CN108398779A - 一种基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光投影显示领域，涉及一种基于振镜的激光投影显示方法，尤其涉及一种基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法及系统。使振镜绕两轴谐振，扫描轨迹呈螺旋线扫描，利用扫描轨迹实现投影，解决了目前基于MEMS振镜的激光投影显示通过李萨如扫描和光栅扫描方法中出现的算法复杂、投影分辨率低及振镜谐振频率过低，抗振能力低等问题。

Description

一种基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法及系统

技术领域

本发明属于激光投影显示领域，涉及一种基于振镜的激光投影显示方法，尤其涉及一种基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法及系统。

背景技术

近几年随着虚拟现实(VR，Virtual Reality)和增强现实(AR，AugmentedReality)技术的发展，其应用已进入航空、工业、医学、教育、娱乐等各领域，国内外各大厂商相继推出了多款VR、AR投影设备，其中最受关注的是基于头显的智能眼镜，投影显示方向主要有：基于LCOS、OLED等显示屏成像显示，如Google Glass、Oculus Rift、索尼ProjectMorpheus、三星Gear VR、HTC Vive等；基于DLP投影，如微软Hololens；显示屏幕变得更小、更薄、更贴近眼睛；将图片、影像直接投射到视网膜是发展趋势，如基于DLP投影的AvegantGlyph，但更小的屏幕往往会牺牲画质；而基于MEMS振镜的激光投影显示，可实现显示屏或DMD的投影效果，代替显示屏或DMD实现投影，同时以其体积小、功耗低、寿命长、画面表面能力优越，很好的满足了对微投影模块的需求。

目前基于MEMS振镜的激光投影显示主要通过李萨如扫描和光栅扫描两种方式实现。李萨如图形扫描：振镜两轴均处于谐振状态，扫描路径斜向交叉排列，且中间较四周稀疏，划分像素时需配合扫描路径的分布，算法复杂；如果要得到高的分辨率投影，则需要很高的谐振频率，很难实现。光栅扫描：激光经振镜反射后，扫描路径简单逐行排列，投影算法简单，得到的投影图像均匀性好。但其中一轴工作在非谐振状态，为了得到较大转角，需增大驱动力，并降低扭转梁的刚度，但会带来振镜谐振频率过低，抗振能力也会明显降低的问题，使用过程中很容易破损。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法，使振镜绕两轴谐振，扫描轨迹呈螺旋线扫描，解决了目前基于MEMS振镜的激光投影显示通过李萨如扫描和光栅扫描方法中出现的算法复杂、投影分辨率低及振镜谐振频率过低，抗振能力低等问题。

本发明的技术解决方案是：一种基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法，包括以下步骤：

步骤一：控制振镜实现螺旋线扫描；

1.1)、令振镜绕其x轴及y轴的运动轨迹方程为：

式中，A、B分别为振镜绕x轴和y轴振动的最大幅值，f为振镜绕x轴和y轴的谐振频率，t为振镜振动时间，为振镜绕x轴运动的初始相位，φ是振镜绕x轴和y轴运动的相位差；

1.2)、控制振镜绕x轴和y轴振动的幅值经过N个周期后增大至最大幅值，后经过N₁个周期，最大幅值减小，使振镜回到初始位置，维持t₀时间，其中t₀≥0；

1.3)、重复步骤1.2)，重复扫描；

步骤二：利用步骤一振镜的扫描轨迹实现投影；

2.1)、像素点划分，包括以下三类方式；

a)、沿扫描轨迹，间隔取设定长度的扫描轨迹作为像素点；

b)、沿扫描轨迹等角度(即按时间长短)划分像素点，各角度所对应的弧长作为像素点，每个螺旋周具有相同数目的像素点；

c)、将扫描轨迹按正交网格划分，使得每个正交网格都有扫描轨迹经过，将每个网格作为像素点；

2.2)投影；

振镜扫描轨迹运动至所需投影图像区域时，根据扫描到对应投影图像区域像素点的时间点，控制激光光源点亮。

优选地，为了实现阿基米德螺旋线扫描，步骤1.2)中，在(2nT，N/f+2nT)时间段内，控制振镜绕x轴和y轴振动的幅值相等，且控制振镜绕x轴和y轴振动的幅值经过N个周期后线性增大至最大幅值，后经过N₁个周期，最大幅值减小，使振镜回到初始位置；同时控制φ等于π/2；

