CN103116219A

CN103116219A - 具有侦测功能的扫描投射装置及其侦测方法

Info

Publication number: CN103116219A
Application number: CN2011103626846A
Authority: CN
Inventors: 陈致晓
Original assignee: HONGZHAN TECHNOLOGY Inc
Current assignee: HONGZHAN TECHNOLOGY Inc
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2013-05-22

Abstract

本发明公开一种具有侦测功能的扫描投射装置及其侦测方法，本发明是利用至少一分光器设在该光束偏射装置与该影像区之间扫描光束的投射路径上，用以使该扫描光束以一预设比例分成一相对较多量及一相对较少量的第一及第二部分光束，并使该第二部分光束投射至一感应器以形成一第二影像区，并利用该感应器以侦测该第二影像区，以达成侦测功能；本发明更利用至少一调变装置以根据该第二影像区以调变该光源及该光束偏射装置的操作状态，藉以避免先前技术须将扫描光束在影像区的周边切掉以形成一实用影像区并在该实用影像区外且靠近影像区的垂直向极端启动并产生一扫描线以在每一影像帧(image frame)扫过一次设在该极端处的感应器所引起的缺点及困扰。

Description

具有侦测功能的扫描投射装置及其侦测方法

技术领域

本发明是有关一种扫描投射装置，尤指一种具有侦测功能的光束偏射装置及其侦测方法。

背景技术

扫描投射装置(scanning projection apparatus)已广泛地被应用在光学领域的各种装置中，例如设计成一激光扫描单元(LSU，Laser Scanning Unit)供应用于印表机、扫描器等，或设计成一通称的激光投影器(laser Projector)供应用于小型激光投影机或汽车用抬头显示器(HUD，head-up device)。该扫描投射装置是利用一至少一维振动的光束偏射装置(beam deflecting device)，用以偏射至少一光源所发出的光束形成一至少一维的影像区；其中该光源可为激光光源但不限制(亦可利用LED光源)，又该至少一维的影像区在此定义为通过该光束偏射装置所偏射形成的扫描光束投射至一目标区所形成的投射光区域，例如一小型激光投影机或汽车用抬头显示器所使用的光束偏射装置是利用一具双轴(二维)扫描功能或二各具单轴(一维)扫描功能且各单轴校正成相互垂直的光束扫描器以将一激光光束偏射并投射至一目标区以形成一通常为二维的影像区。而为制成一小型激光投影器，通常使用一微机电扫描振镜(microelectronic mechanical scanning mirror，简称MEMS振镜)作为光束扫描器。

为方便说明，在此以下本发明以一种应用于一激光投影器的扫描投射装置为例说明但不限制。一现有的扫描投射装置如US6,937,372B2、US7,972,014B2等，可利用一光束偏射装置(beam deflecting device)如具有双轴扫描功能的光束扫描器如微机电扫描振镜(MEMS scanning vibrating mirror)或利用两个具有单轴扫描功能的光束扫描器且各单轴校正成相互垂直，以将一准直的光束以二垂直轴交叉点移动而偏射形成一影像区。一影像区的建立可以将光束以光栅型式(raster pattern)或利萨如型式(Lissajous pattern)扫出；影像，包括图表或图形，可以利用确定光束位置及调变光束功率，而在影像区上依据所接收的影像数据以形成所要求的影像像素(image pixels)。

为了制成一小型影像投射***，通常是使用一微机电扫描振镜(micromechanical scanning mirror)作为光束偏射装置如US6,937,372B2、US7,972,014B2等所揭示；电子驱动信号如交流电压或交流电流被应用在光束扫描器以使微机电扫描振镜产生机械式振动；当光束偏射装置在或接近其共振频率时，可以在具正弦扫描抛物线轨迹的双向运动中得到最大机械成果或大扫描角度。对光栅(raster)扫描***而言，当垂直向扫描运动依据影像更新率(refresh rate)而以频率50Hz或60Hz为一控制的锯齿线运动(sawtoothmotion)时，水平向扫描运动依据影像解析度而以一高频率通常为正弦曲线；对利萨如(Lissajous)扫描***而言，水平向及垂直向扫描运动皆是其频率比(frequency ratio)经过仔细选择的正弦曲线，以能达成一稳定的且可重复的扫描图形；对向量型式扫描***而言，若输入至微机电扫描振镜的讯号若高于该微机电扫描振镜的线性反应频率，则微机电扫描振镜的扫描角度将不等比于输入至微机电扫描振镜的讯号强度，且产生时间差。

