CN119200310A - 照明系统及投影设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种照明系统及投影设备，照明系统包括光源和透镜，光源用于发射光线，透镜设于光源的出光侧，透镜包括朝向光源的入光面以及与入光面相背的出光面，光源的归一化光谱满足一定条件，以使得光源经过透镜照射至一照明面上各点的光线的光谱一致。本申请能够对光源发出光线的光谱进行调整，降低经过本申请的照明系统形成的画面的中心和四周的色差，调整光源发出光线的光谱空间分布，提高投影设备形成图像的色彩均匀性。

Description

照明系统及投影设备

技术领域

本申请涉及投影技术领域，特别是涉及一种照明系统及投影设备。

背景技术

单片LCD投影设备，是指使用一片透射式的LCD面板将光学模组发出的光线调制形成图像，然后通过投影镜头将图像放大投射于投影区域的投影产品。相较于其他原理的投影设备，如：DLP或LCoS，单片LCD投影设备价格低廉，制作简单。

相关技术中的一种投影设备的照明系统，使用透镜对光源发出的光进行扩散。但是，随着发光点位置及发光角度的不同，光线在透镜中经过的光程也不相同。而透镜介质对不同波长的吸收系数不相同。因此，同一光谱经过不同光程后色坐标会出现差异，即色彩不均匀的现象，不利于提高照明系统的色彩均匀性，不利于提高投影设备的显示效果。

发明内容

基于此，本申请提出一种照明系统及投影设备，以利于提高照明系统的色彩均匀性，利于提高投影设备的显示效果。

根据本申请的一个方面，提供一种照明系统，照明系统包括：

光源，用于发射光线；

透镜，设于光源的出光侧，透镜具有朝向光源的入光面以及与入光面相背的出光面；

照明系统具有用于接收透镜的出射光的照明面，光源的归一化光谱满足：

；

；

；以及

；

其中，为光源发射的光线强度，为光线在光源上的出射角，λ为光线的波长，D为透镜的直径，e为透镜的轴心与照明面之间的距离，α为透镜的介质的吸收系数，h为光线在照明面上的入射位置与光轴之间的距离，x₀为光线在出光面上的出射位置与光源在平行光轴方向上的距离，y₀为光线在出光面上的出射位置与光源在第一方向上的距离，x₁光线在入光面上的入射位置与光源在平行光轴方向上的距离，y₁为光线在入光面上的入射位置与光源在第一方向上的距离；光轴与第一方向彼此垂直。

在其中一个实施例中，透镜的入光面为凸面，出光面为凸面。

在其中一个实施例中，透镜包括具有正光焦度的镜片。

在其中一个实施例中，光源包括发光芯片。

在其中一个实施例中，发光芯片被设置为其发出光线的光强可调。

在其中一个实施例中，光源包括多个发光区域，发光区域包括多个呈阵列排布的发光芯片，不同发光区域的发光芯片可独立调节。

在其中一个实施例中，光源朝向透镜的一侧涂敷有荧光粉。

在其中一个实施例中，光源上不同位置的荧光粉的厚度和/或表面形状不同。

在其中一个实施例中，照明系统还包括光学功能器件，光学功能器件包括液晶层或准直透镜，液晶层或准直透镜朝向透镜的一侧为照明面。

根据本申请的另一个方面，提供了一种投影设备，包括上述的照明系统。

上述照明系统及投影设备，通过透镜直径、透镜与照明面间距、透镜的介质的吸收系数以及透镜与光源的间距等参数相关的光源的光谱空间分布，根据该光谱空间分布得出若是想要提高照明系统的色彩均匀性，则光源上各点的光谱分布应该满足的条件，进而能够根据该条件选取或设置合适的光源，以提高照明系统的色彩均匀性，有利于提高投影设备的显示效果。

附图说明

图1为介质的吸收光谱图。

图2为本申请照明系统的结构示意图。

图3为本申请光线在照明系统中的光路图。

附图标号说明：

10、照明系统；

100、光源；200、透镜；210、入光面；220、出光面；300、照明面；400、菲涅尔透镜；

F1、第一方向。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语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，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，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