其中n为不小于0的整数，T为振镜扫描周期，t₀为振镜回到初始位置时停留时间；

优选地，步骤1.2)中后N₁个周期内，控制振镜绕x轴和y轴振动的幅值线性减小或快速减小，使振镜回到初始位置。

优选地，步骤2.1)中a)，沿扫描轨迹间隔等长度划分像素点。

通过上述像素划分可能会存在以下问题：中间部分扫描速度慢，四周扫描速度快，单个周期中，若划分等长的线段直接作为像素点，可能会带来中间亮，四周暗的问题。

优选地，为了保证像素点的大小和亮度的一致性，步骤2.2)中，实时调节激光光源光功率；

当投影图像区域像素点光线亮度较弱时，提高激光光源出射光功率；

当投影图像区域像素点光线亮度较强时，降低激光光源出射光功率。

优选地，为了保证像素点的大小和亮度的一致性，步骤2.2)中，对于投影图像区域像素点光线亮度较弱的投影图像区域像素点还可以进行多次扫描。

优选地，为了保证像素点的大小和亮度的一致性，还可以在步骤2.1)中沿扫描轨迹间隔不等长度划分像素点，位于中心的扫描轨迹像素点长度小于位于外围的扫描轨迹像素点长度。

优选地，上述振镜为双轴振镜，上述双轴振镜包括相互正交的x轴和y轴，或所述振镜为两个单轴振镜，两个单轴振镜的扭转轴异面相互正交，其中一个为x轴，一个为y轴。

本发明还提供一种实现上述的一种基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法的系统，其特殊之处在于：包括激光光源、激光器控制模块、振镜及振镜控制模块；

上述激光器控制模块用于调质激光光源；

上述振镜包括两个相互正交的扭转轴；

上述振镜控制模块用于实时控制振镜振动；

上述激光光源发射光束入射至振镜，经振镜反射出激光线进行扫描。

本发明还提供另外一种实现上述的一种基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法的系统，其特殊之处在于：包括激光光源、激光器控制模块、两个振镜及两个振镜控制模块；

上述激光器控制模块用于调质激光光源；

两个振镜均具有一个扭转轴；两个振镜的扭转轴异面相互正交；

振镜控制模块用于实时控制振镜振动；

上述激光光源发射光束入射至其中一个振镜，反射后经另一个振镜反射出激光线进行扫描。

本发明的有益效果是：

本发明基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法，在该扫描方式下振镜两轴同时工作在谐振模态下，所需驱动力小，且不用降低扭转梁刚度牺牲其抗振性能；同时扫描路径类似光栅扫描，扫描路径由内而外或由外而内有序排列，投影算法简单，投影画面均匀，且可投影出和视网膜感光细胞分布密度一致的图像。

