激发光强度控制方法与流程

1.本发明涉及投影显示领域，尤其涉及一种应用于激发光强度控制系统的激发光强度控制方法。


背景技术：

2.在目前的显示领域，主要是利用dmd或lcd做为光调制器，对照明光进行调制从而得到图像光，然目前采用dmd或lcd作为光调制器的显示设备普遍存在效率偏低的问题。
3.具体地，在以激光激发荧光材料产生多色光作为光源的显示设备中，激光发光元件发出的光经光学元件，如合光器件、光束整形器件等到达荧光材料，效率约为90％，经荧光材料转换后得到照明光，再耦合到光机系统(如3dmd光机系统、3lcd光机系统)，效率约为94％，经光机系统调制成图像光，效率约为30％～40％，然后经由投影镜头投影到屏幕上，可以看出，光机系统效率低，使相应的显示设备效率低下。


技术实现要素：

4.鉴于上述状况，本发明提供一种光能利用率高的激发光强度控制方法。
5.本发明提供一种激发光强度控制方法，所述方法能够应用于一激发光强度控制系统中，所述激发光强度控制系统包括光源、光调制器、色彩转换元件及控制器，所述方法包括：在所述控制器上根据一帧图像的图像信号值以及涂布于所述色彩转换元件上的特定荧光材料的响应曲线参数，计算获得所述光调制器的信号值；在所述控制器上根据计算获得的所述光调制器的信号值与所述光调制器的最大信号值的比值计算所述光源所需出射的激发光强度；在所述控制器上发送信号至所述光源以控制所述光源出射所需的激发光强度；及在所述控制器上发送信号至所述光调制器以控制所述光调制器出射的激发光强度。
6.本发明实施例提供的激发光强度控制方法的优点在于：通过特定方式对光调制器及/或光源出射的激发光强度进行相应控制，不仅保证了出射至屏幕的图像不失真，且由于降低了光源的强度，进一步降低了能耗，提高了光能利用率。
附图说明
7.图1为本发明第一种实施方式的激发光强度控制系统的系统框图。
8.图2为图1所示激发光强度控制系统的照明部与成像部前部分的光路图的示意图。
9.图3为图1所示激发光强度控制系统的成像部的后部分光路图的示意图。
10.图4为图1所示激发光强度控制系统的荧光芯片的像素分布示意图。
11.图5为本发明第二种实施方式中的激发光强度控制系统的成像后部分的光路图示意图。
12.图6为激发光为蓝激光时，红、绿、蓝荧光材料/散射材料对激发光的响应曲线示意图。
13.图7为激发光为uv光时，红、绿、蓝荧光材料对激发光的响应曲线示意图。
14.图8为本发明一实施方式中的激发光强度控制方法的流程图。
具体实施方式
15.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
17.请参阅图1所示，图1是本发明一种实施方式中的激发光强度控制系统1的方框示意图，所述激发光强度控制系统1能够应用于投影系统2中。所述激发光强度控制系统1包括照明部、成像部以及控制部，具体地，在本实施方式中，所述照明部包括光源10，所述成像部包括光调制器11与色彩转换元件12，所述控制部包括控制器13。所述控制器13接收待显示的原始图像数据，根据原始图像数据调节光源10处及/或光调制器11处的激发光强度，在本实施方式中，在所述控制器13的控制下，针对每一帧图像，所述光源10发出一定强度的激发光，所述光调制器11进一步调节针对每一像素(或子像素)的激发光强度，经由调节后的激发光进入色彩转换元件12，激发色彩转换元件12产生多色受激光，如r(红)、g(绿)、b(蓝)受激光，形成一帧彩色图像。在本实施方式中，所述激发光强度控制系统应用于一投影系统中，经过色彩转换元件12产生的彩色图像经由投影系统2的投影镜头20最终出射至屏幕(图未示)。在本实施方式中，所述激发光强度控制系统1还包括设置于光源10与光调制器11之间的中继系统14、以及设置于光调制器11与中继系统14之间的光回收系统15。
18.请参阅图2所示，为图1所示激发光强度控制系统1的照明部的光路图与成像部的前部分光路图的示意图，即为激发光出射至色彩转换元件12之前的光路部分，在本实施方式中，所述激发光强度控制系统1具有正向光路与逆向光路两部分，在本实施方式中，所述正向光路是指光线由激发光强度控制系统1中上游元件出发进入下游元件的光路路径，例如由光源10出发进入光调制器11的光路路径便属于正向光路。所述逆向光路是指光线由激发光强度控制系统1中的下游元件出发返回上游元件的光路路径，例如在通过光回收系统15返回至中继系统14的光路路径属于逆向光路。
