CN101124514B - 彩色图像投影设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种图像投影设备，该设备包括：在支架上的激光器组件，用于发射不同波长的多种激光束；所述支架上的扫描器，用于在距所述支架的工作距离的空间上扫过扫描线的图案，每条扫描线具有多个像素；与所述激光器组件和所述扫描器操作性连接的控制器，用于通过所述激光束促使所选择的像素被照射并使得可见，以产生图像；所述激光器组件和所述扫描器之间的光学组件，该光学组件包括用于聚焦所述激光束的透镜以及用于将所述激光束引导到所述扫描器的反射镜和分色滤光器；以及多个夹具，用于固定每个反射镜和分色滤光器，用以在所述支架上可调节地定位相应的分色滤光器和反射镜，以便在激光束到达所述扫描器之前对其进行共线排列。

Description

彩色图像投影设备和方法

技术领域

本发明通常涉及投影二维彩色图像，同时保持较低的功耗、较高的分辨率、小型紧凑的尺寸、无噪声的运行以及最小的振动。

背景技术

众所周知，可以基于在相互正交的方向振荡以通过光栅扫描激光束的一对扫描镜在屏幕上投影二维图像。然而，已知的图像投影系统投影的图像具有有限的分辨率，典型地低于640×480像素的视频图形阵列(VGA)质量的四分之一，而且是非真彩的。已知的投影系统的物理尺寸和功耗相对较高，由此将它们用于小型、手持、电池运行的应用是不切实际的。同样，在使用期间，扫描镜的低扫描速率生成令人讨厌的噪声和振动。

发明内容

因此，本发明的一般目的是提供一种图像投影设备，其在远离设备的延长的距离范围投影出锐利和清晰的二维彩色图像。

本发明的另一个目的是将这种投影设备中的功耗降至最小。

本发明的还一个目的是提高由这种设备投影的彩色图像的分辨率。

本发明的另一个目的是如果不能消除，就减轻运行期间的令人讨厌的噪声和振动。

另外的目的是提供在多个不同外形因素的设备中有用的小型、紧凑、轻量、以及便携式的彩色图像投影设备。

与这些目的和其它目的一致的目的在下文中将是显而易见的，简言之，本发明的一个特性在于用于投影二维、彩色图像的图像投影设备中。该设备包括支架、用于分别地发射红、蓝和绿色激光束的多个红、蓝和绿色激光器；用于在支架的工作距离(working distance)空间上扫过扫描线的图案的扫描器，每条扫描线有多个的像素；以及用于通过激光束促使所选择的像素被照射，并使得可见以产生彩色图像的控制器。

根据本发明的一方面，在激光器和扫描器之间的支架上提供一个光学组件，用于光学聚焦并共线排列激光束以形成指向扫描器的合成光束。

在优选实施例中，扫描器包括一对可振荡的扫描镜，用于以不同的扫描速率和不同的扫描角沿通常相互正交的方向扫过合成光束。至少一个扫描速率超过可听见的频率，例如18kKHz之上，以降低噪声。至少一个扫描镜由惯性驱动器驱动以将功耗降至最小。图像的分辨率优选地超过VGA质量的四分之一，但是典型地等于或超过VGA质量。优选所述支架、激光器、扫描器、控制器和光学组件占用小于三十立方厘米的体积。

该设备可互换地安装在不同外形因素的外壳中，包括但不局限于，笔形、枪形或手电筒形的设备，个人数字助理、垂饰、手表、计算机，以及简而言之，任何归因于其紧凑的和微型尺寸的形状。所投影的图像可以被用于广告或标志的目的，或者用于电视机或计算机监视器屏幕，并且简而言之，用于期望显示某物的任何目的。

附图说明

图1是在距离其工作距离处投影图像的手持装置的透视图；

图2是根据安装在图1的装置中的本发明的图像投影设备的放大、上层、透视图；

图3是图2的设备的顶部平面视图；

图4是用于图2的设备中的惯性驱动器的正面透视图；

图5是图4的惯性驱动器的背面透视图；

图6是图2的设备的实际实现的透视图；以及

图7是描绘图2的设备的操作的电气示意功能框图。

具体实施方式

图1中的附图标记10，通常标识为手持装置，例如，个人数字助理，其中如图2所示，一个轻量、紧凑的图像投影设备20被安装并操作以在距装置可变的距离处投影二维彩色图像。举例来说，图像18被置于相对于装置10的工作距离范围之内。