为了精密投射一扫描影像，经光束扫描器偏射后的光束的正确位置必须能确定，因此光束才能调变而依据所接收的影像数据去形成所要求的影像像素(image pixels)；针对正弦扫描，只要扫描频率及交叉点时间点，即当光束通过扫描跨距(scan span)中心的时间点是已知的话，就可基于正弦运动的数学方程式以计算相对于扫描轨迹的光束位置；假使光束扫描器是以一接近共振频率的固定频率操作，共振频率的一轻微改变将导致驱动信号与光束扫描器的振动(摆动)运动间的相位改变。为了在正确地点形成影像像素(image pixels)，调变(modulation)光束的时间点因而必须被校正。假如调变光束的时间点与扫描光束的位置间的相位差未被正确补偿的话，则投射的影像像素将变得移位(displaced)及畸变(distorted)。

因此，提供一措施以侦测一光束偏射装置是否正常操作状态是有急需性的。虽然针对上述的调变问题如调变光束的时间点与扫描光束的位置间的相位差，部分先前技术如US6,937,372B2、US7,972,014B2等，已提出解决问题的技术手段；然而，该等先前技术的技术手段大都是利用一感应器设在实用影像区(active image field)的外但感应器的感应区至少一部分是设在影像区的垂直向极端的内，使该感应器可用以侦测被偏射的光束；又该光束在影像区的周边是被切掉(switched off)以形成一实用影像区供投射影像，并在该实用影像区外且靠近影像区的垂直向极端被启动以产生一扫描线以在每一影像帧(imageframe)扫过一次感应器。由此可知，现有技术至少具有下列缺点：

1、该光束在影像区的周边是被切掉(switched off)以形成一实用影像区(active image field)供投射影像，因此光束所投射形成的实用影像区的范围相对缩小，浪费实用影像区的周边的成像。

2、该感应器须依设计而设立在一特定位置，且光束偏射装置须在该实用影像区外且靠近影像区的垂直向极端处产生一回馈扫描线以在每一影像帧(imageframe)扫过一次感应器，因此相对造成组装作业及校正作业的困难度，不利于量产化。

3、各种感应器的感应区皆存在一定的宽度，即感应区在宽度向(横向)上具有分开一定宽度的第一边缘及第二边缘，当回馈扫描线在每一影像帧(imageframe)扫过一次感应器时，该回馈扫描线经过感应器的第一边缘及第二边缘产生的电子脉冲信号之间会产生一时差，而且各种品牌感应器的感应区所具有的宽度并不一致，因此相对造成组装及校正作业的困难度，不利于调变电路的设计，亦不利于各种感应器的选择，相对使制作成品无法有效降低。

4.先前技术是利用在该实用影像区外产生至少一回馈扫描线，并使该回馈扫描线在每一影像帧(image frame)扫过一次感应器，以建立一侦测、计算及补偿的模式，但由于感应器的感应区的面积有限，导致该侦测、计算及补偿的功能相对受限，例如可调变光束的时间点与扫描光束的位置间的相位差的补偿，但无法对该光源及该光束偏射装置的操作状态，如该光源所发出光束的强度或该光束偏射装置的振幅(振动角度)、频率及波形等，可能就无法达成侦测、计算及补偿的功能。

5.先前技术无法及时侦测在实用影像区(active image field)内的扫描状况，因此无法对向量型式扫描***进行侦测。

本发明即针对先前技术的缺点，提出能有效解决问题的技术手段。

发明内容

本发明的目的乃在于提供一种具有侦测功能的扫描投射装置及其侦测方法，该扫描投射装置包含至少一光源用以产生光束及一光束偏射装置用以偏射该光束以形成扫描光束并投射形成一影像区；本发明是利用至少一分光器设在该光束偏射装置与该影像区之间扫描光束的投射路径上，用以使该扫描光束以一预设比例分成一相对较多量及一相对较少量的第一及第二部分光束，并使该第二部分光束投射至一感应器以形成一第二影像区，并利用该感应器以侦测该第二影像区，以达成侦测功能；本发明更利用至少一调变装置以根据该第二影像区以调变该光源及该光束偏射装置的操作状态，藉以避免先前技术的缺点。

