CN106125478A - 不分时彩色数字投影装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不分时彩色数字投影装置和方法，属于投影显示领域。所述的不分时彩色数字投影装置包括红光光源、绿光光源、蓝光光源、第一硅基液晶阵列、第二硅基液晶阵列、第三硅基液晶阵列、第一半透半反镜、第二半透半反镜、反射镜、投影光组和壳体。所述的不分时彩色数字投影方法通过将红光光源、绿光光源和蓝光光源复合为红绿蓝投影光束，并经投影光组的扩束，最终实现不分时彩色数字投影。本发明装置结构紧凑，方法简单易行，采用的不分时多色光复合投影方式，突破了分时彩色投影的色差时漂限制，适用于成像设备曝光速度要求高的场合。

Description

不分时彩色数字投影装置和方法

技术领域

本发明涉及一种不分时彩色数字投影装置和方法，属于投影显示领域。

背景技术

彩色数字投影技术能够通过平面图像信息控制三色光源，并利用光学系统放大图像，在投影屏上显示出高保真低畸变彩色图案。目前彩色数字投影主要采用对三色光源分时处理方式，通过将不同波段光源在时间轴上依次排列，并间歇投射到物理空间，利用人眼的视觉残留现象，在一定时间段内三色投影图案累加以实现彩色观察效果。但对于高速曝光的成像设备，这种彩色数字投影技术受分时处理方式的色差时漂限制，影响彩色投影质量。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种不分时彩色数字投影装置和方法，用以解决上述存在的问题。

本发明不分时彩色数字投影装置予以实现的技术方案是：该装置包括红光光源、绿光光源、蓝光光源、第一硅基液晶阵列、第二硅基液晶阵列、第三硅基液晶阵列、第一半透半反镜、第二半透半反镜、反射镜、投影光组和壳体；所述的红光光源发出投影所需的红色光束，投射到所述的第一硅基液晶阵列的基面上；所述的第一硅基液晶阵列依据图案投影需求对红色光束在二维空间上进行强度调制，并将经调制的红色光束传送给所述的第一半透半反镜；所述的绿光光源发出投影所需的绿色光束，投射到所述的第二硅基液晶阵列的基面上；所述的第二硅基液晶阵列依据图案投影需求对绿色光束在二维空间上进行强度调制，并将经调制的绿色光束传送给所述的第二半透半反镜；所述的蓝光光源发出投影所需的蓝色光束，投射到所述的第三硅基液晶阵列的基面上；所述的第三硅基液晶阵列依据图案投影需求对蓝色光束在二维空间上进行强度调制，并将经调制的蓝色光束传送给所述的反射镜；所述的反射镜将经第三硅基液晶阵列调制的蓝色光束反射给第二半透半反镜；所述的第二半透半反镜将经第二硅基液晶阵列调制的绿色光束和反射来的蓝色光束叠加为绿蓝复合光束，并将绿蓝复合光束传送给所述的第一半透半反镜；所述的第一半透半反镜将经第一硅基液晶阵列调制的红色光束和传来的绿蓝色复合光束叠加为红绿蓝复合光束，并将红绿蓝复合光束传送给所述的投影光组；所述的投影光组改变轴向放大率，将承载图案信息的红绿蓝复合光束投射出装置；所述的壳体用于固定光学元件，并对光路进行密封以避免外界干扰光进入。

所述的第一硅基液晶阵列、第二硅基液晶阵列和第三硅基液晶阵列型号相同；所述的第一硅基液晶阵列在所述的第一半透半反镜右侧，与所述的第一半透半反镜的工作面成45°角；所述的第二硅基液晶阵列在所述的第二半透半反镜右侧，与所述的第二半透半反镜的工作面成45°角；所述的第三硅基液晶阵列在所述的反射镜右侧，与所述的反射镜的工作面成45°角；所述的第一半透半反镜的工作面与所述的投影光组主面成45°角；所述的第二半透半反镜的工作面与所述的投影光组主面成45°角；所述的反射镜的工作面与所述的投影光组主面成45°角。

本发明提出的一种不分时彩色数字投影方法，是利用上述不分时彩色数字投影装置，并按照以下步骤：

步骤一、调整所述的第一硅基液晶阵列、第二硅基液晶阵列和第三硅基液晶阵列的晶元对应位置使各硅基液晶阵列的晶元一一对应，即阵列坐标相同的晶元投影重合。

步骤二、给所述的红光光源、绿光光源和蓝光光源通电；所述的红光光源、绿光光源和蓝光光源经过电光转换，分别向所述的第一硅基液晶阵列、第二硅基液晶阵列和第三硅基液晶阵列发射红色光束、绿色光束和蓝色光束；其中，所述的红光光源的光强分布为E_r(x,y,λ)，所述的绿光光源的光强分布为E_g(x,y,λ)，所述的蓝光光源的光强分布为E_b(x,y,λ)，x和y分别是硅基液晶阵列的列坐标和行坐标，λ是光波长。