19.在本实施方式中，所述光源10采用激光光源，且为蓝激光光源。因此，在本实施方式中，采用蓝激光为激发光。在本实施方式中，所述中继系统14包括复眼透镜阵列141、凸透镜142以及反光镜143。所述复眼透镜阵列141、凸透镜142与反光镜143依序排列，从所述光源10出射的蓝激光进入复眼透镜阵列141，经过复眼透镜阵列141提高均匀性与亮度后，进入凸透镜142。所述凸透镜142对进入的蓝激光进行整形形成适合光调制器11大小形状的光斑，所述光斑经反光镜143反射后进入所述光调制器11。在本实施方式中，所述复眼透镜阵列141为双排复眼透镜阵列。所述复眼透镜阵列141与凸透镜142大致平行设置，其光轴方向大致重合，所述光调制器11与所述复眼透镜阵列141、凸透镜142大致垂直设置，所述反光镜143与所述凸透镜142、光调制器11呈倾斜设置，如与所述凸透镜142、光调制器11均大致呈45度角设置，其反射面1431同时倾斜面向所述凸透镜142与光调制器11、以将从凸透镜142
出射的蓝激光反射至光调制器11。
20.可以理解，中继系统也可采用其他光学元器件构成，或者采用不同的排布方式，只需其能将光源发出的激发光以及从光回收系统返回的光合适地导入至光调制器11即可。
21.所述光调制器11在本实施方式中为lcd光调制器11a，当然，所述lcd光调制器11a仅是举例而已，在其他实施方式中，所述光调制器11也可以是dmd光调制器或lcos光调制器等。所述lcd光调制器11a在控制器13的控制下，针对每一帧图像的图像数据，对从反光镜143出射至lcd光调制器11a的蓝激光进行调制，从而使之携带图像信息，经过调制的两部分蓝激光进入一偏极化分光镜(polarization beam splitter，下称pbs)16。所述pbs 16将经过调制的两部分蓝激光分成第一偏振光与第二偏振光，在本实施方式中第一偏振光为p偏振态的光(以下简称p光)、第二偏振光为s偏振态的光(以下简称s光)，其中s光进入色彩转换元件12，p光进入光回收系统15进行光回收。在本实施方式中，所述pbs 16设置于lcd光调制器11a的出光方向，包括相对的第一表面161与第二表面162。所述pbs 16与lcd光调制器11a呈倾斜设置，如呈45度角设置，第一表面161面向lcd光调制器11a，第二表面背向lcd光调制器11a。所述pbs分离p光与s光，其中p光经透射从第二表面162出射、s光经反射从第一表面161出射。
22.在本实施方式中，所述光回收系统15将p光耦合到复眼透镜阵列141，使之通过复眼透镜阵列141重新进入正向光路，通过正向光路进入lcd重新利用。具体在本实施方式中，所述光回收系统15包括三个反光镜151与置于每两相邻反光镜151之间的凸透镜152。所述三个反光镜合力改变p光的光路走向，使之耦合至复眼透镜阵列141，其中，第一反光镜151a设置于所述pbs 16的出射光路上，与pbs 16的第二表面162大致垂直设置，第二反光镜151b设置于所述第一反光镜151a的出射光路上，与第一反光镜151a大致垂直设置，第三反光镜151c设置于第二反光镜151b的出射光路上，与第二反光镜151b大致垂直设置，第三反光镜151c另还与复眼透镜阵列141呈倾斜设置，如呈45度角设置。第一反光镜151a与第二反光镜151b、及第二反光镜151b与第三反光镜151c之间均设置一凸透镜152，所述凸透镜152避免p光发散。
23.此外，若由光回收系统15进行回收的光束的偏振态与光源10出射激发光的偏振态不同时，还可在光回收系统15中设置一相位延迟器改变所述光束的偏振态，以使所述光束的偏振态与光源10出射激发光的偏振态相同，例如，若光源10出射激发光为s光，在光回收系统15回收的光束为p光时，可在光回收系统15中设置一二分之一波片，将p光转换成s光再将s光耦合入射至中继系统14。在光回收系统15回收的光束的偏振态与光源10出射激发光的偏振态相同的情况下，以上相位延迟器无需设置。
