CN104977715B - 利用光栅多边形在成像表面上进行2d直线扫描 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用光栅多边形在成像表面上进行2D直线扫描。2D扫描系统使用快速旋转光栅多边形作为单个扫描组件来在2D图像表面上产生直扫描线。入射光束相对于光栅多边形的接近角被选择为将在图像表面上的由多边形扫描引入的扫描线的枕形失真最小化，并且光栅扫描多边形的旋转轴的倾斜角被选择为将该多边形扫描失真对称地定位在成像表面上。此外，扫描光学系统被构造为在成像表面上产生预定量的扫描线的桶形失真，以补偿由多边形扫描引入的枕形失真。

Description

利用光栅多边形在成像表面上进行2D直线扫描
本申请是申请日为2012年9月26日、申请号为201210377602.X、名称为“利用光栅多边形在成像表面上进行2D直线扫描”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明的实施例大体涉及基于激光的图像产生系统，尤其涉及使用光栅多边形(raster polygon)在成像表面上进行2D直线扫描的系统以及形成该2D直线扫描的方法。
背景技术
在基于激光的图像产生系统中，旋转多边形反射镜通常被用来将一个或多个激光束扫描经过图像产生表面，诸如激光光学复印机的光敏鼓或者激光荧光显示器的荧光屏。旋转多边形反射镜是具有多个反射表面的多面光学元件。入射到一个反射表面上的激光束被导向图像产生表面，并且随着多边形旋转，入射激光束扫描经过图像产生表面，从而在图像产生表面上产生图像的一根线。
在一些装置中，专用的旋转多边形反射镜(已知为光栅多边形反射镜)被用来在图像产生表面上产生激光的2维扫描。在光栅多边形反射镜中，每个反射表面被倾斜到不同角度。与旋转多边形反射镜一样，当光栅多边形反射镜旋转时，入射到光栅多边形上的反射表面的激光束扫描经过图像产生表面，以在图像产生表面上产生图像的线。然而，随着每个连续的反射表面旋转通过入射激光束，光束被引导到图像产生表面上的不同位置并扫描经过不同位置，从而在图像产生表面上执行2维扫描。因此，光栅多边形反射镜允许使用单个移动组件将激光器在2维表面上进行扫描，从而有助于高速激光成像技术。
使用用于在图像产生表面上扫描激光的光栅多边形反射镜的缺陷是被如此导向的激光在图像产生表面上不遵循直线。相反，激光的扫描线具有相当大的曲率，这将会使得图像处理和时机变得复杂。此外，光栅多边形反射镜的不同倾斜的反射面产生相应的不同曲率，从而在产生于图像产生表面上的图像中产生可察觉到并且不令人期望的失真，如图1所示。图1示出了由现有技术的激光扫描系统在成像表面99上产生的弯曲的激光扫描线101-109，该激光扫描系统使用被导向光栅多边形反射镜的单个激光束。如图所示，激光扫描线101-109是弧线，而非直的平行线。因为每根激光扫描线101-109由旋转经过入射激光束的光栅多边形反射镜的不同反射面产生，并且因为每个反射面产生不同程度的失真，所以每根激光扫描线101-109是具有不同曲率的弧线。这种失真主要由不同反射面的不对称旋转特性以及由将激光聚焦在成像表面上的扫描成像光学系统的失真来引起。激光扫描线101-109的这种失真基本对于观察者可见并且可以导致劣化的观看效果。
如前所示，在现有技术中需要这样的激光扫描系统：其使用光栅扫描多边形反射镜来在图像产生表面上产生直且平行的激光扫描线。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种2D扫描系统，其使用光栅多边形和特别设计的扫描光学系统来在成像表面上产生直的扫描线。入射光束相对于光栅扫描多边形反射镜的接近角(approach angle)被选择为使成像表面上的扫描线的枕形失真(pin-cushiondistortion)最小化，并且光栅扫描多边形的旋转轴的倾斜角被选择为使该失真在成像表面上对称地定位。此外，扫描和成像透镜被构造为在成像表面上产生扫描线的桶形失真(barrel distortion)，以补偿枕形失真。
本发明的一个优点是可以使用单个高速旋转元件来在成像表面上实现具有直且平行的扫描线的光的超快二维扫描。
附图说明
通过参照实施例，可以更详细地理解本发明的上述特征，这些实施例中的一些在附图中示出。然而，应当理解，附图仅示出了本发明的实施例，并且因此不应认为是对本发明的限制，因为本发明可以允许其他的等效实施例。
图1示出了由现有技术的激光扫描系统在成像表面上产生的弯曲的激光扫描线，该激光扫描系统使用被导向光栅多边形反射镜的单个激光束；
图2是根据本发明的实施例构造的成像系统的示意构造；
图3示出了由根据本发明的实施例的光栅多边形建模系统产生的对称弯曲扫描线，该系统具有优化角度组和不存在失真的理想扫描透镜，该优化透镜组具有接近角和多边形旋转轴倾斜角；
图4示出了根据本发明的实施例，在扫描和成像透镜被构造为补偿枕形失真时在成像表面上的激光扫描线；
