具有减少的斑点噪声的图像投影屏幕的制作方法

专利名称：具有减少的斑点噪声的图像投影屏幕的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及在显示屏幕上投影具有减少的斑点噪声的二 维图像，所述显示屏幕特别是激光束扫描经过的背投式屏幕。
背景技术：
一般已知基于一对扫描镜来在显示屏幕上投影二维图像，所述一 对扫描镜在相互正交的方向上振荡，以将激光束扫描在光栅图上。但 是，已知的图像投影系统投影分辨率有限并且具有斑点噪声的图像，
所述有限分辨率通常小于640 x 480像素的视频图形阵列(VGA)质 量的1/4。因此，所述已知的投影系统和显示屏幕具有有限的通用性。 斑点噪声是在基于激光的投影系统中的固有问题，并且引起图像 质量的相当大的变差。单色(红色、蓝色或者绿色)激光器发出具有 相同频率的相干波并且也具有空间相干性的激光束，即所述波在空间 和时间上彼此具有固定的相位关系。当所述光束入射在粗糙的散射屏 幕上时，所述波通过从屏幕被反射和/或透过所述屏幕而被散射。被散 射的波具有任意的相位延迟，并且沿着不同的方向来传播，但是全部 具有同一频率。当这样的散射的波例如在人眼的视网膜相遇时，它们 产生相长干涉和相消干涉的静态分布，即干涉图，也被称为斑点噪声。 综合时间(integration time )在几十毫秒级上的人眼将所述斑点噪声 看作变差图像。如果激光束没有整体相干的波，则它们的相位延迟会 在散射波与屏幕交涉所需要的时间期间相当大地改变，结果，斑点噪 声图案也在人眼的综合时间期间改变，由此减少色斑对比。

发明内容
因此，本发明的一个总的目的是提供一种图像投影系统，其将斑点噪声减少的、清晰清楚的二维图像投影在显示屏幕上，特别是背投 屏幕上。
本发明的另一个目的是减少在所投影的图像上的斑点噪声。 本发明的另 一个目的是修改显示屏幕本身以减少其上投影的图 像的斑点噪声。
与这些目的和其他目的(其将在以下变得清楚)一致，本发明的 一个特征简短而言在于一种投影具有减少的斑点噪声的二维图像的
设备和方法，所述设备包括显示屏幕，其具有前后表面和微透镜阵 列；图像投影组件或者模块，用于将激光束引导在显示屏幕的后表面 上，并且用于将激光束在屏幕的后表面上扫描为多条扫描线的图案， 其中每条扫描线沿着扫描方向延伸并具有多个像素，图像投影组件用
于使得所选择的像素被照亮和变为可见以产生图像，所述激光束具有 沿着所述扫描方向的光束尺寸；用于通过配置每个微透镜以具有沿着 所述扫描方向而测量的、至少等于且优选地大于所述光束尺寸的微透 镜尺寸而减少斑点噪声。
按照本发明，在将激光束在屏幕上扫描期间，大多数时间，在每 个时刻，由激光束照亮仅仅单个微透镜。在通过所述阵列后，入射光 束的相位相干被保留。在相邻的微透镜的结合位置，激光束同时照射 这些相邻的微透镜的一部分，并且为了最小化这样的斑点噪声的可能 产生，向间隔的微透镜涂布极化旋转涂层。这产生了不互相干扰的不 同极化的光。极化旋转涂层的使用允许光束尺寸超过微透镜的尺寸。


在所附的权利要求中具体给出了被考虑为本发明的特性的新颖 特征。但是，通过下面结合附图的具体实施例的描述，将在其构造和 其操作方法以及其另外的目的和优点上更好地理解本发明本身。 图l是在一个显示屏幕上投影图像的设备的透视图； 图2是用于在另一个显示屏幕上投影图像的图1的设备的透视
