一種微型單鏡片多光源陣列式雷射掃描投影裝置的製作方法
2023-10-17 00:19:19 2
專利名稱：一種微型單鏡片多光源陣列式雷射掃描投影裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射掃描投影裝置，特別是一種微型單鏡片多光源陣列式雷射掃描投影裝置。
背景技術：
目前，基於MEMS (Microelectromechanical Systems，微機電系統)微掃描鏡和雷射光源的雷射掃描微型投影設備，具有體積小，亮度高，無須聚焦等優點，已初步得到應用。 其中，所用到的一個核心部件就是用於二維雷射掃描的單片MEMS微掃描鏡，它包括可動的反射鏡和使反射鏡繞X軸和Y軸高速轉動的驅動器。目前，雷射掃描微型投影設備所能達到的極限是VGA (640X480)或 WVGA(848X480)的解析度和60Hz的刷新率(場掃描頻率)。圖像的解析度和刷新率主要受微掃描鏡的行掃描頻率和雷射器調製頻率的限制，一般來說，微掃描鏡的掃描頻率越高， 它的掃描角度越小，這就意味著，在距離屏幕較近的應用場合，無法獲得足夠大的投影圖像。隨著大屏幕的普及，解析度為1080p (1920X1080) @60Ηζ和720p (U80X720) @60Ηζ的高清節目大量湧現，現有的微型雷射掃描投影設備已無法滿足人們對高解析度、大屏幕投影的需求，不僅微掃描鏡在掃描時很難獲得足夠大的實用掃描角度，同時對於微型雷射器來說，也已經達到了其調製頻率的技術極限。現有技術的雷射掃描微型投影設備對解析度為 1080ρ (1920X1080) §60Ηζ和720p (U80X720) @60Ηζ的高清節目進行投影成像時，是無法實現的。如何利用現有科技水平的器件，採用雷射掃描微型投影設備，實現高解析度、大屏幕投影，已經成為人們亟需解決的問題。採用包含多個鏡片的MEMS模擬微掃描鏡陣列和多個微型RGB激關光源的陣列式投影裝置已在中國發明(ZL201020588250. 9)中描述。但是對於MEMS加工來講，採用單鏡片MEMS微掃描鏡來取代採用包含多個鏡片的MEMS模擬微掃描鏡陣列可以進一步提高MEMS 加工成品率，從而降低MEMS器件成本。
發明內容
本發明的目的就是提供一種微型單鏡片多光源陣列式雷射掃描投影裝置，利用單鏡片微型掃描投影器件，實現高解析度、大屏幕投影。為實現上述目的，本發明採用技術方案是它包括視頻分割模塊、視頻轉換模塊、 雷射光源模塊、雷射驅動調製模塊、光學調整模塊、單片MEMS微掃描鏡模塊、微掃描鏡控制模塊和屏幕，視頻分割模塊輸出端與視頻轉換模塊輸入端連接，視頻轉換模塊輸出端分別與雷射驅動調製模塊和微掃描鏡控制模塊的輸入端連接，雷射驅動調製模塊的輸出端與雷射光源模塊的輸入端連接，微掃描鏡控制模塊的輸出端與單片MEMS微掃描鏡模塊的輸入端連接，雷射光源模塊發出的雷射經光學調整模塊投射在單片MEMS微掃描鏡模塊的可動反射鏡面上，經可動反射鏡面反射後，投射在屏幕上；所述的視頻分割模塊用於將源圖像分割成2 個小視頻或圖像，所述的小視頻或小圖像所對應的是位於原圖像第1、2、3、4象限的圖像；所述的視頻轉換模塊用於接收被分割的小視頻或小圖像，並把接收到的小視頻或小圖像轉換成雷射驅動調製模塊和微掃描鏡控制模塊能夠識別和控制的視頻信號；它由四個視頻轉換電路構成，每個視頻轉換電路負責接收一個象限的小視頻或小圖像的視頻信號，並同時傳送該視頻信號給對應的雷射驅動調製模塊和唯一的微掃描鏡控制模塊。