CN107463058B - 基于Lissajous图形扫描实现高刷新率高分辨率投影方法及投影仪 - Google Patents

基于Lissajous图形扫描实现高刷新率高分辨率投影方法及投影仪 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于Lissajous图形扫描实现高刷新率高分辨率投影仪及方法，首先根据双轴微扭转镜的反射镜面绕X轴，Y轴的振动频率区间，选择多组频率组合，根据预设投影帧率及投影分辨率A1×A2计算覆盖率；得最大覆盖率下对应的振镜振动频率，控制双轴微扭转镜的反射镜面绕以该频率均做简谐振动；将待投影图像的RGB三色数据以A1×A2的矩阵方式存储在数据缓冲区内；将双轴微扭转镜的反射镜面的运动位置与数据缓冲区内的数据存储位置形成映射；根据运动位置依次读取数据缓冲区内存储的图像的RGB三色数据；按照三色数据调制激光器发出激光。本发明再不影响整体投影显示效果的情况下，使用较低频率的振镜可以实现更高刷新率与分辨率的投影，提高投影质量。

Description

基于Lissajous图形扫描实现高刷新率高分辨率投影方法及 投影仪
技术领域
本发明属于微光机电系统技术领域，具体涉及一种基于李萨如图形扫描实现高刷新率高分辨率投影显示的方法及实现该方法的投影仪。
背景技术
在现有的李萨如Lissajous投影设备中，一般都会采用百分之百像素覆盖率(fx为振镜绕x轴振动频率，fr为刷新帧率，Ry为可实现的每行/列像素数)，但是此种投影方式，限制了特定频率的振镜可实现投影的刷新率和分辨率。要实现高刷新率、高分辨率的投影，只能提高振镜频率。比如要投射一个1024*768 30fps的图像，如果按照百分百像素覆盖的方法，振镜的振动频率至少需要36.2KHz。过高的振镜频率会限制振镜镜面尺寸和振镜振动的幅值：镜面尺寸过小，要求投影激光束很小，会大幅提高对光路设计的要求；幅值过小，难以满足投影光学分辨率要求，也就无法完成所需分辨率的投影。同时振镜频率过高对主控芯片提出了较高的要求，开发难度大，以致整体系统实现难度大，实现起来成本高。
因此，可以考虑牺牲一定的覆盖率，在不影响整体投影显示效果的情况下，使用较低频率的振镜可以实现更高刷新率与分辨率的投影，提高投影质量。
发明内容
本发明提供一种基于Lissajous图形扫描实现高帧率高分辨率的激光投影显示方法及实现该方法的投影仪。这种投影方法解决了高帧率高分辨率的激光投影显示对反射振镜和控制器要求过高的问题，可以直接根据双轴微扭转镜两轴的振动频率与预设投影帧率计算出要实现目标分辨率投影的像素覆盖率，确定可实现合适覆盖率的频率值，并根据此震荡频率振荡双轴微扭转镜的反射镜面，根据镜面的运动情况控制R,G,B三色激光器，从而实现高帧率高分辨率的投影。
本发明的技术解决方案是提供一种基于Lissajous图形扫描实现高刷新率高分辨率投影方法，包括以下步骤：
步骤一：根据双轴微扭转镜的反射镜面绕X轴，Y轴的振动频率区间，选择多组频率组合，根据预设投影帧率及投影分辨率A1×A2计算覆盖率；
步骤二：记录步骤一得出的最大覆盖率下对应的振镜振动频率，控制双轴微扭转镜的反射镜面绕相互垂直的X轴和Y轴以记录的振动频率均做扭转式简谐振动；
步骤三：将待投影图像的RGB三色数据以A1×A2的矩阵方式存储在数据缓冲区内；其中，A1为图像在水平方向的像素个数，A2为图像在竖直方向的像素个数；
步骤四：将双轴微扭转镜的反射镜面的运动位置与数据缓冲区内的数据存储位置形成映射；
步骤五：根据反射镜面随时间变化的运动位置依次读取数据缓冲区内存储的图像的RGB三色数据；
