专利名称：在具有发光屏幕的扫描光束显示系统中基于指定扫描伺服光束的伺服反馈控制的制作方法
在具有发光屏幕的扫描光束显示系统中基于指定扫描伺服光束的伺服
反馈控制
优先权及相关专利申请
本PCT申请要求2007年6月27日提交的题为"Servo Feedback Control Based on Invisible Scanning Servo Beam in Scanning Beam Display Systems with Light-Emitting Screen"(在具有发光屏幕的扫描 光束显示系统中基于不可见扫描伺服光束的伺服反馈控制)的第 11/769,580号美国专利申请的优先权。第11/769,580号美国专利申请 的公开内容通过引用而作为本PCT申请说明书的 一部分。
背景技术：
本申请涉及扫描光束显示系统。
在扫描光束显示系统中，能够在屏幕上扫描光束，以在该屏幕上 形成图像。例如激光显示系统的许多显示系统采用多面体扫描器，所 述多面体扫描器具有多个反射面，以提供水平扫描，和诸如电流计驱 动(galvo-driven)镜的竖直扫描镜，从而提供竖直扫描。在操作中， 在多面体扫描器旋转以改变一个面的位置和方向时，多面体扫描器的 该面扫描一条水平线，并且下一个面扫描下一个水平线。水平扫描和 竖直扫描彼此同步，以将图像投射在屏幕上。
发明内容
本专利申请在其中描述了基于在光学激发下的发光屏幕上扫描光 的显示系统和装置的实施。所描述的显示系统采用光学激发下的发光 屏幕以及至少一个激发光学光束来激发屏幕上的一个或多个发光材 料，该一个或多个发光材料发光以形成图像。也描述了用于该显示系 统的伺服控制机构，基于由扫描携带图像的激发光学光束的相同扫描 模块在屏幕上扫描的指定伺服光束。该指定伺服光束用来在扫描激发光束上提供伺服反馈控制，以便在正常操作过程中确保激发光束中的 光脉沖的正确光学对准以及精确传输。在某些实施中，能够采用多重 激光器以在屏幕上同时扫描多重激发激光束。例如，多重激光束每次 能够照亮一个屏幕段，并继续扫描多重屏幕段以实现全屏扫描。
在一个实施中，扫描光束显示系统包括光模块，其用来引导并 扫描至少一个激发光束以及至少一个伺服光束，所述至少一个激发光 束具有携带图像信息的光脉冲，所述至少一个伺服光束的伺服光束波
长不同于所述激发光束的波长；屏幕，其被设置为接收所述扫描激发
吸收所述激发光束的光而发出可见光，从而产生由所述扫描激发光束 携带的图像，所述屏幕被配置以向所述光模块反射所述伺服光束的光， 从而产生伺服反馈光；以及光学伺服传感器模块，其被设置为接收所 述伺服反馈光并产生伺服反馈信号，所述伺服反馈信号指示出所述伺 服光束在所述屏幕上的定位。所述光模块响应于所述伺服反馈信号中 的所述伺服光束在所述屏幕上的位置，调节由所述扫描激发光束携带 的所述光学脉冲的时间，从而控制所述激发光束中的所述光学脉沖在 所述屏幕上的空间位置的空间对准。
作为示例，上述系统中的屏幕能够包括伺服反馈标记以及位于所 述伺服反馈标记之外的区域，所述伺服反馈标记具有面向所述激发光 源、对所述伺服光束的光发生镜面反射的面，而位于所述伺服反馈标 记之外的所述区域对所述伺服光束的光发生漫反射。在该示例中，所 述系统包括放置在所述屏幕和所述光模块之间的菲涅耳透镜，用来将 所述伺服光束和激发光束基本上为正入射地引导到所述屏幕上。所述 菲涅耳透镜具有在所述菲涅耳透镜的中心对称的光轴，所述光轴平行 于所述光模块的光轴并从所述光模块的光轴偏移，以便将由伺服反馈 标记镜面反射的所述伺服光束的光引导到所述光学伺服传感器中，同 时由伺服反馈标记之外的屏幕漫反射的所述伺服光束的光由所述菲涅 耳透镜传播在比所述光学伺服传感器大的区域上，从而将所述伺服光 束的漫反射的光的一部分引导到所述光学伺服传感器中。
在另一实施中，用于控制扫描光束显示系统的方法，包括在屏
13幕上扫描利用用来携带图像的光学脉冲调制的 一 个或多个激发光束， 以便激发平行发光条紋，从而发出形成所述图像的可见光；在所述屏 幕上扫描光学波长与所述一个或多个激发光束的光学波长不同的伺服