图5示意性地示出了根据本发明的实施例，被构造为具有补偿透镜失真功能的扫描光学系统的一个实施例；
图6示出了由扫描和成像透镜的实施例产生的桶形失真图案，该扫描和成像透镜仅包括对图3中示出的扫描多边形引起的失真进行补偿的球面透镜；
图7示意性地示出了根据本发明的实施例，在成像表面上的两组直扫描线；
图8示意性地示出了根据本发明的实施例，包括两个折叠反射镜的成像系统；
图9提供了根据本发明的实施例，用于确定扫描和成像透镜的构造的方法步骤的流程图；
图10是光束踪迹扫描线图的示例，其示出了由本发明的实施例在屏幕上产生的扫描线；以及
图11示意性地示出了根据本发明的实施例的扫描光学系统的另一个实施例，其被构造为具有补偿透镜失真功能。
为了清楚，在合适的地方使用相同的附图标记来表示在附图之中相同的元件。还想到了一个实施例的特征可以被结合到其它实施例中，而不用特殊说明。
具体实施方式
图2是根据本发明的实施例构造的二维(2D)扫描系统100的示意图。2D扫描系统100是这样的系统：其通过以2D方式将单个或多个光束在成像表面110的表面上扫描来在2D成像表面110上产生图像。在一些实施例中，2D扫描系统100可以是基于激光的显示设备，诸如使用单个或多个激光器来光学地激发成像表面110上的发光或荧光材料来产生图像的激光荧光显示器(LPD)。在其它实施例中，2D扫描系统100可以是静电图像打印机，其中成像表面110是光敏器件的表面。在图2中示出的实施例中，2D扫描系统100被构造为LPD，并且包括如图所示构造的成像表面110、激光器模块120、准直透镜130、接近反射镜140、光栅多边形反射镜150、扫描光学系统160和控制模块180。
成像表面110是2D扫描系统100在其上产生静态或动态图像的表面。成像表面110包括含荧光体材料的交替区域，该交替区域在被激发时产生不同颜色的光(例如，红色、绿色和蓝色)，而对所产生的颜色进行选择来使得这些颜色的结合可以形成白色光和其他颜色的光。交替区域可以使条带、点或其他形状。成像表面110上的像素元件包括三个不同颜色的含荧光体区域。各个像素元件可以由成像表面110上的含荧光体材料的交替区域的尺寸和形状限定和/或由激发含荧光体材料的聚焦光束175的尺寸限定。在一个实施例中，含荧光体材料的交替区域是窄带。
激光器模块120是诸如激光器塔(laser tower，包括一个或多个激光二极管)的激光器装置，其用于产生在2D扫描系统100的工作期间在成像表面110上进行扫描的激发光束。在优选实施例中，多个激光器模块120被集成在系统中，从而在光栅多边形反射镜150上形成具有不同入射角的叠加准直光束。由此集成的激光器模块的个数可以使5、10或20以上。为了清楚，在图2中，2D扫描系统100被示出并描述为具有激光器模块120和单个激光束，即激光束171。在一个实施例中，激光束171是紫外(UV)激光，产生的光具有在约400nm到450nm之间的波长。激光束171是沿着两个正交方向(例如水平和竖直方向)以光栅扫描图案在成像表面110上进行扫描的调制光束，以激发成像表面110上的像素元件并且产生用于观察者105的图像。下文更详细地描述了将激光束171引导到成像表面110的操作。
准直透镜130是单透镜或组合透镜，其被构造来使激光束171大致准直，从而形成准直光束172。准直透镜130还被构造来将准直光束172引导到接近反射镜140，如图所示。在激光器模块120产生多个激光束的实施例中，准直透镜130可以被构造为对多个激光束进行准直。或者，在这种实施例中，准直透镜130可以是分别专用于单个输入激光束的准直透镜阵列中的一者。
接近反射镜140是反射元件，其被定位成接收准直光束172并将其引导到光栅多边形反射镜150，作为接近光束173。接近光束173以接近角141入射到光栅多边形反射镜150上。接近角141是形成在接近光束173与扫描光学系统160的光轴179之间的角。注意，由于图2是示意性的，接近角141没有被按比例显示。
在一些实施例中，选择2D扫描系统100的构造以使接近角141最小化，因为已经发现更小的接近角141能够减小存在于描绘在成像表面110上的激光扫描线中的不对称失真。注意，在下文中结合图3描述成像表面110上的扫描线的不对称失真。当确定接近角141最小化的2D扫描系统100的构造时，多个几何约束发挥作用。对于2D扫描系统100的具体构造，对于接近光束173选择的接近角141的大小可以基于成像表面110的高度、准直光束172的束宽度145以及光栅多边形反射镜150与扫描光学系统160之间的瞳距159来确定。在一些实施例中，接近反射镜140被定位在光栅多边形反射镜150与成像表面110之间，使得接近光束173如射到光栅多边形反射镜150的面向成像表面110的那一侧上。在这种实施例中，激光器模块120与成像表面110之间的光路被“折叠”，从而减小2D扫描系统100的纵深度106并且使得2D扫描系统100极度紧凑。
