專利名稱：用于掃描投影的投影設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種投影設備，具體涉及一種用于投影激光器的灰度 縮放調制方法。
背景技術：
對于圖像投影，使用并行方法(例如使用LCD (液晶顯示器)或 使用微鏡陣列的情況)或掃描方法(例如通過雙軸活動鏡或兩個單軸 活動鏡來實現)。在并行方法中，不利地的是，在制造中需要較大的襯 底面積，并且還需要復雜的測試過程。上述二者導致了并行類型的投 影儀的較高價格，因此對于低成本投影設備而言，不考慮并行工作的 方法。在掃描方法中，投影儀包括能夠分別使光束能夠繞兩個偏轉軸偏 轉以及使光束二維偏轉的一個或兩個活動鏡。通過偏轉，在像場上移 動光束所產生的光點，同時在像場上對光束的強度進行調制，并且該 強度取決于光點在像場上的瞬時投影位置。因此，所需圖像內容的表現是與所要表現的圖像的像點數據相對 應地對光源進行調制。例如，這里的調制是通過幅度的變化，其中與 所要表示的點的亮度相對應地來適配光束的幅度值。為了實現盡可能 多的灰度級，應不斷地或以大約無極的方式在幅度方面對激光器進行 調制。例如，如果使用基于微掃描器-鏡的激光器系統(tǒng)，則可以以較低 成本實現投影系統(tǒng)，并且?guī)缀醪淮嬖诳臻g要求。在US 6843568中描述 了這種激光器系統(tǒng)的一個示例。這里，通過繞兩個軸旋轉的微鏡，使 發(fā)射自一個或多個激光源的光偏轉，并將其投影到投影區(qū)域或像場。掃描投影系統(tǒng)的一個主要參數是所使用的掃描方法。最重要的掃 描方法是線性掃描和共振掃描，也可能具有中間形態(tài)，但很少使用。由于該掃描方法是分別針對發(fā)射光繞其偏轉的兩個軸而分離地選定 的，因此可以將掃描投影系統(tǒng)分成三個組1. 對兩個投影坐標進行線性掃描的系統(tǒng)2. 對一個投影坐標進行線性掃描、對另一個進行共振掃描的系統(tǒng)3. 對兩個投影坐標進行共振掃描的系統(tǒng)在進行線性掃描的系統(tǒng)中，投影基于圖像的柱狀和線狀表示。在 這種系統(tǒng)中，為了允許該柱狀和線狀表示，與柱頻率(即，光束沿著 垂直方向的偏轉頻率)相比，線頻率(即，光束和/或光點在水平方向 的偏轉頻率)較大。這些頻率彼此間的比率確定了可分辨的線數，并 且只可以通過所謂的隔行掃描方法來增加該可分辨的線數，在該隔行 掃描方法中，交替掃描和/或表示圖像中的所有偶數行和所有奇數行。在微機械制造的掃描投影儀或掃描器中，由于系統(tǒng)的機械穩(wěn)定性 隨本征頻率降低，因此低本征頻率或共振頻率的實現將造成重要問題。 如果共振地激勵垂直偏轉，則因此偏轉鏡需要對應地以甚至較高的水 平頻率來操作。備選地，必須在準靜態(tài)操作中執(zhí)行垂直偏轉，以便能 夠共振地產生水平偏轉。在光束的共振垂直行偏轉的情況下，存在水 平列頻率無論如何都必須大于共振行頻率的問題。這里所產生的較大 水平偏轉頻率包括鏡面的動態(tài)變形，這將導致投影中的分辨率問題。 在準靜態(tài)垂直行偏轉的情況下，需要極高操作工作功率，這使得對偏 轉單元或鏡的控制的微型化變得不可能實現，或者使得偏轉單元非常 昂貴。由于行頻率或垂直頻率確定了圖像的重復頻率，并且過低的重 復頻率將導致圖像的閃爍，因此通過降低行頻率或垂直頻率無法消除 上述這些問題。圖6示出了對線性掃描的示意性例證。例如，表示圖像的投影區(qū)域在xy平面中，并受限于右邊緣40a、左邊緣40b、下邊緣40c以及 上邊緣40d。例如，光束和/或激光41在圖像的右上角的開始點A處 開始，圖像的投影是根據所表示的圖形通過光束41的移動進行的。因 此，光束首先僅沿著x坐標從圖像右邊緣40a移動到圖像的左邊緣 40b，然后光束41移動到下一條線，即在改變y值的情況下移回圖像 的右邊緣40a，使得光束41出現在所表示的圖像的下一條線上。從圖像的右邊緣40a，光束再次與下邊緣40c平行地移動至圖像的左邊緣 40b。該圖案相應地繼續(xù)，直到光束41已經逐行地表示了整個圖像， 并且已經達到了終點A。在線性掃描中，光束或激光41在各個投影方向的偏轉是利用時 間線性方式。這樣的話，投影出具有相等時間段的所有像點。這主要 考慮到圖像投影數據的簡單讀出以及與各個像點的位置不相關的簡單 調制。然后，與此同時，對偏轉系統(tǒng)提出了關于其線性的較高需求。 這意味著光束41準確地沿著行線(即，與x方向平行)移動，并以盡 可能恒定的速度沿著該線移動，使得光束以固定指定的時刻到達圖像 的左邊緣40b。如圖6所示，對偏轉單元的控制需要鋸齒信號或三角 信號，即包含多個諧波的信號。