CN101910937A - 激光投影***中的色彩和亮度补偿 - Google Patents

Abstract

提供了一种多色激光投影***，其包括多色激光源、激光投影光学器件、光强监测器以及投影控制器。该多色激光源被配置成产生频率经转换光束λ₁和固有频率光束λ₂等。该激光投影光学器件被配置成利用该频率经转换光束λ₁和固有频率激光束λ₂等产生扫描激光图像。该激光投影光学器件被配置成将频率经转换光束λ₁的一部分引导至光强监测器。该投影控制器被编程为因变于频率经转换光束λ₁的强度改变固有频率光束λ₂的强度。公开并要求保护其它实施例。

Description

激光投影***中的色彩和亮度补偿

优先权

本申请要求2007年11月26日提交的美国专利申请No.11/986,733的优先权，且基于其内容并通过引用将其内容整体结合于此。

背景

本发明涉及多色激光投影***，更具体地涉及其中激光源所产生的至少一个光束是频率经转换光束的激光投影***中的色彩校正和亮度平衡。作为示例而非限制，扫描激光投影***通常采用红色、绿色以及蓝色光束来产生扫描激光图像。红色和蓝色光束通常利用固有波长激光源来产生。相反，绿色光束通常通过将诸如分布式反馈(DFB)激光器、分布式布拉格反射镜(DBR)激光器、法布里-珀罗激光器、垂直腔面发射(VCSEL)激光器等等之类的红色或红外固有半导体激光器与诸如二次谐波发生(SHG)晶体之类的光波长转换器件组合而产生。

通过将例如1060nm的DBR或DFB激光器调谐至SHG晶体的光谱中心——这将波长转换成530nm，可将SHG晶体配置成产生基波激光信号的较高次谐波。然而，诸如MgO掺杂的周期性极化铌酸锂(PPLN)之类的SHG晶体的波长转换效率极大地依赖于激光二极管与SHG器件之间的波长匹配。PPLN SHG器件的带宽通常非常小——对于典型的PPLN SHG波长转换器件，半最大值全带宽(FWHM)波长转换带宽仅在0.16到0.2nm范围内，且主要取决于该晶体的长度。激光器腔中的模式跳变或不受控的大波长变化会导致半导体激光器的输出波长在工作期间移出该允许带宽。一旦半导体激光器波长偏移出PPLN SHG器件的最优转换波长，该转换器件在目标波长下的输出功率就降低。例如，在激光投影***中，模式跳变尤其是个问题，因为它们会产生功率的即时变化，这些即时变化容易被视为图像中的特定位置处的缺陷。这些可视缺陷通常呈现为图像上的有组织的、图案化的图像缺陷，因为所产生的图像就是激光器的不同区域的温度演变的标志。

简述

已知在开发用于激光投影***的半导体激光源时的与波长匹配和稳定化相关联的挑战的情况下，本发明人已经认识到用于其中光源所产生的至少一个光束是频率经转换光束的激光投影***中的色彩校正和亮度平衡的有利方案。

根据本发明的一个实施例，提供了一种多色激光投影***，其包括多色激光源、激光投影光学器件、光强监测器以及投影控制器。该多色激光源被配置成产生频率经转换光束λ₁和一个或多个固有频率光束λ₂、λ₃等。该激光投影光学器件被配置成利用该频率经转换光束λ₁和固有频率激光束λ₂、λ₃等产生扫描激光图像。该激光投影光学器件被配置成将频率经转换光束λ₁的一部分引导至光强监测器。投影控制器被编程为补偿频率经转换光束λ₁中出现的强度误差，以使

$\mathrm{\Δ}{I}_{{\mathrm{\λ}}_2}=f\left(\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_1\right)$

