专利名称：电信号与图象光扫描转换器的制作方法
电信号与图像光扫描转换器是通过直接扫描光束把电信号转换成图像或把图像转换成电信号的一种电子、光学、机械相结合的装置。
目前的电视机，如华南理工大学出版社出版的《电视技术基础》和西安电子科技大学出版社出版的《电视原理与接收技术》中所阐述的，其荧光屏是用许许多多均匀的红、绿、蓝三色荧光粉有序地粘在玻璃面上，再覆盖一层有均匀小孔的铝膜制成的，因此制作工艺复杂、困难，而且红、绿、蓝表示的象素的色彩不在同一点上，电子枪打靶的精度要求高，象素的真实色彩反应也差。彩色电视机一般有三个电子枪，有加热极、加速电场、偏转磁场，结构复杂，耗电量高，显象管的玻璃外壳脆硬，重量大，超薄处理困难。电子枪射出的电子对人体有害。荧光屏对自然光的散射强，因此白天电视图象模糊不清，须在黑暗处才可以。目前的彩色摄象管，采用三个电子枪或两个电子枪或一个电子枪，电子枪的个数愈少，电路愈是复杂。采用电子枪的摄象管体积大。
本发明的目的是提供一种价格便宜、耗电量低、功能多、厚度薄、体积小、重量轻的电信号与图象相互转换的装置。
目前电视机的扫描是让图象的各象素发射的光线顺序地通过光敏靶转变成对应的电流，或让图象的各个象素的电信号在荧光屏上顺序地转化为光信号。
本发明也是采单扫描方式，不是借助电子束间接扫描，而是直接对光束扫描图象上各象素发射的光线通过光扫描器件(称为光扫描管)顺序地照射在感光器件的感光面上，或让灯管(称之为成象灯管)发射的光束通过光扫描管顺序地照射衍射黑屏(衍射黑屏是把照射在它上面的光束转化成点光源的一种屏，其制造和原理在后面详细介绍)上，成象灯管发射的光束照射在衍射黑屏上的光点，即是转化成光信号的图象的象素。这就是本发明设计制造的主要根据，称为图象光扫描原理。
成象灯管发射的光束经过光扫描管扫描照在衍射黑屏上的点在水平方向上移动称为行扫描，在垂直方向上移动称为场扫描。
把光信号转化成电信号的装置称为摄象器，把电信号转化成光信号的装置称为成象器。为了扩展本发明的更多功能，在设计到具体的产品时通常把摄象器和成象器复合到一块。成象器要做的工作是成象灯管发射的光束通过光扫描管变成扫描光束，再通过光学器件(称之为附属光学元件)把扫描光束处理后投射在衍射黑屏上。成象器的内部器件按工作职能的不同可以分为电光转换器、光扫描管、附属光学元件和衍射黑屏。摄象器一般主要由光扫描管和光电转换器构成。
摄象器和成象器复合在一块，按其构造的不同分别称为光笔直写(成象器)，外光手写(成象器)和纸文输入(成象器)。成象器按其附属光学元件的不同分为起薄成象器、双屏单显(成象器)和双屏双显(成象器)。
光扫描管按其内部构造的不同分为小角光扫描管、大角光扫描管和液晶光扫描管。小角光扫描管和大角光扫描管合称为机械光扫描管。
小角光扫描管主要有微分梭镜、牙镜和电动机构成。微分梭镜是由侧面全等且侧面能反射光线的梭柱(称之为反射梭镜)加工制成。一束入射方向固定的光束____该光束与反射梭镜的中轴不在同一个平面上且不平行。__光束照射在绕轴转动的反射梭镜的侧面上后反射的光束在同一个平面内扫动。因为入射光束照射在转动的反射梭镜上的点到反射梭镜中轴的距离不同，对扫描光束的处理加工略有影响，为了克服此问题，把反射梭镜的侧面平行侧梭切割成许许多多的小份平面镜，每一个侧面切割成的许许多多的小份平面镜合称为微分侧面。把小份平面镜向外拉伸，使之都处在同一个圆柱上，该圆柱的半径等于反射梭镜的中轴到侧梭的长。拉伸后的小份平面镜所在的平面平行反射梭镜的侧面。经拉伸后的反射梭镜称为微分梭镜。微分梭镜的微分侧面的个数设为e。
微分梭镜的功能是完成光的行扫描，牙镜的功能是完成光的场扫描，场扫描包括逐行扫描和隔行扫描，因此牙镜构造复杂，其数学推导关系如下设有一圆称为准圆，有一与准圆相交的线段，线段垂直其与准圆交点处的切线。线段与准圆所在的平面成a角时称为初线段，线段与准圆所在的平面成b角时称为终线段。初线段与终线段之间的夹角不能为“0°”和“90°”，把准圆圆弧m等分(m为大于2的偶数)，每隔一段m等分的圆弧，把另一段m等分的圆弧再2等分形成小圆弧段，每等分的小圆弧段称为小弧。没有再次等分的m等分的圆弧段称为大弧。线段在准圆上做匀速圆周运动。当交点(即线段与准圆圆弧相交的交点)恰行至大弧时，线段在初线段位置。交点在大弧上运行的过程中，线段绕交点均匀运动，角速度为w。线段绕交点匀运转动过程中始终与圆弧在交点处的切线垂直。当交点恰行出大弧时，线段处于终线段位置，交点在大弧上运行的过程中，线段转动的角度设为c不超过90°。当交点恰行至小弧时，线段在初线段位置，恰行出小弧时，线段在终线段位置。交点在小弧上运行的过程中线段绕交点匀速转动，角速度为2w。线段绕交点匀速转动过程中始终与圆弧在交点处的切线垂直。交点在大弧(小弧)上运行的过程中，线段围成的面称为大弧面(小弧面)。小弧面绕终线段处的交点向圆心转动，转动一定角度，使一束入射方向固定的光束经转动后的小弧面反射的许多条反射光束(这些光束都在一个平面上)所在的平面与该束光束经大弧面反射的许多条反射光束(这些光束都在一个平面上)所在的平面重合。