如上述已詳細說明的，所述鏡使光束 沿著x方向偏轉所使用的頻率與鏡使光束沿著y方向偏轉所使用的頻 率非常不同，并由一秒內圖像所表示的行數或圖像的重復頻率給出上 述兩個頻率。通常，這些頻率是外部缺省的，并且不取決于xy平面的 兩個方向中的鏡偏轉的相應共振頻率。因此，對機械系統(tǒng)的控制與共 振行為相對，這意味著相對高的能量消耗。在共振掃描中，激光器41的偏轉是根據正弦函數進行的，其中， 例如該頻率可是用于鏡的共振行為。在這種情況下，由于激光器41 沒有以固定速度在整個投影區(qū)域上移動，因此像點的投影持續(xù)時間將 是位置獨立的。在將共振掃描用于投影坐標的系統(tǒng)中，例如可以通過 以較高重復次數(repetition time)實現李薩如圖(Lissajous)來實 現對所有像點的覆蓋。這里，較高重復次數表示多個至少共同的坐標 投影頻率。然而，在這種方法中，圖像投影數據的讀出變得復雜。不均勻像素調制次數(例如作為像點取決于位置的不同長的投影 持續(xù)時間的結果)需要對(激光)調制的適配，下面將對此進行更為 詳細的描述。如上所述，在共振掃描中，通過純正弦信號來執(zhí)行對系 統(tǒng)的控制是有利的。具體而言，除了純正弦信號是理想的事實以外， 可以據此利用偏轉系統(tǒng)的機械共振屬性來實現能量優(yōu)化。例如，雙共振掃描中的調制如下進行。在通過激光來投影由矩形 像素光柵構成的圖像的過程中，在像素區(qū)域的整個掃描過程中(=持續(xù)時間T—, (T像素))激光源以固定功率操作，使得在這個時間段期間完整地輻射出所要表示的像點的能量EPw (光量)。由于像點的亮度可以持續(xù)變化，因此也希望以模擬或非常精細的方式調制激光功率。圖5示出了傳統(tǒng)幅度調制的示例。左手邊示出了具有16個像素 的圖像。除了像素A和像素B，所有其它像素都是白色。像素A具有 較亮的灰度級，而像素B具有較暗的灰度級。激光束41以第一時刻 L到達像素A，并在第二時刻T2之前對像素A進行掃描。在第二時刻 T2與第三時刻T3之間的時間段內對像素B進行掃描。依賴于激光束41 的速度，并且依賴于像素大小，針對各個像素的激光束41的掃描持續(xù) 時間或停止持續(xù)時間Tpw可以改變。圖5中的右手邊示出了為了表示圖5左手邊的圖片而如何相應地 改變激光功率(i s)。在第一時刻T,之前，激光以對應于白色 像素的固定的最大功率i^輻射。在激光束41到達像素A的第一時刻 L時，激光的功率從值i^減小到值i,。在第一時刻T,與第二時刻T2 之間，當激光對像素A進行掃描時，激光以第一強度i,恒定地輻射。 在第二時刻T2處，激光束到達像素B，并且激光束的功率從i,減小到 另外的值i2。激光的第二強度i2在激光束將要離開像素B的第三時刻 T3之前再一次保持不變。由于這里假設了時刻T,、T2和L相互之間的距離相同或幾乎相同， 并且由于第二強度i2小于第一強度i"因此相應的像素B比像素A暗。 從第三時刻T3開始，激光再一次以最大功率i目輻射，使得隨后的像 素再次對應于白色像點。像點或像素出現在像場中的亮度與激光在掃 描持續(xù)時間Tp^期間傳送的光量或能量相對應，并且可以計算如下激光調制Tpixel ， i laser = Epixel其中，i^在間隔[T,， T2]內保持恒定，并且假設Tpixel=T2-T,=T3-T2。因此，在傳統(tǒng)激光投影系統(tǒng)中，亮度調制僅通過激光的灰度級來 進行。為了能夠投影逼真的圖像，激光的幅度(以及因此為輻射強度) 應該可以以模擬或非常精細的方式調節(jié)。然而，這在技術上通常無法 實現，或需要極大的努力。具體地，由于掃描持續(xù)時間Tp^可以只處 于若干納秒的范圍內，這將產生依賴于分辨率方面的技術問題。因此必需使用能夠以準無極方法進行幅度調制的激光器，該激光器具有幾 百兆赫茲的調制頻率。發(fā)明內容根據現有技術，本發(fā)明的目的是提供一種用于掃描地投影圖像的 投影設備及方法，其允許投影高質量的圖像，而不需要可精細調節(jié)的 光源。上述目的可由根據權利要求1的投影設備和根據權利要求20的方 法來實現。本發(fā)明基于以下發(fā)現在不考慮光強度控制的粗略度的情況下，通過調制裝置改變光束強度而使得光束的強度在時間間隔(在 Tp^期間，輻射束18所指向的掃描點對像場(22)中的像素進行掃描)中改變的事實，可以獲得用于通過輻射束或光束掃描地將圖像投影到 像場的投影設備。在該時間間隔期間，例如光束的強度可以關于若干 等級步驟(以步進式)二進制地改變，或者也可以持續(xù)改變。可以采用激光產生光束。但是，也可以使用其它輻射源。