CN110874003A - 投影光学系统及其偏色调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种投影光学系统及其偏色调整方法，该投影光学系统，包括：光源、光引导装置和光调制器，光引导装置将光源发出的出射光分成多路并分别引导至光调制器；第一光引导装置将出射光分成沿第一光路出射的红色基色光和沿第二光路出射的第二光；第二光引导装置将第二光分成沿第三光路出射的绿色基色光和沿第四光路出射的蓝色基色光；第一、第二和第三光调制器分别置于第一、第三和第四光路上，并对红色、绿色和蓝色基色光进行调制。本发明根据投影系统光源的光谱特性，使红色基色光首先从出射光中分离出来，解决了白场画面偏色的问题，使投影光学系统的颜色均匀性好。

Description

投影光学系统及其偏色调整方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是投影、照明技术领域，是一种颜色均匀性较好的投影光学系统及其偏色调整方法，尤其是一种投影光学系统及其偏色调整方法。

背景技术

在现有的投影光学系统中，光源发射出白色照明光，进入光机系统后被二向色片分成R、G、B三色光，三基色光分别照明在空间光调制器上，经过合光装置及镜头后得到一幅图像。

由于二向色片能够反射一定波长的光，透射另一波长的光，从而将不同波长的光分开。现有技术中一般通过镀膜的方式使二向色片具有分光的能力。由于镀膜的特性，当光束的入射角度不同时，二向色片对于光束的透/反射光谱特性也会改变，通常的规律是，光束入射角变大，二向色片的透/反射谱线会向短波方向漂移。

通常情况下，在光路中，物面发出的光束的主光轴是平行入射到像面上时，称为远心光路；如果不是平行入射到像面则称为非远心光路。在投影光学系统中，当二向色片被置于非远心的照明光路中时，会由于不同区域光束入射角不同引起不同区域透/反射光谱存在差异，当光源光谱较宽时，二向色片不同区域透/反射的光的光谱成分会不同，从而导致画面两侧的颜色不一致。比如：如果以一种典型的三片LCD的投影系统为例，当投影白场画面时，画面会出现左侧偏青，右侧偏红的问题。

现有的投影光源主要可分为氙灯、UHP灯(超高压汞灯泡)等灯泡光源、LED光源、纯激光光源以及激光荧光光源。图1至图4分别为现有灯泡光源1000、LED光源、纯激光光源和激光荧光光源9000的发光光谱图，它们各自的发光光谱如图1至图4所示。需要说明的是，如图3所示，其中，无论是蓝色激光光源6000、绿色激光光源7000，还是红色激光光源8000，由于纯激光光源的光谱很窄，并不在本发明所要解决的问题讨论之中。如图1所示的灯泡光源1000、如图2所示的蓝色LED光源2000、绿色LED光源3000、红色LED光源4000和转换后的绿色LED光源5000，以及如图4所示的激光荧光光源9000，由于它们的发光光谱较宽，在二向色片透/反射率变化的光谱位置存在光谱分量，故而应用于本发明所述的投影光学系统中时，会产生难以避免的画面偏色问题。

在投影系统实际的使用中，偏色的问题在播放视频的过程中，通常没有可觉察的影响，但对于办公、教学等以白色画面为主的使用场景，该问题尤为明显。

通常情况下，在这种光学系统的设计中，会通过对二向色片进行梯度镀膜的方式来对该问题进行修正，即：对二向色片的不同区域镀不同特性的膜，以此来修正因入射角不同所造成的影响。在实际的生产中，由于公差的影响，这种梯度镀膜往往难以精准地对入射角不同所造成的偏色进行补偿，因此，这种类型的投影系统无法避免有轻微的偏色问题。同时，这种梯度镀膜的二向色片也会带来成本的提升，其变化梯度越准确，成本就会越高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种投影光学系统及其偏色调整方法，本发明根据投影系统光源的光谱特性，使红色基色光首先从出射光中分离出来，解决了白场画面偏色的问题，使投影光学系统的颜色均匀性好。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