步骤三、控制所述的第一硅基液晶阵列、第二硅基液晶阵列和第三硅基液晶阵列同步进行光束调制，光束调制函数分别为M₁(x,y)、M₂(x,y)和M₃(x,y)；光束调制函数由预设投影图案矩阵和幅值校正矩阵合成：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_1(x,y)=I_r(x,y)\·C_1(x,y)\\ M_2(x,y)=I_g(x,y)\·C_2(x,y)\\ M_3(x,y)=I_b(x,y)\·C_3(x,y)\end{array}\right.---\left(1\right)$

公式(1)中，C₁(x,y)、C₂(x,y)和C₃(x,y)分别为所述的红光光源、绿光光源和蓝光光源的幅值校正矩阵，是与光源自身特性相关的固定值；I_r(x,y)、I_g(x,y)和I_b(x,y)分别为所述的第一硅基液晶阵列、第二硅基液晶阵列和第三硅基液晶阵列预设投影图案矩阵，且分别代表预设投影图案的R，G，B值。

步骤四、经第一硅基液晶阵列调制的红色光束通过第一半透半反镜，光强降低1/2；经第二硅基液晶阵列调制的绿色光束通过第二半透半反镜和第一半透半反镜，光强降低3/4；经第三硅基液晶阵列调制的蓝色光束通过第二半透半反镜和第一半透半反镜，光强降低3/4；最终叠加而成的红绿蓝复合光线经所述的投影光组投射出装置，此时的投影光强分布D(u,v,λ)为：

$D(u,v,\mathrm{\λ})=\∫\∫\[\frac{1}{2}{M}_1(x,y)\·E_r(x,y,\mathrm{\λ})+\frac{1}{4}{M}_2(x,y)\·E_g(x,y,\mathrm{\λ})+\frac{1}{4}{M}_3(x,y)\·E_b(x,y,\mathrm{\λ})\]F(x,y,u,v)dxdy---\left(2\right)$

公式(2)中，F(x,y,u,v)是硅基液晶阵列面到投影面的点扩散函数，u和v分别是投影面的横坐标和纵坐标。

可见，按照步骤一、二、三、四，所述的红光光源、绿光光源和蓝光光源复合为红绿蓝投影光束，并经投影光组的扩束，最终实现了不分时彩色数字投影。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的不分时彩色数字投影装置和方法，采用三硅基液晶阵列结构，实现了不分时彩色数字投影。与现有技术相比，本发明提供的不分时彩色数字投影装置省略了多色光分时排列模块，结构紧凑，成本较低。本发明提供的不分时彩色数字投影方法简单易行，采用的不分时多色光复合投影方式，突破了分时彩色投影的色差时漂限制，适用于成像设备曝光速度要求高的场合。

附图说明

图1为本发明提供的不分时彩色数字投影装置结构图；

图2为本发明不分时彩色数字投影示例图。

图中：1-红光光源，2-绿光光源，3-蓝光光源，4-第一硅基液晶阵列，5-第二硅基液晶阵列，6-第三硅基液晶阵列，7-第一半透半反镜，8-第二半透半反镜，9-反射镜，10-投影光组，11-壳体，100-第一硅基液晶阵列的预设投影图案矩阵，200-第二硅基液晶阵列的预设投影图案矩阵，300-第三硅基液晶阵列的预设投影图案矩阵，400-复合图案。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，本发明不分时彩色数字投影装置，包括红光光源1、绿光光源2、蓝光光源3、第一硅基液晶阵列4、第二硅基液晶阵列5、第三硅基液晶阵列6、第一半透半反镜7、第二半透半反镜8、反射镜9、投影光组10和壳体11；所述的第一硅基液晶阵列4、第二硅基液晶阵列5和第三硅基液晶阵列6型号相同；所述的第一硅基液晶阵列4在所述的第一半透半反镜7右侧，与所述的第一半透半反镜7的工作面成45°角；所述的第二硅基液晶阵列5在所述的第二半透半反镜8右侧，与所述的第二半透半反镜8的工作面成45°角；所述的第三硅基液晶阵列6在所述的反射镜9右侧，与所述的反射镜9的工作面成45°角；所述的第一半透半反镜7的工作面与所述的投影光组10主面成45°角；所述的第二半透半反镜8的工作面与所述的投影光组10主面成45°角；所述的反射镜9的工作面与所述的投影光组10主面成45°角。