图3是安装在图1的仪器中的图像投影组件或者模块的放大的、 顶视的透视图4是图2的模块的平面顶视图5是图2的模块的端部正视图6是在图4的线6-6上取得的模块的激光器/光学组件的放大 剖面图7是在图1的线7-7上取得的放大剖面图8是用于描述图3的模块的操作的电子示意方框图9是图2的模块的驱动器的前部透视图IO是图9的驱动器的后部透视图11是按照本发明的一个实施例的用于减少斑点噪声的背投显
示屏幕的图示；
图12是在激光束的扫描期间图11的屏幕的放大视图13是按照本发明的另一个实施例而修改的图11的屏幕的图
示；以及
图14是按照本发明的又一个实施例修改的、类似于图ll的视图。
具体实施例方式
在图1中的附图标号IO总地表示外壳，其中，安装了如图3中 所示的轻型的、紧凑的图像投影模块20。所述模块20在与模块一定 距离的不同的显示屏幕上投影二维图像。如下所述，所述图像由在模 块20中的扫描器扫描的扫描线的光栅图30上的被照亮的像素和未被 照亮的像素组成。
外壳10的平行六面体形状仅仅表示其中可以包含模块20的一种 形态因子。在优选实施例中，所述模块20的尺寸为大约30 mm x 15 mm x 10 mm或者大约4.5立方厘米。这个紧凑的微型尺寸允许模块 20被安装在许多不同形状(大或者小的、便携或者固定的)的外壳中， 其中一些在下面被说明。
参见图3，模块20包括支座16，诸如印刷电路板；以及激光
器/光学外壳18，其中安装了激光器25 (参见图6)和透镜组件，所 述透镜组件包括一个或多个透镜，优选的是一对透镜22、 24，用于光 学地修改由激光器25发出的激光束。
如在图6中最佳地所示，激光器25是固态激光器，优选地是半 导体激光器，其当被激发时发出具有椭圆横截面的激光束。透镜22 是具有大约2毫米的正焦距的双非球面的凸透镜，并且用于收集在光 束中的实际上所有能量，并且用于产生衍射受限制的光束。透镜24 是具有大约-20毫米的负焦距的凹透镜。通过在外壳18中间隔大约4 毫米的相应的透镜支架来固定透镜24、 26，并且通过在组配期间在填 塞孔29中引入粘合剂(为了清楚而未示出)而将透镜24、 26固定到 位。线圏弹簧27帮助定位激光器。激光器22、 24将光束轮廓整形。
出自外壳18的激光束被引导到选用的静态反射镜32并且被从其 反射。 一个扫描器也被安装在板16上，并且包括第一扫描镜34， 其可以被惯性驱动器36以第一扫描率振荡以将从反射镜反射的激光 束在第一水平扫描角A上扫描(参见图7);以及，笫二扫描镜38， 其可以被电磁驱动器42以第二扫描率振荡以将从第一扫描镜34反射 的激光束在第二垂直扫描B上扫描(参见图7)。在另一个变化结构 中，可以将扫描镜34、 38替换为单个双轴镜。
惯性驱动器36是高速的低电功耗的部件。可以在下文中找到惯 性驱动器的细节美国专利申请第10/387,878号，2003年3月13日 被提交，被转让给与本申请相同的受让方，并且通过引用而被并入在 此。惯性驱动器的使用将所述模块的功耗减少到小于1瓦特。
电磁驱动器42包括永久磁体44，其结合地安装在第二扫描镜 38之上和之后；以及，电磁线圏46,用于响应于接收到定期驱动信 号而产生周期的磁场。线圏46与磁体44接近，以便周期磁场与磁体 44的永久磁场磁性地交互，并且使得所述磁体、继而第二扫描镜38 振荡。线圏46被连接到板16的直立壁48支撑。
惯性驱动器36以最好大于5 kHz (特别是在18 kHz或者更大的 级上)的扫描率高速地振荡扫描镜34。这个高扫描率在非可听声频率，由此最小化噪声和振动。电磁驱动器42以在40kHz级上的更慢的扫 描率来振荡扫描镜38，所述扫描率足够快以使得图像驻留在人眼视网 膜上，而没有过大的闪烁。
