立体示意图，图5是本发明棱镜装置的第二实施例的带有第二截面的立体示意图。

在本实施例中，棱镜单元为正四棱锥，首先请参见图4，如图4所示，正四棱锥300包括面AHK、面AIJ以及面HIJK，并且该正四棱锥300具有一垂直于面AHK、面AIJ以及面HIJK的截面AYZ，且该截面AYZ为等腰三角形，并且，面AHK和面AIJ的夹角为θ。

请参见图5，与图4相比，图5中的截面AMN为切割正四棱锥的另外两个面(面AHI和面AKJ)所得，同样地，该截面AMN垂直于面AHI、面AKJ以及面HIJK，且该截面AMN为等腰三角形，并且，面AHI和面AKJ的夹角同样为θ。

以下请参见图6和图7，图6是本发明棱镜装置的第一入射光线的光路图，图7是本发明棱镜装置的第二入射光线的光路图。如图6和图7所示，棱镜单元100可为图2所示实施例中所述的三棱柱200或第二实施例中所述的正四棱锥300，其中，面S为三棱柱200的截面WYJ，或正四棱锥300的截面AYZ，第一面S1可对应于三棱柱的面OQLN，第二面S2可对应于三棱柱的面PQNM，第三面S3可对应于三棱柱的面OPML。

另外，第一面S1也可对应于正四棱锥300的面AHK，第二面S2可对应于正四棱锥300的面AIJ，第三面S3可对应于正四棱锥300的面HIJK。同样地，第一面S1也可对应于正四棱锥300的面AHI，第二面S2可对应于正四棱锥300的面AKJ，第三面S3可对应于正四棱锥300的面HIJK。

请进一步参见图6和图7，第一面S1、第二面S2以及第三面S3两两相交，从第一面S1和/或第二面S2入射的第一入射光L1经棱镜单元100光路调整后从第三面S3出射，从第三面S3入射的第二入射光L2经棱镜单元100光路调整后，至少部分从第三面S3出射。

在本发明中，经过模拟设计及多次试验可知，若棱镜单元100满足以下关系式，则可有效保证第一入射光L1经棱镜单元100光路调整后能从第三面S3出射，其中，该关系式为：

arccos(1/n)≤θ/2+arcsin(cos(θ/2+φ)/n)      （1）

其中，θ为第一面S1和第二面S2的夹角，且为截面所示的等腰三角形的顶角，n为棱镜单元100的折射率，φ为第一入射光L1的入射方向与垂直并指向第三面S3的方向的夹角。

以下将具体说明关系式（1）的推导过程：

首先，如图6和图7所示，从下向上入射并与垂直并指向第三面S3的方向的夹角为φ的第一入射光L1在某种条件下可以经过一系列的折射得以从第三面S3出射。对于第一面S1和第二面S2的夹角为θ的棱镜单元100，假设第一入射光线L1在截面S上，那么第一入射光L1入射到棱镜单元100的第一面S1的入射角是90-θ/2-φ，根据光的折射定律，其出射角为arcsin(cos(θ/2+φ)/n)，其中n是棱镜单元100的折射率，其为棱镜单元100的材料所决定。

经过计算可以得到在第一面S1上经第一次折射后的第一入射光L1入射到第三面S3的入射角度为90-θ/2-arcsin(cos(θ/2+φ)/n)。

为了使第一入射光L1可以顺利从第三面S3出射，入射角必须能够保证不发生全反射，即：

90-θ/2-arcsin(cos(θ/2+φ)/n)≤arcsin(1/n)

经过数学变换得到：

arccos(1/n)≤θ/2+arcsin(cos(θ/2+φ)/n)     （1）

在关系式（1）中的小于等于关系，是对于棱镜单元100的折射率n、第一面S1和第二面S2的夹角θ以及第一入射光L1的入射方向与垂直并指向第三面S3的方向的夹角φ的一种限制。

当满足相等关系时，对应的情况是第一入射光L1经过第一面S1折射后，入射到第三面S3是刚好处于发生全反射的临界条件，即理论上沿着与第三面S3相平行的方向出射。而根据光路可逆的原理，入射到第三面S3上的第二入射光L1只有平行于第三面S3才能得以透过，而这种光线的能量比例极低。入射到第三面S3上的第二入射光L2如图7所示会在棱镜单元100的内部反射后从第三面S3出射。

