CN104678553A - 群扫描激光投影电视及所匹配的多区域光阀屏幕 - Google Patents
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Abstract
群扫描激光投电视及所匹配的多区域光阀屏幕，属机械光学领域。目前的激光电视中的巨大的水平频率3000转/秒已经是极大的技术困境：如此高的转速带来的噪声、润滑、成本和寿命等都难以满足投放市场实用的条件；用多路激光束(激光群)同步扫描，在极大的降低了多面棱镜轮或振镜的工作频率或转速的同时，扫描范围也同时被降低了而引起多面棱镜轮面面数量的增加，采用多区域光阀爬行驱动方式与激光群的光点移动同步方式的配套屏幕将能实现环境光下超高的对比度，可大大的减低成本及激光扫描投影技术画质改善。
Description
本发明属机械光学领域：确切的讲是一种极大降低振镜或反射棱镜体的工作转速的激光成像方法，以及与之匹配的高对比度专用反射屏幕。
目前技术现状：
激光电视(LASER TV)是利用半导体泵浦固态激光工作物质，产生红、绿、蓝三种波长的连续激光作为彩色激光电视的光源，通过电视信号控制三基色激光扫描图像。其色域覆盖率理论上可以高达人眼色域范围的90％以上。这比目前LED电视最高的62％色域覆盖率又提高了一个档次。色域覆盖率的提高，不仅可以使整个电视画面看起来更加真实、有层次感。
就扫描方式而言：目前国际上开展的激光电视研究多采用基于点扫描和线扫描两种方式的“单像素逐点扫描实现激光彩色视频显示技术”，由于该技术系统造价高、稳定性差，难于实现产品的批量生产，所以研究进展缓慢。德国LDT公司于1998年初研制出原理样机，日本SONY公司于2002年研制出演示样机，但是至今未能产业化。
本发明的目的：
在技术方面克服激光电视中的扫描偏转难题：即是超高的驱动频率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或振镜，在角度不停变化的镜面上反射后形成的。但巨大的频率已经形成极大的技术困境：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、润滑、成本和寿命等都难以满足投放市场实用的条件；本发明也同时克服了投影技术的固有缺陷：环境光对画面对比度的影响。
本发明的特点：
用多路激光束(激光群)同步扫描，在极大的降低了多面棱镜轮或振镜的工作频率或转速的同时，扫描范围也同时被降低了而引起多面棱镜轮面面数量的增加，2种因素综合作用将使转速降低近2个数量级，即是几十转/秒以下的数量级；而激光器数量的增加除易于更大功率，但同时是带来结构上的复杂性；另外由于个激光束快速扫描，易于采取时间分离方法来提升对比度，基本方法是：将投影屏幕分成多个独立区域，每个独立区域可以被电压驱动成反光或吸光(相当于：白色或黑色)；跟踪激光束的移动，当激光束落入屏幕某区域时，该区域将被驱动成强反射状态，反之就驱动成强吸收状态；克服环境光对图象的影响；当以电子纸技术为依托，采用多区域光阀的爬行驱动方式与激光群的光点移动同步方式的配套屏幕将能实现环境光下超高的对比度。
本发明的技术关键：
激光电视的结构比较简单：核心分为2部分：激光生成及调制部分及激光束扫描部分；本发明所涉及的是激光束扫描部分。
所涉及的激光束扫描部分：是由多个3基色(R、G、B)复合激光束构成激光群，复合激光束沿着扇形排布，各激光束汇集在一点(相当于扇形的圆心)。
水平扫描棱镜的反射面的面数要满足：1组激光群中各复合激光束扫描的小扇形彼此接壤且互相不重叠，每个复合激光束的扫描扇形角的角度很小，因而水平扫描棱镜的反射面的面数可以较大的增加。
