CN101690244A - 激光扫描投影设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种投影设备，其包括至少一个激光光源(2)以及被设置用于利用从所述激光源(2)发射的激光束扫描投影区域的扫描单元(7)。所述激光束适于至少当离开扫描单元(7)时发散并且用于聚焦或准直该发散的激光束的重新聚焦光学元件(9，13)设置在所述扫描单元(7)之后的激光束方向上。利用所提出的投影设备，降低了观看投影束时损害眼睛的风险。

Description

激光扫描投影设备

技术领域

本发明涉及投影设备，其包括至少一个激光光源以及被设置用于利用从所述激光光源发射的激光束扫描投影区域的扫描单元。这样的激光扫描投影设备主要用于图像投影，但是也可以被设计用于例如光学感测表面轮廓或表面模式。

背景技术

应用0D光阀(即一次一个像素的调制器)的也称为激光投影仪的激光扫描投影设备与激光束的2D扫描相结合，通常称为飞点***。在这些***中，典型地发射红(R)、绿(G)和蓝(B)光的三个激光源组合成单个激光束，其然后在投影屏幕的区域上扫描。通常在组合成单个激光束并且定向到扫描单元之前，首先对所述三基色(RGB)激光器的激光束准直并且使得其会聚，所述扫描单元包括一个或多个扫描反射镜。由于激光束的会聚，在投影屏幕上形成小的斑点，从而允许实现希望的图像分辨率。

依照屏幕上应用所需的光量，必须施加高功率水平的激光束。例如，对于屏幕上的每25流明(RGB)，需要大约100mW的激光功率(RGB)。这样高水平的激光功率会对进入投影***的扫描锥内并且偶然直视激光束的个人的眼睛产生损害。尽管投影的图像的亮度仅取决于屏幕上平均的总激光功率，但是对于眼睛的风险水平以复杂的方式取决于***和激光参数，例如激光功率和曝光的持续时间。

US2005/0035943A1公开了一种激光扫描投影设备，其包括用于检测投影设备与投影屏幕之间侵入目标的存在或不存在的检测装置。当检测装置检测到这种侵入时，将激光束的输出降低到没有损害的功率水平。

发明内容

本发明的目的是提供一种投影设备，其当个人进入该投影设备的扫描锥内并且偶然直视激光束时降低损害眼睛的风险并且其不需要任何检测***。

该目的是利用依照权利要求1的投影设备来实现的。该投影设备的有利实施例是从属权利要求的主题或者在说明书的后续部分中加以公开。

所提出的投影设备包括至少一个激光光源以及被设置用于利用从所述激光光源发射的激光束扫描投影区域的扫描单元。该提出的设备的激光束适于至少当离开扫描单元时发散并且重新聚焦光学元件设置在所述扫描单元之后的激光束方向上，其在投影设备之外的投影区域处将发散束聚焦或准直成希望的束直径。

利用发散扫描束和扫描单元之后的重新聚焦光学元件的这种组合，扫描单元上的激光斑在沿着扫描单元的方向直视激光束的人眼看来被放大了。这如下面所解释的那样降低了损害眼睛的风险。

当个人观看激光投影仪的扫描束时，可能发生两种情形。如果眼睛调焦到无穷远，那么在视网膜上形成最小斑点，其跨视网膜扫描，形成直线。因此，激光束的功率由于扫描运动而在该直线上散布，这降低了损害的风险。在对于用户的最危险的情形中，眼睛调焦到扫描元件的位置。在这种情况下，进入眼睛的激光束成像到视网膜上的静止斑点上。该斑点的尺寸取决于扫描元件上的束斑的尺寸。由于该斑点不在视网膜上移动，因而眼睛会受到损害。

本发明基于以下事实：激光源的更大的尺寸，在这种情况下扫描元件上的激光表直径的尺寸，在视网膜上产生激光源的更大的图像。这在视网膜的更大区域上分布所施加的激光功率并且从而通过降低视网膜上的功率密度而降低了危险水平，所述功率密度与曝光时间相结合，是用于设置损害的最关键的参数。通常，扫描元件(特别是扫描反射镜)上更大的斑点可以通过增大定向到扫描单元的准直激光束的直径来实现。然而，扫描反射镜的实际尺寸由于扫描所需的快速运动(在10和100kHz之间的范围内)的原因而受到限制。因此，本发明通过光学装置增大扫描元件和激光源(即扫描元件上的束斑)的有效尺寸。由于该光学装置的原因，用户观看激光束并且聚焦到激光源的最小像时看见的激光源的表观尺寸增大并且从而对眼睛不那么有害。这增加了投影设备的安全性。另一方面，在恒定的安全水平下，本发明的应用允许实现更高的激光功率和更亮的图像。

对于沿着扫描元件的方向观看激光束的个人的扫描元件的表观尺寸的放大通过使得该束至少在离开扫描单元时发散并且通过引入另外的光学元件以便将该束重新聚焦到投影屏幕上来实现。