在一些实施例中，2D扫描系统100可以包括多个激光器模块120。在这种实施例中，由多个激光器模块120产生的激光束可以略微发散，而非彼此平行。在这种实施例中，接近角141的大小也可以被选择为使得多个激光束的会聚点最接近光栅多边形反射镜150，以对多个激光束从光栅多边形反射镜150的反射进行优化。
光栅多边形反射镜150是具有多个反射面151-155的多面光学元件，每个反射表面相对于光栅多边形反射镜150的旋转轴156倾斜不同角度。为了清楚，在图1中仅示出了五个反射面151-155，但是光栅多边形反射镜150可以具有比五个反射面更多或更少的反射面，而不超出本发明的范围。如图所示，接近光束173从反射面154反射，作为反射光束174，其穿过扫描光学系统160并且被会聚为会聚光束175。
根据本发明的一些实施例，光栅多边形反射镜150的旋转轴156定位成相对于扫描光学系统160的光轴179具有倾斜角157。倾斜角157可以被选择成把光栅多边形系统失真优化成对称的。在下文中结合图3和图4更详细地描述了成像表面110上的扫描线失真的优化。在接近反射镜140被定位为比光栅多边形反射镜150更接近成像表面110的实施例中，倾斜角157朝向成像表面110倾斜。将光栅多边形反射镜150朝向成像表面110倾斜有助于引导反射光束174通过扫描光学系统160并且朝向成像表面110。
在一些实施例中，扫描光学系统160包括组合透镜，其被构造为在成像表面110上的全部点处具有最小象差的状态下将会聚光束175会聚到成像表面110上。此外，根据本发明的实施例，扫描光学系统160被构造为具有补偿性的透镜失真功能，使得由会聚光束175跟随的激光扫描线基本是直线而在使用光栅多边形进行二维扫描时通常导致的非弧形路径。在下文中参照图5描述扫描光学系统160的一个构造。在一些实施例中，扫描光学系统160的透镜元件包括对于包括UV、可见和红外(IR)光的波长范围基本透明的材料，诸如从Elmsford，New York的Schott North America买到的N-BK7玻璃。在这些实施例中，反射光束174可以包括具有UV和IR波长的激光束，而不影响2D扫描系统100的性能。
扫描光学系统160定位成与光栅多边形反射镜150相距一个瞳距159并且与成像表面110相距一个有效焦距169。瞳距159主要由接近角141和扫描光学系统160的直径决定。有效焦距169由2D扫描系统100的角度和线性放大率确定。
控制模块180被构造为执行用于2D扫描系统100的控制功能以及在其他情况下执行2D扫描系统100的管理操作。这种功能包括接收产生的图像的图像数据，并且将基于图像数据的激光器控制信号182提供给激光器模块120。在一些实施例中，当接近反射镜是可动反射镜时，控制模块180也被构造为产生用于控制光栅多边形反射镜150和接近反射镜140并使其同步的扫描控制信号。控制模块180也被构造为独立地调制施加到激光器模块120中的一个或多个激光器的功率，以按照期望调整每个光源的输出强度。控制模块180可以包括一个或多个适当构造的处理器，包括中央处理单元(CPU)、图像处理单元(GPU)、现场可编程门阵列(FPGA)、集成电路(IC)、专用集成电路(ASIC)或者片上系统(SOC)等，并且被构造为对于2D扫描系统100的何时操作按照需要执行软件应用。根据本发明的实施例，控制模块180也可以包括一个或多个输入/输出(I/O)装置以及用于存储控制一般和校准操作的指令的任何适当构造的存储器。合适的存储器包括随机存取存储器(RAM)模块、只读存储器(ROM)模块、硬盘和/或闪存装置等。
在操作期间，通过将单个或多个激光束引导并会聚到成像表面110上并且对激光束的输出强度进行调制以将期望量的光能量递送到构成成像表面110上的每个像素元件的三个不同颜色的含荧光体区域中的每一者，2D扫描系统100在成像表面110上形成图像。每个像素元件输出光，该光用于通过由像素元件中的每个含荧光体区域的选择性激光激发来产生的可见光的发射来形成期望图像。因此，由入射激光束施加到每个像素元件的例如红色、绿色和蓝色部分的光学能量的调制控制在每个图像像素元件处的合成颜色和图像强度。因此，激光器模块120、准直透镜130、反射镜140、光栅多边形反射镜150和扫描光学系统160将一个或多个光束引导到成像表面110并且在成像表面110上水平地和竖直地扫描该光束，以产生2D图像场。为了描述，关于图2中的成像表面110的“竖直”被限定为与箭头118平行，并且关于图2中的成像表面110的“水平”被限定为与纸面垂直。
为了在成像表面110上扫描激光束，激光器模块120产生激光束171，其穿过准直透镜130并由准直透镜130准直而变为准直光束172。准直光束172从接近反射镜140反射而成为接近光束173，并且入射到光栅多边形反射镜150的面向成像表面110的反射面上，即反射面151-1155之一。反射光束174穿过扫描光学系统160以被会聚为会聚光束175。随着光栅多边形反射镜150旋转并且接收接近光束173的反射面相对于接近光束173移动，会聚光束175在成像表面110上水平地扫描，以在成像表面110上产生一系列扫描线。因为每个连续反射面旋转经过接近光束173，会聚光束175在不同竖直位置处在成像表面110上进行水平地扫描，这是因为每个反射面151-155相对于旋转轴156以不同角度倾斜。
