CN101646043B - 具有相位检测及补偿功能的扫描投射显示装置 - Google Patents

具有相位检测及补偿功能的扫描投射显示装置 Download PDF

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Abstract

一种具有相位检测及补偿功能的扫描投射装置，包含：一光源用以产生一光束，一光束扫描器用以偏射光束并扫描投射成一二维影像区，一调变装置用以调变光束强度，及一感应器用以检测扫描光束；该光源可由多个半导体激光器及/或固态激光器构成用以产生具有红、绿、蓝色波长且校正成单一光径的光束；该影像区分为一实用影像区用以显示影像及一位于实用影像区的周边的暗区其中的光束被切掉以减少所存在的影像缺点；感应器设在实用影像区的外边用以在每一影像帧检测一次扫描线，以削除因扫描光束的正确位置与预测位置之间的相位差而造成的影像畸变，并检测该光束扫描器的水平及垂直双向扫描操作以达安全性预防效果。

Description

具有相位检测及补偿功能的扫描投射显示装置
技术领域
本发明有关一种扫描投射装置，尤指一种在光束调变时间点与扫描光束位置之间具有相位检测及补偿功能的光束扫描投射显示装置。
背景技术
在一扫描投射显示装置中，可利用一个具有双轴扫描功能的光束扫描器或利用两个具有单轴扫描功能的光束扫描器且各单轴校正成相互垂直，以将一准直的光束以二垂直轴交叉点移动而偏射形成一影像区；一影像区的建立可以将光束以光栅型式(raster pattern)或利萨如型式(Lissajous pattern)扫出；影像，包括图表或图形，可以利用确定光束位置及调变光束功率，而在影像区上依据所接收的影像资料以形成所要求的影像像素(image pixels)。
为了制成一小型影像投射系统，通常是使用一微机电扫描振镜(micromechanical scanning mirror)作为光束扫描器；电子驱动信号如交流电压或交流电流被应用在光束扫描器以使微机电扫描振镜产生机械式振动；当光束扫描器在或接近其共振频率时，可以在具正弦扫描抛物线轨迹的双向运动中得到最大机械成果或大扫描角度。对光栅(raster)扫描系统而言，当垂直向扫描运动依据影像更新率(refresh rate)而以频率50Hz或60Hz为一控制的锯齿线运动(sawtooth motion)时，水平向扫描运动依据影像解析度而以一高频率通常为正弦曲线；对利萨如(Lissajous)扫描系统而言，水平向及垂直向扫描运动皆是其频率比(frequency ratio)经过仔细选择的正弦曲线，以能达成一稳定的且可重复的扫描图形。
为了投射一扫描影像，经光束扫描器偏射后的光束的正确位置必须能确定，因此光束才能调变而依据所接收的影像资料去形成所要求的影像像素(imagepixels)；针对正弦扫描，只要扫描频率及交叉点时间点，即当光束通过扫描跨距(scan span)中心的时间点是已知的话，就可基于正弦运动的数学方程式以计算相对于扫描抛物线轨迹的光束位置；针对微机电扫描振动器(micromechanicaloscillator)，其振动频率是直接有关于驱动信号的频率；然而，交叉点时间点是有关于共振频率的阻尼(damping)及改变，其根据于操作环境的条件如温度、湿度、空气压力等。假使光束扫描器是以一接近共振频率的固定频率操作，共振频率的一轻微改变将导致驱动信号与光束扫描器的振动(摆动)运动间的相位改变。为了在正确地点形成影像像素(image pixels)，调变(modulation)光束的时间点因而必须被校正。假如调变光束的时间点与扫描光束的位置间的相位差未被正确补偿的话，则投射的影像像素将变得移位(displaced)及畸变(distorted)。
又，由于前投射装置使用光束扫描图表须要利用光源的高输出功率来产生足够亮度的影像，因此人眼睛的安全是一重要考量；针对安全性预防，检测光束在被光束扫描器扫描后其光束功率是否散布在一扫描影像区(image field)外是有需要的。假如光束扫描器发生故障，光束必须被切掉以保证操作安全性。因此，提供一措施(measure)以检测是否光束扫描器为正常操作状态及光束功率是否散布在一扫描影像区(image field)外是有急需性的。
发明内容
本发明的目的在于，解决现有扫描投射显示装置中调变光束的时间点与扫描光束的位置间的相位差未被正确补偿，引起投射的影像像素变得移位及畸变的技术问题。
为达到上述目的，本发明提供一种扫描投射装置，包含：
一光源，用以产生一光束；
一光束扫描器，由一以第一频率振动的第一偏射轴及一以第二频率振动的第二偏射轴来偏射光束以扫描投射一二维影像区；
一调变装置用以根据所投射的影像调变光束的强度；及
一感应器，设在实用影像区之外且其感应区至少一部分设在影像区的垂直向极端之内，使该感应器可用以检测被偏射的光束；
该光束在影像区的周边是被切掉以形成一实用影像区供投射影像，并在该实用影像区外且靠近影像区的垂直向极端被启动以产生一扫描线以在每一影像帧扫过一次感应器。
本发明还提供一种扫描投射装置，包含：
一第一光源，其用以产生一第一光束；
一第二光源，其用以产生一第二光束；
一光束扫描器，其由一以第一频率振动的第一偏射轴及一以第二频率振动的第二偏射轴来偏射光束以扫描投射一第一及一第二两个二维影像区；