为了达到上述目的，本发明提供一种具有侦测功能的扫描投射装置，包含：

至少一光源，其用以产生至少一光束；

一光束偏射装置，其用以偏射该至少一光源所发出的至少一光束以形成扫描光束，该扫描光束再投射向外以形成一至少一维的影像区；

至少一分光器，其是设置在该光束偏射装置与该影像区之间该扫描光束的投射路径上，用以使该扫描光束在经过该分光器时能以一预设比例分成一预设的相对较多量的第一部分光束及一预设的相对较少量的第二部分光束，其中该相对较多量的第一部分光束能投射向外以形成一对应于该至少一维的影像区的第一影像区，其中该相对较少量的第二部分光束能投射至一感应器以进一步在该感应器上形成一对应于该至少一维的影像区的第二影像区；及

至少一感应器，用以侦测该第二影像区。

为了达到上述目的，本发明还提供一种扫描投射装置的侦测方法，包含下列步骤：

提供一扫描投射装置；该扫描投射装置包含至少一光源用以产生至少一光束；及一光束偏射装置用以偏射该至少一光源所发出的至少一光束以形成扫描光束，该扫描光束再投射向外以形成一至少一维的影像区；

提供至少一分光器，并使该分光器设置在该光束偏射装置与该影像区之间扫描光束的投射路径上，用以使该扫描光束在经过该分光器时能以一预设比例分成一预设的相对较多量的第一部分光束及一预设的相对较少量的第二部分光束，其中该相对较多量的第一部分光束能投射向外以形成一对应于该至少一维的影像区的第一影像区，其中该相对较少量的第二部分光束能投射至一感应器以进一步在该感应器上形成一对应于该至少一维的影像区的第二影像区；及

提供至少一感应器，用以侦测该第二影像区。

附图说明

图1是本发明的扫描投射装置第一实施例的立体示意图；

图2是图1所示第一实施例的平面(上视)示意图；

图3是本发明的扫描投射装置第二实施例的平面(上视)示意图；

图4是本发明的扫描投射装置第三实施例的平面(上视)示意图；

图5是本发明所使用的感应器一实施例(DVD的读取用(pick-up)光检测器)的参考图。

附图标记说明：1、2、3-扫描投射装置；10-光源；11-光束；12-扫描光束；12a-第一部分光束；12b-第二部分光束；20-光束偏射装置；30-影像区；30a-第一影像区；30b-第二影像区；40、40a-分光器；41-凹面；50-感应器；60-调变装置；61-侦测单元；62-控制单元；63-光源驱动单元；64-偏射驱动单元。

具体实施方式

为使本发明更加明确详实，兹列举较佳实施例并配合下列图示，将本发明的结构、方法及其技术特征详述如后：

参考图1、图2所示，其是本发明的扫描投射装置第一实施例的立体示意图及其平面(上视)示意图。本发明的具有侦测及补偿功能的扫描投射装置1，主要包含：至少一光源(light source)10、一光束偏射装置(beam deflectingdevice)20、至少一分光器(BS，beam splitter)40及至少一感应器(detectingsensor)50；进一步可包含至少一调变装置(modulation means)60。

该至少一光源(light source)10是用以产生至少一光束11，并投射至该光束偏射装置20；本实施例中该至少一光源(light source)10只以一光源(light source)10代表但非用来限制本发明。该光源10可为激光光源但不限制。该光束11可为可见光，如由多条具有红、绿、蓝色波长的光束组成；该光束11亦可为不可见光，即或具有人眼看不见的波长如红外线。

