CN202443236U - 一种微型单镜片单光源阵列式激光扫描投影装置 - Google Patents
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Abstract
一种微型单镜片单光源阵列式激光扫描投影装置，它包括视频处理模块、激光光源模块、激光驱动调制模块、光学调整模块、主MEMS微扫描镜模块、从MEMS微扫描镜模块、微扫描镜控制模块和屏幕，视频处理模块输出端分别与激光驱动调制模块和微扫描镜控制模块的输入端连接，激光驱动调制模块的输出端与激光光源模块的输入端连接，微扫描镜控制模块的输出端分别与主MEMS微扫描镜的输入端和从MEMS微扫描镜模块的输入端连接，激光光源模块发出的激光由从MEMS微扫描镜模块调制后经光学调整模块投射在主MEMS微扫描镜模块的可动反射镜面上，经可动反射镜面反射后，投射在屏幕上；本实用新型结构简化，成本低廉，实现了对高清节目进行分区高分辨率、大屏幕投影效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种激光扫描投影装置，特别是一种微型单镜片单光源阵列式激光扫描投影装置。
背景技术
目前，基于MEMS(Microelectromechanical Systems，微机电系统)微扫描镜和激光光源的激光扫描微型投影设备，具有体积小，亮度高，无须聚焦等优点，已初步得到应用。其中，所用到的一个核心部件就是用于二维激光扫描的单片MEMS微扫描镜，它包括可动的反射镜和使反射镜绕X轴和Y轴高速转动的驱动器。
目前，激光扫描微型投影设备所能达到的极限是：VGA(640X480)或WVGA(848X480)的分辨率和60Hz的刷新率(场扫描频率)。图像的分辨率和刷新率主要受微扫描镜的行扫描频率和激光器调制频率的限制，一般来说，微扫描镜的扫描频率越高，它的扫描角度越小，这就意味着，在距离屏幕较近的应用场合，无法获得足够大的投影图像。随着大屏幕的普及，分辨率为1080p(1920X1080)60Hz和720p(1280X720)60Hz的高清节目大量涌现，现有的微型激光扫描投影设备已无法满足人们对高分辨率、大屏幕投影的需求，不仅微扫描镜在扫描时很难获得足够大的实用扫描角度，同时对于微型激光器来说，也已经达到了其调制频率的技术极限。现有技术的激光扫描微型投影设备对分辨率为1080p(1920X1080)60Hz和720p(1280X720)60Hz的高清节目进行投影成像时，是无法实现的。
采用包含多个镜片的MEMS模拟微扫描镜阵列和多个微型RGB激关光源的阵列式投影装置已在中国实用新型(ZL201020588250.9)中描述。但是对于MEMS加工来讲，采用单镜片MEMS微扫描镜来取代采用包含多个镜片的MEMS模拟微扫描镜阵列可以进一步提高MEMS加工成品率，从而降低MEMS器件成本。此外，目前微型可见光激光器的成本仍然很高，尤其是绿色直接发光二极管，其光电转换效率低，约为3％。因此采用单组红绿蓝微型激光器取代红绿蓝微型激光器阵列完成阵列式大屏幕投影，实现高分辨率、大屏幕投影，已经成为人们亟需解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的就是提供一种微型单镜片单光源阵列式激光扫描投影装置，利用单镜片微型扫描投影器件和单组红绿蓝微型激光器，实现高分辨率、大屏幕投影。