然而， 亮度調制不僅通過激光的灰度級進行，而且例如包括在持續(xù)時間Tp^中對像素區(qū)域的掃描期間，并不是永久地掃描激光，而是利用對脈沖 持續(xù)時間和/或占空比的適配僅二進制地掃描激光。對于激光在其中具 有兩種狀態(tài)(開狀態(tài)和關狀態(tài))的典型二進制掃描，優(yōu)選地選擇脈沖 持續(xù)時間，使得乘積U^i與所要掃描的像素能量Epy相對應，其中 toN與激光處于幵狀態(tài)的持續(xù)時間相對應。對于二進制調制的激光，兩種狀態(tài)或光強度等級之間的唯一差別 是O和i,.p^，使得僅在激光處于開狀態(tài)的持續(xù)時間中調節(jié)亮度適配。 優(yōu)選地，將開狀態(tài)布置于時間間隔Tp^的中間。因此，可以從下列公式得到像點的亮度激光調制- ton, pixel imax 二 Epixel本發(fā)明利用數學公式描述了一種投影設備，其中光束強度的時間 導數具有最大值，使得該最大值位于時間間隔Tpw內。時間導數的極 大值與強度的拐點相對應，并且在實施例中光束強度的時間函數在時間間隔TpiX6l中至少具有兩個拐點，使得強度的最大值在兩個拐點之間。 優(yōu)選地，在時間間隔Tp^的兩個邊緣處，存在強度的局部極小值。此 外，優(yōu)選地對所述時間間隔期間傳送的光量進行調整，使得所述光量 與所要表示的像點的亮度相對應。在本發(fā)明的其它實施例中，該投影設備包括例如具有兩個鏡的偏 轉設備，使得可以使光束在像場的兩個方向發(fā)生偏轉。如上述所提到 的，例如光束是發(fā)射自激光系統(tǒng)的激光束，并由典型偏轉設備作為圖 像投影在像場上。例如，可以使用脈沖激光器作為激光系統(tǒng)，使得可 以使用時間間隔Tp^中傳送的脈沖數目來調節(jié)像點的強度和亮度。在其它實施例中，將二進制調制的光源與幅度調制相結合，使得 不僅可以實現光束的兩種狀態(tài)(開/關)，而且還可以實現光束強度的 較慢以及穩(wěn)定上升。在本發(fā)明方法與多狀態(tài)亮度調制的組合中，在時 間可變強度的像素掃描期間對激光進行調制，使得優(yōu)選地通過積分得 到輻射到像點的能量。這個條件可以由下列公式表示激光調制<formula>formula see original document page 10</formula>通過該變體，可以相對于最大激光調制頻率以及所需激光灰度級 數目來優(yōu)化該系統(tǒng)。例如，激光的亮度調制可以通過已知的幅度調制 來進行。在其它實施例中，獲得了通過組合方法實現的其它激光調制曲線。 例如，該組合方法包括使用非恒定控制(即，像素內和/或時間間隔TpiXE)內的在時間上自由變化的幅度)。針對該組合的另一示例是使用像 素內的時間離散步進式變化幅度的控制。在其它實施例中，所實現的不僅是工作于特定波長(因此為特定 色彩)的典型激光系統(tǒng)，而且是對多個色彩起作用的系統(tǒng)的組合。利 用三原色的三個激光系統(tǒng)，例如可以投影多色彩圖像，使得每個激光 系統(tǒng)同時將對應的色彩的每個局部圖像投影到像場。但是，相同色彩 和/或相等波長的若干系統(tǒng)也可以重疊，從而此實現例如增加的圖像重 復頻率。在二進制調制中，利用兩階改變激光強度。但是，多階調制也是可以的，例如對強度的三或四階變化。與現有技術相比，本發(fā)明的投影設備或本發(fā)明的方法的優(yōu)點在于， 可以使用具有相對高調制頻率的二進制可調制的激光器。也可以使用 可用于極高脈沖頻率的脈沖激光器。


下面將參考附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行更為詳細的說明， 在附圖中圖1示出了根據本發(fā)明的實施例的投影設備的示意性圖示；圖2示出了兩個偏轉頻率之比為50:51時在圖1的投影設備的光束在像場上的描繪的預定軌跡(course);圖3示出了根據另一實施例的光束的二進制調制；圖4a至4d示出了通過根據實施例的組合方法的調制；圖5示出了傳統(tǒng)的亮度調制；以及圖6示出了描述線性掃描的光束的預定軌跡。
具體實施方式