本发明引入新的构件--激光群组件分为1组的或多组的情形：实际应用中可以使用单组或多组，处于同一平面的多个复合激光束组成1组激光群，不同平面的多个激光群组成多组激光群；每一组激光群的激光束都排列成扇形(径向放置)，其全部光束处在同一平面内(称为扇形面)并会聚于同一点上，对于多组激光群情况，所有激光群的扇形面要有共同的交线，而且所有扇形面上的激光束全部会聚于同一点上；激光束要有共同的汇聚点或汇聚在不超过激光束直径的10-100倍的空间尺度内。。
具体技术设计思路：如激光电视的水平投射角度为θ；1组激光群的复合激光束的数量为N，则单一复合激光束的偏转角度近似为Ω：Ω＝θ/N；则水平扫描棱镜的反射面的面数可以至少增加N倍以上，因而水平扫描棱镜的转速将降低N倍以上。举例说明：假设当1组激光群中有32个复合激光束时：水平扫描棱镜的转速降低了32倍，其实际转速约为100转/秒，垂直扫描振镜的频率及振幅不变；由于转速的降低可以使水平扫描棱镜的直径更大，从而又加大了增加镜面的数量的潜力；进一步讲：如果使用多组激光群时，水平扫描棱镜的转速将降低的更大：为MN倍以上(M为激光群的组数)；垂直扫描振镜的频率及振幅都降低M倍。
需要强调：使用振镜时的情形也是相同的，当使用2振镜(水平及垂直振镜)时，水平振镜的频率及振幅降低的倍数等于1组激光群的复合激光束的数目；垂直振镜的的频率及振幅降低的倍数等于激光群的群数。
在反射屏幕选择上可以使用电子纸技术(是一种无主动光源的反射型显示技术)；设计思路是采取将屏幕分成多个区域，每个区域被独立驱动在变黑及变白之间切换，在激光束扫描到某光阀区域时呈现白色、其余光阀区域为呈现黑色，因为在任何时间内绝大部分光阀区呈现黑色，因而在强烈反射激光的前提下极大的吸收了环境光，而大大的改善了对比度。
不同于以往设计；本发明采用爬行式反射光阀驱动方法，可以克服一些电子纸的响应速度慢的不住足无法完成激光束穿越各光阀区过度带突变切换等原因，本技术关键在于激光束穿越各光阀过度带附近时要保持至少2个相临的光阀区处于(电子纸的白状态)；以往的光阀反射屏幕的设计的反射/吸光状态的转换都是顺序驱动的，这种驱动方式只能在极其快速的理想情况下实现，但现实中的电子纸的响应速度大多在10ms数量级，因而在跨越屏幕的区域光阀时，将产生严重问题，因而爬行驱动是极其必要的。
屏幕光阀的多个区域并行驱动也是本发明的一个重要的技术关键，只有这样才能配合多激光束的同步扫描。
以电子纸技术为依托，采用多区域光阀驱动方式与激光群中的每个复合激光束配合，屏幕上的光阀的反射开关区域以光块或光带的爬行方式做同步扫描；爬行方式确保激光束在扫描时总能落入屏幕上开关过渡良好最高反射率的反射区内，不会受到屏幕光阀区域边界过度的影响，
以下结合附图就本发明较佳实施例对本发明做进一步说明：
图1激光群的组成示意图
图2一种2X3激光群所构成的激光电视扫描光栅示意图
图3单组激光群所构成的激光电视扫描示意图
图4电子纸反射多区域光阀屏幕示意图
图示说明：
(1)、(2)、(3)复合激光束集束器
(4)水平扫描棱镜
(5)垂直扫描棱镜
(6)水平扫描棱镜转轴
(7)、(8)、(9)独立扫描区域
(10)、(11)、(12)复合激光束
(13)水平扫描棱镜转轴
(14)投影屏幕
(15)R、G、B单色激光
(21)、(22)、(23)独立光阀区
(24)、(25)屏幕光阀开关驱动信号
(26)、(27)屏幕置于反射状态的电平
(28)激光束汇聚点
(29)、(30)激光群平面
(31)、(32)屏幕区域光阀扫描爬行方向
(33)屏幕独立扫描区域
(34)激光群扫描线
(35)、(36)瞬态屏幕区域光阀反射区
