专利名称：一种增强激光扫描投影图像亮度的方法
技术领域：
本发明涉及投影成像领域，尤其涉及一种在激光矢量扫描式的投影成像中增强投 影图像亮度的方法。
背景技术：
投影仪目前被广泛应用于各种会议、指挥监控中心、实物展台、广告等场合，常 见的投影显示技术主要有，CRT (Cathode Ray Tube 阴极射线管)、LCD (Liquid Crystal Display 液晶显示器)^P DLP (Digital Light Processor 数码光路处理器)等，CRT投影 的亮度较低，而LCD和DLP投影的分辨率调整功能较差。随着激光扫描技术的发展，激光扫 描式投影技术开始受到关注，被认为是新一代最有商业价值的新技术开发领域。激光扫描技术应用广泛，其应用行业涉及快速成形、光电医疗、激光加工、投影成 像等等。激光扫描是一种矢量线条式的扫描技术，常用于印刷设备、激光娱乐设备、线条动 画投影设备中，特别是在全透明的激光投影显示中，要求激光束有良好的准直性，成像在屏 幕任意位置有均勻的光斑或线条，光点的移动按照确定的关系进行，另外还要求光点有高 的亮度，从而形成高亮度图像。所谓全透明的激光投影显示，是指在全透明的介质上实现投 影，其可以采用紫外激光二极管发出的光，照射在透明的自发光材料上，进行投影显示。各种激光扫描技术中，振镜式扫描是广泛采用的一种扫描方式。它具有速度快，定 位精度高等优点。扫描振镜包含水平和垂直方向各一个反射镜，激光光束先后入射到上述 两个反射镜上，然后出射到屏幕，当改变水平和垂直反射镜的角度时，光点在屏幕上的位置 随之改变。利用水平和垂直两个反射镜组合的高速旋转，可以在屏幕上显示一幅激光线条 图像。激光扫描投影显示中要求图像具有高亮度，而图像的亮度与激光的功率直接相 关。使用更大功率的激光器是不错的选择，但是对于透明显示中使用的紫外激光二极管不 仅还没有更大功率的单管，而且功率稍微提高就会导致成本剧烈增加。另一种方式是使用 多个小功率的激光二极管合束后得到大功率。常用的合束方法之一是偏振合束，美国专利 US6849824中公开了一种多光束激光钻孔装置，其中使用了偏振合束器将来自两套不同振 镜系统的光合并，但是偏振合束首先需要两束光具有不同偏振特性，因此会造成光能量损 失。另一种合束方法是波长合束，中国专利CN2727770Y中公开了利用合束棱镜将红、绿、蓝 三色激光合并后投影显示，但是该专利的主要目的是扩展激光显示的三基色的色域，其采 用的波长合束是利用棱镜薄膜对不同波长的光反射/透射特性不同而形成，需要分别获得 不同波长的激光束进行合束，对于同一波长的光则无法适用。中国专利CN2748933Y中介绍 了一种光纤合束器，N个进光光纤的纤芯经过熔融拉锥后从中部切断，并研磨、抛光至适当 尺寸，然后与出光光纤的纤芯在熔接部位熔接在一起，可把多个进光光纤中的功率耦合到 一个适当直径的出光光纤中，但是这种利用光场模式耦合的技术带来的耦合效率较低，光 能量损耗很大。
发明内容
本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种用于激光扫描投影显示系统的方 法，通过特定组合多个相同波长激光光束来提高激光功率，从而提高显示图像的亮度。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种增强激光扫描投影图像亮度的 方法，采用至少2个相同波长的激光二极管作为光源，对激光束进行变换，使各激光束形成 几何图形排列，该排列的激光束经X向和Y向扫描振镜反射到屏幕，所述几何图形排列使得 在扫描过程中，各激光束的光斑的光强分布形成叠加，实现投影图像的亮度增强。