基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整方法和装置的制作方法

专利名称：基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整方法和装置。
背景技术：
随着各项光学单元技术的不断进步，光学投影技术正逐渐成熟，正在或已经形成批量生产。最典型的如多媒体数码投影仪、数字投影电视等。这一类投影系统的物面一般为LCD或其它标板、胶片等。由于光学零件、机械零件制造过程中均有一定的误差，而整个光学系统对误差又非常灵敏，LCD或标板的安装误差、投影镜头的制造误差都会使整个投影系统投影图像不好，如不经调整，投影图像根本无法让人观看。
以数字投影电视为例(多媒体投影仪原理基本相同)，投影系统包括光源和分光部分、三块LCD、三色合成和投影镜头等部件组成。其中三块LCD分别显示红、绿、蓝色图像，经光源照明、合成系统合成、由投影镜头投影到显示屏上。三块LCD分别由相应的带调整机构的夹具同定。每一块LCD均可能存在倾斜、平移和旋转等误差，使投影出的每一色图像存在不清晰、起始位置不对、图像旋转等，三块LCD的投影图像合成在一起，还会出现三种颜色套色错位。因此需要对每一块LCD进行六个自由度的调整，共需要18个自由度的调整。
为了对上述18个自由度进行调整，现在一般采用以下步骤1)、对一块LCD(单色)进行投影，先观察投影屏上图像中心的清晰度，调整该块LCD的对焦位置；2)、分别观察图像四边的清晰度，调整LCD的倾斜；3)、观察图像水平和垂直线的倾斜情况，调整LCD的旋转方向；4)、对另外二块LCD进行同样的调整；5)、三块LCD(红绿蓝三色)同时投影，调整三块LCD的相对位置，使套色正确。
整个调整过程中，需要调试者有足够的经验，劳动强度非常大，调整精度很大程度上取决于调试者的主观性，而且调整速度非常慢。这种调试方法显然不能适应大规模生产的需要。

发明内容
本发明的目的是提供一种基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整方法和装置。
基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整方法是投影光学系统的投影屏上安装有多个CCD图像采集组件以获取图像，通过对图像的分析，获得光学投影系统物面LCD的离焦量、水平方向倾斜量、垂直方向倾斜量、旋转量和三块LCD的相对位置偏差，给出调整参数。
基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整装置依次具有照明光源、照明与分光系统、红色、蓝色、绿色LCD及调整结构、光学合成与投影成像系统、装有多个CCD的投影屏，投影屏上每一组CCD图像采集组的结构为投影屏幕位置安装毛玻璃，其后安装有一个镜头，镜头的后方安装有CCD器件，毛玻璃和CCD面分别关于镜头共扼，使投影屏上的像经毛玻璃漫射后，经透镜缩小成像于CCD表面，毛玻璃压圈、投影屏幕前压圈、投影屏幕后压圈和调整接圈用来固定毛玻璃、镜头和CCD器件，接圈转动调整，使毛玻璃很清晰地成像于CCD器件表面，紧顶螺钉用来固定各个压圈和接圈。
本发明的优点1)、调整准确性高(包括对焦、套色、调倾斜、调旋转等)，不受操作人员主观因素的影响，精度均有控制系统保证；2)、调整速度快，18个自由度的调整量均一次性给出，适合大规模生产需要；3)、操作简单，操作者不需要很多的经验。


图1是基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整装置结构示意图；图2是基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整装置中投影屏上彩色CCD安装位置分布图；图3是基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整装置中投影屏上CCD图像采集组结构示意图；图4是基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整装置中调试用标准图像的一个单元，图中A是调试用标准图像的一个单元，B是红色分量图案，C是绿色分量图案，D是蓝色分量图案。
具体实施例方式
基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整方法，其特征在于投影光学系统的投影屏上安装有多个CCD图像采集组件以获取图像，通过对图像的分析，获得光学投影系统物面LCD的离焦量、水平方向倾斜量、垂直方向倾斜量、旋转量和三块LCD的相对位置偏差，给出调整参数。
