CN105933685B - 超广角微投影装置 - Google Patents

Abstract

一超广角微投影装置(100)包括一微扫描投影模组(10)。微扫描投影模组(10)包括一视频图像信号处理器(11)，耦合于视频图像信号处理器(11)的一个或多个激光驱动器(12)及一个或多个扫描驱动器(14)，耦合于激光驱动器(12)的一激光模块(13)，及耦合于扫描驱动器(14)的一MEMS扫描器(15)。该装置(100)还包括一设置于微扫描投影模组(10)投射出的投影光束的光径上的一光学非球面镜(16)，其基面(161)从中心至周边分布设置多个具有特定取向结构形状物(162)，其分布与微扫描投影模组(10)扫描投射出的投影光束所形成的画面的像素之间存在一定的对应关系。光学非球面镜(16)对一个或多个MEMS扫描器(15)扫描投射出投影光束进行调整。

Description

超广角微投影装置

技术领域

本发明涉及一种微投影装置，尤其涉及一种实现超广角投影的激光微投影装置。

背景技术

随着激光技术的发展，激光微投影设备及相关产品逐渐成熟并应用于日常的工作和生活中。微激光投影装置携带方便，操作简易，同时激光光源具有非常好的稳定性和一致性，其输出的视频投影画面具有分辨率高，色彩及画面的失真度小等优势。微激光投影装置除了在日常办公环境中应用，也逐渐进入家庭使用环境。比如，采用微激光投影装置连接视频源输出视频投影到家里设置的屏幕或一面平整的内室墙壁上，将存储的图像、视频或文件等就地播放到显示屏幕或平整的墙面上。适用于各种应用环境。

由于微投影装置产品体积较小，其投影输出的显示画面会有一定的局限性，比如，画面显示不够大。投影距离远时投影画面会增大但投影输出画面的分辨率会降低，影响用户的观看体验。例如，在家里室内较小的使用环境中，投影距离受到一定的限制，期望能投影输出高清晰度、大尺寸图像画面的显示效果，满足高清晰的观看需求。因此超短距离投影且超大投影画面显示是目前微投影装置改进的发展方向。

目前在解决超广角投影的技术问题上主要采用对光学镜头组进行设计和调整，专利号为US8,482,851B2，专利名称为“投影光学系统及使用该系统的投影显示装置”中记载的技术方案，为解决广角投影问题，设计采用15个折射透镜及一个凹面非球面镜的镜头组系统，通过两组镜头的设置及位置调整设置，达到超广角投影输出的目的。上述方案中采用的镜头组多，除镜头之间会存在相应光学特性上的差异外，在投影光路的调整上也较繁琐。同时，太多组镜头系统不利于小型投影设备的设计应用。

为解决目前实现超广角投影在设计及投影中存在的问题，以利于当前微激光投影的技术改进，提高微激光投影产品的超短距离投影效果，同时保证大投影画面的图像达到高分辨率的显示效果是本发明的主旨。

发明内容

本发明提供一超广角微投影装置，用于在超短距离投影条件下实现高分辨率画面投影，并输出超广角显示画面的技术效果。

根据本发明一基本特征，一超广角微投影装置，包括一微扫描投影模组。所述微扫描投影模组包括一视频图像信号处理器，设定为对输入视频图像信号进行处理；一个或多个耦合于所述视频图像信号处理器的激光驱动器；一个或多个耦合于所述视频图像信号处理器的扫描驱动器；一个或多个耦合于所述一个或多个激光驱动器的激光模块，设定为发出一个或多个具有特定强度和颜色的复合激光束；及一个或多个耦合于所述一个或多个扫描驱动器的MEMS(MicroElectronicMechanical System，微电机系统)扫描器，设定为对一个或多个复合激光束进行扫描并投射出一组或多组投影光束，其中每组投影光束所形成的投影画面包括一行内的复数个像素及复数个像素行。所述一组或多组投影光束设定为包含一行内的复数个像素及复数个像素行的一个光场或多个光场。

根据本发明的另一特征，所述超广角微投影装置还包括一光学非球面镜。所述光学非球面镜设置于一个或多个MEMS扫描器扫描并投射出的一组或多组投影光束的光径上。

根据本发明的另一特征，所述光学非球面镜的基面上设置有多个具有特定取向结构的形状物，所述形状物的分布与一组或多组投影光束所形成的投影画面的像素之间存在对应关系。

根据本发明的另一特征，所述光学非球面镜为一非球面反射镜或一非球面透镜。

根据本发明的另一特征，所述光学非球面镜设定为对一个或多个MEMS扫描器扫描并投射出的一组或多组投影光束进行调整。所述光学非球面镜的基面上设置的多个具有特定取向结构的形状物对一个或多个MEMS扫描器扫描并投射出的一组或多组投影光束进行调整。