上文中，X向和Y向扫描振镜的设置是现有技术，激光束可以先入射到X向扫描振 镜，然后被反射到Y向扫描振镜，最后由Y向扫描振镜反射到屏幕；反之，也可以是先入射 到Y向扫描振镜，然后被反射到X向扫描振镜，最后由X向扫描振镜反射到屏幕。所述屏幕 可以是内置发光材料的透明屏幕，激光光束激发屏幕上的材料发光形成图像，所得到的图 像亮度相比于使用单个激光二极管做光源的系统将大幅提高。如果X和Y向扫描振镜静止 时，显示屏上显示图像仍是入射到振镜前特定组合排列的光斑，当X和Y向扫描振镜高速旋 转扫描时，可得到高亮度的线条图像。上述技术方案中，所述的对激光束进行变换为，每一激光二极管发出的激光束分 别由准直镜进行准直排列，获得相互平行的形成所述几何图形排列的激光束，再进行变倍 处理，缩小激光束的尺寸和/或相邻激光束的间距。其中，所述变倍处理采用凹透镜、具有负光焦度的透镜组或者锥形透镜对实现，所 述锥形透镜对靠近准直镜一侧的锥形透镜具有正光焦度，另一侧的锥形透镜具有负光焦 度，通过改变正负光焦度锥形透镜间的距离，调节平行光束的间距。 可以在变倍处理前，对其中一个或多个激光束，在其垂直于传输方向的面内插入 倾斜的平行平板，以缩小平行光束的间距。或者，所述的对激光束进行变换为，设置具有负光焦度的凹透镜或凹透镜组，每一 激光二极管发出的激光束分别由准直镜进行准直排列，出射的激光束相对于凹透镜或凹透 镜组的光轴以相同的夹角排列入射，使得从凹透镜或凹透镜组出射的多光束平行于其光 轴，且在垂直传输方向截面内光斑形成所述几何图形排列，再进行变倍处理，缩小激光束的 尺寸和/或相邻激光束的间距。进一步的技术方案，采用至少4个相同波长的激光二极管作为光源，所述几何图 形排列为四方形、圆形或环形排列。优选的技术方案，激光束在垂直于传输方向截面内，形成圆形的排列分布，各光斑 中心等间距的分布在同一个圆周上。当然，在具体实现时，各光斑中心并不局限于等间距的 分布在同一个圆周上，可以是部分等间距或是完全不等间距。各光斑中心也并不局限于完 全在同一个圆周上，可以是部分在一个圆周上。但显然等间距排列便于实现投影的均勻性 调节。或者，激光束在垂直于传输方向截面内，形成环形的排列分布，其中一部分光斑中 心等间距的分布在外环圆周上，另一部分光斑中心等间距的分布在内环圆周上。在具体实 现时，光斑中心并不局限于等间距的分布在内环或外环的圆周上，可以是部分等间距或是 完全不等间距。各光斑中心也并不局限于在内环和外环两个圆周上，可以是分布在更多圆 周上。
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上述技术方案中，入射和经过变倍处理从变倍镜出射的光束在垂直于传输方向截 面内具有同样的特定组合排列分布。变倍镜不改变进出光的平行准直性，但可以缩小整体 光束的尺寸，调节了屏幕上图像线条的尺寸。实现本发明方法的亮度增强的激光扫描投影系统可以包含激光二极管、准直镜、 倾斜平行平板、变倍镜、X向扫描振镜、Y向扫描振镜、透明显示屏。激光二极管发射激光束， 通过准直镜后得到平行准直光，经过X向扫描振镜和Y向扫描振镜后到达透明显示屏，激发 显示屏上的自发光材料成像。利用多个激光二极管做光源，每个激光二极管出射光都被相 应准直，对光源分布和出射的多个激光束进行变换，使出射光束形成特定的组合排列(例 如四方形、圆形、环形等)，这个特定组合排列的光斑照射到X和Y向扫描振镜，然后被其反 射出去照射显示屏。为了得到准直镜后特定组合排列的光斑，可将各激光二极管和相应准直镜按设定 的光斑样式进行排列；为了尽量得到密集的光斑排列，可以利用凹透镜或具有负光焦度的 透镜组，也可以利用锥形透镜对。