所说的CCD图像采集组件是投影屏位置安装毛玻璃，其后安装有一个成像镜头，镜头的后方安装有CCD器件，毛玻璃和CCD面分别关于镜头共扼，使投影屏上的像经毛玻璃漫射后，经透镜缩小成像于CCD表面。
通过对图像的分析获得光学投影系统物面LCD的离焦量是用离焦深度法对多幅图像进行计算，得出图像的离焦量，从而得到物面LCD的离焦量。用离焦深度法分别计算出每一幅图像每一个分色图的弥散斑大小，再结合投影光学系统的光学参数，计算出每一分色图像的离焦量，从而计算出相应一块LCD对应位置的轴向偏离量。通过对每一个分色图像的计算，可以确定每一个LCD的三个自由度沿光轴方向离焦量、垂直光轴方向的二个偏转量。
所谓离焦深度法，可简述如下本专利所用的标准图像是许多纯色的彩色线条，对焦正确时CCD得到的图像在数学上可以认为是阶跃函数，系统输出得到直边响应，而直边响应的导数就是系统的线扩散函数。利用这一关系，可以由成像系统直边响应来估算出弥散斑的大小。
根据几何光学的简单关系，由弥散斑R可以很方便地求出图像的像方离焦量，进一步求出物面的离焦量。
通过对图像的分析获得光学投影系统物面LCD的水平方向倾斜量是通过对错位的由CCD2和CCD3获得的二幅图像的分析计算，得到对应的投影物面LCD上水平方向二个点的离焦量，从而得到LCD水平方向的倾斜量；通过对图像的分析获得光学投影系统物面LCD的垂直方向倾斜量是通过对垂直方向错位的由CCD4和CCD5获得的二幅图像的分析计算，得到对应的投影物面LCD上垂直方向二个点的离焦量，从而得到LCD垂直方向的倾斜量；通过对图像的分析获得光学投影系统物面LCD的旋转量和三块LCD的相对位置偏差是利用一套调整用的标准彩色图案，通过计算理论上的白色或彩色线条在各分色图像上的位置关系，计算出三块LCD的相对位置偏差，计算理论上应为水平、垂直的线条在图像中的水平度、垂直度，计算出三块LCD的绕轴转动量和三块LCD相对初始位置偏差量。
本发明的调整系统包括调试用标准图像、多路CCD图像采集组件、计算机控制系统和处理软件组成。
首先由计算机控制软件产生一组调试用标准图像，包括由红绿蓝三块LCD输出的分色图像，合成后成为一组彩色调试图像。
该彩色调试图像经初装的投影系统投影，在投影屏上得到一幅彩色调试图像。该图像可能存在各种误差缺陷，包括对焦不清、图像倾斜或旋转、三色不重叠等等。
基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整装置依此具有照明光源、照明与分光系统、红色、蓝色、绿色LCD及调整结构、光学合成与投影成像系统、装有多个CCD(典型情况为五组)的投影屏，投影屏上每一组CCD图像采集组的结构为投影屏幕2位置安装毛玻璃7，其后安装有一个镜头4，镜头的后方安装有CCD器件5，毛玻璃7和CCD面分别关于镜头共扼，使投影屏上的像经毛玻璃漫射后，经透镜缩小成像于CCD表面。每一块CCD均可得到一幅彩色图像，输入计算机。毛玻璃压圈1、投影屏幕前压圈6、投影屏幕后压圈8和调整接圈10用来固定毛玻璃、镜头和CCD器件，接圈转动调整，使毛玻璃很清晰地成像于CCD器件表面，紧顶螺钉9用来固定各个压圈和接圈。
因此，通过对多幅彩色图像各分色图的弥散斑、线条清晰度和相对位置的分析，可以计算出三块LCD的每一个方向的误差，18个自由度均得到确定。根据计算机软件给出的调整方案，操作者可很方便地调整LCD的各个方向，整个系统很快调整完成。调整观察不需要操作者太多的前期经验，调整精度由系统保证，不受操作者主观因素影响。
图1为投影系统的主要组成部分光源、分光照明系统、带调整结构的三块LCD、光学合成与投影成像系统、投影显示屏。
图2为投影屏上彩色CCD安装位置分布图。作为典型例子，投影屏上安放五块CCD，分别安装于中心(CCD1)、左边中间(CCD2)、右边中间(CCD3)、上边中间(CCD4)和下边中间(CCD5)。
图3为每一组CCD图像采集组的结构。投影屏幕2位置安装毛玻璃7，其后安装有一个镜头4，镜头的后方安装有CCD器件5，毛玻璃7和CCD面分别关于镜头共扼，使投影屏上的像经毛玻璃漫射后，经透镜缩小成像于CCD表面。毛玻璃压圈1、投影屏幕前压圈6、投影屏幕后压圈8和调整接圈10用来固定毛玻璃、镜头和CCD器件，接圈可以转动调整，以便使毛玻璃很清晰地成像于CCD器件表面。紧顶螺钉9用来固定。少图4为一种形式的调试用标准图像的一个单元(完整图案为附图4的多重循环，保证投影屏上安装的每一块CCD均能采集到完整的一个单元以上)。图4R为标准图像的红色分量图案，图4G为绿色分量图案，图4B为蓝色分量图案。图中 表示红色， 表示绿色， 表示蓝色， 表示黄色(红加绿色)， 表示青色(绿加蓝色)， 表示品红色(红加蓝色)， 表示白色(红加绿加蓝色)，“空白”表示黑色。调试用图案可以是多种形式的，本图仅为一种典型形式。