该光束偏射装置(beam deflecting device)20是用以偏射该光源10所发出的至少一光束11以形成扫描光束12，该扫描光束12再投射向外以形成一至少一维的影像区30。本实施例中该光束偏射装置20设计为一微机电扫描振镜(MEMS scanning vibrating mirror)但非用来限制本发明，图1所示的光束偏射装置20即为一具有双轴扫描功能的微机电扫描振镜。

该分光器(BS，beam splitter)40为具有对一入射光束产生部分反射及部分折射的分光特性，其是设置在该光束偏射装置20与该影像区30之间该扫描光束12的投射路径上，用以使该扫描光束12在经过该分光器40时能以一预设比例分成一预设的相对较多量的第一部分光束12a及一预设的相对较少量的第二部分光束12b。以一分光器的分光功能而言，部分反射及部分折射的光束量比例可依设计需要而选别，也就是当相对较多量的第一部分光束12a设计以折射方式(或反射方式)经过该分光器40时，表示该分光器40的部分反射及部分折射的光束量比例已经设定，则另一相对较少量的第二部分光束12b就以另一方式，即反射方式(或折射方式)，经过该分光器40。在本实施例中，该相对较多量的第一部分光束12a是以折射方式穿过该分光器40而投射向外以形成一对应于该至少一维的影像区30的第一影像区30a如图1、2所示，此时该相对较少量的第二部分光束12b即以反射方式投射至一感应器50以进一步在该感应器50上形成一对应于该至少一维的影像区30(30a)的第二影像区30b；在本实施例中，该预设的相对较少量的第二部分光束12b可设计为该扫描光束12的光束量的5-10百分率(％)，即该扫描光束12在经过该分光器40时能以5％∶95％的比例至10％∶90％的比例分成一相对较少量的第二部分光束12b及一相对较多量的第一部分光束12a；由此，该相对较多量的第一部分光束12a所投射形成的第一影像区30a与该扫描光束12所投射形成的影像区30相比，在光强度(亮度)上不会有太大差异，而且该相对较少量的第二部分光束12b所投射形成的第二影像区30b又有足够的光强度供该感应器50进行侦测，达成本发明所诉求的侦测功能。

该至少一感应器(detecting sensor)50是用以侦测该第二影像区30b，以达成本发明所诉求的侦测功能；其中该感应器50可选自下列族群中的一种：电荷耦合装置(charge-coupled device，CCD)、多元光检测器(Patterned photondetector)、位置感应器(position sensitive device，PSD)，但上述该等感应器50的不同型态并非用来限制本发明。本发明的扫描投射装置1目前以选择多元光检测器作为感应器50为较佳。该多元光检测器或称为图案化光检测器(Patterned photon detector)的结构设计可参考DVD(数字视讯光碟DigitalVideo Disc或数字多用途光碟Digital Versatile Disc)所使用的读取用(pick-up)光检测器如图5所示但不限制。

本发明进一步可包含至少一调变装置(modulation means)60。该至少一调变装置(modulation means)60是连结设在该至少一感应器50、该至少一光源10及该光束偏射装置20之间，用以根据该至少一感应器50上所形成的该第二影像区30b以调变该至少一光源10及该光束偏射装置20的操作状态。在本实施例中，该调变装置60进一步可包含下列各单元(电路)但并非用来限制本发明：一侦测单元(measurement unit)61供与该感应器50连结，用以侦测形成在该感应器50上的第二影像区30b并将侦测所得的数据传送至控制单元(control unit)62；一控制单元(control unit)62供与该侦测单元61连结，用以针对该侦测单元61所提供的数据进行运算，并将运算所得的数据依控制需要分别传送至一光源驱动单元(light source drive unit)63及/或一偏射驱动单元64；一光源驱动单元(light source drive unit)63供连结在该光源10与该控制单元62之间，用以可依据该控制单元62所提供的运算结果数据以调变该光源10的操作状态，如调变该光源10所发出光束11的强度；及一偏射驱动单元(deflecting drive unit)64供连结在该光束偏射装置20与该控制单元62之间，用以可依据该控制单元62所提供的运算结果数据以调变该光束偏射装置20的操作状态，如调变该光束偏射装置20的振幅(amplitude)即振动角度、频率、相位及偏射轴的运动方式如正弦曲线运动或锯齿(sawtooth)运动等。由于该调变装置60的设计，如包含一侦测单元61、一控制单元62、一光源驱动单元63、一偏射驱动单元64，乃利用目前电子技术可达成者，而且该调变装置60中各单元的电路设计本身或相关软件设计也并非本发明的技术特点，故于此不再赘述。