一调变装置，其用以根据所投射的影像调变第一光束的强度以及用以根据所投射的影像调变第二光束的强度；及
一感应器，其感应区至少一部分设在第二影像区内且接近垂直向极端且在由第一光源所形成的实用影像区外，使该感应器可用以检测被偏射的第二光束；
其中该第一光束在影像区的周边是被切掉以形成一实用影像区供投射影像，而该第二光束在靠近第二影像区的垂直向极端但在该实用影像区外是被启动以产生一扫描线以在每一影像帧扫过一次感应器。
本发明的扫描投射装置中，该光束扫描器具有一反射面以反射并扫描一光束以形成一二维影像区。该光束是在水平方向被双轴向扫描。该光束可利用多个光源其包含半导体激光器及/或固态激光器用以产生具有红、绿、蓝色波长且校正成单一光径。而为了减少存在的影像缺点如收缩的扫描线(pinched scanlines)及较高亮度由于在扫描跨距(scan span)的极端时扫描运动的回转，该影像区的周边的光束被切掉，而为了本发明的解释目的，该周边被定义为暗区(darkfield)。因此，该影像区包含一实用影像区(active image field)用以投射影像及一暗区(dark field)用以减少存在的影像缺点。该可检测扫描光束的感应器设置在实用影像区的外边但靠近实用影像区的垂直极端且至少其感应区一部分是在暗区(dark field)内，及一水平扫描线，“回馈扫描线(feedback scan line)”为于特定时段内利用启动(switching on)选择波长的光束而产生，用以在每一影像帧(image frame)中照一次在感应器上。扫描光束的正确位置与预测位置之间的相位差可被确定，基于接收自感应器电子信号及开始回馈扫描线(feedback scan line)参考时间点。然后调变光束以在所要求的地点形成影像像素(image pixels)可与光束扫描运动成为同步(synchronized)。假如光束扫描器在垂直向扫描发生故障时，该回馈扫描线(feedback scan line)将不会扫过感应器，因感应器设置在影像区的垂直极端；假如光束扫描器在水平向扫描发生故障时，该回馈扫描线(feedback scan line)将不会以一时段式样式扫过感应器。因此，感应器配合回馈扫描线可以检测光束扫描器在水平向及垂直向的双向扫描运动的故障。
在本发明一优选实施例中，该感应器可设在一不定的位置(arbitrarylocation)除了垂直极端及水平跨距的中央及接近暗区(dark field)的垂直极端；一回馈扫描线(feedback scan line)被启动(switched on)为短于或等于一照在感应器上作相位检测的水平扫描周期的一半时段。
在本发明一实施例中，一感应器可设在沿着水平跨距的中心轴及接近接近暗区(dark field)的垂直极端。一回馈扫描线被启动(switched on)为短于或等于一照在感应器上作相位检测的水平扫描周期的一半时段。
在本发明另一实施例中，在本投射装置中一额外的光源只是专用于产生远离实用影像区(active image field)的回馈扫描线。一感应器可设置以使回馈扫描线在每一影像帧(image frame)中照一次在其感应区域中。
本发明的有益效果在于，利用检测及补偿调变光束的时间点与扫描光束的位置间的相位误差，用以改进所投射的影像品质，并提供一安全性措施(measure)用以检测光束扫描器的水平向与垂直向的双向振动。
附图说明
图1为反射光束水平向扫描以双向及正弦运动的光栅扫描形成的影像区示意图。
图2为反射光束以水平向及垂直向扫描运动的频率比(frequency ratio)为52∶5的利萨如(Lissajous)图形扫描形成的影像区示意图。
图3A为一反射光束的双向及正弦运动以及相关联的沿着影像区中心产生影像像素(image pixels)的光束调变信号说明图。
图3B为因光束调变的时间点与扫描光束的交叉点(crossover)时间点间的相位误差而沿着影像区中心产生位移像素(dislocated pixels)的说明图。
图4为本发明的投射显示装置第一实施例的立体示意图。
图5A为检测反射光束以双向及正弦运动与一感应器及一回馈扫描线的交叉点时间点的技术说明图。
图5B为感应器及用以定义扫描光束位置的相关联的时程(time interval)的一封闭(close-up)视图。
图6A为检测反射光束以双向及正弦运动与双件式感应器及一回馈扫描线的交叉点时间点的技术说明图。
图6B为双件式感应器一及用以定义扫描光束位置的相关联的时程(timeinterval)的一封闭视(close-up)图。
图7为光束以光栅扫描形成的影像区藉一感应器设在实用影像区的外边及一回馈扫描线产生在暗区内以补偿相位误差的平面说明图。
图8为一以水利萨如(Lissajous)图案扫描形成的影像区而一感应器设在实用影像区的外边及一回馈扫描线产生在暗区内以补偿相位误的平面说明图。
图9为以利萨如(Lissajous)图形扫描形成且水平向与垂直向扫描之间的频率比(frequency ratio)为52∶51的影像说明图。
图10为本发明的投射显示装置第二实施例的立体示意图。
图11为根据图10所示投射显示装置的结构而检测光束的交叉点时间点的技术说明图。
图12A为图11中光束以光栅扫描形成的影像区与一感应器及一回馈扫描线用以补偿在预测与正确交又点(crossover)间的相位误差的平面说明图。