所述的雷射驅動調製模塊用於接受來自視頻轉換模塊輸出的視頻信號，用來控制雷射光源模塊中的雷射器；它由四個雷射驅動調製電路，分別與視頻轉換模塊中的四個視頻轉換電路相對應，每個雷射驅動調製電路只負責接收與它對應的視頻轉換電路發來的視頻信號；所述雷射光源模塊根據雷射驅動調製模塊的驅動控制信號完成雷射投射工作，它是由四個呈2 陣列方式排列的雷射器組成，每個雷射器與所述的雷射驅動調製電路一一對應，只根據相應雷射驅動調製電路的驅動控制信號來完成雷射投射工作；所述的光學調整模塊用於接收四個雷射光源模塊發出的雷射，分別調整四束雷射的投射方向，使調整後的四束雷射經單片MEMS微掃描鏡模塊反射後在屏幕上形成的四個呈2 陣列方式排列的小視頻或圖像能夠無縫組成一個大視頻或圖像；它由四片反射鏡組成，反射鏡表面鍍有可見光範圍的增強反射鍍膜；所述的微掃描鏡控制模塊用於接收來自視頻轉換模塊發來的視頻信號，並根據得到視頻信號控制微掃描鏡模塊進行掃描工作；所述的單片MEMS微掃描鏡模塊根據微掃描鏡控制模塊的控制命令實現行掃描和場掃描；單片MEMS微掃描鏡對應微掃描鏡控制電路，用於完成所對應象限圖像或視頻的掃描。本發明的工作原理是這樣的圖像分割模塊將一副圖像分割成位於四個象限的小圖像，每個象限的圖像都分別對應一組獨立的雷射光源，但共享同一個單鏡片微型掃描器件，最後將圖像投影在一塊大的屏幕上；我們以一個1920χ1080@60Ηζ的視頻為例做具體闡述，對於一個1920χ1080@60Ηζ的視頻，首先會被圖像分割模塊分割成4個960χΜ0@60Ηζ的小視頻，這是四個小視頻分別位於圖像的第1、2、3、4象限，每個象限的小視頻的解析度和刷新率是這樣的每個小視頻均有540條水平掃描線，每條水平掃描線包含960個點，因此每個小視頻的雷射調製頻率為Μ0χ960χ60 = 31. 104MHz ；對於單片MEMS微掃描鏡來說，其行掃描的掃描頻率只需為^0x60 = 32. 4KHz的鋸齒波，其場的掃描頻率為60Hz的鋸齒波。 從上述數據可知，相對於每個小視頻來說，現有技術的微型雷射掃描器件足以滿足投影需求。因此即使在空間距離很近的情況下，採用本發明所述的微型雷射掃描投影設備，也可以實現高解析度、大屏幕的投影效果。由於本發明採用單鏡片MEMS微掃描鏡來取代採用包含多個鏡片的MEMS模擬微掃描鏡陣列可以進一步提高MEMS加工成品率，從而降低MEMS器件成本。通過採用精密的光學調整系統，四個象限圖像之間的實際間隙小於1mm，因此可忽略不計，不影響成像效果。整機工作起來實際就像四臺獨立但同步工作的小投影儀。本發明由於採用了上述技術方案，具有如下優點1、利用現有技術水平的微型掃描投影器件和雷射器，實現了高解析度、大屏幕投影；2、降低了對現有技術水平的微型掃描投影器件和雷射器的性能要求；
3、結構簡單、操作簡便，易於實現。4、採用單鏡片MEMS微掃描鏡來取代採用包含多個鏡片的MEMS模擬微掃描鏡陣列進一步提高MEMS加工成品率，降低MEMS器件成本。
