（电路与系统专业论文）基于lcos的激光投影仪系统的显示图像均匀度分析调试.pdf

，r m a s t e rd i s s e r t a t i o no fc l a s s2 0lo u n i v e r s i t yc o d e ：10 2 6 9 r e g i s t e r e dn o ：5 10 712 0 2 0 4 2 e a s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i t y l a s e r p r o j e c t o rs y s t e mb a s e do nl c o s a ndi m a g eu n i f o r m i t y a n a l y s i sa n d d j u s t m e n t d e p a r t m e n t ：d e p a r t m e n to fe l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g m a j o r s p e c i a l i t y s up e r v i s o r ：g i 竺望i ! 璺垒坠照 墨y 墨! 曼啦 ：w e i s h e n gw a n g i - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 s t u d e n tn a m e ：h uy u e a p r i l ，2 0 1 0 l i a 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论基于l c o s 的激光投影仪系统的显示图像均匀度分析调试 ，是在华东师范大学攻读罨博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 华东师范大学学位论文著作权使用声明 基于l c o s 的激光投影仪系统的显示图像均匀度分析调试系本人在华东师范大学攻读 学位期间在导师指导下完成的硕劫博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范 大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相关 机构如国家图书馆、中信所和“知网 送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华 东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文 共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式 合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密 学位论文拳， 于年月日解密，解密后适用上述授权。、 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 翩签名翌刻本人签名塑墼 ) o 扣年，月杉日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位论文( 需 附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上述部门审定的学位 f 论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授权) 。 h i 塑越硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 刘锦高教授华东师范大学通信工程系主席 薛燕陵教授华东师范大学通信工程系 刘一清高级工程师华东师范大学通信工程系 摘要 显示技术在经历了从黑白显示到彩色显示，从模拟显示到数字显示之后，正在朝着向高分 辨率、数字化的趋势转变。但是，目前市场上大多数显示产品的色域空间仅能覆盖人眼所能识 别色彩空间的3 1 8 ，难以真实地还原自然色彩，这已经成为进一步提高显示质量的重要障 碍。 激光显示作为新一代的显示技术，在继承了数字显示技术所有优点的基础上，以高饱和度 的红、绿、蓝三基色激光作为显示光源，解决了显示技术领域长期难以解决的大色域色彩再现 难题，其色域可覆盖接近9 0 0 人眼可识别色彩，从而最完美地再现自然色彩。 激光显示技术推动着投影机的应用范围不断扩大，已经开始从教育等专业市场逐步向家庭 娱乐新兴市场转移，由激光投影仪组建的家庭影院给了人们全新的视觉体验。 本文的主要工作包括；基于三片式l c o s 投影分色合色系统的激光投影仪的相关技术原理 介绍；对投影仪显示图像的采集及显示质量调试的硬件框架搭建；并针对对投影机的一项重要 评价屏幕均匀性进行了深入的研究与分析；同时为了方便利用p c 调试屏幕均匀度，设计 交互式界面，并用c # 核心程序对采集图片进行均匀度调整；文章的结尾介绍了均匀度调整后， p c 与l c o s 驱动板如何实现通信。