在下文中，在基于附圖對本發(fā)明的實施例進行更詳細說明之前， 應指出，附圖中的相同或相似的元素具有相同或相似的附圖標記，并 省略了對這些元素的重復描述。參考圖1，首先描述根據本發(fā)明的一個實施例的投影設備的構造。 應指出，為了更好地理解，圖1中的圖示不是按比例具體化的。此外， 盡管本發(fā)明也可應用于提供對圖像的彩色表示的投影設備，圖l涉及 一種用于單色表示圖像的投影設備。權利要求1中的投影設備包括激光器10、偏轉裝置12以及再現 調制單元14。再現調制單元14在輸入端處接收表示要投影的圖像的 輸入圖像數據，并經由輸出端與激光器10的控制輸入端相連，以便向 激光器10發(fā)送數字控制信號16，通過數字控制信號16調制從激光器 10發(fā)送出的激光束18的強度，激光束18由對應于控制信號16的曲 線的強度曲線20示意性示出。偏轉裝置12將激光束18偏轉到像場22的方向或使其沿像場22的方向偏轉，該偏轉裝置使能夠實現對激光束18的二維偏轉。偏轉后的激光束由18'表示。在本實施例中，偏轉裝置12包括微機械制造的二軸懸掛鏡24， 備選地，也可以使用兩個微機械制造的單軸懸掛鏡。該二軸懸掛鏡24 由矩形鏡面26和矩形框28組成。為了使鏡面26能夠繞兩個軸進行二 軸懸掛和旋轉，使矩形鏡面26經由第一偏轉軸30以居中的方式懸掛 或軸轉在框28中。與第一偏轉軸30垂直地使框28以居中的方式繞著 與第一偏轉軸30垂直的第二偏轉軸32軸轉。通過沿著兩個偏轉軸30 和32的懸掛，二軸懸掛鏡受到在平衡位置附近繞軸30或32傾斜的回 復力，由此該二軸懸掛鏡相對于這兩個軸30和32具有本征頻率或共 振頻率。偏轉裝置12還包括用于使二軸懸掛鏡24繞偏轉軸30和32擺動 的控制裝置(未示出)，由此使光束18以第一偏轉頻率f,繞第一偏轉 軸偏轉以及以第二偏轉頻率f2繞第二偏轉軸32偏轉。將偏轉頻率 和偏轉頻率f2調節(jié)為其本征頻率附近的頻率，兩者差距甚微。此外， 調節(jié)偏轉頻率f,和偏轉頻率f2，使得兩者具有分數有理數比率。繞這 兩個偏轉軸30和32的擺動的最大偏轉或反轉點定義了實角度部分 34，其中偏轉光束18'移動并延伸至整個像場22。由于偏轉頻率，偏 轉激光器所產生的光點35描繪了李薩如圖，將在下面對其進行描述。偏轉裝置12經由兩個輸出端與再現調制單元的兩個另外的輸入 端相連，以向其發(fā)送觸發(fā)信號Tx和Ty，用于指示繞第一或第二偏轉 軸30或32的擺動將分別在何時處于其上反轉點或下反轉點。如下面 所描述的，觸發(fā)信號Tx和Ty起到了同步再現調制單元14與偏轉裝置 12的作用。如下面所描述的，光束18的偏轉與光束18的強度調制一同在像 場22中產生圖像36，其中在圖1中，僅典型地將包括圓圈的十字形 示出為圖像，所述圓圈的圓心位于所述十字形的交叉點上。在描述了圖1的投影設備的構造之后，下面將描述該投影設備的 功能或該投影設備所根據的投影方法。在下文中，首先說明激光束18的偏轉，將其當作由偏轉裝置12所實施的行為。如先前所描述的，使二軸懸掛鏡24分別以偏轉頻率f,和偏轉頻率f2繞偏轉軸32和30擺動，該偏轉頻率f,和偏轉頻率f2 等于或約等于鏡24相對于偏轉軸30和32的共振頻率。換言之，二軸 懸掛鏡24在其共振頻率上或其附近操作。兩個共振頻率f,和t優(yōu)選 地僅有少許不同，例如在一階以內。在二軸懸掛鏡24具有高質量共振 器的情況下，可以通過正弦函數以極佳的近似法來描述一方面的時間 與另一方面激光束18'在兩個偏轉角之間的關系。為了使二軸懸掛鏡 24的偏轉頻率f,和f2保持恒定，例如從再現調制單元14向偏轉裝置 的控制裝置22饋送基準電壓信號，其時間進程與兩個擺動中的至少一 個繞偏轉軸30和32的擺動角的目標進程相對應。此外，調節(jié)兩個偏轉頻率f)和f2，使得二者具有最大公約數。該 最大公約數對應于圖像重復速率t，即光束18'所產生的光點34在固 定缺省軌跡之后再次到達像場22上的相同位置的速率。在這種情況 下，由于兩個擺動或偏轉軸30和32相互垂直，并且對于兩個偏轉頻 率f,和f2的頻率比是f" f2二n: m的情況，其中n和m都為整數(即， n、 meN)并表示最小公約數，將一下公式應用于圖像的重復速率f"fr=fi/n= f2/m。因為圖2和3是針對特定頻率比率示出的，所以偏轉光束18'通過 使用偏轉頻率f,和f2所產生的光點實質上遵循像場22上的李薩如圖。 偏轉裝置12使偏轉光束18'發(fā)生偏轉，使得光束18'以圖像重復速率fr重復地掃描李薩如圖的軌跡。圖2示出了頻率之比為f1: f2=50: 51時光束18'在像場22上的李 薩如圖，而圖3示出了頻率之比為fl: f2=70: 71的李薩如圖。在上 述兩個附圖中，假設偏轉軸30和32是對齊的，使得兩個軸與像場32 平行，并假設鏡面26繞偏轉軸30的旋轉引起由偏轉光束18'所產生的 光點35沿著水平軸x移動，而二軸懸掛鏡24繞偏轉軸32的偏轉引起 光點35沿著垂直軸y移動。相應地，如果光點位于像場22的左或右 邊緣，則繞偏轉軸30的擺動處于反轉點，以及如果光點位于像場22 的上或下邊緣，則繞偏轉軸32的擺動處于反轉點。