DE112006000276T5

DE112006000276T5 - Farbbildprojektionsvorrichtung und -verfahren

Info

Publication number: DE112006000276T5
Application number: DE112006000276T
Authority: DE
Inventors: Paul Dvorkis; Ron Goldman; Chinh Tan; Dmitriy Yavid; Miklos Stern; Carl Wittenberg; Frederick Wood; Askold Strat; Michael Slutsky; Narayan Nambudiri; Richard Rizza; Thomas Mazz; Lisa Fan
Original assignee: Symbol Technologies LLC
Current assignee: Microvision Inc
Priority date: 2005-01-26
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2007-12-13
Also published as: CN101124514B; JP2008529069A; US20060119804A1; WO2006081296A3; WO2006081296A2; CN101124514A; TW200633547A; US7367682B2

Abstract

Eine Bildprojektionsvorrichtung zum Projizieren eines zweidimensionalen Farbbildes, welche folgendes aufweist:
a) ein Tragelement;
b) eine Laseranordnung auf dem Tragelement zum Emittieren einer Vielzahl von Laserstrahlen von unterschiedlichen Wellenlängen;
c) einen Scanner auf dem Tragelement zum Schwenken eines Musters von Scanlinien bei einem Arbeitsabstand von dem Tragelement, wobei jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln hat;
d) ein Steuerelement, welches operativ mit der Laseranordnung und dem Scanner verbunden ist, zum Verursachen, dass ausgewählte Pixel erleuchtet werden, und sichtbar gemacht werden, und zwar durch die Laserstrahlen zum Erzeugen des Bilds; und
e) eine optische Anordnung auf dem Tragelement zwischen der Laseranordnung und dem Scanner zum Fokussieren und fast kolinearen Anordnen der Laserstrahlen zum Bilden eines zusammengesetzten Strahls, welcher auf den Scanner gerichtet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Projizieren eines zweidimensionalen Bildes in Farbe während niedriger Leistungsverbrauch, hohe Auflösung, miniaturisierte kompakte Größe, leiser Betrieb und minimale Vibration erhalten werden.
Es ist im Allgemeinen bekannt, ein zweidimensionales Bild auf einen Schirm zu projizieren, und zwar basierend auf einem Paar von Scanspiegeln, welche in gegenseitig aufeinander senkrecht stehenden Richtungen oszillieren, um einen Laserstrahl über ein Rastermuster zu scannen. Jedoch projizieren die bekannten Bildprojektionssysteme das Bild mit eingeschränkter Auflösung, typischerweise weniger als ein viertel der Video-Graphics-Array (VGA) Qualität von 640×480 Pixeln, und nicht in Echtfarbe. Die physikalische Größe und der Leistungsverbrauch der bekannten Projektionssysteme sind relativ hoch, wodurch sie zur Verwendung in miniaturisierten, in der Hand gehaltenen, Batterie betriebenen Anwendungen unpraktisch sind. Auch generieren die niedrigen Scanraten der Scanspiegel nennenswertes Rauschen und Vibration während der Verwendung.
Dementsprechend ist es ein allgemeines Ziel dieser Erfindung, eine Bildprojektionsvorrichtung vorzusehen, welche ein scharfes und klares, zweidimensionales Farbbild über einen erweiterten Bereich von Distanzen weg von der Vorrichtung projiziert.
Ein anderes Ziel dieser Erfindung ist es, den Leistungsverbrauch in solchen Projektionsvorrichtungen zu minimieren.
Noch ein anderes Ziel dieser Erfindung ist die Erhöhung der Auflösung des Farbbildes, welches durch solche Vorrichtungen projiziert wird.
Noch ein anderes Ziel dieser Erfindung ist es, nennenswertes Rauschen und Vibration während des Betriebs zu verringern, wenn nicht zu eliminieren.
Ein zusätzliches Ziel ist es, eine miniaturisierte, kompakte, leichtgewichtige und portable Farbbildprojektionsvorrichtung vorzusehen, welche in vielen Instrumenten von unterschiedlichen Formfaktoren nützlich ist.
Zusammen mit diesen Zielen und anderen, welche hierin nachfolgend offensichtlich werden, ist ein Merkmal dieser Erfindung, kurz ausgedrückt, eine Bildprojektionsvorrichtung zum Projizieren eines zweidimensionalen Farbbildes. Die Vorrichtung beinhaltet einen Trageteil, eine Vielzahl von roten, blauen und grünen Lasern zum jeweiligen Emittieren von roten, blauen und grünen Laserstrahlen; einen Scanner zum Schwenken eines Musters von Scanlinien im Raum bei einem Arbeitsabstand von dem Stützelement, wobei jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln hat; und ein Steuerelement zum Verursachen, dass ausgewählte Pixel erleuchtet werden, und sichtbar gemacht werden, und zwar durch die Laserstrahlen, zum Erzeugen des Farbbildes.
Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung wird eine optische Anordnung auf dem Tragelement zwischen den Lasern und dem Scanner vorgesehen, und zwar zum optischen Fokussieren und kolinearen Anordnen der Laserstrahlen zum Bilden eines zusammen gesetzten Strahls, welcher zu dem Scanner gerichtet ist.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beinhaltet der Scanner ein Paar von oszillierbaren Scanspiegeln zum Schwenken des zusammengesetzten Strahls entlang von im Allgemeinen zueinander orthogonalen Richtungen mit unterschiedlichen Scannraten und mit unterschiedlichen Scannwinkeln. Mindestens eine der Scannraten übersteigt hörbare Frequenzen, zum Beispiel 18 kHz, zum Verringern von Rauschen. Mindestens einer der Scannspiegel wird durch einen Trägheitsantrieb angetrieben, um den Leistungsverbrauch zu minimieren. Die Bildauflösung übersteigt bevorzugterweise ein Viertel der VGA Qualität, aber gleicht typischerweise oder übersteigt die VGA Qualität. Das Tragelement, der Laser, der Scanner, das Steuerelement und die opti sche Anordnung belegen bevorzugterweise ein Volumen von weniger als dreißig Kubikzentimetern.
Die Vorrichtung ist austauschbar angebracht in Gehäusen von unterschiedlichen Formfaktoren, einschließlich, aber nicht eingeschränkt auf, ein stiftförmiges, pistolenförmiges, oder taschenlampenförmiges Instrument, ein persönlicher digitaler Assistent, eine Hängelampe, eine Uhr, ein Computer, und kurz gesagt für irgendeine Form, aufgrund ihrer kompakten und miniaturisierten Größe. Das projizierte Bild kann für Werbe- oder Schildzwecke, für einen Fernseher- oder Computermonitorbildschirm, oder kurz gesagt für jegliche Zwecke, welche wünschen, dass etwas angezeigt wird, verwendet werden.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines in der Hand gehaltenen Instruments, welches ein Bild bei einem Arbeitsabstand davon projiziert;
2 ist eine vergrößerte, über Kopf stehende, perspektivische Ansicht einer Bildprojektionsvorrichtung gemäß dieser Erfindung zur Installation in dem Instrument von 1;
3 ist eine Draufsicht der Vorrichtung von 2;
4 ist eine perspektivische Frontansicht eines Trägheitsantriebs zur Verwendung in der Vorrichtung von 2;
5 ist eine perspektivische Rückansicht des Trägheitsantriebs von 4;
6 ist eine perspektivische Ansicht einer praktischen Implementierung der Vorrichtung von 2; und
7 ist ein elektrisches schematisches Blockdiagramm, welches den Betrieb der Vorrichtung von 2 zeigt.
Das Bezugszeichen 10 in 1 identifiziert im Allgemeinen ein in der Hand gehaltenes Instrument, zum Beispiel einen persönlichen digitalen Assistenten, in welchem eine leichtgewichtige, kompakte Bildprojektionsvorrichtung 20, wie in 2 gezeigt ist, angebracht ist und in Betrieb ist zum Projizieren eines zweidimensionalen Farbbildes in einem variablen Abstand von dem Instrument. Beispielsweise ist ein Bild 18 innerhalb eines Arbeitsbereichs von Abständen relativ zu dem Instrument 10 angeordnet.
Wie in 1 gezeigt ist erstreckt sich das Bild 18 über einen optischen horizontalen Scanwinkel A, welcher sich entlang der horizontalen Richtung erstreckt, und über einen optischen vertikalen Scanwinkel B, welcher sich entlang der vertikalen Richtung des Bildes erstreckt. Wie unten stehend beschrieben besteht das Bild aus erleuchteten und nicht erleuchteten Pixeln auf einem Rastermuster von Scanlinien, welche durch einen Scanner in der Vorrichtung 20 geschwenkt werden.
Die Parallelepipedform des Instruments 10 repräsentiert nur einen Formfaktor eines Gehäuses, in welchem die Vorrichtung 20 implementiert sein kann. Das Instrument kann als ein Stift, zellulares Telefon, ein muschelförmiges Gehäuse (clam shell) oder eine Armbanduhr, wie zum Beispiel in der U.S. Patentanmeldung mit Seriennummer 10/090,653, angemeldet am 4. März 2002, dem gleichen Anmelder wie die vorliegende Erfindung zugeordnet, und hierin im Weg der Referenz mit aufgenommen, gezeigt ist.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel misst die Vorrichtung 20 weniger als ungefähr 30 Kubikzentimeter im Volumen. Diese kompakte, miniaturisierte Größe erlaubt, dass die Vorrichtung 20 in Gehäusen von vielen unterschiedlichen Formen, groß oder klein, portabel oder stationär, angebracht wird, einschließlich solchen, welche eine on-Board Anzeige 12, eine Tastatur 14, und ein Fenster 16 haben, durch welches das Bild projiziert wird.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beinhaltet die Vorrichtung 20 einen Festkörper-, bevorzugterweise einen Halbleiterlaser 22, welcher, wenn er mit Energie versorgt wird, einen hellen roten Laserstrahl bei ungefähr 635 bis 655 Nanometern emittiert. Die Linse 24 ist eine biasphärische konvexe Linse, weiche eine positive Brennweite hat und zum Einsammeln von fast all der Energie in dem roten Strahl und zum Erzeugen eines brechungsbegrenzten Strahls betrieben wird. Die Linse 26 ist eine konkave Linse, welche eine negative Brennweite hat. Die Linsen 24, 26 werden durch nicht gezeigte jeweilige Linsenhalter auf einem Trageteil (in 2 zum Zweck der Klarheit nicht gezeigt) innerhalb des Instruments 10 gehalten. Die Linsen 24, 26 formen das rote Strahlprofil über den Arbeitsabstand.
