DE112006001669T5

DE112006001669T5 - Korrigieren der Bildverzerrung in Bildprojektoren

Info

Publication number: DE112006001669T5
Application number: DE112006001669T
Authority: DE
Inventors: Frederick F. Wood
Original assignee: Symbol Technologies LLC
Current assignee: Microvision Inc
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2008-05-15
Also published as: WO2007001680A1; JP2008547054A; CN101228470A; CN101228470B; US7130095B1; JP5213251B2

Abstract

Eine Anordnung zur Korrektur einer Verzerrung eines Bilds, das auf eine Projektionsoberfläche projiziert wird, die Folgendes aufweist:
a) einen Laser zum Emittieren eines Laserstrahls;
b) einen Scanner, der einen ersten Scanspiegel zum Hinwegstreichen eines Laserstrahls entlang einer ersten Scanrichtung aufweist, um eine Scanlinie auf der Projektionsoberfläche zu bilden, sowie einen zweiten Scanspiegel, um die Scanlinie entlang einer zweiten Scanrichtung hinwegzustreichen, die im Allgemeinen orthogonal zu der ersten Scanrichtung ist, um ein Rastermuster von Scanlinien auf der Projektionsoberfläche zu bilden, wobei die Scanlinien unterschiedliche Längen entlang der ersten Scanrichtung aufgrund unterschiedlicher Entfernungen besitzen, die durch den Laserstrahl zwischen dem zweiten Scanspiegel und der Projektionsoberfläche zurückgelegt werden, wobei jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln entlang der ersten Scanrichtung besitzt;
c) eine Antriebsschaltung zum Antreiben des ersten Scanspiegels mit einem Antriebssignal, das eine Amplitude besitzt;
d) eine Rückkopplungsschaltung, um die Amplitude des Antriebssignals für jede Scanlinie zu bestimmen; und...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Projizieren von Bildern auf eine Projektionsoberfläche, wie beispielsweise einen Bildschirm oder Ähnliches, und insbesondere auf das Korrigieren der Verzerrung solcher Bilder.
Es ist im Allgemeinen bekannt, ein zweidimensionales Bild auf eine Projektionsoberfläche, wie beispielsweise einen Bildschirm, zu projizieren und zwar basierend auf dem Oszillieren eines Paars von Scanspiegeln in zueinander senkrechten Richtungen, um einen Laserstrahl über ein Rastermuster von Scanlinien hinweg zu scannen. Die bekannten Bildprojektionssysteme projizieren jedoch das Bild mit begrenzter Auflösung, typischerweise mit weniger als einem Viertel der VGA-Qualität (VGA = Video-Graphics-Array) von 640×480 Pixeln, und mit einiger Bildverzerrung, die primär durch die Ausrichtung des Bildschirms relativ zu dem Bildprojektionssystem verursacht wird.
Wenn beispielsweise ein Bild mit einem quadratischen oder rechteckigen Bildbereich auf einen geneigten Bildschirm projiziert wird, der relativ zu einer optischen Achse, entlang derer das Bild projiziert wird, geneigt ist, dann leidet das Bild unter einer trapezförmigen oder vierseitigen Verzerrung, die in der Technik als Trapezverzerrung („Keystone” distortion) bekannt ist. Mit anderen Worten sind Scanlinien weiter weg von dem Bildprojektionssystem gelegen, die eine längere Länge verglichen mit Scanlinien aufweisen, die dichter an dem Bildprojektionssystem gelegen sind.
Als ein weiteres Beispiel kann der Bildschirm senkrecht zu der optischen Achse des Bildprojektionssystems zentral ausgerichtet sein. Wenn der Projektionswinkel sehr breit ist, dann werden die Scanlinien an der Oberseite und der Unterseite des Bildbereichs länger als die Scanlinien in der Mitte des Bildbereichs sein. Dies ist in der Technik im Allgemeinen als Seite-zu-Seiten- oder Ost-West-Kissenverzerrung („pincushion” distortion) bezeichnet.
Eine derartige Kissen- oder Trapezverzerrung wird im Allgemeinen in der Technik durch elektronisches Abtrennen oder Abschneiden dreieckiger Abschnitte des Bildbereichs korrigiert, um den Bildbereich quadratisch oder rechteckig zu machen. Wenn dies getan wird, leider die Bildauflösung aufgrund des Verlusts verwendbarer Pixel darunter.
Demgemäß ist es ein allgemeines Ziel dieser Erfindung, die Trapez- und Kissenverzerrung durch Bildprojektoren zu verringern, wenn nicht sogar zu beseitigen.
Genauer gesagt ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein unverzerrtes Bild mit Scanlinien gleicher Länge zu projizieren.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Bildverzerrung ohne Verlust von Bildauflösung zu korrigieren.
In Übereinstimmung mit diesen Zielen und anderen, die im Folgenden deutlich werden, besteht kurz gesagt ein Merkmal der vorliegenden Erfindung in einer Anordnung für und ein Verfahren zum Korrigieren der Verzerrung eines Bilds, das auf eine Projektionsoberfläche projiziert wird.
Ein Laser ist betriebsbereit, um einen Laserstrahl einer bestimmten Wellenlänge zu emittieren. Wenn das zu projizierende Bild in Farbe sein soll, dann werden zusätzliche Laser zum Emittieren von Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, beispielsweise rote, blaue und grüne Laser eingesetzt, und ihre jeweiligen Laserstrahlen werden kolinear in einen zusammengesetzten Strahl angeordnet.
