CN1203677A - 扫描系统 - Google Patents

Abstract

一种光源,把光子束引向入射到沿第一总扫描方向进行光子扫描“行扫描”的第一扫描器;第二扫描器接着沿基本上垂直于所述第一总扫描方向的第二总扫描方向进行所述光子扫描“帧扫描”,从而使人感觉到如下。调制来自光源的光以传输图像信息。最好通过检测各个扫描器反射的同步光束而使扫描器与图像产生光束同步,同步光束与图像产生光束不同。

Description

扫描系统

技术领域

本发明涉及扫描系统中所使用的扫描系统和设备，尤其涉及在图像投影中所使用的扫描系统和设备，但不是唯一的。

发明内容

依据第一方面，本发明提供了一种扫描系统，包括：

第一扫描器装置；

光源，用于指引光子束入射到第一扫描器装置上，以使光子沿第一总扫描方向进行扫描；以及，第二扫描器装置，用于使所述光子沿与所述第一总扫描方向基本上垂直的第二总扫描方向进行扫描，从而感觉到图像。

第一扫描器装置最好用于在第二扫描器装置上进行线性光子扫射或轨迹“行扫描”，第二扫描器装置扫描线轨迹以实现两维“帧扫描”图像。

最好调制指向第一扫描器装置的光束。

最好对系统设有同步装置，同步装置使得准确地重复从至少一个扫描装置所扫描的调制光序列，所述同步装置包括：

i)与调制成像光束不同的同步光束，该同步光束被指引而入射到至少一个(最好两个)扫描器装置上；以及，

ii)传感器装置，用于探测从扫描器装置反射的同步光束。

最好，如此构成同步装置的同步光束和传感器装置，从而传感器装置探测靠近所反射的同步光束的扫描起点的反射光束。

同步装置最好包括与调制成像光束不同的独立同步光束，每个同步光束指向第一和第二扫描器装置中独立的一个。最好设置各自独立的传感器，每个探测从各自扫描器反射的各自的同步光束。

同步装置最好还提供一个基准使得第一和第二扫描器装置的扫描速率之间的相位关系得以保持。

最好，第一和第二扫描器装置中的任一个或两个包括反射器装置，所述反射器装置具有用于实行光子扫描的一个或多个光反射平面。

最好，反射器装置包括可旋转的反射镜反射器，第一反射镜反射器包括第一扫描器装置而第二反射镜反射器包括第二扫描器装置。最好由各个电动机来驱动包括各个扫描器装置的反射镜。

在一个实施例中，第一扫描器装置包括可旋转的多面多角反射镜，第二扫描器装置包括被驱动的可旋转元件，所述元件具有绕一旋转轴延伸的反射表面用以反射光束，除了至少一个局部的角度跃变(step)或不连续以外，所述反射表面一般具有绕旋转轴的连续曲面轮廓。

在此实施例中，反射镜最好以不同的各个速度旋转，进行线性“行扫描”的第一可旋转扫描器装置大体上旋转得比进行两维“帧扫描”的第二可旋转扫描器装置来得快。

在被用作具有用作“行”扫描的相对较多平面的可旋转多角反射镜的“帧”扫描器下游时，使用具有反射表面由相对很少(例如只有一个或两个)的局部跃变或不连续所限定的可旋转反射器元件在技术上提供了明显的优点。这是因为，例如，相对于“行”扫描器，“帧”扫描器每旋转一周的较低扫描线数目增强了图像的分辨率。此外，可以旋转稳定性较大的相对高的旋转速度来运转“帧”扫描器。

依据第二方面，本发明提供了用于扫描光束的扫描器装置，该扫描器装置包括被驱动的可旋转元件，所述元件具有绕一旋转轴延伸的反射表面用以反射光束，除了至少一个局部的角度跃变或不连续以外，所述反射表面一般具有绕旋转轴的连续曲面轮廓，如此构成反射表面的曲面轮廓和局部的角度跃变或不连续，从而对于随着入射到反射表面的光束而以恒定旋转速度旋转的扫描器，对光束进行扫描，使之以基本上以恒定的速度在平坦的屏幕上移动。

此行扫描的一个优点是，构成投影图像的特定像素的强度和分辨率应与其在图像中的位置无关，因为对未调制的扫描光束，光子密度在图像的整个范围内是均匀的。

反射镜表面的连续弯曲轮廓最好没有连续的曲率；而是曲率随轴而改变。

反射镜表面绕可旋转元件旋转轴的轨迹对于绕横过旋转轴而延伸的至少一个对称轴是不对称的。最好，反射镜表面绕可旋转元件旋转轴的轨迹绕横过旋转轴而延伸的两个或更少(最好只有一个)的对称轴对称。

