CN113589628B - 投影显示装置及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及投影显示技术领域，尤其涉及一种投影显示装置及其校准方法。该投影显示装置包括发光模组和调制模组，发光模组包括用于发出P态偏振光的光源，调制模组包括调制组件，沿P态偏振光的光路，调制组件包括依次排列的偏振分光片、四分之一波片、偏振分光棱镜、第一LCOS调制器和第二LCOS调制器，偏振分光片用于透射P态偏振光且反射S态偏振光。本申请中未被第一LCOS调制器和第二LCOS调制器调制的光经偏振分光棱镜和四分之一波片后形成圆偏振光，该圆偏振光经偏振分光片后，其S态偏振光部分会被偏振分光片反射回到第一LCOS调制器和第二LCOS调制器中，从而达到了重复利用的效果，即减少了投影显示装置的光损失，提高了投影显示装置的平均光效率。

Description

投影显示装置及其校准方法

本申请要求于2020年04月30日提交中国专利局、申请号为202010368401.8，发明名称为“投影显示装置及其校准方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本申请涉及投影显示技术领域，尤其涉及一种投影显示装置及其校准方法。

背景技术

现有的投影显示装置通常包括依次连接的发光模组、调制模组和镜头模组，发光模组发出的光经过调制模组调制后，被镜头模组投射到特定位置(例如屏幕)上显示出图像。

然而，现有基于LCOS(Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶或反射式液晶光阀)调制器的调制模组通常采用一片式、两片式或三片式(即采用一个LCOS调制器、两个LCOS调制器或三个LCOS调制器)，其中两片式调制模组相比一片式调制模组的区别在于：前者能够进一步增加投影显示装置的投影画面的显示亮度。以两片式调制模组为例，对于一般投影画面，由于并非都是全白画面(此处全白画面是从灰度的角度命名，即全白画面可以认为是灰度值最大的画面，也即最亮的画面)，总归会有一部分光因为LCOS调制器未调制而损失。

因此，目前亟待需要一种投影显示装置及其校准方法来解决上述问题。

发明内容

本申请提供了一种投影显示装置及其校准方法，以减少投影显示装置的光损失，从而可以提高投影显示装置的平均光效率。

第一方面，本申请实施例提供了一种投影显示装置，包括：

发光模组，包括用于发出P态偏振光的光源；

调制模组，包括用于接收所述P态偏振光的调制组件，沿所述P态偏振光的光路，所述调制组件包括依次排列的偏振分光片、四分之一波片、偏振分光棱镜、第一LCOS调制器和第二LCOS调制器，所述第一LCOS调制器和所述第二LCOS调制器设置于所述偏振分光棱镜的不同出光侧；

所述偏振分光片用于透射P态偏振光且反射S态偏振光。

在一种可能的设计中，所述四分之一波片与所述偏振分光棱镜相贴。

在一种可能的设计中，所述偏振分光片设置有金属线栅。

在一种可能的设计中，所述偏振分光棱镜具有偏振分光面，所述偏振分光面设置有金属线栅。

在一种可能的设计中，所述调制模组还包括用于使接收的所述P态偏振光均匀的匀光组件，所述匀光组件设置于所述发光模组和所述调制组件之间。

在一种可能的设计中，所述匀光组件包括复眼透镜阵列和聚焦透镜。

在一种可能的设计中，所述光源包括红色激光光源、绿色激光光源和蓝色激光光源，所述光源的出光侧设置有用于将红光、绿光和蓝光进行合束的合束组件。

在一种可能的设计中，所述发光模组还包括依次设置的扩散片和准直透镜，所述扩散片设置于所述合束组件的出光侧，所述调制模组设置于所述准直透镜的出光侧。

第二方面，本申请实施例提供了一种投影显示装置的校准方法，包括：

投影一张纯色图片，改变光源的参数，测量光源的不同参数对应的投影亮度，将光源的参数和投影亮度进行归一化，获得归一化后的光源的参数和投影亮度的第一比对表；

控制光源的参数不变，向所述投影显示装置输入超过预设值的图片，测量每一张图片中灰度值总和及每一张图片对应的投影亮度，将每一张图片中灰度值总和及投影亮度进行归一化，获得归一化后的每一张图片中灰度值总和和投影亮度的第二比对表；

