led調(diào)制器的光源寬帶對顯示質(zhì)量及顏色復(fù)現(xiàn)能力的影響

led調(diào)制器的光源寬帶對顯示質(zhì)量及顏色復(fù)現(xiàn)能力的影響

1led光調(diào)制器的工作原理近年來，隨著投影技術(shù)的發(fā)展，一些新的投影技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來。例如，德州儀器公司的數(shù)字微鏡（畸變儀）和蘇州大學(xué)的dap（glv）提出的光學(xué)光度法。在此基礎(chǔ)上，蘇州大學(xué)基于波動原理提出的基于dmd和glv優(yōu)點的面向矩陣光調(diào)制器（glm）不僅得到了加工的簡單過程，而且解決了難以形成表面矩陣的缺點，具有良好的應(yīng)用前景。在對光柵光調(diào)制器的光源選擇上,由于器件是基于衍射原理設(shè)計,激光無疑是一種比較理想的光源,但是在涉及彩色顯示時,由于藍色激光相對較貴,成本較高,并且激光光源的體積較大,這將不利于光柵光調(diào)制器光學(xué)系統(tǒng)的低成本化與小型化。相比較而言,LED作為一種新型的半導(dǎo)體光源,不僅成本低,體積小,并且具有較純的紅、綠、藍三基色,其在投影顯示方面的地位越來越得到人們的重視。本文就從部分相干光理論和色度學(xué)理論出發(fā),討論將LED用作光柵光調(diào)制器照明光源時,光源相干性對顯示對比度和色彩顯示的影響。并進一步討論在三基色合成彩色顯示時,該影響可否通過改變?nèi)庠磾?shù)目之比進行協(xié)調(diào)。介紹了光柵光調(diào)制器的光學(xué)調(diào)制原理,并分析光源相干性對衍射光強分布的影響,進而得出光源帶寬對顯示對比度的影響;接著介紹了色度學(xué)的基本理論,并以歐司朗公司的LEATBA2A型RGB三基色LED光源為例分析該光源的色度學(xué)特性,計算不同三基色光源數(shù)目比例和不同光源帶寬下的色度學(xué)特性,得到這兩者對色彩顯示的影響,并進一步通過一般顯色指數(shù)分析帶寬和光源顯色性的關(guān)系;最后針對光柵光調(diào)制器這種特定的器件,在綜合考慮光學(xué)系統(tǒng)的尺寸及最終顯示效果時,確定合適的光源參數(shù),并對光學(xué)投影系統(tǒng)的設(shè)計做出一定的理論與實驗指導(dǎo)。2光學(xué)調(diào)制器的光學(xué)調(diào)制原理2.1加電壓過時,各相位差能圖1是加工得到的二維光柵光調(diào)制器陣列,其中單個器件主要包括一個上層的可動光柵面和下層的反射面。光射到調(diào)制器的上下表面被反射后,發(fā)生衍射。其中器件的上下反射面之間的光程差可以通過施加電壓加以改變,在未加電壓時,可動光柵面與下反射面之間的光程差為h1=kλ/2,相位差?1=2kπ,頻譜面上能量主要集中在0級,施加電壓后,支撐梁在靜電力作用下做垂直上下運動,帶動光柵面作相同運動,從而使上下反射面之間的光程差變?yōu)閔2=(2k+1)λ/4,相位差?2=(2k+1)π,頻譜面上能量主要集中在±1級。如果在頻譜面上放置一個空間濾波器,只讓0級光通過,則當h=kλ/2時,投影面上顯示為亮點,當h=(2k+1)λ/4時,投影面上顯示為暗點,從而實現(xiàn)明暗調(diào)制的效果,達到顯示的功效。2.2對顯示質(zhì)量的影響由于器件是基于衍射原理設(shè)計,因此光源的相干性成為其能否實現(xiàn)顯示的重要條件。