较快的镜34扫描水平扫描线，较慢的镜38垂直地扫描水平扫描 线，由此产生光栅图，其是大致平行的扫描线的网格或者序列，由其 来构造图像。每条扫描线具有多个像素。图像分辨率最好是640 x 480 像素的VGA质量。在一些应用中，VGA质量的二分之一 320 x 480 像素或者VGA质量的四分之一 320 x 240像素就足够了。最少期望 160x 160像素的分辨率。
镜34、 38的角色可以反转，使得镜38较快，镜34较慢。镜34 也可以被设计为扫描垂直扫描线，在这种情况下，镜38将扫描水平 扫描线。而且，惯性驱动器可以用于驱动镜38。事实上，可以通过机 电、电、机械、静电、磁或者电磁驱动器来驱动任何一个镜。
通过选择性地照亮在一条或多条扫描线中的像素来构造图像。如 下参见图8更详细地所述，控制器通过激光束来使得在光栅图30中 的所选择的像素被照亮并且变为可见。例如，功率控制器50将电流 引导到激光器25，以激发后者来在每个所选择的像素上发光，并且不 将电流传导到激光器25以将后者去激活从而不照亮其他未选择的像 素。结果产生的被照亮和未被照亮的像素的图案包括图像，其可以是 人或者机器可读的信息或者图形的任何显示。取代功率控制器，可以 使用声光调制器来通过不允许激光束达到第一扫描镜而将激光束偏 离任何期望的像素以不照亮所述像素。
参见图7，以放大的视图而示出了光栅图30。在点54开始，激 光束被惯性驱动器以水平扫描率沿着水平方向扫描到点56，以形成扫 描线。随后，电磁驱动器以垂直扫描率沿着垂直方向将激光束扫描到 点58以形成第二扫描线。连续扫描线的形成以相同的方式进行。
经由功率控制器50的操作，或者通过将激光器保持接通并且通 过声光调制器的操作而在所选择的时间将激光束偏离，通过在微处理 器
器而在光栅图30中建立图像。仅仅当期望看到在期望图像中的像素 时，所述激光器产生可见光并且被接通或者其光束被准确地偏离。光 栅图是由多条线中的每条线上的多个像素构成的网格。所述图像是所 选择的像素的位图。每个字母或者数字、任何图形设计或者标志、甚 至机器可读的条形码符号可以被形成为位像。
图7也示出了在外壳IO上的透光端口或者窗口 60,通过其，在 与印刷电路板16—般垂直的方向上投影图像。再次参见图4，激光束 的光路具有在激光器/光学外壳18和反射镜32之间的垂直路线62、 向左向扫描镜34倾斜的路线64、向右向扫描镜38的水平路线66和 在向窗口 60的方向上并且与板16垂直的前路线69 (参见图7)。可 以在按照本发明如下所述所采用的、任何透光的或者反射的表面(诸 如屏幕12)上投影图像。
如图8中所示，主机80向被存储器控制器72控制的存储器緩沖 器70发送位像数据82。 一个全VGA帧的存储需要大约300千 字节，并且期望在緩冲器70中具有足够的存储量来用于两个全帧(600 千字节)，以使得一个帧能够被主机写入，同时另一个帧正在被读取 和投影。另一方面，如果緩沖器的大小小于一个全帧，则控制器72 可以在存储器达到其对于由主机发送的数据的最大存储容量后开始 显示线，或者可以同时从緩沖器读取和向緩沖器写入。由主机向控制 器72发送帧同步信号86。
第一扫描镜34 (也被称为高速或者X轴镜)被惯性驱动器36驱 动，并且被存储器控制器72控制。类似地，第二扫描镜38(也称为 慢速或者Y轴镜)被电磁驱动器42驱动，并且被存储器控制器72控 制。因为在X轴镜的前后扫描期间都投影图像，因此以逆序每隔一行 地显示图像数据。因此，或者主机需要以逆序向緩冲器写入图像数据， 或者存储器控制器需要以逆序读取图像数据。