通过所述第一比对表和所述第二比对表获得归一化后光源的参数和每一张图片中灰度值总和的第三比对表；

将所述第三比对表对应的程序写入所述投影显示装置。

在一种可能的设计中，所述光源包括红色激光光源、绿色激光光源和蓝色激光光源。

在一种可能的设计中，所述光源的参数包括电流值或占空比。

可见，本申请提供的投影显示装置中未被所述第一LCOS调制器和所述第二LCOS调制器调制的光经偏振分光棱镜和四分之一波片后形成圆偏振光，该圆偏振光经偏振分光片后，其S态偏振光部分会被偏振分光片反射回到第一LCOS调制器和第二LCOS调制器中，从而达到了重复利用的效果，即减少了投影显示装置的光损失，提高了投影显示装置的平均光效率。

附图说明

图1为本申请实施例提供的投影显示装置的原理示意图；

图2为图1所示投影显示装置中调制组件在一种状态下的光路示意图；

图3为图1所示投影显示装置中调制组件在另一种状态下的光路示意图；

图4为本申请实施例提供的投影显示装置的一种应用场景示意图。

附图标记：

1-发光模组；

11-光源；

111-红色激光光源；

112-绿色激光光源；

113-蓝色激光光源；

114-第一二向色镜；

115-第二二向色镜；

116-第三二向色镜；

12-第一聚焦透镜；

13-扩散片；

14-准直透镜；

2-调制模组；

21-匀光组件；

211-第一复眼透镜阵列；

212-第二复眼透镜阵列；

213-第二聚焦透镜；

214-第三聚焦透镜；

22-调制组件；

221-偏振分光片；

222-四分之一波片；

223-偏振分光棱镜；

223a-偏振分光面；

224-第一LCOS调制器；

225-第二LCOS调制器；

3-镜头模组。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本申请进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本说明书的描述中，需要理解的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。

如图1所示，该投影显示装置包括依次连接的发光模组1、调制模组2和镜头模组3，发光模组1发出的光经过调制模组2调制后，被镜头模组3投射到特定位置(例如屏幕)上显示出图像。

下面对投影显示装置的各个部分进行说明。

<发光模组1>

发光模组1包括用于发出偏振光的光源11。本申请所指的光源11，既包括光源11为直接发出偏振光的发光元件(如半导体发光元件、半导体发光元件阵列、灯泡光源等)的情况，也包括光源11为发光元件与其它光学元件组合得到的能够发出偏振光的发光模组1(例如，发光元件与透镜组合的发光模组1、发光元件与偏振转换元件的发光模组1)。可以将本申请所述的光源看作一个发光的“黑盒子”，“黑盒子”中可以包含任何种类的光学元件。

在本实施例中，光源11为激光光源，如激光二极管光源、激光二极管阵列光源或激光器光源。该光源11具有光学扩展量小的特点，使得发出的偏振光在进入调制模组2时具有较小的光斑、较小的光发散角和较小的光学扩展量，避免了大量的光因发散角大而无法被利用，提高了光利用率。如果采用其他光源11，如灯泡光源、LED光源，其光学扩展量远大于激光光源的光学扩展量，为使入射到调制器装置的光斑满足入射面的大小，将会扩大光的发散角，这将使得大量的光无法被调制模组2利用而在调制模组2的有效光学面之外被吸收转换成热量。

当然，在对光利用率要求不高的环境下，也可以采用灯泡或LED光源作为发光模组1的光源11。

在本实施例中，光源11包括红色激光光源111、绿色激光光源112和蓝色激光光源113，发光模组1还包括用于将上述三种激光光源进行合束的合束组件，合束组件例如可以是二向色镜和聚焦透镜的组合，例如还可以是二向色镜、反射镜和聚焦透镜的组合。示例性的，红色激光光源111、绿色激光光源112和蓝色激光光源113依次排列，红色激光光源111的出光侧设置有第一二向色镜114，第一二向色镜114用于透射红光且反射蓝光和绿光；绿色激光光源112的出光侧设置有第二二向色镜115，第二二向色镜115用于透射蓝光且反射绿光；蓝色激光光源113的出光侧设置有第三二向色镜116，第三二向色镜116用于反射蓝光。在一些实现方案中，第三二向色镜116可以由反射镜代替。为将上述三种激光光源进行合束，第一二向色镜114、第二二向色镜115和第三二向色镜116平行排列，最终合束后的光由第一二向色镜114出射后，入射到第一聚焦透镜12。

在一些实施方式中，发光模组1还包括扩散片13和准直透镜14，扩散片13用于消除激光散斑，准直透镜14起到能够使光在更长距离范围内平行且均匀的作用，从第一聚焦透镜12出射的光依次经过扩散片13和准直透镜14射出，并入射到调制模组2中。在另一些实施方式中，扩散片13可以由扩散轮代替，该扩散轮可以与电机相连，以通过电机控制其旋转，即扩散轮通过旋转的方式将入射到扩散轮上的光均匀反射。扩散片13和扩散轮的区别在于：扩散片13是固定不动的。从消除激光散斑的角度而言，扩散轮的效果要优于扩散片13，但是扩散轮的制造成本更高，所以可以根据实际需要适当地选择扩散片13或者扩散轮。