如果將李薩如圖中的每一交點與像點(即，像場上的一點，在該點處將要通過調制光束18產生具有期望亮度的光點35)相關聯，以 便使得將圖像與其它像點一起投影，并將每一反轉點作為交點的一半 來計數，將以下等式應用于計算以這種方式所定義的像點的數目N: N = n x m根據對像點的定義，在圖2的情況下的像點的數目是50X51 (二2550)。在圖2的情況下，如果水平頻率fl是2500Hz以及垂直頻率f2 是2550Hz，則可以實現50Hz的圖像重復速率。從針對交點或像點數目N的上述等式中可以看出，對像場的覆蓋 取決于兩個偏轉頻率t和f2之間的選定頻率比。從圖2和圖3中還可 以看出，李薩如圖中的像點密度或交叉點密度在像場22的邊緣區(qū)域比 在內側區(qū)域大。對于像點密度的均化，如果需要的話，可以逐漸減少 像場22中的邊緣區(qū)域，例如通過切斷處于外部區(qū)域的光源10。在圖2 中，以40典型地示出窗口，可以切斷窗口以外的激光器10。通過對光束18的強度進行調制，李薩如圖上的每一點可以作為 像場22中的像點。脫離像點作為交叉點和反轉點的在先定義，例如可 以將像點定義為處于其相鄰交叉點之間的李薩如圖上的那些點，或以 時間等距的方式在李薩如圖上傳遞、或在對光束強度進行連續(xù)調制的 情況下的李薩如圖上的所有點。例如，在圖2中，以42示出了 8個相鄰像點，將其中的每一像 點描述為相鄰像點的矩形邊界。將像點42定義為使得將其放置在沿著 處于其相鄰交叉點之間的李薩如圖的位置處。表示像點的每個矩形包 括落在李薩如圖的線上的兩個對角，而其它對角實質上以居中的方式 位于李薩如圖的相鄰線之間的間隙中。盡管為了清楚起見圖2中僅示出了8個像點42，可以認識到，盡 管像點42向外變得更加密集，但是這樣所定義的像點42擴張到像場 22的剩余區(qū)域也產生了實質上按列和行排列的像點的陣列排列。然 而，不同于本發(fā)明的背景部分中所描述的投影方法，偏轉的激光束18' 所產生的光點35并沒有逐行地經過以陣列方式排列的像點42。相反 地，例如相繼經過像點42左上部的像點和右下部的像點。因此，特別地，甚至可以在經過8個像點42的上一行中的所有四個像點之前先經過另一行中的像點。應注意，偏轉和/或偏轉的激光束18'表示偏轉裝置12與特定掃描 點相對應的方位。通常，無法永久地開啟激光束18，使得以虛線表示 光束18在掃描中所描繪的路徑。在偏轉裝置12對光束18進行偏轉以及由此所產生的、由偏轉的 激光束18'所產生的光點在像場22上的預定的、可再現的運動之后， 下面將描述用于在像點處產生具有期望亮度的光點的對光束18的強 度的調制。圖3示出了典型激光的二迸制調制的示例。在圖3的左手邊，給 出了針對具有16個像素的圖像的示例，除了像素A和像素B以外，其 它像素均為白色。像素A具有較亮的灰度，像素B具有較暗的灰度。 偏轉的激光束18'在時間間隔(在第一時刻L處開始，在第二時刻T2 處結束)內沿著掃描經過第一像素A,并在第二時間間隔(在第二時 刻丁2處開始，在第三時刻T3處結束)內掃描像素B。在圖3的右手邊示出了本發(fā)明對激光的調制。在本實施例中，使 用激光作為光束18，其具有兩種狀態(tài)(開狀態(tài)或關狀態(tài))。圖3的右 手邊的調制示出了取決于時間t的激光的強度分布。在第一時刻T,之 前，激光處于開狀態(tài)，使得激光具有恒定的最大強度Lax。在第一時 刻T,處，激光切換至關狀態(tài)。在激光掃描像素A的時間間隔TpiXd, A (在 第一時刻T,處開始，在第二時刻T2處結束)內，在第一時間間隔(開 啟間隔t。N.,)開啟激光，例如將激光對稱地排列在第一時間間隔TpiX6l, FT2-L的中心點周圍。因此，在第一時刻T2處，激光處于關狀態(tài)，并 針在第二時間間隔Tpw. B=T3-T2 (其從第一時刻T2延伸至第三時刻T3 處)中的一些時間開啟激光，其中，例如第二幵啟間隔U. 2在第二時 刻T2周圍對稱地延伸。因此，在第三時刻T3處切斷激光，并從該時刻 起向前再次開啟激光。這里，優(yōu)選地以達到屬于像素A和屬于像素B 的像點的相應亮度的方式來選擇第一開啟間隔t。N.,和第二開啟間隔 t。N, 2。由于像素A比像素B亮，因此如圖3的右手邊所示，第一開啟 間隔t。N,,也比第二開啟間隔t。w.2長。例如，這里可以選擇時刻t,和t2，使得二者均位于激光需要用于掃描各個像素的時間間隔的中間。例如，這意味著也可以分別以不同的方式來選擇L二 (T2+T,) /2和tf (T3+T2) /2。同樣地，Tpw, a通常與T一ka.不匹配，即光束需要用于 掃描像素的長度與位置有關。在其它實施例中，還可以對二進制調制方法進行修改，其中時間 間隔T。w中的開啟階段U可以具有多個開啟階段，使得不是連續(xù)地 開啟激光的。例如，為此可以采用具有極高脈沖頻率的脈沖激光器。