1 引言

激光显示是以红绿蓝三基色激光器为光源的新型显示技术,由于激光器单色性特点,可真实再现客观世界丰富艳丽的色彩,可覆盖90%以上颜色,具有色域宽的显著特点^[1]。另外,激光显示还具有亮度高、寿命长、节能环保等优点。随着固体激光器和半导体激光器的发展,近十年来激光显示研究成为新型显示研究的热点。限于目前绿光、红光半导体激光器功率和成本等因素,市场上多为激光光源与LED混合显示产品、激光激发荧光粉等多种激光电视、激光投影产品。随着半导体激光技术的进一步发展,未来纯激光光源的显示产品必然成为主流^[2]。

白平衡在投影系统中非常重要,白平衡影响着色彩还原和色调处理等一系列问题^[3]。如白光源色彩成分发生改变,将改变屏幕上显示的物体的本身的颜色,形成色差,因此激光显示的白平衡特性直接影响用户观看效果。

传统光源的光谱成分是固定不变的,因此光源的色温无法改变。在显示设备中为达到不同的显示效果,只能修改光调制器的调制方式,但却以牺牲整机的效率为代价。另外,普通光源在使用一段时间后,由于光衰效应,其光谱成分会发生随机变化,而且光谱中不同色光发生色衰的时间周期因个体不同而均有差异。这会导致显示设备使用一段时间后出现色偏现象,虽然不影响使用,但是显示效果会大打折扣。

由红绿蓝三基色激光组成的激光白光光源,可以根据色度学计算在某色温时的红、绿、蓝三基色激光功率配比,白平衡就是调整好红、绿、蓝三基色激光的功率比例,使其混合成符合标准的白光。投影机不同的色度和色温可以构造不同颜色风格的显示图像,个人的爱好也不尽相同,因此也不可能规定统一的色坐标和色温;而且,不同地区的人对白色的感觉不一样,一般的显示都设有两种色温,暖色(6500 K)和冷色(9300 K);另外,不同环境光下用户对色温的生理和心理需求也不同。改变红绿蓝激光功率配比实现色温连续可调,可以提高显示的舒适度,实现个性化设置,全方位满足不同用户的各种需求,因此,研究激光白光光源的色温可调具有很重要的应用意义。近年来,Chellappan 等^[4]给出了不同红光波长时,6500 K色温所需的红、绿、蓝三基色激光的功率比。Wallhead等^[5]也报道了多组不同波长红绿蓝激光组合的功率比、亮度以及效率。另外,陈冬灵等^[6]对三基色光源连续色温调控方法进行了研究分析。闫斌等^[7]也对LED系统的色温和光通量可调进行了实验研究。

本文依据CIE1931标准色度系统,理论计算了不同色温的红绿蓝激光器功率配比。另外,在激光器的使用中,红、绿、蓝激光器都不可避免地存在着老化、温度变化等引起的功率波动,因而引起显示系统的亮度和白平衡发生改变。对功率变化、波长变化引起的亮度和色温变化也进行了分析,并通过实验得到不同功率配比下的实际色温值。

2 基本原理

根据色度学原理,当两种或以上已知亮度值和色品坐标的颜色相加混合后,其混合色的亮度和色品坐标可以根据格拉斯曼颜色混合定律和CIE1931标准色度系统得到^[8-9]。

颜色的色品坐标(x,y)及其亮度L与三刺激值(X,Y,Z)的关系为

X=xyLY=LZ=zy=1-x-yyL。(1)

已知红、绿、蓝激光器波长和亮度,红、绿、蓝三色的色品坐标分别为(x_R,y_R)、(x_G,y_G)、(x_B,y_B),相应的三刺激值分别为(X_R,Y_R,Z_R)、(X_G,Y_G,Z_G)、(X_B,Y_B,Z_B),则混合白光的三刺激值(X_W,Y_W,Z_W)应为

XW=XR+XG+XBYW=YR+YG+YBZW=ZR+ZG+ZB。(2)

白光的色品坐标(x_W,y_W)应为

xW=XWXW+YW+ZWyW=YWXW+YW+ZW。(3)

如果已知光源色温,则可知混合白光的色品坐标(x_W,y_W)^[8]。设红绿蓝三色的亮度比为L_R∶L_G∶L_B,联立(1)~(3)式可以得到红、绿、蓝三色的亮度为

LRLGLB=xRyRxGyGxByB1yR1yG1yB111-1xWyW1yWLW。(4)

亮度L又等于光谱光视效能K_m(683 lm·W^-1)、光谱刺激值Y和光功率P的乘积,即L=683×Y×P,因此可以得到某一色温白光下红绿蓝三基色激光器的功率配比。

3 计算结果与讨论

3.1 实现6500~9300 K色温连续可调

红光和蓝光激光选择常用的半导体激光器,波长分别为638 nm^[10]和445 nm^[11],绿色激光选择目前应用最广的532 nm固体激光器^[12]和520 nm半导体激光器 ^[13],各颜色的色品坐标(x,y)和光谱刺激值能够从CIE1931标准色度表中查到。

混合白光在色温6500 K和9300 K下对应的色坐标根据CIE1931色品图得知,分别为(0.3128,0.3292)和(0.2831,0.2971)。假设红、绿、蓝激光器的功率分别为M、N、Q,根据上节原理理论计算可得色温6500 K和9300 K时红、绿、蓝激光的功率,计算结果如表1所示。根据CIE1931标准色度系统计算,得到色温6500 K和9300 K时红、绿(532 nm)、蓝激光器的功率配比分别为0.456∶0.320∶0.224和0.395∶0.320∶0.285。