<调制模组2>

请继续参阅图1，调制模组2包括匀光组件21和调制组件22，匀光组件21设置于发光模组1的出光侧，调制组件22设置于匀光组件21的出光侧，具体来说，匀光组件21设置于准直透镜14的出光侧。

在一些实施方式中，匀光组件21包括复眼透镜阵列和聚焦透镜，由发光模组1出射的光首先通过复眼透镜阵列，然后通过聚焦透镜，会使光照射LCOS调制器上；而且通过利用复眼透镜阵列和聚焦透镜可以实现在LCOS调制器上产生均匀的照明，同时实现局部调光功能。在另一些实现的方案中，复眼透镜阵列可以替换为光棒，光棒可以是实心光棒或空心光棒。在本实施方式中，复眼透镜阵列包括两列平行排列的第一复眼透镜阵列211和第二复眼透镜阵列212，聚焦透镜包括第二聚焦透镜213和第三聚焦透镜214，如此可以实现均匀照明，具体的实现原理在此不进行赘述。

调制组件22包括偏振分光片221、四分之一波片222、偏振分光棱镜223、第一LCOS调制器224和第二LCOS调制器225，其中：

偏振分光片221设置于匀光组件21的出光侧，具体来说，偏振分光片221设置于第三聚焦透镜214的出光侧，用于透射P态偏振光且反射S态偏振光。可以理解的是，该偏振光可以为由光源11发出的偏振光，也可以为第一LCOS调制器224和第二LCOS调制器225未调制的偏振光。可以理解的是，当入射到偏振分光片221的偏振光为圆偏振光，该圆偏振光经过偏振分光片221后，其P态偏振光的部分能够透过偏振分光片221，而S态偏振光的部分则会被偏振分光片221反射回第一LCOS调制器224和第二LCOS调制器225，并能够被第一LCOS调制器224和第二LCOS调制器225重新利用。为使偏振分光片221的分光效果更好，或分光角度更大，该偏振分光片221为金属线栅型偏振分光片，即该偏振分光片221设置有金属线栅。当然，其它能够实现与偏振分光片221相同作用的偏振转换元件或偏振转换元件组合也均在本申请的保护范围内。

四分之一波片222设置于偏振分光片221的出光侧，用于将P态偏振光或S态偏振光转化为圆偏振光。例如，从偏振分光片221透射出的P态偏振光或反射回的S态偏振光在经过四分之一波片222后能够转化为圆偏振光；从偏振分光棱镜223反射出的未被调制的P态偏振光或S态偏振光在经过四分之一波片222后也能够转化为圆偏振光。在本实施方式中，四分之一波片222设置于偏振分光片221和偏振分光棱镜223之间，例如四分之一波片222可以分别与偏振分光片221和偏振分光棱镜223之间具有间距或不具有间距，当不具有间距时，即四分之一波片222与偏振分光片221和/或与偏振分光棱镜223相贴。当四分之一波片222分别与偏振分光片221和偏振分光棱镜223相贴时，可以使得调制组件22的结构更加紧凑。在一些实现方案中，实现两两之间的相贴可以通过胶粘的方式。

偏振分光棱镜223由两个直角棱镜组成，两个直角棱镜的相交面形成偏振分光棱镜223的偏振分光面223a，该偏振分光面223a为镀膜面且能够透射P态偏振光且反射S态偏振光。第一LCOS调制器224和第二LCOS调制器225分别设置于偏振分光棱镜223的两侧，且分别能够接收到从偏振分光棱镜223出射的光，例如第一LCOS调制器224能够接收P态偏振光，第二LCOS调制器225能够接收S态偏振光。

此外，对于偏振分光面223a而言，由于偏振分光面223a起到的透射P态偏振光且反射S态偏振光的作用，为使该偏振分光面223a的分光效果更好，或分光角度更大，偏振分光面223a可以考虑设置金属线栅，例如可以将金属线栅粘贴于偏振分光面223a上。

