CN102759795B - 光束并行扫描成像的图像显示系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种光束并行扫描成像的图像显示系统与方法，通过将输入的每帧图像信号分成N块子帧，每块子帧相隔M扫描行或列，之后根据每一子帧图像信号中三基色亮度生成强度与该图像信号中三基色的图像信号成比例的由三基色激光束合成的同轴白光光束，最后将所述由三基色激光束合成的N束同轴白光光束在水平和垂直方向并行同步扫描移动在屏幕上形成图像，如此可令水平或垂直的N分组方向的MEMS振镜幅度降低N倍，扫描线性相应得到改善；水平方向的MEMS振镜振动频率可降低N倍，线性相应可得到改善；在数字调制时每组的信号调制频率可降低N倍，信号带宽要求可降低；每组光源可采用成本较低的低功率激光二极管，利于降低整个系统成本和产业化推广。

Description

光束并行扫描成像的图像显示系统及方法

【技术领域】

本发明属于投影显示技术领域，可以应用于激光扫描投影显示系统及高亮度LED光源投影扫描系统。

【背景技术】

现有的激光扫描电视的系统架构主要存在如下的二个瓶颈：

第一是光扫描机构模块中的扫描机械装置及其伺服和精密同步技术难度大速度高，不易产业化批量生产。目前的已有的扫描方案还是以伺服电机多面轮镜扫描方案为主，其它方式如高频晶体振动(目前只能用于帧频)MEMS振镜等因为振动频率达不到要求的图像行频而应用的较少。以PAL制标清电视为例，扫描机构模块中的多面轮镜假设为50面(为了便于计算)，PAL制行频为15625Hz，场频50Hz，那么要求电机的转速达到18750转/分钟而且要严格同步。而目前的直流电机的转速一般不超过13000转/分钟，如果是高清电视的话(按1920×1080/60标准)，则相应的电机的转速要达到33750转/分钟。以上两种均是按照隔行扫描方式计算，如果按照逐行扫描方式计算，则电机的转速需要翻一倍，因此高速同步伺服电机的研制、使用寿命及其伺服和精密同步技术等一直是激光扫描电视产业化的一个瓶颈。

第二是激光光源的发光功率问题，大功率激光光纤耦合模块、大功率全固态一体化激光器光源等激光光源的研制和成本价格，一直是业内重点的研究对象，也是激光扫描电视产业化的一个瓶颈。

【发明内容】

本发明目的在于提供一种光束并行扫描成像的方法及图像显示系统，用以解决现有激光扫描电视因光束扫描机构模块及激光光源的发光功率等技术瓶颈而无法产业化的问题。

为实现上述目的，实施本发明的光束并行扫描成像的图像显示系统包括：

图像帧重组像素信号处理单元，用于接收并处理输入的图像信号，输出图像信号中三基色的亮度、同步于图像显示的行同步信号和场同步信号及由其处理后产生的子帧行场同步信号，其中该图像重组像素信号处理单元将输入的每帧图像信号分成N块子帧,每块子帧垂直或水平相隔M扫描行或列并行排列；

光源单元，设有N个，分别与上述被分割的图像的每一子帧相对应，每一光源单元产生由三基色激光束合成的同轴白光光束，该同轴白光光束的输出光强度与所述图像信号中三基色的图像信号成比例；

激光光束扫描单元，令所述光源单元发出的三基色激光束合成的同轴白光光束在水平方向和垂直方向扫描，且扫描速度和所述信号处理单元提供的水平同步信号以及垂直同步信号及由其处理后产生的子帧行场同步信号同步，为受图像行场扫描同步信号及由所述图像帧重组像素信号处理单元处理后产生的子帧行场同步信号的控制的二维的MEMS振镜，通过该二维的MEMS振镜在X和Y方向的偏转，使得经过水平方向和垂直方向扫描的N束三基色激光束合成的同轴白光光束在屏幕上扫描形成图像。

较佳地，图像帧重组像素信号处理单元包括图像帧重组像素信号处理单元、帧缓存器、子帧像素信号重组电路和子帧行场同步信号处理电路、图像扫描线性校正电路、激光二极管驱动电路。

较佳地，每个光源单元为一个统一标准的光源模块，包括由R、G、B激光二极管及光学透镜系统，R、G、B激光二极管发出的三基色激光光束由光学透镜系统合成一束同轴白光光束。