为实现上述目的，本实用新型采用技术方案是：它包括视频处理模块、激光光源模块、激光驱动调制模块、光学调整模块、主MEMS微扫描镜模块、从MEMS微扫描镜模块、微扫描镜控制模块和屏幕，视频处理模块输出端分别与激光驱动调制模块和微扫描镜控制模块的输入端连接，激光驱动调制模块的输出端与激光光源模块的输入端连接，微扫描镜控制模块的输出端分别与主MEMS微扫描镜的输入端和从MEMS微扫描镜模块的输入端连接，激光光源模块发出的激光由从MEMS微扫描镜模块调制后经光学调整模块投射在主MEMS微扫描镜模块的可动反射镜面上，经可动反射镜面反射后，投射在屏幕上；
所述的视频处理模块用于将源图像分割成2*2个小视频或图像，所述的小视频或小图像所对应的是位于原图像第1、2、3、4象限的图像，并把接收到的小视频或小图像转换成激光驱动调制模块和微扫描镜控制模块能够识别和控制的视频信号；
所述的激光驱动调制模块用于接受来自视频处理模块输出的视频信号，用来控制激光光源模块中的激光器；
所述的激光光源模块根据激光驱动调制模块的驱动控制信号完成激光投射工作，它由红绿蓝三色激光器组成；
所述的从MEMS微扫描镜模块根据微扫描镜控制模块的控制命令实现激光光束的空间调制，分时地将不同象限图像的像素对应的激光光束反射到光学调整模块中对应的反射镜上；
所述的光学调整模块用于接收经过从MEMS微扫描镜模块调制的激光光束，分别调整四个激光投射方向，使调整后的四束激光经主MEMS微扫描镜模块反射后在屏幕上形成的四个呈2*2阵列方式排列的小视频或图像能够无缝组成一个大视频或图像；它由四片反射镜组成，反射镜表面镀有可见光范围的增强反射镀膜；
所述的微扫描镜控制模块用于接收来自视频处理模块发来的视频信号，并根据得到视频信号控制主MEMS微扫描镜模块和从MEMS微扫描镜模块进行调制和扫描工作；
所述的主MEMS微扫描镜模块根据微扫描镜控制模块的控制命令实现行扫描和场扫描；
本实用新型的工作原理是这样的：视频处理模块将一副图像分割成位于四个象限的小图像，每个象限的图像分时地由一组激光光源和主/从MEMS微扫描镜投影在一块大的屏幕上，组成一幅完成的图像；我们以一个视频为例做具体阐述，对于一个视频，首先会被分割成4个小视频，这是四个小视频分别位于图像的第1、2、3、4象限，每个象限的小视频的像素会按顺序被投射到屏幕的对应位置：第1象限的左上角的第一个像素首先被处理，经过激光驱动调制模块调制后，激光光源模块发出一束激光；同时微扫描镜控制模块接受视频处理模块的信号，控制从MEMS微扫描镜偏转并将这束激光反射到光学调整模块的第1反射镜；经过第1反射镜后，这束激光被主MEMS微扫描镜反射到屏幕上第1象限左上角的对应位置；然后，第2象限的左上角的第一个像素被处理，经过激光驱动调制模块调制后，激光光源模块发出一束激光；同时微扫描镜控制模块接受视频处理模块的信号，控制从MEMS微扫描镜偏转并将这束激光反射到光学调整模块的第2反射镜；经过第2反射镜后，这束激光被主MEMS微扫描镜反射到屏幕上第2象限左上角的对应位置；再次，第3象限的左上角的第一个像素被处理，经过激光驱动调制模块调制后，激光光源模块发出一束激光；同时微扫描镜控制模块接受视频处理模块的信号，控制从MEMS微扫描镜偏转并将这束激光反射到光学调整模块的第3反射镜；经过第3反射镜后，这束激光被主MEMS微扫描镜反射到屏幕上第3象限左上角的对应位置；最后，第4象限的左上角的第一个像素被处理，经过激光驱动调制模块调制后，激光光源模块发出一束激光；同时微扫描镜控制模块接受视频处理模块的信号，控制从MEMS微扫描镜偏转并将这束激光反射到光学调整模块的第4反射镜；经过第4反射镜后，这束激光被主MEMS微扫描镜反射到屏幕上第4象限左上角的对应位置；由于激光光源的亮度调制速度和从MEMS微扫描镜的空间调制速度远远高于主MEMS微扫描镜的扫描速度，因此在此过程中，视为主MEMS微扫描镜的可动反射镜片是近似静止的。