CN103631015A - 一种高速光扫描显示及读取装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种高速光扫描显示读取装置，属于光信息显示与读取的技术领域。结构有光源（1）以及沿着光路依次放置的分光读取模块（2）、微偏角产生模块（3）、局部椭球面反射镜（4）和接收屏（5）。分光读取模块（2）用于使出射光和反射回的光的光路分离并读取反射光信息，微偏角产生模块（3）可以使光线产生微小的偏角，局部椭球面反射镜（4）用于把偏角放大，最终在接收屏（5）上形成随控制信号扫描的光斑，实现图像显示。本发明克服了光机扫描的精度差、稳定性难以控制等问题以及声光扫描的扫描角度较小问题；由于本发明具有分光读取功能，将其用于激光电视制造时，使其具有触屏交互或者教鞭笔交互的功能。

Description

一种高速光扫描显示及读取装置

技术领域

本发明涉及光学信息显示与读取的技术领域，尤其是涉及一种可用于高速扫描显示和读取的装置。

背景技术

激光电视相对于传统电视有很多优势：色彩鲜明、亮度高、屏幕尺寸灵活等。激光显示对环境要求低，通常无需任何光学聚焦系统，显示尺寸可以任意调节，可以发展成为超大屏幕显示电影投影一体化的多功能产品。但是受技术瓶颈的制约，激光电视并没有得到商业化。

在技术方面，激光电视中的扫描偏转是个难题：和CRT彩色显像管一样，激光束也要一行行从上至下完成整幅图像的扫描。让激光束偏转的主要方法是靠激光束照射在高速旋转的多面棱镜轮，在角度不停变化的镜面上反射后形成的。如高清画面1080行，刷新率50次/秒，每秒就要扫描5.4万次，使用八面棱镜轮时，因旋转1周能扫描8次，因此5.4万次/8为6750转/秒，等于棱镜轮的转速为40.5万转/分钟，如此高的转速带来的噪声、控制、润滑、成本和寿命等都难以满足投放市场实用的条件。让激光束偏转还有一种方法是声光扫描，与前一种方法相比，声光扫描利用超声波对光的作用，使光束发生偏转来实现扫描，由于不存在大幅度的机械运动，其具有控制容易、扫描速度快、系统结构简单等优点，其缺点是扫描角度小。另外，激光电视跟其他电视一样难以满足用户的人机交互需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种可以用于高速光扫描显示且具有信息读取能力的光学装置。

上述的技术问题通过以下的技术方案实现：

一种高速光扫描显示及读取装置，其结构有：光源1和接收屏5；其特征在于：在光源1和接收屏5之间还有沿着光路依次放置的分光读取模块2、微偏角产生模块3和局部椭球面反射镜4；

所述的光源1是提供线偏振细平行光束的光源；

所述分光读取模块2由横截面为直角三角形的单轴晶体棱镜21、1/4波片22和感光单元23构成；单轴晶体棱镜21的光轴垂直于单轴晶体棱镜21的横截面，1/4波片22设置在单轴晶体棱镜21横截面直角三角形一个直角边所在的侧面旁并与该侧面平行，感光单元23设置在单轴晶体棱镜21横截面直角三角形另一个直角边所在的侧面旁，并能接收从该侧面出射的o光或e光；

所述的微偏角产生模块3，是接受光源1产生的细平行光束并且再产生一个偏角的装置；

所述的局部椭球面反射镜4是一个离心率大于0.6的椭圆绕其长轴旋转得到的椭球面的一部分在内侧镀反射膜得到的反射镜，以所得到的椭球中心为原点，长轴为y轴建立三维直角坐标系，所述的椭球面的一部分是指椭球面位于x-y平面以下且y小于0的部分。

为了提高效率，最好使所述的光源1产生的线偏振细平行光束的偏振方向与分光读取模块2中的单轴晶体棱镜21的主截面垂直或平行。

所述的微偏角产生模块3可以是一个带控制装置的镜元，镜元的中心处于所述的椭球距离局部椭球反射镜4较远的焦点上，并且镜元可以绕镜元的中心作二自由度的转动；所述的控制装置是一个根据所加的控制信号来带动镜元，从而改变镜元朝向的装置，所述的镜元优选边长为1um～1dm的正方形平面反射镜。

