高分辨率图像投影的制作方法

专利名称：高分辨率图像投影的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及按单色、灰度级或彩色投影二维图像，尤其涉及在较大的图像投影距离范围上控制图像分辨率，同时保持低功率消耗、高分辨率、最小化的紧凑尺寸、安静操作和最小的振动。
一般已知，基于一对扫描镜将二维图像投射到屏幕上，这对扫描镜在相互正交的方向上振荡以便在光栅图案上扫描光束。但是，已知的图像投影系统具有有限的分辨率，通常小于640×480象素的视频图形阵列(VGA)品质的四分之一。同样，已知投影系统所产生的图像通常仅在离开系统的个别距离处或者至多距离的有限范围处是锐利和清晰的。已知投影系统的物理尺寸和功率消耗是相当大的，从而使得它们在微型、手持、电池驱动的应用中不实用。同样，使用期间，扫描镜的较低扫描速率产生有害的噪声和振动。
因此，本发明的一般目的在于提供一种图像投影系统，它在离开系统的距离的扩展范围上投射锐利、清晰的二维图像。
本发明的另一个目的在于使这种投影系统中的功率消耗最小化。
本发明的再一个目的在于增加由这种系统投影的图像的分辨率。
本发明的又一个目的在于，如果不消除，则减少操作期间的有害噪声和振动。
一附加目的在于提供在许多不同形式因素的仪器中有用的小型、紧凑、轻便和便携的图像投影仪。
与以下将变得明显的这些和其它目的一致，简要说明，本发明的一个特点在于用于投影二维图像的图像投影模块。该模块包括支架，例如印刷电路板；用于发出激光束的激光器，例如固态激光器；用于在空间中在离开模块的可变距离处扫过扫描线图案的扫描仪，其中每个扫描线都具有许多象素；以及用于使得所选象素由激光束照亮并变得可见以形成图像的控制器。
根据本发明的一个方面，光学装置设置于支架上，用于控制象素尺寸作为离开模块的图像的可视距离的函数，以便在离开模块的距离的扩展范围上控制图像的分辨率。光学装置包括用于在扩展范围上保持图像分辨率基本恒定的透镜组件。
在较佳实施例中，扫描仪包括一对可振荡扫描镜，用于沿一般相互正交的方向以不同扫描速率和不同扫描角度扫动激光束。至少一个扫描速率超过可听频率，例如超过18kHz以减少噪声。至少一个扫描镜由惯性驱动而驱动以减少功率消耗。图像分辨率优选超过VGA品质的四分之一，但通常等于或超过VGA品质。支架、激光器、扫描仪、控制器和光学装置优选占据小于5立方厘米的容积，但通常小于3-1/2立方厘米。
本发明的另一个特点在于按单色、彩色或灰度级提供图像。较佳地，控制器激励激光器以便按相同强度照亮所选象素，并对激光器去激励以不照亮其它非所选的象素。通过调整引导到激光器的驱动电流和/或通过调整激光束驻留在所选象素上的时间间隔，按需要的方式改变图像强度。通过激励不同波长的所选激光束，产生彩色图像。
由于其紧凑和小型化的尺寸，扫描模块可互换地安装于不同形式因素的外壳中，包括但不限于，笔形、枪形或闪光灯形仪器，个人数字助理，吊挂，手表，计算机以及简言之任何形状。投影图像可用于广告或信号用途，或者用于电视或计算机监视器屏幕，以及简言之用于期望显示东西的任何用途。
在所附权利要求书中特别地阐述了被认为是本发明特征的创新特点。但是，在结合附图进行阅读时，对于其构建和操作方法，本发明本身及其附加目的和优点将通过以下具体实施例的描述而获得最佳理解。


图1是在距离的扩展范围上以基本恒定分辨率投射图像的手持仪器的透视图；图2是用于安装在图1仪器中的根据本发明的图像投影模块的放大、从头顶的透视图；图3是图2的模块的顶平面图；图4是图3的模块的端部前视图；图5是在图3的线5-5上获得的模块的激光器/光学装置组件的放大剖视图；图6是图1的线6-6上获得的放大剖视图；图7是描述图2模块的操作的电气示意框图；以及图8是变形结构的细节的示意图。
图1中的标号10一般表示手持仪器，例如个人数字助理，其中安装了图2所示的轻便、紧凑的图像投影模块20并用于在离开模块的可变距离处投影二维图像。作为实例，近图像30相对靠近仪器，例如几英寸远(接近于零)；且远图像40相对远离仪器，例如超过二十英尺远(接近于无限)。如这里所描述的，无论投影图像是接近于零、接近于无限或在其间的任何位置处，图像的分辨率被控制为近似恒定，从而图像是锐利和清晰的并聚焦于距离的该扩展范围中的任何位置。
