CN103576431B - 一种应用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的方法及系统装置 - Google Patents

Abstract

一种适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的方法及装置，其用传感器监控高亮度激光投影机的投影光束区域，在强光的危险区域建立一虚拟围栏，通过本发明方法和装置有效防止任何人进入到该危险区域。其中，优选超声波传感器被用来探测投影区域内的人或物体。一个控制器采集超声波的发射和返回时间，根据飞行时间方法，计算前方区域的人或物体的具体位置且对前方物体的形状和大小做出大致的分析判断，另一个被动红外传感器提供物体是否为有生命的物体的判断依据。当控制器判断人或对人眼有损害的物体位于投影机安全距离以内时发送命令给投影机，以关闭投影光束输出或者降低输出亮度，避免人眼受强光损害。否则，不影响正常的投影显示。

Description

一种应用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的方法及系统装置

技术领域：

本发明属于激光投影技术领域，涉及在使用激光光源的高亮度前投式投影机以及其它光源的高亮度前投式投影机中提供人眼强光损害保护的一种技术应用以及装置。

背景技术：

激光（Laser）是受激辐射光放大（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的简称，是一种频谱窄，方向性好的高强度光源。随着近年来小型化，大功率的半导体激光二极管的技术发展，激光作为一种新型光源，开始应用于投影技术领域。相比投影机的传统光源，例如超高压汞灯（UHP）以及氙灯等，激光光源有着色域丰富，可靠性高，寿命长等优点。但是，激光作为一种方向性好的集中光束，在经过人眼晶状体的汇聚之后，特别容易对人眼造成损伤，甚至失明。因此，国际电工协会在IECEN60825-1以及美国FDACDRHT21都对激光光源的投影产品做出了安全分级和规定。目前，国际组织对激光产品的安全分级如下：

中国在激光测试中文标准GB7247.1里也有类似的安全分级和要求。

目前，在大多数国家，对于激光投影机的安全要求是，投影机外的投影光束的安全等级不能超过Class2M级别。原因是当人眼暴露于Class2M级别及其以下级别的光线时，人的瞳孔可以在250ms的反应时间内自动缩小，减少进入瞳孔内的光线，从而降低了受强光损害的风险。而对于Class3R及其以上安全级别的光束，人眼的自我保护机制不足以提供足够的保护，在250ms以内，光束可能就对人眼造成了损害。

图1是一个12000流明输出，镜头投射比为2：1的激光投影机投影区域安全分级以及安全距离的示例。

在距离镜头1.7米以内的投影区域内，投影光束的安全级别是Class3R级，如果人眼暴露于这个区域，因为人眼的自动保护机制将不能提供足够的保护，人眼有可能受到损伤，因此这个区域为危险区域，人眼距离镜头至少1.7米才是安全的，1.7米即为安全距离。

因为安全距离的存在，目前激光投影机主要应用在4000流明以下输出，以保证投影区域尽量在Class2M的安全级别，从而安全距离在离镜头非常近的位置，甚至镜头之外的投影区域均为安全区域。

对于镜头外的投影区域存在一定的危险区域的高亮度激光投影机，激光安全的法规规定投影机应该具有一定的强制机制避免人进入到安全距离之内的危险区域。这些法律法规使激光安全成为了高亮度激光投影机广泛使用的最大障碍之一。

发明内容：

本发明的主要目的是提供一种适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的方法，其方法步骤如下：

1）根据高亮度激光投影机的性能参数值以及安全距离预先划定出一个认定为危险区域的虚拟范围；

2）在高亮度激光投影机的周围安装一组探测障碍物的传感器，调整传感器位置，使各传感器探测范围的交集覆盖全部或近全部的危险区域；安设一内置控制程序的控制器，根据高亮度激光投影机的安全距离设置一安全距离门限阈值F并预设到控制器的内置控制程序中；安设一报警器，控制器通过接口电路分别与各传感器、报警器和高亮度激光投影机相连接；

3）接通系统电源，各传感器开始周期性循环探测投影光束区域内的障碍物，所述控制器实时接收来自各传感器采集的信号并做出相应的判断以及控制操作，其中，当控制器采集到的信息参数与内设的安全距离门限阈值F比较后判断危险区域内存在人或可能对人眼有损害的障碍物时，发送控制命令控制投影机关闭光输出或者降低亮度。

在前述适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的方法步骤3）中，当控制器判断危险区域内存在物体性障碍物时，需要控制器进一步做如下判断：

a:判断危险区域内的物体是否为有生命的物体或者是无生命的物体；

b:判断危险区域内的物体的大致形状。

进一步分析该物体是否为人进入危险区域或者为可能有损人眼的物体，如是，则再发送控制命令控制投影机关闭光输出或者降低亮度。

所述适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的方法中，当控制器判断危险区域内存在的障碍物是人或认定是有损人眼的物体时，同时控制报警器启动报警。