所述的微偏角产生模块3也可以是由两块折射率可控的透明平板和一个凸透镜构成，两透明平板位于凸透镜靠近光源1的一侧，两透明平板的中心在凸透镜的主光轴上，每个透明平板的法线与凸透镜的主光轴之间的夹角为0°～90°，两透明平板的法线与凸透镜的主光轴确定的两个平面互相垂直，凸透镜的主光轴与局部椭球面反射镜4的主光轴重合，且凸透镜的远离光源1的焦点处于所述的椭球距离局部椭球反射镜4较远的焦点上，所述的折射率可控的透明平板，是两个平行透明电极夹着液晶或电光晶体的结构。

所述的微偏角产生模块3还可以是由两块折射率可控的透明平板和一个内侧镀反射膜的抛物面反射镜构成，两透明平板底边的中心在抛物面反射镜的主光轴上，每个透明平板的法线与抛物面反射镜的主光轴之间的夹角为0°～90°，两透明平板的法线与抛物面反射镜的主光轴确定的两个平面互相垂直，抛物面反射镜的主光轴与局部椭球面反射镜4的主光轴重合，且抛物面反射镜的焦点处于离局部椭球反射镜4较远的那个焦点上，所述的折射率可控的透明平板，是两个平行透明电极夹着液晶或电光晶体的结构。

本发明的“一种高速光扫描显示及读取装置”有以下有益效果：

1、扫描精度高，由于本发明采用了微偏角产生模块进行扫描，微偏角产生模块对光线产生的偏角作用和控制信号有一一对应关系，所以扫描精度比光机扫描方式的精度高。

2、稳定性高，本发明的微偏角产生模块是依靠微小的运动或改变晶体折射率的方式来工作的，不存在大幅度机械运动，是全固态器件，所以工作稳定性高。

3、扫描角度大，本发明中采用的椭球反射镜可以非常有效的把扫描角度放大，能把光线微小的角度变化放大1-4个数量级。

4、具有信息读取功能，方便实现人机交互。

附图说明：

图1是本发明的一种高速光扫描显示及读取装置整体结构示意图。

图2是本发明的实施例1所采用的微偏角产生模块3的控制装置示意图。

图3是本发明的实施例5采用的微偏角产生模块3的结构示意图。

图4是本发明的实施例6采用的微偏角产生模块3的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的特征及工作原理作进一步的说明。

实施例1 光扫描显示实施例

参考图1和图2，高速光扫描显示及读取装置包括光源1以及沿光路依次放置的分光读取模块2、微偏角产生模块3、局部椭球反射镜4和接收屏5。其中光源1是能产生线偏振细平行光束的光源，分光读取模块2由单轴晶体棱镜21、1/4波片22和感光单元23组成，单轴晶体棱镜21的横截面为直角三角形，光轴垂直于横截面，从光源1发出的细平行光束入射到单轴晶体棱镜21的横截面直角三角形的斜边所在的侧面，经过折射后从单轴晶体棱镜21的横截面直角三角形的一个直角边所在的侧面垂直出射，垂直穿过1/4波片22后到达微偏角产生模块3，微偏角产生模块3由可以改变镜面朝向的镜元和控制装置组成，所述的镜元是一个边长为1um～1dm的正方形平面反射镜，镜元的中心处于所述的椭球距离局部椭球反射镜4较远的焦点上，并且可以在控制装置的带动下绕镜元的中心作二自由度转动。

所述的控制装置的结构见图2，该装置具有类似于常平架结构，其中外框架的一端和外压电陶瓷堆相连，在外压电陶瓷堆的推动或拉动下可以绕外框架的中轴x轴转动，通过改变外压电陶瓷堆上的电压可以改变外压电陶瓷堆的伸缩量，进而改变外框架绕x轴转动的角度，内框架的一端与内压电陶瓷堆相连，在内压电陶瓷堆的推动或拉动下可以绕内框架的中轴y轴转动，通过改变加在内压电陶瓷堆上的电压可以改变内压电陶瓷堆的伸缩量，进而改变内框架绕y轴转动的角度。x轴和y轴相互垂直且处于同一平面内，交点与镜元的中心重合，这样就可以通过改变控制装置上的控制信号，实现镜元以中心点为支点，绕x轴和y轴作二自由度的转动，从而改变镜元的朝向。

