CN101263420B - 用于投影二维、彩色图像的彩色图像投影系统 - Google Patents

Abstract

一种将图像投影到投影屏幕上的图像投影系统，投影屏幕上具有磷光体，用于将入射的紫色光线转换为绿色光线，并与红色和蓝色光线一起产生全色图像。该屏幕包括具有以磷光体填充的孔径的有孔掩模，或者磷光板与掩模接触，并具有沿着孔径延伸并穿过孔径的小透镜。

Description

用于投影二维、彩色图像的彩色图像投影系统

技术领域

本发明通常涉及在后投影屏幕上投影二维图像，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。红、蓝和绿色激光器被用于以投影彩色图像。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，很大程度上是由于使用了具有晶体倍频器的红外泵浦二极管(diode-pumped)Nd:YVO4晶体激光器以生成绿色光束，以及使用声光调制器用于脉冲调制绿色光束。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在后投影屏幕上投影出锐利和清晰的、二维、全色图像的图像投影系统。

本发明的另一个目的是通过不使用绿色激光器及其相关电路，使得这种投影系统中的功耗、成本和复杂度最小。

本发明的还一个目的是提高由这种系统投影的彩色图像的分辨率。

本发明的另一个目的是在这种系统中排除绿色激光器的使用。

本发明的另一个目的是提供一种在其上可以看见全色图像的新颖的屏幕。

在一个目的是提供在多个不同外形因素的装置中有用的小型、紧凑、轻量的以及便携式的彩色图像投影系统。

与这些目的和其它目的一致的目的在下文中将变得显而易见，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系统中。该设备包括投影屏幕；用于分别地发射红、蓝和紫色激光束的多个红、蓝和紫色激光器；用于形成红、蓝和紫色光束的合成光束的光学组件；用于扫过合成光束作为跨越屏幕的扫描线图案的扫描器，每条扫描线有多个像素；以及用于通过合成光束促使所选择的像素被照亮，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，提供在投影屏幕中的磷光体，用于将紫色光束转换成绿色激光束以产生红、蓝和绿色的图像。

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听得见的频率，例如18kHz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。图像的分辩率优选地超过VGA品质的四分之一，但是典型地等于或超过VGA品质。优选所述激光器、扫描器、控制器和光学部件占用小于七十立方厘米的体积。

投影屏幕包括准直透镜，例如，菲涅耳透镜，用于将红、蓝和紫色光束对准为平行光线；具有多个透镜以在聚焦平面聚集平行光线的双凸透镜阵列；以及在聚焦平面具有多个小孔的掩模，每个小孔被以磷光体填充，其操作以从其中发射入射的红色和蓝色光束，并用于将入射的紫色光束转换成绿色光束，由此使得红、蓝和绿色(RBG)图像显示在屏幕上。为了增大磷光体上的入射光束的增益，提供多个小透镜，每个用于掩模的一个孔径。

附图说明

图1是根据本发明用于在后投影屏幕上投影图像的系统的图解视图；

图2是根据本发明用于安装在图1的系统中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；

图7是描绘图2的设备的操作的电气示意功能框图；

图8是在其上投影图像的投影屏幕的截面图；

图9是图8的屏幕的透视图；

图10是根据本发明的一个实施例的图8的投影屏幕的细节的分解截面图；以及

图11为类似于图10的视图，但为投影屏幕的另一个实施例。

具体实施方式

图1中的附图标记10，通常标识为安装了图2所示的轻量、紧凑的图像投影设备20的框架，并操作以投影合成光束到固定的后部反射镜12，并从那里反射到包含准直透镜14、双凸透镜阵列16和孔径掩模18的后投影屏幕上，其结构和功能在下面结合图8-12进行说明。如同下面所说明的，屏幕前面的观测者可以看见上面的二维、红、蓝和绿色图像。

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630-675纳米的明亮的红色激光束58。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将红色光束聚焦到屏幕上。

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435-490纳米的衍射受限蓝色激光束56。采用另外的偏球形透镜30和凹透镜32以用类似于透镜24、26的方式将蓝色光束聚焦到屏幕上。