Ein anderer Festkörper-, Halbleiterlaser 28 ist auf dem Trageteil angebracht, und, wenn er mit Energie versorgt wird, emittiert er einen brechungsbegrenzten blauen Laserstrahl bei ungefähr 475 bis 505 Nanometern. Eine andere biasphärische konvexe Linse 30 und eine konkave Linse 32 werden verwendet, um das blaue Strahlprofil in einer Art und Weise analog zu den Linsen 24, 26 zu formen.
Ein grüner Laserstrahl, welcher eine Wellenlänge von der Größenordnung von 530 Nanometern hat, wird nicht durch einen Halbleiterlaser generiert, sondern stattdessen durch ein grünes Modul 34, welches einen infraroten dioden-gepumpten YAG Kristalllaser hat, dessen Ausgangsstrahl bei 1060 Nanometern liegt. Ein nichtlinearer Frequenzverdopplerkristall ist in dem Infrarotlaserzwischenraum zwischen den zwei Laserspiegeln beinhaltet. Weil die Infrarotlaserleistung innerhalb des Zwischenraums wesentlich größer ist als die Leistung, welche aus dem Zwischenraum herausgekoppelt wird, ist der Frequenzverdoppler effizienter im Generieren des grünen Lichts von doppelter Frequenz innerhalb des Zwischenraums. Der Ausgangsspiegel des Lasers ist für die 1060 Nanometer Infrarotstrahlung reflektiv, und transmittiv, für den verdoppelten grünen Laserstrahl mit 563 Nanometern. Weil der korrekte Betrieb des Festkörperlasers und Frequenzverdopplers präzise Temperatursteuerung erfordern, wird eine Halbleitereinrichtung, welche auf dem Peltier-Effekt basiert, verwendet, um die Temperatur des grünen Lasermoduls zu steuern. Der thermo-elektrische Kühler kann die Einrichtung entweder Heizen oder Kühlen, abhängig von der Polarität des angelegten Stroms. Ein Thermistor ist ein Teil des grünen Lasermoduls, um seine Temperatur zu überwachen. Das Ausgelesene von dem Thermistor wird in das Steuerelement eingegeben, welches den Steuerstrom für den thermo-elektrischen Kühler dementsprechend einstellt. Wie unten stehend erklärt, sind die Laser im Betrieb bei Frequenzen von der Größenordnung von 100 MHz gepulst. Die roten und blauen Halbleiterlaser 22, 28 können mit solch hohen Frequenzen gepulst werden, aber die derzeit verfügbaren grünen Festkörperlaser können dies nicht. Als ein Ergebnis ist der grüne Laserstrahl, welcher das grüne Modul 34 verlässt, mit einem akusto-optischen Modulator 36 gepulst, welcher eine akustische stehende Welle innerhalb eines Kristalls zum Brechen des grünen Strahls erzeugt. Der Modulator 36 erzeugt jedoch einen nicht gebrochenen Strahl 38 nullter Ordnung, und einen gepulsten gebrochenen Strahl 40 erster Ordnung. Die Strahlen 38, 40 divergieren voneinander und um sie zu separieren, um den unerwünschten Strahl 38 nullter Ordnung zu eliminieren, werden die Strahlen 38, 40 entlang eines langen, gefalteten Pfads, welcher einen Faltungsspiegel 42 hat, geführt. Alternativ kann ein elektrooptischer Modulator entweder extern oder intern zu dem grünen Lasermodul verwendet werden, um den grünen Laserstrahl zu pulsen. Andere mögliche Wege zum Modulieren des grünen Laserstrahls beinhalten Elektro-Absorptions-Modulation, oder Mach-Zehnder-Interferometer. Die Strahlen 38, 40 werden durch positive und negative Linsen 44, 46 geleitet. Jedoch wird nur dem gebrochenen grünen Strahl 40 erlaubt, auf den Faltungsspiegel 48 aufzutreffen und von diesem zu reflektieren. Der nicht gebrochene Strahl 38 wird durch einen Absorber 50 absorbiert, welcher bevorzugterweise auf dem Spiegel 48 angebracht ist.
