在不同像平面的图像投影的制作方法

专利名称：在不同像平面的图像投影的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及在不同像平面投影二维图像，尤其涉及利用单 模激光源在不同像平面投影二维图像。
背景技术：
众所周知，可以基于以相互正交的方向振荡以便在光栅图案上扫 描激光束的一对扫描反射镜来在屏幕上投影二维图像。然而，已知的
图像投影系统投影有限分辩率的图像，典型地低于640x480像素的四 分之一视频图形阵列(VGA)质量，并且是在单个像平面上投影的。 这样，已知的投影系统具有有限的多功能性。

发明内容
因此，本发明的一般目的是提供一种在多个不同像平面上投影出 清晰和清楚的二维图像的图像投影系统。
本发明的另一个目的是投影大尺寸的图像。
本发明的还一个目的是在包含图像投影系统的外軍上或外軍外投 影图像.
为了遵守在下文中将变得显而易见的这些目的和其它目的，简而 言之，本发明的一个特性在于用于投影二维图像的设备，该设备包含 具有窗口的外軍，所述外罩中的图像投影模块，用于穿过该窗口扫描 扫描线的图案，每条扫描线具有多个像素，并用于促使所选择的像素 被照射并变得可见，以产生图像；以及安装在所述外罩上，以在图像 被投影到不同成像面上的不同位置之间移动的可移动组件。
根据本发明的一个特征，所述可移动组件为被枢轴安装在所述外 軍上的面板，以在其中所述面板用作投影图像的显示屏的所述位置之一和其中所述面板用作将外罩支撑成倾斜状态的支架的所述位置之另 一个之间移动，由此允许图像被投影在远离外革的显示表面上。因此， 用户具有将图像显示在外軍上用于私人观看该图像，或者将图像显示 在外革外用于公众观看的选择权，由此增加了它的多功能性。该面板还可以被安装用于朝外罩线性移动以及远离外革移动，由此使得在距外革不同距离处能够实现随机观看(on-board viewing)， 以获得更大的多功能性。本发明的再一个特征是在外罩上提供显示屏，并移动该组件以便 图像被投影到屏幕上，或者远离屏幕。在此情况下，该组件是可滑动 的舱口或者为通常覆在窗口上面的盖子，以及安装在盖子上用于随之 联动的反射镜。当盖子覆盖在窗口上时，扫描线从反射镜被反射到显 示屏上。当盖子从窗口上移开时，扫描线穿过窗口到达远端显示表面。在所有上述实施例中，在不同的图像或目标平面处选择性地产生 图像。这与其中图像仅仅在单个像平面处产生的现有技术形成对照。另一个特征在于，折叠和展开显示屏以产生宽屏。该屏幕可以由 柔韧的材料制成，并且可以自身折叠用于紧凑储存，或者展开并伸展 到宽的形式。该屏幕还可以由可拉伸的材料制成，并且从初始尺寸拉 伸到更宽、最后尺寸，以再次产生宽屏形式。


图l是根据本发明用于在一个像平面处投影图像的设备的透视图；图2是根据本发明用于在另一个像平面处投影图像的图1的设备 的透视图；图3是用于安装在图l的设备中的图像投影模块的放大的、顶部 透视图；图4是图3的模块的顶部平面图； 图5是图2的模块的末端正视图；图6是在图4的线6-6上呈现的该模块的激光/光学组件的放大截面图；图7是在图1的线7-7上呈现的放大截面图； 图8是描绘图3的模块操作的电气示意功能框图； 图9是用于图2的模块的驱动器的前端透视图； 图10是图9的驱动器的背面透视图；图ll是根据本发明处于关闭的位置的另一个设备的透视图；图12是具有升起的盖子的图11的设备的透视图；图13是在一个像平面中具有屏幕的图11的设备的侧视图；图14是在另一个像平面中具有屏幕的图ll设备的透视图；图15是根据本发明的另一个图像投影设备的透视图；图16是具有展开的显示屏的图15的设备的透视图；图17是图16的设备的侧面正视图；图18是根据本发明的再一个图像投影设备的透视图；图19是图18的设备的侧面正视图；图20是图18的设备的背面正视图；图21是在图19的线21-21上呈现的截面图；图22是类似于图19但是具有移动面板的视图；图23是类似于图20但是具有移动面板的视图；图24是在图22的线24-24上呈现的截面图；图25根据本发明的另一个图像投影设备的分解透视图；图26是在折叠显示屏期间图25的设备的透视图；图27是在显示屏被折叠后的图26的设备的透视图；图28是根据本发明的另一图像投影设备的透视图；图29是在显示屏展开期间图28的设备的透视图。