结合之前的推导，就实现了从棱镜单元100的第一面S1或第二面S2入射的第一入射光L1得以透过第三面S3，从第三面S3入射的第二入射光L2则会被棱镜单元100反射的单面透过效果。

请参见图8，图8是本发明棱镜装置的第三实施例的立体示意图。如图8所示，在本实施例中，棱镜装置400包括基座10和多个第一实施例中所述的三棱柱200，基座10包括表面11和底面12，多个三棱柱200的第三面（对应于第一实施例所述的面OPML）设置在表面11上，并且，基座10与该多个三棱柱200一体成型。

通过以上设置可使得本发明的棱镜装置400可形成一由多个三棱柱200和基座10所组成的棱镜膜，只要使得每一三棱柱200的第一面L1（对应于第一实施例中所述的面OQLN）和第二面L2（对应于第一实施例中所述的面PQNM）的夹角θ、第一入射光的入射方向与垂直并指向基座的底面12的方向的夹角φ以及三棱柱200的折射率n满足关系式（1），就可实现从三棱柱200的第一面L1和/或第二面L2入射的第一入射光得以透过第三面（对应于第一实施例所述的面OPML），从第三面入射的第二入射光则会被三棱柱200反射的单面透过效果。

请参见图9，图9是本发明棱镜装置的第四实施例的立体示意图。如图9所示，在本实施例中，棱镜装置500包括基座20和多个第二实施例中所述的正四棱锥，基座20包括表面（图未标号），多个正四棱锥300设置在表面上，并且，基座20与该多个正四棱锥300一体成型。

同样地，通过以上设置可使得本发明的棱镜装置500可形成一由多个正四棱锥300和基底20所组成的棱镜膜，只要使得每一正四棱锥300的第一面R1和第二面R2的夹角θ、第一入射光的入射方向与垂直并指向第三面22的方向的夹角φ以及正四棱锥300的折射率n满足关系式（1），就可实现从第一面R1或第二面R2入射的第一入射光得以透过第三面（对应于第二实施例中所述的面HIJK），从第三面入射的第二入射光则会被正四棱锥300反射的单面透过效果。

值得注意的是，在本实施例中，仅以正四棱锥300作为说明，但，本发明可以利用侧面个数为2m的正棱锥作为棱镜单元，m为正整数，且m≥2，即，正四棱锥、正六棱锥、正八棱锥等均可在本发明中使用。

请参见图10，图10是本发明棱镜装置在第三和第四实施例中的截面示意图，如图10所示，三棱柱的截面和正四棱锥的截面实际上是相同的，因此，本发明的棱镜装置可包括多个棱镜单元以及与棱镜单元具有相同材料的基座，基座包括一表面，多个棱镜单元设置在表面上，基座与多个棱镜单元一体成型，从而使得本发明的棱镜装置可为薄膜状，可在实际应用中替代滤光片。

请参见图11，图11是本发明棱镜装置的第六实施例的示意图。在上述第三和第四实施例中设置了多个棱镜单元，但在薄膜状的棱镜单元上设置多个棱镜单元的话，往往需要将棱镜单元设置得非常小，使得加工难度较大，因此，在本实施例中，如图11所示，仅采用了一个棱镜单元90，其中，该棱镜单元90可为上述的三棱柱或正棱锥，其中，当采用正棱锥时，正棱锥的侧面个数为2m，m为正整数，且m≥2。

激发光源50产生第一入射光线L1，第一入射光线L1经准直透镜60后变为平行光束入射到棱镜单元90的第一面H1和第二面H2，并从第三面H3出射，而出射后的第一入射光线L1经波长转换装置70（或散光装置）后，波长转换装置70吸收第一入射光线L1并产生受激光，该受激光中包括朝向第三面H3入射的第二入射光线L2，该第二入射光线L2从第三面H3入射，会被棱镜单元90反射，并从第三面H3出射。

