CN1434321A - 非相干光全谱域调制技术及其视频投影光机 - Google Patents

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非相干光全谱域调制技术及其视频投影光机，属应用光学领域。非相干光全谱域调制(TMP：Ture Color Micro－mirror Picture)方式是目前唯一实现真实光谱的调色技术，具有能表现任意真实色彩的能力，光效率有增加10倍以上的潜力，综合性能将大大超出目前的行业水平(LCOS/LCD/DLP光机)，可广泛应用于投影视频领域。

Description

非相干光全谱域调制技术及其视频投影光机
本发明属光学领域，确切的讲是一种对非相干光实现视频速率响应的亮度及色调的调控方法及用此方法所制的光机。
目前先进投影技术的代表是LCOS及DLP光机，单片方式的分时的代价是将光效率折损至少70％。无论是单片还是三片其混色原理都是一样的。选取的R、G、B的光谱宽度越窄，R，B越靠近光谱(可见光)的端区，才更能混合逼近真实的色域。但事实上人们不得不在效果与效率上折中，这就是该类投影技术难以表现真实色彩的原因。
本发明的目的就在于解决已有技术的不足之处，采用实现非相干光全谱域调制技术(TMP：Ture Color Micro-mirror Picture)，来取代现有光机中的分色技术，制造出性能大大超出全行业水平的光机，光效率有提高10倍以上的潜力(有极佳的白峰表现)，色彩还原性获质的改善。由于采用机械扫描方式，因而细部画质也较优良，可广泛应用于投影视频领域。
本发明的突出特点是；用DMD(或LCD/LCOS)象调色板一样用占空比调控方式实现视频信号的亮度及色度调制，在极大的提高效率的同时，具有表现任意真实色彩的能力。具体的讲：在同样256级灰度的显示方式下(经色彩校正模式校正)可实现比2563色多几个数量级的色彩数目，因而可得到更接近的真彩色。
本发明的技术关键为：该技术的主要构成：光源(包括反光抛物面)、光纤准直器、衍射光栅或棱镜、DMD调色板、集束透镜组、光澜、机械扫描系统、投射物镜、DMD驱动电路、其基本工作原理为：由光源所发出的全色光被光纤准直器准直后再经集束后，再由光澜滤去杂光，投射到衍射光栅(或棱镜)上；被扩展成一个全色光谱，将该光谱投射到DMD调色板上，将亮度及色调调控信号送入DMD调色板的控制电路上后，DMD调色板上的每一个微镜的转向及保持的状态将被控制，因而DMD调色板上的整体及局部的微镜转向与否的比例关系将被控制，不同波长的光进入光通道的量将被控制，DMD调色板上的反射的光的叠加结果将被调制成不同的亮度及色度；因而经DMD调色板反射而进入有效光路通道的反射光的亮度及色调将被调制而获得与视频信号一致的亮度及色度；再经准直、集束后由机械扫描系统完成扫描后再由投射物镜聚焦于焦平面；其技术特征就是，在本技术中使用了衍射光栅(或棱镜)来使混合光(带一定色温的白光)展开成光谱；并投射到DMD调色板上，使用光纤准直器进行准直光束；用亮度及色度的分布式占空比调控方式来控制DMD调色板；用光纤准直器对DMD调色板的反射光再进行准直；经集束后得到一个直接表现视频信号的色度及亮度的细小光束。该翻转比例关系(占空比)是一个二维函数，函数的自变量是DMD微镜的平面位置坐标，该函数的获得取决于某一瞬时视频信号的亮度、色度及本技术专用的真实彩色的色温修正。
上述的衍射光栅既可以是反射光栅也可以是投射光栅，光栅的条纹可以是直纹也可以是曲线纹或闭合曲线纹。
上述的光纤准直器是由一束两端直经不一样的光导纤维组成，各条光导纤维丝的直径较大的一端束在一起，直径较小的另一端也束在一起，所形成的光导纤维束的直经一头大另一头小，在光导纤维丝的表面覆有一层折射率小于光导纤维丝的介质。
上述的DMD调色板的视频信号的亮度及色度的分布式占空比调控是指：DMD上的微镜转向及保持的比例关系及位置分布(不同的光路设计转向及保持状态都有可能是该微镜的反射光线被反射到光路的有效通道)；也就是说，照射到DMD上的光谱为全色光谱(白光光谱)，不同频率的光照射到DMD上的不同的区域上，控制DMD上各颜色光的区域上微镜转向及保持的比例关系，就可以控制光路输出光混合后的颜色及亮度。
本技术及光机中的DMD晶片上所被投射的光谱的形成方式即可通过光栅及棱镜来形成连续光谱；也可以通过三个独立的红、兰、绿光源同时照射到DMD晶片的不同区域上所形成的彩条。
以下结合附图就本发明的较佳实施例对本发明作进一步说明：
[图一]非相干光全谱域调制技术及光机光路原理示意图。
