专利名称：二维光扫描装置以及使用该装置的图像显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种二维光扫描装置以及使用该装置的图像显示装置，更具体地，涉及一种二维光扫描装置以及使用该装置的图像显示装置，其中线性光源旋转或移动以二维地扫描光束。
背景技术：
近来，宽屏图像显示装置已广为流行。宽屏图像显示装置可分为直接观察型(诸如CRT设备)、投影型(诸如LCD设备)以及光扫描型。
直接观察型的CRT设备在其荧光性表面由红/绿/蓝电子束触发时产生彩色图像。对于CRT设备来说，要求电子束在电子枪和荧光性表面之间具有大的行程距离，这使得CRT设备体积大且笨重。因此，CRT设备不适于宽屏图像显示装置。
投影型的LCD投影器具有尺寸小的优点，但其缺点在于，其要求采用偏光器，这会导致光损失。
光扫描型图像显示装置已经在授权给本发明的申请人的韩国专利0366155号中提出。因为在上述专利中采用了两个旋转的多角镜来在二维上扫描光线，整个光扫描器的尺寸相对较大。因为这两个旋转的多角镜的反射表面绕各自旋转轴线旋转，其相对光轴移位偏离。此外，该装置的缺点在于，在大入射角的入射光线进入该多角镜的情况下需要具有大镜面的多角镜。
发明内容
鉴于上述现有技术，本发明的一个目的在于提供一种二维光扫描装置以及使用该装置的图像显示装置，其中线性光源自身旋转或移动以二维地扫描光束，而无需任何多角镜。
本发明的另一目的在于提供一种图像显示装置，其使用一光扫描装置而在多个屏幕上显示图像。
为了实现这些以及其他目的，根据本发明的第一方面的二维光扫描装置包括一个旋转体、和至少两个设置在该旋转体的表面上的线性光源单元。每个线性光源包括多个发光元件，这些发光元件成排设置以发射根据要显示的图像而调制的红光、绿光以及蓝光。该旋转体的形状为一个圆柱形滚筒。
根据本发明的第二方面，一种二维光扫描装置包括循环旋转的运动体以及至少两个设置在该运动体上的线性光源单元。每个光源包括多个发光元件，这些发光元件成排设置以发射根据要显示的图像而调制的红光、绿光以及蓝光。该运动体具有至少两个圆柱形滚筒以及连接在所述滚筒之间的环形带或链。
根据本发明的第三方面，一种图像显示装置包括旋转体、至少两个设置在该旋转体的表面上的线性光源单元、以及至少一个屏幕，所扫描的光束投射在该屏幕上。
根据本发明的第三方面，一种图像显示装置包括循环旋转的运动体、至少两个设置在该运动体上的线性光源单元、以及至少一个屏幕，所扫描的光束投射在该屏幕上。
当使用两个或多个屏幕时，各屏幕彼此沿不同方向设置。
图1和图2示出根据本发明的第一实施方式的二维光扫描装置的示意性立体图和侧视图；图3说明性地示出了线光源单元的视图；图4示出说明准直器透镜的视图；图5示出说明楔形棱镜的视图；图6示出第一实施方式的另一个实施例；
图7示出根据本发明的第二实施方式的二维光扫描装置的示意性侧视图；图8示出第二实施方式的另一示例；图9示出说明根据本发明第一实施方式的二维光扫描装置的扫描时间变化的视图；以及图10示出带有屏幕的图像显示装置的另一实施例，其使用了光导纤维束。
具体实施例方式
下面参照附图详细描述本发明的优选实施方式，其中全文中以相同的参考标号指示相同的元件。
首先参照图1和图2，根据本发明的第一实施方式的二维光扫描装置10包括通过马达(未图示)旋转的圆柱形滚筒300、以及两个设置在该滚筒300的圆柱形表面上的线性光源单元(第一线性光源单元100和第二线性光源单元100’)。
每个线性光源单元100，100’都优选地具有多个发光元件110——诸如激光器二极管或发光二极管(LED)，这些发光元件成排设置以发射根据要显示的图像而调制的红光、绿光和蓝光。线性光源单元100可具有成一排设置的发光元件110，如图3a所示。也可具有两排或多排由多个发光元件构成而形成的阵列，以获得高分辨能力或高亮度，如图3b所示。