图12B为图11中光束以利萨如(Lissajous)图形扫描形成的影像区与一感应器及一回馈扫描线用以补偿在预测与正确交又点(crossover)间的相位误差的平面说明图。
图13为本发明的投射显示装置另一实施例的立体示意图。
附图标记说明：
10、20、40、40’、140、240、340、440-影像区；11、21、41、41’、141、151、241、341、441-暗区(dark field)；12、22、32、42、42’、142、152、242、242’、342、442-实用影像区(active image field)；33、34、33’、34’-像素；50、250、450、470-光源；51、251A、251B、451-光束扫描器；52、120、220、63、152、252、352、472-感应器(光电检测器)；61、62、261、461、481-光束；63、100、200、300、163、263、363、473-回馈扫描线(feedback scan line)；101、102、103、104、105、201、202、203、301、302-交叉点(crossover)；121、122-边缘；111、112、211、212、221、222-电子脉冲信号；220A、220B-感应件。
具体实施方式
为使本发明更加明确详实，兹列举较佳实施例并配合下列图示，将本发明的结构、方法及其技术特征详述如后：
参考图1，一二维影像区10由反射光束的水平向扫描以双向及正弦运动的光栅扫描形成。在水平向扫描的双向及正弦扫描运动的典型的方案以一微机电扫描振镜(micromechanical scanning mirror)作为光束扫描器来偏射光束。开始投射下一影像帧(image frame)时，光束须执行一飞回(fly back)或一垂直折回运动藉移动该光束从影像的下右角至上左角。为了减少存在的影像缺点如由于双向扫描运动的回转而造成的收缩的扫描线(pinched scan lines)及较高影像亮度，该影像区的周边的扫描光束通常是在考虑后被切掉，在此该周边定义为暗区(dark field)11。而暗区11以内的区域是用来显示投射的影像，在此定义为实用影像区(active image field)12
针对利萨如(Lissajous)图形的扫描显示，光束的水平向及垂直向扫描运动是双向的及正弦的，而且水平向及垂直向扫描运动之间的频率比(frequencyratio)是选择使用的以达成一稳定化的扫描图形。参考图2，其水平向及垂直向扫描运动的频率比(frequency ratio)为52∶5所扫描形成的利萨如(Lissajous)图形。藉增加扫描线的强度，利萨如(Lissajous)扫描图形也能用以显示所欲的解析度如同光栅扫描(raster scanning)。该影像区20可以分成一暗区(dark field)21及一实用影像区(active image field)22藉由切掉(switching off)该影像区20的周边的扫描光束以减少存在的影像缺点。
参考图3A、3B，其用以表示当光束的正确位置未正确地决定时，光束扫描显示的投射影像可能会畸变(distorted)。图3A说明一反射光束的双向及正弦运动以及相关联的沿着实用影像区32的中心产生影像像素(image pixels)的光束调变信号。该光束将被切掉(switching off)假如调变信号是在高程度(highlevel)或反之亦然。为了沿着实用影像区32的中心产生影像像素(image pixels)，该光束必须开启(switching on)一定时段当扫描运动是横过实用影像区32的中心。假如在调变信号如图3A中实线所示，与交叉点(crossover)其定义为光束经过偏射跨距(deflection span)的中心的时间点，之间有一相位误差(phase error)时，其产生的像素33、34将移位离开实用影像区32的中心如图3B所示。假如在调变信号如图3A中点线所示，与扫描运动的交叉点(crossover)之间的相位误差(phase error)被补偿，该像素33’、34’将在实用影像区32的中心如图3B所示。因此，须补偿光束调变信号与反射光束扫描位置之间的相位误差，藉以显示影像像素(image pixels)在正确位置。针对双向且正弦运动的投射显示装置，当交叉点(crossover)时间点为已知以及扫描频率为已知的话，吾人可预测在正弦运动的抛物线轨迹上的相对光束位置，甚至不论光束扫描器的扫描角度可能因环境因素如操作温度而改变。
参考图4，其为本发明投射显示装置的第一实施例的立体示意图。一光束61由光源50产生，被一以其二偏射轴前后运动的光束扫描器51反射，以投射并扫描在投射显示装置内的一二维影像区40。虽然该光束，如图4所示，以单一光束61代表，但该光源50可由多个半导体激光器及/或固态激光器构成用以产生具有红、绿、蓝色波长的光束且校正成单一光径，而该光束扫描器51，以具二垂直偏射轴的单一光束扫描器代表，其可以由两个具单偏射轴的光束扫描器取代，由其第一个光束扫描器提供光束62的水平向(横向)扫描，由其第二个光束扫描器提供光束62的垂直向(纵向)扫描。光束62的水平向(横向)反射是正弦且双向运动，例如藉操作光束扫描器51，如一微机电振动器(micromechanical oscillator)，以其水平偏射轴共振，而光束62的垂直向(纵向)反射可以以其垂直偏射轴正弦运动运动或锯齿状运动，可根据光束扫描器51的操作。该扫描光束62在影像区的周边在考虑后被切掉，在此定义为暗区(dark field)41，以减少存在的影像缺点如由于双向扫描运动的回转而造成的收缩的扫描线(pinched scan lines)及较高影像亮度，而影像区的其余部分被定义为实用影像区(active image field)42以显示投射影像。该影像区40包含一实用影像区(active image field)及一暗区(dark field)41。一可检测扫描光束的感应器52，如光电二极管(photodiode)或硅PIN二极管(silicon PIN diode)，设置在投射显示装置内，接近暗区41的垂直极端但在实用影像区42的外边而离开光束扫描器51一段距离。