从单轴晶体棱镜21出射的光被微偏角产生模块3反射到局部椭球面反射镜4上，之后再被局部椭球面反射镜4反射到接收屏5，在接收屏上形成一个光斑。当加在微偏角产生模块2的控制装置上的控制信号在一定范围作周期扫描时，镜元的偏转方向也会在一定范围作扫描变化，进而镜元反射出的光线与镜元未偏转前反射出的光线会产生一个不断变化的微小偏角，该微小的偏角被局部椭球面反射镜4放大，最终反射光线则会在接收屏5上进行扫描而形成画面，实现光扫描显示的目的。

实施例2 光信息读取实施例（1）

装置的结构如实施例1所述，单轴晶体棱镜21选用负晶体，其光轴垂直于纸面，光源1是线偏振光源，偏振方向平行于单轴晶体棱镜21的主截面，单轴晶体棱镜21对通过它本身的o光折射率大，而对e光的折射率小。从光源1发出的细平行光束入射到单轴晶体棱镜21的横截面直角三角形的斜边所在的侧面时，只有e光可以从单轴晶体棱镜21的横截面直角三角形的一个直角边所在的侧面垂直出射，到达微偏角产生模块3，按实施例1所述的方式最终被接收屏5接收，形成扫描图像，当接收屏5的某个位置被触摸时，该位置接收的光会由于触摸物体（比如手指）的存在而发生漫反射，因此会有一部分光线原路返回到局部椭球面反射镜4，再被局部椭球面反射镜4反射到微偏角产生模块3，通过微偏角产生模块3的光线会再次穿过1/4波片22垂直入射到单轴晶体棱镜21的横截面直角三角形的一个直角边所在的侧面上，此时的光线自光源1出发后由于已经两次经过1/4波片22，其振动方向转过90度，再次通过单轴晶体棱镜时由原来的e光转变为o光使得折射率变大，进而在单轴晶体棱镜21的横截面直角三角形的斜边所在的侧面上发生全反射，从单轴晶体棱镜21的横截面直角三角形的另一个直角边所在的侧面出射，最后被感光单元23接收。在感光单元23接收到从接收屏5反射的光线时，接收屏上被触摸的位置和加在微偏角产生模块3的控制装置上的控制信号是呈一一对应关系的，因此可以根据感光单元23接收到光线时对应的控制信号判断触摸的位置，从而实现人机交互功能。

实施例3 光信息读取实施例（2）

将实施例2中的单轴晶体棱镜21由负晶体改成正晶体，光源的偏振方向由平行于单轴晶体棱镜21的主截面改为垂直于单轴晶体棱镜21的主截面，其它条件不变，此时单轴晶体棱镜对通过它的e光折射率大而对o光折射率小，因此光源1发出的线偏振细平行光束中的o光最终会被接收屏5接收，当接收屏5的某个位置被触摸时，反射回的光线按实施例2所述的方式再次穿过1/4波片并垂直入射到单轴晶体棱镜21的横截面直角三角形的一个直角边所在的侧面上，由于光线从光源出发后两次经过1/4波片22，其振动方向转过90度，原来的o光转变为e光使得折射率变大，进而在单轴晶体棱镜21的横截面直角三角形的斜边所在的侧面上发生全反射，从单轴晶体棱镜21的横截面直角三角形的另一个直角边所在的侧面出射，最后被感光单元23接收。同样可以实现光信息读取的目的。

实施例4 光信息读取实施例（3）

本发明除了直接读取接收屏被触摸后反射回来的光所携带的位置信息外，还可以读取教鞭笔在屏上投射的光点信息，此时去掉分光读取模块2中的1/4波片22，系统也能工作。

实施例5 微偏角产生模块的替换结构（1）

参考图3，将以上实施例中的微偏角产生模块3换成图3中所示的结构，即微偏角产生模块由两个折射率可控的透明板和一个凸透镜组成。所述的折射率可控的透明板，是两个平行透明电极夹着液晶或电光晶体的结构。由于液晶或电光晶体的折射率会随所加于其上的电压的变化而变化，因而可以通过改变电极之间的电压来控制折射率。光线通过第一个透明板后发生纸面内的微小平移，光线通过第二个透明板后在垂直纸面的平面内发生微小平移，两次平移量的大小是通过加在电极上的电压来控制的，最后光线穿过凸透镜的焦点。光线在两个方向上平移量的大小与出射光与凸透镜光轴的夹角有一一对应关系，也就是说电极上所加的控制信号电压大小决定了凸透镜的出射光线与凸透镜主光轴之间的夹角，最终实现光斑位置随着控制信号电压的变化而在接收屏5上扫描形成画面。需要说明的是这种微偏角产生模块对不同频率的光作用效果不一样的。