请参见图12，图12是本发明棱镜装置的第七实施例的示意图。如图12所示，面S可为上述的三棱柱200的截面WYJ，或上述的正四棱锥300的截面AYZ，或其他具有偶数个侧面的正棱锥的对应截面，事实上，从设计的角度出发，对于从下向上入射并与垂直并指向第三面的方向的夹角为φ的第一入射光L1，只要φ≠0，则显然该第一入射光L1与第三面S3的夹角一定不等于φ，也就是说对于棱镜单元的不同面具有不同方向的第一入射光L1而言，关系式（1）中的φ取值随第一入射光L1的方向而不同，这就给棱镜单元的设计带来了困难。这样为了简化设计和达到最佳效果，一种优选的方案是，令φ＝0。此时关系式（1）变形为：

arccos(1/n)≤θ/2+arcsin(cos(θ/2)/n)      （2）

关系式（2）对棱镜单元的材料的折射率n和第一面S1与第二面S2的夹角θ的关系进行了限制，但该关系式仅保证从第一面S1和/或第二面S2入射并垂直于第三面S3的第一入射光线L1能够透过，并不能保证反方向的第二入射光线L2(图未示)可以得到最大的反射。因此需要通过软件仿真及模拟计算找出最优的折射率n和第一面S1与第二面S2的夹角θ的具体数值。

请进一步参见图13，图13是本发明棱镜装置的第六实施例中顶角角度与光能量透过率的关系示意图。如图13所示，图中的曲线为经光学软件模拟所得，从第一面S1和/或第二面S2入射并垂直于第三面S3的第一入射光线L1经过棱镜单元后，得以反射的比例与棱镜单元的第一面S1与第二面S2的夹角θ有关，通过改变θ，并使n满足前述的关系式（2），得到图13所示的透过率随θ的变化曲线。

从图13中可见，最优化的θ在90度附近，大致范围在80～100度之间。最优化的情况是，θ=90度，n=2.235，此时第二入射光L2从第三面S3入射后穿透棱镜单元的比率仅为12%左右。

请参见图14，图14是本发明棱镜装置在实际应用中的光路图。图13及其对应描述都是假设第一入射光L1是完美的平行光来论述的，而实际上，第一入射光L1不可能完美的平行，总会有一定的发散角，只有第一入射光L1的光束中轴线光线满足φ＝0，而其余光线则围绕该中轴线形成光锥，光锥的半锥角的光线对应于该光锥最边缘的光线，此时的光线示意如图14所示。

设入射光锥的半锥角为ν，第一入射光L12为入射光锥的轴心方向，其到达第三面后满足全反射的临界条件而平行于第三面方向出射。对于该光锥的其它光线来说，如图第一入射光L11和第一入射光L13所示，第一入射光L13由于可以满足关系式（1）可以出射，而第一入射光L11则发生全反射而造成损失。

因此对于中轴线垂直于平面方向的入射光锥，并不能套用关系式（2），而应该使用关系式（1），使第一入射光L11代表的光锥的边缘光线满足全反射条件。

在这种情况下，所有的光都没有发生全反射，即所有光线均满足：arccos(1/n)≤θ/2+arcsin(cos(θ/2+φ)/n)        （1）

另外，在全反射临界角附近，即使不发生全反射，其折射后的透过率也是很低的，即使镀增透膜（于下文将会详细介绍）作用也不显著，出于这个原因，往往也不会刚好取临界角，即（1）和（2）中的相等关系。

（1）的变形如下：

θ/2+arcsin(cos(θ/2+φ)/n)-arccos(1/n)≥0

考虑到在界面折射时的反射率的因素，可以定义：

θ/2+arcsin(cos(θ/2+φ)/n)-arccos(1/n)＝μ        （3）

（3）中μ代表某一个指定的数值大于0角度.例如可以选取μ＝5度，此时就可以通过增透膜显著的减少折射时的反射损耗，提高界面的透过率。

请参见图15，图15是本发明棱镜装置的第七实施例的示意图。如图15所示，在本实施例中，在本发明的棱镜单元的第三面S3上设置一偏振片30，其具体设置方法可以是放置并固定，或直接在第三面上加工。

如图15所示，对于从下向上传播的第一入射光L1，若第一入射光L1具有固定的偏振态，只需要将偏振片30的偏振方向设置为与第一入射光L1的偏振方向平行，就可以使第一入射光L1不受阻挡的出射。而对于从上向下传播的第二入射光L2（其一般为由第一入射光激发荧光粉发光或第一入射光经过散光片散射而产生）是无偏振的，所以会有约一半的第二入射光L2直接由偏振片30反射为第二反射光L2’，另一半的第二入射光则通过棱镜单元反射。这样做的好处是，至少有一半的第二入射光L2不经过棱镜单元反射，避免了一半的透射损失。