圖1為本發明的結構示意圖；圖2為為光學調整模塊和單片MEMS微掃描鏡模塊的俯視示意圖；圖3為本發明在鋸齒波驅動波形下進行掃描的示意圖；圖4為本發明採用的鋸齒波波形圖；圖5為本發明在三角波驅動波形下進行掃描的示意圖；圖6為本發明所採用的三角波波形圖；圖7為本發明的結構框具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明如圖1-7所示，它包括視頻分割模塊1、視頻轉換模塊2、雷射光源模塊3、雷射驅動調製模塊4、光學調整模塊9、單片MEMS 微掃描鏡模塊6、微掃描鏡控制模塊5和屏幕7，視頻分割模塊1輸出端與視頻轉換模塊2輸入端連接，視頻轉換模塊2輸出端分別與雷射驅動調製模塊4和微掃描鏡控制模塊5的輸入端連接，雷射驅動調製模塊4的輸出端與雷射光源模塊3的輸入端連接，微掃描鏡控制模塊5的輸出端與單片MEMS微掃描鏡6的輸入端連接，雷射光源模塊3發出的雷射經過光學調整模塊9投射在單片MEMS微掃描鏡模塊6的可動反射鏡面上，經可動反射鏡面反射後， 投射在屏幕上；所述的視頻分割模塊1用於將源圖像分割成2 個小視頻或圖像，所述的小視頻或小圖像所對應的是位於原圖像第1、2、3、4象限的圖像；所述的視頻轉換模塊2用於接收被分割的小視頻或小圖像，並把接收到的小視頻或小圖像轉換成雷射驅動調製模塊和微掃描鏡控制模塊能夠識別和控制的視頻信號；它由四個視頻轉換電路構成，每個視頻轉換電路負責接收一個象限的小視頻或小圖像的視頻信號，並同時傳送該視頻信號給雷射驅動調製模塊4和微掃描鏡控制模塊5。所述的雷射驅動調製模塊4用於接受來自視頻轉換模塊輸出的視頻信號，用來控制雷射光源模塊3中的雷射器；它由四個雷射驅動調製電路，分別與視頻轉換模塊2中的四個視頻轉換電路相對應，每個雷射驅動調製電路只負責接收與它對應的視頻轉換電路發來的視頻信號；所述的雷射光源模塊3根據雷射驅動調製模塊4的驅動控制信號完成雷射投射工作，它是由四個呈2 陣列方式排列的雷射器8組成，每個雷射器8與所述的雷射驅動調製電路一一對應，只根據相應雷射驅動調製電路的驅動控制信號來完成雷射投射工作；所述的光學調整模塊9用於接收四個雷射光源模塊3發出的雷射，分別調整四束雷射的投射方向，使調整後的四束雷射經單片MEMS微掃描鏡模塊6反射後在屏幕上形成的四個呈2 陣列方式排列的小視頻或圖像能夠無縫組成一個大視頻或圖像；它由四片反射鏡組成，反射鏡表面鍍有可見光範圍的增強反射鍍膜；
所述的微掃描鏡控制模塊5用於接收來自視頻轉換模塊2發來的視頻信號，並根據得到視頻信號控制微掃描鏡模塊5進行掃描工作；它是由四個微掃描鏡控制電路構成， 與所述的視頻轉換電路一一對應；所述的單片MEMS微掃描鏡模塊6根據微掃描鏡控制模塊的控制命令實現行掃描和場掃描，它為單片MEMS微掃描鏡；單片MEMS微掃描鏡對應微掃描鏡控制電路，用於同時完成全部四個象限圖像或視頻的掃描。本發明的工作原理是這樣的圖像分割模塊將一副圖像分割成位於四個象限的小圖像，每個象限的圖像都分別對應一組獨立的雷射光源，但共享同一個單鏡片微型掃描器件，最後將圖像投影在一塊大的屏幕上；我們以一個1920χ1080@60Ηζ的視頻為例做具體闡述，對於一個1920χ1080@60Ηζ的視頻，首先會被圖像分割模塊分割成4個960χΜ0@60Ηζ的小視頻，這是四個小視頻分別位於圖像的第1、2、3、4象限，每個象限的小視頻的解析度和刷新率是這樣的每個小視頻均有540條水平掃描線，每條水平掃描線包含960個點，因此每個小視頻的雷射調製頻率為Μ0χ960χ60 = 31. 