一种投影光学系统，包括：光源、光引导装置、光调制器，

所述光源用于发出至少包括三基色的出射光；

所述光引导装置将出射光分成多路并分别引导至所述光调制器；

所述光引导装置包括第一光引导装置和第二光引导装置，所述光调制器包括第一光调制器、第二光调制器和第三光调制器；

所述第一光引导装置将所述出射光分成沿第一光路出射的红色基色光和沿第二光路出射的第二光，所述第二光为所述出射光中除去红色基色光的其它基色光；

所述第二光引导装置将所述第二光分成沿第三光路出射的绿色基色光和沿第四光路出射的蓝色基色光；

所述第一光调制器置于所述第一光路上，对红色基色光进行调制；

所述第二光调制器置于所述第三光路上，对绿色基色光进行调制；

所述第三光调制器置于所述第四光路上，对蓝色基色光进行调制。

本发明还提供一种投影光学系统的偏色调整方法，包括如下步骤：

步骤100：使光源发出的至少包括三基色的出射光在光引导装置的作用下依次分成沿不同光路出射的红色基色光、绿色基色光和蓝色基色光；

步骤200：所述红色、绿色和蓝色基色光分别在第一、第二和第三光调制器的调制后，再通过合光棱镜进行汇聚出射，其中，在进入光调制器之前，所述蓝色基色光所经过的光路最长。

综上所述，本发明提供一种投影光学系统及其偏色调整方法，本发明根据投影系统光源的光谱特性，在包括三基色的出射光经过第一光引导装置时，使红色基色光最先从出射光中分离出来，且在三基色光进入光调制器之前，蓝色基色光经过的光路最长，从而使红色基色画面与绿色基色画面的方向是一致的，解决了白场画面偏色的问题，使投影光学系统的颜色均匀性好；在对蓝色图像帧进行调制时，通过对蓝色基色光补充绿色基色光，改善蓝色显示画面的颜色，以获得更好的显示效果。

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细地说明。

附图说明

图1为现有灯泡光源的发光光谱图；

图2为现有LED光源的发光光谱图；

图3为现有纯激光光源的发光光谱图；

图4为现有激光荧光光源的发光光谱图；

图5为本发明投影光学系统的示意图；

图6为图5系统的发光光源光谱与投射谱线图。

附图标记说明

201正透镜 202第一二向色片 203第二二向色片 204第一中继透镜 205反射镜206第二中继透镜207场镜 208空间光调制器 209合光棱镜

1000灯泡光源 2000蓝色LED光源 3000绿色LED光源 4000红色LED光源 5000转换后的绿色LED光源 6000蓝色激光光源 7000绿色激光光源 8000红色激光光源 9000激光荧光光源

具体实施方式

总体来说，本发明提供一种投影光学系统，包括：光源、光引导装置、光调制器，其中的光源用于发出至少包括红色、绿色和蓝色三基色的出射光；所述光引导装置将所述出射光分成多路并分别引导至所述光调制器；所述光引导装置包括第一光引导装置和第二光引导装置，所述光调制器包括第一光调制器、第二光调制器和第三光调制器。具体来说，所述第一光引导装置将所述出射光分成沿第一光路出射的红色基色光和沿第二光路出射的第二光，所述第二光为所述出射光中除去红色基色光的其它基色光；所述第二光引导装置将所述第二光分成沿第三光路出射的绿色基色光和沿第四光路出射的蓝色基色光；所述第一光调制器置于所述第一光路上，对所述红色基色光进行调制；所述第二光调制器置于所述第三光路上，对所述绿色基色光进行调制；所述第三光调制器置于所述第四光路上，对所述蓝色基色光进行调制。

为了确保红色、绿色和蓝色基色光分别进入对应的光调制器，且使各基色光所经过的光路较优，所述投影光学系统还包括有至少两个反射组件，分别为第一反射组件和第二反射组件，每个反射组件可以包括一个、两个、三个、或多个反射镜；所述第一反射组件设置于所述第一光路上，用于将所述红色基色光进行反射以使其进入所述第一光调制器；所述第二反射组件置于所述第四光路上，用于将所述蓝色基色光进行反射以使其进入所述第三光调制器。

更具体地，所述第一光引导装置包括第一二向色片，所述第二光引导装置包括第二二向色片。

为了达到更好的显示效果，所述第二二向色片的滤波截止范围为465-495nm范围段，也就是说第二二向色片的分色波长范围为465-495nm。请结合图6，T2为第二二向色片的透射谱线，小于465nm波长范围的光可以全部从第二二向色片透过，大于495nm波长范围的光全部被第二二向色片反射。优选的，第二二向色片的分色波长范围为475-485nm。