其中表示频率经转换光束λ₁中偏离基准数据强度信号的变化，

表示固有频率光束λ₂中偏离基准数据强度信号的变化，以及f是至少部分取决于投影仪设计的函数。

虽然主要在图像投影的背景下描述本发明的概念，但可构想的是，本发明的多个概念也可应用于其中激光波长的可重复波动会成为问题的任何激光器应用。

附图简述

本发明的特定实施例的以下详细描述可在结合以下附图阅读时被最好地理解，在附图中相同的结构使用相同的附图标记指示，而且在附图中：

图1是多色激光投影***的示图；

图2是需要色彩校正的扫描激光图像的示图；

图3是色彩经校正的扫描激光图像的示图；

图4是需要亮度平衡的扫描激光图像的示图；以及

图5是亮度经平衡的扫描激光图像的示图。

详细描述

首先参照图1，本发明的具体实施例可在多色激光投影***100的情境下进行描述，该***100包括多色激光源10、激光投影光学器件20、光强监测器30以及投影控制器40。如图1所示，该多色激光源可被配置成作为RGB扫描投影仪工作，其产生频率经转换光束λ₁(例如绿色激光束)以及一个或多个固有频率光束λ₂、λ₃(例如红色和蓝色激光束)。

激光投影光学器件20可包括多个光学元件，包括但不限于部分反射分束器22和扫描反射镜24。这些光学元件协作以利用频率经转换光束λ₁和固有频率激光束λ₂、λ₃在投影屏幕或像平面50上产生二维扫描激光图像。此外，根据所构想的用于监测频率经转换光束λ₁的强度的一种装置，部分反射分束器22被配置成部分滤波光束λ₁、λ₂、λ₃，并将频率经转换光束λ₁的一部分引导至光强监测器30。可构想多种替代配置可用于监测频率经转换光束λ₁的强度，而不背离本发明的范围。

光强监测器30被配置成产生表示频率经转换光束λ₁的强度变化的电信号或光信号。与光强监测器30连通的投影控制器40接收或取样频率经转换光束λ₁的被引导至光强监测器30的那部分，且被编程为补偿该频率经转换光束λ₁中出现的强度误差，以使

$\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_2=f\left(\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_1\right)$

$\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_3=g\left(\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_1\right)$

其中

表示频率经转换光束λ₁中偏离基准数据强度信号的变化，

表示固有频率光束λ₂中偏离基准数据强度信号的变化，表示附加固有频率光束λ₃中偏离基准数据强度信号的变化，以及f和g是至少部分取决于投影仪设计的函数。通常，

将表示所投影图像的各个像素的期望强度与实际强度之差，如监测到的强度信号所表示。

和

的值表示有意引入固有频率光束λ₂、λ₃的信号中的校正。

在本发明一实施例中，固有频率光束λ₂、λ₃相对于频率经转换光束λ₁被延时。例如，在激光扫描投影仪中，通过在投影屏幕上扫描与图像色彩对应的多个光斑来产生图像。由于光束之间存在小的角度失准，每种色彩在略为不同的时刻致力于该图像的各个像素。例如，三个光束λ₁、λ₂以及λ₃可被分开像平面50中的一条或两条线，且在沿这些线的方向上分开一个或两个像素。通过提供延伸超出像平面50的边缘小但足够距离的扫描反射镜24的扫描模式，每个光束在整个像平面50上扫描，但每种色彩在略为不同的时刻开始该帧，然后以同一顺序通过该帧。因此每个像素接收所有三个光束，但按照特定的时间顺序。施加至后两个光束的信号因此被延迟适当的时间量，以使该图像在每个像素处对准。通过安排光束的角度失准，以使频率经转换光束λ₁是进入每帧的第一光束——即每个像素中的第一色彩，可监测频率经转换光束λ₁的功率波动，并且事后可对其他色彩进行相应的校正。

应当注意，此处陈述的用于色彩校正和亮度平衡的方案在某种程度上比所陈述的相对一般方程更完善。例如，优选通过对图像的低和高空间频率成分部分进行不同类型的校正，以区分低和高空间频率成分图像。所构想的函数可包括使用低通或高通滤波函数，且可应用于倍频信号以达到最优校正。