完成以上这个过程后，主MEMS微扫描镜的可动反射镜片接受微扫描镜控制模块的信号，移动一个微小的位移，开始顺序投影各象限小视频的第二个像素，以此类推，直到完成一帧完整的图像。视频扫描方式可以为两种，下文会详细叙述。从上文可知，相对于每个小视频来说，现有技术的微型激光扫描器件足以满足投影需求。因此即使在空间距离很近的情况下，采用本实用新型所述的微型激光扫描投影设备，也可以实现高分辨率、大屏幕的投影效果。由于本实用新型采用单镜片MEMS微扫描镜来取代采用包含多个镜片的MEMS模拟微扫描镜阵列可以进一步提高MEMS加工成品率，从而降低MEMS器件成本。通过采用精密的光学调整系统，四个象限图像之间的实际间隙小于1mm，因此可忽略不计，不影响成像效果。整机工作起来实际就像四台独立但同步工作的小投影仪。
本实用新型由于采用了上述技术方案，具有如下优点：
1、利用现有技术水平的微型扫描投影器件和激光器，实现了高分辨率、大屏幕投影；
2、降低了对现有技术水平的微型扫描投影器件和激光器的性能要求；
3、结构简单、操作简便，易于实现。
4、采用单镜片MEMS微扫描镜来取代包含多个镜片的MEMS模拟微扫描镜阵列进一步提高MEMS加工成品率，降低MEMS器件成本。
5、采用单组红绿蓝微型激光器取代红绿蓝微型激光器阵列，大大降低了整机成本。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为从MEMS微扫描镜模块，光学调整模块和主MEMS微扫描镜模块的俯视结构示意图；
图3为本实用新型在锯齿波驱动波形下进行扫描的示意图；
图4为本实用新型采用的锯齿波波形图；
图5为本实用新型在三角波驱动波形下进行扫描的示意图；
图6为本实用新型所采用的三角波波形图；
图7为本实用新型的结构框图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：如图1-7所示，它包括视频处理模块1、激光光源模块2、激光驱动调制模块3、光学调整模块4、主MEMS微扫描镜模块5、从MEMS微扫描镜模块6、微扫描镜控制模块7和屏幕8，视频处理模块1输出端输出端分别与激光驱动调制模块3和微扫描镜控制模块7的输入端连接，激光驱动调制模块3的输出端与激光光源模块2的输入端连接，微扫描镜控制模块7的输出端分别与主MEMS微扫描镜模块5的输入端和从MEMS微扫描镜模块6的输入端连接，激光光源模块2发出的激光由从MEMS微扫描镜模块6调制后经光学调整模块4投射在主MEMS微扫描镜模块5的可动反射镜面上，经可动反射镜面反射后，投射在屏幕上；
所述的视频处理模块1用于将源图像分割成2*2个小视频或图像，所述的小视频或小图像所对应的是位于原图像第1、2、3、4象限的图像，并把接收到的小视频或小图像转换成激光驱动调制电路3和微扫描镜控制模块7能够识别和控制的视频信号；
所述的激光驱动调制模块3用于接受来自视频处理模块1输出的视频信号，用来控制激光光源模块2中的激光器；
所述的激光光源模块2根据激光驱动调制模块3的驱动控制信号完成激光投射工作，它由红绿蓝三色激光器组成；
所述的从MEMS微扫描镜模块6根据微扫描镜控制模块7的控制命令实现激光光束的空间调制，分时地将不同象限图像的像素对应的激光光束反射到光学调整模块4中对应的反射镜上；
所述的光学调整模块4用于接收经过从MEMS微扫描镜模块6调制的激光光束，分别调整四个激光投射方向，使调整后的四束激光经主MEMS微扫描镜模块5反射后在屏幕8上形成的四个呈2*2阵列方式排列的小视频或图像能够无缝组成一个大视频或图像；它由四片反射镜组成，反射镜表面镀有可见光范围的增强反射镀膜；
