专利名称：激光投影机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种图像投影装置，更具体地说，是一种激光投影机。
背景技术：
制造投影机的目的，是为了获得大的图像。现在已有的投影机，按投影方向划分可分为正投和背投，按图像源类型划分，有过去常用的三枪CRT管式投影机，有现在流行的液晶式投影机。当然，按照各种技术特点进行细分，还可以有很多种类，在此不一一枚举，因为现在已有的投影机为了获得大的图像，所采用的方法都是将图像源上生成的小图像通过透镜放大投射出去，以获得大的图像。采用这种方法来获得大图像，其主要缺点或者说不足之处在于1、在图像质量方面，亮度、对比度不足，且图像越大，亮度、对比度越差；由于不同波长光线在透镜中的折射率不同的影响，大图像容易产生镶色边现象；图像源上生成的小图像精度有限，造成放大后的图像不够清晰；2、在使用方面，高亮度的背光光源必然带来高热量和高能耗，可靠性和节能效果不佳；3、在成本方面，要获得尽量好的图像，必须采用高像素、高透过率、高耐热的液晶板，和高精密度的镜头，因此生产成本较高。
要改进投影机的上述问题，现在的发展方向中有一个就是利用激光束所特有的高亮度的特点，研发激光投影机。授权公告号CN1139261C，申请公开号CN1331425A、CN1438510A、CN1506712A公开了几种实现激光投影的方法。
上述已公开的激光投影技术中在扫描机构方面实现图像行扫描的方法都是利用一个由电机驱动的高速旋转的多面镜鼓，实现图像场扫描的方法都是利用一个电流计，或使用与实现行扫描方法相似的旋转的多面镜鼓(CN1331425A)，这些已公开的实现图像行扫描的方法，都存在因为扫描机构长时间的高速运转和高速往复扭转，不可避免地带来的机构中轴承磨损和连接材料疲劳等的问题，所以，这些实现扫描的方法都存在不耐用的问题。另外，高速旋转的多面镜鼓也会带来噪音较大的问题。
在激光光源部分授权公告号CN1139261C采用白色激光器作为光源，经分色后调制成像，其成像所能达到的最高亮度取决于白色激光器的亮度，由于白色激光器本身不可调制，那么为了应付图像播放过程中偶尔出现的高亮度画面，白色激光器需要总是处于满负荷工作状态，这对其本身的耐用性和节能都十分不利，另外，在使用液晶光阀对其进行调制时，由于液晶光阀对光线的遮断率不可能达到百分之百，因此图像的黑色表现和高亮度表现不能兼顾，图像的灰度级别范围不宽。申请公开号CN1331425A公开了“一种多行同步扫描式激光投影显示系统”，其目的是保护一种多行同时扫描的方法，该申请中虽然提及对激光光源的调制，但未涉及如何实现对激光光源的调制，依据其说明书及附图，是针对单个激光光源进行调制，这样会受到单个激光光源可调制范围的限制，仍然存在图像的灰度级别范围不宽的问题，并且，对如何实现多束激光汇聚的问题并未涉及。申请公开号CN1438510A公开了“一种分区多行扫描式激光投影机”，其目的也是保护一种多行同时扫描的方法，该申请中未涉及如何实现对激光光源的调制，该申请中对实现多束激光汇聚的方法是通过多根光纤将激光光束导入“光束列形成器”，这与本发明所提出的方法不同。况且，依据现知的光束在光纤内传导的知识，在入射角、光纤长度、光纤弯曲形状、光纤两端形状等条件不确定的情况下，其射出角度是不可知的，因此很难通过其所提出的方法实现对光束的混合汇聚。申请公开号CN1506712A公开了“一种用扫描方式产生无干涉面光源的方法”，目的是获得无干涉面光源，其光源为不可调制。
因此，总结现有的激光投影技术，存在以下不足1、扫描机构耐用性不佳；2、图像的灰度级别不够，图像清晰度不好；3、无法同时兼顾图像中纯黑与高亮度显示需要；4、扫描机构存在较大的机械噪音；5、激光光源耗能较大；6、激光光源耐用性不佳；7、激光光源利用效率较低。
发明内容
