用于显示器或其他应用的基于二维多边形扫描仪的光束扫描

摘要

基于二维多边形扫描仪的扫描光束系统，该二维多边形扫描仪具有以不同斜面角倾斜的不同反射多边形面，该扫描光束系统使用多边形扫描仪的旋转来将一根或多根光束水平地和垂直地扫描在表面上，该表面可以是显示屏或印刷表面。

说明书

优先权声明和相关专利申请

本专利文件要求2008年7月25日提交的题为“BEAM SCANNING BASED ON TWO-DIMENSIONAL POLYGON SCANNER FOR DISPLAY AND OTHER APPLICATIONS(根据显示器或其他应用的二维多边形扫描仪的光束扫描)”的第12/180,114号美国专利申请的权益和优先权。

背景技术

本专利文件涉及通过使用多边形扫描仪扫描一根或多根光束的技术、装置和系统。

图像和视频显示器、印刷系统和成像装置及系统可以被设计成在屏幕上扫描一根或多根光束。多边形扫描仪可以用于这种显示系统。例如，一些基于多边形的显示系统通过使用多边形扫描仪来水平地扫描光束和使用垂直扫描仪来垂直地扫描光束，使用携带图像信息的一根或多根调制光束来在屏幕上产生图像。这种扫描仪系统可以用于除显示系统以外的系统中。

发明内容

本文档提供了以具有以不同斜面角倾斜的不同反射多边形面的二维多边形扫描仪为基础的扫描光束系统的技术、装置和设计，以使用所述多边形扫描仪的旋转来将一根或多根光束水平地扫描在表面上，如显示屏或印刷表面或成像表面。在实现中，通过所述二维多边形扫描仪可以使所述一个根和多根光束与水平扫描同步地在所述表面上的位置中垂直地步进。

在一个方面，提供扫描光束系统为包括：光模块，其可操作来产生被调制成携带图像信息的多根光束，以根据二维扫描图案在表面扫描以便在所述表面上产生所述图像。所述光模块包括位于所述光束的光路中的多边形扫描仪。所述多边形扫描仪包括旋转轴线和多个多边形面，所述多边形扫描仪围绕所述旋转轴线旋转以将所述光束水平地扫描在所述表面上，所述多个多边形面的尺寸被确定成同时接收所述光束并且所述多个多边形面包括分别以不同面倾斜角关于旋转轴线倾斜的多个反射多边形面，以将所述光束分别水平地扫描在所述表面上的不同垂直位置处。所述光模块还包括：置于所述光束的光路中的垂直调整器，以控制和调整所述光束在所述表面上的垂直位置；和控制单元，其将所述垂直调整器控制在固定位置处，以当所述多边形扫描仪水平地扫描所述光束以在所述表面上产生平行水平线时将所述光束置于在所述表面上的各个固定的垂直位置处。

在另一个方面，扫描光束系统包括：光模块，其可操作来产生被调制成携带图像的多根光束，以在表面上扫描，以便在所述表面上产生所述图像。该光模块包括位于所述光束的光路中的多边形扫描仪并且多边形包括旋转轴线和多个多边形面，所述多边形扫描仪围绕所述旋转轴线旋转以将所述光束水平地扫描在所述表面上，所述多个多边形面的尺寸被确定成同时接收所述光束并且所述多个多边形面对光束的光是反射的。所述多边形面分别以不同倾斜角关于旋转轴倾斜，以将所述光束分别水平地扫描在所述表面上的不同垂直位置处。该光模块还包括：置于所述光束的光路中的垂直调整器，控制和调整所述光束在所述表面上的垂直位置；和扫描控制机构，使所述垂直调整器与所述多边形扫描仪同步以调整所述光束在所述表面上的垂直位置，以使一个帧与随后的帧空间交错，该一个帧是在所述多边形扫描仪的一次完整旋转中分别由所述多边形面产生的所述表面上顺序的多组同时发生的水平扫描线，每个多边形面产生一组，随后的帧是在所述多边形扫描仪的紧随的完整旋转中分别由所述多边形面产生的所述表面上顺序的多组同时发生的水平扫描线，每个多边形面产生一组。

在另一方面，在扫描光束系统中扫描光束的方法包括：产生被调制成携带图像的多根光束以在表面扫描，以便在所述表面上产生所述图像；和使用位于所述光束的光路中的多边形扫描仪来在所述表面上水平地扫描所述光束。所述多边形扫描仪包括旋转轴线和多边形面，所述多边形扫描仪围绕所述旋转轴线旋转，所述多边形面的尺寸被确定成同时接收所述光束并且所述多边形面对光束的光是反射性的。所述多边形面分别以不同倾斜角关于所述旋转轴线倾斜，以将所述光束分别水平地扫描在所述表面上的不同垂直位置处，以产生一个帧，该一个帧是在所述多边形扫描仪的一次完整旋转中分别由所述多边形面产生的所述表面上顺序的多组同时发生的水平扫描线，每个多边形面产生一组。该方法包括当在所述表面上正水平扫描每根光束且每根光束的光被投射到所述表面上时，将每根光束的垂直位置保持在固定位置处，而不沿着所述垂直方向扫描每根光束，所述垂直方向沿着多边形的旋转轴线。

在另一方面，提供扫描光束系统为包括光模块，该光模块可操作来产生一根或多根光束，以根据二维扫描图案在表面上扫描。所述光模块包括二维多边形扫描仪和光束引导模块。所述二维多边形扫描仪位于所述一根或多根光束的一个或多个光路中并包括旋转轴线，所述二维多边形扫描仪围绕所述旋转轴线旋转以沿着第一方向将所述一根或多根光束扫描在所述表面上。所述多边形面的尺寸被确定成同时接收所述一根或多根光束并且所述多边形面分别以不同面倾斜角关于所述旋转轴线倾斜，以沿着所述第一方向将所述一根或多根光束分别扫描在所述表面上沿着与所述第一方向垂直的第二方向的不同位置处。光束引导模块被置于所述二维多边形扫描仪上游的所述一根或多根光束的一个或多个光路，以在不垂直于所述旋转轴线的一个或多个各自入射方向上将所述一根或多根光束朝向所述二维多边形扫描仪引导。

