CN102183869B

CN102183869B - 基于全半导体激光器的激光投影显示系统

Info

Publication number: CN102183869B
Application number: CN2011100693143A
Authority: CN
Inventors: 张运方; 王锐; 施安存; 段靖远; 刘育梁
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: CN102183869A

Abstract

本发明公开了一种基于全半导体激光器的激光投影显示系统，包括激光光源模块、光路模块、电路模块和光传感器模块，其中，激光光源模块，用于向投影显示系统提供所需要的红、蓝、绿三种激光；光路模块，用于对激光光源模块提供的光进行匀光和成像处理，将光照射到芯片上，然后把经过芯片调制后的光传输到投影镜头，形成图像输出；电路模块，用于根据外界音频和视频信号对光路模块中的芯片进行调节，并根据光传感器产生的调节信号，按一定的算法来调节激光光源模块中三种激光的功率；光传感器模块，用于探测外界环境的亮度和系统输出图像的亮度，并通过一定的算法形成调节信号传输到电路模块。利用本发明，实现了色域和亮度的手动或自动调节。

Description

基于全半导体激光器的激光投影显示系统

技术领域

本发明涉及激光投影显示技术领域，尤其涉及一种基于全半导体激光器的可实现动态色域和亮度的激光投影显示系统。

背景技术

随着社会的进步，人们对视觉效果要求越来越高。激光显示凭借色域广，光源寿命长和色彩表现能力好等优点受到人们的广泛关注，有可能成为下一代重要的显示技术。

激光投影显示系统要输出高亮度的图像，需要大功率三色激光器。目前已有的激光投影显示系统主要采用了大功率固体激光器。由于大功率固体激光器体积比较大，光效相对比较低，限制了激光显示在家庭和商务领域的应用。

而半导体激光器体积小，光效较高，特别是红色和蓝色激光器已有成熟的大功率激光二极管，输出达到单管瓦级，成本较低，体积非常小，通过组阵完全满足了显示需求。但半导体绿色激光器目前成本较高，输出高功率时体积相对较大，给全半导体激光显示技术应用带来困难。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于全半导体激光器的激光投影显示系统。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于全半导体激光器的激光投影显示系统，该激光投影显示系统包括激光光源模块、光路模块、电路模块和光传感器模块，其中：

激光光源模块，用于向投影显示系统提供所需要的红、蓝、绿三种激光，其中一部分蓝光激光用于激发黄绿色荧光；

光路模块，用于对激光光源模块提供的光进行匀光和成像处理，将光照射到芯片上，然后把经过芯片调制后的光传输到投影镜头，形成图像输出；

电路模块，用于根据外界音频和视频信号对光路模块中的芯片进行调节，并根据光传感器产生的调节信号，按一定的算法来调节激光光源模块中三种激光的功率；

光传感器模块，用于探测外界环境的亮度和系统输出图像的亮度，并通过一定的算法形成调节信号传输到电路模块。

上述方案中，所述激光光源模块包括红、绿和蓝三色半导体激光器，红、绿和蓝三色光的波长分别为638nm、532nm和445nm。

上述方案中，所述红色半导体激光器和蓝色半导体激光器是由大功率半导体激光二极管构成的阵列光源，各二极管输出激光的偏振互相独立，减弱激光相干性带来到散斑影响。

上述方案中，所述蓝色半导体激光器发出的部分蓝色激光用来激发黄色荧光粉，产生中心波长在550nm附近的宽谱黄绿色荧光，对绿光进行补充，提高输出亮度，且降低绿光的相干性。

上述方案中，所述激光光源模块，其功率可被电路模块自动调节。

上述方案中，所述光传感器模块包括两个光传感器，一个用于检测外界环境光亮度，另一个用于检测输出图像的亮度。

上述方案中，所述电路模块用于根据光传感器的信号，按照一定算法调整激光光源的功率。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种基于全半导体激光器的激光投影显示系统，通过荧光技术和动态功率调整技术，减小了光源模块体积，降低了光源成本，一定程度上兼顾了输出亮度和色彩表现能力，满足了用户在不同场合应用的需求。

