CN106154714A - 一种空间光调制器调制数据的方法及投影系统 - Google Patents

Abstract

为解决将不同颜色在时序上进行合光，以使两种颜色的光融合，从而提高显示亮度同时降低散斑的技术问题，本发明提供了一种空间光调制器调制数据的方法，包括以下步骤：将待调制数据的每一帧转换为n个位区段，每个位区段赋予位权重；把至少一个位区段至少分为第一子位区段和第二子位区段，将转换为位区段的待调制数据帧载入空间光调制器；至少一种待调制的基色光，该基色光包括激光和荧光，所述调制单元的至少一个位区段的第一子位区段调制所述激光，第二子位区段调制所述荧光。本发明将两个色光在时序上合光，提高了显示亮度同时也降低了散斑。

Description

一种空间光调制器调制数据的方法及投影系统

技术领域

本发明涉及一种显示数据处理的方法，尤其是设计一种空间光调制器调制数据的方法及投影系统。

背景技术

目前，空间光调制器(数字微镜DMD)在投影显示领域获得广泛应用，其中DMD以其响应速度快的特点，可以用时序切换的基色光来实现彩色投影显示，由此使得单片式DMD投影系统成为一种较为成熟的技术。单片式DMD投影系统以其结构简单，成本较低，在中低端市场广泛应用。美国专利US7547114B2提供了一种半导体激光器激发色轮上不同荧光粉色段以形成不同基色光的方法，该方法具有光效高，光学扩展量小的优势，因此发展迅速，成为投影仪光源的理想选择。在现有的激光激发荧光粉光源中，由于产生红光的红光荧光粉或者橙光荧光粉激发效率较低，同时产生的荧光还需配合相应的滤光片滤除短波长光使得红光更纯，这导致最终得到的红光荧光效率很低。因此对于系统而言，红光亮度在总体亮度中所占比例较低，即Red content较低。同时色坐标与色域标准比如REC.709或者DCI存在差距。

针对该问题，可以改进光源系统，通过添加激光，与荧光合光，使得荧光效率、亮度以及色坐标均得到改善，同时激光的散斑也在可以接受的范围内，这是一种比较可行的方案。为此通过在时序上将橙色荧光和红激光进行混合，能够高效地利用红激光和橙色荧光发光，有效节省成本。基于该光源，与之相对应的DMD控制装置成为投影系统中重要的一部分。然而现有的DMD控制系统中，四段式色轮对应四基色，如果应用到上述光源中，会使得红激光与橙色荧光成为两种基色光，此时系统的红光均由红激光提供，不仅亮度不够，同时散斑现象会非常严重，失去了激光和荧光时序合光的初衷。因此，如何实现一种针对激光和荧光时序合光的控制方法，以使两种颜色的光融合，从而提高显示亮度同时降低散斑，成为影响该光源能否应用于实际投影系统的最关键问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种空间光调制器调制数据的方法，包括以下步骤：

将待调制数据的每一帧转换为n个位区段，每个位区段赋予不同的位权重；

把至少一个位区段至少分为第一子位区段和第二子位区段，将转换为位区段的待调制数据帧载入空间光调制器；

至少一种待调制的基色光，该基色光包括第一光和第二光，所述调制单元的至少一个位区段的第一子位区段调制所述第一光，第二子位区段调制所述第二光。

进一步的，所述第一光为激光，所述第二光为荧光。

进一步的，所述待调制的基色光的光强恒定，将一帧待调制数据的最低有效位设为第一位区段，其位权重设为1，对应的调制时长设为t，第n位区段的位权重为2^n-1,第n位区段调制时长为2^n-1t。

进一步的，将各位区段平均划分为偶数个子位区段，所述各位区段的调制时长平均分配在各自的子位区段上。

进一步的，把位权重较高的位区段划分的子位区段数多于位权重较低的位区段划分的子区段数。

进一步的，将一帧待调制数据的最低有效位设为第一位区段，其位权重为1，对应的调制时长为t，所述待调制的基色光的光强设定如下：m个低位区段中第m位的光强为2^m-1p，p为第一位区段对应的基色光光强值，m个低位区段中从第二位区段起的调制时长为均设置为2t，所述各位区段的调制时长平均分配在各自的子位区段上；k个高位区段中各区段对应的基色光光强均为8p,p为第一位区段对应的基色光光强值,k个高位区段中第k高位调制时长为2^k-m/2t；上述m个低位区段中m的取值为1至n/2之间的整数，k个高位区段中k的取值为n/2至n之间的整数，以位区段对应的位权重划分高低位区段。