X轴镜具有正弦的速度曲线。在给定的时间间隔中，激光束在每 条扫描线的中间比在每条扫描线的尾部扫描更多的像素。为了避免图 像失真，或者存储器控制器72应当以可变的时钟率来为像素计时，或者所述主机应当为緩冲器70填充其中像素的大小变化的数据。可 变时钟率是优选的技术，因为它允许与其他显示器共享固定大小的像 素。
緩冲器的输出是数字信号84，其与主机帧同步，并且与X轴镜 34时钟和线同步。这个数字信号被发送到调制器88，调制器88继而 控制激光器25。
图9-10分别描述了惯性驱动器36。如在2003年3月13日提交 的上述美国专利申请第10/387,878中所述，在上的一对压电换能器 110、 112接触在扫描镜34上的框架114相隔开的部分，并且通过导 线116、 118电连接到周期的交流电压源。在使用中，所述周期的电 压源使得换能器110、 112在长度上交替地扩展和收缩，由此使得框 114围绕铰链轴120扭曲。扫描镜34连接到在铰链轴的相对端的框， 并且以谐振频率围绕铰链轴振荡。
在下的一对压电换能器122、 124接触在扫描镜34之下的框架 114的相隔开的位置。换能器122、 124作为反馈或者拾取机构，用于 监控框的振动移动，并且沿着导线126、 128向反馈控制电路产生和 传导电反馈信号。
但是，由换能器110、 112引发的振动被换能器122、 124检测， 并且趋向于破坏所述反馈信号，由此副作用于所投影的图像，因此， 所述驱动和拾取机构最好被使得不同(例如通过不将两个机构都基于 压电效应)。所述机构之一基于不同类型的机构。例如，如图10中 所示，磁体130结合地安装在镜34之后以与其结合地振荡，如图9 中所示的电磁反馈线圏132被安装在磁体130附近。线圏132感测由 移动的磁体引发的周期性的电磁场，并且不受到来自緩沖器110、 112 的振动的影响。
参见图1-2，屏幕12在外壳10上的枢轴14上可旋转地被安装到 多个位置的任何一个。例如，如图1中所示，屏幕12位于垂直平面 中，并且由模块20将光栅图30的位像通过窗口 60投影到垂直 屏幕上，所述垂直屏幕限定了一个图像平面。所述屏幕12可以向后
倾斜以与水平线形成钝角，以更方便从外壳前部观看，由此限定了另
一个图像平面。也可以使用其他角度，包括锐角。如图2中所示，屏 幕12可以被旋转到其中屏幕在倾斜的位置支撑外壳10的角位置，在 这种情况下，图像不被投影在屏幕12上，而是被投影在远处的显示 表面，诸如远处的显示屏幕40，其限定了另一个图像平面。制动器 134被人工地压下以启动图像投影。因此，在图l-图2的实施例中， 图像可以被投影在外壳10上的屏幕12上的多个角位置的任何一个上 或者被投影在外壳上的远处屏幕40上、或者某些其他的类似显示表 面上。
如上所述，在屏幕12、 40上的图像受到由于斑点噪声而导致的 变差的影响，因为激光器25具有相干波，其当激光束被屏幕12、 40 反射和/或通过屏幕12、 40时散射，并且这些散射波组合以形成固态 的干扰图案。
按照本发明，不是如上所述的前投影屏幕12、 40，而是在图11 中所述的背投屏幕200被使用和修改来减少斑点噪声。屏幕200具有 后表面202、前表面204和其中并入的微透镜206的阵列。每个微透 镜具有正或负的光功率，并且最好是球面透镜。但是也可以是柱面透 镜或者曲面透镜(其中前表面的曲线在相互正交的方向上不同)。所
述微透镜最好在相互正交的线性行和列中被布置。
