RU2390967C1

RU2390967C1 - Full colour laser beam projector

Info

Publication number: RU2390967C1
Application number: RU2008139058/09A
Authority: RU
Inventors: Евгений Анатольевич Чухломин (RU); Евгений Анатольевич Чухломин; Оксана Александровна Чухломина (RU); Оксана Александровна Чухломина; Сергей Григорьевич Ананьин (RU); Сергей Григорьевич Ананьин
Original assignee: Евгений Анатольевич Чухломин
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2010-05-27
Also published as: RU2008139058A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method is implemented with complete exclusion of electromechanical properties. A video projector has three lasers with optical radiation in the three fundamental colours which are optically connected to a device for summing the said radiation and a scanning unit which is made in form of a scanning electrostatic system having a projection optics unit. Radiation brightness is modulated directly in the laser radiation sources.

EFFECT: increased reliability, reduced labour input in making the video projector and higher image quality.

2 dwg

Description

Изобретение относится к системам воспроизведения телевизионного изображения, а также к системам компьютерной техники, а более конкретно к технике цветной видеопроекции.The invention relates to systems for reproducing a television image, as well as to computer systems, and more particularly to a color video projection technique.

Видеосигналы, формирующие изображение, формируются с помощью видеоадаптера персонального компьютера, а прием и декодирование телевизионного сигнала обеспечивается телевизионным тюнером, установленным на персональном компьютере (в описание изобретения описание компьютера и видеоадаптера не входит).The video signals forming the image are formed using a video adapter of a personal computer, and the reception and decoding of a television signal is provided by a television tuner installed on a personal computer (the description of the computer and video adapter is not included in the description of the invention).

Видеопроекция является основным средством воспроизведения телевизионных и других изображений при диагонали экрана свыше 1 метра, включая воспроизведение изображений в наружной рекламе на больших экранах и без таковых.Video projection is the main means of reproducing television and other images with a screen diagonal of more than 1 meter, including the reproduction of images in outdoor advertising on large screens and without them.

Известен проектор, предназначенный для цветных изображений, который содержит две группы источников света, рефлектор, сменный светофильтр, систему смены изображения на экране. Информация на экране освещается прямым светом одной группы источников света и лучами, прошедшими через светофильтр от другой группы источников. Изменение цвета и смена информации производятся механическим путем. См., например, патент США № 4057129, МПК G09F 13/12, НКИ 40-563 "Демонстрационный прибор со специальным цветовым эффектом (Display apparatus having means for creating a spectral color effect)", опубликованный 10.01.78.Known projector designed for color images, which contains two groups of light sources, a reflector, a replaceable filter, a system for changing the image on the screen. The information on the screen is illuminated by direct light from one group of light sources and by the rays passing through the filter from another group of sources. Change of color and change of information is done mechanically. See, for example, US patent No. 4057129, IPC G09F 13/12, NKI 40-563 "Display device having a special color effect (Display apparatus having means for creating a spectral color effect)", published on 10.01.78.

Известное устройство имеет недостатки, связанные с необходимостью вручную изменять информационное поле экрана, что усложняет работу с прибором. В известном устройстве число допустимых цветовых оттенков ограничено возможностями светофильтра. Кроме того, необходим специальный привод для смены светофильтров, что снижает его надежность.The known device has disadvantages associated with the need to manually change the information field of the screen, which complicates the work with the device. In the known device, the number of valid color shades is limited by the capabilities of the filter. In addition, a special drive is needed to change the filters, which reduces its reliability.

Известный кинескоп содержит источник света, рефлектор, оптическую систему, коллиматор, световод, цветную жидкокристаллическую матрицу, средства для получения изображения на матрице, а также оптическую систему для проекции изображения на экране.A well-known picture tube contains a light source, a reflector, an optical system, a collimator, a light guide, a color liquid crystal matrix, means for acquiring an image on the matrix, and an optical system for projecting an image on a screen.

Недостаток известного цветного проектора заключается в том, что он имеет высокую трудоемкость изготовления, высокие габаритные размеры и вес, определяемые необходимостью отводить тепло от источника света, невысокую надежность и сложности в настройке цветовой гаммы изображения в процессе эксплуатации. Кроме того, выход из строя источника света может привести к возгоранию прибора.A disadvantage of the known color projector is that it has a high manufacturing complexity, high overall dimensions and weight, determined by the need to remove heat from the light source, low reliability and complexity in adjusting the color gamut of the image during operation. In addition, failure of the light source may result in a fire.