为实现本发明另一目的，实施本发明的光束并行扫描成像的方法包括如下步骤：

将输入的每帧图像信号分成N块子帧，每块子帧相隔M扫描行或列；

根据每一子帧的图像信号中三基色的亮度，生成强度与该图像信号中三基色的图像信号成比例的由三基色激光束合成的同轴白光光束；

将所述由三基色激光束合成的N束同轴白光光束在水平方向和垂直方向并行同步扫描移动在屏幕上形成图像；

其中该分割的每块子帧呈垂直或水平并行排列；将由三基色激光束合成的同轴白光光束在水平方向和垂直方向扫描并且速度和所述信号处理单元提供的水平同步信号以及垂直同步信号及由其处理后产生的子帧行场同步信号同步；将所述由三基色激光束合成的同轴白光光束在水平方向和垂直方向扫描移动是通过一个受图像行场扫描及由其处理后产生的子帧行场同步信号控制的二维的MEMS振镜在X和Y方向的扫描实现。

与现有技术相比较，本发明通过图像重组，将一帧图像信号分成并行排列的N块子帧，激光光源也分成N组分别同步同时扫描每个子帧区域，如此可以达到如下的技术效果：(1)水平或垂直的N分组方向的MEMS振镜幅度可以降低N倍，扫描线性相应可以得到改善；(2)水平方向的MEMS振镜振动频率可以降低N倍，线性相应可以得到改善；(3)在数字调制时每组的信号调制频率可以降低N倍，在模拟调制时，信号带宽要求也可以大大降低；(4)将大功率的激光光源分成N组功率相对较小功率的光源，每组光源可以采用相对成本较低的低功率激光二极管，利于降低整个系统成本和产业化推广；(5)行扫描多面轮镜的转速也可以降低N倍，使目前工艺水平的MEMS振镜和伺服电机都能够达到技术要求，并且有效的解决了图像精密同步问题；(6)同时因为本发明技术方案光功率分散，对人眼的安全性也得到提高。

【附图说明】

图1为实施本发明的激光光束并行扫描成像的图像显示系统的系统架构图。

图2为图1所示的图像重组像素信号处理单元的组成框架图。

图3为光源单元的组成示意图。

图4为本发明的第二实施方式，即由轮镜与振镜组成的光束扫描系统的结构示意图。

【具体实施方式】

以下的说明是以激光扫描投影显示系统为例进行说明，然而高亮度LED光源投影扫描系统也完全可以采用以下的技术方案。

请参阅图1所示，为实施本发明的激光光束并行扫描成像的图像显示系统的系统架构图，该激光光束并行扫描成像的图像显示系统1包括：

图像重组像素信号处理单元101，用于接收并处理输入的图像信号，输出图像信号中三基色信号的图像信号，同步于图像显示的行同步信号和场同步信号及由其处理后产生的子帧行场同步信号，其中该图像重组像素信号处理单元101将输入的每帧图像分成N个子帧,每个子帧相隔M扫描行或列，水平或垂直并行排列；

光源单元102，设有N个(为作图方便图中设N＝5)，分别与每个子帧相对应，每一光源单元102输出的同轴白光光束是由三基色激光束合成，并且其强度与所述对应子帧图像信号中三基色的图像信号成比例，并且每一光源单元102输出的同轴白光光束是通过一光纤106输出，这N个光纤106的一端通过光纤末端固定装置107定位，从该光纤末端固定装置107另一端输出N束白光光束108；

平面反射镜103，用以将N束平行的白光光束108反射至激光光束扫描单元104上，在具体实施时，此平面反射镜103根据光路设计可以省略或设为多个；

激光光束扫描单元104，在本实施例中为二维的MEMS振镜1042及相应的扫描线性校正电路1040与扫描驱动控制电路1041(具体如图2所示)，受图像行场扫描同步信号及由其处理后产生的子帧行场同步信号的控制，使所述光源单元102发出的三基色激光束合成的同轴白光光束108在X和Y方向的偏转来实现扫描成像，且偏转扫描速度和所述图像单元电路提供的水平同步信号以及垂直同步信号及由其处理后产生的子帧行场同步信号同步，使得经过水平方向和垂直方向扫描的N束并行三基色激光束合成的同轴白光光束投影到屏幕105上形成图像。

图2为图1所示的图像重组像素信号处理单元101的组成框架图。该图像重组像素信号处理单元101包括前端处理电路200，其中该前端处理电路200主要包括数字视频信道与信源处理电路、图像信号处理电路及系统MCU，此在现有技术中多有描述，此处不再赘述。