在可旋转元件的连续弯曲反射镜表面上一般只设有单个局部跃变或不连续，所述扫描器装置在被驱动的可旋转元件的每旋转一周对光束进行单次扫描。(此外，在可旋转以及的连续弯曲反射镜表面上一般设有两个跃变或不连续，这两个跃变或不连续绕可旋转元件的旋转轴相互隔开180°的间隔；在此实施例中，每旋转一周实现两次光子扫描。)

局部跃变或不连续用于使帧扫描复位到其起始位置并开始感觉图像的“屏幕刷新”。

最好，使被驱动的可旋转元件平衡，以在操作中减少振动和平衡力缺乏。附图概述

现在将只通过示例并参考附图以特殊实施例来进一步描述本发明，其中：

图1是依据在投影图像中所使用的本发明的扫描系统的示意图；

图2是示出图1的系统的示意方框图；

图3是类似于图1的示意图，示出依据本发明的另一个扫描系统；

图4是依据本发明的扫描器装置第一实施例的示意透视和平面图；

图5是示出由依据本发明的扫描器装置所产生线性扫描的说明图(光束从位置Y移到位置Y+δy的时间是恒定量δt)；以及

图6是依据本发明扫描器装置另一个实施例的示意图。

本发明的较佳实施方式

参考附图，投影系统包括调制激光源1，用于直接对第一扫描器10(行扫描器)产生光子，随后光子向第二扫描器20(帧扫描器)反射以在屏幕3上产生图像2。第一扫描器包括被交流同步电动机12所驱动以非常高的速度(一般，例如80,000r.p.m.)旋转的多面多角反射镜11。第一扫描器10扫描光子，以产生“行扫描”(它最终表示所形成的图像上的水平扫描)，每个面产生一条扫描线。从第一扫描器10反射的“行扫描”光子入射到第二扫描器20，该第二扫描器包括其轴垂直于第一反射镜11的旋转轴旋转的旋转曲面镜21(被电动机22所驱动)。入射到第二反射镜21的曲面上的每个连续扫描线被反射到屏幕上，各小平面的连续旋转使得连续扫描线被垂直地转移到屏幕3上，从而第二反射镜21的反射面提供了产生完整信息屏幕或“图像”的“帧扫描”。

为了保证在屏幕上感觉到稳定的图像，当电动机的旋转使扫描器10的下一个后续反射镜小平面与光束1a的光子对准时，调制序列正好在新小平面上与先前小平面相同的点上正确同步是很重要的。通过在第二反射镜21的每个小平面的路径上重复经调制的光图案，可产生稳定两维图像。

为了实现光调制和扫描器旋转所需的同步以使连续线和帧扫描准确地成像，提供了包括同步激光源4和光检测器5、6。激光源4产生各个光束，每个光束被指引而入射到各个扫描器反射镜11、21上。光检测器5、6如此定位，从而在分别相应于(调制图像产生光束的)行扫描和帧扫描的起始时间点处检测各个反射同步光束。

对于常规的方法，为了使对于连续扫描的调制同步，已提出使用光检测器来检测扫描调制图像产生光束本身。但目前所述的技术是最好的，因为在通过检测扫描调制图像产生光束本身来使调制和反射镜旋转同步时，因只在调制器接收光束检测信息时才对扫描图像产生光束进行调制，所以有一个固有(虽然很小)的时间滞后。使用在光源4处产生的与调制图像产生源1不同的同步光束，可连续地调制扫描图像产生光束，与此同时使用光检测器5、6来检测待扫描的后续行或帧的开始。

由处理器和控制单元7产生控制光子发生器1的调制图案。运用的原理类似于常规的TV/监视器技术，在该技术中产生串行调制图案，分别由扫描速度和同步来管理速度和定时。因此，控制单元7接收来自光检测器5、6的输入，以确定光束调制和反射镜11、21旋转的同步。

为了保证每帧具有所需的扫描线数目的高宽比正确的稳定图像，必须精确地预先确定或控制第一和第二反射镜11、21的旋转速度。可使用交流磁滞电动机，由提供给这两个电动机的交流的频率来确定其速度。从一个高频主时钟(用适当的数量来分频)来得到这两个频率，于是一旦反射镜11、21以所需的速度旋转，则使其准确率和相对相位保持恒定，以避免图像在屏幕上“翻滚”或漂移(诸如发生例如缺陷电视图形的同步失调)。如果扫描系统使用允许图像分辨率变化(例如，计算机显示屏幕上的图像分辨率从1024×768像素变到640×480像素)的设备，则可检测到分辨率的变化并调节电动机12、22的速度以补偿，从而使图像尺寸保持恒定。也可由处理器控制器7来控制反射镜11、21的旋转速度。