进一步的，将各位区段平均划分为偶数个子位区段，所述各位区段的调制时长平均分配在各自的子位区段上。

进一步的，所述待调制的基色光的光强设定步骤还包括，产生所述基色光的光源包括m+1组，m个低位区段配置有m组光源，m组光源的开启根据各位区段的光强进行组合，以达到各位区段的相应光强；k个高位区段共用1组光源，根据k个高位区段中的调制时长值以达到各位区段的相应光强。

进一步的，每组光源中包括发射激光的第一发光组件和发射荧光的第二发光组件；在至少一个位区段的第一子位区段开启第一发光组件，第二子位区段开启第二发光组件。

进一步的，其特征在于，所述待调制数据在所述第一位区段上调制过程为：发射所述激光的第一发光组件在关闭的同时发射所述第二成分色的第二发光组件打开。

进一步的，其特征在于，所述激光在所述第一位区段的前半部分调制，所述荧光在所述第一位区段的后半部分调制。

进一步的，所述激光的亮度与所述荧光的亮度之和等于所述基色光的亮度，所述激光与所述荧光混合之后的色坐标等于所述基色光的色坐标。

进一步的，发射所述激光和所述荧光的光源包括发光组件和色轮，所述发光组件包括第一发光元件和所述第二发光元件，所述色轮上至少设有一荧光粉和一散射段，所述第一发元件发射的光通过所述散射段后形成激光，所述第二发光元件发射光通过荧光粉后转换为荧光。

进一步的，所述第一发光元件为红光激光器，所述激光为红激光，所述第二发光元件为激发光，所述荧光粉为橙色荧光粉，所述荧光为激发光经橙荧光粉转换后的橙荧光。

进一步的，所述第一发光元件为绿光激光器，所述激光为绿激光，所述第二发光元件为蓝激光器，所述荧光粉为绿荧光粉，所述荧光为蓝激光器发出的蓝激光经绿荧光粉转换后的绿荧光。

进一步的，所述激光和荧光混合后的色坐标与所述待调制数据中对应基色光的色坐标相同，所述激光和荧光混合后的亮度与所述待调制数据中对应基色光的亮度相同。

本发明通过将待调制的数据帧划分为位区段，对位区段进一步的划分为更小的子位区段，在每个不同的位区段的各子位区段分别加载激光和荧光，如此将两个色光在时序上合光，提高了显示亮度同时也降低了散斑。

本发明的另一个方面提供了一种投影系统，空间光调制器采用上述方法调制待投影的数据，得到一种光利用率均较高的投影系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1处理数据的示意图；

图2为本发明实施例1处理最低有效位时的光源开闭示意图；

图3为本发明实施例2处理数据的示意图；

图4为本发明实施例3处理数据的示意图；

图5为本发明实施例3处理最低有效位时的光源开闭示意图

图6为本发明实施例4的投影系统图；

图7为本发明实施例4投影系统的色轮结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。对于本发明投影系统色域的控制方法在实施方式中结合投影系统的进行阐述，为节省篇幅不再另行说明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

出于举例本实施方式选用n＝8位灰度值的投影系统说明本发明的控制方法，将本发明保护方案中的待调制数据每一帧单色图像调制周期划分为8个位区段，位区段的划分以每个像素的灰度值可以用多少位二进制数据来表达为依据，例如有256个灰度值的像素可以用8位二进制表达，假设以每秒60帧的速率发送图像，基色光选取3种，以下以其中一种为例进行说明，至少有一种基色光包括2种成分的色光，则一帧单色数据持续时长为5555.6微秒，为了便于说明本实施方式以红基色光为例，其包含的成分色光分别为红激光R和橙荧光O，(当然也可以是其他基色光，例如可以是绿激光和绿荧光，本实施方式出于举例并不限定各位区段上的调制颜色)以下将以R代表红激光，O代表橙荧光进行表述。

