CN107609285A - 荧光粉色轮分段调节的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种荧光粉色轮分段调节的计算方法。本发明包括下列步骤:步骤一、采用积分球测量荧光粉色轮中单色荧光粉的色坐标及光通量，并确定荧光粉色轮各颜色段的角度比例；步骤二、使用步骤一的已知条件，计算出混合白光的三刺激值；步骤三、由混合白光的三刺激值与色坐标的关系，换算出混合白光的色坐标；步骤四、由混合白光的色坐标与色温之间的关系，计算出混合白光的色温值；步骤五、使用步骤一的已知条件，计算出混合白光的光通量值。本发明可准确计算得到混合白光的色坐标、色温值、光通量值，进而通过调节荧光粉色轮各颜色段的角度比例，能够有效利用荧光粉色段，实现高效、高色域要求，提高光学系统的效率及寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种荧光粉色轮分段调节的计算方法，属于照明及激光显示技术领域。
背景技术
激光光源作为一种高亮度、高准直的新型光源，正被逐步应用到投影、照明等领域。激光显示技术以红、绿、蓝三基色为光源，充分利用激光波的可选择性和高光谱亮度特点，使显示图像具有更大的色域表现空间，以实现最真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，提供更震撼的表现力。激光显示色域覆盖率可达90％，具有完美的色彩还原度。
激光电视的光源采用单色或三色激光。但是，由于绿光激光器发展不够成熟，成本昂贵，荧光粉激光显示技术则独辟蹊径。目前，荧光粉材料在照明和显示领域具有广泛的应用。荧光粉材料具有能吸收一种波长的激光产生另一种不同波长光特性的材料。基于荧光材料的该特性，激光显示领域进而选择成本较低的蓝色激光激发高速旋转的荧光粉色轮，形成红绿蓝黄(RGBY)四色光源，然后再投射在屏幕上。
目前激光显示产品的荧光粉色轮是将不同颜色的荧光粉分别形成于轮状基板上的不同区域，如图3所示，由红色荧光粉区R、黄色荧光粉区Y、绿色荧光粉区G与透射式蓝光光路区B组成。依次产生红、黄、绿、蓝四色光，再经过合光系统形成特定色温的白光输出。由于不同的荧光粉色彩比例，所产生混合白光的色坐标、色温以及光通量存在一定差异。并且，不同颜色段荧光粉的材料特性存在差异，受激光光源波长和光功率影响，引起受激辐射光效果特性也存在一定差异，如光激发效率、对蓝光激光的光饱和特性、荧光粉热猝灭特性以及光衰等特性，导致同功率激光照射不同荧光粉色段时，出现过饱和现象。当出现荧光粉色段出现过饱和现象时，未被有效转化的激光能力返回激光器，可能造成激光器受热震荡，影响激光光源可靠性和功率输出，降低系统光学效率及寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种荧光粉色轮分段调节的计算方法，可准确计算得到混合白光的色坐标、色温值、光通量值，进而通过调节荧光粉色轮各颜色段的角度比例，能够有效利用荧光粉色段，实现高效、高色域要求，提高光学系统的效率及寿命。
为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：荧光粉色轮分段调节的计算方法，包括下列步骤:
步骤一、采用积分球测量荧光粉色轮中单色荧光粉的色坐标及光通量，并确定荧光粉色轮各颜色段的角度比例；
步骤二、使用步骤一的已知条件，计算出混合白光的三刺激值；计算可通过Matlab软件进行；
混合白光的三刺激值的计算公式为:
其中X1～Xn,Y1～Yn,Z1～Zn为荧光粉色轮中单色荧光粉的三刺激值；θ1～θn为荧光粉色轮各颜色段的角度值；
步骤三、由混合白光的三刺激值与色坐标的关系，换算出混合白光的色坐标；
步骤四、由混合白光的色坐标与色温之间的关系，计算出混合白光的色温值；