根據(jù)部分相干光理論,LED光源尺寸會對頻譜面上的光強分布起到平滑展寬的作用,但只要頻譜面上各級衍射光場分布在空間上不發(fā)生重疊交錯,LED光源尺寸對像面上的顯示質(zhì)量不會有影響。但是從光譜分布來看,LED具有約30nm的光譜帶寬,當器件上下反射面之間的光程差為根據(jù)光源中心波長進行調(diào)制時,只要入射光波長偏離中心波長,就會由于器件在調(diào)制時不滿足該光波下的明暗態(tài)條件,從而使光強在亮態(tài)時不再高度集中于0級,在暗態(tài)時不再高度集中于±1級,造成顯示質(zhì)量的下降,最直接的影響就是導(dǎo)致顯示對比度的降低。根據(jù)顯示對比度的定義,分析光源帶寬對顯示對比度的影響,得到這兩者的關(guān)系如圖2所示。從圖2可見,隨著光源帶寬的增加,對比度迅速降低,當光源帶寬減小至光能的3dB區(qū)間,即10nm時,對比度大于225,可以滿足一般顯示的要求。同時,光源的光譜分布變化又會影響到像面的色彩顯示,接下來從色度學(xué)角度分析光源帶寬和三基色光源數(shù)目之比對色彩還原能力和色彩顯示效果的影響。3顏色分析3.1光譜三刺激值法根據(jù)色度學(xué)的基本理論,要分析三基色的色彩還原能力,首先要根據(jù)顏色的三刺激值計算三基色在色品圖上的色品坐標。其中三刺激值可以利用?????????????X=kΣλτ(λ)S(λ)xˉ(λ)Δλ,Y=kΣλτ(λ)S(λ)yˉ(λ)Δλ,Z=kΣλτ(λ)S(λ)zˉ(λ)Δλ,(1){X=kΣλτ(λ)S(λ)xˉ(λ)Δλ,Y=kΣλτ(λ)S(λ)yˉ(λ)Δλ,Ζ=kΣλτ(λ)S(λ)zˉ(λ)Δλ,(1)進行計算。式中k=100/Σλτ(λ)S(λ)yˉ(λ)Δλk=100/Σλτ(λ)S(λ)yˉ(λ)Δλ為歸一化系數(shù),是將光源的Y值調(diào)整到100時求得的,S(λ)為光源的相對光譜功率分布,τ(λ)為物體的光譜透射率,這兩個參數(shù)可以通過實際測量得到;xˉxˉ(λ),yˉyˉ(λ),zˉzˉ(λ)為CIE1931標準觀察者光譜三刺激值,Δλ為波長間隔。在求得光源顏色的三刺激值后,可以用下式計算出顏色在CIE1931色品圖中的色品坐標:?????????x=XX+Y+Z,y=YX+Y+Z,z=ZX+Y+Z.(2){x=XX+Y+Ζ,y=YX+Y+Ζ,z=ΖX+Y+Ζ.(2)根據(jù)三基色的三刺激值可以計算混合白場的色度坐標,從而可以進一步得到相應(yīng)的白場相關(guān)色溫。根據(jù)白場的相關(guān)色溫確定標準照明體的光譜分布,并通過計算在LED光源和標準照明體照明下的八種樣品色顯現(xiàn)的色差得到光源的一般顯色指數(shù),并對光源的顯色性作出評價。3.2濾波范圍對紅綠藍協(xié)同膠凝劑色顯示的影響在采用LED作為投影光源時,不同型號的LED對光柵光調(diào)制器照明系統(tǒng)的設(shè)計要求不同,這里采用的是歐司朗公司生產(chǎn)的LEATBA2A型大功率LED。該型號的LED將紅綠藍三色芯片集成在一起,每種顏色的芯片可以單獨驅(qū)動,因此在照明系統(tǒng)設(shè)計上無須采用額外的分色合色系統(tǒng),只需要對三基色的芯片分別進行時序控制,即可實現(xiàn)彩色顯示。其照明系統(tǒng)如圖3所示,系統(tǒng)中TIR(全內(nèi)反射)透鏡起到會聚光束并縮小聚光系統(tǒng)的作用,光棒起到光束整形并達到光能均勻化的目的,該棒設(shè)計成中空結(jié)構(gòu),內(nèi)表面所鍍反射膜能夠反射三基色光,在勻光棒的出射端設(shè)置一濾波片,以減小出射光的光譜寬度,以此達到提高對比度的要求。