Широкое распространение получили видеопроекторы светоклапанного типа, в которых используется достаточно мощный внешний источник света и светоклапанное устройство, которое управляет пропусканием или отражением создаваемого этим источником излучение на проекционный экран в соответствии с интенсивностью соответствующего видеосигнала (см., например, книгу Н. Johannes «The History of the EIDOPHOR Large Screen Television Projector». Изд. фирмы Gretag Aktiengesellschaft, Цюрих, 1989). Основным недостатком цветных видеопроекторов такого типа является трудность обеспечения точного и стабильного сведения на экране трех цветных составляющих изображения. Уже в течение многих лет привлекает внимание возможность получения цветного изображения на большом экране с помощью лазеров. В 1965 г. был предложен проектор, содержащий три лазера, излучающих свет в трех основных цветах (см., например, патент ФРГ № 1268187 N04N 9/31, 1968).Light-valve type video projectors are widely used, which use a sufficiently powerful external light source and a light-valve device that controls the transmission or reflection of the radiation generated by this source on the projection screen in accordance with the intensity of the corresponding video signal (see, for example, N. Johannes's book “The History of the EIDOPHOR Large Screen Television Projector. "Ed. by Gretag Aktiengesellschaft, Zurich, 1989). The main disadvantage of color video projectors of this type is the difficulty in providing accurate and stable information on the screen of the three color components of the image. For many years, the possibility of obtaining color images on a large screen using lasers has attracted attention. In 1965, a projector was proposed that contains three lasers emitting light in three primary colors (see, for example, the Federal Republic of Germany patent No. 1268187 N04N 9/31, 1968).

В 1986 г. была создана модель лазерного проектора, фактически повторяющая первоначальную идею, в основе которой - использование электромеханической системы развертки световых лучей (R Sand. Laser-TV, (k)eine Erfindung des "tapfeven Schneiderleins". Fernseh-und Kino-Technik, 1993, J.47, N9, S 561-562).In 1986, a laser projector model was created that actually repeats the original idea, which is based on the use of an electromechanical system for scanning light beams (R Sand. Laser-TV, (k) eine Erfindung des "tapfeven Schneiderleins". Fernseh-und Kino-Technik 1993, J.47, N9, S 561-562).

Именно это и является главным и непреодолимым недостатком существующих лазерных видеопроекторов, который стал препятствием к их сколько-нибудь заметному распространению. Известен полноцветный лазерный проектор по патенту РФ №2322768. Недостатком указанного проектора является использование электромагнитной системы отклонения блока развертки, что делает невозможным использование высоких частот в сканирующей системе, например, необходимых для проецирования изображения телевидения высокой четкости (ТВЧ), требующего частот свыше 150 кГц.This is precisely the main and insurmountable drawback of the existing laser video projectors, which has become an obstacle to their any noticeable distribution. Known full-color laser projector according to the patent of Russian Federation No. 2322768. The disadvantage of this projector is the use of an electromagnetic deflection system of the scanner, which makes it impossible to use high frequencies in a scanning system, for example, necessary for projecting images of high-definition television (HDTV), requiring frequencies above 150 kHz.

Указанный видеопроектор является наиболее близким к изобретению и выбран в качестве прототипа. Прототип содержит три лазера со световым излучением в трех основных цветах - красном R, зеленом G и синем В. Лазеры оптически последовательно связаны с сумматором этих световых излучений, коллиматором и блоком проекционной оптики, находящимся в блоке развертки. Блок развертки прототипа выполнен в виде сканирующей электромагнитной системы, содержащей блок проекционной оптики. Такая система развертки требует крайне высоких энергозатрат для использования высоких частот развертки, например, частот для проецирования изображения телевидения высокой четкости (ТВЧ) - несколько миллионов ампер-витков.The specified video projector is the closest to the invention and is selected as a prototype. The prototype contains three lasers with light radiation in three primary colors - red R, green G and blue B. The lasers are optically connected in series with the adder of these light emissions, a collimator and a projection optics unit located in the scan unit. The prototype scanner is made in the form of a scanning electromagnetic system containing a projection optics unit. Such a scanning system requires extremely high energy consumption to use high scanning frequencies, for example, frequencies for projecting high-definition television (HDTV) images — several million ampere-turns.

Целью данного изобретения является снижение трудоемкости изготовления, понижение энергопотребления, уменьшение стоимости изделия, его габаритных размеров и веса, обеспечение более качественной цветопередачи изображения, получение возможности регулирования цвета изображения и повышение надежности и безопасности при эксплуатации.The aim of this invention is to reduce the complexity of manufacturing, lowering energy consumption, reducing the cost of the product, its overall dimensions and weight, providing better color rendering of the image, gaining the ability to control the color of the image and improving reliability and safety during operation.