当上述准直镜后面出射特定组合排列的平行准直光时，可由倾斜的平行平板对特 定光束的位置进行偏移校正，从而改变组合光束的排列分布形式，特别是减小其中任意两 光束的间距，在增加线条亮度的情况下，也改变了特定方向扫描线条的亮度均勻性。在上述准直镜出射特定排列的平行准直光后面，或者是在倾斜的平行平板出射特 定排列光后面，可以增加变倍镜。变倍镜不改变进出光的平行准直性，但可以缩小整体光束 的尺寸，减小了任意两光束的间距，从而既增加了扫描线条亮度和均勻性，又调节了屏幕上 图像线条的尺寸。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点1.与传统的偏振合束和波长合束增加功率方式不同，本发明把同一波长的多个激 光束进行特定组合排列，不仅达到了增加激光功率的目的，而且当振镜扫描这些特定排列 的光斑时，可以得到高亮度、较均勻的线条。2.采用本发明的方法实现的系统，具有结构简单，不受单光源功率限制，可降低成 本等优点，使得激光线条投影的图像亮度更高、尺寸更大，特别是使透明显示在户外应用得 到发展。
图1是本发明实施例一亮度增强的激光线条扫描投影系统原理图；图2是本发明实施例二中利用凹透镜得到特定激光束排列的示意图；图3是本发明实施例三中利用锥形透镜对产生激光束排列示意图；图4是实施例一中圆形光斑排列的实例示意图；图5是实施例一中圆形光斑排列产生的光强叠加；图6是实施例一中环形光斑排列的实例示意图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述实施例一一种亮度增强激光线条扫描投影系统，如图1所示。该系统包括激光
5二极管和准直镜系统100、倾斜的平行平板103、缩小倍率的变倍镜系统104、水平X向的振 镜电机106、X向振镜反射镜107、垂直Y向的振镜电机108、Y向振镜反射镜109、显示屏幕 110及形成的图像线条111。具体的工作原理如下100包含激光二极管101a、102a及与之对应的准直镜101b、 102b，经IOlb出射的准8直光束101c，经102b出射的准直光束102c平行于101c。可以利 用103对IOlc或者102c进行偏移校正，以缩小IOlc和102c的平行间距。被103校正过 的IOlc和102c平行射入104，从104出射的光束105相对于入射时光束尺寸被缩小，105 射入X向振镜反射镜107，然后被反射到Y向振镜反射镜109，最后被109反射出去射入到 显示屏幕110。若106和108进行旋转扫描运动，则105在屏幕上的光斑将快速扫描运动成 图像111。上述100可以包含多个激光二极管和与之相应的准直镜，而不仅限于IOlaUOlb 及102a、102b。此外，103也可设置1个或多个对100出射的光束进行偏移校正。100包含 的多个激光二极管和与之相应的准直镜可以是特定的排列分布(例如四方形、圆形、环形 等)，从而使进入104前的光束在垂直于入射方向的横截面内，光斑分布也具有与上述相同 的排列形式。入射到变倍镜104之前，在垂直于传播方向(Z向)横截面内(XY面)的光斑分布 可以如图4所示。401 408是激光束在XY面的光斑分布，其排列呈圆形状，401 408光 斑中心等间距平均分布于圆周409上。407光斑中心和409的圆心的连线与X轴夹角α， 在本实施例中，α等于45°。因此，以圆心为顶点，406和407光斑的方位夹角α为45°， 同样，其它任意两相邻光斑的方位夹角也为45°。本实施例中角度α并不局限于45°，也 可以为0 360°内任意其它角度，401 408中任意两相邻光斑的方位夹角也不局限于相 等，光斑数量也可以是任意数量。图5示意了图4中所示的光斑分布在扫描方向的能量叠加变化。