实验证明调整后的图像质量已达到了预期的标准。 关键词：l c o s ，激光投影仪，激光显示，屏幕均匀度，c 群 v a b s t r a c t a f t e rs h i f t i n gf r o mb l a c ka n dw h i t et oc o l o u rd i s p l a y , f r o ma n a l o g u et od i g i t a ld i s p l a y , d i s p l a y t e c h n o l o g yi sh e a d i n gf o r w a r dt ot h et r e n do fh i g hr e s o l u t i o na n dd i g i t i z a t i o n h o w e v e r m o s to f p r o d u c t si nm a r k e tc a no n l yc o v e r31 8 c o l o rg a m u to fh u m a ne y e sr e c o g n i t i o nd e g r e e ，w h i c hh a s b e c o m ea no b s t a c l eo fm a k i n gf u r t h e re f f o r t so np r o m o t i n gt h ed i s p l a yq u a l i t y a san e wg e n e r a t i o no fd i s p l a yt e c h n o n l o g y , l a s e rd i s p l a yu s e st r i c o l o rl a s e rw i t h h i 【g h s a t u r a t i o na si t sl i g h t i n gs o u r c ea n ds o l v e st h ef o r m i d a b l ep r o b l e m c o l o rr e p r o d u c t i o ni nb i gc o l o r r a n g ew h i c hh a sb e e nd i s t u r b i n gp e o p l ef o rat o n gt e r m a n di t sc o l o rr a n g ec a nc o v e rn e a r l y9 0 o f h u m a ne y e sc o l o r r e c o g n i t i o nd e g r e e ，s ot h a ti tc a nr e p r o d u c et h en a t u r a lc o l o rp e r f e c t l y l a s e rd i s p l a yt e c h n o l o g yp u s h st h ee x p a n d a t i o no ft h ea p p l i c a t i o na r e ao fp r o j e c t o r s a n d p r o j e c t o r ss t a r ts h i f t i n gt h e i ra p p l i c a t i o na r e af r o mp r o f e s s i n a lm a r k e t sl i k ee d u c a t i o nt oe m e r g i n g m a r k e t sl i k ef a m i l ye n t e r t a i n m e n t h o m et h e a t e rw h i c hc o n s i s t so fl a s e rp r o j e c t o rg i v e sp e o p l ea b r a n dn e wv i s u a le x p e r i e n c e t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si n c l u d e s ：t e c h n i c a lp r i n c i p l e si n t r o d u c t i o no fl a s e rp r o j e c t o r b a s e do n3p i e c e sl c o sp r o j e c t i n gu s e df o rc o l o r - s e p a r a t i o na n dc o l o r - r e c o m b i n a t i o ns y s t e m ；b