再参考图3所示，其是本发明的扫描投射装置第二实施例的平面(上视)示意图。本第二实施例的扫描投射装置2与图1、2所示第一实施例的扫描投射装置1之间的不同点在于：本第二实施例的扫描投射装置2进一步在该分光器(BS)40与该感应器50之间该第二部分光束12b的投射路径上，设置至少一光学元件70。该光学元件70可为一具有聚光作用的光学元件70如一凸透镜如图3所示，以使该相对较少量的第二部分光束12b在投射至该感应器50以形成该第二影像区30b之前，可先经过该聚光用光学元件70以先缩小该第二部分光束12b的投射区面积，以相对缩小该感应器50或其所需要的感应区的面积如图3所示，有利于使本第二实施例的扫描投射装置2能相对地轻、薄、短小，以达成小型化的优势效果及目的，并相对地降低构件成本。另，该光学元件70亦可为一具有扩散作用的光学元件70如一凹透镜(图未示)，藉以使该相对较少量的第二部分光束12b在投射至该感应器50以形成该第二影像区30b之前，可先经过该扩散用光学元件70以先扩散该第二部分光束12b的投射区面积，以相对加大该感应器50或其所需要的感应区的面积(图未示)，有利于提高侦测的精密度。

再参考图4所示，其是本发明的扫描投射装置第三实施例的平面(上视)示意图。本第三实施例的扫描投射装置3与图1、2所示第一实施例的扫描投射装置1之间的不同点在于：本第三实施例的扫描投射装置3进一步将该分光器(BS)40设计成一具凹面41的凹面式分光器(BS)40a如图4所示，以使该扫描光束12在经过该凹面式分光器40a时，该相对较少量的第二部分光束12b能通过该凹面41的聚光功能先进行聚光式反射再投射至该感应器50，即该相对较少量的第二部分光束12b在投射至该感应器50以形成该第二影像区30b之前，可先经过该凹面式分光器(BS)40a以先缩小该第二部分光束12b的投射区面积，以相对缩小该感应器50所需要的感应区，有利于使本第三实施例的扫描投射装置3能相对地轻、薄、短小，达成小型化的优势效果，并相对地降低构件成本。

此外，可随设计需要，将第三实施例的扫描投射装置3的具凹面41的凹面式分光器(BS)40a与第二实施例的扫描投射装置2的聚光用光学元件70搭配使用，使该相对较少量的第二部分光束12b在投射至该感应器50以形成该第二影像区30b之前，能更有效地缩小该第二部分光束12b的投射区面积，即更有效地相对缩小该感应器50所需要的感应区，有利于使本发明的扫描投射装置能相对地轻、薄、短小，达成小型化的优势效果，并相对地降低构件成本

本发明进一步提供一种扫描投射装置的侦测方法，其包含下列步骤：

提供一扫描投射装置；该扫描投射装置包含至少一光源10用以产生至少一光束11；及一光束偏射装置20用以偏射该至少一光源10所发出的至少一光束11以形成扫描光束12，该扫描光束12再投射向外以形成一至少一维的影像区30；

提供至少一分光器(BS)40，并使该分光器(BS)40设置在该光束偏射装置20与该影像区30之间扫描光束12的投射路径上，用以使该扫描光束12在经过该分光器40时能以一预设比例分成一预设的相对较多量的第一部分光束12a及一预设的相对较少量的第二部分光束12b，其中该相对较多量的第一部分光束12a能投射向外以形成一对应于该至少一维的影像区30的第一影像区30a，其中该相对较少量的第二部分光束12b能投射至一感应器50以进一步在该感应器50上形成一对应于该至少一维的影像区30的第二影像区30b；以及

提供至少一感应器50，用以侦测该第二影像区30b。

本发明进一步包含下一步骤：提供至少一调变装置(modulation means)60，使该调变装置60连结设在该感应器50、该光源10及该光束偏射装置20之间，用以根据该感应器50所投射形成的该第二影像区30b，以调变该至少一光源10及该光束偏射装置20的操作状态。