104MHz ；對於單片MEMS微掃描鏡來說，其行掃描的掃描頻率只需為^0x60 = 32. 4KHz的鋸齒波，其場的掃描頻率為60Hz的鋸齒波。 從上述數據可知，相對於每個小視頻來說，現有技術的微型雷射掃描器件足以滿足投影需求。因此即使在空間距離很近的情況下，採用本發明所述的微型雷射掃描投影設備，也可以實現高解析度、大屏幕的投影效果。由於本發明採用單鏡片MEMS微掃描鏡來取代採用包含多個鏡片的MEMS模擬微掃描鏡陣列可以進一步提高MEMS加工成品率，從而降低MEMS器件成本。通過採用精密的光學調整系統，四個象限圖像之間的實際間隙小於1mm，因此可忽略不計，不影響成像效果。整機工作起來實際就像四臺獨立但同步工作的小投影儀。本發明所述的單片MEMS微掃描鏡設置有一個水平軸和一個豎直軸，微掃描鏡控制電路控制單片MEMS微掃描鏡上的可動反射鏡面繞水平軸和豎直軸進行偏轉，當可動反射鏡面繞水平軸偏轉時，實現行掃描，當可動反射鏡面繞豎直軸偏轉時，實現場掃描。本發明所述的可動反射鏡面的機械偏轉角度為(0-4 度。本發明所述的單片MEMS微掃描鏡模塊的中心線與雷射光源模塊的中心線之間的夾角大於0度且小於90度。本發明所述的單片MEMS微掃描鏡模塊的中心線與雷射光源模塊的中心線之間的夾角為35度-55度。本發明所述的單片MEMS微掃描鏡模塊的中心線與雷射光源模塊的中心線之間的夾角為40度-50度。本發明所述的單片MEMS微掃描鏡模塊的中心線與雷射光源模塊的中心線之間的夾角為45度。單片MEMS微掃描鏡模塊的中心線與雷射光源模塊的中心線成45°夾角。雷射光源模塊發出的雷射投射在單片MEMS微掃描鏡模塊的可動反射鏡上，被反射90°後投射在屏幕上。本發明所述的微掃描鏡控制電路內的驅動波為鋸齒波或三角波。單片MEMS微掃描鏡模塊6由1片雙軸(水平軸和豎直軸)單片MEMS微掃描鏡組成。1片雙軸單片MEMS 微掃描鏡其投影角度和範圍卻是單片雙軸單片MEMS微掃描鏡的4倍多。如圖2所示，光學調整模塊9包含4片以不同角度組裝的反射鏡。由於是俯視圖， 圖2僅僅體現了光學調整模塊9對其中2個雷射光束的在與紙面平行的平面內的角度調整作用。在三維空間的其他兩個正交的平面內，光學調整模塊9對入射的雷射光束都有角度調整作用。實線和虛線分別代表這兩束雷射，發出這兩束雷射的兩個雷射器8存在一定角度。兩束雷射經過2片角度不同的反射鏡，以不同的初始角度投射到單片MEMS微掃描鏡模塊6上，並反射到屏幕的不同象限上。每個雷射器包括紅、綠、藍三色雷射器和用於完成光束準直聚焦和合束的光學元件。本發明所述的微型單鏡片多光源陣列式雷射掃描投影裝置的單片MEMS微掃描鏡設置有一個水平軸和一個豎直軸，微掃描鏡控制模塊控制單片MEMS微掃描鏡上的可動反射鏡面繞水平軸和豎直軸進行偏轉，當可動反射鏡面繞水平軸偏轉時，實現行掃描，當可動反射鏡面繞豎直軸偏轉時，進行場掃描；所述的可動反射鏡面的機械偏轉角度為0度至45度。如圖3-4所示微掃描鏡控制模塊中的微掃描鏡控制模塊採用鋸齒波波形來驅動單片MEMS微掃描鏡的水平軸和豎直軸，其中X通道為行掃描通道，即驅動水平軸偏轉，使單片MEMS微掃描鏡完成水平行掃描，Y通道為場掃描通道，即驅動豎直軸偏轉，使單片MEMS微掃描鏡完成場掃描。