该反射光束62在暗区41内被启动(switching on)一特定时段以产生一扫描线，在此定义为回馈扫描线(feedback scan line)63以扫过感应器52。该感应器52及回馈扫描线(feedback scan line)63用以在每一影像帧(image frame)中照一次在感应器上以检测及补偿扫描光束的交叉点时间点(the timing ofcrossover)。该回馈扫描线(feedback scan line)63可藉各种不同装置来阻挡如一方形视窗设置在投射显示装置内以使只有实用影像区42投射到投射显示装置外以在较远处形成一实用影像区42’。
假如光束扫描器51在垂直向扫描发生故障，该回馈扫描线(feedback scanline)63将不会扫过感应器52而感应器52不会产生检测信号，因为感应器52设置在接近影像区40的垂直极端。假如光束扫描器51在水平向扫描发生故障时，该回馈扫描线(feedback scan line)63将不会以一时段式样式扫过感应器51而感应器52不会产生检测信号。因此，感应器52配合回馈扫描线63能够检测光束扫描器51在水平向及垂直向的双向扫描运动的故障。假如光束扫描器51在垂直向或水平向扫描操作发生故障，该影像区40’将减少成只有水平向或垂直向扫描线。或在最差状况，假如光束扫描器51在垂直向及水平向扫描操作皆发生故障，该实用影像区42’则减少成具有集中功率的单一光束。针对一前投射显示装置，该影像区40’暴露在观看者附近，具集中高功率的光束会导致眼睛安全性顾虑。因此，假如感应器52没有产生检测信号，光束61会被切掉。
参考图5A、5B，其用以说明与本发明相关联的检测反射光束以双向及正弦运动的技术。一可检测扫描光束的感应器120设置在偏射跨距(deflection span)任一位置除了极端及交叉点(crossover point)。一用以检测相位误差的扫描线，在此定义为回馈扫描线(feedback scan line)100，产生扫描周期的一半时段，藉拉动光束的有用或调变信号至低程度从预测的第一交叉点(predicted firstcrossover)101至预测的第二交叉点(predicted second crossover)102。一完整扫描周期的时段定义为T，因此回馈扫描线100开启的时程为T/2。该回馈扫描线100经过感应器的第一边缘121而产生第一电子脉冲信号111。经过感应器120之后，该光束继续移动至极端然后折回并经过感应器的第二边缘122而产生第二电子脉冲信号112。
参考图5A中的感应器信号，从预测的第一交叉点(predicted first crossover)101算到第一电子脉冲信号111的下降边缘的时程可以记录并定义为Df。从预测的第一交叉点(predicted first crossover)101算到第二电子脉冲信号112的下降边缘的时程可以记录并定义为Db。从实际的第一交叉点(predicted firstcrossover)103算到第一电子脉冲信号111的下降边缘的时程是未知的并定义为Tf。从实际的第一交叉点(predicted first crossover)103算到第二电子脉冲信号112的下降边缘的时程是未知的并定义为Tb。在预测的第一交叉点101与实际的第一交叉点103之间的相位误差(phase error)或时差(time difference)是要被确定并定义为Tdelay如：
Df＝Tdelay+Tf
Db＝Tdelay+Tb
参考图5B，其为感应器120及用以设定扫描光束位置的相关联的时程(timeinterval)的一封闭(close-up)视图。针对没有相位误差(phase error)的状况，反射光束从位于影像区中心的第一交叉点(crossover)104开始，经过感应器的第一边缘121而具时程Tf并继续移动至影像区的极端。在达到极端的后，光束折回，并经过感应器的第二边缘122而具时程Tb并继续移动至第二交叉点(crossover)105而完成一扫描周期的一半时段。由于感应器120具有一固定宽度的感应区，该时程T/2等于：
T/2＝Tf+Tb+Tgap
其中Tgap是有关于感应器120的感应区的宽度及光束的光点直径(spotdiameter)如图5B所示。因此吾人可确定该相位误差(phase error)Tdelay为：
Tdelay＝1/2(Df+Db+Tgap)-T/4
