CN103529630B - 光源装置以及图像投影装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光源装置以及具备该光源装置的图像投影装置，其目的在于，确保红绿蓝三色中至少两种颜色的光的亮度，同时改善中间色的色再现性。本发明的光源装置(10)具备三个互相独立的发光部，该三个发光部分别包含发射红绿蓝各色光的第一红色LED(100)、第一绿色LED(110)以及第一蓝色LED(120)，在上述三个发光部中至少有两个发光部，如发射红色光和绿色光的发光部中，除了具有作为第一光源的第一红色LED和第一绿色LED以外，还具有作为第二光源的第二红色LED(130)和第二绿色LED(140)，第一红色LED和第一绿色LED发射原色光，第二红色LED和第二绿色LED发射的光的波长偏离原色光波长。

Description

光源装置以及图像投影装置
技术领域
本发明涉及具备独立的红色光发光器、绿色光发光器、蓝色光发光器的光源装置以及具备该光源装置的图像投影装置。
背景技术
目前已有的数字光处理(Digital Light Processing，DLP，注册商标)和液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)属于上述类型的图像投影装置。这些投影机以往大多采用高压水银灯等放电灯作为光源，但是，近年来放电灯逐渐被LED(发光二极管)或LD(半导体激光)等半导体光源(固体光源)取代。例如，专利文献1(JP特开2012-8549号公报)公开了一种采用LED等半导体光源的图像显示装置(投影机)。半导体光源与以往的光源相比，具有更加明亮、不含水银、而且节电等有利于环境的优点。
上述高压水银灯的发光波谱具有蓝色(B)成分强、红色(R)成分弱的特征。为此，其色再现性具有以下特征，即在国际照明委员会(Commissioninternationale de I’Eclairage，CIE)制定的CIE-XYZ色图系统的xy色度图的色坐标中，与连接基于国际标准规格的sRGB(标准RGB)规格确定的RGB各顶点所形成的彩色三角形相比，高压水银灯的绿色偏黄绿色系，红色偏深红色系(参见图6)。为此，在使用高压水银灯的投影机中，为了确保绿色和红色的亮度，其发射的光所使用的波长稍微偏离sRGB规格确定的原色光波长。其结果，色再现性较差。
另一方面在利用半导体光源的投影机中，红色、绿色、蓝色的光源均为独立光源，可以任意选择波长。为此，相比于利用高压水银灯的投影机，半导体光源的投影机的各原色光波长与sRGB规格的波长基本保持一致，因而，在上述xy色度图的色坐标上，各原色接近sRGB规格的彩色三角形，具有良好的色再现性，同时还扩大了色再现范围。据此，未来的投影机光源有可能以半导体光源来取代高压水银光源。在此，“原色”是指基本颜色，例如，光的三原色为红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)，利用这三种颜色基本上能够再现所有颜色。
在上述利用半导体光源的投影机中，各光源的原色光波长能够在色坐标中接近sRGB规格的彩色三角形，与高压水银灯等放电灯相比，具有良好的色再现性。
但是，上述半导体光源并不能保证各光源合成的所谓中间色也具有良好的再现性。上述专利文献1公开中的装置具有两个蓝色光源，发射第一蓝色光的半导体激光和发射第二蓝色光的蓝色光生成部。蓝色半导体激光发射的光为波长在450nm以下的单色光，颜色偏向紫色，在此基础上加入发射第二蓝色光的蓝色光生成部所发射的光，该第二蓝色光使得蓝色的波长领域向波长较大的一方扩展，有利于改善蓝色的显色性。但是，专利文献1中的Ye(黄色)系的再现性十分差，为此中间色的色再现性也较差。在此，“显色性”是一种光源性质，该性质影响光源装置发射的光照射到某个物体上时所观察到的物体颜色，具体来说，以太阳光照射物体所观察到的物体颜色为基准，当观察到与太阳光相似的颜色时颜色比较自然，显色性良好，相反则颜色不自然，显色性较差。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于，提供一种既能确保红色、绿色、蓝色中至少两种颜色的光的亮度、又能改善中间色的色再现性的光源装置、以及具备该光源装置的图像投影装置。