如图1所示，图像18在沿图像的水平方向上延伸的光学水平扫描角A，以及在沿图像的垂直方向上延伸的光学垂直扫描角B延伸。如下所述，该图像由通过设备20中的扫描器扫过的扫描线的光栅图上被照射的和未被照射的像素组成。

装置10的平行六面体形状仅表示设备20可在其中实现的一个外壳的形状因素。该装置可以做成钢笔、蜂窝电话、蛤壳或手表的形状，例如，如转让给相同的受让人作为本申请的2002年3月4日提出的美国专利申请序列号No、10/090,653中所示出的，并在此结合作为参考。

在优选实施例中，测量到设备20的体积小于大约30立方厘米。这种紧凑、小型尺寸允许设备20被安装在多个不同形状的、大型或小型的、便携式或固定外壳内，包括某些具有板上显示器12、键盘14和窗口16的外壳，通过这些部件图像被投影。

参考图2和图3，设备20包括固态，优选为半导体激光器22，当其被激励时，发射约635-655纳米的明亮的红色激光束。透镜24是具有正焦距的偏球形(biaspheric)凸透镜，其操作以聚集红色光束中实际上所有的能量，并用于产生衍射受限光束。透镜26是具有负焦距的凹透镜。透镜24、26由未示意的装置10内部的支架(为清晰起见在图2中未示意)上分开的相应的透镜固定。透镜24、26在工作距离之上成形红色光束的外形。

另一个固态、半导体激光器28安装在支架上，并且当其被激励时发射约475-505纳米的衍射受限蓝色激光束。采用另外的偏球形凸透镜30和凹透镜32以类似于透镜24、26的方式成形蓝色光束的外形。

具有530纳米级的波长的绿色激光束不是由半导体激光器产生的，而是由以1060纳米输出光束的具有红外泵浦二极管YAG结晶激光器的绿色模块34产生的。非线性倍频晶体被包括在两个激光反射镜之间的红外激光腔内。由于腔内的红外激光能量远远大于腔外耦合的能量，倍频器在腔内更有效地生成倍频绿色光。激光器的输出反射被反射到1060纳米的红外线，并发射到两倍的530纳米绿色激光束。由于固态激光器和倍频器的校正操作需要精确的温度控制，依赖珀尔帖效应的半导体器件被用于控制绿色激光模块的温度。热电冷却器可以根据所应用的电流的极性加热或冷却该器件。为了监视其温度，将热敏电阻作为绿色激光模块的一部分。来自热敏电阻的读出被馈送给控制器，控制器相应地调节到热电冷却器的控制电流。如下所解释的，以100MHz级的频率对激光进行脉冲调制操作。红色和蓝色半导体激光器22、28可以用这样高的频率进行脉冲调制，但是当前可用的绿色固态激光器则不能以如此高的频率来进行脉冲调制。结果，使用声光调制器36脉冲调制从绿色模块34退出的绿色激光束，声光调制器36在晶体内部产生声学驻波以衍射出绿光束。然而，调制器36产生零级、非衍射光束38和第一级、脉冲、衍射光束40。光束38、40相互分叉，并且为了将它们分离以消除不想要的零级光束38，光束38、40沿具有折叠式反射镜42的长的、折叠的路径被发送。可选地，电光、调制器可以被用于绿色激光模块的外部或内部以脉冲调制绿色激光束。调制绿色激光束的其它可能的方法包括电吸收调制，或者March-Zender干涉仪。光束38、40通过正和负透镜44、46发送。然而，仅仅允许衍射绿色光束40撞击折叠式反射镜48，并从折叠式反射镜48反射。非衍射光束38被优选安装在反射镜48上的吸收器50吸收。

该设备包括一对安排用于使得绿、蓝和红色光束在到达扫描组件60之前尽可能共线的分色滤光器52、54。滤光器52允许绿色光束40从中穿过，但是来自蓝色激光器28的蓝色光束56通过干涉效应被反射。滤光器54允许绿色和蓝色光束40、56从中穿过，但是来自红色激光器22的红色光束58通过干涉效应被反射。

