CN110944786B - 基于激光的图像投影仪 - Google Patents

Abstract

一种成像装置，包括：光源，其配置为产生光束；以及至少一个光束导向器，其包括至少一个编码图像。光束入射在至少一个光束导向器的表面上，并且光束被至少一个光束导向器重定向到投影表面上。致动器配置为相对于光源移动至少一个光束导向器，使得光束在投影表面上描绘出至少一个编码图像。

Description

基于激光的图像投影仪

技术领域

本公开总体上涉及图像投影系统，更具体地涉及一种包括具有编码图像的光束导向器的图像投影系统。

背景技术

在某些危险期间或在某些位置中，将有关出口、应急站的信息或任何其他类似信息投影到地面或其他可见表面上是有益的，而其中并不希望以永久的方式(比如通过油漆或永久竖立的标志)呈现此类信息。于此的一种解决方案是利用投影系统仅在适当的时间将相关信息或图像投影在所需表面上。

诸如在投影仪中使用的那些复杂的激光成像系统包括多个复杂的镜子，为了产生期望的图像，需要每个镜子与其他每个镜子同步移动。激光成像系统通常包括复杂而精致的电子和机械控件，用于控制镜子的同步。由于使用了大量的颜色和激光，以及投影仪内的精密电子设备，导致投影仪在危险条件下(比如在火灾、洪水、暴露于元件、运输力或任何类似危险的情况下)的持续不间断的操作不可靠或不可能。

发明内容

投影图像的示例性方法包括：将光束发射到光束导向器上；使用光束导向器将光束重定向到投影表面上；以及相对于光束源移动光束导向器，使得光束在投影表面上描绘出至少一个图像。光束导向器包括编码到光束导向器上的至少一个图像。

在上述投影图像的示例性方法的另一示例中，至少一个图像通过光束导向器的至少一个表面的形状和尺寸被编码在光束导向器上。

在上述投影图像的示例性方法中的任何一个的另一示例中，还包括将光束反射离开光束导向器。

在上述投影图像的示例性方法中的任何一个的另一示例中，相对于光束源移动光束导向器包括围绕轴线旋转光束导向器。

在上述投影图像的示例性方法中的任何一个的另一示例中，光束的重定向角度取决于在光束导向器的入射表面、光束源相对于光束导向器的位置以及光束在光束导向器上的入射点的三维空间中的特定角度。

在上述投影图像的示例性方法中的任何一个的另一示例中，光束由光束导向器折射。

在上述投影图像的示例性方法中的任何一个的另一示例中，相对于光束源移动光束导向器包括线性地移动光束导向器。

在上述投影图像的示例性方法中的任何一个的另一示例中，光束导向器包括成角度的面的阵列，并且当光束导向器移动时，光束入射在光束导向器上的位置穿过所述成角度的面的阵列。

在上述投影图像的示例性方法中的任何一个的另一示例中，光束在投影表面上的位置至少部分地由相对于光束的光束导向器的光束入射在其上的面的角度来控制。

在上述投影图像的示例性方法中的任何一个的另一示例中，当描绘至少一个图像时，光束源连续地打开。

在上述投影图像的示例性方法中的任何一个的另一示例中，当描绘至少一个图像时，光束源在开启状态和关闭状态之间循环。

在上述投影图像的示例性方法中的任何一个的另一示例中，光束导向器的运动是循环的。

在上述投影图像的示例性方法中的任何一个的另一示例中，光束导向器的运动每秒经历至少24个循环。

在上述投影图像的示例性方法中的任何一个的另一示例中，移动光束导向器包括绕轴线旋转光束导向器和线性地移动光束导向器中的至少一个。

在一示例性实施例中，一种成像装置包括：光束源，其配置为产生光束；至少一个光束导向器，其包括至少一个编码图像；其中光束入射在至少一个光束导向器的表面上，并且光束被至少一个光束导向器重定向到投影表面上；以及致动器，其配置为相对于光束源移动至少一个光束导向器，使得光束在投影表面上描绘出至少一个编码图像。

