CN102253487A - 激光扫描式图像投影仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光扫描式图像投影仪。在该投影仪的电路部分中，控制芯片分别与模拟数字信号转换器、信号发生器及定时电路实现连接，模拟数字信号转换器分别连接用于显示三原色的激光二级管，信号发生器和定时电路连接X扫描装置及Y扫描装置；在光学与机械部分中，用于显示三原色的激光二级管连接在三色合成器上，三色合成器完成合光后，通过超声振镜完成X向扫描，通过动磁式电振镜完成Y向扫描，再经过棱形反射镜及投影镜头放大后实现投影。本发明通过弹性力学方法设计了新型的超声振镜，从而有效降低了实现高清图像显示所需的振镜频率，为激光投影仪实现高清图像视频显示奠定了必要的技术基础。

Description

激光扫描式图像投影仪

技术领域

本发明涉及一种激光图像投影仪，尤其涉及一种具有经过优化设计的超声振镜，能够实现高清图像视频显示的激光扫描式图像投影仪，属于电子图像显示技术领域。

背景技术

现有的电子图像显示技术主要分为两大类，一是固定屏幕显示，典型的实现方式包括阴极射线管(CRT)、液晶屏(LCD)、发光二极管屏(LED)等；二是投影方式显示，典型的实现方式包括反射式投影(LCOS)和透射式投影，其中反射式投影是指小型高亮度液晶屏经过光学系统反射后投影成扩大的屏幕，透射式投影主要包括液晶透光方式、激光二极管(LD)透光方式和激光二极管扫描方式等。

激光显示是继黑白显示、彩色显示、数字显示之后的新一代显示技术，被称为“人类视觉史上的一次革命”，其具有色域范围广、寿命长、节能环保等方面的特点。例如传统显示技术只能表现人眼所识别的色域的30％左右，而激光显示技术可覆盖人眼色域的90％。由于激光的光谱窄、光强度高、方向性好，因此激光显示技术可以实现唯美的色彩表现与大屏幕显示的完美结合。

目前，激光显示技术主要采用两种实施方式。第一种是采用面阵空间光调制器的投影成像方式，其示意图如图1所示。红、绿、蓝三色激光分别经过扩束、匀场后入射到相对应的面阵空间调制光阀上，经调制后的三色激光由棱镜合色后经投影透镜投射到屏幕，得到激光显示图像。这种投影显示的方案对人眼是安全的，因为其红绿蓝激光在成像前有一个扩束的过程。扩束就是将较细的平行光束经透镜发散和聚焦成较粗的平行光束，这时激光已经从点光源变成了面光源。三色激光扩束后光束能量被分散，使其与氙灯光源能量密度相近。2008年7月，北京中视中科光电技术有限公司已生产出该类型的激光显示产品。

另一种是采用扫描式的投影成像方式。具体的扫描方式有机械转镜扫描和基于微电子机械系统(MEMS，Micro Electro Mechanical systems)工艺制造的二维振镜扫描。图2显示了机械转镜扫描方式的示意性结构。红、绿、蓝三色激光分别经光学透镜入射到相对应的调制光阀上，对三色光进行强度调制，调制后的三色光经透镜聚焦和棱镜合色，合色后的三色光先经行旋镜完成行扫描，再经场旋镜完成场扫描后投射到屏幕，得到激光显示图像。以此种方式扫描的激光束能量密度比较大，过大的激光光束能量可能对人眼造成伤害。从能量安全角度看，单台投影机屏幕不易过大，但可通过多机合成的方式来完成显示。关于机械转镜扫描方式的进一步说明，可以参考中国专利文献CN1438510A、CN1506712A和CN1139261C。

机械转镜扫描方式在显示高清图像方面有一定难度。由于高清图像分辨率最低标准为1920×1080，如果场扫描频率为50Hz，行扫描频率将达到54kHz，即使行旋镜一周为36面棱镜，其旋转速度n(rpm)应为：n＝54×10³÷36×60＝90000rpm。目前普通电机最高转速只能达到30000rpm，显然达不到高清显示的要求，只有磁悬浮电机可达到此转速，但成本较高，不利于推广使用。