具体实施方式
图1中的附图标记IO —般识别安装了如图2所示的轻型、紧凑的 图像投影模块20的外罩。模块20可操作用于在距离模块某一距离处 在不同的像平面上投影二维图像。如下所述，图像由通过模块20中的扫描器扫描的扫描线的光栅图案30上的照射的和未照射的像素组成。平行六面体形状的外罩10表示其中可以并入模块20的仅仅一个 形状因素。在优选实施例中，模块20测得大约30mmxl5mmxl0mm 或者大约4.5立方厘米。这种紧凑的、小型尺寸允许模块20被安装在 许多不同形状的外革中，大的或小的、便携式的或固定的，其中一些 将在下文中进行描述。参照图2，模块20例如包括支架16、印刷电路板、以及激光/光 学框架18，在该激光/光学框架18中安装了激光器25 (参见图6)和 透镜组件，所述透镜组件包含一个或多个透镜，并且优选地可操作用 于光学地调节由激光器25发射的激光束的一对透镜22、 24。如同图6所示，激光器25为固态激光器，优选地为半导体激光器， 其当被加电时发射具有椭圆形横截面的激光束。透镜22是具有大约 2mm的正焦距的双球面(biaspheric)凸透镜，并且可操作用于收集 光束中几乎所有的能量并用于产生衍射受限光束。透镜24是具有大约 -20mm的负焦距的凹透镜。透镜22、 24由各自的透镜固定器26、 28 支持在距离框架18内大约4mm远，并且通过允许在组装期间引入的 粘合剂(为了清晰起见未示出)进入到填充孔29而固定在适当的位置。 巻簧27帮助定位激光器。透镜22、 24定形束剖面图。从框架18射出的激光束被导向到任选的固定反弹反射镜32，并 从其中反射。扫描器也被安装在板16上并且包括第一扫描反射镜34 和第二扫描反射镜38，该第一扫描反射镜34可由惯性驱动器36以第 一扫描率振荡，以便以第一水平扫描角A (参见图7)扫描从反弹反 射镜反射的激光束，第二扫描反射镜38可由电磁驱动器42以第二扫 描率振荡，以便以第二垂直扫描角B (参见图7)扫描从第一扫描反 射镜34反射的激光束。在一种变形的结构中，扫描反射镜34、 38可 由单个双轴反射镜替代。惯性驱动器36是高速、低电功耗組件。惯性驱动器的细节可以在 2003年3月13日申请的、被转让给与本申请相同受让人的、并且在 此被合并作为参考的美国专利申请系列号No.10/387,878中找到。惯性驱动器的使用将模块的功耗降低到低于1瓦特。电磁驱动器42包括连带地安装在第二扫描反射镜38上和背后的 永磁铁44，以及可操作用于响应接收周期驱动信号以产生周期磁场的 电磁线圏46。线围46临近磁铁44，以便周期磁场与磁铁44的永久磁 场磁性地相互作用，并且促使磁铁以及第二扫描反射镜38依次振荡。 线圏46由与板16连接的竖墙48支撑。惯性驱动器36以优选大于5KHz，尤其是大约18KHz或更高量级 的扫描率高速振荡扫描反射镜34。这种高的扫描率是听不见的频率， 因此将噪声和颠动降至最小。电磁驱动器42以40Hz量级的较慢的扫 描率振荡扫描反射镜38，这种扫描率足够快以允许图像驻留在人眼的 视网膜上而不会过多的闪烁。较快速的反射镜34扫描水平的扫描线，而较慢速的反射镜38垂 直地扫描水平扫描线，由此产生的光栅图案是栅格或是一 系列粗略平 行的扫描线，由此构成了图像。每条扫描线具有多个像素。图像的分 辨率优选为640x480 4象素的VGA质量。在某些应用中，320x480像素 的二分之一 VGA质量，或者320x240像素的四分之一 VGA质量就足 够了。最小需要160x160像素的分辨率。反射镜34、 38的角色可以相反，以使反射镜38为较快速的，而 反射镜34为较慢速的。还可以设计反射镜34扫描垂直扫描线，在此 情况下，反射镜38将扫描水平扫描线。同样，可以使用惯性驱动器来 驱动反射镜38。实际上，两个反射镜的任何一个都可以由机电的、电 气的、机械的、静电的、磁性的、或者电磁的驱动器来驱动，通过选择性照射一条或多条扫描线中的像素来构建图像。