在又一方面，扫描光束系统包括光模块，所述光模块可操作来产生一根或多根光束，以根据二维扫描图案在表面上扫描。所述光模块包括：激光器阵列，其包括产生激光束的激光器；和二维多边形扫描仪，其位于所述激光束的光路中并包括旋转轴线和多个多边形面，所述二维多边形扫描仪围绕所述旋转轴线旋转以沿着第一方向将所述激光束扫描在所述表面上，所述多个多边形面的尺寸被确定成同时接收所述激光束并且所述多个多边形面分别以不同面倾斜角关于所述旋转轴线倾斜，以沿着所述第一方向将所述激光束分别扫描在所述表面上沿着与所述第一方向垂直的第二方向的不同位置处。对所述激光器阵列进行结构设计并将其置于所述二维多边形扫描仪的上游，以在不垂直于所述二维多边形扫描仪的所述旋转轴线的各自入射方向上将所述激光束朝向所述二维多边形扫描仪引导。

在附图、具体实施方式和权利要求中详细地描述了这些和其他实施例和实现。

附图说明

图1A示出了针对显示屏幕，根据二维多边扫描仪与不同倾斜面和垂直调整器组合的扫描光束显示系统，该显示屏幕能够或者是被动式屏幕，或者是在光学激发下面的发光屏幕；

图1B示出了由图1中二维多边扫描仪和垂直调整器扫描以使两个场(场1和场2)交错成完整帧的示例；

图1C示出了具有荧光屏幕的示例性扫描激光显示系统，该荧光屏幕由激光激发的荧光材料(例如磷光体)制成，该荧光材料在携带待显示的图像信息的扫描激光束激发下发射有颜色的光；

图2A和2B示出了一个示例性屏幕结构和图1C中屏幕上的颜色像素的结构；

图3示出了图1C中具有多个激光器的激光器模块的示例性实施，该激光器模块将多个激光束引导至屏幕上；

图4A示出了具有相同多边形面和不同面倾斜角的二维多边形扫描仪的示例；

图4B示出了二维多边形扫描仪的操作；

图5示出了通过使用图4A和4B中的多边形扫描仪和垂直调制器，在屏幕上的二维扫描图案中消隐期间的示例，该垂直调制器将入射光束的垂直位置变换到多边形扫描仪。

图6A和6B示出了具有被指定为在多边形扫描期间创建消隐时间的不同面的二维多边形扫描仪的另外示例；

图7示出非正规入射光学配置中运行的二维多边形扫描仪的示例；

图8A和8B示出了图7中所示的非正规入射光学配置中运行的二维多边形扫描仪的两个具体示例；

图9A、9B、10A和10B示出了在底部和上部馈送装置中每个具有在非正规入射光学配置下面的二维多边形扫描仪的扫描系统的示例；

图11A、11B、12A和12B示出了在侧馈送装置中具有二维多边形扫描仪的扫描系统的示例；

图13示出了根据光束扫描系统中二维多边形扫描仪的水平扫描和垂直步进的垂直调整器的叠加操作；以及

图14示出了根据二维多边形扫描仪的扫描光束系统的另一个示例。

具体实施方式

根据在屏幕上扫描一根或多根光束的各种显示系统、印刷系统和成像系统使用水平多边形扫描仪和垂直扫描仪的组合来在屏幕上产生期望的光栅扫描图案，以产生图像。例如，在一些实现中，水平多边形扫描仪可以用于仅水平地扫描光束而不执行垂直扫描功能，垂直扫描仪可以用于在屏幕上扫描光束而不执行任何水平扫描。这种水平扫描和垂直扫描通常彼此同步，以同时执行扫描。因此，当多边形扫描仪水平地扫描光束时，垂直扫描仪同时垂直地扫描光束。因此，屏幕上的光束的每条扫描迹线是倾斜的线，不是水平的。在同时水平扫描和垂直扫描的组合中，垂直扫描仪被设计成具有足够的垂直角扫描范围以覆盖屏幕上所有期望的垂直位置、对于垂直扫描的可接受的线性范围、以及对于光栅扫描的期望刷新率和回描时间的足够短响应时间。在高清晰度显示系统中，如1080p HDTV系统中，由于与显示的高分辨率性质相关联的高扫描率、用于适应从垂直扫描仪到屏幕的光学路径的有限空间、以及其他因素的原因，用于垂直扫描仪的各种技术和设计可能难以满足扫描要求。

本文档中用于显示、印刷、成像和其他应用的扫描光束系统的示例和实现基于二维多边形扫描仪，该二维多边形扫描仪具有以不同的斜面角倾斜的不同反射多边形面，以使用多边形扫描仪的旋转来水平地扫描一根或多根光束而没有同时的垂直扫描，以在屏幕上产生一条或多条水平扫描线并在通过使用不同面执行水平扫描而被投射到屏幕上的光不存在的消隐时间(blanking time)期间调整一根或多根光束的垂直位置。在一些实现中，垂直调整器可以与二维多边形扫描仪结合使用，以在被投射到屏幕上的光不存在的消隐时间期间提供对光束垂直位置的附加垂直调整，以增加屏幕上的水平线的数量。该垂直调整器可以包括反射器和致动器，反射器反射每根光束，致动器控制反射器的朝向以调整屏幕上光束的垂直位置。当在屏幕上水平地扫描光束时，垂直调整器被操作成将光束的垂直位置保持在屏幕上的固定垂直位置处。因此，由于二维多边形扫描仪的工作，这种实现中的垂直调整器不执行传统的垂直扫描。因此，基于本文档中所描述的二维多边形扫描仪的扫描技术、装置和系统可以用于相比于垂直扫描仪减少用于垂直调整器的技术性能参数，并且允许各种具有调节致动器的光束偏转设备被用做垂直调整器(如各种一维光束扫描仪、耦接有步进致动器及其他的反射器)，该垂直调整器待被使用在基于本文档中所描述的二维多边形扫描仪的扫描显示系统中。作为具体实施例，具有反射镜和接合至反射镜的扫描或步进检流计致动器的光束偏转器可用于实现垂直调整器。