Ein Scanner ist betriebsbereit, um den Laserstrahl (oder den zusammengesetzten Strahl) hinwegzustreichen, um ein Rastermuster von Scanlinien zu bilden. Der Scanner umfasst einen ersten Scanspiegel zum Hinwegstreichen des Laserstrahls entlang einer ersten Scanrichtung, um eine Scanlinie auf der Projektionsoberfläche zu bilden, und einen zweiten Scanspiegel zum Hinwegstreichen der Scanlinie entlang einer zweiten Scanrichtung, die senkrecht zu der ersten Scanrichtung verläuft, um ein Rastermuster zu bilden. Die Scanlinien besitzen unterschiedliche Längen bei Betrachtung entlang der ersten Scanrichtung aufgrund unterschiedlicher Entfernungen, die durch den Laserstrahl zwischen dem zweiten Scanspiegel und der Projektionsoberfläche zurückgelegt werden. Jede Scanlinie besitzt eine Anzahl von Pixeln, die entlang der ersten Scanrichtung angeordnet sind.
Eine Antriebsschaltung ist betriebsbereit, um den ersten Scanspiegel mit einem Antriebssignal mit einer Amplitude anzutreiben. Vorzugsweise oszilliert die Antriebsschaltung den ersten Scanspiegel in entgegengesetzten Umfangsrichtungen über einen ersten Scanwinkel hinweg.
Gemäß dieser Erfindung ist eine Rückkopplungsschaltung zur Bestimmung der Amplitude des Antriebssignals für jede Scanlinie vorgesehen. Eine Steuervorrichtung, vorzugsweise ein programmierter Mikroprozessor, ist betriebsbereit, um zu bewirken, dass ausgewählte Pixel durch den Laserstrahl beleuchtet und sichtbar gemacht werden, um das Bild zu erzeugen und in weiterer Übereinstimmung mit dieser Erfindung, und um die Amplitude des Antriebssignals und ihrerseits den ersten Scanwinkel für jede Scanlinie anzupassen, um die Scanlinien des Bilds mit der gleichen Länge zu erzeugen, wodurch die Bildverzerrung korrigiert wird. Eine Benutzereingabeschnittstelle kann eingesetzt werden, um es einem Betrachter zu ermöglichen, manuell die Längen der Scanlinien anzupassen.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines handgehaltenen Instruments, das ein unverzerrtes Bild bei einem Arbeitsabstand von diesem projiziert;
2 ist eine vergrößerte, perspektivische Überkopfansicht einer Bildprojektionsanordnung zur Installation in dem Instrument der 1;
3 ist eine Draufsicht der Anordnung der 2;
4 ist eine perspektivische Vorderansicht eines Trägheitsantriebs zur Verwendung in der Anordnung der 2;
5 ist eine perspektivische Rückansicht des Trägheitsantriebs der 4;
6 ist eine perspektivische Ansicht einer praktischen Implementierung der Anordnung der 2;
7 ist eine Elektroschemablockdiagramm, das den Betrieb der Anordnung der 2 darstellt;
8 ist eine perspektivische Ansicht analog zu 1, die aber ein trapezverzerrtes Bild darstellt;
9 ist eine perspektivische Ansicht analog zu 1, die aber ein kissenverzerrtes Bild darstellt; und
10 ist ein Blockdiagramm, das eine Anordnung zur Korrektur der in 8–9 gezeigten, verzerrten Bilder zeigt.
Das Bezugszeichen 10 in 1 bezeichnet im Allgemeinen ein handgehaltenes Instrument, beispielsweise einen PDA, in dem eine leichtgewichtige, kompakte Bildprojektionsanordnung 20, wie in 2 gezeigt, angebracht und betriebsbereit ist, um ein zweidimensionales, unverzerrtes Farbbild mit einer variablen Distanz von dem Instrument zu projizieren. Als Beispiel ist ein Bild 18 innerhalb eines Arbeitsbereichs von Entfernungen relativ zu dem Instrument 10 gelegen.
Wie in 1 gezeigt, erstreckt sich das unverzerrte Bild 18 über einen optischen, horizontalen Scanwinkel A, der sich entlang der horizontalen Richtung erstreckt, und über einen optischen, vertikalen Scanwinkel B, der sich entlang der vertikalen Richtung des Bilds erstreckt. Wie unten beschrieben, besteht das Bild aus beleuchteten und unbeleuchteten Pixeln auf einem Rastermuster von Scanlinien, über die ein Scanner in der Anordnung 20 hinwegstreicht.
Die Parallelepided-Form des Instruments 10 stellt nur einen Formfaktor eines Gehäuses dar, in welchem die Anordnung 20 implementiert sein kann. Das Instrument kann als ein Füller bzw. Stift, ein Mobiltelefon, eine Muschelschale oder eine Armbanduhr geformt sein. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel misst die Anordnung 20 weniger als ungefähr 30 Kubikzentimeter im Volumen. Diese kompakte Miniaturgröße ermöglicht es, dass die Anordnung 20 in den Gehäusen vieler unterschiedlicher Formen, groß oder klein, tragbar oder stationär, einschließlich einigen angebracht wird, die eine On-board-Anzeige 12, eine Tastatur 14 und ein Fenster 16 umfassen, durch welches das Bild projiziert wird.
Bezug nehmend auf die 2 und 3 umfasst die Anordnung 20 einen Halbleiterlaser 22, der bei Erregung einen hellen, roten Laserstrahl von ungefähr 635–655 Nanometern emittiert. Die Linse 24 ist eine biasphärisch konvexe Linse mit einer positiven Brennweite und ist betriebsbereit, um nahezu die gesamte Energie in dem roten Strahl zu sammeln und einen beugungsbegrenzten Strahl zu erzeugen. Die Linse 26 ist eine konkave Linse mit einer negativen Brennweite. Die Linsen 24, 26 werden durch nicht dargestellte, entsprechende Linsenhaltevorrichtungen getrennt auf einer Tragevorrichtung (aus Klarheitsgründen nicht in 2 dargestellt) innerhalb des Instruments 10 gehalten. Die Linsen 24, 26 formen das Profil des roten Strahls über die Arbeitsentfernung hinweg.
