CN101228470A - 对图像投影仪图像失真的校正 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对图像投影仪图像失真的校正。提供了一种用于在图像投影系统中校正图像失真的排布结构和方法，包括：通过对用于扫出激光束以形成图像各扫描线的驱动信号的振幅进行调节，使投影图像的扫描线都具有相同的长度。

Description

对图像投影仪图像失真的校正

技术领域

本发明总体上涉及将图像投影到诸如屏幕等的投影面上，更具体地说，涉及对这种图像的失真进行校正。

背景技术

基于使一对扫描镜沿相互垂直的方向振荡以使激光束扫出扫描线的光栅图案，将二维图像投影到诸如屏幕的投影面上，这是公知的。然而，已知的图像投影系统对具有有限分辨率(通常小于640×480像素的视频图形阵列(VGA)质量的四分之一)的图像进行投影，并且主要由屏幕相对于图像投影系统的朝向引起一些图像失真。

例如，当将具有正方形或矩形图像区域的图像投影到相对于沿其对图像进行投影的光轴发生倾斜的倾斜屏幕上时，那么被投影图像会遭受在本领域中公知为“梯形”失真的梯形或四边形失真。换言之，存在与距离图像投影系统较近的扫描线相比在长度上更长的、距离图像投影系统较远的扫描线。

作为另一示例，可将屏幕中央定向为与图像投影系统的光轴垂直。如果投影角度非常宽，则位于图像区域顶部和底部的扫描线将比位于图像区域中间的扫描线长。这在本领域中被公知为边到边或东到西“枕形”失真。

在现有技术中，通常通过对图像区域的三角形部分进行电子裁剪(clipping)或修剪(cropping)以使图像区域呈正方形或矩形，来校正这种枕形或梯形失真。然而，当这样做时，由于损失了可用像素，所以图像分辨率下降。

发明内容

因此，本发明的总的目的是在无法消除的情况下减小图像投影仪的梯形和枕形失真。

更具体地说，本发明的一个目的是以相同长度的扫描线来投影无失真图像。

本发明的另一目的是校正图像失真而不损失图像分辨率。

与以上目的和将从下文中显见的其它目的一致，简而言之，本发明的一个特征在于一种用于校正投影在投影面上的图像的失真的排布结构和方法。

激光器用于发射特定波长的激光束。如果要投影的图像是彩色的，则采用用于发射不同波长的激光束的另外激光器，例如，红色、蓝色和绿色激光器，并且将它们各自的激光束共线地布置成复合光束。

扫描仪用于扫出激光束(或复合激光束)以形成扫描线的光栅图案。该扫描仪包括：第一扫描镜，用于沿第一扫描方向扫出激光束，以在投影面上形成扫描线；以及第二扫描镜，用于沿与第一扫描方向垂直的第二扫描方向扫出扫描线，以形成光栅图案。由于所述激光束在第二扫描镜和投影面之间行进的距离不同，所以所述扫描线在第一扫描方向上具有不同长度。每条扫描线具有沿第一扫描方向排列的多个像素。

驱动电路用于以具有振幅的驱动信号来驱动第一扫描镜。优选的是，所述驱动电路使第一扫描镜在第一扫描角上沿相反的圆周方向振荡。

根据本发明，设置反馈电路，用于确定各扫描线的驱动信号的振幅。控制器，优选地为编程微处理器，用于通过激光束使选定像素被照明并使之可见从而产生图像，此外根据本发明，所述控制器还用于调节各扫描线的驱动信号的振幅，进而调节各扫描线的第一扫描角，以产生所述图像的具有相同长度的扫描线，从而校正图像失真。可以采用用户输入接口以使观看者能够人工调节扫描线的长度。

附图说明

图1是将无失真图像投影到距离其工作距离处的手持式设备的立体图；

图2是用以安装在图1的设备中的图像投影排布结构的放大俯视立体图；

图3是图2的排布结构的俯视平面图；

图4是在图2的排布结构中使用的惯性驱动器的正面立体图；

图5是图4的惯性驱动器的背面立体图；

图6是图2的排布结构的实际实现的立体图；

图7是示出了图2的排布结构的操作的示意性电路框图；

图8是与图1类似的但是示出了梯形失真图像的立体图；

图9是与图1类似的但是示出了枕形失真图像的立体图；以及

图10是示出了用于校正图8至9所示的失真图像的排布结构的框图。

具体实施方式

图1中的附图标记10总体上标识了例如个人数字助理的手持式设备，其中安装有如图2所示的重量轻、紧凑的图像投影排布结构(arrangement)20，该手持式设备用于将二维彩色无失真图像投影在距该设备的可变距离处。作为示例，图像18位于相对于设备10的距离的工作范围内。