图1A示出了基于二维多边扫描仪和垂直调整器的扫描光束显示系统的示例，该二维多边形扫描仪具有以不同的斜面角倾斜的不同反射多边形面以在屏幕上的不同垂直位置产生平行水平线，该垂直调整器关于继屏幕上的先前组以后的时间内产生的一组中的平行水平线的垂直位置来调整另一组平行水平线的垂直位置。可以控制垂直调整器，以产生由两组或多组平行水平线形成的隔行扫描模式或其他扫描模式。垂直方向和水平方向通常用于表示两个正交方向，不旨在表示任何特定方向，如关于地球重力的竖直方向。该系统包括屏幕1和激光器模块10，在屏幕1上显示图像，激光器模块10产生并扫描一条或多条扫描光束12到屏幕1上。光束12被调制成携带图像，该图像是携带图像数据的一系列激光脉冲。激光器模块10以光栅扫描模式扫描一条或多条光束12，以将图像显示在屏幕1上。

二维多边形扫描仪和垂直调整器被包含作为激光器模块10内部的扫描模块的一部分。一个或多个激光器被包含在激光器模块中以产生一根或多根光束12。提供扫描控制模块来控制多边形扫描仪和垂直调整器。多边形扫描仪被置于一根或多根光束12的光路中并包含沿垂直方向的旋转轴线，多边形扫描仪围绕该旋转轴线旋转以沿着所示的水平扫描方向将光束水平地扫描在屏幕1上。多边形被设计成具有多个多边形面，该多个多边形面的尺寸被确定成同时地接收从一个或多个激光激光器指引的一根或多根光束12。多边形面对于光束12的光线是反光的并关于旋转轴线分别以不同倾斜角倾斜，以将光束分别水平地扫描在屏幕上的不同垂直位置处。垂直调整器置于光束12的光路中，以调整屏幕上光束的垂直位置。

在工作中，多边形扫描仪旋转以对扫描光束进行扫描。每个多边形面水平地接收、反射并扫描屏幕1上的将一根或多根光束12水平地扫描在屏幕1上。紧邻的下一个多边形面以不同的倾斜角倾斜，因而接收、反射并水平地将相同的一根或多根光束12扫描在屏幕1上的不同垂直位置。在具有多根光束12的系统中，来自一个多边形面的不同光束指向屏幕1上的不同垂直位置。由于当多边形扫描仪旋转时不同的多边形面顺序地轮流执行一根或多根光束12的水平扫描，所以在没有其它扫描系统中的传统垂直扫描仪的情况下，一根或多根光束12在屏幕1上的垂直位置被垂直地步进在沿着垂直阶梯方向的不同位置处。在多边形面将一根或多根光束12扫描到屏幕1上时间段期间，垂直调整器工作在固定方向上，使得只沿着水平方向扫描每根光束12，而没有同时的垂直扫描。

图1B示出了用于图1A中的2D多边形扫描仪和垂直调整器的隔行光栅扫描的一个实施例。假设多边形中有M个面和N根光束12。多边形面的斜面角可以被设计成将屏幕垂直地分成M个垂直部分，以将N条平行水平扫描线投射到每个垂直部分中。在一些实现中，N条线中的两条相邻线之间的线间距可以被设置成允许至少一条水平扫描线，该配置可以用于支持隔行扫描操作。当多边形旋转时，不同面在不同时间指向并扫描不同的垂直部分，一次一个。因此，在多边形扫描仪的一次完整旋转中由不同多边形面进行的扫描产生M×N条水平扫描线的帧或场，该M×N条水平扫描线的帧或场由M个顺序的组的N条同时的水平线组成。该操作通过每个面提供水平扫描并通过顺序地改变多边形面提供垂直的步进。因此，在一个完整的旋转中，多边形扫描仪产生一个帧，该帧由分别由多边形面产生的屏幕上的顺序多组同时水平扫描线组成，并且每个多边形面产生一组同时的水平的扫描线。

显而易见地，在每个完整旋转期间，垂直调整器被控制在固定的方向上。在多边形的一次完整旋转完成以后且在多边形的下一次完整旋转以前，操作垂直调整器来调整其方向，以改变光束12在屏幕1上的垂直位置，以使在多边形扫描仪的一次完整旋转中产生的一个帧中的水平扫描线与在多边形扫描仪的紧随的完整旋转中产生的随后帧的水平扫描线空间交错。垂直调整器和多边形扫描仪彼此同步，以执行上述隔行光栅扫描。在图1B中的实施例中，通过空间交错的两个帧或场(场1和场2)形成每个完整帧图像，并且在由每个面产生的两条相邻线之间的线间距是一条水平扫描线，以便于界面操作。因此，在该实施例中的垂直调整器被操作成分别在两个方向上操作，一个方向用于场1，另一个方向用于场2。在该具体实施例中，光束位置的垂直调整的速率是每完整帧的仅两个方向调整。

在图1A的系统中，屏幕1和激光器模块10可以被实现在各种配置中。例如，屏幕1可以是被动式屏幕，该被动式屏幕不发射可见光并通过反射、漫射或散射携带图像的一根或多根光束12的可见光来提供图像，一根或多根光束12是可见光束，例如红色光束、绿色光束和蓝色光束。

对于另一个实施例，图1A中的屏幕1能够可以是吸收一根或多根光束12的光的屏幕，一根或多根光束12可以是UV光或紫色光并且发射可见光，可见光提供致使图像由一根或多根光束携带的图像。这种系统使用具有发光材料(如磷光体材料或荧光材料)的屏幕，以来在光学激发下发光，以从而产生图像。描述了具有发光材料或荧光材料的屏幕设计的各种各个实施例。具有在一个根或多个根扫描激发激光束的激发下具有磷光体材料的屏幕被详细地描述并被用作本申请中的各种系统和装置实施例中的可选光学激发荧光材料的具体特定实现实施例示例。

图1C示出了基于激光的显示系统的实施例，该基于激光的显示系统使用在扫描光束120的光学激发下的发光屏幕101。在一种实现中，例如，可由激光束光学激发来分别产生适于形成彩色图像的红色光、绿色光、蓝色光的三种不同颜色的磷光体，可在屏幕上被形成为像素点或平行的重复的红色、绿色和蓝色磷光体条纹。本申请中描述的各个实施例使用具有用于发射红色光、绿色光和蓝色光的平行彩色磷光体条纹的屏幕来示出基于激光显示的各项特征。

磷光体材料是一种发光材料。使用磷光体作为荧光材料的实施例中的多个所描述的系统、设备和特征适用于具有由其他光学可激发的发光的无磷荧光材料制成的屏幕的显示器。例如，量子点材料在适当的光学激发下发光，因而可用作本申请中的系统和装置的荧光材料。