Ein weiterer Halbleiterlaser 28 ist auf der Tragevorrichtung angebracht und emittiert bei Erregung einen beugungsbegrenzten blauen Laserstrahl von ungefähr 475–505 Nanometern. Eine weitere biasphärisch konvexe Linse 30 und eine konkave Linse 32 werden eingesetzt, um das Profil des blauen Strahls in einer zu den Linsen 24, 26 analogen Art und Weise zu formen.
Ein Grünlaserstrahl mit einer Wellenlänge in der Größenordnung von 530 Nanometern wird nicht durch einen Halbleiterlaser erzeugt, sondern stattdessen durch ein grünes Modul 34 mit einer gepumpten YAG-Kristalllaserdiode im Infrarotbereich, deren Ausgabestrahl 1060 Nanometer beträgt. Ein nicht-linearer Frequenzverdopplungskristall ist in dem Infrarotlaserhohlraum zwischen den beiden Laserspiegeln enthalten. Da die Infrarotlaserleistung innerhalb des Hohlraums viel größer als die Leistung ist, die außerhalb des Hohlraums gekoppelt ist, erzeugt der Frequenzverdoppler effizienter das Doppelfrequenzgrünlicht innerhalb des Hohlraums. Der Ausgabespiegel des Lasers reflektiert die 1060 nm Infrarotstrahlung und ist durchlässig gegenüber dem verdoppelten 530 nm Grünlaserstrahl. Da der korrekte Betrieb des Festkörperlasers und des Frequenzverdopplers eine präzise Temperatursteuerung erfordern, wird eine Halbleitervorrichtung, wie beispielsweise eine thermo-elektrische Kühlvorrichtung die auf dem Peltier-Effekt beruht, verwendet wird, um die Temperatur des Grünlasermoduls zu steuern. Die thermoelektrische Kühlvorrichtung kann die Vorrichtung entweder erwärmen oder abkühlen, und zwar abhängig von der Polarität des angelegten Stroms. Ein Thermistor ist Teil des Grünlasermoduls, um seine Temperatur zu überwachen. Die Ausgabe von dem Thermistor wird in die Steuervorrichtung eingespeist, welche den Steuerstrom an die thermo-elektrische Kühlvorrichtung demgemäß anpasst.
Wie unten beschrieben, werden die Laser im Betrieb mit Frequenzen in der Größenordnung von 100 MHz pulsiert. Die roten und blauen Halbleiterlaser 22, 28 können mit derart hohen Frequenzen pulsiert werden, die gegenwärtig verfügbaren grünen Festkörperlaser können dies jedoch nicht. Als eine Folge davon wird der grüne Laserstrahl, der aus dem grünen Modul 34 austritt, mit einem akustooptischen Modulator (AOM) 36 pulsiert, der eine akustische, stehende Welle innerhalb eines Kristalls zur Beugung des grünen Strahls erzeugt. Der AOM 36 erzeugt jedoch einen nicht beugenden Strahl 38 nullter Ordnung und einen pulsierten, gebeugten Strahl 40 erster Ordnung. Die Strahlen 38, 40 divergieren voneinander und um sie zu trennen, um den unerwünschten Strahl 38 nullter Ordnung zu beseitigen, werden die Strahlen 38, 40 entlang eines langen, gefalteten Pfads mit einem Faltspiegel 42 geführt. Alternativ kann der AOM entweder außerhalb oder innerhalb des grünen Lasermoduls verwendet werden, um den grünen Laserstrahl zu pulsieren. Andere mögliche Wege, den grünen Laserstrahl zu modulieren, umfassen die Elektroabsorptionsmodulation oder den Mach-Zender-Interferometer. Der AOM ist schematisch in 2 gezeigt.
Die Strahlen 38, 40 werden durch die positiven und negativen Linsen 44, 46 geführt. Es wird jedoch zugelassen, dass nur der gebeugte grüne Strahl 40 auf den Faltspiegel 48 auftrifft und von diesem reflektiert wird. Der nicht gebeugte Strahl 38 wird durch einen Absorber 50, der vorzugsweise auf dem Spiegel 48 angebracht ist, absorbiert.
Die Anordnung umfasst ein Paar von dichroitischen Filtern 52, 54, die angeordnet sind, um die grünen, blauen und roten Strahlen so kollinear wie möglich zu machen, bevor sie eine Scananordnung 60 erreichen. Der Filter 52 ermöglicht es, dass der grüne Strahl 40 durch diesen passiert, aber der blaue Strahl 56 von dem blauen Laser 28 durch den Interferenzeffekt reflektiert wird. Der Filter 54 ermöglicht es, dass die grünen und blauen Strahlen 40, 56 durch diesen passieren, aber der rote Strahl 58 von dem roten Laser 22 durch den Interferenzeffekt reflektiert wird.
Die nahezu kollinearen Strahlen 40, 56, 58 werden zu einem stationären Aufprallspiegel 62 geleitet und von diesem reflektiert. Die Scananordnung 60 umfasst einen ersten Scanspiegel 64, der durch einen Trägheitsantrieb 66 (isoliert in 4–5 gezeigt) mit einer ersten Scanrate oszillierbar ist, um die von dem Aufprallspiegel 62 reflektierten Laserstrahlen über den ersten horizontalen Scanwinkel A hinwegzustreichen, und ein zweiter Scanspiegel 68 ist durch einen elektromagnetischen Antrieb 70 mit einer zweiten Scanrate oszillierbar, um die Laserstrahlen, die von dem ersten Scanspiegel 64 reflektiert werden über den zweiten vertikalen Scanwinkel B hinwegzustreichen. In einer abweichenden Konstruktion können die Scanspiegel 64, 68 durch einen einzelnen Zweiachsenspiegel ersetzt werden.