请参见图16，图16是本发明棱镜装置的第八实施例的示意图。如图16所示，本发明的棱镜装置进一步包括第一增透膜40，第一增透膜40设置在第一面S1和第二面S2上，以提高第一入射光L1入射第一面S1和/或第二面S2的透过率。具体而言，在第一入射光L1入射到第一面S1时，会产生第一反射光L1’，因此，在第一面S1上设置第一增透膜40，该第一增透膜40可使得第一反射光L1’的强度变小，从而提高第一入射光L1入射第一面S1的透过率。同理，棱镜装置还可以包括第二增透膜41，以提高第一入射光L1入射第三面S3的透过率。

值得注意的是，上述的增透膜只能减小介质-空气界面带来的反射。在空气-介质界面由于折射率的不连续，光入射时会发生一定的反射，折射率差越大，也就是介质折射率越高，则光线的反射就越强，增透膜只能针对这一现象设计为镀在介质-空气界面的薄膜，利用光的干涉原理来消除这种反射，以达到增加透过率的目的。

以下参见图17至图19，对本发明的第九实施例作出具体说明，其中，在本实施例中，第一入射光L101，L102设置为仅从第一面D1入射，第二面D2设置为反射面，用于反射从第一面D1入射的第一入射光L101、L102或从第三面D3入射的第二入射光L2，棱镜单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为直角三角形，直角三角形的两条直角边分别位于第二面D2和第三面D3。

请参见图17，图17是本发明棱镜装置的第九实施例的第一入射光线光路示意图。如图17所示，第一入射光L101和第一入射光L102分别射入第一面D1，其中第一入射光L102在棱镜单元中经两次折射而从第三面D3出射，而第一入射光L101在第一面D1折射后，经第二面D2反射至第三面D3，经第三面D3折射后出射。其中，图17中的点划线D1’和D3’为第二面D2所反射的虚拟镜像，本实施例通过设置作为反射面的第二面D2，以等效出对称的镜像，在限定第一入射光L101，L102仅从第一面D1入射时，可达成与前述实施例相同的技术效果。

其中，与前述实施例相同，第一面D1和第一面镜像D1’的夹角θ，棱镜单元的折射率n，第一入射光L101，L102的入射方向与垂直并指向第三面D3的方向的夹角φ需满足关系式（1）：

arccos(1/n)≤θ/2+arcsin(cos(θ/2+φ)/n)       （1）

而实际上第一面D1和第一面镜像D1’的夹角θ等于第一面D1和第二面D2的夹角的两倍，即

因此，公式（1）在本实施例中可转换为：

$\arccos (1/n)\≤\∂+\arcsin (\cos (\∂+\mathrm{\φ})/n)---\left(4\right)$

其中，为第一面D1和第二面D2的夹角，n为棱镜单元的折射率，φ为第一入射光L101，L102的入射方向与垂直并指向第三面D3的方向的夹角。

以下请进一步参见图18，图18是本发明棱镜装置的第九实施例的第二入射光线光路示意图。如图18所示，第二入射光L2从第三面D3入射，经第三面D3折射后，从第二面D2反射，再从第一面D1反射，后经第三面D3折射后出射，其中，图18中的点划线D1’和D3’为第二面D2所反射的虚拟镜像，本实施例通过设置作为反射面的第二面D2，以等效出对称的镜像，在第二入射光L2从第三面D3入射时，可达成与前述实施例相同的反射效果。

在本实施例中的棱镜单元的工作原理与前述的棱镜单元相似，不同点在于在本实施例中只取用了原棱镜单元的一半，中间的分解面镀反射膜（即本实施例中的第二面D2）。由于反射膜的镜像作用使得入射到反射膜上的光线沿镜像返回，其返回轨迹与前述实施例中的棱镜单元中的光线轨迹（可参见图17和图18的点划线部分）也呈镜像关系，因此具有相同的性能。

因此，在本实施例中，将前述实施例中的棱镜单元去掉一半，并配合反射膜，也可以实现前述棱镜单元的功能。

值得注意的是，在本实施例中，棱镜单元可为一侧面与第三面垂直的棱锥或三棱柱。

请进一步参见图19，图19是本发明棱镜装置的第九实施例的立体示意图。如图19所示，可在正四棱锥900沿轴截面AEB和轴截面AFD剖开，并在面AOD和面AOB上镀上反射膜，就可以使得照射到面ABC或面ADC上的第一入射光线从面ODCB出射，使得照射到面OBCD的第二入射光线至少部分从面ODCB出射。

