专利名称：一种自动白平衡调控技术及相应的显示单元的制作方法
技术领域：
本发明属光学电子技术领域，确切的讲是用于背部投影电视、监视器及视频幕墙中的光强调控的一种光学电子系统。
电视机一般是孤立使用，白平衡的少量漂移及偏差不太会影响使用效果，而对电视幕墙则会有较大影响，当漂移积累到一定程度后，需用彩色分析仪(高精而昂贵)来校正。即不方便又无法保证效果的稳定。
本发明的目的就在于克服已有技术的不足之处，以一种完全自动化的方式来完成白平衡的调校，使维护非专业化，在保证测量的准确性的前提下尽可能的降低成本。
发明的特点兼顾成本及技术的双重因素，在背投箱体(或光机)内安装了光电传感器及相应的电路部分来完成调控。提出并采用了相对性系统校准方式、分色式白平衡调控方式、预定数值的目标调控方式及差动式背景环境光消除方式。
本发明的技术关键基本电路组成为由光电传感器、适配及数/模转换电路部分、数值比较及处理电路部分、执行电路部分、输入输出接口电路等部分组成，其基本工作流程为；由投影光机(如CRT/LCD/DLP/LCOS/LASER类光机)在接入测试信号后发出相应的红、兰、绿测试光信号，该光信号被置机内的光电传感器接收，光电传感器所产生的电信号经适配及模/数转换电路进行数模转换后的测量数值又在数值比较及处理电路中进行与预定数值的比较并输出调整指令(可通过IC总线指令机内相应电路进行白平衡调整)去控制执行电路来调整投影光机的三基色光输出的响应曲线，不断重复上述过程，直至测量数值与预定数值的误差达到允许的限度内；其根本的技术特征有以下几点；采用了相对性系统校准方式进行系统的校准、采用分色方式进行白平衡的调控、采用了预定数值作为目标数据来调控红、兰、绿光栅的关断点及激励曲线，采用差动数据处理方式来消除背景光对白平衡调控及对系统校准的影响。
本发明显示单元的技术关键为在机内及电路中安装并设有光电传感器(含电动及固定底座)、适配及数/模转换电路部分、数值比较及数据处理电路部分、输出输出接口电路部分、光机组件及用于安装上述组件的前屏构件及箱体；其基本工作过程如下由投影光机(如CRT/LCD/DLP/LCOS/LASER类)所发出的红、兰、绿测试光信号，被置于箱体内(透射或反射光阀(LCD/DLP/LCOS)与屏幕或CRT管的荧光屏的发光面与屏幕之间)光通路中的光电传感器接收，光电传感器所产生的电信号经适配及模/数转换电路进行数模转换后又在数值比较及处理电路中进行与预定数值比较并输出控制，此差值电量去控制执行电路来调整投影光机的三基色光的响应曲线(可通过IC总线指令机内相应电路进行白平衡调整)；然后再重新重复上述过程，直至测量数值与预定数值的误差达到允许的限度内；其特征就在于；光电传感器即可在机箱内屏幕附近的侧壁上也可安装在投影镜头的镜片上方，也可安装于投影光机上镜头组中的任意两镜片之间的空隙处或侧壁上，或是安装于投影光机内反射及透射光阀与镜头组之间的区域内；光电传感器即可以是固定安装的也可以通过电动基座来使其转动及平移；在工作方式上采用了相对系统校准方式进行系统的校准、采用分色或分时的方式进行白平衡的调控、采用了预定数值作为目标数据来调控红、兰、绿光栅的关断点及激励曲线，采用差动数据处理方式。
上述技术关键的细节可祥述为所述的相对系统校准方式是指用一组不同亮度的测试信号(可以是均匀亮场、灰阶等任何标准及非标准的信号)使光机(也叫光学引擎，投影系统产生投影光的组件部分)发光，并也要在差动数据处理方式来消除背景光的影响，用一个机外的光电传感器在屏幕的处侧表面(中心或其它位置)与机内的光电传感器同时进行测量并将两者(机内/机外传感器)的数据进行比较，改变不同的测试信号将得到不同的测试数据，以机外的光电传感器所测的数据为参照(拟定修正函数参看[图二]说明)，并在数值比较及处理电路中修正机内的光电传感器所测的数据，将得到一条与与机外光电传感器一致的响应曲线，所得的算法也就是修正函数，并将此修正函数储存于(数值比较及数据处理电路)中的程序存储器中，当在正常白平衡调校时，机外的光电传感器不被接入，只由机内的光电传感器进行光强的测试，该测试的数据要由上述程序存储器中的修正函数进行修正，该修正后的数据作为最终的测试数据，因为所有单元的校准都是用同一个机外的光电传感器(含独立的适配及数模转换电路)来完成，将获得良好的一致性。在以后的白平衡调控中将发生作用，该算法直到下一次系统校准时被修改。