图1C中的系统和基于发光屏幕的扫描光束显示系统的其他实施例使用至少一根扫描激光束来激发沉积在屏幕上的彩色发光材料，以产生彩色图像。该扫描激光束被调制成携带红色、绿色和蓝色或其他可见光颜色的图像，并且以如下方式被控制，即激光束使用分别红色、绿色和蓝色的图像激发红色、绿色和蓝色的彩色发光材料。因而，该扫描激光束携带图像但不直接产生观察者看到的可见光。相反，屏幕上的彩色发光荧光材料吸收扫描激光束的能量并发出红色、绿色和蓝色或其他颜色的可见光，以产生观察者看到的实际彩色图像。

使用具有足以使荧光材料发光或发冷光的能量的一条或多条激光束来对荧光材料进行激光激发，是多种光学激发形式中的一种。在其他实现中，光学激发可通过非激光光源产生，该非激光光源具有足够的高能量以激发屏幕中使用的荧光材料。非激光激发光源的示例包括各种发光二极管(LED)、灯和其他光源，其它光源产生某一波长或波段的光来激发将较高能量的光转换成可见光范围内较低能量的光的荧光材料。激发屏幕上的荧光材料的激发光束可以在某一频率处或在光谱范围内，该频率或光谱范围在频率上高于由荧光材料所发出的可见光的频率。因此，激发光束可以在紫光光谱范围内和紫外(UV)光光谱范围内，例如420nm以下的波长。在下面描述的实施例中，UV光束或UV激光束用作磷光体材料或其他荧光材料的激发光的示例，并且可以是其他波长的光。

在图1C中，屏幕101被设计成具有彩色磷光体条纹。可选地，还可以使用彩色磷光体点来限定屏幕上的图像像素。该系统包括激光器模块110，以产生至少一根扫描激光束120并将其投射到屏幕101上。屏幕101在垂直方向上具有平行的彩色磷光体条纹，并且两条相邻的磷光体条纹由发出不同颜色光的不同磷光材料制成。在所示出的实施例中，红色磷光体吸收激光而发出红色光，绿色磷光体吸收激光而发出绿色光，蓝色磷光体吸收激光而发出蓝色光。相邻的三个彩色磷光体条纹处于三种不同颜色。图1C中条纹的一个特定空间颜色顺序被示出为红色、绿色和蓝色。还可以使用其他的颜色顺序。激光束120的波长在彩色磷光体的光学吸收带宽内，并且通常小于用于彩色图像的可见蓝色、绿色和红色的波长。作为示例，彩色磷光体可以是吸收从约380nm到约420nm光谱范围内的UV光以产生期望的红色光、绿色光和蓝色光的磷光体。激光器模块110可以包括：一个或多个激光器(例如UV二极管激光器)以产生光束120；光束扫描机构，以从左至右水平地和从上至下垂直地扫描光束120，从而在屏幕101上一次提供一个图像帧；以及信号调制机构，以将光束120调制成携带用于红色、绿色和蓝色图像信道的信息。这种显示系统可以被配置成背部扫描系统，在该背部扫描系统中，观察者和激光器模块110位于屏幕101的相对侧。可选地，这种显示系统可以被配置成前部扫描系统，在该前部扫描系统中，观察者和激光器模块110位于屏幕101的同一侧。

图2A示出了图1C中的屏幕101的示例性设计。屏幕101可包括背部基板201，背部基板201对于扫描激光束120是透明的并面向激光器模块110，以接收扫描激光束120。第二前基板202相对于背部基板201被固定并在背部扫描配置中面向观察者。彩色磷光体条纹层203置于基板201和基板202之间并包含磷光体条纹。用于发出红色、绿色和蓝色的彩色磷光体条纹分别由“R”、“G”和“B”表示。前基板202对于由磷光体条纹所发出的红色、绿色和蓝色是透明的。基板201和基板202可由多种材料制成，包括具有多种光学功能的玻璃的或塑料的薄板或厚板。每个彩色像素在水平方向上包括三个相邻的彩色磷光体条纹的部分，并且其垂直尺寸由激光束120在垂直方向上的光束扩散来限定。如此，每个彩色像素包括三种不同颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的三个子像素。激光器模块110以一次一条水平线的方式扫描激光束120，例如从左至右和从上至下，以填充屏幕101。激光器模块110相对于屏幕101被固定就位，使得可以以预定的方式控制光束120的扫描，以确保激光束120与屏幕101上的每个像素位置间的正确对准。

在图2A中，扫描激光束120被引导至像素内的绿色磷光体条纹处，以对于该像素产生绿色光。图2B在沿着垂直于屏幕101表面的方向B-B的视图中进一步示出了屏幕101的操作。由于每个颜色条纹在形状上是纵向的，所以光束120的横截面可以被成形为沿着条纹的方向是伸长的，以使光束在像素的每个颜色条纹内的填充因子最大化。这可以通过在激光器模块110中使用光束成形光学元件来实现。用来产生对屏幕上的磷光体材料进行激发的扫描激光束的激光光源可以是单模激光器或多模激光器。激光还可以沿着与磷光体条纹的伸长方向垂直的方向是单模的，以具有由每个磷光体条纹的宽度限制的小的光束扩散。沿着磷光体条纹的伸长方向，该激光束可具有多个模式，以朝着横越磷光体条纹方向在比光束扩散更大的面积上扩散。在一个方向上使用具有单个模式的激光束以在屏幕上具有小的光束覆盖区以及在垂直方向使用具有多个模式的激光束以在屏幕上具有较大的覆盖区，允许光束被成形为适合屏幕上的伸长的颜色子像素并通过多个模式在光束中提供足够的激光功率以确保足够的屏幕亮度。

因此，需要使被调制成携带具有图像数据的光学脉冲的激光束120关于屏幕101上的适当的颜色像素对准。横越屏幕101对激光束120空间地进行扫描，以在不同时间撞击不同的颜色像素。因此，所调制的光束120在不同时间携带用于每个像素的红色、绿色和蓝色图像信号，以及在不同时间携带用于不同像素的红色、绿色和蓝色图像信号。因而，在不同时间，光束120被编码有不同像素的图像信息。因此，光束扫描将光束120中适时地编码的图像信号映射到屏幕101上的空间像素上。

