CN103926691B - 一种光开关阵列构成的兼具投影和摄像功能的光路装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于投影仪和摄像机制造领域，具体分开了一种光开关阵列以及由它构成的兼具投影和摄像功能的光路装置。所述光开关阵列包括一条在三维直角坐标系下沿y轴放置的光开关链和多条平行于z轴放置的“T”形光开关链。所述的兼具投影和摄像功能的光路装置包括处理器（1）、驱动模块（2）、显示光源（3）、感光单元（4）、光路分离单元（5）、发散单元（6）、和镜头模块（7），其特征在于，结构还有光开关阵列（8），通过控制光开关阵列（8）中每个“T”形光开关的状态实现直接投影显示或对景物的拍摄。本发明结构简单、运行功耗低、寿命长、显示色域与激光电视相当，高画面质量，且集投影和拍摄功能于一体。

Description

一种光开关阵列构成的兼具投影和摄像功能的光路装置

技术领域

本发明属于投影仪和摄像机制造的技术领域，具体涉及到一种光开关阵列以及由它构成的兼具投影和摄像功能的光路装置。

背景技术

现有的显示设备和摄像设备的功能都具有单一性，其原因就在于其光路设计本身具有功能单一性。所以传统的显示设备只能用于显示，而传统的摄像设备只能用于摄像，这就无法满足现代消费者对于产品多功能和便利性的需求。在成本上，摄像机使用的CCD价格昂贵，DLP投影仪用的DMD全世界只有美国德州仪器能够生产，其所用的色轮马达也存在寿命短问题。LCD投影仪的液晶屏容易老化。另外，投影灯泡价格也比较贵寿命较短，投影仪工作时能耗大需要散热，显示画面对比度差，难以在强光环境中使用。而且这些投影设备都比较大不便于携带。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为克服现有技术的不足，提供了一种光开关阵列以及由它构成的兼具投影和摄像功能的光路装置。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种光开关阵列，其结构有：在三维直角坐标系下沿y轴放置的一条光开关链和平行于z轴放置的光开关链；所述的光开关链是由具有三个端口且具有光路转换功能的“T”形光开关依次相连构成，其中“T”形光开关端口A和端口B处于同一直线上，端口C位于端口A和端口B之间垂直于端口A和端口B所在的直线，从端口A进入的光在控制端的控制下能够选择从端口B或者从端口C出来，每个“T”形光开关的端口B与其后相邻的“T”形光开关的端口A相连，一条光开关链上所有“T”形光开关的端口C指向相同的方向；每条平行于z轴放置的光开关链的第一个“T”形光开关的端口A与沿y轴放置的光开关链的一个“T”形光开关的端口C相连，所有平行于z轴放置的光开关链上的所有“T”形光开关的端口C的指向均与x轴平行，沿y轴放置的光开关链的第一个“T”形光开关的端口A记为所述光开关阵列的主端口。

本发明一种光开关阵列中所述的“T”形光开关可以由可伸缩基底和平面反射镜组成，可伸缩基底由电磁铁和衔铁夹着弹性材料构成或由电致伸缩材料构成，可伸缩基底的电信号端作为“T”形光开关的控制端，平面反射镜的镜面朝 向端口A和端口C且与端口A和端口B所在的直线成45度的夹角，平面反射镜固定在可伸缩基底上。

本发明一种光开关阵列中所述的“T”形光开关还可以由上电极、下电极、上棱镜和下棱镜组成；上电极和下电极均为透明平板电极，作为“T”形光开关的控制端；上棱镜和下棱镜均为截面是等腰直角三角形的棱镜；下电极作为“T”形光开关的端口C；两个棱镜的截面三角形斜边所在的侧面相互平行且对齐；上棱镜的截面三角形的上直角边所在的侧面与上电极相连，左直角边所在的侧面作为“T”形光开关的端口B；下棱镜的截面三角形的下直角边所在的侧面与下电极相连，右直角边所在的侧面作为“T”形光开关的端口A。

一种兼具投影和摄像功能的光路装置，其结构有：处理器1、驱动模块2、显示光源3、感光单元4、光路分离单元5、发散单元6、和镜头模块7；其特征在于，结构还有权利要求1所述的光开关阵列8中各“T”形光开关的控制端和驱动模块2相连，光开关阵列8的主端口经光路分离单元5分别与显示光源3和感光单元4相连，驱动模块2、显示光源3和感光单元4还都与处理器1相连，光开关阵列8中沿z轴放置的各“T”形光开关的端口C放置发散单元6，光开关阵列8的外侧放置镜头模块7，且光开关阵列8处于镜头模块7的1倍焦距和2倍焦距之间。