以上所述的分色白平衡测控方式是指由投影光机即可分时也可同步发出的红、兰、绿测试光信号，分时发送时只需一个光电传感器，而同步发送时则需三个光电传感器来接收各自的红、兰、绿光信号，这样才总能达到分色的目的。当用一个光电传感器探头并放入光机内或镜头与屏幕之间的三色光的公共信道中时，光机只可同时发出一个颜色的光信号(依次轮流的测量红、兰、绿测试光信号)。当用一个复合光电传感器探头(含多个敏感于不同中心波长的光电传感器)放入上述公共信道中时(机箱内部屏幕附近的侧壁及LCD/DLP/LCOS光机的镜头组内及像素光阀与镜头组之间的R、G、B光的公共区域内)，光机可以同时发出复合颜色的光信号(此时增加了电路处理的复杂性但处理速度将加快)。也可以将三个光电传感器探头放在光机内红、兰、绿各自的光信道中(三片LCD/DLP/LCOS光机存在这样的信道，即红、兰、绿光阀器件与三色光合成之间的区域，对于CRT光机来说则是各自的镜头前方的近处、镜头组件中、镜头组件与滤光片之间的空腔中及滤光片与CRT管玻壳之间的冷媒之中)。
所述的预定数值调控方式是指一组与低亮度、中亮度、高亮度视频显示所对应的数值，该数值决定于系统本身，应在系统本身所能调控的范围内，对应于每一个给定的测试信号，调整光机的激励状态，使传感器所测得的数值与预先所测得的相应数值之差进入允许的范围内。另外；在作为电视墙使用时，预定数值可以是各单元对同一信号测量量的一种折中结果。当给各单元输入同一测试信号后，各单元内的光电传感器探头可能会测量出不同的数值，然后将各单元所测的数值进行交互通讯(每一个单元都将自身的数据传给其它所有单元，使每一单元都将拥所有单元的数据)，每一单园最终都将以同一算法获得预定数值该预定数值可取诸单元数值的最大(小)值、加权平均值或其它归算方法所得的数值，来调整全部光机的激励状态(响应曲线)。通过数字接口也可人为的改变白平衡预定数值。
所述的差动数据处理方式是指；在实际测量中光强的检测要消去背景光的引起的偏差，实际测量值应是有效的信号光强与背景光强之和，为消除背景光所引起的偏差，就要测量出背景光所引起的数值，因此需要将测试信号置于全黑场(信号电平处于黑电平以外的消隐区)；也就是光机处于截止状态。然后在截止/发光状态下不断切换，对于同一测试信号将得到两种数据截止状态下的数据及光机发光状态下的数据，关断状态的数据相当于环境背景光的单独影响量，改变不同的测试信号将得到不同的测试数据，而环境光的影响量是否变化则完全取决于环境。
所述的测试信号可以是均匀光栅或网纹状光栅或非均匀亮场光栅，设置网纹状光栅的原因是为了适应光电传感器的量程，这样一来在亮平衡调控时即能达到光机的高激励状态(高亮度)又不至于超出光电传感器的量程。
所述的电动底座中即可是电磁铁吸动装置也可以是控制马达(可以是步进电机)驱动装置，在白平衡或系统修正的调控过程完毕后，光电传感器探头被电动底座驱动移离光路信道。
本文中的光电传感器可以是半导体型的(光敏二极管)、光敏固体材料(光敏电阻)、光电池类材料(活泼金属)。
以下结合附图
就本发明的较佳实施例对本发明作进一步说明[图一]自动白平衡调控电路原理框图。相对系统校准方式流程框图[图三]差动数据处理及按预定数值调控方式流程框图[图四]一种带自动白平衡功能的CRT背投单元示意图。光电传感器在CRT光学镜头组件中的可能安装位置示图[图六]光电传感器在DLP光学引擎(光机)中的安装位置示图。一种实用系统校准回归曲线示意图。