在制造过程中，可以对本文档中描述的扫描显示系统进行校准，使得激光束开/关定时和激光束相对于屏幕101中的荧光条纹的位置是已知的并且被控制在允许的公差容限内，以便系统以指定的图像质量适合地运行。但是，屏幕101和系统的激光器模块101中的元件会因各种因素随时间流逝而改变，例如扫描设备抖动、温度或湿度的改变、系统相对于重力的定向的改变、因振动引起的沉降、老化及其它。这种变化可以随时间流逝影响激光光源相对于屏幕101的定位，因此由于这种变化，出厂设置的对准可以改变。显而易见地，这种变化会对所显示的图像产生可见的(通常是不期望的)影响。例如，由于扫描光束120相对于屏幕沿着水平扫描方向的失准，所以扫描激发光束120中的激光脉冲可能撞击与该激光脉冲的预期目标子像素邻近的子像素。当这种情况发生时，所显示图像的色彩从该图像的预期色彩发生改变。因此，在预期图像中的红旗可能在屏幕上被显示为绿旗。对于另一实施例，由于扫描光束120相对于屏幕沿着水平扫描方向的失准，所以扫描激发光束120中的激光脉冲可能既撞击预期目标子像素又撞击该预期目标子像素旁边的相邻子像素。当这种情况发生时，所显示图像的色彩从该图像的预期色彩发生改变，图像分辨率变差。由于更小的像素意味着位置变化的更小的公差，所以当屏幕显示分辨率提高时，这些改变的可见影响可能增加。另外，当屏幕的尺寸增大时，由于与大屏幕关联的大力臂意味着角误差可能在屏幕上导致大的位置误差，所以影响对准的改变的效果可能更显著。例如，如果对于已知光束角的屏幕上的激光束位置随着时间流逝改变，结果是图像中的色差(color shift)。该效果可能是显著的，因而对于观察者是不期望的。

在图1C的系统中可以提供反馈控制对准机构，以保持扫描光束120正确地对准在预期子像素上，以获得期望的图像质量。屏幕101用于提供屏幕反馈信号130，以指示光束120的对准状态。当对准具有误差时，控制模块110响应于屏幕反馈中的误差，以控制扫描光束120补偿误差。这种反馈控制可以包括屏幕101上的既在荧光区中又在荧光区外的一个或多个外围区域中的参考标记，以提供反馈光，该反馈光由激发光束120引起并表示扫描光束在屏幕101上的位置和其它特性。通过使用一个或多个光学伺服传感器来产生反馈伺服信号，可以对反馈光进行测量。激光器模块110中的伺服控制处理该反馈伺服信号，以提取关于屏幕上的光束定位和光束其他特征的信息，并且作为回应调整扫描光束120的方向和其它特性，以确保显示系统的正常工作。

例如，可以提供反馈伺服控制系统来使用被置于观察者不可看到的显示区外的外围伺服参考标记，以提供对于各种光束特性的控制，例如沿着垂直于荧光条纹的水平扫描方向的水平定位、沿荧光条纹的纵向的垂直定位、用于控制图像锐度的屏幕上的光束聚焦以及用于控制图像亮度的屏幕上的光束功率。在另一实施例中，在显示系统启动时可以执行屏幕校准程序，以将光束位置信息测量为校准图，因此具有时域中屏幕上的子像素的精确位置。接着由激光器模块110使用该校准图来控制扫描光束120的定时和定位，以获得预期的颜色纯度。在又一实施例中，可以提供动态伺服控制系统，以通过使用屏幕的荧光区中的伺服参考标记来在不影响观察者的观察体验的情况下提供反馈光，在显示系统的正常工作过程中有规律地更新校准图。

2007年2月15日提交的题为“Servo-Assisted Scanning Beam Display Systems Using Fluorescent Screens(使用荧光屏的伺服辅助扫描光束显示系统)”的第PCT/US2007/004004号PCT申请(第WO2007/095329号PCT公开)描述了反馈控制的实施例，该反馈控制的实施例用于适于与本申请中描述的3D系统一起使用的扫描光束系统，该PCT申请通过引用被并入为本申请说明书的一部分。

现参见图3，其示出了图1C中的激光器模块110的示例性实现。使用具有多个激光器的激光器阵列310来产生多根激光束312，以为了提高的显示亮度同时扫描屏幕101。提供信号调制控制器320来控制和调制激光器阵列310中的激光，使得激光束312被调制成携带待在屏幕101上显示的图像。信号调制控制器320可包括数字图像处理器和激光器驱动电路，数字图像处理器对于三个不同的颜色信道产生数字图像信号，激光器驱动电路产生携带数字图像信号的激光器控制信号。接着施加激光器控制信号来调制激光器阵列310中的激光器，例如，激光二极管的电流。

通过使用用于垂直扫描的垂直调整器340(如检流计镜)和具有以不同角度倾斜的不同面的二维多面多边形扫描仪350，实现了图3中系统的光束扫描。可以使用扫描透镜360来将来自多边形扫描仪350的扫描光束投射到屏幕101上。扫描透镜360被设计成将激光器阵列310中的每根激光成像到屏幕101上。多边形扫描仪350的不同反射面中的每个同时扫描N条水平线，其中N是激光器的数量。在所示的实施例中，激光束首先被引导至振镜垂直调整器340，接着从振镜垂直调整器340到多边形扫描仪350，该多边形扫描仪350将所接收的激光束扫描为到屏幕101上的输出扫描光束120。中继光学模块330置于激光束312的光路上，以改变激光束312的空间特性并产生用于由多边形扫描仪350扫描的紧密捆扎的一捆光束332。投射到屏幕101上的扫描光束120激发磷光体，被光激发的磷光体发出有色光，以显示可视图像。

横越屏幕101对激光束120进行空间扫描，以在不同时间撞击不同的颜色像素。因此，被调制的光束120中的每根携带在不同时间用于每个像素的红色、绿色和蓝色图像信号，以及携带在不同时间用于不同像素的红色、绿色和蓝色图像信号。因而，光束120通过信号调制控制器320被编码有在不同时间用于不同像素的图像信息。因此光束扫描将光束120中时域编码的图像信号映射到屏幕101上的空间像素上。例如，被调制的激光束120可以使每个颜色像素时间对于三个颜色信道平均地分为三个颜色子像素的三个顺序时隙。光束120的调制可以使用脉冲调制技术，以产生每个颜色中的期望的灰度、每个像素中的适当的颜色组合、以及期望的图像亮度。