步骤五、使用步骤一的已知条件，计算出混合白光的光通量值，
混合白光的光通量值的计算公式为:
其中L1～Ln为荧光粉色轮中单色荧光粉的光通量；θ1～θn为荧光粉色轮各颜色段的角度值。
为节约成本，荧光粉色轮由红色荧光粉区R、黄色荧光粉区Y、绿色荧光粉区G与透射式蓝光光路区B组成，对应的激光光源为蓝色激光；
相应地，混合白光的三刺激值的计算公式为:
混合白光的光通量值的计算公式为:
其中θR、θG、θB、θY为荧光粉色轮各颜色段的角度值，θR+θG+θB+θY＝360°。
在激光激发荧光粉显示技术中，由于荧光粉色轮分段比例不同，激光激发荧光粉后的受激光源的色坐标、色温以及光通量也就不同。对于高速旋转的荧光粉色轮，通过实验很难测得不同比例的荧光粉对应的单色三刺激值。本发明是通过蓝色激光激发单色荧光粉色轮得到单色色坐标、光通量以及色轮上各颜色的比值，计算出四色(RGBY)的三刺激值。通过四色三刺激值加权叠加得到混合白光的三刺激值，最终计算得到混合白光的色坐标。
同混合白光的色坐标类似，混合白光的光通量与各色荧光粉色轮的角度有关，不是单色光通量的叠加。混合白光的色温值与白光色坐标有关，也就是与各色荧光粉色轮的角度有关。
按上述计算方法，本发明可准确得到的混合白光的色坐标、色温值、光通量值，并且据此调节荧光粉色轮各颜色段的角度比例；重复上述步骤一至步骤五，直至混合白光具有适合的色坐标、色温值、光通量值，达到荧光粉色段的有效利用。
本发明的有益效果是：计算方法简单易行，可实现荧光色轮上各色荧光粉比例的合理匹配，达到荧光粉色段的有效利用，以满足激光显示中激光光源激发荧光粉层发光的光强和色度等要求，实现激光显示中激光光源激发荧光粉层发光的高效率、高色域的要求。
附图说明
图1为本发明提供的荧光轮分段调节的计算方法的流程示意图。
图2为本发明实施例中荧光粉激光显示系统的结构示意图。
图3为本发明实施例中荧光粉色轮的结构示意图。
图4为本发明所采用蓝光激光的实验相对光谱值测试数据图。
图5a和图5b为本发明实例的混合白光色品坐标计算值和测量值比较图。
图6a～图6d为本发明实例中的改变荧光粉色轮段比例的混合白光的色坐标变化图。
图7a～图7d为本发明实例中的改变荧光粉色轮段比例的混合白光的相关色温变化图。
图8a～图8d为本发明实例中的改变荧光粉色轮段比例的混合白光的光通量变化图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，荧光粉色轮分段调节的计算方法，包括下列步骤:
步骤一、如图1中A101，采用积分球测量荧光粉色轮中单色荧光粉的色坐标及光通量，并确定荧光粉色轮各颜色段的角度比例；
步骤二、如图1中A102，使用步骤一的已知条件，根据单色荧光粉的色坐标及各颜色段的角度比例，计算出混合白光的三刺激值；计算可通过Matlab软件进行；
混合白光的三刺激值的计算公式为:
其中X1～Xn,Y1～Yn,Z1～Zn为荧光粉色轮中单色荧光粉的三刺激值；θ1～θn为荧光粉色轮各颜色段的角度值；θ1+θ2+…+θn＝360°；
步骤三、如图1中A103，由混合白光的三刺激值与色坐标的关系，换算出混合白光的色坐标；
步骤四、如图1中A104，由混合白光的色坐标与色温之间的关系，计算出混合白光的色温值；
步骤五、如图1中A105，使用步骤一的已知条件，根据单色荧光粉的光通量及各颜色段的角度比例，计算出混合白光的光通量值，
混合白光的光通量值的计算公式为:
其中L1～Ln为荧光粉色轮中单色荧光粉的光通量；θ1～θn为荧光粉色轮各颜色段的角度值，θ1+θ2+…+θn＝360°。
为节约成本，本发明中的荧光粉色轮由红色荧光粉区R、黄色荧光粉区Y、绿色荧光粉区G与透射式蓝光光路区B组成，对应的激光光源为蓝色激光。