如[图一]所示该电路需先经相对系统校准方式进行校准后才可使用。(1)为机内光电传感器，(2)为适配及模/数(A/D)转换电路，(3)为数字处理电路部分包括以CPU为核心的数值比较、运算处理电路及(控制量输出)电路、程序存储电路。(4)为输入输出接口电路。(5)为机内测试信号发生器，(6)为单元其它电路模块含图像处理、扫描、电源等电路，(10)为系统修正用光电传感器(自身的适配及模/数(A/D)转换电路为(9))。自动白平衡调控电路部分可直接接入背投机的I2C总线，所有电路部分都可以直接以数字方式与背投或电视墙单元电路的其它电路部分匹接，当单元进行白平衡的调控状态时，其具体的工作过程如下先由投影光机(11)(如CRT/LCD/DLP/LCOS/LASER类光机)在图像处理模块(6)接入测试信号(可由机内的信号发生器(5)生成也可以由机外信号源送入)后发出红、兰、绿测试光信号，为消除背景光的影响需采用差动数据处理方式(祥见[图三]说明)，该光信号被置机内的光电传感器(1)接收，再经适配及模/数转换电路(2)进行数模转换后的测量数值又在数字比较及处理处理电路(3)中进行与预定数值(参见[图三]说明)的比较运算并输出调整指令，该指令通过I2C总线指令机内的为图像处理模块(6)进行白平衡调整)去控制投影光机的三基色光输出的响应状态。上述过程需不断重复，直至测量数值与预定数值的误差达到允许的限度内。
如[图二]所示所述的相对系统校准方式是指对于每个单元，总要存在着不同的偏差，当用一组不同亮度的测试信号(可以是均匀亮场、灰阶等任何标准及非标准的信号)使光机(也叫光学引擎，投影系统产生投影光的组件部分)发光，不同的单元对同一测试信号将有不同的结果，需要对机内的白平衡检测系统的响应进行客观性标定，为做到这一点，需用一个机外的光电传感器从屏幕的处侧表面(中心或其它位置)与机内的光电传感器同时进行测量并将两者(机内/机外传感器)的数据进行比较(也需在差动数据处理方式下进行，以消除背景干扰光的影响，祥见[图三]说明)，改变不同的测试信号将得到不同的测试数据，以机外的光电传感器所测的数据为参照(拟定修正函数参看[图七]说明)，并在数值比较及处理电路中修正机内的光电传感器所测的数据，将得到一条与与机外光电传感器一致的响应曲线，所得的修正函数将保留在数值比较及处理电路的程序存储器中，在以后的白平衡调控中将发生作用，直到下一次系统校准时被修改。当在正常白平衡调校时，机外的光电传感器不被接入，只由机内的光电传感器进行光强的测试，该测试的数据要由上述程序存储器中的修正函数进行修正，该修正后的数据作为最终的测试数据，因为所有单元的校准都是用同一个机外的光电传感器(含独立的适配及数模转换电路)来完成，将获得良好的一致性如[图三]所示差值数据处理方式是指；在实际测量中光强的检测要消去背景光的引起的偏差，不管机箱内的光电传感器安装在什幺位置，机外的光线都有可能少量的进入机内，实际的测量结果应是有信号光强与背景光强之和，只要测量出背景光所引起的数值，就可以利用差值计算来消除背景光所引起的偏差。因此需要将测试信号置于全黑场(也叫黑场测试信号，信号电平处于黑电平以外的消隐区)，此时的光机也就处于关断状态，此时所测得的数值也就是背景光的数值。由于在白平衡调整过程中，背景光的强度可能会发生变化，这就需要在测试/关断状态下不断切换，跟踪背景光的变化。因而将得到两种数据测试状态下的数据及关断状态下的数据，改变不同的测试信号将得到不同的测试数据，而环境光的影响量可能不变，按预定数值调控方式是指，对应于一组低亮度、中亮度、高亮度视频信号所对应的数值，该数值决定于系统本身，应在系统本身所能调控的范围内，对应于每一个给定的测试信号，调整光机的激励状态，使传感器所测得的数值与预先所测得的相应数值之差进入允许的范围内。通过数字接口可改变白平衡预定数值。