501 508是激 光束在入射到变倍镜104之前，垂直于传播方向(Ζ向)横截面内的光斑分布。501 508 中每个激光光斑在垂直于传播方向剖面(例如YZ向)具有如509所示的光强分布。在X向 振镜107旋转扫描时，501 508在YZ向的光强分布叠加如下光斑502光强分布如510， 501和503光强叠加如511，508和504光强叠加如512，507和505光强叠加如513，506光 强分布如514，因而501 508在YZ向的光强分布整体叠加可用包络线515表示。515具 有近似于509的光强分布，尺寸上相对于509被展宽。当501 508传输经过变倍镜104 之后，所得到的光束105在YZ向的光强分布如516，516相对于515光斑尺寸被压窄，相对 于509则能量得到大幅提高。上述描述了 501 508在YZ截面内光强的分布，以及在X向扫描过程中光强的叠 加和亮度提高的工作过程，由于501 508光强分布在传输方向(Ζ向)旋转对称，因此，在 XZ截面及做Y向扫描时也可得到如同516 —样的光强分布。同样在包含Z轴并垂直XY面 的任何其它面内，也具有上述同样的光强叠加特性。总之，光束105在沿传播方向的任意剖 面内都具有类似516的光强分布，因此扫描的线条图像111亮度将得到大幅增加。另一种光斑特定分布的例子是入射到变倍镜104之前，在垂直于传播方向(Ζ 向)横截面内(XY面)的光斑分布如图6所示。601 604是外环四个激光束在XY面的光 斑分布，其排列呈圆形状，605 608是内环四个激光束在XY面的光斑分布，其排列也呈圆形状。601 604光斑中心等间距平均分布在圆周609上，605 608光斑中心等间距平均 分布在圆周610上。609和610是同心圆，圆心重合于0点，610的直径比609小。在本实施 例中，601 604圆心和0点的连线与X轴夹角分别为135°，225°，315°，45° ；而605 608圆心和0点的连线与X轴夹角分别为90°，180°，270°，0°。本实施例中601 608 圆心和0点的连线与X轴夹角并不局限于上述角度，外环圆周609和内环圆周610上的光 斑数量并不局限于4个，可以是少于或多于的其它数量。另外，所有激光光斑的排列也不局 限于只在两个圆上，可以排列成其它数量的圆环状。实施例二 如图2所示为本发明中形成光斑特定分布的另一实施例，在YZ面内，激 光二极管201a和准直镜201b出射的光束201c，以与凹透镜203的光轴呈角度θ入射到 203，而激光二极管202a和准直镜202b出射的光束202c，以与凹透镜203的光轴呈角度-θ 入射到203，201c和202c经203后的出射光束204平行于203的光轴，沿Z方向传播，204 在XY截面内具有特定光斑分布(例如四方形、圆形、环形等)。203可以是单个凹透镜或 者是具有负光焦度的透镜组。若203的焦距是-f，201c和202c经203后的出射光束距203 的光轴距离是d，则角度θ满足θ =arctan(d/f)0本实施例中激光二极管和准直镜并 不局限于201a，201b和202a，202b。可以是多个激光二极管和准直镜在YZ面的排列，也可 以是在YZ面与XZ面或其他截面内以角度θ的排列。实施例三参见附图3所示，在YZ面内，激光二极管301a和准直镜301b出射光束 301c，激光二极管302a和准直镜302b出射光束302c平行于301c，301c和302c共同垂直射 入锥形透镜对303。303包含正光焦度的锥形透镜303a和负光焦度的锥形透镜303b，301c 入射到303后出射光束304，304在Z向平行于301c，但是在Y向相对于301c产生偏移。同 样，302c入射到303后出射光束305，305在Z向平行于302c，但是在Y向相对于302c产生 偏移。改变303中303a和303b的Z向距离，可以减小304和305的Y向间距。该实施例 中并不局限于激光二极管301a和302a以及准直镜301b和302b，可以包含多于2个以上的 激光二极管和准直镜。所包含的多个激光二极管和与之相应的准直镜可以是特定的排列分 布(例如四方形、圆形、环形等)，从而使303前后入射和出射的光束在垂直于Z向的横截 面内，光斑分布也具有与上述相同的排列形式。
