CN1860524A - 多基色显示***和使用多基色显示的方法 - Google Patents

多基色显示***和使用多基色显示的方法 Download PDF

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Abstract

一种彩色显示***和使用至少四种基色显示图像的方法，其中所述基色之一能够获得比其他三种基色大体上更高的亮度级。在使用六种基色的地方，可以在不同的基色单元之间有效地分离用于显示***的色饱和度要求和亮度要求。因此，仅使用能够同时提供高的色饱和度和亮度的材料就不再是一个严格的要求。因此，具有两组三基色的彩色显示***能够利用更宽范围的材料，同时能够获得更高的色饱和度和亮度级。

Description

多基色显示***和使用多基色显示的方法
本发明涉及彩色显示领域，更特别地，涉及一种彩色显示***，和使用多基色的彩色显示方法。
可以在三个基本参数方面限定色彩：色调、饱和度和亮度。现在参考熟知的牛顿色环进一步详细地说明这三个参数，如图1所示。
色调与光谱色的波长相关。术语“红色”和“蓝色”是主要描述的色调。适宜于围绕牛顿色环的圆周布置饱和色调，如图1所示。从红色开始，围绕圆环顺时针方向前进到蓝色，波长将从长变化到短。但是，图1示出不是所有的色调都能够由光谱色来表示，因为不存在单一波长的具有品红色调的光，其可以通过等量混合红色和蓝色形成。存在许多种不同的波长混合，它们能够形成相同感觉的色调。穿过圆环中心从黑色到灰色到白色的消色差线表示没有色调的光。
饱和度与色彩的纯度相关。图1中，色彩的饱和度表示为从中心轴向色环圆周定位色彩的径向距离。完全饱和的色彩是没有混合白色的色彩，其位于牛顿色环的圆周上。可以认为粉红色具有与红色相同的色调，但是其饱和度更小。这样，参考图1，可以沿与红色相同的径向线定位粉红色，但是它距离中心轴更近。仅由一种波长组成的光谱色是完全饱和的，但是它可能具有完全饱和的品红色，所述品红色不是光谱色。如下面更加详细描述的，由人眼量化的饱和度感觉必须考虑这样的事实，即会感觉某些光谱色比其他光谱色更加饱和。例如，会感觉单色红和紫比单色黄更加饱和。对于某些色调还存在可以在感觉上更多不同的饱和水平。
亮度可以限定为显示或多或少的光。在图1中，色彩的亮度表示成其相对垂直轴的位置。着色表面的亮度取决于照度和其反射率。具有不同光谱特性但是发出同样数量的流明的相同表面将被认为具有相同的亮度。如果一个表面发出更多的流明，其在对数关系上将被认为亮度更高，所述对数关系可产生大约1.5单位的亮度恒定增量，同时每一次都使亮度加倍。也就是说，如人眼所感知的，亮度与反射率成非线性比例。因此，在某些色彩测量***中使用从0到10的标度(scale)来表示感觉的亮度。
因此，可以看出两种不同的色彩可以具有同样的色调，但是不同的饱和度和/或亮度值。
考虑到上述问题，应该理解这里使用的术语色彩是色调、饱和度和亮度值的唯一组合。进一步地应该理解可以参考“CIE比色法”获得这些术语，所述参考由Commission Internationaled′Eclarirage(国际照明委员会)(CIE)(1986)的15.2期公开。另一篇说明这些术语的好的参考是“Measuring Colour”，由R.W.G.Hunt撰写，第二版(1991)。
图2说明了实际中人眼看到色彩的基本过程。使用来自光源的光照明对象，由对象反射的光谱光分布可以确定如人眼所感知的对象色彩。
图3示出了对象的色谱如何成为其反射率频谱功率分布和照明对象的光源光谱的函数。
图4示出了人眼100的多个单元。眼睛的视网膜105包括称为视网膜杆110和视网膜锥体120的多个感光细胞，其可将入射的光能转换成信号，所述信号由视神经150传递给大脑。在视网膜105的中间是称为小凹或中央凹160的微凹。所述小凹160是眼睛视力最敏锐的中心和最有色彩感觉的位置。一般来说眼睛包括120百万个视网膜杆110，每个视网膜杆的直径为大约0.002毫米，和6百万或7百万个视网膜锥体120，每个视网膜锥体的直径为大约0.006毫米。
