CN101846867B - 一种磁场力驱动扫描的激光投影装置 - Google Patents
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Abstract
一种磁场力驱动扫描的激光投影装置，该装置由主控制电路、激光光源、两个结构相同的反射镜单元、投影物镜及支撑结构组件组成。两个反射镜单元均由反射镜控制电路、导电悬线、阻尼胶、支撑架、转轴、固定磁铁、线圈电磁铁、反射镜、位置传感器、和结构框架组成。两个反射镜转轴交叉放置，就能使激光光束实现在一个面上的扫描。主控制电路按照输入的视频信号而控制激光光源发出光的颜色与强度，控制两个反射镜单元的扭转角度，能投出具有不同投射角度与颜色的像素；一次扫描周期内的所有像素在视觉暂留作用下组成为画面，实现投影功能。该装置是提供了一种结构简洁的激光投影装置，以低的成本实现激光投影效果。
Description
技术领域
本发明涉及激光投影领域，主要是涉及一种用磁场力驱动扫描的激光投影装置。
背景技术
激光投影具有色彩饱合度高、色彩还原性好等优点。但由于受发光效率和核心扫描器件的制约，目前激光投影的应用还不多。近年来随着激光器技术的发展，激光器效率不断提高。而激光投影装置整体的效率也随之提高。但激光投影的核心部件如光束扫描部件，仍是约束激光投影发展的瓶颈。使激光投影无法大规模推广。
发明内容
本发明要的目的是设计一种结构简洁的激光投影装置。
该装置包括投影装置控制电路、激光光源、第一反射镜单元、第二反射镜单元、投影物镜及结构组件。两个结构相同的反射镜单元均由反射镜单元控制电路、导电悬线、阻尼胶、支撑架、转轴、外置磁铁、线圈电磁铁、反射镜、位置传感器及结构框架组成。反射镜单元的线圈电磁铁、反射镜、位置传感器均安装在支撑架上，支撑架安装在转轴上，导电悬线与支撑架上的线圈电磁铁及位置传感器有物理和电路上的连接；导电悬线一端固定在支撑架上，且与线圈电磁铁、位置传感器进行电路连接，另一端固定在激光投影装置的结构框架上，且与控制电路在电路上连接，它们均安装在结构框架内；在线圈电磁铁后面的结构框架上安有外置磁铁。
导电悬线由金属线构成，既为线圈电磁铁供电，又将位置传感器的电信号回传给反射镜单元控制电路，同时它形变时产生的弹性力是支撑架扭转时的作用力。导电悬线在扭转时发生形变，形变产生的弹性力形成回复力矩与支撑架相的扭转角度相反，力矩随着支撑架扭转角度的增大而增大。导电悬线是直线悬线，也可弯曲成曲线形，以改善其弹性。导电悬线在结构框架的固定端上粘附有阻尼胶，该阻尼胶能够吸收导电悬线的振动能量，使导电悬线尽快地静止下来。导电悬线与支撑架连接的导电悬线有8根，其中4根与线圈电磁铁 形成回路；另4根分别与支撑架上的2个位置传感器连接，形成回路。线圈电磁铁由2个缠绕方向相反的线圈组成，2个线圈平行排列，在电路上有连接，它们与2根导电悬线连接，且2根导线分别是线圈的输入级与输出级。导电悬线通电时，由于两个线圈缠绕方式相反，则它们所带的磁极就相反。线圈电磁铁由2个缠绕方向相同的线圈组成。每个线圈均由2根导电悬线供电。由于2个线圈通过的电流方向相反，就会产生不同极性和大小的电磁场。线圈电磁铁的两个线圈分别放在转轴两侧，它们通电时形成电磁铁，会受到固定磁铁的作用力。两个线圈磁极相反，在朝向相同的磁场中时，一个线圈被该磁场吸引、一个被该磁场排斥，它们在转轴两边，其共同效果就使支撑架受到绕转轴的扭转力矩。线圈电磁铁缠绕在支撑架上，其轴向与反射镜垂直，而且两个线圈的轴平行。两个位置传感器安装在支撑架的转轴两侧，两个位置传感器能分别测量出支撑架两端与投影仪结构的相对距离，经过计算就能够得到反射镜单元的扭转角度。
