一种激光扫描投影方法及装置

1.本发明涉及激光投影显示领域。


背景技术：

2.激光扫描投影提供了一种适应当今社会的显示解决方案，它为超近距离的大面积投影提供了可能，而且无需对焦，系统的去设计、研制一台前无古人后无来者的激光扫描投影装置不但可以让我们将自己脑海中大胆的想法变为现实，还将从现实意义上论证这种新型结构的可行性，有效性，它是否经济等等。以及进一步探索它的发展方向，电话刚刚问世时的样子与现在完全不同，这个激光扫描投影装置也是一样，它可以变得更精密，更精致，更经济。
3.随着激光显示产品的普及，激光显示产品开始作为替代电视的大屏幕产品走进了千家万户，作为替代电视的显示产品。激光投影设备在人们工作和生活中的应用越来越广泛，比如教育、办公、家用或娱乐等。激光投影设备所投射的投影画面的分辨率越高，用户观看体验越好。因此，人们对激光投影设备的要求也越来越高，投影显示技术以其快速、直观的信息传递方式受到越来越多人的青睐。
4.现有技术中转速越快，投影仪扫描的频率越高，像的频闪程度越小，但转镜的稳定性也越差，对动平衡的要求也更高，转速越低，像的频闪程度增大，但是对于转镜动平衡的要求降低，生产更加容易，那么可能会导致投影仪无法呈现出完整的图像，导致图像错位等问题。若转镜的转速不均匀，则像可能会出现抖动，位移等情况，影响成像的质量，由于其他原因导致转镜的角度信息无法被回传回控制系统，那么投影仪将不会显示图像，若回传了错误的数据，那么投影仪显示的像将会有偏移，错位的现象。激光扫描投影往往使用一个光学系统产生单一一束激光在像面上扫描进行投影，这种投影方式对光学系统的要求较高，限制了激光投影的功率和刷新率。现有的全息显示方案有一种就是利用投影，但是其受限于投影距离的量示一直难以小型化与实用化，成为本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为了解决现有的全息显示方案有一种就是利用投影，但是其受限于投影距离的量示一直难以小型化与实用化的问题。本发明提供的技术方案在于：
6.方案一、本发明提供一种激光扫描投影方法，所述激光扫描投影方法为：
7.将待投影的图像拆分成多行像素，按照指定频率、依次将每一行像素映射到一行激光光源上，控制所述激光光源输出对应的激光信号；
8.所述转镜匀速旋转，使得所述转镜的反射面逐一按照指定的频率面向激光光源，将所述激光光源输出的光信号反射到屏幕上。
9.进一步地，提供一种优选实施方式，所述指定为200hz。
10.进一步地，提供一种优选实施方式，所述转镜相邻反射面反射的激光光源在屏幕上的投影位置的距离为待投影图像的相邻行像素之间距离的n倍，每一行像素映射到激光
光源之后被放大n倍。
11.方案二、基于同一发明构思，本发明还提供的一种激光扫描投影装置，所述装置采用方案一所述的方法实现，所述装置包括：平行伺服激光光源、转镜、投影屏幕，所述平行伺服激光光源由至少一行激光器组成，每行激光器包括多个等间距排布的激光器，所述一行激光器中两端的激光器之间的距离为l，所述转镜的长度大于l，所述转镜包括多个反射面，所述多个反射面在圆周方向等间距分布，所述转镜的转轴与所述平行伺服激光光源的光源输出方向相互垂直，且所述转镜的任意一个反射面都能够将平行伺服激光光源发射的激光束反射至投影屏幕上。
12.进一步地，提供一种优选实施方式，所述激光扫描投影装置还包括转镜驱动系统，所述转镜驱动系统用于驱动所述转镜旋转，并控制所述转镜每个一反射面所反射激光源投射到屏幕上的位置。
13.进一步地，提供一种优选实施方式，所述转镜为曲面六边形转镜，所述转镜的最大扫描角度差为120度。