如图1所示，图像30和40两者具有各图像的沿水平方向延伸的相同光学水平扫描角A，以及沿垂直方向延伸的相同光学垂直扫描角B。如下所述，每个图像都由通过模块20中的扫描仪扫过的扫描线的光栅图案上的照亮和未照亮象素构成。
仪器10的平行六面体形状仅表示可采用模块20的外壳的一种形式因素。该仪器可成形为笔、移动电话、蛤壳或手表，例如如2002年3月4日提交并与本发明一样转让给相同受让人的美国专利申请序号10/090653所示的，其结合在此作为参考。
在较佳实施例中，模块20测量约30mm×15mm×10mm或约4.5立方厘米。该紧凑、小型的尺寸允许模块20安装于任何不同形状的外壳中，大的或小的，便携的或固定的，包括具有板上显示器12和键盘14的那些。
参考图2，模块20包括例如印刷电路板的支架16以及激光器/光学外壳18，其中安装了激光器25(参见图5)和透镜组件，该组件包括一个或多个透镜并优选是用于光学修整激光器20发出的激光束的一对透镜22、24。
如图5最佳地示出的，激光器25是固态激光器，优选是半导体激光器，在被激励时，它发出635-655纳米的椭圆横截面的亮红激光束。透镜22是具有约2mm正焦距的偏圆(biaspheric)凸透镜并用于实际上会聚光束中的所有能量并用于产生衍射限光束。透镜24是具有约-20mm负焦距的凹透镜。透镜22、24由外壳18内分开约4mm的各透镜夹具26、28保持并通过在装配入填充孔29其间允许引入粘合剂(为了清楚，未示出)而固定就位。线圈弹簧27帮助定位激光器。透镜22、24使光束轮廓在扩展范围上成形，如以下说明的。
离开外壳18的激光束引向可选的固定反弹镜32并从其反射离开。扫描仪也安装在板16上并包括第一扫描镜34和第二扫描镜38，第一扫描镜34可由惯性驱动器36以第一扫描速率振荡以便在第一水平扫描角A上扫动反射离开反弹镜的激光束，而第二扫描角38可由电磁驱动器42以第二扫描速率振荡以便在第二垂直扫描角B上扫动反射离开第一扫描镜34的激光束。在变形结构中，扫描镜34、38可以由单个双轴镜代替。
惯性驱动器36是高速的低电能消耗元件。惯性驱动器的细节可以在2003年3月13日提交的美国专利申请序号10/387878中找到，该申请被转让给本申请的相同受让人，其内容结合在此作为参考。惯性驱动器的使用将模块的功率消耗减少到小于1瓦，且在如下所述的投射彩色图像的情况中，减少到小于10瓦。
电磁驱动器42包括结合地安装于第二扫描镜38之后的永磁体44以及用于响应于接收到周期性的驱动信号产生周期性磁场的电磁线圈46。线圈46邻近于磁体44，从而周期性的场与磁体44的恒定场磁相互作用并使得磁体和第二扫描镜38振荡。线圈46由与板16连接的直立壁48支撑。
惯性驱动器36以高速按优选超过5kHz(更优选的是18kHz以上级)的扫描速率振荡扫描镜34。该高扫描速率是不可听频率，从而减少了噪声和振动。电磁驱动器42以40Hz级的低扫描速率振荡扫描镜38，这以足够地快以允许图像持续在人眼视网膜上而没有过度闪烁。
较快的镜34扫过水平扫描线，而较慢的镜38垂直地扫过水平扫描线，从而形成光栅图案，它是通过其构成图像的概略平行扫描线的栅格或序列。每个扫描线都具有许多象素。图像分辨率优选是640×480象素的VGA品质。在某些应用中，320×480象素的VGA品质的一半或320×240象素的VGA品质的四分之一是足够的。最小时，期望160×160象素的分辨率。
可以颠倒镜34、38的角色，从而镜38较快而镜34较慢。镜34也可以被设计成扫过垂直扫描线，在这种情况中，镜38将扫过水平扫描线。同样，惯性驱动器可用于驱动镜38。事实上，任一镜都可由机电、电气、机械、静电、磁或电磁驱动器驱动。