图2是本发明的实施例中荧光粉激光显示系统工作原理的结构示意图。本发明实例中图2的工作原理：驱动电源装置101驱动蓝色激光透镜102阵列发光，蓝色激光束通过扩束镜组103后入射到蓝光二向色镜104，经蓝光二向色镜104反射的蓝色激光通过聚焦镜组105会聚后，以点光源的形式入射到荧光粉色轮106上，荧光粉色轮106的驱动板驱动荧光粉色轮106高速转动，荧光粉色轮106上的不同荧光粉色段受蓝色激光辐射后发出对应颜色的受激光，受激光被荧光粉层基板反射入射到蓝光二向色镜104，蓝光二向色镜104反射蓝光、透射其他颜色光，受激光经过会聚透镜组110会聚后入射到前端投影仪111中。蓝色激光通过聚焦镜组105的透射段仍然为蓝色激光，蓝色激光透过荧光粉色轮106入射到扩束镜组107后经反射镜108反射，经过一个毛玻璃片109匀光后，经过反射镜108反射两次后被蓝光二向色镜104反射，进入会聚透镜组110会聚后入射到前端投影仪111中。
图3中标示的R、G、Y表示涂覆的红色、绿色、黄色三种荧光粉材料；B段是没有涂荧光粉的，它的作用是透射部分蓝色激光。另一部分蓝色激光激发荧光粉层形成红、绿、黄三色荧光，与通过去的蓝光混合成白光。本发明使用的蓝色激光波长为450.5nm，其光谱如图4所示。
由于颜色的三刺激值有线性叠加特性，在颜色相加混合计算中总是先计算三刺激值，再求色坐标。在激光激发荧光粉显示技术中，由于荧光粉色轮分段比例不同，激光激发荧光粉后的受激光源的色坐标、色温以及光通量也就不同。对于高速旋转的荧光粉色轮，通过实验很难测得不同比例的荧光粉对应的单色三刺激值。所以，本发明是通过蓝色激光激发单色荧光粉色轮得到单色色坐标、光通量以及色轮上各颜色的比值，计算出四色(RGBY)的三刺激值。通过四色三刺激值加权叠加得到混合白光的三刺激值，最终计算得到混合白光的色坐标。
具体计算公式如下：
已知单色光的色品坐标x′、y′，及光通量L时，颜色的三刺激值为：
Y＝L,
计算出三刺激值之后，色坐标计算公式为：
本发明所涉及的红色色品的x色坐标为0.5562、y色坐标为0.3449、亮度为1786；绿色色品的x色坐标为0.3364、y色坐标为0.5709、亮度为8580；黄色色品的x色坐标为0.4250、y色坐标为0.5305、亮度为8798；蓝色色品的x色坐标为0.1562、y色坐标为0.0188、亮度为794。
使用积分球可测的单色色轮各荧光的色坐标和光通量，但混合白光的色坐标与已知色的色品坐标之间不是线性叠加的关系。上述已经提到混合色的三刺激值与已知色之间存在线性叠加的关系，所以需要通过已知色的三刺激值求出混合白光的三刺激值，再由混合白光的三刺激值计算出混合白光的色坐标。
本发明使用的色轮试验品一的荧光粉比例：红色120°，绿色108°，蓝色62°，黄色70°。用积分球测得混合白光的色坐标与使用以上公式模拟计算结果的比较结果如图5a和图5b所示，图5a为x色坐标比较结果，图5b为y色坐标比较结果。
下面在上述色轮试验品一的基础上改变荧光粉比例，分析不同的荧光粉比例对混合白光的色品坐标的影响。
使用本发明中的上述公式，求出混合白光的三刺激值：
式中θR、θG、θB、θY为荧光粉色轮各颜色段的角度值，且θR+θG+θB+θY＝360°。根据该公式可求得混合白光的色坐标。
如图6a所示，荧光粉分段时，选择绿色108°，蓝色62°，增加红色荧光粉，减少黄色荧光粉比例，混合白光色坐标减小；
如图6b所示，荧光粉分段时，选择红色120°，蓝色62°，增加绿色荧光粉，减少黄色，混合白光x色坐标减小，y色坐标增加但不明显；
如图6c所示，荧光粉分段时，选择红色120°，绿色108°，增加黄色荧光粉，减少蓝色，混合白光色坐标增大；
如图6d所示，荧光粉分段时，选择红色120°，绿色108°，增加蓝色荧光粉，减少黄色，混合白光色坐标减小.