在组合成视频幕墙状态时，给各单元输入同一测试信号，各显示单元内的光电传感器探头会测量各自的数值，然后将各单元所测的数值进行交互通讯(每一个单元都将自身的数据传给其它所有单元，可通过单元之间的串行数据通讯口来进行，此时需一台主控PC机或将其中一个单元的内部CPU作为主控来完成这一点，这样一来每个单元都将有所有单元的数据)，每一台单机都以同一算法处理这些数值，其算法可为取该数值序列的最大(小)值、加权平均值或其它归算方法所得的统一数值作为预定数值，来调整全部光机的激励状态(响应曲线)，使传感器所测得的数值与该最终数值之差进入允许的范围内。
如[图四]所示(21)为单元后箱体，(22)为单元前屏组件，(23)、(24)、(25)红、兰、绿CRT镜头组件，(26)、(27)、(28)为检测红、兰、绿光信号的光电传感器，(29)为机外系统校校时准用的光电传感器，(30)为数字通讯接口，(28)为带有电动基座的光电传感器，如果屏幕处光栅的尺寸大于前屏幕板的有效尺寸，且有足够大的余量(有足够大的面积照射到前屏构件内筒的侧壁上)时内部的光电传感器可以固定的安装在前屏内筒的侧壁上，而不需装有电动基座上，如图(28)所示。但更多的情况下则需装有电动基座。
如[图五]A常所示；是在前屏的幕板附近放置一个带有电动基座的光电传感器，此处为光的公共通道，用一个电动机来驱动的光电传感器的放出及收起，电动机(31)的轴与传感器(33)的杆(34)刚性相连，通过电动机的旋转可控制传感器移入及移出投影光线的有效区域。
如[图五]B常所示；是另一种实现形式；转轴(35)与传感器杆(34)刚性相连并可绕与基座固定的一个轴孔转动，电磁铁(32)吸动一个可直线滑动的铁体(38)，铁体中的滑柱(39)插入传感器杆(34)上的孔洞中，当电磁铁(32)通电后，在滑柱(39)的拉动下，可使传感器杆(34)上的光电传感器移离投影光通道。需要说明的是电动机也可以与行程开关相配合，而选择步进电机则最为简捷。
需要说明的是，[图五]A、[图五]B不会与(26)、(27)、(28)为检测红、兰、绿光信号的光电传感器同时使用。
如[图五]所示(41)为主成像透镜组(含3、4个镜片及围筒组成)，在使用中它们是整体轴向运动来调整光焦。(42)为滤光镜，它与腔体(48)及CRT(43)的表面玻壳共同构成一个闭合的空间来容纳冷却液(47)。光电传感器可能安装的其它位置有镜头组中的任意两镜片之间的空隙处或镜头组套筒的侧壁(44)、(45)上，或是安装于主成像透镜组与滤光镜之间的区域内(46)，也可安装于在滤光镜与CRT管(43)之间的冷却液(47)中并固定在腔体(48)的内表面上。(49)为光电传感器的一种安装形态，图中画出了伸入区域内(46)内的光电传感器及引线。
如[图六]所示光电传感器可安装在DLP光学引擎(光机)中的DMD芯片(微镜阵列)与镜头组之间的区域内，如(61)所示，当DMD芯片(63)上的微镜阵列在消隐像素点时(将通过微镜的旋转使光线导入光机内的吸收区(46)，这些吸收区恰是安装光电传感器的最佳位置)。(64)为镜头组，(63)准直光束。LCD/LCOS及LASER投影机的情况也与之相似。
如[图七]所示一种实用系统校准回归曲线有两个量需确定校准后的截距(零点)，校准后的斜率(规度倍率)，也就是用一组不同亮度的测试信号(可以是均匀亮场、灰阶等任何标准及非标准的信号)使光机(也叫光学引擎，投影系统产生投影光的组件部分)发光，并也要在差动数据处理方式来消除背景光的影响，用一个机外的光电传感器在屏幕的处侧表面(中心或其它位置)与机内的光电传感器同时进行测量并将两者(机内/机外传感器)的数据进行比较，改变不同的测试信号将得到不同的测试数据，以机外的光电传感器所测的数据为参照(拟定修正函数参看[图三]说明)，并在数值比较及处理电路中修正机内的光电传感器所测的数据，将得到一条与与机外光电传感器一致的响应曲线，所得的算法的光电传感器所测的数据为参照(拟定修正函数参看[图四]说明)，并在数值比较及处理电路中修正机内的光电传感器所测的数据，将得到一条与与机外光电传感器一致的响应曲线，所得的算法将保留在数值比较及处理电路中，在以后的白平衡调控中将发生作用，直到下一次系统校准时被修改。