附图说明

图1为实施例一中基于双轴振镜的螺旋线扫描激光投影系统图；

图2a为阿基米德螺旋线投影；

图2b为图2a投影局部放大图；

图3a为等周期返回初始位置的阿基米德螺旋线投影轨迹；

图3b为实现图3a投影轨迹所需振镜幅值；

图4a为快速返回初始位置的非阿基米德螺旋线投影轨迹；

图4b为快速返回初始位置的阿基米德螺旋线投影轨迹；

图4c为实现图4a投影轨迹所需振镜幅值；

图5a为沿扫描轨迹划分像素示意图；

图5b为图5a中沿扫描轨迹划分像素局部放大图；

图6为当N等于4时，沿扫描轨迹划分像素成像示意图；

图7a为双向扫描轨迹正交网格像素划分示意图；

图7b为单向扫描轨迹正交网格像素划分示意图；

图8为当N等于24时，正交网格像素划分成像示意图；

图9为单螺旋等周期像素划分示意图；

图10为实施例二中激光投影系统图；

图11a为一种非标准阿基米德曲线；

图11b为另一种非标准阿基米德曲线。

图中附图标记为：1-激光光源，2-激光光源控制模块，3-双轴振镜，31-振镜反射面，32-x轴，33-y轴，4-振镜控制模块，5-第一单轴振镜，6-第二单轴振镜；

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

实施例一

从图1可以看出，本实施例投影系统主要包括：激光光源1、激光光源控制模块2、振镜3及振镜控制模块4。其中激光光源1可入射到振镜反射面31上，从振镜反射面31反射出的激光线扫描得到投影图像。

其中，激光光源1给该投影系统提供光源，激光光源可以是单色激光，也可以是多波段融合激光；激光光源控制模块2可实现激光光源调质，实时完成对激光光源亮度从零到最大值的调节。

其中，双轴振镜3具有相同频率的绕两个正交轴(x轴32和y轴33)扭转的模态，双轴振镜3绕轴谐振时，分别调节两轴的幅值即可实现特定轨迹的2D扫描，其中振镜控制模块4可实时控制双轴振镜3的振动，如调节双轴振镜3振动频率和振动幅值。设双轴振镜3绕两轴的谐振频率都为f，设其运动方程如下：

其中，A、B分别是双轴振镜3绕x轴和y轴振动的最大幅值；

是绕x轴运动的初始相位；

φ是两轴运动的相位差；

t为振镜振动时间；

若A、B是和双轴振镜3振镜振动时间相关的周期性函数，则双轴振镜3即可实现螺旋线扫描。假设双轴振镜3经过N个周期从初始位置扫描至幅值最大位置，后从幅值最大位置减小驱动力，N₁(N₁<N)个周期后回至初始位置，t₀(t₀>＝0)时间后，周而复始，扫描轨迹如图4a、图4b，图中实线是双轴振镜3由初始位置向最大幅值位置扫描的轨迹，虚线则表示从幅值最大值位置返回至初始位置的扫描轨迹，则双轴振镜3投影扫描周期：

不妨假设双轴振镜3绕两个正交轴的幅值A、B与振镜振动时间t线性相关，设：

则：

阿基米德螺旋线是相对较简单、较易实现的螺旋线，且螺旋线线条轨迹间隔一致，均匀，便于用来投影成像，若实现双轴振镜从初始位置扫描至幅值最大值过程中扫描轨迹是阿基米德螺旋线，则需满足条件：

1)、A＝B；即A₀＝B₀；A₁＝B₁；

2)、

即：设置双轴振镜绕两轴扭转幅值相同，相位相差π/2，在(2nT，N/f+2nT)时间段内，投影图像是阿基米德螺旋线，如图2a及2b所示。

此时，双轴振镜扫描可实现最高刷新率为：

要实现上述扫描轨迹，则双轴振镜的振动幅值如图4b，控制驱动信号使双轴振镜前N个周期幅值线性增大，后N₁个周期快速减小使双轴振镜回到初始位置，后维持t₀时间，周而复始。其中，对驱动信号的控制，包括对控制信号类型，信号频率、信号幅值、及占空比的单项调节或综合调节。

为了利用上述双轴振镜的扫描轨迹(从初始位置到幅值最大)实现投影，需要对其扫描轨迹进行像素点划分，如图5a及图5b所示，图5b是实现像素划分的局部放大图，具体通过取特定长度的扫描轨迹作为像素点，通过控制激光光源发光的时间点与时长，实现特定图形的投影。