如本领域中公知的，光栅扫描多边形反射镜(例如光栅多边形反射镜150)用作为单个扫描组件以执行二维扫描一般在二维表面上产生明显且可见地在图像平面上失真的激光扫描线，而不是优选的直且平行的激光扫描线。这种失真通常被称为正的或“枕形”的失真。根据本发明的实施例，扫描光学系统160被构造为通过优化的多边形建模系统在会聚光束175中引入相等并相反的失真(即，负的或“桶形”的失真)来补偿该枕形失真。在下文中结合图6描述确定扫描光学系统160的期望构造的方法，该扫描光学系统160补偿在成像表面110上的多边形扫描的枕形失真。
图3示出了在多边形旋转轴和接近角被优化并且扫描光学系统160是不存在失真的理想透镜时，会聚光束175在成像表面110上所遵循的激光扫描线301-309。如图所示，激光扫描线301-309是具有正失真的弧形，而非直且平行的线。如本领域中已知的，图3中示出的枕形失真主要通过使用光栅多边形反射镜150来引起，以在成像表面110上产生激光的二维扫描。根据本发明的实施例，对旋转轴156的倾斜角157进行选择以将激光扫描线301-309的正失真优化为在成像表面110上竖直对称。具体地，对倾斜角157进行选择以使得由扫描线301-309在成像表面110上产生的弧形图案被对称地定位，即，“枕形”的中心线320基本与成像表面110的中心线基本对准。因此，占据成像表面110的上半部分的扫描线301-304看起来是占据成像表面110的下半部分的扫描线305-309的镜像图像。因为由扫描线301-309产生的枕形失真图案在成像表面110上对称地定位，扫描光学系统160的构造可以被选择为仅使用球面透镜元件来补偿该枕形失真。
简言之，由接近反射镜140导向光栅多边形反射镜150的接近光束173处于由光栅多边形反射镜150的旋转轴156和扫描光学系统160的光轴179限定的平面中。这允许多边形扫描失真在图2中的成像表面110上水平对称。这也导致在成像表面110上竖直不对称的多边形扫描失真，因为接近角141大于0°。不对称竖直失真可以通过将旋转轴156朝向接近反射镜140倾斜来变为对称的。利用竖直和水平对称的多边形扫描失真，可以设计一种对称光学系统来使用对称光学组件来基本补偿剩余对称失真。
图4示出了根据本发明的实施例的当扫描光学系统160被构造为补偿枕形失真时在成像表面110上的激光扫描线401-409。如图所示，激光扫描线401-409基本是直且平行的线，而非弧形。本领域技术人员将会理解由于仍然剩余在不同位置处的少量剩余失真，激光扫描线401-409不是完美的直且平行的线，但是这种失真基本不会由2D扫描系统100的观察者察觉到。扫描线直线度误差可以容易被控制在1/1000的范围内，例如，每经过500mm扫描线后0.5mm的误差。因此，根据本发明的实施例，光栅多边形反射镜150可以被用来在二维表面(即，成像表面110)上产生一个或多个激光的二维扫描，而不具有产生可见的失真激光扫描线的显著缺陷。此外，当选择光栅多边形反射镜150的倾斜角157(即通过将枕形失真图案对称地定位在成像表面110)来优化激光扫描线401-409的正失真时，扫描光学系统160可以被构造为仅具有球面透镜元件，以补偿该枕形失真。
图5示意性地示出了根据本发明的实施例的被构造为具有补偿透镜失真功能的扫描光学系统160的一个实施例。由于这种补偿透镜失真功能，由会聚光束175在成像表面110上遵循的激光扫描线基本是直线，而非通常使用旋转光栅多边形反射镜导致的可见的弯曲路径。此外，与本领域中已知的扫描透镜相似，扫描光学系统160被构造为将会聚光束175在成像表面110上的全部点处都具有最小象差的状态下聚焦在成像表面110上。在一些实施例中，激光器模块120产生具有在UV、IR和/或可见波段中的波长的激光束。在这种实施例中，元件501-505的材料在期望的一个或多个波段中基本透明。在图5中示出光束511、512和513来定量示出从不同入射角度穿过扫描光学系统160并且入射到成像表面110上的不同竖直位置上的光束的行为。注意，成像表面110、瞳距159和有效焦距169没有按照比例绘制。