本发明一种兼具投影和摄像功能的光路装置中所述的处理器1可以是单片机或计算机；所述的驱动模块2是能接收处理器1的指令并控制光开关阵列8中“T”形光开关状态的器件；所述的显示光源3是由三个分别可以发出红、绿、蓝三色光的单色光源和混光器构成的，所述的单色光源是LED光源或激光光源；所述的感光单元4是三个能够分别把三基色光转换为电信号的装置；所述的光路分离单元5是能够使显示光源3发出的光进入光开关阵列8，使光开关阵列8的主端口出来的光进入感光单元4，同时还能够阻止显示光源3发出的光进入到感光单元4的装置；所述的发散单元6是能够把每个沿z轴放置的“T”形光开关的端口C发出的细光束发散成各向可见的光斑的装置。

本发明一种兼具投影和摄像功能的光路装置中所述的感光单元4最好是由三基色感光器和可以把混合色光分离成三基色光的分光器构成的。

本发明一种兼具投影和摄像功能的光路装置中所述的光路分离单元5可以由一个“T”形光开关构成，也可以由半透半反射镜或分光膜构成，还可以由1/4玻片+沃拉斯顿棱镜中构成，如果是由“T”形光开关构成，“T”形光开关的控制端还要与处理器1相连，由处理器对其状态进行控制，以切换投影和拍摄模式。

本发明一种兼具投影和摄像功能的光路装置中所述的发散单元6可以是由 数量和沿z轴放置的“T”形光开关的数量相等的微凹透镜或微凸透镜构成的，每个微凹透镜或微凸透镜放在一个沿z轴放置的“T”形光开关的端口C的外侧。

本发明与现有技术相比，有以下有益效果：

1、使一个设备同时兼具投影和摄像功能，功能得到拓展同时成本降低。

2、在投影方面，由于本发明采用的是直接光扫描显示，显示效果和显示色域可以跟激光显示相媲美，画面对比度好，能在室外环境清晰显示，而且直接光显示的方式使得投影画面具有3D兼容性。

3、本发明用光开关阵列取代了数码相机的感光元件CCD，成本会大幅度减低。

4、本发明的兼具投影摄像功能的光路装置可以使得其在投影的同时利用摄像功能检测到用户对画面的操作信息或者用户的肢体、手势信息，从而实现投影交互或者手势交互，更加便捷、更人性化，由于无需交互用的外接硬件设备，成本进一步减低。

5、在摄像方面，可以用投影的方式浏览拍摄的影像。

附图说明

图1为“T”形光开关功能示意图。

图2为一种“T”形光开关实施例示意图。

图3为另一种“T”形光开关实施例示意图。

图4为本发明光开关阵列的一种实施例的结构示意图。

图5为本发明兼具投影和摄像功能的光路装置的一种实施例的结构示意图。

图6为本发明所述的驱动模块5的一种原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步发明。

实施例1“T”形光开关实施例

请参考图1、2、3，图一示意了“T”形光开关的结构和功能，它有三个端口，端口A和端口B处于同一直线上，端口C的方向与端口A、端口B所在的直线垂直，这种光开关有光路转换功能，从端口A进入的光可以受控选择从端口B或者端口C出来；图2、3是两种微机械“T”形光开关的具体实施例。

图2中的“T”形光开关主要由可伸缩基底和反射镜组成，可伸缩基底可以由电磁铁和衔铁夹着弹性材料构成，反射镜固定在衔铁上，从而通过控制施加在基底上的电信号就可以控制光开关的状态：当电磁铁的线圈有电流时，将产生磁力，向下拉动衔铁，同时固定在衔铁上的反射镜也会被向下拉，此时端口A与 端口B之间没有阻碍，从端口A进入的光会直接从端口B射出来；当电磁铁的线圈没有电流时，磁力消失，衔铁及固定在其上的反射镜会被衔铁和电磁铁中间的弹性材料弹回原位置，从端口A进入的光线会射到反射镜上，由于反射镜与入射光线呈45度夹角，因此光线反射后方向会与入射光线发生90度的偏转从而从端口C射出来；可伸缩基底也可以是电致伸缩材料（如压电陶瓷等），工作原理类似。

图3中利用了全反射原理，当下电极和上电极带同种电荷时二者彼此排斥，与电极相连的等腰直角三角形棱镜之间形成微小间隙，光线从端口A进入时会在棱镜的斜面发生全反射，从而从端口C出射，当透明电极和上电极带异种电荷时二者彼此相吸，两棱镜的斜面会紧贴在一起，从端口A进入的光线就会从端口B直接出射。另外，利用电光、声光等其他物理原理制作的“T”形光开关也能用于本发明的光开关阵列。