常规的系统使用多面旋转反射镜来产生竖直方向的“帧扫描”，以在屏幕上产生图像。但问题在于，一般旋转光学反射镜组件所使用的电动机所实现的稳定旋转速度在1,000rpm和120,000rpm之间。这产生了高的垂直“帧扫描”频率，对于目前的目的，这样的高频率是不必要的；为了解决这个问题，已得到如图4和5所示的另一个旋转扫描器，它可使用稳定的高旋转速度电动机。

如果减少常规多角多面反射镜的平面数目(即，五分之四)，则每个平面的扫描角太大，从而不能在不用昂贵光学设备的实际目的下投影图像。如图4和5所示，扫描器20包括可旋转地安装在电动机组件22上并设有围绕其旋转轴延伸的弯曲的外周反射表面23的可旋转元件21。曲反射表面绕轴的轨迹不是绕一个以上的对称轴对称，除了一个主跃变(或不连续)通过光束旋转时使扫描复位到其原始位置的主跃变(或不连续)外，该表面一般基本上连续弯曲。虽然反射表面一般绕旋转轴连续弯曲，但绕旋转轴的弯曲程度有所变化。

绕该轴延伸的曲反射表面的重要特征在于，它提供至少一个线性扫描近似，其中如果元件21的旋转速度恒定，则被反射的光束在屏幕上以一个基本上恒定线速度移动。如图5所示，对于正确的线性扫描，光束在屏幕上的均匀增量距离δy上行进的增量时间δt是恒定的。

可使用以下的公式以数学方式来表达曲反射镜表面绕旋转轴的轨迹所提供的线性扫描近似： $f\left(x\right)=-\frac{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;R}{180}\ln \left(\right|\cos \frac{A/4\&CenterDot;x}{180}\left|\right)\&CenterDot;\frac{{180}^2}{A/4\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}}+R---0\&le;x\&le;\mathrm{\&pi;}$ 以及 $f\left(x\right)=-\frac{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;R}{180}\ln \left(\right|\cos \left(\frac{A/4\&CenterDot;(2\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}-x)}{180}\right)\left|\right)\&CenterDot;\frac{{180}^2}{A/4\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}}+R---\mathrm{\&pi;}<x\&le;2\mathrm{\&pi;}$

这里A是扫描角，R是所述的圆的半径。

可以想象通过增量修正或实验以及误差修正来达到用于在每转一周产生一次或多次帧扫描的曲反射镜表面，并可适当地制造该表面以使之产生线性扫描或近似线性扫描。

扫描器40(如图6所示)是图4扫描器20的变形，扫描器40包括安装在驱动电动机组件42上的可旋转元件41。弯曲的反射镜外周反射表面43设有绕旋转轴以180°隔开的两个不连续或跃变44、45。因此，表面43绕旋转轴的轨迹具有横向通过旋转轴的两个对称轴(相互垂直)。表面43保证绕着旋转轴每转一周实现两次扫描。对于可旋转元件42，可使用以下公式以数学方式来表达曲反射镜表面绕旋转轴的轨迹： $f\left(x\right)=-\frac{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;R}{180}\ln \left(\right|\cos \frac{A/4\&CenterDot;x}{90}\left|\right)\&CenterDot;\frac{180\&times;90}{A/4\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}}+R---\mathrm{\&pi;}\&le;x\&le;\mathrm{\&pi;}/2$ 以及 $f\left(x\right)=-\frac{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;R}{180}\ln \left(\right|\cos \left(\frac{A/4\&CenterDot;(\mathrm{\&pi;}-x)}{90}\right)\left|\right)\&CenterDot;\frac{180\&times;90}{A/4\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}}+R---\mathrm{\&pi;}/2<x\&le;\mathrm{\&pi;}$

这里A是扫描角，R是所述的圆的半径。

返回图1、3和4所示的单个不连续反射镜21，由于反射镜的不对称形状，所以绕旋转轴需要具有动态平衡，以减少平衡力不足和振动。此外，反射激光束的发散角有变化，需要对此进行补偿。