如图1所示：有2组激光群，每一组都是由3个复合激光束集束器(1)、(2)、(3)组成；每一个复合激光束集束器都是由(虚线框中)：R、G、B单色激光(15)经过常规合成(可以通过选频反射/透射片合成1束光束)；(28)是所有激光束汇聚点；每个激光群的光束都在同一平面上，光束沿着扇形排列，2个激光群平面(29)、(30)相交在一条直线上，该直线穿过所有激光束汇聚点(28)。
实际使用中：可以是1组激光群或者是2组以上激光群。
如图2所示：1X3激光群所构成的扫描光栅，分成3个区域--独立扫描区域(7)、(8)、(9)；独立光阀区是水平条形区域，每个区域布置有独立的电极(可以是电子纸)，就是将屏幕分成多个独立控制的区域，(26)、(27)是屏幕2个特定的独立光阀区，被置于反射状态的电平(驱动电平)，因而：独立光阀区将会被顺序驱动，只在激光束到达期间处于反射状态(电子纸的白状态)，在激光束离开期间处于吸光状态(电子纸的黑状态)，由于激光束穿越缓冲区过度带及电子纸的响应速度等原因，应该在激光束穿越缓冲区过度带附近时保持至少2个相临的独立光阀区处于(电子纸的白状态)。
3个复合激光束各在独立的区域扫描，刚好填满各自的区域，(24)、(25)为屏幕光阀开关驱动信号，其开启反射的电平所对应的时间宽度至少大于等于激光束扫描2个独立光阀区(21)、(22)、(23)的时间。
这样：既能保证激光束没有到达的独立光阀区处于(电子纸的黑状态)；有能保证激光束所到达的独立光阀区处于(电子纸的白状态)；所以在任何时间，多数独立光阀区处于(电子纸的黑状态)；保证对环境光的最大抑制！
如图3所示：由单组激光群所构成的激光电视扫描示原理示意图；(1)、(2)、(3)是3个独立的复合激光束集束器，每个集束器汇集R、G、B单色激光(15)，而形成1束合成激光；垂直扫描棱镜(5)可以是步进的，(13)为水平扫描棱镜转轴；水平扫描棱镜(4)是匀速转动的，(6)为水平扫描棱镜转轴；(10)、(11)、(12)为复合激光束；(7)、(8)、(9)为独立扫描区域，(14)为投影屏幕。
由于每个复合激光束都是扫描约1/3的屏幕宽度范围，水平扫描棱镜(13)的反射镜面数可以数倍的增加，因而转速较之传统技术将下降1-2个数量级。
如图4所示：当使用2组(2x3)激光群时，电子纸反射多区域光阀屏幕将分成6个独立区域，水平扫描棱镜的转动频率还将要有更大的下降；(31)、(32)为屏幕区域光阀扫描爬行方向；(33)为屏幕独立扫描区域之一；(34)为本桢已经生成的激光群扫描线；(35)、(36)为瞬态屏幕区域光阀反射区。其工作原理与图1、2、3所述相同。
Claims (4)
1.群扫描激光投影电视；其核心分为2部分构成：激光生成及调制部分及激光束扫描部分，本发明所涉及的是激光束扫描部分；是由多个3基色(R、G、B)复合激光束构成激光群，复合激光束沿着扇形排布，各激光束汇集在一点；水平扫描棱镜的反射面的面数要满足：1组激光群中各复合激光束扫描的小扇形彼此接壤且互相不重叠，每个复合激光束的扫描扇形角的角度很小，因而水平扫描棱镜的反射面的面数可以较大的增加；本发明引入新的构件--激光群组件分为1组的或多组的情形：实际应用中可以使用单组或多组，处于同一平面的多个复合激光束组成1组激光群，不同平面的多个激光群组成多组激光群；每一组激光群的激光束都排列成扇形(径向放置)，其全部光束处在同一平面内(称为扇形面)并会聚于同一点上，对于多组激光群情况，所有激光群的扇形面要有共同的交线，而且所有扇形面上的激光束全部会聚于同一点上；具体技术设计思路：如激光电视的水平投射角度为θ；1组激光群的复合激光束的数量为N，则单一复合激光束的偏转角度近似为Ω：Ω＝θ/N；则水平扫描棱镜的反射面的面数可以至少增加N倍以上，因而水平扫描棱镜的转速将降低N倍以上。