小弧面转动后初线段处的交点还在准圆所在的平面上。转动后的小弧面称为二次小弧面。大弧面和二次小弧面做成反光镜，大弧面和二次小弧面的组成体的中轴即为过准圆圆心垂直准圆所在平面的直线。当一束入射方向固定的光束照射在绕轴匀速转动的大弧面的准圆圆弧上，经其反射的光束在一个平面内匀速扫描。当一束入射方向固定的光束照射在绕轴匀速转动的小弧面的准圆圆弧上，反射光束也在一个平面内匀速扫描。因为组成小弧面的线段做圆周运动的过程中以2w的角速度转动，而组成大弧面的线段做圆周运动的过程中以w的角速度转动，所以经小弧面反射的光束的扫描速度是经大弧面反射的光束的扫描速度的2倍。因此大弧面和小弧面绕轴匀速运动，当入射方向固定的光束经小弧面和大弧面反射后的光束的扫描速度呈2倍关系，且每隔一个大孤面有两个小弧面，两个小弧面占去准圆的弧长等于一个大弧面占去的准圆的弧长，大弧面和小弧面的这种关系就可以完成光的逐行扫描和隔行扫描。但经大弧面反射的光束和经小弧面反射的光束不在同一个平面内。为了解决这个问题，让小弧面绕终线段处的交点，向准圆圆心转动。转动的角度为大弧面反射光束所在的平面与小弧面反射的光束所在平面夹角的一半。为了使经大小弧面反射的扫描光束象似从一个点发出的，必须令入射光束的入射点在准圆上。经转动的小孤面与准圆有一个交点，需要特殊处理，处理的方法是把组成小弧面的线段都沿垂直圆面的方向提升使组成小弧面的所有线段都与准圆有交点，而提升后的线段同其与准圆交点处的准圆的切线相垂直，且与准圆的夹角与未提升前的一样。经过转动和提升两次改变的具有反光性质的小弧面称为三次小弧面。三次小弧面完成的功能是隔行扫描，而大弧面完成的是逐行扫描。三次小弧面和大弧面组成的特殊镜面称为牙镜。理论上的牙镜是凸凹不平的，为了使其平整，平行准圆圆面，把多余的部分磨掉，也可以在一个圆柱上刻出牙镜的形状。
-束入射方向固定的光束照射在绕轴转动的牙镜上，经其反射的光线所在的平面与微分梭镜的中轴平行，且牙镜反射的光线都能照在微分侧面上。在扫描电视图象的工作过程中，微分梭镜每1/25秒转动625个微分侧面所占的弧度，即微分梭镜每秒转动的圈数F1与微分侧面的个数e的乘积为25×625，而牙镜每1/25秒转动一个大弧面所占的弧度或两个三次小弧面所占的弧度，即牙镜每秒转动的圈数F2与m的乘积为25。微分梭镜对光束的扫描是行扫描，牙镜对光束的扫描是场扫描。行扫描与场扫描方向相垂直。牙镜和微分梭镜共同作用完成对图象的扫描。其原理类似电子扫描牙镜相当于场扫描线圈，微分梭镜相当于行扫描线圈，入射方向固定的的光束相当于电子束。
电光转换器是把电信号转换为光信号的器件的组合，主要有分色梭镜和成象灯管RGB(成象灯管R，成象灯管G和成象灯管B三者合称为成象灯管RGB)组成。灯管RGB分别发射的红、绿、蓝三束光经过分色梭镜(见《电视技术基础》136页，华南理工大学出版社、1988年7月出版)合成一束入射方向固定的光束即成象光束。成象光束经过牙镜和微分梭镜反射的光束是扫描光束。成象灯管R，成象灯管G，成象灯管B的亮度决定图象中对应的象素的色调和亮度。根据光线是可逆的，可知当牙镜和微分梭镜把成象光束扫描成一幅图象时，图象上的象素的光线也会沿成象光束的路径返回成象灯管RGB，如果把成象灯管RGB分别换成感光器RGB(感光器R、感光器G、感光器B合称感光器RGB)。图象上的象素发射的光线随着牙镜和微分梭镜的转动有序地照射感光器RGB，这也就类似电子扫描摄象机的摄象原理。感光器RGB和分色梭镜合称为光电转换器。
成象器和摄象器的主要区别在于，对应分色梭镜的是成象灯管RGB，还是感光器RGB。既可作电光转换器，又可作光电转换器的称为摄成共用器，其原理为成象灯管RGB相对分色梭镜的位置不动，而感光器RGB相对分色梭镜的位置可以做小范围移动。当作电光转换器时感光器RGB不阻挡成象灯管RGB发射的光束，且感光器件与电路断开当作光电转换器时移动感光器RGB，使之分别在成象灯管RGB发射的光束上，感光面朝向分色梭镜接收外界景物传来的光线，同时成象灯管RGB与电路断开，三者不接收信号，不发光。感光器RGB的移动通过旋扭控制，当旋扭拔在“电光”档位上，摄成共用器作电光转换器，当旋扭拔在“光电”档位上，摄成共用器作光电转换器。
因为行扫描光束之间最大的夹角V与微分梭镜的微分侧面的个数n成反比例，V近似等于720°/n,720°/n等于微分侧面所占弧度的2倍，又因为微分梭镜每1/25秒转动625个微分侧面所占的弧度，微分梭镜是由电动机带动的，假若电动机每秒50转，则微分梭镜的侧面的个数约等于313(求算公式为625×25/50)，所以V≈720°/313太小了，为了解决V小的问题，设计了射角正切放大镜。射角正切放大镜是一个复杂的非连续的曲面反光镜。为了便于理解和阐述，用数学求解的方式来介绍设y轴上有一点A(0,a,0)为点光源，厚点O为A对于某一曲面反光镜(即为所求的射角正切放大镜)的虚像点。直线OM为一假想直线，M在曲面反光镜上。B为曲面反光镜上的任意一点。点光源A设在曲面反光镜B上后，反射的射线在直线OB上，有关系n乘以角BAM的弧度等于角BOM的正切，n为任意的某一正数。射角正切放大镜是非连续的曲面反光镜，可以看成由许许多多个非常小(不是无限小)的平面镜组成的。用刻刀在球面镜上能够刻出这些小的平面镜。再用模压法等工业技术复制射角正切放大镜。