在一个实现中，光学中继模块330可以是无焦设备，并且包括第一透镜，具有第一焦距以接收并聚焦来自激光器的激光束；第二透镜，具有小于第一焦距的第二焦距并与第一透镜相隔第一焦距，以聚焦来自第一透镜的激光束；和第三透镜，具有大于第二焦距的第三焦距并与第二透镜相隔第三焦距的距离，以聚焦来自第二透镜的激光束并将其引导至扫描模块。在2006年10月25日提交的题为“Optical Designs for Scanning Beam Display Systems Using Fluorescent Screens(用于使用荧光屏的扫描光束显示系统的光学设计)”的第CT/US2006/041584号PCT申请(第WO 2007/050662号PCT公开)中和在2006年8月24日提交的题为“Optical Designs for Scanning Beam Display Systems Using Fluorescent Screens(用于使用荧光屏的扫描光束显示系统的光学设计)”的第11/510,495号美国专利申请(第US 2007-0206258 A1号美国公开)中，描述了无焦光学中继模块330的实施例，上述专利申请通过引用被并入为本申请说明书的一部分。

在一些实现中，在垂直调整器340和多边形扫描仪之间的光路中可以放置成像模块370，以将垂直调整器340的反射面的表面成像到当前将光束反射到屏幕101的多边形面上。该成像有效地使垂直调整器340与当前反射的多边形面一致，该当前反射的多边形面依次与扫描透镜360的入射光瞳一致。因此，扫描透镜360的入射光瞳是被引导至扫描透镜360的扫描光束的枢转点。成像模块370可以处于各种光学配置中，并且可以包括例如放大率1的4f成像配置中的两个透镜。

图4A示出了用于扫描光束显示系统(如图1A、图1C和图3中的系统)的二维多边形扫描仪400的示例。多边形扫描仪400具有沿着垂直方向的由线401表示的旋转轴线，并且具有关于旋转轴线401以不同斜面角倾斜的多个反射的多边形面(例如410、420、430、440、450、460和470)。

通过系统中的控制单元使垂直调整器的操作和多边形扫描仪的操作同步，以允许在适当的时间选择使光束垂直步进，以覆盖不同的垂直位置。该控制单元可以是与对携带图像的光的调制进行控制的电路分离的电路或与光调制控制或其他控制功能集成在一起。

图4B示出了通过图4A中的多边形扫描仪400的不同多边形面进行的垂直步进，以示出该同步的实施例。垂直调整器480将光490引导至多边形扫描仪400，该多边形扫描仪400围绕其垂直旋转轴线401旋转。多边形扫描仪400以恒定速度围绕垂直旋转轴线401旋转，并且来自垂直调整器480的固定入射方向上的入射光束通过在垂直方向上不同角度的不同面被反射为朝向屏幕1的水平扫描光束12。

在操作中，在某些时间关闭扫描光束12的光以创建消隐周期，使得没有光投射到屏幕1上，以便使屏幕1上不期望的可视效果最小。例如，在多边形扫描仪400旋转期间，当两个相邻面之间的界线扫描经过入射光束时，短时间关闭入射到多边形扫描仪400的每根光束，以避免不到全部光束的一部分光束被引导至屏幕1。参照图4A，多边形面410被标记以示出用于将光束反射和扫描到屏幕上的中央扫描区411和在中央扫描区411两侧的两个消隐区412和413，两个消隐区具有比来自两个相邻面的分隔线的光束直径的宽度。当每根光束落入消隐区412或413内同时只有全部光斑的一部分在多边形面410上时，关闭该光束的光。该消隐减少了到屏幕1上的不期望的散射光并提高了图像质量。

除了上述从一个面到随后面的过渡以外，系统还经历了多边形扫描仪400的一个完整旋转的末尾和多边形扫描仪400的随后完整旋转的开始之间的过渡阶段。在多边形的一个完整旋转内进行扫描以对于完整帧的两个交错场中的一个场产生水平线期间，垂直调整器被固定在给定的垂直位置处。在垂直调整器的一个完整旋转完成后且在下一个完整旋转前，垂直调整器将其方向改变至不同的固定方向。该过渡需要另一消隐时间，在该消隐时间期间，关闭每根光束中的光以减少屏幕上的不期望的可视影响。

图5示出了对于图4A和4B中的系统在屏幕上形成的平行水平扫描线，并且示出了当关闭到屏幕的光时的消隐周期。示出了两种不同类型的消隐时间。第一类是当在多边形扫描仪的水平扫描期间多边形穿越两个相邻面的分界区过渡时用于由多边形进行的垂直步进的消隐时间。第二类是当垂直调整器调整其方向以相对于前面的图像场移动图像场的垂直位置以便交错两个图像场从而形成完整图像时的消隐时间。

可以在多种配置中实现两个相邻面之间过渡期间的消隐时间和两个顺序的完整旋转之间过渡期间的消隐时间。例如参照图4A，提供消隐时间的一种方式是将所有多边形面设计成在尺寸和形状上相同并且具有沿着水平扫描方向的尺寸大于扫描区411，以在每个面的两端具有消隐区412和413。根据该设计，当每根光束位于消隐区412或413中时，关闭该光束的光。将消隐区412和413设计为足够长以适应相邻面之间的过渡的期望消隐时间和在多边形扫描仪400的两个顺序完整旋转之间过渡的期望消隐时间。

作为另一实施例，可以使多边形面相同并且一个面被指定为消隐面，其中，在每根光束落在消隐面上期间关闭该光束的光，以助于多边形扫描仪400的两个顺序完整旋转之间的过渡。

图6A示出了多边形扫描仪600的另一实施例，其中，提供了特殊的“消隐”多边形面601并且特殊的“消隐”多边形面601被配置成具有与规则的多边形面不同的尺寸。在很多应用中，使该消隐多边形面601比规则的多边形面小。在工作中，在每根光束落在消隐面601上期间关闭该光束的光，以助于多边形扫描仪600的两个顺序完整旋转之间的过渡。