e a i m e da tr e s e a r c ha n da n a l y s i so fo n ei m p o r t a n te v a l u a t i o na b o u t p r o j e c t o r s - - - s c r e e nu n i f o r m ；d e s i g n t h eg r a f i cu s e ri n t e r f a c ew i t hc 群c o r ep r o g r a mi no r d e rt om a k ei tc o n v i n i e n c ef o rw o r k e r st oa d j u s t t h eu n i f o r mo fc o l l e c t e di m a g e s ；i n t r o d u c t i o no fw a y sf o rc o n m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n dl c o s d r i v eb o a r da tt h ee n do ft h i st h e s i s t h ei m p l e m e n t e de x p e r i m e n t sp r o v e dt h a ta d j u s t e di m a g e q u a l i t yh a dm e e t e dt h ee x p e c t e dr e q u i r e m e n t s k e y w o r d ：l c o s ，l a s e rp r o j e c t o r , l a s e rd i s p l a y , u n i f o r m ，c 拌 摘要 a b s t r a c t 目录 目录 。v v i v i i 第1 章绪论 l 1 1 课题的立项背景及意义1 1 2 几种现代显示技术的比较3 1 3 以激光光源代替传统白光光源5 1 4 论文的主要工作6 第2 章投影显示光学理论基础及显示关键技术8 2 1 色度学基本理论8 2 1 1 彩色三要素8 2 1 2 三基色原理8 2 1 3c i e 标准色度系统。9 2 1 4x y z 色度系统1 0 2 2 激光光源1 4 2 3 屏幕的基本参数一均匀度1 4 2 4l c o s 投影显示技术1 5 2 4 1 原理概述1 5 2 4 2l c o s 芯片的基本结构1 6 2 4 3l c o s 器件的优点和存在的问题2 2 2 4 4l c o s 的其他组件2 3 2 4 5 三片式l c o s 投影分色合色系统2 4 2 5 本章小结2 4 第3 章图像的均匀度分析 3 1 激光投影仪图像采集硬件框架2 5 3 1 1 相机的选取2 5 3 1 2 图像均匀度处理的硬件组成2 6 3 2 均匀度调整软件设计2 7 3 2 1 总体思想2 7 3 3 采集图像的均匀度分析2 8 3 3 1 技术平台2 8 v 3 3 2 利用c 撑进行图像处理2 8 3 4 具体算法设计2 9 3 4 1 程序实现2 9 3 5 灰度加亮图像均匀度调整的算法设计3 2 3 5 1 总体思想3 2 3 5 2 降低图像亮点灰度级的各种处理方法3 2 3 5 3 图像整体处理的算法设计及程序实现3 4 3 5 4 图像分块处理的算法设计及程序实现3 6 3 6 去噪图像的均匀度调整3 8 3 6 1 图像去噪声3 8 3 6 2 去噪后的均匀度分析及调整4 2 3 7 单色图像的均匀度分析4 2 3 7 1 具体算法设计4 3 第4 章激光投影仪系统的相关问题。 4 1 交互式界面设计5 0 4 2p c 与l c o s 驱动板的通讯5 l 4 2 1 驱动板s x r d 2 1 1 0 1 e v b e a 概述5 l 4 2 2s x i 国2 1 1 0 1 e v b e a 驱动板开关描述及标准配置5 3 4 3d v i d 接口通信5 4 4 4 散斑的减弱。5 5 第5 章总结和展望 参考文献 致谢 5 7 5 8 v l 6 1 华东师范大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的立项背景及意义 激光显示是继黑白显示、彩色显示和数字显示之后的第四代显示技术，采用 r ，g ，b 三基色激光作为光源，它的色域范围是液晶和e r t 色彩再现能力的两倍、同 时还具备寿命长一长达数万小时、节能环保耗电只占平板电视的l 4 等优点。因 此，激光显示被公认为“人类视觉史上的一次革命”，具有十分广阔的市场前景。国 际显示和光电产业巨头如精工爱普生，韩国三星，日本索尼，松下、高意，德国欧 士朗、耶拿光学，三菱电气、美国德州仪器等正以激光显示的产业化为目标，不断 加快相关技术和产品的研发，为抢占新一轮产业浪潮的制高点增添砝码。