Die Vorrichtung beinhaltet einen Paar von dichroitischen Filtern 52, 54, welche angeordnet sind, um die grünen, blauen und roten Strahlen so kolinear wie möglich zu machen, bevor sie die Scanneranordnung 60 erreichen. Der Filter 52 erlaubt dem grünen Strahl 40, hindurch zu treten, aber der blaue Strahl 56 von dem blauen Laser 28 wird durch den Interferenzeffekt reflektiert. Der Filter 54 erlaubt den grünen und blauen Strahlen 40, 56, hindurch zu treten, aber der rote Strahl 58 von dem roten Laser 22 wird durch den Interferenzeffekt reflektiert.
Die fast kolinearen Strahlen 40, 56, 58 werden auf einen stationären Prellspiegel (bounce mirror) 62 gerichtet und von diesem reflektiert. Die Scanner vorrichtung 60 beinhaltet einen ersten Scanspiegel 64, welcher durch einen Trägheitsantrieb 66 (isoliert in 4 bis 5 gezeigt) oszillierbar ist, und zwar mit einer ersten Scanrate, um die Laserstrahlen, welche an dem Prellspiegel 62 reflektiert wurden, über den ersten horizontalen Scanwinkel A zu schwenken, und einen zweiten Scanspiegel 68, welcher durch einen elektromagnetischen Antrieb 70 mit einer zweiten Scanrate zum Schwenken der Laserstrahlen, welche von dem ersten Scanspiegel 64 reflektiert wurden, oszillierbar ist, und zwar über den zweiten vertikalen Scanwinkel B. In einer alternativen Konstruktion können die Scanspiegel 64, 68 durch einen einzigen zweiachsigen Spiegel ersetzt werden.
Der Trägheitsantrieb 66 ist eine Komponente mit hoher Geschwindigkeit und niedrigem elektrischem Leistungsverbrauch. Details des Trägheitsantriebs können in der U.S. Patentanmeldung mit Seriennummer 10/387,878, angemeldet am 13. März 2003, dem gleichen Anmelder wie die vorliegende Erfindung zugeordnet, und hierin im Weg der Referenz mit aufgenommen, gefunden werden. Die Verwendung des Schwerkraftantriebs verringert den Leistungsverbrauch der Scanvorrichtung 60 auf weniger als ein Watt und in dem Fall des Projizierens eines Farbbildes, wie unten stehend beschrieben, auf weniger als zehn Watt.
Der Antrieb 66 beinhaltet einen beweglichen Rahmen 74 zum Tragen des Scanspiegels 64 durch ein Gelenk, welches ein Paar von kolinearen Gelenkteilen 76, 78, beinhaltet, welche sich entlang einer Gelenkachse erstrecken und zwischen entgegengesetzten Bereichen des Scanspiegels 64 und entgegengesetzten Bereichen des Rahmens verbunden sind. Der Rahmen 74 muß nicht den Scanspiegel 64 umgeben, wie gezeigt ist.
Der Rahmen, die Gelenkteile und der Scanspiegel sind aus einem einstückigen, im Allgemeinen planaren, Siliziumsubstrat hergestellt, welches ungefähr 150µ dick ist. Das Silizium wird geätzt, um Omega-geformte Schlitze zu bilden, welche obere parallele Schlitzabschnitte, untere parallele Schlitzabschnitte, und U-förmige zentrale Schlitzabschnitte haben. Der Scanspiegel 64 hat bevorzugterweise eine ovale Form und ist frei zur Bewegung in den Schlitzabschnitten. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel messen die Abmessungen entlang der Achsen des ovalförmigen Scanspiegels 749µ×1600µ. Der Gelenkteil misst 27µ in der Breite und 1130µ in der Länge. Der Rahmen hat eine rechteckige Form, welche 3100µ in der Breite und 4600µ in der Länge mist.
Der Trägheitsantrieb ist auf einer im Allgemeinen planaren, gedruckten Leiterplatte 80 angebracht, und ist betreibbar zum direkten Bewegen des Rahmens, und durch Trägheit, zum indirekten Oszillieren des Scanspiegels 64 um die Gelenkachse. Ein Ausführungsbeispiel des Trägheitsantriebs beinhaltet ein Paar von Piezo-elektrischen Wandlern 82, 84, welche sich senkrecht zu der Platte 80 erstrecken und in Kontakt mit beabstandeten Bereichen des Rahmens 74 an jeder Seite des Gelenkteils 76 stehen. Ein Klebstoff kann verwendet werden, um einen permanenten Kontakt zwischen einem Ende von jedem Wandler und jedem Rahmenteil sicherzustellen. Das entgegengesetzte Ende von jedem Wandler erstreckt sich aus der Rückseite der Platte 80 heraus und ist elektrisch durch Drähte 86, 88 mit einer periodisch alternierenden Spannungsquelle (nicht gezeigt) verbunden.
