CN101278556A - 光学扫描设备以及使用该设备的图像显示设备 - Google Patents

Abstract

光学扫描设备将马达的转动转换成往复直线运动，从而在两个方向上扫描由光源调制的光线。此外，变向装置形成在光源的直线往复运动路径的两端处从而改变光源的运动方向。

Description

光学扫描设备以及使用该设备的图像显示设备

技术领域

本发明涉及一种光学扫描设备以及一种图像显示设备。更具体地，本发明涉及一种使用直线光源的光学扫描设备以及一种使用该设备的图像显示设备，其中所述直线光源进行直线往复运动或以多边形的形状循环运动。

背景技术

本申请的申请人的名称为“二维光学扫描设备及使用该设备的图像显示设备(Two dimensional optical scanning apparatus and image displayapparatus using the same)”的韩国专利申请No.10-2003-0071920(韩国专利公开出版No.10-2005-0036288)披露了一种涉及具有设置在循环运动体上的直线光源的光学扫描设备。在前述出版物的图7和8中，所述运动体包括至少两个卷筒(drum)以及一个连接到所述卷筒的皮带或链条。即，其配置成使得运动体在皮带或链条上循环运动，但是除了上述循环运动方法外，还提出了多种光学扫描方法。

发明内容

本发明致力于提供一种光学扫描设备以及一种使用该设备的图像显示设备，所述光学扫描设备的优点在于通过使得光源直线地循环运动而执行用于在两个方向上扫描光线的光学扫描方法。该直线循环运动包括直线往复运动和在多边形路径上的循环运动。

此外，本发明还致力于提供一种光学扫描设备，其中所述光源能够无需卷筒和皮带而执行直线往复运动。

根据本发明实施方式的示例性光学扫描设备包括：马达，其相对于转动轴转动；转换装置，其将所述马达的转动转换为往复直线运动；以及光源，其连接到所述转换装置从而执行往复直线运动，并且在所述光源中设置有多个发光元件，所述多个发光元件发射调制光以传送图像信息。

转换装置可包括：引导件，其将所述光源的运动限制为往复运动；第一连接件，其以至少能够部分地转动的方式连接到所述光源；以及第二连接件，其一端以能够转动的方式连接到所述第一连接件，其另一端固定地连接到所述马达。

根据本发明另一示例性实施方式的光学扫描设备包括：光源，其中设置有多个发光元件，所述多个发光元件发射调制光以传送图像信息；直线马达，其使所述光源沿多边形路径或直线路径运动；以及变向装置，其在所述光源运动时改变所述光源的运动方向。

所述变向装置可配置成通过碰撞改变光源的速度或方向。所述变向装置可包括补偿体，所述补偿体与所述光源碰撞从而改变所述光源的速度或方向；还可包括弹性体，所述弹性体连接到所述补偿体从而使得所述补偿体以特定的周期振动。此外，所述光学扫描设备可还包括传感器，所述传感器附连到所述光源并检测所述光源的速度、位移等。

根据本发明再一示例性实施方式的光学扫描设备包括：光源，其中设置有多个发光元件，所述多个发光元件发射调制光以传送图像信息；弹性体，其一端连接到所述光源，其另一端固定，并且所述弹性体进行伸缩或振动，从而使得所述光源执行直线往复运动；以及振动控制器，其控制所述弹性体的伸缩或振动，从而将所述光源的速度控制为常量。

振动控制器可包括设置在所述弹性体一端的永久磁体以及设置在所述弹性体另一端的电磁体，其中通过对施加到所述电磁体的电流进行控制而控制所述弹性体的伸缩或振动。可替代地，所述振动控制器可包括多个电磁体或磁体，所述多个电磁体或磁体设置在所述光源的直线往复运动的路径上从而控制所述光源的速度。

附图说明

图1是示出根据本发明第一示例性实施方式的光学扫描设备的图形；

图2是示出根据本发明第二示例性实施方式的光学扫描设备的图形；

图3是示出根据本发明第二示例性实施方式的光学扫描设备的示例性变型的图形；

图4是示出根据本发明第三示例性实施方式的光学扫描设备的图形。

具体实施方式

下面将参照示出了本发明示例性实施方式的附图更全面地描述本发明。

现在将参照图1解释根据本发明第一示例性实施方式的光学扫描设备。图1中示出的光学扫描设备包括：马达400，其相对于转动轴410转动；转换装置300，其将马达400的转动转换为往复直线运动；以及光源100，其连接到转换装置300从而执行往复直线运动。