由上可知，本发明的主要技术手段，即其不同于相关先前技术如US6,937,372B2、US7,972,014B2等的主要区别特征，乃是利用至少一分光器设在该光束偏射装置20与该影像区30之间该扫描光束12的投射路径上，用以使该扫描光束12能以一预设比例分成一相对较多量及一相对较少量的第一及第二部分光束12a、12b，并使该相对较少量的第二部分光束12b投射至一感应器50以形成一第二影像区30b，并利用该感应器50以侦测该第二影像区30b。另，可再利用至少一调变装置60以根据该第二影像区30b以调变该光源10及该光束偏射装置20的操作状态，以避免该等相关先前技术的缺点。

以上所述仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本专业技术领域具通常知识人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种具有侦测功能的扫描投射装置，其特征在于，包含：

至少一光源，其用以产生至少一光束；

至少一感应器，用以侦测该第二影像区。

2.根据权利要求1所述的扫描投射装置，其特征在于，该感应器是选自下列族群中的一种：电荷耦合装置、多元光检测器、位置感应器。

3.根据权利要求1所述的扫描投射装置，其特征在于，该预设的相对较少量的第二部分光束为该扫描光束的5-10百分率，使该扫描光束在经过该分光器时能以5∶95比例至10∶90比例分成一相对较少量的第二部分光束及相对较多量的第一部分光束。

4.根据权利要求1所述的扫描投射装置，其特征在于，该光源为激光光源。

5.根据权利要求1所述的扫描投射装置，其特征在于，该光束包含可见光、不可见光中的一种或其组合。

6.根据权利要求5所述的扫描投射装置，其特征在于，该光束是由多条具有红、绿、蓝色波长的光束组成。

7.根据权利要求1所述的扫描投射装置，其特征在于，该光束具有人眼看不见的波长。

8.根据权利要求1所述的扫描投射装置，其特征在于，该光束偏射装置是一微机电扫描振镜。

9.根据权利要求1所述的扫描投射装置，其特征在于，其进一步包含至少一光学元件设置在该分光器与该感应器之间该第二部分光束的投射路径上，用以使该相对较少量的第二部分光束在投射至该感应器以形成该第二影像区之前，能先经过该光学元件以缩小或扩散该第二部分光束的投射区面积。

10.根据权利要求1所述的扫描投射装置，其特征在于，该分光器为一具凹面的凹面式分光器，用以使该扫描光束在经过该凹面式分光器时，该相对较少量的第二部分光束能通过该凹面的反射再投射至该感应器以缩小该第二部分光束的投射区面积。

11.根据权利要求1所述的扫描投射装置，其特征在于，其进一步包含至少一调变装置，其是连结设在至少一感应器、该至少一光源及该光束偏射装置之间，用以根据该至少一感应器所投射形成的该第二影像区以调变该至少一光源及该光束偏射装置的操作状态。

12.根据权利要求11所述的扫描投射装置，其特征在于，该调变装置进一步包含：一计算电路与该感应器连结、一控制电路与该计算电路连结、一光源驱动电路连结在该光源与该控制电路之间及一光束偏射装置驱动电路连结在该光束偏射装置与该控制电路之间。

13.根据权利要求11所述的扫描投射装置，其特征在于，该光源能藉该调变装置调变的操作状态包含该光源所发出光束的强度。

14.根据权利要求11所述的扫描投射装置，其特征在于，该光束偏射装置能藉该调变装置调变的操作状态包含下列族群中的一种或任二种或二种以上的组合：振幅、频率、相位及偏射的运动方式。

15.一种扫描投射装置的侦测方法，其特征在于，包含下列步骤：

提供至少一感应器，用以侦测该第二影像区。

16.根据权利要求15所述的侦测方法，其特征在于，其进一步包含下一步骤：

提供至少一调变装置，使该调变装置连结设在该感应器、该光源及该光束偏射装置之间，用以根据该感应器所投射形成的该第二影像区，以调变该至少一光源及该光束偏射装置的操作状态。