雷射掃描式圖像投影儀的製作方法

2023-09-12 18:05:25 1

專利名稱：雷射掃描式圖像投影儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射圖像投影儀，尤其涉及一種具有經過優化設計的超聲振鏡， 能夠實現高清圖像視頻顯示的雷射掃描式圖像投影儀，屬於電子圖像顯示技術領域。
背景技術：
現有的電子圖像顯示技術主要分為兩大類，一是固定屏幕顯示，典型的實現方式包括陰極射線管(CRT)、液晶屏(LCD)、發光二極體屏(LED)等；二是投影方式顯示，典型的實現方式包括反射式投影(LC0Q和透射式投影，其中反射式投影是指小型高亮度液晶屏經過光學系統反射後投影成擴大的屏幕，透射式投影主要包括液晶透光方式、雷射二極體 (LD)透光方式和雷射二極體掃描方式等。雷射顯示是繼黑白顯示、彩色顯示、數字顯示之後的新一代顯示技術，被稱為「人類視覺史上的一次革命」，其具有色域範圍廣、壽命長、節能環保等方面的特點。例如傳統顯示技術只能表現人眼所識別的色域的30%左右，而雷射顯示技術可覆蓋人眼色域的90%。 由於雷射的光譜窄、光強度高、方向性好，因此雷射顯示技術可以實現唯美的色彩表現與大屏幕顯示的完美結合。目前，雷射顯示技術主要採用兩種實施方式。第一種是採用面陣空間光調製器的投影成像方式，其示意圖如圖1所示。紅、綠、藍三色雷射分別經過擴束、勻場後入射到相對應的面陣空間調製光閥上，經調製後的三色雷射由稜鏡合色後經投影透鏡投射到屏幕，得到雷射顯示圖像。這種投影顯示的方案對人眼是安全的，因為其紅綠藍雷射在成像前有一個擴束的過程。擴束就是將較細的平行光束經透鏡發散和聚焦成較粗的平行光束，這時雷射已經從點光源變成了面光源。三色雷射擴束後光束能量被分散，使其與氙燈光源能量密度相近。2008年7月，北京中視中科光電技術有限公司已生產出該類型的雷射顯示產品。另一種是採用掃描式的投影成像方式。具體的掃描方式有機械轉鏡掃描和基於微電子機械系統(MEMS，Micro Electro Mechanical systems)工藝製造的二維振鏡掃描。 圖2顯示了機械轉鏡掃描方式的示意性結構。紅、綠、藍三色雷射分別經光學透鏡入射到相對應的調製光閥上，對三色光進行強度調製，調製後的三色光經透鏡聚焦和稜鏡合色，合色後的三色光先經行旋鏡完成行掃描，再經場旋鏡完成場掃描後投射到屏幕，得到雷射顯示圖像。以此種方式掃描的雷射束能量密度比較大，過大的雷射光束能量可能對人眼造成傷害。從能量安全角度看，單臺投影機屏幕不易過大，但可通過多機合成的方式來完成顯示。 關於機械轉鏡掃描方式的進一步說明，可以參考中國專利文獻CN1438510A、CN1506712A和 CN1139261C。機械轉鏡掃描方式在顯示高清圖像方面有一定難度。由於高清圖像解析度最低標準為1920 X 1080，如果場掃描頻率為50Hz，行掃描頻率將達到MkHz，即使行旋鏡一周為36 面稜鏡，其旋轉速度η(rpm)應為n = 54X 103^36X60 = 90000rpm。目前普通電機最高轉速只能達到30000rpm，顯然達不到高清顯示的要求，只有磁懸浮電機可達到此轉速，但成本較高，不利於推廣使用。
基於MEMS工藝製造的二維振鏡的掃描示意圖如圖3所示，調製和光學透鏡聚焦後的紅、綠、藍三色雷射經光學稜鏡合光，投射到MEMS工藝製造的二維振鏡上，同時完成了行掃描和場掃描，經投影透鏡投射到屏幕，得到雷射顯示圖像。目前，美國Micorovision公司已經生產出該類型的雷射顯示產品。此種掃描方式的最大優點在於二維振鏡體積很小，一般不超過lOmmXIOmm。但是，由於採用了剛體振動方式，雖然振片質量很小，但是運動慣量還是制約了其振動速度，目前在場掃描50Hz條件下，能實現的顯示解析度為640X480。總而言之，現有的兩種機械掃描方式或受電機轉速的限制，或受振鏡慣性質量的影響，在目前條件下不可能完成高清圖像視頻顯示對行掃描的要求。

