激光投影调研报告

激光投影调研报告一、综述激光投影技术是激光应用的一个重要领域，它通过激光来演示图像和文字信息，激光演示是通过改变激光光束在空间中的位置，利用人眼的视觉残留来勾勒出图案的轨迹，投射到幕布上进而形成各种图形和文字信息，由于其受空间的限制较小，色彩鲜艳、真实，因而适合在大型文艺演出中动态演示绚丽多彩的图案，通过图形和文字的结合，能够提供丰富的信息，适合在公园、产品广告等方面进行宣传，同时在结婚典礼、节日庆典等演示中应用较广。发展现状及成果激光投影目前在各方面的发展相对成熟，各个国家的各大公司对于激光投影技术的研究不断加深，2005年，在日本爱知世博会上，索尼公司研制成功单元6平方米的投影显示系统，并在拼接技术基础上集成出一套500平方米的激光影院。2006年2月，三菱电气公司将美国Novalux公司研制的大功率红绿蓝三基色激光器应用于数字光学引擎(DLP)背投电视，并于2008年推出了激光数字光学引擎背投电视产品；2007年，在美国拉斯维加斯国际消费电子展览会上，日本索尼公司和美国Novalux公司各自推出了基于投影式激光显示技术的多台激光显示试验样机，其中包括55英寸激光背投电视和小型、袖珍式前投影机以及激光数码影院等。另外，Microvision、Iljin、Symbol等公司致力于研发应用于手机的激光投影技术，他们分别开发了小型化的红绿蓝三基色激光器和小型化的光学引擎系统，并设计出一个完整的嵌入式微型投影系统模块。中国在发展激光显示产业也已经具备良好产业化基础，生产环境在全球同样处于领先地位。我国激光显示技术在国家高技术研究发展计划、中国科学院知识创新工程的持续支持下，取得了重大成果。二、激光投影优势激光与其他发光光源有所不同，它与其他光源相比有一些其独特的优势，利用激光作为发光光源使得投影技术的发展进入一个新的阶段。1：色彩丰富、准确传统光源投影由于受到发光物质及其状态的限制，光谱会呈现出连续或带状分布，红绿蓝颜色分布容易不均匀，饱和度较低，而由于激光具有良好的单色性和方向性，其光谱为线光谱，色彩饱和度较高，组成的色彩更加丰富，真实。2：高效率利用激光作为投影的显示光源相对于其他的投影光源具有更高的能量利用率，首先激光的电光转换效率相对较高，另外激光的准直性较好，能量相对比较集中，并且本身具有偏振特性，因而不需要光束准直、整形以及起偏的光学器件，进而减少了光学器件对光的吸收作用，提高了能量的利用率。3：寿命长目前，常用的普通光源作为投影光源的寿命大概在一千个小时后其亮度会大大降低，而用超高压汞填充技术等冷光源寿命大概在5千个小时，而激光作为投影光源，其寿命可达上万个小时，使得寿命不再成为限制投影技术发展的因素。4：节能减排激光投影的激光利用率远远高于其他普通光源，但其发热的程度要远远低于普通光源，而且省电。三、激光投影技术的分类如今激光投影显示系统主要有两种方式，一种采用面阵空间光调制器的激光投影显示方式，另外一种采用扫描式的投影成像方式。1、面阵空间光调制器的激光投影显示该方式采用面阵空间光调制器对照明光束进行调制，通过投影镜头将调制后的小图像放大成像投射到屏幕或墙壁上，实现图像的显示。激光作为投影光源相对于其他投影光源具有其独特的优势，但是其也有自身的缺陷，由于激光是一种相干光，当它照射到粗糙的表面时，经过各个粗糙面单元发射出来的光波便会在空间发射干涉，形成振幅、强度和相位随机分布的颗粒状的斑点，被称为激光散斑，由于激光散斑的出现使得屏幕上成像清晰度和分辨率下降，严重影响成像的质量，在发展的过程中，许多科技人员也提出许多方法去除散斑，降低激光的相干性，在此方面也取得了不错的效果。基于面阵空间光调制器的激光投影显示系统如上图所示，基于面阵空间光调制器的激光投影显示系统的结构由红绿蓝激光器、扩束准直系统以及混色合束系统等几部分构成，红绿蓝激光器发射的光首先进行扩束准直及消除散斑经过处理后的激光光束在经过混色合束系统最终通过投影投射到屏幕上。但从实际来看，激光散斑对成像画面的影响以及生产成本仍然是面阵空间光调制器的激光投影发展的主要限制因素。2、基于扫描的激光投影显示基于扫描的激光投影显示与其他普通的及面阵空间光调制器的激光投影显示有所不同，它主要利用激光的高亮度、准直性以及方向性较好的特点通过改变扫描振镜的不同位置来控制反射激光在屏幕上的位置，由于人眼有视觉暂留效应，因而能够在屏幕上显示完整的图像。其原理图如下：基于扫描的激光投影显示与面阵空间光调制器的激光投影显示相比有很多的优势：一、不需要聚焦和扩束，因而其不受空间的限制，投影面可以在平面上也可以在曲面上，甚至烟幕水幕上都能够投影。二、投影显示的画面大小在理论上是不受限制的三、减少了很多光学器件使用，在便携方面的发展应用有广阔的前景。因此，通过比较两种激光投影优劣，本文选择基于扫描的激光投影显示作为讨论的重点。四系统整体方案：激光投影系统主要包含以下几个方面：上位机、DSP微处理器处理、D/A卡、激光及扫描振镜。