我国在 激光显示领域的技术基础非常雄厚，国家的各类科学计划中，对激光显示的关键材 料与器件给予部署和支持，在非线性光学晶体材料和红绿蓝三基色激光器件研究方 而而取得国际领先的研究成果，目前国际上三种最具商业价值的非线性光学晶体有 两种是中国发明的u 。；在“十五”期，8 6 3 计划和中科院知识创新工程支持的人工 晶体材料取得了长足的进步，全固态红绿蓝三基色激光器件水平大幅度提高，成功 研制6 0 - 2 0 0 英寸系列化大屏幕激光显示样机，总体技术达到国际先进水平，色域覆 盖率等关键技术指标国际领先。 在8 6 3 计划长期支持下，中科院物理研究所联合中科院理化研究所、长春光机 所、成都光电所、光电研究院对“大功率红、绿、蓝三基色d p l ”及“激光全色显 示”技术这些新材料领域课题进行了大量研究，在三基色全固态激光器用晶体材料 生长、后加工与镀膜，大功率半导体激光器件与光纤耦合模块、三基色d p l 单元技 术与整机等系统技术上取得了重大突破，获得了一系列国际领先水平并具有自主知 识产权的重要成果。如：1 1 3 w 连续6 6 0 n m 红光激光器和2 1 7 w 准连续6 6 9 n m 红光 激光器；3 3 w 连续4 7 3 n m 蓝光激光器和6 3 4 4 准连续4 4 0 n m 蓝光激光器；4 2 w 连续 5 1 5 n m 绿光激光器。在此基础上，开展了“全固态激光全色显示系统”研制工作。 华东师范大学硕士学位论文 利用自行研制的大功率红、绿、蓝三基色激光为光源，于2 0 0 2 年在国内首次实现全 固态激光全色显示，2 0 0 3 年实现6 0 时前投和背投原理性演示样机，2 0 0 5 年成功研 制出6 0 时激光家庭影院、8 4 时及1 4 0 时大屏幕激光显示样机。先后参加了8 6 3 十五 重大成果展、科技创新展和上海国际工业博览会，获得博览会的科技创新奖。 与平板显示技术相比，激光显示产业更适合我国国情，是我国实现产业结构调 整的重要突破之一。 ( 1 ) 未来5 1 0 年将是全球以及我国激光显示技术产业发展的黄金时期也是关 键时期。激光显示技术将成为具有强劲市场竞争力的主流显示技术，将覆盖从手机、 电视、前投影、电影放映机到仿真平台等各类应用市场，前景广阔，市场巨大( 据 报道，可达5 7 0 亿美元年) 。 ( 2 ) 激光显示的核心关键技术主要包括激光光源、匀场整形照明系统、消相干技 术、图像调制器件和系统集成五大方而，我国都已形成优势，具有自主知识产权。 ( 3 ) 国际上还没有形成对激光显示技术的技术垄断，也没有建立国际标准，为 我国在该领域实现重点突破提供了小可多得的机遇。我国在该领域拥有坚实的技术 优势，围绕激光显示核心技术，我国已经拥有4 8 项专利，约占国际专利的3 0 ： 技术标准的相关工作已经启动。 ( 4 ) 我国激光显示产业的上下游基础较好。激光晶体材料、非线性光学晶体材料、 l c o s 光学引擎、光学设计与加工以及激光技术均有很好的产业基础，与国外在图像 调制器件的优势相比，已呈现出了很强的优势互补态势。在主流的投影式激光显示 技术方而，我国已具备产业发展的技术基础。图1 - 1 是激光显示技术与其它显示技 术色域空间对比。 2 华东师范大学硕士学位论文 图i - i 激光显示技术与其它显示技术色域空问对比 1 2 几种现代显示技术的比较 我们可以将目前进入商品化的显示技术归纳为三大类型( 如图所示) ：第一类 是直视式的屏幕显示技术，第二类是投影式的显示技术，第三类是空间三维成像显 示技术。从表可以看出在当前的显示技术中，投影显示技术占据很重要的位置。下 面将对几种我们耳熟能详的技术：c r t ，l c d ，l c o s ，d l p 做简单比较，使读者从总体上 把握它们的不同之处。 3 华东师范大学硕士学位论文 直视式 投影式 主动发光型 c r t ( 显像管) p d p ( 等离子体显示器) e l d ( 场致发光) l e d ( 发光二极管) o l e i ) ( 有机发光) v f d ( 荧光管显示器) fl c d ( 液晶显示器) 非主动发光型 e c d ( 电致变色显示器) l e p ) ( 电泳成像显示器) f c r t ( 显像管投影) l l c d ( 液晶显示器) 前投影型ll c l v ( 液晶光阀投影) ll c o s ( 硅基上的液晶投影) i d l p ( 数字徽镜投影) 背投影型 c p t ( 显像管投影) l c d ( 液晶显示器) l c l v ( 液晶光阀投影) l c o s ( 硅基上的液晶投影) d l p ( 数字徽镜投影) f 珏d ( 头盔显示) 三维成像式 全息显示 【体空间显示 c r t 投影显示是2 0 实际9 0 年代技术最成熟，生产批量最大，成本最低的背投 影电视主流技术，但是由于c r t 发光特性的限制，c r t 投影无法实现高亮度投影显 示，而且其投影显示器的体积庞大，厚度厚，投影显示器受大地磁场的影响大，分 辨率有限等，逐步丧失了再数字信息显示中的霸主地位。