發明內容
本發明所要解決的首要技術問題在於提供一種雷射掃描式圖像投影儀(簡稱雷射投影儀)。該雷射投影儀具有經過優化設計的超聲振鏡，能夠滿足高清圖像視頻顯示的要求。本發明還要解決的另外一個技術問題在於提供一種用於上述雷射投影儀的超聲振鏡。為實現上述的發明目的，本發明採用下述的技術方案一種雷射掃描式圖像投影儀，包括電路部分和光學與機械部分，在電路部分中，控制晶片分別與三個模擬數位訊號轉換器實現連接，三個所述模擬數位訊號轉換器分別連接用於顯示三原色的三個雷射二級管，其特徵在於在光學與機械部分中，用於顯示三原色的三個雷射二級管連接在三色合成器上， 所述三色合成器完成合光後，通過超聲振鏡完成X向掃描，通過動磁式電振鏡完成Y向掃描，再經過稜形反射鏡及投影鏡頭放大後實現投影。其中較優地，所述超聲振鏡包括兩個相向振動的超聲換能器，兩個所述超聲換能器中的縱向振動變幅杆相向推動扭轉振動變換器，使所述扭轉振動變換器上的第一光學反射鏡產生偏移。所述超聲換能器由超聲換能器後負載塊、壓電陶瓷片以及縱向振動變幅杆順序連接而成。進行X向掃描的超聲振鏡使用三角波上升段進行圖像掃描。所述動磁式電振鏡包括安裝在基體上的線圈，所述線圈纏繞在軛鐵上，在所述軛鐵的上方設置有永久磁鐵和第二光學反射鏡，其中所述第二光學反射鏡固定在所述永久磁鐵上，所述永久磁鐵繞所述軛鐵上方的旋轉軸振動。進行Y向掃描的動磁式電振鏡使用鋸齒波上升段進行圖像掃描。所述電路部分中還包括信號發生器和定時電路，所述控制晶片連接所述信號發生器和所述定時電路，所述信號發生器和所述定時電路分別經驅動電路連接X掃描裝置及Y 掃描裝置。一種超聲振鏡，用於在上述的雷射掃描式圖像投影儀中實現X向掃描，其特徵在於所述超聲振鏡包括兩個相向振動的超聲換能器，兩個所述超聲換能器中的縱向振動變幅杆相向推動扭轉振動變換器，使所述扭轉振動變換器上的光學反射鏡產生偏移；所述超聲換能器由超聲換能器後負載塊、壓電陶瓷片以及縱向振動變幅杆順序連接而成。其中較優地，所述超聲換能器為1/2波長縱向振動類型，由超聲換能器後負載塊、 壓電陶瓷片以及1/4波長的縱向振動變幅杆順序連接而成。所述縱向振動變幅杆採用平直段與指數段複合的形式。本發明所提供的雷射掃描式圖像投影儀通過彈性力學方法設計了新型的行掃描超聲振鏡，從而有效降低了實現高清圖像顯示所需的振鏡頻率，為雷射投影儀實現高清圖像視頻顯示奠定了必要的技術基礎。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的詳細說明。圖1為採用面陣空間光調製器的投影成像方式的示意圖；圖2為機械轉鏡掃描方式的示意圖；圖3為基於MEMS工藝製造的二維振鏡的掃描示意圖；圖4為本發明所提供的雷射投影儀的電路部分的原理框圖；圖5為本雷射投影儀的光學與機械部分的原理框圖；圖6為本雷射投影儀中使用的超聲振鏡的結構示意圖；圖7為本雷射投影儀中使用的動磁式電振鏡的結構示意圖；圖8 圖10分別為本雷射投影儀中使用的光學反射鏡在工作狀態下的偏角示意圖。