根据本发明的另一特征，所述光学非球面镜的基面上设置的多个具有特定取向结构的形状物，以及光学非球面镜的基面，设定为对一个或多个MEMS扫描器扫描并投射出的一组或多组投影光束进行调整。

根据本发明的另一特征，所述光学非球面镜的基面上设置的多个具有特定取向结构的形状物，其分布于所述光学非球面镜基面的中心至周边。分布于所述光学非球面镜基面的中心至周边的多个形状物在所述基面上邻近并包含中心部位的取向结构不同于邻近周边部位的取向结构。

根据本发明的另一特征，所述光学非球面镜基面上的多个具有特定取向结构的形状物对一个或多个MEMS扫描器扫描并投射出的投影光束进行偏转。所述光学非球面镜基面周边分布的多个形状物对投影光束的偏转角度远大于基面中心分布的多个形状物对投影光束的偏转角度。

根据本发明的另一特征，所述微扫描投影模组包括多个MEMS微扫描器时，所述视频图像信号处理器对输入视频图像进行分块设定，形成多个视频图像块。所述多个MEMS扫描器对相应的多个激光模块发出的包含分块设定的多个视频图像块的复合激光束进行扫描，并投射出多组投影光束，每一组投影光束具有一光场。

根据本发明的另一特征，所述光学非球面镜设置于多个MEMS扫描器扫描并投射出的多组投影光束的光场的边界的交汇处。所述光学非球面镜设定为对多个MEMS扫描器扫描并投射出的多组投影光束的光场的边界交汇处光束进行调整矫正，使得多组光束光场边界处的交汇光束重合，确保投影输出的画面完整且准确。

根据本发明的另一特征，所述超广角微投影装置可为微激光投影仪、激光投影手机、激光投影模块或激光投影机顶盒等。

本发明提出的超广角微投影装置，通过在一个或多个MEMS扫描器扫描并投射出的投影光束的光径上设置一光学非球面镜，所述光学非球面镜的基面从中心至周边设有不同取向结构的形状物，所述形状物对所述一个或多个MEMS扫描器扫描并投射出的一组或多组投影光束进行调整。从而实现投射出高分辨率、超广角投影画面的技术效果。

附图说明

图1描述为超广角微投影装置功能方框图；

图2描述为超广角微投影装置一投影示意图；

图3描述为超广角投影装置另一投影示意图；

图4描述为采用双MEMS扫描器的超广角微投影装置投影示意图；及

图5描述为采用双MEMS扫描器的超广角微投影装置另一投影示意图。

具体实施方式

本发明将通过实施例的方式结合附图予以阐述。在附图中，各个图中相同或相关结构或功能元素会以相似的标号表示。附图中元件的尺寸和特点仅是作为方便阐述的目的。它们不对本发明的范围有所界定，且并不一定表示实际尺寸和比例关系。

图1为一超广角微投影装置100的功能方框图。根据本发明一实施例，超广角微投影装置100包括一微扫描投影模组10，其包括一视频图像信号处理器11，一个或多个耦合于所述视频图像信号处理器11的激光驱动器12，耦合于一个或多个激光驱动器12的一个或多个激光模块13，一个或多个耦合于视频图像信号处理器11的扫描驱动器14，以及耦合于一个或多个扫描驱动器14的一个或多个MEMS扫描器15。超广角微投影装置100还包括一位于一组或多组投影光束的光径上的光学非球面镜16，设定为对一个或多个MEMS扫描器15所投射输出的投影光束进行偏转调整。

图2为根据本发明一实施例的超广角微投影装置100投影示意图。当有视频信号输入时，视频图像信号处理器11的一图像信号处理模块112读取输入视频图像信号，并将视频图像的像素光强及颜色信号传送到激光驱动器12(图2中未示出)，激光驱动器12设定为产生三个模拟驱动信号。激光模块13由一个红色激光管、一个绿色激光管、以及一个蓝色激光管(图2中均未示出)响应激光驱动器12发出的三个模拟驱动信号，产生具有相应强度一红色激光束、一绿色激光束、以及一蓝色激光束。激光模块13还包括一由透镜和/或反射镜组成的光学元件(图2中未示出),将上述三个激光管发出的红色、绿色、及蓝色激光束合并为一复合激光束输出。激光模块13可根据不同的应用需求设定不同个数的红色激光管、绿色激光管及蓝色激光管。例如，采用一个红色激光管、两个绿色激光管及一个蓝色激光管所构成的激光模块13能有效减少激光光源所发出的复合激光束的光斑。