如图6示，假设用双轴振镜得到N＝4的螺旋线，沿螺旋线等长划分作为像素点，四层螺旋线共得到：5+11+17+23＝56个像素点，双轴振镜扫描轨迹运动至图示加黑区域时，控制激光光源点亮，其余部分激光光源不工作，则可以得到“|”的投影图像。

扫描轨迹非阿基米德螺旋线：

当或A≠B时，扫描轨迹不再是阿基米德螺旋线，调节振镜绕两轴振动相位差，或幅值比，可根据实际需要，调节投影区图幅的比例和角度，得到如图11a及图11b所示的非标准阿基米德曲线用于投影显示，像素划分方式同前述。

振镜实现扫描轨迹的振动过程中，扫描速度周期变化，为了防止其带来投影区域亮度不均，可实时调节激光光源光功率或控制像素点大小，或对于光线亮度较弱的区域像素点进行多次扫描，使图形区域亮度一致，改善投影效果。

实施例二

从图10可以看出，本实施例激光投影系统，包括：激光光源1、激光光源控制模块2、第一单轴振镜5、第二单轴振镜6及振镜控制模块4。其中激光光源1可入射到第一单轴振镜5的第一单轴振镜反射面上，再反射至第二单轴振镜反射面上，从第二单轴振镜6反射面出射的激光线投射出投影图像。

其中，激光光源1给该投影系统提供光源，激光光源可以是单色激光，也可以是多波段融合激光，激光光源控制模块2可实现激光光源调质，实时完成激光光源亮度从零到最大值的调节。

其中，两单轴振镜呈一定夹角布置，且两轴正交，分别调节两单轴振镜即可实现2D扫描，其中振镜控制模块可实时控制振镜的振动，如调节振镜振动频率和振动幅值。设两单轴振镜同频振动，且谐振频率都为f，设其运动方程如下：

其中，A、B分别是两单轴振镜振动的最大幅值；

是第一单轴振镜5运动的初始相位；

φ是两单轴振镜运动的相位差；

若A、B是和单轴振镜振动时间相关的周期性函数，则该两单轴振镜组合投影即可实现螺旋线扫描。假设两单轴振镜经过N’个周期从初始位置移至幅值最大，后从幅值最大处减小驱动力，N’个周期后回至初始位置，t₀’(t₀’≥0)时间后，周而复始，扫描轨迹如图4a及图4b，图中实线是两单轴振镜由初始位置向最大幅值扫描的轨迹，虚线则表示从最大值返回至初始位置的扫描轨迹，则振镜投影扫描周期：

不妨假设两单轴振镜的幅值A、B与振镜振动时间t线性相关，设：

阿基米德螺旋线是最简单、最易实现的螺旋线，且螺旋线线条轨迹间隔一致、均匀，便于用来投影成像，若实现振镜从初始位置扫描至幅值最大值过程中扫描轨迹是阿基米德螺旋线，则需满足条件：

1)、A＝B；即A₀＝B₀；A₁＝B₁；

2)、

即：设置两单轴振镜扭转幅值相同，相位相差为π/2，在(2nT，N/f+2nT)时间段内，投影图像是阿基米德螺旋线，如图2a与图2b。

此时两单轴振镜扫描图像可实现最高刷新率为：

要实现上述扫描轨迹(图3a)，控制两单轴振镜使其振动幅值如图3b，控制驱动信号使其前N’个周期幅值线性增大，后N’个周期线性减小使至振镜回到初始位置，后维持t₀’时间，周而复始。

为了利用上述两单轴振镜的扫描轨迹实现投影，需要对其扫描轨迹进行像素点划分，在此把扫描轨迹用正交网格划分，保证每个网格均有轨迹线通过，并把每个网格作为一个像素点，进行特定图像投影时，通过控制激光光源经过所需像素网格内扫描轨迹的亮度，即可实现特定图形的投影。在此，利用的扫描线可以是双向扫描轨迹线，如图7a，也可以是单向扫描轨迹线如图7b。如图8示假设用振镜得到N＝24的螺旋线，用正交网格把投影区域进行划分，保证每个网格都有螺旋线通过，则把每个网格作为一个像素点，振镜扫描轨迹运动至图示阴影区域时，控制激光光源点亮，则可以得到“L”的投影图像。

