1、激光电视系统的应用研究摘要：激光电视高速扫描系统是实现激光电视的一项关键技术，本文简述了激光电视高速扫描系统研究方向，采用了光机扫描方式，利用微特电机直接驱动等 10 面体旋转反射镜和单面反射镜实现激光电视的行场扫描。提出了一种激光电视高速扫描系统相关设计参数的计算方法。关键词：激光电视 高速扫描 直流电机 步进电机0 引言激光电视自前苏联科学院物理研究所的学者们研究成功以来，由于受激光扫描装置精度要求高和激光器发光效率低、电功耗大的限制，而难以实用化。自进入上世纪九十年代后，随着微电子技术、超精加工技术和固体激光技术等相关技术的发展，使激光电视的实现成为了可能。在激光电视中，对激光电视高速扫
2、描系统稳定性和精确性的要求是激光电视能否实现的一项关键技术环节。激光扫描系统的研制方向大致有两个：一是光机扫描；二是声光扫描。光机扫描是通过机械装置带动反射系统旋转以实现激光光束的扫描，其原理简单，扫描范围大，但机械系统存在机构精度差、稳定性较难控制等问题。声光扫描是利用超声波对光的作用，使光束发生偏转来实现扫描的，具有控制容易、扫描速度快、系统结构简单等特点，其主要缺点是激光光束的扫描角较小。目前随着高速微特电机的发展，特别是永磁无刷直流电机的发展，使电机的运行速度和稳定性都得到了很大的提高，同时随着步进电机的细分驱动技术的进一步发展和完善，使步进电机的步距角更加细小和均匀，运行更加平稳，这
3、对激光电视高速扫描系统的实现提供了可靠的技术保障，所以我采用了光机扫描方式。1 激光电视高速扫描系统的结构设计激光电视的成像原理就是利用机电装置和光学反射镜，模拟电视机显像管的成像原理，使激光光束按照从左到右（行扫描） 、从上到下（场扫描）的顺序扫描出电视图像。我们所设计的激光电视高速扫描系统，是以光机扫描为基础，充分利用高速微特电机的性能特点，采用电机直接拖动激光反射系统旋转以实现激光光束的行场扫描。激光电视高速扫描系统的结构示意图如图 1 所示。图 1 激光电视高速扫描系统的结构示意图图中我们采用了两个旋转轴互成 90的微特电机直接驱动反射镜以实现激光光束的行扫描和场扫描。行扫描反射镜由永
4、磁无刷直流电机拖动，场扫描反射镜由步进电机拖动。考虑到行扫描电机的转速较高，为有效降低行扫描电机的转速，我们采用了一种等 面体m投影屏幕 扫描图像激光光束 行扫描反射镜 场扫描反射镜 永磁无刷直流电机 步进电机的旋转反射镜的结构形式，等 面体旋转反射镜的每一个棱面就是一个反射镜面；步进电m机拖动单面反射镜作来回往复振动以实现场扫描。永磁无刷直流电机拖动等 面体旋转反m射镜每转过一个棱面，激光光束就扫过一行；步进电机驱动单面反射镜每前进一个步距角，激光光束就跳到下一行进行扫描，当步进电机振动一个周期时，激光光束就扫过了一场。行场扫描协调运动，将相应色彩和亮度的激光光束投射到投影屏幕上，就能扫描出
5、一幅完整的电视图像画面。2 激光电视高速扫描系统的参数设计激光电视高速扫描系统的相关扫描参数必须满足我国电视图像信号的要求，我国电视图像信号的标准如下：1）每帧图像有 625 行，每场图像有 312.5 行，采用隔行扫描。2）行扫描周期为 64s，行扫描频率为 15625Hz，其中行扫描占 52s ，行消隐占12s。3）场扫描周期为 20ms，场扫描频率为 50Hz，其中场扫描占 18.4ms，场消隐占1.6ms。2.1 步进电机步距角 的确定b在激光电视高速扫描系统中，由于采用步进电机直接驱动单面反射镜实现电视图像的场扫描，因此步进电机步距角的大小直接关系着激光电视图像的显示效果。选取的步距
6、角过大，图像就会发生畸变，这一点我们可以从图 2 的行场扫描示意图中看出。图 2 行场扫描示意图图中矩形 为激光电视投影图形， 为投影图形的宽度， 为投影图形的高度，ABCDxy点位于矩形 的正上方，场扫描反射镜的旋转轴线通过 点且平行于 。步进O OAD电机每转过一个步距角 ，反射光线就转过 角，且有 。 为扫描半场时反射光bb2线在垂直方向所扫过的角度，则场扫描视角 ； 为扫描半行时反射光线在水平方向所扫过的角度，则行扫描视角 。同时有：2（1）bH5.31.56xyabLDCAO式中： 每场图像的行数，H5.312H从图中我们可以看出，步进电机每转过一个步距角，激光光束所扫过的距离是不均
7、匀的，其中 最大， 最小。如果 、 之间相差过大，扫描出来的图像就会出现四周稀疏abab中间紧凑的情况（行扫描情况也一样） ，使扫描出来的图像发生畸变，因此我们必须把 、a之间的相对误差控制在一定的范围内。通常情况下，将 、 之间的相对误差控制在b ab0.1的范围内，就能够保证扫描出来的图像不发生这种形式的畸变（因为人眼已经分辨不出来了） 。即： %1.0ba由图可知： )(tgLt tgLb则： %1.0tba推出： 01.1)(2tg因为 ， 随 的增大而增大，则有：001.1)()(22tgtg可近似推出： （2）.450由式（1） 、 （2）知，步进电机的步距角 的取值范围为： 。b