解决问题的关键在于要设法获得一种可调制且可调制范围很宽的激光光源，同时要解决激光光源和扫描机构的耐用性问题。本发明针对以有的技术的不足，采取新的技术方案，设计出一种具有高清晰度、高亮度、高耐用性、低能耗和较低的成本的激光投影机。与已有的技术中采用不可调制的白色激光光源不同，本发明通过用亮度和颜色信号控制不同颜色和数量的激光二极管的点亮，并将它们发出的激光束复合、叠加，达到按照图像亮度和颜色信号对激光光源进行调制的目的，即获得可调制范围很宽的可调制的激光光源；并通采用过随机发生器解决了激光光源的耐用性问题；同时，通过采用磁悬浮的扫描机构，实现了无摩擦的行、场扫描；因此可以解决现有的激光投影技术存在的上述问题。
本发明所采取的技术方案如下一种激光投影机，包括图像处理电路、激光二极管、激光二极管驱动电路、汇聚透镜组、多棱镜，行、场扫描机构，其特征在于图像处理电路将图像分离成红、绿、蓝三元色的三路图像信号，每一路图像信号先经过高频采样电路和随机发生器处理后通过激光二极管驱动电路驱动相应颜色的激光光源板，每块激光光源板安装一种颜色的激光二极管，激光二极管数量为若干个，各个激光二极管可单独控制点亮，激光二极管点亮的数量受到图像信号经高频采样电路转换成的数字信号控制，每一块激光光源板发出的激光束通过各自的汇聚透镜组分别汇聚成三根单色总光束，将三根单色总光束通过多棱镜进行复合，得到一根包含了红、绿、蓝三元色和亮度信号的复色总光束，再通过行、场扫描机构将复色总光束投射到屏幕或其它物体上。
以上所述的激光投影机，其特征在于随机发生器是根据图像信号转化成的数字信号，在激光光源板上随机地抽取相应数量的激光二极管发出点亮信号的装置。
以上所述的激光投影机，其特征在于激光光源板使用分立元件，或采用集成制造的方式在基板上直接集成制造，同一块激光光源板上的激光二极管的安装排列特征是每个激光二极管均朝向同一方向，垂直于同一平面并紧密排列，形成一块板状；激光光源板上的各个激光二极管所发射的激光束都同向且相互平行。
以上所述的激光投影机，其特征在于行、场扫描机构为磁悬浮线框扫描机构，其中磁悬浮线框扫描机构有两个磁悬浮轴承，磁悬浮轴承分别安装在矩形空心闭合线圈的两端，矩形空心闭合线圈内部固定安装有一面高反镜，矩形线框内留有空隙，分别安装激励电磁铁和驱动磁铁，上述机构安装在一个支架上。矩形空心闭合线圈为在一个矩形线框上绕制一匝至多匝闭合线圈制成，矩形空心闭合线圈与激励电磁铁之间形成电磁互感。
以上所述的激光投影机，其特征在于行、场扫描机构为磁悬浮多面镜鼓扫描机构，磁悬浮多面镜鼓扫描机构的公共转轴上同时安装高速交流电机的转子和多面镜鼓，公共转轴的两端各安装一个磁悬浮轴承。
以上所述的磁悬浮轴承，其特征在于磁悬浮轴承由两块形状为旋转体的永磁体制成，其相对端面的剖面形状一块为凸的V形，另一块为凹的V形，两块永磁体做充磁处理成凹凸相对的端面成同性的磁极，两块永磁体以凹凸端面相对的方式相嵌安装使磁悬浮轴承处于磁悬浮状态。
本发明由于采用了上述的技术方案通过三块多级可调的激光光源板，并采用亮度信号控制不同数量的激光二极管的点亮，然后将它们发出的激光束复合叠加的方法，通过调制复色总光束的强度实现对图像亮度和颜色的表现，避免了使用液晶光阀对恒定白色激光光源进行调制这种方式所固有的灰度级别不高、无法兼顾画面中高亮度与纯黑的显示需要、受液晶光阀中液晶体偏转速度限制、和恒定白色激光光源的高耗能、耐用性不佳等问题。并通过磁悬浮的扫描机构实现了完全无摩擦的行、场扫描，避免了使用由电机驱动的高速旋转的多面镜鼓、电流计等方法所固有的机件磨损、噪音和连接材料疲劳等问题。与已有的方案相比，具有以下突出优点
1、只要简单地增加激光二极管的数量，即可以实现很高的亮度。
2、只要简单地增加激光二极管的数量，即可以实现很高的灰度级别。
3、只要简单地关闭所有的激光二极管，即可以实现纯黑画面的显示。