马达400可由一般的转动马达实现，并且本发明可通过将齿轮插设在马达和转换装置之间而以不同的方式实现。在使用齿轮等来传递转动力的情形下，马达和转换装置的位置能够根据设计而变化，从而能够最优地利用空间。

光源100可优选地通过将多个发光元件——例如激光二极管或发光二极管等——排成直线而实现，并且光源发射与将要显示的图像相应的红色、绿色和蓝色的调制光。图像信息可通过有线连接或无线连接而递送到直线光源100。如图1所示，光源100能够由其中发光元件110设置为单排的光源实现，并且如果单排发光元件不能获得足够的分辨率，或者如果光的亮度不够，则光源100能够由其中发光元件设置为两排或多排的光源实现。此外，虽然图1中示出一个光源，但是在相关设计中也能够设置多个光源。

转换装置300包括：导轨310，其设置成将光源100的运动限制为直线运动；第一连接件320，其连接到光源100，从而至少部分地可转动并具有预定长度；以及第二连接件330，其一端以可转动的方式连接到第一连接件，其另一端固定地连接到马达400的转动轴410并具有预定长度。导轨310可以以多种形状形成为例如具有四边形或圆形截面的杆，形成为柱(pin)或形成为管，只要导轨310能够将第二连接件的运动限制为直线运动就足够了。第一连接件320和第二连接件330通过耦联轴340以可转动的方式彼此连接，并且也可以使用轴承、滚轴等。此外，为了增强操作的稳定性，能够在第一和第二连接件之间增加另一连接件，或者能够增加多个零件。第一连接件320和光源100通过耦联轴350以可转动的方式彼此连接。

下面是根据本发明第一示例性实施方式的二维光学扫描设备的操作。

如果通过施加来自于电源(未示出)的电流而转动马达400，固定地连接到马达400的第二连接件330相对于转动轴410转动。第一连接件320的一端连接到第二连接件330从而相对于耦联轴340转动，另一端连接到光源100从而相对于耦联轴350转动。因此，第一连接件320的靠近耦联轴340的端部执行转动，而第一连接件320靠近耦联轴350的端部的运动被限制到导轨310的方向。即，光源100相对于耦联轴350连接到第一连接件，并且其运动被导轨310限制为垂直于马达400的转动轴410的导轨的方向，使得光源100沿着导轨310执行往复直线运动。因此，马达400的转动由彼此以可转动的方式连接的第一连接件320和第二连接件330的组合而转换成光源100的往复直线运动。

更具体地，第二连接件330相对于转动轴410转动而画出具有与到耦联轴340的距离相对应的半径的圆，以相对于耦联轴340可转动的方式连接到第二连接件330的第一连接件320相对于耦联轴350以可转动的方式连接到光源100。如果第二连接件330转动而画圆，则由于第一连接件320具有预定长度而将力和力矩作用在光源上，并且因为光源仅能在特定的直线方向上沿着导轨310运动，所以光源沿着导轨直线运动。即，如果第二连接件330转过一周，光源100执行一次往复直线运动。由于光源100的往复直线运动在同一方向上往复地运动，所以光源100的一次往复直线运动能够实现两次扫描，并且通过第二连接件330的连续转动，光源100能够在同一方向上连续地进行往复直线运动，从而能够沿着直线导轨执行与马达旋转两周相应的扫描。

同时，尽管在附图中未示出，力矩能够由光源100和第一连接件320的重力施加在转动轴410上，并且这可能会产生噪声和振动。因此，为了平衡该力矩，具有合适重量的部件——例如配重等能够耦联到第二连接件330的靠近转动轴410的端部，从而消除作用在其两侧上的力矩，以增强机械稳定性。此外，该力矩还能够通过将另一连接件耦联到第二连接件330的靠近转动轴410的端部而平衡，所述另一连接件以与第一连接件320相同的方式在相反的方向上运行，并且这能够通过相关设计而实现。