8、 14.0b由上述推倒过程可知，只要保证所选取的步进电机步距角 ，就能有效地消除激光电视高速扫描系统所引发的图像畸变现象。常见步进电机的步距角大小有一下几种：0.6、0.75、0.9、1.5、1.8，它们都不能满足步距角 的要求，因此我们必须对步进电机的步距角进行细分处理。14.0b常见的步进电机步距角的细分数有一下几种：2 细分、5 细分、10 细分、20 细分和 40 细分。为了提高扫描精度，我们选择了实际步距角 ，细分数 ，细分后的步距角9.0/b10的步进电机。09.b2.2 等 面体旋转反射镜面数 的确定mm根据人眼的视觉特性，人眼在观看宽高比为 4:3 的电视画面时，疲劳感较小。据
9、此，从图 2 中的几何关系我们可得： （3）34yxtg前面我们已经选定了步进电机的步距角为： ，从式（1） 、 （3）可得：09.b125.847.35根据等 面体旋转反射镜的结构特点，行扫描视角 与等 面体旋转反射镜的面数mm有关。等 面体旋转反射镜扫描示意图如图 3 所示。图中等 面体旋转反射镜绕 点/O作顺时针旋转（用等六面体代表等 面旋转反射镜） ， 为入射的激光光束，此时刚刚mAO入射到反射镜面 上，进行下一行的扫描， 为法线， 为反射线；当等 面旋转OGEB反射镜顺时针转过一个反射镜面时，即反射镜面 旋转到了 的位置，此时反射镜面GD的法线为 ，激光光束的反射线为 。由此可知，当
10、等 面旋转反射镜顺时针转FCm过一个反射镜面 时，反射光线扫过的角度就是前面我们所说的行扫描视角 。如图 3 等 面体旋转反射镜扫描示意图m根据光学基础和图 3 中所示有：（4）)(2)2()(2 而 与等 面旋转反射镜的面数 有关，即：m（5）m由式（4） 、 （5）得： 4可见，等 面旋转反射镜的面数 与行扫描视角 的大小有关，如果我们取m，则 ，等 面旋转反射镜的面数 不为整数，这显然是不合逻辑95.7014.0m的，因此我们对等 面旋转反射镜的面数 圆整为： 。此时的行扫描视角为：1072108m虽然，此时的行扫描视角 ，比按电视图像的宽高比为 4:3 而设计得到的行扫/OAGEBCF
11、描视角稍微放大了一点（原视角为 ） ，但并不影响人眼的观看效果。95.702.3 电机转速的确定确定电机的转速的基本设计思想是：在保证扫描图像显示效果的前提下，确保电机平稳运行。激光电视是利用激光光束一点一点、一行一行按顺序扫描出电视图像画面，人眼之所以能看到一幅完整的电视图像画面，是因为人眼具有视觉惰性，只要激光光束扫描电视图像时，从第一个象素出现到最后一个象素出现的时间间隔小于 0.1 秒，人就会获得一幅完整图像的感觉。即人眼视觉惰性时间的临界值为 ；为了保证电机运行的平)(1.0st稳行，我们将扫描时间 均匀地分配到扫描的正程和扫描的逆程，即：)(1.0st)(5.2tNZ式中： 为扫描
12、正程的时间，单位为 s（秒）t为扫描逆程的时间，单位为 s（秒）N人眼视觉惰性时间的临界值，单位为 s（秒）t一、激光电视行扫描中永磁无刷直流电机心机转速的确定已知旋转反射镜的面数为 ，扫描正程的时间为 ，旋转反射镜每转10m)(05.tZ过一个反射镜面激光光束就扫过一行，则等 10 面体转镜的转速 为：nmi)/(375.26rtHnZ二、激光电视场扫描中步进电机转速的确定激光电视场扫描是通过步进电机直接驱动单面反射镜得以实现的，在规定的正程扫描时间间隔 内，激光光束扫过一个场扫描视角 ，则步进电机驱动单面反射镜)(05.stZ转过角度 ，此时步进电机的转速 为：128/nmi)/(75.9
13、30.36128/ rtnZ从上面的分析计算结果可知，由于扫描正程和扫描逆程的时间均匀分配，使永磁无刷直流电机和步进电机的转速恒定，有利于电机的平稳运行，从而有效的保证了扫描图像的质量。当然，我们必须对接受的电视信号进行预先理，将接受到的电视信号事先存储在帧存储器中，通过一定的延时电路处理，控制激光发生器发出相应色彩和亮度的激光，以适应高速扫描系统扫描节拍的要求。3 结 语本文结合电视图像信号的特点，对激光电视高速扫描系统的结构和相关的参数进行了设计。采用了电机直接驱动反射镜实现激光电视高速扫描的光机扫描结构，由永磁无刷直流电机直接驱动等 10 面体旋转反射镜实现激光电视图像的行扫描，步进电机直接驱动单面反射镜实现激光电视图像的场扫描，简化了扫描结构，提高了扫描精度。同时，行扫描中由于采用了等 10 面体旋转反射镜取代单面反射镜，有效降低了行扫描电机的转速，减小了振动和噪音，提高了激光电视图像的显示效果。在参数设计过程中，根据降低激光电视扫描图像畸变的要求和人眼的视觉惰性等原理，对激光电视高速扫描系统的运行参数和结构参数进行了精确的计算和设计，确定了相关参数，为激光电视高速度扫描系统的实现提供了可靠的技术参数。