由于光束扫描器的扫描频率为根据电子驱动信号的频率、扫描周期的时段，T是己知。该时程Df及Db可以测量及记录根据回馈扫描线(feedback scan line)100的调变信号及感应器的电子脉冲信号111、112。在确定该相位误差(phaseerror)Tdelay，Tgap仍为唯一的未知因素。实际上，吾人可藉视觉上注视观察投射影像并人工调校相位差或藉投射一测试用图形(test pattern)而自动调校相位差，如此在原始组装投射显示装置时就没有影像畸变(distortion)，藉以可削除该相位误差(phase error)Tdelay。则可依据下列方程式来确定时程Tgap：
Tgap＝T/2-(Df+Db)；当Tdelay＝0
然后时程Tgap即可记录并储存在投射显示装置的记忆中。在预测的第一交叉点101与实际的第一交叉点103的间的该相位误差(phase error)Tdelay可以确定及以测量的时程，Df、Db而在每一影像帧(image frame)自动补偿一次。当该实际交叉点(actual crossover)一经确定，吾人可预测沿着扫描抛物线轨迹(trajectory)的光束位置及调变该光束以在正确位置产生所要求的影像像素。
参考图6A、6B，其用以说明藉一双件式光电检测器来检测及补偿该相位误差(phase error)以微小化感应区宽度的影响的技术。一双件式光电检测器(a dualelement photo-detector)220其二感应件220A、220B之间的间隙已先确定，设置于偏射跨距(deflection span)任一位置除了极端(extremes)上及交叉点(crossover point)上。一回馈扫描线(feedback scan line)200产生在扫描周期的一半时段(T/2)，透过拉动光束的调变信号至低程度从预测的第一交叉点(predicted first crossover)201至预测的第二交叉点(predicted second crossover)202以开动(switch on)光束去扫过光电检测器(photo-detector)220。回馈扫描线200经过第一感应件220A的左边缘121而产生一电子脉冲信号211，然后继续扫描过第二感应件220B的左边缘121而产生一电子脉冲信号221。在经过双件式光电检测器(photo-detector)220之后，继续移动至极端然后折回至影像区的中心。该扫描线继续行经第二感应件220B的右边缘而产生一电子脉冲信号222，然后行经第一感应件220A的右边缘而产生另一电子脉冲信号212。
参考图6A中的感应器信号，从预测的第一交叉点(predicted first crossover)201算到第二感应件220B的第一电子脉冲信号221的下降边缘的时程可以记录并定义为Df。从预测的第一交叉点(predicted first crossover)201算到第一感应件220A的电子脉冲信号212的第二下降边缘的时程可以记录并定义为Db。从实际的第一交叉点(predicted first crossover)203算到电子脉冲信号221的下降边缘的时程是未知的(unknown)并定义为Tf。从实际的第一交叉点(predictedfirst crossover)203算到电子脉冲信号212的下降边缘的时程是未知的并定义为Tb。在预测的交叉点201与实际的交叉点203之间的相位误差(phase error)或时差(time difference)是要被确定并定义为Tdelay因此：
Df＝Tdelay+Tf
Db＝Tdelay+Tb
参考图6B，其为双件式光电检测器220及用以设定扫描光束位置的相关联的时程(time interval)的一封闭(close-up)视图。针对没有相位误差(phase error)的状况，反射光束从位于影像区中心的第一交叉点(crossover)204开始，经过第二感应件220B的左边缘121而具时程Tf并继续移动至影像区的极端。在达到极端之后，光束折回，并经过第一感应件220A的右边缘而具时程Tb并继续移动至第二交叉点(crossover)205而完成一扫描周期的一半时段。由于双件式光电检测器220中二感应件220A、220B之间的间隙是可以选择的且在只有几微米(micrometer)的范围内。针对激光器扫描显示，光束的光点直径通常是比二感应件220A、220B之间的间隙大了至少二阶大小(two order of magnitude)；因此，假如光束的光点直径是维持固定的话，该间隙在相位误差(phase error)上的影响是可以忽视的。该时程T/2等于：
T/2＝Tf+Tb+Tgap
其中Tgap是有关于光束的光点直径(spot diameter)如图6B所示。因此吾人可确定该相位误差(phase error)Tdelay为：
Tdelay＝1/2(Df+Db+Tgap)-T/4
根据回馈扫描线(feedback scan line)200的调变信号及感应器的电子脉冲信号221、222，该时程Df及Db是可以测量及记录。在组装投射显示装置时，吾人可调校相位以使其没有影像畸变(distortion)或相位误差(phase error)，则可依据下列方程式来确定时程Tgap：
Tgap＝T/2-(Df+Db)；当Tdelay＝0
然后时程Tgap即可记录并储存在投射显示装置的记忆中。在预测的第一交叉点(crossover)201与实际的第一交叉点203之间的该相位误差(phase error)Tdelay可以确定及以测量的时程，Df、Db而在每一影像帧(image frame)自动补偿一次。