其一种实用统校准回归函数为当光机发出一定的光通量时(设光通量为x)，Y1、Y2机内/外的光电传感器的经各自的模/数转换电路所得到的数值，A1、A2为机内/外测量系统的零点值，其响应曲线方程如下Y1＝K1X+A1Y2＝K2X+A2式中K1、K2为各自系统的规度值，它决定着系统的响应灵敏度，在线性区内，可近似为一个常量。当将机外传感器系统作为一个(有相对意义)的标准时，最终的转换结果为 相对性校准的意义；克服各单元之间的器件、安装及使用中的随机偏差(不均一的灰尘覆盖及老化)的影响。
权利要求
1.一种自动白平衡调控技术，具体电路是由光电传感器、适配及数/模转换电路部分、数值比较及数据处理电路部分及输入输出接口电路部分组成，其基本工作原理为；投影光机在将显示单元接入测试信号后投影光机发出红、兰、绿测试图像投影光，该投影光的强度被置于单元内的光电传感器接收并转化为电信号再经适配及模/数转换电路进行A/D转换后又在数值比较及数据处理电路中进行与预定数值比较并输出调整指令，去控制执行电路来调整投影光机的三基色光输出的响应曲线，不断重复上述过程，直至测量数值与预定数值的误差达到允许的限度内，其特征就在于；在本技术中采用了相对性校准方式进行系统的校准；采用了分色的白平衡处理方式；采用了预定数值作为目标数据来调控红、兰、绿投影图像光栅的截止点及响应曲线；采用差动数据处理方式来消除背景光对调控及系统校准的影响。
2.一种带自动白平衡调控的背投显示单元，由光电传感器、适配及数/模转换电路部分、数值比较及数据处理电路部分、输出输出接口电路部分、其它处理电路、光机组件及用于安装上述组件及电路部分的前屏及箱体；基本工作原理如下由投影光机(如CRT/LCD/DLP/LCOS/LASER类)所发出的红、兰、绿测试光信号，被置于箱体(或光机)内的光电传感器接收，光电传感器所产生的电信号经适配及模/数转换电路进行数模转换后又在数值比较及数据处理电路中进行与预定数值比较并输出控制量(可通过I2C总线指令机内相应电路(视频矩阵及解码电路)进行白平衡调整)，去控制视频矩阵及解码电路及其它执行电路来调整投影光机的三基色光的响应曲线，然后再重新重复上述过程，直至与预定数值的误差达到允许的限度内，其特征就在于；在机箱内前屏的周边附近或CRT投影组件中或光阀型(LCD/DLP/LCOS/LASER)投影光机中安装有光电传感器；光电传感器即可以是固定安装的也可以通过电动基座来使其产生转动及平移；整个白平衡调控系统的工作方式上采用了相对系统校准方式进行系统的校准；采用分色方式进行白平衡的调控；采用了预定数值作为目标数据来调控红、兰、绿投影光的关断(截止)点及响应曲线；采用了差动数据处理方式来消除背景0光对调控及系统校准的影响。
3.如权利要求1、2所述方法及单元，其特征就在于；所述的相对系统校准方式是指用一组不同亮度的测试信号使光机发光，并不断插入全黑场状态的测试信号，通过单元接口接入一个机外的光电传感器放置于屏幕的处侧与机内的光电传感器同时进行测量，机外的光电传感器有独立的适配及数模转换电路(该电路可以与机外的光电传感器装配在一起，在进行完A/D转换后再送入背投单元中)，两个光电传感器所测量的数据都要经过差动式数据处理方式来处理后在数值比较及数据处理电路中将两者的数据进行比较，并以机外的光电传感器所测的数据为基准来修正机内的光电传感器所测的数据，得出修正函数，并将此修正函数储存于(数值比较及数据处理电路)中的程序存储器中，当在正常白平衡调校时，机外的光电传感器不被接入，只由机内的光电传感器进行光强的测试，该测试的数据要由上述程序存储器中的修正函数进行修正，该修正后的数据作为最终的测试数据，因为所有单元的校准都是用同一个机外的光电传感器(含独立的适配及数模转换电路)来完成，将获得良好的一致性。