当光源100的运动方向上的中心线经过马达400的中心时，光源100的直线运动范围变得最长。在此情形下，当第一连接件320的两个耦联轴340和350之间的距离被称为第一连接件的有效长度、并且第二连接件的两个轴410和340之间的距离被称为第二连接件的有效长度时，扫描方向上显示屏的范围对应于第一连接件的有效长度和第二连接件的有效长度之差到第一连接件的有效长度和第二连接件的有效长度的和。因此，扫描方向上显示屏区域的长度成为第一连接件的有效长度的两倍。

光源100在进行往复直线运动的同时发出根据输入到该光源的控制信号而调制的光线并扫描该光线。此时，优选地，光源100的直线运动的线速度保持为常数。然而，由于当马达以恒定的转速运行时，往复直线运动的线速度不是常数，所以传感器可安装到光源100，并且线速度能够得以补偿。即，能够通过检测光源100的位置并在相应位置处控制光线调制或者通过控制马达400的转速而维持光源100的线速度为常数。

除了上述用于将光源的线速度保持为常数的方法外，还可以使用在第一连接件和第二连接件之间采用另一连接件的机械方法。这种机械方法在机械设计领域是公知的，在第一连接件和第二连接件之间能够增加连接件、耦联轴以及其它机构，从而将光源的运动速度保持为常数(参见“罗伯特·L·诺顿，机械设计，麦格劳·希尔国际出版公司(Robert L.Norton，Design of Machinery，McGraw-Hill)”)。

下面将参照图2解释根据本发明第二实施方式的光学扫描设备。图2中示出的光学扫描设备包括：直线马达200；光源100，其连接到直线马达200从而执行直线往复运动，并且包括多个沿光源100长度方向设置的发光元件；以及两个变向装置500，其分别设置在光源100的运动路径的两端上并且改变光源100的运动方向。

光源100类似于根据本发明第一示例性实施方式的光学扫描设备的光源。

光源100附连到直线马达200，从而执行直线运动。直线马达200一般通过电磁力操作，并且该马达能够以多种方式实现。例如，直线马达200能够通过沿着运动方向设置的永久磁体以及在永久磁体上运动的电磁体实现。如果电磁体的极性通过控制电流而以恒定的周期交替变化，则相应于沿着运动方向设置的永久磁体的N(北)极和S(南)极适当地产生吸力和斥力，从而能够实现直线运动。

虽然使用了这种直线马达，但是在特定范围内运动时还是临时地需要很大的能量以使得光源100在图2中示出的点A和B处改变运动方向。即，由于光源的速度将突然变化以在点A和B处改变运动方向，所以临时需要比直线运动范围内正常需要的能量大得多的能量，并且在改变运动方向后难以保持恒定的速度。

在本发明第二示例性实施方式中，使用变向装置500以及光源100的动能改变光源的运动方向，使得光源100的速度能够在直线范围内保持恒定。

变向装置500包括：补偿体510，该补偿体与光源100碰撞从而改变光源100的速度；弹性体520，其连接到补偿体510从而使得补偿体510以恒定的周期振动。弹性体520能够形成为弹簧，以使得补偿体510振动。

下面是根据本发明第二示例性实施方式的二维光学扫描设备的操作。

如果将来自于电源(未示出)的电流施加到直线马达200，光源100借助直线马达200执行直线运动。例如，在光源100朝向点A直线向下运动的情况下，直线马达200运行，直到其前进到离点A预定距离内，使得光源100以恒定的线速度运动，并且即使供应到直线马达的电流顷刻间被切断，光源100也能够以恒定的速度运动并与点A处的补偿体510碰撞。此时，补偿体510借助弹性体520以特定周期执行振动，在此情形下，如果补偿体510在与光源100的运动方向相反的方向上运动，则光源100与补偿体510碰撞，使得光源100朝向点B向上运动。在光源100朝向点B运动的同时，再次向直线马达200供电，使得控制马达从而使得光源以恒定的线速度执行直线运动。在光源100以恒定的线速度运动的同时，当光源100前进到离点B预定距离内时，直线马达200停止运行，并且光源100与点B处的上部补偿体510碰撞，从而改变光源100的运动方向。以此方式，光源100在点A和B之间往复运动。因此，在每次与补偿体510碰撞的情况下光源100的运动方向都会改变，并且这代表一次新的扫描，于是在单位时间周期内碰撞次数等于单位时间周期内屏幕扫描的次数。