光束；检测来自所述屏幕的所述伺服光束的光，以便得到指示出所述 伺服光束在所述屏幕上的定位的伺服信号；以及响应于所述伺服光束 在所述屏幕上的定位，控制所述一个或多个扫描激发光束，从而控制 每个激发光束中的所述光学脉冲在所述屏幕上的空间位置的空间对 准。
在另一实施中，扫描光束显示系统，包括激发光源，其用来产 生具有光学脉冲的至少一个激发光束，所述光学脉冲携带图像信息； 伺服光源，其用来产生具有伺服光束波长的至少一个伺服光束，所述 伺服光束是不可见的；光束扫描模块，其用来接收所述激发光束和所 述伺服光束以及扫描所述激发光束和所述伺力良光束；发光屏幕，其#皮 放置为接收所述扫描激发光束和所述伺服光束。所述屏幕包括发光区 域，所述发光区域包括(l)平行发光条紋，其吸收所述激发光束的 光而发出可见光，从而产生由所述扫描激发光束携带的图像；以及(2) 条紋分割体，其与所述发光条紋平行并空间交替，每个条紋分割体位 于两个相邻条紋之间。每个条紋分割体均是光学反射的。光学伺服传 感器，其被放置为接收在所述屏幕上扫描的所述伺服光束的光，包括 由所述条紋分割体反射的光，并且产生指示出所述伺服光束在所述屏 幕上的定位的监控信号。所述系统包括控制单元，其可操作以响应于 所述监控信号中所述伺服光束在所述屏幕上的定位，基于所述伺服光 束和所述激发光束之间的关系来调节由所述扫描激发光束携带的所述 光学脉沖的时间，从而控制所述激发光束中的所述光学脉冲在所述屏 幕上的空间位置的空间对准。
在另一实施中，扫描光束显示系统，包括发光屏幕，其包括发 光区域，所述发光区域包括(l)平行发光条紋，其吸收所述激发光 束的光以便发出可见光；以及(2)光学反射的条紋分割体，其与所述 发光条紋平行并且空间交替，每个条紋分割体位于两个相邻条紋之间。 设置了多个激发激光器，用来产生所述激发光的激发激光束；并设置
14了至少一个伺服光源，其相对于所述激发激光器固定在适当位置，以 便产生具有伺服光束波长的至少一个伺服光束，所述伺服光束是不可 见的。所述系统还包括光束扫描模块，用来接收所述激发激光束和
所述伺服光束并且扫描所述激发激光束和所述伺服光束；至少一个第 一光学伺服传感器，其被定位为接收从所述屏幕反射的所述伺服光束 的光，以便产生指示出所述伺服光束在所述屏幕上的定位的第 一监控 信号；至少一个第二光学伺服传感器，其被定位为接收从所述屏幕反 射的所述激发激光束的光，以便产生指示出每个激发激光束在所述屏 幕上的定位的第二监控信号；以及控制单元，其可操作以响应于所述 第一和所述第二监控信号，基于所述伺服光束和所述激发激光束之间 的关系来调节由每个激发激光束携带的所述光学脉冲的时间，从而控 制所述激发光束中的所述光学脉冲在所述屏幕上的空间位置的空间对 准。
在又一实施中，用于控制扫描光束显示系统的方法，包括在具 有平行发光条紋的屏幕上，在垂直于所述发光条紋的光束扫描方向上 扫描利用光学脉冲调制的至少一个激发光束，以便激发所述荧光条紋， 从而发出形成图像的可见光。所述屏幕包括条紋分割体，所述条紋分 割体与所述发光条紋平行并且空间交替，每个条紋分割体均位于两个 相邻条紋之间，并且每个条紋分割体均是光学反射的。所述方法还包 括连同所述激发光束一起在所述屏幕上扫描伺服光束，所述伺服光 束是不可见的；检测来自所述屏幕的所述扫描伺服光束的光，包括由 所述条紋分割体产生的光，以便得到可指示出所述伺服光束在所述屏 幕上的位置的监控信号；以及响应于所述伺服光束在所述屏幕上的位 置，基于所述伺服光束和所述激发光束之间的关系来调节由所述扫描 激发光束携带的所述光学脉冲的时间，从而控制所述激发光束中的所 述光学脉冲在所述屏幕上的空间位置的空间对准。
在附图、发明内容和权利要求中详细地描述这些和其它的示例及 实施方式。
图1示出了扫描激光显示系统的示例，其包括由可激发激光的荧 光材料(例如磷)制成的荧光屏，该材料在携带待显示图像信息的扫 描激光束的激发下发出彩色光。
图2A和2B示出了屏幕结构的一个示例，其具有如图1所述的屏
幕上的平行发光条紋和彩色像素结构。
图3示出了图1中所示的在物镜前扫描配置中激光显示系统的实 施例，该激光显示系统具有将激光束引向屏幕的多个激光器。