实施例6 微偏角产生模块的替换结构（2）

参考图4，将实施例5中的微偏角产生模块中的凸透镜换成内侧镀反射膜的抛物面反射镜，也可实现同样目的。

实施例7 应用于彩色激光电视显示

本发明用于彩色激光电视显示时，光源需要用三个光源1（即在图1上光源1部分按照相同的光路原理放置三基色光源），分别提供三基色细平行光束；如果微偏角产生模块3采用的是实施例5（图3）或实施例6（图4）的替代结构，则需要用三套本发明的高速光扫描显示及读取装置分别处理三个光源1提供的光。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高速光扫描显示及读取装置，其结构有：光源（1）和接收屏（5）；其特征在于：在光源（1）和接收屏（5）之间有沿着光路依次放置的分光读取模块（2）、微偏角产生模块（3）和局部椭球面反射镜（4）；

所述的光源（1）是提供线偏振细平行光束的光源；

所述分光读取模块（2）由横截面为直角三角形的单轴晶体棱镜（21）、1/4波片（22）和感光单元（23）构成；单轴晶体棱镜（21）的光轴垂直于单轴晶体棱镜（21）的横截面，1/4波片（22）设置在单轴晶体棱镜（21）横截面直角三角形一个直角边所在的侧面旁并与该侧面平行，感光单元（23）设置在单轴晶体棱镜（21）横截面直角三角形另一个直角边所在的侧面旁，并能接收从该侧面出射的o光或e光；

所述的微偏角产生模块（3），是接受光源（1）产生的细平行光束并且再产生一个偏角的装置；

所述的局部椭球面反射镜（4）是一个离心率大于0.6的椭圆绕其长轴旋转得到的椭球面的一部分在内侧镀反射膜得到的反射镜，以所得到的椭球中心为原点，长轴为y轴建立三维直角坐标系，所述的椭球面的一部分是指椭球面位于x-y平面以下且y小于0的部分。

2.根据权利要求1所述的一种高速光扫描显示及读取装置，其特征在于：所述的光源（1）产生的线偏振细平行光束的偏振方向与分光读取模块（2）中的单轴晶体棱镜（21）的主截面垂直或平行。

3.根据权利要求1或2所述的一种高速光扫描显示及读取装置，其特征在于：所述的微偏角产生模块（3）是一个带控制装置的镜元，镜元的中心处于所述的椭球距离局部椭球反射镜（4）较远的焦点上，并且镜元可以绕镜元的中心作二自由度的转动；所述的控制装置是一个根据所加的控制信号来带动镜元，从而改变镜元朝向的装置。

4.根据权利要求3所述的一种高速光扫描显示及读取装置，其特征在于：所述的镜元是一个边长为1um～1dm的正方形平面反射镜。

5.根据权利要求1或2所述的一种高速光扫描显示及读取装置，其特征在于：所述的微偏角产生模块（3）是由两块折射率可控的透明平板和一个凸透镜构成，两透明平板位于凸透镜靠近光源（1）的一侧，两透明平板的中心在凸透镜的主光轴上，每个透明平板的法线与凸透镜的主光轴之间的夹角为0°～90°，两透明平板的法线与凸透镜的主光轴确定的两个平面互相垂直，凸透镜的主光轴与局部椭球面反射镜（4）的主光轴重合，且凸透镜的远离光源（1）的焦点与所述的椭球距离局部椭球反射镜（4）较远的焦点重合，所述的折射率可控的透明平板，是两个平行透明电极夹着液晶或电光晶体的结构。

6.根据权利要求1或2所述的一种高速光扫描显示及读取装置，其特征在于：所述的微偏角产生模块（3）是由两块折射率可控的透明平板和一个内侧镀反射膜的抛物面反射镜构成的，两透明平板底边的中心在抛物面反射镜的主光轴上，每个透明平板的法线与抛物面反射镜的主光轴之间的夹角为0°～90°，两透明平板的法线与抛物面反射镜的主光轴确定的两个平面互相垂直，抛物面反射镜的主光轴与局部椭球面反射镜（4）的主光轴重合，且抛物面反射镜的焦点与所述的椭球距离局部椭球反射镜（4）较远的焦点重合，所述的折射率可控的透明平板，是两个平行透明电极夹着液晶或电光晶体的结构。

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