所述的微扫描镜控制模块7用于接收来自视频处理模块1发来的视频信号，并根据得到视频信号控制主MEMS微扫描镜模块5和从MEMS微扫描镜模块6进行调制和扫描工作；
所述的主MEMS微扫描镜模块5根据微扫描镜控制模块7的控制命令实现行扫描和场扫描；
本实用新型的工作原理是这样的：视频处理模块将一副图像分割成位于四个象限的小图像，每个象限的图像分时地由一组激光光源和主/从MEMS微扫描镜投影在一块大的屏幕上，组成一幅完成的图像；我们以一个视频为例做具体阐述，对于一个视频，首先会被分割成4个小视频，这是四个小视频分别位于图像的第1、2、3、4象限，每个象限的小视频的像素会按顺序被投射到屏幕的对应位置：第1象限的左上角的第一个像素首先被处理，经过激光驱动调制模块调制后，激光光源模块发出一束激光；同时微扫描镜控制模块接受视频处理模块的信号，控制从MEMS微扫描镜偏转并将这束激光反射到光学调整模块的第1反射镜；经过第1反射镜后，这束激光被主MEMS微扫描镜反射到屏幕上第1象限左上角的对应位置；然后，第2象限的左上角的第一个像素被处理，经过激光驱动调制模块调制后，激光光源模块发出一束激光；同时微扫描镜控制模块接受视频处理模块的信号，控制从MEMS微扫描镜偏转并将这束激光反射到光学调整模块的第2反射镜；经过第2反射镜后，这束激光被主MEMS微扫描镜反射到屏幕上第2象限左上角的对应位置；再次，第3象限的左上角的第一个像素被处理，经过激光驱动调制模块调制后，激光光源模块发出一束激光；同时微扫描镜控制模块接受视频处理模块的信号，控制从MEMS微扫描镜偏转并将这束激光反射到光学调整模块的第3反射镜；经过第3反射镜后，这束激光被主MEMS微扫描镜反射到屏幕上第3象限左上角的对应位置；最后，第4象限的左上角的第一个像素被处理，经过激光驱动调制模块调制后，激光光源模块发出一束激光；同时微扫描镜控制模块接受视频处理模块的信号，控制从MEMS微扫描镜偏转并将这束激光反射到光学调整模块的第4反射镜；经过第4反射镜后，这束激光被主MEMS微扫描镜反射到屏幕上第4象限左上角的对应位置；由于激光光源的亮度调制速度和从MEMS微扫描镜的空间调制速度远远高于主MEMS微扫描镜的扫描速度，因此在此过程中，视为主MEMS微扫描镜的可动反射镜片是近似静止的。完成以上这个过程后，主MEMS微扫描镜的可动反射镜片接受微扫描镜控制模块的信号，移动一个微小的位移，开始顺序投影各象限小视频的第二个像素，以此类推，直到完成一帧完整的图像。视频扫描方式可以为两种，下文会详细叙述。从上文可知，相对于每个小视频来说，现有技术的微型激光扫描器件足以满足投影需求。因此即使在空间距离很近的情况下，采用本实用新型所述的微型激光扫描投影设备，也可以实现高分辨率、大屏幕的投影效果。由于本实用新型采用单镜片MEMS微扫描镜来取代采用包含多个镜片的MEMS模拟微扫描镜阵列可以进一步提高MEMS加工成品率，从而降低MEMS器件成本。通过采用精密的光学调整系统，四个象限图像之间的实际间隙小于1mm，因此可忽略不计，不影响成像效果。整机工作起来实际就像四台独立但同步工作的小投影仪。
本实用新型所述的主MEMS微扫描镜模块和从MEMS微扫描镜模块均设置有一个水平轴和一个竖直轴，微扫描镜控制电路控制主MEMS微扫描镜模块和从MEMS微扫描镜模块上的可动反射镜面绕水平轴和竖直轴进行偏转，当可动反射镜面绕水平轴偏转时，实现行扫描，当可动反射镜面绕竖直轴偏转时，实现场扫描。
