專(zhuān)利名稱(chēng)：改善圖像投影設(shè)備的圖像質(zhì)量的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及在保持低功耗、高分辨率、微型緊湊尺寸、靜 音操作和最小振動(dòng)的同時(shí)投影彩色的二維圖像，更具體地涉及改善圖 像質(zhì)量。
背景技術(shù)：
一般已知基于一對(duì)掃描鏡來(lái)在屏幕上投影由像素組成的二維圖 像，所述一對(duì)掃描鏡在相互正交的方向上振動(dòng)，以將來(lái)自激光器的激光束掃描在光柵圖上。所述激光束作為光束點(diǎn)(beam spot)而被入射 在所述鏡之一 (例如水平掃描鏡)上，以將所述光束點(diǎn)沿著水平掃描 線(其沿著水平掃描方向延伸)掃描。所述水平掃描線入射在所述鏡 的另一個(gè)(即垂直掃描鏡)上，以沿著垂直方向來(lái)掃描所述掃描線， 由此產(chǎn)生光柵圖。通過(guò)當(dāng)沿著每條掃描線而掃描所述光束點(diǎn)時(shí)激發(fā)激 光器而將所述光束點(diǎn)接通來(lái)使得在每條掃描線上的所選擇的像素被 照亮和變?yōu)榭梢?，而通過(guò)去激發(fā)(deenergize )激光器而將光束點(diǎn)關(guān) 閉來(lái)使得剩余的像素不被照亮。被照亮的和未照亮的像素包括被投影 的圖像。雖然一般對(duì)于其意欲的目的是滿意的，但是已知的圖像投影設(shè)備 投影具有有限分辨率(通常小于640 x 480像素的視頻圖形陣列 (VGA)質(zhì)量的1/4)的圖像，而且，圖像的質(zhì)量在一定程度上變差， 特別是當(dāng)從紅色、藍(lán)色和綠色激光束(從獨(dú)立的紅色、藍(lán)色和綠色激 光器發(fā)出)以彩色來(lái)著色圖像時(shí)。在被照亮的像素中的每種顏色的最 大亮度被對(duì)應(yīng)的彩色激光器的最大輸出功率限制。每個(gè)被照亮的像素 的對(duì)比度被周?chē)墓饽芗?jí)影響，極化的屏幕有時(shí)用于減弱強(qiáng)環(huán)境光的 影響，但是這種選擇還不能用于基于激光器的投影設(shè)備，其中，所述激光器發(fā)出具有不同極化的激光束。 發(fā)明內(nèi)容因此本發(fā)明的一般目的是提供一種圖像投影設(shè)備，其投影具有改 善的圖像質(zhì)量的清晰和清楚的、二維彩色圖像。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提高由這樣的設(shè)備投影的彩色圖像的亮度。本發(fā)明的另一個(gè)目的是減小(如果不消除的話)在投影圖像中的 環(huán)境光的影響。另一個(gè)目的是提供一種用于不同形態(tài)因子的許多儀器中的微型、 緊湊、輕型和便攜的彩色圖像投影設(shè)備。與這些目的和其他目的(其將在以下變得清楚)一致，本發(fā)明的 一個(gè)特征簡(jiǎn)短而言在于用于投影二維彩色圖像的圖像投影設(shè)備。所述設(shè)備包括掃描器，用于沿著相互正交的方向上掃描主激光束，以在 空間中投影多條掃描線的圖案，每條掃描線具有多個(gè)像素；以及，控 制器，其連接到所述掃描器，用于使得所選擇的像素被所述主光束照 亮和變?yōu)榭梢?jiàn)，以產(chǎn)生彩色圖像。在優(yōu)選實(shí)施例中，所述掃描器包括一對(duì)可振蕩的掃描鏡，用于以 不同的掃描率和以不同的掃描角來(lái)沿著相互正交的方向掃描所述主 光束。所述掃描率的至少一個(gè)超過(guò)聲頻(諸如超過(guò)18kHz)以減少噪 聲。至少一個(gè)掃描鏡被慣性驅(qū)動(dòng)器以機(jī)械諧振頻率驅(qū)動(dòng)，以最小化功 耗。所述圖像分辨率最好超過(guò)VGA質(zhì)量的1/4,但是通常等于或者超 過(guò)VGA質(zhì)量。所述設(shè)備可交換地被安裝在不同形態(tài)因子的外殼中，其中包括但 是不限于筆狀、槍狀或者手電筒狀的儀器、個(gè)人數(shù)字助理、垂飾、手 表、計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)而言之由于其緊湊和微型的大小而可為的任何形狀。 被投影的圖像可以用于廣告或者標(biāo)志目的，或者用于電視機(jī)或者計(jì)算 機(jī)監(jiān)控器屏幕，簡(jiǎn)而言之用于期望顯示某種內(nèi)容的任何目的。按照本發(fā)明，提供了一種光學(xué)組件，用于提高被照亮的像素的亮度。所述光學(xué)組件用于產(chǎn)生多個(gè)組成激光束，其具有各自的輸出功率 和相互正交的極化。還提供了一種極化光束組合器，用于組合所述組率的主光束。從對(duì)應(yīng)的多個(gè)激光器發(fā)出所述組成激光束。通過(guò)物理地 旋轉(zhuǎn)激光器的外殼，可以改變?nèi)魏我粋€(gè)組成激光束的極化?；蛘?，可 以將半波板置于其極化要改變的組成激光束的光路上。在彩色圖像的情況下，上述的光學(xué)組件被提供用于每種彩色激光 器，即用于紅色、藍(lán)色和綠色激光器。