基于MEMS工艺制造的二维振镜的扫描示意图如图3所示，调制和光学透镜聚焦后的红、绿、蓝三色激光经光学棱镜合光，投射到MEMS工艺制造的二维振镜上，同时完成了行扫描和场扫描，经投影透镜投射到屏幕，得到激光显示图像。目前，美国Micorovision公司已经生产出该类型的激光显示产品。此种扫描方式的最大优点在于二维振镜体积很小，一般不超过10mm×10mm。但是，由于采用了刚体振动方式，虽然振片质量很小，但是运动惯量还是制约了其振动速度，目前在场扫描50Hz条件下，能实现的显示分辨率为640×480。

总而言之，现有的两种机械扫描方式或受电机转速的限制，或受振镜惯性质量的影响，在目前条件下不可能完成高清图像视频显示对行扫描的要求。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种激光扫描式图像投影仪(简称激光投影仪)。该激光投影仪具有经过优化设计的超声振镜，能够满足高清图像视频显示的要求。

本发明还要解决的另外一个技术问题在于提供一种用于上述激光投影仪的超声振镜。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种激光扫描式图像投影仪，包括电路部分和光学与机械部分，在电路部分中，控制芯片分别与三个模拟数字信号转换器实现连接，三个所述模拟数字信号转换器分别连接用于显示三原色的三个激光二级管，其特征在于：

在光学与机械部分中，用于显示三原色的三个激光二级管连接在三色合成器上，所述三色合成器完成合光后，通过超声振镜完成X向扫描，通过动磁式电振镜完成Y向扫描，再经过棱形反射镜及投影镜头放大后实现投影。

其中较优地，所述超声振镜包括两个相向振动的超声换能器，两个所述超声换能器中的纵向振动变幅杆相向推动扭转振动变换器，使所述扭转振动变换器上的第一光学反射镜产生偏移。

所述超声换能器由超声换能器后负载块、压电陶瓷片以及纵向振动变幅杆顺序连接而成。

进行X向扫描的超声振镜使用三角波上升段进行图像扫描。

所述动磁式电振镜包括安装在基体上的线圈，所述线圈缠绕在轭铁上，在所述轭铁的上方设置有永久磁铁和第二光学反射镜，其中所述第二光学反射镜固定在所述永久磁铁上，所述永久磁铁绕所述轭铁上方的旋转轴振动。

进行Y向扫描的动磁式电振镜使用锯齿波上升段进行图像扫描。

所述电路部分中还包括信号发生器和定时电路，所述控制芯片连接所述信号发生器和所述定时电路，所述信号发生器和所述定时电路分别经驱动电路连接X扫描装置及Y扫描装置。

一种超声振镜，用于在上述的激光扫描式图像投影仪中实现X向扫描，其特征在于：

所述超声振镜包括两个相向振动的超声换能器，两个所述超声换能器中的纵向振动变幅杆相向推动扭转振动变换器，使所述扭转振动变换器上的光学反射镜产生偏移；所述超声换能器由超声换能器后负载块、压电陶瓷片以及纵向振动变幅杆顺序连接而成。

其中较优地，所述超声换能器为1/2波长纵向振动类型，由超声换能器后负载块、压电陶瓷片以及1/4波长的纵向振动变幅杆顺序连接而成。

所述纵向振动变幅杆采用平直段与指数段复合的形式。

本发明所提供的激光扫描式图像投影仪通过弹性力学方法设计了新型的行扫描超声振镜，从而有效降低了实现高清图像显示所需的振镜频率，为激光投影仪实现高清图像视频显示奠定了必要的技术基础。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为采用面阵空间光调制器的投影成像方式的示意图；