因为由微分梭镜和牙镜等组成的小角光扫描管的行扫描光束之间的夹角V比较小，所以称之为小角光扫描管。
大角光扫描管主要由牙镜、凸透镜和花镜组成。
定义一个特殊的镜面牙镜的相邻的两个三次小弧面全部转变成大弧面的特殊镜面称为花镜。阐述花镜原理时描述牙镜用的名词如线段、准圆等称谓不变且指同一事物。花镜的大弧面的个数定为h,h为某一正整数。成象光束经过牙镜反射的光束称为一次光束，一次光束穿过一个凸透镜会聚于一点，该会聚点放置在花镜的准圆圆弧上。当花镜不转动而牙镜转动，所有的一次光束穿过凸透镜经过花镜反射的光束都在一个平面上，该平面称为一次平面。一次光束照射在花镜的准圆圆弧上不同的点则一次平面的位置不同，一次平面是有无数多个的，但从不同角度在同一个平面上的光束照射在花镜准圆圆弧上的同一点的反射光束都在同一个平面上。牙镜不转动而花镜转动，一束入射方向固定的一次光束经过花镜反射的所有反射光束都在一个平面上，该平面称为二次平面，让一次平面与二次平面垂直，则成象光束经过转动的牙镜、凸透镜和转动的花镜反射的光束也是扫描光束也能扫描成一幅图象。由牙镜、凸透镜、花镜和电动机等组成的机械光扫描管称为大角光扫描管，因为经过大角光扫描管反射的扫描光束之间的最大夹角B=2c,c可以是小于90°的任意角度，它不受花镜的大弧面的个数h的限制，c即表示牙镜的角度c，同时也表示花镜的角度c。花镜每转动一个大弧面所占的准圆的弧度，扫描光束做一次行扫描，因此在扫描电视图象的工作过程中有关系花镜每秒转动的圈数F3与其大弧面的个数h的乘积等于25×625。牙镜每秒的转数F2和m也满足关系F2×m=25，与小角光扫描管中牙镜的F2和m的概念一样。
成象灯管发射给机械光扫描管的光束必须是一束较细的光束，因为它的粗细直接影响到图象象素的大小。在黑档板上钻一小孔，可以提取成象灯管部分较细的光束，这样就浪费掉大量的光源，为了节省能源，设计了光束压缩器灯管发射的光线经过凹面镜转变成一束平行光束，再经过凸透镜转变成会聚的光束。该会聚光束的会聚点与一凹透镜的焦点重合，该凹透镜在凸透镜与会聚点之间，且凹透镜的中轴与凸透镜的中轴重合。会聚光束再经过凹透镜就转变成了一束较细的平行光束。凹透镜的两焦点的距离愈小，转化的平行光束愈细。也可以通过两个凹面镜实现光束的压缩把经过凹面镜转化的平行光束照在一个较大的凹面镜上，较大的凹面镜和另一个小的凹面镜共焦点。平行光束经大的凹面镜反射的光束都经过其焦点(也是小凹面镜的焦点)，再经过小的凹面镜则都转化成了平行光束。小凹面镜的半径愈小转化的平行光束愈细。把点光源的光转变成一束细的平行光束称为光压缩。如果经压缩后的平行光束还是粗，还可以再经过一次压缩，或用黑档板挡去部分多余的光。根据人眼的视觉惰性可知，图象上每个象素发射光线的能量就是象素对应的扫描光束所含的能量。扫描光束是成象灯管RGB三者的合光束，因此每个象素发射的光线的能量就是成象灯管RGB三者发射的光线的能量之和。
成象灯管对它内部的发光器件的响应频率(1秒内灯管由发光到熄灭的最多次数)要求相当高，一般要达到10MHz才能实理对图象中每个象素的亮度有效控制——因为一幅图象要比较清晰，必须至少有四十万以上的象素(见《电视技术基础》第2页，华南理工大学出版社1988年出版)。半导体发光器件可以达到这么高响应频率(见《模拟电子线路基础》第58页，高等教育出版社1994年出版)。应用流过半导体发光器件的电流的强弱来控制图象中对应象素的色彩和亮度。对于响应频率较低的普通成象灯管，可以通过控制其穿过光压器的光线的数量来控制图象中对应象素的色彩和亮度，其原理如下把光压缩器的一个部件，如凸透镜，按通过有效光线的条数把凸透镜的表面等分成若干份。等分后的凸透镜的表面上涂上液晶，每份等分后的凸透镜的表面涂上液晶称之为液晶区，每个液晶区是呈现黑色还是呈透明有一对导线控制。液晶区的液晶呈现黑色，灯管照在它上面的光线被吸收，若呈现透明，照在它上面的光线可以通过该区。因此成象光束中光线的条数可以通过电路控制显示透明的液晶区的多少得到控制。
扫描光束不是人眼看得见的图象，目前是让扫描光束照射在屏幕(目前屏幕由白色的布料或在板面上刷上白色的颜料等制成)上，并在屏幕上散射实现的。因为屏幕是白色的，所以对图象的清晰度特别是白天影响非常大。为了克服这种弊端，设计了衍射黑屏。衍射黑屏是涂上薄薄的一层调和均匀的等数量的透明粉粒和黑色粉粒的透明板子或塑料纸。透明粉粒(黑色粉粒)的直径等于或略小于红色光的波长，黑色粉粒(透明粉粒)的直径等于或略小于蓝色光的波长。红光的波长0.77-0.62um，绿光的波长0.5 8-0.49um，蓝光的波长0.49-0.45um，(摘自《高级中学课本物理第二册(必修)》231页，人民教育出版社1996年出版)则红、绿、蓝三种光束的合光束照在衍射黑屏上，红色光束主要在透明粉粒(黑色粉粒)处发生衍射，蓝色光束主要在黑色粉粒(透明粉粒)处发生衍射，绿色光束在透明粉粒和黑色粉粒处都发生衍射，主要在黑色粉粒(透明粉粒)处发生衍射。扫描光束通过衍射黑屏发生衍射，转变成人眼看得到的图象。