为描述和限定本发明，注意，根据本发明的投影***不需要是三色投影***，并且例如它可仅采用固有频率光束λ₂、λ₃中的仅一个和频率经转换光束λ₁。作为另一替代方案，可构想可利用两个以上固有频率光束λ₂、λ₃以及一个以上频率经转换光束λ₁。还注意，“基准”数据强度信号是表示对于要投影的特定波长的图像数据中表示要投影的图像的强度成分的那部分。

对于三色投影***，函数f和g可以是等价函数，或可略有不同，这取决于影响所投影图像的观看或外观的各种内部和外部条件。在任一种情况下，f和g应被选择成校正色彩变化或平衡所投影图像上的亮度。例如，需要色彩校正的扫描激光图像在图2中示出，其中各个RGB强度值作为坐标(r，g，b)给出，且表示红色、绿色以及蓝色激光束各自相对于针对各个色彩的基准数据强度信号的强度。在所示图像中，绿色强度在该图像上以约+/-5％的余量变化，从而产生看起来太绿(0，5，0)或太紫(0，-5，0)的容易识别的带。虽然图2的色彩变化以分立的带表示，但典型情况实际上将包括绿光强从基准数据强度变化±5％的渐变色彩梯度。其结果是清晰可见的图像缺陷，其中从绿色到紫色的色彩变化清楚明显，因为人眼对较大表面积上的色彩变化非常敏感。

现参照图3，示出了经色彩校正图像，其中投影控制器40被编程为：通过利用色彩校正函数f和g补偿频率经转换光束λ₁中出现的强度误差来执行色彩校正例程，以使

$\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_2=f\left(\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_1\right)$

以及

$\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_3=g\left(\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_1\right).$

例如，函数f和g可被选择成使参照图2所描述的绿光功率的5％波动之后是红光和蓝光功率的相应5％波动，从而在该图像上创建恒定色彩。函数f和g是具有被选择成校正扫描激光图像中的明显可见色彩成分变化的值的色彩校正函数。在典型的激光扫描投影仪中，通过在色彩之间引入延时且通过监测绿光功率与时间的关系，能容易地实现此类校正。函数f和g的形式通常主要受投影仪的工作特性影响。通常，当修改频率经转换光束λ₁中的倍频功率时，通过测量保持全局白色图像所需的固有频率光束λ₂、λ₃的变化多少，可建立或逼近这些函数。

图2示出了扫描激光图像中的明确可见的色彩成分变化，在图2中，频率经转换光束λ₁所产生的缺陷在所投影图像中引入低空间频率伪像。在未对其他色彩进行校正的情况下，对图像的影响是图像上色彩的低空间频率变化。该低空间频率变化产生通常极其明显的图像缺陷。作为示例，在诸如雪景之类的图像中，一些区域为白色而一些其他区域为较紫色或较青色会非常令人烦扰。如果其他色彩的强度被调节以确保校正色彩平衡，则伪像的结果是图像上灰度的变化。因为人类感知对低空间频率强度变化不是非常敏感，所以这些类型的缺陷要被检测会难得多。该人类感知特征对于低空间频率多数成立，上述校正通常应当应用于低空间频率图像。因此，可构想在利用上述公式之前，可对

应用低通滤波器

$\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_2=f\left(\mathrm{LP}\left(\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_1\right)\right)$

以及

$\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_3=g\left(\mathrm{LP}\left(\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_1\right)\right)$

其中LP代表低通滤波器。

虽然上述色彩校正例程可在多个实施例中执行，但可构想该投影控制器40可被编程为：当在扫描激光图像中相对较低空间频率图像数据相比于相对较高空间频率图像数据占优势时，就执行该色彩校正例程，如同与图2和3中示意性表示的风景相似的图像的情况。反之，参照图4和5，投影控制器40可被编程为：当相对较高空间频率图像数据占优势时执行亮度平衡例程，如具有大量文本的图像的情况。在亮度平衡例程下，利用亮度平衡函数h和i使固有频率光束λ₂、λ₃的强度与频率经转换光束λ₁的强度相反地变化，以使