In der Verwendung legt das periodische Signal eine periodische Antriebsspannung an jeden Wandler an und verursacht, dass der jeweilige Wandler sich alternierend in der Länge streckt und kontrahiert. Wenn sich der Wandler 82 streckt, kontrahiert der Wandler 84, und umgekehrt, wodurch gleichzeitig die beabstandeten Rahmenteile gedrückt und gezogen werden, und wodurch verursacht wird, dass sich der Rahmen um die Gelenkachse dreht. Die Antriebsspannung hat eine Frequenz korrespondierend zu der Resonanzfrequenz des Scanspiegels. Der Scanspiegel wird von seiner ursprünglichen Ruheposition bewegt, bis er auch um die Gelenkachse mit der Resonanzfrequenz oszilliert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Rahmen und der Scanspiegel ungefähr 150µ dick, und der Scanspiegel hat einen hohen Q-Faktor. Eine Bewegung von der Größenordnung 1µ durch jeden Wandler kann Oszillation des Scanspiegels mit Scanraten verursachen, welche 20 kHz übersteigen.
Ein anderes Paar von Piezo-elektrischen Wandlern 90, 92 erstreckt sich senkrecht zu der Platte 80 und in permanenten Takt mit beabstandeten Teilen des Rahmens 74 bei jeder Seite des Gelenkteils 78. Die Wandler 90, 92 dienen als Rückkopplungseinrichtungen zum Überwachen der Oszillationsbewegung des Rahmens zum Generieren und Leiten von elektrischen Rückkopplungssignalen entlang von Drähten 94, 96, zu einem Rückkopplungssteuerungsschaltkreis (nicht gezeigt).
Unser neues Design verwendet tatsächlich ein Paar von Piezo-elektrischen Elementen zum Antreiben (mit anderen Worten verwenden wir zwei Piezos zusammen zum Kontrahieren und Strecken). Zur Rückkopplung verwenden wir magnetische Rückkopplung, wobei ein Magnet auf der Rückseite des Hochgeschwindigkeitspegels angebracht ist, und eine externe Spule wird verwendet, um das sich verändernde magnetische Feld, welches durch den oszillierenden Magnet generiert wird, aufzunehmen.
Obwohl Licht an einer Außenoberfläche des Scanspiegels reflektiert werden kann, ist es bevorzugt, die Oberfläche des Spiegels 64 mit einer spiegelnden Beschichtung abzudecken, welche aus Gold, Silber, Aluminium, oder einer speziell entwickelten hochreflektiven dielektrischen Beschichtung hergestellt ist.
Der elektrische magnetische Antrieb 70 beinhaltet einen Permanentmagneten, welcher gemeinsam auf und hinter dem zweiten Scanspiegel 78 angebracht ist, und eine elektromagnetische Spule 72, welche betreibbar ist zum Generieren eines periodischen Magnetfelds ansprechend auf den Empfang eines periodischen Antriebsignals. Die Spule 72 ist benachbart zu dem Magneten, und zwar derart, dass das periodische Feld magnetisch mit dem Permanentfeld des Magneten interagiert, und verursacht, dass der Magnet, und somit auch der zweite Scanspiegel 68, oszillieren.
Der Trägheitsantrieb 66 oszilliert den Scanspiegel 66 mit einer hohen Geschwindigkeit mit einer Scanrate, welche bevorzugterweise größer als 5 kHz ist, und insbesondere von der Größenordnung von 18 kHz oder mehr. Die hohe Scanrate ist bei einer nicht hörbaren Frequenz, wodurch Rauschen und Vibration minimiert werden. Der elektromagnetische Antrieb 70 oszilliert den Scanspiegel 68 mit einer niedrigeren Scanrate von der Größenordnung von 40 Hz, was schnell genug ist, um dem Bild zu erlauben, auf einer Retina eines menschlichen Auges ohne übermäßiges Flackern zu verbleiben.
Der schnellere Spiegel 64 schwenkt entlang einer horizontale Scanlinie, und der langsamere Spiegel 68 schwenkt die horizontale Scanlinie vertikal, wodurch ein Rastermuster erzeugt wird, welches ein Gitter oder eine Sequenz von ungefähr parallelen Scanlinien ist, aus welchen das Bild konstruiert wird. Jede Scanlinie hat eine Anzahl von Pixeln. Die Bildauflösung ist bevorzugterweise XGA Qualität von 1024×768 Pixeln. Über einen eingeschränkten Arbeitsbereich können wir Hoch-Definitionsfernsehstandard zeigen, benannt 720p, 1270×720 Pixel. In einigen Anwendungen ist die halbe VGA Qualität von 320×480 Pixeln, oder ein viertel VGA Qualität von 320×240 Pixeln, ausreichend. Mindestens ist eine Auflösung von 160×160 Pixeln gewünscht.
Die Rollen der Spiegel 64, 68 können umgedreht werden, so dass der Spiegel 68 schneller ist, und dass der Spiegel 64 langsamer ist. Der Spiegel 64 kann auch ausgebildet sein, um entlang der vertikalen Scanlinie zu schwenken, wobei dann der Spiegel 68 die horizontale Scanlinie Schwenken würde. Auch kann der Trägheitsantrieb verwendet werden, um den Spiegel 68 anzutreiben. Tatsächlich kann jeder Spiegel durch einen elektromechanischen, elektrischen, mechanischen, elektrostatischen, magnetischen oder elektromagnetischen Antrieb angetrieben werden.