2、本发明提供的这种基于全半导体激光器的激光投影显示系统，可根据外界环境，实现色域和亮度的手动或自动调节。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如下，其中：

图1是本发明提供的基于全半导体激光器的激光投影显示系统的结构示意图；

图2是本发明提供的基于全半导体激光器的激光投影显示系统中半导体激光光源的色坐标分布和动态色域图；

图3是本发明提供的基于全半导体激光器的激光投影显示系统中显示图像色彩和亮度手动调节的原理图；

图4是本发明提供的基于全半导体激光器的激光投影显示系统中显示图像色彩和亮度自动调节的原理图；

图5是本发明提供的基于全半导体激光器的激光投影显示系统中色域和亮度动态调整的算法流程图。

具体实施方式

如图1所示，图1是本发明提供的基于全半导体激光器的激光投影显示系统的结构示意图，该激光投影显示系统包括激光光源模块、光路模块、电路模块和光传感器模块。其中：激光光源模块，用于向投影显示系统提供所需要的红、蓝、绿三种激光，其中一部分蓝光激光用于激发黄绿色荧光；光路模块，用于首先对激光光源模块提供的光进行匀光、成像等处理，将光照射到芯片上，然后把经过芯片调制后的光传输到投影镜头，形成图像输出；电路模块，用于一方面根据外界音频、视频等信号对光路模块中的芯片进行相应的调节；另一方面根据光传感器产生的调节信号，按一定的算法来调节激光光源模块中三种激光的功率；光传感器模块，用于探测外界环境的亮度和系统输出图像的亮度，并通过一定的算法形成调节信号传输到电路模块。

光传感器模块由环境光传感器和反馈光传感器构成。环境光传感器用以检测外界环境的亮度，反馈光传感器用以检测输出图像的亮度。

激光光源模块中，红光激光R和蓝光激光B均由半导体激光器输出，绿光包括两部分，即半导体绿光激光G1和黄绿色荧光G2。黄绿色荧光G2由成本较低的蓝光激光B激发荧光粉产生，与半导体绿光激光G1相比，视见度更高。这样的构架，降低了高亮度输出对绿色激光功率的要求，因此减小了绿光光源模块体积，降低了光源成本，在一定条件下还保证了与全激光显示时相同的大色域。红光激光波长为638nm，色度坐标(0.7170，0.2829)，绿光激光G1波长532nm，色度坐标(0.1670，0.7962)。黄绿色荧光G2，色度坐标(0.402，0.563)，蓝光激光波长445nm，色度坐标(0.1611，0.0138)。它们的色品坐标如图2。

由色度学理论知，半导体绿光激光G1和黄绿色荧光G2按不同的比例可以得到图2中线段G1、G2之间的颜色G。绿光G1占得比例越大，所得混合绿色G的色坐标越靠近G1，得到的色域就越广。黄绿光G2所占的比例越大，混合绿色G的色坐标就越靠近G2，亮度也越高。此时虽然色域相对较小，但可以产生相对较高的亮度。因此通过调节G1，G2的功率比值，可以实现色域和亮度的动态调整。

图3示出了显示图像色域和亮度手动调节的原理。人在观察图像时，判断此时显示系统的光通量和显示色彩是否合适。如果外部环境亮度很高，此时人眼对系统光通量的需求大于对色彩的需求，因此可以增大黄绿光G2在绿光中的比重，通过牺牲较小的色域来换取较高的亮度，从而达到较好的视觉效果。反之当环境亮度很低时，人眼对显示系统的光通量要求很低，此时就可以增大绿光中G1的比重，通过牺牲较小的亮度来达到更大的色域，来获得好的视觉效果。

在手动调节的基础上，系统还可以根据外界环境实现对色域和亮度的智能调节。如图4所示，环境光传感器可以检测外部环境的亮度，外界光传感器检测输出图像的亮度，然后通过计算转化为图像的对比度等参数，从而判断此时显示系统的光通量是否合适，进而电路模块根据这些信息改变绿光G1和黄绿光G2的比值，从而改变亮度和色域，来自动达到较好的视觉效果。