在图5中示出的实施例中，扫描光学系统160包括五元件组合透镜，其包括元件501-505，每个元件501-505都具有具体功能。当组装到一起之后，元件501-505的功能将光束511-513在具有最小象差并具有补偿桶形失真的状态下聚焦到成像表面110上，该补偿桶形失真基本消除了由2D扫描系统100的其他组件产生的枕形失真。在图5中示出的实施例中，元件501-505都是球面元件，它们通常比非球面光学元件更易于制造。此外，扫描光学系统160相对于成像表面110对称定位，即，扫描光学系统160定位为使得沿着扫描光学系统160的光轴550穿过的光束也穿过成像表面110的中心点560。中心点560距成像表面110的顶边缘561和底边缘562等距，并且也距成像表面110的左边缘和右边缘(未示出)等距。因为扫描光学系统160相对于成像表面110对称地定位，所以当在成像表面110上扫描会聚光束175时，可以有效地使用扫描光学系统160中的每个组件的全通光孔径。本领域技术人员将会明白当扫描光学系统160的全通光孔径，而不是通光孔径的一部分时，元件501-505可以容易制造，这是因为对于给定的成像表面110的构造，元件501-505可以小得多。
元件501是反射光束174从其穿过的扫描光学系统160的第一个元件。元件501包括表面501A和501B，并且被构造为产生具有最小象差的入射光束的光学功率。元件502包括表面502A、502B，并且被构造为补偿由元件501引起的轴上象差。元件503和504分别包括表面503A、503B以及504A、504B，并且被构造为补偿由元件501和502引起的离轴剩余象差，诸如像散和场曲。元件505包括表面505A、505B，并且主要被构造为补偿失真元件，其产生足够的负的(即，桶形)失真以补偿通过使用光栅多边形反射镜150来在成像表面110上扫描会聚光束175而引入的会聚光束175的扫描线弯曲。在一些实施例中，元件505是正的或会聚透镜。在优选实施例中，图5中示出的扫描光学系统160的实施例是所谓的“f-θ”透镜，其中焦点的位置取决于透镜的焦距(“f”)与会聚光束175从成像表面110的法线的偏转角(“θ”)的乘积。
给定接近角141、瞳距159、有效焦距169、和成像表面110的尺寸，本领域技术人员在阅读这里的公开之后可以容易得出具有上述功能的元件501-505的构造。在这种构造中，每个元件501-505可以在一个或多个光学特性方面彼此不同，包括第一表面半径、第二表面半径、元件厚度、玻璃类型、色散、与相邻元件的相对位置、折射率以及入射光瞳位置。在一些实施例中，元件501-505中每一者的构造(即，元件501-505的上述光学特性)被同时地确定，因为全部五个元件协同工作，以确保在成像表面110上的光束511-513的适当聚焦和桶形失真。
通过示例的方式，表1提供了用于2D扫描系统100的构造的扫描光学系统160的一个实施例，其中有效焦距169约为550mm，瞳距159约为35mm，成像屏幕约为400mm×500mm。
表1
在结合图3-图5描述的实施例中，利用倾斜角157来优化成像表面110上的扫描线的枕形失真(诸如图3中示出的失真)，以在成像表面110上对称地产生该枕形失真。在这种实施例中，采用了理想的扫描透镜，来代替实际的扫描光学系统。换言之，没有利用光栅多边形反射镜150的倾斜角157来优化成像表面110上的扫描线的枕形失真。相反，偏心非球面反射体或部分透镜被用来产生扫描线的非对称桶形失真，其与由2D扫描系统100产生的扫描线的不对称枕形失真相等且相反。
例如，在一个实施例中，球面透镜系统的一部分可以被用来产生扫描线的期望不对称桶形失真，以补偿已知量的不对称枕形失真。图6示出了由仅包括球面透镜元件的扫描光学系统160的实施例产生的桶形失真图案600。如上文中结合图4描述的，对称桶形失真图案(诸如桶形失真图案600)可以被用来补偿图3中示出的对称枕形失真，从而在图4中产生直且平行的激光扫描线401-409。这是因为图3中的枕形失真的中心线320基本与成像表面110的中心线对准。相反，在枕形失真的中心线不与成像表面110的中心线对准并且因此是不对称枕形图案的实施例中，桶形失真图案600中仅有一部分可以被用来在成像表面110上产生基本直且平行的扫描线。具体地，桶形失真图案600的部分610可以被用来补偿图3中示出的不对称枕形失真。在一个实施例中，为了产生桶形失真图案600的部分610，扫描光学系统160可以被构造为其中仅使用透镜系统的片段的球面透镜系统。在这种实施例中，例如在更大的透镜系统可能与2D扫描系统100中的其他组件机械地干涉时，球面透镜系统的未利用部分可以被移除。诸如图2中示出的实施例。在另一个实施例中，扫描光学系统160可以相反地被构造为具有偏心非球面反射体，以产生桶形失真图案600的部分610。
在一些实施例中，接近反射镜140被构造为可以被快速并精确地旋转到期望位置的可移动反射元件，诸如电流计反射镜(galvanometer mirror)、微机电系统(MEMS)反射镜等。在这种实施例中，反射镜140的朝向改变接近光束173向光栅多边形反射镜150的接近角141。本领域技术人员可以理解，接近角141的改变也改变了由会聚光束175所遵循的扫描线在成像表面110上的位置。因此，当接近反射镜140被构造为能够被迅速并精确地移动到多个朝向的可移动反射元件时，每个朝向可以将会聚光束175导向成像表面110的不同位置。以此方式，与接近反射镜140固定时相比，单个激光束可以被用来照明成像表面的更多部分。这种实施例的一个示例在图7中示出。