接近共线的光束40、56、58被导向固定反弹反射镜62，并从固定反弹反射镜62反射。扫描组件60包括由惯性驱动器66(图4-5中分离示意的)以第一扫描速率振荡以在第一水平扫描角A上扫过从反弹反射镜62反射的激光束的第一扫描镜64，以及由电磁驱动器70以第二扫描速率振荡以在第二垂直扫描角B上扫过从第一扫描镜64反射的激光束的第二扫描镜68。在不同的结构中，扫描镜64、68可以由单个双轴反射镜代替。

惯性驱动器66是一个高速、低电功耗的组件。惯性驱动器的详细描述可以在2003年3月13日提出的转让给相同受让人作为本申请并在此合并作为参考的美国专利申请序列号No、10/387,878中找到。惯性驱动器的使用使得扫描组件60的功耗降低到低于1瓦特，以及如下所述在投影彩色图像的情况下降低到低于10瓦特。

驱动器66包括用于借助绞链支撑扫描镜64的可移动的框架74，其中绞链包括沿绞链轴延伸的一对共线的绞链部分76、78，并且在扫描镜64的相反区域和框架的相反区域之间连接。如图所示，框架74不需要环绕扫描镜64。

框架、绞链部分和扫描镜被制作成一片大约为150μ厚通常为平面的硅基片，该硅基片被蚀刻以形成具有上部平行的槽隙部分、下部平行的槽隙部分以及U形中心槽隙部分的Ω形槽隙。扫描镜64优选地为椭圆形，并且能够自由地移动到槽隙部分内。在优选实施例中，测量出沿椭圆形扫描镜的轴的尺寸为749μ×1600μ。每个绞链部分的宽度为27μ，长度为1130μ。该框架为3100μ宽和4600μ长的矩形。

惯性驱动器被安装在通常为平面的、印刷电路板80上，并且操作以直接移动框架，并利用惯性间接地使扫描镜64环绕铰链轴振荡。惯性驱动器的一个实施例包括一对沿垂直于电路板80的方向延伸的压电式换能器82、84，并在绞链部分76的任意一侧与框架74的分离部分接触。可以使用粘合剂以确保每个换能器的末端与每个框架部分之间的永久连接。每个换能器相反的末端从板80的背面伸出并且通过线86、88电连接到周期性交流电源(未示出)。

在使用中，周期性信号将周期性驱动电压应用到每个换能器，并促使相应的换能器长度交替延伸和收缩。当换能器82延伸时，换能器84便收缩，反之亦然，由此同时地推和拉以定距离间隔的框架部分并促使该框架环绕铰链轴扭转。驱动电压具有对应于扫描镜的谐振频率的频率。扫描镜从其最初静止的位置移动直到它以谐振频率环绕铰链轴振荡。在优选实施例中，所述框架和扫描镜的厚度大约为150μ，并且扫描镜具有较高Q因素。每个换能器1μ级的移动可以促使以超过20kHz的扫描速率振荡扫描镜。

另一对压电式换能器90、92沿板80的垂直方向延伸，并在绞链部分78的任意一侧与框架74的分离部分永久接触。换能器90、92被用作监视框架的振荡移动的反馈器件，并且用于生成并传导电反馈信号沿着线94、96到反馈控制电路(未示出)。

我们的新颖设计实际上是利用一对压电式元件来驱动(换言之，我们利用两个压电一起以收缩和伸展)。对于反馈，我们利用磁性反馈，在此一个磁体被安装在高速反射镜的背面，并使用外部线圈以获取通过振荡磁体产生的变化的磁场。

尽管光线可以从扫描镜的外部表面反射，理想的是以由金、银、铝制成的镜面涂层涂覆反射镜64的表面，或者是以专门设计的高反射率的电介质涂层涂覆反射镜64的表面。

电磁驱动器70包括共同安装并位于第二扫描镜68的后面的永久磁体，并运转电磁线圈72以响应于接收周期性驱动信号产生一个周期性磁场。线圈72邻近磁体，以便周期性磁场与磁体的永久磁场磁性上交互作用，并致使磁体、第二扫描镜68依次振荡。