从图像投影模块20投影的激光束在图11中被示意地示出为附图 标号210，并且被模块20中的扫描器在由双头箭头208图示的任何扫 描方向上振荡。所述激光束入射在并且扫描通过屏幕200的后表面202 上。每个微透镜将入射的激光束聚焦到在图像平面212上的焦点，其 后，光以视角214分叉。所述视角大致等于微透镜直径(在球面微透 镜的情况下)除以其焦距。在一个优选实施例中，微透镜直径是大约 0.2毫米，到图像平面的焦距是大约0.3毫米，视角是±20°。通过改变 微透镜直径和/或焦距来改变所述视角。
入射的激光束210具有相干波或者大致相干的波。在通过微透镜 206后，激光束210保留了其大多数相位相干，并且不干扰其本身，由此避免了斑点噪声。本发明的一个特征寻求保证在至少大多数时 间，激光束一次仅仅照亮一个微透镜。在图12中描述了这一点，其 中，在位置A的激光束210仅仅照亮单个微透镜206。在位置B也证 明了这点，其中激光束210也仅仅照亮单个微透镜。当激光束在位置 C时有可能有一些干扰，在所述位置C,激光束入射在两个相邻的微 透镜之间的交点216上，因此，激光束同时照亮这两个相邻的微透镜。
按照本发明，沿着扫描方向测量的微透镜尺寸被使得至少等于但 是最好大于也沿着扫描方向测量的激光束的光束尺寸。如图12中所 示，光束尺寸，例如横截面的光束宽度小于微透镜尺寸的宽度。这个 特征保证了没有许多交点，并且大多数时间，入射激光束一次仅仅照 亮一个微透镜。另一方面，不能使得微透镜尺寸太大，并且事实上， 必须将微透镜尺寸保持为小于图像的(沿着每条扫描线考虑的)每个 虚拟像素的宽度尺寸，以便不损害图像分辨率。
在图13中描述了在减少斑点噪声中的进一步的改进，其中，将 极化的旋转涂层218应用到间隔的微透镜。在这种情况下，两个相邻 的微透镜发出不同极化的光，并且当入射光束照射交点216时，将不 会彼此干扰而产生斑点噪声。在图13中，垂直箭头表示一个极化， 而x表示垂直极化。涂层218位于后表面202上。赛璐玢是各向异性 的材料，其作为半波板，并且是涂层218的优选材料。当使用涂层218 时，光束尺寸可以大于微透镜尺寸。
除了减少斑点之外，黑色(光吸收)多孔障板220被定位在图像 平面212上，在所述多孔障板中的孔允许被聚焦的光通过其中。多孔 障板提高了被照亮的像素的对比度，特别是在存在强的环境光(诸如 太阳光)的情况下。
通过将微透镜替代为微镜，在此表达的思想可适用于前投影屏
激光束210可以具有用于投影单个图像的单个波长，或者可以是 来自多个激光源的多个波长(红色、蓝色或者绿色)的复合激光束， 用于投影彩色图像。
可以明白，如上所述的每个元件或者两个或者更多的元件也可以 有益地应用到与如上所述的类型不同的其他类型的结构中。
虽然已经将本发明图解和描述为被体现在用于在被修改以减少 斑点噪声的屏幕上投影图像的图像投影设备和方法中，但是其不意欲 限于所示的细节，因为可以在不以任何方式脱离本发明的精神的情况 下进行各种修改和结构改变。
不用进行进一步的分析，上述内容将完全披露本发明的要旨其 他人可以通过应用当前的知识而容易地将其适配到各种应用，而不省 略从现有技术的角度来看清楚地构成了本发明的上位或者下位方面 的必要特性的特征，因此应当并且意欲在所附的权利要求的等同内容 的含义和范围内理解这样的适配。
期望通过专利证书保护的新的技术方案在随后的权利要求中提
权利要求
