CN100592199C - 自动聚焦投影仪及其自动聚焦方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种投影仪自动聚焦方法，其包括步骤：超声波发生单元产生超声波信号，调制单元调制超声波信号，超声波发射接收模块发射、接收超声波，解调单元解调接收到的超声波信号，计时单元测量超声波发射到接收的传播时间；数据处理模块测量投影仪到显示屏幕的距离，并输出变焦参数信号和聚焦参数信号；输出模块驱动变焦电机和聚焦电机作动，使变焦透镜和聚焦透镜分别调整变焦参数值和聚焦位置参数值，并将图像投影到显示屏幕上。另外，本发明还提供一种使用上述方法的自动聚焦投影仪。

Description

自动聚焦投影仪及其自动聚焦方法
技术领域
本发明涉及一种投影仪，特别涉及一种自动聚焦投影仪及其自动聚焦方法。
背景技术
投影仪作为一种图像投影放大装置，广泛应用于教学、培训、会议等场合。投影仪主要根据输入的图像信号，利用液晶单元或者DMD(DigitalMicromirror Device，数字微反射器)微芯片，将光源发出的照明光调制成显示图像的图像光，然后通过光学透镜***，将图像光放大投射到显示屏幕上，以方便教学、培训、会议等场合作演示之用。
传统的投影仪，用户常需要根据其摆放位置，调整其光学透镜***的焦距和聚焦位置，以使投射到显示屏幕上的图像达到较佳的清晰度。投影仪聚焦调整方法大致包括手动调焦法与自动调焦法。然而手工调焦法存在操作复杂、耗时等缺点。尤其对于吊顶式投影仪，由于其通过支架和连杆固定于天花板上，在实际操作中，用户无法手动调节光学透镜***的焦距和聚焦位置。
投影仪自动调焦法通常又可分为测距法和像检测法两种。一种典型的红外线测距法，其投影仪通过向显示屏幕发射红外线，并接收从显示屏幕反射的光线，根据红外线的传播时间计算投影仪和显示屏幕的距离，再基于此投影距离驱动光学透镜***调整焦距和聚焦位置，以获得清晰的投影图像。采用此种方法的红外线装置虽然结构简单，然而一般投影仪的投影距离为2～6米左右，而红外线的传播速度(空气介质中约300,000千米/秒)较快，一般的计时器很难达到10-8秒数量级的检测精度，因而用此种方法来调节光学透镜***的焦距存在调节精度不高的缺点。另外红外线易于被物体吸收，有时出现漏检现象，故实际应用中难以获得理想的光学聚集。
一种典型的对比度像检测法采用类似照相机产品使用的自动聚焦(AF，Auto Focus)测距组件。其首先向显示屏幕投射出预定的测试图样，通过自动聚焦组件采集此预定的测试图样，并基于对比度、亮度等图像参数实时地将采集到的图样进行处理，与内部已设置的图像参数指标值进行比对，判断聚焦是否准确，进而给出控制信号驱动光学透镜***调整焦距。然而采用此种方法存在的问题是，在接近焦距对准的状态下，随着焦距移动，对比度、亮度图像参数的变动很小，其通常要多次采集预定测试图样进行参数比对，因而一般需要耗费较长的时间进行自动聚焦调整。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种调节精度高且调整时间短的自动聚焦投影仪。
此外，还有必要提供一种投影仪自动聚焦方法。
一种自动聚焦投影仪，使输入的图像信号经光学透镜***聚焦投影到显示屏幕上。包括一输出模块和一数据处理模块，所述输出模块用于将图像投射到显示屏幕上，所述数据处理模块用于计算投影仪和显示屏幕之间的距离，并基于此距离值调整输出模块。其还包括一超声波发射接收模块，所述超声波发射接收模块包括超声波发生单元，调制解调模块，计时单元，所述超声波发生单元用于产生超声波信号，所述调制解调模块用于调制解调超声波信号，所述计时单元用于计算超声波从发射到接收的传播时间，并将计算的时间传给数据处理模块。所述数据处理模块基于所述时间计算所述输出模块和显示屏幕之间的距离，并基于所述距离输出变焦参数信号和聚焦参数信号给所述输出模块。所述输出模块基于所述变焦参数信号和聚焦参数信号调整所述图像的清晰度。