权利要求
一种增强激光扫描投影图像亮度的方法，其特征在于采用至少2个相同波长的激光二极管作为光源，对激光束进行变换，使各激光束形成几何图形排列，该排列的激光束经X向和Y向扫描振镜反射到屏幕，所述几何图形排列使得在扫描过程中，各激光束的光斑的光强分布形成叠加，实现投影图像的亮度增强。
2.根据权利要求1所述的增强激光扫描投影图像亮度的方法，其特征在于所述的对 激光束进行变换为，每一激光二极管发出的激光束分别由准直镜进行准直排列，获得相互 平行的形成所述几何图形排列的激光束，再进行变倍处理，缩小激光束的尺寸和/或相邻 激光束的间距。
3.根据权利要求2所述的增强激光扫描投影图像亮度的方法，其特征在于所述变倍 处理采用凹透镜、具有负光焦度的透镜组或者锥形透镜对实现，所述锥形透镜对靠近准直 镜一侧的锥形透镜具有正光焦度，另一侧的锥形透镜具有负光焦度，通过改变正负光焦度 锥形透镜间的距离，调节平行光束的间距。
4.根据权利要求2或3所述的增强激光扫描投影图像亮度的方法，其特征在于在变 倍处理前，对其中一个或多个激光束，在其垂直于传输方向的面内插入倾斜的平行平板，以 缩小平行光束的间距。
5.根据权利要求1所述的增强激光扫描投影图像亮度的方法，其特征在于所述的对 激光束进行变换为，设置具有负光焦度的凹透镜或凹透镜组，每一激光二极管发出的激光 束分别由准直镜进行准直排列，出射的激光束相对于凹透镜或凹透镜组的光轴以相同的夹 角排列入射，使得从凹透镜或凹透镜组出射的多光束平行于其光轴，且在垂直传输方向截 面内光斑形成所述几何图形排列，再进行变倍处理，缩小激光束的尺寸和/或相邻激光束 的间距。
6.根据权利要求1所述的增强激光扫描投影图像亮度的方法，其特征在于采用至少4 个相同波长的激光二极管作为光源，所述几何图形排列为四方形、圆形或环形排列。
7.根据权利要求6所述的增强激光扫描投影图像亮度的方法，其特征在于激光束在 垂直于传输方向截面内，形成圆形的排列分布，各光斑中心等间距的分布在同一个圆周上。
8.根据权利要求6所述的增强激光扫描投影图像亮度的方法，其特征在于激光束在 垂直于传输方向截面内，形成环形的排列分布，其中一部分光斑中心等间距的分布在外环 圆周上，另一部分光斑中心等间距的分布在内环圆周上。
全文摘要
本发明公开了一种增强激光扫描投影图像亮度的方法，其特征在于采用至少2个相同波长的激光二极管作为光源，对激光束进行变换，使各激光束形成几何图形排列，该排列的激光束经X向和Y向扫描振镜反射到屏幕，所述几何图形排列使得在扫描过程中，各激光束的光斑的光强分布形成叠加，实现投影图像的亮度增强。与传统的偏振合束和波长合束增加功率方式不同，本发明把同一波长的多个激光束进行特定组合排列，不仅达到了增加激光功率的目的，而且当振镜扫描这些特定排列的光斑时，可以得到高亮度、较均匀的线条。
文档编号G02B27/09GK101915994SQ20101022670
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月15日 优先权日2010年7月15日
发明者程波涛 申请人:苏州巨像科技有限公司