Der Trägheitsantrieb 66 ist eine Hochgeschwindigkeitskomponente mit geringem elektrischen Leistungsverbrauch. Details des Trägheitsantriebs können in der U.S. Patentanmeldung Serien-Nr. 10/387,878, eingereicht am 13. März 2003, und die der gleichen Anmelderin wie die vorliegende Anmeldung zugewiesen und hierin durch Bezugnahme enthalten, gefunden werden. Die Verwendung des Trägheitsantriebs verringert den Leistungsverbrauch der Scananordnung 60 auf weniger als ein Watt und in dem Fall des Projizieren eines Farbbilds, wie unten beschrieben, auf weniger als zehn Watt.
Der Antrieb 66 umfasst einen beweglichen Rahmen 74 zum Tragen des Scanspiegels 64 mittels einer Anlenkung, die ein Paar von kollinearen Anlenkungsteilen 76, 78 umfasst, die sich einlang einer Anlenkungsachse 65 erstrecken und zwischen gegenüberliegenden Bereichen des Scanspiegels 64 und gegenüberliegenden Bereichen des Rahmens verbunden sind. Der Rahmen 74 muss den Scanspiegel 64 nicht umgeben, wie es gezeigt ist.
Der Rahmen, die Anlenkungsteile und der Scanspiegel werden aus einem einstückigen, im Allgemeinen planaren Siliciumsubstrat gebildet, welches ungefähr 150μ dick ist. Das Silicium wird geätzt, um omegaförmige Schlitze zu bilden, die obere parallele Schlitzbereiche, untere parallele Schlitzbereiche und U-förmige, mittlere Schlitzbereiche besitzen. Der Scanspiegel 64 besitzt vorzugsweise eine ovale Form und kann sich frei in den Schlitzbereichen bewegen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel belaufen sich die Abmessungen entlang der Achsen des ovalförmigen Scanspiegels auf 749μ × 1600μ. Jeder Anlenkungsteil misst 27μ in der Breite und 1130μ in der Länge. Der Rahmen besitzt eine rechteckige Form und misst 3100μ in der Breite und 4600μ in der Länge.
Der Trägheitsantrieb ist auf einer im Allgemeinen planaren gedruckten Leiterplatte 80 angebracht und ist betriebsbereit, um direkt den Rahmen zu bewegen und durch Trägheit indirekt den Scanspiegel 64 um die Anlenkungsachse zu oszillieren. Ein Ausführungsbeispiel des Trägheitsantriebs umfasst ein Paar von piezoelektrischen Transducern bzw. Wandlern 82, 84, die sich senkrecht auf der Platte 80 und in Kontakt mit beabstandeten Teilen des Rahmens 74 auf beiden Seiten des Anlenkungsteils 76 erstrecken. Ein Klebstoff kann verwendet werden, um einen dauerhaften Kontakt zwischen einem Ende jedes Wandlers und jedem Rahmenteil sicherzustellen. Das gegenüberliegende Ende jedes Wandlers ragt aus der Rückseite der Platte 80 hervor und ist elektrisch durch die Drähte 86, 88 mit einer periodischen alternierenden Spannungsquelle (nicht gezeigt) verbunden.
Im Gebrauch legt die Antriebsschaltung ein periodisches Antriebsspannungssignal an jeden Wandler an und veranlasst den jeweiligen Wandler sich abwechselnd in der Länge auszudehnen und zusammenzuziehen. Wenn sich der Wandler 82 ausdehnt, zieht sich der Wandler 84 zusammen und umgekehrt, wodurch die beabstandeten Rahmenteile simultan geschoben und gezogen werden und bewirkt wird, dass sich der Rahmen um die Anlenkungsachse verdreht. Die Antriebsspannung besitzt eine Antriebsfrequenz, die der mechanischen Resonanzfrequenz des Scanspiegels entspricht. Der Scanspiegel wird von seiner ursprünglichen Ruheposition bewegt, bis er ebenfalls um die Anlenkungsachse mit der mechanischen Resonanzfrequenz oszilliert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Rahmen und der Scanspiegel ungefähr 150μ dick und der Scanspiegel besitzt einen hohen Q-Faktor. Eine Bewegung in der Größenordnung von 1μ durch jeden Wandler kann die Oszillation des Scanspiegels mit Scanraten von mehr als 20 kHz bewirken.
Ein weiteres Paar von piezoelektrischen Wandlern 90, 92 erstreckt sich senkrecht zu der Platte 80 und in dauerhaften Kontakt mit beabstandeten Teilen des Rahmens 74 an beiden Seiten des Anlenkungsteils 78. Die Wandler 90, 92 dienen als Rückkopplungsvorrichtungen, um die Oszillationsbewegung des Rahmens und folglich des Scanspiegels 64 zu überwachen und um elektrische Rückkopplungssignale zu erzeugen und entlang der Drähte 94, 96 zu einer Rückkopplungssteuerschaltung zu leiten (nicht in 5 gezeigt).
Alternativ können anstelle der Verwendung piezoelektrischer Wandler 90, 92 zur Rückkopplung, eine magnetische Rückkopplung verwendet werden, wo ein Permanentmagnet auf der Rückseite des Hochgeschwindigkeitsspiegels angebracht ist und eine externe elektromagnetische Spule verwendet wird, um das sich verändernde Magnetfeld, das durch den oszillierenden Magneten erzeugt wird, aufzunehmen.
Obwohl Licht von der Außenoberfläche des Scanspiegels reflektiert werden kann, ist es wünschenswert die Oberfläche des Spiegels 64 mit einer spiegelnden Beschichtung, die aus Gold, Silber, Aluminium oder einer speziell ausgelegten, hochreflektiven, dielektrischen Beschichtung besteht, zu beschichten.