Кроме того, в предлагаемом проекторе снижено энергопотребление безотносительно к частотам развертки, расширен диапазон применения и повышен срок службы прибора.In addition, the proposed projector has reduced power consumption regardless of the frequency of the scan, expanded the range of applications and increased the life of the device.

Технической задачей изобретения является создание такого цветного видеопроектора, который не требует применения электромеханической или электромагнитной системы развертки и может оперировать любыми частотами развертки, включая проекцию изображения телевидения высокой четкости (ТВЧ), в том числе частотами выше 150 кГц.An object of the invention is the creation of such a color video projector that does not require the use of an electromechanical or electromagnetic scanning system and can operate with any scanning frequency, including the projection of an image of high-definition television (HDTV), including frequencies above 150 kHz.

Технический результат достигается тем, что проектор содержит три лазера со световыми излучениями трех основных цветов, оптически связанные с сумматором этих излучений и блоком развертки с интегрированным блоком проекционной оптики. Модуляция яркости излучения осуществляется непосредственно в источниках лазерного излучения (модуляция по яркости излучения, зависящей от уровня сигналов цветовых составляющих красного, зеленого и синего цветов соответственно, генерируемых видеоадаптером персонального компьютера). Блок развертки выполнен в виде сканирующей электростатической системы (которая может содержать схему обратной связи), содержащей блок проекционной оптики. Блок проекционной оптики содержит коллиматор (также может содержать объектив), формирующий результирующий луч, состоящий из модулированных по яркости излучений красного, зеленого и синего лазеров. Блок проекционной оптики и коллиматор находятся в цилиндрическом корпусе из магнитопласта на основе NdFeB с радиальной направленностью поля. Блок развертки содержит корпус, выполненный из магнитопласта с радиальной направленностью поля, противоположной направленности поля корпуса блока проекционной оптики, и электростатическую систему (которая может содержать схему обратной связи), изменяющую положение корпуса блока проекционной оптики относительно корпуса блока развертки по горизонтальной и вертикальной осям, перпендикулярным корпусу блока развертки. На входы блока развертки подаются сигналы пилообразного напряжения, генерируемые микроконтроллером, управляемым сигналами Hsync и Vsync, поступающими из видеоадаптера персонального компьютера по стандартному аналоговому (или цифровому) VGA (или DVI) кабелю 0. Ко входам управления возбуждением лазеров подключены сигналы красной, зеленой и синей составляющих соответственно, генерируемые видеоадаптером персонального компьютера и передаваемые проектору по стандартному аналоговому (или цифровому) VGA (или DVI) кабелю 0 типа VGA D-SUB 15 РIN (или DVI-D 24 PIN или DVI-I 29 PIN), с помощью дополнительных согласующих схем или без таковых.The technical result is achieved by the fact that the projector contains three lasers with light emissions of three primary colors, optically coupled to an adder of these emissions and a scan unit with an integrated projection optics unit. Modulation of the brightness of radiation is carried out directly in the sources of laser radiation (modulation of the brightness of the radiation, depending on the signal level of the color components of red, green and blue, respectively, generated by the video adapter of a personal computer). The scan unit is made in the form of a scanning electrostatic system (which may contain a feedback circuit) containing a projection optics unit. The projection optics unit contains a collimator (it may also contain a lens), which forms the resulting beam, consisting of modulated by brightness radiation from red, green and blue lasers. The projection optics unit and the collimator are located in a cylindrical NdFeB-based magnetoplast with a radial field orientation. The scanner contains a housing made of magnetoplastic with a radial field directivity opposite to that of the field of the projection optics unit body, and an electrostatic system (which may contain a feedback circuit) that changes the position of the projection optics unit body relative to the scan unit body along the horizontal and vertical axes perpendicular scanner body. Signals of sawtooth voltage generated by a microcontroller controlled by Hsync and Vsync signals coming from the video adapter of a personal computer via a standard analog (or digital) VGA (or DVI) cable 0 are fed to the inputs of the scanner unit. Red, green, and blue signals are connected to the laser excitation control inputs components, respectively, generated by the video adapter of a personal computer and transmitted to the projector via a standard analog (or digital) VGA (or DVI) cable 0 type VGA D-SUB 15 PIN (or DVI-D 24 PIN or DVI -I 29 PIN), with or without additional matching circuits.