参考图7，其为如图4所示本发明第一实施例中光束以光栅扫描形成的影像区40藉一感应器52及一回馈扫描线63以补偿相位误差的平面说明图。该光束的水平向扫描抛物线轨迹(trajectory)为双向及正弦的而该影像区为在光束向下稳定地移动至影像区40的底部后藉一飞回(fly back)运动而被重画。该影像区的周边的扫描光束可考虑地被切掉以形成一实用影像区(active image field)42而用以减少存在的影像缺点如由于双向扫描运动的回转而造成的收缩的扫描线(pinched scan lines)及较高影像亮度。该感应器52设置位于接近暗区(darkfield)41的垂直的极端但在实用影像区的外边而离开光束扫描器51一段距离。该回馈扫描线(feedback scan line)63在暗区(dark field)41内启动扫描周期的一半时段以照在感应器52上。该回馈扫描线(feedback scan line)63可藉投射显示装置内的各种不同装置来阻挡因此对观察者而言是看不到的。根据上述的技术，感应器52可设置于任一位置除了回馈扫描线的极端以允许补偿光束的预测的与实际的位置之间的相位误差(phase error)。
参考图8，其用以说明反射光束扫描形成利萨如(Lissajous)图形的影像区140并藉一感应器152设于接近暗区(dark field)141的垂直的极端但在实用影像区142的外边，及一回馈扫描线63来补偿相位误差。该影像区140分配如图2所示藉影像区20的相同的扫描图形其水平向及垂直向扫描运动的频率比(frequency ratio)为52∶5除了在影像区140的周边的扫描光束被切掉(switchingoff)以及一回馈扫描线(feedback scan line)163启动(switching on)扫描周期的一半时段。该回馈扫描线163从水平向扫描的第19周期其从影像区140的中心算起，因此回馈扫描线163位于暗区(dark field)141之内。由于水平向及垂直向扫描运动的高频率比，所产生的回馈扫描线163是近乎水平的而近似于如图7所示光栅扫描图形(raster scan pattern)的回馈扫描线63。
参考图9，其用以说明光束以利萨如(Lissajous)图形且水平向与垂直向扫描之间的频率比(frequency ratio)为52∶51而扫描形成的另一影像区150。光束可以在扫描图形的周边被切掉以将影像区150分成一暗区(dark field)151及一实用影像区(active image field)152。然而，因为水平向与垂直向扫描的频率是彼此相近的，因此在暗区(dark field)151之内产生一扁平扫描线是可能的。在此状况，任何一半水平向扫描周期的二交叉点(crossover)位置在暗区(dark field)151之内将不会位于相靠近处。若在除了影像区的中心或水平向极端接近垂直向极端以外的任何位置设置一感应器，并利用以上讨论过的技术去检测光束的交叉点，则将是有困难度的。
参考图10，其所揭示本发明第二实施例的投射显示装置包含一光源250，一调变装置(图未示)用以调变光束261的强度，光束扫描器251A、251B及一感应器252设在离开光束扫描器251A、251B一段距离处。该光束261由一光源250产生，藉一第一光束扫描器251A偏射以作水平向扫描再藉一第二光束扫描器251B偏射以作垂直向扫描藉以投射并扫描在投射显示装置内的一二维影像区240。该影像区240分成一暗区(dark field)241其藉切掉在影像区240的周边的光束以及一实用影像区(active image field)242用以显示投射的影像。虽然图10所示的投射显示装置利用二单轴光束扫描器251A、251B，但一双轴光束扫描器而其二偏射轴安排为相垂直者是可以用来取代该二单轴光束扫描器251A、251B如图4所示的结构。一可操作检测扫描光束的感应器252，如光电二极管(photodiode)或硅PIN二极管(silicon PIN diode)，设于沿着水平偏射跨距(deflection span)的中心但在实用影像区240外边且离开光束扫描器251A、251B一段距离。一回馈扫描线(feedback scan line)263藉在暗区(dark field)241内启动扫描周期的一半时段而产生，用以扫过感应器252藉以在每一影像帧(image frame)检测一次水平向扫描的交叉点(crossover)。该回馈扫描线(feedback scan line)263可藉投射显示装置内的各种不同装置来阻挡，因此在投射显示装置外的所投射的实用影像区242’将不会看到。
参考图11，其用以说明根据如图10所示的投射显示装置的结构而检测光束的交叉点时间点的技术。该光束将被启动(switching on)假如有用信号(the enablesignal)是在低程度(low level)及反之亦然。一回馈扫描线(feedback scan line)300如图11中实线所示，产生了低于或等于一半水平向扫描周期的时段，藉拉动有用信号至低程度而从一在预测的交叉点(predicted crossover)301的前的预定的时间点Tp开始以保证当经正水平向偏射跨距(deflection span)的中心时光束将被启动。一可检测扫描光束的感应器是设于沿着水平向偏射跨距(deflectionspan)的中心。当回馈扫描线300经过感应器时，从感应器会产生一电子脉冲信号。在光束的预测的交叉点301与实际的交叉点302之间的相位差(phasedifference)定义为Tsp而且其可以被确定基于感应器信号的下降边缘。该相位误差(phase error)Tsp在每一影像帧将会被补偿一次而光束位置可以准确地预测沿着其正弦的抛物线轨迹以在正确的位置产生像素。