在上述成像装置的另一示例中，至少一个编码图像通过至少一个光束导向器的表面的形状和尺寸被编码在至少一个光束导向器上。

在上述成像装置中的任何一个的另一示例中，至少一个光束导向器的至少一个表面包括多个面。

在上述成像装置中的任何一个的另一示例中，致动器是旋转致动器，并且至少一个光束导向器的半径相对于旋转轴线是不均匀的。

在上述成像装置中的任何一个的另一示例中，致动器是线性致动器，并且至少一个光束导向器包括具有入射表面和折射表面的透明结构，折射表面和入射表面中的每一个相对于光束成不同角度。

在上述成像装置中的任何一个的另一示例中，至少一个光束导向器的表面包括非反射表面和漫射表面中的至少一个。

上述成像装置中的任何一个的另一示例还包括在光束被至少一个光束导向器重定向之后设置在光束的路径中并配置成改变光束的路径的至少一个部件，其中该部件包括镜子和透镜中的至少一个，并且其中该部件配置为相对于光束导向器铰接。

在上述成像装置中的任何一个的另一示例中，光束源配置为相对于光束导向器铰接。

通过以下说明书和附图，可以最好地理解本发明的这些及其他特征，以下是简要描述。

附图说明

图1A示意性地示出了示例性成像系统。

图1B示意性地示出了替代示例性成像系统。

图2A示意性地示出了根据第一实施例的示例性反射光束导向器。

图2B示意性地示出了图2A的示例性反射光束导向器的横截面图。

图3示意性地示出了根据第一实施例的示例性折射光束导向器。

图4A示意性地示出了根据第二实施例的示例性反射光束导向器。

图4B示意性地示出了根据第三实施例的示例性反射光束导向器。

图5是示出用于使用本文所述的成像系统投影图像的方法的流程图。

图6A-6D示意性地示出了根据图5的过程投影成像的示例性成像系统。

图7示意性地示出了根据图2A和2B的光束导向器设计的包括光束导向器的成像系统。

图8A和8B示意性地示出了根据图3的光束导向器设计的包括光束导向器的成像系统。

具体实施方式

图1A示意性地示出了成像系统100，其设计和配置成利用折射光束导向器140在诸如墙壁、地板、广告牌、山坡、森林地面等的投影表面101上显示图像。类似地，图1B示意性地示出了配置成利用反射光束导向器140的成像系统100。成像系统100包括产生光束132比如激光束的光束源130。为了产生静止图像，将光束源130保持在静止位置，并且沿着恒定的光束路径发射光束132。

光束132入射在光束导向器140上。光束导向器140根据所使用的光束导向器140的类型，通过反射、折射或反射和折射的组合来改变光束132的路径。致动装置(称为致动器150)比如线性或旋转致动器致动光束导向器140，从而使光束导向器140相对于光束132移动。作为非排他性示例，相对运动可以是光束导向器140围绕轴线的旋转、光束导向器140的线性运动或两者的组合。光束导向器140的运动通过控制光束132入射在光束导向器140上的一个或多个位置来确定光束132被改变的角度，如通过多个改变的光束路径134所示。

当改变的光束路径134移动时，光束接触投影表面101的点且因此光束可见的点沿着投影表面101移动。通过循环地致动光束导向器140，可以在投影表面101上绘制(通过描绘)内聚图像或多个不同的图像。尽管本文以单数形式描述，但应当理解，投影表面101可以是单个表面、多个相邻表面、多个不连续的表面或任何其他表面配置。此外，通过使光束导向器140循环得比人的视觉识别速度快，单个形状或图像被投影到投影表面101上。在这种示例中，图像由投影表面101上的改变的光束路径134的入射光描绘，并且光束导向器140每秒循环至少24个循环。在替代示例中，比如在人们希望看到图像描绘在表面上的那些示例中，光束导向器140以每秒更少的循环进行循环。

为了控制改变的光束路径134的重定向角度，光束导向器140包括成角度的反射或折射表面(参见图1A-4B)，其中该表面在光束132和光束导向器140的反射或折射表面之间的入射点处的角度至少部分地确定改变的光束路径134被重定向的角度。举例来说，入射点处的角度决定了反射光束导向器140中改变的光束路径134的重定向，而入射点处的角度与材料选择相组合以及表面之间的间距决定了采用折射光束导向器140的改变的光束路径134的重定向。