24.以上例举了光回收系统15的一种方案，然光回收系统15的方案并不限于此，例如可以改变反光镜的数量、距离以及排布形成多种方案，也可以在反光镜之间增减光学元件，甚至采用其他光学器件取代部分或全部反光镜，此外，光回收系统15的设置跟中继系统14以及lcd光调制器11a的排布亦有关系，改变中继系统14与lcd光调制器11a的设置亦可能影响光回收系统15的设置方案，然无论如何，任何能实现将从lcd光调制器11a出射的部分光耦合至重新进入lcd光调制器11a的方案均不脱离本发明揭露的范围。
25.请参阅图3所示，为图1所示激发光强度控制系统1的成像部的后部分光路图示意图，在本实施方式中，所述成像部的后部分光路图示出了所述色彩转换元件12、1/4波片17
以及二向色片18，在本实施例中所述色彩转换元件12为荧光芯片12a，且为反射式荧光芯片。所述1/4波片17与所述荧光芯片12a大致平行设置，所述二向色片18同时面向所述s光入射方向与所述1/4波片17、且与s蓝光入射方向以及1/4波片17呈倾斜设置，如与s光入射方向以及1/4波片17均成45度角设置。
26.在本实施方式中，需说明的是，可通过在一基板上涂布荧光材料及/或散射材料形成多个像素点，从而制成所述荧光芯片12a，每个像素点由红绿蓝三种子像素点构成，每种子像素点上分别涂布相应的荧光材料及/或散射材料，因此，在激发光激发下，荧光芯片12a的每个子像素点分别产生红、绿、蓝受激光或散射激发光，从而使荧光芯片12a出射彩色图像光。在其他实施方式中，荧光芯片的子像素点种类、数量与颜色可根据需要更改，例如，每个像素点只包括两种子像素点或更多种子像素点，每种子像素的数量为一个或多个，每个像素点包括不同于红绿蓝三色的其他颜色子像素点。
27.请参阅图4所示，为本实施方式中的荧光芯片12a上的像素点分布示意图，所述荧光芯片12a在所述激发光的激发下，产生r、g、b受激光或者产生r、g受激光以及散射所述激发光，形成彩色图像。所述荧光芯片12上包括多个像素点s，所述像素点s按矩阵排列，每一像素点s包括至少两种子像素点，每种子像素点由相应的荧光材料涂布形成，或者，涂布有相应的散射材料，在本实施方式中，每一像素点s包括至少一个红子像素点r、至少一个绿子像素点g、以及至少一个蓝子像素点b，在本实施方式中，每一像素点s包括一个红子像素点r、两个绿子像素点g以及一个蓝子像素点b。红子像素点r上涂布了红荧光材料、绿子像素点g上涂布了绿荧光材料、蓝子像素点b上涂布了蓝荧光材料或涂布了散射粉，在激发光的作用，红子像素点r产生红光，绿子像素点g产生绿光，而蓝子像素点b产生蓝光或散射入射的蓝激光，根据每个子像素点各自的光亮强度，每个像素点呈现所需的色彩，从而使荧光芯片12a通过投影镜头20出射至屏幕的图像为一帧彩色图像。
28.可以理解，所述像素点s可以按其他规则排列，例如，像素点最终并不一定排列成为矩阵，还可以排列成为其他需要的形状，例如圆形，每一像素点s仅需同时包括两种子像素点或者同时包括红、绿、蓝三种子像素点，至于每种子像素点的数量和比例可根据实际需要选取。
29.请再参阅图3所示，所述二向色片18反射s光、透射p光以及r(红)、g(绿)光。由pbs 16出射的所述s光到达二向色片18后，被二向色片18反射至所述1/4波片17，所述s光经过1/4波片17后变成圆偏振光，所述圆偏振光到达荧光芯片12a后，激发对应的红、绿子像素点r、g产生红光和绿光，所述红光和绿光经1/4波片17后由所述二向色片18透射。另在本实施方式中，荧光芯片12a上的蓝子像素点b涂布保偏、即保证偏振方向不变的散射粉，因此圆偏振光到达荧光芯片12a上对应的蓝子像素点b后，被保偏散射，再次经1/4波片17后变成p光，所述p光由所述二向色片18透射。
30.可以理解，根据光路方向布置的不同，所述二向色片18也可以是透射激发光、反射受激光，即透射由pbs 16出射的光与反射由荧光芯片12a出射的光。
31.可以理解，荧光芯片12a的数量也不限于一片，也可以是两片或多片，通过一定的规则进行排列。如，可将两片荧光芯片12并排排列。