两个反射镜单元的转轴正交放置，反射镜单元控制电路按照输入的视频信号而控制激光光源发出光的颜色与强度，同时控制两个反射镜单元的扭转角度，就能投出具有不同投射角度与颜色的像素；在人眼视觉暂留作用下，这些像素就组成为画面，实现投影功能。
激光光源发出的光束照射到一个反射镜单元上，被反射镜反射；由于反射镜单元可绕转轴扭转，该光束就可以在此方向上扫描，两个反射镜单元在反射镜单元控制电路作用下协同工作就能实现激光光束在两个维度上的扫描，达到了激光投影对面扫描的要求。
本发明的有益效果是提供了一种结构简洁的激光投影装置，可以以很低的成本实现激光投影效果。
附图说明
图1为本投影装置的整体原理简图；
图2为反射镜单元的整体结构图；
图3为反射镜单元中的振动系统原理图；
图4为使用1个线圈电磁铁时反射镜运动的简图；
图5为使用2个线圈电磁铁时反射镜运动的简图；
图6为测量反射镜偏转角度的示意图；
图7为测量位置传感器电容的电路原理图；
图8为不安装位置传感器的反射镜单元结构图；
图9为该装置整体控制电路结构框图。
具体实施方式
方式一：该装置的整体结构和原理如图1所示，它是一种使用磁场力与弹簧力共同驱动扫描镜的激光投影装置。它由安装于支撑结构组件5000内的两个结构相同的第一反射镜单元1000和第二反射镜单元2000、激光光源3000、投影装置控制电路4000和安装于支撑结构组件5000上的投影物镜0000构成。
该装置的核心部件为2个结构相同的反射镜单元，其结构如图2所示：它们的线圈电磁铁1080、反射镜1060和位置传感器1110均安装在支撑架1070上，支撑架1070安装在转轴1020上；导电悬线1030一端固定在支撑架1070上并与线圈电磁铁1080和位置传感器1110电路连接，另一端固定在结构框架件1010上并与反射镜单元控制电路1110电路连接，它们均安装在结构框架1010内；在线圈电磁铁1080后面的结构框架1010上安有固定磁铁1050。反射镜单元主要作用是在反射镜单元控制电路1100控制下绕转轴1020扭转，从而使照射到它上面的光束相以不同的角度反射出去。
使反射镜单元发生特定角度扭转的力矩来自于导电悬线1030以及外置磁铁1050同线圈电磁铁1080的相互作用力。导电悬线1030向线圈电磁铁1080供电，就使它带上磁场，该磁场与外置磁铁1050的磁场相互作用，就会使反射镜单元带上力矩。导电悬线1030除给线圈电磁铁1080供电外，它的形变还会产生力矩，该力矩与线圈电磁铁1050的力矩平衡，就使反射镜单元停在相应的角度上。阻尼胶1040涂附在导电悬线1030与结构框架1010固定端上，可以吸收反射镜单元在扭转时的能量，使反射镜1060尽快地停在平衡位置上。
导电悬线1030支撑着反射镜单元，为反射镜单元上的线圈电磁铁1080供电，将反射镜单元上位置传感器1110的信息反馈回反射镜单元控制电路1100、同时它的弹性力也是反射镜单元运动的作用力之一。导电悬线1030采用金属导电体，采用直线形式的导电悬线1030就能满足要求。采用弯曲成一 定形式的曲线悬线，能够改善其弹性。由导电悬线1030、阻尼胶1040、支撑架1070(分别相当于)共同组成图3中由等量块M、弹簧K、阻尼P所构成的典型阻尼振动系统。
根据导电悬线1030功能的不同，其数量和形状也不同。图2所示的反射镜单元，有4根线用于同位置传感器1110相连接，而另4根线用以同线圈电磁铁1080连接。他们均能起到弹簧的作用。导电悬线1030既用来给线圈电磁铁1080通电，也起到弹簧的作用。工作时，导电悬线1030在反射镜控制电路1100作用下向线圈电磁铁1080输入电流，使线圈电磁铁1080带上相应方向和强度的磁场，该磁场与外置磁铁相互作用而产生旋转力矩，该力矩与导电悬线1030及弹簧的弹性力矩相作用，从而使得反射镜单元实现绕旋转轴的扭转。