为了最大化从各发光设备所发出的光强效率，可使用如图5所示的楔形棱镜210或楔形反射表面。楔形棱镜210具有倾斜的反射表面211、平行于光轴的全反射表面212、以及透镜表面213。当透镜表面213可校准光线时，可省略单独的准直器透镜单元200。从各光发出设备110发出的光从倾斜的反射表面211反射，然后在内部由全反射表面212反射多次以减少各次反射的发散角而增强光效率。
线性光源的每个发光元件110可具有一个准直器透镜，该准直器透镜可将来自发光元件110的光转换成准直光束。该准直器透镜可以是一个小棒形透镜120和/或球形透镜130的阵列，或是一个非球面透镜，如示于图4A-4C中。可采用图4A-4C中所示中任一类型的透镜与一圆柱透镜(或复曲面透镜)。
可通过在一个LED晶粒上形成一个环氧树脂浇注透镜表面以将光转换成会聚、发散或准直的光束而构造每个发光元件。该透镜表面可以是球面表面或非球面表面，包括笛卡儿卵形表面。
发光元件可以是面发射型的LED。当采用面发射型LED时，优选在LED上除发射表面之外的表面上涂敷金属膜，以通过该金属膜在内部进光线反射并限制发射区域。由于面发射型LED从其侧部以及有效层的表面发射光，在使用外部光学元件时，将发射的光转换成有效的准直光束或会聚光束以及获得高的光效率是困难的。因此，该装置的整个光学系统可以制造得即简单又能增强光学性能，从而通过该金属膜限定发射区域。
尽管图1和图2示出了两个线性光源单元100和100’，也可按照所需设计提供多个该光源单元。当线性光源单元的数量为n时，每个光源单元绕滚筒的转轴相对邻近单元成360度/n的角度设置。线性光源单元100和100’相对于滚筒的转轴平行设置。
根据本发明第一实施方式的二维光扫描装置如下地操作。
当旋转滚筒300开始旋转时，第一和第二线性光源单元100，100’在旋转的圆柱形滚筒300上旋转。当第一线性光源单元100首先面向屏幕500时，从第一线性光源单元100发射的光在屏幕500上扫描。然后，当第二线性光源单元100’面向屏幕500时，从第二线性光源单元100′发射的光在屏幕500上扫描。因此，第一和第二线性光源单元100和100′旋转并彼此交替地投影图像。
虽然在附图中未示出，但是可以在线性光源单元100和屏幕500之间放置适当的光学元件来补偿色差，以增强图像质量或调节屏幕的缩放比例——诸如放大以及缩小。
使用二维光学扫描装置10的图像显示装置具有一个屏幕500，如图1和图2所示。也可使用两个屏幕500和500’，如图6所示。可以设计该图像显示装置以根据所需目的而改变屏幕的数量及其布置。应该指出的是，每个屏幕均可显示一个不同的图像。可根据所需设计提供两个或更多个光源单元。
当线性光源单元100安装在旋转体300上而以恒定角速度扫描光时，图像质量和分辨能力根据平面屏幕500距光轴的距离而改变。线性光源单元的发射时间可根据扫描角度改变，以在屏幕500上获得均匀的图像质量。参照图9，将对取决于扫描角度的发射时间进行描述。
首先，假设扫描单元的光轴为z轴且屏幕500平行于x轴放置，如图3所示。屏幕的平均象素尺寸Dx如下定义Dx＝Ltanθmax/k (1)其中L是扫描距离，θmax是最大扫描角，而(2k+1)是象素的最大行号。