在某些方面这种视网膜杆110的集合具有高速、黑膜和白膜(如Tri-X)的特性。视网膜杆110极其敏感，视网膜杆110在对于视网膜锥体120非常昏暗的光中也可以进行响应，但是它们不能够辨别色彩。此外，不能很好地限定由视网膜杆110传递到大脑的图像。也就是说，视网膜杆110对于检测较低强度级的光比视网膜锥体120更加灵敏，但是它不能区分色彩。视网膜杆110是夜晚的主要视觉源。
相反地，这些视网膜锥体的集合可以成像为单独、但重叠的、低速彩色影片。它们在亮光的条件下表现得很好，可以给出详细着色的视图，但是它们在低光水平下相当地不灵敏。也就是说，视网膜锥体120具有比视网膜杆110(其对总体光强度较不灵敏)更高的激活光阀值。
图5示出了视网膜105中视网膜杆110和视网膜锥体120随距离小凹160的角距而变化的密度曲线。
有三种不同类型的视网膜锥体120，每种视网膜锥体可以不同地处理不同的光谱色。通常这三种视网膜锥体120表示为蓝敏素、绿敏素和红敏素(erytholabes)。蓝敏素对蓝光最敏感，绿敏素对绿光最敏感，红敏素对红光最敏感。绿敏素和红敏素主要集中在眼睛的中央凹区域。蓝敏素主要集中在小凹外部。目前一致认为的是，基于测量的响应曲线，6,000,000或7,000,000个视网膜锥体120划分为：64％的红敏素、32％的绿敏素和2％的蓝敏素。
图6示出了三种视网膜锥体120(蓝敏素、绿敏素和红敏素)随波长而变化的灵敏度分布图。如图6所示：蓝敏素的峰值灵敏度是大约440-445纳米，绿敏素的峰值灵敏度是大约535-545纳米，红敏素的峰值灵敏度是大约575-580纳米。实际上，绿敏素和红敏素的峰值灵敏度都在色谱的带黄色部分(分别是黄绿色和黄橙色)。
在19世纪二十年代进行的色匹配研究表明，通过合成单色的基色即红(700纳米)、绿(546.1纳米)和蓝(435.8纳米)，可以匹配着色试样。利用一组三色匹配函数可以再现大量观察者的平均响应。一组通用的色匹配函数是CIE色匹配函数。图7示出了所述的CIE色匹配函数。
当将其以合适的组合添加在一起时能够形成白色的任何一组三种颜色可以称为“基色”。有用的是用一组基色如蓝、绿和红绘制色空间。如果单位量的B、G和R色可以产生白光，那么这三种颜色就能够用作单位矢量来限定色空间。
CIE色空间使用参数Y测量亮度，参数x和y确定在二维色品图上覆盖属性色调和饱和度的色品。图8示出了所述的CIE色空间。
如上所述，基于人眼具有三种不同类型的色彩敏感的视网膜锥体的事实，最好是根据三个“三基色激励值”来描绘眼睛的响应曲线，所述“三基色激励值”通常表示为X、Y和Z。通过色匹配函数，人们可以导出确定色品的三基色激励值。但是，当完成之后，发现可以根据两个色彩坐标x和y表示这些色彩。
图9示出了1931CIE标准色品图。该图表表示人的色彩感觉根据两个CIE参数x和y的绘图。该图表包括所有正常人眼可以感觉的色彩。如所示出的围绕“色空间”的边缘分布光谱色，其轮廓包括所有可感觉的色调，并提供一框架用于研究色彩。
一般地，现有的彩色显示***仅使用一组通常是红、绿和蓝的三基色来显示图像。现有的显示***合成了具有合适加权的三基色，从而产生所有各种待显示的色彩。
但是，仅仅通过合成三基色(例如RGB)，显示器不能显示全部范围的人的色彩感觉。在色品图上用连接三种色彩座标的三角形可以表示这些色彩，其中三角形内部表示为其色域，通过合成给定组的三基色(例如彩色显示屏幕的蓝、绿、和红)可以匹配所述色彩。
图10示出了在CIE色品图上绘出的欧洲广播联盟(EBU)RGB色域。正如从图10所看到的，正常人的视觉色域覆盖了整个CIE图表，而EBU RGB色彩标准的色域在CIE图表中形成了更受限制的三角形区域。在EBU标准中，三角形的三个角由如下的红(R)、蓝(B)和绿(G)色点限定：R＝{x＝0.640，y＝0.330}；G＝{x＝0.290，y＝0.600}；以及B＝{x＝0.150，y＝0.060}。