具體實施例方式本發明所提供的雷射投影儀包括電路部分和光學與機械部分。下面分別結合附圖進行詳細的說明。圖4為本雷射投影儀的電路部分的原理框圖。如圖4所示，作為控制晶片的現場可編程門陣列電路(FPGA，Field-Programmable GateArray)分別與三個模擬數位訊號轉換器(D/A)、一個信號發生器(Generator)及一個定時電路(Timer)實現連接。三個模擬數位訊號轉換器(D/A)分別經過三個驅動電路(Driver)連接顯示三原色的雷射二級管，同時信號發生器(Generator)和定時電路(Timer)也分別經過兩個驅動電路(Driver)連接X掃描裝置及Y掃描裝置。用於圖像顯示的AV信號輸入FPGA處理後，RGB三色數字調製信號分別經三個與FPGA相連接的模擬數位訊號轉換器形成模擬信號，再分別通過三個驅動電路將模擬調製信號輸出到三色雷射二級管R LD, G LD和B LD。同時，信號發生器產生X、Y 兩路掃描信號，分別經兩個驅動電路輸出至X掃描裝置及Y掃描裝置。定時電路根據信號發生器的頻率產生FPGA所需的時鐘信號。需要說明的是，圖4所示的FPGA只是控制晶片的一個示例。該控制晶片也可以採用單片機或者MCU(微控制器)實現。作為本領域普通技術人員的公知常識，在此就不詳細贅述了。圖5為本雷射投影儀的光學與機械部分的原理框圖。如圖5所示，紅色雷射二極體1、綠色雷射二極體2和藍色雷射二極體3連接在三色合成器4之上。三色合成器4、超聲振鏡5、動磁式電振鏡6、稜形反射鏡7和投影鏡頭8沿實現投影的光路順序放置。通過紅色雷射二極體1、綠色雷射二極體2和藍色雷射二極體3調製後的三色雷射首先經三色
5合成器4完成合光，然後通過超聲振鏡5完成X向掃描後，通過動磁式電振鏡6完成Y向掃描，並經過稜形反射鏡7及投影鏡頭8放大後投射到投影屏幕9之上。圖6為本雷射投影儀中使用的超聲振鏡的結構示意圖。如圖6所示，超聲振鏡5 由兩個縱向振動的超聲換能器相向振動，推動扭轉振動變換器13，使安裝在扭轉振動變換器13上的光學反射鏡14產生光學振鏡角的偏移。上述的每一個超聲換能器為1/2波長縱向振動類型，由超聲換能器後負載塊10和壓電陶瓷片11以及1/4波長的縱向振動變幅杆 12順序連接而成。在本發明中，為了解決行掃描過程中的頻率問題，通過彈性力學方法重新設計超聲振鏡，使其能夠完成高清圖像(即解析度至少不低於1920X1080)的視頻顯示。具體而言，上述超聲換能器中各段的具體尺寸是根據彈性力學中的壓電方程、波動方程以及邊界條件求解得出的。1/4波長的縱向振動變幅杆12中各段的尺寸也是根據波動方程以及邊界條件求解得出的。下面對該超聲振鏡的具體設計過程和工作原理進行說明。眾所周知，壓電方程是描述壓電材料壓電效應的數學表達式，它將壓電材料的彈性性能和介電性能互相聯繫起來，壓電材料介電性能的量有電場強度和電位移，二者的關係由下式決定Dm = ε mnEn m, η = 1,2,3(1)其中，ε mn為介電常數，&為電場強度彈性體力學性質參數包括應力和應變，二者的關係由廣義胡克定律決定，有如下關係Si = SijTj, i, j = 1,2,3-,6(2)Ti = CijSj, i, j = 1,2,3-,6(3)其中，應變Si,應力Ti為二階張量，Sij為彈性柔順係數，Cij為彈性勁度係數，Sij =
W根據上述的公式，對於壓電材料可以得到彈性柔順常數矩陣、介電常數矩陣、壓電應變常數矩陣和應力張量矩陣。根據上述的各類矩陣及邊界條件，在壓電振動模式下共有四類壓電方程。在本發明中使用的是第二類邊界條件即機械夾持和電學短路。第二類邊界條件下縮簡下標的壓電方程為T = cES-etE (4)D = eS+ ε (5)上述的壓電方程以及壓電材料性能參數在使用ANSYS有限元分析軟體進行分析時採用。另一方面，當平面波在介質中沿X軸方向傳播時，記單位面積上厚度為dx，其介質質量為P，對介質施加的作用力為T，介質的位移為ξ，振速為U，則這段介質的運動方程為
, δ2 ξdT ^P dx · -= - —~ dx
d t2 dx (6) d2 ξdTdU或簡化為，P—- "^―= P "Τ—
