一种光扫描显示和交互装置制造方法
【专利摘要】本发明的一种光扫描显示交互装置，属于光信息显示与交互的【技术领域】。结构有光源（1）以及沃拉斯顿分光模块、光线微平移产生模块、短焦距透镜（4）和接收屏（5）。沃拉斯顿分光模块由沃拉斯顿棱镜（21）、1/4波片（22）和感光器（23）构成，用于使出射光和反射回的光的光路分离并读取反射光信息，光线微平移产生模块可以使光线产生微小的平移，短焦距透镜（4）用于使光线产生偏角，最终在接收屏（5）上形成随控制信号扫描的光斑，实现图像显示。本发明不仅克服了光机扫描的精度差、稳定性难以控制等问题还提供了实现交互功能的硬件基础，将其用于显示器制造时，可使其具有触屏交互或者教鞭笔交互的功能和纸质文档扫描功能。
【专利说明】一种光扫描显示和交互装置【技术领域】
[0001]本发明属于光学信息显示与交互的【技术领域】，尤其是涉及一种用于扫描显示、并可交互的装置。
【背景技术】
[0002]激光电视是利用半导体泵浦固态激光工作物质，产生红、绿、蓝三种波长的连续激光作为彩色激光电视的光源，通过电视信号控制三基色激光扫描图像。其色域覆盖率理论上可以高达人眼色域范围的90%以上。这比目前LED电视最高的62%色域覆盖率又提高了一个档次。不仅如此，激光电视还有诸多优点如实现旋转式屏幕，3D效果，但是其关键技术层面扫描偏转仍是个难题，所以迟迟未能商业化。目前光束偏转扫描技术主要有机械扫描方式、电光扫描方式和声光扫描方式。电光扫描是电光效应来改变光束在空间的传播方向；声光扫描就是通过改变声波的频率而使声光晶体来改变激光的衍射方向进而达到激光偏转扫描的目的。它们可获得很高的工作频率，但扫描偏转角度较小，光损耗较大，工作效率很低，难以满足大屏幕的需要。在三种扫描方式中，机械扫描技术最成熟，一般机械扫描系统由转镜和振镜组成，扫描角度大，受温度影响小、适用于各类波长的光波。目前二维激光扫描系统主要采用机械扫描形式，用多面体转镜实现光束水平扫描，用平面振镜实现光束垂直扫描。机械扫描系统由于行、场扫描都是由电机带动，为了保证扫描的位置精度，对电机扫描的同步和稳定性要求极高。但是，机械扫描速度低，难以满足将来高清晰度电视的扫描要求，结构复杂，在工作频率很高时，带动转镜和振镜的高速电机会带动周围空气旋转而产生噪声，而且高速电机的价格也比较昂贵，不仅如此，寿命问题等都是目前难以投放市场实用的原因。
[0003]另外，传统的设计思路仅仅只是为了显示，没有考虑到未来用户对交互等其他功能的需求。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种可以用于光扫描显示且具有交互能力的光学装置。
[0005]上述的技术问题通过以下的技术方案实现:
[0006]一种光扫描显示和交互装置，其结构有:提供线偏振细平行光束的光源I和接收屏5 ;其特征在于:在光源I和接收屏5之间还有沿着光路依次放置的沃拉斯顿分光模块、光线微平移模块和短焦距透镜4 ;所述沃拉斯顿分光模块，由沃拉斯顿棱镜21、1/4波片22和感光器23构成；所述的光线微平移模块，是由两个控制装置31分别带动的两个镜元32构成，两镜元32的法线与光路确定的两个平面互相垂直，镜元32在控制装置31的作用力下沿着光线所在直线进行一维运动；所述的短焦距透镜4是一个焦距在毫米数量级的凸透镜。
[0007]在光线微平移模块中所述的控制装置31，是一个根据所加的控制信号来带动镜元32，从而改变镜元32位置的装置。可以是如下两种具体的结构。
[0008]①控制装置31由可伸缩基底构成，可伸缩基底可以是电致伸缩材料，变化的电信号加在电致伸缩材料上，镜元32固定在可伸缩基底上。通过改变施加在可伸缩基底上的电信号改变基底的长度，从而改变镜元32的位置(使镜元32平移)。
[0009]②控制装置31可以是一个电磁铁和衔铁片之间夹着一层弹性材料的结构，变化的电信号加在电磁铁线圈上，镜元32固定在衔铁片上。通过电信号改变电磁铁的电流就可以改变电磁铁对衔铁片的引力，从而实现对镜元32位置的控制(使镜元32平移)。
[0010]所述的镜元32,是边长为Ium?Idm的正方形平面反射镜。优选Imm?1cm。
[0011]所述的感光器23，可以是光电二极管，C⑶感光单元，光电管。
[0012]一种光扫描显示和交互装置的应用，用于彩色激光电视显示；所述的光源I需要用三个光源，分别提供三基色细平行光束；所述的控制装置31上所加的电信号是电视信号。
[0013]本发明的“一种光扫描显示和交互装置”有以下有益效果:
[0014]与传统方式对比的明显优势:
