激光與LED混合投影光源色度學(xué)特性分析

呂偉振，劉偉奇，張大亮

（1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

1 引 言

近年來，大畫面投影顯示技術(shù)在各方面都趨于成熟化，LCD、DLP和LCoS等家用型投影投影電視逐漸滲入到家庭領(lǐng)域。但在這些大畫面投影機(jī)中，無論系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，光源照明系統(tǒng)是整個(gè)投影顯示光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提，很大程度上決定了投影畫面的亮度和色度學(xué)特性。現(xiàn)如今的超高壓水銀弧光燈（UHP）等傳統(tǒng)光源受制于發(fā)熱量高、壽命短、體積大等條件的限制，嚴(yán)重制約著投影顯示技術(shù)的發(fā)展。LED光源在很大程度上突破了低流明顯示的瓶頸，但不可否認(rèn)的是，其亮度依然只滿足小空間使用，場景使用非常有限。也正是如此，集合LED及激光光源的混合光源技術(shù)的開始出現(xiàn)，兩者的完美結(jié)合很好地解決了投影機(jī)亮度不足致命性問題。激光和LED作為投影光源，解決了在使用傳統(tǒng)光源時(shí)遇到的束縛，為投影光源技術(shù)的發(fā)展開辟了新的道路。然而在使用LED和激光這一新型混合投影光源時(shí)不僅要考慮投影畫面的輸出光通量，其顯示顏色的豐富程度和色彩還原能力的準(zhǔn)確程度也是衡量投影顯示技術(shù)指標(biāo)之一。因此，本文采用卡西歐XJH175投影機(jī)光源對(duì)色度學(xué)特性進(jìn)行研究，并與傳統(tǒng)超高壓水銀弧光燈投影光源進(jìn)行比較和分析。

2 色度學(xué)理論基礎(chǔ)

通常情況下，投影光源發(fā)出的是幾種單色光混合而成的“復(fù)色光”，不同波長的光可以引起不同的顏色感覺，如0.47μm的短波光能夠產(chǎn)生藍(lán)色感覺，而0.70μm的長波光能夠產(chǎn)生紅色感覺，通過各種不同比例的波長混合再加上不同光源的色溫，使得光源可以呈現(xiàn)不同的顏色，從而使我們的生活變得更加五彩斑斕。為了能夠說明投影光源的色度學(xué)特性并定量標(biāo)定各種顏色，需要用數(shù)學(xué)方法來計(jì)算各種顏色的混合結(jié)果，從而測(cè)定光源顏色顯示的覆蓋范圍。在實(shí)際應(yīng)用中，光源都是帶有一定波譜范圍的，不可能都用單色的三基色來配出各種彩色，這需要重新定義光譜的三刺激值［1－3］。根據(jù)色度學(xué)公式，紅綠藍(lán)三基色的色量計(jì)算公式為：

其中：P（λ）為非單色基色光輻射功率按波長的分布函數(shù)，r－（λ）、g－（λ）、b－（λ）為三基色的分布系數(shù)，R、G、B為光譜三刺激值。

對(duì)應(yīng)一組的三原色就可以求得相應(yīng)的光譜三刺激值。由于三原色的選取并不是唯一的，不同的三原色，將構(gòu)成不同的色度學(xué)系統(tǒng)。為了能夠在同一色品圖中觀察不同光源的色度學(xué)特性，通過不同色度系統(tǒng)之間的坐標(biāo)變換，可以將1931CIE－RGB系統(tǒng)的三刺激值轉(zhuǎn)化到1931CIEXYZ色度系統(tǒng)中，人為地選取3個(gè)自然界不存在的基色，（X）代表紅基色，（Y）代表綠基色，（Z）代表藍(lán)基色。這3種顏色是無法通過顏色匹配實(shí)驗(yàn)直接得到的，而是以1931CIE－RGB系統(tǒng)光譜色品坐標(biāo)值換算得到的，其換算矩陣方程為：

再仿照RGB系統(tǒng)的r、g、b可以得到：

顯然，有

這樣就把r－g色度圖轉(zhuǎn)換為x－y色度圖，利用色度學(xué)中的顏色疊加原理，可以得到混合白場時(shí)的色度坐標(biāo)。同時(shí)，當(dāng)黑體溫度升高時(shí)，其顏色變化時(shí)紅、黃、白、藍(lán)，在色度圖上形成一條普朗克弧形軌跡，也可以計(jì)算相應(yīng)的白場得到相關(guān)色溫。