如同下 面参照图8更为详细描述的，控制器促使在光栅图案30中被选择的像 素被激光束照射，并变得可见。例如，功率控制器50传导电流到激光 器25以给后者加电，以在每个所选择的像素发射光，以及不给激光器 25传导电流，给后者断电，以不照射其它未选择的像素。照射的和未 照射的像素所产生的图案构成了该图像，该图像可以是任何人工或机 器可读的信息或图形。可以取代功率控制器，使用声-光调制器来偏转激光束远离期望的像素，以通过不允许激光束到达第 一扫描反射镜来 不照射该像素。参考图7，以放大的视图显示光栅图案30。从点54开始，由惯性 驱动器沿着水平方向以水平扫描率扫描激光束到点56，以形成扫描线。 随后，由电磁驱动器沿着垂直方向以垂直扫描率扫描激光束到点58， 以形成第二扫描线。以相同的方式实现连续扫描线的形成。通过在微处理器或控制电路的控制之下操作功率控制器50，在所 选择的时刻激励或脉动激光器开启和关闭，或者通过操作声光调制器 在所选择的时刻保持激光器的开启并偏置激光束，在光栅图案30中产 生图像。只有当期望的图像中的像素期望被看见时，激光器才产生可 见光并开启，或者其光束被适当地偏转。光栅图案是由每条线以及多 条线上的多个像素组成的栅格。图像是所选择像素的位图。每一个字 母或数字、任何图形设计或标志(logo)，以及甚至机器可读的条形 码符号都可以形成为位像。图7还示出了外罩10上的光发射端口或窗口 60，并且通过该端 口或窗口图像被以通常垂直于印刷电路板16的方向投影。再次参照图 4，激光束的光学路径具有在激光/光学框架18和反弹反射镜32之间 的垂直支路62，朝向扫描反射镜34左侧的倾斜支路64，朝向扫描反 射镜38右侧的水平支路66,以及朝向窗口 60并垂直于板16的方向 的向前支路68 (参见图7)。图像可以被投影到任何透明的或反射的 表面，比如屏幕12上。如图8所示，主机80发送位像数据82到由存储控制器72控 制的存储缓冲器70.存储一个完整的VGA帧将需要大约300千字节， 并期望在緩冲器70中具有足够的内存用于两个完整的帧(600千字 节)，以使得一个帧能够被主机写入，而另一个帧被读出和投影。另 一方面，如果緩冲器的尺寸小于一个完整的帧，于是在存储器到达其 最大存储容量后，控制器72可以利用主机发送的数据开始显示线条， 或者同时从緩冲器读出和写入到緩冲器。由主机发送帧同步信号86到 控制器72。第一扫描反射镜34，也被认为是高速或X轴反射镜，由惯性驱动 器36驱动，并由存储控制器72控制。类似地，第二扫描反射镜38, 也被认为是低速或Y轴反射镜，由电磁驱动器42驱动，并由存储控 制器72控制。由于图像是在X轴反射镜的向前和向后扫描期间投影 的，图像数据的每个其它线条以倒序显示。因此，或是主机必须以倒 序将图像数据写入緩冲器，或是存储控制器必须以倒序读出图像数据。X-轴反射镜具有正弦曲线速度分布图。在给定的时间间隔内，激 光束在每条扫描线的中部比在每条扫描线的末端扫描更多的像素。为 了避免图像失真，或是存储控制器72应当以可变时钟频率记录像素， 或是主机应当以其中像素的尺寸发生了变化的数据填充緩沖器70。可 变时钟频率是一种优选的技术，因为其允许固定尺寸的像素与其它显 示器共享。援冲器的输出为与主机桢同步，并且与X轴反射镜34时钟和线性 同步的数字信号84。该数字信号被发送到调制器88,调制器88又控 制激光器25。图9-10描绘了孤立的惯性驱动器36。如同在上述的2003年3月 13日申请的美国专利申请系列号No.10/387，878中描述的那样，上部 的一对压电换能器110、 112接触扫描反射镜34之上的框架114的间 隔分离部分，并且通过电线116、 118电气地与周期的交流电源相连接。 在使用中，周期的交流电源促使换能器110、 112在长度上交替地延伸 和收缩，由此促使框架114围绕铰链轴120缠绕。扫描反射镜34在铰 链轴的相对端4框架连接，并且以谐振频率围绕铰链轴振荡。下部的一对压电换能器122、 124在扫描反射镜34的下面与框架 114的间隔分离位置接触。