图10还示出了标准的D65白色点，其可通过以适当的比例混合EBU R、G和B色获得。
重要的是许多显示器都能够完全再现整个EBU色域，因此这是视频显示器广泛采用的标准。但是，还期望提供一种显示器，其不仅能够在EBU色域中再现所有色彩，而且能够以高的亮度级工作。
通过上面的论述，可以看出现有显示器中的三基色单元要求能够同时覆盖大的色域，和产生高的亮度级，在色空间中的某个色点处要求所述的高亮度级。
这些基本要求限制了可以用来制造显示装置的材料和元件的选择。例如，对于基于磷光体的显示***，必须选择能够提供饱和色以及能够处理高负荷以便产生期望亮度级的磷光体。由于高负荷和对长寿命的磷光体的期望，因此磷光体材料的选择相当有限。类似地，对于激光投影显示器，现有的三基色***要求高功率的激光器具有良好的色点和长的使用寿命。此时，就不能利用这种激光器。
为了满足这些需求，一些数字光处理(DLP)投影仪对三个标准的基色单元如红、绿和蓝上增加第四种白色单元。该白色单元在或非常接近***的期望白色点(例如D65，9200K等等)处具有色点。但是，这种方法不能扩展色域，或者允许高度饱和色的强度增大，所述饱和色远离白色点定位。
因此，期望的是一种彩色显示***和彩色显示方法，其能够同时满足色饱和度和亮度要求。还期望的是提供一种彩色显示***，其能够采用更宽范围的材料，包括更长寿命的材料。本发明的目的在于针对一个或多个前述问题。
在本发明的一个方面，彩色显示***包括多个象素，和用于控制多个象素以显示图像的装置。每个象素包括第一组三基色单元和第二组三基色单元。第一组的每个基色单元具有与第一组中任何一个其他基色单元不同的色彩，第二组的每个基色单元具有与第一组和第二组中任何一个其他基色单元不同的色彩。
在本发明的另一个方面，彩色显示***包括第一基色单元、第二基色单元、第三基色单元和第四基色单元。第一至第四基色单元每个都具有不同的色彩。第一至第三基色单元一起覆盖(span)第一色域。第四基色单元能够产生比第一至第三基色单元中之一大体上更高的亮度级，所述第一至第三基色单元中之一的色彩接近第四基色单元的色彩。
在本发明的又一个方面，一种显示图像的象素的方法，包括：提供第一基色单元、第二基色单元和第三基色单元，所述第一至第三基色单元具有彼此不同的三个相应色彩，所述第一至第三基色单元一起覆盖第一色域；提供第四基色单元，其具有与所述第一至第三基色单元中任何一个都不同的色彩，其中第四基色单元能够产生比第一至第三基色单元中之一大体上更高的亮度级，所述第一至第三基色单元中之一的色彩接近第四基色单元的色彩；以及成比例地合成第一至第四基色单元产生的色彩以产生期望的象素色彩。
通过下面的描述进一步的和其他方面将变得显而易见。
图1示出了牛顿色环；
-图2示出了实际上人眼看到色彩的基本过程；
图3示出了对象的色谱如何成为其反射率频谱功率分布和照明对象的光源光谱的函数；
图4示出了人眼100的多个单元；
图5示出了作为距离小凹的角距的函数的视网膜中视网膜杆和视网膜锥体的密度曲线；
图6示出了作为波长的函数的蓝敏素、绿敏素和红敏素的灵敏度分布图；
图7示出了CIE色匹配函数；
图8示出了CIE色空间；
图9示出了1931CIE标准色品图；
图10示出了由使用一组三基色的彩色显示***再现的色域；
图11示出了由使用两组不同的三基色的彩色显示***再现的色域；
图12示出了使用六种基色的彩色显示装置的第一实施例；
图13示出了使用六种基色的彩色显示装置的第二实施例；
图14示出了使用六种基色的彩色显示装置的第三实施例；
图15示出了使用四种基色的本发明的实施例。
图11示出了由使用两组不同的三基色的彩色显示***在1931CIE标准色品图上再现的色域。
标记为1110、1112和1114(例如R1、G1和B1)的第一组基色相对接近1931CIE标准色品图的所在地(locus)定位。所述第一组基色1110、1112和1114能够覆盖该色空间内的大的面积，并且能够产生非常饱和的色彩。所述第一组基色1110、1112和1114限定了第一色域。