图6B示出了多边形扫描仪的又一实施例，其中，一个面被选择成具有扩展区，该扩展区用于提供特殊的“消隐”区。在每根光束落在多边形面的消隐区上期间，关闭该光束的光，而当该光束位于同一多边形面的其他部分处时，开启光。该扩展的消隐区有助于多边形扫描仪的两个顺序完整旋转之间的过渡。

返回参考图3中的实施例，垂直调整器340被置于多边形扫描仪350(二维多边形扫描仪)的上游，以将来自中继光学模块330的光束引导至多边形扫描仪350，多边形扫描仪350转而在二维中将光束扫描到屏幕101上。基于该光学序列设计，每根光束120的光路被折叠，垂直调整器可以位于比多种布置下的多边形扫描仪350更接近屏幕101的位置

作为实施例，二维多边形扫描仪350和垂直调整器340可以被置于水平地位于屏幕101中央的两个位置处，并且垂直调整器340比多边形扫描仪350更靠近屏幕101，以关于多边形扫描仪350的旋转轴线以锐角将光束120引导至多边形扫描仪350。可以使屏幕101关于多边形扫描仪350的旋转轴线倾斜，以减小屏幕101上的对称图像失真。垂直调整器340可以位于多边形扫描仪350的垂直位置的下方或上方。

上述情况代表典型条件，基于该典型条件，二维多边形扫描仪350用于根据本文档所描述技术的各种系统、装置和应用中。超出图3中的实施例或本文档中的其他实施例之外，在基于本文档中所描述技术实现二维多边形扫描仪的显示、印刷或成像系统内的光模块可以包括一个或多个激光器，用于产生待投射到目标表面(例如显示系统中的屏幕)的一根或多根激光束；和在二维多边形扫描仪上游的光束引导模块，用于将一根或多根激光束引导至二维多边形扫描仪，该二维多边形扫描仪转而将从光束引导模块接收的一根或多根激光束反射到目标表面上。光束引导模块位于一个或多个激光器和二维多边形扫描仪之间的光路中，并且从与目标表面(例如屏幕)所在的一侧相同的接收多边形面的一侧朝向二维多边形扫描仪引导一根或多根激光束，以便为待扫描到目标表面上的光束提供折叠光路，同时实现紧凑的光学配置并节省空间。

在该文档的实施例中，光束引导模块在某一方向上朝着二维多边形扫描仪引导一根或多根激光束，该方向不与二维多边形扫描仪的旋转轴线垂直并具有关于旋转轴线的不同于90度的倾斜角。

图7示出了该非正规入射配置。示出入射光束入射到一个倾斜的多变形面上并被反射朝向目标表面。入射光束与多边形旋转轴形成不同于90度的角。依赖于为光栅扫描实现这种二维多边形扫描仪的特定系统要求，多边形旋转轴相对于屏幕面或目标表面所在的面的方向可以因系统不同而变化。在不同系统中，屏幕可以被设置为关于多边形的旋转轴以不同角度旋转或转动。

图8A和8B示出了在图7中所示的非正规入射光学配置中工作的二维多边形扫描仪的两个具体实施例，其中将二维多边形扫描仪示出为类陀螺的物体，以示出多边形旋转轴线和垂直于旋转轴线的平面。在图8A中，待扫描的入射激光束在多边形旋转轴线所在的平面中被朝向多边形引导，并且相对于与多边形的旋转轴线垂直的平面形成角度。入射光束不在所示出的与多边形旋转轴线垂直的平面中，而是与该平面相交。图8B中的配置的不同之处在于，入射激光束和多边形的旋转轴线在彼此相交的两个不同平面中。该入射激光束还被引导在与垂直于多边形旋转轴线的平面不同的平面中。

在二维多边形扫描仪上游的光束引导模块可以包括垂直调整器(如图3中的振镜反射器340或图4B中的480)和相关联的一个或多个透镜或光学器件。图3和图4B示出了光束引导模块的两个实施例，其中垂直调整器340或480是光束引导模块的元件。系统的控制单元用于控制光束引导模块，以使到二维多边形扫描仪的一根或多根光束的引导和二维多边形扫描仪的旋转同步。例如，该通过控制单元的同步可以控制在固定位置处的垂直调整器，以当多边形扫描仪水平地扫描光束以在表面上产生平行水平线时，在将多根光束置于表面上的分别固定垂直位置处。

图9A示出了垂直调整器340被置于屏幕101和多边形扫描仪350之间沿着多边形旋转轴线在多边形扫描仪350下方的位置处的实施例，该多边形旋转轴线在该实施例中被示出为垂直方向。输入光束的入射角是相对于旋转轴线(在该实施例中的垂直方向)的45度入射角。图9B示出了屏幕上所投射的图像区域的边界迹线，该边界迹线不是直线，因此是失真的。

图10A示出将图7A中系统的屏幕向多边形扫描仪倾斜1.25度以减小图像失真。图10B示出了被倾斜的屏幕上所投射的图像区域的边界迹线，其中在屏幕区域内减少了失真。

作为另一实施例，图3中的多边形扫描仪350和垂直调整器340可以被置于两个位置处，两个位置彼此水平地偏离并且垂直调整器340比多边形扫描仪350更靠近屏幕101，以将光束120引导至多边形扫描仪350。垂直调整器340和多边形扫描仪350可以在同一高度处，以在侧馈给布置处将入射光束从垂直调整器340引导至多边形扫描仪350

图11A示出了在同一水平面中从垂直调整器到多边形扫描仪具有45度入射角的侧馈给布置的实施例。图11B示出了屏幕上所投射的图像区域的边界迹线，其中存在失真。图12A示出了围绕垂直轴线使屏幕倾斜以抵消由侧馈给布置引起的失真从而减少失真(图12B)。

在上述实施例中，垂直调整器用于在多边形扫描仪的水平扫描期间将每根光束的垂直位置保持在屏幕上的固定垂直位置处，并且在消隐周期期间相对于屏幕上在先的组之后产生的一组平行水平线的垂直位置调整另一组平行水平线的垂直位置。该垂直调整可以用于使两个或多个图像场交错以形成完整帧，完整帧的水平线的数量等于交错的图像场的和。

在图1B的实施例中示出了使两个图像场交错。由来自单个多边形面的光束反射产生的屏幕上两条相邻线之间的间距可以被设为(P-1)，其中P是待交错的场的数量且是不小于2的整数。因此，由反射自一个多边形面的两根相邻激光束形成的屏幕上的扫描线之间的间距可以是用于使两个场交错的一条水平线和用于使三个场交错的两条水平线。