对一帧待调制数据的8个位区段赋予位权重，按照位权重从低到高依次赋予的位权重为2⁰、2¹、2²、2³、2⁴、2⁵、2⁶、2⁷，各位区段赋予的位权重值对应于8位灰度值，可以实现1至255的灰阶，为了各位区段在时序上能够对红激光和橙荧光合光，对各位区段进一步细分，各位区段在划分为子位区段时优选各位区段划分为2^a个均匀的子位区段，(0＜a＜n的整数)。便于说明本实施方式，除了位权重为2⁰的第一位区段也就是最低有效位之外其余的7位区段各自均划分为2个相同的子位区段，按照调制需要也可以按照其他方式划分子位区段。

本实施方式中红激光R和橙荧光O光强恒定，在每个位区段的第一子位区段调制红激光R，在该位区段的第二子位区段调制橙荧光O,由于光强恒定，则每位区段上的灰度值仅与该位区段的调制时长相关，因此按照位权重分配相应与各位区段位权重的调制时间，假设最低有效位即第一位区段的调制的时长为t，则各位区段的调制时间依次为：2⁰t、2¹t、2²t、2³t、2⁴t、2⁵t、2⁶t、2⁷t,例如第8位区段的调制时长是2⁷t＝128t，将其平均分成两个子位区段之后，第八位区段的第一子位区段和第二子位区段调制时长均为64t，以此类推。

提供红激光R和橙荧光O的光源分别为红激光器和色轮，色轮上设有橙色荧光粉段和散射段，激发光源激励橙色荧光粉产生橙荧光O，红色激光器发出的红激光经过散射段后形成红激光R，优选的红激光R和橙荧光O的亮度之和等于红基色光的亮度，红激光R和橙荧光O混合后色坐标等于红基色光的色坐标。激发光优选445nm的蓝光激光器。通过色轮提供红激光R和橙荧光O，光源结构简单，而且红激光R和橙荧光O优点互补，可以保证图像亮度高散斑少。

受限于目前空间光调制器的极限翻转速度，最低有效位区段(LSB)即第一位区段没有再进行细分，在第一位区段，R光占一半时间(t/2)，O光占一半时间(t/2)。在一帧单色图像中，最低有效位一般持续时长为10⁶/(60*3*255)＝21.8μs，也即是图1中的t＝21.8μs，在如此短的时间内要做到红激光器的关闭和蓝激光器的打开，对光源要求相当高，因此可以采取如图2的方式，在红激光器开始关闭的时候，打开蓝激光器，二者在t时段内有重叠，达到混光的效果，这样对光源的开关时长要求降低，更容易实现。

实施例2

本实施方式与实施例1不同之处仅在于，在实施例一的基础上，为了提高光切换的频率，避免长时间段内人眼接收不到光而产生flicker效应(Flicker效应指的是人眼收到明暗光信号的时间间隔较长导致的闪烁的现象)，把位区段进行更大程度的均分，将权重值较高的位区段划分为更多的子位区段，如图3所示，将权重值为2⁷的第8位区段平均分成8份，R光与O光各分配4份，每个子位区段上的调制时长为16t；将位权重为2⁶的第7位区段平均分成4份，R光与O光各分配2份，每个子位区段上的调制时长也为16t，与实施例一相比，R光与O光的切换频次加大，避免flicker效应。

实施3

主要思想是利用比较大的光强减小位权重大的位区段的调制时间占比，增加位权重值比较的小的位区段时间占比，这样就可以使得最低有效位有比较充裕的时间进行调制，适应激光器的开闭时间。

在实施例1的基础上，同样选用8位灰度值的投影系统说明本实施方式的控制方法，将8个位区段按照位权重分为两组，如图4所述，第一组为位权重较小的4个位区段，分别是位权重值为2⁰的最低有效位即第一位区段，位权重值为2¹的第二位区段，位权重值为2²的第三位区段和位权重为2³的第四位区段；第二组为位权重较大的4个位区段，分别是位权重值为2⁴即第五位区段，位权重值为2⁵的第六位区段，位权重值为2⁶的第七位区段和位权重值为2⁷的第八位区段。第一组各个位区段的光强配置为：第一位区段光强为p，第二位区段光强为2p，第三位区段光强为4p第四位区段光强为8p；第一组每个位区段的调制时长均为2t，t为最低有效位区段的调制时长。第二组每个位区段的光强均配置为8p，调制时间配置如下：第五位区段的调制时长为2t，第六位区段的调制时长为4t，第七位区段的调制时长为8t，第八位区段的调制时长为16t。其中将第二位区段至第八位区段，每个位区段各自均分为2个子位区段，则第八位区段的每个子位区段分配到的调制时长为8t，则第七位区段的每个子位区段分配到的调制时长为4t，……第四位区段的每个子位区段分配到的调制时长为t，以此类推。