通过致动器150比如线性致动器或旋转致动器来改变光束导向器140的位置和/或定向。可替代地，可以使用实现位置和/或定向改变的任何类似手段来达到相同的效果。相应地，在光束132入射在光束导向器140上的位置处，光束导向器140的反射表面或折射表面的角度沿反射表面或折射表面改变，从而导致当光束导向器140被致动时，入射在投影表面101上的改变的光束路径134的位置描绘出在光束导向器140上编码的图像。

通过利用在入射点处具有多个设定角度的一个或多个表面，在投影表面101上描绘出的合成图像被硬编码到光束导向器140中。换句话说，光束导向器140的物理尺寸对被投影的图像进行编码。在一些示例中，可以将成像系统100设计成具有将光束导向器140切换为替代光束导向器140的能力，从而允许用户改变投影图像。在另外的示例中，可以包括多个光束导向器140，并且可以利用辅助致动系统来切换光束132在任何给定操作期间入射在哪个光束导向器140上。在另外的示例中，可以利用多个激光器或其他光束源和/或重定向部件来改变光束导向器140上的入射位置，从而改变被显示的编码图像。

此外，通过在光束导向器140上对图像进行硬编码，可以利用相对简单的旋转或线性驱动或者任何类似的机械运动来生成图像，从而允许成像系统100进行操作而无需复杂的控制。举例来说，如果成像系统100设计成投射箭头或其他方向性图标，从而在火灾或类似紧急情况下将人员引向出口，则简单的旋转或线性致动系统可以继续起作用，而需要定时光束源、多个同步致动镜或在多个光束与光束导向器之间切换的更复杂的电子系统会降级，需要维护或由于恶劣的环境而停止工作。

继续参照图1A-1B以及上述的成像系统100，图2A和2B从等轴测图(图2A)和横截面图(图2B)示出了示例性反射光束导向器200。反射光束导向器200通常是圆盘形或圆柱形的，其限定了穿过光束导向器200主体的大致中点的旋转轴线210。尽管在示例图中示出了具有大致垂直于轴线210的平坦顶表面212和底表面214，但顶表面212和底表面214可以是成角度的、倒圆的或任何其他类似的形状。

光束导向器200包括光束132入射在其上的反射入射表面220。在入射表面220、光束源相对于光束导向器200的位置以及光束132在光束导向器200上的入射点的三维空间中的特定角度确定了改变的光束路径134的重定向角度(在图1A和1B中示出)。在该示例中还包括第二非连续入射表面250。非连续入射表面250与入射表面220不连续，并且在一些示例中可以是图像编码的开始和结束。在一些示例中，非连续入射表面250可以是不反射的，反射漫射的光束或将光束反射离开图1A和1B的投影表面101。在替代示例中，可以在单个光束导向器200上编码多个图像。在一些示例中，可以包括多个非连续入射表面250。

此外，受益于本公开的本领域技术人员将理解，在某些示例中，光束导向器200不必是固体部件。在这样的示例中，反射入射表面220或多个表面220、250可以经由肋、带子或任何类似类型的结构支撑件连接到附接特征。

光束导向器200中还包括安装特征230，其在示例实施例中图示为孔。在替代示例中，可以将用于将光束导向器200连接到旋转致动器的任何其他机械特征来实现相同的效果。在一些示例中，从轴线210到连续入射表面220的半径240沿着光束导向器240的圆周变化。在这样的示例中，改变的光束路径134重定向的角度另外部分地由半径240确定。

当光束导向器200绕轴线210旋转时，在被光束132撞击的点处的入射表面220的角度变化。该变化导致改变的光束路径在三维空间中改变其路径。

继续参照图1A-2B，在图3中示出了替代示例光束导向器300。图3的光束导向器300是包括一个或多个折射表面320的透明结构，比如棱镜。虽然被示为以线性方式布置的离散折射表面320，但受益于本公开的本领域技术人员将理解，折射表面320可以通过利用弯曲表面或任何类似特征从一个角度逐渐移至另一角度，而不是离散表面。如同图2A和2B的反射入射表面220一样，折射表面320相对于光束132的角度改变了光束路径，在XYZ坐标(被称为向前移动的“三维空间”)中产生了改变的光束路径134，导致改变的光束路径134在投影表面101上的入射点移动。此外，尽管在示例光束导向器300中被示为仅包括在光束导向器300的一侧上的折射表面320，但应当理解的是，光束导向器300的相对侧也可以包括折射表面。在这样的示例中，折射表面之间的相对角度决定了改变的光束路径134重定向的角度。