本实用新型所述的可动反射镜面的机械偏转角度为(0-45)度。
本实用新型所述的主MEMS微扫描镜模块和从MEMS微扫描镜模块的中心线与激光光源模块的中心线之间的夹角大于0度且小于90度。
本实用新型所述的主MEMS微扫描镜模块和从MEMS微扫描镜模块的中心线与激光光源模块的中心线之间的夹角为35度至55度。
本实用新型所述的主MEMS微扫描镜模块和从MEMS微扫描镜模块的中心线与激光光源模块的中心线之间的夹角为40度-50度。
本实用新型所述的主MEMS微扫描镜模块和从MEMS微扫描镜模块的中心线与激光光源模块的中心线之间的夹角为45度。
本实用新型所述的微扫描镜控制电路内的驱动波为锯齿波或三角波。
主MEMS微扫描镜模块5由1片双轴(水平轴和竖直轴)单片MEMS微扫描镜组成。1片双轴单片MEMS微扫描镜其投影角度和范围却是单片双轴单片MEMS微扫描镜的4倍多。
如图2所示，光学调整模块4包含4片以不同角度组装的反射镜。由于是俯视图，图2仅仅体现了光学调整模块4对入射激光光束的在与纸面平行的平面内的角度调整作用。在三维空间的其他两个正交的平面内，光学调整模块4对入射激光光束都有角度调整作用。入射激光经过从MEMS微扫描镜模块6的调制，反射到2片角度不同的反射镜，以不同的初始角度投射到主MEMS微扫描镜模块5上，并反射到屏幕的不同象限上。
每个激光器包括红、绿、蓝三色激光器和用于完成光束准直聚焦和合束的光学元件。
如图3-4所示：微扫描镜控制模块中的微扫描镜控制模块采用锯齿波波形来驱动主MEMS微扫描镜的水平轴和竖直轴，其中X通道为行扫描通道，即驱动水平轴偏转，使主MEMS微扫描镜完成水平行扫描，Y通道为场扫描通道，即驱动竖直轴偏转，使主MEMS微扫描镜完成场扫描。以第二象限的扫描过程为例，无驱动信号时，负责第二象限的激光光源通过主MEMS微扫描镜的投射点位于屏幕第二象限的右下角。施加驱动信号后，主MEMS微扫描镜使负责第二象限的激光光源发出的投射光首先位于每个象限的左上方，并随着主MEMS微扫描镜的可动反射面的偏转逐渐向屏幕的右上方扫描，当完成一行水平扫描时，主MEMS微扫描镜的投射点会快速回到屏幕的左侧，并在Y通道驱动信号的作用下，下移一段位置，作为下一条水平扫描线的起始点，如此反复，直至该象限的图像扫描完毕。
如图5-6所示，主MEMS微扫描镜采用三角波扫描示意图；其中图6为主MEMS微扫描镜的三角波驱动波形，其中X通道为行扫描通道，Y通道为场扫描通道。以第二象限的扫描过程为例，无驱动信号时，负责第二象限的激光光源通过主MEMS微扫描镜的投射点位于屏幕第二象限的右下角。施加驱动信号后，微扫描镜首先指向屏幕第二象限的左上方，从左至右完成第一行的水平扫描；完成一条水平扫描线后，在场扫描信号的驱动下，微扫描镜的可动反射镜面绕竖直轴偏转，使得投射在屏幕上的光点下移一个位置，作为下一行的扫描起点，此时主MEMS微扫描镜匀速反向进行第二行像素点的水平扫描(即从右向左)，当微扫描镜完成第二条扫描线，并回到屏幕左侧时，开始第三行的正向扫描(从左至右)。如此周而复始。这样，在三角波驱动下主MEMS微扫描镜的行扫描频率降低一半。
本实用新型的视频分割模块即可采用软件来实现，也可采用硬件来实现，已属于现有技术，故本实用新型再此不再累述。
Claims (8)