图5显示了亮度和色域动态调整的算法流程图。具体算法如下：

\{\begin{matrix} X_{G} = X_{G 1} + X_{G 2} = \frac{x_{G 1}}{y_{G 1}} L_{G 1} + \frac{x_{G 2}}{y_{G 2}} L_{G 2} \\ Y_{G} = Y_{G 1} + Y_{G 2} = L_{G 1} + L_{G 2} \\ Z_{G} = Z_{G 1} + Z_{G 2} = \frac{1 - x_{G 1} - y_{G 1}}{y_{G 1}} L_{G 1} + \frac{1 - x_{G 2} - y_{G 2}}{y_{G 2}} L_{G 2} \end{matrix}

\{\begin{matrix} x_{G} = \frac{X_{G}}{X_{G} + Y_{G} + Z_{G}} \\ y_{G} = \frac{Y_{G}}{X_{G} + Y_{G} + Z_{G}} \\ z_{G} = \frac{Z_{G}}{X_{G} + Y_{G} + Z_{G}} \end{matrix}

其中(x_G1，y_G1)，(x_G2，y_G2)，(x_G，y_G)分别是绿光G1，黄绿光G2和混合绿光G的色度坐标。X_G1，Y_G1，Z_G1；X_G2，Y_G2，Z_G2；X_G，Y_G，Z_G是绿光G1，黄绿光G2以及混合绿色G的三刺激值；L_G1和L_G2分别代表绿光G1和黄绿光G2的亮度。

当改变绿光G1和黄绿光G2的功率比时，由上面的公式可求得混合绿色G新的色度坐标(x_G，y_G)。求得混合绿色G的色度坐标以后，以标准白D65为标准，根据下面的公式来调整三色的功率比，从而改变图像的色彩和亮度。

X_{D 65} = X_{R} + X_{G} + X_{B} = \frac{x_{R}}{y_{R}} L_{R} + \frac{x_{G}}{y_{G}} L_{G} + \frac{x_{B}}{y_{B}} L_{B}

Y_D65＝Y_R+Y_G+Y_B＝L_R+L_G+L_B

Z_{D 65} {= Z}_{R} + Z_{G} + Z_{B} = \frac{1 - x_{R} - y_{R}}{y_{R}} L_{R} + \frac{1 - x_{G} - y_{G}}{y_{G}} L_{G} + \frac{1 - x_{B} - y_{B}}{y_{B}} L_{B}

x_{i} = \frac{X_{i}}{X_{i} + Y_{i} + Z_{i}}, y_{i} = \frac{Y_{i}}{X_{i} + Y_{i} + Z_{i}}, z_{i} = \frac{Z_{i}}{X_{i} + Y_{i} + Z_{i}} (i = D 65 . R, G, B)

其中分别表示标准白D65，红光R，绿光G，蓝光B的色度坐标值。

X_i，Y_i Z_i(i＝D65，R，G，B)分别表示标准白D65，红光R，绿光G，蓝光B的刺激值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于全半导体激光器的激光投影显示系统，其特征在于，该激光投影显示系统包括激光光源模块、光路模块、电路模块和光传感器模块，其中：

2.根据权利要求1所述的基于全半导体激光器的激光投影显示系统，其特征在于，所述激光光源模块包括红、绿和蓝三色半导体激光器，红、绿和蓝三色光的波长分别为638nm、532nm和445nm。

3.根据权利要求2所述的基于全半导体激光器的激光投影显示系统，其特征在于，所述红色半导体激光器和蓝色半导体激光器是由大功率半导体激光二极管构成的阵列光源，各二极管输出激光的偏振互相独立，减弱激光相干性带来的散斑影响。

4.根据权利要求2所述的基于全半导体激光器的激光投影显示系统，其特征在于，所述蓝色半导体激光器发出的部分蓝色激光用来激发黄色荧光粉，产生中心波长在550nm附近的宽谱黄绿色荧光，对绿光进行补充，提高输出亮度，且降低绿光的相干性。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于全半导体激光器的激光投影显示系统，其特征在于，所述激光光源模块，其功率可被电路模块自动调节。

6.根据权利要求1中所述的基于全半导体激光器的激光投影显示系统，其特征在于，所述光传感器模块包括两个光传感器，一个用于检测外界环境光亮度，另一个用于检测输出图像的亮度。