由于CIE1931标准色度系统适用于1°~4°的观察视场范围,激光投影显示应用更适合10°视场的CIE1964标准色度系统,因此,也计算了CIE1964标准色度系统下色温6500 K和9300 K时,红、绿(532 nm)、蓝激光器的功率配比分别是0.455∶0.309∶0.236和0.403∶0.323∶0.274。

在大视场角CIE1964标准色度系统下,以红、绿(532 nm)、蓝光激光显示光源为例,白光色温从6500 K调整到9300 K,如果亮度保持不变,则绿光几乎不变,红光功率降低11%,蓝光功率增加13%;如果蓝光功率维持不变,则需要下调红、绿光功率各21%,而总亮度会下降13%。

综上,色温调节的方法可以分为两种,一种是亮度保持不变,保持总功率不变,降低红光功率,提高蓝光功率;另一种是保持占比最小的蓝光功率不变,在增加色温的情况下,下调红、绿光功率,这时总亮度会下降。

3.2 改变绿光波长对色温和亮度影响

随着半导体激光器输出功率从50 mW增加到1 W^[13],绿光半导体激光器在激光显示中的应用越来越多。半导体激光器虽然具有可靠、温度带宽较宽等优点,但是与波长532 nm的固体倍频激光器相比,其输出波长在520~525 nm时,视见函数从0.90下降到0.76,即人眼视觉感受的亮度降低了15%。表1也列出了520 nm绿光的三基色激光光源不同色温下的功率配比。在CIE1964标准色度系统下,6500 K和9300 K色温时红、绿(520 nm)、蓝激光器的功率配比分别是0.481∶0.308∶0.211和0.424∶0.303∶0.273。以6500 K为例,相比532 nm绿光的三基色激光光源,计算结果显示,增加6.7%的红光功率和降低12.5%的蓝光功率时色温保持不变。

同时,在CIE1964标准色度系统下分析了波长变化对亮度的影响,表2和表3分别列出了1 W激光白光光源532 nm和520 nm绿光波长下对应的三基色激光光源亮度。可见,无论是532 nm还是520 nm绿光的三基色激光光源,色温在6500 K或9300 K时,亮度几乎相同。

但是,从532 nm固体激光器改为520 nm半导体激光器,色温6500 K下1 W白光对应的亮度由264 lm下降到236 lm,下降约10%;波长改变后如果保持亮度不变,6500 K色温下绿光和红光激光器的功率分别需要增加18%和11%;9300 K色温下则需要增加5%的红光功率,降低5%的绿光功率。

3.3 功率下降对色温的影响

基于1931标准色度系统,采用红(638 nm)、绿(532 nm)、蓝(445 nm)激光光源,分别模拟计算了6500 K和9300 K色温下,某一颜色光功率下降20%和40%后的色温,如表4所示。

在实际使用过程中红绿蓝激光光源存在着功率输出不稳定的问题,或者长期使用某一颜色的激光光源导致输出功率衰减,都会造成色温的偏移。因此,在激光投影系统中对三基色光源分别进行光功率监测,并根据监测结果找到合理的功率配比,重新调整激光光源到规定的色温范围内实现激光光源白平衡是十分必要的。在实际的激光投影系统中会放置备用的红绿蓝激光器,当光功率监测控制系统发现某一颜色功率下降时,启用备用激光器补充下降的光功率,实现白平衡。

4 实验和结果

对本课题组自行研制的激光投影用白光光源进行了色温和亮度的测试。激光显示光源三基色激光器分别是光纤耦合输出的638 nm半导体红光激光器、532 nm固体倍频绿光激光器、445 nm半导体蓝光激光器。通过集束光纤合束输出,经过积分棒等匀光器件后,激光白光照射到屏幕上,使用色彩照度计(CL-200A,Konica Minolta,日本)测试白光色温,实验装置如图1所示。测试在暗场下进行,环境光照度小于1 lx。通过调整激光驱动电流,调整激光功率配比,改变色温,根据CIE1931标准色度系统计算特定色温下的标准功率配比(参考表1),图2所示为标准功率配比下的理论色温值和采用色彩照度计测得的实验色温值。可以看出,与理论计算的结果相比,实验色温值偏低15%。实验值偏低的主要原因可能是实验装置中的光学积分棒的匀光效果不够好,导致红绿蓝三色光混合不均匀,没有达到理想白光的状态。虽然在实际测试中选择ANSI 9点测试平均值,但因为屏幕上中间色温偏低、边缘色温偏高导致测得的色温值偏低。因此,在实际的激光投影应用中,色温不仅要依靠理论的功率配比进行白平衡控制,还需要考虑投影系统中光源通过光学系统后得到的实际色温来进行白平衡控制。另外,激光投影系统的照明均匀性^[14-15]也是目前的研究热点,下一步工作将重点解决激光投影系统的照明均匀性。

图 1. 白光色温测试实验装置示意图

Fig. 1. Schematic of the white color temperature experiment

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图 2. 标准功率配比下理论色温值和实验色温值

Fig. 2. Theoretical and experimental results on standard power ratio

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5 结论

根据激光投影光源白平衡实时控制需求,对波长对色温和亮度的影响、功率下降对色温的影响以及不同色温对应的红绿蓝三基色功率比进行了详细分析。实验得到的色温结果相比理论值低15%,表明在实际工作中,激光白光光源需要与光机系统结合后再进行实时白平衡控制,为下一步实现激光投影显示白平衡自动控制提供了良好的基础。