步骤六：按照步骤五依次读取的RGB三色数据调制激光器发出激光。
上述步骤一具体为：
1.1)根据预设的投影帧率Xfps计算每帧投影所需要的时间Time；
1.2)双轴微扭转镜的反射镜面绕X轴，Y轴的运行轨迹为两路正弦波的叠加，根据两路正弦波的合运动轨迹，得到像素矩阵；
双轴微扭转镜的反射镜面绕X轴的运行轨迹为：
A1为图像在水平方向的像素个数，f1为X轴运行的频率，t为振镜运动的时间， 1为X轴相位偏移值；
双轴微扭转镜的反射镜面绕Y轴的运行轨迹为：
其中，A2为图像在垂直方向的像素个数，f2为Y轴运行的频率，t为振镜运动的时间，为Y轴相位偏移值；
通过下述方法并离散t得到像素矩阵：
其中，得到的(X(t),Y(t))为一帧的Lissajous扫描矩阵；
对该矩阵进行四舍五入：
得到一个分辨率为A1×A2的整数矩阵，该矩阵即为最终投影所填充的像素位置即像素矩阵(X(t1),Y(t1))；
1.3)统计像素矩阵中没有被扫描上的像素数量，计算未被覆盖像素比例，通过1减去未被覆盖像素比例，得到当前频率下的像素覆盖率。
上述步骤四包括：
4.1)将双轴微扭转镜的反射镜面的运动轨迹离散化，得到一组等时间间隔的运动位置；
4.2)按照固定时间间隔依次采集反射镜面的运动位置，并将当前运动位置与步骤三)中的数据缓冲区内的数据存储位置形成一一对应的映射关系。
上述步骤六包括：
6.1)将依次读取的RGB三色数据转化为模拟电流；
6.2)以所述模拟电流作为激光器的输入电流进行激光发射。
本发明还提供一种实现上述投影方法的投影仪，其特殊之处在于：包括双轴微扭转镜、主控系统和激光器；上述双轴微扭转镜包括反射镜面，上述反射镜面能够同时绕相互垂直的X轴和Y轴均做扭转式简谐振动；上述主控系统用于存储图像数据并将存储的图像数据与反射镜面的运动位置形成映射；上述激光器根据存储的图像数据的像素颜色值发出激光并经反射镜面反射后形成投影图像。
优选地，上述双轴微扭转镜的反射镜面绕X轴的运动轨迹为
其中，A1为图像在水平方向的像素个数，f1为反射镜面绕X轴的扭转振动频率，t为振动时间，为X轴相位偏差；
上述双轴微扭转镜的反射镜面绕Y轴的运动轨迹为
其中，A2为图像在竖直方向的像素个数，f2为反射镜面绕Y轴的扭转振动频率，为Y轴相位偏差。
优选地，上述主控系统包括一个以A1×A2的矩阵方式存储图像数据的数据缓冲区。
优选地，上述投影仪还包括反馈系统，所述反馈系统用于反馈双轴微扭转镜当前所在位置，并根据映射图像数据调整激光器的光强度。
优选地，上述激光器为红、绿、蓝三色激光器。
本发明的有益效果是：
本发明直接根据双轴微扭转镜两轴的振动频率与预设投影帧率计算出要实现目标分辨率投影的像素覆盖率，确定可实现合适覆盖率的频率值，并根据此震荡频率振荡双轴微扭转镜的反射镜面，根据镜面的运动情况控制R,G,B三色激光器，从而实现高帧率高分辨率的投影。即再不影响整体投影显示效果的情况下，使用较低频率的振镜可以实现更高刷新率与分辨率的投影，提高投影质量。
附图说明
图1为本发明投影仪较佳实施例系统示意图。
图2为驱动双轴微扭转镜的反射镜面绕X，Y轴进行扭转振动的波形图像。
图3为双轴微扭转镜的反射镜面在X、Y两个轴向上扭转振动形成的李萨如扫描图像。
图4为双轴微扭转镜的反射镜面运动位置与数据缓冲区内数据存储位置的映射关系示意图。
图5为图像数据在数据缓冲区内的矩阵式存储示意图。
其中，附图标记如下：1-X轴，2-激光器，3-Y轴，4-反射镜面，5-双轴微扭转镜，6-李萨如扫描图像，7-数据缓冲区，8-X轴时域轨迹，9-Y轴时域轨迹。
具体实施方式