通常，CIE規(guī)定系統(tǒng)用紅（R）：λ＝700nm，綠（G）：λ＝546.1nm，藍(lán)（B）：λ＝435.8nm三種光譜色為三原色，用此三原色來匹配同等能量下白光的三刺激值。由此構(gòu)成的色域覆蓋范圍為一條馬蹄形曲線，光譜色的飽和度是最高的，實(shí)際存在的顏色的色品點(diǎn)均在光譜色品軌跡所包圍的范圍之內(nèi)，沒有比光譜色飽和度更高的顏色。

3 投影光源

3.1 傳統(tǒng)投影光源

自20世紀(jì)90年代以來，超高壓水銀弧光燈（UHP）一直占據(jù)著絕對(duì)的統(tǒng)治地位。如圖1所示，它使用金屬鹵化物作為電極，燈泡內(nèi)充滿了高壓水銀蒸汽，電極間超高壓弧光可以產(chǎn)生約1mm大小的光源。光源產(chǎn)生白光經(jīng)過照明勻化系統(tǒng)后，均勻照射在由紅綠藍(lán)三色組成的色輪分光系統(tǒng)上，將光束分解成紅綠藍(lán)三種基色，然后對(duì)每一種基色分別進(jìn)行調(diào)制，再在空間上合成彩色圖像［4－6］。

圖1 超高壓水銀投影燈泡Fig.1 Ultra－h(huán)igh pressure mercury lamp

它的弧間距極短，可以看作是一個(gè)點(diǎn)光源，使得聚光系統(tǒng)如反光碗、聚光透鏡等更加容易設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更高的光能收集率，并且能夠激發(fā)出很高的可見光光譜能量，但UHP通常需要在點(diǎn)亮一段時(shí)間后才能穩(wěn)定工作，熄滅時(shí)也需要冷卻系統(tǒng)。隨著光束發(fā)散角的增大，橢球面反光碗口徑較大，導(dǎo)致光源體積也隨之增大，不利于光學(xué)引擎小型化、輕型化的發(fā)展，空間復(fù)雜的分色和合色系統(tǒng)使得光源能量有較大的損失。另外，光源壽命較短、污染環(huán)境也成為發(fā)展投影顯示技術(shù)亟待解決的問題。

3.2 激光與LED混合新型投影光源

隨著激光和LED半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，新型投影光源的產(chǎn)生解決了傳統(tǒng)光源發(fā)熱量高、壽命短、體積大的瓶頸，為投影顯示技術(shù)的發(fā)展開辟了新的道路，徹底告別了水銀光源時(shí)代。LED和激光單色性較好，由此發(fā)出的光集中在較小的波帶范圍內(nèi)，色彩純度高，不像超高壓水銀汞燈那樣擁有全光譜。在應(yīng)用于投影電源時(shí)，不需要通過色輪進(jìn)行分色，在一定程度上可以使減小了光源系統(tǒng)的體積，有效減少投影顯示設(shè)備的體積和重量，更加便于投影機(jī)的設(shè)計(jì)，使得小型輕型化投影產(chǎn)品的出現(xiàn)成為可能。另外，新型光源的發(fā)光指向性非常好，與傳統(tǒng)光源相比，亮度衰減程度非常緩慢。數(shù)據(jù)顯示，在持續(xù)發(fā)光2 000h后，亮度衰退率不超過5%。正是基于上述優(yōu)點(diǎn)，激光和LED投影光源技術(shù)逐漸應(yīng)用到投影顯示設(shè)備中。

投影顯示技術(shù)已進(jìn)入大尺寸、高清、數(shù)字化、大色域時(shí)代，LED和激光光源技術(shù)在色彩表現(xiàn)力和對(duì)比度方面都堪稱完美。但LED光源技術(shù)始終沒有突破高亮度顯示的瓶頸，只是在微型投影顯示光源技術(shù)中應(yīng)用比較廣泛，對(duì)于大屏幕高清投影顯示設(shè)備，LED因?yàn)榱炼忍蜎]有得到市場的廣泛認(rèn)可。而激光光源的亮度是普通光源亮度的1 000倍以上，成為目前世界上亮度最高的光源，色域覆蓋率可以得到人眼色域范圍的90%以上。許多商家一直都在開展高效率、小體積、高可靠、低成本、高功率激光光源模組的研制，實(shí)現(xiàn)光源一體化和小型化的研究。但直接使用激光作為投影光源時(shí)畫面產(chǎn)生散斑現(xiàn)象一直未能成功解決，只能通過工程漫射體等消干涉裝置進(jìn)行散斑抑制，使得激光投影光源技術(shù)未能在市場中得到廣泛的應(yīng)用。

伴隨著激光與LED光源相結(jié)合的照明光源的出現(xiàn)，既滿足了現(xiàn)行高亮度投影顯示的要求，又使得圖像顯示的色彩表現(xiàn)力更加豐富，色彩飽和程度更高，顯示的畫面看起來更加真實(shí)，更有層次感，很有必要從色度學(xué)方面對(duì)激光與LED相結(jié)合的照明光源的優(yōu)越性進(jìn)行分析［7］。