一种投影仪自动聚焦方法，包括如下步骤：
超声波发生单元产生超声波信号，调制单元调制超声波信号，超声波发射接收模块发射、接收超声波，解调单元解调接收到的超声波信号，计时单元计算超声波从发射到传播的时间；数据处理模块基于超声波的传播时间计算投影仪到显示屏幕的投影距离，并输出最相匹配的变焦参数信号和聚焦位置参数信号；输出模块驱动变焦透镜和聚焦透镜分别调整变焦参数值和聚焦位置参数值。
与现有技术相比，对于相同的投影距离，因红外光的传播速度比超声波的传播速度快约106的数量级，在相同的计时条件下，测量超声波的传播时间比测量红外光的传播时间更可以获得良好的精确度；另外，因投影仪的投影距离与变焦参数和聚焦参数有确定的对应关系，所以通过超声波测量出投影仪当前的投影距离值后，即可对应进行投影仪的自动聚焦调整，相对利用对比度像检测法进行自动聚焦调整，有利于缩短调整时间。
附图说明
图1为本发明一较佳实施方式揭示的自动聚焦投影仪的整体功能模块图。
图2为图1所示之超声波发射接收模块的具体功能模块连接图。
图3为图1所示之数据处理模块的具体功能模块连接图。
图4为图1所示之输出模块的具体功能模块连接图。
图5A为本发明一较佳实施方式揭示的投影仪自动聚焦方法流程图。
图5B为图5A所示之发射接收超声波步骤的进一步方法流程图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明涉及的自动聚焦投影仪的一种较佳实施方式进行详细描述：
如图1所示，投影仪100包括依次电性连接的超声波发射接收模块300、数据处理模块400和输出模块500。超声波发射接收模块300用于发射和接收超声波，计算超声波从发射到接收的传播时间Δt。数据处理模块400用于根据传播时间Δt，由公式Δs＝ν·Δt/2计算投影仪100和显示屏幕200之间的投影距离Δs，并给出与当前投影距离Δs最相匹配的变焦参数值和聚焦参数值。输出模块500用于根据接收到的变焦参数值和聚焦参数值将调制图像光清晰地投射到显示屏幕200上。以下将参照附图2、附图3、附图4对超声波发射接收模块300、数据处理模块400和输出模块500的较佳实施方式给予详细的描述。
如图2所示，超声波发射接收模块300主要包括超声波发生单元310、调制单元320、发射放大单元330、发射转换单元340、接收转换单元350、接收放大单元360、解调单元370、检波单元380及计时单元390。超声波发生单元310用于发射超声波信号和计时驱动信号。调制单元320和解调单元370分别用于根据不同的信号调制模式调制和解调超声波信号。发射放大单元330和接收放大单元360都用于将信号进行无失真放大。发射转换单元340和接收转换单元350分别用于将电信号转换成超声波和将超声波转换成电信号。检波单元380用于检测具有特定频率或者幅度的信号。计时单元390用于计算超声波发射到接收的传播时间。其中，发射转换单元340具有一转换元件(图未示)，其较佳的以压电陶瓷等材料制成。
在超声波发射接收模块300发射超声波时，超声波发生单元310同步产生一超声波信号S311和一计时驱动信号S312。其中，超声波信号S311的振动频率较佳的为40千赫兹。计时单元390接收计时驱动信号S312后开始计时，并设定开始计时的时刻为t1。调制单元320较佳地以幅度调制(AM，Amplitude Modulation)模式工作，其接收到超声波信号S311后，产生一低频调频信号(该低频调频信号可为20赫兹)，将此低频调频信号叠加到超声波信号S311上，从而得到周期间隔为0.05秒而以40千赫兹的频率振荡的调制信号S321。发射放大单元330接收调制信号S321并将其放大，输出驱动信号S331给发射转换单元340。发射转换单元340在驱动信号S331的作用下，利用压电陶瓷的压电共振现象(即驱动信号的工作频率等于压电陶瓷的固有振动频率时，输出最大的机械波信号)产生向显示屏幕200发射的超声波W341。超声波发射接收模块300接收从显示屏幕200反射回来的超声波过程如下所述。