为了提高图象的清晰度，设计了坐标测量器，坐标测量器是机械光扫描管的部分附属电路。坐标测量器显示当前光束在行扫描中的位置和场扫描中的位置，也即当前扫描光束对应的象素在图象中的坐标(或称为扫描光束在图象中的坐标)。小角光扫描管中的微分梭镜和牙镜各对应一个坐标测量器，大角光扫描管中的花镜和牙镜也各对应一个坐标测量器，微分梭镜(或花镜)对应的测重当前扫描光束在图象中的行坐标。牙镜对应的测量当前扫描光束在图象中的纵坐标。假若带动微分梭镜(或花镜)转动的电动机某些时间受干扰或微分梭镜(或花镜)或牙镜制造不规则，就致使扫描速度慢些，扫描光束在图象中的位置比当前接收到的电视信号中象素信号在图象中的有差别。为了克服这种现象，采取两种措施1、因为牙镜的转速慢，最快25转/4秒，所以可以通过严格快速控制带动牙镜转动的电动机的转速来实现；2、把当前接收的比扫描步骤快的电视信号存入随机存储器RAM中，而不就地转换成光信号，当存储器RAM中某一时刻存入的信号在图象中的坐标与当前扫描光束在图象中的坐标对应相等时才被取出，转变成光信号。坐标测量器的厚理是一束光束称为测试光束(也称为测试光线，其直径与扫描光束的相差不大)与扫描光束照射在微分梭镜(或花镜)或牙镜的同一点上，测试光束的入射角不能与成象光束的一样。测试光束的反射光束经过凹面镜发散成直径较粗的光束照射在两个感光器上。在一行或一场的扫描过程中感光器P接收的测试光线条数逐渐减少，感光器Q接收的测试光线条数逐渐增多，在一个极短的时间段内，感光器P接收的测试光线减少的条数等于感光器Q接收的测试光线增多的条数。感光器P和感光器Q两者接收的测试光线条数的和是一个恒定值。扫描光束恰扫描到一行或一场的起始点时，感光器P接收的测试光线条数最多，感光器Q接收的测试光线条数最少。扫描光束恰扫描到一行或一场的终末点时，感光器P接收的测试光线条数最少，而感光器Q接收的测试光线条数最多。根据感光器P和感光器Q接收的测试光线的条数可以导出当前扫描光束在图象中的坐标行坐标， 为了区别自然光和测试光束，减少坐标测量过程中受到的外界的干扰，发射测试光束的灯管必须以某一固定的频率闪亮，感光器P和感光器Q接收的光用LC振荡回路滤取有效的电流成份。
液晶光扫描管主要包括液晶板，液晶凸镜和正凸镜。在一块透明薄板上用液晶涂成许多条相互平行的线段，该透明薄板称为液晶单板，液晶单板上用液晶涂成的线段称为液晶线，每条液晶线是显示黑色还是呈透明有一对透明导线控制。两个液晶单板紧贴在一起，两者的液晶线相互垂直，则两者合称为液晶板。液晶板工作时，每个液晶单板上只有一个液晶线呈透明，并且通过电路控制使每个液晶单板上的液晶线顺序地周期地呈现透明，液晶单板上的液晶线全都顺序地呈现透明且每条液晶线只呈一次透明，则称之为液晶单板的一次全扫描。液晶板工作时，一个液晶单板(称之为行扫描液晶单板)每进行一次全扫描的过程中，另一个液晶单板(称为场扫描液晶单板)只有一条液晶线呈现透明，行扫描液晶单板每完成一次全扫描、场扫描液晶单板只顺序地改换另一条液晶线呈现透明。场扫描液晶单板上呈透明的液晶线与行扫描液晶单板上呈透明的液晶线相互垂直，则工作的液晶单板上呈现一个可以透过光线的小点，此透明小点便是呈现透明的两条液晶线的交点。该小点在液晶板上顺序地水平移动，每移动一行，则顺序地移动到下一行，在下一行内移动。液晶板的这种工作方式符合图象光扫描原理。液晶板的工作也称为液晶板扫描。
有这样一个透镜命名为多凸透镜，它是由p(某一正整数)个受光面积大小相等、焦距相等、光心在同一平面上且主轴相互平行的凸透镜连接而成。多凸透镜有这样一个特殊功能一幅图象经过多凸透镜可以成p个放大的倒立的实像，这些实象在同一个平面上，且不重合，实象与实象之间紧密相连；一幅图象经过多凸透镜也可以成P个缩小的倒立的实像，每个实像是该幅实像的一部分的缩小的实像，这些实像可以组成该幅图象的倒立的缩小的实像，所有的这些实像都完全重叠在一起，重叠在一起的实像称之为叠像。多凸透镜上的每个凸透镜上均涂上一层液晶，每个凸透镜上的液晶是显示透明还是显示黑色由一对导线控制。涂上液晶的多凸透镜称为液晶凸镜。一幅图象经过液晶凸镜形成叠像，叠像再经过一个凸透镜(称为正凸镜)成一倒立的实像，该实像称为正叠像，让正叠像成在液晶板上。通过导线控制使液晶凸镜的呈透明的凸透镜只有一个且顺序地不断更换透明的凸透镜，使图象等分成p份且顺序地通过液晶凸镜上对应的透明的凸透镜和正凸镜在液晶板上成正叠像。通过液晶板的扫描，正叠像的光线透过液晶板再经过分色梭镜分解成三种不同的色光，再有感光器RGB把它们转变成电信号。