图7示意性地示出了根据本发明的实施例，在成像表面110上的两组扫描线。利用处于第一朝向的可移动接近反射镜140，会聚光束175遵循在成像表面110上的第一组扫描线(实线)710。随着光栅多边形反射镜150的每个反射面旋转通过接近光束173，会聚光束175遵循扫描线711-719中的一者。利用处于第二朝向的可移动反射镜140，会聚光束175遵循在成像表面110上的第二组扫描线(虚线)720。在图7中示出的实施例中，第一组扫描线710与第二组扫描线720交错。因此，可移动接近反射镜140可以被用来增加有2D扫描系统100产生的图像的分辨率和尺寸，而不增加激光器模块120中的激光器或其它光源的数目。
在一些实施例中，成像系统可以包括一个或多个折叠反射镜，以提供在扫描和成像透镜与成像表面之间更长的工作距离、改善成像系统的紧凑型，或者这两者。图8示意性地示出了根据本发明的实施例的包括两个折叠反射镜810、820的成像系统800。折叠反射镜810、820定位在扫描光学系统160与成像表面110之间的光路中，并且被构造为将会聚光束175导向成像表面110。
如上所述，在一些实施例中，2D扫描系统100可以包括多个激光器模块120，它们一同产生多个基本平行的激光束，而非如图2所示的单个激光束171。例如，根据本发明的一些实施例，2D扫描系统100可以包括5、10、20或更多的激光器模块。在这种实施例中，图3中示出的扫描线301-309以及图4中示出的扫描线401-409中的每一者都表示由单个激光束所遵循的路径，而非由激光器模块120产生的全部激光束遵循的路径。例如，在一个实施例中，图3和图4中示出的每根扫描线表示由激光器模块120产生的最中央的激光束所遵循的路径。
图9提供了根据本发明的实施例的用于确定扫描光学系统160的构造的方法步骤的流程图。虽然关于图2的2D扫描系统100描述了方法步骤，本领域技术人员将会理解本发明的范围包括执行该方法步骤来确定任何使用光栅扫描多边形的成像系统中的扫描和成像透镜的构造。在开始方法900之前，确定2D扫描系统100的大致构造，包括成像表面110的尺寸以及激光器模块120、光栅多边形反射镜150和扫描光学系统160的相对位置。
如图所示，方法900在步骤901处开始，其中确定了接近角141。因为更小的接近角141在成像表面110上产生扫描线的更少的不对称失真，所以在给定2D扫描系统100的具体几何形状的情况下，在一些实施例中接近反射镜140的位置和朝向被选择为产生最小的实际接近角141。接近角141的大小可以基于成像表面110的高度119、准直光束172的光束宽度145以及光栅多边形反射镜150与扫描光学系统160的前组件之间的瞳距159。在本发明的接近反射镜140定位在光栅多边形反射镜150与成像表面110之间的实施例中，接近角141可以约为30°到45°。
在步骤902中，对旋转轴156的倾斜角157进行选择来优化在成像表面110上由会聚光束175所遵循的激光扫描线的失真。具体地，基于接近角141，倾斜角157可以被选择为使得扫描线在成像表面110上的失真是对称的。在一个实施例中，本领域中已知的光学建模软件可以被用来预测屏幕上的扫描线形状，并且通过光束跟踪，确定倾斜角157的优化值，来在成像表面110上对称地定位枕形失真的图案。给定在步骤901中确定的接近角141以及理想的光学系统160，本领域技术人员可以使用这种操作来容易地确定倾斜角157的这种优化值。在这种实施例中，理想扫描光学系统160被假设为不具有象差。
在步骤903中，确定由光栅多边形反射镜150引入到2D扫描系统100中的枕形失真的程度。本领域中已知的光学建模软件(诸如扫描线光束跟踪算法)可以被用来预测由会聚光束175在成像表面110上所遵循的扫描线形状。以此方式，可以量化由光栅多边形反射镜150引入到2D扫描系统100中的对称枕形扫描线失真。在激光器模块120产生多个激光束的实施例中，可以在步骤903中预测与由一个或多个代表性激光所遵循的路径相对应的扫描线，而不是对于由激光器模块120产生的全部激光束预测扫描线。
在步骤904中，扫描光学系统160被构造为在会聚光束175中产生与在步骤903中预测存在于2D扫描系统100中的扫描线失真相等并相反的扫描线失真。因此，扫描光学系统160被构造为在会聚光束175中产生特定量的负的或桶形的失真，以补偿在步骤903中确定的存在于2D扫描系统100中的会聚光束175的正的或枕形失真。
图10是示出了由本发明的实施例在屏幕上产生的扫描线的光束跟踪扫描线图的示例。图10是利用扫描线光束跟踪微距镜头(macro)在20”×15”成像屏上产生的。如图所示，在屏幕上进行扫描的激光扫描线是大致直且平行的线，而非弧形。具体地，本发明的实施例可以在成像表面110上实现在500mm长的扫描线上0.5mm的直线精确度，诸如图4中的激光扫描线401-409中的一者。因此，本发明的实施例可以使用单个扫描组件在成像表面上产生笔直的线，以实现1/1000的直线度误差。扫描光学系统160的实施例被构造为f-θ透镜。