在超声波发射接收模块300接收从显示屏幕200反射回来的超声波W351时，接收转换单元350利用压电陶瓷的逆压电效应将超声波W351转换成周期间隔为0.05秒而以40千赫兹的频率振荡的超声波信号S351。接收放大单元360接收超声波信号S351，将其放大，以补偿超声波在入射、反射过程中衰减掉的声波能量，并输出放大信号S361给解调单元370。解调单元370的解调模式和调制单元320的调制模式相对应，其较佳的为幅度解调(AD，Amplitude Demodulation)工作模式，其从周期间隔为0.05秒而以40千赫兹的频率振荡的放大信号S361中解调出40千赫兹的超声波信号S371，并将超声波信号S371输出给检波单元380。检波单元380较佳地以频率检测方式工作，其对特征频率为40千赫兹的信号作出响应，并输出触发信号S381给计时单元390。计时单元390在触发信号S381作用下停止计时，且输出时间信号S391给数据处理模块400。设停止计时的时刻为t2，则信号S391中包含的传播时间Δt＝t2-t1。
在图2所示的超声波发射接收模块300的实施方式中，超声波信号的调制和解调分别由两个单元(即调制单元320和解调单元370)来完成。因为解调的工作模式和调制模式相对应，所以也可以另一实施方式，用一调制解调模块替换两个单元完成调制解调功能。
如图2所示，本实施方式揭示的接收放大单元360可同时具备滤波功能，或者在接收放大单元360的前面进一步配置一滤波单元(图未示)，该滤波单元电性连接于接收转换单元350和接收放大单元360之间，以进一步滤除外界声源产生的干扰信号。
图3所示为数据处理模块400的具体功能模块连接图。数据处理模块400包括与数据总线460电性连接的距离测量单元410、ROM存储单元420、RAM存储单元430、控制单元440及比较单元450。距离测量单元410用于根据接收到的时间信号Δt，依照公式Δs＝ν·Δt/2，计算投影仪当前的投影距离Δs。其中超声波传播速度ν可根据实际环境测量到的数值在距离测量单元430中预先设定。ROM存储单元420用于存储与投影距离相对应的焦距参数表和聚焦位置参数表。RAM存储单元430用于存储数据处理程序。控制单元440用于控制程序的执行和数据在总线460上的传递。比较单元450用于比较得出与当前投影距离最相匹配的变焦参数值和聚焦位置参数值。其中，ROM存储单元420进一步包括变焦参数单元421和聚焦参数单元422，分别用于存储与不同的投影距离相对应的焦距参数表和聚焦位置参数表。因投影仪与显示屏幕的投影距离确定后，投影镜头的变焦透镜和聚焦透镜即分别对应有一最佳的工作焦距f和一最佳的聚焦位置X，其中f和X的数值可由透镜成像公式计算得到。
数据处理模块400开始处理数据时，控制单元440即调用RAM存储单元中的数据处理程序并顺序执行。首先，距离测量单元410接收从超声波发射接收模块300输出的时间信号S391，执行乘法运算，计算得到距离值Δs，并产生包含该距离值的距离信号S411。在控制单元控制下距离信号S411被传到数据总线460上。然后，变焦参数单元421中的变焦参数表和聚焦参数单元422中的聚焦参数表逐一被读取并传送到数据总线460上。接着，比较单元450从数据总线460上读取距离信号S411和变焦参数信号S421、聚焦位置参数信号S422，逐一从参数表中比较出与当前投影距离值最相匹配的焦距值和聚焦位置值，并将变焦参数信号S451和聚焦参数信号S452传给输出模块500。