[0015]1、成本低，本发明采用的元件都是很容易得到的元件，所以成本会比较低，有利于大规模商业生产。
[0016]2、能耗低，本发明不需要直流电机来驱动扫描装置，而是采用电磁力、静电力等方式进行小幅度驱动，所以能耗相对低很多。
[0017]3、精度高、稳定性好,本发明可以使光线与电信号建立起 对应关系，所以光线的定位精度很高。
[0018]4、方便实现人机交互，并可使显示屏具有扫描功能。
[0019]5、与相关的发明专利申请相比，本发明也有明显的优势:
[0020]比如，相关的发明专利申请使用的大离心率椭球反射镜没有现成的产品，而且椭球反射镜的非球面曲面很难以磨制，磨制精度难以保证，所以制作起来比较困难，相应的成本也会较高，本发明中使用的短焦距透镜在现有电子产品中应用非常普及，所以很容易得至IJ,成本会低很多；
[0021]比如，相关的发明专利申请中微偏角产生模块与椭球反射镜需要光学共焦，稍有偏差(微米数量级的偏差都不允许)就不能实现显示，而且即使制作时严格共焦，在使用过程中受到外界振动也很容易破坏共焦，相比来说，本发明中没有共焦结构所以不会出现上述情况；
[0022]比如，与相关的发明专利申请中微偏角产生模块相比，本发明的光线微平移模块结构更简单，可生产性更强，更容易推广普及；
[0023]比如，相关的发明专利申请中的器件都是全新的设计，与现有技术或者产品没有交集，所以每一个器件都要重新制作，所以前期投资会很大，商业化门槛高，本发明中使用的器件都有现成产品(有丰富的产品规格供挑选)或者在现有技术上稍作改进就可以得到；
[0024]如，与相关的发明专利申请比较，本发明在保证了上述发明的所有优点的同时整体结构更加简洁，有明显的成本优势；
【专利附图】
【附图说明】:[0025]图1是本发明的一种整体结构示意图。
[0026]图2是本发明的光扫描显示原理示意图。
[0027]图3是本发明的光线微平移模块原理示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明的特征及工作原理作进一步的说明。
[0029]实施例1光扫描显示和交互实施例
[0030]参考图1，可交互光扫描显示装置包括光源I以及沿光路依次放置的沃拉斯顿分光模块、光线微平移模块、短焦距透镜4和接收屏5。其中光源I是能产生线偏振细平行光束的光源，沃拉斯顿分光模块由沃拉斯顿棱镜21、1/4波片22和感光器23组成，从光源I发出的细平行光束入射到沃拉斯顿棱镜21的一个侧面(o、e光分开的侧面)，经过折射后从沃拉斯顿棱镜21的另一个侧面出射(此时O、e光重合在一起)，垂直穿过1/4波片22后到达光线微平移模块。光线微平移模块由两套可以改变位置的镜元32和控制装置31组成，两镜元32的法线与光路确定的平面互相垂直，所述的镜元32可以是一个边长为Ium?Icm的正方形平面反射镜，镜元32可以在控制装置31的带动下沿光路做一维运动。
[0031]所述的光线微平移模块的结构见图3，该装置由可伸缩基底(即控制装置31)和反射镜(即镜元32)组成，可伸缩基底可以是电致伸缩材料，通过改变施加在可伸缩基底上的电信号可以改变基底的长度，从而改变镜元32的位置。
[0032]光扫描显示原理参见图2，从沃拉斯顿棱镜21出射的光被光线微平移模块反射到短焦距透镜4上，之后再被短焦距透镜4折射到接收屏5，在接收屏5上形成一个光斑。当加在光线微平移模块的控制装置上的控制信号在一定范围作周期扫描时，镜元32的位置也会在一定范围作扫描变化，进而镜元32反射出的光线与镜元32未偏移前反射出的光线会产生一个不断变化的微小平移，该微小的平移被短焦距透镜4放大，最终出射光线则会在接收屏5上进行扫描而形成画面，实现光扫描显示的目的。
[0033]人机交互的原理是，当接收屏5的某个位置被触摸时，该位置接收的光会由于触摸物体(比如手指)的存在而发生漫反射，因此原路返回到短焦距透镜4的光线与未触摸时反射光信息会有明显差别，再被短焦距透镜4反射到光线微平移模块，通过光线微平移模块的光线会再次穿过1/4波片22，此时的光线自光源I出发后由于已经两次经过1/4波片22，其振动方向转过90度(即发生e、o转换)，再次通过沃拉斯顿棱镜21后光线不会返回光源I而是被感光器23接收。在感光器23接收到从接收屏5反射的光线时，接收屏上被触摸的位置和加在光线微平移模块的控制装置31上的控制信号是呈一一对应关系的，因此可以根据感光器23接收到光线时对应的控制信号判断触摸的位置，从而实现人机交互功能。