而微显示技术如 l c d ，l c o s ，d l p 均属于高分辨，高亮度，大屏幕投影显示技术，从微显示空间光调制 来看，l c o s 与d m d 为反射工作模式，l c d 为投射工作模式；l c o s 与l c d 为偏振光模 式，d m d 为自然光模式。同时l c d ，l c o s 均采用三片芯片合成彩色的形式，而d m d 一般采用单片芯片时序产生彩色的形式，因此各种芯片的光学引擎系统各不相同。 在芯片方面，l c o s 的像素填充率最高一占空比高，因此图像上的栅格最细，最不明 显，d m d 次之，l c d 的栅格最粗睇。在像素大小方面，l c o s 的像素可以做得最小， 4 华东师范大学硕士学位论文 其次为l c d ，最后是d m d 。因为l c o s 采用超大规模集成电路j 醛片的制备技术，随着 光刻技术的提高，很容易将驱动的c m o s 芯片做的很小，以节约成本，同时容易获得 超高分辨率的微显示芯片。当然并不是一味的减小微显示微显示芯片的尺寸就可以 解决问题，减小芯片尺寸也会带来其他问题，如散热效率要求急剧提高，衍射与散 射效应增强等。 三种微显示投影技术各有所长，而且都在发展之中。l c d 投影技术出现的最早 也最为成熟：d l p 投影的系统最简单且发展迅速；而l c o s 是后起之秀，其微显芯片 的准入台阶较小，容易掌握芯片制备技术，而且特别适合超小型的投影显示器，但 是光学系统也较为复杂。 1 3 以激光光源代替传统白光光源 使用传统的白光光源，光能通过许多光学元件会造成损失，同时，多个光轮的 旋转使得不在频率时间段内的光能损失，造成了光到达屏幕上亮度不足；白光灯使 用i m m 灯丝，目的在于实现点光源照射。而且灯管价格高，寿命短；白光灯中的 紫外线会破坏液晶的化学成分，不得不使用一系列光学器件实现紫外线过滤，这样 就提高了成本。白光灯发热量往往比较高，都需要预热以及在设备关机后仍要通电 散热的麻烦，无法实现高速启动与快速关机。 虽然l e d 光源比白光灯有许多有点，但也有它的不足。l e d 的发光效率不高，只 能达到1 流明瓦的发光效率( 而高压水银灯为l o 流明瓦) ，为了增加亮度，不 得不增加l e d 模组的数量，功耗和成本随之成倍增加；l e d 光源直接投射的光强分 布不均匀，发散角大，无法达到视频系统所要求的矩形( 4 ：3 或1 6 ：9 ) 均匀光斑， 所以在照明系统中需使用光学积分系统一一复眼，从而加大了体积和增加了成本； 尽管l e d 的发光波长也是一定的，但l e d 则受到材料的影响比较大，不容易做出最 纯净的光谱；r g b 三色l e d 光源老化的进度并不一致，l e d 光源随着时间的推移和温 度变化，其波长会发生变化，从而导致颜色出现偏差瞄1 。 激光并不发散，超强的指向性能使得激光的光线利用率变得非常高，空问相干 特性优良，能够达到屏幕的光线比率要比通常的光源高得多；激光有单色性，所以 5 华东师范大学硕士学位论文 用激光r g b 三色光源的光线波长是固定的，光线的波长是固定的，激光的单色亮度 比太阳高出许多数量级，基本可以完全模拟自然色彩，没有灯泡那种刺眼的不舒服 感觉，实现的颜色层次更好、颜色饱和度更高，低亮度而高对比度瞄。；其中，半导 体激光器的寿命可以达到两万小时，并且发热量比传统白光光源的低，不需要单独 散热；没有传统光源的紫外线，使得眼睛看画面的时候很放松，这是其他光源所无 法想象的。 激光的瓶颈在于没有合适的固态绿色激光可用。绿色激光波长大约5 3 0 1 m ，目 前是用1 0 6 0 r i m 的红外激光通过一块非线性晶体可以实现频率的倍增，从而获得绿 色激光。不过，由于这种方式对环境温度要求比较高因而，输出不够稳定，这种 做法也使得激光三色模块的大部分被绿色激光模块占据，成本和体积没有办法大幅 度下降。在微型化的过程中，固态激光特别是蓝光激光尚存在发光效率低，因为安 全问题无法把功率无i i 曼$ t 提高的问题u 1 。激光的频率是固定的，在光线到达屏幕的 时候，反射回来的光线会改变相位，因而可能导致射入与射出光线之间的干扰，可 能加强也可能减弱。这可能让敏感的用广看到亮点或者暗点。 1 4 论文的主要工作 项目的立足点是与海信公司合作，自主研发的基于三片式l c o s 投影分色合色技 术的激光投影仪系统。文章在阐述激光投影和l c o s 技术的原理，以及它们在这一项 目中的应用的同时，搭建了为调节系统投影屏幕均匀度而设的硬件框架并进行整体 性能综合评价，为了方便利用p c 调试屏幕均匀度，设计交互式界面，并用c # 核心 程序对采集图片进行九点法和十六点法亮度和色度调整；简要的分析了经软件调整 后的图像如何与l c o s 驱动板进行通信；并分析了散斑效应对投影显示所产生的影 响，并提出了解决方案。