被照亮的像素的任何一種顏色 組成部分的亮度不再被單個(gè)彩色激光器的最大輸出功率限制，而是所 使用的那個(gè)顏色的附加激光器的數(shù)量的函數(shù)。進(jìn)一步按照本發(fā)明，通過(guò)減少?gòu)?qiáng)環(huán)境(諸如太陽(yáng)光)的影響(其 趨向于使圖像褪色)而增強(qiáng)在顯示屏幕上的被照亮像素的對(duì)比度。通 常使用極化屏幕來(lái)減少這樣的環(huán)境光影響。但是，在通過(guò)相互正交極 性的激光束來(lái)掃描被投影的圖像的情況下，不能使用極化屏幕。因此，為了使用極化屏幕，本發(fā)明提出了使用位于至少一個(gè)光束 (例如綠色光束)的光路中的至少一個(gè)半波板來(lái)保證紅色、藍(lán)色和綠 色光束的極化全部匹配。在亮度提高和對(duì)比度增強(qiáng)的情況下，圖像的質(zhì)量被改善。


在所附的權(quán)利要求中具體給出了被考慮為本發(fā)明的特性的新穎 特征。但是，通過(guò)下面結(jié)合附圖的具體實(shí)施例的描述，將在其構(gòu)造和 其操作方法以及其另外的目的和優(yōu)點(diǎn)上更好地理解本發(fā)明本身。圖l是在一個(gè)工作距離上投影圖像的手持儀器的透視圖；圖2是安裝在圖1的儀器中的圖像投影系統(tǒng)的放大的、頂視的透視圖；圖3是圖2的設(shè)備的平面頂視圖；圖4是用于圖2的設(shè)備中的慣性驅(qū)動(dòng)器的前透視圖；圖5是圖4的慣性驅(qū)動(dòng)器的后部透視圖；圖6是圖2的設(shè)備的實(shí)際實(shí)現(xiàn)的透視圖；圖7是用于描述圖2的設(shè)備的操作的電子示意方框圖；圖8是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于改善投影圖像的亮度的光學(xué)組件的視圖；圖9是按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的用于改善投影圖像的亮度的光學(xué)組件的視圖；以及圖IO是描述用于增強(qiáng)圖像對(duì)比度的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、與圖3類(lèi)似的視圖。
具體實(shí)施方式
在圖1中的附圖標(biāo)號(hào)IO總地表示手持儀器，諸如個(gè)人數(shù)字助理， 其中，安裝了如圖2中所示的輕型的、緊湊的圖像投影設(shè)備20，其用 于在相對(duì)于所述儀器的可變距離上投影二維彩色圖像。舉例而言，圖 像18位于相對(duì)于儀器10的某些距離的工作范圍內(nèi)。如圖1中所示，圖像18在沿著圖像的水平方向而延伸的光學(xué)水 平掃描角A上延伸，并且在沿著圖像的垂直方向而延伸的光學(xué)垂直掃 描角B上延伸。如下所述，所述圖像包括在由設(shè)備20中的掃描器掃 描的掃描線的光柵圖上的被照亮的和未被照亮的像素。儀器10的平行六面體形狀僅僅表示其中可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備20的外殼 的一種形態(tài)因子。所述儀器可以形狀為筆、蜂窩電話、蛤殼(clamshell) 或者手表。在優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)備20在體積上小于大約30立方厘米。這種 緊湊的微型尺寸使得設(shè)備20可以被安裝在許多不同形狀(大或者小 的、便攜或者固定的)的外殼中，包括具有機(jī)載顯示器12、小鍵盤(pán) 14和窗口 16 (通過(guò)它來(lái)投影圖像)的那些外殼。參見(jiàn)圖2和3，設(shè)備20包括邊沿發(fā)光(edge-emitting )的半導(dǎo)體 紅色激光器22，其當(dāng)被激發(fā)時(shí)發(fā)出大約635-655納米的明亮紅色激光 束，其在橫截面上具有橢圓的光束點(diǎn)。透鏡24是具有正焦距的雙非 球面的凸透鏡，并且用于收集在紅色光束中的實(shí)質(zhì)上所有的能量，并且用于產(chǎn)生受衍射限制的光束。透鏡26是具有負(fù)焦距的凹透鏡。通 過(guò)在儀器10內(nèi)的在支座(在圖2中為了清楚而未示出)上分離的、 未示出的相應(yīng)透鏡支架來(lái)固定透鏡24、 26。透鏡24、 26在所述工作 距離上將紅色光束輪廓整形。透鏡24、 26是最好是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的。另一個(gè)邊沿發(fā)光的半導(dǎo)體藍(lán)色激光器28被安裝在支座上，并且 當(dāng)被激發(fā)時(shí)發(fā)出在大約475-505納米的衍射受限制的藍(lán)色激光束，其 在橫截面上具有橢圓的光束點(diǎn)。另一個(gè)雙非球面的凸透鏡30和凹透 鏡32用于以與透鏡24、 26類(lèi)似的方式來(lái)將藍(lán)色光束輪廓整形。透鏡 30、 32也最好是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的。