以第二象限的掃描過程為例，無驅動信號時，負責第二象限的雷射光源通過單片MEMS微掃描鏡的投射點位於屏幕第二象限的右下角。施加驅動信號後，單片MEMS 微掃描鏡使負責第二象限的雷射光源發出的投射光首先位於每個象限的左上方，並隨著單片MEMS微掃描鏡的可動反射面的偏轉逐漸向屏幕的右上方掃描，當完成一行水平掃描時， 單片MEMS微掃描鏡的投射點會快速回到屏幕的左側，並在Y通道驅動信號的作用下，下移一段位置，作為下一條水平掃描線的起始點，如此反覆，直至該象限的圖像掃描完畢。如圖5-6所示，單片MEMS微掃描鏡採用三角波掃描示意圖；其中圖6為單片MEMS 微掃描鏡的三角波驅動波形，其中X通道為行掃描通道，Y通道為場掃描通道。以第二象限的掃描過程為例，無驅動信號時，負責第二象限的雷射光源通過單片MEMS微掃描鏡的投射點位於屏幕第二象限的右下角。施加驅動信號後，微掃描鏡首先指向屏幕第二象限的左上方，從左至右完成第一行的水平掃描；完成一條水平掃描線後，在場掃描信號的驅動下，微掃描鏡的可動反射鏡面繞豎直軸偏轉，使得投射在屏幕上的光點下移一個位置，作為下一行的掃描起點，此時MEMS勻速反向進行第二行像素點的水平掃描(即從右向左)，當微掃描鏡完成第二條掃描線，並回到屏幕左側時，開始第三行的正向掃描(從左至右)。如此周而復始。這樣，在三角波驅動下單片MEMS微掃描鏡的行掃描頻率降低一半。本發明的視頻分割模塊即可採用軟體來實現，也可採用硬體來實現，已屬於現有技術，故本發明再此不再累述。
權利要求
1.一種微型單鏡片多光源陣列式雷射掃描投影裝置，其特徵在於它包括視頻分割模塊、視頻轉換模塊、雷射光源模塊、雷射驅動調製模塊、光學調整模塊、單片MEMS微掃描鏡模塊、微掃描鏡控制模塊和屏幕，視頻分割模塊輸出端與視頻轉換模塊輸入端連接，視頻轉換模塊輸出端分別與雷射驅動調製模塊和微掃描鏡控制模塊的輸入端連接，雷射驅動調製模塊的輸出端與雷射光源模塊的輸入端連接，微掃描鏡控制模塊的輸出端與單片MEMS微掃描鏡模塊的輸入端連接，雷射光源模塊發出的雷射經過光學調整模塊投射在單片MEMS 微掃描鏡模塊的可動反射鏡面上，經可動反射鏡面反射後，投射在屏幕上；所述的視頻分割模塊用於將源圖像分割成2 個小視頻或圖像，所述的小視頻或小圖像所對應的是位於原圖像第1、2、3、4象限的圖像；所述的視頻轉換模塊用於接收被分割的小視頻或小圖像，並把接收到的小視頻或小圖像轉換成雷射驅動調製模塊和微掃描鏡控制模塊能夠識別和控制的視頻信號；它由四個視頻轉換電路構成，每個視頻轉換電路負責接收一個象限的小視頻或小圖像的視頻信號，並同時傳送該視頻信號給對應的雷射驅動調製模塊和唯一的微掃描鏡控制模塊。