阻尼胶1040粘附在导电悬线1030与结构框架1010固定端上，负责吸收导电悬线1030的振动，使导电悬线1030能够尽快地停到平衡位置上。导电悬线1030、阻尼胶1040、支撑架1070共同组成图3的振动系统。
支撑架1070支撑着反射镜单元上的反射镜1060、是线圈电磁铁1080安装的载体。反射镜1060与支撑架1070固定连接，支撑架1070上的线圈电磁铁1080受到外置磁铁1050的作用力，该作用力传输到支撑架1070上，带动与其连接的反射镜一同发生扭转。支撑架1070由塑料材质构成，上面设计了供线圈缠绕反射镜1060转轴1020及供位置传感器1110安装的结构。
转轴1020是反射镜单元扭转时的轴线，它是金属材质、直线形状。它穿过支撑架1070且固定在反射镜单元的支撑结构上。
外置磁铁1050与支撑架1070上的线圈电磁铁1080相互作用，使不同强度与方向的线圈电磁铁1080受到相应大小和方向的作用力，从而带动支撑架1070及反射镜1060发生相应角度的旋转，它是一块片状的永磁铁。
线圈电磁铁1080通电后产生磁场，该磁场与外置磁铁相互作用，使线圈电磁铁1080受到相应的吸引力和斥力；支撑架1070上有多个线圈电磁铁1080，这些线圈电磁铁1080受到磁场力的方向与大小各不相同，其共同作用的效果就使支撑架1070受到扭转力矩。
线圈电磁铁1080采用2个的时候，结构如图5所示。线圈缠绕在支撑架1070上，其缠绕方向相反，且其轴向垂直于反射镜1060平面。线圈1081的 上方为N极、线圈1082与之相反，它们的极性一个与外置磁铁1050相同，另一个与之相反，共同作用就使反射镜1060绕转轴1020扭转。采用这种对称方式时，支撑架1070受力平衡，而且支撑架1070本身的重心也处于支撑轴上，动力性能好。
反射镜1060使用玻璃材质镀金属反射膜的反射镜。
为提高反射镜单元中反射镜扭转角度的精度，在反射镜的支撑架(1070)上设有位置传感器。该位置传感器能够测量反射镜的偏转角度，并将该角度信息转化为电信号传输给控制电路1100，控制电路1100将这个电信号与设定的电信号进行比较，对输往导电悬线1030的电流进行反馈校正，就能够提高反射镜扭转角度的精度。
位置传感器1110测量支撑架1070与固定它的结构间的相对位置，将此位置信息最终转化为电信号，并传输出反射镜单元控制电路1100，以便对支撑架1070的位置进行调整。位置传感器1110采用电容式传感器，它的一个面板固定在支撑架1070上相对于反射镜1060的另一面，另一个面板固定在外置磁铁1050上；而且在转轴1020两侧各放置一个电容式位置传感器1110。当反射镜1060发生扭转时，电容两侧的基板间的距离发生变化，其电容值也发生变化。通过测量这个电容值的变化，就能测出两个基板间的位置，其计算角度的示意图如图6所示，反射镜单元的扭转角度为中，则由几何关系可知：￠＝arctan(d2-d1/d3)。
图7中出示位置传感器的电路原理图：将该电容放置于CR震荡回路中作为震荡元件，当电容间距改变时，电容值改变，该震荡回路的震荡频率也发生变化，通过频率——电压转换电路测量该震荡频率，测出了该电压，也就能够测出两个面板之间的距离d。
激光投影仪在反射镜单元控制电路1100制和驱动下，激光光源发出的激光光束、由整形透镜整形后照射到第一反射镜单元1000上，其反射光线再经第二反射镜单元2000反射，最终经投影物镜0000投射出去，完成投影功能。其中第一反射镜单元1000能够沿它的转轴1020在一个方向上扭转，使激光光束在一个方向上扫描，第二个反射镜单元2000的扭转方向与第一个反射镜单元1000不同，它将第一个反射镜反射出的反射光束在相应方向上再次进行扫 描，由于两个反射镜单元反射镜的旋转轴空间上正交，两次扫描方向不一样，就可以使最终光束在一个面上形成扫描。