还有另外一个固态、半导体激光器34安装在支架上，并且当其被激励时发射具有优选地为400-415纳米级的波长的衍射受限紫色激光束40。对于某些应用，350-370纳米级的更短的波长可能更可取。使用另外的偏球形凸透镜44和凹透镜46以用类似于透镜24、26的方式将紫色光束40聚焦到屏幕上。如下所述，最后使用紫色激光器而不是绿色激光器来产生绿色光束以创建全色、红色、蓝色和绿色(RBG)图像供观看。

该设备包括一对安排用于使得紫、蓝和红色光束在到达扫描组件60之前基本上共线的分色滤光器52、54。滤光器52允许紫色光束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允许紫色和蓝色光束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。

基本上共线的光束40、56、58作为合成光束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(在图4-5中分离示意的)以第一扫描速率振荡以在水平扫描角扫过从反弹反射镜62反射的合成光束的第一扫描镜64，以及由电磁驱动器70以第二扫描速率振荡以在垂直扫描角扫过从第一扫描镜64反射的合成光束的第二扫描镜68。在不同的结构中，扫描镜64、68可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设备，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)。

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、铝或类似材料制成的镜面涂层涂覆反射镜64的表面，或者以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。通过有限的焦点距离可以显示1270×720像素的高清晰度的720p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，较慢的反射镜优选以恒定速度移动。在反射镜的返回期间，该反射镜以比其谐振频率显著地更高的速度移动，并且使激光器去激励以降低功耗。

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。上述组件被安装在支架或底板100上，并定义了光学路径102。夹具104、106、108、110、112相互对齐地分别固定折叠式反射镜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、蓝和紫色电源控制器116、118、120分别传导电流到红、蓝和紫色激光器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、蓝和紫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。

惯性驱动器从一个端点开始沿着水平方向以水平扫描速率扫过合成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合成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。如下所述，绿色源自紫色光束。如下所述，可见光谱中的任何颜色可以通过选择性叠加一个或多个激光束来形成。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、蓝和紫色缓冲器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、和紫色查找表(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。所产生的红、蓝和紫色数字信号通过数模转换器(DAC)138、140、142被转换成红、蓝和紫色模拟信号。红、蓝和紫色模拟信号被馈送给同样与红、蓝和紫色电源控制器116、118、120相连的红、蓝和紫色激光驱动器(LD)144、146、148。

图7还示出了反馈控制，包括与红、蓝和紫色模-数(A/D)转换器158、160、162相连并反之与微处理器114相连的红、蓝和紫色光电二极管放大器152、154、156。

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，同时优选通过保持红、蓝和紫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。

为了从绿色光束得到紫色，要修改后投影屏幕。根据本发明，合成(红、蓝和紫色)光束从图1中的投影设备20发出，并反之从背面反射镜12反射，如图8-9更为详细示出的，被投射到准直透镜14之上，优选准直透镜为菲涅耳透镜。同样如图8-9更为详细示出的，从准直透镜退出的校准光线被指向双凸透镜阵列16上。如同在图10放大的视图中更为清楚地示出的，双凸透镜阵列16具有二维透镜阵列36，每个操作用于将入射的校准光线聚焦到孔径掩模18的平面，尤其是聚焦到其的孔径38上。每个透镜36的尺寸大约为50-100微米，并且优选小于屏幕的基本像素尺寸。

根据本发明，以磷光体50填充每个孔径38，当磷光体50受到入射聚焦光线的激励的时候，传播/散射入射光线的红色和蓝色成分，但根据紫色成分创建绿色光。换言之，磷光体50仅仅对紫色光作出响应以生成绿色光，但是基本上不变地散射红色和蓝色激光波长。然而，一小部分蓝色波长激光被吸收并被磷光体转换成绿色光。这是有利的，因为少量的绿色激光与蓝色激光混合以模拟一个有效地更长波长(460-480纳米)的蓝色光，通常在标准的LCD和CRT显示器中获得。有几种磷光体具有这种特性，尤其是日本Nichia公司销售的型号为NP-2211、NP-2221和NP108-83的磷光体。