Der elektromagnetische Antrieb 70, umfasst einen Permanentmagneten der gemeinsam auf und hinter dem zweiten Scanspiegel 68 angebracht ist, und eine elektromagnetische Antriebsspule 72, die betriebsbereit ist, um ein periodisches Magnetfeld ansprechend auf den Empfang eines periodischen Antriebssignals zu erzeugen. Die Antriebsspule 72 ist benachbart zu dem Magneten, so dass das periodische Feld magnetisch mit dem permanenten Feld des Magneten interagiert und bewirkt, dass der Magnet und seinerseits der zweite Scanspiegel 68 oszillieren.
Der Trägheitsantrieb 66 oszilliert den Scanspiegel 64 mit einer hohen Geschwindigkeit mit einer Scanrate, die vorzugsweise größer als 5 kHz ist und insbesondere in der Größenordnung von 18 kHz oder mehr liegt. Diese hohe Scanrate liegt bei einer unhörbaren Frequenz, wodurch Geräusche und Vibration minimiert werden. Der elektromagnetische Antrieb 70 oszilliert den Scanspiegel 68 mit einer langsameren Scanrate in der Größenordnung von 40 Hz, was ausreichend schnell ist, um es zu ermöglichen, dass das Bild auf einer menschlichen Augennetzhaut ohne übermäßiges Flimmern bleibt.
Der schnellere Spiegel 64 streicht über eine horizontale Scanlinie hinweg, und der langsamere Spiegel 68 streicht über die horizontale Scanlinie vertikal hinweg, wodurch ein Rastermuster erzeugt wird, welches ein Netz oder eine Sequenz annähernd paralleler Scanlinien ist, aus denen das Bild konstruiert wird. Jede Scanlinie besitzt eine Anzahl von Pixeln. Die Bildauflösung besitzt vorzugsweise die XGA-Qualität von 1024×768 Pixeln. Über einen begrenzten Arbeitsbereich können wir einen hochauflösenden Fernsehstandard, bezeichnet als 720p, von 1270×720 Pixeln anzeigen. In einigen Anwendungen ist eine einhalbfache VGA-Qualität von 320×480 Pixeln oder eine einviertelfache VGA-Qualität von 320×240 Pixeln ausreichend. Minimal ist eine Auflösung von 160×160 Pixeln erwünscht.
Die Rollen der Spiegel 64, 68 könnten umgekehrt werden, so dass der Spiegel 68 schneller und der Spiegel 64 langsamer ist. Der Spiegel 64 könnte ebenfalls ausgelegt sein, um über die vertikale Scanlinie hinwegzustreichen, in welchem Fall der Spiegel 68 über die horizontale Scanlinie hinwegstreichen würde. Der Trägheitsantrieb kann ebenfalls verwendet werden, um den Spiegel 68 anzutreiben. In der Tat könnte jeder der beiden Spiegel durch einen elektromechanischen, elektrischen, mechanischen, elektrostatischen, magnetischen oder elektromagnetischen Antrieb angetrieben werden.
Der langsame Spiegel wird in einem Hinwegstreichmodus mit konstanter Geschwindigkeit betrieben, in welcher Zeit das Bild angezeigt wird. Während der Rückkehr des Spiegels wird der Spiegel zurück in die Ausgangsposition mit seiner natürlichen Frequenz, die signifikant höher ist, geschwenkt. Während der Rück kehrstrecke des Spiegels können die Laser abgeschaltet werden, um den Leistungsverbrauch der Vorrichtung zu verringern.
6 ist eine praktische Implementierung der Anordnung 20 in der gleichen Perspektive wie der der 2. Die zuvor erwähnten Komponenten werden auf einer Tragevorrichtung angebracht, die eine obere Abdeckung 100 und eine Trageplatte 102 umfasst. Haltevorrichtungen 104, 106, 108, 110, 112 halten jeweils die Faltspiegel 42, 48, die Filter 52, 54 und den Abprallspiegel 62 in gegenseitiger Ausrichtung. Jede Haltevorrichtung besitzt eine Vielzahl von Positionierungsschlitzen zur Aufnahme von Positionierungsstifte bzw. -pfosten, die stationär auf der Tragevorrichtung angebracht sind. Auf diese Weise sind die Spiegel und Filter in korrekter Weise positioniert. Wie gezeigt, gibt es drei Pfosten, wodurch zwei Winkelanpassungen und eine seitliche bzw. laterale Anpassung ermöglicht werden. Jede Haltevorrichtung kann in ihrer Endposition verklebt werden.
Das Bild wird durch selektive Beleuchtung der Pixel in einer oder mehreren der Scanlinien konstruiert. Wie unten in größerem Detail mit Bezugnahme auf 7 beschrieben, bewirkt eine Steuervorrichtung 114, dass ausgewählte Pixel in dem Rastermuster beleuchtet werden, und durch die drei Laserstrahlen sichtbar gemacht werden. Beispielsweise leiten rote, blaue und grüne Leistungssteuervorrichtungen 116, 118, 120 jeweils elektrische Ströme zu den roten, blauen und grünen Lasern 22, 28, 34, um letztere zu erregen, um die jeweiligen Lichtstrahlen bei jedem ausgewählten Pixel zu emittieren und leiten keine elektrischen Ströme zu den roten, blauen und grünen Lasern, um letztere zu enterregen, um die anderen, nicht ausgewählten Pixel nicht zu beleuchten. Das entstehende Muster von beleuchteten und nicht beleuchteten Pixeln weist das Bild auf, welches jegliche Anzeige einer menschen- oder maschinenlesbaren Information oder Graphik sein kann.