图2为机械转镜扫描方式的示意图；

图3为基于MEMS工艺制造的二维振镜的扫描示意图；

图4为本发明所提供的激光投影仪的电路部分的原理框图；

图5为本激光投影仪的光学与机械部分的原理框图；

图6为本激光投影仪中使用的超声振镜的结构示意图；

图7为本激光投影仪中使用的动磁式电振镜的结构示意图；

图8～图10分别为本激光投影仪中使用的光学反射镜在工作状态下的偏角示意图。

具体实施方式

本发明所提供的激光投影仪包括电路部分和光学与机械部分。下面分别结合附图进行详细的说明。

图4为本激光投影仪的电路部分的原理框图。如图4所示，作为控制芯片的现场可编程门阵列电路(FPGA，Field-Programmable GateArray)分别与三个模拟数字信号转换器(D/A)、一个信号发生器(Generator)及一个定时电路(Timer)实现连接。三个模拟数字信号转换器(D/A)分别经过三个驱动电路(Driver)连接显示三原色的激光二级管，同时信号发生器(Generator)和定时电路(Timer)也分别经过两个驱动电路(Driver)连接X扫描装置及Y扫描装置。用于图像显示的AV信号输入FPGA处理后，RGB三色数字调制信号分别经三个与FPGA相连接的模拟数字信号转换器形成模拟信号，再分别通过三个驱动电路将模拟调制信号输出到三色激光二级管R LD、G LD和B LD。同时，信号发生器产生X、Y两路扫描信号，分别经两个驱动电路输出至X扫描装置及Y扫描装置。定时电路根据信号发生器的频率产生FPGA所需的时钟信号。需要说明的是，图4所示的FPGA只是控制芯片的一个示例。该控制芯片也可以采用单片机或者MCU(微控制器)实现。作为本领域普通技术人员的公知常识，在此就不详细赘述了。

图5为本激光投影仪的光学与机械部分的原理框图。如图5所示，红色激光二极管1、绿色激光二极管2和蓝色激光二极管3连接在三色合成器4之上。三色合成器4、超声振镜5、动磁式电振镜6、棱形反射镜7和投影镜头8沿实现投影的光路顺序放置。通过红色激光二极管1、绿色激光二极管2和蓝色激光二极管3调制后的三色激光首先经三色合成器4完成合光，然后通过超声振镜5完成X向扫描后，通过动磁式电振镜6完成Y向扫描，并经过棱形反射镜7及投影镜头8放大后投射到投影屏幕9之上。

图6为本激光投影仪中使用的超声振镜的结构示意图。如图6所示，超声振镜5由两个纵向振动的超声换能器相向振动，推动扭转振动变换器13，使安装在扭转振动变换器13上的光学反射镜14产生光学振镜角的偏移。上述的每一个超声换能器为1/2波长纵向振动类型，由超声换能器后负载块10和压电陶瓷片11以及1/4波长的纵向振动变幅杆12顺序连接而成。

在本发明中，为了解决行扫描过程中的频率问题，通过弹性力学方法重新设计超声振镜，使其能够完成高清图像(即分辨率至少不低于1920×1080)的视频显示。具体而言，上述超声换能器中各段的具体尺寸是根据弹性力学中的压电方程、波动方程以及边界条件求解得出的。1/4波长的纵向振动变幅杆12中各段的尺寸也是根据波动方程以及边界条件求解得出的。下面对该超声振镜的具体设计过程和工作原理进行说明。

众所周知，压电方程是描述压电材料压电效应的数学表达式，它将压电材料的弹性性能和介电性能互相联系起来，压电材料介电性能的量有电场强度和电位移，二者的关系由下式决定：

D_m＝ε_mnE_n    m，n＝1，2，3               (1)

其中，ε_mn为介电常数，E_n为电场强度

弹性体力学性质参数包括应力和应变，二者的关系由广义胡克定律决定，有如下关系：

S_i＝s_ijT_j，i，j＝1，2，3…，6        (2)

T_i＝c_ijS_j，i，j＝1，2，3…，6        (3)