液晶光扫描管不用液晶凸镜也可以扫描工作，使用液晶凸镜可以增加图象的清晰度，减少液晶板上液晶线的条数。
根据高等教育出版社2000年6月出版的《光学(第二版)》180页“光在各向异性介质中的传播”中介绍的双折射晶体和偏振器件可以把一束光分成两束光，根据这个性质可以采用多个偏振分离器多次分离，把一束光束分离成多束光束，即一束光束被一个偏振分离器分成O光和e光，再用两个偏振分离器一个再把O光分离成O光和e光，另一个再把e光分离成O光和e光，如此类推，可以采用多个偏振分离器把一束光束分离成多束光束。----光扫描管在1/25秒内发射的能组成一帧图象的所有扫描光束合称为帧扫描光束。为了便于处理把帧扫描光束处理成平行光束，即组成帧扫描光束的各个扫描光束相互平行，平行处理后的帧扫描光束称为投射光束。机械光扫描管的所有扫描光束都(近似地)交在同一个点上，该点称为扫描聚点，把扫描聚点放在凹面镜或凸透镜的焦点上，扫描光束经过凹面镜反射或凸透镜折射就转变成了平行光束即投射光束。---光扫描管发射的帧扫描光束通过多个偏振分离器分离成多个帧扫描光束，把分离的多个帧扫描光束处理，使之相互平行，相互平行的帧扫描光束先穿过一透明薄板，再照在衍射黑屏上成许多个相同的图象，对应每幅图象也即对应每帧扫描光束，在透明薄板上涂上液晶。对应每幅图象的透明薄板上涂上的液晶称为液晶块，每个液晶块是呈现透明还是显示黑色由一对导线控制。多个偏振分离器和涂上液晶的透明薄板称为多分器。设透明薄板上液晶块的个数为Q，也即多个偏振分离器把每条扫描光束分离成Q条光束。在工作过程中，Q个液晶块中只有一个液晶块呈现透明，其余均呈现黑色，快速地顺序地更换呈现透明的液晶块，液晶块持续亮度的时间是一个象素信号持续的时间。通过多分器的附助作用可以降低光扫描管扫描速度的Q倍。液晶块呈现透明时，从RAM中读取当前扫描光束对应象素的信息。
一束白光通过分色梭镜变成三束光，我们一般称之为红色光、绿色光、蓝色光，其实红光束中含有红外光，红光束中或绿光束中含有黄光(是红光束中含有黄光，还是绿光束中含有黄花，这依具体的分色梭镜而定)，蓝光束中合有紫光和紫外光。因为各种单色光在同种介质中的临界角不同，因此可以制出这样一种梭镜(称为二次分光梭镜)，以相同的入射角红外光可以穿过该梭镜，而红光则在界面上发生全反射，该二次分光梭镜称为红外---红二次分光梭镜；红光可以穿过的而黄光穿不过的称为红——黄二次分光梭镜；黄光可以穿过而绿光发生全反射的称为黄--绿二次分光梭镜；蓝光可以穿过的而紫光和紫外光发生全反射的称为蓝--紫二次分光梭镜。制造这样一种类似笔的发光器件称为光笔。当光笔按在屏幕上时，光笔内的灯管高频闪亮，当扫描管的光线扫描至光笔处时，灯管发射的高频闪亮的光线沿着光扫描管的扫描光线逆行至分色梭镜，再通过二次分色梭镜分离出灯管发射的高频闪亮的光，再由感光器(称之为书写感光器)转变成频率固定的高频电流。灯管发射高频闪亮的目的①避免外界的与灯管发射同样单色光的光源的干扰。②跟上光扫描管的扫描步骤，即光扫描管的光线扫描到光笔处的一瞬间，灯管必须发射许多次闪亮，如果频率太低，在这一瞬间，灯管只有一次闪亮或不足一次闪亮，那么感光器件就不能把灯管的光线转变成频率固定的高频电流，也就达不到区别外界与灯管发射同样单色光的光源，该灯管称为写字灯管，它发射的单色光不能与成象灯管RGB发射的色光一样，只能是红外光，黄光，紫光和紫外光等，光笔发射的光必须是一束平行光束。光扫描器扫描至光笔处时，扫描光束的坐标即书写灯管发光点在屏幕上的坐标。当书写感光器接收到书写灯管的光线时，触发电子开关，把此时的扫描光束的坐标输出给存储器，通过CPU的控制，在显示书写内容的命令格式下，每当扫描光束的坐标的值与存储器中存储的一样时，成象三灯管RGB的亮度在CPU的控制下转变成该坐标下亮点的色彩。上一种图象向光信号的转变方式称为光笔直写，有该种功能的成象器称为光笔直写(成象器)。设置一个书写灯管，书写灯管和光扫描管分居于衍射黑屏的两旁。书写灯管一直发射高频闪亮的单色光，如果外界不阻挡书写灯管照射在屏幕上的光线，那么书写感光器一直会接收到书写灯管的光线，当书写感光器-直接收到书写灯管的光线时，不触发电子开关，即扫描光束的坐标的数值不输给存储器。当手或笔等触在屏上，书写感光器接收不到手或笔等触在屏上的触点的书写灯管发射的光线，此时触发电子开关，也就达到了与光笔直写同样的在屏上的书写效果。这种图象向电信号的转变方式称为外光手写，有该种功能的成象器称为外光手写(成象器)。紧贴衍射黑屏放置一透明薄板，透明薄板固定在成象器上。衍射黑屏的一个边通过折页和成象器连接。一个发射亮度稳定的白色光的灯管(称为显形灯管)发射的光线和光扫描管发射的光线都是先经过透明薄板再照射衍射黑屏的。本成象器采用摄成共用器，摄成共用器的旋钮拔在“电光”档位上时，成象器正常显示图象，显形灯管不工作。打开衍射黑屏，把有图文的纸张放在透明薄板上有图文的一面朝着透明薄板，关上衍射黑屏，把有图文的纸张夹在衍射黑屏和透明薄板之间。把摄成共用器的旋钮拔在“光电”档位上，同时打开显形灯管。只须1/25秒纸张上的图文就被作为一幅景物摄录下来。这种图象向电信号转变的方式称为纸文输入，有纸文输入功能的成象器称为纸文输入(成象器)。