下面对如何利用调制组件22实现提高投影显示装置的平均光效率的原理进行描述。

示例性的，如图2所示，光源11发出的偏振光为P态偏振光L1，P态偏振光L1依次经过偏振分光片221和四分之一波片222后，P态偏振光L1转化为圆偏振光L2，圆偏振光L2经过偏振分光棱镜223时，圆偏振光L2的P态偏振光部分L21透过偏振分光面223a后入射到第一LCOS调制器224上，圆偏振光L2的S态偏振光部分L22由偏振分光面223a反射后入射到第二LCOS调制器225上，经过第一LCOS调制器224和第二LCOS调制器225的调制并被反射后分别形成第一反射光L3和第二反射光L4。第一反射光L3包括由第一LCOS调制器224调制的第一调制光L31和未被第一LCOS调制器224调制的第一非调制光L32，第二反射光L4包括由第二LCOS调制器225调制的第二调制光L41和未被第二LCOS调制器225调制的第二非调制光L42，第一调制光L31和第二调制光L41经过偏振分光棱镜223后进入后续的镜头模组3进行成像，第一非调制光L32和第二非调制光L42经过偏振分光棱镜223后沿原路(即入射光路)返回。

本申请所指的调制光是对应于投影显示装置的显示图像的光，相当于一般的投影显示装置中进入显示屏幕(或镜头模组)的光；非调制光是对应于能够被重复利用的光，相当于一般的投影显示装置中被过滤掉的、不进入显示屏幕(或镜头模组)的光。也就是说，本申请中第一非调制光L32和第二非调制光L42不进入显示屏幕(或镜头模组3)，即二者会沿原路返回而不被利用。

为能对上述第一非调制光L32和第二非调制光L42中的至少部分进行重复利用，以提高投影显示装置的平均光效率，本申请通过在偏振分光棱镜223的入射侧依次设置偏振分光片221和四分之一波片222，从而可以实现对第一非调制光L32和第二非调制光L42中的至少部分进行重复利用。

示例性的，如图3所示，第一非调制光L32和第二非调制光L42经过四分之一波片222后转化并汇合为圆偏振光L5，圆偏振光L5经过偏振分光片221后，圆偏振光L5的P态偏振光部分L51会直接透过偏振分光片221(即不被利用)，而圆偏振光L5的S态偏振光部分L52会再次进入后续光路(即重新进入四分之一波片222和偏振分光棱镜223)，从而达到重新利用的效果。也就是说，该方案的重复利用率能够达到50％，即一半的光会透过偏振分光片221浪费，而另一半的光会再次进入后续光路重复利用。

需要说明的是，本申请的光源11应当为P态偏振光，如此才能保证光源11发出的光经过偏振分光片221能够完全透过，即保证在入射阶段不会存在光损失；而且，当反射回的非调制光(即第一非调制光L32和第二非调制光L42)在经过四分之一波片222后转化并汇合为圆偏振光L5，从而可以保证圆偏振光L5的一半的光能够被偏振分光片221反射回LCOS调制器进行重复利用。

<镜头模组3>

请继续参阅图1，镜头模组3与调制组件22连接，调制组件22出射的光能够入射到镜头模组3中。

本申请提供的投影显示装置可以包括工程投影机、影院投影机、激光电视、家庭影院、教育投影机和便携式微型投影机等，而且该投影显示装置既可以放置在水平面上，也可以通过吊柱吊挂在屋顶上。示例性的，如图4所示，投影显示装置可以被放置在例如地面或桌子等的水平面上，用于将图像光向墙壁或屏幕等投射面放大投射。

需要说明的是，为了平衡投影亮度的稳定均匀，需要通过投影画面来调节光源的出光亮度，这是因为每张投影图像中重复利用非调制光的总量一直在变化，因此需要通过调节光源的出光功率或出光参数使得投影亮度不变。

具体而言，入射到调制模组2的光强值，需要稳定且一致。而入射到调制模组2的光强值P_LCOS与光源的出光光强P_激光满足如下关系：

P_LCOS＝α×P_激光+β×P_非调 (公式1)

其中，α为光源11到调制模组2的光效率，β为非调制光重新入射到调制模组2的光效率，P_非调为非调制光光强。

上述非调制光光强P_非调与投影到幕布位置的光强P_投影满足如下关系：

P_非调＝P_LCOS-1/γ×P_投影 (公式2)

其中，γ为调制模组2到镜头模组3的光效率。

上述投影到幕布位置的光强P_投影与投影的画面的灰度值总和∑图片灰度值之间满足如下关系：

P_投影＝ρ×∑图片灰度值 (公式3)

其中，ρ为投影光强与灰度值的比值。

综合以上公式，可以得出，光源11的出光光强，即，实时出光功率为：

因此，可以通过调整上述光源11的出光光强P_激光来保证投影的亮度稳定均匀。

由于每个投影显示装置的参数值都不同，因此需要对每台投影显示装置进行校准，而同时因为每台投影显示装置的具体的参数无法精确得出，则需要通过其他手段对每台投影显示装置进行校准。