激光束的发散可以通过不同的措施来实现。通常，激光束由激光光源以一定发散度发射。在本发明的一个实施例中，该发散束在撞击到扫描单元上之前未被光学元件准直或会聚。因此，该激光束作为发散束离开扫描单元。

在另一个实施例中，光束形成元件，特别是一个或多个透镜或弯曲反射镜，设置在所述一个或多个激光光源与扫描单元之间。这些光束形成元件适于形成定向到扫描单元的发散束。这可以例如利用被设计成不完全准直激光源发射的激光束的准直光学器件来实现。这也可以例如利用公共的准直光学器件以及在定向到扫描单元之前发散准直的激光束的附加光学元件来实现。

在另一个实施例中，将可以包括一个或多个扫描反射镜的扫描单元的扫描反射镜中的至少一个，优选地在激光束方向上的最后一个设计成具有在反射时发散到来的激光束的凸形。取决于该反射镜的凸度，到来的激光束，即来自所述一个或多个激光光源的激光束可以被准直、会聚或者已经稍微发散。

所提出的投影设备的扫描单元可以是以已知的方式构造的1D或2D扫描单元并且可以包括一个或多个扫描反射镜或者其他扫描元件。该扫描单元可以包括例如用于一个扫描方向的旋转多边形反射镜轮以及用于另一扫描方向的连续可倾斜扫描反射镜或者在两个扫描方向上可倾斜的扫描反射镜。

在优选的实施例之一中，在扫描单元之后，即在扫描单元与投影设备之外的投影区域之间的重新聚焦光学元件为凹反射镜。与重新聚焦透镜相比，凹反射镜不产生色差。

所提出的投影设备可以制成手持式设备并且也可以包含在像智能电话或PDA(个人数字助理)那样的其他手持式设备中。然而，本发明并不限于手持式设备。对于图像投影应用而言，该设备优选地包括发射红(R)、绿(G)和蓝(B)光的至少三个激光光源。然后，从这些激光光源发射的激光束以已知的方式组合成单个激光束并且定向到扫描单元。

本发明的这些和其他方面根据下面描述的实施例将是清楚明白的，并且将参照这些实施例进行阐述。

附图说明

下面，通过实例结合附图描述所提出的投影设备，附图没有限制权利要求限定的保护范围。这些附图示出：

图1所提出的投影设备的实例的示意图；

图2示出所提出的投影设备实例的光线追迹的示意图；

图3示出所提出的投影设备实例的光学细节的示意图；以及

图4示出用于形成离开扫描反射镜的发散激光束的三个示例性实施例。

具体实施方式

图1为依照本发明的投影设备1的实例的示意图。在该设备1中，包括了发射红(R)、绿(G)和蓝(B)激光光束的三个激光光源2。激光光源2可以例如为激光二极管由这些激光光源2发射的发散激光束被准直光学器件3准直并且组合以形成一个单个激光束10。该组合通过电介质反射镜4、5、6实现。电介质反射镜4被设计成反射红色波长区中的光。电介质反射镜5在绿色波长区中反射并且在红色波长区中是透明的，而电介质反射镜6在蓝色波长区中反射并且在红色和绿色波长区中是透明的。组合的单个激光束10被定向到2D扫描单元7，其包含至少一个扫描反射镜8。在图1中，仅仅出于说明的目的绘出了一个扫描反射镜8，其可在箭头的方向上倾斜扫描反射镜8利用离开扫描单元7的激光束11扫描设备1之外的投影屏幕12。在扫描单元7之后的激光束方向上，设置了重新聚焦光学元件9，其对离开扫描单元7的发散激光束进行聚焦或准直。

利用这种投影设备1，可以通过根据扫描单元7的扫描反射镜的扫描运动适当地控制激光光源2的红色、绿色和蓝色辐射的强度来将彩色二维图像投影到投影屏幕12上。

在图2所示的实施例中，通过凸形扫描反射镜8使得准直的激光束发散。在由扫描反射镜8重定向之后，激光束11被凹反射镜13反射并聚焦到投影屏幕12上。该实施例的投影设备的另外的部件未示出。它们可以像图1的示意图中那样设置。

所述撞击到扫描反射镜8上的单个准直的激光束被定向到凹反射镜13，该凹反射镜将扫描光束11反射到屏幕。仅仅出于说明的目的，示出了依照扫描反射镜的四个不同扫描位置的四个不同光路。由该图也可以认识到，由于该凹反射镜13的聚焦特性的原因，扫描激光束11在凹反射镜13处比在投影屏幕12处具有更大的束直径。

图3示出了具有图2的所述四个不同扫描位置的该实施例的细节。扫描反射镜8具有凸形。因此，到来的准直激光束10如图所示被扫描反射镜8发散。该发散的激光束11被定向到凹反射镜13，该凹反射镜13朝投影屏幕12反射和重新聚焦该激光束。