当然，满足以上技术效果的前提为以下关系式成立：

arccos(1/n)≤α+arcsin(cos(α+φ)/n)        （5）

其中，α为面ABC和面AOD的夹角，n为棱镜单元的折射率，φ为第一入射光的入射方向与垂直并指向面ODCB的方向的夹角。

并且，以下关系式亦需同时成立：

arccos(1/n)≤β+arcsin(cos(β+φ)/n)         （6）

其中，β为面ACD和面AOB的夹角，n为棱镜单元的折射率，φ为第一入射光的入射方向与垂直并指向面ODCB的方向的夹角。

请参见图20，图20是本发明棱镜装置的第十实施例的立体示意图。如图20所示，作为第九实施例的进一步扩展，通过将面Z设置为反射面，公式（4）亦可作用于三棱柱600中，其原理于上述第九实施例一致，于此不再赘述。

请参见图21，图21是本发明发光系统的第一实施例的示意图。如图21所示，本发明进一步提供一种发光系统700，其包括上述的棱镜装置，且进一步包括激发光源701和波长转换装置703，激发光源701产生第一入射光，第一入射光从第一面和/或第二面入射，经棱镜单元光路调整后，从第三面出射至波长转换装置703，波长转换装置703将第一入射光转换为与第一入射光具有不同波长的第二入射光，部分第二入射光从第三面入射，经棱镜单元光路调整后，从第三面出射。

优选地，激发光源701设置在棱镜装置702的第一面和第二面所在一侧，波长转换装置703设置在棱镜装置的第三面所在一侧。可以理解的是，只要能使激发光源产生的第一入射光从第一面和/或第二面入射，从波长转换装置703出射的第二入射光从第三面入射，激发光源701、波长转换装置703与棱镜装置702的位置关系也可以采用设置方式。

此外，在棱镜装置702的第三面S3上还可以设置一个干涉滤光片，该干涉滤光片介于第三面S3与波长转换装置703之间，用于透射第三面S3出射的第一入射光且反射来自波长转换装置703的部分第二入射光。此时，本发明棱镜装置可反射被干涉滤光片透射的部分第二入射光，和反射被波长转换材料层反射的第一入射光。

其中，上述的波长转换装置703也可使用散光装置来代替，具体而言，激发光源701产生第一入射光，第一入射光从第一面和/或第二面入射，经棱镜单元光路调整后，从第三面出射至散光装置；散光装置对第一入射光进行发散处理以产生朝向第三面入射的第二入射光，第二入射光从第三面入射，经棱镜单元光路调整后，从第三面出射。

优选地，激发光源701设置在棱镜装置702的第一面和第二面所在一侧，散光装置设置在棱镜装置的第三面所在一侧。可以理解的是，只要能使激发光源产生的第一入射光从第一面和/或第二面入射，从散光装置出射的第二入射光从第三面入射，激发光源701、散光装置与棱镜装置702的位置关系也可以采用设置方式。

请参见图22，图22是本发明发光系统第一实施例的示意图。如图22所述，本发明进一步揭示一种发光系统800，包括上述棱镜装置，且进一步包括激发光源801、散光装置和波长转换装置（在图22中二者均以803标示）以及马达（图未示），棱镜装置802分别包括第一部分和第二部分，第一部分与散光装置对应设置，第二部分与波长转换装置对应设置，棱镜装置802、散光装置以及波长转换装置803相对固定，并在马达的定速驱动下同步运动，激发光源801产生第一入射光，第一入射光经由棱镜装置802周期性照射于波长转换装置以及散光装置803以产生朝向第三面入射的第二入射光，第二入射光经由棱镜装置802的光路调整后，从第三面出射。

值得注意的是，在图22中，散光装置以及波长转换装置803为圆盘状，此时，其与棱镜装置802同轴固定。但，在本发明的备选实施例中，棱镜装置802以及波长转换装置803还可以为带状或筒状，二者相对固定，可利用马达驱动棱镜装置802以及波长转换装置803线性平移以使得第一入射光经由棱镜装置802周期性照射于波长转换装置以及散光装置803。