惯性驱动器66以优选大于5kHz以及特别是在18kHz或更高级别上的扫描速率高速振荡扫描镜64。这种高扫描速率是听不见的频率，因此将噪声和振动降至最小。电磁驱动器70以40Hz级别的较慢的扫描速率振荡扫描镜68，这种扫描速率足够快以允许图像驻留在人的视网膜上而不会过多的闪烁。

较快的反射镜64扫过水平扫描线，而较慢的反射镜68垂直扫过水平扫描线，由此创建栅格的或是粗糙平行扫描线序列的光栅图，由此构成图像。每条扫描线有多个像素。优选图像分辨率为1024×768像素的XGA质量。通过有限的工作距离我们可以显示1270×720像素的高清晰度的720p表示的电视标准。在某些应用中，320×480像素的二分之一的VGA质量，或者320×240像素的四分之一的VGA的质量就足够了。最小期望160×160像素的分辨率。

反射镜64、68的角色可以相反，因此反射镜68为较快的，而反射镜64为较慢的。还可以设计反射镜64以扫过垂直扫描线，如果这样则反射镜68将扫过水平扫描线。同样，可以使用惯性驱动器驱动反射镜68。实际上，两个反射镜的任何一个都可以由机电、电气、机械、静电、磁性、或者电磁驱动器来驱动。

在图像被显示的期间，较慢的反射镜以恒定速度扫描模式运行。在反射镜转回期间，该反射镜以其非常高的固有频率扫回到初始位置。在反射镜的返回途中，可以使激光器去激励以降低该器件的功耗。

图6是在如同图2的相同的透视图中的设备20的实际实现。上述组件被安装在包括顶盖100和支承盘102的支架上。夹具104、106、108、110、112相互对齐地分别固定折叠式反射镜42、48，滤光器52、54和反弹反射镜62。每个夹具具有多个定位槽用于接受固定安装在支架上的定位柱。因此，反射镜和滤光器被恰当地定位。如图所示，有三个支柱，由此允许两个角度的调节和一个横向调节。每个夹具可以被粘结到其最终的位置。

图像是通过选择性照射一条或多条扫描线中的像素构建的。如同下面参照图7更为详细的描述，控制器114促使光栅中被选择的像素被照射，并通过三个激光束使得可见。例如，红、蓝和绿色电源控制器116、118、120分别传导电流到红、蓝和绿色激光器22、28、34以给后者激励，以在每个所选择的像素发射各自的光束，并不给红、蓝和绿色激光器传导电流以给后者去激励，以不照射其它未选择的像素。所产生的照射和未照射的像素组成了图像，其可以是任何人工的或机器可读的信息或图形的显示。

参考图1，以放大的视图显示光栅图。从端点开始，惯性驱动器沿着水平方向以水平扫描速率扫过激光束到相反的端点以形成扫描线。因此，电磁驱动器70沿垂直方向以垂直扫描速率扫过激光束到另一个端点以形成第二扫描线。以相同的方式继续后续扫描线的形成。

在微处理器114或控制电路的控制之下，通过操作电源控制器116、118、120，在所选择的时间通过激励或脉动激光器的开启和关闭来在光栅中创建图像。只有在期望的图像中的像素想要被看见的时候，激光器才产生可见光并打开。每个像素的颜色由一个或多个光束的颜色来确定。可见光谱中的任何颜色都可以通过选择性叠加一个或多个红、蓝、和绿色激光来形成。光栅是由每条线和多条线上的多个像素组成的栅格。图像是所选择像素的位图。每一个字母或数字、任何图形设计或标志，以及甚至是机器可读的条形码符号都可以形成为位图图像。

如图7所示，输入视频信号具有垂直的和水平的同步数据，以及像素和时钟数据，在微处理器114的控制之下被发送到红、蓝和绿色缓冲器122、124、126。存储一个完整的VGA帧需要几千字节，并且期望缓冲器具有足够的内存用于两个完整的帧，以使得一个帧能够被写入，同时另一个帧被处理和投影。缓存的数据在速度靠模(speedprofile)130控制之下被发送到格式化器128，以及发送到红、蓝、和绿色查找表(LUT)132、134、136以校正由扫描引起的固有内部失真，以及由投影的图像的显示角度引起的几何失真。所产生的红、蓝和绿色数字信号通过数模转换器(DAC)138、140、142转换为红、蓝和绿色模拟信号。红色和蓝色模拟信号被馈送给同样与红色和蓝色电源控制器116、118相连的红色和蓝色激光驱动器(LD)144、146。绿色模拟信号被馈送给声光模块(AOM)射频(RF)驱动器150，并反之馈送给同样与绿色LD 148和绿色电源控制器120相连的绿色激光器34。