图11示意性地示出了根据本发明的实施例的扫描光学系统160的另一个实施例1100，其被构造为具有补偿透镜失真功能。与图11中示出的扫描光学系统160的实施例类似，由于补偿透镜失真功能，由会聚光束175在成像表面110上遵循的激光扫描线基本是直线。与本领域中的扫描透镜类似，扫描光学系统160的实施例1100被构造为在成像表面110上的全部点处具有最小象差的状态下将会聚光束175聚焦在成像表面110。在图11中示出光束1150以定量示出穿过扫描光学系统160的实施例1100并被导向成像表面110的光束行为。
在图11中示出的实施例1100中，扫描光学系统160包括四元件组合透镜，其包括元件1101-1104，每个元件1101-1104都具有具体功能。当组装到一起之后，元件1101-1104的功能将光束1150在具有最小象差并具有补偿桶形失真的状态下聚焦到成像表面110上，该补偿桶形失真基本消除了由2D扫描系统100的其他组件产生的枕形失真。在图11中示出的实施例中，元件1101-1104都是球面元件，它们通常比非球面光学元件更易于制造。此外，扫描光学系统160相对于成像表面110对称地定位，即，扫描光学系统160定位为使得沿着扫描光学系统160的光轴1160穿过的光束也穿过成像表面110的中心点1170。中心点1170距成像表面110的顶边缘1161和底边缘1162等距，并且也距成像表面110的左边缘和右边缘(未示出)等距。除了对于图5中示出的扫描光学系统160的实施例描述的优点之外，实施例1100仅包括四个元件，并且因此更容易制造和组装。此外，实施例1100通常比使用五个以上元件的扫描光学系统的实施例更紧凑。
元件1101是反射光束174所穿过的实施例1100的第一个元件。元件1101被构造为产生具有最小象差的入射光束的光学功率。元件1102被构造为补偿由元件1101引起的轴上象差。元件1103被构造为补偿由元件1101和1102引起的离轴剩余象差，诸如像散和场曲。元件1104主要被构造为补偿失真元件，其产生足够的负的(即，桶形)失真以补偿通过使用光栅多边形反射镜150来在成像表面110上扫描会聚光束175而引入的会聚光束175的扫描线弯曲。在一些实施例中，元件1104是正的或会聚透镜。注意，扫描光学系统的实施例1100被构造为f-θ透镜。
给定接近角141、瞳距159、有效焦距169(图2中示出)和成像表面110的尺寸，本领域技术人员在阅读这里的公开之后可以容易得出具有上述功能的元件1101-1104的构造。在这种构造中，每个元件1101-1104可以在一个或多个光学特性方面彼此不同，包括第一表面半径、第二表面半径、元件厚度、玻璃类型、色散、与相邻元件的相对位置、折射率以及入射光瞳位置。在一些实施例中，元件1101-1104中每一者的构造(即，元件1101-1104的上述光学特性)被同时地确定，因为全部四个元件协同工作，以确保在成像表面110上的光束1111-1114的适当聚焦和桶形失真。
总而言之，本发明的实施例提供了仅使用一个快速旋转组件(即，光栅多边形)来在成像表面上产生2D直线扫描线。本发明的一个优点是单个旋转元件可以被用来在成像表面上利用直且平行的扫描线实现光的二维扫描。
虽然上文针对的是本发明的实施例，但是可以得出本发明的其他和另外的特征，而不超出其基本范围，并且其范围由权利要求确定。

Claims (15)

1.一种扫描光束的系统，包括：
扫描光学器件模块，其中，所述扫描光学器件模块是根据补偿透镜失真功能而配置的，其中，所述扫描光学器件模块被配置来补偿枕形失真并仅使用球面透镜元件，其中，所述扫描光学器件模块以接近角接收多个光束并对所述多个光束进行传播，使得在所述多个光束对成像表面的第一部分进行扫描时，所述多个光束是基本上直的并且彼此平行的，所述成像表面包括显示屏；
光源模块，包含多个光源，所述多个光源被定位成把所述多个光束导向光栅多边形，其中，这些光源以入射接近角定位，所述入射接近角位于由所述光栅多边形的旋转轴线限定的平面中，其中，各个入射光束处于不同的入射接近角，其中，所述入射接近角大于0度；
所述光栅多边形具有第一面位置和第二面位置，其中，所述第一面位置和所述第二面位置相对于所述光栅多边形旋转轴线以不同角度倾斜，其中，每个面位置反射所述多个光束并建立不同组的经反射的多个光束，其中，每组经反射的多个光束是基本上直的并且彼此平行的，其中，所述光栅多边形以倾斜的旋转轴线旋转，其中，所述倾斜的光栅多边形旋转轴线朝着所述扫描光学器件模块倾斜，其中，所述倾斜轴线基于接近角，其中，所述倾斜轴线被选择为使得两组或更多组经反射的扫描线对称；