如图9所示：本装置的控制电路由投影装置控制电路4000、反射镜单元控制电路1100、线圈驱动电路1101和线圈驱动电路1103、位置传感器前放电路1102和位置传感器前放电路1104组成。投影装置控制电路4000负责电源供给、视频信号输入、并将视频信号转化成控制信号传输给反射镜单元控制电路1100。反射镜主控电路通过线圈驱动电路1101、1103向两个反射镜单元的线圈电磁铁输入电流、并通过位置传感器前放电路1102、1104将位置传感器的信号回传，以读取这些信号，对反射镜单元的位置进行反馈控制。
方式二：如图8所示，与具体实现方式一的不同之处在于，为降低成本及控制难度，激光投影仪的反射镜单元中没有位置传感器1110，依靠事先测好的数据，向反射镜单元的线圈电磁铁1080输以不同大小的扫描电流，对反射镜单元的扭转角度进行开环控制。
方式三：当线圈电磁铁1080采用1个线圈时其结构如图4所示，该线圈缠绕在支撑架1070上，其轴向与反射镜面垂直。当它通以图示逆时针方向电流时，产生图示方向磁场，此时其与外置磁铁相对的面为S极，因此被外置磁铁吸引，反射镜受此力就产生逆时针方向的扭转。当线圈中电流方向发生改变时，其磁场方向也发生改变，受到外置磁场的吸引力方向也改变。反射镜产生顺时针方向的的扭转。线圈电磁铁1080采用一个时，相应的支撑架1070、位置传感器1110也为1个，导电悬线1030为4根。
Claims (9)
1.一种磁场力驱动扫描的激光投影装置，它包括第一反射镜单元(1000)、第二反射镜单元(2000)、激光光源(3000)、投影装置控制电路(4000)、投影物镜(0000)及结构组件(5000)组成，其特征在于：第一反射镜单元(1000)和第二反射镜单元(2000)结构相同，它们的线圈电磁铁(1080)、反射镜(1060)和位置传感器(1110)均安装在支撑架(1070)上，支撑架(1070)安装在转轴(1020)上；导电悬线(1030)一端固定在支撑架(1070)上并与线圈电磁铁(1080)和位置传感器(1110)电路连接，另一端固定在结构框架件(1010)上并与反射镜单元控制电路(1110)电路连接，它们均安装在结构框架(1010)内；在线圈电磁铁(1080)后面的结构框架(1010)上安有外置磁铁(1050)。
2.根据权利要求1所述的一种磁场力驱动的激光投影装置，其特征在于：与2个支撑架(1070)连接的导电悬线(1030)有8根，其中4根与2个线圈电磁铁(1080)连接形成回路，另4根分别与支撑件(1070)上的2个位置传感器(1110)连接形成回路。
3.根据权利要求1所述的一种磁场力驱动的激光投影装置，其特征在于：导电悬线(1030)是直线形金属线。
4.根据权利要求1或3所述的一种磁场力驱动的激光投影装置，其特征在于：导电悬线(1030)可为曲线形金属线。
5.根据权利要求1所述的一种磁场力驱动的激光投影装置，其特征在于：导电悬线(1030)在结构框架(1010)的固定端粘附有阻尼胶(1040)。
6.根据权利要求1所述的一种磁场力驱动的激光投影装置，其特征在于：线圈电磁铁(1080)由2个缠绕方向相反的线圈组成，2个线圈平行排列，它们分别与2根导电悬线(1030)连接。
7.根据权利要求1所述的一种磁场力驱动的激光投影装置，其特征在于：线圈电磁铁(1080)上的2个线圈分别位于转轴(1020)两侧。
8.根据权利要求1所述的一种磁场力驱动的激光投影装置，其特征在于：线圈电磁铁(1080)的两个线圈缠绕在支撑架(1070)上，其轴向与反射镜(1060)垂直，两个线圈的轴平行。
9.根据权利要求1所述的一种磁场力驱动的激光投影装置，其特征在于：两个2位置传感器(1110)安装在支撑架(1070)的转轴(1020)两侧。
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