当θi和θi+1分别为第i行和第(i+1)行的扫描角时，由扫描单元300反射的光在屏幕上的点Xi处扫描，然后在下一行的点Xi+1上扫描。两个点之间的差Xi-Xi+1应该是平均象素尺寸Dx，以维持均匀的分辨能力。因为在整个屏幕上的屏幕任意点的象素尺寸Dx应该恒定，其定义如下Xi-Xi+1＝L(tanθi-tanθi+1)＝Dx(2)因此，从条件(1)和(2)可得到条件(3)tanθmax/k＝(tanθi-tanθi+1) (3)当旋转的多角镜以恒定角速度ω相对固定的光源旋转时，第i行和第(i+1)行之间的扫描时间间隔Δt可以由如下条件(4)定义Δt＝(θi-θi+1)/2ω (4)因此，第i行和第(i+1)行之间的扫描时间间隔Δt可以由条件(3)和(4)获得。从线性光源单元100发射出的光通过旋转体300的旋转而二维地扫描，以在屏幕上显示图像。而且，对各扫描角来，说可根据条件(3)和(4)改变发射时间，以在屏幕500上获得均匀的象素尺寸Dx。因此，在整个屏幕上的图像质量和分辨能力是均匀的。
除了改变发射时间，也可使用用于补偿象素尺寸偏差的棱镜块，以获得均匀的图像质量和分辨能力。如图10所示，可将一束光纤放置在屏幕500上以获得均匀的图像质量和分辨能力。
下面参照图7，根据本发明第二实施方式的二维光扫描装置10包括第一和第二圆柱形滚筒310和310’——每个滚筒通过一个马达(未图示)旋转；以及连接于所述滚筒310，310’之间的环形带330。该装置具有两个放置在该环形带330上的线性光源单元(第一线性光源单元100和第二线性光源单元100’)。尽管在图中带330连接在两个滚筒310和310’之间，也可以使用环形链等连接这两个滚筒。也可使用线性马达来移动该线性光源单元。
每个线性光源单元100，100’优选具有多个发光元件，诸如激光器二极管或发光二极管(LED)，这些发光元件设置成一排以发射根据要显示的图像而调制的红光、绿光和蓝光。如上所说明的，可采用多种线性发光单元，参照第一实施方式中的图3至图5。
尽管图7示出了两个线性光源单元100和100’，也可根据所需设计提供两个以上的多个光源单元。当线性光源单元的数量为n且带330的长度为s时，每个光源单元相对邻近单元以s/n的距离间隔设置在带330上。线性光源单元100和100’平行于滚筒310，310’的转轴设置。
图7示出了两个滚筒310和310’，但该数目并不限于图中所示。可根据所需设计提供两个以上的多个圆柱形滚筒。
根据本发明第二实施方式的二维光扫描装置如下操作。
将带330连接在以相同角速度旋转的滚筒310，310’之间，并循环转动。第一和第二线性光源单元100，100’设置在带300上而根据带330的转动而旋转。当第一线性光源单元100首先面向屏幕500时，从第一线性光源单元100发射的光在屏幕500上扫描。然后，当第二线性光源单元200面向屏幕500时，从第二线性光源单元100′发射的光在屏幕500上扫描。因此，第一和第二线性光源单元100和100′彼此旋转并交替地投射图像。
当滚筒以恒定角速度旋转时，带330以恒定的线运动速度移动。线速度为L×m每秒，其中沿扫描方向的屏幕长度为“L”，每秒的图像帧数为“m”。此外，当滚筒300的半径为“r”且角速度为“ω”时，线速度v如下v＝ω×r＝L×m。
当滚筒的角速度ω恒定时，线速度v也恒定，从而维持均匀的扫描时间。当该装置使用线性运动的区段时，可采用线性马达代替带和滚筒。
尽管在图中未示出，可在线性光源单元100和屏幕500之间设置适当的光学元件来补偿色差，以增强图像质量或调节屏幕的缩放比例——诸如放大以及缩小。
使用第二实施方式的二维光学扫描装置10的图像显示装置具有一个屏幕500，如图7所示。也可根据所需目的使用两个或更多个屏幕。
图8示出使用三个屏幕的图像显示装置。该图像显示装置具有一个二维光扫描装置10，该光扫描装置10包括三个圆柱形滚筒310，310’，310”以及连接在这些滚筒之间的环形带330。可在该环形带330上设置多个线性光源单元100，100’，100”。图8示出了三个线性光源单元100，100’，100”和三个屏幕500，500’，500”。根据所需目的，可设计该图像显示装置以改变屏幕数量、类型(透射型或反射型)以及其布置。应该指出的是，每个屏幕可设有不同的图像。