光在介质内传播时，介质中的束缚电子在光波电场的作用下做受迫振动，相当于光波消耗了能量来激发电子的振动。这些能量的一部分又以次波的形式与入射波叠加成透射光波而射出介质。另外，由于与周围原子和分子的相互作用，束缚电子受迫振动的一部分能量将其变成其他形式的能量，例如分子热运动的能量，这一部分能量损耗就是我们所指的介质对光的吸收。

介质的吸收形式可以引入一个复折射率来描述。若令吸收介质的折射率为：

；

则在介质内沿光线传播方向的平面波电场可以写为：

；

平面波强度为：

；

其中，I₀=|A|²，是z=0处的光强，即光线在介质中传播的距离为0处的光强，α=2nkw/c，称之为吸收介质的吸收系数。上式即为朗伯比尔定律，表明光波的强度随着在介质中传播的距离按照指数规律衰减，衰减的快慢取决于物质的吸收系数。

大多数物质对可见光区的吸收具有波长选择性，物质吸收的选择性可用它们的吸收系数和波长的关系曲线表示，如图1所示，在一定的波长范围内物质的吸收很强，而且有一个极大值，这个吸收范围称为吸收带。投影系统中，照明系统对不同波长的吸收是造成画面色彩偏离设计值的主要原因之一。

常见的液晶显示器（LCD）照明系统有两种：光锥照明系统和透镜照明系统。对于透镜系统而言，随着发光点位置及发光角度的不同，光线在透镜中经过的光程也不相同，而透镜介质对不同波长的吸收系数不相同，因此同一光谱经过不同光程后色坐标会出现差异，即出现色彩不均匀现象。

基于上述问题，本申请提供一种照明系统10及投影设备，以能够基于本申请对光源100发出光线的光谱进行调整，降低经过本申请的照明系统10形成的画面的中心和四周的色差，调整光源100发出光线的光谱空间分布，提高投影设备形成图像的色彩均匀性，尤其是对于一些出现“彩虹度”现象的照明系统10和投影设备，本申请能够有效削弱其“彩虹度”现象。

本申请的照明系统可以为投影光机或其他任意合适的用于照明或投影的照明系统，即本申请的照明系统适用于包括商用照明、工程照明和消费类照明等以及各类投影的照明系统。

参阅图2和图3所示，本申请提供的照明系统10包括光源100和透镜200，光源100用于发射光线，透镜200设于光源100的出光侧，透镜200具有朝向光源100的入光面210以及与入光面210相背的出光面220，光源100的归一化光谱满足：

……公式一；

……公式二；

；以及

；

其中，照明系统10具有用于接收透镜200的出射光的照明面300，为光源100发射的光线强度，为光线在光源100上的出射角，λ为光线的波长，D为透镜200的直径，e为透镜200的轴心与照明面300之间的距离，α为透镜200的介质的吸收系数，h为光线在照明面300上的入射位置与光轴之间的距离，x₀为光线在出光面220上的出射位置与光源100在平行光轴方向上的距离，y₀为光线在出光面220上的出射位置与光源100在第一方向F1上的距离，x₁光线在入光面210上的入射位置与光源100在平行光轴方向上的距离，y₁为光线在入光面210上的入射位置与光源100在第一方向F1上的距离，光轴与第一方向F1彼此垂直。

可以理解，光源各位置发射的光线的强度、光线在照明面300上的入射位置与光轴之间的距离h、光线在出光面220上的出射位置与光源100在平行光轴方向上的距离x₀、光线在入光面210上的入射位置与光源100在平行光轴方向上的距离x₁、光线在入光面210上的入射位置与光源100在第一方向F1上的距离y₁、光线在出光面220上的出射位置与光源100在第一方向F1上的距离y₀均可不相同，本申请通过对光源的设计使得各位置发射的光线均满足上述关系式。

本申请的照明系统10及投影设备，光源100的光谱分布满足上述公式一和公式二时，光源100经过透镜200照射至照明面300上各点的光线的光谱相同，提高了照射至照明面300上的光线的色彩均匀性。本申请对光源100发出光线的光谱进行调整，降低经过本申请的照明系统10形成的画面的中心和四周的色差，调整光源100发出光线的光谱空间分布，提高投影设备形成图像的色彩均匀性。