14.进一步地，提供一种优选实施方式，所述转镜为多棱柱结构，所述多棱柱的每个面为反射面。
15.进一步地，提供一种优选实施方式，所述平行伺服激光光源由至少两行激光器组成，所述至少两行激光器为等间距阵列排布。
16.进一步地，提供一种优选实施方式，所述等间距阵列为平行排列或交错排列。
17.进一步地，提供一种优选实施方式，所述平行伺服激光光源位于所述投影屏幕与所述转镜之间。
18.本发明的有益之处在于：本发明提供的一种激光扫描投影装置中所述的多个平行独立的伺服激光光源通过同一光学系统进行扫描投影，对于每个激光源的受控函数，其只与所显示图像的一条直线上的像素点有关，图像的一条像素线只由一个激光器扫描投影，可以实现更高的投影功率。
19.本发明提供的一种激光扫描投影装置相较于传统的激光扫描投影仪，对于控制系统的要求更低，可以使投影的亮度更高，功率更大。能够实现单一一束激光在投影屏幕上扫描进行投影，提高成像质量，应用于多种场景。
20.本发明提供的一种激光扫描投影装置通过增加由柱状镜片组组成反向望远镜系统的x轴收束装置，这个装置可以缩小激光束在x轴方向的宽度，使得投影像的质量更加均匀稳定。
21.本发明提供的一种激光扫描投影装置适用于激光扫描投影显示工作中。
附图说明
22.图1为本发明提供的一种激光扫描投影装置的侧视图。
23.其中1为平行伺服激光光源，2为转镜，3为转镜轴，4为投影屏幕，5为激光出射路径，6为经反射的激光路径。
24.图2为本发明提供的一种激光扫描投影装置中主要光学组件示意图。其中7为激光器，8为金属外壳。9为收束装置。
25.图3为本发明提供的一种激光扫描投影装置加装收束装置后的侧视光路图。
26.图4为本发明提供的一种激光扫描投影装置的立体示意图。
27.图5为本发明提供的一种激光扫描投影方法及该装置的使用方法的控制流程图。
28.图6为实施方式七所述的一种激光扫描投影装置中两行平行激光器的示意图。
29.图7为实施方式七所述的一种激光扫描投影装置中交错排列激光器的示意图。
具体实施方式
30.为使本技术实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施方式中的附图，对本技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本技术一部分实施方式，而不是全部实施方式。
31.实施方式一、参见图5说明本实施方式。本实施方式提供了一种激光扫描投影方法，所述激光扫描投影方法为：
32.将待投影的图像拆分成多行像素，按照指定频率、依次将每一行像素映射到一行激光光源上，控制所述激光光源输出对应的激光信号；
33.所述转镜匀速旋转，使得所述转镜的反射面逐一按照指定的频率面向激光光源，将所述激光光源输出的光信号反射到屏幕上。
34.本实施方式所述的方法，在实际应用中可以设计相应的控制系统实现整个方法的控制过程，激光光源采用激光器7实现，所述控制系统用于控制转镜2和激光器7的工作，并在工作过程中实时监测转镜2的转速与角度，所述转速采用转速传感器实现实时检测，所述角度可以通过传感器实时采集转镜2的转动角度获得，获得转镜2的实时角度θ和转速ω，设定转镜2的反射面将激光光源输出的激光信号反射到屏幕的角度e0，e0通常在55度+k倍60度左右，对于六面转镜，当60度时开始扫描，k为整数，通常需要提前20-200ms左右的时间来激活控制系统，如控制系统延时固定为30ms(人为设定的时间，这段时间里控制系统计算转镜速度与各激光器点亮的时间间隔)，转镜2到达下一次投影开始就还有5度/角速度w的时间t0，那么投影在t0为30ms后开始投影，如原型机使用的激光传感器，e0是转镜将激光传感器的激光束反射到接收器的角度，e0服从上述的条件。