换能器122、 124用作反馈或者拾^L构以 监控框架的振荡运动，并且产生电反馈信号并沿着电线126、 128将其 传导到反馈控制电路。然而，由换能器110、 112导致的振荡被换能器122、 124探测到， 并且趋向于恶化反馈信号，因此反过来影响投影图像。因此，优选地， 使驱动和拾取机构不同，例如，通过不将这两种机构基于压电效应。其中一种机构基于一种不同类型的机构。例如，如图IO中所示，磁体 130连带地安装在反射镜34后面以与其连带地振荡，以及如图9所示， 电磁反馈线圏132被安装在磁体130附近。线圏132感测通过移动磁 体感应的周期磁场，并且不受来自换能器110、 112的振荡的影响。返回到图1-2,屏幕12在枢轴14处被枢轴安装在外罩10上的多 个位置的任何一个。例如，如图l所示，屏幕12位于垂直平面，并且 由模块20通过窗口 60将光栅图案30的位像投影到定义了像平面 的垂直屏幕上。屏幕可以向后倾斜以形成相对于水平面的钝角，以更 方便从外軍的前面观看，由此定义其他像平面。其它角，包括锐角， 也可以被使用。如图2所示，屏幕12可以被枢轴转动到一个角位置， 在该角位置，屏幕将外軍10支撑在倾斜位置，在此情况下，图像不是 被投影在屏幕上，而是投影到远端显示表面上，比如墻40，这就定义 了另一个像平面。用手按下致动器134以开始图像投影。因此，在图 1-2的实施例中，图像能够以多个角位置的任何一个被投影到外軍10 上的屏幕12上，或者外軍外的墙40上，或者一些其它类似的显示表 面。转到图11-14的实施例，盖子140可枢轴安装在其中包含了图像 投影模块20的外軍142上。盖子140包括覆盖图11中的外罩的顶部、 端部和底部表面的顶部、端部和底部144、 146、 148。顶部和端部相 对于底部围绕铰链150枢轴转动到多个位置，其中一个位置在图13中 示出，其中顶部144位于垂直平面并被用作位于像平面中的显示屏。 如图14所示，顶部和端部还可以向后进一步倾斜，使得顶部形成相对 于水平面的钝角，由此定义了另一个像平面.底部148可朝向外軍和 远离外罩滑动以将显示屏定位到距外軍一个选择的距离处的任何期望的位置。再者，用手启动致动器152以在期望的像平面开始图像投影。 转到图15-17的实施例，外軍154具有键区按钮156和本机显示 器158。 一对侧臂160、 162被可滑动地安装，以在外革上线性地移动 或相对于外軍线性地移动。显示屏164被枢轴安装在臂160、 162上和 之间，并且其可移动到多个角位置，其中一个如图16-17所示。图像投影模块20被包含在外罩内，并如同以前，可操作用于投影图像在屏 幕上的任何一个其选择的位置。实际上，即使屏幕164是平坦的，投 影的图像将畅通无阻的穿过屏幕上方并投影到远端表面上，例如，墙 40上。转到图18-24的实施例，外革166具有键区按钮168和本机显示 器170。后盖172可滑动地安装在外革166上并且相对于外罩166安 装。反射镜174被连带地安装在盖子172上。图像投影模块20被包含 在外軍内并且可操作用于投影图像到反射镜172上(如图21所示，当 盖子关闭的时候)以反射到显示屏170上，或者反射到远离外軍的显 示表面上(如图24所示，当盖子打开时).在图25-27中描绘了还另一个实施例，其中外軍176具有游戏控 制器按钮178和可枢轴安装在外罩上的盖子180。 一对侧臂182、 184 可枢轴安装在盖子的相对侧边上。 一个可折叠的、柔韧的显示屏186 被安装在臂182、 184之间和之上，这些臂伸出来以伸展柔韧的屏幕为 宽屏，即，在宽度上大于外軍176的一个屏幕。盖子180中的窗口60 将由外軍内包含的图像投影模块20投影的图像传递到屏幕上。如图26所示，当臂182、 184被折叠成重叠接合件时，屏幕186 被折叠到自身上。图27描绘了其盖子180关闭的外軍176。图28-29示出了宽屏显示器的再一个实施例，其中外軍188具有 控制器按钮190和一对侧块192、 194，这对侧块能够在外軍188的相 对侧相互面向和远离移动。柔韧的、可伸展的显示屏196被安装在侧 块192、 194之上和之间，其中当侧块移动分开时，将屏幕196伸展为 较宽的屏，即，在宽度上大于外軍188的一个屏.外軍中的窗口60将 由外軍内包含的图像投影模块投影的图像传递到屏幕上，新的以及期望被专利证书保护的内容在所附的权利要求书中阐明。