如图3，在照明系统10中，光源100发出的光线经过透镜200后照射至照明面300上，入射至照明面300上一点的光线由光源100上不同点，不同角度出射的光线会聚积分而成，由于照明面300上不同点的积分光线经过的透镜200光程不一致，且透镜200本身对不同波长的光线的吸收率不同，因此照明面300上的光斑会出现色彩不均匀的现象。

假设一光线从光源100上某一点射出并以θ角照射到照明面300上的一点，则以光源100发出光的一面和光轴交点为原点，以光轴为x轴，以平行于第一方向F1的轴线为y轴，则光线在透镜200至照明面300间传播模拟为坐标系上一直线L1，直线L1可以表示为：

……公式三；

其中，在轴心处沿光轴方向，a为光源100到透镜200入光面210的距离，b为透镜200出光面220到照明面300的距离，d为透镜200厚度，a+b+d为光源100到照明面300的距离。

假设透镜200的出光面220面型符合：y=g(x) ……公式四；

则由公式三和公式四可得光线与出光面220的交点B的坐标，以及自出光面220出射的光线与出光面220法线方向的夹角的值（可参阅图3中标注），记为：

B（x₀,y₀）；

；

由折射定律有：

；

；

其中，为光线在透镜200内与出光面220法线方向的夹角，n为透镜200的折射率，从上式可知透镜200内光线与出光面220法线方向的夹角和出光面220出射的光线与出光面220法线方向的夹角的关系。

光线在透镜200内传播模拟为坐标系上一直线L2，设直线L2的斜率为k2，则k2满足：

……公式五；

根据上式可知透镜200内光线与出光面220法线方向的夹角和直线L2的斜率k2的关系。同时，上式还展现出透镜200内光线与出光面220法线方向的夹角和透镜200的出光面220面型g(x)的关系。

直线L2为：

……公式六；

假设透镜200入光面210的面型满足：……公式七；

则由公式六和公式七可以记光线与入光面210的交点A的坐标为：；

且由直线L2的斜率k2和透镜200入光面210的面型（公式七）可得

；

其中，为光线在透镜200内与入光面210法线方向的夹角，根据上式和公式五可知透镜200内光线与入光面210法线方向的夹角和透镜200内光线与出光面220法线方向的夹角的关系，从而能够进一步得知透镜200内光线与入光面210法线方向的夹角和出光面220出射的光线与出光面220法线方向的夹角的关系，以及得知透镜200内光线与入光面210法线方向的夹角和照射到照明面300上的光线与照明面300夹角θ的关系。

再次由折射定律有：

；

；

其中，为光源100出射的光线与入光面210法线方向的夹角，从上式可知光源100出射的光线与入光面210法线方向的夹角和透镜200内光线与入光面210法线方向的夹角的关系，进而得知光源100出射的光线与入光面210法线方向的夹角和照射到照明面300上的光线与照明面300夹角θ的关系。

则光源100发射的光线模拟为坐标系上一直线L3，设直线L3的斜率为k3，则k3满足：

；

可得光源100发射的光线与光源100夹角满足：

；

其中，为光源100出射的光线与光源100出射面的夹角。根据上两式可知光源100出射的光线与光源100出射面的夹角和透镜200内光线与出光面220法线方向的夹角的关系，从而能够得知光源100出射的光线与光源100出射面的夹角和照射到照明面300上的光线与照明面300夹角θ的关系。

同时，上两式还展现出透镜200内光线与出光面220法线方向的夹角和透镜200入光面210的面型的关系。

进而可以假设光源100发射的光线强度为，光源100发射光线的归一化光谱为，则照明面300上一点的光谱积分为：

……公式二；

其中和分别表示积分下限和积分上限，且，。

若要保证照明面300上各处光谱一致，则光源100的发射光线的归一化光谱应该满足：

……公式一；

该式表明了照明面300上任一点光线的光谱积分均相等，则光源100的归一化光谱应该满足的条件。可见，本申请能够根据光源100的归一化光谱得出若是想要提高照明系统10的色彩均匀性，光源100上各点的光谱分布应该满足的条件，进而能够根据该条件选取或设置合适的光源100，以提高照明系统10的色彩均匀性，有利于提高投影设备的显示效果。