参考图12A，其以平面图说明一影像区240藉光束以光栅扫描形成且具有一感应器252及一回馈扫描线263以补偿如图11所示光束的预测的与实际的交叉点间的相位误差。该感应器是设于沿着水平向偏射跨距(deflection span)的中心且在实用影像区(active image field)242的外边藉其至少一部分的感应区位于暗区241之内。该回馈扫描线(feedback scan line)263藉在暗区(dark field)241内启动光束而产生了低于或等于一半水平向扫描周期的时段，而越过水平向偏射跨距的中心以保证其将照在感应器252上。基于回馈扫描线(feedback scanline)263所产生的感应器信号，光束的实际的交叉点(crossover)在每一影像帧(image frame)可以被检测一次。
参考图12B，其以平面图说明一影像区340藉光束以利萨如(Lissajous)图形扫描形成且具有一感应器352设于沿着水平向偏射跨距(deflection span)的中心及一回馈扫描线363产生在暗区341内以检测光束的实际的交叉点如图11所示。该利萨如(Lissajous)图形，近似于如图8所示的实施例，包含以频率比(frequency ratio)为52∶5的水平向及垂直向正弦扫描运动。该感应器352设于沿着水平向偏射跨距(deflection span)的中心且在实用影像区(active image field)342的外边藉其至少一部分的感应区位于暗区341之内。由于高频率比(frequency ratio)，靠近影像区340的垂直向极端的水平向扫描线近乎扁平，因此该回馈扫描线(feedback scan line)363藉在暗区(dark field)341内启动光束而产生了低于或等于一半水平向扫描周期的时段，并扫描越过水平向偏射跨距的中心而照在感应器352上。基于感应器信号可藉由回馈扫描线(feedbackscan line)363产生，光束的实际的交叉点(crossover)在每一影像帧(image frame)可以被检测一次。
参考图13，其为一立体示意图用以说明本发明的投射显示装置另一实施例。一光束461由一光源450产生，并藉一光束扫描器451的二偏射轴偏射而以光栅或利萨如(Lissajous)扫描图形扫描在一离开光束扫描器451一段距离的影像区440上。该影像区440分成一暗区(dark field)441及一实用影像区(active imagefield)442藉切掉在影像区440的周边的光束461以减少存在的影像缺点。一额外的光源470，被安排设置以对光束扫描器451有与光源450不同的入射角，为被启动(switched on)以产生光束481一特定的时段，因而只有一回馈扫描线(feedback scan line)473在每一影像帧(image frame)被产生一次且在实用影像区(active image field)442的外边。一感应器472被设置以使回馈扫描线473可行经其感应区以产生电子信号脉冲，又回馈扫描线473可被阻挡以在投射显示装置外看不到。该光束481可以为人眼见不到的不可见波长因而将看不到回馈扫描线473。因为光束481是藉由光束扫描器451偏射而有相同的扫描图形来形成影像区440，故该感应器472的正确位置可以根据如图5A、5B及图11所示的技术而安排。
在另一可选用的结构中，该光源470可安排在使光束481能由光束扫描器451的背面偏射的位置，而用以检测所产生的回馈扫描线473的感应器472因此可设于影像区440的相对面。
以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims (21)

1.一种具有相位检测及补偿功能的扫描投射装置，其特征在于，包含：
一光源，用以产生一光束，该光束由多条具有红、绿、蓝色波长的光束组成；
一光束扫描器，由一以第一频率振动的第一偏射轴及一以第二频率振动的第二偏射轴来偏射光束以扫描投射一二维影像区，该二维影像区的周边的扫描光束被关闭，该二维影像区的周边定义为暗区，而暗区以内的区域是用来显示投射的影像，在此定义为实用影像区；
一调变装置用以根据所投射的影像调变光束的强度；及
一感应器，设在实用影像区之外且其感应区至少一部分设在二维影像区的垂直向极端之内，使该感应器可用以检测被偏射的光束；
该光束在该实用影像区外且靠近二维影像区的垂直向极端被启动以产生一扫描线以在每一影像帧扫过一次感应器；
其中，检测及补偿偏射光束的实际位置与预测位置之间的相位误差的方法包括以下步骤：
首先，在初始组装扫描投射装置时，调整相位误差使影像无畸变，此时Tdelay为0；测量此时的时程Df和Db，确定并储存该扫描投射装置的时程Tgap，依据下列方程式来确定Tgap：
Tgap＝T/2-(Df+Db)；当Tdelay＝0；