请进一步参见图22，在优选实施例中，进一步设置光收集系统804、光调制器件805以及成像透镜806与发光系统800协同使用，其中，光收集系统804从波长转换装置和散光装置803收集第一入射光和第二入射光并发送至光调制器件805进行调制，光调制器件805将调制后的第一入射光和第二入射光发送至成像透镜806，成像透镜806根据第一入射光和第二入射光进行成像，具体而言，可成像于屏幕807上。

值得注意的是，上述的波长转换装置可包括多个不同的波长转换区，以产生具有周期性色序的第二入射光。

本发明还提供了一种投影系统，其使用上述任意一种棱镜装置。

综上所述，本发明的棱镜装置、发光系统及投影系统中的棱镜装置设置为使得入射到第一面和/或第二面的第一入射光从第三面出射，入射到第三面的第二入射光从第三面出射，可使得射入到棱镜装置的光线仅允许进行单向传输，且无需限定光线的入射角度，具有结构简单，易于实现的优点，并能够有效降低制造成本。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明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他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (18)

1.一种发光系统，其特征在于，包括棱镜装置，所述发光系统进一步包括激发光源和波长转换装置；

所述棱镜装置包括一个棱镜单元，所述棱镜单元至少包括两两相交的第一面、第二面、第三面，从所述第一面入射的第一入射光经所述棱镜单元光路调整后从所述第三面出射，从所述第三面入射的第二入射光经所述棱镜单元光路调整后，至少部分从所述第三面出射，所述第二面设置为反射面，用于反射从所述第一面入射的所述第一入射光或从所述第三面入射的所述的第二入射光，所述棱镜单元具有一垂直于所述第一面、第二面以及第三面的截面，所述截面为直角三角形，所述直角三角形的两个直角边分别位于所述第二面和所述第三面，且所述棱镜单元满足关系式：

$\arccos (1/n)\≤\∂+\arcsin (\cos (\∂+\mathrm{\φ})/n)$

其中，所述为所述第一面和所述第二面的夹角，所述n为所述棱镜单元的折射率，所述φ为所述第一入射光的入射方向与垂直并指向所述第三面的方向的夹角；

所述激发光源产生所述第一入射光，所述第一入射光仅从所述第一面入射，经所述棱镜单元光路调整后，从所述第三面出射至所述波长转换装置；

所述波长转换装置将所述第一入射光转换为与所述第一入射光具有不同波长的所述第二入射光，部分所述第二入射光从所述第三面入射，经所述棱镜单元光路调整后，从所述第三面出射。

2.根据权利要求1所述的发光系统，其特征在于，所述棱镜装置包括多个所述棱镜单元以及与所述棱镜单元具有相同材料的基座，所述基座包括一表面，多个所述棱镜单元的第三面设置在所述表面上，所述基座与多个所述棱镜单元一体成型。

3.根据权利要求1所述的发光系统，其特征在于，所述棱镜单元为三棱柱。

4.根据权利要求1所述的发光系统，其特征在于，所述棱镜单元为一侧面与第三面垂直的棱锥，其中，所述棱锥的侧面个数为2m，m为正整数，且m≥2。

5.根据权利要求1所述的发光系统，其特征在于，所述棱镜装置进一步包括第一增透膜，所述第一增透膜设置在所述第三面上；和/或，

第二增透膜，所述第二增透膜设置在所述第一面上。

6.根据权利要求1所述的发光系统，其特征在于，所述棱镜装置进一步包括偏振片，所述偏振片设置在所述第三面上，所述偏振片的偏振方向设置为与所述第一入射光的偏振方向平行。

7.一种发光系统，其特征在于，包括棱镜装置，所述发光系统进一步包括激发光源和散光装置；

所述棱镜装置包括一个棱镜单元，所述棱镜单元至少包括两两相交的第一面、第二面、第三面，从所述第一面入射的第一入射光经所述棱镜单元光路调整后从所述第三面出射，从所述第三面入射的第二入射光经所述棱镜单元光路调整后，至少部分从所述第三面出射，所述第二面设置为反射面，用于反射从所述第一面入射的所述第一入射光或从所述第三面入射的所述的第二入射光，所述棱镜单元具有一垂直于所述第一面、第二面以及第三面的截面，所述截面为直角三角形，所述直角三角形的两个直角边分别位于所述第二面和所述第三面，且所述棱镜单元满足关系式：