举例说明：假设当1组激光群中有32个复合激光束时：水平扫描棱镜的转速降低了32倍，其实际转速约为100转/秒，垂直扫描振镜的频率及振幅不变；由于转速的降低可以使水平扫描棱镜的直径更大，从而又加大了增加镜面的数量的潜力；进一步讲：如果使用多组激光群时，水平扫描棱镜的转速将降低的更大：为MN倍以上(M为激光群的组数)；垂直扫描振镜的频率及振幅都降低M倍；需要强调：使用振镜时的情形也是相同的，当使用2振镜(水平及垂直振镜)时，水平振镜的频率及振幅降低的倍数等于1组激光群的复合激光束的数目；垂直振镜的的频率及振幅降低的倍数等于激光群的群数；其特征就在于：在群扫描激光投影电视中使用了激光群构件；屏幕即可以使用无驱动的反射幕也可以使用多区域光阀屏幕；激光束要有共同的汇聚点或汇聚在不超过激光束直径的10-100倍的空间尺度内。
2.多区域光阀屏幕；由电子纸及支架构成：其工作原理为：将电子纸屏幕分成多个区域，每个区域被独立驱动在变黑及变白之间切换，在激光束扫描到某光阀区域时呈现白色、其余光阀区域为呈现黑色，因为在任何时间内绝大部分光阀区呈现黑色，因而在强烈反射激光的前提下极大的吸收了环境光，而大大的改善了对比度；不同于以往设计；本发明采用爬行式反射光阀驱动方法，可以克服一些电子纸的响应速度慢的不住足无法完成激光束穿越各光阀区过度带突变切换等原因，本技术关键在于激光束穿越各光阀过度带附近时要保持至少2个相临的光阀区处于(电子纸的白状态)；以往的光阀反射屏幕的设计的反射/吸光状态的转换都是顺序驱动的，这种驱动方式只能在极其快速的理想情况下实现，但现实中的电子纸的响应速度大多在10ms数量级，因而在跨越屏幕的区域光阀时，将产生严重问题，因而爬行驱动是极其必要的；屏幕光阀的多个区域并行驱动也是本发明的一个重要的技术关键，只有这样才能配合多激光束的同步扫描；概括来说：采用多区域光阀驱动方式与激光群中的每个复合激光束配合，屏幕上的光阀的反射开关区域以光块或光带的爬行方式做同步扫描；爬行方式确保激光束在扫描时总能落入屏幕上开关过渡良好最高反射率的反射区内，不会受到屏幕光阀区域边界过度的影响；其特征就在于：在多区域光阀屏幕采用爬行式反射光阀驱动 方法；在扫描范围方面即可采用多区域光阀驱动方式与多组激光群配合也可采用单一区域光阀驱动方式与单组激光群配合。
3.如权利要求1群扫描激光投影电视所述的激光群构件；屏即可以是单组的同一平面的激光群，也可以是由多组的处于不同平面的激光群组成。
4.如权利要求2多区域光阀屏幕所述的爬行式反射光阀驱动方法指的是：可以克服一些电子纸的响应速度慢的不住足无法完成激光束穿越各光阀区过度带突变切换等原因，本技术关键在于激光束穿越各光阀过度带附近时要保持至少2个相临的光阀区处于(电子纸的白状态)；以往的光阀反射屏幕的设计的反射/吸光状态的转换都是顺序驱动的，这种驱动方式只能在极其快速的理想情况下实现，但现实中的电子纸的响应速度大多在10ms数量级，因而在跨越屏幕的区域光阀时，将产生严重问题，因而爬行驱动是极其必要的；屏幕光阀的多个区域并行驱动也是本发明的一个重要的技术关键，只有这样才能配合多激光束的同步扫描；概括来说：采用多区域光阀驱动方式与激光群中的每个复合激光束配合，屏幕上的光阀的反射开关区域以光块或光带的爬行方式做同步扫描；爬行方式确保激光束在扫描时总能落入屏幕上开关过渡良好最高反射率的反射区内，不会受到屏幕光阀区域边界过度的影响。
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