$\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_2=h\left(\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_1\right)$

以及

$\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_3=i\left(\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_1\right)$

因为亮度平衡例程主要应用于具有高空间频率的图像，所以上述亮度平衡校正应当通常仅应用于高空间频率图像缺陷。因此，可构想在利用上述公式之前，可对

应用高通滤波器：

$\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_2=h\left(\mathrm{HP}\left(\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_1\right)\right)$

以及

$\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_3=i\left(\mathrm{HP}\left({I_{\mathrm{\λ}}}_1\right)\right)$

其中HP代表高通滤波器。

亮度平衡函数h和i具有被选择成使扫描激光图像中的明显可见亮度变化平衡的形式。以此方式，如图5所示，亮度平衡例程建立(r，g，b)坐标以通过帮助确保该图像上的平均亮度来增强该图像中小细节的可见性，这与未进行亮度平衡的图4中所示的相应(r，g，b)坐标形成对比。可构想，在图像具有相对较低色彩成分或校正色彩平衡不太重要的情况下，可优选执行亮度平衡例程。如上所述，函数h和i主要受投影仪的工作特性影响，且当修改频率经转换光束λ₁的强度时，通过测量其他色彩需要修改多少可校准函数h和i，以有助于确保全局强度保持恒定。

在具体化于特定投影中的图像数据的空间频率在相对较高和较低值之间变化时，可优选将控制器编程为基于扫描激光图像中图像数据的空间频率在执行色彩校正例程与亮度平衡例程之间切换。

不管采用哪种例程，因为每个例程基于所监测到的频率经转换光束λ₁的强度，所以通常必需将投影控制器40编程为在驻留于固有频率光束λ₂、λ₃中的图像数据与驻留于频率经转换光束λ₁中的图像数据之间提供延时Δt。该延时应当被设计成允许频率经转换光束λ₁中监测到的强度变化用于改变固有频率光束λ₂、λ₃的强度，而不破坏驻留于固有频率光束λ₁中和频率经转换光束λ₂、λ₃中的图像数据的同步。

为描述和限定本发明，注意本文中提到的变量是参数或另一变量的“函数”并不旨在表示该变量仅是所列举的参数或变量的函数。相反，本文所提到的作为所列举的参数的“函数”的变量旨在作为开放式的描述，以使该变量可以是单个参数或多个参数的函数。

此外，本文中对本发明的部件按照特定方式“被编程”、“被配置”或“被编程为”以特定方式实现具体性质或功能的陈述是相对于期望用途的陈述的结构陈述。更具体地，本文对部件“被编程”或“被配置”的方式的引用表示该部件的现有物理状态，因此，它应被理解为部件的结构特性的明确陈述。

注意，类似“优选”、“普遍”和“通常”之类的术语在本文中采用时不用于限制要求保护的本发明的范围或者暗示某些特征是关键性的、必要的、或甚至对要求保护的本发明的结构或功能而言重要。相反，这些术语仅仅旨在标识本发明的实施例的特定方面，或强调可用于也可不用于本发明的特定实施例的替代或附加特征。

为了描述和限定本发明，注意在本文中采用术语“约”来表示可归因于任何量化比较、值、测量、或其它表示的固有不确定程度。在本文中还采用术语“基本上”来表示量化表示不同于规定参考值但在此问题上不导致对象的基本功能改变的程度。

已详细地并参照其具体实施例描述了本发明，显然在不背离所附权利要求书中所限定的本发明的范围的情况下多种修改和变化是可能的。更具体地，虽然本发明的某些方面在此可被标识为优选的或特别有优势的，但应构想到本发明不一定限于本发明的这些优选方面。

注意，所附权利要求中的一项或多项使用术语“其中”作为过渡短语。出于限定本发明的目的，应注意该术语作为开放式的过渡短语被引入所附权利要求，其用于引入该结构的一系列特性的陈述，且应当按照与更常使用的开放式导言术语“包括”相似的方式进行解释。