其中，应变S_i，应力T_i为二阶张量，s_ij为弹性柔顺系数，c_ij为弹性劲度系数，s_ij＝(c_ij)^-1

根据上述的公式，对于压电材料可以得到弹性柔顺常数矩阵、介电常数矩阵、压电应变常数矩阵和应力张量矩阵。

根据上述的各类矩阵及边界条件，在压电振动模式下共有四类压电方程。在本发明中使用的是第二类边界条件即机械夹持和电学短路。第二类边界条件下缩简下标的压电方程为：

T＝c^ES-e_tE    (4)

D＝eS+ε^sE    (5)

上述的压电方程以及压电材料性能参数在使用ANSYS有限元分析软件进行分析时采用。

另一方面，当平面波在介质中沿X轴方向传播时，记单位面积上厚度为dx，其介质质量为ρ，对介质施加的作用力为T，介质的位移为ξ，振速为u，则这段介质的运动方程为：

$\mathrm{\ρdx}\·\frac{{\∂}^2\mathrm{\ξ}}{{{\∂}_t}^2}=-\frac{\∂T}{\∂x}\mathrm{dx}---\left(6\right)$

或简化为，

根据上述的运动方程，在不同的介质和不同的波型情况中，可以建立出相适应的波动方程。

在实际的工程设计中，一般将超声换能器后负载块和纵向振动变幅杆看作连续弹性介质。同时，为了避免设计过程中的复杂性，也将压电陶瓷片看作连续弹性介质。当介质的横截面小于声速波长四分之一时，忽略泊松效应，只考虑轴相应力与应变的关系。根据胡克定律有：

$T=\frac{F}{S\left(x\right)}=Y\frac{\∂\mathrm{\ξ}}{\∂x}---\left(8\right)$

其中T为应力，F为弹性力，S(x)为轴上任意位置x处的截面积，Y为杨氏弹性模量，

为应变。

当dx段上弹性增量为：

$\mathrm{dF}=\frac{\∂F}{\∂x}\mathrm{dx}=Y\frac{\∂}{\∂x}\left[S\left(x\right)\frac{\∂\mathrm{\ξ}}{\∂x}\right]\mathrm{dx}---\left(9\right)$

由式(9)及上述的运动方程，有下列方程：

$\mathrm{dF}=Y\frac{\∂}{\∂x}\left[S\left(x\right)\frac{\∂\mathrm{\ξ}}{\∂x}\right]\mathrm{dx}=\left[\mathrm{\ρS}\left(x\right)\mathrm{dx}\right]\frac{{\∂}^2\mathrm{\ξ}}{{\∂t}^2}---\left(10\right)$

因为声速c＝(Y/ρ)^1/2，介质简谐振动ξ＝ξe^jωt，因此满足上述条件的方程简化为：

$\frac{{\∂}^2\mathrm{\ξ}}{{\∂x}^2}+\left[\frac{1}{S\left(x\right)}\frac{\∂S\left(x\right)}{\∂x}\right]\frac{\∂\mathrm{\ξ}}{\∂x}+k^2\mathrm{\ξ}=0---\left(11\right)$

其中k为波数，k＝ω/c

对于由超声换能器后负载块10和压电陶瓷片11构成的四分之一波长换能器，其边界条件为：u₁₁(0)＝0，u₁₁(l₁₁)＝u₁₀(0)，u₁₀(l₁₀)＝u_f，F₁₁(l₁₁)＝F₁₀(0)，F₁₀(l₁₀)＝-Z_wu_f。

当Z_w＝0时，由方程(11)及边界条件可得频率方程如下：

tgk₁₁l₁₁tgk₁₀l₁₀＝Z₁₁/Z₁₀             (12)

其中Z₁₀、Z₁₁为超声换能器后负载块10和压电陶瓷片11的介质波阻抗。

如果超声换能器的设计频率为54kHz，利用上述的计算结果可知当选用PZT-8材料作为压电陶瓷片11时，其参数声速c₁₁＝3900m/s，密度ρ₁₁＝7600kg/m³，直径Φ＝14mm；选用LY12硬铝材料制作超声换能器后负载块10时，其参数声速c₁₀＝5180m/s、密度ρ₁₀＝2700kg/m³、直径Φ＝14mm，压电陶瓷片11的l₁₁＝7mm，超声换能器后负载块10的l₁₀＝7.4mm。