所述显示屏，其中，所述显示屏用所述多个光束中的第一组光束把图像的一部分成像在所述屏的第一部分处，其中，所述显示屏用所述多个光束中的第二组光束把图像的另外的第二部分成像在所述屏的另外的第二部分处，其中，扫描过所述第一部分和所述第二部分的光束是基本上直的。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接近角的大小是基于所述成像表面的高度、接近光束的光束宽度、以及所述光栅多边形反射镜与所述扫描光学器件模块之间的瞳距来确定的。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述接近角具有大小。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述显示屏位于所述扫描光学器件的、与所述光栅多边形相反一侧，其中，所述显示屏和所述扫描光学器件模块被定位成彼此对称。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述扫描光学器件模块的中心点和所述显示屏的中心点使得这些中心点与所述显示屏的顶边缘和底边缘等距离、与所述扫描光学器件模块光瞳的顶边缘和底边缘等距离、并与所述扫描光学器件光瞳的左边缘和右边缘等距离。
6.一种二维扫描系统，包括：
扫描光学器件；
激光器模块；
光栅多边形反射镜，能够围绕其旋转轴线旋转；以及
显示屏，
其中，所述光栅多边形反射镜被布置成使所述旋转轴线相对于所述显示屏倾斜，倾斜的所述旋转轴线被选择为使得两组或更多组经反射的扫描线对称，其中，所述扫描光学器件被布置在所述显示屏与所述光栅多边形反射镜之间，其中，所述扫描光学器件包括多个透镜，其中，每个透镜具有面向所述显示屏的凸表面。
7.一种二维扫描系统，包括：
成像表面；
多个光源，被配置来生成多个光束，各个光束用于照射所述成像表面的不同部分；
可旋转的光栅多边形，具有多个反射面，并被定位在所述多个光源与所述成像表面之间的光路中以用这些反射面将所述多个光束导向所述成像表面，其中，这些反射面各自相对于所述可旋转的光栅多边形的旋转轴线以不同的角度倾斜；和
多个扫描透镜，被依次定位在所述可旋转的光栅多边形与所述成像表面之间的光路中，并被配置成在所述可旋转的光栅多边形旋转时在所述成像表面上引入所述多个光束所遵循的多个扫描线的桶形失真，其中，每个扫描透镜具有面向成像表面的凸表面；
其中，所述可旋转的光栅多边形以朝着所述成像表面而倾斜的倾斜角定位；
其中，所述多个光束的接近角被选择成把所述多个激光束的会聚点定位在所述可旋转的光栅多边形的反射面附近；
其中，从所述可旋转的光栅多边形的第一面反射的多个光束沿着第一光路并在第一竖直位置处入射到所述成像表面上，所述第一光路以第一入射角度穿过所述扫描透镜的第一部分；并且
其中，从所述可旋转的光栅多边形的第二面反射的多个光束沿着第二光路并在不同于所述第一竖直位置的第二竖直位置处入射到所述成像表面上，所述第二光路以不同于所述第一入射角度的第二入射角度穿过所述扫描透镜的第二部分。
8.根据权利要求7所述的扫描系统，其中，所述扫描透镜被定位在所述可旋转的光栅多边形与所述成像表面之间的光路中，使得沿所述扫描透镜的光轴定向的光线入射到所述成像表面的中心点，所述中心点与所述成像表面的左边缘和右边缘等距并与所述成像表面的顶边缘和底边缘等距。
9.根据权利要求7所述的扫描系统，其中，五元件透镜被配置作为补偿失真透镜，来产生所述多个扫描线的桶形失真。
10.根据权利要求7所述的扫描系统，其中，所述扫描透镜包括组合透镜，所述组合透镜被配置作为补偿失真透镜，来产生所述多个扫描线的桶形失真。
11.根据权利要求7所述的扫描系统，其中，由所述扫描透镜引入的桶形失真对所述多个扫描线的枕形失真进行补偿，使得所述多个扫描线在整个成像表面上是基本上直的并且平行的线。
12.根据权利要求7所述的扫描系统，还包括反射元件，所述反射元件布置在所述多个光源与所述可旋转的光栅多边形之间的光路中，其中，所述反射元件离所述成像表面比所述可旋转的光栅多边形离所述成像表面更近，其中，所述反射元件被配置成在第一朝向与第二朝向之间运动，所述第一朝向随着所述可旋转的光栅多边形旋转而将所述多个光束沿第一组扫描线导向到所述成像表面的第一部分，所述第二朝向随着所述可旋转的光栅多边形旋转而将所述多个光束沿第二组扫描线导向到所述成像表面的不同的第一部分，其中，所述第一组扫描线中的扫描线与所述第二组扫描线中的扫描线交错。
13.根据权利要求12所述的扫描系统，其中，所述倾斜角被选择成使得由所述多个扫描线在所述成像表面上产生的枕形失真图案被对称地定位，使得所述枕形失真图案的中心线基本上对准所述成像表面的中心线。
14.根据权利要求12所述的扫描系统，其中，所述多个光束在整个所述成像表面上遵循的多个扫描线的桶形失真造成基本上直的并且平行的成像表面光束扫描线。
15.根据权利要求7所述的扫描系统，其中，所述扫描透镜的位置与所述可旋转的光栅多边形相距一个瞳距，并与所述成像表面相距一个有效焦距，所述有效焦距大于所述瞳距。
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