Claims (16)

1.一种多色激光投影***，包括多色激光源、激光投影光学器件、光强监测器以及投影控制器，其特征在于：

所述多色激光源被配置成产生频率经转换光束λ₁和至少一个固有频率光束λ₂；

所述激光投影光学器件被配置成利用所述频率经转换光束λ₁和所述固有频率光束λ₂产生图像；

所述激光投影光学器件被配置成将所述频率经转换光束λ₁的一部分引导至所述光强监测器；

所述光强监测器和所述投影控制器被配置成产生表示所述频率经转换光束λ₁的强度误差的信号；以及

所述投影控制器被编程为对所述固有频率光束λ₂应用补偿信号，以补偿所述频率经转换光束λ₁中出现的所述强度误差。

2.如权利要求1所述的多色激光投影***，其特征在于：

所述投影控制器被编程为在驻留于所述固有频率光束λ₂与所述频率经转换光束λ₁中的图像数据之间提供延时Δt；以及

所述延时足以允许所述频率经转换光束λ₁中监测到的强度变化用来改变所述固有频率光束λ₂的强度，而不破坏驻留于所述固有频率光束λ₂和所述频率经转换光束λ₁中的所述图像数据的近似同步。

3.如权利要求1所述的多色激光投影***，其特征在于：

所述激光投影光学器件被配置成利用所述频率经转换光束λ₁和至少两个固有频率光束λ₂、λ₃产生扫描激光图像；

所述投影控制器被编程为在驻留于所述固有频率光束λ₂、λ₃与所述频率经转换光束λ₁中的图像数据之间提供延时Δt；以及

所述延时足以允许所述频率经转换光束λ₁中监测到的强度变化用来改变所述固有频率光束λ₂、λ₃的强度，而不破坏驻留于所述固有频率光束λ₂、λ₃和所述频率经转换光束λ₁中的所述图像数据的近似同步。

4.如权利要求1所述的多色激光投影***，其特征在于：

所述激光投影光学器件包括空间光调制器，且被配置成利用所述频率经转换光束λ₁和至少两个固有频率光束λ₂、λ₃根据图像序列产生激光图像；

所述投影控制器被编程为在驻留于所述固有频率光束λ₂、λ₃与所述频率经转换光束λ₁中的图像数据之间提供延时Δt；以及

所述延时足以允许所述频率经转换光束λ₁中监测到的强度变化用来逐帧补偿所述频率经转换光束λ₁中出现的强度误差，而不破坏驻留于所述固有频率光束λ₂、λ₃和所述频率经转换光束λ₁中的所述图像数据的近似同步。

5.如权利要求1所述的多色激光投影***，其特征在于：

所述投影控制器被编程为补偿在所述频率经转换光束λ₁中出现的所述强度误差，以使

$\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_2=f\left(\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_1\right)$

其中表示所述频率经转换光束λ₁中偏离基准数据强度信号的变化，

表示所述固有频率光束λ₂中偏离基准数据强度信号的变化，以及f是至少部分地取决于投影仪设计的函数。

6.如权利要求1所述的多色激光投影***，其特征在于：

所述投影控制器被编程为识别所投影图像中的低空间频率强度变化，并补偿在所述频率经转换光束λ₁中出现的所述强度误差，以使

$\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_2=f\left(\mathrm{LP}\left(\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_1\right)\right)$

其中LP表示低通滤波器，

表示所述频率经转换光束λ₁中偏离基准数据强度信号的变化，

表示所述固有频率光束λ₂中偏离基准数据强度信号的变化，以及f是至少部分地取决于投影仪设计的函数。

7.如权利要求1所述的多色激光投影***，其特征在于：

所述投影控制器被编程为识别所投影图像中的高空间频率强度变化，并补偿在所述频率经转换光束λ₁中出现的所述强度误差，以使

$\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_2=h\left(\mathrm{HP}\left(\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_1\right)\right)$