图4所示为输出模块500的具体功能模块连接图。输出模块500包括驱动模块510和光学透镜***520。驱动模块510通过变焦电机512和聚焦电机513连接并控制光学透镜***520。驱动模块510进一步包括电机驱动电路511、变焦电机512及聚焦电机513(较佳的可为步进电机，步进电机按照加载其上的电压或者电流转动一定的步进值)。其中，电机驱动电路511分别和变焦电机512和聚焦电机513电性连接，电机驱动电路511用于控制变焦电机512和聚焦电机513的作动。变焦电机512和聚焦电机513分别用于改变变焦透镜521的焦距值和聚焦透镜522的聚焦位置值。光学透镜***520进一步包括变焦透镜521、聚焦透镜522和光轴523，其中变焦透镜521的作用是改变透镜521自身的焦距值而不改变透镜沿光轴523的位置，聚焦透镜522的作用是使透镜522沿光轴523作前后移动改变焦点的位置而不改变透镜522自身的焦距值。
输出模块500的工作原理如下：电机驱动电路510接收数据处理模块400输出的变焦参数信号S451和聚焦参数信号S452，分别输出变焦控制信号S511、聚焦控制信号S512给变焦电机512和聚焦电机513。变焦电机512按照驱动信号S511的大小转动一定的步进数值，并使变焦透镜521改变自身的焦距，取得最佳的焦距值f。聚焦电机513按照控制信号S512的大小转动一定的步进数值，并带动聚焦透镜522，使其沿光轴523前后移动到最佳聚焦位置X。由此即完成投影仪的自动调节，并使经光学透镜***520投射到显示屏幕200上的图像达到较佳的清晰度。
如图4所示，光学透镜***520在变焦透镜521和聚焦透镜522基础上增设若干光学镜片(图未示)。变焦透镜521和聚焦透镜522及光学镜片的组合提供合适的光学放大倍数，使得光学透镜***520具备多倍光学变焦功能，因而用户在近距离、远距离观看时，均可获得更佳的图像清晰度。
图5A所示为本发明投影仪自动聚焦方法一较佳实施方式的流程图。投影仪自动聚焦方法的工作原理如下：
步骤910，投影仪开始工作后，首先判断投影仪100当前的聚焦是否正确，如果聚焦正确，则整个流程转向结束，如果聚焦不正确，则将进行自动聚焦调整。
步骤920，投影仪聚焦不正确，进行自动聚焦调整。由超声波发射接收模块300向显示屏幕200发射超声波，并接收从显示屏幕200发射的超声波，有关发射接收超声波的方法将在下面作详细描述。
步骤930，计时单元390在声波发射接收模块300发出超声波时开始计时，接收到超声波时停止计时，由此计算出超声波从发射到接收的传播时间Δt。
步骤940，数据处理模块400接收从超声波发射接收模块300传递来的时间信号Δt，由距离测量单元430，利用公式Δs＝ν·Δt/2，执行乘法运算，得出投影仪100与显示屏幕200的投影距离Δs。
步骤950，通过比较单元460，将实际测量的投影距离Δs与存储在ROM单元440中的变焦参数表和聚焦参数表中的数值逐一进行比较，输出与当前投影距离最相匹配的变焦参数值和聚焦位置参数值。
步骤960，输出模块500，接收从数据处理模块传递来的变焦参数值和聚焦位置参数值。电机驱动电路驱动变焦电机320和聚焦电机330，使变焦透镜3403调整到最佳焦距值f，聚焦透镜调整到最佳聚焦位置X，完成对投影仪的自动聚焦，流程结束。
承上所述，如图5B所示，步骤502中的发射接收超声波的方法进一步包括如下步骤。
步骤921，超声波发生单元310产生超声波信号。
步骤922，调制单元320将超声波信号调制成调制信号。
步骤923，发射放大单元330对调制信号进行放大。
步骤924，发射转换单元340根据放大的调制信号向显示屏幕200发射超声波。
步骤925，接收转换单元350接收从显示屏幕200反射回来的超声波，将超声波转换成电信号。
步骤926，接收放大单元360对转换后的电信号进行放大。
步骤927，解调单元370从放大后的电信号中解调出超声波信号。
如图5B所示，本实施方式揭示的发射接收超声波方法之步骤926中。可使接收放大单元同时具备滤波功能，以进一步滤除外界声源产生的干扰信号，或者可在步骤926前增设一个步骤，该步骤利用滤波单元滤除外界声源产生的干扰信号。