由前面叙述可以知道，衍射黑屏上每个象素的亮暗的程度由扫描光束扫描至该象素的成象灯管RGB三者发射的光线的能量之和。在实践生活中，1.5w的白炽灯泡的亮度比目前普通电视机的图象的某个象素的亮度要高许多倍，成象灯管RGB发射的光线还要经过一步压缩，因此成象灯管RGB三者发射的光线的亮度之和远小于1.5w的炽灯泡的亮度，成象灯管RGB耗电是非常低的。带动微分梭镜(或花镜)和牙镜转动的电机原理上电能克服微分梭镜(或花镜)的中轴和牙镜的中轴与束缚它们的框架之间的摩擦力做功，而这个摩擦力是非常小的。因此电动机能耗也是很小的。液晶板和坐标测量器等电子元件耗电量也比较低，因此可以用电池带动成象器。为了扩展这一功能实现耗电低的成象器与耗电高、设备复杂庞大的计算机等设备(称之为信息处理设备)的无线连接，设计了光电连接器。光电连接器分为电光信号发射器、光电信号接收器、副电光信号发射器和副光电信号接收器。电光信号发射器是把R、G、B信号调制在三个振荡频率相等的振荡电流上，再把三个振荡电流通过灯管转化成不同的单色光，把单色光合在一起发射出去。副电光信号发射器是把当前的成象器的行场坐标和写信号的坐标调制在三个振荡频率相等且与电光信号发射器的不同的振荡电流上，再把振荡电流通过灯管转化成不同的单色光发射出去。光电信号接收器接收外界的光线并通过光学元件分解成三束单色光，感光器把单色光的强度转变成对应的电流，再通过LC振荡回路分离出振荡频率与电光信号发射器的振荡频率相同的电流，再经过检波和放大送给成象灯管RGB。副光电信号接收器接收的外界的光线通过光学元件分解成三束单色光，感光器把单色光的强度转变成对应的电流，再通过LC振荡回路分离出振荡频率与副电光信号发射器的振荡频率相等的电流，分离的振荡电流经过检波和放大送给信息处理设备。
一个长方形平面镜，其较长的边称为镜长边，较短的边称为镜宽边。平行于镜宽边把平面镜等分成许许多多个微小的宽度和长度都相等的长方形小平面镜。小平面镜的宽要小到用肉眼分辨不清。小平面镜以其平行于平面镜的镜宽边的对称线为中轴向同一个方向转动r个角度。转动r个角度的所有小平面镜的组合称为斜投射垂直反射镜，简称斜直镜。投射光束与镜长边成s角照射在小平面镜上，反射的光线垂直镜长边，根据数学推导，可以得出2r+s=90°。投射光束的截面为一长方形，其较长的边称为截长边，长度设为d；较短的边称为截宽边，长度设为f。让截宽边平行镜宽边。投射光束照在斜直镜上，料直镜上的受光面所呈的几何图形是一个长方形，该长方形不平行于截宽边的边的长度设为L，可以得数学关系式d/L=sins。设d为一个固定的值，若s接近于零，则L接近无穷大，r接近45°。投射光束经过斜直镜反射，其截长边由d放大至L，截宽边的书度没有改变。衍射黑屏所在的平面与镜长边平行与镜宽边成t角度，投射光束经过斜直镜反射后投射在衍射黑屏上的几何图形也是一个长方形，该长方形不平行于镜长边的边的长度设为M，平行于镜长边的边的长度设为N，可以得到关系式f/M=sint,N=L。由此可以看出截面非常小的投射光束经过斜直镜这一特殊转换放大成边长分别是为L、M的大图象，斜直镜和衍射黑屏合称为超薄显示屏。超薄显示屏的厚度略大于截长边的长度d，因此超薄显示屏的功能就是实现成象器的厚度较目前电视机的厚度更薄。
有两个平面镜平面镜A相对成象器固定，平面镜B可以在小范围内移动。投射光束的投射方向朝着平面镜A，电动机带动平面镜B，使平面镜B移动到平面镜A与光扫描管之间，投射光束完全照射在平面镜B上，而平面镜A因投射光束被平面镜B阻挡，所以没有投射光束照射。投射光束经平面镜B反射传给超薄显示屏B，则图象在超薄显示屏B上显示，而不在超薄显示屏A上显示。电动机带动平面镜B使之移出平面镜A与光扫描管之间，投射光束完全照射在平面镜A上，此时超薄显示屏A上显示图象，而超薄显示屏B上不显示。平面镜B移至平面镜A与光扫描管之间时称为B屏开，平面镜B移出平面镜A与光扫描管之间时称为A屏开。超薄显示屏A垂直桌面或与桌面垂直方向成一定的角度放置，超薄显示屏B水平放置在桌面上，此种成象器称为双屏单显(成象器)。双屏单显的益处是发挥光笔的长处，方便电脑的使用，超薄显示屏B水平放在桌面上，便于用光笔书写，或图文输入，光笔完全可以代替鼠标，较之鼠标更方便快捷；超薄显示屏A垂直放在桌面上，便于键盘的使用。
有两个长方形平面镜平面镜C和平面镜D，平面镜C相对于光扫描管固定。投射光束同时照射在平面镜C和平面镜D上，照射在平面镜C和平面镜D上的那部分投射光束的截面是全等的长方形。平面镜C和光扫描管相对于超薄显示屏C固定。超薄显示屏D的一边和超薄显示屏C的一边用折页连接，使两者可以绕一中轴(称为屏中轴)转动。超薄显示屏C和超薄显示屏D在同一平面上时，两显示屏往同一方向上显示图象。经平面镜C反射的那部分投射光束传给超薄显示屏C，经平面镜D反射的那部分投射光束传给超薄显屏D。平面镜D的一个对称线称为镜中轴与屏中轴重合，超薄显示屏C不绕屏中轴转动，而超薄显示屏C绕屏中轴转动时，超薄显示屏D绕屏中轴转动的角度是平面镜D绕屏中轴转动的角度的2倍，超薄显示屏D与平面镜D绕屏中轴转动的方向相同。此种成象器称为双屏双显(成象器)。双屏双显主要是完成电子书的功能。