为了达到上述目的，本发明提供一种光源装置，具备以下互相独立设置的、发射不同颜色的光的发光部：发射红色光的红色发光部；发射绿色光的绿色发光部；以及，发射蓝色光的蓝色发光部，其特征在于，在所述发光部中，至少有两个发光部分别包含第一光源和第二光源，所述第一光源发射原色光，所述第二光源发射波长偏离原色光波长的光。
本发明效果如下。在红色发光部、绿色发光部以及蓝色发光部中，至少有两个发光部，通过在原色光中加入波长偏离原色光波长的光，确保红色、绿色以及蓝色中至少两种颜色的亮度，而且，该至少两个发光部发射的光与仅发射原色光的发光部发射的光相比，前者的波长领域更宽，有利于改善红色、绿色、蓝色之间的中间色的色再现性。
附图说明
图1涉及本发明实施方式的光源装置以及具备该光源装置的图像投影装置的结构示意图。
图2是一例光源装置的各LED光源发射的光的光谱。
图3是在CIE-XYZ色图系统的xy色度图中表示的图2所示光谱的色坐标图。
图4是生成控制R1/R2以及G1/G2的发光分布的信号的信号模块结构图。
图5是高压水银灯的发光光谱(以K表示的曲线)和RGB各原色光波长的对比图。
图6是在CIE-XYZ色图系统的xy色度图中表示的、以具有图5所示光谱的高压水银灯作为光源的投影机的各原色的色坐标图。
图7是比较例涉及的普通氙气灯的光谱。
具体实施方式
以下参考附图说明本发明涉及的光源装置以及具备该光源装置的图像投影装置的实施方式。
图1是涉及本发明实施方式的光源装置以及具备该光源装置的图像投影装置的结构示意图。本实施方式的图像投影装置1与被称之为DLP投影装置的图像投影装置在结构上大致相同。如图1所示，图像投影装置1具备光源装置10、中继透镜20、平面排设多个微型镜构成的反射型空间光调制元件30、作为投影光学系统向屏幕200投影图像的投影透镜40、用于控制整个图像投影装置的控制部50、用于控制光源装置10中各LED光源的光源驱动控制部60、以及用于控制空间光调制元件30中的微型镜的空间光调制元件驱动控制部70。本实施方式中用称之为微型镜器件(Digital Micro-Mirror Device，DMD，注册商标)的半导体器件作为空间光调制元件30，该DMD器件由多个光反射面倾斜角度可控的微型镜构成，各个微型镜呈矩阵形状设置，用以接受光源发射的光照射。关于空间光调制元件30，但是本发明并不受此限制，还可以用例如透射型或反射型液的晶微显示器作为空间光调制元件30。
光源装置10具备发射红色(R)光的发光部、发射绿色(G)光的发光部、发射蓝色(B)光的发光部，各发光部互相独立，并分别具有以半导体光源如LED构成、发射红色、绿色、蓝色各原色光(波长基本上与sRGB规格的三原色的波长相同)的第一光源。例如，红色发光部具有作为第一光源的第一红色LED100，绿色发光部具有作为第一光源的第一绿色LED110，蓝色发光部具有作为第一光源的第一蓝色LED120。进而，上述三个发射不同颜色光的发光部中，红色发光部和绿色发光部还分别具有以半导体光源如LED构成的第二发光部。例如，红色发光部具有作为第二发光部的第二红色LED130，该第二红色LED130发射的光的波长偏离第一红色LED100发射的原色光的波长。绿色发光部具有作为第二发光部的第二绿色LED140，该第二绿色LED140发射的光的波长偏离第一绿色LED110发射的原色光的波长。波长偏离上述原色光波长的偏离量(波长宽度)例如在1nm以上至20nm以下的范围内，优选在10nm以上至15nm以下的范围内。在此虽然未对蓝色发光部设置第二光源，但是蓝色发光部也可以设第二光源。
光源装置10还具备准直镜101、111、121、131、141、以及分色镜151～154。各准直镜分别用于使得各LED100、110、120、130、140发射的光成为平行光，各分色镜分别用于反射特定波长的光并让其他波长的光透射。
在上述结构的光源装置10中，第一红色LED100发射的红色光受到准直镜101校准，成为平行光，而后从分色镜151透射，并受到分色镜152的反射。
第一绿色LED110发射的绿色光受到准直镜111校准，成为平行光，而后从分色镜153透射，并受到分色镜154的反射。
第一蓝色LED120发射的红色光受到准直镜121校准，成为平行光，而后透射两个分色镜154和152。