在与光源100碰撞后，补偿体510的振动特性由于碰撞而改变，在此情形下通过控制补偿体510和弹性体520，在下一次碰撞之前补偿体510的振动状态能够改变为具有所需周期以及所需位置。为了检测变向装置的速度和相位并对其进行控制，优选地将传感器安装到变向装置或者接收外部传感器的信号。

此时，为了增加光源100的速度改变，优选地补偿体510的质量大于光源100的质量，并且虽然如上所述补偿体以恒定的周期振动，但是补偿体也可以不振动。

在执行直线往复运动的同时，光源100发射根据输入到其内的控制信号调制的光并对所发射的光进行扫描。

虽然如上所述光源执行直线往复运动，但是根据本发明第二示例性实施方式的光学扫描设备还能够应用于光源以多边形路径循环或往复的情况。图3示例性地示出光源以四边形路径循环的同时扫描的情形。即，在光源100的运动路径是四边形的情形中，变向装置500分别设置在四边形的顶点处，使得光源100的运动方向能够借助于变向装置500而垂直于前一个运动方向。光源100能够设置在支撑构件上，使得其纵向是水平的以便于扫描朝向四边形外侧的光线。

虽然图2和图3示出光源和补偿体以机械的方式彼此碰撞的情形，但是也能够应用光源和补偿体以磁力的方式或者电力的方式碰撞的情形。

而且，除了采用图2和图3中示出的直线马达外，还能够类似地应用采用其中具有配置成执行直线运动的轴的马达的情形，或者其中使用用于将马达的转动转换成直线运动的方法的情形。

下面将参照图4解释根据本发明第三示例性实施方式的光学扫描设备。根据本发明第三示例性实施方式的光学扫描设备使用机械动力——即例如弹簧等弹性体的伸缩——作为使光源执行直线往复运动的动力。

图4中示出的光学扫描设备包括：光源100，其包括多个沿光源的长度方向设置的发光元件；固定构件630和631，其形成于光源的运动路径的两端处；导杆610，其两端分别连接到固定构件630和631，从而限定光源100的运动路径；弹簧620，其弹性地连接到光源100和固定构件630；电磁体640和641，其分别附连到固定构件630和631，从而控制弹簧620的伸缩或振动；以及永久磁体650和651，其附连到光源。此时，电磁体640和641以及永久磁体650和651形成执行控制弹簧振动的功能的振动控制器。

光源100类似于根据本发明第一示例性实施方式的光学扫描设备的光源。

弹簧620在光源100的运动路径上反复伸缩，从而使得光源100执行直线往复运动。此时，虽然在图4中固定构件和导杆示例性地示出为用于形成光源100的运动路径的构件，但是导杆也能够由滑轨等构成，并且滑轨能够与轴承、空气轴承、滚轴等一起形成光源的运动路径。

在光源的直线往复运动仅通过弹簧实现的情形中，振动可能会由于摩擦而衰减，从而光源的速度能够减小，因此永久磁体650和651以及电磁体640和641用作振动控制器以抵消摩擦。即，当光源100朝向固定构件630运动时控制施加到电磁体640的电流，使得在电磁体640和永久磁体650之间产生吸力，并且当光源100在相反方向上运动时控制施加到电磁体640的电流，使得在电磁体640和永久磁体650之间产生斥力。在光源100朝向固定构件631运动的情况下，能够类似地实现对施加到电磁体631的电流的控制。

虽然图4示出永久磁体附连到光源并且电磁体附连到固定构件，但是也可以将电磁体附连到光源并且将永久磁体附连到固定构件。此外，根据设计，也可将多个永久磁体和电磁体设置到固定构件和光源上，并且也可设置多个导杆和弹簧。

此外，虽然图4示出电磁体作为振动控制器附连到固定构件，但是和传统的直线马达的结构一样，通过以下方式也能够精确地控制光源的速度：在光源的运动路径上设置多个电磁体(或永久磁体)使得其北极和南极交替设置，并精确地控制附连到光源的永久磁体(或电磁体)之间的吸力/斥力。