图4示出了基于图1中所示激光显示系统的物镜后扫描光束显示 系统的实施例。图5示出了通过多重激发激光束和可见伺服光束同时 扫描顺序扫描线的 一 个示例。
图5A示出了当竖直电流计扫描器和水平多面体扫描器在其各自 的零位置时，在屏幕上由36个激发激光器和一个IR伺服激光器产生 的光束位置图。
图6示出了采用基于扫描伺服光束伺服反馈控制的扫描显示系统 的一个实施例。
图7示出了用于检测图6中的伺服反馈光的伺服检测器的实施例。 图8和图9示出了两个用于基于扫描伺服光束的伺服控制的屏幕 实施例。
图10示出了具有与屏幕上的条紋分割体相对应的光学信号的伺 服光的光功率。
图11示出了具有外围参考标记区域的荧光屏的示例，该外围参考 标记区域包括为各种伺服控制功能产生反馈光的伺服参考标记。
图12示出了外围参考标记区域中的线开始参考标记，以便为屏幕 上的主动荧光区域的开始提供参考。
图13和图14示出了具有光学信号的伺服光的光功率，该光学信 号与屏幕上的条紋分割体、线开始参考标记以及线结束参考标记相对 应。
图15、 16和17示出了利用样品时钟信号测量屏幕上的条紋分割 体的位置数据的实施例，该屏幕采用来自激发光束或伺服光束的伺服 反馈光。
16图18A示出了用于图11所示屏幕的竖直光束位置参考标记的一 个示例。
图18B和14C示出了伺服反馈控制电路及其在使用图13所示竖 直光束位置参考标记的操作，以控制屏幕上的竖直光束位置。
图19示出了图11中具有线开始参考标记和竖直光束位置参考标 记的屏幕的实施例。
图20示出了基于用激发光束扫描的伺服光束的伺服控制的操作。
图21、 22和23示出了具有IR伺服IR反馈标记的屏幕设计的实 施例，其中该IR伺服在对于至少所述伺服光束具有漫射性或镜面反射 时不会影响激发光束的透射量。
图24示出了具有在屏幕上IRIR反馈标记之外的镜面反射IR反馈 标记和漫反射区的屏幕设计的实施例。
图25示出了基于图24中设计的系统的实施例。
图26示出了结合IR伺服反馈和可见光伺服反馈的系统的实施例。
图27、 28 、 29和30示出了图26中系统的各方面。
图31示出了图26中系统的系统实施。
具体实施例方式
本申请的扫描光束显示系统的实施例采用具有发光材料或焚光材 料的屏幕，以便在光学激发下发光从而生成图像，包括激光视频显示 系统。可以使用具有发光材料或荧光材料的屏幕多种实施例。在一种 实施中，例如，可由激光束的光学激发以分别产生适于形成彩色图像 的红、绿、蓝色光的、三种不同颜色的磷光体，可在显示屏上形成为 平行的重复的红色、绿色和蓝色磷光体条紋。
磷光材料是一种荧光材料。在采用磷光体作为荧光材料的实施例 中描述的各种系统、设备和特征适用于具有由其他光学可激发、发光、 无磷荧光材料制成的屏幕的显示器。例如，量子点材料在适当的光学 激发下发光，因而可用作本申请中的系统和装置的荧光材料。更具体 地说，半导体化合物，例如CdSe和PbS等，可以制成粒子形式而发 光，其中该粒子的直径接近于作为量子点材料的化合物的激子玻尔半径。为了产生不同颜色的光，具有不同能量带隙结构的不同的量子点 材料可用来在同一激发光下发出不同的颜色。某些量子点的大小在2
至10纳米之间，并且大约包括几十个原子，例如10到50个原子。量
子点可扩散和混合到各种材料中，以形成液态溶液、粉末、胶状矩阵 材料以及固体(例如固态溶液)。量子点薄膜或薄膜条紋可形成在作 为本申请中的系统或装置显示屏的衬底上。在一种实施中，例如三种
不同的量子点材料可被设计成可以由作为光学泵浦的扫描激光束来光 学激发，以发出适于形成彩色图像的红色、绿色和蓝色光。这种量子 点可作为以平行线(例如，重复的连续红色像素点线、绿色像素点线 和蓝色像素点线)排列的像素点而形成于显示屏上。
在此描述的扫描光束显示系统的示例采用至少一条扫描激光束来 激发沉积在显示屏上的彩色发光材料以产生彩色图像。所述扫描激光 束被调制成携带红色、绿色和蓝色或其他可见光颜色的图像，并且以 如下方式对其进行控制，即激光束激发分别具有红色、绿色和蓝色图 像的红色、绿色和蓝色的彩色发光材料。因而，所述扫描激光束携带 图像但不直接产生观察者所看到的可见光。相反，显示屏上的彩色发 光荧光材料吸收扫描激光束的能量并发出红色、绿色和蓝色或其他颜 色的可见光，从而产生观察者所看到的实际的彩色图像。