相比于第一红色LED100(波长636nm)，第二红色LED130发射波长偏向绿色一侧的红色光(例如波长为624nm)。该第二红色LED130发射的红色光受到准直镜131校准，并连续受到分色镜151和152的反射。
第二绿色LED140相比于第一绿色LED110(波长565nm)发射波长偏向红色一侧的绿色光(例如波长为577nm)。该第二绿色LED140发射的绿色光受到准直镜141校准，并连续受到分色镜153和154的反射。
光源装置中各LED光源发射的光经合成后，经由中继透镜20入射空间光调制元件30。空间光调制元件30例如为，以排列成格子形状的48万～207万个数十微米大小的微型镜构成，空间光调制元件驱动控制部70发送驱动信号对这些微型镜进行个别驱动，控制每个显示像素的光反射，投影全彩色图像。而后，投影透镜40配合屏幕200大小放大空间光调制元件30投影的全彩色图像进行投影。
图2是一例光源装置10的各LED光源发射光的光谱。图3是在国际照明委员会CIE(Commission Internationale de I’Eclairage)制定CIE-XYZ色图系统的xy色度图中表示的图2所示光谱的色坐标图。图4和图5中的R1、R2、G1、G2以及B分别表示：R1对应第一红色LED100的主波长，R2对应第二红色LED130的主波长，G1对应第一绿色LED110的主波长，G2对应第二绿色LED140的主波长，B对应第一蓝色LED120的主波长。
图2中的R1、G1、B的分光特性可显示为图3所示的以R1、G1、B的坐标值为顶点的彩色三角形。该彩色三角形基本上与sRGB规格的彩色三角形一致。这对显示三原色来说是理想的坐标，但是对中间色的显示，具体为显示R1和G1的中间的Ye(黄色)来说并不理想。其原因在于，上述各光源发射的光均不包含Ye的光成分，为此，需要用R1和G1和成形成Ye。但是，R1和G1合成生成的Ye系的色再现性较差，无法充分再现中间色。
本发明人通过深入研究发现，用光谱中靠近Ye一侧的R2和G2的波长的光与R1和G1的波长的光进行合成，能够得到再现性良好的Ye。这是因为R2和G2的光的波长比R1和G1的光更接近Ye的波长，而且接近现有高压水银灯的R(红色)和G(绿色)的光谱。图2中的R2、G2、B的分光特征可显示成图3所示的以R2、G2、B的坐标为定点的彩色三角形。从图3可知，R2和G2在连接R1和G1的连线上，且在R1和G1之间。这样，在需要再现R(红色)和G(绿色)的中间色即Ye(黄色)的图像时，可以采用R2和G2的波长的光，也就是说，采用第二红色LED30以及第二绿色LED140发射的光。
进而，R1/R2以及G1/G2各光源的发光强度分布可以随着图像投影装置1中输入的图像信号而变化。
图4是生成控制R1/R2以及G1/G2的发光分布的信号的信号模块结构图。如图所示，在处理过程中信号从端子a输入，并被送往端子b一方。该控制信号是通过不同于图像处理装置1中显示图像的路径来生成的。
矩阵部80作为信号分离部，分离从端子a输入的图像信号的辉度信号和色成分。辉度信号用于动作检测部81作为图像判断部，在观察几帧图像后判断图像信号是动画还是静画。另外，辉度信号还用于图像平均水平(AveragePicture Level，APL)检测部82作为平均辉度信号检测部，掌握图像信号的辉度水平。
另一方面，色信号用于色成分分析部83作为色分布分析部对色分布进行分析。本实施方式的图像投影装置1对G(绿色)～R(红色)的所有颜色进行分析。进而，色饱和度分析部84用于分析颜色的饱和度(色浓度)。
图像内容判断部85用于根据从辉度信号提取的动画/静画信息、从APL水平以及色信号提取的色成分以及饱和度，判断这些信息表示的是什么图像。该判断例如可在以下的判断矩阵中实行。
如果是静画、APL较高、饱和度较大，则属于发表类的图像。
如果是动画(或者静画)、APL较低、饱和度较小，则属于自然画类的图像(相片、动画)。
在上述判断矩阵中如果判断结果为发表类的图像，则让R1/R2以及G1/G2基本上完全发光。
而如果判断矩阵的判断结果为自然画类的图像时，则根据色成分分析结果控制R1/R2以及G1/G2的发光分布。
例如，对于自然画中的山的绿色，将发光量控制为G1＞G2，而对于红叶的黄绿色或黄色，则将发光量控制为G1＜G2且R1＜R2。换言之，对图像信号中接近R/G原色的信号成分以及Ye附近以R/G合成的信号成分进行分析，根据色彩来控制R1/R2以及G1/G2的发光量。