实施例一

图5为本发明投影光学系统的示意图。如图5所示，结合具体的实施例，对本发明的技术方案进行详细地说明。在本实施例中，提供一种投影光学系统，包括，光源、二向色片、反射镜、光调制器和合光棱镜209。其中的二向色片属于上文中所述的光引导装置的一种，在实际应用中，除了使用二向色片作为光引导装置之外，还可以使用包括滤光片、区域膜片等在内的其他光学元器件来实现对光线的引导。在图5所示的实施例中，二向色片包括了第一二向色片202和第二二向色片203。为了确保分出的红色、绿色和蓝色基色光分别进入对应的光调制器，所述投影光学系统还包括有多个反射组件，具体为：图5中的反射镜205。由于需要对不同颜色的基色光调制，因此，所述的光调制器也包括了第一光调制器208、第二光调制器208’和第三光调制器208”，分别对应设置在不同颜色基色光的光路上。另外，为了达到更好的显示效果，除了上述主要的元器件之外，在投影光学系统中还包括有设置在光源和光引导装置之间的正透镜201，用于对光源的出射光束进行汇聚；还包括设置在光调制器之前的场镜207，用于对光束进行调整等。

如图5所示，在本发明所提供的投影光学系统中，光线的光路和对偏色的调整过程是通过如下的方式和过程实现的：

光源发出的至少包括红色、绿色和蓝色三基色在内的出射光，经过第一二向色片202，将所述出射光分成沿第一光路出射的红色基色光和沿第二光路出射的第二光。其中的第一光路是指图5中从第一二向色片202分出的竖直方向上的光路，而第二光路则是指图5中的水平方向上的光路。此时，经过第一二向色片202沿第二光路出射的第二光包括了所述出射光中除去红色基色光的其它基色光。第二二向色片203将所述第二光分成沿第三光路出射的绿色基色光和沿第四光路出射的蓝色基色光。其中的第三光路是指图5中从第二二向色片203分出的竖直方向上的光路，而第四光路则是指图5中的水平方向上的光路。而光调制器也包括了第一光调制器208、第二光调制器208’和第三光调制器208”，分别对应设置在不同颜色基色光的光路上。具体来说，所述第一光调制器208置于所述第一光路上，对所述红色基色光进行调制；所述第二光调制器208’置于所述第三光路上，对所述绿色基色光进行调制；所述第三光调制器208”置于所述第四光路上，对所述蓝色基色光进行调制。在进入光调制器之前，所述蓝色基色光所经过的光路最长。

更进一步地，为了确保红色、绿色和蓝色基色光分别进入对应的光调制器，所述投影光学系统还包括有多个反射组件，即：图5中所示的反射镜205。在整个投影光学系统中，一个反射镜205设置于所述第一光路上，用于将所述红色基色光进行反射以使其进入所述第一光调制器208；另外两个反射镜205分别置于所述第四光路上的不同位置，用于将所述蓝色基色光进行反射以使其进入所述第三光调制器208”。

也就是说，光源发出的出射光，经过两个二向色片分解为三色照明光后，分别经反射镜205和不同的光调制器后，在合光棱镜209中进行合光，按照光路的传输顺序，第一二向色片202反射蓝色基色光且透射绿色基色光和红色基色光，所述第二二向色片203反射绿色基色光且透射红色基色光。为了对光源出射的光束进行汇聚，所述光源和第一二向色片202之间设有正透镜201。进一步地，为了通过形成中间像来缩短光程，所述第二二向色片203中透射出的蓝色基色光，顺序经过第一中继透镜204和第二中继透镜206后，通过呈一次中间像，使蓝色基色光光路在空间光调制器上成的像与红、绿色基色光是左右颠倒的。红色基色光和蓝色基色光再经反射镜205进入光调制器208，光调制器208可以是LCD、LCOS或是DMD。更进一步地，为了对光束进行调整，所述光调制器208的光线入射前端设有场镜207。

由上述内容可知，在本发明所提供的投影光学系统中，通常利用两片二向色片将光源发出的出射光分成R(红)、G(绿)、B(蓝)三色基色光，然而，当二向色片被置于非远心光路中时，会导致最终的投影画面两侧会有偏色的问题，特别在全白色画面，即：白场，偏色尤为明显。

当红色、绿色和蓝色基色光在空间光调制器上成的像是同一方向时，即使二向色片没有补偿入射光角度带来的偏色问题，也只会导致红、绿、蓝场各自的偏色，当投影白场画面时，由于红、绿、蓝色基色光光谱的叠加，并不会有偏色。但由于红色基色光光路的成像是反过来的，偏色问题在白场画面被叠加放大了，所以二向色片只要有少量的偏移没有补偿，也会在白场画面造成可觉察的偏色问题。