本发明提供了一种基于李萨如图形扫描成像的投影仪，参见图1，其较佳实施例的结构包括主控系统、双轴微扭转镜5和激光器2。双轴微扭转镜5包括反射镜面4，反射镜面4可同时分别绕相互垂直的X轴1和Y轴3做扭转式简谐振动。主控系统用于存储图像数据并将存储的图像数据与反射镜面4的运动位置形成映射，激光器2根据存储的图像数据发射激光并经反射镜面4反射后形成基于李萨如扫描图像6的投影图像。在投射图像时，图像数据进入主控系统，在主控系统内形成映射后，将反射镜面4的当前运动位置转换为对应的图像数据，并通过对激光器2的电流控制，来达到不同像素颜色值的显示。下面结合附图对本实施例的技术方案进行详细说明。
参见图2，双轴微扭转镜绕X轴扭转的运行轨迹为：
其中，A1为图像在水平方向的像素分辨率，f1为反射镜面4绕X轴1扭转的频率，t为镜面运动的时间，为X轴相位值。
双轴微扭转镜绕Y轴的运行轨迹为：
其中，A2为图像在垂直方向的像素分辨率，f2为反射镜面4绕Y轴3运行的频率，t为反射镜面运动的时间，为Y轴相位值。
在图2所示图中，我们列举了一个双轴微扭转镜分别绕两轴做简谐振动波形，并将两个轴的分辨率分别划分为A1＝1024和A2＝768，其中纵坐标代表简谐振荡振幅，也就是图片分辨率。横坐标代表时间单位，也就是上述公式中的t值。
本实施例分别采用以上两个正弦波分别来表示二维数据的两个维度，叠加后便可绘制形成如图3所示的对应显示画面分辨率的李萨如扫描图像。此图我们列举了一个1024*768分辨率的李萨如扫描图，横纵坐标分别代表像素值。
参见图4，李萨如扫描矩阵为：
将反射镜面的李萨如运动轨迹离散化，得到一组等时间间隔的运动位置，即离散的正弦波数据(X(t)，Y(t))，其中X(t)和Y(t)分别是反射镜面4在X轴和Y轴上的运动幅值。得到一个分辨率为1024*768的整数矩阵，该矩阵即为最终投影所填充的像素位置。统计该矩阵没有被扫描上的像素数量，计算出未被覆盖像素比例，(1减去未被覆盖像素比例)即可得到当前频率下的像素覆盖率。
参见图5，将图像的RGB三色数据以1024*768的矩阵方式存储在主控系统的数据缓冲区内。其中，1024为图像在水平方向的像素个数，768为图像在竖直方向的像素个数。例如，第一行按照原始数据排列顺序存储，预留地址为0x000～0x7FF，假设每行数据小于0x800个数据，则存储完最后一个输入数据后，直接跳转到0x800，开始等待接收，并存储第二行数据。重复该过程直至完成全部图像数据的存储。
选择合适覆盖率对应的双轴微扭转镜的振动频率，本实施例选取97.38％以上的覆盖率一组，记录下相对振动频率4.143K和25.8665K，让双轴微扭转镜绕相互垂直的X轴，Y轴以该频率简谐振动，反射镜面就会形成一个李萨如运动曲线。
主控系统将存储的图像数据与反射镜面的运动位置形成映射，首先将双轴微扭转镜的反射镜面的运动轨迹离散化，得到一组等时间间隔的运动位置；然后按照固定时间间隔依次采集反射镜面的运动位置，并将当前运动位置与数据缓冲区内的数据存储位置形成一一对应的映射关系。
主控系统根据反射镜面随时间变化的运动位置依次读取数据缓冲区内存储的图像的RGB三色数据；主控系统按照依次读取的RGB三色数据转化为模拟电流；以该模拟电流作为激光器的输入电流进行激光发射。
激光器发出激光并经反射镜面反射后形成投影图像，即可得到高帧率投影图像。最终的效果如图4所示，矩阵中1为该像素被扫描到，0为该像素没有被扫描，也就是该像素缺失。

Claims (8)