За счет возникновения сил взаимодействия одноименных направленностей магнитного поля корпус блока проекционной оптики находится в корпусе блока развертки в состоянии, исключающем любые механические действия и трение при осуществлении развертки и повышая тем самым срок службы блока развертки, при этом подача электростатического потенциала осуществляется контактным или бесконтактным путем.Due to the occurrence of the forces of interaction of the same directions of the magnetic field, the projection optics unit case is in the scanner unit case in a state that excludes any mechanical actions and friction during the implementation of the scan, thereby increasing the service life of the scan unit, while the electrostatic potential is supplied by contact or non-contact.

Благодаря полному исключению электромеханических устройств достигается существенное упрощение реализации проектора и в то же время повышение качества изображения (за счет точного совмещения на экране трех цветовых составляющих изображения), а за счет применения электростатической системы развертки (которая может содержать схему обратной связи) расширяется диапазон возможного применения прибора и снижение энергопотребления прибора.Due to the complete exclusion of electromechanical devices, a significant simplification of the projector’s implementation and at the same time an improvement in image quality (due to the precise combination of the three color components of the image on the screen) is achieved, and through the use of an electrostatic scan system (which may contain a feedback circuit), the range of possible applications the device and reducing power consumption of the device.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого видеопроектора, а на фиг.2 показана временная диаграмма управления блоком развертки при поступлении сигналов развертки HSync и VSync со стандартного аналогового (или цифрового) VGA (или DVI) кабеля 0.Figure 1 presents the structural diagram of the proposed video projector, and figure 2 shows a timing diagram of the control of the scan unit upon receipt of the scan signals HSync and VSync from a standard analog (or digital) VGA (or DVI) cable 0.

Цветной видеопроектор (фиг.1) содержит три лазера 1, 2, 3 со световым излучением в трех основных цветах - красном R, зеленом G и синем В. Лазеры оптически последовательно связаны с сумматором 4 этих световых излучений, коллиматором 5 и блоком проекционной оптики 7, находящимся в блоке развертки 6, выходя из которого луч попадает на проекционный экран (на фигуре не показан). При использовании в блоке проекционной оптики объектива фокусировки луча возможно формирование изображения сфокусированным лучом в пространстве без проекционного экрана.The color video projector (Fig. 1) contains three lasers 1, 2, 3 with light emission in three primary colors - red R, green G and blue B. The lasers are optically connected in series with the adder 4 of these light emissions, a collimator 5 and a projection optics unit 7 located in the scanner 6, exiting from which the beam hits the projection screen (not shown in the figure). When using a beam focusing lens in a projection optics unit, it is possible to form an image with a focused beam in space without a projection screen.

Входы управления возбуждения лазеров 1, 2, 3 соединены с выходами сигналов цветовых составляющих видеосигнала, генерируемого видеоадаптером персонального компьютера и передаваемого проектору по стандартному аналоговому (или цифровому) VGA (или DVI) кабелю 0. Входы блока развертки соединены с выходами генераторов широтно-импульсной модуляции через RC фильтры 9, 10, 11, 12, преобразующие изменение скважности широтно-импульсных сигналов в аналоговое пилообразное напряжение.The excitation control inputs of the lasers 1, 2, 3 are connected to the output signals of the color components of the video signal generated by the video adapter of the personal computer and transmitted to the projector via a standard analog (or digital) VGA (or DVI) cable 0. The inputs of the scan unit are connected to the outputs of the pulse-width modulation generators through RC filters 9, 10, 11, 12, which convert the change in the duty cycle of the pulse-width signals into an analog sawtooth voltage.

Видеопроектор работает следующим образом.Video projector works as follows.

Получая сигналы горизонтальной и вертикальной развертки, передаваемые проектору по стандартному аналоговому (или цифровому) VGA (или DVI) кабелю 0 персональным компьютером, микроконтроллер 8 генерирует аналоговое пилообразное напряжение для сканирующей системы блока развертки 6. Сигналы строчной и кадровой развертки подаются с выходов микроконтроллера 8 на блок развертки 6, обеспечивая сканирование слева направо и сверху вниз. Сигналы цветовых составляющих видеосигнала, передаваемые проектору по стандартному аналоговому (или цифровому) VGА (или DVI) кабелю 0, модулируют яркость излучения лазеров красного, зеленого и синего цветов. За счет различного уровня сигналов цветовых составляющих обеспечивается модуляция яркости излучения лазеров 1, 2, 3 одновременно. В результате на оптический сумматор 4 поступает излучение всех трех основных цветов. С выхода сумматора 4 излучение проходит через коллиматор 5, формирующий луч. Блок проекционной оптики 7 (который может содержать объектив) формирует цветное изображение на проекционном экране (или при наличии фокусирующего объектива - точку изображения в пространстве без проекционного экрана).Receiving horizontal and vertical signals transmitted to the projector via a standard analog (or digital) VGA (or DVI) cable 0 by a personal computer, the microcontroller 8 generates an analog sawtooth voltage for the scanning system of the scanner 6. The horizontal and vertical signals are fed from the outputs of the microcontroller 8 to scanner 6, providing scanning from left to right and from top to bottom. The signals of the color components of the video signal transmitted to the projector via the standard analog (or digital) VGA (or DVI) cable 0, modulate the emission brightness of the red, green, and blue lasers. Due to the different level of signals of the color components, the brightness of the lasers 1, 2, 3 is simultaneously modulated. As a result, the optical adder 4 receives radiation of all three primary colors. From the output of the adder 4, the radiation passes through the collimator 5, forming a beam. The projection optics unit 7 (which may contain a lens) generates a color image on the projection screen (or, in the presence of a focusing lens, an image point in space without a projection screen).