如图3所示，可以在第一反射镜11所反射的光的路径中设置扫描透镜15，以保证把反射光适当地聚焦在平坦(二维)的表面上(不是未适配的反射光情况下的曲聚焦表面)。为了补偿反射镜21所反射的光的发散，在扫描光的路径中引入非球面透镜9的布局。调制光源1包括各个红、绿和蓝光。

依据本发明的扫描系统适用于投影系统，尤其是诸如直接的视网膜投影布局或头戴的显示器等虚拟现实的显示系统。此外，可在把图像投影到透明屏幕上以使用户在看穿屏幕的同时观察投影到屏幕上的图像的“头戴显示器”设备中使用该系统。此外，该扫描系统也适用于将以诸如高功率二氧化碳激光源等更高能量的源来替代可见激光的工业打印设备。该系统还适用于用作诸如视频摄像机系统等摄像机系统。在此设备中，以光传感器/光检测器来替代光源。我们相信该系统本身既是创新的又具有新颖性。

Claims (31)

1.一种扫描系统，其特征在于包括：

第一扫描器装置；

光源，用于指引光子束入射到第一扫描器装置上，以使光子沿第一总扫描方向进行扫描；以及，第二扫描器装置，用于使所述光子沿与所述第一总扫描方向基本上垂直的第二总扫描方向进行扫描，从而感觉到图像。

2.如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于调制指向第一扫描器装置的光束，该系统还包括同步装置，所述同步装置使得准确地重复从至少一个扫描装置所扫描的调制光序列，所述同步装置包括：

i)与调制成像光束不同的同步光束，该同步光束被指引而入射到至少一个扫描器装置上；以及，

ii)传感器装置，用于探测从扫描器装置反射的同步光束。

3.如权利要求2所述的扫描系统，其特征在于如此构成同步光束和传感器装置，从而传感器装置探测靠近所反射的同步光束的扫描起点或终点的反射光束。

4.如权利要求3所述的扫描系统，其特征在于如此构成同步光束和传感器装置，从而传感器装置探测靠近所反射同步光束的扫描起点的反射光束。

5.如以上权利要求中任一项所述的扫描系统，其特征在于第一扫描器装置用于在第二扫描器装置上的光子迹线进行线性“行扫描”，第二扫描器装置扫描“行扫描”迹线，以进行两维“帧扫描”。

6.如权利要求2到5中任一项所述的扫描系统，其特征在于同步装置使得检测和/或控制第一和第二扫描器装置的扫描速率之间的相位关系。

7.如权利要求2到6中任一项所述的扫描系统，其特征在于还包括用于处理从传感器装置得到的信息的处理器装置。

8.如权利要求7所述的扫描系统，其特征在于还包括控制装置，所述装置响应于处理器装置所处理的信息来操纵第一和第二扫描器装置的相对扫描速率和/或对扫描光的调制。

9.如权利要求8所述的扫描系统，其特征在于处理器和控制装置包括微处理器。

10.如权利要求2到9中任一项所述的扫描系统，其特征在于同步装置包括与调制成像光束不同的独立同步光束，每个同步光束指向第一和第二扫描器装置中不同的装置。

11.如权利要求10所述的扫描系统，其特征在于同步装置包括独立传感器，每个传感器用于检测从各个扫描器装置反射的各个同步光束。

12.如以上权利要求中任一项所述的扫描系统，其特征在于第一和第二扫描器装置中的任一个或这两个包括反射器装置，所述反射器装置具有用于实行光子扫描的一个或多个光反射小平面。

13.如权利要求12所述的扫描系统，其特征在于反射器装置包括可旋转的反射镜反射器。

14.如权利要求13所述的扫描系统，其特征在于反射器装置包括可旋转的反射镜反射器，第一反射镜反射器包括第一扫描器装置而第二反射镜反射器包括第二扫描器装置，由各个电动机来驱动反射镜反射器。

15.如权利要求14所述的扫描系统，其特征在于可相对地控制反射镜反射器的旋转速度，以实现所需的相位关系。

16.如权利要求12到15任一项所述的扫描系统，其特征在于包括第一和第二扫描器装置的各个反射镜反射器中的至少一个包括可旋转的多面多角反射镜。

17.如权利要求16所述的扫描系统，其特征在于反射镜以不同的各个速度旋转，进行“行扫描”的反射镜以基本上大于进行“帧扫描”的反射镜的旋转速度而旋转。

18.如以上权利要求中任一项所述的扫描系统，其特征在于第一扫描器装置进行行扫描而第二扫描器装置进行帧扫描，第二扫描器装置包括被驱动的可旋转元件，所述元件具有绕一旋转轴延伸的反射表面用以反射光束，除了至少一个局部的角度跃变或不连续以外，所述反射表面一般具有绕旋转轴的连续曲面轮廓。