具有530納米級(jí)的波長(zhǎng)的綠色激光束不是被半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生， 而是被綠色模塊34產(chǎn)生，所述綠色模塊34具有紅外線二極管泵浦 YAG晶體激光器，其輸出光束是1060納米。在兩個(gè)激光鏡之間的紅 外線激光腔中包括非線性倍頻晶體。因?yàn)樵谒黾す馇粌?nèi)的紅外線激 光功率比在激光腔外部耦合的功率大得多，因此倍頻器對(duì)于在激光腔 中產(chǎn)生倍頻的綠色光更有效。激光器的輸出鏡對(duì)于1060納米的紅外 線輻射是反射的，并且對(duì)于被倍頻的530納米綠色激光束是透射的。 因?yàn)楣虘B(tài)激光器和倍頻器的校正操作需要精確的溫度控制，因此依賴(lài) 于珀?duì)柼?yīng)的半導(dǎo)體裝置用于控制綠色激光器模塊的溫度。熱電冷 卻器可以根據(jù)所施加的電流的極性來(lái)加熱或者冷卻所述綠色激光器 模塊。熱敏電阻是所述綠色激光器模塊的一部分，用于監(jiān)控其溫度。 來(lái)自熱敏電阻的讀數(shù)被提供到控制器，所述控制器因此調(diào)整到熱電冷 卻器的控制電流。如下所述，所述激光器以100 MHz級(jí)的頻率在運(yùn)行中脈動(dòng) (pulse)。紅色和藍(lán)色半導(dǎo)體激光器22、 28能夠以這樣的高頻來(lái)脈 動(dòng)，但是當(dāng)前可以獲得的綠色固態(tài)激光器不能。結(jié)果，從綠色模塊34 發(fā)出的綠色激光束隨著聲光調(diào)制器36而脈動(dòng)，所述聲光調(diào)制器36在 晶體中產(chǎn)生聲駐波，用于衍射綠色光束。但是，調(diào)制器36產(chǎn)生零階 非衍射光束38和一階脈動(dòng)衍射光束40。光束40在橫截面上一般為圓 形的光束點(diǎn)。光束38和40彼此分叉，并且為了將它們分離以消除不期望的零階光束38，沿著具有折疊鏡42的長(zhǎng)的折疊路徑來(lái)將光束38 和40傳送?；蛘?，可以在綠色激光器模塊的外部或者內(nèi)部使用電光 調(diào)制器來(lái)使得綠色激光束脈動(dòng)。用于調(diào)制綠色激光束的其他可能方式 包括電吸收調(diào)制或者馬赫曾德?tīng)?Mach-Zender)干涉計(jì)。光束38和40通過(guò)正負(fù)透鏡44、 46而傳送。但是，僅僅允許4皮 衍射的綠色光束40照射在折疊鏡48上并從其反射。非衍射的光束38 被吸收器50 (其優(yōu)選地被安裝在鏡48上)吸收。透鏡44、 46最好將 入射在鏡42上的光束點(diǎn)的初始圓形改變?yōu)闄E圓形。在從鏡48反射后， 被衍射的綠色光束40在橫截面上具有橢圓的光束點(diǎn)。所述設(shè)備包括一對(duì)分色濾光器52、 54，其被布置來(lái)使得綠色、 藍(lán)色和紅色光束在到達(dá)掃描組件60之前盡可能共線。濾光器52允許 綠色光束40通過(guò)其中，但是來(lái)自藍(lán)色激光器28的藍(lán)色光束56通過(guò) 干涉效應(yīng)被反射。濾光器54允許綠色和藍(lán)色光束40、 56通過(guò)其中， 但是來(lái)自紅色激光器22的紅色光束58通過(guò)干涉效應(yīng)被反射。近共線的光束40、 56、 58被引導(dǎo)到固定的反射鏡62并且被從其 反射。掃描組件60包括第一掃描鏡64，其可被慣性驅(qū)動(dòng)器66(在 圖4-5中分離地所示)以第一掃描率振蕩，以將從反射鏡62反射的激 光束在第一水平掃描角A上掃描；以及第二掃描鏡68，其可以被電 磁驅(qū)動(dòng)器70以第二掃描率振蕩，以將第一掃描鏡64反射的激光束在 笫二垂直掃描角B上掃描。在另一種形式的結(jié)構(gòu)中，可以將掃描鏡 64、 68替換為單個(gè)雙軸鏡。慣性驅(qū)動(dòng)器66是高速低電功耗的部件?？梢栽谙挛闹姓业綉T性 驅(qū)動(dòng)器的細(xì)節(jié)美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第10/387,878， 2003年3月13日提交， 被轉(zhuǎn)讓給與本申請(qǐng)相同的受讓方，并且通過(guò)引用而被并入在此。慣性 驅(qū)動(dòng)器的使用將掃描組件60的功耗減少到小于1瓦特，并且在投影 彩色圖像的情況下，如下所述，將其減少到小于10瓦特。驅(qū)動(dòng)器66包括可移動(dòng)框架74，用于通過(guò)鉸鏈來(lái)支撐掃描鏡64， 所述鉸鏈包括一對(duì)共線鉸鏈部分76、 78，所述一對(duì)共線鉸鏈部分76、 78沿著鉸鏈軸延伸，并且被連接在掃描鏡64的相對(duì)區(qū)域和框架的相對(duì)區(qū)域之間?？蚣?4不必圍繞掃描鏡64，如圖所示。所述框架、鉸鏈部分和掃描鏡被制造為一體的、 一般為平面的硅 襯底，其大約有150微米(ji )厚。所述硅被蝕刻以形成歐米加(omega ) 形狀的槽，其具有上平行槽部分、下平行槽部分和U形中央槽部分。 掃描鏡64最好具有橢圓形并且在上述多個(gè)槽部分中自由地移動(dòng)。