权利要求
1.一种基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整方法，其特征在于投影光学系统的投影屏上安装有多个CCD图像采集组件以获取图像，通过对图像的分析，获得光学投影系统物面LCD的离焦量、水平方向倾斜量、垂直方向倾斜量、旋转量和三块LCD的相对位置偏差，给出调整参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整方法，其特征在于所说的CCD图像采集组件是投影屏位置安装毛玻璃，其后安装有一个成像镜头，镜头的后方安装有CCD器件，毛玻璃和CCD面分别关于镜头共扼，使投影屏上的像经毛玻璃漫射后，经透镜缩小成像于CCD表面。
3.根据权利要求1所述的一种基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整方法，其特征在于所说的通过对图像的分析获得光学投影系统物面LCD的离焦量是用离焦深度法对多幅图像进行计算，得出图像的离焦量，从而得到物面LCD的离焦量。
4.根据权利要求1所述的一种基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整方法，其特征在于所说的通过对图像的分析获得光学投影系统物面LCD的水平方向倾斜量是通过对错位的二幅图像的分析计算，得到对应的投影物面LCD上水平方向二个点的离焦量，从而得到LCD水平方向的倾斜量；
5.根据权利要求1所述的一种基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整方法，其特征在于所说的通过对图像的分析获得光学投影系统物面LCD的垂直方向倾斜量是通过对垂直方向错位的二幅图像的分析计算，得到对应的投影物面LCD上垂直方向二个点的离焦量，从而得到LCD垂直方向的倾斜量；
6.根据权利要求1所述的一种基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整方法，其特征在于所说的通过对图像的分析获得光学投影系统物面LCD的旋转量和三块LCD的相对位置偏差是利用一套调整用的标准彩色图案，通过计算理论上的白色或彩色线条在各分色图像上的位置关系，计算出三块LCD的相对位置偏差，计算理论上应为水平、垂直的线条在图像中的水平度、垂直度，计算出三块LCD的绕轴转动量和三块LCD相对初始位置偏差量。
7.一种基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整装置，其特征在于它依此具有照明光源、照明与分光系统、红色、蓝色、绿色LCD及调整结构、光学合成与投影成像系统、装有多个CCD的投影屏，投影屏上每一组CCD图像采集组的结构为投影屏幕2位置安装毛玻璃7，其后安装有一个镜头4，镜头的后方安装有CCD器件5，毛玻璃7和CCD面分别关于镜头共扼，使投影屏上的像经毛玻璃漫射后，经透镜缩小成像于CCD表面，毛玻璃压圈1、投影屏幕前压圈6、投影屏幕后压圈8和调整接圈10用来固定毛玻璃、镜头和CCD器件，接圈转动调整，使毛玻璃很清晰地成像于CCD器件表面，紧顶螺钉9用来固定各个压圈和接圈。
全文摘要
本发明公开了一种基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整方法和装置。基于离焦深度分析的光学投影系统物面调整方法是投影光学系统的投影屏上安装有多个CCD图像采集组件以获取图像，通过对图像的分析，获得光学投影系统物面LCD的离焦量、水平方向倾斜量、垂直方向倾斜量、旋转量和三块LCD的相对位置偏差，给出调整参数。本发明的优点1)、调整准确性高(包括对焦、套色、调倾斜、调旋转等)，不受操作人员主观因素的影响，精度均有控制系统保证；2)、调整速度快，18个自由度的调整量均一次性给出，适合大规模生产需要；3)、操作简单，操作者不需要很多的经验。
文档编号G02B27/62GK1431556SQ0311519
公开日2003年7月23日 申请日期2003年1月23日 优先权日2003年1月23日
发明者冯华君, 徐之海, 李奇 申请人:浙江大学