所述的红光光源1发出投影所需的红色光束，投射到所述的第一硅基液晶阵列4的基面上；所述的第一硅基液晶阵列4依据图案投影需求对红色光束在二维空间上进行强度调制，并将经调制的红色光束传送给所述的第一半透半反镜7；所述的绿光光源2发出投影所需的绿色光束，投射到所述的第二硅基液晶阵列5的基面上；所述的第二硅基液晶阵列5依据图案投影需求对绿色光束在二维空间上进行强度调制，并将经调制的绿色光束传送给所述的第二半透半反镜8；所述的蓝光光源3发出投影所需的蓝色光束，投射到所述的第三硅基液晶阵列6的基面上；所述的第三硅基液晶阵列6依据图案投影需求对蓝色光束在二维空间上进行强度调制，并将经调制的蓝色光束传送给所述的反射镜9；所述的反射镜9将经第三硅基液晶阵列6调制的蓝色光束反射给第二半透半反镜8；所述的第二半透半反镜8将经第二硅基液晶阵列5调制的绿色光束和反射来的蓝色光束叠加为绿蓝复合光束，并将绿蓝复合光束传送给所述的第一半透半反镜7；所述的第一半透半反镜7将经第一硅基液晶阵列4调制的红色光束和传来的绿蓝色复合光束叠加为红绿蓝复合光束，并将红绿蓝复合光束传送给所述的投影光组10；所述的投影光组10改变轴向放大率，将承载图案信息的红绿蓝复合光束投射出装置；所述的壳体11用于固定光学元件，并对光路进行密封以避免外界干扰光进入。

本发明提出的一种不分时彩色数字投影方法，是利用上述不分时彩色数字投影装置，并按照以下步骤：

步骤一、调整所述的第一硅基液晶阵列4、第二硅基液晶阵列5和第三硅基液晶阵列6的晶元对应位置使各硅基液晶阵列的晶元一一对应，即阵列坐标相同的晶元投影重合。

步骤二、给所述的红光光源1、绿光光源2和蓝光光源3通电；所述的红光光源1、绿光光源2和蓝光光源3经过电光转换，分别向所述的第一硅基液晶阵列4、第二硅基液晶阵列5和第三硅基液晶阵列6发射红色光束、绿色光束和蓝色光束；其中，所述的红光光源1的光强分布为E_r(x,y,λ)，所述的绿光光源2的光强分布为E_g(x,y,λ)，所述的蓝光光源3的光强分布为E_b(x,y,λ)，x和y分别是硅基液晶阵列的列坐标和行坐标，λ是光波长。

步骤三、控制所述的第一硅基液晶阵列4、第二硅基液晶阵列5和第三硅基液晶阵列6同步进行光束调制，光束调制函数分别为M₁(x,y)、M₂(x,y)和M₃(x,y)；光束调制函数由预设投影图案矩阵和幅值校正矩阵合成：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_1(x,y)=I_r(x,y)\·C_1(x,y)\\ M_2(x,y)=I_g(x,y)\·C_2(x,y)\\ M_3(x,y)=I_b(x,y)\·C_3(x,y)\end{array}\right.---\left(1\right)$

公式(1)中，C₁(x,y)、C₂(x,y)和C₃(x,y)分别为所述的红光光源1、绿光光源2和蓝光光源3的幅值校正矩阵，是与光源自身特性相关的固定值；I_r(x,y)、I_g(x,y)和I_b(x,y)分别为所述的第一硅基液晶阵列4、第二硅基液晶阵列5和第三硅基液晶阵列6预设投影图案矩阵，且分别代表预设投影图案的R，G，B值。

步骤四、经第一硅基液晶阵列4调制的红色光束通过第一半透半反镜7，光强降低1/2；经第二硅基液晶阵列5调制的绿色光束通过第二半透半反镜8和第一半透半反镜7，光强降低3/4；经第三硅基液晶阵列6调制的蓝色光束通过第二半透半反镜8和第一半透半反镜7，光强降低3/4；最终叠加而成的红绿蓝复合光线经所述的投影光组10投射出装置，此时的投影光强分布D(u,v,λ)为：

$D(u,v,\mathrm{\λ})=\∫\∫\[\frac{1}{2}{M}_1(x,y)\·E_r(x,y,\mathrm{\λ})+\frac{1}{4}{M}_2(x,y)\·E_g(x,y,\mathrm{\λ})+\frac{1}{4}{M}_3(x,y)\·E_b(x,y,\mathrm{\λ})\]F(x,y,u,v)dxdy---\left(2\right)$