本申请能够通过设置光源100上的光谱分布，弥补因光线发光点位置及发光角度的不同，光线在透镜200中经过的光程也不相同而导致的光线照射至照明面300上的色坐标存在差异的问题，使得光源100发出的光线经过透镜200照射至照明面300上能够具有相同的光谱积分，呈现出相同的色坐标，而不会出现色彩不均匀的现象。

在一些实施例中，光源100包括发光芯片，可以通过选取合适种类的发光芯片以及设计发光芯片的结构来调整光源100上不同位置的光谱，使其发射光线的归一化光谱满足上述条件，以能够使得入射至照明面300上各处的光线的光谱一致。在一些实施例中，光源100被设置为发光二极管（LED）。

在一些实施例中，发光芯片被设置为其发出光线的光强可调，以能够根据实际使用情况调节光源100发出光线的强度，以能够提高照射至照明面300上各点位置光线的光谱均一性，进而提高照明系统10的色彩均匀性，提高投影设备的显示效果。

在一些实施例中，光源100包括多个发光区域，发光区域包括多个呈阵列排布的发光芯片，不同发光区域的发光芯片可独立调节。可以通过调节不同发光区域的光强不同，以此实现入射至照明面300上各处的光线的光谱一致。在一些实施例中，不同的发光区域可呈直径尺寸不同的环形设置沿光源100的径向依次布设，以能够调节各个发光区域发射光的光强不同，光源100上各点发出光线的归一化光谱不同，且满足光源100发出光线入射至照明面300上各处时的光谱一致，以弥补因光线发光点位置及发光角度的不同，光线在透镜200中经过的光程也不相同而导致的光线照射至照明面300上的色坐标存在的差异，以提高照明系统10的色彩均匀性，有利于提高投影设备的显示效果。

在一些实施例中，光源100朝向透镜200的一侧涂敷有荧光粉，可以通过荧光粉的涂敷设计来得到合适的光源100发出的光线，以满足上述光源100上各点的光谱分布应该满足的条件，进一步实现提高照明系统10的色彩均匀性。在一些实施例中，通过设置光源100上不同位置的荧光粉的厚度或表面形状不同，来使得光源100上各点的光谱分布满足公式一和公式二，以使得照射至照明面300上任一点的光线的光谱积分一致，还可以通过同时设置光源100上不同位置的荧光粉的厚度和表面形状均不同来使得照射至照明面300上任一点的光线的光谱积分一致，以提高照明系统10的色彩均匀性，提高投影设备的显示效果。

在一些实施例中，还可以通过调整透镜200面型来实现提高照明系统10的色彩均匀性。根据上述分析已知透镜200内光线与出光面220法线方向的夹角分别和透镜200的出光面220面型g(x)以及透镜200入光面210的面型的关系。再由透镜200内光线与出光面220法线方向的夹角和照射到照明面300上的光线与照明面300夹角θ的关系，可以得知透镜200入光面210的面型和照射到照明面300上的光线与照明面300夹角θ的关系，以及可以得知透镜200的出光面220面型g(x)和照射到照明面300上的光线与照明面300夹角θ的关系。

进而可知调整透镜200入光面210的面型以及透镜200的出光面220面型g(x)使其对应满足：

；与

时；

对应能够使得光源100发出的光线经过该满足上述条件的透镜200照射至照明面300上之后，照明面300上各处光线的光谱积分保持一致，以使得照明系统10具有较佳的色彩均匀性。

在一些实施例中，透镜200的入光面210为凸面，出光面220为凸面，透镜200包括具有正光焦度的镜片，从而透镜200起到会聚光线的作用，以能够接收光源100发出的光线，并将该光线传播汇聚至照明面300上。