如图1所示，无失真图像18在图像的在沿水平方向延伸的光学水平扫描角A内以及在沿垂直方向延伸的光学垂直扫描角B内延伸。如下所述，图像由被排布结构20中的扫描仪扫出的扫描线的光栅图案上的照明像素和未照明像素组成。

设备10的平行六面体形状仅表示可在其中实现排布结构20的外壳的一个形成因素。可将该设备成形为笔、蜂窝电话、翻盖式设备、或腕表。在优选实施例中，排布结构20的尺寸在体积上小于约30立方厘米。该紧凑、微小的尺寸使排布结构20可以安装在许多不同形状、或大或小、便携式或静止的外壳中，这些外壳包括具有板上显示器12、键盘14以及可通过其投影图像的窗口16的一些外壳。

参照图2和图3，排布结构20包括半导体激光器22，该半导体激光器22在被通电时发射大约635至655纳米的明亮的红色激光束。透镜24是具有正焦距的双面非球面(biaspheric)凸透镜，并且用于收集红色光束中实际上所有的能量以及产生衍射受限的光束。透镜26是具有负焦距的凹透镜。透镜24、26由设备10内的支撑物(为了清楚，在图2中未示出)上分离的未示出的各个透镜固定器所固定。透镜24、26在工作距离上对红色光束轮廓进行成形。

另一半导体激光器28安装在所述支撑物上，并且在被通电时发射大约475至505纳米的衍射受限的蓝色激光束。采用另一双面非球面凸透镜30和凹透镜32以与透镜24、26类似的方式对蓝色光束轮廓进行成形。

具有530纳米量级的波长的绿色激光束不是由半导体激光器产生的，而是由具有输出光束为1060纳米的红外二极管泵浦YAG晶体激光器的绿色模块34产生的。在两个激光镜之间的红外激光腔体中包括非线性倍频晶体。因为该腔体内的红外激光功率远大于在该腔体外耦合的功率，所以在该腔体内产生倍频的绿光时，倍频器更有效。该激光器的输出镜对于1060nm的红外辐射是反射性的，而对于加倍的530nm绿色激光束是透射性的。因为正确操作固态激光器和倍频器需要精确的温度控制，所以使用依赖于Peltier效应的诸如热电致冷器的半导体器件，来控制绿色激光模块的温度。热点致冷器能够根据施加电流的极性对器件进行加热或冷却。为了监视绿色激光模块的温度，使热敏电阻成为绿色激光模块的一部分。来自热敏电阻的读数被送至控制器，控制器据此对至热电致冷器的电流进行控制。

如下面所解释的，激光器以100MHz量级的频率被脉动以工作。红色和蓝色半导体激光器22、28能够以这种高频进行脉动，但是当前可用的绿色固态激光器却不能。结果，利用声光调制器(AOM)36使离开绿色模块34的绿色激光束脉动，该声光调制器在用于使绿光束衍射的晶体内创建声驻波。然而，AOM 36产生零次的非衍射光束38以及一阶的脉动衍射光束40。光束38、40彼此分开，并且为了将它们分离以消除不期望的零次光束38，引导光束38、40沿着一条长的具有折叠式反射镜42的折叠路径传播。另选的是，可以在绿色激光模块的外部或内部使用AOM来脉动出绿色激光束。调制绿色激光束的其它可能方式包括电吸收调制或者Mach-Zender干涉仪。图2示意性地示出了AOM。

引导光束38、40穿过正透镜44和负透镜46。然而，仅有衍射的绿色激光束40可以撞击折叠式反射镜48并从其反射。非衍射光束38被优选安装在反射镜48上的吸收器50吸收。