19.如权利要求18所述的扫描系统，其特征在于如此构成反射表面的曲面轮廓和局部的角度跃变或不连续，从而对于随着入射到反射表面的光束而以恒定旋转速度旋转的扫描器，对光束进行扫描，使之以基本上恒定的速度在平坦的屏幕上移动。

20.用于扫描光束的扫描器装置，其特征在于所述扫描器装置包括被驱动的可旋转元件，所述元件具有绕一旋转轴延伸的反射表面用以反射光束，除了至少一个局部的角度跃变或不连续以外，所述反射表面一般具有绕旋转轴的连续曲面轮廓，如此构成反射表面的曲面轮廓和局部的角度跃变或不连续，从而对于随着入射到反射表面的光束而以恒定旋转速度旋转的扫描器，对光束进行扫描，使之以基本上恒定的速度在平坦的屏幕上移动。

21.如权利要求20所述的扫描器装置，其特征在于被驱动的可旋转元件的反射表面用于反射基本上垂直于被驱动元件旋转轴的入射光束。

22.如权利要求20或21所述的扫描器装置，其特征在于反射镜表面的连续弯曲轮廓的曲率程度不是连续的，反射镜表面绕可旋转元件的曲率程度随旋转轴而改变。

23.如权利要求20到22中任一项所述的扫描器装置，其特征在于反射镜表面绕可旋转元件旋转轴的轨迹并非绕横过旋转轴而延伸的至少一个对称轴对称。

24.如权利要求20到23任一项所述的扫描器装置，其特征在于反射镜表面绕可旋转元件旋转轴的轨迹绕横过旋转轴而延伸的两个或更少的对称轴对称。

25.如权利要求20到24中任一项所述的扫描器装置，其特征在于在可旋转元件的连续弯曲反射镜表面上一般只设有单个局部跃变或不连续，所述扫描器装置在被驱动的可旋转元件的每转一周对光束进行单次扫描。

25.如权利要求20到24中任一项所述的扫描器装置，其特征在于至少由下式紧密近似地限定反射镜表面绕旋转轴的轨迹： $f\left(x\right)=-\frac{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;R}{180}\ln \left(\right|\cos \frac{A/4\&CenterDot;x}{180}\left|\right)\&CenterDot;\frac{{180}^2}{A/4\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}}+R---0\&le;x\&le;\mathrm{\&pi;}$ 以及 $f\left(x\right)=-\frac{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;R}{180}\ln \left(\right|\cos \left(\frac{A/4\&CenterDot;(2\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}-x)}{180}\right)\left|\right)\&CenterDot;\frac{{180}^2}{A/4\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}}+R---\mathrm{\&pi;}<x\&le;2\mathrm{\&pi;}$ 这里A是扫描角，R是所述的圆的半径。或 $f\left(x\right)=-\frac{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;R}{180}\ln \left(\right|\cos \frac{A/4\&CenterDot;x}{90}\left|\right)\&CenterDot;\frac{180\&times;90}{A/4\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}}+R---0\&le;x\&le;\mathrm{\&pi;}/2$ 以及 $f\left(x\right)=-\frac{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;R}{180}\ln \left(\right|\cos \left(\frac{A/4\&CenterDot;(\mathrm{\&pi;}-x)}{90}\right)\left|\right)\&CenterDot;\frac{180\&times;90}{A/4\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}}+R---\mathrm{\&pi;}/2<x\&le;\mathrm{\&pi;}$

这里A是扫描角，R是所述的圆的半径。

26.如权利要求20到25中任一项所述的扫描器装置，其特征在于在可旋转元件的一般连续弯曲反射镜表面上设有两个跃变或不连续，这两个跃变或不连续绕可旋转元件的旋转轴相互隔开180°的间隔。

27.如权利要求20到26中任一项所述的扫描器装置，其特征在于被驱动的可旋转元件的形状并非绕其平衡旋转轴对称，用以在运用中改善振动和平衡力缺乏。

28.如权利要求1到19中任一项所述的扫描系统，其特征在于包括如权利要求20到27中任一项所述的扫描器装置。

29.投影设备，其特征在于包括如权利要求1到19中任一项所述的扫描系统和/或如权利要求20到27中任一项所述的扫描器装置。

30.视网膜显示设备，用以把图像直接投影到用户的视网膜上，其特征在于所述视网膜显示设备包括如权利要求1到19中任一项所述的扫描系统和/或如权利要求20到27中任一项所述的扫描器装置。

Images