实验证明调整后的图像质量已达到了要求的标准。预期目 标位： a ) 亮度均匀度大于9 0 ； b ) 色度均匀度( a x ，a y ) o 0 2 6 华东师范大学硕士学位论文 第一章，绪论。简要说明了课题的立项背景及现实意义，对几种现代显示技术 进行了宏观上的比较，简要分析了以激光作为显示光源的优缺点。 第二章，投影显示光学理论基础及显示关键技术。详细介绍了色度学基本理论 及相关的计算方法，以及对屏幕显示均匀度的详细说明。重点讲述了项目多采用的 l c o s 显示技术，尤其是三片式分色合色系统的应用。 第三章，图像的均匀度分析。首先介绍了进行显示图像采集的硬件框架，其次 细致的介绍了利用c # 编写的均匀度调整程序的思想及实现。 第四章，激光投影仪投影屏幕均匀度调整工具。本章主要介绍了利用c # 编写的 交互式界而的设计，并且简要介绍了论文后期实现p c 机调整均匀度与投影仪l c o s 驱动板实现通讯的工作。 第五章，总结和展望。总结全文的主要工作，并给出了进一步研究的主要方向。 7 华东师范火学硕士学位论文 第2 章投影显示光学理论基础及显示关键技术 2 1 色度学基本理论 2 1 1 彩色三要素 对于彩色光，可以用亮度，色调以及色饱和度三个物理量进行描述，这三个基 本参数称为彩色三要素。色调的色饱和度即称为色度。亮度是指彩色光作用于人 的眼睛时，在视觉上引起的明暗程度，它与光的发射功率有关。光功率越大，亮度 越高；光功率越低，亮度越低。对于不发光的物体而言，其亮度取决于它发射功率 的大小。色调表示颜色的种类，不同光谱的光，呈现的颜色有所不同，如红色，黄 色，绿色，蓝色等。色调取决于该种颜色的主色波长，即由强度最大的颜色成分来 决定。 色饱和度表示颜色的深浅程度，即颜色的浓度或者纯度。对同一色调的彩色光， 其饱和度越高，颜色就会越深。饱和度的高低取决于彩色光中掺入白光的多少，掺 入的曝光越多，相应的色饱和度就会越低。孟赛尔颜色系统中称为c h r o m a ，并以黑 白灰为彩度0 点，将各种彩色按照表示“差别多大距离”而分级，导致各种颜色最 鲜艳的彩度级别不一样。h s v 色彩属性模式中这个指标称为s a t u r a t i o n ，即饱和度。 日本p c c s 系统中，这个指标汉字写作“彩度”，但是翻译成英文是称s a t u r a t i o n ， 即饱和度。将无彩色的黑白灰定为0 ，最鲜艳定为9 ，这样大致分成十阶段，让数 值和人的感官直觉一致。 2 1 2 三基色原理 自然界中绝大多数颜色都可以由三种基色按照不同的比例混合得到：相反的， 任何一种彩色都可以分解成为三种基色，这就是三基色原理嘲。三基色的选取必须 是独立的，任何一种基色都不能由其他两种基色混合而得到。三基色的大小决定彩 8 华东师范大学硕七学位论文 色光的亮度，混合后彩色光的亮度等于各基色光亮度之和嘲。三基色的比例决定色 调，当三基色混合比例相同时，色调也相同。在本激光投影仪系统中，也选取红色， 绿色，蓝色的激光作为三基色。 2 1 3c i e 标准色度系统 1 r g b 色度系统 国际照明学会于1 9 3 1 年对基础刺激进行下述标准化规定，并确定了相应的标准 等色函数。 ( i ) 对于r ，g ，b 的原刺激，规定它们的波长分别为7 0 0 r i m ，5 4 6 1 n m ，4 3 5 8 n m 的单 色光。 ( 2 ) 经实验和计算确定，匹配等能白光的( r ) ( g ) ( b ) 三原色单位亮度比率 l r ：l g ：l b 为1 0 0 0 0 ：4 5 9 0 7 ：0 0 6 0 1 。 一 一 一 1 9 3 1 c i e r g b 系统提出了光谱色的r g b 三刺激值，用，g ，b 来表示。这一组 数值叫做“c i e l 9 3 1 r g b 系统标准色度观察者光谱三刺激值”，简称“r g b 色度系统的 三刺激值2 h ，如图2 一l 所示。 仗众三_ l n 一一i 图2 - 1r g b 色度系统的三刺激值 图中，( 名) 值有一部分波长的值是负的。负值出现的物理意义可以从匹配实验 的过程来理解。当投射到半视场的某些光谱色，用另一半视场的三原色来匹配时， 不管三原色如何调节都不能使得两半视场颜色达到匹配，只有在光谱色的半视场中 加入适量的三原色之一才能达到颜色匹配，加在光谱色半视场的颜色就用负值来表 9 华东师范大学硕：卜学位论文 示，这就出现负的色品坐标刳。 对于任意光谱分布的光p ( 五) 产生的色刺激c ，可以应用光谱三刺激值，( 五) ， g ( 五) ，b ( 名) 求出三刺激值： r ：j p ( , i ) f ( a t ) d a t g = j p ( 见) 9 9 ) 钡 b ：j 尸( 旯涉( 五) 以 因此，任意色刺激c 均可以被看做处于以三个原刺激r ，g ，b 为轴的空间的一个 向量。如果将三个刺激值r 。g 。b 设为向量的分量，则c 即为r g b 空间中的一个点。 