在 優(yōu)選實(shí)施例中，沿著橢圓形掃描鏡的軸的尺寸測(cè)量為749微米x 1600 微米。每個(gè)鉸鏈部分在寬度上測(cè)量為27微米，在長(zhǎng)度上測(cè)量為1130 微米。所述框架具有矩形，其在寬度上測(cè)量為3100微米，并且在長(zhǎng) 度上測(cè)量為4600微米。所述慣性驅(qū)動(dòng)器被安裝在一般為平面的印刷電路板80上，并且 用于直接地移動(dòng)所述框架，以及用于通過(guò)慣性間接地使掃描鏡64圍 繞鉸鏈軸振蕩。慣性驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)實(shí)施例包括一對(duì)壓電換能器82、84， 其與板80垂直地延伸，并且在鉸鏈部分76的任何一側(cè)上與框架74 的間隔的部分接觸?？梢允褂谜澈蟿﹣?lái)保證在每個(gè)換能器的 一端和每 個(gè)框架部分之間的永久接觸。每個(gè)換能器的相對(duì)端在板80的后部探 出，并且通過(guò)導(dǎo)線86、 88電連接到周期性的交流電壓源(未示出)。 在使用中，周期信號(hào)向每個(gè)換能器施加周期的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且使 得相應(yīng)的換能器在長(zhǎng)度上交替地?cái)U(kuò)展和收縮。當(dāng)換能器82擴(kuò)展時(shí)， 換能器84收縮，反之亦然，由此同時(shí)推拉所述間隔的框架部分，并 且使得框架?chē)@所述鉸鏈軸扭曲。驅(qū)動(dòng)器電壓具有對(duì)應(yīng)于掃描鏡的諧 振頻率的頻率。掃描鏡從其初始的靜止位置移動(dòng)直到它也以所述諧振 頻率圍繞鉸鏈軸振蕩。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述框架和所述掃描鏡為大約150微米厚，并且掃描鏡具有高的Q 因子。每個(gè)換能器在l 微米級(jí)上的移動(dòng)可以引起掃描鏡以超過(guò)20kHz的掃描率來(lái)振蕩。另一對(duì)壓電換能器90、 92與板80垂直地延伸，并且在鉸鏈部分 80的任何一側(cè)上與框架74的間隔的部分永久接觸。換能器90、 92作 為反饋裝置，用于監(jiān)控框架的振蕩移動(dòng)，并且產(chǎn)生和沿著導(dǎo)線94、 96 向反饋控制電路(未示出)傳導(dǎo)電反饋信號(hào)?；蛘撸〈褂糜糜诜答伒膲弘娫?，可以使用磁反饋，其中，一個(gè)磁體被安裝在高速鏡的背面，并且使用外部線圏來(lái)拾取由振蕩的 磁體產(chǎn)生的變化的磁場(chǎng)。雖然光可以從掃描鏡的外表面反射，但是期望將鏡64的表面涂 敷由金、銀、鋁構(gòu)成的鏡面涂層或者專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的高反射電介質(zhì)涂層。電磁驅(qū)動(dòng)器70包括結(jié)合地安裝在第二掃描鏡68之上和之后的 永久磁體；以及電磁線圏72，用于響應(yīng)于接收到周期的驅(qū)動(dòng)信號(hào)而產(chǎn) 生周期的磁場(chǎng)。線圏72接近所述磁體，以便周期磁場(chǎng)與磁鐵的永久 磁場(chǎng)磁性地交互，并且使得磁體、繼而第二掃描鏡68振蕩。慣性驅(qū)動(dòng)器66以最好大于5 kHz (特別是在18 kHz或者更多的 級(jí)上)的掃描率高速地振蕩掃描鏡64。這個(gè)高掃描率在非可聽(tīng)聲頻率， 由此最小化噪聲和振動(dòng)。電磁驅(qū)動(dòng)器70以在40 kHz級(jí)上的更低的掃 描率來(lái)振蕩掃描鏡68，所述掃描率足夠快以使得圖像駐留在人眼視網(wǎng) 膜上，而沒(méi)有過(guò)大的閃爍。較快的鏡64掃描水平掃描線，較慢的鏡68垂直地掃描水平掃描 線，由此產(chǎn)生光柵圖，其是大致平行的掃描線的網(wǎng)格或者序列，由其 來(lái)構(gòu)造圖像。每條掃描線具有多個(gè)像素。圖像分辨率最好是1024 x 768 像素的XGA質(zhì)量。在有限的工作范圍上，我們可以顯示高清晰度的 電視標(biāo)準(zhǔn)，其被表示為720p， 1270 x 72(H象素。在一些應(yīng)用中，VGA 質(zhì)量的二分之一 320 x 480像素或者VGA質(zhì)量的四分之一 320 x 240 像素就足夠了。最少期望160x 160像素的分辨率。鏡64、 68的角色可以反轉(zhuǎn)，使得鏡68較快，鏡64較慢。鏡64 也可以被設(shè)計(jì)為掃描垂直掃描線，在這種情況下，鏡68掃描水平掃 描線。而且，慣性驅(qū)動(dòng)器可以用于驅(qū)動(dòng)鏡68。事實(shí)上，可以通過(guò)機(jī)電、 電、機(jī)械、靜電、磁或者電磁驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)任何一個(gè)鏡。所述慢鏡在恒定速度掃描模式中被操作，在此期間，顯示圖像。 