对于第一组四个位区段的强度配置采用四组光源组合的方式实现，具体为每组光源包括发射激光的第一发光组件和用于发射荧光的第二发光组件，其中有三组光源L1、L2和L3的中第一发光组件和第二发光组件发出的激光和荧光的强度均为p，第四组光源L4中的第一发光组件和第二发光组件发出的激光和荧光的强度均为2p；在第一位区段上述光源组L1开启，在第二位区段光源组L2开启，在第三位区段光源组L2和L3同时开启，在第四位区段光源组L2、L3和L4同时开启。为了节省光源，第一位区段和第二可区段以共用一组光源，通过控制第一发光组件和第二发光组件的发光时间可以满足第一位区段和第二位区段的要求。

第二组4个位区段共用一组光源，同样包括用于发射激光的第一发光组件和用于发射荧光的第二发光组件，发出的激光和荧光的强度均为8p。

如此以来一帧红光图像持续的时长为(8t+4t+2t+t*4)*2+t＝33t，则t＝5555.6/33＝168.4μs，与实施例1中最低有效位(LSB)的调制时长21.8μs相比，提高了8倍，可以降低光源的调制速率，如图5所述，在此时间内实现R光激光关闭和B光激光打开，在本实施方式中由于最低有效位区段调制时长为实施例1的8倍，红激光器和蓝激光器在该段时间内有足够的时间开启和关闭，因此对于本实施方式中的最低有效位区段(LSB)第一发光组件在前半段开启，第二发光组件在后半段开启，以实现所述激光在所述第一位区段的前半部分调制，所述荧光在所述第一位区段的后半部分调制。在整个最低有效位区段也会有激光和荧光。

实施例4

本发明的另一个方面提供了一种投影系统，空间光调制器采用上述方法调制待投影的数据，如图6所示，该投影系统包括光源501和502，二向色镜503，收集透镜504和506，色轮505，方棒507，光中继系统508，TIR棱镜509，DMD芯片510及其控制装置511，投影镜头512。

光源501为445nm蓝激光器，502为638nm红激光器模组，蓝激光器501发出的蓝激光与红激光器模组502发出的红激光在二向色镜503处合光，透射蓝光，反射红光，合光后的光束经收集透镜504聚焦到色轮505上，色轮505为如图7所示的四段式色轮，其中蓝段、绿段、橙段，分别涂有散射粉、绿色荧光粉、橙色荧光粉，diffuser段为直接透射，蓝光激光在蓝段、绿段和橙段分别激发产生蓝光、绿色荧光、橙色荧光后透射，在透射式diffuser段，蓝激光器501关闭，红激光器模组502打开，经准直透镜504聚焦到diffuser后透射，色轮505出射的时序光经收集透镜506后进入方棒507，匀光后经光中继系统508到达TIR棱镜509处，反射后到达DMD芯片510，在DMD控制系统511的控制下，DMD对入射光进行调制，出射后透射TIR棱镜509，最终经投影镜头512成像。

通过实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (16)

1.一种空间光调制器调制数据的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待调制数据的每一帧单色图像调制周期转换为n个位区段，每个位区段赋予位权重；

把至少一个位区段至少分为第一子位区段和第二子位区段，将转换为位区段的待调制数据帧载入空间光调制器；

至少一种待调制的基色光，该基色光包括第一光和第二光，所述调制单元的至少一个位区段的第一子位区段调制所述第一光，第二子位区段调制所述第二光，所述第一光和所述第二光的光谱部分重叠。