32.可以理解，虽然上述实施方式中的成像部后部分光路是入射s光，最终出射p光与红、绿光，然，也可以是入射p光，最终出射s光与红、绿光。另，在采用其他基色光作为激发光
时，基于其偏振态也可有不同的选择。
33.可以理解，也可采用透射式荧光芯片，激发光从透射式荧光芯片的一面入射，受激光从透射式荧光芯片的另一侧出射，此时，可以省略二向色片与波片的使用。
34.可以理解，除红、绿、蓝激光外，还可以是其他合适光源，例如，紫外(uv)光源。
35.请参阅图5所示，为本发明第二种实施方式中利用uv光源的成像部的后部分光路示意图。所述成像部后部分光路图示出了二向色片31与荧光芯片32，所述二向色片31同时面向uv光入射方向及荧光芯片32、且与uv光入射方向及荧光芯片32呈倾斜设置。所述二向色片31反射uv光，透射红、绿、蓝光。uv光源发出的uv光在经过光调制器调制成携带图像信息后，由二向色片31反射进入荧光芯片32，所述荧光芯片32上的红、绿、蓝子像素点r、g、b分别涂布红荧光材料、绿荧光材料及蓝荧光材料，在uv激发光的激发下，荧光芯片32上对应的红、绿、蓝子像素点r、g、b分别产生红、绿、蓝受激光，所述红、绿、蓝受激光由所述二向色片31透射，并通过投影镜头出射至屏幕从而形成一帧彩色图像。
36.在本发明实施方式中，所述控制器13可控制光源10出射的激发光强度及控制从光调制器11出射的激发光强度。仍以lcd光调制器11a为例，对应每一帧图像数据的每一个r、g、b图像信号值(即子像素值)，控制器13可控制lcd光调制器11a的信号值，从而控制从lcd光调制器11a出射的激发光强度。其中，对应每一帧图像的每一图像信号值，所述lcd信号值正比于加于lcd光调制器11a对应光阀上的电压值(或电流值等)。以下具体描述控制器13如何控制光源10与lcd光调制器11a。
37.所述lcd信号值由控制器13根据图像信号值与荧光芯片12a上涂布的具体荧光材料(如黄、绿、红、蓝荧光材料)或散射材料的响应曲线来确定。针对不同的荧光材料与散射材料，其对不同激发光的响应曲线受其热饱和与光饱和等因素的影响，请参阅图6与图7所示，分别为红、绿、蓝荧光材料或散射材料对激发光分别为蓝激光与uv光的响应曲线图。其中线x与x1分别代表蓝散射材料与蓝荧光材料的响应曲线，y与y1代表绿荧光材料的响应曲线，z与z1代表红荧光材料的响应曲线，可以看出，在同样的激发光强度下，对应的红、绿、蓝荧光材料或散射材料产生的受激光强度不同，从而导致出射的图像亮度值亦会不同，另外，在不同的激发光的激发下，采用荧光材料与采用散射材料的响应曲线亦不同，如图6为采用蓝激光为激发光保偏散射粉的响应曲线大致呈线性递增，而图7中采用uv光激发蓝色荧光材料，蓝色荧光材料产生热量，因此蓝色荧光材料的相应曲线呈饱和的趋势、非线性递增。
38.在一种实施方式中，可将对应的荧光材料/散射材料的响应曲线数据存入控制器13或控制器13可获取的其他装置内，将涉及lcd信号值与图像信号值以及荧光材料/散射材料的响应曲线参数相关的公式亦存入控制器13或控制器13可获取的其他装置内，从而在针对不同的r、g、b图像信号值时，可以由控制器13计算获得相应的红、绿、蓝子像素点的lcd信号值，控制lcd光调制器11a出射的激发光强度。例如，针对具体的r图像信号值时，可以由控制器13根据红色荧光材料的相应曲线参数与该具体的r图像信号值计算获得相应的红子像素点的lcd信号值；针对具体的g图像信号值时，可以由控制器13根据绿色荧光材料的相应曲线参数与该具体的g图像信号值计算获得相应的绿子像素点的lcd信号值；以此类推，可获得所需要的lcd信号值。
39.在本发明实施方式中，所述控制器13对光源10出射的激发光强度的控制根据如下公式进行：i＝i
max
*(a’ b’ c’)/(a b c)，其中i代表控制器13对光源10进行控制后光源出
射的激发光强度，i
max