通过选择照亮一个或多个扫描线中的象素构成图像。如以下参考图7更详细地描述的，控制器使得光栅图案中的所选象素通过激光束被照亮并可见。例如，功率控制器50将电流传导到激光器25以激励后者将光发射到每个所选象素，并不将电流传导到激光器25以去激励后者不照亮其它非所选的象素。照亮的和不照亮的象素所形成的图案包括图像，它可以是人或机器可读信息或图形的任何显示。代替功率控制器，声光调制器可用来使激光束从任何所需象素偏转离开，以便通过不允许激光束达到第一扫描镜来不照亮象素。
参考图6，在放大示图中示出光栅图案52。在点54处开始，激光束通过惯性驱动器沿水平方向按水平扫描速率扫到点56以形成扫描线。于是，激光束通过电磁驱动器沿垂直方向按垂直扫描速率扫到点58以形成第二扫描线。按这种方式进行连续的扫描线形成。
通过在微处理器或控制电路的控制下于所选时间由功率控制器50的操作激励或脉冲激光开和关，或者通过由声光调制器的操作在所选时间保持激光开和使激光束偏转，在光栅图案中形成图像。仅当期望看见所需图像中的象素时，激光器产生可见光并打开，或者适当地偏转其光束。例如，通过照亮在连续的线上交错位置处的象素形成图6中的字母“C”。光栅图案是由每个线上的多个象素和多个线形成的栅格。图像是所选象素的位图。每个字母或数字、任何图形设计或标识以及甚至机器可读的条形码符号可以形成为位像。
图6还示出仪器10上的光传送端口或窗口60且通过其在一般垂直于印刷电路板16的方向上投射图像。再次，参考图3，激光束的光路具有激光器/光学装置外壳18和反弹镜32之间的垂直支路62，向扫描镜34左面的倾斜支路64，向扫描镜38右面的水平支路66，以及在朝向观察者并垂直于板16的方向上的向前支路68(参见图6)。可以将图像投射到任何不透明或反射表面上。
如图7所示，主机80将位像数据82发送到由存储器控制器72控制的存储器缓冲器70。一个全VGA帧的存储需要约300千字节，但期望缓冲器70中具有用于两个全帧(600千字节)的足够存储器以便能通过主机写入一帧，同时读取和投射另一帧。另一方面，如果缓冲器的尺寸小于全帧，则在存储器用主机发送的数据达到其最大存储容量之后控制器72可以开始显示线，或者可以同时从缓冲器读取并写入缓冲器。帧同步信号86由主机发送到控制器72。
也被称作高速或X轴镜的第一扫描镜34由惯性驱动器36驱动并由存储器控制器72控制。类似地，也被称作低速或Y轴镜的第二扫描镜38由电磁驱动器42驱动并由存储器控制器72控制。由于在X轴镜的向前和向后扫描期间投射图像，图像数据的所有其它线按逆序显示。因此，主机必须按逆序将图像数据写到缓冲器，或者存储器控制器必须按逆序读取图像数据。
X轴镜具有正弦速度曲线。在给定的时间间隔中，激光束在每个扫描线的中间比在每个扫描线的两端处扫动更多象素。为了避免图像失真，存储器控制器72应以可变时钟率计时象素，或者主机应该用其中象素尺寸变化的数据填充缓冲器70。可变时钟率是优选技术，因为它允许固定尺寸的象素与其它显示器共享。
缓冲器的输出是数字信号84，它与主机帧同步，并与X轴镜34时钟同步和线同步。将该数字信号发送到调制器88，它接着控制激光器25。
如前所述，光学组件用来在扩展范围上保持图像分辨率恒定。特别是，透镜22、24将图像30聚焦成在靠近零距离处(例如图1中的5英寸处)焦点对准。随着从图像30到投影图像40的距离增加，每个象素的尺寸线性地和成比例地增加，反之亦然。因此，光学组件使光束轮廓成形，从而对于给定的扫描角度，距离与斑点尺寸之比保持基本恒定。在较佳实施例中，水平扫描角是±15°(光学上)且垂直扫描角是±20°(光学上)(对于VGA显示)。
来自单束激光的图像可以是单色的，其中所有照亮的象素都具有相同的强度，或者可以按灰度级给出，其中被照亮的象素具有可变强度。为了改变强度，调制器88可以改变每个象素被照亮的时间，或者可以改变施加到每个象素的激光器上的驱动电流量。