LED的相對光譜功率分布S(λ)如圖4實線所示,為了分析不同帶寬對色彩顯示的影響,通過濾色片的濾波范圍來設(shè)定光譜透射率函數(shù)τ(λ),利用現(xiàn)有鍍膜工藝,該濾色片表面鍍膜的加工難度應(yīng)該不大,圖4虛線為將三基色光源光譜帶寬都減小至10nm時的濾色片的透射率函數(shù)曲線,其他帶寬下濾色片的透射率函數(shù)曲線與之類似,都是以中心波長為中心根據(jù)濾波范圍進行擴展。計算中按額定功率點亮紅綠藍LED光源各一個,將三基色S(λ)和不同濾波要求下的τ(λ)代入(1)式,根據(jù)(1)式和(2)式可得到相應(yīng)濾波范圍下的三基色色品坐標,在色品圖中得到相應(yīng)的色三角如圖5所示,圖中sRGB色三角是目前數(shù)字投影機使用的彩色顯示規(guī)范,其中星號位置是標準光源在色品圖中的白場坐標位置。從圖中可見,即使濾波范圍為120nm,幾乎為沒濾波的情況,該三基色所包圍的色三角的面積還是大于傳統(tǒng)光源的色三角,說明LED光源在色彩表現(xiàn)上比傳統(tǒng)光源具有更高的色彩飽和度。并且隨著濾波范圍的減小,由該三基色所包圍的色三角的面積逐漸增大,相應(yīng)地顏色還原能力也逐步增強,從而可以混合出更多的顏色,色彩表現(xiàn)將更加豐富,當濾波范圍選擇使帶寬減小至10nm時,此時,在顏色顯示上,三基色所包圍的色三角面積幾乎是傳統(tǒng)投影光源的色三角的兩倍,在彩色合成后將混合出更為豐富的色彩,能夠大大提升顯示的質(zhì)量。當紅綠藍三基色光源數(shù)目之比為1:1:1時,計算不同濾波范圍下混色白場坐標及相關(guān)色溫如表1所示,從表1可見,白場坐標在色品圖中的位置比標準光源偏向短波部分,并且濾波范圍越小,偏移越大。在該比例下合成的白光在顏色顯示上有點偏藍。當濾波范圍為10nm時,在色品圖中的白場坐標為(0.2498,0.2364),相關(guān)色溫為24865K,混色白光與用作彩色電視標準光源的D65白光源[(0.313,0.329),相關(guān)色溫6500K]的白光相差較大。由于光源帶寬的減小在保證高對比度和寬色彩還原范圍的同時,不可避免地造成色彩的失真,考慮到當紅綠藍三基色光源數(shù)目比不同時,在彩色顯示時體現(xiàn)出來的混色效果也可能不同,通過改變紅綠藍光源比例發(fā)現(xiàn),當該型號的紅綠藍三色光源的數(shù)目之比為1:2:1或1:1:2時,混色后的色品坐標更偏離標準光源白場區(qū)域,只有當該比例為2:1:1時,合成的白場在色品圖中的位置最接近標準光源的白場坐標,從表2可以看出該比例下不同濾波范圍下的白場坐標和相關(guān)色溫,盡管隨著濾波范圍的減小,白場坐標也向短波部分偏移,但總體看來,此時,該比例下三色混和后能顯示出中性白光,其顯示效果應(yīng)優(yōu)于其他比例下的顯示效果。并且當濾波范圍為10nm時,白場坐標為(0.331,0.3408),相關(guān)色溫為5560K,與標準D65光源接近。在選擇紅綠藍三色光源數(shù)目之比為2:1:1的情況下,根據(jù)表2得到的不同濾波范圍下光源的相關(guān)色溫結(jié)合標準照明體的光譜分布,分別對CIE用于顯示指數(shù)計算的8種色試樣計算顯色指數(shù),最終得到的光源的一般顯色指數(shù)與濾波范圍的關(guān)系如圖6所示,從圖中可見,隨著濾波范圍的增加,光源的一般顯色指數(shù)增大,顯色指數(shù)越大,說明光源的顯色性質(zhì)量越好。