控制信号生成部86生成上述控制信号，光源驱动电路87将该控制信号转换成光源点灯信号，而后从端子b控制光源。
<比较例1>
图5是高压水银灯的发光光谱(以K表示的曲线)和RGB各原色波长的对比图。图6是在CIE-XYZ色图系统的xy色度图中显示采用具有图5所示发光光谱的高压水银灯作为光源的投影机的各原色的色坐标的图。
如图5所示，根据比较例1的高压水银灯的发光特性(K曲线)可知，高压水银灯在RGB各原色波长上的光强度之间存在差异。为此，在需要一定亮度的投影机中，通常配合发光特性来偏离原色的波长。
另外，如图6所示，较大一方的彩色三角形是以sRGB规格的坐标为顶点的彩色三角形，而在该较大三角形内侧的三角形则是以普通的高压水银灯为光源的投影机各原色坐标为顶点的彩色三角形。在以该高压水银灯为光源的投影机中，对亮度贡献较大的G(绿色)的波长靠近波长较大一侧，而R(红色)则靠近波长较小一侧，从而确保色再现性。但是，R/G的原色坐标大大脱离标准的色再现范围即sRGB规格，为此，显示R/G各自单色时，G倾向于枯草色，R倾向于深红色。
<比较例2>
图7是一例氙气灯的普通的光谱。
氙气灯具有最接近太阳光的发光光谱，其特征在于，可视光范围内的发光光谱比较平坦，因而色再现性良好，没有不利于色再现性的颜色，能够获得十分自然的色再现性。但是氙气灯尺寸和电力消费量均较大，不适合在普通的小型投影机中使用。
上述说明的实施方式仅仅是本发明的一个例子，本发明的以下各种方式具有特殊效果。
<方式A>
光源装置10具备互相独立设置的发射红色光的红色发光部、发射绿色光的绿色发光部以及发射蓝色光的蓝色发光部，其中，红色发光部包含作为第一光源的第一红色LED100，绿色发光部包含作为第一光源的第一绿色LED110，蓝色发光部包含作为第一光源的第一蓝色LED120，这些第一光源均发射原色光，并且，所述红色发光部、绿色发光部以及蓝色发光部中的至少有两个发光部如红色发光部和绿色发光部，除了具有各自的第一光源，如第一红色LED100和第一绿色LED110等之外，还分别具有第二光源，如第二红色LED130和第二绿色LED140等，该第二光源发射的光的波长偏离原色光的波长。
据此，如上所述，红色发光部、绿色发光部以及蓝色发光部中的至少两个发光部发射的光均为在原色光中加有波长偏离原色光波长的光，从而能够确保红色、绿色以及蓝色三种颜色中至少两种颜色的亮度，而且，该至少两个发光部的发光波长领域均大于仅发射原色光时的波长领域，从而使得红色、绿色以及蓝色之间的中间色的色再现性得以提高。
<方式B>
在上述<方式A>中，当具有第一光源和第二光源两个光源的发光部数量为两个时，所述第二光源发射的光的波长均被设定为，使得色坐标中第二光源发射的光所对应的坐标位于所述两个发光部的第一光源发射的光所对应的两个坐标之间，且在连接该两个坐标的连线上。
据此，如上所述，在具备两个光源的两个发光部中，第二光源发射的光的波长均接近中间色的波长，为此，中间色的色再现性得以提高。
<方式C>
在上述<方式A>或<方式B>中，所述至少两个发光部中的第一光源均采用半导体光源，该半导体光源发射CIE-XYZ色度系统中按照sRGB规格的原色光。
据此，如上所述，取代难以发射sRGB规格的原色光波长光的现有高压水银等，采用可以选择发射光的波长的半导体光源来发射sRGB规格的原色光。
<方式D>
在上述<方式A>～<方式C>中任意一种方式中，在所述至少两个发光部中，所述第二光源发射的光的波长偏离同一个发光部中的所述第一光源发射的原色光的波长，偏离范围均为1nm以上至20nm以下。
据此，如上所述，光源的波长领域扩大范围在1nm以上至20nm以下，有利于提高中间色的再现性。
<方式E>
图像投影装置1具备以下各部件：光源装置；空间光调制元件30，用于根据投影对象的图像信号透射或反射所述光源装置发射的光；投影光学系统，其中包括投影透镜40等，用于将透射空间光调制元件30或受到该空间光调制元件30反射的图像投影到屏幕200上，其中的光源装置为上述<方式A>～<方式C>中任意一种方式的光源装置10。据此，如上所述，不但确保投影图像的亮度，而且提高中间色的再现性。
<方式F>