1.一种微型单镜片单光源阵列式激光扫描投影装置，其特征在于：它包括视频处理模块、激光光源模块、激光驱动调制模块、光学调整模块、主MEMS微扫描镜模块、从MEMS微扫描镜模块、微扫描镜控制模块和屏幕，视频处理模块输出端分别与激光驱动调制模块和微扫描镜控制模块的输入端连接，激光驱动调制模块的输出端与激光光源模块的输入端连接，微扫描镜控制模块的输出端分别与主MEMS微扫描镜的输入端和从MEMS微扫描镜模块的输入端连接，激光光源模块发出的激光由从MEMS微扫描镜模块调制后经光学调整模块投射在主MEMS微扫描镜模块的可动反射镜面上，经可动反射镜面反射后，投射在屏幕上；
所述的视频处理模块用于将源图像分割成2*2个小视频或图像，所述的小视频或小图像所对应的是位于原图像第1、2、3、4象限的图像，并把接收到的小视频或小图像转换成激光驱动调制模块和微扫描镜控制模块能够识别和控制的视频信号；
所述的激光驱动调制模块用于接受来自视频处理模块输出的视频信号，用来控制激光光源模块中的激光器；
所述的激光光源模块根据激光驱动调制模块的驱动控制信号完成激光投射工作，它由红绿蓝三色激光器组成；
所述的从MEMS微扫描镜模块根据微扫描镜控制模块的控制命令实现激光光束的空间调制，分时地将不同象限图像的像素对应的激光光束反射到光学调整模块中对应的反射镜上；
所述的光学调整模块用于接收经过从MEMS微扫描镜模块调制的激光光束，分别调整四个激光投射方向，使调整后的四束激光经主MEMS微扫描镜模块反射后在屏幕上形成的四个呈2*2阵列方式排列的小视频或图像能够无缝组成一个大视频或图像；它由四片反射镜组成，反射镜表面镀有可见光范围的增强反射镀膜；
所述的微扫描镜控制模块用于接收来自视频处理模块发来的视频信号，并根据得到视频信号控制主MEMS微扫描镜模块和从MEMS微扫描镜模块进行调制和扫描工作；
所述的主MEMS微扫描镜模块根据微扫描镜控制模块的控制命令实现行扫描和场扫描；
2.如权利要求1所述的一种微型单镜片单光源阵列式激光扫描投影装置，其特征在于：所述的主MEMS微扫描镜模块和从MEMS微扫描镜模块均设置有一个水平轴和一个竖直轴，微扫描镜控制电路控制主MEMS微扫描镜模块和从MEMS微扫描镜模块上的可动反射镜面绕水平轴和竖直轴进行偏转，当可动反射镜面绕水平轴偏转时，实现行扫描，当可动反射镜面绕竖直轴偏转时，实现场扫描。
3.如权利要求2所述的一种微型单镜片单光源阵列式激光扫描投影装置，其特征在：所述的可动反射镜面的机械偏转角度为(0-45)度。
4.如权利要求1、2或3所述的任一微型单镜片单光源阵列式激光扫描投影装置，其特征在于：所述的主MEMS微扫描镜模块和从MEMS微扫描镜模块的中心线与激光光源模块的中心线之间的夹角大于0度且小于90度。
5.如权利要求4所述的一种微型单镜片单光源阵列式激光扫描投影装置，其特征在于：所述的主MEMS微扫描镜模块和从MEMS微扫描镜模块的中心线与激光光源模块的中心线之间的夹角为35度至55度。
6.如权利要求4所述的一种微型单镜片单光源阵列式激光扫描投影装置，其特征在于：所述的主MEMS微扫描镜模块和从MEMS微扫描镜模块的中心线与激光光源模块的中心线之间的夹角为40度-50度。
7.如权利要求4所述的一种微型单镜片单光源阵列式激光扫描投影装置，其特征在于：所述的主MEMS微扫描镜模块和从MEMS微扫描镜模块的中心线与激光光源模块的中心线之间的夹角为45度。
8.如权利要求1、2或3所述的一种微型单镜片单光源阵列式激光扫描投影装置，其特征在于：所述的微扫描镜控制电路内的驱动波为锯齿波或三角波。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120919 Termination date: 20150215 |
|
| EXPY | Termination of patent right or utility model |