同时，标记为1120、1122和1124(例如R2、G2和B2)的第二组基色位于第一色域内部。所述第二组基色1120、1122和1124限定了第二色域。有利地，第二色域完全位于第一色域内部。一般地，第二组基色1120、1122和1124的饱和度都比第一组基色小。但是，一般地，和第一组基色相比，第二组基色1120、1122和1124可以产生非常高的亮度级。
然后，实际上，彩色显示***能够使用相应于两组三基色的两组三基色单元。
在这种彩色显示***中，使用第二组色彩单元能够获得位于第二组基色1120、1122和1124的第二色域中的所有色彩。因此，能够获得如所期望的高亮度级。可任选地，可以通过混合所有六种基色来获得位于第二色域中的色彩。
同时，可以使用第一组基色单元产生在第二色域之外、但在第一组基色1110、1112和1114的第一色域内的所有色彩。
参考图11所示的这些原理可以用于制造彩色显示***，所述彩色显示***能够同时满足高的色饱和度和亮度要求。此外，因为使用六种色彩单元覆盖色彩的再现范围，代替在现有的彩色显示***中使用的三种色彩，所以能够有效地分离饱和度要求和亮度要求。对于高色饱和度，可以相对地最优化第一组三基色，而对于高亮度级，相对地最优化第二组三基色。因此，不再严格要求仅使用能够同时提供高色饱和度和亮度的材料。因此，具有两组基色的彩色显示***在选择材料方面具有更大的灵活性，并且能够采用更宽范围的材料。
图12示出了使用两组三基色单元的彩色显示装置的第一实施例。图12是激光显示***1200的方框图。在该显示***1200中，第一组三基色单元包括激光器1210、1220和1230，第二组三基色单元包括激光器1240、1250和1260。六个激光器1210-1260每个都输出光，所述光具有响应于来自视频控制器1270的信号的不同色彩。色彩合成装置1280将来自六个激光器的光合成以显示期望的图像。有利地，第一组激光器1210、1220和1230是相对低流明输出的激光器，而第二组激光器1240、1250和1260是能够提供高亮度级(例如R2、G2和B2)的高流明输出的激光器。当然，在使用六个激光器的彩色显示***中，所有的色彩都是饱和的。
图13示出了使用六种基色的彩色显示装置的第二实施例。彩色显示***1300是基于磷光体的彩色显示***。该显示***1300包括多个彩色象素，每个象素包括具有磷光体1310、1320和1330的第一组三基色单元，和具有磷光体1340、1350和1360的第二组三基色单元。六个磷光体1310-1360每个都输出光，所述光具有响应于一个或多个扫描信号的不同色彩。在一种变化中，扫描线是红外(IR)激光束，磷光体将IR光转换成所需的色彩。在第二种变化中，彩色显示***是阴极射线管(CRT)，扫描线是电子束。所述扫描信号由视频控制器1370控制。有利地，第一组磷光体1310、1320和1330是相对低亮度的磷光体，其可提供非常饱和的色彩(例如R1、G1和B1)。还有利的是，第二组磷光体1340、1350和1360是高强度的磷光体，其可输出具有高亮度级(例如R2、G2和B2)的较不饱和的色彩。
图14示出了使用六种基色的彩色显示装置的第三实施例。图14示出了彩色液晶显示(LCD)***1400，包括第一和第二基板1402、1408，所述第一和第二基板之间设置有液晶材料1405。该显示***1400还包括多个彩色象素，每个彩色象素包括具有滤色镜1410、1420和1430的第一组三基色单元，和具有滤色镜1440、1450和1460的第二组三基色单元。LCD***1400可以按各种形式具体化，包括无源矩阵、有源矩阵、薄膜晶体管(TFT)有源矩阵、透射模式、反射模式、半透射半反射模式等等。唯一的要求就是它可以使用滤色镜或其等同物来显示彩色图像。有利地，滤色镜可以布置在基板1402和1408之一或两者的上面。此外，滤色镜可以各种方式布置，包括条带、“棋盘”等等。六个滤色镜1410-1460每个都可以通过具有不同色彩的光。有利地，第一组滤色镜1410、1420和1430具有非常饱和的色彩(例如R1、G1和B1)。还有利地是，第二组滤色镜1440、1450和1460具有较不饱和的色彩，但是可以提供高的亮度级(例如R2、G2和B2)。典型地，每个彩色象素具有相应于六种基色的六个“子象素”。一个或多个行驱动器1470和列驱动器1480控制所述“子象素”，由此控制所述彩色象素，从而显示期望的图像。