该排布结构包括被布置用来使绿色、蓝色和红色光束在到达扫描组件60前尽可能共线的一对二向色滤光片52、54。滤光片52允许绿色光束40从其穿过，但是来自蓝色激光器28的蓝色光束56因干涉效应而被反射。滤光片54允许绿色光束40和蓝色光束56从其穿过，但是来自红色激光器22的红色光束58因干涉效应而被反射。

几乎共线的光束40、56、58被引导至固定反弹镜62并且从其反射。扫描组件60包括：第一扫描镜64，其可通过惯性驱动器66(在图4至5中单独示出)以第一扫描速率振荡从而使从反弹镜62反射的激光束扫过第一水平扫描角A；以及第二扫描镜68，其可通过电磁驱动器70以第二扫描速率扫描从而使从第一扫描镜64反射的激光束扫过第二垂直扫描角B。在一变型构造中，可以用单个双轴镜来代替扫描镜64、68。

惯性驱动器66是高速、电功耗低的部件。可以在转让给与本申请相同的受让人的于2003年3月13日提交的第10/387,878号美国专利申请中找到惯性驱动器的细节，通过引用将其合并于此。使用惯性驱动器将扫描组件60的功耗减少至小于1瓦特，并且在如下所述对彩色图像进行投影的情况下减少至小于10瓦特。

驱动器66包括借助铰链来支撑扫描镜64的可移动框架74，所述铰链包括沿铰链轴延伸并且连接在扫描镜64的相对区域和该框架的相对区域之间的一对共线铰链部76、78。如所示出的，框架74不需要包围扫描镜64。

框架、铰链部和扫描镜由一体的大致平面的硅基板制成，该硅基板的厚度约为150μ。对硅进行蚀刻以形成Ω形槽，该Ω形槽具有上平行槽部、下平行槽部以及U形中央槽部。扫描镜64优选地呈椭圆形并且可在这些槽部中自由移动。在优选实施例中，椭圆形扫描镜的轴向尺寸为749μ×1600μ。每个铰链部的宽度为27μ并且其长度为1130μ。所述框架呈矩形，该矩形的宽度为3100μ并且其长度为4600μ。

惯性驱动器被安装在大致平面的印刷电路板80上，并且用于直接移动框架以及通过惯性间接地使扫描镜64相对于铰链轴发生振荡。惯性驱动器的一个实施例包括一对压电换能器82、84，它们垂直于板80延伸并且分别在铰链部76的两侧与框架74的隔开部分相接触。可以使用粘合剂来确保各换能器与各框架部分之间的永久接触。各换能器的相对端从板80的后部突出，并且通过线86、88而电连接至周期性交流电压源(未示出)。

在使用时，周期性信号向各换能器施加周期性驱动电压，从而使各换能器在长度上交替地伸长和收缩。当换能器82伸长时，换能器84收缩，当换能器84伸长时，换能器82收缩，由此同时对隔开的框架部分进行推拉，从而使框架关于铰链轴发生扭曲。驱动电压具有与扫描镜的谐振频率相对应的频率。扫描镜从其初始停靠位置开始移动，直到其也以谐振频率关于铰链轴发生振荡为止。在优选实施例中，框架和扫描镜的厚度约为150μ，并且扫描镜具有高的Q因子。各换能器的1μ量级的移动能够使扫描镜以超过20kHz的扫描速率发生振荡。

另一对压电换能器90、92垂直于板80延伸，并且分别在铰链部78的两侧与框架74的隔开部分永久接触。换能器90、92充当反馈装置，该反馈装置用于监视框架的振荡移动，以及产生电反馈信号并沿着导线94、96将其传导到反馈控制电路(在图5中未示出)。

另选的是，不将压电换能器90、92用于反馈，而是使用磁反馈，其中，将磁体安装在高速镜背面，使用外部线圈来拾取由振荡的磁体产生的变化磁场。

虽然光可被扫描镜的外表面反射，但是期望用由金、银、铝制成的镜面涂层或者专门设计的高反射介电涂层来涂敷镜64的表面。

电磁驱动器70包括联合安装在第二扫描镜之上和之后的永磁体、以及用于响应于接收到周期性驱动信号而产生周期性磁场的电磁驱动线圈72。驱动线圈72与磁体相邻，从而使周期性磁场与磁体的永久场发生磁相互作用，从而使磁体发生振荡，进而使第二扫描镜68发生振荡。