实施例三

从图1可以看出，本实施例投影系统主要包括：激光光源1、激光光源控制模块2、振镜3及振镜控制模块4。其中激光光源1可入射到振镜反射面31上，从振镜反射面31反射出的激光线扫描得到投影图像。

其中，激光光源1给该投影系统提供光源，激光光源可以是单色激光，也可以是多波段融合激光；激光光源控制模块2可实现激光光源调质，实时完成对激光光源亮度从零到最大值的调节。

其中，双轴振镜3具有相同频率的绕两个正交轴(x轴32和y轴33)扭转的模态，双轴振镜3绕轴谐振时，分别调节两轴的幅值即可实现特定轨迹的2D扫描，其中振镜控制模块4可实时控制双轴振镜3的振动，如调节双轴振镜3振动频率和振动幅值。设双轴振镜3绕两轴的谐振频率都为f，设其运动方程如下：

其中，A、B分别是双轴振镜3绕x和y轴振动的最大幅值；

是绕x轴运动的初始相位；

φ是两轴运动的相位差；

t为振镜振动时间；

若A、B是和双轴振镜振动时间相关的周期性函数，则双轴振镜即可实现螺旋线扫描。假设双轴振镜经过N个周期从初始位置扫描至幅值最大位置，后从幅值最大位置减小驱动力，N₁(N₁<N)个周期后回至初始位置，t₀(t₀>＝0)时间后，周而复始，扫描轨迹如图4a及图4b，图中实线是双轴振镜由初始位置向最大幅值位置扫描的轨迹，虚线则表示从幅值最大值位置返回至初始位置的扫描轨迹，则双轴振镜投影扫描周期：

不妨假设双轴振镜两轴的幅值A、B与时间t线性相关，设：

则：

阿基米德螺旋线是相对较简单、较易实现的螺旋线，且螺旋线线条轨迹间隔一致，均匀，便于用来投影成像，若实现振镜从初始位置扫描至幅值最大值过程中扫描轨迹是阿基米德螺旋线，则需满足条件：

1)、A＝B；即A₀＝B₀；A₁＝B₁；

2)、

即：设置双轴振镜绕两轴扭转幅值相同，相位相差为π/2，在(2nT，N/f+2nT)时间段内，投影图像是阿基米德螺旋线，如图2a及2b所示。

此时，双轴振镜扫描可实现最高刷新率为：

要实现上述扫描轨迹，则双轴振镜的振动幅值如图4c，控制驱动信号使双轴振镜前N个周期幅值线性增大，后N₁个周期快速减小使双轴振镜回到初始位置，后维持t₀时间，周而复始。其中，对驱动信号的控制，包括对控制信号类型，信号频率、信号幅值、及占空比的单项调节或综合调节。

为了利用上述双轴振镜的扫描轨迹(从初始位置到幅值最大)实现投影，需要对其扫描轨迹进行像素点划分，如图9示，是实现单螺旋等周期像素划分的局部放大示意图，双轴振镜扫描螺旋线过程中，控制激光光源的角度，把每个螺旋周等角度(等周期)划分像素点，各角度对应的弧长即为像素点，每个螺旋周包括数量相等的像素点，即把每个螺旋周分为特定数目的像素点。如此像素划分方式，要实现等效于刷新率30Hz，分辨率640*480的图像，需307200像素点，300个螺旋周，每个螺旋周划分为1024个像素点即可实现，需要的振镜的振动频率约为9KHz。

Claims (10)