$\arccos (1/n)\≤\∂+\arcsin (\cos (\∂+\mathrm{\φ})/n)$

其中，所述为所述第一面和所述第二面的夹角，所述n为所述棱镜单元的折射率，所述φ为所述第一入射光的入射方向与垂直并指向所述第三面的方向的夹角；

所述激发光源产生所述第一入射光，所述第一入射光仅从所述第一面入射，经所述棱镜单元光路调整后，从所述第三面出射至所述散光装置；

所述散光装置对所述第一入射光进行发散处理以产生朝向所述第三面入射的所述第二入射光，所述第二入射光从所述第三面入射，经所述棱镜单元光路调整后，从所述第三面出射。

8.根据权利要求7所述的发光系统，其特征在于，所述棱镜装置包括多个所述棱镜单元以及与所述棱镜单元具有相同材料的基座，所述基座包括一表面，多个所述棱镜单元的第三面设置在所述表面上，所述基座与多个所述棱镜单元一体成型。

9.根据权利要求7所述的发光系统，其特征在于，所述棱镜单元为三棱柱。

10.根据权利要求7所述的发光系统，其特征在于，所述棱镜单元为一侧面与第三面垂直的棱锥，其中，所述棱锥的侧面个数为2m，m为正整数，且m≥2。

11.根据权利要求7所述的发光系统，其特征在于，所述棱镜装置进一步包括第一增透膜，所述第一增透膜设置在所述第三面上；和/或，

第二增透膜，所述第二增透膜设置在所述第一面上。

12.根据权利要求7所述的发光系统，其特征在于，所述棱镜装置进一步包括偏振片，所述偏振片设置在所述第三面上，所述偏振片的偏振方向设置为与所述第一入射光的偏振方向平行。

13.一种发光系统，其特征在于，包括棱镜装置，所述发光系统进一步包括激发光源、散光装置、波长转换装置以及马达，

所述棱镜装置包括一个棱镜单元，所述棱镜单元至少包括两两相交的第一面、第二面、第三面，从所述第一面入射的第一入射光经所述棱镜单元光路调整后从所述第三面出射，从所述第三面入射的第二入射光经所述棱镜单元光路调整后，至少部分从所述第三面出射，所述第二面设置为反射面，用于反射从所述第一面入射的所述第一入射光或从所述第三面入射的所述的第二入射光，所述棱镜单元具有一垂直于所述第一面、第二面以及第三面的截面，所述截面为直角三角形，所述直角三角形的两个直角边分别位于所述第二面和所述第三面，且所述棱镜单元满足关系式：

$\arccos (1/n)\≤\∂+\arcsin (\cos (\∂+\mathrm{\φ})/n)$

其中，所述为所述第一面和所述第二面的夹角，所述n为所述棱镜单元的折射率，所述φ为所述第一入射光的入射方向与垂直并指向所述第三面的方向的夹角；

所述棱镜装置分别包括第一部分和第二部分，所述第一部分与所述散光装置对应设置，所述第二部分与所述波长转换装置对应设置，所述棱镜装置、所述散光装置以及所述波长转换装置相对固定，并在所述马达的定速驱动下同步运动，所述激发光源产生所述第一入射光，所述第一入射光经由所述棱镜装置周期性照射于所述波长转换装置以及所述散光装置以产生朝向所述第三面入射的第二入射光，所述第二入射光经由所述棱镜装置的光路调整后，从所述第三面出射。

14.根据权利要求13所述的发光系统，其特征在于，所述棱镜装置包括多个所述棱镜单元以及与所述棱镜单元具有相同材料的基座，所述基座包括一表面，多个所述棱镜单元的第三面设置在所述表面上，所述基座与多个所述棱镜单元一体成型。

15.根据权利要求13所述的发光系统，其特征在于，所述棱镜单元为三棱柱。

16.根据权利要求13所述的发光系统，其特征在于，所述棱镜单元为一侧面与第三面垂直的棱锥，其中，所述棱锥的侧面个数为2m，m为正整数，且m≥2。

17.根据权利要求13所述的发光系统，其特征在于，所述棱镜装置进一步包括第一增透膜，所述第一增透膜设置在所述第三面上；和/或，

第二增透膜，所述第二增透膜设置在所述第一面上。

18.根据权利要求13所述的发光系统，其特征在于，所述棱镜装置进一步包括偏振片，所述偏振片设置在所述第三面上，所述偏振片的偏振方向设置为与所述第一入射光的偏振方向平行。