另外，垂直调整器可以用于沿着垂直步进方向堆叠两个或多个不同图像场，以形成完整图像。控制单元被配置成控制垂直调整器，以在多边形扫描仪的完整旋转中在垂直调整器的第一固定位置处将光束扫描在第一表面部分上并且在多边形扫描仪的随后完整旋转中当垂直调整器位于第二固定位置时将光束扫描在第二表面部分上，该第二表面部分垂直地移位于第一表面部分并且不与第一表面部分重叠。

图13示出了垂直调整器的该工作模式的实施例。在该实施例中，多边形的一个完整旋转产生具有所示的N×M条平行水平线的场1。接下来，在对场2进行下一次扫描之前，在消隐时间期间操作垂直调整器以移动光束的垂直位置，以在场1的下面产生场2。在该消隐时间结束时，开启光束的光以允许多边形扫描仪对于场2投射N×M条平行水平线。该操作允许在屏幕上形成2×N×M条水平线的图像。

在本文中所描述的二维扫描多边形的实际实现中，由于制造中的不精确或其他因素，每个面可故意偏离期望的倾斜角。斜面角的该偏差是误差并且可能导致由多边形扫描仪的不同面扫描的不同水平线的垂直位置的误差。该面角误差可以降低屏幕上的图像质量。

可以以高精度设计和制造多边形扫描仪，以使面角误差最小化。然而，具有低面角误差的多边形是昂贵的。为了降低成本，在这种系统中可以实现面角误差修正机构，以修正安装的多边形扫描仪的已知面角误差。该修正机构的实现允许在不损害显示性能的情况下使用具有面角误差的相对便宜的多边形。另外，由于各种因素，如温度和其他环境因素(如湿度)的改变、多边形扫描仪中使用材料的随时间流逝的老化以及其它，多边形扫描仪的面的方向可能随着时间改变。而且，系统中的多边形扫描仪可能由于最初的多边形故障或失效的原因被不同的多边形扫描仪替代，这种替代可能改变面角误差，因为两个不同的多边形往往具有不同的面角误差。因此，为了在存在面角误差的变化的情况下维持高图像质量，面角误差修正机构可以被设计成向面角误差提供可调节的修正，以抵消与不同面角关联的不同误差以及面的面角误差的变化。

例如，垂直调整器可以用于根据具体多边形面的已知面角误差对垂直调整器的垂直方向进行调整，以修正已知误差的影响。面角误差可以被测量并被存储在查找表中。当面角误差不随温度、湿度和其它明显地改变时，在不使用以使用上述垂直参考标记的测量垂直光束位置为基础的伺服反馈的情况下，该查找表方法可能是足够的。在实现中，反馈控制需要当前正扫描线的多边形面的标识，从而可以从查找表中检索该多边形面的相应的面角误差值。根据多边形上的面编号传感器可以确定当前多边形面的标识。

在工作中，当从一个面向随后的面过渡时，在光关闭期间激活并应用基于对垂直调整器进行调整的上述面角修正。系统中的扫描控制模块使用随后的面的面标识编号来从所存储的查找表中查找并检索面角误差并且对垂直扫描仪的垂直方向进行修正，以抵消所检索的误差。在该修正之后，对于随后的面的扫描开始。在每个光关闭周期期间执行该过程。

垂直调整器可以被操作成当从一个面向随后的面过渡时在光关闭周期期间简单地提供基于对垂直调整器进行调整的上述面角误差修正，而不执行不同图像场的交错和堆叠。基于该设计，由多边形进行的二维扫描的完整帧具有N×M条水平扫描线。

用于使用二维多边形扫描仪和垂直调整器的上述技术和设计可以被实现在除了上述实施例中描述的显示系统以外的多个扫描光束系统中。例如，基于二维多边形扫描仪的本扫描系统可以被应用在使用扫描光束来产生光学图案的光学系统中。例如，激光印刷系统可以使用本扫描系统，其中屏幕由印刷介质(例如，纸、织物或母印刷版)替换。印刷介质用于接收一根或多根扫描激光束，一根或多根扫描激光束携带待在印刷介质上形成的图像。基于各种光效应，例如照相制版工艺、光化学工艺或激光雕刻工艺，可以在印刷介质上形成光所携带的图像。印刷介质可以是印刷版，印刷版于是用于将图像转移到纸或者其他印刷材料上。激光器阵列中的激光器可以通过为了在印刷介质上进行激光印刷操作以适当波长发射的激光器(如二极管激光器)来实现。一个具体的实施例是基于激光扫描产生掩模图案的印刷系统，其中快速的转弯是期望的。该印刷可以消除对掩模准备的需要。

在一些光栅扫描系统中，可以关于二维多边形安装多个激光器的激光器阵列，以将激光器以倾斜的角输出的激光束引导至在关于多边形的旋转轴线非90度的入射角下朝向多边形的每个面。多根激光束被直接地引导至共同的多边形面，该共同的多边形面在没有位于激光器阵列和多边形之间的光束引导模块的情况下将光束反射到目标表面上。图14示出了一个实施例，其中，由激光器阵列1410中的激光器产生的三根激光束被示出为通过多边形1420引导到目标表面1401上。多边形1420的不同面关于旋转轴线以不同角度倾斜，使得通过使多边形1420的不同面引导光束，改变目标表面1401上的光束位置。激光器阵列1410中的激光器的数量被选择成在目标表面1401上提供足够数量的线，并且在不需要调整多边形1420的光束入射角的情况下，多边形1420的一次完整旋转产生一个完整帧。

尽管本专利申请包含了很多细节，但是不应将其视为对本发明或权利要求范围的限制，而应视为本发明具体实施方式的具体特征的描述。在本说明书中，在不同实施方式中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实施。相反地，在单个实施方式中描述的多个特征也可在多个实施方式中分开实施或以任何适当的部分组合实施。此外，尽管上述某些特征以某些特定的组合方式工作并甚至最初如此进行权利要求，但在某些情况下，权利要求的组合的一个或多个特征可从该组合中分出来，并可将权利要求的组合分为部分组合及其变体。

只有很少的实施方案被公开。然而，可以理解基于在本专利申请中描述及示出的内容，可进行各种变化、改进和其他实施。