图7还示出了反馈控制，包括与红、蓝和绿色模-数(A/D)转换器158、160、162相连并反之与微处理器114相连的红、蓝和绿色光电二极管放大器152、154、156。热量通过与A/D转换器166相连并反之与微处理器相连的热敏电阻放大器164监视。

扫描镜64、68由从DAC 172、174馈以模拟驱动信号的驱动器168、170驱动，DAC 172、174反之与微处理器相连。反馈放大器176、178检测扫描镜64、68的位置，并被连接到反馈A/D 180、182，并反之连接到微处理器。

运行电源管理电路184以将功耗降至最小，同时优选通过一直保持绿色激光束，并通过保持红色和蓝色激光器的电流刚好低于发射激光的门限实现快速及时(fast on-times)。

如果检测到扫描镜64、68的任意一个不在适当的位置上，则运行激光安全关闭电路186以关闭激光器。

所附权利要求书中阐述了新颖以及期望受专利证书保护的权利要求。

Claims (8)

1.一种用于投影二维、彩色图像的图像投影设备(20)，包括：

支架(100，102)；

所述支架(100，102)上的激光器组件(22，28，34)，用于发射不同波长的多种激光束(58，56，38)；

所述支架(100，102)上的扫描器(60)，用于在距所述支架(100，102)的工作距离的空间上扫过扫描线的图案，每条扫描线具有多个像素；

与所述激光器组件(22，28，34)和所述扫描器(60)操作性连接的控制器(114)，用于通过所述激光束(58，56，38)促使所选择的像素被照射，并使得可见，以产生图像；

所述激光器组件(22，28，34)和所述扫描器(60)之间的支架(100，102)上的光学组件，该光学组件包括用于聚焦所述激光束(58，56，38)的透镜(24，26，30，32，44，46)以及用于将所述激光束(58，56，38)引导到所述扫描器(60)的反射镜(42，48)和分色滤光器(52，54)；以及

多个夹具(104，106，108，110)，用于固定每个反射镜(42，48)和分色滤光器(52，54)，用以在所述支架(100，102)上可调节地定位相应的分色滤光器(52，54)和反射镜(42，48)，以便在激光束(58，56，38)到达所述扫描器(60)之前对其进行共线排列。

2.根据权利要求1的图像投影设备，其中所述激光器组件包括用于分别地生成红色、蓝色以及绿色激光束的红色固态半导体激光器(22)、蓝色固态半导体激光器(28)以及绿色激光器(34)。

3.根据权利要求1的图像投影设备，其中所述激光器组件包括用于产生绿色激光束的二极管泵浦YAG激光器和光学倍频器。

4.根据权利要求1的图像投影设备，其中所述扫描器(60)包括用于以第一扫描速率沿第一方向并在第一扫描角之上扫过所述共线光束的第一可振荡扫描镜(64)，以及用于以不同于第一扫描速率的第二扫描速率沿与第一方向基本上垂直的第二方向，并且以不同于所述第一扫描角的第二扫描角扫过所述共线光束的第二可振荡扫描镜(68)。

5.根据权利要求2的图像投影设备，其中所述激光器组件包括用于调制绿色光束以产生非衍射光束(38)和衍射光束(40)的声光调制器(36)。

6.根据权利要求5的图像投影设备，其中所述激光器组件包括用于防止在所述共线光束中出现非衍射光束(38)的吸收器(50)。

7.根据权利要求1的图像投影设备，其中每个分色滤光器(52，54)操作用于反射所述光束的至少一个并用于透射所述光束的至少一个。

8.根据权利要求1的图像投影设备，其中每个夹具(104，106，108，110)具有用于接纳固定地安装到所述支架(100，102)的多个定位柱的多个定位槽，每个所述定位柱容纳在相应的槽中，用于对相应的夹具以及保持在相应的夹具上的相应的反射镜和分色滤光器进行角度和横向调节。

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