Bezug nehmend auf 1 ist das Rastermuster in einer vergrößerten Ansicht gezeigt. Beginnend bei einem Endpunkt werden die Laserstrahlen durch den Trägheitsantrieb entlang der horizontalen Richtung mit der horizontalen Scanrate zu einem gegenüberliegenden Endpunkt hinweggestrichen, um eine Scanlinie zu bil den. Daraufhin werden die Laserstrahlen durch den elektromagnetischen Antrieb 70 entlang der vertikalen Richtung mit der vertikalen Scanrate zu einem anderen Endpunkt hinweggestrichen, um eine zweite Scanlinie zu bilden. Die Bildung aufeinander folgender Scanlinien schreitet in der gleichen Art und Weise voran.
Das Bild wird in dem Rastermuster durch Erregen oder An- und Aus-Pulsieren des Lasers zu ausgewählten Zeiten unter Steuerung des Mikroprozessors 114 oder der Steuerschaltung durch Betrieb der Leistungssteuervorrichtungen 116, 118, 120 erzeugt. Die Laser erzeugen sichtbares Licht und werden nur angeschaltet, wenn ein Pixel in dem erwünschten Bild gesehen werden soll. Die Farbe jedes Pixels wird durch eine oder mehrere der Farben der Strahlen bestimmt. Jegliche Farbe im Spektrum des sichtbaren Lichts kann durch selektive Überlagerung von einem oder mehreren der roten, blauen und grünen Laser gebildet werden. Das Rastermuster ist ein Netz, das aus mehreren Pixeln auf einer Linie und mehreren Linien besteht. Das Bild ist eine Bitmap ausgewählter Pixel. Jeder Buchstabe oder jede Zahl, jegliche graphische Darstellung oder Logo, und sogar maschinenlesbare Strichcodesymbole können als ein Bitmapbild abgebildet werden.
Wie in 7 gezeigt, wird ein eingehendes Videosignal mit vertikalen und horizontalen Synchronisationsdaten, ebenso wie Pixel- und Clock- bzw. Taktungsdaten, zu den roten, blauen und grünen Puffern 122, 124, 126 unter der Steuerung des Mikroprozessors 114 gesendet. Die Speicherung eines vollständigen VGA-Rahmens erfordert viele Kilobytes und es wäre wünschenswert, ausreichend Speicher in den Puffern für zwei vollständige Rahmen zu besitzen, um zu ermöglichen, dass ein Rahmen geschrieben wird, während ein weiterer Rahmen bearbeitet und projiziert wird. Die gepufferten Daten werden an einen Formstierer 128 unter der Steuerung eines Geschwindigkeits-Profilers 130 und zu roten, blauen und grünen Nachschlagtabellen (LUTs = Look Up Tables) 132, 134, 136 gesendet, um inhärente, interne Verzerrungen zu korrigieren, die durch das Scannen verursacht werden, ebenso wie geometrische Verzerrungen, die durch den Winkel der Anzeige des projizierten Bilds verursacht werden. Die resultierenden roten, blauen und grünen digitalen Signale werden in rote, blaue und grüne analoge Signale durch Digital-zu-Analog-Wandler (DACs = Digital to Analog Converters) 138, 140, 142 umgewandelt. Die roten und blauen analogen Signale werden den roten und blauen Laserantrieben (LDs = Laser Drivers) 144, 146 zugeführt, die ebenfalls mit den roten und blauen Leistungssteuervorrichtungen 116, 118 verbunden sind. Das grüne analoge Signal wird dem AOM-Hochfrequenzantrieb (RF = Radio Frequency) 150 und seinerseits dem grünen Laser 34 zugeführt, der ebenfalls mit einem grünen Laserantrieb 148 und mit der grünen Leistungssteuervorrichtung 120 verbunden ist.
Die Rückkopplungssteuerungen sind ebenfalls in 7 gezeigt, einschließlich der roten, blauen und grünen Photodiodenverstärker 152, 154, 156 verbunden mit roten, blauen und grünen Analog-zu-Digital-(A/D)Wandlern 158, 160, 162 und ihrerseits mit dem Mikroprozessor 114. Die Wärme wird durch einen Thermistorverstärker 164, verbunden mit einem A/D-Wandler 166 und dieser seinerseits mit dem Mikroprozessor überwacht.
Die Scanspiegel 64, 68 werden durch die Antriebsvorrichtungen 168, 170 angetrieben, die mit analogen Antriebssignale von den DACs 172, 174 versorgt werden, die ihrerseits mit dem Mikroprozessor verbunden sind. Die Rückkopplungsverstärker 176, 178 detektieren die Position der Scanspiegel 64, 68 und sind mit den Rückkopplungs-A/Ds 180, 182 und diese ihrerseits mit dem Mikroprozessor verbunden.
Eine Leistungsmanagementschaltung 184 ist betriebsbereit, um die Leistung zu minimieren, während schnelle Einschaltzeiten ermöglicht werden, vorzugsweise indem der grüne Laser zu allen Zeiten angeschaltet bleibt und durch Halten des Stroms der roten und blauen Laser gerade unterhalb der Laserschwelle.
Ein Lasersicherheitsabschaltschaltung 186 ist betriebsbereit, um die Laser abzuschalten, wenn detektiert wird, dass einer der beiden Scanspiegel 64, 68 sich in einer Fehlposition befindet.