在鏡返回期間，鏡以其自然頻率(其相當(dāng)高)被掃描回初始位置。在 鏡的返回行程期間，激光器可以被斷電以便減少裝置的功耗。圖6是在與圖2相同的透視圖中的設(shè)備20的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式。上 述的部件被安裝在支座上，所述支座包括頂蓋100和支撐板102。支架104、 106、 108、 110和112相互對(duì)準(zhǔn)地分別支撐折疊鏡42、 48、 濾光器52、 54和反射鏡62。每個(gè)支架具有多個(gè)定位槽，用于容納在 支座上靜態(tài)安裝的定位支柱。因此，正確地定位鏡和濾光器。如圖所 示，有三個(gè)支柱，由此允許兩個(gè)角度調(diào)整和一個(gè)橫向調(diào)整。每個(gè)支架 可以被粘在其最后的位置中。通過(guò)選擇性地照亮在一條或多條掃描線中的像素來(lái)構(gòu)造圖像。如 下參見(jiàn)圖7更詳細(xì)地所述，控制器114通過(guò)三個(gè)激光束來(lái)使得在光柵 圖中的所選擇的像素被照亮并且變?yōu)榭梢?jiàn)。例如，紅色、藍(lán)色和綠色 功率控制器116、 118、 120分別將電流引導(dǎo)到紅色、藍(lán)色和綠色激光 器22、 28、 34以激發(fā)后者來(lái)分別在每個(gè)所選擇的像素上發(fā)出相應(yīng)的 光束，并且不將電流引導(dǎo)到紅色、藍(lán)色和綠色激光器以將后者去激發(fā) 以不照亮其他未選擇的像素。結(jié)果產(chǎn)生的被照亮的和未照亮的像素的 圖案包括圖像，其可以是人或者機(jī)器可讀的信息或者圖形的任何顯 示。參見(jiàn)圖1,以放大的視圖而示出了光柵圖。在一個(gè)端點(diǎn)開(kāi)始，激 光束被慣性驅(qū)動(dòng)器以水平掃描率沿著水平方向掃描到相對(duì)的端點(diǎn)，以 形成掃描線。因此，電磁驅(qū)動(dòng)器70以垂直掃描率沿著垂直方向?qū)⒓?光束掃描到另一個(gè)端點(diǎn)以形成第二掃描線。連續(xù)掃描線的形成以相同 的方式進(jìn)行。經(jīng)由功率控制器116、 118、 120的操作，通過(guò)在微處理器114^在光柵圖中建立圖像。所述激光器產(chǎn)生可視光，并-且僅僅當(dāng)期望看 到在期望圖像中的像素時(shí)接通所述激光器。通過(guò)光束的一個(gè)或多個(gè)顏 色來(lái)確定每個(gè)像素的顏色?？梢酝ㄟ^(guò)選擇性地疊加紅色、藍(lán)色和綠色 激光的一個(gè)或多個(gè)來(lái)形成在可視光語(yǔ)中的任何顏色。光柵圖是由多條 線中的每條線上的多個(gè)像素構(gòu)成的網(wǎng)格。所述圖像是所選擇的像素的 位圖。每個(gè)字母或者數(shù)字、任何圖形設(shè)計(jì)或者標(biāo)志、甚至機(jī)器可讀的 條形碼符號(hào)可以被形成為位像。如圖7中所示，具有垂直和水平的同步數(shù)據(jù)以及像素和時(shí)鐘數(shù)據(jù)的輸入的視頻信號(hào)在微處理器114的控制下被發(fā)送到紅色、藍(lán)色和綠 色緩沖器122、 124和126。 一個(gè)全VGA幀的存儲(chǔ)需要許多個(gè)千字節(jié)， 并且期望在緩沖器中具有足夠的存儲(chǔ)量來(lái)用于兩個(gè)全幀，以使得一個(gè) 幀能夠被寫(xiě)入，而另一個(gè)幀正在被處理和投影。被緩沖的數(shù)據(jù)在速度 調(diào)節(jié)器(speed profiler) 130的控制下被發(fā)送到格式化器128，并且 被發(fā)送到紅色、藍(lán)色和綠色查找表(LUT) 132、 134、 136以校正由 掃描引起的固有的內(nèi)部失真以及由被投影的圖像的顯示角度引起的 幾何失真。結(jié)果產(chǎn)生的紅色、藍(lán)色和綠色數(shù)字信號(hào)被數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 138、 140、 142轉(zhuǎn)換為紅色、藍(lán)色和綠色模擬信號(hào)。所述紅 色和藍(lán)色模擬信號(hào)被饋送到紅色和藍(lán)色激光器驅(qū)動(dòng)器(LD ) 144、 146， 紅色和藍(lán)色激光器驅(qū)動(dòng)器(LD) 144、 146也連接到紅色和藍(lán)色功率 控制器116、 118。綠色模擬信號(hào)被饋送到聲光模塊(AOM)射頻(RF) 驅(qū)動(dòng)器150,并且繼而被發(fā)送到綠色激光器34,所述綠色激光器34 也連接到綠色LD 148和綠色功率控制器120。在圖7中也示出了反饋控件，其中包括紅色、藍(lán)色和綠色光電二 極管放大器152、 154、 156，紅色、藍(lán)色和綠色光電二極管放大器152、 154、 156連接到紅色、藍(lán)色和綠色模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器158、 160、 162, 并且繼而連接到微處理器114。