光束导向器300包括附接特征330，其配置为在光束导向器300和相应的线性致动器之间提供机械互连。线性致动器沿着致动线310使光束导向器300移位(移动)。当光束导向器300沿着致动线310移动时，改变的光束路径134在对应于折射表面320的角度或折射表面320的相对角度的三维空间中移动。利用多个成角度的折射表面320或单个折射表面320，其中光束132的入射点处的表面的瞬时角度沿长度变化，使形状在投影表面101上被描绘出来。

在这样的示例中，致动器150是线性致动器，其使光束导向器300沿着致动线来回移动。通过在以每秒大于24个循环的全循环中使光束导向器300循环，在投影表面上描绘形状的速度比人眼的刷新率快，从而使观察者看到单个绘制的形状。

此外，如同图2A和2B的反射示例一样，线性致动允许成像系统100在恶劣的环境中或以最少的控制来起作用，从而促进其在紧急警告/通知系统、低维护系统等中的使用。

图4A和4B示意性地示出了替代示例光束导向器400。在每个示例中，光束导向器400包括具有多个成角度的面对表面422、424、426、428的反射复合表面420。在图4A的示例中，每个成角度的面对表面422、424、426、428通过不连续表面450连接到相邻的成角度的面对表面422、424、426、428。相反，在图4B的示例中，每个成角度的面对表面422、424、426、428连接到至少一个相邻的成角度表面422、424、426、428，并且仅利用单个不连续表面450。当光束导向器400绕轴线410旋转时，反射复合表面420在被光束432撞击的点处的角度改变。这种改变导致改变的光束路径在三维空间中改变其路径。每个成角度的面对表面422、424、426、428包括相对于光束432的一个或多个角度，其中在任何给定的径向位置处的反射复合表面420的角度确定了光束432改变的在三维空间中的角度。

由于面对表面422、424、426、428沿入射弧的角度在面对表面422、424、426、428的弧长上不是恒定的，因此当光束导向器400旋转时光束432被反射的角度改变。该改变的反射角度又允许如上所述地描绘出图像。

每个不连续表面450可以是非反射性的、漫射性的，或者可以反射离开投影表面。以这种方式，可以在单个光束导向器上编码多个不同的图像或单个图像内的断裂，并且光束导向器400的旋转将通过不同的图像循环。可替代地，面对表面422、424、426、428可以形成包括两个或更多个分离的图像元素的更复杂的单个图像。在另外的替代方案中，可以利用面对的表面422、424、426、428来创建单个连续图像并提供更平衡的光束导向器400。

在一些示例实施例中，比如图4A的示例，特定图像在光束导向器上以给定半径460被编码。在这样的示例中，可以以不同的半径460'对附加图像进行编码。在操作期间，线性致动器可以使光束导向器400在垂直于轴线410的方向上移动。该径向移动改变了光束432沿其入射在光束导向器400上的弧，从而允许光束导向器400根据需要在编码图像之间移动。在替代示例中，可以利用镜子或类似的反射表面通过改变光束432的入射位置来实现在编码图像之间的移动。

在另外的示例中，多个光束导向器可以包括在成像装置内。在这样的示例中，控制器可以在光束导向器之间转换成像装置，并且可以在成像装置中存储多个图像。

继续参考图1A-4B，图5示出了流程图，其描述了使用任何上述成像装置来投影图像的方法500。最初，在“发射光束”步骤510中，从诸如激光的源发射入射光束。入射光束被导向光束导向器，并在“撞击光束导向器”步骤520中撞击光束导向器。然后，光束导向器使用反射、折射或反射和折射的组合来重定向光束，从而在“创建改变的光束”步骤530中创建改变的光束。然后，在“改变的光束传播”步骤540中，改变的光束在远离光束导向器的直线上继续到投影表面上。