透镜36可以很好地选择沿着某一方向传播/散射的光的数量，因此确保大部份光线被导向到观测者期望的位置。例如，由于观测者通常坐在与屏幕相同的高度，因此不需要从沿垂直方向大于10°的从屏幕发射任何光线。沿着水平方向，不需要在大于30°-40°的角度上发射光线。这就增强了观测者看到的光线的增益和数量。

面向观众的屏幕的大部份区域是黑色的。这就降低了环境反射并增强了图像对比度。通过与上述磷光体一起使用紫色激光显著降低了斑点噪声，因为人的眼睛对绿色更敏感。如图11所示，将分离的磷光板42毗连掩模18放置，而不是使用磷光体填充掩模18的孔径。10-20微米级的小透镜150被置于掩模的孔径内以增大增益。

如图9所示，孔径38不需要具有矩形的横截面，而是可以具有任何横截面，诸如圆形、椭圆形、或方形。如同描述，后投影屏幕作为电视或监控显示器尤为有用。该屏幕也可以是前投影屏幕，在此紫色光线被转换成绿色光线，并且其中红色和蓝色激光束被散射回到观测者。

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 (10)

1.一种用于投影二维、彩色图像的图像投影系统，包括：

投影屏幕；

激光器组件，包括红色、蓝色和紫色固态半导体激光器，用于向所述投影屏幕发射分别由不同波长的多个红、蓝和紫色激光束组成的合成光束；

扫描器，用于扫过横越所述投影屏幕的扫描线的图案中的合成光束，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，用于通过所述合成光束促使所选择的像素被照亮，并使得可见，以产生图像；以及

掩模的孔径中的磷光体，用于将紫色光束转换为绿色光束，

其中，所述投影屏幕包括用于使激光束准直的准直透镜、具有用于在聚焦平面上聚焦所准直的激光束的多个透镜的双凸透镜阵列、以及具有处于所述聚焦平面的孔径的所述掩模。

2.根据权利要求1的图像投影系统，其中所述扫描器包括：

用于以第一扫描速率沿第一方向，并以第一扫描角扫过所述合成光束的第一振荡扫描镜，以及

用于以不同于所述第一扫描速率的第二扫描速率，沿与所述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合成光束的第二振荡扫描镜，

其中，第一方向是垂直或水平方向。

3.根据权利要求2的图像投影系统，其中至少一个所述扫描速率超出可听见的频率以使噪声最小。

4.根据权利要求2的图像投影系统，其中至少一个所述扫描镜由惯性驱动器振荡。

5.根据权利要求1的图像投影系统，其中所述控制器包括用于激励所述激光器组件以照射所述选择的像素，以及用于去激励所述激光器组件以不照射所述选择的像素之外的像素的装置。

6.根据权利要求1的图像投影系统，其中所述准直透镜为菲涅耳透镜。

7.根据权利要求1的图像投影系统，所述图像投影系统还包括一光学组件，该光学组件包括多个分色滤光器，每个分色滤光器可操作用于反射其中至少一个光束并用于传播所述至少一个光束。

8.根据权利要求1的图像投影系统，其中每个孔径具有矩形、圆形、椭圆形或方形的横截面。

9.一种用于投影二维、彩色图像的图像投影系统，包括：

激光器组件，用于发射分别由不同波长的多个激光束组成的合成光束；

投影屏幕，将所述激光束对准所述投影屏幕，所述投影屏幕包括：

准直透镜，用于使所述激光束准直；

双凸透镜阵列，具有用于在聚焦平面上聚焦所述准直的激光束的多个透镜；

具有处于所述聚焦平面的孔径的掩模；和

多个小透镜；

扫描器，用于扫过横越所述投影屏幕的扫描线的图案中的合成光束，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，用于通过所述合成光束促使所选择的像素被照亮，并使得可见，以产生图像；以及

与所述掩模接触并处于所述聚焦平面的磷光体板，用于将具有某一波长的其中一个激光束转换成不同的波长，以产生红、蓝和绿色的图像，每个小透镜沿每个孔径延伸并穿过所述孔径。

10.根据权利要求9的图像投影系统，其中每个孔径具有矩形、圆形、椭圆形或方形的横截面。

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