對于投影顯示的光源由于辨色要求較高,一般都要求其光源的顯色指數(shù)在80以上。隨著投影技術(shù)的發(fā)展,人們對色彩的要求進一步提高,盡管光柵光調(diào)制器的干涉原理要求光源需要有較窄的帶寬,但是光源的顯色性要求又限制了光源帶寬的進一步減小,因此,在采用LED作為光柵光調(diào)制器的投影光源時,從圖像顯示的對比度及色彩的飽和度和顯色性角度必須對濾波范圍有個折衷。4紅綠藍三基色水資源的數(shù)目比為了驗證不同紅綠藍三基色光源數(shù)目比例對混色效果的影響,在采用LEATBA2A型大功率LED作為投影光源時,用微型光譜儀采集了在額定功率下不同三基色光源數(shù)目比例下的混色光譜,圖7顯示了當紅綠藍三色光源數(shù)目比例分別為1:1:1,1:1:2,2:1:1及1:2:1時的光譜分布圖。通過對采集到的光譜數(shù)據(jù)進行計算分析,并取波長間隔Δλ為5nm,從而得到在不同混色比例下用于顯示的色品坐標及相應(yīng)色溫如表3所示。從實驗所得結(jié)果可見,當紅綠藍三基色光源數(shù)目比為1:1:2和1:2:1時,所得混色坐標嚴重偏移白場區(qū)域,且色溫較高。當該比例為1:1:1時,此狀態(tài)下的白場在CIE1931色度圖中的色度坐標為(0.2645,0.2786),相關(guān)色溫值為10423。從混色后LED的相對光譜分布及計算結(jié)果看,當藍綠光譜能量較強時,混色后光源的整體色溫就偏高,要想獲得較低色溫的白場平衡,必須減小藍綠光的相對強度,因此當把紅綠藍三基色光源數(shù)目比改為2:1:1時,獲得的白場坐標為(0.3395,0.3499),該比例下的相關(guān)色溫則為4806,此結(jié)果也與理論分析相吻合,從而也得到了一種保證LED光源在額定功率的情況下,通過改變光源數(shù)目之比獲得理想白場平衡的一種辦法。5紅綠藍兩基色其他光柵的用量對測定波長的影響通過分析光柵光調(diào)制器的光學(xué)調(diào)制原理,選擇具有一定相干性的LED光源,通過計算不同紅綠藍三基色光源數(shù)目之比和不同光源帶寬下LED光源的色度學(xué)特性,得出如下結(jié)論:1)用LED光源作為投影顯示的光源,光源帶寬對顯示質(zhì)量影響較大,從對比度角度看,當光源帶寬小于10nm時,對比度大于225,可以滿足一般顯示要求。2)由三基色LED光源在色品圖上的色三角面積明顯大于傳統(tǒng)光源的色三角面積,具有更豐富的色彩顯示能力。3)LED的光源帶寬對顏色復(fù)現(xiàn)能力影響較大,光源帶寬越小,三基色在色品圖中包圍的色三角面積越大,能夠還原的顏色越豐富,此外,混色后的白場坐標隨著帶寬的減小偏向短波部分,會造成混色白光在顯示上失真。4)不同三基色光源數(shù)目之比對色彩再現(xiàn)影響較大,當紅綠藍三基色光源數(shù)目之比為2:1:1時,混合后的色彩跟標準光源的色彩比較失真較小,主要體現(xiàn)在混色白場坐標與標準光源的白場坐標在色品圖中位置接近,并通過實驗加以驗證,獲得了一種由于帶寬的減小而造成色彩失真的補償辦法。5)在紅綠藍三基色光源數(shù)目之比為2:1:1時,從光源帶寬與光源的一般顯色指數(shù)的關(guān)系得出,隨著光源帶寬的減小,光源的一般顯色指數(shù)隨之下降,說明光源帶寬的減小不利于顏色呈現(xiàn)效果的提高,因此,在對LED光源進行濾波以提高對比度的同時必須考慮光源