由熱敏電阻放大器164來(lái)監(jiān)控?zé)崃浚?所述熱敏電阻放大器164連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器166，并且繼而連接到微 處理器。掃描鏡64、 68被驅(qū)動(dòng)器168和170驅(qū)動(dòng)，所述驅(qū)動(dòng)器168、 170 被從DAC172、 174饋送模擬驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述DAC172、 174繼而連 接到微處理器。反饋放大器176、 178檢測(cè)掃描鏡64、 68的位置，并 且連接到反饋模數(shù)轉(zhuǎn)換器180、 182，并且繼而連接到微處理器。優(yōu)選的是，通過(guò)將綠色激光器總是保持接通，并且通過(guò)將紅色和 藍(lán)色激光器的電流保持在剛好低于激光門(mén)限值，功率管理電路184最 小化功率，同時(shí)允許快速的接通時(shí)間。如果掃描鏡64、 68的任何一個(gè)被檢測(cè)為不在適當(dāng)?shù)奈恢?，則激 光安全關(guān)閉電路186關(guān)閉激光器。如上所述，每個(gè)被照亮的像素被紅色、藍(lán)色和綠色激光束的一個(gè) 或多個(gè)照亮。每個(gè)被照亮的像素的亮度是紅色、藍(lán)色和綠色激光器的 一個(gè)或多個(gè)的輸出功率的函數(shù)，因此，相應(yīng)的被照亮的像素的任何單 個(gè)的彩色分量的最大亮度被對(duì)應(yīng)的彩色激光器的最大輸出功率限制。例如，通過(guò)紅色激光器22的最大輸出功率來(lái)限制被照亮的像素的紅 色分量的最大亮度。為了獲得更亮的彩色分量并因此獲得更亮的圖像，本發(fā)明的一個(gè) 特征是使用附加的激光器來(lái)用于每個(gè)顏色的一個(gè)或多個(gè)。如圖8中所 示，對(duì)于代表性的紅色激光器22，另一個(gè)紅色激光器200被安裝在支 座上。每個(gè)紅色激光器22、 200發(fā)出線性極化的紅色組成光束202、 204。每個(gè)激光器的線性極化相對(duì)于相應(yīng)的激光器的外殼被固定。即， 將激光器外殼轉(zhuǎn)動(dòng)90度使得極化從垂直改變?yōu)樗?，反之亦然。如圖8中的雙頭箭頭206所示，紅色激光器22的組成光束202 的極化是平行的，即沿著紅色激光器22的橢圓光束點(diǎn)208的較長(zhǎng)的 光束點(diǎn)維度垂直地延伸。如在圖8中的圓210所示，紅色激光器200 的組成光束204的極化是垂直的，即水平地垂直于由箭頭206指示的 平行極化。沿著水平方向的橢圓光束點(diǎn)的橫截面被附圖標(biāo)號(hào)212指示。極化光束組合器214位于正交極化的組成光束202、 204的路徑 中。組合器214使得具有與垂直極化的組合器平行的平行極化206的 光束202傳輸通過(guò)，并且反射具有與垂直極化的組合器垂直的垂直極 化的光束204。兩個(gè)組成光束202、 204被組合器214組合，以形成主 光束58，并且實(shí)際上，主光束58的輸出功率大于激光器22或者激光 器200的輸出功率，并且事實(shí)上除了光學(xué)損失之外被加倍。光束形成 光學(xué)器件218 (必要地構(gòu)成光學(xué)透鏡24、 26 (參見(jiàn)圖2))光學(xué)地修 改和整形主光束58。所述主光束58被發(fā)送到掃描器，如上所述，然 后被發(fā)送到顯示屏216上，圖像18被投影到顯示屏216上。為了獲得入射在組合器214上的相互正交的極化的組成光束 202、 204，紅色激光器20、 200之一或者另一個(gè)最好相對(duì)于支座物理 地旋轉(zhuǎn)90度。圖8的設(shè)備也適用于提高主藍(lán)色光束56的輸出功率和主綠色光束40的輸出功率。必要地，對(duì)于每個(gè)顏色，向組件增加相 同顏色的附加激光器，并且將其輸出光束與初始的彩色激光器的輸出 光束組合。圖9描述了相對(duì)于圖8優(yōu)選的一個(gè)實(shí)施例。如上，紅色激光器 22、 200的組成光束在組合器214中被組合以形成主紅色光束58，以 發(fā)送到掃描器，并且投射到顯示屏216上。但是，存在下面的差別。 首先，不是在主光束58的路徑中的單個(gè)光束形成光學(xué)組件218 (參見(jiàn) 圖8)，現(xiàn)在，在每個(gè)組成紅色光束的路徑中提供光束形成光學(xué)組件 220。光學(xué)組件220包括上述的透鏡24、 26,但是在尺寸上小于圖8 的光學(xué)組件218,這主要是因?yàn)槊總€(gè)光學(xué)組件220在物理上更接近其激光器o其次，不是將激光器外殼之一或者另一個(gè)旋轉(zhuǎn)以改變其極化方向，在圖9中，在支座上以相同的方式安裝和對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)激光器。即， 紅色激光器200的組成光束204具有如雙頭箭頭222所示的極化，其 與橢圓光束點(diǎn)224的較長(zhǎng)的維度平行，就像箭頭206與橢圓光束點(diǎn)208 的較長(zhǎng)維度平行那樣。