实施例2“T”形光开关阵列实施例

请参考图1和图4，光开关阵列是由多个图1所示的“T”形光开关通过组合连接形成的。图1中的多个（下限为1上限不限）这样的“T”形光开关依次连接，并使第一个“T”形光开关的端口B与第二个“T”形光开关的端口A相连，第二个“T”形光开关的端口B与第三个“T”形光开关的端口A相连，以此类推，所有“T”形光开关的端口C指向相同的方向，这样就形成一个光开关链。在三维直角空间坐标中使一条光开关链沿着y轴放置，为方便表述称其为y链，任意多条光开关链沿着z轴放置，为表述方便称第n条沿着z轴放置的光开关为zn链，并使zn链中第一个“T”形光开关的端口A与y链上第n个“T”形光开关的端口C相连，所有沿着z轴放置的“T”形光开关的端口C的指向均与x轴平行，所有沿着y轴放置的“T”形光开关的端口C的指向均与z轴平行，这样便形成一种光开关阵列。图4为光开关阵列的示意图，图中为了清楚的展示光开关阵列的结构而使相邻沿着z轴放置的光开关链有一段距离，实际在制作时可以使相邻沿着z轴放置的光开关链彼此紧挨着，光开关链还可以集成在一根横截面为矩形的光纤上。

实施例3兼具投影和摄像功能的光路装置实施例

请参考图5和图6，为方便起见，这里光开关阵列8选用8行×8列的结构，其它结构的原理类似。驱动模块2（这里用两个两个串入并出芯片74HC595构成）的“列地址信号”端和“行地址信号”、显示光源3的控制端、感光单元4的电信号输出端分别与处理器1（这里选用STC89C51）的不同的输入/输出口相连，这里的显示光源3可以用一组三基色LED光源或激光光源和混光器构成。 投影时，处理器1根据要投影的视频信号的信息控制显示光源3发出特定颜色的光，经过光路分离单元5后进入光开关阵列8，驱动模块2接收处理器1发出的地址信号控制光开关阵列8中各个“T”形光开关的状态，使显示光源3发出的光从指定位置的“T”形光开关输出，形成一个像素点，之后被发散单元6发散开，形成一个从各个方向均可见的光斑，该光斑通过镜头模块7在银幕或墙上成一个像点，通过类似液晶显示器的扫描形成投影画面，这样便可以实现投影功能。发散单元6在图中未画出，可以在光开关阵列8中每个沿z轴放置的“T”形光开关的端口C的外侧放置一个微凸透镜或微凹透镜实现。

摄像时，光开关阵列8相当于传统数码相机的CCD阵列，景物上某一点的光经过镜头模块7在光开关阵列8上某点会聚，通过控制光开关阵列8上相应“T”形光开关的状态可以使光从光开关阵列8的主端口输出，并通过光路分离单元5进入感光单元4，感光单元4将光信号转换为电信号送入处理器1，得到一个像素点的像素信息，处理器1通过驱动模块2对光开关阵列8上各点进行扫描，便得到完整的图像信息。这里光路分离单元5用了一个“T”形光开关，“T”形光开关的控制端与处理器1相连，由处理器1对其状态进行控制，以切换投影和拍摄模式，感光单元4由分光器（可用三棱镜）和三个光敏传感器（可选用TBCB30光敏管）和三个模数转换器（可选用TLC2543）构成，分光器把混合色光分成三基色光，每种基色的光输入到一个光敏传感器的光输入端，每个光敏传感器的输出端接到一个模数转换器的输入端，模/数转换器把光敏传感器输出的模拟信号转换成数字信号后再接到处理器1的输入/输出口。

为了提高扫描速度还可以把多个光开关阵列拼接在一起，每个光开关阵列都独立控制，多个光开关阵列共用同一个镜头模块和处理器。

实施例4光路分离单元的另一种可选方案

实施例3中的光路分离单元5，还可以用一个1/4玻片+沃拉斯顿棱镜结构的装置实现。用于投影时，显示光源3选用线偏振光源，从显示光源3发出的光束入射到沃拉斯顿棱镜的一个侧面（o、e光分开的侧面），经过折射后从沃拉斯顿棱镜的另一个侧面出射（o、e光重合在一起的侧面），垂直穿过1/4波片（设置1/4波片光的主截面与这条光的振动面之间的夹角为45°），之后经过光开关阵列8和镜头模块7的作用可以在屏上形成一个像点；用于拍摄或交互时，光线从景物或者屏幕反射回来，经过镜头模块7、光开关阵列8之后通过光路分离单元5时会有一部分光被感光单元4接收，从而记录下物像信息或生成操作信息。

实施例5光路分离单元的第三种可选方案

实施例3中的光路分离单元5，还可以用一个1/4玻片加偏振光分束镜结构 的装置，工作原理与实施例4相似，也需要设置1/4波片光的主截面与显示光源3的光的振动面之间的夹角为45°。

光路分离单元还可以用半透半反射镜、分光膜或其它装置构成，只要能满足本发明所述的要求均可。

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。

Claims (7)