Ein langsamer Spiegel wird in einem Konstantgeschwindigkeitsschwenkmodus betrieben, während welcher Zeit das Bild gezeigt wird. Während der Rückkehr des Spiegels wird der Spiegel zurückgefahren in die ursprüngliche Position mit seiner natürlichen Frequenz, welche signifikant höher ist. Während der Rückkehr des Spiegels können die Laser heruntergefahren werden, um den Leistungsverbrauch der Einrichtung zu verringern.
6 ist eine praktische Implementierung der Vorrichtung 20 in der gleichen Perspektive wie diejenige von 2. Die vorhergehend genannten Komponenten sind auf einem Trageteil angebracht, welches eine obere Abdeckung 100 und eine Trageplatte 102 beinhaltet. Halter 104, 106, 108, 110, 112 halten jeweils Faltungsspiegel 42, 48, Filter 52, 54 und Abprellspiegel 62 in gegenseitiger Ausrichtung. Jeder Halter hat eine Vielzahl von Positionierungsschlitzen zum Empfangen von Positionierungspfosten, welche stationär auf dem Trageteil angebracht sind. Somit sind die Spiegel und Filter korrekt positioniert. Wie gezeigt ist gibt es drei Pfosten, wodurch zwei Winkeleinstellungen und eine laterale Einstellung erlaubt werden. Jeder Halter kann in seiner endgültigen Position angeklebt werden. Das Bild wird durch selektive Erleuchtung der Pixel in einer oder mehreren der Scanlinien konstruiert. Wie unten stehend in größerer Detailliertheit mit Bezug auf 7 beschrieben wurde, verursacht ein Steuerelement 114, dass ausgewählte Pixel in dem Rastermuster erleuchtet werden, und sichtbar gemacht werden und zwar durch drei Laserstrahlen. Zum Beispiel leiten Steuerelemente 116, 118, 120 für rote, blaue und grüne Leistung jeweils elektrische Ströme zu den roten, blauen und grünen Lasern 22, 28, 34 zum Erregen der Letzteren zum Emittieren von jeweiligen Lichtstrahlen bei jedem ausgewählten Pixel, und leiten keine elektrischen Ströme zu den roten, blauen und grünen Lasern zum Abschalten der Letzteren zum Nicht-Erleuchten der anderen nicht ausgewählten Pixel. Das resultierende Muster von erleuchteten und nicht erleuchteten Pixeln beinhaltet das Bild, welches jede Darstellung von mensch- oder maschinenlesbarer Information oder Graphik sein kann.
Unter Bezugnahme auf 1 ist das Musterbild in einer vergrößerten Ansicht gezeigt. Beginnend an einem Endpunkt werden die Laserstrahlen durch den Trägheitsantrieb entlang der horizontalen Richtung mit der horizontalen Scanrate zu einem entgegengesetzten Endpunkt in der Form einer Scanlinie geschwenkt. Danach werden die Laserstrahlen durch den elektromagnetischen Antrieb 70 entlang der vertikalen Richtung mit der vertikalen Scanrate zu einem anderen Endpunkt zum Bilden einer zweiten Scanlinie geschwenkt. Die Ausbildung von aufeinander folgenden Scanlinien erfolgt auf die gleiche Art und Weise.
Das Bild wird in dem Rastermuster erzeugt durch Erregen oder Pulsieren der Laser an und aus, und zwar zu ausgewählten Zeiten unter Steuerung des Mikroprozessors 114 oder des Steuerungsschaltkreises durch Betrieb der Leistungssteuerungselemente 116, 118, 120. Die Laser erzeugen sichtbares Licht und werden nur angeschaltet, wenn es gewünscht wird, dass ein Pixel in dem gewünschten Bild gesehen wird. Die Farbe von jedem Pixel wird durch eine oder mehrere der Farben der Strahlen bestimmt. Jede Farbe in dem sichtbaren Lichtspektrum kann durch eine ausgewählte Überlagerung von einem oder mehreren der roten, blauen und grünen Laser ausgebildet werden. Das Rastermuster ist ein Gitter, welches aus mehreren Pixeln auf jeder Linie, und aus mehreren Linien, geformt ist. Das Bild ist ein Bitmap von ausgewählten Pixeln. Jeder Buchstabe oder jede Zahl, jedes graphische Design oder Logo, und sogar maschinenlesbare Barcode-Symbole, können als ein Bit-abgebildetes Bild ausgebildet werden.