同理，如果1/4波长的纵向振动变幅杆12采用图6所示的平直段与指数段复合的形式，由上述方法推导频率方程如下：

$\mathrm{tg}{k}_{12}{l}_{12A}=\frac{\mathrm{\β}}{k_{12}}+\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\β}}{k_{12}}\right)}^2}\mathrm{ctg}{k_{12B}}^{\′}{l}_{12B}---\left(13\right)$

$\mathrm{\β}=\frac{1}{l_{12B}}\ln \frac{R_{12A}}{R_{12B}}---\left(14\right)$

${k_{12B}}^{\′}=\sqrt{{k_{12}}^2-{\mathrm{\β}}^2}---\left(15\right)$

其中l_12A为平直段长度，l_12B为指数段长度，β为指数形状参数。

如果1/4波长的纵向振动变幅杆12的设计频率为54kHz，利用上述的计算结果可知当选用BT-4钛合金材料时，其参数声速c₁₂＝5200m/s，密度ρ₁₂＝4500kg/m³，平直段直径Φ＝14mm，指数段前端直径Φ＝14mm，后端直径Φ＝3.3mm，平直段长度l_12A＝5mm，指数段长度l_12B＝27.5mm。

根据波动方程及边界条件，可以推导出纵向振动的超声换能器的最大应力点，最大振幅等表达式。因此，所设计的1/4波长的纵向振动变幅杆12的前端振幅最大可达ξm＝130μm。

另外，扭转振动变换器13也可以基于上述的技术思路建立动力学方程，具体过程在此不予赘述。在其中的一个具体实施例中，材料选择BT-4钛合金，实际尺寸外径Φo＝8mm，内径Φi＝4mm。整体建模后用ANSYS有限元软件分析结果如下，在考虑材料最大应力值情况下，基于PZT-8材料的压电陶瓷片11的输入电压为Vrms为240V，1/4波长的纵向振动变幅杆12的前端为纵向和弯曲振动复合形态，纵向为X向，其中xm＝117m，横向为Y向ξym＝10μm，轴向旋转角θ＝±3.35°，在此未考虑光学反射镜14的影响。如果考虑光学反射镜14的影响，结果稍有不同，但都在本领域普通技术人员能够掌握的范围之内。

通过数学上的建模计算，本发明中的超声换能器的最大纵向振幅可达150μm～160μm。扭转振动变换器13在超声换能器的纵向振动幅度为150μm时，扭转角度可达±3.5°。

图7为动磁式电振镜的结构示意图。该动磁式电振镜6采用普通电磁力学的设计原理，在此就不详细赘述了。如图7所示，在基体20之上安装有线圈16，该线圈16缠绕在轭铁15之上。在轭铁15的上方设置有永久磁铁17和光学反射镜19，其中光学反射镜19固定设置在永久磁铁17之上，永久磁铁17可以绕轭铁15上方的旋转轴18振动。动磁式电振镜6在工作时，线圈16通过交变电流，轭铁15两端产生磁性变换，永久磁铁17受到吸引或排斥绕旋转轴18产生振动。光学反射镜19随永久磁铁17运动，运动的速度与角度取决于交变电流的频率与强度。

下面进一步分析光学反射镜在工作状态下的偏角情况。如图8～图10所示，其中21为与光学反射镜成45°的入射光，22为与入射光角相等的反射光，23为光学反射镜。当光学反射镜23的振动角为α时，根据光学的基本反射原理，反射光的振动角为2α。如图10所示，按照几何学原理，L与H有如下关系：H＝L*2tanα。如果超声振镜5的扭转角度为±2°，距动磁式电振镜6的距离L＝60mm，投影到动磁式电振镜6的宽度约为4.19mm，动磁式电振镜6距投影镜头8的距离为80mm。在16∶9图像比例下，动磁式电振镜6的偏角应为±1.97°。