扫描驱动器14(图2中未示出)根据输入视频图像像素位置或时序信号发出扫描驱动信号并传送至MEMS扫描器15，以对激光模块13传送过来包含视频图像信息的复合激光束进行扫描。根据本发明的一个实施例，MEMS扫描器15为一双轴MEMS扫描系统，包括一反射镜面设置于一扫描板(图2中未示出)上。扫描板通过设置于其两边的内扭力臂与一平衡环(图2中未示出)连接，以绕与内扭力臂重合的第一转动方向轴转动。所述平衡环通过设置于其两边的外扭力臂连接至承载MEMS扫描系统的一基底(图2中未示出)上，以绕与外扭力臂重合的第二转动方向轴转动。第一转动方向轴与第二转动方向轴互相垂直。一线圈设置于平衡环上，并耦合于扫描驱动器14。扫描板绕第一转动方向轴转动以形成一行内复数个像素，平衡环绕第二转动方向轴转动以形成复数个像素行。

根据发明，双轴MEMS微扫描器可根据具体应用设定为通过一平衡环(或平衡组件)单轴悬浮设置于MEMS扫描器的基底所形成的腔体内，或者设定为通过一扫描板全悬浮设置于MEMS扫描器的基底所形成的腔体内。也可以根据应用设定为通过设置于基底上的一支撑架支撑悬浮置于基底腔体内的平衡环或扫描板的结构设计，以满足不同的应用环境需求。

视频图像信号处理器11还包括一信号同步模块111，耦合于一感测电路(图2中未示出)，对激光模块13发出的激光的颜色及强度，以及MEMS扫描器15的扫描板及平衡环在转动过程中的角度位移进行感测。信号同步模块111验证来自感测电路的反馈信号与来自图像处理器模块112中影像信号像素信息的一致性，如不一致，则根据反馈信号进行调整和矫正。

根据本发明一实施例，光学非球面镜16设定为一非球面凹透镜，设置于MEMS扫描器15扫描并投射出的投影光束的光径上。光学非球面凹透镜16的一基面161上设置有多个具有特定取向结构的形状物162，形状物162的分布与MEMS扫描器15扫描并投射出的投影光束所形成的投影画面的像素之间存在对应关系。根据形状物162的光学特征及MEMS扫描器15扫描并投射出的投影光束所形成的投影画面的像素投射方向，采用特定算法可计算得出上述对应关系。MEMS扫描器16扫描并投射出的投影光束为包含一行内的复数个像素及复数个像素行的一光场，例如，投影光束为一1920×720的光场。

光学非球面凹透镜16的基面161上设置的多个具有特定取向结构的形状物162对MEMS扫描器15扫描并投射出的投影光束进行偏转调整。根据一优选实施例，光学非球面凹透镜16的基面161上设置的多个具有特定取向结构的形状物162以及基面161，共同对MEMS扫描器15扫描并投射出的投影光束进行偏转调整，以优化投影画面的偏转调整程度。

光学非球面凹透镜16的基面161上设置的多个具有特定取向结构的形状物162分布于整个基面161的中心部位至周边部位。多个形状物162在基面161邻近并包含中心部位的取向结构不同于在邻近周边部位的取向结构，以对投影画面光场内不同方向的投影光束产生不同角度的偏转调整。因此，偏转后投射到一屏幕17的投影画面可以具有更宽广的视角，以形成超广角投影。

图3为根据本发明另一实施例的超广角微投影装置100投影示意图。图3中光学非球面镜16设定为一光学非球面反射镜。微扫描投影模组10扫描并投射出的投影光束经光学非球面反射镜16对投影光束进行反射并偏转调整。光学非球面反射镜16的基面161上设置有多个具有特定取向结构的形状物162。多个形状物162在基面161邻近并包含中心部位的取向结构不同于在邻近周边部位的取向结构。邻近周边部位的形状物162的取向结构对投影光束的偏转幅度远大于邻近并包含中心部位的形状物162对投影光束的偏转幅度。因此，经光学非球面反射镜16偏转调整后的投影光束的视角得到非常显著的提高，可在近距离内设置的屏幕17上形成大视场画面。