所述的雷射驅動調製模塊用於接受來自視頻轉換模塊輸出的視頻信號，用來控制雷射光源模塊中的雷射器；它由四個雷射驅動調製電路，分別與視頻轉換模塊中的四個視頻轉換電路相對應，每個雷射驅動調製電路只負責接收與它對應的視頻轉換電路發來的視頻信號；所述的雷射光源模塊根據雷射驅動調製模塊的驅動控制信號完成雷射投射工作，它是由四個呈2 陣列方式排列的雷射器組成，每個雷射器與所述的雷射驅動調製電路一一對應，只根據相應雷射驅動調製電路的驅動控制信號來完成雷射投射工作；所述的光學調整模塊用於接收四個雷射光源模塊發出的雷射，分別調整四束雷射的投射方向，使調整後的四束雷射經單片MEMS微掃描鏡模塊反射後在屏幕上形成的四個呈2*2 陣列方式排列的小視頻或圖像能夠無縫組成一個大視頻或圖像；它由四片反射鏡組成，反射鏡表面鍍有可見光範圍的增強反射鍍膜；所述的微掃描鏡控制模塊用於接收來自視頻轉換模塊發來的視頻信號，並根據得到視頻信號控制微掃描鏡模塊進行掃描工作；所述的單片MEMS微掃描鏡模塊根據微掃描鏡控制模塊的控制命令實現行掃描和場掃描；單片MEMS微掃描鏡對應唯一的微掃描鏡控制電路，用於完成全部象限圖像或視頻的掃描。
2.如權利要求1所述的一種微型單鏡片多光源陣列式雷射掃描投影裝置，其特徵在於所述的單片MEMS微掃描鏡模塊設置有一個水平軸和一個豎直軸，微掃描鏡控制電路控制單片MEMS微掃描鏡模塊上的可動反射鏡面繞水平軸和豎直軸進行偏轉，當可動反射鏡面繞水平軸偏轉時，實現行掃描，當可動反射鏡面繞豎直軸偏轉時，實現場掃描。
3.如權利要求2所述的一種微型單鏡片多光源陣列式雷射掃描投影裝置，其特徵在 所述的可動反射鏡面的機械偏轉角度為(0-45)度。
4.如權利要求1、2或3所述的任一微型單鏡片多光源陣列式雷射掃描投影裝置，其特徵在於所述的單片MEMS微掃描鏡模塊的中心線與雷射光源模塊的中心線之間的夾角大於0度且小於90度。
5.如權利要求4所述的一種微型單鏡片多光源陣列式雷射掃描投影裝置，其特徵在CN 102540670 A於所述的單片MEMS微掃描鏡模塊的中心線與雷射光源模塊的中心線之間的夾角為35度至55度。
6.如權利要求4所述的一種微型單鏡片多光源陣列式雷射掃描投影裝置，其特徵在於所述的單片MEMS微掃描鏡模塊的中心線與雷射光源模塊的中心線之間的夾角為40 度-50度。
7.如權利要求4所述的一種微型單鏡片多光源陣列式雷射掃描投影裝置，其特徵在於所述的單片MEMS微掃描鏡模塊的中心線與雷射光源模塊的中心線之間的夾角為45度。
8.如權利要求1、2或3所述的一種微型單鏡片多光源陣列式雷射掃描投影裝置，其特徵在於所述的微掃描鏡控制電路內的驅動波為鋸齒波或三角波。
全文摘要
一種微型單鏡片多光源陣列式雷射掃描投影裝置，它包括視頻分割模塊、視頻轉換模塊、雷射光源模塊、雷射驅動調製模塊、光學調整模塊、單片MEMS微掃描鏡模塊、微掃描鏡控制模塊和屏幕，視頻分割模塊輸出端與視頻轉換模塊輸入端連接，視頻轉換模塊輸出端分別與雷射驅動調製模塊和微掃描鏡控制模塊的輸入端連接，雷射驅動調製模塊的輸出端與雷射光源模塊的輸入端連接，微掃描鏡控制模塊的輸出端與單片MEMS微掃描鏡的輸入端連接，雷射光源模塊發出的雷射經過光學調整模塊投射在單片MEMS微掃描鏡模塊的可動反射鏡面上，經可動反射鏡面反射後，投射在屏幕上；本發明結構簡單，採用單片MEMS微掃描鏡取代MEMS微掃描鏡陣列實現了對高清節目進行分區高解析度、大屏幕投影效果。
文檔編號H04N5/74GK102540670SQ201210032639
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月15日 優先權日2012年2月15日
發明者徐英舜 申請人:凝輝(天津)科技有限責任公司