需要说明的是，如上所述的“红色基色光光路的成像是反过来的”，具体指的是：在成像光路中，物面左侧的一个点，经过蓝色基色光光路、绿色基色光光路后，成像到了像面(可以理解为实际的投影画面)的左侧，而它经过红色基色光光路后，成像到了像面的右侧，此时，红色基色光的成像相对于蓝色基色光、绿色基色光是反过来的。在本实施例中，并不强调正像和反像的概念，但是强调红色基色光跟蓝色基色光、绿色基色光的差异，因为这种差异导致了画面颜色不均匀的问题。现有技术中，红色基色光之所以会反过来，是因为红色基色光在最后才被分离出来时所经过的光路比较长，且在光路上需要通过第一中继透镜204、第二中继透镜206和场镜207多成像一次，导致它跟蓝色基色光、绿色基色光的方向相反。

本发明中，出射光在入射到第一二向色片202时，首先将红色基色光分离出来，可以缩短红色基色光的光路，且不需要经过中继透镜的多次成像，不会造成红色基色光的成像反过来的问题。本发明经过调整，使蓝色基色光的光路最长，且所成的像相对于红色基色光和绿色基色光的成像的方向是相反的，但这并不会引起偏色问题。如图6所示，具体原因在于，由于激光荧光光源的光谱特性，蓝色激光光源6000与激光荧光光源9000的波长在光谱上有20-30nm的间隔，而本发明巧妙地将第二二向色片的分色波长设置在这个间隔之内，即使由于入射光的角度差异引起光谱透射谱线的偏移，由于光源在这个间隔之内没有光谱成分，并不会在投影画面上产生偏色的问题。具体地，第二二向色片分色波长的值可以设置在465nm-495nm，优选设置在475nm-485nm。

本发明所提供的投影光学系统通过将红色基色光最先从出射光中分离出来，且在三基色光进入光调制器之前，蓝色基色光经过的光路最长，也就是说将红、蓝色基色光的光路进行了调换，从而使红色基色画面与绿色基色画面的方向是一致的，可以从原理上抑制白场画面偏色问题的产生。单色画面的偏色仍然需要通过梯度镀膜的二向色片来进行补偿，但是消除了白场的偏色问题，在观看过程中的体验会好很多，同时，对于镀膜梯度的准确度要求也相应的放宽了，可以减少成本。

实施例二

在上述实施例一的基础上，将红、蓝色基色光路调换，并将二向色片的分色波长设置在蓝激光与荧光光谱的间隔中后，可能会带来的一个问题是，投影画面的B(蓝色)基色光全部是蓝激光。一般的，蓝激光的可选波长在445nm-465nm之间，选择波长短的蓝激光，更有利于本发明所要解决的问题，因为蓝激光和荧光在光谱上的间隔更宽；但通常认为465nm的蓝色基色光颜色会更好。

为了使蓝色画面的显示效果更好，需要在对蓝色图像帧进行调制时，在蓝色基色光的基础上增加少量绿色基色光。少量的绿色基色光的加入可以通过控制装置进行控制。具体地，在对蓝色图像帧进行调制时，控制装置控制蓝色基色光进入所述第三光调制器208”进行调制，同时控制部分绿色基色光进入所述第二光调制器进行调制208’，也就是说，蓝色图像帧所显示的图画是由第三光调制器对蓝色基色光进行调制和第二光调制器对少量绿色基色光进行调制的叠加。在对蓝色图像进行调制时，要求蓝色基色光的灰阶值大于部分绿色基色光的灰阶值，在第二光调制器对光进行调制时，控制装置根据蓝色基色光的调制信号控制所述部分绿色基色光的量。

在选择短波长蓝激光的基础上，可以通过信号处理的方式来对B基色光的颜色进行弥补。例如，对于给定的一个RGB(0，0，255)的蓝场信号，可以通过处理更改为RGB(0，1，255)的一个信号，加入少量的绿色基色光，来改善蓝场的颜色。

因此，本实施例与实施例一的不同之处在于，投影光学系统还包括补充光源，所述补充光源用于发出绿色基色光。在对蓝色图像帧进行调制时，加入的少量绿色基色光可以由补充光源提供。

具体来说，补充G(绿色基色光)信号的大小与B(蓝色基色光)信号的大小有关，原则上以蓝色基色光+补充的少量绿色基色光得到一个颜色(色坐标)较好的B光为准，该色坐标可参考DCI、Rec.709等色域。当B信号比较小的时候，需要的绿色基色光会小于1个灰阶的绿色基色光，导致无法补充绿色基色光，但是此时B(蓝色基色光)光亮度较低，人眼对其颜色并不太敏感；B(蓝色基色光)信号较大时，可以通过该方案在蓝色基色光中补充一定的绿色达到整体的B基色光较好的颜色。