Wie in 7 gezeigt ist wird ein herein kommendes Videosignal, welches vertikale und horizontale Synchronisationsdaten, wie auch Pixel- und Taktdaten hat, zu roten, blauen, und grünen Puffern 122, 124, 126 unter der Steuerung des Mikroprozessors 114 gesendet. Die Speicherung von vollen VGA-Rahmen benötigt viele Kilobytes und es wäre wünschenswert, ausreichend Speicher in den Puffern für zwei volle Rahmen zu haben, zum Ermöglichen, dass ein Rahmen geschrieben wird, während ein anderer Rahmen prozessiert und projiziert wird. Die gepufferten Daten werden zu einem Formatierer 128 unter der Steuerung eines Geschwindigkeitsprofilierers 130, und zu roten, blauen und grünen Nachschautabellen (LUTs = look up tables) 132, 134, 136 zum Korrigieren von inhärenten internen Verzerrungen, welche durch das Scannen verursacht werden, wie auch von geometrischen Verzerrungen, welche durch den Winkel des Displays des projizierten Bildes verursacht werden, gesendet. Die resultierenden roten, blauen und grünen digitalen Signale werden in rote, blaue und grüne analoge Signale durch digital-zu-analog Konvertierer (DACs = digital analog converters) 138, 140, 142 konvertiert. Die roten und blauen analogen Signale werden zu roten und blauen Laserantrieben (LDs = laser drivers) 144, 146 geliefert, welche auch mit den roten und blauen Leistungssteuerelementen 116, 118 verbunden sind. Das grüne Analogsignal wird zu einem Akousto-optisches-Modul (AOM = acousto optical modul)-Funkfrequenz-(RF = radio frequency) Antrieb 150 geliefert, und wiederum zu dem grünen Laser 134, welcher auch mit einem grünen LD 148 und mit dem grünen Leistungssteuerelement 120 verbunden ist.
Rückkopplungsteuerelemente sind auch in 7 gezeigt, einschließlich von roten, blauen und grünen Fotodiodenverstärkern 152, 154, 156, welche mit roten, blauen und grünen analog-zu-digital (A/D) Konvertierern 158, 160, 162, und wiederum mit dem Mikroprozessor 114 verbunden sind. Wärme wird durch einen Thermistorverstärker 164 überwacht, welcher mit einem A/D Konvertierer 166 und wiederum mit dem Mikroprozessor verbunden ist.
Die Scanspiegel 64, 68 werden durch Antriebe 168, 170, angetrieben, welche mit analogen Antriebssignalen von DACs 172, 174 beliefert werden, welche wiederum mit dem Mikroprozessor verbunden sind. Rückkopplungsverstärker 176, 178 detektieren die Position der Scanspiegel 64, 68 und sind mit Rückkopplungs-A/Ds 180, 182 und wiederum mit dem Mikroprozessor verbunden.
Ein Leistungsmanagementschaltkreis 184 ist betreibbar zum Minimieren von Leistung während schnelle an-Zeiten erlaubt werden, und zwar bevorzugterweise durch Halten des grünen Lasers jeder Zeit an, und durch Halten des Stroms der roten und blauen Laser gerade unter dem Laserschwellenwert.
Ein Lasersicherheits-Abschaltschaltkreis 186 ist betreibbar, um den Laser abzuschalten, wenn es detektiert wird, dass einer der Scanspiegel 64, 68 außerhalb der Position ist.
Was beansprucht wird ist neu und es wird gewünscht, dass es durch das beschriebene Patent gemäß den angefügten Ansprüchen geschützt wird.
Zusammenfassung
Ein leichtgewichtiges, kompaktes Bildprojektionsmodul, insbesondere zum Befestigen in einem Gehäuse, welches ein lichtdurchlässiges Fenster hat, ist betreibbar zum Verursachen, dass ausgewählte Pixel in einem Rastermuster erleuchtet werden, um ein Bild von hoher Auflösung von VGA Qualität in Farbe zu erzeugen.

Claims

Eine Bildprojektionsvorrichtung zum Projizieren eines zweidimensionalen Farbbildes, welche folgendes aufweist: a) ein Tragelement; b) eine Laseranordnung auf dem Tragelement zum Emittieren einer Vielzahl von Laserstrahlen von unterschiedlichen Wellenlängen; c) einen Scanner auf dem Tragelement zum Schwenken eines Musters von Scanlinien bei einem Arbeitsabstand von dem Tragelement, wobei jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln hat; d) ein Steuerelement, welches operativ mit der Laseranordnung und dem Scanner verbunden ist, zum Verursachen, dass ausgewählte Pixel erleuchtet werden, und sichtbar gemacht werden, und zwar durch die Laserstrahlen zum Erzeugen des Bilds; und e) eine optische Anordnung auf dem Tragelement zwischen der Laseranordnung und dem Scanner zum Fokussieren und fast kolinearen Anordnen der Laserstrahlen zum Bilden eines zusammengesetzten Strahls, welcher auf den Scanner gerichtet wird.
Die Bildprojektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Laseranordnung rote und blaue Festkörper-Halbleiter-Laser zum jeweiligen Generieren von roten und blauen Laserstrahlen beinhaltet.
Die Bildprojektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Laseranordnung einen Dioden-gepumpten YAG Laser und einen optischen Frequenzverdoppler zum Erzeugen eines grünen Laserstrahls beinhaltet.