4.如权利要求1、2所述方法及单元，其特征就在于；所述的分色白平衡测控方式是指，同一个光电传感器在同一时间内只接受同一颜色的光信号，如果光电传感器放置在(红、兰、绿)光的公共通道上时，投影光机(如CRT/LCD/DLP/LCOS/LASER类)所发出的红、兰、绿测试光信号必须是分时的单一颜色(红、兰、绿)或全黑场的测试信号(所谓分时是指在两祯及两祯以上的数十、数百祯的时间内)；如果光电传感器放置在(红、兰、绿)光的独立通道上时，投影光机(如CRT/LCD/DLP/LCOS/LASER类)可同时(所谓同时也是指在两祯及两祯以上的数十、数百祯的时间内)发出红、兰、绿测试光信号，也可分时发送。
5.如权利要求1、2所述方法及单元，其特征就在于；所述的预定数值调控方式是指一组与低亮度、中亮度、高亮度视频图像显示所对应的数值，对应于给定的测试信号，调整光机的激励状态，使传感器所测得的数值与预先所测得的数值之差进入允许的范围内。通过数字接口可改变白平衡预定数值，该预定数值即可以是人为设定也可以是来自于其它的单元(组合幕墙使用时)；也就是给各单元输入同一测试信号，诸背投单元的白平衡检测电路会测量出各自的数值，这些数值将形成一个数值序列，然后将各单元所测的数值进行交互通讯(每一个单元都将输入其它所有单元的数据，最后每一单元将以该数值序列的最大(小)值或加权平均值作为所有单元的最终数值来调整光机的激励状态。
6.如权利要求1、2所述方法及单元，其特征就在于；所述的差动数据背景光消除方式是指；光强的检测时要消除来自于环境背景光的影响，这就需要每测试完一个或多个非黑场的测试信号后，要插入测量全黑场测试信号(光机关断)下的光强数值，(当测试信号置于全黑场(全消隐)后，光电传感器接收的将是来自于机箱外部及内部的杂散光)，因而来自于投影光机图像光的真实光强应是非黑场的测试信号下的测量值减去全黑场(全消隐)测试信号下的测量值，即它们的差值。
7.如权利要求1、2所述方法及显示单元，其特征就在于；所述的测试信号为视频信号、射频信号，所对应的视频图像样式可以是均匀光栅图像或网纹状光栅图像或非均匀亮场光栅图像，测试信号即可以由外部信号经由射频接口、视频接口(数字视频、RGB)；即可来自于机内，也可来自于机外。
8.如权利要求1、2所述方法及显示单元，其特征就在于；所述的光电传感器组件即可安装在机箱内屏幕附近的侧壁上或安装在CRT投影镜头组的上方，也可安装于CRT投影光机镜头组中的任意两镜片之间的空隙处或镜头组围筒的侧壁上，或是安装于投影光机内反射及透射光阀器件与镜头组之间的光机腔体的区域内。
9.如权利要求2所述的显示单元，其特征就在于；所述的电动基座中即可使用电磁铁驱动装置也可以使用控制马达(电机)驱动装置，在白平衡调控及系统修正进行时电动基座将光电传感器探头被电动基座移入图像光通道，当过程完毕后光电传感器探头被移离光路通道。
全文摘要
一种自动白平衡调控技术及相应的显示单元,属光学电子技术领域。背投(幕墙)的诸单元间要求有良好的色彩一致性。校正使用中的漂移,需要专业化的彩色分析仪及专业化的维护人员。本发明提出了一些适合于自动处理及电视墙特殊使用的测控方式:它们是相对性系统校准方式、分色白平衡调控方式、预定数值的目标调控方式及差动背景光消除方式,可广泛应用于各类背投电视及电视幕墙中。
文档编号H04N9/73GK1423488SQ0114232
公开日2003年6月11日 申请日期2001年12月7日 优先权日2001年12月7日
发明者姜牧 申请人:姜牧