如圖2所示，LED與激光相結(jié)合的照明光源技術(shù)是由中心波長為630nm的高亮度紅色LED、中心波長為430nm高亮度藍(lán)色LED以及高功率的藍(lán)色激光器組成，通過最大限度的發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，使其在投影屏幕上能夠輸出高亮度投影畫面。因?yàn)長ED作為投影光源時(shí)，最大的缺點(diǎn)是亮度不夠，這是由LED本身的特點(diǎn)所決定的，藍(lán)色激光激發(fā)熒光粉的技術(shù)的加入主要是為了提升光源整體的亮度和飽和度。還有人眼對(duì)各個(gè)波長輻射的響應(yīng)程度是不等的，通過藍(lán)色激光器激發(fā)旋轉(zhuǎn)的綠色熒光粉，使高功率的激光轉(zhuǎn)變?yōu)闊晒夥郯l(fā)出波長為555nm的黃綠光對(duì)人眼的刺激最強(qiáng)。此光源能夠產(chǎn)生4000lm的高亮度光，在亮度方面毫不遜色于傳統(tǒng)光源，即使在寬闊明亮的室內(nèi)也能夠產(chǎn)生鮮艷明亮的畫面。它既解決了LED亮度偏低的問題，又消除了直接使用激光時(shí)畫面產(chǎn)生散斑的現(xiàn)象、還解決了熒光粉靜止時(shí)發(fā)光瞬間淬滅等一系列問題。目前，市面上僅有卡西歐、麗訊、明基等幾家品牌將此種光源技術(shù)應(yīng)用到投影顯示技術(shù)中［8］。

圖2 新型光源照明示意圖Fig.2 Schematic of new illumination lighting sources

4 色度學(xué)特性分析

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有Spectra Scan PR715型光度色度計(jì)，它不僅可以對(duì)光源進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定，自動(dòng)顯示被測(cè)光源顏色的色度坐標(biāo)，還能夠?qū)庠吹牧炼冗M(jìn)行測(cè)量，利用此儀器可以對(duì)不同的投影光源發(fā)出的光進(jìn)行色度分析，并通過色度轉(zhuǎn)換公式將不同光源放在同一色度學(xué)坐標(biāo)系中進(jìn)行比較［9－10］。如圖3所示，通過計(jì)算機(jī)對(duì)投影光源輸出的顏色進(jìn)行調(diào)制，分別對(duì)Benq 7763PA中傳統(tǒng)超高壓水銀汞燈和Casio XJ－H175中新型LED和激光混合投影光源進(jìn)行紅、綠、藍(lán)三基色的色度學(xué)坐標(biāo)的測(cè)定。

圖3 色坐標(biāo)測(cè)試裝置Fig.3 Test device of color coordinates

通過測(cè)定得到不同光源投影系統(tǒng)的色度坐標(biāo)如表1所示。

表1 不同投影光源的色度學(xué)特性Tab.1 Colorimetric properties of different projection sources

表1反映的是不同光源的色彩表現(xiàn)能力，可以很好地用來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的顏色還原能力。為了更好地對(duì)兩種投影光源的色度學(xué)特性進(jìn)行對(duì)比，將所測(cè)的數(shù)值在CIE1931色度圖中用色三角表示，比較結(jié)果如圖4所示，LED和激光混合投影方式的光源色度學(xué)顯示面積明顯大于傳統(tǒng)投影光源的三角形面積，這說明使用新型光源比傳統(tǒng)光源相比色彩表現(xiàn)能力強(qiáng)，其顏色飽和度更高高，能夠混合出更多的顏色。

圖4 兩種光源的色度學(xué)特性比較Fig.4 Comparison of colorimetric properties of two sources

5 結(jié) 論

作為一種新型投影光源，LED和激光都具有較窄的光譜范圍，單色性好，用于投影時(shí)會(huì)有較高的光譜能量利用率。通過兩種實(shí)例光源的對(duì)比和分析可知，新型光源在許多方面的優(yōu)勢(shì)明顯，不僅在亮度上實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)使用LED光源時(shí)無法達(dá)到高亮度投影的現(xiàn)實(shí)，并且與傳統(tǒng)光源相比具有更豐富的色彩表現(xiàn)能力。并且，LED和激光驅(qū)動(dòng)都比較簡單，光源功耗低，發(fā)熱量小，在很短時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到高亮度投影。隨著激光和LED混合光源技術(shù)的不斷發(fā)展，投影亮度將越來越高，成像畫面質(zhì)量會(huì)不斷提升，同時(shí)會(huì)欣賞到更加生動(dòng)地影像畫面。

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