2 1 4x y z 色度系统 c i e 在r g b 系统的基础上，为了克服r g b 系统中光谱三刺激值具有负值带来的 不便，提出了新的x y z 色度系统。在x y z 系统中，另外设想了原色( x ) ，( y ) ，( z ) ，从 而建立了一个新的色度系统。同时将匹配等能光谱的三原色刺激值定名为“c i e l 9 3 1 标准色度观察者光谱三刺激值”这一系统叫做“c i e l 9 3 1 标准色度系统”或“2 。视 场x y z 色度系统嵋h 。它具有如下特征： ( 1 ) 在此系统中光谱三刺激值全为正值。 ( 2 ) 规定( x ) ，( z ) 两原色只代表色度，没有亮度。光亮度的量只与( y ) 值成正比。 ( x ) 。( z ) 线称为无亮度线。 可用于将匹配等能光谱色的三原色刺激值由c i e - r g b 系统转换到c i e l 9 3 1 x y z 标 准色度系统： lx = 2 7 5 6 8 9 r - i - 1 7 5 1 7 9 + 1 1 3 0 2 b y = 1 0 0 0 0 r + 4 5 9 0 7 9 - i - o 0 6 0 1 b iz = o ，+ o 0 5 6 5 9 + 1 5 5 9 4 3 b 一 一 一 一 一 一 将各单色光的，g ，b 值代入上式后，求出的x ( a ) ，y ( 名) ，z ( 五) 值是已 1 0 华东师范大学硕士学位论文 经标准化了的，即波长5 5 5 n m 单色光的y ( t ) = 1 转换后的值称为“c i e l 9 3 1 标准色 度观察者光谱三刺激值2 h 。对应的曲线如图2 - 2 所示： 5 0 06 0 0 7 0 0 m n m 【x = 七p ( 允) 衲砒 】，= 尼p ( 旯) 衲以 【z = 七p ( 名) 衲以 o 5 o 5 o z t l n 疆 华东师范火学硕士学位论文 另外，由于选择x y z 系统三原色时考虑到( y ) 既代表色度又代表亮度，而( x ) ， ( z ) 只代表色度，所以y ( 旯) 的函数曲线与明视觉光谱光视效率一致，即： y ( 力) ：匕。 由此可求得色品坐标x ( a ) ，y ( 名) ，z ( 名) 与光谱三刺激值石( 名) ，y ( a ) ，z ( a ) 的关系如c o e l 9 3 1 标准色度光谱三刺激值和色度图色度坐标表所示： m ，= 志 删= 鼎 舶，= 丽 或变为 如下图2 3 所示为本激光投影仪所显示的色域在c i e l 9 3 1 色品图中的范围： 0 9 s l o 0 6 y 0 3 o 5 2 c l 广- - 、5 3 0 ， 5 5 0 刍口 j 。hx ，n ) 匿 s i o【，y ) n f ；9 0 o 2 。 ”】、 j 昏幸百) 7 0 c ， 、 j 乡 一， ，8 0 p 多 00 20 40 60 8 z 图2 _ 3 色域在c i e l 9 3 1 色品图中的范围 1 2 )一、-、 )一、， d d d d形一m_獭一朋 = i i = 力 五 兄 一m 一朋一私 华东师范大学硕士学位论文 由己知白场的三刺激值l ，l ，乙如下式所示： x ，= x r + x g + x b 匕= k + 圪- i - 【z w = z r4 - z g + z b 根据色品坐标x ( 五) ，y ( 名) ，z ( 五) 与光谱三刺激值x ( 名) ，y ( 允) ，z ( 五) 的 关系式，可将上述方程转换为下面全用l 表示的方程： l ，w 。，矗+ ，g + j 口 x ，= 立匕= 导+ 鱼圪+ 生 i_y rgy n i iz ，= 丑l = 丑+ 鱼圪+ 互 【 y y r y g y n 若假设l 的光通量为1 0 0 0 1 m ，由上述方程可求出坏，； 转换为光功率可求得： 关于测试： ( a ) = 缈( 旯) | 7 7 ( 力) 将系统所采用的波长值a = 4 5 7 n m ：5 3 2 n m ；6 3 5 n m ，查表并代入下式： x 圳嚼护七幸器墩 m w ) 幸歹( 舻七+ 器+ 歹( z 圳 _ ( 舻七+ 器( 1 3 华东师范人学硕士学位论文 即可进行。 2 2 激光光源 基于半导体激光器的三基色d l p 光源，其基本原理为： 红光激光是用半导体二极管激光器( l d ) 产生的8 0 8 n m 的激光，抽运激光晶体 虬：y v o ，产生1 3 4 2 n m 的基频光，经过非线性晶体l b oi i 类非临界相位匹配进行倍 频，产生波长为6 7 1 n m 的红光，温度保持在4 0 。c 。 蓝光激光器的激光晶体是虬：y a g ，倍频晶体是l b 0 ( 角度切割为 口= 9 0 。，伊= 1 9 3 。) ，用8 0 8 n m l d 抽运y a g ，产生9 4 6 n m 的基频光，经过l b 0 进行临界相位匹配倍频，产生4 7 3 n m 的蓝光羽。 