4、不存在滤色片、液晶体等影响透光的器件，因此光的利用率高。
5、不存在液晶体偏转速度的限制，因而速度较快。
6、激光二极管点亮的数量是根据需要进行按需点亮，因此较为节能。
7、可使用随机发生器来使激光二极管的点亮机会均等，提高了多级可调激光光源板的整体寿命。
8、磁悬浮的扫描机构实现了完全无摩擦的行、场扫描，极为耐用。
9、激光二极管的加工技术成熟，成本较低。
10、使用随机发生器，随机地点亮激光二极管，因而激光光源板上的少量激光二极管的制造缺陷不会产生明显可见的图像缺陷，这与液晶或等离子显示器坏点明显的情况不同，因此对制造工艺要求不高。
图1是激光光源板的结构形式及通过汇聚透镜将多根激光束汇聚成单色总光束的示意图。
图2是磁悬浮轴承的结构示意图，右图为左图的剖视图。
图3是磁悬浮线框扫描机构结构示意图。
图4是磁悬浮多面镜鼓扫描机构示意图。
图5是本发明激光投影机的其中一种实施结构的示意图。
具体实施例方式
图1中上图表示将多个红色激光二极管10安装在基板1上，排列成板状，形成红色激光光源板100，100发出多根相互平行的激光束101，进入汇聚透镜组2，汇聚成红色总光束102；中图表示将多个绿色激光二极管20安装在基板1上，排列成板状，形成绿色激光光源板200，200发出多根相互平行的激光束201，进入汇聚透镜组2，汇聚成绿色总光束202；下图表示将多个蓝色激光二极管30安装在基板1上，排列成板状，形成蓝色激光光源板300，300发出多根相互平行的激光束301，进入汇聚透镜组2，汇聚成蓝色总光束302。
如图2所示永磁体401凸面与永磁体402凹面为相同磁极性，401与402组合成磁悬浮轴承400，在同性磁极相斥的作用力下，400的两块永磁体401与402相互处于磁悬浮可自由旋转状态。
图3是磁悬浮线框扫描机构结构示意图，为不影响图面整洁，图中未绘出安装支架。图中表示由激励线圈502与闭合的磁芯503组合成激励电磁铁，503穿过矩形空心闭合线圈501，501的两端各装有一个磁悬浮轴承400，501的下部装有高反镜505，矩形空心闭合线圈501安装在永磁体506与导磁性材料504形成的磁隙中。
图4是磁悬浮多面镜鼓扫描机构示意图，为不影响图面整洁，图中未绘出高速交流电机的其它结构。图4中上图为行磁悬浮多面镜鼓扫描机构，表示行扫描多面镜鼓601和高速交流电机的转子602一同安装在公共转轴603上，公共转轴603的两端各安装一个磁悬浮轴承400；下图为场磁悬浮多面镜鼓扫描机构，表示行扫描多面镜鼓701和高速交流电机的转子602一同安装在公共转轴603上，公共转轴603的两端各安装一个磁悬浮轴承400。
图5是本发明实施例示意图，图中表示R为红色信号，G为绿色信号，B为蓝色信号，11、21、31为高频采样电路，12、22、32为随机发生器，13、23、33为激光二极管驱动电路、100、200、300为红、绿、蓝色的激光光源板，102、202、303为红、绿、蓝色的单色总光束，50为多棱镜，60为复色总光束，601为行扫描多面镜鼓，701为场扫描多面镜鼓，90为屏幕。
图5的实施例中使用两个磁悬浮多面镜鼓扫描机构分别进行行、场扫描，但不限于此，实际应用中也可以使用本发明所提出的磁悬浮线框扫描机构，或是两种扫描机构的组合。
现结合图5说明本发明是如何实现的依据图5，经图像处理电路分离的红、绿、蓝三色信号R、G、B分别进入相应的高频采样电路11、21、31，被分别量化为数字信号，确定需点亮的激光二极管数量，再分别进入随机发生器12、22、32，然后分别通过激光二极管驱动电路13、23、33，具体点亮相应的激光光源板100、200、300上的激光二极管(随机发生器12、22、32也可以不用，但用的优点在于可以使激光光源板100、200、300上的各个激光二极管点亮机会均等，从而延长激光光源板的整体寿命，并且，可以大大降低由于个别激光二极管的损坏而导致的对图像的影响)，激光光源板100、200、300发出相应颜色和数量的相互平行的激光束进入对应的汇聚透镜组，分别汇聚成三根单色总光束102、202、303单色总光束102、202、303一同进入多棱镜50进行复合，即可得到根包含了红、绿、蓝三元色和亮度信号的复色总光束60，复色总光束60依次经行扫描多面镜鼓601和场扫描多面镜鼓701，进行行、场扫描，最后投射到屏幕90上，显示出图像。