沿着凹反射镜13的方向观看扫描激光束11的个人看见放大的束斑14，其相对于扫描反射镜8上的束斑被放大，如后向延长的虚光束16示意性所示。例如，为了给出有关可能的维度的印象，利用扫描反射镜8的大约60mm的曲率半径和凹反射镜13的大约120mm的平均半径以及扫描反射镜8与凹反射镜13之间的大约25mm的距离，可以实现该束斑的大约2的放大倍率。这种放大倍率显著地降低了观看激光束时损害眼睛的风险。

观看扫描激光束并且聚焦在扫描反射镜或凹反射镜的像处的个人看见激光源的放大的像，导致视网膜上的降低的功率密度。表观源此外相对于观察者凹陷。源到眼睛的更大的距离也增加了安全性。投影设备的出口处激光束的扫描锥的区域比没有附加的凹反射镜13的情况大得多。该放大的扫描区域降低了可能由眼睛收集的激光功率量。

在图2和图3的实施例中，凹反射镜13和扫描反射镜8在垂直于附图平面的方向上根据彼此移位，以便允许到来的激光束10通过凹反射镜13然而，也可以提供其他的构造，例如在凹反射镜13中具有小孔，通过该小孔，到来的激光束10可以到达扫描反射镜8。

独立于激光束的发散特性，激光源2与扫描单元7之间的光学元件优选地被设置和设计成在扫描单元7处实现尽可能大以用于所述设备的可靠操作的激光束直径。

图4示出了实现离开扫描单元7的发散激光束11的三种不同的可能性。一种可能性是调节准直光学器件3，使得激光源2发射的激光束不完全被准直，而是保持发散。该发散束然后被定向到扫描单元7。另一种可能性是对激光源2发射的激光束准直并且添加发散光学元件15(特别是发散透镜或反射镜)，以便形成定向到扫描单元7的发散激光束。作为图4中示出的第三种可能性，扫描单元7的扫描反射镜具有凸形。激光源2发射的激光束利用准直光学器件3来准直并且准直或会聚的激光束被定向到扫描单元7。由于扫描反射镜的凸形的原因，扫描单元7以希望的方式发散该激光束。

尽管在附图和前面的说明中详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的，本发明并不限于所公开的实施例。上面描述的以及权利要求书中的不同实施例也可以加以组合。本领域技术人员在实施要求保护的本发明时，根据对于所述附图、本公开内容和所附权利要求书的研究，应当能够理解并实现所公开的实施例的其他变型。例如，尽管在这些实施例中描述的所提出的投影设备具有发射红、绿和蓝光的三个激光源，但是该投影设备也可以包括多于三个或者少于三个激光源。它也可以例如由仅仅一个激光源形成，其因而在屏幕上产生单色图像。

在权利要求书中，措词“包括/包含”并没有排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”并没有排除复数。在相互不同的从属权利要求中陈述若干技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。权利要求中的任何附图标记都不应当被视为对这些权利要求的范围的限制。

附图标记列表

1   投影设备

2   激光光源

3   准直光学器件

4   电介质反射镜

5   电介质反射镜

6   电介质反射镜

7   扫描单元

8   扫描反射镜

9   重新聚焦光学元件

10  到来的单个激光束

11  扫描激光束

12  投影屏幕

13  凹反射镜

14  放大的有效斑点

15  发散光学元件

16  后向延长的虚光束

Claims (7)

1.一种投影设备，包括至少一个激光光源(2)以及被设置用于利用从所述激光源(2)发射的激光束扫描投影区域的扫描单元(7)，

其中所述激光束适于至少当离开扫描单元(7)时发散并且其中用于聚焦或准直该发散的激光束的重新聚焦光学元件(9，13)设置在所述扫描单元(7)之后的激光束方向上。

2.依照权利要求1的投影设备，

其中重新聚焦光学元件(9，13)为凹反射镜(13)。

3.依照权利要求1或2的投影设备，

其中扫描单元(7)包括具有凸形的扫描反射镜(8)。

4.依照权利要求1或2的投影设备，

其中光束形成元件(3)设置在所述激光源(2)与扫描单元(7)之间，所述光束形成元件(3)被设计和设置成形成定向到所述扫描单元(7)的发散激光束。

5.依照权利要求1或2的投影设备，

其中在该设备中包括三个激光源(2)，其发射不同波长的三个激光束，所述三个激光束被组合成定向到扫描单元(7)的单个激光束。

6.依照权利要求1或2的投影设备，

其中离开扫描单元(7)的激光束的发散以及重新聚焦光学元件(9，13)适于使得扫描单元(7)的扫描反射镜(8)上的激光束的束斑在沿着重新聚焦光学元件(9，13)的方向观看激光束的个人看来放大了至少1.3倍。

7.依照权利要求6的投影设备，

其中离开扫描单元(7)的激光束的发散以及重新聚焦光学元件(9，13)适于使得扫描单元(7)的扫描反射镜(8)上的激光束的束斑在沿着重新聚焦光学元件(9，13)的方向观看激光束的个人看来放大了至少1.5倍。

Images