然后，光束导向器以预定模式移动，从而在“移动光束导向器”步骤550中使光束导向器和光束之间的入射点沿光束导向器的表面移动。在“移动改变的光束”步骤560中，移动的入射点使改变的光束移动，并最终使改变的光束撞击投影表面的点在“描绘图像”步骤570中移动。改变的光束在投影表面上的运动描绘出可见的图像。

继续参照图5的方法，并再次参照图1B所示的成像系统，随着成像系统600通过方法500推进，图6A-D示出了成像系统600的进展，比如可用于图1B所示的构造。如在方法500中所述，光束源630朝向光束导向器640发射光束632。光束632从光束导向器640反射离开，产生改变的光束634。改变的光束634撞击投影表面601，并且照亮了投影表面601上的入射点672。

当光束导向器640绕旋转680旋转时，改变的光束634的位置移动。合成移动在投影表面601上描绘出图像670。在所示的示例中，图像670是矩形。在替代示例中，光束导向器640的角度和结构可以产生不同的图像，包括但不限于箭头、X或任何其他期望的符号。

继续参考图6A-6D，并且再次参照图2A和2B，图7示出了根据图2A和2B的光束导向器设计的包括光束导向器740的成像系统700。与图6的示例相同，成像系统700包括将光束732发射到光束导向器740上的光束源730。光束导向器740沿着旋转780旋转，使光束732在光束导向器740上的入射点790处反射离开光束导向器740，产生改变的光束734。改变的光束734在投影表面701上的入射点772处撞击投影表面701，并描绘出图像770。

随着光束导向器740旋转，投影表面701上的入射点772以上述方式描绘出图像770。

继续参考图6A-6D，并再次参考图3，图8A和8B示出了根据图3的光束导向器设计的包括光束导向器840的成像系统800。与图6的示例相同，成像系统800包括将光束832发射到光束导向器840上的光束源830。光束导向器840沿着轴线880线性地移动，使光束832被光束导向器840折射，产生改变的光束834。改变的光束834在投影表面801上的入射点872处撞击投影表面801。

随着光束导向器840移动，投影表面801上的入射点872以上述图5中的方式描绘出图像870、870'。

图8A和8B中进一步示出了包括编码到单个光束导向器840上的多个不同图像870、870'。不同图像870、870'可以是闭合图像，比如图像870'的示例，或者是开放图像，比如图像870的示例。

在一替代示例中，可以利用透镜和/或镜子来进一步改变光束或改变的光束的路径。根据已知原理，可以使用它来控制屏幕上图像的大小、位置、焦点或重点。在一些示例中，可以机械地致动镜子和/或透镜。在这样的示例中，投影到投影表面上的合成图像看起来将改变表面上的大小、位置、焦点和/或重点。

在一替代示例中，可以利用对光束源的位置的调节来进一步改变光束的路径。根据已知原理，可以使用它来控制屏幕上图像的大小、位置或重点。在一些示例中，可以机械地致动光束源。在这样的示例中，投影到投影表面上的合成图像看起来将改变表面上的大小、位置或重点。

还应理解，任何上述概念可以单独使用，或者与其他任何或所有上述概念组合使用。尽管已经公开了本发明的实施例，但是本领域普通技术人员将认识到某些修改将落入本发明的范围内。因此，应当研究以下权利要求以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (25)

1.一种投影图像的方法，包括：

将光束发射到光束导向器上，该光束导向器包括通过光束导向器的几何形状编码的至少一个图像；

使用光束导向器将光束重定向到投影表面上；以及

相对于光束移动光束导向器或者相对于光束导向器移动光束，使得光束在被光束导向器重定向时以大于人眼的刷新率的速率在投影表面上重复地描绘出至少一个图像，

其中，由于相对于光束移动光束导向器或者相对于光束导向器移动光束，导致编码到光束导向器上的图像包括水平分量和竖直分量，

其中，该移动导致所述至少一个图像在所述投影表面上以可见信息的形式出现，所述可见信息包括形状和符号中的一个或多个的至少一部分。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个图像通过光束导向器的至少一个表面的形状和尺寸被编码在光束导向器上。

3.如权利要求1所述的方法，还包括将光束反射离开光束导向器。

4.如权利要求1所述的方法，其中，相对于光束移动光束导向器包括围绕轴线旋转光束导向器。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述光束的重定向角度取决于在光束导向器的入射表面、光束源相对于光束导向器的位置以及光束在光束导向器上的入射点的三维空间中的特定角度。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述光束被光束导向器折射。