多余的时间是用来适应控制系统自身的延迟，对于一些触发类传感器，如原型机使用的激光传感器，且控制系统内预先应含有屏幕上扫描方向上像点位置x与(e-e0)的关系函数x＝f(e-e0)，当所述转镜2使用六棱柱曲面转镜时，f可以由一个一次函数表达，而输入的图像信息又可以被解析为亮度li与像点位置(x，y)的函数li＝c(x,y)。激光器7的发光函数为wi＝n(y,li)。控制系统先控制转镜2稳定在转速ω，等待转镜抵达一个特定的角度e0时，可以求解得发光函数n(y,li)＝n(yc(f(wt),y)),其中t为时间，ω
t
为t时的转速，y为y轴方向上点坐标，c为图像上x，y点像素的信息，而激光器7则会按照这个函数工作，从而在屏幕上扫描得到完整的图像。
35.本实施方式中，控制系统首先会让转镜2运行在一个旋转速度相对稳定且适宜的状态，转速越快，投影仪扫描的频率越高，像的频闪程度越小，但转镜的稳定性也越差，对动平衡的要求也更高，转速越低，像的频闪程度增大，但是对于转镜动平衡的要求降低，生产更加容易。如果转速传感器失效或因为其它原因导致转镜转速稍快，则像的x轴方向的长度会缩短，变慢则会导致x轴方向的长度变长，若转镜的转速远高于预设速度一倍以上，那么可能会导致投影仪无法呈现出完整的图像，导致图像错位等问题。若转镜的转速不均匀，则像可能会出现抖动，位移等情况，影响成像的质量。
36.实施方式二、参见图5说明本实施方式。本实施方式是对实施方式一提供的一种激光扫描投影方法的进一步限定，所述指定频率不小于200hz。
37.本实施方式中所述的频率为像素的行数除以激光扫过屏幕一次所需要的时间，本技术中所述的最低频率为200hz,同时满足像素为8行25hz的刷新率，且最高频率无上限。
38.实施方式三、参见图5说明本实施方式。本实施方式是对实施方式一提供的一种激光扫描投影方法的进一步限定，所述转镜相邻反射面反射的激光光源在屏幕上的投影位置的距离为待投影图像的相邻行像素之间距离的n倍，每一行像素映射到激光光源之后被放大n倍。
39.本实施方式中是n为大于0的自然数，当n大于1时图像在竖直方向上拉伸，n等于1时，图像无失真，n小于1时图像在竖直方向上压缩。
40.实施方式四、参见图1说明本实施方式。本实施方式提供了一种激光扫描投影装置，所述装置采用实施方式一所述的方法实现，所述装置包括：平行伺服激光光源1、转镜2、投影屏幕4，所述平行伺服激光光源1由至少一行激光器7组成，每行激光器7包括多个等间距排布的激光器7，所述一行激光器7中两端的激光器7之间的距离为l，所述转镜2的长度大于l，所述转镜2包括多个反射面，所述多个反射面在圆周方向等间距分布，所述转镜2的转轴与所述平行伺服激光光源1的光源输出方向相互垂直，且所述转镜2的任意一个反射面都能够将平行伺服激光光源1发射的激光束反射至投影屏幕4上。
41.本实施方式中的转镜2能够实现将平行伺服激光光源1产生的激光束经过转镜2反射扫描到投影屏幕4上，然后采用实施方式一所述的方法进行控制，实现将图像扫描映射到透镜屏幕3上。
42.本实施方式中转镜2是一个绕转轴3旋转的光学系统，具体的，可以将该转轴3设置在平行伺服激光光源1发射的激光束的光路上，即：转轴3与平行伺服激光光源1发射的激光束位于同一个平面内，使得转镜2的每个反射面能够将沿着所述转轴3所在平面入射的光线在投影屏幕上的像点沿着直线扫描，可以解决对于转镜动平衡的要求降低，生产更加容易。