Sich 8 zuwendend, ist ein trapezverzerrtes Bild 200 als von dem Instrument 10 projiziert, dargestellt, und zwar vor der Korrektur gemäß dieser Erfindung. Wie gezeigt, wird das Bild 200 auf einen geneigten Bildschirm 202 projiziert, wo der obere Teil des Bildschirms weiter weg von dem Instrument liegt, und der untere Teil des Bildschirms dichter an dem Instrument liegt. Als eine Folge davon, sind die Scanlinien am oberen Teil des Bildschirms länger als die Scanlinien am unteren Teil des Bildschirms. Wenn der Bildschirm auf die andere Weise geneigt wäre, wären die Scanlinien am unteren Teil des Bildschirms länger als die Scanlinien am oberen Teil des Bildschirms. Der Bildschirm 202 selbst, muss nicht relativ zu dem Austrittsfenster 16 des Instruments geneigt sein, da das Instrument 10 mit einem Winkel zu dem Bildschirm ausgerichtet sein könnte, oder sowohl der Bildschirm als auch das Instrument geneigt sein könnten. Auf diese Weise ist die Verzerrung eine Funktion der unterschiedlichen Entfernungen und der unterschiedlichen Scanwinkel die durch den Laserstrahl zwischen dem zweiten Scanspiegel 68 und dem Bildschirm 202 zurückgelegt werden. Wenn der Laserstrahl eine längere Entfernung zurücklegt, dann ist die Scanlinie länger und der Scanwinkel, über den der Laserstrahl hinweggestrichen wird, ist länger. Längere Linien in dem projizierten Bild sind unzufriedenstellend, da ein Betrachter die Linien in einem quadratischen oder einem rechtwinkligen Bildbereich und nicht in einem trapezförmigen Bereich betrachten möchte.
9 ist ein kissenverzerrtes Bild 204, und zwar vor der Korrektur gemäß dieser Erfindung. In diesem Fall ist der Bildschirm 202 parallel zu dem Austrittsfenster 16 des Instruments und ist senkrecht und zentral relativ zu der optischen Achse gelegen, entlang derer der Laserstrahl projiziert wird. Aufgrund des sehr breiten Projektionswinkels, z.B. ± 30°, sind die Scanlinien an den oberen und den unteren Teilen des Bilds 204 jedoch länger als die Scanlinien in der Mitte des Bilds, wodurch das Bild mit eingedrückten Seiten erzeugt wird.
Um derartige Gebrauchsverzerrungen zu korrigieren, stellt 10 eine Anordnung dar, in der die zuvor erwähnte Mikrosteuervorrichtung 114, vorzugsweise ein Mikroprozessor, betriebsmäßig mit der Antriebsschaltung 168 für den ersten (X-Achsen-) Scanspiegel 64 verbunden ist. Die Antriebsschaltung 168 erzeugt ein Antriebssignal mit einer Amplitude. Das Antriebssignal wird zu einem Antriebsmotor 206 für den ersten Scanspiegel 64 geleitet. Wie zuvor beschrieben, wird in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel das Antriebssignal entlang der Drähte 86, 88 (siehe 4) geleitet, um die piezoelektrischen Wandler 82, 84 zu erregen. Je größer die Amplitude des Antriebssignals, desto größer ist die bogenförmige Entfernung über die der erste Scanspiegel 64 oszilliert, und umgekehrt.
Wie ebenfalls zuvor beschrieben werden die piezoelektrischen Wandler 90, 92 in 5 als Rückkopplungsvorrichtungen verwendet, um ein Rückkopplungssignal zu erzeugen, welches entlang der Drähte 94, 96 zu dem Rückkopplungsverstärker 176 geleitet wird, wobei das Rückkopplungssignal eine Amplitude besitzt, die der Amplitude des Antriebssignals für jede Scanlinie entspricht. Anstelle der piezoelektrischen Wandler kann, wiederum wie oben beschrieben, eine elektromagnetische Rückkopplungsspule 208 als Rückkopplungsvorrichtung verwendet werden. Die Rückkopplungsspule 208 erzeugt das Rückkopplungssignal durch Magnetfeldinteraktion mit einem Permanentmagneten, die gemeinsam auf dem ersten Scanspiegel 64 angebracht sind.
Der Mikroprozessor 114 ist betriebsbereit, um das Rückkopplungssignal zu empfangen und dessen Amplitude zu messen. Durch Zurückgreifen auf eine Nachschlagtabelle (LUT) 210, bestimmt der Mikroprozessor die Amplitude des Antriebssignals und seinerseits den Scanwinkel A. Sobald die Antriebssignalamplitude für jede Scanlinie bekannt ist, vergleicht der Mikroprozessor sie miteinander und bestimmt welche Scanlinien sich voneinander in der Länge unterscheiden. Der Mikroprozessor passt dann die Amplitude des Antriebssignals für jede Scanlinie an, um Scanlinien mit der gleichen Länge zu erzeugen, wodurch die Bildverzerrung korrigiert wird.
Folglich wird gemäß dieser Erfindung die Antriebssignalamplitude des Trägheitsantriebs 66, der den Scanspiegel 64 oszilliert, oder anders gesagt der Scanwinkel A über den der erste Scanspiegel 64 oszilliert wird, gesteuert, und zwar durch aktives Verändern der Antriebssignalamplitude (oder des Scanwinkels) für jede Scanlinie während jedes Rahmens. Beispielsweise würde die Antriebssignalamplitude verringert werden, um eine Scanlinie zu verkürzen, die weiter von dem Instrument als eine weitere Scanlinie gelegen ist. In dem Fall der Trapezverzerrung der 8 würde die Antriebssignalamplitude gesteuert werden, um eine Linearanstiegswellenform zu sein, die sich für jeden Rahmen wiederholt. Um sowohl die Kissen- als auch Trapezverzerrung zu korrigieren, würde die Antriebssignalamplitude gesteuert werden, um nicht-linear zu sein.
Der Korrekturbetrag ist vorzugsweise durch eine Benutzerschnittstelle 212 benutzeranpassbar, die betriebsmäßig mit dem Mikroprozessor verbunden ist. Diese Schnittstelle kann eine der Tasten auf der Tastatur 14 oder ein ausgewählter Kontaktbereich auf der Anzeige 12 sein. Keine Bildauflösung geht mit dieser Erfindung verloren, da kein Abschneiden von Pixeln stattfindet.