5 3 2 n m 绿光激光器由8 0 8 n m l d 抽运y v o ，产生1 0 6 4 n m 的基频光，再经过非 线性晶体k t i 0 p 0 4 ( k t p ) ( 角度切割为矽= 9 0 。，伊2 2 6 3 。) 进行倍频产生。 根据色度学原理，为了扩大显示色域，充分体现激光显示的优越性，激光显示 中利用波段为6 7 1 n m 红光，5 3 2 n m 绿光，4 7 3 n m 蓝光的三基色，根据c i e l 9 3 1 颜色匹 配函数，让6 7 1 n m 红光，5 3 2 n m 绿光和4 7 3 n m 蓝光合成为d 光源( 6 5 0 0 k ) 白色光， 则三基色混合需要的流明数为l ，= 2 4 2 l m ，l g = 6 6 2 1 m ，厶= 9 6 l m 。 2 3 屏幕的基本参数一均匀度 屏幕的均匀性不但表现在画面的质量上面，而且和投影机的投影技术息息相关。 好的均匀性能够保证屏幕在水平方向，垂直方向0 。1 8 0 。观看时，画面亮度和色 彩的一致性。屏幕表面材料的均匀性可以对画面均匀性起到了良好的补充作用。由 于光学微结构的存在，同时由于屏幕上各处光线的入射角差异很大，折射率散射作 用产生的不同颜色光的折射不同，会导致屏幕颜色出现均匀性差异。另外由于微结 构设计不妥或者光学引擎与屏幕参数不匹配，也会造成角落区域的微结构产生全反 1 4 华东师范大学硕七学位论文 射，形成观看暗区。 2 4l c o s 投影显示技术 2 4 1 原理概述 硅基液晶( l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ，l c o s ) 是一种相对较新且不为人所熟悉 的显示技术，该技术现正大举进入高清电视( h d t v ) 市场。然而真正引人注目的是， 这种技术一开始的起点就非常高，并不是用传统的方式起步，即采用和现有技术差 不多的性能，然后再慢慢把画面质量提升到更高水平。在所有显示技术中，l c o s 的 分辨率、对比度( 对非c r t 显示器而言) 是最高的，图像最为自然。有些用户对图像 闪烁比较敏感，眼睛容易疲劳，而l c o s 则具有最高刷新率( 1 2 0 h z ) ，可提供最为平 滑且无闪烁的画面。图2 - 4 所示为l c o s 的光学系统： 1 3 1 j 2 3 2 1 卟 1 3 7i 1 3 9 l 瞒 7 2 1 - | 晴 厂区 1 3 5 芑三 f i 琴挚1 0 7 ，f 广1 1 3 雕 l 1 一- l jl 2 1 1 2 9 z ( 1 0 9 图2 4l c o s 的光学系统 l c o s ( l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ) 是近几年发展起来的一种新型液晶器件， 一般叫做硅上液晶，也就是说l c o s 器件是把液晶灌注在上层透明导电玻璃和下层的 单晶硅片之间，在下面的单晶硅片上制造控制电路，控制每个液晶像素的工作状态 。其工作原理是把穿过液晶像素的光又被下层硅片上的反射电极反射回去，再次 穿过液晶像素，利用液晶分子对光透过率的改变，形成图象光信号，图象光信号再 粢 亍地幻气j 华东师范大学硕士学位论文 通过光学系统和投影空间把图象光信号聚焦，放大后投射到屏幕上形成光图象 它有几个直接明显的优点，如所有电子部件都在镜子后面，完全在光路以外。 在它后面有很大空间，这样就可能达到难以置信的高分辨率，l c o s 在所有显示技术 中分辨率最高。另外因光线两次穿过液晶，可以达到很高对比度但依然非常薄，从 而大大改善了响应时间减少拖影。 液晶可以使光线的偏振性发生偏转，而偏转量可通过电场进行控制。镜片后面的 硅片产生控制每个像素的电场，实际上镜片就是硅片最上一层，液晶直接装在镜片上 面，这也是l c o s 叫做“硅基液晶”的原因。大多数芯片的尺寸为四分之三英寸。生 成图像时，偏振光聚焦在芯片上，通过变换每个像素后面电场来控制其亮度。电场使 光线发生偏转，然后用一个偏振过滤器把偏转部分挡住。 2 4 2l c o s 芯片的基本结构 硅片产生电场实际上就像计算机内存：卷片一样工作，按照像素的行列进行组织， 每个像素都有一个地址，就像内存位置一样，图2 - 5 显示了一个l c o s 的截面图。 防护) 连线) 图2 - 5l c o s 截面图 l c o s 结构包括c m o s 基板、i t o 玻璃、配向层、间隔物与液晶层等。反射电极层 位于液晶层的下面，而像素地址寻址的各种控制电极和电极间的绝缘层位于反射电 极层的下面，整个结构是一个立体排列方式。l c o s 液晶板的光圈比率可以达9 3 ， 1 6 华东师范大学硕士学位论文 因此其分辨率可以很高。 与t f t - l c d 相比，l c o s ：卷片是集成在硅基板上的图像芯片。由于硅基板对可见 光不透明，所以l c o s 一般做成反射式的