otc χcι
根據上述的運動方程，在不同的介質和不同的波型情況中，可以建立出相適應的波動方程。在實際的工程設計中，一般將超聲換能器後負載塊和縱向振動變幅杆看作連續彈性介質。同時，為了避免設計過程中的複雜性，也將壓電陶瓷片看作連續彈性介質。當介質的橫截面小於聲速波長四分之一時，忽略泊松效應，只考慮軸相應力與應變的關係。根據胡克定律有
權利要求
1.一種雷射掃描式圖像投影儀，包括電路部分和光學與機械部分，在電路部分中，控制晶片分別與三個模擬數位訊號轉換器實現連接，三個所述模擬數位訊號轉換器分別連接用於顯示三原色的三個雷射二級管，其特徵在於在光學與機械部分中，用於顯示三原色的三個雷射二級管連接在三色合成器上，所述三色合成器完成合光後，通過超聲振鏡完成X向掃描，通過動磁式電振鏡完成Y向掃描，再經過稜形反射鏡及投影鏡頭放大後實現投影。
2.如權利要求1所述的雷射掃描式圖像投影儀，其特徵在於所述超聲振鏡包括兩個相向振動的超聲換能器，兩個所述超聲換能器中的縱向振動變幅杆相向推動扭轉振動變換器，使所述扭轉振動變換器上的第一光學反射鏡產生偏移。
3.如權利要求2所述的雷射掃描式圖像投影儀，其特徵在於所述超聲換能器由超聲換能器後負載塊、壓電陶瓷片以及縱向振動變幅杆順序連接而成。
4.如權利要求1或2所述的雷射掃描式圖像投影儀，其特徵在於進行X向掃描的超聲振鏡使用三角波上升段進行圖像掃描。
5.如權利要求1所述的雷射掃描式圖像投影儀，其特徵在於所述動磁式電振鏡包括安裝在基體上的線圈，所述線圈纏繞在軛鐵上，在所述軛鐵的上方設置有永久磁鐵和第二光學反射鏡，其中所述第二光學反射鏡固定在所述永久磁鐵上，所述永久磁鐵繞所述軛鐵上方的旋轉軸振動。
6.如權利要求1或5所述的雷射掃描式圖像投影儀，其特徵在於進行Y向掃描的動磁式電振鏡使用鋸齒波上升段進行圖像掃描。
7.如權利要求1所述的雷射掃描式圖像投影儀，其特徵在於所述電路部分中還包括信號發生器和定時電路，所述控制晶片連接所述信號發生器和所述定時電路，所述信號發生器和所述定時電路分別經驅動電路連接X掃描裝置及Y掃描裝置。
8.一種超聲振鏡，用於在如權利要求1所述的雷射掃描式圖像投影儀中實現X向掃描， 其特徵在於所述超聲振鏡包括兩個相向振動的超聲換能器，兩個所述超聲換能器中的縱向振動變幅杆相向推動扭轉振動變換器，使所述扭轉振動變換器上的光學反射鏡產生偏移；所述超聲換能器由超聲換能器後負載塊、壓電陶瓷片以及縱向振動變幅杆順序連接而成。
9.如權利要求8所述的超聲振鏡，其特徵在於所述超聲換能器為1/2波長縱向振動類型，由超聲換能器後負載塊、壓電陶瓷片以及 1/4波長的縱向振動變幅杆順序連接而成。
10.如權利要求8或9所述的超聲振鏡，其特徵在於所述縱向振動變幅杆採用平直段與指數段複合的形式。
全文摘要
本發明公開了一種雷射掃描式圖像投影儀。在該投影儀的電路部分中，控制晶片分別與模擬數位訊號轉換器、信號發生器及定時電路實現連接，模擬數位訊號轉換器分別連接用於顯示三原色的雷射二級管，信號發生器和定時電路連接X掃描裝置及Y掃描裝置；在光學與機械部分中，用於顯示三原色的雷射二級管連接在三色合成器上，三色合成器完成合光後，通過超聲振鏡完成X向掃描，通過動磁式電振鏡完成Y向掃描，再經過稜形反射鏡及投影鏡頭放大後實現投影。本發明通過彈性力學方法設計了新型的超聲振鏡，從而有效降低了實現高清圖像顯示所需的振鏡頻率，為雷射投影儀實現高清圖像視頻顯示奠定了必要的技術基礎。
文檔編號G02B26/10GK102253487SQ20101017995
公開日2011年11月23日 申請日期2010年5月21日 優先權日2010年5月21日
發明者常曉旺, 李初, 楊政 申請人:常曉旺, 李初, 楊政