此外，在根据第二实施方式的二维装置中，线性光源单元可以线性运动或旋转运动。因此，可调节线性光源单元，使之仅在其线性运动时或仅在其旋转运动时发光，从而产生多种扫描效果。
如上所述，该二维光扫描装置的优点在于，由于使用循环旋转的旋转体或运动体，且未使用多角镜来避免包括由于多角镜产生的光学象差——包括失真，其尺寸小于现有装置。此外，可避免多角镜的离轴偏差所带来的设计困难。
此外，可根据本发明构造多种光源。由于该装置可在放大的图像中进行光扫描，本发明可适于大屏幕图像显示设备。
具有两个或更多个根据本发明的光扫描装置的图像显示装置可显示具有多种显示效果的、应用于多种应用中的复杂图像。
尽管本发明已经结合当前认为最可行且优选的实施方式进行了描述，可以理解，本发明并非限制于所公开的实施方式，而相反是意在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同设置。具体地，应指出的是，除了本发明第一和第二实施方式中描述的结构外，其上安装线性光源单元的旋转体或运动体还可以多种方式进行修改。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1.一种二维光扫描装置，包括一个旋转体；以及至少二个设置在该旋转体的表面上的线性光源单元，所述线性光源单元包括多个发光元件，这些发光元件成排设置，用以发出根据要显示的图像而调制的红光、绿光和蓝光。
2.如要求1所述二维光扫描装置，其中，所述旋转体的形状为一个圆柱形滚筒。
3.如要求2所述二维光扫描装置，其中，当所述线性光源单元的数量为n时，每个线性光源单元在旋转体的表面上相对于邻近单元成360/n度的角度设置。
4.一种二维光扫描装置，包括一个循环旋转的运动体；和至少二个设置在该运动体上的线性光源单元，所述线性光源单元包括多个发光元件，这些发光元件成排设置，用以发出根据要显示的图像而调制的红光、绿光和蓝光。
5.如权利要求4所述的二维光扫描装置，其中，所述运动体包括至少两个圆柱形滚筒；以及连接于所述滚筒之间的环形带或链。
6.如权利要求5所述的二维光扫描装置，其中，当所述线性光源单元的数量为n且链或带的长度为s时，每个光源单元相对于邻近单元以s/n的距离间隔设置在带或链上。
7.如权利要求4所述的二维光扫描装置，其中，该装置具有一线性区段，在该线性区段处，所述运动体上的线性光源单元直线地运动。
8.如权利要求1所述的二维光扫描装置，其中，所述线性光源单元与所述旋转体的转轴基本平行。
9.如权利要求4所述的二维光扫描装置，其中，所述线性光源单元基本垂直于所述运动体的运动方向。
10.如权利要求1所述的二维光扫描装置，进一步包括准直透镜或会聚光学元件，该准直透镜用于将来自于各线性光源单元的发光元件的光转变成基本准直的光束，所述会聚光学元件用于将来自于各发光元件的光转变成会聚光束。
11.如权利要求4所述的二维光扫描装置，进一步包括准直透镜或会聚光学元件，该准直透镜用于将来自于各线性光源单元的发光元件的光转变成基本准直的光束，所述会聚光学元件用于将来自于各发光元件的光转变成会聚光束。
12.如权利要求4所述的二维光扫描装置，其中，每个发光元件包括一个发光二极管晶粒和一个环氧树脂浇注件，该环氧树脂浇注件具有球面形或非球面形的光发射表面，从而起到透镜的功能。
13.如权利要求1所述的二维光扫描装置，其中，各个发光元件是面发射型的发光二极管，其表面除了预定区域外均涂敷有金属膜。