所述适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的方法中，使用一个或多个为一组的传感器来监测投影光束的危险区域，使用但不局限于超声波传感器，红外传感器以及电磁波传感器。

所述适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的方法中，在控制器中置有分析程序，当所述的传感器采用超声波传感器时，超声波传感器的超声波单元受控周期性的循环发射超声波束，在超声波束覆盖范围内遇到障碍物以后反射回给超声传感器并输出相应信号给控制器，控制器采集到前方障碍物离超声波传感器的距离值D。同时控制器根据传感器组中固定在不同位置的超声波传感器单元的反射回波的延迟时间分析识别出物体的大致形状。控制器通过传感器组中的被动红外传感器接收到生命物体的红外辐射，来判断出前方物体是有生命的物体还是无生命的物体。通过以上所有信息的分析，控制器判断危险区域内是否存在人或者可能对人眼有损害的物体，若二者有其一，则发送控制命令控制投影机关闭光输出或者降低亮度，或同时附加启动报警器报警。

所述适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的方法中，根据使用情况的不同，投影机镜头可能会上下左右的调节，造成投影的危险区域会随着镜头的移动发生一定的变化。在此类应用中，对于电动调节的镜头系统，传感器组置于一个步进电机控制的单轴或双轴平台上，控制器通过从镜头调节系统返回的参数，控制步进电机做相应的角度调整，以使传感器的覆盖范围始终包含危险区域。对于手动调节的镜头系统，一个测量镜头移动距离并相应使传感器组做相应角度调整的机械装置被使用。

本发明的另一目的是提供一种适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的系统装置，可有效的对进入危险区域进行报警并采取相应措施避免人眼受损。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的系统装置，包括一台安装于使用现场的高亮度激光投影机；还包括有一组传感器及其二轴角度调节平台、一控制器、一报警器和为前述各单元供电的系统电源，其中

所述的一组传感器用于探测投影光束区域内障碍物，该组传感器分别安装于高亮度激光投影机上或周围，各传感器探测范围的交集覆盖高亮度激光投影机的全部或近全部的被认定的危险区域；

所述的控制器内置分析和驱动程序，通过电缆或接口电路分别与各传感器、角度调节平台、报警器和高亮度激光投影机相连接并实施控制；

各传感器的信号输出端接所述所述控制器的输入端，以将探测的信息传输给控制器。

所述适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的系统装置中，所述一组传感器为超声波传感器、红外传感器和电磁波传感器中的至少一个。

所述适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的系统装置中，所述传感器直接安装于投影机的前面板上，位于投影镜头的上方和下方。

基于本发明的适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的系统装置，其应用于高亮度激光工程投影机、UHP光源的高亮度投影机和氙灯光源的高亮度投影机的使用现场。