43.实施方式五、参见图2说明本实施方式。本实施方式是对实施方式四提供的一种激光扫描投影装置的进一步限定，所述激光扫描投影装置还包括控制系统和转镜驱动系统，控制系统用于控制平行伺服激光光源1发射激光束，还用于发送控制信号给所述转镜驱动系统，用于驱动所述转镜2旋转，进而控制所述转镜2每个一反射面所反射激光束投射到屏幕上的位置。
44.实施方式六、本实施方式是对实施方式四提供的一种激光扫描投影装置的进一步限定，所述转镜为曲面六边形转镜，所述转镜的最大扫描角度差为120度。
45.本实施方式中所述的转镜2的一种优选结构为：曲面六边形转镜，所述转镜2的最大扫描角度差为120度。
46.实施方式七、本实施方式是对实施方式四提供的一种激光扫描投影装置进一步限定，所述转镜2为多棱柱结构，所述多棱柱的每个侧面都是反射面。
47.本实施方式中的转镜2的实现有多种方案，如单面体转镜和多面体转镜，单面体转镜只由一个光滑面和转轴组成，光滑的面可以是平面镜，也可以是为了其他特性而特殊设计的外形的反射镜，而多面体转镜由多个光滑面和一个转轴组成，面可以是平面或者特殊形状的面,例如：三棱镜(参加见图2所示)、六面体曲面转镜(参见图1、3、4所示)，其中两种
较为经济与高效的转镜结构分别是六面体平面转镜和六面体曲面转镜。六面体平面转镜是一个六棱柱，每个棱之间的镜面为平面镜，转轴与棱平行且位于棱的几何中心，这样的反射镜易于加工生产，成本较低。
48.六面体曲面转镜是一个六棱柱，每个棱之间的镜面为曲面镜，其曲面特征在于可以使得转镜转动的角度与像面上激光光斑移动的距离成一次函数关系，这样的设计可以简化转轴与棱平行且位于棱的几何中心。
49.实施方式八、本实施方式是对实施方式四提供的一种激光扫描投影装置的进一步限定，所述平行伺服激光光源1由至少两行激光器7组成，所述至少两行激光器7为等间距阵列排布。
50.参见图6和图7说明本实施方式，图6所示的是由两行激光器7组成，所示两行激光器7呈等间距矩阵排列，是平行紧密排列。所述图7所述的是两行激光器7组成，所示两行激光器7呈交错紧密排列，本实施方式通过两行的、平行排列和交错排列激光器7的示意图说明本实施方式的激光器7的不限于一种。
51.其中本实施方式所述激光器7的排列方式为平行紧密排列或交错紧密排列。这两种排列的光束间隔dx分别为外壳厚度的两倍和一倍，图6为平行紧密排列的光束间隔dx为外壳厚度的一倍，图7为交错紧密排列的光束间隔dx为外壳厚度的二倍。若激光器7对应频率的光谱光视效率为vλ，则屏幕的最大光通量为(n*vλ*wi)lm。其中,n为发光函数，lm是光通量的单位流明。
52.实施方式十、参见图2明本实施方式。本实施方式是对实施方式四提供的一种激光扫描投影装置进一步限定，所述平行伺服激光光源1位于所述投影屏幕4与所述转镜2之间。
53.本实施方式中进一步限定了平行伺服激光光源1位于所述投影屏幕4与所述转镜2之间，同时还包括收束装置9，所述收束装置9安装在转镜2与平行伺服激光光源1之间，用于将所述平行伺服激光光源1发射的激光束聚焦之后投射至转镜2的反射面上。
54.本方案中的收束装置9，激光光束在x轴方向上的宽度过大，会影响投影的精度，所以在y轴方向上增加由收束装置9采用柱状镜片组组成的反向望远镜系统，这个收束装置9可以缩小激光束在x轴方向的宽度，使得投影像的质量更加均匀稳定。
55.此外，术语“实施方式一”、“实施方式二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
56.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
57.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优