14.如权利要求1所述的二维光扫描装置，其中，当扫描单元的最大扫描角θmax被分成为预定分辨率时，线性光源单元在第i个扫描角θi和第(i+1)个扫描角θi+1之间发光的时间间隔Δt满足下述条件tanθmax＝k(tanθi-tanθi+1)且Δt＝(θi-θi+1)/2ω其中，(2k+1)是象素的最大行号；θi+1为第(i+1)行的扫描角；且ω是扫描单元的角速度。
15.如权利要求4所述的二维光扫描装置，其中，当扫描单元的最大扫描角θmax被分成为预定分辨率时，线性光源单元在第i个扫描角θi和第(i+1)个扫描角θi+1之间发光的时间间隔Δt满足下述条件
tanθmax＝k(tanθi-tanθi+1)且Δt＝(θi-θi+1)/2ω其中，(2k+1)是象素的最大行号；θi+1为第(i+1)行的扫描角；且ω是扫描单元的角速度。
16.一种图像显示装置，包括旋转体；至少二个设置在该旋转体的表面上的线性光源单元，所述线性光源单元包括多个发光元件，这些发光元件成排设置，用以发出根据要显示的图像而调制的红光、绿光和蓝光；以及至少一个屏幕，所扫描的光束投射在该屏幕上。
17.一种图像显示装置，包括循环旋转的运动体；至少二个设置在该运动体上的线性光源单元，所述线性光源单元包括多个发光元件，这些发光元件成排设置，用以发出根据要显示的图像而调制的红光、绿光和蓝光；以及至少一个屏幕，所扫描的光束投射在该屏幕上。
18.如权利要求17所述的图像显示装置，其中，所述运动体包括至少两个圆柱形滚筒；以及连接于该滚筒之间的环形带或链。
19.如权利要求17所述的图像显示装置，其中，该装置具有一线性区段，在该线性区段处，所述运动体上的线性光源单元直线地运动。
20.如权利要求16所述的图像显示装置，其中，屏幕的数量为两个或更多个，且各屏幕沿彼此不同的方向设置。
21.如权利要求17所述的图像显示装置，其中，屏幕的数量为两个或更多个，且各屏幕沿彼此不同的方向设置。
权利要求
1.一种二维光扫描装置，包括一个旋转体；以及至少二个设置在该旋转体的表面上的线性光源单元，所述线性光源单元包括多个发光元件，这些发光元件成排设置，用以发出根据要显示的图像而调制的红光、绿光和蓝光。
2.如要求1所述二维光扫描装置，其中，所述旋转体的形状为一个圆柱形滚筒。
3.如要求2所述二维光扫描装置，其中，当所述线性光源单元的数量为n时，每个线性光源单元在旋转体的表面上相对于邻近单元成360/n度的角度设置。
4.一种二维光扫描装置，包括一个循环旋转的运动体；和至少二个设置在该运动体上的线性光源单元，所述线性光源单元包括多个发光元件，这些发光元件成排设置，用以发出根据要显示的图像而调制的红光、绿光和蓝光。
5.如权利要求4所述的二维光扫描装置，其中，所述运动体包括至少两个圆柱形滚筒；以及连接于所述滚筒之间的环形带或链。
6.如权利要求5所述的二维光扫描装置，其中，当所述线性光源单元的数量为n且链或带的长度为s时，每个光源单元相对于邻近单元以s/n的距离间隔设置在带或链上。
7.如权利要求4所述的二维光扫描装置，其中，该装置具有一线性区段，在该线性区段处，所述运动体上的线性光源单元直线地运动。
8.如权利要求1所述的二维光扫描装置，其中，所述线性光源单元与所述旋转体的转轴基本平行。
9.如权利要求4所述的二维光扫描装置，其中，所述线性光源单元基本垂直于所述运动体的运动方向。
10.如权利要求1所述的二维光扫描装置，进一步包括准直透镜或会聚光学元件，该准直透镜用于将来自于各线性光源单元的发光元件的光转变成基本准直的光束，所述会聚光学元件用于将来自于各发光元件的光转变成会聚光束。