Was als neu beansprucht und durch das Patent geschützt werden soll, ist in den beigefügten Ansprüchen dargelegt.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Anordnung für und ein Verfahren zum Korrigieren der Bildverzerrung in einem Bildprojektionssystem umfassen das Bringen sämtlicher Scanlinien des projizierten Bilds auf die gleiche Länge durch Anpassen der Amplitude eines Antriebssignals, das verwendet wird, um einen Laserstrahl hinwegzustreichen, um jede Scanlinie des Bilds zu bilden.

Claims

Eine Anordnung zur Korrektur einer Verzerrung eines Bilds, das auf eine Projektionsoberfläche projiziert wird, die Folgendes aufweist: a) einen Laser zum Emittieren eines Laserstrahls; b) einen Scanner, der einen ersten Scanspiegel zum Hinwegstreichen eines Laserstrahls entlang einer ersten Scanrichtung aufweist, um eine Scanlinie auf der Projektionsoberfläche zu bilden, sowie einen zweiten Scanspiegel, um die Scanlinie entlang einer zweiten Scanrichtung hinwegzustreichen, die im Allgemeinen orthogonal zu der ersten Scanrichtung ist, um ein Rastermuster von Scanlinien auf der Projektionsoberfläche zu bilden, wobei die Scanlinien unterschiedliche Längen entlang der ersten Scanrichtung aufgrund unterschiedlicher Entfernungen besitzen, die durch den Laserstrahl zwischen dem zweiten Scanspiegel und der Projektionsoberfläche zurückgelegt werden, wobei jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln entlang der ersten Scanrichtung besitzt; c) eine Antriebsschaltung zum Antreiben des ersten Scanspiegels mit einem Antriebssignal, das eine Amplitude besitzt; d) eine Rückkopplungsschaltung, um die Amplitude des Antriebssignals für jede Scanlinie zu bestimmen; und e) eine Steuervorrichtung, um zu bewirken, dass ausgewählte Pixel durch den Laserstrahl beleuchtet und sichtbar gemacht werden, um das Bild zu erzeugen, und um die Amplitude des Antriebssignals für jede Scanlinie anzupassen, um die Scanlinien des Bilds mit der gleiche Länge zu erzeugen, wodurch die Bildverzerrung korrigiert wird.
Anordnung gemäß Anspruch 1, sowie zusätzliche Laser zum Emittieren jeweiliger Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, sowie eine optische Anordnung zur kollinearen Anordnung sämtlicher Laserstrahlen in einem zusammengesetzten Strahl, der auf den ersten Scanspiegel gerichtet wird.
Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Antriebsschaltung betriebsbereit ist, um den ersten Scanspiegel in entgegengesetzter Umfangsrichtung über einen ersten Scanwinkel hinweg zu oszillieren, und wobei die Steuervorrichtung betriebsbereit ist, um den ersten Scanwinkel anzupassen, indem die Amplitude des Antriebssignals angepasst wird.
Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung einen Mikroprozessor und eine Nachschlagtabelle umfasst, in der die Werte der Amplitude des Antriebssignals gespeichert sind.
Anordnung gemäß Anspruch 4, sowie eine Benutzereingabeschnittstelle mit einem Mikroprozessor zur manuellen Anpassung der Längen der Scanlinien, um die Bildverzerrung zu entfernen.
Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Projektionsoberfläche ein planarer Bildschirm ist.
Ein Verfahren zur Korrektur der Verzerrung eines Bilds, das auf eine Projektionsoberfläche projiziert wird, das die folgenden Schritte aufweist: a) Emittieren eines Laserstrahls; b) Hinwegstreichen des Laserstrahls mit einem ersten Scanspiegel entlang einer ersten Scanrichtung, um eine Scanlinie auf der Projektionsoberfläche zu bilden, und Hinwegstreichen der Scanlinie mit einem zweiten Scanspiegel entlang einer zweiten Scanrichtung, die im Allgemeinen orthogonal zu der ersten Scanrichtung ist, um ein Rastermuster von Scanlinien auf der Projektionsoberfläche zu bilden, wobei die Scanlinien unterschiedliche Längen entlang der ersten Scanrichtung aufgrund unterschiedlicher Entfernungen besitzen, die durch den Laserstrahl zwischen dem zweiten Scanspiegel und der Projektionsoberfläche zurückgelegt werden, wobei jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln entlang der ersten Scanrichtung besitzt; c) Antreiben des ersten Scanspiegels mit einem Antriebssignal, das eine Amplitude besitzt; d) Bestimmen der Amplitude des Antriebssignals für jede Scanlinie; und e) Veranlassen, dass ausgewählte Pixel durch den Laserstrahl beleuchtet und sichtbar gemacht werden, und Anpassen der Amplitude des Antriebssignals für jede Scanlinie, um die Scanlinien des Bilds mit der gleichen Länge zu erzeugen, wodurch die Bildverzerrung korrigiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, sowie das Emittieren entsprechender Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen und das kollineare Anordnen sämtlicher Laserstrahlen in einen zusammengesetzten Strahl, der auf den ersten Scanspiegel gerichtet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der Antriebsschritt das Oszillieren des ersten Scanspiegels in entgegengesetzten Umfangsrichtungen über einen ersten Scanwinkel hinweg umfasst, und wobei der Anpassungsschritt durch Anpassen des ersten Scanwinkels ausgeführt wird, indem die Amplitude des Antriebssignals angepasst wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, sowie das Speichern der Werte der Amplitude des Antriebssignals in einer Nachschlagtabelle.
Verfahren gemäß Anspruch 10, sowie das manuelle Anpassen der Längen der Scanlinien, um die Bildverzerrung zu entfernen.