通過(guò)在到達(dá)組合器之前在組成光束204的路徑 中插入半波板226，組成光束204的極化被使得與組成光束202的極 化正交。半波板226是各向異性的，即它具有不同折射率的兩個(gè)軸。 通過(guò)將半波板定位為其軸與輸入的極化組成光束具有45度，所述板 將極化旋轉(zhuǎn)了 90度。如上，圖9的實(shí)施例等同地可適用于藍(lán)色和綠色激光器，以再次 提高被照亮的像素的這些不同的彩色組成部分的亮度。在顯示屏216上的圖像18的對(duì)比度被環(huán)境光影響。環(huán)境光越強(qiáng)， 所顯示的圖像的對(duì)比度變得越低。已知建立極化的屏幕以減低環(huán)境光 的影響。但是，在圖8-9的實(shí)施例中，掃描通過(guò)顯示屏216的主光束 48具有相互正交的極化分量，因此不能使用極化屏幕。為了使用極化的屏幕，期望當(dāng)復(fù)合主光束被掃描通過(guò)極化屏幕 時(shí)，紅色、藍(lán)色和綠色光束的每個(gè)具有相同的極化。如與圖3類(lèi)似的 圖10中所示，紅色和藍(lán)色激光器22、 28是半導(dǎo)體激光器，并且具有相同的極化組成光束58、 56，如雙頭箭頭228所示意地所示。但是， 綠色激光器34是倍頻的固態(tài)激光器，其極化方向如圓230所示意地 圖示與紅色和藍(lán)色組成光束58、 56的極化方向垂直。因此，按照本發(fā)明的另一個(gè)特征，將與板226類(lèi)似的半波板232 插入在組成綠色光束(優(yōu)選的是衍射的光束40)的路徑中，以旋轉(zhuǎn)如 雙頭箭頭234示意地所示的極化，直到其匹配紅色和藍(lán)色光束58、 56 的極化。使用具有相同極化的所有三個(gè)紅色、藍(lán)色和綠色光束，屏幕 216可以被極化以由此減少環(huán)境光的影響?？梢悦靼?，如上所述的每個(gè)元件或者兩個(gè)或者更多的元件也可以 有益地應(yīng)用到與如上所述的類(lèi)型不同的其他類(lèi)型的結(jié)構(gòu)中。雖然已經(jīng)將本發(fā)明圖解和描述為被體現(xiàn)用于改善圖像質(zhì)量(尤其 是圖像投影設(shè)備的圖像質(zhì)量)的設(shè)備和方法中，但是其不意欲限于所 示的細(xì)節(jié)，因?yàn)榭梢栽诓灰匀魏畏绞矫撾x本發(fā)明的精神的情況下進(jìn)行 各種修改和結(jié)構(gòu)改變。不用進(jìn)行進(jìn)一步的分析，上述內(nèi)容將完全披露本發(fā)明的要旨其 他人可以通過(guò)應(yīng)用當(dāng)前的知識(shí)而容易地將其適配到各種應(yīng)用，而不省的必要特性的特征，因此應(yīng)當(dāng)并且意欲在所附的權(quán)利的等;內(nèi)容的含義和范圍內(nèi)理解這樣的適配。期望通過(guò)專(zhuān)利證書(shū)保護(hù)的新的技術(shù)方案在隨后的權(quán)利要求中提出。
權(quán)利要求
1.一種圖像投影設(shè)備，用于投影圖像，包括a)掃描器，用于沿著相互正交的多個(gè)掃描方向來(lái)掃描主激光束，以投影多條掃描線的圖案，其中每條掃描線具有多個(gè)像素；b)控制器，其連接到所述掃描器，用于使得所選擇的像素被照亮和變?yōu)榭梢?，以產(chǎn)生圖像；以及c)光學(xué)組件，用于產(chǎn)生多個(gè)組成激光束，其具有各自的輸出功率和相互正交的極化，以及極化光束組合器，用于組合所述多個(gè)組成激光束，以形成具有大于所述多個(gè)組成光激光束的每個(gè)輸出功率的輸出功率的主激光束，提高被照亮的像素的亮度。
2. 按照權(quán)利要求1的圖像投影設(shè)備，還包括支座，其上安裝了 所述光學(xué)組件，所述光學(xué)組件包括一對(duì)激光器，用于發(fā)出具有相同波 長(zhǎng)的一對(duì)所述組成激光束；其中，所述極化光束組合器用于使得所述 組成激光束之一沿著光路傳輸通過(guò)，并且用于沿著同一光路反射其他 組成激光束。
3. 按照權(quán)利要求2的圖像投影設(shè)備，其中，至少一個(gè)所述激光 器被安裝在支座上以旋轉(zhuǎn)，直到所述至少一個(gè)激光器的組成激光束的 極化與其他激光器的組成激光束的極化正交。
4. 按照權(quán)利要求2的圖像投影設(shè)備，其中，所述光學(xué)組件包括 半波板，用于將所述多個(gè)組成激光束之一的極化改變?yōu)榕c其他組成激 光束的極化正交。
5. 按照權(quán)利要求2的圖像投影設(shè)備，其中，所述光學(xué)組件包括 光束形成光學(xué)器件，用于光學(xué)地修改所述主激光束。
6. 按照權(quán)利要求2的圖像投影設(shè)備，其中，所述光學(xué)組件包括 光束形成光學(xué)器件，用于光學(xué)地修改每個(gè)所述組成激光束。