代表光源可出射的激发光最大强度，a’、a分别表示一帧图像中所有红子像素点中最大像素值对应的红子像素点的lcd信号值、红子像素点的lcd最大信号值，b’、b分别表示一帧图像中所有绿子像素点中最大像素值对应的绿子像素点的lcd信号值、绿子像素点的lcd最大信号值，c’与c分别表示一帧图像中所有蓝子像素点中最大像素值对应的蓝子像素点的lcd信号值、蓝子像素点的lcd最大信号值。在对一帧图像进行显示时，由于光源出射的激发光强度已根据上述公式调整得到，各个子像素点所需要信号值再根据图像信号值去控制lcd光调制器11a对应该子像素点的光阀的阀值，使得各个子像素点的激发光强度与需要显示的光强一致。例如，当该帧图像中某一个红子像素点显示的是该帧图像中红子像素点的最大值，此时该红子像素点对应的信号值为a’，lcd光调制器11a将对应该红子像素点的光阀的阀值调到最大，如此能使lcd光调制器11a对应该红子像素点处的激发光全部透过；当该帧图像中某些红子像素点显示的是该帧图像中红子像素点的非最大值，此时该些红子像素点对应的信号值比a’小，lcd光调制器11a对应该些红子像素点的光阀的阀值根据相应的图像信号值按比例进行控制，如此使lcd光调制器11a对应该些红子像素点处的激发光按相应比例通过，而非全部通过。
40.以白光像素点r、g、b值均为255为例，若控制器13计算获得的lcd信号值对应r、g、b子像素分别为400、768、500，lcd对应红、绿、蓝子像素点的最大信号值均为768，则光源出射的激发光强度可调至其最大值i
max
的(400 768 500)/(768*3)＝73％。再以白光像素点r、g、b值均为20为例，针对同一激发光强度控制系统，若控制器13计算获得的lcd信号值对应红、绿、蓝子像素点分别为30、50、30，则光源出射的激发光强度可调至其最大值i
max
的(30 50 30)/(768*3)＝5％。
41.需说明的是，针对任一帧图像的红、绿、蓝子像素点，以上实施方式中介绍的对光源10与lcd光调制器11a的控制方式同时适用于时序出光与非时序出光两种方案。
42.参阅图8所示，为本发明一实施方式中的激发光强度控制方法的流程图。所述方法可结合上述介绍的激发光强度控制系统1进行，包括如下步骤：
43.步骤s801，控制器13根据每一帧图像的图像信号值(即子像素值)以及特定荧光材料的响应曲线参数，计算获得光调制器11的信号值；
44.步骤s802，控制器13根据计算获得的光调制器11的信号值与光调制器11的最大信号值的比值计算光源10所需出射的激发光强度；
45.步骤s803，控制器13根据计算获得的激发光强度发送信号至光源10，以控制光源出射所需的激发光强度；
46.步骤s804，控制器13根据计算获得的光调制器11的信号值发送信号至光调制器11，以调节光调制器11上出射的激发光强度。
47.在上述步骤s802中，所述光源10所需出射的激发光强度根据如下公式：i＝i
max
*(a’ b’ c’)/(a b c)计算获得，其中i代表控制器13对光源10进行控制后光源出射的激发光强度，i
max
代表光源可出射的激发光最大强度，a’、a分别表示一帧图像中所有红子像素点中最大像素值对应的红子像素点的lcd信号值、红子像素点的lcd最大信号值，b’、b分别表示一帧图像中所有绿子像素点中最大像素值对应的绿子像素点的lcd信号值、绿子像素点的lcd最大信号值，c’与c分别表示一帧图像中所有蓝子像素点中最大像素值对应的蓝子像素点的lcd信号值、蓝子像素点的lcd最大信号值。
48.在一实施方式中，所述方法还可以包括：在所述光源10处控制所述光源10出射所需的激发光强度；以及在所述光调制器11处控制所述光调制器11出射的激发光强度。
49.在一实施方式中，所述方法还可以包括：将所述光调制器出射的激发光分成两路；将其中一路通过一光回收系统重新耦合入射至所述光调制器；以及将另一路入射至所述色彩转换元件以激发所述色彩转换元件产生多色受激光。综上所述，本发明实施例提供的激发光强度控制系统及投影系统，由于设置了光回收系统，对激发光进行回收再利用，提高了激发光的回收利用率，另一方面，在激发光回收再利用的基础上，本发明实施例还通过特定方式对光调制器及/或光源出射的激发光强度进行控制，不仅保证了出射至屏幕的图像不失真，且由于降低了光源的强度，进一步降低了能耗，提高了光能利用率。
50.以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。