[图二]DMD全谱域调制方式示图。
[图三]光导纤维准直器结构示图。
如[图一]所示，该光路的基本组成为：由光源(2)、光纤准直器(10)及(20)、衍射光栅(或棱镜)(3)、DMD调制/调色板(1)、集束透镜组(4)及(5)、光澜(6)及(7)、扫描振镜(9)、投射物镜(11)、DMD驱动电路(17)等组成；其基本工作过程为：由光源(2)所发出的白光被光纤准直器(20)进行准直(准直的作用是将原来发散角大(平行度差)的一束光变得发散角小(平行度好))后再由集束投镜组(4)进行集束，由光澜(6)滤去杂光后，投射到衍射光栅(或棱镜)(3)上后被扩展成一个全色光谱(按光的波长的不同所分离开的一束光，当将其投射到屏幕上时便形成了按颜色排开的彩带)展开成不同的区域，将该光谱投射到DMD调制/调色板(1)上(也将形成了按颜色排开的彩带——光谱)。
将亮度/色调调控信号送入DMD调色板(5)的引出电极后，DMD调色板(5)上的每一个微镜的翻转状态将被控制，不同区域上的翻转的比例关系被控制(局域占空比)，进入有效光路通道的反射光的亮度及色调将被调制(故形象的称为调色板)，再经准直器(10)准直、集束透镜组(5)集束后，由机械扫描系统——振镜(9)完成扫描，再由投射物镜(11)聚焦于焦平面。
该系统的实用化的充要条件将限定两个重要指标：DMD的翻转速度要小于10-1微秒；(末级)光纤准直器(10)的准直度要小于10-2度，前者——TI(美)已基本实现；后者只有本文准直器才能达到。(祥见[图二]、[图三]说明)
如[图二]所示：DMD调色板(1)的构造是由大量微(反光)镜组成(目前已大量用于DLP投影光机中(美国TI公司技术))，这些反射镜可独立的被驱动电路(2)驱动，微镜转向及保持的比例关系及位置分布都可由驱动电路(2)驱动，对于不同的光路设计来说，转向及保持状态都有可能是该微镜将反射光线反射到有效光通道中。目前DMD的响应时间约在10-1微秒的数量级，翻转角度为+/-12°，开口宽度约为1-2微米。本发明的技术中，将需要10-2微秒的速度(可表现高清信号)，但其它指标则可弱化将使(翻转角度减为+/-3°，开口宽度不重要，微镜的尺寸也不重要，像素数目几万便可：这就意味着将节约更多的翻转时间同时又减小动力电极板之间的距离、增加动力电极的面积及宽度；其结果是大大的增加极板电荷同时又缩减了距离，动力学性能将大大的改善，其工艺及难度远低于目前的DMD的制造水平，只需70年代的水平！)达到这一速度并不困难！
当[图二]中的白光光谱照射到DMD微镜阵列上时，不同频率的光将落到不同的区域上，图中的曲线则是代表分布在DMD调色板(1)上的光谱(条形光谱)的波长分布及相对强度(可见区光波的范围是从4000埃到7600埃)，控制DMD调色板(1)上各光谱区域上的微镜转向及保持的比例关系，就可以控制光路输出光混合后的颜色亮度。(3)是DMD调色板(1)的引出电极电缆，它控制着每一个微镜的翻转。
如[图三]所示：梳状光导准直器是由多根光导纤维组成，各纤维的侧面互相紧密接触且每一根纤维的两个端面的面积(10)、(11)一个大一个小，纤维的较大截面积的一端排列在一侧(12)，较小截面积的另一端(13)排列在另一侧，所形成的光导纤维准直器是一个台拄，台拄的两个底面的面积不等，每一根光导纤维的两个端面都构成了该台拄两个底面(12)、(13)的一部分，较大截面积的端面(10)位于台拄较大面积的底面(12)上，较大截面积的端面(11)位于台拄较大面积的底面(13)上，台拄的侧面(15)为锥面的一部分，即可是正锥面也可以是非正锥面，在每根光导纤维的侧面覆有一层或多层介质层(16)，最靠近光导纤维表面的那一介质层(16)材质的折射率要大于光导纤维材质的折射率。所述的光导纤维、层及粘合(或热溶材料)即可以是玻璃类无机材料也可以是高分子类有机材料。
其基本工作原理为：当散射角较大的光束(20)由光导纤维准直器(台拄状)面积较小的台面(13)一端进入后，光线将不断的在每一根光导纤维丝的侧面上反射，显见光线每被反射一次，其与光导纤维丝的中轴线的夹角将会有所减少，经多次反射之后，其传播方向将接近于轴线，而光导纤维的轴线在光导纤维准直器的两端基本上与其中线(22)平行，因而在另一个底面(13)出射时，准直将有所改善。
该台拄的两个底面(12)、(13)可以是圆形、多边形、曲边多边形等形状，两个底面的形状可以是相似形也可以是非相似形。光导纤维准直器中的光导纤维丝的截面形状可以是圆形、曲边六边形、正六边形等。
在目前的工艺状况下(光纤口径10-2mm的热溶拉伸工艺)，可达10-2度准直数量级。