1.一种光开关阵列构成的兼具投影和摄像功能的光路装置，其结构有：处理器(1)、驱动模块(2)、显示光源(3)、感光单元(4)、光路分离单元(5)、发散单元(6)、和镜头模块(7)；其特征在于，所述的光开关阵列(8)结构是：在三维直角坐标系下沿y轴放置的一条光开关链和平行于z轴放置的光开关链；所述的光开关链是由具有三个端口且具有光路转换功能的“T”形光开关依次相连构成，其中“T”形光开关端口A和端口B处于同一直线上，端口C位于端口A和端口B之间垂直于端口A和端口B所在的直线，从端口A进入的光在控制端的控制下能够选择从端口B或者从端口C出来，每个“T”形光开关的端口B与其后相邻的“T”形光开关的端口A相连，一条光开关链上所有“T”形光开关的端口C指向相同的方向；每条平行于z轴放置的光开关链的第一个“T”形光开关的端口A与沿y轴放置的光开关链的一个“T”形光开关的端口C相连，所有平行于z轴放置的光开关链上的所有“T”形光开关的端口C的指向均与x轴平行，沿y轴放置的光开关链的第一个“T”形光开关的端口A为所述光开关阵列的主端口；所述的光开关阵列(8)中各“T”形光开关的控制端和驱动模块(2)相连，光开关阵列(8)的主端口经光路分离单元(5)分别与显示光源(3)和感光单元(4)相连，驱动模块(2)、显示光源(3)和感光单元(4)还都与处理器(1)相连，光开关阵列(8)中沿z轴放置的各“T”形光开关的端口C放置发散单元(6)，光开关阵列(8)的外侧放置镜头模块(7)，且光开关阵列(8)处于镜头模块(7)的1倍焦距和2倍焦距之间。

2.根据权利要求1所述的光开关阵列构成的兼具投影和摄像功能的光路装置，其特征在于：所述的“T”形光开关由可伸缩基底和平面反射镜组成，可伸缩基底由电磁铁和衔铁夹着弹性材料构成或由电致伸缩材料构成，可伸缩基底的电信号端作为“T”形光开关的控制端，平面反射镜的镜面朝向端口A和端口C且与端口A和端口B所在的直线成45度的夹角，平面反射镜固定在可伸缩基底上。

3.根据权利要求1所述的光开关阵列构成的兼具投影和摄像功能的光路装置，其特征在于：所述的“T”形光开关由上电极、下电极、上棱镜和下棱镜组成；上电极和下电极均为透明平板电极，作为“T”形光开关的控制端；上棱镜和下棱镜均为截面是等腰直角三角形的棱镜；下电极作为“T”形光开关的端口C；两个棱镜的截面三角形斜边所在的侧面相互平行且对齐；上棱镜的截面三角形的上直角边所在的侧面与上电极相连，左直角边所在的侧面作为“T”形光开关的端口B；下棱镜的截面三角形的下直角边所在的侧面与下电极相连，右直角边所在的侧面作为“T”形光开关的端口A。

4.根据权利要求1所述的光开关阵列构成的兼具投影和摄像功能的光路装置，其特征在于，所述的处理器(1)是计算机；所述的驱动模块(2)是能接收处理器(1)的指令并控制光开关阵列(8)中“T”形光开关状态的器件；所述的显示光源(3)是由三个分别可以发出红、绿、蓝三色光的单色光源和混光器构成的，所述的单色光源是LED光源或激光光源；所述的感光单元(4)是将光信号转换为电信号的装置；所述的光路分离单元(5)是能够使显示光源(3)发出的光进入光开关阵列(8)，使光开关阵列(8)的主端口出来的光进入感光单元(4)，同时还能够阻止显示光源(3)发出的光进入到感光单元(4)的装置；所述的发散单元(6)是能够把每个沿z轴放置的“T”形光开关的端口C发出的细光束发散成各向可见的光斑的装置。

5.根据权利要求1或4所述的光开关阵列构成的兼具投影和摄像功能的光路装置，其特征在于，所述的感光单元(4)是由分光器和三个光敏传感器和三个模数转换器构成的。

6.根据权利要求1或4所述的光开关阵列构成的兼具投影和摄像功能的光路装置，其特征在于，所述的光路分离单元(5)是由权利要求1所述的“T”形光开关、半透半反射镜、分光膜或1/4玻片+沃拉斯顿棱镜中的一种构成，当用“T”形光开关构成光路分离单元(5)时，“T”形光开关的控制端还要与处理器(1)相连。

7.根据权利要求1或4所述的光开关阵列构成的兼具投影和摄像功能的光路装置，其特征在于，所述的发散单元(6)是由数量和沿z轴放置的“T”形光开关的数量相等的微凹透镜或微凸透镜构成的，每个微凹透镜或微凸透镜放在一个沿z轴放置的“T”形光开关的端口C的外侧。