图4为根据本发明另一实施例采用双MEMS扫描器151和152的超广角微投影装置100投影示意图。超广角投影装置100的微扫描投影模组10包括视频图像信号处理器11，设定为对输入视频图像信号进行分块处理。微扫描投影模组10还包括两个耦合于所述视频图像信号处理器11的激光驱动器(图4中未示出)，两个耦合于相应激光驱动器的激光模块131和132，两个耦合于视频图像信号处理器11的扫描驱动器(图4中示标出),及两个耦合于相应扫描驱动器的MEMS扫描器151和152。超广角投影装置100还包括一光学非球面凹透镜16。

当有视频图像信号输入时，视频图像信号处理器11根据MEMS扫描器的数目对输入视频图像信号进行分块处理设定，以形成多个视频图像块。激光模块131和132响应视频图像信号处理器11分块设定的图像的像素强度和颜色信号发射出相应的两束复合激光束。MEMS扫描器151和152分别对相应激光模块131和132发出的两束复合激光束进行扫描以形成两组投影光束。MEMS扫描器151和152的扫描板分别绕第一转动方向轴转动并扫描投射以形成相应图像数据块的一行内相应复数个像素，并分别绕第二转动方向轴转动以形成相应图像数据块中的复数个像素行。

经微扫描投影模组10的两个MEMS扫描器151和152扫描并投射出的包含两部分视频图像块的两组投影光束投射到设置于投影光束光径上的光学非球面凹透镜16上。根据MEMS扫描器151和152的位置关系，光学非球面凹透镜16设置于两个MEMS扫描器151和152扫描并投射出的两组投影光束所形成的光场边界的交汇处。光学非球面凹透镜16的基面161及基面上从中心至周边设置的多个具有特定取向结构的形状物162对MEMS扫描器151和152扫描输出的两组投影光束进行偏转调整。光学非球面凹透镜16的基面161邻近周边部位分布的形状物162的取向结构不同于邻近并包含中心部位分布的形状物162的取向结构。基面161上邻近并包含中心部位分布的形状物162对两组投影光束光场的边界处的交汇光束进行调整矫正，实现投影光束完整且准确。邻近周边部位分布的形状物162对两组投影光束光场的其他边界处光束的偏转调整较大，以形成超广的投影光束光场视角。经光学非球面凹透镜16调整矫正后，两组投影光束光场边界的交汇处的光束重合，实现完整且准确的投影画面。经调整后的投影光束输出到屏幕17上显示所形成的投影画面。

本发明实施例中，采用两个激光模块131和132及两个MEMS扫描器151和152的微扫描投影模组10输出的投影画面比采用单个激光模块13及单个MEMS扫描器15的微扫描投影模组10输出的投影光束所形成的投影画面的像素得到进一步提升，投影显示画面增大。光学非球面凹透镜16的基面161上设置的具有特定取向结构的形状物162，其分布与投射出的投影光束所形成的投影画面的像素之间可通过特定算法计算出之间的对应关系。设置光学非球面凹透镜16进一步增强了投影输出画面的分辨率及投影显示画面的偏转角度，使得在投影距离较短的环境中，仍能保证大视角投影画面的显示效果。例如，30cm的投影距离能实现100吋投影显示画面，且清晰度高，输出画面的亮度及颜色均能得到保证的效果。本发明提出的超广角微投影装置非常适用于小空间投影，大画面显示的应用需求。

图5为根据本发明另一实施例采用双MEMS扫描器的超广角微投影装置100一投影示意图，图中光学非球面镜16设定为一光学非球面反射镜。经微扫描投影模组10的两个MEMS扫描器151和152扫描投射出的投影光束，经非球面反射镜16进行调整矫正。光学非球面反射镜16的基面161设定为平面。多个具有特定取向结构的形状物162分布设置于所述基面161上。分布于基面161邻近周边部位的多个形状物162对投影光束偏转调整不同于邻近并包括中心部位的多个形状物162对投影光束的偏转调整。经光学非球面反射镜16偏转调整后，两组投影光束光场边界的交汇处的光束重合，实现投影画面完整且准确。两组投影光束光场的其他边界处经偏转调整后，投影光束的偏转角度得到显著的增大，从而实现近距离投影，超广角、大画面显示的技术效果。

本发明提出的各种实施例中，超广角微投影装置100的微扫描投影模组10扫描并投射出的投影光束的光场的角度一般为小于45度，例如，30度。经光学非球面镜16进行偏转后其所输出光束的光场的角度通常大于90度，可至120度，150度，等。很大程度地扩展了投射视角。

根据本发明，微扫描投影模组10可根据具体应用设置多个激光驱动器、多个相应的激光模块、多个扫描驱动器及多个相应的MEMS扫描器。具体数目N可以根据应用需求设定。本发明实施例中所给出的应用例，并不对微扫描投影模组10内MEMS扫描器数目的设置构成限定。