权利要求
1. 一种用于投影图像的设备，包括a)具有窗口的外罩；b)所述外罩中的图像投影模块，用于穿过所述窗口扫描扫描线的图案，每条扫描线具有多个像素，并用于促使所选择的像素被照射并变得可见，以产生图像；以及c)安装在所述外罩上、以在图像被投影到不同成像面上的不同位置之间移动的可移动组件。
2、 根据权利要求1的设备，其中所述组件为被枢轴安装在所述外 軍上的面板，以在其中图像被投影到所述面板上的所迷位置的其中一 个和其中图像被投影到远离所述外軍的显示表面上的所述位置中的另 一个之间移动。
3、 根据权利要求2的设备，其中所述面板在所述位置中的所述另 一个上呈倾斜状态支撑所述外罩。
4、 根据权利要求1的设备，其中所述组件为被枢轴安装在所述外 罩上用于在所述位置之间枢轴移动的面板，其中在每个所述位置，图 像被投影到所述面板上。
5、 根据权利要求4的设备，其中所述面板还被安装用于朝所述外 罩线性滑动和远离所述外罩线性滑动。
6、 根据权利要求1的设备，其中所述外軍包括安装在其上的显示 屏，并且所述组件具有反射镜，所述反射镜被安装用于随所述组件在 其中反射镜反射扫描线的图案经由所述窗口到显示屏的所述位置的其 中一个，与其中图像被投影到远离所述外革的显示表面上的所述位置中的另一个之间联动。
7、 根据权利要求l的设备，其中所述组件包括可折叠的屏幕以及 附着在所述屏幕上的一对臂，所述臂对被安装在所述外罩上，以在其 中屏幕自身被折叠的折叠位置和其中所述臂伸展所述屏幕以形成其中 一个成像面的展开位置之间移动。
8、 根据权利要求1的设备，其中所述組件包括可拉伸的屏幕和附 着在所述屏幕上的一对臂，所述臂对被安装用于移动到其中所述臂伸 展所述屏幕以形成其中 一个成像面的伸展位置。
9、 一种用于投影图像的方法，包括下列步骤a) 穿过外罩的窗口扫描扫描线的图案，每条扫描线具有多个像素， 并促使所选择的像素被照射并变得可见，以产生图像；以及b) 在所述外罩上安装组件，并在图像被投影到不同成像面上的不 同位置之间移动所述组件。
10、 根据权利要求的方法，其中所述组件为被枢轴安装在所述外 軍上的面板，以在其中图像被投影到所述面板上的所述位置的其中一 个和其中图像被投影到远离所述外軍的显示表面上的所述位置中的另 一个之间移动。
11、 根据权利要求9的方法，其中所述组件为被枢轴安装在所述 外罩上用于在所述位置之间枢轴移动的面板，其中在每个所述位置， 图像被投影到所述面板上。
12、 根据权利要求11的方法，其中所述面板还被安装用于朝所述 外罩线性滑动和远离所述外罩线性滑动。
13、 根据权利要求9的方法，其中所述外罩包括安装在其上的显 示屏，并且其中所述组件具有反射镜，所述反射镜被安装用于随所述 组件在其中反射镜反射扫描线的图案经由所述窗口到显示屏的所述位 置的其中一个，与其中图像被投影到远离所述外軍的显示表面上的所 述位置中的另一个之间联动。
14、 根据权利要求9的方法，其中所述组件包括可折叠的屏幕以 及附着在所述屏幕上的一对臂，所述臂对被安装在所述外軍上，以在 其中屏幕自身被折叠的折叠位置和其中所述臂伸展所述屏幕以形成其 中一个成像面的展开位置之间移动。
15、 根据权利要求9的方法，其中所述组件包括可拉伸的屏幕和 附着在所述屏幕上的一对臂，所述臂对被安装用于移动到其中所述臂 伸展所述屏幕以形成其中 一个成像面的伸展位置。
全文摘要
外罩内的图像投影模块可操作用于促使光栅图案中所选择的像素被照射以在VGA质量的不同像平面处产生图像。外罩上的可移动组件促使图像在所选择的像平面处形成。
文档编号H01L21/02GK101258585SQ200680005217
公开日2008年9月3日 申请日期2006年1月25日 优先权日2005年2月18日
发明者伊曼纽尔·汤浩尔, 沙恩·麦卡格雷高尔, 阿里斯泰尔·R·哈密尔顿, 龙·戈尔德曼 申请人:讯宝科技公司