本申请实施例还提供了一种投影显示装置的校准方法，该校准方法可以应用于上述内容提及的投影显示装置。其中，该校准方法包括：

S1、投影一张纯色图片，改变光源的参数，测量光源的不同参数对应的投影亮度，将光源的参数和投影亮度进行归一化，获得归一化后的光源的参数和投影亮度的第一比对表；

在一些实施方式中，光源可以为激光光源，如激光二极管光源、激光二极管阵列光源或激光器光源。该光源具有光学扩展量小的特点，使得发出的偏振光在进入调制模组时具有较小的光斑、较小的光发散角和较小的光学扩展量，避免了大量的光因发散角大而无法被利用，提高了光利用率。如果采用其他光源，如灯泡光源、LED光源，其光学扩展量远大于激光光源的光学扩展量，为使入射到调制器装置的光斑满足入射面的大小，将会扩大光的发散角，这将使得大量的光无法被调制模组利用而在调制模组的有效光学面之外被吸收转换成热量。示例性的，光源包括红色激光光源、绿色激光光源和蓝色激光光源。

当然，在对光利用率要求不高的环境下，也可以采用灯泡或LED光源作为光源。

在一些实施方式中，光源的参数包括电流值或占空比，通过调节光源的电流值或占空比可以控制光源的出光强度或功率，以实现获得不同的投影亮度。

归一化是一种简化计算的方式，即将有量纲的像素值，经过变换，转换为无量纲的表达时，成为标量，以方便数据的比较以及计算。

归一化可以有多种计算方式，可以实现将像素值归一化至0～1的数值范围内，以在后续的计算过程中，简化计算过程。

S2、控制光源的参数不变，向投影显示装置输入超过预设值的图片，测量每一张图片中灰度值总和及每一张图片对应的投影亮度，将每一张图片中灰度值总和及投影亮度进行归一化，获得归一化后的每一张图片中灰度值总和和投影亮度的第二比对表；

当图片或图像输入到投影显示装置时，每一张图片或图像的灰度值总和作为数字信号同时输入到投影显示装置中，从而可以得到每一张图片中灰度值总和和投影亮度的关系，即第二比对表。

S3、通过第一比对表和第二比对表获得归一化后光源的参数和每一张图片中灰度值总和的第三比对表；

通过借助投影亮度这一中间变量，由此可以获得光源的参数和每一张图片中灰度值总和的关系，即第三比对表。

S4、将第三比对表对应的程序写入投影显示装置。

通过将第三比对表对应的程序写入投影显示装置，当使用该投影显示装置时，即能保证该投影显示装置在投影亮度不变的条件下，进一步减少光源的光损耗，从而可以提高投影显示装置的平均光效率。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种投影显示装置，其特征在于，包括：

发光模组，包括用于发出P态偏振光的光源；

调制模组，包括用于接收所述P态偏振光的调制组件，沿所述P态偏振光的光路，所述调制组件包括依次排列的偏振分光片、四分之一波片、偏振分光棱镜、第一LCOS调制器和第二LCOS调制器，所述第一LCOS调制器和所述第二LCOS调制器设置于所述偏振分光棱镜的不同出光侧；

所述偏振分光片用于透射P态偏振光且反射S态偏振光，其中，未被所述第一LCOS调制器和所述第二LCOS调制器调制的光经所述偏振分光棱镜和所述四分之一波片后形成圆偏振光，该圆偏振光经所述偏振分光片后，其S态偏振光部分会被偏振分光片反射回到所述第一LCOS调制器和所述第二LCOS调制器中。

2.根据权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，所述四分之一波片与所述偏振分光棱镜相贴。

3.根据权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，所述偏振分光片设置有金属线栅。

4.根据权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，所述偏振分光棱镜具有偏振分光面，所述偏振分光面设置有金属线栅。

5.根据权利要求1所述的投影显示装置，其特征在于，所述调制模组还包括用于使接收的所述P态偏振光均匀的匀光组件，所述匀光组件设置于所述发光模组和所述调制组件之间。

6.根据权利要求5所述的投影显示装置，其特征在于，所述匀光组件包括复眼透镜阵列和聚焦透镜。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的投影显示装置，其特征在于，所述光源包括红色激光光源、绿色激光光源和蓝色激光光源，所述光源的出光侧设置有用于将红光、绿光和蓝光进行合束的合束组件。

8.根据权利要求7所述的投影显示装置，其特征在于，所述发光模组还包括依次设置的扩散片和准直透镜，所述扩散片设置于所述合束组件的出光侧，所述调制模组设置于所述准直透镜的出光侧。

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