当然，使用上述原理的其他实施例也是可能的，包括电致发光装置(ELD)、发光二极管(LED)显示器、LCD和硅上液晶(liquidcrystal on silicon)(LCOS)投影显示器、彩色等离子体显示器、基于激光(raser)显示器和多LED装置等等。
图15示出了由仅使用四种基色单元的实施例覆盖的色域。在该实例中，显示***具有相应于第一至第四色彩的基色单元，如图15所示。第一至第三基色1510、1512和1514覆盖第一色域。有利地，用能够产生高亮度值的基色单元形成第四基色1520，优选地该亮度值明显比第一至第三基色1510-1514中之一或全部的基色单元的亮度值更大。第四基色1520位于第一色域外部，由此扩展了由显示***再现的总色域。此外，第四基色1520具有与第一至第三基色之一如与第三基色1514相同的总色调。例如，第三和第四色彩单元可以产生大体上的蓝色。在这种情况下，第四基色1520的基色单元能够产生比第三基色1514的色彩单元明显更大的亮度值(更多的流明)。此外，将第一至第四色组合可以覆盖第二色域，所述第二色域包括在第一色域中不包含的色彩。
如以前，根据这些原理以四种色彩工作的彩色显示***包括CRT、LCD、ELD彩色等离子体显示器等等。现在在激光彩色投影显示***的范围中提供一个具体的实例。
这种***的蓝(B)通道包括两个激光器：(1)深蓝(453纳米)激光器，用于产生蓝饱和色，但是输出小量流明的光；和(2)高流明的蓝(473纳米)激光器，用于产生亮蓝色光作用。有利地，与制造453纳米的激光器相比，可以更加容易地制造473纳米的激光器，其具有更高的流明级和足够的使用寿命。
此外，这种***可能仅使用用于绿(G)通道的单一激光器，和用于红(R)通道的单一激光器，例如用于产生绿饱和色和亮绿色光作用的绿(532纳米)激光器，以及用于产生红饱和色和亮红色光作用的红(630纳米)激光器。在这种情况下，绿(G)激光器和红(R)激光器每个都需要单独地提供合成的色饱和度、亮度和使用寿命的要求。
此外，对于蓝(B)通道，使用453纳米的激光器产生期望色域(例如EBU色域)中高度饱和的蓝色，而当显示更亮的图像时，使用473纳米的激光器产生高流明的(亮)蓝光通量。也就是说，453纳米、532纳米和630纳米的激光器可以一起覆盖期望色域(例如EBU色域)，但是它们不能一起获得期望的亮度级。相反地，473纳米、532纳米和630纳米的激光器可以一起产生高的亮度级，但是它们不能一起覆盖所有的期望色域(例如EBU色域)。例如，473纳米、532纳米和630纳米的激光器不能够一起覆盖EBU色域中下部的左边区域。
这样，为了覆盖整个EBU标准色域以及获得高的亮度级，将453纳米的激光器和473纳米的激光器组合在一起在技术上是可行的技术方案，从而以较低的成本覆盖整个期望色域，和获得期望的亮度级。类似地，可以使用两个激光器产生绿(G)和/或红(R)通道。
上面实例的变型在这里公开的原理下都是可能的。例如，第一至第三色彩可以覆盖整个期望色域，而第四色彩可以位于第一色域内部，仅仅用于增大亮度。此外，在第一至第三色彩不能一起覆盖期望色域的情况下，另一种变化也是可能的，第四激光器不仅可以增大亮度级，而且可以提供缺少的色彩范围以便覆盖期望的色域。
尽管这里公开了优选的实施例，但是落在本发明的构思和范围中的许多变化都是可能的。因此除了随附的权利要求书的精神和范围之外本发明不受限制。

Claims (19)