1.一种基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：控制振镜实现螺旋线扫描；

1.1)、令振镜绕其x轴及y轴的运动轨迹方程为：

式中，A、B分别为振镜绕x轴和y轴振动的最大幅值，f为振镜绕x轴和y轴的谐振频率，t为振镜振动时间，为振镜绕x轴运动的初始相位，φ是振镜绕x轴和y轴运动的相位差；

1.2)、控制振镜绕x轴和y轴振动的幅值经过N个周期后增大至最大幅值，后经过N₁个周期，最大幅值减小，使振镜回到初始位置，维持t₀时间，其中t₀≥0；

1.3)、重复步骤1.2)，重复扫描；

步骤二：利用步骤一振镜的扫描轨迹实现投影；

2.1)、像素点划分，包括以下三类方式；

a)、沿扫描轨迹，间隔取设定长度的扫描轨迹作为像素点；

b)、沿扫描轨迹等角度划分像素点，各角度所对应的弧长作为像素点，每个螺旋周具有相同数目的像素点；

c)、将扫描轨迹按正交网格划分，使得每个正交网格都有扫描轨迹经过，将每个网格作为像素点；

2.2)投影；

振镜扫描轨迹运动至所需投影图像区域时，根据扫描到对应投影图像区域像素点的时间点，控制激光光源点亮。

2.根据权利要求1所述的基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法，其特征在于：

步骤1.2)中，在(2nT，N/f+2nT)时间段内，控制振镜绕x轴和y轴振动的幅值相等，且控制振镜绕x轴和y轴振动的幅值经过N个周期后线性增大至最大幅值，后经过N₁个周期，最大幅值减小，使振镜回到初始位置；同时控制φ等于π/2；

其中n为不小于0的整数，T为振镜扫描周期，t₀为振镜回到初始位置时停留时间。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法，其特征在于：步骤1.2)中后N₁个周期内，控制振镜绕x轴和y轴振动的幅值线性减小或快速减小，使振镜回到初始位置。

4.根据权利要求3所述的一种基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法，其特征在于：步骤2.1)中a)，沿扫描轨迹间隔等长度划分像素点。

5.根据权利要求4所述的一种基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法，其特征在于：步骤2.2)中，实时调节激光光源光功率；

当投影图像区域像素点光线亮度较弱时，提高激光光源出射光功率；

当投影图像区域像素点光线亮度较强时，降低激光光源出射光功率。

6.根据权利要求4所述的一种基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法，其特征在于：步骤2.2)中，对于投影图像区域像素点光线亮度较弱的投影图像区域像素点进行多次扫描。

7.根据权利要求3所述的一种基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法，其特征在于：步骤2.1)中沿扫描轨迹间隔不等长度划分像素点，位于中心的扫描轨迹像素点长度小于位于外围的扫描轨迹像素点长度。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法，其特征在于：所述振镜为双轴振镜，所述双轴振镜包括相互正交的x轴和y轴，或所述振镜为两个单轴振镜，两个单轴振镜的扭转轴异面相互正交，其中一个为x轴，一个为y轴。

9.一种实现权利要求1-7任一所述的一种基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法的系统，其特征在于：包括激光光源、激光器控制模块、振镜及振镜控制模块；

所述激光器控制模块用于调质激光光源；

所述振镜包括两个相互正交的扭转轴；

所述振镜控制模块用于实时控制振镜振动；

所述激光光源发射光束入射至振镜，经振镜反射出激光线进行扫描。

10.一种实现权利要求1-7任一所述的一种基于振镜的螺旋线扫描激光投影方法的系统，其特征在于：包括激光光源、激光器控制模块、两个振镜及两个振镜控制模块；

所述激光器控制模块用于调质激光光源；

两个振镜均具有一个扭转轴；两个振镜的扭转轴异面相互正交；

振镜控制模块用于实时控制振镜振动；

所述激光光源发射光束入射至其中一个振镜，反射后经另一个振镜反射出激光线进行扫描。