公式(2)中，F(x,y,u,v)是硅基液晶阵列面到投影面的点扩散函数，u和v分别是投影面的横坐标和纵坐标。

可见，按照步骤一、二、三、四，所述的红光光源1、绿光光源2和蓝光光源3复合为红绿蓝投影光束，并经投影光组10的扩束，最终实现了不分时彩色数字投影。

实施例：

下面举例进一步对本发明做详细说明：

选取红光光源1的光波段在650nm～750nm，选取绿光光源2的光波段在500nm～600nm，选取蓝光光源3的光波段在400nm～450nm；选取第一硅基液晶阵列4、第二硅基液晶阵列5和第三硅基液晶阵列6的分辨率为1280×768，硅基液晶阵列物理尺寸为1.18英寸，硅基液晶阵列的晶元尺寸为20um×20um；选取投影光组6的轴向放大率为50。

调整所述的第一硅基液晶阵列4、第二硅基液晶阵列5和第三硅基液晶阵列6的晶元对应位置使各硅基液晶阵列的晶元一一对应。

给所述的红光光源1、绿光光源2和蓝光光源3通电，所述的红光光源1向所述的第一硅基液晶阵列4发射红色光束，所述的绿光光源2向所述的第二硅基液晶阵列5发射绿色光束，所述的蓝光光源3向所述的第二硅基液晶阵列6发射蓝色光束。

如图2所示，根据的预设投影图案矩阵100控制所述的第一硅基液晶阵列4对红色光束进行光束调制，根据的预设投影图案矩阵200控制所述的第二硅基液晶阵列5对红色光束进行光束调制，根据的预设投影图案矩阵300控制所述的第三硅基液晶阵列6对蓝色光束进行光束调制；将经第一硅基液晶阵列4调制的红色光束、经第二硅基液晶阵列5调制的绿色光束和经第三硅基液晶阵列6调制的蓝色光束叠加为红绿蓝复合光束，并通过所述的投影光组6的50倍扩束，放大为复合图案400。

复合图案400中，不相叠加的红色区域、绿色区域和蓝色区域保持颜色不变；仅有红色区域与绿色区域叠加的区域成黄色，仅有红色区域与蓝色区域叠加的区域成紫色，仅有绿色区域与蓝色区域叠加的区域成青色。

本实施例不分时彩色数字投影装置的投影显示面积为1280mm×768mm，投影精度为1mm。

本发明中，根据光束调制函数控制硅基液晶阵列进行光束调制的处理方法属于本领域内公知常识，在此不再赘述。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种不分时彩色数字投影装置，其特征在于，包括红光光源(1)、绿光光源(2)、蓝光光源(3)、第一硅基液晶阵列(4)、第二硅基液晶阵列(5)、第三硅基液晶阵列(6)、第一半透半反镜(7)、第二半透半反镜(8)、反射镜(9)、投影光组(10)和壳体(11)；

所述的红光光源(1)发出投影所需的红色光束，投射到所述的第一硅基液晶阵列(4)的基面上；所述的第一硅基液晶阵列(4)依据图案投影需求对红色光束在二维空间上进行强度调制，并将经调制的红色光束传送给所述的第一半透半反镜(7)；所述的绿光光源(2)发出投影所需的绿色光束，投射到所述的第二硅基液晶阵列(5)的基面上；所述的第二硅基液晶阵列(5)依据图案投影需求对绿色光束在二维空间上进行强度调制，并将经调制的绿色光束传送给所述的第二半透半反镜(8)；所述的蓝光光源(3)发出投影所需的蓝色光束，投射到所述的第三硅基液晶阵列(6)的基面上；所述的第三硅基液晶阵列(6)依据图案投影需求对蓝色光束在二维空间上进行强度调制，并将经调制的蓝色光束传送给所述的反射镜(9)；所述的反射镜(9)将经第三硅基液晶阵列(6)调制的蓝色光束反射给第二半透半反镜(8)；所述的第二半透半反镜(8)将经第二硅基液晶阵列(5)调制的绿色光束和反射来的蓝色光束叠加为绿蓝复合光束，并将绿蓝复合光束传送给所述的第一半透半反镜(7)；所述的第一半透半反镜(7)将经第一硅基液晶阵列(4)调制的红色光束和传来的绿蓝色复合光束叠加为红绿蓝复合光束，并将红绿蓝复合光束传送给所述的投影光组(10)；所述的投影光组(10)改变轴向放大率，将承载图案信息的红绿蓝复合光束投射出装置；所述的壳体(11)用于固定光学元件，并对光路进行密封以避免外界干扰光进入。