另外，该重组像素信号处理单元101还包括第一帧缓存器201与第二帧缓存器202，其中对应于R、G、B信号，每一种信号均设有二个帧缓存器，每一帧缓存器均接收前端处理电路200输出的视频图像信号与帧同步信号，轮流设置第一帧缓存器201与第二帧缓存器202，如此当第一帧缓存器201处于读状态时，第二帧缓存器202处于写状态，两组帧缓存器处于交替工作状态，并通过帧缓存器切换开关203与图像线性校正电路204连接，其中帧缓存器切换开关203与图像线性校正电路204也对应于R、G、B信号设有三个，并且同步运行。其中图像线性校正电路204用于校正机械扫描产生的图像非线性；经图像线性校正电路204处理的信号进入图像子帧信号处理电路和子帧行场同步处理电路205，其中图像子帧信号处理电路是将原来的一帧图像信号分成N个子帧信号，子帧行场同步处理电路是在帧图像信号处理的同时产生子帧行场同步信号；经图像子帧信号处理电路和子帧行场同步处理电路205处理的N个子帧缓存在子帧缓存器206中，并且每一子帧缓存器206输出一路LD激光二极管驱动信号(可设计为输出模拟信号和数字信号两种状态)以控制LD激光二极管功率驱动电路207，从而由LD激光二极管功率驱动电路207驱动激光二极管208发光，其中激光二极管208是组装在光源单元102中。

再者，激光光束扫描单元104的MEMS振镜扫描线性校正电路1040还与前端处理电路200与图像子帧信号处理电路和子帧行场同步处理电路205连接，在系统MCU控制下进行场扫描线性校正的同时需要和子帧行场同步信号同步。

图3为光源单元的组成示意图，其中该光源单元102设有N个(为作图方便图中设N＝5)，分别与上述每帧图像被分割的图像的每一子帧相对应，每一光源单元控制电路输出强度与所述图像信号中三基色的亮度成比例的三基色激光束合成的同轴白光光束。每个光源单元102包括激光二极管208、光学透镜系统及光纤传输系统304、305、306，其中激光二极管208包括R、G、B三基色激光二极管，光学透镜系统包括光束会聚准直透镜302、分色反射镜303、第二分色透光反射透镜307及第三分色透光反射透镜308，其中激光二极管208发出的光线首先通过光束会聚准直透镜302而照射在分色反射镜303上，其中分色反射镜303和分色透光反射镜307、308对应R、G、B三基色激光选择性通过而汇合为一束同轴白光，经汇合的同轴白光通过光纤输入准直透镜304，再通过多模光纤305传输，最后再通过光纤输出准直透镜306输出同轴白光。

请参阅图4所示，为由轮镜与振镜组成的激光光束扫描系统的结构示意图，与图1所示的激光光束扫描系统的结构不同之处在于该激光光束扫描单元包括场振镜401与行扫描轮镜402。在场振镜401与行扫描轮镜402的扫描作用下，使所述N束光源单元发出的三基色激光束合成的同轴白光光束并行在X方向和Y方向偏转扫描。同时，该激光光束扫描系统还包括子帧行场扫描电机振镜控制电路404与子帧行场扫描驱动电路405，子帧行场扫描电机控制电路404接收图像重组象素信号处理单元400输出的子帧行场同步信号，而子帧行场扫描驱动电路405分别与场振镜401及行扫描轮镜402的驱动电机403连接，如此令轮镜与振镜组成的光束扫描系统分别和所述图像重组像素信号处理单元提供的水平同步信号以及垂直同步信号及由其处理后产生的子帧行场同步信号同步，使经过X方向和Y方向扫描的N束三基色激光束合成的同轴白光光束并行投影到屏幕上形成图像。

另外，本发明也提供一种激光光束并行扫描成像的方法，该方法包括如下步骤：

将输入的每帧图像信号分成N块子帧，每块子帧图像相隔M扫描行或列并行排列；

根据每一子帧的图像信号中三基色的亮度，生成强度与该图像信号中三基色的图像信号成比例的由三基色激光束合成的同轴白光光束；

将所述由三基色激光束合成的N束同轴白光光束在水平方向和垂直方向同步并行扫描移动在屏幕上形成图像。

较佳地，该分割的每块子帧相隔M扫描行呈垂直或水平并行排列。

较佳地，将由三基色激光束合成的同轴白光光束在水平方向和垂直方向扫描速度和所述信号处理单元提供的水平同步信号以及垂直同步信号及由其处理后产生的子帧行场同步信号同步。

较佳地，将所述由三基色激光束合成的同轴白光光束在水平方向和垂直方向扫描移动是通过一个受图像行场扫描同步信号及由其处理后产生的子帧行场同步信号控制的二维的MEMS振镜在X和Y方向的扫描实现。