双屏单显和双屏双显通过平面镜的移动和组合把一个光扫描管发射的光线照射在两个超薄显示屏上的，其结构原理非常简单。
较之目前电视机本发明的优点是1、功耗小成象灯管RGB的耗电量小，带动微分梭镜(或花镜)和牙镜的电动机的功耗只是克服转轴转动所受的摩擦力做功，因此也非常小，液晶板的功耗也非常小，相对于几千瓦的彩电的功耗是极其低的；2，成本低用半导体发光器件，成象灯管RGB三者的成本合计比较低，牙镜、微分梭镜、花镜、斜直镜、射角正切放大镜等虽是复杂，但可以用模压法等复制，因此这些器件每件成本都不高。显示屏是把混合均匀的透明粉粒和黑色粉粒刷在透明的塑料板或塑料纸上，因此成本也比较低；3、重量轻本发明的重量主要集中在光扫描管、显示屏和外壳上。光扫描管可以做的只有几十克重。显示屏是一张塑料纸或一个塑料板比起有厚厚的玻璃壳的电视机重量轻的多；4、制造工艺简单本发明主要有光学器件和衍射黑屏构成。光学器件用模压法等工艺很容易制造。衍射黑屏则把混合均匀的透明粉粒和黑色粉粒刷在透明的塑料板或塑料纸上，因此工艺非常简单。而目前彩电的制造则是把细小的红、绿、蓝三色荧光粉均匀地粘贴在荧光屏上，再制造一个有均匀小孔的铝膜，另外还要罩上一个玻璃壳，再把玻璃壳密封抽成真空，工艺相当复杂；5、性能优越目前电视的荧屏受自然光影响，图象往往不清晰，而衍射黑屏正克服了此种问题；6、前景广阔本发明有光笔直写纸纹输入等功能，又设计了双屏单显，使文字向电脑的输入由光笔代替健盘和鼠标。使用光笔不用记字根，直接在显示屏上写汉字，由汉字辨认程序，辨认并给出正规字体。光笔绐电脑的学习和使用带来了极大的方便，其潜力是无穷的。
下面叙述典型实施例不使用多分器的光扫描管，牙镜的参数m为4，F2为25/4，每1/25秒，牙镜做一次逐行扫描或两次隔行扫描，因为微分梭镜和花镜都是在每秒内完成25×625行扫描，所以F1Xe=F3Xh,e和h都为300,F1和F3都为25×625/300,F1和F3是电动机每秒内转的圈数，可以通过电路进行精确控制。不使用液晶凸镜的液晶光扫描管的场扫描液晶单板上的液晶线的条数是575，一帧电视图象虽然化分了625行，但有50行不传递图象信息。行扫描液晶单板上液晶线的条数根据图象的幅型比不同而取值不同，对于幅型比为4∶3的光扫描管，行扫描液晶单板上液晶线的条数为575/3×4，约为767。液晶凸镜上凸透镜的个数为25个，对于幅型比为4∶3的光扫描管，场扫描液晶单板上的液晶线条数为115，行扫描液晶单板上液晶线的条数为115/3×4，约为167。多分器的Q值为6，用多分器的光扫描管，牙镜的参数m还是4,F2还是25/4,e和h为50,F1和F3都为25×625/6×50，使用多分器而不使用液晶凸镜的幅型比为4∶3的液晶光扫描管，场扫描液晶单板上液晶线的条数为575/6，约为104，行扫描液晶单板上液晶线的条数为(575/6)×(4/3)约为139。光束压缩器的涂上液晶镜的凸透镜上的液晶区的个数为32，把成象光束的亮度化分为33个等级，光束压缩器中凹透镜的两焦点间的距离为3mm。射角正切放大镜的n值为40。书写灯管和写字灯管发射的光束频率都为2MHz，测试光束的频率为3MHz。超薄显示器的角度为r=50 °,s=t=80°。衍射黑屏上，透明粉粒(黑色粉粒)的直径为0.62um，黑色粉粒(透明粉粒)的直径为0.45um，红色光在透明粉粒(黑色粉粒)处发生衍射，绿色光和蓝色光在黑色粉粒(透明粉粒)处发生衍射。
权利要求
1.一种电信号与图象光扫描转换器是用扫描的方式实现电信号向图象的转换和图象向电信号的转换，其特征在于电信号通过成象灯管RGB转变成红、绿、蓝三束光束，经过分色棱镜合成一束光束，再经过光扫描管转变成扫描光束，扫描光束经过射角正切放大镜或斜直镜等反射并照射在衍射黑屏上；景物、图象或光点经过射角正切放大镜或斜直镜等反射给光扫描管，光扫描管把反射光传给分色棱镜，由分色棱镜分解成红、绿、蓝三束光束分别照射在感光器RGB的感光面上，由感光器RGB转变成电信号。
2.根据权利要求1所述的电信号与图象光扫描转换器，其特征在于成象灯管由灯管、凹面镜、凸透镜和凹透镜组成，灯管放在凹面镜的焦点上，凹面镜反射的灯管发射的光线穿过凸透镜成会聚光束，会聚点与凸透镜之间放置凹透镜，会聚点放在凹透镜的焦点上，凹透镜两焦点间的距离愈小，经压缩的光束愈细。
3.根据权利要求2所述的电信号与图象光扫描转换器，其特征在于用响应频率低的普通灯管的成象灯管的光束压缩器的凸透镜的表面，按通过有效光线的数量等分成若干份并涂上液晶，通过电路控制呈现透明的液晶区的个数束控制成象光束中光线的条数。