其中HP表示高通滤波器，

表示所述频率经转换光束λ₁中偏离基准数据强度信号的变化，

表示所述固有频率光束λ₂中偏离基准数据强度信号的变化，以及h是至少部分地取决于投影仪设计的函数。

8.如权利要求1所述的多色激光投影***，其特征在于：

所述多色激光源被配置成产生附加固有频率光束λ₃；

所述激光投影光学器件被配置成通过进一步利用所述附加固有频率激光束λ₃来产生所述扫描激光图像；以及

所述投影控制器被编程为补偿在所述频率经转换光束λ₁中出现的所述强度误差，以使

$\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_3=g\left(\mathrm{\Δ}{I_{\mathrm{\λ}}}_1\right).$

其中

表示所述附加固有频率光束λ₁中偏离基准数据强度信号的变化，以及g是至少部分地取决于投影仪设计的函数。

9.如权利要求1所述的多色激光投影***，其特征在于，所述投影控制器被编程为基于所述扫描激光图像中的图像数据的所述空间频率在色彩校正例程与亮度均衡例程的执行之间切换。

10.如权利要求1所述的多色激光投影***，其特征在于，所述投影控制器被编程为通过利用色彩校正函数f来补偿在所述频率经转换光束中出现的所述强度误差以使

以执行色彩校正例程。

11.如权利要求10所述的多色激光投影***，其特征在于，所述投影控制器被编程为：当在所述扫描激光图像中相对较低空间频率的图像数据相比于相对较高空间频率的图像数据占优势时，执行所述色彩校正例程。

12.如权利要求10所述的多色激光投影***，其特征在于，f是被选择成校正所述扫描激光图像中的明显可见的色彩成分变化的函数。

13.如权利要求1所述的多色激光投影***，其特征在于，所述投影控制器被编程为通过利用亮度平衡函数h来补偿在所述频率经转换光束λ₁中出现的所述强度误差以使以执行亮度平衡例程。

14.如权利要求13所述的多色激光投影***，其特征在于，所述投影控制器被编程为：当在所述扫描激光图像中相对较高空间频率的图像数据相比于相对较低空间频率的图像数据占优势时，执行所述亮度平衡例程。

15.如权利要求13所述的多色激光投影***，其特征在于，h是被选择成平衡所述扫描激光图像中的明显可见的亮度变化的函数。

16.一种多色激光投影***，包括多色激光源、激光投影光学器件、光强监测器以及投影控制器，其特征在于：

所述多色激光源被配置成产生频率经转换光束λ₁和至少两个固有频率光束λ₂、λ₃；

所述激光投影光学器件被配置成利用所述频率经转换光束λ₁和所述固有频率光束λ₂、λ₃产生图像；

所述激光投影光学器件被配置成利用所述频率经转换光束λ₁和至少两个固有频率光束λ₂、λ₃产生扫描激光图像；

所述激光投影光学器件被配置成将所述频率经转换光束λ₁的一部分引导至所述光强监测器；

所述光强监测器和所述投影控制器被配置成产生表示所述频率经转换光束λ₁的强度误差的信号；

所述投影控制器被编程为基于所述扫描激光图像中的图像数据的所述空间频率在色彩校正例程与亮度平衡例程的执行之间切换；

所述投影控制器被编程为通过对所述固有频率光束λ₂、λ₃应用补偿信号来补偿所述频率经转换光束λ₁中出现的所述强度误差以选择性地执行所述色彩校正例程和所述亮度平衡例程；

所述投影控制器被编程为在驻留于所述固有频率光束λ₂、λ₃与所述频率经转换光束λ₁中的图像数据之间提供延时Δt；

所述延时足以允许所述频率经转换光束λ₁中监测到的强度变化用来改变所述固有频率光束λ₂、λ₃的强度，而不破坏驻留于所述固有频率光束λ₂、λ₃和所述频率经转换光束λ₁中的所述图像数据的近似同步。

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