本发明的优点是：

1.扫除了高亮度激光投影机使用中的大障碍，利于其广泛应用；

2.在高亮度激光投影机的使用现场，本发明可以有效的对工作人员及路过人员的眼睛进行保护；

3.本发明方法的响应时间快捷，远小于人眼自动保护延迟时间。

附图说明

图1为现有技术中一个激光投影机投影区域安全分级以及安全距离的示例图（亮度为12000流明输出，镜头投射比为2：1）。

图2为本发明适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的系统装置构成原理示意图。

图3为使用一个超声波传感器单元时，传感器探测区域与激光投影机投影区域的关系示意图。

图4为使用两个超声波传感器单元时，传感器探测区域与激光投影机投影区域的关系示意图。

图5为超声波传感器测距的原理图。

图6为本发明系统装置一实施例结构示意图（使用一个超声波传感器）。

图7为本发明系统装置又一实施例结构示意图（使用两个超声波传感器）。

图8为在电动镜头系统中，可以调整传感器角度的二维平台示例。

图9-a）为在手动镜头系统中，根据镜头的移动调节传感器角度的机械装置示例（侧视）。

图9-b）为在手动镜头系统中，根据镜头的移动调节传感器角度的机械装置示例（俯视）。

图10为当使用一个传感器时，在镜头移动时，传感器角度变化情况示例。

图11为当使用两个传感器，在镜头移动时，传感器角度变化情况示例。

图12为本发明控制器分析及控制程序方框流程图。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明。

具体实施方式

本发明在应用中，通过一个或多个超声波传感器单元被使用来实时监测投影区域。在投影过程中，当有人越过安全距离，进入危险区域时，系统通过判断超声传感器实时探测的来人的距离信息以及大致的形状，做出让投影机关闭光输出或者降低输出亮度的控制动作，使人眼始终不能暴露于危险的投影光束之下。当人走出危险区域，在安全距离之外时，系统又根据实时的距离信息，恢复正常投影。这样，当人在投影区域的安全范围内，通常是在靠近投影屏幕的一个范围内，正常的投影显示并不会受到任何的影响。该应用的原理就像是在投影的危险区域加了一个虚拟的围栏，阻挡任何人进入到危险区域，从而能避免造成人眼的损伤。另外，除了人直接进入危险区域会有人眼损害的危险外，一个在危险区域内的镜面反射物体，例如镜子，手表，眼镜等，可能会将光束反射到危险区域外的人眼里，因此这种情况也具有激光安全的风险需要加以避免。使用超声波传感器的人眼保护应用也可以探测到危险区域内的这类物体并判别出大致形状，而同样采取关闭光输出或者降低亮度的措施，从而提供全方位的人眼保护。该原理也可以应用于采用其它光源的高亮度投影机中。

系统判断的依据是，控制器预先内设一安全距离门限阈值F，如在图1示例情况下，应设定F=1.7米，用探测到的障碍物的距离D与之比较，D＜F，则判断危险区域内存在障碍物。

图2给出了本发明的系统装置构成原理框图。本发明的系统装置由一组传感器1（优选超声波传感器）、控制器2、声光报警器3和系统电源4等单元构成。

所述的一组传感器1可以是一个或多个，均用来探测高亮度激光投影机10的投影光束区域内障碍物，该组传感器分别安装于高亮度激光投影机上或周围，且无论是一个还是多个传感器，都需尽可能多的覆盖高亮度激光投影机的全部或近全部被认定的危险区域。图3和图4即给出了这样的参考实例，其中，图3、图4分别是使用一个、两个超声波传感器单元时，传感器探测区域与高亮度激光投影机投影区域的关系示意图。

参见图3，使用一个超声波传感器单元，超声波传感器33的探测范围基本覆盖投影区域（阴影部分），尤其是投影危险区域（图中的阴影部分）。在高亮度激光投影机31（为吊装状态，32为其投影镜头）与天花板之间存在一个超声探测的盲区，但是因为人或物体无法进入这个区域，因此对人眼保护的功能没有影响。

图4为当使用两个超声波传感器单元43、44时，超声波传感器单元43、44可以分别完成探测，探测范围的叠加可以有效减小探测盲区的范围（亦即覆盖高亮度激光投影机41的全部或近全部被认定的危险区域），提供更可靠的人眼保护功能，图中42代表高亮度激光投影机41的投影镜头。

所述的控制器2内置分析和驱动程序，通过电缆或接口电路分别与各传感器、声光报警器和高亮度激光投影机相连接并实施控制，各传感器的信号输出端接所述控制器的输入端，以将探测的信息传输给控制器。这样的设计，使得各超声波传感器可以将探测到的投影范围内的障碍物（人或物体）的距离信息传给控制器，控制器根据事先预设的安全距离门限阈值进行判断。当人或物体位于安全距离之外时，控制器不做任何响应；当人和物体位于安全距离之内时，控制器通过控制命令关闭投影机光输出或者降低输出亮度，同时触发声光报警装置。当人或物体退出危险区域，报警解除，投影正常显示。

所述控制器2与传感器1可以通过电缆连接，控制器2与高亮度激光投影机10之间亦可由控制电缆连接，控制器与声光报警器之间通过电缆连接。同时，一个电源单元供给控制器与声光报警器电源。传感器单元的电源亦可由控制器通过电缆供给。

本发明可以使用一个或多个（为一组）的传感器来监测投影光束的危险区域，使用但不局限于超声波传感器，红外传感器以及电磁波传感器。

图5示出了超声波传感器测距的原理图。超声波传感器的超声波单元发射超声波束，在超声覆盖范围内遇到障碍物以后反射回超声传感器。控制器通过计算发射波束和反射波束的时间差t，可以很准确得到前方障碍物（人或物体）离超声波传感器的距离D，公式为D=t*340(m/s)/2。例如当t=10mS时，D=1.7m。换句话说，可以在10毫秒的延迟之内探测到前方1.7米距离的物体。这样，基于超声波传感器的人眼保护系统可以提供远小于人眼自动保护响应时间250mS，从而提供足够的保护。

如图6所示，示出了使用一个超声波传感器单元的具体实施方式。超声波传感器单元51固定于高亮度激光投影机52前面板上且是位于投影镜头53上方，并调整一个角度与高亮度激光投影机的投影光束区域相匹配。

图7所示为使用两个超声波传感器单元的具体实施方式。超声波传感器单元11与超声波传感器单元12分别固定于高亮度激光投影机14的前面板上，位于投影镜头13的上方和下方，并调整相应的角度与投影光束区域相匹配。

图8所示为在电动镜头系统中，可以调节传感器角度的二维平台具体实施方式。水平步进电机304和306水平蜗杆安装在投影机上，传动水平齿轮307绕水平蜗杆轴。垂直步进电机308和垂直蜗杆轴303驱动垂直齿轮301绕垂直蜗杆303。传感器模块302将被安装在与垂直齿轮301一起旋转。