圖4示出了另一實施例，其中將圖3中所描述的二進制調制方法 與傳統(tǒng)的亮度調制(典型激光束的幅度調制)相結合。與圖3—樣， 圖4a示出了針對由16個像素組成的圖像的示例，其中除了像素A和 像素B以外，所有像素均為白色，并且偏轉的激光束18'首先掃描像素 A，然后掃描像素B。這里，就象第二時刻T2和第三時刻T3那樣地再 次選擇第一時刻L，使得它們再次給像素A和像素B的邊界點做標記。圖4b示出了對典型數據的調制，其中在第一時刻T,處再次關閉 激光，并且沒有立即達到第一時間間隔Tp^u中的開狀態(tài)，但是在開 啟階段期間激光的強度緩慢地增大。與圖3中的實施例一樣，這里也 在第一時間間隔Tp^, a (受邊界點L和T,的限制)中的時刻t)處達到 最大強度L一例如，該最大值可以再次被選定處于第一時間間隔TpiX6l, 的中間。同樣地，在第二時間間隔Tpu丄b(受第三時刻T3和第二時刻 T2的限制，并與偏轉的激光束18'需要用于掃描像素B的時間間隔相對應)中，沒有立即達到開狀態(tài)，但再次通過幅度的緩慢上升達到開狀 態(tài)。在時刻t2 (例如位于第二時間間隔Tpw,b的中間)處再次達到最 大值。關閉也不必立即發(fā)生，而是可以在特定關閉間隔內延伸。圖4c示出了對激光的調制，其中激光的強度連續(xù)改變。這意味 著，不同于圖4b所示的，激光強度在第一時刻L處沒有突然改變(從 i二i^到i二0)，但是激光強度在關閉階段中從最大值i二i目持續(xù)變化到 i=0。這種行為可以通過數學方式表示，使得強度在時間上描繪了穩(wěn)定 可微分的曲線。這樣，圖4c中的強度曲線是對圖4b中的強度曲線的 平滑圖示。因此，在第一時刻T,處再次達到強度的最小值，但不像圖 4b那么突發(fā)，并在第二時刻L處也達到最小值，其中在第一時刻T,與第二時刻T2之間的時間間隔中再次達到強度曲線的最大值。按照類 似的方式，還在第三時刻T3處達到強度曲線的最小值，其中在第三時刻T3與第二時刻T2之間的時間間隔中再次達到強度曲線的最大值i,。 然而，與圖4b中的實施例相反地，第二時間間隔Tpixsl, e中的最大值 i,小于在圖4b的實施例中在第二時間間隔Tp^.B中的時刻t2處所達到 的最大值i,。因此，與之前的實施例相同地，強度分布的極小值位 于時間間隔Tpw的邊界處，并且例如極大值位于時間間隔Tp^,的中間 處。應指出，對于像素與黑色點相對應的情況，所述激光保持處于關 狀態(tài)，使得在時間間隔Tp,^,的邊界之間不存在最大值。在激光強度改 變期間的穩(wěn)定行為(例如圖4c的實施例中所示的)特別有利于針對 每一時間間隔Tpw，激光不操作于最大強度，從而降低了激光的壓力。圖4b示出了其中激光強度以離散階改變的實施例。在本實施例 中，例如激光包括強度階的離散值i^ (i^、 L、 i2、 i3、 0)，其中imax> i,〉 i2〉 i3〉0。在第一時刻T,處(其中激光處于關狀態(tài))，激光輻射強 度首先增大至值i2，然后在第二步驟中從值i2增大至值i,。在激光在 第二時刻T2處達到強度h之前，首先強度i,再次減小為值i2，并在第 二步驟中從值i2減小至值i3。在第二時間間隔Tpw. B期間，激光強度 從值i3增大至值i,，并在隨后的時刻處再次減小至值i3。在時刻i3 處，激光強度再次增大至最大值i^。如同在圖4c的實施例中，本實施例也有利于激光強度不在極 值(開/關)之間突發(fā)跳躍，但是所述激光器盡可能地通過圖像數據操 作于減小的功率。但是，這里的強度極小值也可以在像素發(fā)生變化的 時刻處達到。這里，圖3、 4b、 4c和4d中的強度曲線以下的區(qū)域與相應像素 的灰度級相對應。如果所述激光器在整個時間間隔Tp^期間具有最大 強度i^，則相應的像素點具有可能的最高亮度。對于所有三條曲線， 第一時伺間隔Tp^u內的強度曲線以下的區(qū)域大于第二時間間隔Tp^.B期間的強度曲線以下的區(qū)域。這意味著在第一時間間隔Tp^,A期間掃 描的像素A的亮度大于由激光在第二時間間隔TpiXEl, B期間掃描的像素 B的亮度。優(yōu)選地，在圖3、 4b-d所示的所有實施例中，每一最大強度都是在內部時間間隔內達到的，即在第一時間間隔Tp^u期間的時 刻t,處以及在第二時間間隔Tpixsl, B期間的時刻t2處，其中由于優(yōu)選地 在邊界點處存在強度的局部極小值，"U和t2位于優(yōu)選地與時間間隔的 各個邊界點具有一定距離的兩個反轉點之間。這里，還要提到的是，如圖4c所示，從前一像素到像素A的轉移無法立即發(fā)生，但是激光在 特定關閉階段中在第一時刻T,處從最大強度值i目切換至最小強度值。 