[0034]本发明除了直接读取接收屏5被触摸后反射回来的光所携带的位置信息外，还可以读取教鞭笔在接收屏5上投射的光点信息，此时去掉沃拉斯顿分光模块中的1/4波片22，系统也能工作，另外，还可以把纸质文档直接贴在显示屏(即接收屏5)上通过扫描来读取纸质文档上的信息。
[0035]实施例2光线微平移模块实施例
[0036]参考图3，光线微平移模块由可伸缩基底和反射镜元组成，基底伸缩时反射光线会与原反射光线之间产生平移。[0037]光线微平移模块的可伸缩基底除了实施例1给出的电致伸缩材料，还可以采用一个电磁铁和衔铁片夹着一层弹性材料的结构，镜元32与衔铁片固定在一起。这样通过改变电磁铁的电流就可以改变它对衔铁片的引力，从而实现对镜元32位置的控制。
[0038]实施例3沃拉斯顿分光模块实施例
[0039]沃拉斯顿棱镜左侧O光和e光共光路，右侧两束光路分开，因此右侧分开的两束管光路末端一支可以安置光源1，另一支路可以设置感光器23，1/4玻片22的作用是使光的偏振方向转过90°，需要说明的是从光源I出射的光的振动面与1/4玻片22主截面之间的夹角为45°。
[0040]实施例4应用于彩色激光电视显示
[0041]本发明用于彩色激光电视显示时，光源I需要用三个光源1(即在图1上光源I部分按照相同的光路原理放置三基色光源)，分别提供三基色细平行光束。
[0042]以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种光扫描显示和交互装置，其结构有:提供线偏振细平行光束的光源(I)和接收屏(5);其特征在于:在光源(I)和接收屏(5)之间还有沿着光路依次放置的沃拉斯顿分光模块、光线微平移模块和短焦距透镜4 ;所述沃拉斯顿分光模块，由沃拉斯顿棱镜(21)、1/4波片(22)和感光器(23)构成；所述的光线微平移模块，是由两个控制装置(31)分别带动的两个镜元(32)构成，两镜元(32)的法线与光路确定的两个平面互相垂直，镜元(32)在控制装置(31)的作用力下沿着光线所在直线进行一维运动；所述的短焦距透镜(4)是一个焦距在毫米数量级的凸透镜。
2.根据权利要求1所述的光扫描显示和交互装置，其特征在于，所述的控制装置(31)，由可伸缩基底构成，可伸缩基底是电致伸缩材料，变化的电信号加在电致伸缩材料上，镜元(32)固定在可伸缩基底上。
3.根据权利要求1所述的光扫描显示和交互装置，其特征在于，所述的控制装置(31)，是一个电磁铁和衔铁片之间夹着一层弹性材料的结构，变化的电信号加在电磁铁线圈上，镜兀(32)固定在衔铁片上。
4.根据权利要求1、2或3所述的光扫描显示和交互装置，其特征在于，所述的镜元，是边长为Ium?Icm的正方形平面反射镜。
5.一种权利要求1的光扫描显示和交互装置的应用，用于彩色激光电视显示；所述的光源(I)需要用三个光源，分别提供三基色细平行光束；所述的控制装置(31)上所加的电信号是电视信号。
6.一种可交互光扫描显示装置，其结构有:光源(I)和接收屏(5);其特征在于:在光源(I)和接收屏(5)之间有沿着光路依次放置的沃拉斯顿分光模块(2)、光线微平移产生模块⑶、短焦距透镜⑷； 所述的光源(I)是提供线偏振细平行光束的光源； 所述沃拉斯顿分光模块(2)由沃拉斯顿棱镜(21)、1/4波片(22)和感光单元(23)构成；1/4玻片设置在沃拉斯顿棱镜射ο光和e光的共用光路上并垂直于光路，1/4玻片的主截面与来自光源的入射光振动方向成45°夹角； 所述的光线微平移产生模块(3)，是接受光源(I)产生的细平行光束并且使光线产生一定平移的装置； 所述的短焦距透镜(4)是一个焦距在毫米数量级的凸透镜。
7.根据权利要求1所述的一种可交互光扫描显示装置，其特征在于:所述的光源(I)产生的线偏振细平行光束的偏振方向与分光读取模块(2)中的沃拉斯顿棱镜ο光支路或e光支路相匹配。
8.根据权利要求1所述的一种可交互光扫描显示装置，其特征在于:所述的光线微平移产生模块(3)是两套带控制装置的镜元，两套镜元的法线跟光路确定的平面互相垂直，镜元可以在控制装置的驱动下沿光路方向作一维运动；所述的控制装置是一个根据所加的控制信号来驱动镜元，从而改变镜元位置的装置。
9.根据权利要求3所述的一种可交互光扫描显示装置，其特征在于:所述的镜元是一个边长为Ium?Icm的正方形平面反射镜。
【文档编号】H04N3/08GK103995351SQ201410098140
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年3月15日 优先权日:2014年3月15日
【发明者】吴香英, 刘冰冰, 王广军 申请人:吉林大学