在本发明揭示之自动聚焦投影仪和投影仪自动聚焦方法实施方式中，因为超声波的传播速度相对红外线的传播速度要慢，通过超声波发射接收模块100通过发射接收超声波测量传播时间，提高自动调节的精度。接着数据处理模块400计算得到投影仪100和显示屏幕200之间的投影距离，比较出与当前的投影距离最相匹配的变焦参数值和聚焦参数值。然后由输出模块500调整光学透镜***520相应透镜的焦距值和聚焦位置值，通过输出模块500投射到显示屏幕200上的图像即可获得较佳的清晰度。因投影仪的投影距离与变焦参数和聚焦参数有确定的对应关系，所以通过超声波测量出投影仪当前的投影距离值后，即可对应进行投影仪的自动聚焦调整，有利于节约调整时间。

Claims (10)

1.一种自动聚焦投影仪，包括输出模块和数据处理模块，所述输出模块用于将图像投射到显示屏幕上，所述数据处理模块用于计算输出模块和显示屏幕之间的距离，并基于此距离控制输出模块调整所述图像的清晰度，其特征在于：所述自动聚焦投影仪包括超声波发射接收模块，以向显示屏幕发射超声波，并接收从显示屏幕发射回来的超声波，所述超声波发射接收模块包括超声波发生单元、调制解调模块、发射转换单元、接收转换单元及计时单元，所述超声波发生单元用于产生超声波信号，所述调制解调模块用于调制解调所述超声波信号，所述发射转换单元用于接收调制后的超声波信号，并向显示屏幕发射超声波，所述接收转换单元用于接收从所述显示屏幕反射回来的超声波，并将所述超声波转换成超声波信号，所述计时单元用于计算所述超声波从发射到接收的传播时间，并将计算出的时间传给所述数据处理模块，所述数据处理模块基于所述时间计算所述输出模块和显示屏幕之间的距离，并基于所述距离输出变焦参数信号和聚焦参数信号给所述输出模块，所述输出模块基于所述变焦参数信号和聚焦参数信号调整所述图像的清晰度。
2.如权利要求1所述的自动聚焦投影仪，其特征在于：所述调制解调模块以幅度调制解调模式工作。
3.如权利要求1所述的自动聚焦投影仪，其特征在于：所述超声波发射接收模块包括滤波单元，所述滤波单元用于滤除所述接收转换单元产生的所述超声波信号中的干扰信号。
4.如权利要求1所述的自动聚焦投影仪，其特征在于：所述超声波发射接收模块包括检波单元，所述检波单元以频率检测方式检测经解调后的所述超声波信号。
5.如权利要求1所述的自动聚焦投影仪，其特征在于：所述输出模块包括驱动模块和光学透镜***，所述光学透镜***包括变焦透镜和聚焦透镜，所述驱动模块包括电机驱动电路、变焦电机及聚焦电机，所述电机驱动电路基于所述数据处理模块输出的变焦参数信号和聚焦参数信号分别输出变焦控制信号和聚焦控制信号给变焦电机及聚焦电机，所述变焦电机基于所述变焦控制信号改变所述变焦透镜的焦距，所述聚焦电机基于所述聚焦控制信号改变所述聚焦透镜的聚焦位置，以改变所述光学透镜***的变焦参数和聚焦参数，从而调整所述图像的清晰度。
6.一种投影仪自动聚焦方法，包括如下步骤：
产生超声波信号，同时开始计时；
调制超声波信号；
向显示屏幕发射超声波；
接收由显示屏幕反射回来的超声波；
解调超声波信号；
停止计时，计算超声波传播的时间；
基于超声波传播的时间计算投影仪到显示屏幕之间的距离；
基于投影仪到显示屏幕之间的距离输出变焦参数信号和聚焦参数信号；
基于变焦参数信号和聚焦参数信号调整投射到显示屏幕上的图像的清晰度。
7.如权利要求6所述的投影仪自动聚焦方法，其特征在于：调制超声波信号采用幅度调制模式，解调超声波信号采用幅度解调模式。
8.如权利要求6所述的投影仪自动聚焦方法，其还包括步骤：
用一滤波单元滤除接收转换单元产生的超声波信号中的干扰信号。
9.如权利要求6所述的投影仪自动聚焦方法，其还包括步骤：
以频率检测方式检测解调后的超声波信号。
10.如权利要求6所述的投影仪自动聚焦方法，其还包括步骤：
基于变焦参数信号和聚焦参数信号输出变焦控制信号和聚焦控制信号，基于所述变焦控制信号改变光学透镜***的变焦透镜的焦距，基于所述聚焦控制信号改变光学透镜***的聚焦透镜的聚焦位置，以改变所述光学透镜***的变焦参数和聚焦参数，从而调整投射到显示屏幕上的图像的清晰度。
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