选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种激光扫描投影方法，其特征在于，所述激光扫描投影方法为：将待投影的图像拆分成多行像素，按照指定频率、依次将每一行像素映射到一行激光光源上，控制所述激光光源输出对应的激光信号；所述转镜匀速旋转，使得所述转镜的反射面逐一按照指定的频率面向激光光源，将所述激光光源输出的光信号反射到屏幕上指定的位置，实现将所述待投影的图像投射到屏幕上；所述转镜为带有多个反射面的、可旋转的反射镜。2.根据权利要求1所述的激光扫描投影方法,其特征在于，所述指定频率不小于200hz。3.根据权利要求1所述的激光扫描投影方法,其特征在于，所述转镜相邻反射面反射的激光光源在屏幕上的投影位置的距离为待投影图像的相邻行像素之间距离的n倍，每一行像素映射到激光光源之后被放大n倍。4.一种激光扫描投影装置，其特征在于，所述装置采用权利要求1所述的方法实现，所述装置包括：平行伺服激光光源(1)、转镜(2)、投影屏幕(4)，所述平行伺服激光光源(1)由至少一行激光器(7)组成，每行激光器(7)包括多个等间距排布的激光器(7)，所述一行激光器(7)中两端的激光器(7)之间的距离为l，所述转镜(2)的长度大于l，所述转镜(2)包括多个反射面，所述多个反射面在圆周方向等间距分布，所述转镜(2)的转轴与所述平行伺服激光光源(1)的光源输出方向相互垂直，且所述转镜(2)的任意一个反射面都能够将平行伺服激光光源(1)发射的激光束反射至投影屏幕(4)上。5.根据权利要求4所述的激光扫描投影装置，其特征在于，所述激光扫描投影装置还包括控制系统和转镜驱动系统，控制系统用于控制平行伺服激光光源(1)发射激光束，还用于发送控制信号给所述转镜驱动系统，用于驱动所述转镜(2)旋转，进而控制所述转镜(2)每个一反射面所反射激光束投射到屏幕上的位置。6.根据权利要求4所述的激光扫描投影装置，其特征在于，所述转镜(2)为曲面六边形转镜，所述转镜(2)的最大扫描角度差为120度。7.根据权利要求4所述的激光扫描投影装置，其特征在于，所述转镜(2)为多棱柱结构，所述多棱柱的每个面为反射面。8.根据权利要求4所述的激光扫描投影装置，其特征在于，所述平行伺服激光光源(1)由至少两行激光器(7)组成，所述至少两行激光器(7)为等间距阵列排布。9.根据权利要求8所述的激光扫描投影装置，其特征在于，所述等间距阵列为至少两行激光器(7)呈平行排列或交错排列。10.根据权利要求3所述的激光扫描投影装置，其特征在于，所述平行伺服激光光源(1)位于所述投影屏幕(4)与所述转镜(2)之间。

技术总结
一种激光扫描投影方法及装置，本发明涉及激光投影显示领域,解决现有的全息显示方案有一种就是利用投影，但是其受限于投影距离的量示一直难以小型化与实用化的问题。激光扫描投影方法，激光扫描投影方法为：将待投影的图像拆分成多行像素，按照指定频率、依次将每一行像素映射到一行激光光源上，控制激光光源输出对应的激光信号；使得转镜的反射面逐一按照指定的频率面向激光光源，将激光光源输出的光信号反射到屏幕上。装置采用的方法实现，装置包括：平行伺服激光光源、转镜、投影屏幕，平行伺服激光光源由至少一行激光发射器组成，且转镜的任意一个反射面都能够将平行伺服激光光源发射的激光束反射至投影屏幕上。还适用于激光扫描投影工作中。扫描投影工作中。扫描投影工作中。


技术研发人员：王启 王佳瑶 王欣 陈松林
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/8/9