惯性驱动器66使扫描镜64以优选大于5kHz(更具体地说，为18kHz的量级或更大)的扫描速率高速振荡。该高扫描速率处于听不到的频率，由此使噪声和振动最小化。电磁驱动器70使扫描镜68以40Hz量级的较低扫描速率振荡，该扫描速率对于使图像无过度闪烁地保持在人眼视网膜上已足够快了。

较快的镜64扫出水平扫描线，并且较慢的镜68垂直地扫出水平扫描线，从而产生了光栅图案，该光栅图案是构成图像的大致平行的扫描线的网格或序列。每条扫描线具有多个像素。图像分辨率优选为1024×768像素的XGA质量。在有限的工作范围上，可以显示被表示为720p、1270×720像素的高清电视标准。在一些应用中，320×480像素的二分之一VGA质量或者320×240像素的四分之一VGA质量就足够了。最小地，期望160×160像素的分辨率。

可以颠倒镜64、68的作用，从而使镜68成为较快的镜并使镜64成为较慢的镜。还可将镜64设计成扫出垂直扫描线，在该情况下，镜68将扫出垂直扫描线。此外，可以使用惯性驱动器来驱动镜68。实际上，可通过机电、电、机械、静电、磁或电磁的驱动器来驱动任一镜。

慢镜在恒定速度扫描模式下工作，在该模式期间显示图像。在镜返回期间，镜以其显著更高的自然频率扫回到初始位置。在镜的回程期间，可关闭激光器以降低装置的功耗。

图6是以与图2相同的角度看到的排布结构20的实际实现。前述部件被安装在包括顶盖100和支撑板102的支撑物上。固定器104、106、108、110、112以相互对齐的方式分别固定折叠式反射镜42、48、滤光片52、54以及反弹镜62。各固定器具有多个定位槽，这些定位槽用于容纳固定地安装在所述支撑物上的定位柱。这样，镜和滤光片被正确定位。如所示出的，有三个柱，从而允许两个角度调节和一个横向调节。可将各固定器粘在其最终位置。

通过对一个或多个扫描线中的像素的选择性照明来构建图像。如下面参照图7更详细地描述的，通过三个激光束，控制器114使光栅图案中的选定像素被照明，并使之可见。例如，红色、蓝色和绿色功率控制器116、118、120分别将电流传导至红色、蓝色和绿色激光器22、28、34，以使后者通电从而在各选定像素处发出各自的光束；以及不向红色、蓝色和绿色激光器传导电流，以使后者断电从而不对其它未选定像素进行照明。得到的照明和未照明像素的图案包括图像，该图像可以是人或机器可读信息或图形的任意显示。

参照图1，在放大图中示出了光栅图案。从一端点开始，通过惯性驱动器将激光束沿水平方向以水平扫描速率扫至相对端点，从而形成一扫描线。于是，通过电磁驱动器70将激光束沿垂直方向以垂直扫描速率扫至另一端点，从而形成第二扫描线。以相同方式继续形成连续的扫描线。

通过功率控制器116、118、120的工作，在微处理器114或控制电路的控制下，通过使激光器通电或脉动而在选定时间打开和关闭，从而在光栅图案中产生图像。激光器产生可见光，并且仅当期望在期望图像中看到像素时才打开。各像素的颜色由这些光束的颜色中的一个或多个确定。通过选择性地叠加红色、蓝色和绿色激光中的一个或多个，可以形成可将光谱中的任何颜色。光栅图案是由多条线以及各条线上的多个像素组成的网格。图像是选定像素的位映射。每个字母或数字、任何图形设计或标志、甚至机器可读条形码符号都可被形成为位映射的图像。

如图7所示，在微处理器114的控制下，具有垂直和水平同步数据以及像素和时钟数据的输入视频信号被发送至红色、蓝色和绿色缓冲器122、124、126。存储一个完整VGA帧需要多个千字节，并且期望在缓冲器中具有用于两个完整帧足够容量，以使得在写入一个帧的同时能够处理和投影另一帧。在速度配置器130的控制下，缓冲的数据被发送至格式器128，然后被发送至红色、蓝色和绿色查找表(LUT)132、134、136，以校正由扫描引起的固有内部失真以及由投影图像的显示角度引起的几何失真。通过数模转换器(DAC)138、140、142将得到的红色、蓝色和绿色数字信号转换成红色、蓝色和绿色模拟信号。红色和蓝色模拟信号被送至红色和蓝色激光器驱动器(LD)144、146，该红色和蓝色激光器驱动器144、146还连接至红色和蓝色功率控制器116、118。绿色模拟信号被送至AOM射频(RF)驱动器140，进而被送至绿色激光器34，该绿色激光器34还连接至绿色LD 148以及绿色功率控制器120。