同樣地，在第三時刻T3處的開啟階段可以具有特定持續(xù)時間，其中偏 轉的激光束18'從最小強度返回至最大強度L,的狀態(tài)。通常，存在如何投影與像點亮度相對應的光量的若干可能性。一 方面，通過使用査找表，可以給每個亮度值分配針對強度分布的圖案。 另一方面，還可以確定強度分布的圖形(例如僅通過給亮度值分配最 大強度)。對于來自圖4c的離散強度階L (n二l， 2, 3，…)，這可能 意味著特定強度階in和開啟持續(xù)時間t。N, piw是針對每一亮度值指示 的。備選地，對于每一亮度值，可以計算最小強度階L，然后確定達到該亮度值所需要的開啟持續(xù)時間t。N, pix6l。例如，最小強度階"可以是用于在時間間隔Tp^達到像點的亮度所需要得強度階，即即使永久 開啟激光，下一強度階iH也可能無法在時間間隔TpM期間提供像點 的亮度。在其它實施例中，還可以使用組合，例如開啟持續(xù)時間t。N. p^的分配(通過表)、以及強度值的計算、或其它變體。所示出的所有實施例還具有以下共同點偏轉的激光束18'在掃描 給定像素的時間間隔Tp^)期間至少改變兩次強度和/或亮度。與傳統(tǒng) 的調制方法相比，導致了激光強度的改變分布。下列分布結果是針對 強度ie[O， i自J在時間間隔Tp^出現的頻率。在圖3的實施例中，在調制中頻繁出現兩個亮度。 一方面，存在最大強度i^和可以忽略的 強度i二0或關閉狀態(tài)下的強度(例如，在第二時刻T2處)。因此，強 度的相應頻率分布具有兩個顯著的極大值(所謂的雙峰分布)， 一個最 大值在^0處，另一個最大值是在i^^處。對于圖4b的實施例中的 激光以最大強度i自在特定時間間隔內工作并在另一時間間隔(因此 采用i=0)關閉的情況下，強度的頻率分布再次在i二0和i二i自處顯示 出最大值。這里，頻率分布的具體形狀取決于激光以^U呆持在開啟狀態(tài)多長時間以及激光以i二0保持在關閉狀態(tài)多長時間。圖4b中的 強度的線性上升與頻率分布的固定部分相對應。在圖4c的實施例中， 其與圖4b的實施例類似，但存在不同之處其頻率的恒定行為部分是變化的。對于其中表示像素B的第二時間間隔Tpi^.B， i^并不是作為 最大值出現的，而是i^i,〈i^。然而，圖4d的實施例(其中強度的頻 率分布在i二O與i二i,之間具有附加極大值(所謂的多峰分布))示出 了行為在質量方面的差異。這里，這些極大值對應于離散階，即第一 強度i,、第二強度"和第三強度i3，其中頻率分布中的極大值的高度 由各個中間狀態(tài)下的激光的停留時間確定。相反地，在根據現有技術 的調制中，如圖5所示，像素的頻率分布每個僅具有一個顯著的最大 值。這里，各個最大值對應于值L和i2，并在理想情況下具有5函數 行為?？傊?，本發(fā)明的各個方面可以描述如下。掃描激光投影方法在激 光掃描像素的持續(xù)時間期間使用以用于表示像素亮度的強度進行時間 調制的光信號。相應的激光投影系統(tǒng)或投影設備使用并非恒定調制的 激光，因此掃描像素時完整地實現了像點中所要輻射的像素能量。此 外，在時間上以一個像素內的像素強度來對相應的激光投影系統(tǒng)進行 二進制(開/關)調制。此外，在相應的激光投影系統(tǒng)中，可以在一個 像素內以兩個以上的階對激光強度進行時間調制?？梢詫⑾鄳募す?投影系統(tǒng)應用于單色或多色(多激光)投影或臺式投影機、商務投影 機、移動電話、膝上型計算機、PDA (個人數字助理)、家庭影院、電 影院、工業(yè)應用、條帶投影燈等。這里可以使用可直接調制的激光或 利用外部調制的所謂的連續(xù)波。此外，可以投影到任意表面或特定屏 幕上。盡管使用共振掃描方法的圖像表示(例如，通過李薩如圖)提供 了一些優(yōu)點，然而本發(fā)明的調制同樣可應用于任意其它掃描方法，特 別可應用于線性掃描方法。此外，只要可以進行強度調制，也可以采 用其它光源，例如由半導體層結構(無機或有機的)所產生的光、磷 光等。
權利要求
1.一種投影設備，用于通過輻射束(18)將圖像掃描地投影到像場(22)上，包括調制裝置(14)，用于對所述輻射束(18)的強度(i)進行調制，使得所述輻射束(18)的強度(i)在所述輻射束所指向的掃描點掃描像場(22)中的像素期間的時間間隔(Tpixel)中從第一值變到第二值，并在開啟間隔(tON)期間開啟所述輻射束(18)，所述開啟間隔依賴于像場(22)中的像素的亮度。
2. 根據權利要求1所述的投影設備，其中，所述裝置(14)形成 為使得所述輻射束(18)的強度(i)的時間導數包括所述時間間隔(Tpw)內的局部極大值。