较佳地，将所述由三基色激光束合成的同轴白光光束在水平方向和垂直方向扫描移动是通过由轮镜与振镜组成的光束扫描系统组成通过受图像行场扫描同步分频信号及由其处理后产生的子帧行场同步信号控制轮镜与振镜的扫描实现。

与现有技术相比较，本发明通过图像重组将图像信号分成N块子帧区域，激光光源也分成N组分别扫描每个区域；水平或垂直方向(N分组方向)的MEMS振镜幅度可以降低N倍，如此扫描线性相应可以得到改善，同时水平方向的MEMS振镜振动频率可以降低N倍，线性相应可以得到改善；在数字调制时每组的信号调制频率可以降低N倍，在模拟调制时，信号带宽要求也可以大大降低，因此对器件的性能要求也降低，整机成本也随之降低；将大功率的激光光源分成N组功率相对较小的激光光源，每组可以采用相对成本较低的激光光源。同理在本发明的第二实施方式中，行扫描多面轮镜的转速也可以降低N倍，使目前工艺水平的MEMS振镜和伺服电机都能够达到技术要求，并且有效的解决了图像精密同步问题。同时因为本发明技术方案光功率分散，对人眼的安全性也得到提高。

本发明不但可以在高清晰度电视中应用，而且因为每个区域单元的信号频率(或信号带宽)，扫描频率(或电机转速)，光功率都降低了N倍，使得各部分器件的要求都降低，因而在超高清晰度电视和4K数字电影中都可以应用。由于光源采用模块化结构，可以根据图像格式，屏幕尺寸灵活调整光源模块因而可以在更高格式的高清晰度的电视图像和电影图像中应用，是未来超高清晰度图像显示技术的低成本解决方案。

Claims (4)

1.一种光束并行扫描成像的图像显示系统，包括：

图像帧重组像素信号处理单元，用于接收并处理输入的图像信号，输出图像信号中三基色的亮度、同步于图像显示的行同步信号和场同步信号及由其处理后产生的子帧行场同步信号，其中该图像帧重组像素信号处理单元将输入的每帧图像信号分成N块子帧,每块子帧垂直或水平相隔M扫描行或列并行排列；

光源单元，设有N个，分别与被分割的图像的每一子帧相对应，每一光源单元产生由三基色激光束合成的同轴白光光束，该同轴白光光束的输出光强度与所述图像信号中三基色的图像信号成比例；

光束扫描单元，令所述光源单元发出的三基色激光束合成的同轴白光光束在水平方向和垂直方向扫描，且扫描速度和所述图像帧重组像素信号处理单元提供的行同步信号以及场同步信号及由其处理后产生的子帧行场同步信号同步，所述光束扫描单元为受同步于图像显示的行同步信号和场同步信号及由所述图像帧重组像素信号处理单元处理后产生的子帧行场同步信号的控制的二维的MEMS振镜，通过该二维的MEMS振镜在X和Y方向的偏转，使得经过水平方向和垂直方向扫描的N束三基色激光束合成的同轴白光光束在屏幕上形成图像。

2.如权利要求1所述的光束并行扫描成像的图像显示系统，其特征在于：图像帧重组像素信号处理单元包括帧缓存器、子帧像素信号重组电路和子帧行场同步信号处理电路、图像扫描线性校正电路、激光二极管驱动电路。

3.如权利要求1所述的光束并行扫描成像的图像显示系统，其特征在于：每个光源单元为一个统一标准的光源模块，包括R、G、B激光二极管及光学透镜系统，R、G、B激光二极管发出的三基色激光光束由光学透镜系统合成一束同轴白光光束。

4.一种基于权利要求1中光束并行扫描成像的图像显示系统的光束并行扫描成像的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

将输入的每帧图像信号分成N块子帧，每块子帧相隔M扫描行或列；

根据每一子帧的图像信号中三基色的亮度，生成强度与该图像信号中三基色的图像信号成比例的由三基色激光束合成的同轴白光光束；

将所述由三基色激光束合成的同轴白光光束在水平方向和垂直方向扫描移动在屏幕上形成图像；

其中，被分成N块的每个子帧呈垂直或水平并行排列同时扫描；并且将由三基色激光束合成的同轴白光光束在水平方向和垂直方向扫描的速度和所述图像帧重组像素信号处理单元提供的行同步信号以及场同步信号及由其处理后产生的子帧行场同步信号同步；将所述由三基色激光束合成的同轴白光光束在水平方向和垂直方向扫描移动是通过一个受同步于图像显示的行同步信号和场同步信号及由所述图像帧重组像素信号处理单元处理后产生的子帧行场同步信号控制的二维的MEMS振镜在X和Y方向扫描实现。