在上述<方式E>的图像投影装置中，具备以下各部：信号分离部，如矩阵部80等，用于将投影对象的图像的图像信号分离为辉度信号和色成分信号；图像判断部，如动作检测部81等，用于根据辉度信号，判断图像是动画还是静画；平均辉度水平检测部，如APL检测部82等，用于根据辉度信号，检测图像的平均辉度水平；色分布分析部，如色分布分析部83等，用于根据色成分信号，分析色分布；色饱和度分析部，如色饱和度分析部84等，用于根据色成分信号，分析色饱和度；图像内容判断部，如图像内容判断部85等，根据图像判断部的判断结果、平均辉度水平检测部的检测结果、色分布分析部的分析结果、以及色饱和度分析部的分析结果，判断投影对象的图像内容；发光强度分布决定部，如控制信号生成部86等，用来根据图像内容判断部的判断结果，决定第一光源以及第二光源各自的发光强度分布；以及，光源控制部，如光源驱动电路87等，用于根据发光强度分布决定部所决定的发光强度分布，控制第一光源和第二光源。
据此，如上所述，通过分析投影对象的图像信号中原色附近的信号成分和中间色附近的信号成分，按照颜色来决定第一光源和第二光源各自的发光强度分布，为此能够根据投影对象的图像的种类，对光源装置10进行最佳控制。
<方式G>
在上述<方式F>的图像投影装置中，光源控制部根据发光强度分布决定部决定的发光强度分布，控制照射空间光调制元件30的照射光的一个照射周期内，第一光源发射光的发光时间与第二光源发射光的发光时间的比率。
据此，如上所述，根据输入的图像信号的辉度、色成分的分析结果获得第一光源的发光时间与第二光源的发光时间的比率，能够有效地生成色彩，提高色再现性。

Claims (6)

1.一种光源装置，具备以下互相独立设置的、发射不同颜色的光的发光部：
发射红色光的红色发光部；
发射绿色光的绿色发光部；以及，
发射蓝色光的蓝色发光部，
其特征在于，在所述发光部中，至少有两个发光部分别包含第一光源和第二光源，所述第一光源发射原色光，所述第二光源发射波长偏离原色光波长的光，
当具有所述第一光源和所述第二光源的发光部的数量为两个时，该两个发光部的第二光源发射的光的波长均被设定为，使得CIE-XYZ色图系统的xy色度图的色坐标中所述第二光源发射的光所对应的坐标位于所述两个发光部的所述第一光源发射的光所对应的两个坐标之间，且在连接该两个坐标的连线上。
2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述至少两个发光部中的第一光源均采用半导体光源，该半导体光源发射CIE-XYZ色图系统中按照sRGB规格的原色光。
3.根据权利要求1或2所述的光源装置，其特征在于，在所述至少两个发光部中，所述第二光源发射的光的波长偏离同一个发光部中的所述第一光源发射的原色光的波长，偏离范围均为1nm以上至20nm以下。
4.一种图像投影装置，其中具备以下各部件：
光源装置；
空间光调制元件，用于根据投影对象的图像信号，透射或反射所述光源装置发射的光；
投影光学系统，用于将透射所述空间光调制元件或受到该空间光调制元件反射的图像投影到屏幕上，
其特征在于，所述光源装置为权利要求1至3中任意一项所述的光源装置。
5.根据权利要求4所述的图像投影装置，其特征在于，具备以下各部：
信号分离部，用于将投影对象的图像的图像信号分离为辉度信号和色成分信号；
图像判断部，用于根据所述辉度信号，判断所述图像是动画还是静画；
平均辉度水平检测部，用于根据所述辉度信号，检测所述图像的平均辉度水平；
色分布分析部，用于根据所述色成分信号，分析色分布；
色饱和度分析部，用于根据所述色成分信号，分析色饱和度；
图像内容判断部，根据所述图像判断部的判断结果、所述平均辉度水平检测部的检测结果、所述色分布分析部的分析结果、以及所述色饱和度分析部的分析结果，判断所述投影对象的图像内容；
发光强度分布决定部，用于根据所述图像内容判断部的判断结果，决定所述第一光源和所述第二光源各自的发光强度分布；以及，
光源控制部，用于根据所述发光强度分布决定部所决定的发光强度分布，控制所述第一光源和所述第二光源。
6.根据权利要求5所述的图像投影装置，其特征在于，所述光源控制部根据所述发光强度分布决定部决定的发光强度分布，控制在照射空间光调制元件的照射光的一个照射周期内，所述第一光源发射光的发光时间与所述第二光源发射光的发光时间的比率。
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