11.如权利要求4所述的二维光扫描装置，进一步包括准直透镜或会聚光学元件，该准直透镜用于将来自于各线性光源单元的发光元件的光转变成基本准直的光束，所述会聚光学元件用于将来自于各发光元件的光转变成会聚光束。
12.如权利要求10所述的二维光扫描装置，其中，所述准直透镜为小的棒形透镜、球形透镜、柱面透镜、复曲面透镜或楔形棱镜，其附装于线性光源的每个发光元件上。
13.如权利要求11所述的二维光扫描装置，其中，所述准直透镜为小的棒形透镜、球形透镜、柱面透镜、复曲面透镜或楔形棱镜，其附装于线性光源的每个发光元件上。
14.如权利要求1所述的二维光扫描装置，其中，所述准直透镜为小的棒形透镜、球形透镜、柱面透镜、复曲面透镜或楔形棱镜，其附装于线性光源的每个发光元件上。
15.如权利要求4所述的二维光扫描装置，其中，每个发光元件包括一个发光二极管晶粒和一个环氧树脂浇注件，该环氧树脂浇注件具有球面形或非球面形的光发射表面，从而起到透镜的功能。
16.如权利要求1所述的二维光扫描装置，其中，各个发光元件是面发射型的发光二极管，其表面除了预定区域外均涂敷有金属膜。
17.如权利要求4所述的二维光扫描装置，其中，各个发光元件是面发射型的发光二极管，其表面除了预定区域外均涂敷有金属膜。
18.如权利要求1所述的二维光扫描装置，其中，当扫描单元的最大扫描角θmax被分成为预定分辨率时，线性光源单元在第i个扫描角θi和第(i+1)个扫描角θi+1之间发光的时间间隔 满足下述条件tanθmax＝k(tanθi-tanθi+1)且Δt=(θi-θi+1)/2ω]]>其中，(2k+1)是象素的最大行号；θi+1为第(i+1)行的扫描角；且ω是扫描单元的角速度。
19.如权利要求4所述的二维光扫描装置，其中，当扫描单元的最大扫描角θmax被分成为预定分辨率时，线性光源单元在第i个扫描角θi和第(i+1)个扫描角θi+1之间发光的时间间隔 满足下述条件tanθmax＝k(tanθi-tanθi+1)且Δt=(θi-θi+1)/2ω]]>其中，(2k+1)是象素的最大行号；θi+1为第(i+1)行的扫描角；且ω是扫描单元的角速度。
20.一种图像显示装置，包括旋转体；至少二个设置在该旋转体的表面上的线性光源单元，所述线性光源单元包括多个发光元件，这些发光元件成排设置，用以发出根据要显示的图像而调制的红光、绿光和蓝光；以及至少一个屏幕，所扫描的光束投射在该屏幕上。
21.一种图像显示装置，包括循环旋转的运动体；至少二个设置在该运动体上的线性光源单元，所述线性光源单元包括多个发光元件，这些发光元件成排设置，用以发出根据要显示的图像而调制的红光、绿光和蓝光；以及至少一个屏幕，所扫描的光束投射在该屏幕上。
22.如权利要求21所述的图像显示装置，其中，所述运动体包括至少两个圆柱形滚筒；以及连接于该滚筒之间的环形带或链。
23.如权利要求21所述的图像显示装置，其中，该装置具有一线性区段，在该线性区段处，所述运动体上的线性光源单元直线地运动。
24.如权利要求20所述的图像显示装置，其中，屏幕的数量为两个或更多个，且各屏幕沿彼此不同的方向设置。
25.如权利要求21所述的图像显示装置，其中，屏幕的数量为两个或更多个，且各屏幕沿彼此不同的方向设置。
全文摘要
一种二维光扫描装置，其具有旋转体或循环旋转的运动体。该装置具有至少二个线性光源单元。该旋转体由圆柱形滚筒形成。运动件可具有至少两个圆柱形滚筒以及连接于该滚筒之间的环形带或链。各线性发光单元放置在旋转体或运动体上以相互交替地投射图像。该装置沿几个方向投射光，使得其可用于具有多个屏幕的图像显示装置中。
文档编号H04N5/74GK1867852SQ200480030465
公开日2006年11月22日 申请日期2004年10月14日 优先权日2003年10月15日
发明者宋太善 申请人:宋太善