1.一种彩色显示***，包括：
多个象素，其中每个象素包括：
第一组三基色单元，所述第一组的基色单元的每个具有与第一组中任何一个其他基色单元不同的色彩，和
第二组三基色单元，所述第二组的基色单元的每个具有与第一组和第二组中任何一个其他基色单元不同的色彩；以及
用于控制多个象素以显示图像的装置。
2.如权利要求1所述的彩色显示***，其中至少一个第二组的基色单元能够产生比至少一个第一组的基色单元大体上更高的亮度级。
3.如权利要求1所述的彩色显示***，其中至少一个第二组的基色单元能够产生比任何一个第一组的基色单元大体上更高的亮度级。
4.如权利要求1所述的彩色显示***，其中六个基色单元包括六个磷光体，每个所述磷光体包括至少一种在任何其他磷光体中不存在的材料。
5.如权利要求1所述的彩色显示***，其中控制多个象素以显示图像的装置包括扫描电子束。
6.如权利要求1所述的彩色显示***，其中六个基色单元包括六个滤色镜。
7.如权利要求6所述的彩色显示***，还包括：
第一基板；
第二基板；和
在第一基板和第二基板之间的液晶材料，
其中每个象素的六个滤色镜的每一个都布置在第一或第二基板上。
8.如权利要求7所述的彩色显示***，其中用于控制多个象素以显示图像的装置包括行驱动器和列驱动器。
9.如权利要求1所述的彩色显示***，其中第一组三基色单元的色彩的每一个比第二组三基色单元的色彩更接近1931 CIE标准色品图的所在地定位。
10.一种彩色显示***，包括：
第一基色单元、第二基色单元、第三基色单元，所述第一至第三基色单元具有彼此不同的三个相应色彩，其中所述第一至第三基色单元一起覆盖第一色域；和
第四基色单元，其具有与第一至第三基色单元中任何一个都不同的色彩，
其中第四基色具有色点，所述色点比***的白色色点更接近第一至第三基色单元中至少一个的色点，以及
其中第四基色单元能够产生比第一至第三基色单元中之一大体上更高的亮度级，所述第一至第三基色单元中之一的色彩最接近第四基色单元的色彩。
11.如权利要求10所述的彩色显示***，其中第四基色单元的色彩位于第一色域的外部，使得显示***能够显示图像，所述图像具有覆盖第二色域的色彩，所述色域比通过成比例地合成第一至第四基色单元的色彩而形成的第一色域更大。
12.如权利要求10所述的彩色显示***，其中所述第一、第二和第四基色单元一起覆盖第二色域，其中所述第二色域包括欧洲广播联盟(EBU)标准色域的第一部分，但不包括EBU标准色域的第二部分。
13.如权利要求13所述的彩色显示***，其中第一色域包括EBU标准色域。
14.一种显示图像的象素的方法，包括
提供第一基色单元、第二基色单元和第三基色单元，所述第一至第三基色单元具有彼此不同的三个相应色彩，所述第一至第三基色单元一起覆盖第一色域；
提供第四基色单元，其具有与所述第一至第三基色单元中任何一个都不同的色彩，其中第四基色单元具有色点，所述色点比***的白色色点更接近第一至第三基色单元中至少一个的色点，并且所述第四基色单元能够产生比第一至第三基色单元中之一大体上更高的亮度级，所述第一至第三基色单元中之一的色彩最接近第四基色单元的色彩；以及
成比例地合成由第一至第四基色单元产生的色彩以产生期望的象素色彩。
15.如权利要求15所述的方法，还包括提供第五和第六基色单元，它们具有与第一至第三基色单元中任何一个都不同的色彩。
16.如权利要求16所述的方法，其中第四至第六基色单元的色彩的每一个比第一至第三基色单元的色彩更接近1931 CIE标准色品图的所在地定位。
17.如权利要求15所述的方法，其中第四基色单元的色彩位于第一色域的外部。
18.如权利要求15所述的方法，其中提供第一至第四基色单元包括提供四个磷光体，每个所述磷光体包括至少一种在任何其他磷光体中不存在的材料。
19.如权利要求14所述的方法，其中提供第一至第四基色单元包括提供四个激光器。
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