3. 根據權利要求1所述的投影設備，其中，所述裝置(14)形成 為使得所述輻射束(18)的強度(i)在另一時間間隔內改變，在所述 另一時間間隔期間，所述輻射束(18)所指向的掃描點掃描像場(22) 中的另一像素，其中所述時間間隔(Tp,、6')與所述另一時間間隔不同。
4. 根據權利要求1所述的投影設備，其中，所述裝置(14)形成 為使得所述強度(i)作為時間函數包括所述時間間隔(TpiX6l)內的兩 個反轉點。
5. 根據權利要求4所述的投影設備，其中，所述時間間隔(TpiX6l) 包括開始和結束，所述輻射束(18)在開始處進入所述像素并在結束 處離開所述像素，以及其中，所述強度(i)包括開始和結束處的局部 極小值。
6. 根據權利要求1所述的投影設備，其中，所述調制裝置(14) 形成為改變所述輻射束(18)的強度(i)，使得在所述時間間隔(Tpi^) 期間，所述輻射束傳遞與像點的亮度相對應的光量。
7. 根據權利要求1所述的投影設備，還包括偏轉裝置(12)，用于 使輻射束繞第一偏轉軸(30)和第二偏轉軸(32)偏轉，以在所述像 場(22)上移動所述輻射束(18)。
8. 根據權利要求l所述的投影設備，其中，所述調制裝置(14)形成為在所述時間間隔(TpiMi)中連續(xù)改變所述輻射束(18)的強度 (i)。
9. 根據權利要求1所述的投影設備，其中，所述調制裝置(14) 形成為在所述時間間隔(T—e)中以兩階或更多階來改變所述輻射束(18)的強度(i)。
10. 根據權利要求9所述的投影設備，其中，所述調制裝置形成為 將所述輻射束(18)的強度(i)調節(jié)為最大值(i,)或最小值，其 中，選擇所述強度(i)包括最大值的開啟持續(xù)時間(t。N, piX6l)，使得 所述輻射束(18)傳遞與像點的亮度相對應的光量。
11. 根據權利要求9所述的投影設備，其中，所述調制裝置(14) 形成為將所述輻射束(18)的強度(i)調節(jié)為多個離散值，以及其中， 所述調制裝置(14)還形成為從針對像點亮度的查找表中選擇特定離 散值和所述強度(i)包括所述特定離散值期間的相應開啟持續(xù)時間(t亂pixel )。
12. 根據權利要求9所述的投影設備，其中，所述調制裝置(14) 形成為將所述輻射束(18)的強度(i)調節(jié)為多個離散值，以及其中， 所述調制裝置(14)還形成為根據像點的亮度來計算特定離散值和/ 或所述強度(i)包括所述特定離散值期間的相應開啟持續(xù)時間(t。N.pi xel ) o
13. 根據權利要求1所述的投影設備，還包括用于產生所述輻射束 (18)的激光器。
14. 根據權利要求13所述的投影設備，其中，所述激光器是脈沖 激光器。
15. 根據權利要求13所述的投影設備，其中，所述激光器是利用 外部調制的連續(xù)波激光器。
16. 根據權利要求13所述的投影設備，其中，所述激光器是可直 接調制的激光器。
17. 根據權利要求1所述的投影設備，還包括用于產生所述輻射束 (18)的光源以及用于產生另一輻射束的另一光源，其中，所述調制裝置(14)還形成為調制所述另一輻射束，以及所述另一輻射束與所述輻射束(18)的不同之處在于其頻譜，以及其中，所述輻射束(18)和所述另一輻射束能夠被投影到所述像場(22)上。
18. 根據權利要求1所述的投影設備，還包括用于產生所述輻射束 的光源(10)。
19. 根據權利要求7所述的投影設備，其中，所述偏轉裝置(12) 形成為使得所述輻射束(18)可以以第一偏轉頻率(f,)繞所述第一 偏轉軸(30)偏轉以及以第二偏轉頻率(f2)繞所述第二偏轉軸(32) 偏轉，其中，所述偏轉裝置(12)包括用于將頻率比調節(jié)為f,: f2=m m的裝置，其中m和n為不同的整數，使得所述輻射束(18)在像場(22)上描繪了李薩如圖。
20. —種通過輻射束(18)將圖像掃描地投影到像場(22)上的方 法，包括調制所述輻射束(18)的強度，使得所述輻射束(18)的強度(i) 在所述輻射束(18)掃描像場(22)中的像素期間的時間間隔(Tpixel) 中從第一值變到第二值，并在開啟間隔(t。N)期間保持開啟所述輻射 束(18)，所述開啟間隔依賴于像場(22)中的像素的亮度。
全文摘要
一種投影設備，用于通過輻射束18將圖像掃描地投影到像場22上，包括裝置14，用于對輻射束18的強度i進行調制，使得該輻射束18的強度i在輻射束所指向的掃描點掃描像場22中的像素的時間間隔T_pixel期間改變。
文檔編號H04N3/02GK101261425SQ200810083459
公開日2008年9月10日 申請日期2008年3月7日 優(yōu)先權日2007年3月8日
發(fā)明者亞歷山大·沃爾特, 哈拉爾德·申克, 蒂洛·桑德, 邁克爾·朔勒斯, 馬庫斯·施瓦曾伯格 申請人:弗勞恩霍夫應用研究促進協(xié)會