由此可见，荧光粉色轮分段比例发生变化，将影响混合白光色坐标值随之发生变化，如如图6a～图6d所示。所以，通过改变荧光粉色段的比例，可以输出不同色坐标的混合白光。
同样地，荧光粉色段比例也将影响输出的混合白光的色温。本发明采用以下实例来说明不同比例的荧光粉色段对混合白光色温的影响。
相关色温T的简易计算方法：
T＝-437n3+3601n2-6861n+5514.31
式中，n＝(x-0.3320)/(y-0.1858)。其中，x，y为混合白光的色品坐标值。
图7a～图7d表示本发明中采用不同荧光粉色段比例对混合白光的色温影响的结果。荧光色轮分段时，选择绿色108°，蓝色62°，增加红色，减少黄色，采用Matlab模拟的结果，如图7a所示，白光相关色温增加；同理，选择红色120°，蓝色62°，增加绿色，减少黄色，白光相关色温增加，如图7b所示；选择红色120°，绿色108°，增加黄色，减少蓝色，白光相关色温减小，如图7c所示；选择红色120°，绿色108°，增加蓝色，减少黄色，白光相关色温增加，如图7d所示。
荧光粉色段比例除了影响混合白光的色坐标和相关色温以外，还影响混合白光的光通量。下面就不同的荧光粉色段对白光光通量的影响作如下分析：
混合白光光通量的叠加原原理与色品坐标类似，混合白光光通量并不等于单色光光通量之和，而是使用以下公式计算：
其中θR、θG、θB、θY为荧光粉色轮各颜色段的角度值，θR+θG+θB+θY＝360°。
在本实施例中，
图8a～图8d表示本发明中采用不同荧光粉色段比例对混合白光的光通量影响的结果。荧光色轮分段时，选择绿色108°，蓝色62°，增加红色，减少黄色，模拟的结果如图8a所示，白光光通量减小；同理，选择黄色70°，蓝色62°，增加绿色，减少红色，白光光通量增加，如图8b所示；选择绿色108°，红色120°，增加黄色，减少蓝色，白光光通量增加，如图8c所示；选择红色120°，绿色108°，增加蓝色，减少黄色，白光光通量减小，如图8d所示。所以，色轮荧光粉分段比例改变会影响混合白光的光通量，这将直接影响激光投影机或者激光电视输出的光亮度。
本发明以色度学理论为基础，并用实例分析说明荧光粉激光显示系统中白光色坐标的计算方法，以及色轮荧光粉分段比例的变化对白光色坐标、色温和光通量的影响。比如，要增加白光亮度，就增加黄色荧光粉在色轮上的比例。从色度学的角度来讲，我们可以增大黄色荧光粉的比例，只选用蓝色、黄色和绿色三色荧光粉设计色轮，同样能得到混合白光。本发明通过不同的荧光粉色轮分段比例，可以实现激光显示中激光光源激发荧光粉层发光的光强和色度等要求，并达到荧光粉色段的有效利用，实现高效、高色域要求，提高光学系统的效率及寿命。
Claims (3)
1.荧光粉色轮分段调节的计算方法，其特征在于，包括下列步骤:
步骤一、采用积分球测量荧光粉色轮中单色荧光粉的色坐标及光通量，并确定荧光粉色轮各颜色段的角度比例；
步骤二、使用步骤一的已知条件，计算出混合白光的三刺激值；
混合白光的三刺激值的计算公式为:
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其中X1～Xn,Y1～Yn,Z1～Zn为荧光粉色轮中单色荧光粉的三刺激值；θ1～θn为荧光粉色轮各颜色段的角度值，θ1+θ2+…+θn＝360°；
步骤三、由混合白光的三刺激值与色坐标的关系，换算出混合白光的色坐标；
步骤四、由混合白光的色坐标与色温之间的关系，计算出混合白光的色温值；
步骤五、使用步骤一的已知条件，计算出混合白光的光通量值，
混合白光的光通量值的计算公式为:
<mrow>
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其中L1～Ln为荧光粉色轮中单色荧光粉的光通量；θ1～θn为荧光粉色轮各颜色段的角度值，θ1+θ2+…+θn＝360°。
2.如权利要求1所述的荧光粉色轮分段调节的计算方法，其特征在于：荧光粉色轮由红色荧光粉区(R)、黄色荧光粉区(Y)、绿色荧光粉区(G)与透射式蓝光光路区(B)组成，对应的激光光源为蓝色激光；
混合白光的三刺激值的计算公式为:
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混合白光的光通量值的计算公式为:
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其中θR、θG、θB、θY为荧光粉色轮各颜色段的角度值，θR+θG+θB+θY＝360°。
3.如权利要求1或2所述的荧光粉色轮分段调节的计算方法，其特征在于：还包括步骤六，根据步骤三至步骤五得到的混合白光的色坐标、色温值、光通量值，调节荧光粉色轮各颜色段的角度比例；重复步骤一至步骤五，直至混合白光具有适合的色坐标、色温值、光通量值。
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