在一些实施例中，还可以设置多个透镜于光源100和照明面300之间，如图2中在透镜200和照明面300之间设有菲涅尔透镜400，或者可以理解为透镜200可以替换采用透镜组。对于透镜组形式，光源100发出光线的光谱分布需要满足的条件依旧如上述分析所示，通过设立各段光线的斜率和透镜各面的面型方程，以及各段光线和对应透镜的入光面210或者出光面220的夹角关系，对应得出当光线以θ角照射到照明面300上时，光源100发出光线的光谱分布及其需要满足的关系：，对应不同数量透镜，光源100发出光线的光谱分布均不同，在此不再赘述。

在一些实施例中，照明系统10还包括液晶层，液晶层朝向透镜200的出光面220设置，液晶层朝向透镜200的一侧为照明面300，可以理解，光源100发出的光线经过透镜200照射至液晶层的照明面300，再入射至液晶层内部，通过电流刺激液晶分子产生点、线、面配合光源100发出的光线形成画面。

综上，本申请提供的照明系统10通过对光源的发光芯片和荧光粉的结构设计，使得照明系统10满足公式一、公式二、公式、以及公式，能够使得光源100发出的光线经过透镜200传播至照明面300后在照明面300上形成的图像色彩均匀，从而实现了提高照明系统10的色彩均匀性，提高投影设备的显示质量的效果。

在一些实施例中，照明系统还包括光学功能器件，光学功能器件包括液晶层或准直透镜，液晶层或准直透镜朝向透镜的一侧为照明面。

本申请还提供一种投影设备，包括上述的照明系统10，投影设备还包括显示镜头，显示镜头设于照明面300背离透镜200的一侧，换句话说，显示镜头设于液晶层背离透镜200的一侧，以出射光线形成图像。

在一些实施例中，显示镜头可以是投影镜头，包括一片或多片具有光焦度的透镜，用于将照明系统10发射的光线调节后投射出，提升光线的成像质量。

本申请的照明系统10及投影设备通过透镜200直径、透镜200与照明面300间距、透镜200的介质的吸收系数以及透镜200与光源100的间距等参数相关的光源100的光谱空间分布，根据该光谱空间分布得出若是想要提高照明系统10的色彩均匀性，则光源100上各点的光谱分布应该满足的条件，进而能够根据该条件选取或设置合适的光源100，以提高照明系统10的色彩均匀性，提高投影设备的显示效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种照明系统，其特征在于，所述照明系统包括：

光源，用于发射光线；

透镜，设于所述光源的出光侧，所述透镜具有朝向所述光源的入光面以及与所述入光面相背的出光面；

所述照明系统具有用于接收所述透镜的出射光的照明面，所述光源的归一化光谱满足：

；

；

；以及

；

其中，为所述光源发射的光线强度，为光线在所述光源上的出射角，λ为光线的波长，D为所述透镜的直径，e为所述透镜的轴心与所述照明面之间的距离，α为所述透镜的介质的吸收系数，h为光线在所述照明面上的入射位置与光轴之间的距离，x₀为光线在所述出光面上的出射位置与所述光源在平行光轴方向上的距离，y₀为光线在所述出光面上的出射位置与所述光源在第一方向上的距离，x₁光线在所述入光面上的入射位置与所述光源在平行光轴方向上的距离，y₁为光线在所述入光面上的入射位置与所述光源在所述第一方向上的距离；所述光轴与所述第一方向彼此垂直。

2.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述透镜的入光面为凸面，出光面为凸面。

3.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述透镜包括具有正光焦度的镜片。

4.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述光源包括发光芯片。

5.根据权利要求4所述的照明系统，其特征在于，所述发光芯片被设置为其发出光线的光强可调。

6.根据权利要求4所述的照明系统，其特征在于，所述光源包括多个发光区域，所述发光区域包括多个呈阵列排布的发光芯片，不同所述发光区域的所述发光芯片可独立调节。

7.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述光源朝向所述透镜的一侧涂敷有荧光粉。

8.根据权利要求7所述的照明系统，其特征在于，所述光源上不同位置的荧光粉的厚度和/或表面形状不同。

9.根据权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述照明系统还包括光学功能器件，所述光学功能器件包括液晶层或准直透镜，所述液晶层或所述准直透镜朝向所述透镜的一侧为所述照明面。

10.一种投影设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的照明系统。