Claims (6)

1.非相干光全谱域调制技术(TMP)，由光源，光纤准直器，衍射光栅或棱镜，DMD(数字微镜装置)调色板等组成，其基本工作原理为：由光源所发出的全色光(白光)被光纤准直器准直，再经集束后，投射到衍射光栅(或棱镜)上；光束被衍射光栅(或棱镜)展开成一个光谱，该光谱投射到DMD调色板上，当用视频调控信号来驱动DMD调色板时，DMD上的每一个微镜将被控制是否翻转，这样；不同波长的光进入光通道的量将被控制，将DMD调色板上的各微镜有效反射的光叠加在一起(集聚在一个点上)将是代表视频信号的亮度及色度；其特征就在于，在本技术中使用了衍射光栅(或棱镜)来使混合光(带一定色温的白光)展开成光谱(或者是将红、兰、绿三基色光同时汇聚在同一DMD晶片上)；使用光纤准直器进行准直光束；用分布式占空比调控方式来驱动DMD调色板上的各个微反光镜；将DMD微反光镜所有的有效反射光集束，可得到一个直接表现视频信号的色度及亮度的细小光束。
2.非相干光全谱域调制方式的视频投影(TMP)光机，其光路系统是由光源、光纤准直器、衍射光栅(或棱镜)、DMD调色板、集束透镜组、光澜、机械扫描系统、投射物镜、DMD驱动电路等部分组成；其基本工作过程为：由光源所发出的白光被光纤准直器进行准直后再进行集束，由光澜滤去杂光后，投射到衍射光栅(或棱镜)上，被扩展成一个全色光谱，将该光谱投射到DMD调色板上，将亮度及色调调控信号送入DMD调色板的控制电路上后，DMD调色板上的每一个微镜的转向及保持的状态将被控制，因而DMD调色板上的整体及局部的微镜转向与否的比例关系将被控制，经DMD调色板反射而进入有效光路通道的反射光的亮度及色调将被调制而获得与视频信号一致的亮度及色度；再经准直、集束后由机械扫描系统完成扫描后再由投射物镜聚焦于焦平面；其特征就在于，在光机中使用了衍射光栅(或棱镜)，用来使混合光(带一定色温的白光)展开成光谱；使用光纤准直器进行准直光束；用分布式占空比调控方式来驱动DMD调色板上的各个微反光镜，控制其翻转，将经DMD调色板反射而进入有效光路通道的反射光再次用光纤准直器准直后，由机械扫描系统完成扫描，再由投射物镜聚焦于焦平面上。
3.如权利要求1、2所述技术及光机中的衍射光栅，其特征就在于衍射光栅既可以是反射光栅也可以是透射光栅，光栅的条纹可以是直纹也可以是曲线纹或闭合曲线纹。
4.如权利要求1、2所述技术及光机中的光纤准直器，其特征就在于光纤准直器是由一束两端直经不一样的光导纤维组成，各条光导纤维丝的直径较大的一端束在一起，直径较小的另一端也束在一起，所形成的光导纤维束的直经一头大另一头小，在光导纤维丝的表面覆有一层折射率小于内层光导纤维丝的介质。
5.如权利要求1、2所述技术及光机中的驱动DMD调色板所用的的分布式占空比调控方式，其特征就在于所述的分布式占空比调控方式是指：DMD上的微镜的翻转与否的比例关系及比例关系随位置的分布(不同的光路设计中DMD的转向及保持状态都有可能是该微镜的反射光线被反射到光路的有效通道)；也就是说，照射到DMD上的光谱为全色光谱(白光光谱)，不同频率的光将射到DMD上的不同的区域上，控制DMD上被不同颜色的光所照射的不同区域上的微镜的翻转比例关系，就可以控制光路输出光混合后的颜色及亮度；该翻转比例关系是一个二维函数，函数的自变量是DMD微镜的平面位置坐标。
6.如权利要求1、2所述技术及光机中的DMD晶片上所被投射的光谱，其特征就在于光谱的形成方式即可通过光栅及棱镜来形成连续光谱；也可以通过三个独立的红、兰、绿光源同时照射到DMD晶片的不同区域上所形成的彩条。
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