通过使用不同频率的多个激光器25a、25b、25c(参见图8)或者通过在单个激光器的路径上插入结晶，图像还可以用彩色给出。红、绿和蓝激光器可分别产生光的红、绿和蓝斑点，它们都引向反弹镜32的相同斑点90。如果仅激励了一个激光器，则镜32上的斑点将具有被激励的激光器的颜色。如果激励了两个或更多激光器，则镜上的斑点将具有所有被激励激光器的混合颜色。通过选择性地重叠红绿蓝激光器中的一个或多个，可以形成可见光谱中的任何颜色。激光器的选择由激光器选择单元92进行。对于彩色图像，模块的尺寸增加，但通过小于30立方厘米的容积仍旧紧凑。
例如，透镜22、24不需要是如上所述的固定的，以控制图像分辨率，但至少一个透镜可以是可活动的，从而到图像30的距离是可调整的。可采用测距仪来测量到图像30的距离，随后将被测距离用来改变可活动透镜移动的程度。
本发明的再一个有用应用是实现全动画，如电视屏幕上常见的。根据本发明，可以以即至少30到40次每秒的刷新率重画图像。这种重画图像的连续显示出电影。因此，本发明不限于单个静态图像的显示，而是明显地旨在覆盖由多个图像的动态显示组成的电影。
权利要求
1.一种用于投射二维图像的图像投影模块；其特征在于，包括a)支架b)支架上的激光器，用于发出激光束；c)支架上的扫描仪，用于在离开模块的可变距离处在空间上扫过扫描线的图案，每个扫描线都具有许多象素；d)控制器，它可操作地连接到激光器和扫描仪，用于通过激光束使得所选象素被照亮并变得可见以形成图像；以及e)支架上的光学装置，用于控制象素尺寸作为离开模块的图像的可变距离的函数，以便在离开模块的距离的扩展范围上控制图像的分辨率。
2.如权利要求1所述的图像投影模块，其特征在于，所述支架是印刷电路板。
3.如权利要求1所述的图像投影模块，其特征在于，所述激光器是固态激光器。
4.如权利要求1所述的图像投影模块，其特征在于，所述扫描仪包括第一可振荡扫描镜和第二可振荡扫描镜，该第一可振荡扫描镜用于在第一扫描角上按第一扫描速率沿第一方向扫动激光束，而第二可振荡扫描镜用于以与第一扫描角不同的第二扫描角，按与第一扫描速率不同的第二扫描速率，沿基本垂直于第一方向的第二方向扫动激光束。
5.如权利要求4所述的图像投影模块，其特征在于，至少一个扫描速率超过可听频率以使噪声最小化。
6.如权利要求4所述的图像投影模块，其特征在于，至少一个扫描镜由惯性驱动器振荡。
7.如权利要求1所述的图像投影模块，其特征在于，所述控制器包括用于激励激光器以照亮所选象素以及用于去激励激光器以不照亮所选象素之外的象素的装置。
8.如权利要求1所述的图像投影模块，其特征在于，所述控制器包括用于调整激 光束以便用可变强度照亮所选象素来产生具有灰度级的图像的装置。
9.如权利要求4所述的图像投影模块，其特征在于，所述光学装置包括透镜组件，它用于保持每个扫描角的图像分辨率基本恒定。
10.如权利要求9所述的图像投影模块，其特征在于，所述图像分辨率包括每个扫描线中至少160个象素，以及至少160个扫描线。
11.如权利要求1所述的图像投影模块，其特征在于，所述支架、激光器、扫描仪、控制器和光学装置一起占据小于5立方厘米的容积。
12.如权利要求6所述的图像投影模块，其特征在于，所述惯性驱动器将功率消耗减少到小于1瓦。
13.一种用于投射二维图像的轻便、紧凑的图像投影模块，其特征在于，包括a)支架；b)支架上的固态激光器，用于发出激光束；c)支架上的光学装置，用于将所述激光束聚焦成离开模块一定距离处的光束斑点；d)扫描仪，它包括支架上的一对可振荡的扫描镜，用于在离开模块的所述距离处在空间上在扫描线的图案中扫动光束斑点，每个扫描线都具有许多象素；e)控制器，它可操作地连接到激光器和扫描仪，用于通过激光束使得所选象素被照亮并变得可见以形成图像；以及f)所述支架、激光器、光学装置、扫描仪和控制器占据不超过5立方厘米的容积。
14.一种用于投射高分辨率二维图像的图像投影模块，其特征在于，包括a)支架；b)支架上的激光器，用于发出激光束；c)支架上的光学装置，用于将所述激光束聚焦成离开模块一定距离处的光束斑点；d)扫描仪，它包括支架上的第一可振荡扫描镜和支架上的第二可振荡扫描镜，该第一可振荡扫描镜用于沿第一方向扫动光束斑点以生成具有至少160个象素的扫描线，而第二可振荡扫描镜用于沿与第一方向垂直的第二方向扫动扫描线以沿第二方向生成至少160个扫描线；以及e)控制器，它可操作地连接到激光器和扫描仪，用于通过激光束使得所选象素被照亮并变得可见以形成具有至少160×160象素的分辨率的图像。