1.一种用于投影具有减少的斑点噪声的图像的设备，包括a)显示屏幕，具有前后表面和微透镜阵列；b)图像投影组件，用于将激光束引导在所述显示屏幕的后表面上，并且用于将所述激光束在所述显示屏幕的后表面上扫描为多条扫描线的图案，其中每条扫描线沿着扫描方向延伸并具有多个像素，所述图像投影组件用于使得所选择的像素被照亮和变为可见以产生所述图像，所述激光束具有沿着扫描方向的光束尺寸；以及c)用于通过将每个微透镜配置为具有沿着所述扫描方向测量的、不小于所述光束尺寸的微透镜尺寸而减少斑点噪声的装置。
2. 按照权利要求l的设备，其中，所述组件包括用于发出所述 激光束的激光器。
3. 按照权利要求2的设备，其中，所述激光器是红色、蓝色和 绿色激光器之一。
4. 按照权利要求l的设备，其中，所述微透镜尺寸大于所述光 束尺寸。
5. 按照权利要求l的设备，其中，沿着所述扫描方向连续地排 列所述微透镜；在间隔的微透镜上具有极化旋转涂层。
6. 按照权利要求4的设备，其中，每个微透镜具有球面曲率。
7. 按照权利要求l的设备，还包括在所述微透镜阵列的图像平 面上的多孔障板。
8. 按照权利要求7的设备，其中，所述多孔障板吸收被入射在 其上的激光束。
9. 一种用于投影具有减少的斑点噪声的图像的方法，包括步骤a) 发出激光束；b) 引导所述激光束入射在显示屏幕的后表面上，并且将所述激 光束在所述显示屏幕的后表面上扫描为多条扫描线的图案，其中每条 扫描线沿着扫描方向延伸并具有多个像素，并且使得所选择的像素被 照亮和变为可见以产生所述图像，所述激光束具有沿着扫描方向的光束尺寸；以及c)使用微透镜阵列形成所述显示屏幕，将每个微透镜配置为具 有沿着所述扫描方向测量的、不小于所述光束尺寸的微透镜尺寸，由 此减少斑点噪声。
10. 按照权利要求9的方法，其中，通过红色、蓝色或者绿色激 光器之一来执行所述发出激光束的步骤。
11. 按照权利要求9的方法，其中，所述微透镜尺寸大于所述光 束尺寸。
12. 按照权利要求9的方法，还包括沿着所述扫描方向连续地 排列所述微透镜；并且在间隔的微透镜上涂布极化旋转涂层。
13. 按照权利要求9的方法，其中，每个微透镜具有球面曲率。
14. 按照权利要求9的方法，还包括在所述微透镜阵列的图像 平面上定位多孔障板。
15. —种显示屏幕，用于减少在由激光束在所述显示屏幕上投影 的图像中的斑点噪声，包括沿着扫描方向连续排列的微透镜阵列， 每个微透镜具有沿着所述扫描方向测量的微透镜尺寸，所述微透镜尺 寸不小于所述激光束的、也沿着所述扫描方向而测量的光束尺寸。
16. 按照权利要求15的显示屏幕，在间隔的微透镜上具有极化 旋转涂层。
17. 按照权利要求15的显示屏幕，其中，每个微透镜具有球面曲率。
18， 一种用于投影具有减少的斑点噪声的图像的设备，包括a) 显示屏幕，具有前后表面和沿扫描方向连续排列的微透镜阵列；b) 图像投影组件，用于将激光束引导在所述显示屏幕的后表面 上，并且用于将所述激光束在所述显示屏幕的后表面上扫描为多条扫 描线的图案，其中每条扫描线沿着扫描方向延伸并具有多个像素，所 述图像投影组件用于使得所选择的像素被照亮和变为可见以产生所述图像；以及c)在间隔的微透镜上的极化旋转涂层，用于减少斑点噪声
全文摘要
位于外壳中的图像投影模块用于使得在光栅图中的所选择的像素被照亮以在VGA质量的显示屏幕上产生图像。所述屏幕设置有微透镜阵列，用于减少在图像中的斑点噪声。
文档编号G02B27/10GK101198893SQ200680021886
公开日2008年6月11日 申请日期2006年5月3日 优先权日2005年5月17日
发明者德米特瑞·雅维德 申请人:讯宝科技公司