图9-a、图9-b所示为在手动镜头系统中，根据镜头的移动调节传感器角度的具体实施方式。传感器模块204被安装在旋转轴205上，并通过万向轴206连接到投影机201。安装在投影镜头202上的框架203，随着投影镜头的移动带动旋转轴205，然后推动自由端的转动，从而改变传感器模块的角度。

图10所示为当使用一个传感器时，在镜头02移动时，传感器角度03变化情况示例。投影镜头上下或左右移动时，危险区域也随之变化，传感器在控制器控制或机械装置联动下调整倾角，保持对危险区域的覆盖。

图11所示为当使用两个传感器时，在镜头02移动时，传感器04、05角度变化情况示例。

图12为控制器的主程序流程图。控制器加电工作以后首先根据不同投影机的安全距离设置阈值F。然后开始启动传感器探测，根据超声波传感器返回值，判断在阈值内是否存在物体，如果没有物体，继续读取超声传感器返回值，否则读取被动红外传感器返回值，判断该物体是否为有生命的物体。如果是有生命的物体，立即发送控制命令控制投影机关闭光输出或者降低输出亮度，否则进一步分析不同超声波传感器的回波返回时间以及回波路径，分析物体的大致形状以及大小，判断该物体是否为对人眼有损害的物体，如果是，则发送控制命令控制投影机关闭光输出或者降低输出亮度。否则继续读取超声波传感器返回值。

上述各实施例可在不脱离本发明的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含应视为例示性，而非用以限制本发明申请专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的方法，其特征在于方法步骤如下：

1)根据高亮度激光投影机的性能参数值与安全距离预先划定出一个认定为危险区域的虚拟范围；

2)在高亮度激光投影机的周围安装一组探测障碍物的传感器，该组传感器采用超声波传感器，该组传感器模块被安装在旋转轴上，并通过万向轴连接到投影机；调整传感器位置，使各传感器探测范围的交集覆盖全部或近全部的危险区域；安设一内置控制程序的控制器，根据高亮度激光投影机的安全距离在控制器的内置程序中设置一个阈值F；安设一报警器，控制器通过接口电路分别与各传感器、报警器和高亮度激光投影机相连接；

3)接通系统电源，各传感器开始周期性循环探测投影光束区域内的障碍物，所述控制器实时接收来自各传感器采集的信号并做出相应的判断以及控制操作，其中，当控制器采集到的信息参数与内设的安全距离门限阈值F比较后判断危险区域内存在人或可能对人眼有损害的障碍物时，发送控制命令控制投影机关闭光输出或者降低输出亮度；其中，控制器所做判断如下：

a:判断探测区域内的物体的离投影镜头的方向以及距离，从而得出位置信息；

b:判断探测区域内的物体是否进入与该投影机相对应的危险区域；

c:判断探测区域内的物体的大致形状；

d:判断探测区域内的物体是否为人体或者是别的物体。

2.如权利要求1所述的适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的方法，其特征在于：所述步骤3)中，当控制器判断危险区域内存在物体性障碍物时，进一步分析判断该物体是否为有损人眼的物体，如是，则再发送控制命令控制投影机关闭光输出或者降低亮度。

3.如权利要求1或2所述的适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的方法，其特征在于：当控制器判断危险区域内障碍物时，同时控制声光报警器启动报警，或是当控制器判断危险区域内存在的障碍物是人或认定是有损人眼的物体时，再控制声光报警器启动报警。

4.如权利要求1所述的适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的方法，其特征在于：所述步骤3)中，控制器根据事先预设的安全距离门限阈值F进行判断：认为人或物体位于安全距离之外时，控制器不做任何响应；在控制器认为人和对人眼有损害的物体位于安全距离之内时，发出控制命令关闭投影机光输出或者降低输出亮度，并在之后，当传感器探测到人或物体已退出危险区域后，则控制器发出控制命令解除声光报警，高亮度激光投影机的投影正常显示。

5.如权利要求1所述的适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的方法，其特征在于：使用一个或多个为一组的超声波传感器来监测投影光束的危险区域；各超声波传感器在控制器控制或机械装置联动下调整倾角以最大的覆盖危险区域。

6.如权利要求5所述的适用于高亮度激光投影机使用现场对人眼实施保护的方法，其特征在于：控制器中置有分析程序，超声波传感器的超声波单元受控周期性的循环发射超声波束，在超声波束覆盖范围内遇到障碍物以后反射回给超声传感器并输出相应信号给控制器，控制器采集到前方障碍物离超声波传感器的距离值D，与阈值F比较，若D＜F，则至少发送控制命令控制投影机关闭光输出或者降低亮度，或同时附加启动声光报警器报警。