Микроконтроллер 8 может быть выполнен на базе цифровых сигнальных процессоров, например, с помощью цифрового сигнального процессора семейства TMS320 фирмы Texas Instruments, содержащего широтно-импульсные модуляторы повышенного разрешения (HRPWM), программируемые таймеры, которые могут быть использованы в качестве дополнительных широтно-импульсных модуляторов, а также восьмиканального аналогово-цифрового преобразователя.The microcontroller 8 can be made on the basis of digital signal processors, for example, using a digital signal processor family TMS320 from Texas Instruments, which contains high-resolution pulse-width modulators (HRPWM), programmable timers that can be used as additional pulse-width modulators, as well as an eight-channel analog-to-digital converter.

В предлагаемом проекторе могут быть использованы полупроводниковые лазеры, а также полупроводниковые лазеры с дополнительно используемой генерацией вторых гармоник для получения излучения синего и зеленого цветов (405 и 505 нанометров соответственно). Основные преимущества полноцветного лазерного видеопроектора состоят в следующем. В нем исключена электромеханическая и электромагнитная развертка, обычно используемая в лазерных проекторах. Не требуется повышенное энергопотребление для питания системы развертки на высоких частотах, необходимых для проекции изображения телевидения высокой четкости (ТВЧ). Не требуется точное геометрическое совмещение трех цветных изображений, поскольку используется параллельная проекция через единую оптическую систему и единую систему развертки. В то же время не требуется использовать вращающийся диск со светофильтрами, как в светоклапанных проекторах последовательного типа с источником света на основе ксеноновой лампы (как в проекторах типа "Эйдофор"). Таким образом, в данном проекторе полностью исключены подвижные электромеханические элементы, а все рабочие операции осуществляются только электронными, электростатическими, магнитными и оптическими методами.In the proposed projector, semiconductor lasers can be used, as well as semiconductor lasers with additionally used second harmonic generation to produce blue and green radiation (405 and 505 nanometers, respectively). The main advantages of a full-color laser video projector are as follows. It excludes the electromechanical and electromagnetic scans commonly used in laser projectors. Increased power consumption is not required to power the high-frequency scan system necessary for projecting high-definition television (HDTV) images. No exact geometric combination of three color images is required, since parallel projection through a single optical system and a single scan system is used. At the same time, it is not necessary to use a rotating disk with light filters, as in sequential-type light valve projectors with a light source based on a xenon lamp (as in Eidofor type projectors). Thus, moving electromechanical elements are completely excluded in this projector, and all work operations are carried out only by electronic, electrostatic, magnetic and optical methods.

Claims

A color video projector containing three lasers with light emissions of three primary colors - red, green and blue, optically coupled to an adder of these emissions, characterized in that the scanner consists of a body made of magnetoplastic with a radial direction of the magnetic field, a block of projection optics, optical associated with the adder and containing a collimator, and an electrostatic scanning system that changes the position of the body of the projection optics unit relative to the body of the scanner unit horizontally the linear and vertical axes perpendicular to the body of the scanner unit, while the projection optics unit with a collimator, which forms a color image on the projection screen, are located in a cylindrical magnetoplastic body with a radial direction of the magnetic field opposite to the field direction of the scanner unit, and horizontal and vertical signals served from the outputs of the microcontroller, controlled by signals of vertical and horizontal scans of the video adapter of a personal computer, to the scanner for I have an electrostatic scanning system, providing scanning from left to right and from top to bottom, the corresponding signals of the color components of the image generated by the video adapter of the personal computer are connected to the inputs for controlling the laser excitation.