2.根据权利要求1所述空间光调制器调制数据的方法，其特征在于，所述第一光为激光，所述第二光为荧光。

3.根据权利要求2所述空间光调制器调制数据的方法，其特征在于，所述待调制的基色光的光强恒定，将一帧待调制数据的最低有效位设为第一位区段，其位权重设为1，对应的调制时长设为t，第n位区段的位权重为2^n-1,第n位区段调制时长为2^n-1t。

4.根据权利要求3所述空间光调制器调制数据的方法，其特征在于，将各位区段平均划分为偶数个子位区段，所述各位区段的调制时长平均分配在各自的子位区段上。

5.根据权利要求4所述空间光调制器调制数据的方法，其特征在于，把位权重较高的位区段划分的子位区段数多于位权重较低的位区段划分的子区段数。

6.根据权利要求2所述空间光调制器调制数据的方法，其特征在于，将一帧待调制数据的最低有效位设为第一位区段，其位权重为1，对应的调制时长为t，所述待调制的基色光的光强设定如下：m个低位区段中第m位的光强为2^m-1p，p为第一位区段对应的基色光光强值，m个低位区段中从第二位区段起的调制时长为均设置为2t，所述各位区段的调制时长平均分配在各自的子位区段上；k个高位区段中各区段对应的基色光光强均为8p,p为第一位区段对应的基色光光强值,k个高位区段中第k高位调制时长为2^k-n/2t；上述m个低位区段中m的取值为1至n/2之间的整数，k个高位区段中k的取值为n/2至n之间的整数，以位区段对应的位权重划分高低位区段。

7.根据权利要求6所述空间光调制器调制数据的方法，其特征在于，将各位区段平均划分为偶数个子位区段，所述各位区段的调制时长平均分配在各自的子位区段上。

8.根据权利要求6所述空间光调制器调制数据的方法，其特征在于，所述待调制的基色光的光强设定步骤还包括，产生所述基色光的光源包括m+1组，m个低位区段配置有m组光源，m组光源的开启根据各位区段的光强进行组合，以达到各位区段的相应光强；k个高位区段共用1组光源。

9.根据权利要求8所述空间光调制器调制数据的方法，其特征在于，每组光源中包括发射激光的第一发光组件和发射荧光的第二发光组件；在至少一个位区段的第一子位区段开启第一发光组件，第二子位区段开启第二发光组件。

10.根据权利要求3至5任一项所述空间光调制器调制数据的方法，其特征在于，所述待调制数据在所述第一位区段上调制过程为：发射所述激光的第一发光组件在关闭的同时发射所述第二成分色的第二发光组件打开。

11.根据权利要求6至9任一项所述空间光调制器调制数据的方法，其特征在于，所述激光在所述第一位区段的前半部分调制，所述荧光在所述第一位区段的后半部分调制。

12.根据权利要求2所述空间光调制器调制数据的方法，其特征在于，所述激光的亮度与所述荧光的亮度之和等于所述基色光的亮度，所述激光与所述荧光混合之后的色坐标与所述基色光的色坐标相同。

13.根据权利要求12所述空间光调制器调制数据的方法，其特征在于，发射所述激光和所述荧光的光源包括发光组件和色轮，所述发光组件包括第一发光元件和所述第二发光元件，所述色轮上至少设有一荧光粉段和一散射段，所述第一发元件发射的光通过所述散射段后形成激光，所述第二发光元件发射光通过荧光粉后转换为荧光。

14.根据权利要求13所述空间光调制器调制数据的方法，其特征在于，所述第一发光元件为红光激光器，所述激光为红激光，所述第二发光元件为蓝激光器，所述荧光粉为橙荧光粉，所述荧光为蓝激光器发出的蓝激光经橙荧光粉转换后的橙荧光。

15.根据权利要求13所述空间光调制器调制数据的方法，其特征在于，所述第一发光元件为绿光激光器，所述激光为绿激光，所述第二发光元件为蓝激光器，所述荧光粉为绿荧光粉，所述荧光为蓝激光器发出的蓝激光经绿荧光粉转换后的绿荧光。

16.一种投影系统，包括光源、光中继系统、空间光调制器和投影镜头，所述光中继系统将光源出射的光引导至空间光调制器处理，经空间光调制器处理后的光出射，通过投影镜头最终成像，其特征在于，空间光调制器采用上述任一项空间光调制器调制数据的方法对待投影的数据进行调制。