2.根据权利要求1所述不分时彩色数字投影装置，其特征在于，所述的第一硅基液晶阵列(4)、第二硅基液晶阵列(5)和第三硅基液晶阵列(6)型号相同；所述的第一硅基液晶阵列(4)在所述的第一半透半反镜(7)右侧，与所述的第一半透半反镜(7)的工作面成45°角；所述的第二硅基液晶阵列(5)在所述的第二半透半反镜(8)右侧，与所述的第二半透半反镜(8)的工作面成45°角；所述的第三硅基液晶阵列(6)在所述的反射镜(9)右侧，与所述的反射镜(9)的工作面成45°角；所述的第一半透半反镜(7)的工作面与所述的投影光组(10)主面成45°角；所述的第二半透半反镜(8)的工作面与所述的投影光组(10)主面成45°角；所述的反射镜(9)的工作面与所述的投影光组(10)主面成45°角。

3.一种不分时彩色数字投影方法，其特征在于，采用如权利要求1所述不分时彩色数字投影装置进行投影，包括以下步骤：

步骤一、调整所述的第一硅基液晶阵列(4)、第二硅基液晶阵列(5)和第三硅基液晶阵列(6)的晶元对应位置使各硅基液晶阵列的晶元一一对应，即阵列坐标相同的晶元投影重合；

步骤二、给所述的红光光源(1)、绿光光源(2)和蓝光光源(3)通电；所述的红光光源(1)、绿光光源(2)和蓝光光源(3)经过电光转换，分别向所述的第一硅基液晶阵列(4)、第二硅基液晶阵列(5)和第三硅基液晶阵列(6)发射红色光束、绿色光束和蓝色光束；其中，所述的红光光源(1)的光强分布为E_r(x,y,λ)，所述的绿光光源(2)的光强分布为E_g(x,y,λ)，所述的蓝光光源(3)的光强分布为E_b(x,y,λ)，x和y分别是硅基液晶阵列的列坐标和行坐标，λ是光波长；

步骤三、控制所述的第一硅基液晶阵列(4)、第二硅基液晶阵列(5)和第三硅基液晶阵列(6)同步进行光束调制，光束调制函数分别为M₁(x,y)、M₂(x,y)和M₃(x,y)；光束调制函数由预设投影图案矩阵和幅值校正矩阵合成：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_1(x,y)=I_r(x,y)\·C_1(x,y)\\ M_2(x,y)=I_g(x,y)\·C_2(x,y)\\ M_3(x,y)=I_b(x,y)\·C_3(x,y)\end{array}\right.---\left(1\right)$

公式(1)中，C₁(x,y)、C₂(x,y)和C₃(x,y)分别为所述的红光光源(1)、绿光光源(2)和蓝光光源(3)的幅值校正矩阵，是与光源自身特性相关的固定值；I_r(x,y)、I_g(x,y)和I_b(x,y)分别为所述的第一硅基液晶阵列(4)、第二硅基液晶阵列(5)和第三硅基液晶阵列(6)预设投影图案矩阵，且分别代表预设投影图案的R，G，B值；

步骤四、经第一硅基液晶阵列(4)调制的红色光束通过第一半透半反镜(7)，光强降低1/2；经第二硅基液晶阵列(5)调制的绿色光束通过第二半透半反镜(8)和第一半透半反镜(7)，光强降低3/4；经第三硅基液晶阵列(6)调制的蓝色光束通过第二半透半反镜(8)和第一半透半反镜(7)，光强降低3/4；最终叠加而成的红绿蓝复合光线经所述的投影光组(10)投射出装置，此时的投影光强分布D(u,v,λ)为：

$D(u,v,\mathrm{\λ})=\∫\∫\[\frac{1}{2}{M}_1(x,y)\·E_r(x,y,\mathrm{\λ})+\frac{1}{4}{M}_2(x,y)\·E_g(x,y,\mathrm{\λ})+\frac{1}{4}{M}_3(x,y)\·E_b(x,y,\mathrm{\λ})\]F(x,y,u,v)dxdy---\left(2\right)$

公式(2)中，F(x,y,u,v)是硅基液晶阵列面到投影面的点扩散函数，u和v分别是投影面的横坐标和纵坐标；

可见，按照步骤一、二、三、四，所述的红光光源(1)、绿光光源(2)和蓝光光源(3)复合为红绿蓝投影光束，并经投影光组(10)的扩束，最终实现了不分时彩色数字投影。