15.一种用于投射二维图像的图像投影模块，其特征在于，包括a)支架；b)支架上的激光器，用于发出激光束；c)支架上的光学装置，用于将所述激光束聚焦成离开模块一定距离处的光束斑点；d)扫描仪，它包括支架上的一对可振荡的扫描镜，用于在离开模块的所述距离处在空间上在扫描线的图案中以各自扫描速率扫动光束斑点，每个扫描线都具有许多象素，至少一个扫描速率处于超过人耳听觉阈值以上的不可听频率以使噪声最小化；以及e)控制器，它可操作地连接到激光器和扫描仪，用于通过激光束使得所选象素被照亮并变得可见以形成图像。
16.一种用于投射二维灰度级图像的图像投影模块，其特征在于，包括a)支架；b)支架上的激光器，用于发出激光束；c)支架上的光学装置，用于将所述激光束聚焦成离开模块一定距离处的光束斑点；d支架上的扫描仪，用于在离开模块的所述距离处在空间上在扫描线的图案中扫动光束斑点，每个扫描线都具有许多象素；以及e)控制器，它可操作地连接到激光器和扫描仪，用于通过激光束使得所选象素被照亮并变得可见以形成图像，该控制器包括调制器，它用于调整至少部分所选象素的光强度以生成具有灰度级的图像。
17.一种用于投射二维彩色图像的图像投影模块，其特征在于，包括a)支架；b)激光器组件，用于发出不同颜色的多个激光束；c)支架上的光学装置，用于将所述激光束聚焦成在离开模块一定距离处的光束斑点处重叠；d支架上的扫描仪，用于在离开模块的所述距离处在空间上在扫描线的图案中扫动光束斑点，每个扫描线都具有许多象素；以及e)控制器，它可操作地连接到扫描仪，用于通过激光束使得所选象素被照亮并变得可见以形成图像，该控制器包括选择器，它用于选择至少部分激光束以照亮所选象素从而形成具有颜色的图像。
18.一种用于投射二维图像的功率最小化图像投影模块，其特征在于，包括a)支架；b)支架上的激光器，用于发出激光束；c)支架上的光学装置，用于将所述激光束聚焦成离开模块一定距离处的光束斑点；d扫描仪，它包括支架上的一对可振荡扫描镜，用于在离开模块的所述距离处在空间上在扫描线的图案中以各扫描速率扫动光束斑点，每个扫描线都具有许多象素，至少一个镜由惯性驱动器驱动以使功率消耗减少到小于1瓦；以及e)控制器，它可操作地连接到激光器和扫描仪，用于通过激光束使得所选象素被照亮并变得可见以形成图像。
19.一种用于投射二维图像的图像投影设备，其特征在于，包括A)具有光传送端口的外壳；以及B)安装在该外壳内的模块，所述模块包括a)支架；b)支架上的激光器，用于发出激光束通过所述端口；c)支架上的扫描仪，用于在离开端口的可变距离处在空间上扫过扫描线的图案，每个扫描线都具有许多象素；d)控制器，它可操作地连接到激光器和扫描仪，用于通过激光束使得所选象素被照亮并变得可见以形成图像；e)支架上的光学装置，用于控制象素尺寸作为离开端口的图像的可变距离的函数以便在离开端口的距离的扩展范围上控制图像分辨率。
20.一种在可变距离处投影二维图像的方法，其特征在于，包括以下步骤a)发出激光束；b)在空间上扫过扫描线的图案，每个扫描线都具有许多象素；c)通过激光束使得所选象素被照亮并变成可见以形成图案；以及d)控制象素尺寸作为图像的可变距离的函数以便在距离的扩展范围上控制图像的分辨率。
全文摘要
一种特别安装在具有光传送窗口的外壳内的轻便紧凑图像投影模块可用于使得光栅图案中的所选象素被照亮以便以单色、彩色或灰度级形成VGA品质的高分辨率图像。象素尺寸被控制为离开模块的图像距离的函数以控制图像分辨率并允许图像在离开模块的距离的扩展范围上保持锐利和清晰。
文档编号H04N5/74GK1653806SQ03810880
公开日2005年8月10日 申请日期2003年5月14日 优先权日2002年5月15日
发明者M·斯特恩, D·亚维德, C·潭, F·F·吴德 申请人:讯宝科技公司