7.如权利要求1所述的方法，其中，相对于光束移动光束导向器包括线性地移动光束导向器。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述光束导向器包括成角度的面的阵列，并且当光束导向器移动时，光束入射在光束导向器上的位置穿过所述成角度的面的阵列。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述光束在投影表面上的位置至少部分地由光束导向器的光束入射在其上的面相对于光束的角度来控制。

10.如权利要求1所述的方法，其中，当描绘所述至少一个图像时，光束的光束源持续地打开。

11.如权利要求1所述的方法，其中，当描绘所述至少一个图像时，光束的光束源在开启状态和关闭状态之间循环。

12.如权利要求1所述的方法，其中，所述光束导向器的运动是循环的。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述光束导向器的运动每秒经历至少24个循环。

14.如权利要求1所述的方法，其中，移动所述光束导向器包括绕轴线旋转光束导向器和线性地移动光束导向器中的至少一个。

15.一种成像装置，包括：

光束源，投影光束；

至少一个光束导向器，其包括至少一个编码图像，其中，

所述至少一个光束导向器的每个光束导向器的至少一个编码图像通过相应光束导向器的几何形状进行编码；

光束入射在至少一个光束导向器的表面上，并且所述光束被至少一个光束导向器重定向到投影表面上；以及

致动器，其连接到至少一个光束导向器，使得至少一个光束导向器能够相对于光束移动，其中，由于相对于光束移动光束导向器，导致编码到光束导向器上的图像包括水平分量和竖直分量，其中，

在通过机械地循环所述致动器而移动至少一个光束导向器的同时，所述光束以大于人眼的刷新率的速率在投影表面上重复地描绘出至少一个编码图像的水平分量和竖直分量；其中，所述成像装置配置成使所述至少一个图像在所述投影表面上以可见信息的形式出现，所述可见信息包括形状和符号中的一个或多个的至少一部分。

16.如权利要求15所述的成像装置，其中，所述至少一个编码图像通过至少一个光束导向器的表面的形状和尺寸被编码在至少一个光束导向器上。

17.如权利要求15所述的成像装置，其中，所述至少一个光束导向器的表面包括多个面。

18.如权利要求15所述的成像装置，其中，所述致动器是旋转致动器，并且所述至少一个光束导向器的半径相对于旋转轴线是不均匀的。

19.如权利要求15所述的成像装置，其中，所述致动器是线性致动器，并且所述至少一个光束导向器包括具有入射表面和折射表面的透明结构，所述折射表面和入射表面中的每一个相对于光束成不同角度。

20.如权利要求15所述的成像装置，其中，所述至少一个光束导向器的表面包括非反射表面和漫射表面中的至少一个。

21.如权利要求15所述的成像装置，进一步包括在所述光束被至少一个光束导向器重定向之后设置在光束的路径中并配置成改变光束的路径的至少一个部件，其中，所述至少一个部件包括镜子和透镜中的至少一个，并且其中，所述至少一个部件配置为相对于至少一个光束导向器铰接。

22.如权利要求15所述的成像装置，其中，所述光束源能够相对于所述至少一个光束导向器移动。

23.一种用于成像装置的光束导向器，所述光束导向器包括：

至少一个第一表面，在入射点处具有多个设定角，其中，

所述至少一个第一表面的多个设定角限定用具有相对彼此倾斜的两个维度的至少一个编码图像编码的光束导向器的几何形状；

其中，

当由光束源产生的光束入射在至少一个表面上时，基于多个设定角的相应设定角，所述光束被重定向到投影表面；以及

当光束导向器经由机械致动相对于光束源移动以从多个设定角的每个设定角反射光束时，光束导向器配置成使光束在投影表面上重复地描绘出至少一个编码图像，以呈现投影表面上的至少一个图像的每个图像，从而在投影表面上产生至少一个编码图像的至少一部分的可见呈现的效果。

24.如权利要求23所述的光束导向器，其中，所述至少一个第一表面在入射点处是反射和折射中的一个。

25.如权利要求23所述的光束导向器，其中，所述至少一个第一表面的多个设定角配置成经过一循环以描绘出至少一个编码图像。

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