4.根据权利要求1所述的电信号与图象光扫描转换器，其特征在于小角光扫描管主要有牙镜和微分棱镜组成，且e×F1=25×625。
5.根据权利要求1所述的电信号与图象光扫描转换器，其特征在于大角光扫描管主要有牙镜、凸透镜和花镜组成，h×F3=25×625；经过凸透镜的一次光束的会聚点在花镜的准圆的弧上；一次平面和二次平面垂直。
6.根据权利要求4或5所述的电信号与图象光扫描转换器，其特征在于m×F2=25，且成象光束照射在牙镜的准圆的圆弧上。
7.根据权利要求1所述的电信号与图象光扫描转换器，其特征在于液晶光扫描管主要由液晶板、液晶凸镜和正凸镜组成，景物、图象通过液晶凸镜形成p个缩小的倒立的重叠在一起的叠像，叠像经过正凸镜成正叠像，正叠像成在液晶板上，通过电路的控制，顺序地周期地更换液晶凸镜上呈现透明的凸透镜和液晶板上呈现透明的小点，完成对图象的扫描。
8.根据权利要求7所述的电信号与图象光扫描转换器，其特征在于液晶单板是用液晶涂成许多条相互平行的液晶线的一块透明薄板，两个液晶单板紧贴在一起，且两者的液晶线相互垂直，在工作过程中，每个液晶单板上只有一条液晶线呈透明，通过电路控制顺序地周期地更换呈现透明的液晶线。
9.根据权利要求7所述的电信号与图象光扫描转换器，其特征在于液晶凸镜是由p个受光面积大小相等、焦距相等、光心在同一平面上且主轴相互平行的凸透镜连接而成，且每个凸透镜的表面上涂上液晶，在工作过程中，通过电路控制凸透镜上涂的液晶是显示黑色还是呈透明来得到景物或图象不同部分的叠像，在工作过程中，液晶凸镜只有一个凸透镜呈现透明且顺序地周期地更换成呈透明的凸透镜。
10.根据权利要求1所述的电信号与图象光扫描转换器，其特征在于多分器的工作是用多个偏振分离器把一束扫描光束分成多束扫描光束，通过处理使分离的多束扫描光束相互平行并穿过一个表面上涂有Q块液晶块的透明薄板，工作过程中，涂上液晶的透明薄板上只有一块液晶块呈现透明，且顺序地周期地更换呈现透明的液晶块。
11.根据权利要求1所述的电信号与图象光扫描转换器，其特征在于射角正切放大镜是一个复杂的非连续曲面镜，对扫描光线AB有一个特殊的数学关系式，n乘以角BAM的弧度等于角BOM的正切，n为任意的某一正整数。
12.根据权利要求1所述的电信号与图象光扫描转换器，其特征在于坐标测量器通过感光器p和感光器Q接收的测试光束的多少计算当前扫描光束在图象中的坐标。
13.根据权利要求1所述的电信号与图象光扫描转换器，其特征在于光笔发射的平行光束通过衍射黑屏，衍射光由光扫描管接收并传给分色棱镜和二次分光棱镜分离出光笔发射的光线，并照射在感光器的感光面上，感光器接收到光笔发射的光线触发电子开关输出当前扫描光束在图象中的坐标的值。
14.根据权利要求1所述的电信号与图象光扫描转换器，其特征在于书写灯管向衍射黑屏上发射的光线，透过衍射黑屏，然后由光扫描管、分色棱镜和二次分光棱镜传导并分离出照射在感光器的感光面上，当有物体放在衍射黑屏上，感光器接收不到书写灯管发射的光线时，触发电子开关输出当前扫描光束在图象中的坐标的值。
15.根据权利要求12或13或14所述的电信号与图象光扫描转换器，其特征在于测试光束和书写灯管、写字灯管发射的光束为高频、闪亮的光束。
16.根据权利要求1所述的电信号与图象光扫描转换器，其特征在于有纸文输入功能的成象器采用摄成共用管和显形灯管，衍射黑屏相对透明薄板可以打开、关闭，摄成共用管拨在光电档位上，同时打开显形灯管，夹在衍射黑屏和透明薄板之间的纸上的图文被摄录下来。
17.根据权利要求1所述的电信号与图象光扫描转换器，其特征在于光电连接器是把信号调节在三个振荡电流上，再分别转化成三种色光，三种色光由分色棱镜分离开再由感光器转化成对应的电流。
18.根据权利要求1所述的电信号与图象光扫描转换器，其特征在于扫描光束通过凸透镜转变成平行光束，平行光束经过斜直镜反射在衍射黑屏上，便实现了成象器的超薄处理，角度r、s、t和平行光束截面的大小决定成象器的超薄程度和在衍射黑屏上显示的图象的大小。
19.根据权利要求1所述的电信号与图象光扫描转换器，其特征在于衍射黑屏是涂上薄薄的一层调和均匀的等数量的透明粉粒和黑色粉粒的透明板子或透明塑料纸，其中透明粉粒(黑色粉粒)的直径等于或略小于红色光的波长，黑色粉粒(透明粉粒)的直径等于或略小于蓝色光的波长。
全文摘要
电信号与图象光扫描转换器是通过直接扫描光束把电信号转换成图象或把图象转换成电信号的一种电子、光学、机械相结合的装置。成象灯管RGB和分色棱镜把电信号转化成的一束光束经过光扫描管成扫描光束,扫描光束经过射角正切放大镜或斜直镜反射后照射在衍射黑屏显示图象。景物、图象或光点的光线经过光扫描管成一束反射方向固定的光束,该光束经过分色棱镜和感光器RGB转化成对应的电信号。本发明主要用于电视机、电脑显示器和摄象机。
文档编号H04N9/12GK1305306SQ00128039
公开日2001年7月25日 申请日期2000年11月26日 优先权日2000年11月26日
发明者王怀亮 申请人:王怀亮