其次，在实际使用该扫描投射装置时，在每一影像帧测量一次时程Df和Db，根据以下公式与该扫描投射装置储存的时程Tgap确定当时的相位误差Tdelay：
Tdelay＝1/2(Df+Db+Tgap)-T/4；
最后，依据每一影像帧的Tdelay调整该光束的调变时间点，以补偿相位误差；
其中，Df为从预测的第一交叉点算到第一电子脉冲信号的下降边缘的时程并可以记录；Db为从预测的第一交叉点算到第二电子脉冲信号的下降边缘的时程并可以记录；Tdelay为在预测的第一交叉点与实际的第一交叉点之间的相位误差或时差；T/2为一完整扫描周期一半的时段。
2.如权利要求1所述的扫描投射装置，其特征在于，该光束扫描器的第一偏射轴以正弦曲线的运动来偏射光束。
3.如权利要求2所述的扫描投射装置，其特征在于，该光束扫描器的第二偏射轴以正弦曲线的运动来偏射光束，且第一频率与第二频率之间的不同大于一阶大小。
4.如权利要求2所述的扫描投射装置，其特征在于，该光束扫描器的一第二偏射轴以锯齿运动来偏射光束。
5.如权利要求1所述的扫描投射装置，其特征在于，该感应器为一光电二极管。
6.如权利要求1所述的扫描投射装置，其特征在于，该感应器为一双件式光电二极管。
7.如权利要求1所述的扫描投射装置，其特征在于，该感应器设在该第一偏射轴的扫描跨距的中心及极端以外的位置。
8.如权利要求1所述的扫描投射装置，其特征在于，该感应器设在其感应区边缘可对准于该第一偏射轴的光束扫描跨距的中心的位置。
9.如权利要求1所述的扫描投射装置，其特征在于，该在实用影像区外产生的扫描线被启动了等于或低于该第一偏射轴的扫描周期的一半时段以扫过该感应器。
10.一种具有相位检测及补偿功能的扫描投射装置，其特征在于，包含：
一第一光源，其用以产生一第一光束，该第一光束由多条具有红、绿、蓝色波长的光束组成；
一第二光源，其用以产生一第二光束；
一光束扫描器，其由一以第一频率振动的第一偏射轴及一以第二频率振动的第二偏射轴来偏射光束以扫描投射一第一二维影像区及一第二二维影像区，所述第一二维影像区和所述第二二维影像区的周边的扫描光束分别被切掉，所述第一二维影像区和所述第二二维影像区的周边定义为暗区，而暗区以内的区域是用来显示投射的影像，在此定义为实用影像区；
一调变装置，其用以根据所投射的影像调变第一光束的强度以及用以根据所投射的影像调变第二光束的强度；及
一感应器，其感应区至少一部分设在第二二维影像区内且接近垂直向极端且在由第一光源所形成的实用影像区外，使该感应器可用以检测被偏射的第二光束；
其中该第二光束在靠近第二二维影像区的垂直向极端但在该实用影像区外是被启动以产生一扫描线以在每一影像帧扫过一次感应器；
其中，检测及补偿偏射光束的实际位置与预测位置之间的相位误差的方法包括以下步骤：
首先，在初始组装扫描投射装置时，调整相位误差使影像无畸变，此时Tdelay为0；测量此时的时程Df和Db，确定并储存该扫描投射装置的时程Tgap，依据下列方程式来确定Tgap：
Tgap＝T/2-(Df+Db)；当Tdelay＝0；
其中，时程Df和Db通过测量获得；
其次，在实际使用该扫描投射装置时，在每一影像帧测量一次时程Df和Db，根据以下公式与该扫描投射装置储存的时程Tgap确定当时的相位误差Tdelay：
Tdelay＝1/2(Df+Db+Tgap)-T/4；
最后，依据每一影像帧的Tdelay调整该光束的调变时间点，以补偿相位误差；
其中，Df为从预测的第一交叉点算到第一电子脉冲信号的下降边缘的时程并可以记录；Db为从预测的第一交叉点算到第二电子脉冲信号的下降边缘的时程并可以记录；Tdelay为在预测的第一交叉点与实际的第一交叉点之间的相位误差或时差；T/2为一完整扫描周期一半的时段。
11.如权利要求10所述的扫描投射装置，其特征在于，该第一光源及第二光源是被校正以使该第一光束及第二光束可对该光束扫描器有不同的入射角。
12.如权利要求10所述的扫描投射装置，其特征在于，该第二光束具有人眼看不见的波长。
13.如权利要求10所述的扫描投射装置，其特征在于，该光束扫描器的第一偏射轴以正弦曲线的运动来偏射光束。
14.如权利要求13所述的扫描投射装置，其特征在于，该光束扫描器的第二偏射轴以正弦曲线的运动来偏射光束，且第一频率与第二频率之间的不同大于一阶大小。
15.如权利要求13所述的扫描投射装置，其特征在于，该光束扫描器的第二偏射轴以锯齿运动来偏射光束。
16.如权利要求10项所述的扫描投射装置，其特征在于，该感应器为一光电二极管。
17.如权利要求10所述的扫描投射装置，其特征在于，该感应器为一双件式光电二极管。
18.如权利要求10所述的扫描投射装置，其特征在于，该感应器设在该第二光束由第一偏射轴所偏射形成的扫描跨距的中心及极端以外的位置。
19.如权利要求10所述的扫描投射装置，其特征在于，该感应器设在其感应区边缘可对准于该第二光束由该第一偏射轴所偏射形成的扫描跨距的中心的位置。
20.如权利要求10所述的扫描投射装置，其特征在于，该在实用影像区外由第二光束产生的扫描线被启动了等于或低于该第一偏射轴的扫描周期的一半时段以扫过该感应器。
21.如权利要求10所述的扫描投射装置，其特征在于，该第一光源及第二光源安排在光束扫描器的相对侧，其中该第一光束及第二光束入射于光束扫描器的相对面。
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