其中上位机主要负责对下位机下达命令，处理图片信息并获取相应坐标位置，激光和扫描振镜主要负责完成激光束的产生，合成以及轨迹的扫描，而DSP处理器处理则完成对投射信息的处理、效果预览及任务管理。其中结构如下图所示：演示图片上位机扫描振镜文字图案DSP处理D/A卡图1激光投影系统流程图激光投影的演示信息是通过DSP处理器来设定和控制的，上位机通过串口对DSP处理器下达命令，根据命令，DSP微处理器获得需要演示的信息，一方面DSP处理器经过D/A卡转换为模拟信号后通过扫描振镜进行激光打标，从而让来获得相应的图像和文字信息，另一方面，DSP处理器经过D/A卡转换为模拟信号后通过控制色彩控制器来调整RGB激光器的输出功率，经过光学器件的混合获得相应的颜色信息后传递到扫描振镜，最终实现在幕布或者墙壁上投射出彩色的图像和文字信息。上位机上位机采用MATLAB/C#编程，利用MATLAB强大的图像处理功能，利用其GUI图形界面编辑功能，首先将图像进行二值化处理，将二值化处理后的图像进行腐蚀、膨胀、开运算和闭运算等图像处理后得出图像的轮廓，再对图像的轮廓进行数据处理，得到图像轮廓在照片中位置坐标信息，通过MATLAB串口将图像轮廓的坐标发送到微处理器中做进一步的处理。轮廓提取方法：一般图像的轮廓提取主要是对一幅图的外部轮廓特征提取出来，二值化图像的提取方法非常简单，就是保留图像与背景之间的像素特征，而将图像内部的部分进行删除处理，假设二值图像中国黑色为检测目标，白色为背景，对图中的像素周围进行检测时，如果其中有一点为黑色，与它相邻的8个点都为黑色的时证明该点为内部点，应将该点删除，因此该方法实际上就是对二值化图像的像素进行扫描，对于一个黑点上下左右等8个相邻点均为黑点的证明其为内部点，应将其删除，否则对其进行保留。如果前期该对于图像的二值化及噪声处理比较好的情况下，使用该方法能起到很好的效果。在识别图像的目标中，往往要对目标的边缘进行跟踪处理，称为轮廓追踪。轮廓追踪就是通过顺序找出边缘点来对边界进行追踪，例如，二值图像或图像中不同的区域其像素值是不同的，但每个区域的像素值是相同的，利用某些算法即可完成4连通或8连通区域的轮廓追踪。另外对于图像的轮廓提取还可以借助CorelDraw等矢量绘图工具来产生，该软件能够将一整幅图像的轮廓描绘出来，然后通过手动的方式即可得到一幅矢量图，该软件使用起来也很简单，还可以对图像的轮廓进行手动调整，能够很容易地完成矢量图的绘制工作。由于本设计采用MATLAB进行图像处理，因此，再对图像进行处理时，直接可以调用MATLAB自身中的一些函数来实现对图像轮廓的提取和处理。激光器激光器是激光演示系统的重要部件，光源的稳定性直接影响到系统的性能。它按功率大小可以分为低功率(1W)和高功率（1～30W），按色彩能力可以分为单色（红色，蓝色或绿色）和彩色(由红、绿、蓝三基色合成)。为了实现大屏幕的彩色演示，系统必须采用高功率的彩色激光器，这样才能满足图字亮度和颜色效果的要求。目前，半导体泵浦激光器件技术日趋成熟，被广泛应用于激光演示领域。它较其他的激光器，如氩氪离子激光器、氦氖激光器、固体倍频激光器，有突出的优点。氩氪离子激光器需要大量的冷却水，需要特殊的大容量供电电源，更换激光管的费用较高；固体激光器转换效率低、体积庞大、结构不牢固。而半导体激光器通过非线性光学技术(倍频、和频等)产生红（671nm）、绿(532nm)、蓝(473nm)激光，结构紧凑，功耗低，效率高，操作维护简单，不需要水冷。对于本系统可采用高功率全固化掺钕钒酸钇半导体泵浦激光器，其使用寿命长，导热性好，转换效率高，适应大屏幕激光演示的需要。扫描振镜扫描振镜是控制激光光路的装置，它由X-Y两组电机和反射镜片组成。激光演示和显示器的演示原理是不同的，因为光子不是带电粒子，它不能象电子束那样通过磁场或电场控制，所以只能通过光的反射来进行光路的控制。微机软件把扫描的信息分成XY轴两个方向，通过D/A卡分别连接到振镜的两个控制线，输出的电压信号控制马达转动振镜，激光经过两次镜面反射后落到屏幕上的合适位置。激光演示的光路扫描方式，决定了它只能使用矢量扫描。矢量扫描，是同时控制XY两个垂直方向上的位置，通过绘制一系列连续的曲线而不是逐点描绘，来完成演示图文的轮廓。振镜使用的是电机马达驱动，存在机械上的局限性。振镜的转动和折返都需要一定时间，制约了其扫描速度和扫描效果。为了达到理想的显示效果，不能像显像管那样使用逐帧逐行扫描的方式，而必须使用矢量扫描的方式，才能提高扫描的速度，使扫描出来的图形达到理想的质量。[1]张帆.激光扫描投影显示的研究与扩展应用[J].[2]董健业，任建华，赵同刚.彩色激光演示系统的设计[J].中国科技论文在线.[3]刘伟学.图像轮廓的点坐标的提取方法及VC++编程实现.[J].赤峰学院学报，2011.3，第27卷第四期.[4]王丽.图像轮廓提取系统的开发.[J].百度文库.[5]向先波,徐国华,张琴.Matlab环境下PC与单片机的串行通信及数据处理[J].[6]张德丰.MATLAB与外部程序接口编程.[M].北京：机械工业出版社.2009.1