7. 按照權(quán)利要求2的圖像投影設(shè)備，其中，所述一對(duì)激光器的 組成激光束具有紅色；其中，所述光學(xué)組件包括另一對(duì)激光器，用 于發(fā)出具有相同波長(zhǎng)并且具有藍(lán)色的另一對(duì)組成激光束；以及，另一組合器，用于組合所述藍(lán)色組成激光束；其中，所述光學(xué)組件包括 再一對(duì)激光器，用于發(fā)出具有相同波長(zhǎng)并且具有綠色的再一對(duì)組成激 光束；以及再一組合器，用于組合所述綠色組成激光束。
8. 按照權(quán)利要求1的圖像投影設(shè)備，其中，所述掃描器包括 第一可振蕩掃描鏡，用于以第一掃描率在第一掃描角上沿著一個(gè)所述 掃描方向來(lái)掃描所述主激光束；以及第二可振蕩掃描鏡，用于以與所 述第一掃描率不同的第二掃描率、以與所述第一掃描角不同的第二掃 描角、沿著與所述一個(gè)掃描方向?qū)嵸|(zhì)上垂直的橫向掃描方向來(lái)掃描所 述主激光束。
9. 按照權(quán)利要求8的圖像投影設(shè)備，其中，所述掃描鏡的至少 一個(gè)以其機(jī)械諧振頻率振蕩，以最小化功耗。
10. 按照權(quán)利要求2的圖像投影設(shè)備，其中，所述控制器包括用 于激發(fā)激光器以照亮所選擇的像素、并且用于去激發(fā)激光器以不照亮 除了所選擇的像素之外的像素的裝置。
11. 按照權(quán)利要求7的圖像投影設(shè)備，其中，所述光學(xué)組件包括 用于對(duì)準(zhǔn)所述對(duì)的紅色、藍(lán)色和綠色組成激光束以形成主激光束的多 個(gè)光學(xué)元件，在所述主激光束中的所述紅色、藍(lán)色和綠色組成激光束 的極化是相同的；以及極化的屏幕，主激光束被沿該屏幕掃描以增強(qiáng) 被照亮的像素的對(duì)比度。
12. 按照權(quán)利要求11的圖像投影設(shè)備，其中，所述光學(xué)元件之 一是半波板，用于改變所述一對(duì)綠色組成激光束的極化，以匹配所述 對(duì)的紅色和藍(lán)色組成激光束的極化。
13. —種用于投影圖像的方法，包括步驟a) 沿著相互正交的多個(gè)掃描方向來(lái)掃描主激光束，以投影多 條掃描線的圖案，其中每條掃描線具有多個(gè)像素；b) 使得所選擇的像素被照亮和變成可見(jiàn)，以產(chǎn)生圖像；c) 產(chǎn)生多個(gè)組成激光束，其具有各自的輸出功率和相互正交 的極化；以及d) 組合所述多個(gè)組成激光束，以形成具有大于所述多個(gè)組成光激光束的每個(gè)輸出功率的輸出功率的主激光束，提高被照亮的像素 的亮度。
14. 按照權(quán)利要求13的方法，其中，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)所述多個(gè)組成激 光束之一直到其極化與其他所述組成激光束的極化正交來(lái)執(zhí)行所述 產(chǎn)生步驟。
15. 按照權(quán)利要求13的方法，其中，通過(guò)將半波板置于一個(gè)所 述組成激光束的路徑中以將所述一個(gè)所述組成激光束的極化改變?yōu)?與其他組成激光束的極化正交，執(zhí)行所述產(chǎn)生步驟。
16. —種圖像投影設(shè)備，用于投影圖像，包括a) 光學(xué)組件，用于產(chǎn)生具有各自的極化的多個(gè)組成激光束， 并且用于將所述多個(gè)組成激光束組合為復(fù)合的主激光束，其中所有的 極化是相同的；b) 極化屏幕；c) 掃描器，用于沿著相互正交的多個(gè)掃描方向來(lái)掃描所述主 激光束，以在所述屏幕上投影多條掃描線的圖案，其中每條掃描線具 有多個(gè)《象素；以及d) 控制器，用于使得所選擇的像素被照亮和變?yōu)榭梢?，以?所述屏幕上產(chǎn)生圖像以提高被照亮的像素的對(duì)比度。
17. 按照權(quán)利要求16的方法，其中， 一個(gè)所述組成激光束的極 化與其他組成激光束的極化正交，其中，所述光學(xué)組件包括半波板， 用于在被組合到所述復(fù)合主激光束中之前改變所述一個(gè)所述組成激 光束的極化。
18. 按照權(quán)利要求17的方法，其中，所述一個(gè)所述組成激光束 具有綠色，其中，所述其他組成激光束具有紅色和藍(lán)色。
全文摘要
一種輕型、緊湊的圖像投影模塊(圖2，20)，特別地安裝在具有光透射窗口的外殼中，用于使得在光柵圖中的所選擇的像素被照亮以產(chǎn)生彩色的具有VGA高分辨率的圖像(圖1，18)。通過(guò)組合同一波長(zhǎng)的組成激光束(圖8，214)來(lái)增強(qiáng)被照亮的像素的亮度。通過(guò)將復(fù)合光束掃描通過(guò)極化屏幕，并且通過(guò)使得復(fù)合光束的所有的組成激光束的極化相同，改善被照亮的像素的對(duì)比度。
文檔編號(hào)G02B26/08GK101218531SQ200680021894
公開(kāi)日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2006年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
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