同时，虽然附图中未示出，但是可以在光源前方安装放大镜从而放大所扫描的屏幕的尺寸，并且能够通过使用相关的补偿镜来补偿光学误差，从而提高图像质量。

而且，虽然如上所述根据本发明第一和第三实施方式的光学扫描设备包括一个光源，但是也可以设置多个光源。此外，如果需要，除了直线形状之外，光源还能够形成为环形或带形。

而且，在参照图3描述的本发明第二示例性实施方式中，可设置多个光源，并且能够形成分别用于各个光源的分离的显示屏，从而具有能够扫描多个图像的优点。

第一实施方式的导轨可用在第二实施方式或第三实施方式中以引导直线运动。导轨能够通过柱形机构以及球轴承实现，或者通过杆、管或各种空心轴与轴承、套管或滚轴一起形成。另外，为了减小由于机械零件之间的接触而产生的噪声，可使用空气轴承、空气套管或磁性轴承。

虽然如上所述本发明的实施方式彼此独立，但是这些实施方式也能够实现在一个光学扫描设备中。例如，转动马达的转动能够转换成光源的直线运动，并且同时，也可以加入由第三实施方式中的弹簧实现的往复运动。

如上所述，在根据本发明的光学扫描设备中，能够通过使转动马达或循环光源运动来执行多种扫描方法。

此外，虽然在此说明书中仅描述了光学扫描设备，但是通过将屏幕设置在由光源扫描的图像显示器上，能够实现图像显示装置。

尽管已经结合目前认为实用的示例性实施方式描述了本发明，应该了解，本发明不局限于所公开的实施方式，而是正好相反，本发明意在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种改型和等同装置。

Claims (15)

1、一种光学扫描设备，包括：

马达，其相对于转动轴转动；

转换装置，其将所述马达的转动转换为往复直线运动；以及

光源，其连接到所述转换装置从而执行往复直线运动，并且在所述光源中设置有多个发光元件，所述多个发光元件发射调制光以传送图像信息。

2、如权利要求1所述的光学扫描设备，其中所述转换装置包括：

引导件，其将所述光源的运动限制为往复运动；

第一连接件，其以至少能够部分地转动的方式连接到所述光源；以及

第二连接件，其一端以能够转动的方式连接到所述第一连接件，其另一端固定地连接到所述马达。

3、如权利要求1所述的光学扫描设备，其中所述马达的轴的方向与所述光源的运动方向彼此垂直。

4、如权利要求1所述的光学扫描设备，还包括传感器，所述传感器附连到所述光源并检测所述光源的速度、位移等。

5、一种光学扫描设备，包括：

光源，其中设置有多个发光元件，所述多个发光元件发射调制光以传送图像信息；

直线马达，其使所述光源沿多边形路径或直线路径运动；以及

变向装置，其在所述光源运动时改变所述光源的运动方向。

6、如权利要求5所述的光学扫描设备，其中所述变向装置通过碰撞改变所述光源的速度或方向。

7、如权利要求5所述的光学扫描设备，其中所述变向装置包括补偿体，所述补偿体与所述光源碰撞从而改变所述光源的速度或方向。

8、如权利要求7所述的光学扫描设备，其中所述变向装置还包括弹性体，所述弹性体连接到所述补偿体从而使所述补偿体以特定的周期振动。

9、如权利要求7所述的光学扫描设备，其中所述光源和补偿体的速度的方向彼此不同。

10、如权利要求5所述的光学扫描设备，其中所述光源的运动方向以及所述光源的长度方向彼此垂直。

11、如权利要求5所述的光学扫描设备，还包括传感器，所述传感器附连到所述光源并检测所述光源的速度、位移等。

12、如权利要求7所述的光学扫描设备，其配置成使得碰撞的次数和所扫描的图像的个数彼此相等。

13、一种光学扫描设备，包括：

光源，其中设置有多个发光元件，所述多个发光元件发射调制光以传送图像信息；

弹性体，其一端连接到所述光源，其另一端固定，并且所述弹性体进行伸缩或振动，从而使所述光源执行直线往复运动；以及

振动控制器，其控制所述弹性体的伸缩或振动，从而将所述光源的速度控制为常量。

14、如权利要求13所述的光学扫描设备，其中所述振动控制器包括设置在所述弹性体一端的永久磁体以及设置在所述弹性体另一端的电磁体，其中通过对施加到所述电磁体的电流进行控制而控制所述弹性体的伸缩或振动。

15、如权利要求13所述的光学扫描设备，其中所述振动控制器包括多个电磁体或磁体，所述多个电磁体或磁体设置在所述光源的直线往复运动的路径上从而控制所述光源的速度。

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