图7中还示出了反馈控制，包括连接至红色、蓝色和绿色模数(A/D)转换器158、160、162，进而连接至微处理器的红色、蓝色和绿色光电二极管放大器152、154、156。

扫描镜64、68由驱动器168、170驱动，从进而连接至微处理器的DAC 172、174向驱动器168、170提供模拟驱动信号。反馈放大器176、178对扫描镜64、68的位置进行检测，并且连接至反馈A/D 180、182并进而连接至微处理器。

功率管理电路184用于优选地通过始终保持绿色激光器以及通过将红色和蓝色激光器的电流保持在刚好在激光发射阈值之下，从而在可以快速准时的同时使功率最小化。

激光器安全停止电路186用于在检测到扫描镜64、68中的任一个不在适当位置时停止激光器。

转到图8，示出了根据本发明进行校正之前从设备10投影的梯形失真图像200。如所示出的，图像200被投影在倾斜屏幕202上，该屏幕的上部距离该设备较远，而该设备的下部距离该设备较近。结果，位于屏幕上部的扫描线比位于屏幕下部的扫描线长。如果该屏幕以相反方式倾斜，则位于屏幕下部的扫描线将比位于屏幕下部的扫描线长。屏幕202自身不需要相对于该设备的出射窗口16倾斜，因为设备10可以以一角度朝向屏幕，或者可以使屏幕和设备都倾斜。因此，失真是激光束在第二扫描镜68和屏幕202之间行进的不同距离和不同扫描角的函数。如果激光束行进了较长距离，则其扫描线较长，并且激光束扫过的扫描角较大。投影图像中的较长线是不令人满意的，因为观看者希望观看正方形或矩形图像区域中的图像，而非梯形区域中的图像。

图9示出了根据本发明进行校正之前的枕形失真图像204。在此情况下，屏幕202与设备的出射窗口16平行，并且相对于沿其对激光束进行投影的光轴垂直且中心定位于该光轴。然而，由于投影角非常宽，例如±30°，所以位于图像204的上部和下部的扫描线比位于该图像中间的扫描线长，从而产生了具有缩入边的图像。

为了校正这种使用失真，图10示出了一种排布结构，其中将前述微控制器114(优选地为微处理器)可操作地连接至第一(X轴)扫描镜64的驱动电路168。驱动电路168产生具有振幅的驱动信号。该驱动信号被传导至第一扫描镜64的驱动电机206。如先前所述，在优选实施例中，沿着导线86、88(见图4)传导驱动信号以使压电换能器82、84通电。驱动信号的振幅越大，第一扫描镜64将振荡经过的弓形距离就越长，反之依然。

如同样在先前描述的，图5中的压电换能器90、92被用作产生反馈信号的反馈装置，该反馈信号沿着导线94、96传导至反馈放大器176，该反馈信号的振幅对应于各扫描线的驱动信号的振幅。再次如上所述，代替压电换能器，可将电磁反馈线圈208用作反馈装置。反馈线圈208通过与联合安装在第一扫描镜64上的永磁体的磁场相互作用而产生反馈信号。

微处理器114用于接收反馈信号以及测量反馈信号的振幅。通过访问查找表(LUT)210，微处理器确定驱动信号的振幅，并进而确定扫描角A。一旦知道了各扫描线的驱动信号振幅，微处理器将它们进行彼此比较以确定哪些扫描线在长度上与其它扫描线不同。然后，微处理器对各扫描线的驱动信号进行调节，以产生具有相同长度的扫描线，从而校正图像失真。