图5所示的光学与机械部分直接决定了电路部分的扫描方式。在现有技术中，超声振镜中的超声换能器通常采用正弦波驱动，但正弦波波形切线的线性度较差，若进行X向扫描，往往会出现色点分布线性不均的缺陷。在本发明中，进行X向扫描的超声振镜5使用三角波上升段进行图像扫描，下降段为回扫，没有图像信号输出。三角波波形切线的线性度均匀，且波形切线最大斜率小于正弦波，实际略微切顶的三角波波形就可以驱动超声换能器。进行Y向扫描的动磁式电振镜6使用锯齿波上升段进行图像扫描，下降段为回扫，也没有图像信号输出。图4所示的电路部分的设计可以兼顾上述两种扫描方式。

在显示高清图像时，通常情况下超声振镜的扫描频率可达20kHz～200kHz。如果场扫描频率为每秒钟50帧，图像分辨率为1920×1080，则超声振镜的扫描频率为54kHz。如果场扫描频率为每秒钟100帧，分辨率不变，超声振镜的扫描频率仍为54kHz，也可以采用隔行扫描方式实现高清图像显示。实现上述频率的超声振动是比较容易的，因此利用本发明所提供的激光投影仪可以方便地实现高清图像的视频显示。

以上对本发明所提供的激光扫描式图像投影仪进行了详细的说明。对本领域的技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种激光扫描式图像投影仪，包括电路部分和光学与机械部分，在电路部分中，控制芯片分别与三个模拟数字信号转换器实现连接，三个所述模拟数字信号转换器分别连接用于显示三原色的三个激光二级管，其特征在于：

在光学与机械部分中，用于显示三原色的三个激光二级管连接在三色合成器上，所述三色合成器完成合光后，通过超声振镜完成X向扫描，通过动磁式电振镜完成Y向扫描，再经过棱形反射镜及投影镜头放大后实现投影。

2.如权利要求1所述的激光扫描式图像投影仪，其特征在于：

所述超声振镜包括两个相向振动的超声换能器，两个所述超声换能器中的纵向振动变幅杆相向推动扭转振动变换器，使所述扭转振动变换器上的第一光学反射镜产生偏移。

3.如权利要求2所述的激光扫描式图像投影仪，其特征在于：

所述超声换能器由超声换能器后负载块、压电陶瓷片以及纵向振动变幅杆顺序连接而成。

4.如权利要求1或2所述的激光扫描式图像投影仪，其特征在于：

进行X向扫描的超声振镜使用三角波上升段进行图像扫描。

5.如权利要求1所述的激光扫描式图像投影仪，其特征在于：

所述动磁式电振镜包括安装在基体上的线圈，所述线圈缠绕在轭铁上，在所述轭铁的上方设置有永久磁铁和第二光学反射镜，其中所述第二光学反射镜固定在所述永久磁铁上，所述永久磁铁绕所述轭铁上方的旋转轴振动。

6.如权利要求1或5所述的激光扫描式图像投影仪，其特征在于：

进行Y向扫描的动磁式电振镜使用锯齿波上升段进行图像扫描。

7.如权利要求1所述的激光扫描式图像投影仪，其特征在于：

所述电路部分中还包括信号发生器和定时电路，所述控制芯片连接所述信号发生器和所述定时电路，所述信号发生器和所述定时电路分别经驱动电路连接X扫描装置及Y扫描装置。

8.一种超声振镜，用于在如权利要求1所述的激光扫描式图像投影仪中实现X向扫描，其特征在于：

所述超声振镜包括两个相向振动的超声换能器，两个所述超声换能器中的纵向振动变幅杆相向推动扭转振动变换器，使所述扭转振动变换器上的光学反射镜产生偏移；所述超声换能器由超声换能器后负载块、压电陶瓷片以及纵向振动变幅杆顺序连接而成。

9.如权利要求8所述的超声振镜，其特征在于：

所述超声换能器为1/2波长纵向振动类型，由超声换能器后负载块、压电陶瓷片以及1/4波长的纵向振动变幅杆顺序连接而成。

10.如权利要求8或9所述的超声振镜，其特征在于：

所述纵向振动变幅杆采用平直段与指数段复合的形式。

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