采用其能量足以使荧光材料发光或发冷光的一条或多条激光束对 荧光材料进行激光激发，是多种光学激发形式中的一种。在其他实施 中，光学激发可通过具有足够的能量以激发显示屏中所采用的荧光材 料的非激光光源来产生。非激光激发光源的示例包括各种发光二极管
(LED)、灯和其他光源，这些非激光激发光源所产生的波长或光语带 内的光能够激发将高能量的光转换成可见光范围的低能量的光的荧光 材料。激发显示屏上的荧光材料的激发光束的频率或光谱范围可高于 所述荧光材料所发出的可见光的频率。因此，所述激发光束可以在紫 光光谱范围内和紫外(UV)光谱范围内，例如波长在420nm以下。 在下面描述的实施例中，紫色或UV激光束用作磷光材料或其他荧光 材料的激发光的示例，并且可以是其他波长的光。
图1示出了基于激光的显示系统的实施例，其采用具有彩色磷光
18体条紋的显示屏。可选地，彩色模糊(pixilated)发光区域也可用来限 定显示屏上的图像像素。该系统包括激光器模块110，用于产生至少 一条扫描激光束120并将其投射到显示屏101上。显示屏101在竖直 方向具有平行的彩色磷光体条紋，并且两条相邻的磷光体条紋由发出 不同颜色光的不同磷光材料制成。在所示出的实施例中，红色磷光体 吸收激光而发出红色光，绿色磷光体吸收激光而发出绿色光，蓝色磷 光体吸收激光而发出蓝色光。相邻的三个彩色磷光体条紋具有三种不 同颜色。图1示出的条紋的一个特定空间颜色序列为红色、绿色和蓝 色。也可以采用其他的颜色序列。激光束120的波长在彩色磷光体的 光学吸收带宽内，并且激光束120的波长通常小于用于彩色图像的可 见的蓝色、绿色和红色光的波长。作为示例，彩色磷光体可以是吸收 光谱范围在低于420nm内的UV光以发出期望的红色、绿色和蓝色光 的磷光体。激光器模块IIO可以包括激光器，用以产生光束120的 一个或多个例如UV 二极管激光器；光束扫描机构，用以水平和竖直 扫描光束120从而在显示屏101上一次提供一个图像帧；以及信号调 制机构，用以调制光束120以携带红色、绿色和蓝色图像信道的信息。 这种显示系统可以被配置成背扫描系统，其中观察者和激光器模块 110 4立于显示屏101的相^"侧。可选i也，这种显示系统也可以,皮配置 成前扫描系统，其中观察者和激光器模块IIO与显示屏IOI位于同一 侧。
图1中的扫描激光显示系统中的各种特征、模块和元件的实施的 实施例在以下文献中描述2006年5月2日提交的题为"Display Systems and Devices Having Screens With Optical Fluorescent Materials"
(具有带有光学荧光材料的屏幕的显示系统和设备)的第10/578,038 号美国专利申请(美国专利公开号)；2007年2月15日提交的题为
"Servo-Assisted Scanning Beam Display Systems Using Fluorescent Screens"(釆用焚光屏的伺服辅助扫描光束显示系统)、申请号为 PCT/US2007/004004的PCT专利申请(PCT公开号为 WO 2007/095329 ); 2007年5月4日提交的题为"Phosphor Compositions For Scanning Beam Displays"(用于扫描光束显示器的石粦光体合成物)、申
19请号为PCT/US2007/068286的PCT专利申请(PCT公开号为WO 2007/131195 ); 2007年5月15日提交的题为"Multilayered Fluorescent Screens for Scanning Beam Display Systems"(用于扫4w光束显示系统 的多层荧光屏)、申请号为PCT/US2007/68989的PCT专利申请(PCT
发明者克里斯托弗·J·巴特勒, 大卫·L·肯特, 米哈伊尔·卡卢兹尼, 罗杰·A·哈贾 申请人:博达公司