Die Bildprojektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Scanner einen ersten oszillierbaren Scanspiegel zum Schwenken des zusammengesetzten Strahls entlang einer ersten Richtung mit einer ersten Scanrate und über einen ersten Scanwinkel, und einen zweiten oszillierbaren Scanspiegel zum Schwenken des zusammengesetzten Strahls entlang einer zweiten Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung, und mit einer zweiten Scanrate unterschiedlich von der ersten Scanrate, und mit einem zweiten Scanwinkel, welcher unterschiedlich von dem ersten Scanwinkel ist.
Die Bildprojektionsvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei mindestens eine der Scanraten hörbare Frequenzen zum Minimieren von Rauschen übersteigt.
Die Bildprojektionsvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei mindestens einer der Scanspiegel durch einen Trägheitsantrieb oszilliert wird.
Die Bildprojektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Steuerelement Mittel zum Erregen der Laseranordnung zum Erleuchten der ausgewählten Pixel, und zum Abschalten der Laseranordnung für nicht erleuchtete Pixel unterschiedlich von den ausgewählten Pixeln beinhaltet.
Die Bildprojektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Laseranordnung rote, blaue und grüne Laser zum jeweiligen Generieren von roten, blauen und grünen Strahlen beinhaltet.
Die Bildprojektionsvorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die optische Anordnung eine Linsenanordnung zum Formen von jedem Strahl beinhaltet.
Die Bildprojektionsvorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Laseranordnung einen akousto-optischen Modulator zum Modulieren des grünen Strahls zum Erzeugen eines nicht gebrochenen Strahls und eines gebrochenen Strahls beinhaltet.
Die Bildprojektionsvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Laseranordnung Mittel zum Verhindern, dass der nicht gebrochene Strahl in dem gebrochenen Strahl vorhanden ist, beinhaltet.
Die Bildprojektionsvorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die optische Anordnung dichroitische Filter beinhaltet, welche jeweils betreibbar sind zum Reflektieren von mindestens einem der Strahlen und zum Transmittieren von mindestens einem der Strahlen.
Die Bildprojektion gemäß Anspruch 1, wobei es elektronische Mittel gibt zum effektiven Ausrichten der drei Laserstrahlen kolinear durch Verzögern des Anschaltens und Abschaltens der Pixel von jedem der drei Strahlen relativ zueinander.
Eine Bildprojektionsvorrichtung zum Projizieren eines zweidimensionalen Farbbildes, welche folgendes aufweist: a) ein Tragelement; b) eine Laseranordnung einschließlich roten, blauen und grünen Lasern zum jeweiligen Emittieren einer Vielzahl von roten, blauen und grünen Laserstrahlen; c) eine optische Anordnung auf dem Trageteil zum optischen Fokussieren und kolinearen Anordnen der Laserstrahlen zum Bilden eines zusammengesetzten Strahls bei einem Arbeitsabstand von dem Tragelement; d) einen Scanner auf dem Tragelement zum Schwenken des zusammengesetzten Strahls in einem Muster von Scanlinien im Raum bei dem Abstand von dem Modul, wobei jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln hat; und e) ein Steuerelement, welches operativ mit dem Scanner verbunden ist, und zwar zum Verursachen, das ausgewählte Pixel erleuchtet werden, und sichtbar gemacht werden, durch den zusammengesetzten Strahl zum Produzieren des Bilds, wobei das Steuerelement betreib bar ist zum Auswählen von mindestens einem der Laserstrahlen zum Erleuchten der ausgewählten Pixel zum Erzeugen des Bilds mit Farbe.
Die Bildprojektionsvorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei die optische Anordnung einen ersten dichroitischen Filter zum Reflektieren des blauen Strahls und zum Transmittieren des grünen Strahls dadurch aufweist, und einen zweiten dichroitischen Filter, welcher mit dem ersten dichroitischen Filter zum Reflektieren des roten Strahls und zum Transmittieren der blauen und grünen Strahlen dadurch angeordnet ist, und einen Spiegel, welcher optisch mit dem dichroitischen Filter zum Reflektieren des grünen Strahls in Richtung der dichroitischen Filter ausgerichtet ist.
Die Bildprojektionsvorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei jeder der dichroitischen Filter und der Spiegel auf einem Halter angebracht sind, welcher wiederum einstellbar positionierbar auf dem Tragelement angebracht ist.
Die Bildprojektionsvorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei das Tragelement eine Vielzahl von Positionierungspfosten beinhaltet, und wobei jeder Halter eine Vielzahl von Positionierungsschlitzen zum Empfangen der Pfosten hat.
Ein Verfahren zum Projizieren eines zweidimensionalen Farbbilds bei einem variablen Abstand, welches folgende Schritte aufweist: a) Emittieren einer Vielzahl von Laserstrahlen von unterschiedlichen Wellenlängen; b) Schwenken eines Musters von Scanlinien in einem Raum, wobei jede Scanlinie eine Anzahl von Pixeln hat; c) Verursachen, dass ausgewählte Pixel erleuchtet werden, und sichtbar gemacht werden, durch die Laserstrahlen zum Erzeugen des Bildes; und d) Kolineares Anordnen der Laserstrahlen zum Bilden eines zusammengesetzten Strahls, welcher verwendet wird zum Schwenken der Scanlinien.