对于补充绿色基色光来改善蓝色基色光颜色的实施例，所需要的蓝色基色光和绿色基色光的灰阶的比值是需要满足一个范围，在这个范围里，认为蓝色的颜色得到了改善；超出这个范围要么就偏绿，要么就偏蓝；一个可选的比值范围是100-255。那么当B(蓝色基色光)信号比较小，比如：10个灰阶时，需要增加至少是1个灰阶的绿色基色光，这个时候，蓝/绿的比值就小了，混出来的颜色会偏绿。

由于补充光源的增加，在对绿色图像帧进行调制时，控制装置可以控制所述光源发出的所述绿色基色光以及所述补充光源发出的绿色基色光进入所述第二光调制器进行调制。从而可以扩大图像的显示色域。

综上所述，本发明提供一种投影光学系统及其偏色调整方法，根据投影系统光源的光谱特性，调换红色光路和蓝色光路的位置，解决了白场画面偏色的问题，使投影光学系统的颜色均匀性好；并通过对蓝色基色光补充绿色基色光，改善蓝场的颜色，以获得更好的显示效果。

Claims (10)

1.一种投影光学系统，包括：光源、光引导装置、光调制器，

所述光源用于发出至少包括三基色的出射光；

所述光引导装置将所述出射光分成多路并分别引导至所述光调制器；

其特征在于：所述光引导装置包括第一光引导装置和第二光引导装置，所述光调制器包括第一光调制器、第二光调制器和第三光调制器；

所述第一光引导装置将所述出射光分成沿第一光路出射的红色基色光和沿第二光路出射的第二光，所述第二光为所述出射光中除去红色基色光的其它基色光；

所述第二光引导装置将所述第二光分成沿第三光路出射的绿色基色光和沿第四光路出射的蓝色基色光；

所述第一光调制器置于所述第一光路上，对所述红色基色光进行调制；

所述第二光调制器置于所述第三光路上，对所述绿色基色光进行调制；

所述第三光调制器置于所述第四光路上，对所述蓝色基色光进行调制。

2.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述投影光学系统还包括第一反射组件和第二反射组件；

所述第一反射组件设置于所述第一光路上，用于将所述红色基色光进行反射以使其进入所述第一光调制器；

所述第二反射组件置于所述第四光路上，用于将所述蓝色基色光进行反射以使其进入所述第三光调制器。

3.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述第一光引导装置包括第一二向色片，所述第二光引导装置包括第二二向色片。

4.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述第二二向色片的分色波长范围为465-495nm。

5.如权利要求1所述的投影光学系统，其特征在于，所述光源还包括控制装置，对蓝色图像帧进行调制时，所述控制装置控制所述蓝色基色光进入所述第三光调制器进行调制，同时控制部分绿色基色光进入所述第二光调制器进行调制。

6.如权利要求5所述的投影光学系统，其特征在于，还包括用于发出绿色基色光的补充光源，所述部分绿色基色光由所述补充光源提供。

7.如权利要求5所述的投影光学系统，其特征在于，对蓝色图像帧进行调制时，所述蓝色基色光和绿色基色光的灰阶值的比值范围是：100至255。

8.如权利要求6所述的投影光学系统，其特征在于，对绿色图像帧进行调制时，所述控制装置控制所述光源发出的所述绿色基色光以及所述补充光源发出的绿色基色光进入所述第二光调制器进行调制。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的投影光学系统的偏色调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100：使光源发出的至少包括三基色的出射光在光引导装置的作用下依次分成沿不同光路出射的红色基色光、绿色基色光和蓝色基色光；

步骤200：所述红色、绿色和蓝色基色光分别在第一、第二和第三光调制器的调制后，再通过合光棱镜进行汇聚出射，其中，在进入光调制器之前，所述蓝色基色光所经过的光路最长。

10.如权利要求9所述的投影光学系统的偏色调整方法，其特征在于，所述步骤100具体包括：

所述光引导装置包括第一光引导装置和第二光引导装置；

所述光调制器包括第一光调制器、第二光调制器和第三光调制器；

所述第一光引导装置将所述出射光分成沿第一光路出射的红色基色光和沿第二光路出射的第二光，所述第二光为所述出射光中除去红色基色光的其它基色光；

所述第二光引导装置将所述第二光分成沿第二光路出射的绿色基色光和沿第三光路出射的蓝色基色光；

置于所述第一光路上的第一光调制器，对红色基色光进行调制；

置于所述第二光路上的第二光调制器，对绿色基色光进行调制；

置于所述第三光路上的第三光调制器，对蓝色基色光进行调制。

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