本发明所提供的实施例中，超广角微投影装置可设计为微激光投影仪，用于日常的生活或工作的投影显示。可以为激光投影手机，随时随地满足多应用需求。也可以为设置有超广角微投影模块的数字机顶盒。超广角微投影装置也可设计为模块，能够兼容内置于相应的电子产品，实现一机多用的功能。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术方案，但本领域的技术人员应该理解，上述内容仅是举例说明，本发明的保护范围由权利要求书内容所限定。本领域技术人员在不违背本发明的技术原理和实质内容的前提下，可对实施方案进行多种变更或更改，这些变更和更改均应落入本发明的保护范围。例如，光学非球面镜16的设置不受上述实施例中所描述的结构所限定。光学非球面镜16可根据具体应用选用非球面反射镜或非球面透镜。非球面反射镜16的基面161可为平面或曲面。光学非球面透镜16可为一个光学透镜或多个光学透镜的组合。光学非球面透镜16的两个基面可为曲面，直面，或曲面和直面的结合，以满足不同应用需求。

Claims (8)

1.一超广角微投影装置，其特征在于所述超广角微投影装置包括：

一微扫描投影模组，包括：

一视频图像信号处理器，设定为对输入视频图像进行处理；

一个或多个耦合于所述视频图像信号处理器的激光驱动器；

一个或多个耦合于所述一个或多个激光驱动器的激光模块，设定为发出一个或多个具有特定强度和颜色的复合激光束；

一个或多个耦合于所述视频图像信号处理器的扫描驱动器；以及

一个或多个耦合于所述一个或多个扫描驱动器的MEMS扫描器，设定为对所述一个或多个复合激光束进行扫描并投射出一组或多组投影光束，其中每组投影光束所形成的投影画面包括一行内的复数个像素及复数个像素行；以及

一光学非球面镜，设置于所述一个或多个MEMS扫描器扫描并投射出的一组或多组投影光束的光径上，所述光学非球面镜的一基面上设置有多个具有特定取向结构的形状物，所述形状物的分布与一组或多组投影光束所形成的投影画面的像素之间存在对应关系；

所述多个MEMS扫描器对相应的所述多个激光模块发出的包含分块设定的多个视频图像块的多个复合激光束进行扫描，并投射出多组投影光束，每一组投影光束具有一光场；

所述多个具有特定取向结构的形状物分布于所述光学非球面镜基面的中心至周边；分布于所述光学非球面镜基面的中心至周边的所述多个形状物在所述基面上邻近并包含中心部位的取向结构不同于邻近周边部位的取向结构；

所述光学非球面镜基面上临近并包含中心部位分布的形状物对所述多个MEMS扫描器扫描并投射出的多组投影光束的光场的边界交汇处光束进行调整矫正，使得所述多组投影光束的光场的边界交汇处光束经所述光学非球面镜调整矫正后重合；并且邻近周边部位分布的形状物对多组投影光束光场的其它边界处光束的偏转调整较大。

2.根据权利要求1所述的超广角微投影装置，其特征在于所述光学非球面镜为一非球面反射镜或一非球面透镜。

3.根据权利要求1所述的超广角微投影装置，其特征在于所述光学非球面镜设定为对所述一个或多个MEMS扫描器扫描并投射出的一组或多组投影光束进行调整。

4.根据权利要求3所述的超广角微投影装置，其特征在于所述光学非球面镜的基面上设置的所述多个具有特定取向结构的形状物设定为对所述一个或多个MEMS扫描器扫描并投射出的一组或多组投影光束进行调整。

5.根据权利要求3所述的超广角微投影装置，其特征在于所述光学非球面镜的基面上设置的所述多个具有特定取向结构的形状物及光学非球面镜的所述基面设定为对所述一个或多个MEMS扫描器扫描并投射出的一组或多组投影光束进行调整。

6.根据权利要求1所述的超广角微投影装置，其特征在于：

所述多个具有特定取向结构的形状物对所述一个或多个MEMS扫描器扫描并投射出的多组投影光束进行偏转；以及

所述基面周边分布的形状物对光束的偏转大于基面中心分布的形状物对光束的偏转。

7.根据权利要求1所述的超广角微投影装置，其特征在于所述微扫描投影模组包括多个MEMS扫描器时，所述视频图像信号处理器对输入视频图像分块设定，以形成多个视频图像块。

8.根据权利要求1所述的超广角微投影装置，其特征在于所述光学非球面镜设置于所述多个MEMS扫描器扫描并投射出的多组投影光束的光场的边界交汇处。