1.基于Lissajous图形扫描实现高刷新率高分辨率投影方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据双轴微扭转镜的反射镜面绕X轴，Y轴的振动频率区间，选择多组频率组合，根据预设投影帧率及投影分辨率A1×A2计算覆盖率；其中，A1为图像在水平方向的像素个数，A2为图像在竖直方向的像素个数；
步骤二：记录步骤一得出的最大覆盖率下对应的振镜振动频率，控制双轴微扭转镜的反射镜面绕相互垂直的X轴和Y轴以记录的振动频率均做扭转式简谐振动；
步骤三：将待投影图像的RGB三色数据以A1×A2的矩阵方式存储在数据缓冲区内；
步骤四：将双轴微扭转镜的反射镜面的运动位置与数据缓冲区内的数据存储位置形成映射；
步骤五：根据反射镜面随时间变化的运动位置依次读取数据缓冲区内存储的图像的RGB三色数据；
步骤六：按照步骤五依次读取的RGB三色数据调制激光器发出激光。
2.根据权利要求1所述的基于Lissajous图形扫描实现高刷新率高分辨率投影方法，其特征在于，步骤一具体为：
1.1)根据预设的投影帧率Xfps计算每帧投影所需要的时间Time；
1.2)双轴微扭转镜的反射镜面绕X轴，Y轴的运行轨迹为两路正弦波的叠加，根据两路正弦波的合运动轨迹，得到像素矩阵；
双轴微扭转镜的反射镜面绕X轴的运行轨迹为：
A1为图像在水平方向的像素个数，f1为X轴运行的频率，t为振镜运动的时间，为X轴相位偏移值；
双轴微扭转镜的反射镜面绕Y轴的运行轨迹为：
其中，A2为图像在垂直方向的像素个数，f2为Y轴运行的频率，t为振镜运动的时间，为Y轴相位偏移值；
通过下述方法并离散t得到像素矩阵：
其中，得到的(X(t),Y(t))为一帧的Lissajous扫描矩阵；
对该矩阵进行四舍五入：
得到一个分辨率为A1×A2的整数矩阵，该矩阵即为最终投影所填充的像素位置即像素矩阵(X(t1),Y(t1))；
1.3)统计像素矩阵中没有被扫描上的像素数量，计算未被覆盖像素比例，通过1减去未被覆盖像素比例，得到当前频率下的像素覆盖率。
3.根据权利要求1所述的基于Lissajous图形扫描实现高刷新率高分辨率投影方法，其特征在于，步骤四包括：
4.1)将双轴微扭转镜的反射镜面的运动轨迹离散化，得到一组等时间间隔的运动位置；
4.2)按照固定时间间隔依次采集反射镜面的运动位置，并将当前运动位置与步骤三)中的数据缓冲区内的数据存储位置形成一一对应的映射关系。
4.根据权利要求1所述的基于Lissajous图形扫描实现高刷新率高分辨率投影方法，其特征在于，步骤六包括：
6.1)将依次读取的RGB三色数据转化为模拟电流；
6.2)以所述模拟电流作为激光器的输入电流进行激光发射。
5.一种实现权利要求1-4任一所述的投影方法的投影仪，其特征在于：包括双轴微扭转镜、主控系统和激光器；所述双轴微扭转镜包括反射镜面，所述反射镜面能够同时绕相互垂直的X轴和Y轴均做扭转式简谐振动；所述主控系统用于存储图像数据并将存储的图像数据与反射镜面的运动位置形成映射；所述激光器根据存储的图像数据的像素颜色值发出激光并经反射镜面反射后形成投影图像。
6.根据权利要求5所述的实现权利要求1-4任一所述的投影方法的投影仪，其特征在于：所述主控系统包括一个以A1×A2的矩阵方式存储图像数据的数据缓冲区。
7.根据权利要求5所述的实现权利要求1-4任一所述的投影方法的投影仪，其特征在于：所述投影仪还包括反馈系统，所述反馈系统用于反馈双轴微扭转镜当前所在位置，并根据映射图像数据调整激光器的光强度。
8.根据权利要求5所述的实现权利要求1-4任一所述的投影方法的投影仪，其特征在于：所述激光器为红、绿、蓝三色激光器。
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