因此，根据本发明，通过在每帧期间主动改变各扫描线的驱动信号振幅(或扫描角)，来控制使第一扫描镜64发生振荡的惯性驱动器66的驱动信号振幅，或者换种说法，即控制第一扫描镜64在其上发生振荡的扫描角A。例如，减小驱动信号振幅以缩短比其它扫描线距离设备更远的扫描线。在图8的梯形失真的情况下，将驱动信号振幅控制为针对每帧都重复的线性斜波形。为了校正枕形和梯形失真，将驱动信号控制为非线性。

优选的是，用户可通过可操作地连接至微处理器的用户接口212来调节校正量。该接口可以是键盘14上的一个键或者显示器12上的选定触摸区域。利用本发明不会损失图像分辨率，因为没有对像素进行修剪。

在所附权利要求书中阐述了期望被专利证书保护的宣称为新颖的东西。

Claims (11)

1.一种用于校正投影在投影面上的图像的失真的排布结构，包括：

a)激光器，用于发射激光束；

b)扫描仪，其包括：第一扫描镜，用于沿第一扫描方向扫出所述激光束，以在所述投影面上形成扫描线；以及第二扫描镜，用于沿与所述第一扫描方向大致垂直的第二扫描方向扫出扫描线，以在所述投影面上形成扫描线的光栅图案，由于所述激光束在所述第二扫描镜和所述投影面之间行进的距离不同，所以所述扫描线在所述第一扫描方向上具有不同长度，每条扫描线在所述第一扫描方向上具有多个像素；

c)驱动电路，用于以具有振幅的驱动信号来驱动所述第一扫描镜；

d)反馈电路，用于确定各扫描线的所述驱动信号的振幅；以及

e)控制器，用于通过所述激光束使选定像素被照明并使之可见从而产生所述图像，以及用于调节各扫描线的所述驱动信号的振幅以产生所述图像的具有相同长度的所述扫描线，从而校正图像失真。

2.根据权利要求1所述的排布结构，该排布结构还包括：另外的激光器，用于发射不同波长的各个激光束；以及光学组件，用于将所有所述激光束共线地布置成去往所述第一扫描镜的复合光束。

3.根据权利要求1所述的排布结构，其中，所述驱动电路用于使所述第一扫描镜在第一扫描角上沿相反的圆周方向振荡，并且其中，所述控制器用于在所述驱动信号的振幅被调节时对所述第一扫描角进行调节。

4.根据权利要求1所述的排布结构，其中，所述控制器包括微处理器和其中存储有所述驱动信号的振幅值的查找表。

5.根据权利要求4所述的排布结构，该排布结构还包括与所述微处理器对接的用户输入，该用户输入用于人工调节所述扫描线的长度以去除所述图像失真。

6.根据权利要求1所述的排布结构，其中，所述投影面是平面屏幕。

7.一种用于校正投影在投影面上的图像的失真的方法，包括以下步骤：

a)发射激光束；

b)利用第一扫描镜沿第一扫描方向扫出所述激光束，以在所述投影面上形成扫描线，以及利用第二扫描镜沿与所述第一扫描方向大致垂直的第二扫描方向扫出扫描线，以在所述投影面上形成扫描线的光栅图案，由于所述激光束在所述第二扫描镜和所述投影面之间行进的距离不同，所以所述扫描线在所述第一扫描方向上具有不同长度，每条扫描线在所述第一扫描方向上具有多个像素；

c)以具有振幅的驱动信号来驱动所述第一扫描镜；

d)确定各扫描线的所述驱动信号的振幅；以及

e)通过所述激光束使选定像素被照明并使之可见以产生所述图像，以及调节各扫描线的所述驱动信号的振幅以产生所述图像的具有相同长度的所述扫描线，从而校正图像失真。

8.根据权利要求7所述的方法，该方法还包括以下步骤：发射不同波长的各个激光束；以及将所有所述激光束共线地布置成去往所述第一扫描镜的复合光束。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述驱动步骤包括使所述第一扫描镜在第一扫描角上沿相反的圆周方向振荡，并且其中，所述调节步骤是通过在所述驱动信号的振幅被调节时对所述第一扫描角进行调节而执行的。

10.根据权利要求7所述的方法，该方法还包括以下步骤：将所述驱动信号的振幅值存储在查找表中。

11.根据权利要求10所述的方法，该方法还包括以下步骤：人工调节所述扫描线的长度以去除所述图像失真。

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