在图5的实施例中，随机发生器12、22、32和激光二极管驱动电路13、23、33在信号通道中的排列顺序依图5所示，但不限于此，实际应用中可根据具体电路设计而改变两者的排列顺序。另外，多棱镜50亦可用其它形式的光线复合机构进行替代，类似的光线复合机构已被广泛应用，例如授权公告号CN1139261C就指出了几种方法，在此就不再一一列举。
权利要求
1.一种激光投影机，包括图像处理电路、激光二极管、激光二极管驱动电路、汇聚透镜组、多棱镜，行、场扫描机构，其特征在于图像处理电路将图像分离成红、绿、蓝三元色的三路图像信号，每一路图像信号先经过高频采样电路和随机发生器处理后通过激光二极管驱动电路驱动相应颜色的激光光源板，每块激光光源板安装一种颜色的激光二极管，激光二极管数量为若干个，各个激光二极管可单独控制点亮，激光二极管点亮的数量受到图像信号经高频采样电路转换成的数字信号控制，每一块激光光源板发出的激光束通过各自的汇聚透镜组分别汇聚成三根单色总光束，将三根单色总光束通过多棱镜进行复合，得到一根包含了红、绿、蓝三元色和亮度信号的复色总光束，再通过行、场扫描机构将复色总光束投射到屏幕或其它物体上。
2.根据权利要求1所述的激光投影机，其特征在于随机发生器是根据图像信号转化成的数字信号，在激光光源板上随机地抽取相应数量的激光二极管发出点亮信号的装置。
3.根据权利要求1所述的激光投影机，其特征在于激光光源板使用分立元件，或采用集成制造的方式在基板上直接集成制造，同一块激光光源板上的激光二极管的安装排列特征是每个激光二极管均朝向同一方向，垂直于同一平面并紧密排列，形成一块板状；激光光源板上的各个激光二极管所发射的激光束都同向且相互平行。
4.根据权利要求1所述的激光投影机，其特征在于行、场扫描机构为磁悬浮线框扫描机构，其中磁悬浮线框扫描机构有两个磁悬浮轴承，磁悬浮轴承分别安装在矩形空心闭合线圈的两端，矩形空心闭合线圈内部固定安装有一面高反镜，矩形线框内留有空隙，分别安装激励电磁铁和驱动磁铁，上述机构安装在一个支架上，矩形空心闭合线圈为在一个矩形线框上绕制一匝至多匝闭合线圈制成，矩形空心闭合线圈与激励电磁铁之间形成电磁互感。
5.根据权利要求1所述的激光投影机，其特征在于行、场扫描机构为磁悬浮多面镜鼓机构，磁悬浮多面镜鼓扫描机构的公共转轴上同时安装高速交流电机的转子和多面镜鼓，公共转轴的两端各安装一个磁悬浮轴承。
6.根据权利要求4或5所述的磁悬浮轴承，其特征在于磁悬浮轴承由两块形状为旋转体的永磁体制成，其相对端面的剖面形状一块为凸的V形，另一块为凹的V形，两块永磁体做充磁处理成凹凸相对的端面成同性的磁极，两块永磁体以凹凸端面相对的方式相嵌安装使磁悬浮轴承处于磁悬浮状态。
全文摘要
本发明公开了一种激光投影机，通过用颜色和亮度信号对分别是R、G、B三元色的三块多级可调的激光光源板上的激光二极管的点亮数量进行调制，并通过汇聚透镜和多棱镜将激光光源板所发射的激光束进行汇聚叠加，实现了很高的图像灰度级别；通过两个磁悬浮扫描机构，实现了无磨擦的行、场扫描运转。本发明具有高清晰度、可同时兼顾纯黑和极高亮度的画面、成本较低、耐用、无机械噪声、节能等优点，可广泛应用于需要显示大型图像的场合。
文档编号H04N9/31GK1750622SQ20051003758
公开日2006年3月22日 申请日期2005年9月30日 优先权日2005年9月30日
发明者黄革雄 申请人:黄革雄