CN108663880A - 使用多个激光源的mems投影仪 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种电子设备，包括：第一激光源，被配置成投射第一激光束，和第二激光源，被配置成投射第二激光束，第二激光束在第一方向上与第一激光束对齐但在第二方向上相对于第一激光束成角度。镜装置被定位以便反射第一和第二激光束。控制电路被配置成控制镜装置在第一扫描图案中同时反射第一和第二激光束以形成第一图像，第一图像从具有大于镜装置以其进行振荡的水平共振频率除以第一图像的期望帧率的两倍的数目的扫描线的第一扫描图案形成。

Description

使用多个激光源的MEMS投影仪
技术领域
本公开总体涉及图像扫描，并且更特别地涉及用于由激光扫描投影仪使用的扫描方法，该激光扫描投影仪利用多个激光来提供增加的显示分辨率。
背景技术
由微机电系统(MEMS)部件构造的激光扫描投影仪可以相对小，并因此被实施成诸如微型投影仪、可穿戴设备、激光雷达和智能头灯等的易于携带的设备。这些激光扫描投影仪可以用于在屏幕、墙壁、镜头(在可穿戴的智能眼镜的情况中)或用户的皮肤(在可穿戴的智能手表的情况中)上显示固定或移动的视频图像。由于现代数字媒体往往呈高清晰度格式，所以这样的激光扫描投影仪的图像再现的质量在商业环境中是重要的。
限定图像质量的一些参数是图像锐度(其确定单个图像可以传达的细节的量)、噪声水平(这是图像密度的随机变化，作为图像中的颗粒和数字图像中的像素水平变化可见)、对比度(这是色调响应曲线的斜率)和失真(即，引起直线在图像的边缘附近弯曲的像差)。
图像越大，根据上面限定的参数以高质量显示图像就越具有挑战性。这是激光扫描投影仪制造商遇到的挑战。然而，利用基于MEMS的激光扫描投影仪，该挑战可能会大幅地增加。MEMS激光扫描投影仪可能使用基于调制激光源和反射镜机构的非常小、复杂、脆弱的扫描镜架构，并且仍然存在着与导致降低图像质量的MEMS激光投影仪相关联的若干问题。
一般情况下，MEMS激光扫描投影仪通过将红色、绿色和蓝色激光束光学地组合以形成RGB激光束、并接着将RGB激光束引导到或者双轴镜或者一前一后地工作的一组两个单轴镜来起作用。镜或多个镜被控制，以便以一定速率的速度在一系列的竖直间隔开的水平线上移动或“扫描”激光，使得人眼感知到完整的图像。
MEMS镜的质量致使其极其难以根据阶梯函数来操作镜或多个镜。因此，连续地执行竖直扫描，其中典型的所得到的扫描图案被示出在图1A中。如图所示，水平扫描线是倾斜的。这可能造成图像未正确地显示—如可以注意到的，图像中的一些部分永远不会被扫描到而其他的部分被扫描两次。因此，上面所描述的该常见的扫描方法可能造成不连续的图像，这在商业上是不期望的。
因此，已进行了广泛的研究和开发以产生新的扫描方法和技术。Goren在美国专利公开2011/0234898中描述了一种这样的示例性扫描技术。在该专利申请中，以第一扫描图案扫描激光，示出在图1B中。一旦形成了第一扫描图案，就接着以示出在图1C中的第二扫描图案扫描该激光。在这些扫描图案中，每个扫描线SL0-SL7由激光从扫描线的一角移动至该扫描线的对角线上的相对角形成。第一与第二扫描图案之间的扫描时段足够快速，使得人眼感知到单个图案，如图1D中所示。不同扫描图案的使用有助于校正上面所描述的不连续图像的问题。
然而，归因于镜或多个镜的质量且归因于其构造上的物理限制，使用以上技术来生成具有HD或高于HD分辨率的图像可能极其困难—它可能不能以快到足以生成例如必要数目的扫描线的速率来移动镜。
因此，需要在扫描激光投影仪的领域中的进一步的开发。
附图说明
图1A示出用于根据现有技术的扫描激光投影仪的典型扫描图案。
图1B示出用于根据现有技术的双帧扫描激光投影仪的第一扫描图案。
图1C示出用于根据现有技术的双帧扫描激光投影仪的第二扫描图案。
图1D示出由双帧扫描激光投影仪形成的图像的对人眼的显现。
图2示出待用来形成本文公开的扫描图案的MEMS双激光投影仪。
图3示出待用来形成本文公开的扫描图案的MEMS双激光投影仪的另一实施例。
图4A示出用于根据本公开的双帧扫描MEMS双激光投影仪的第一扫描图案。
图4B示出用于本公开的双帧扫描MEMS双激光投影仪的第二扫描图案。
图4C示出由本公开的MEMS双帧扫描双激光投影仪形成的图像的对人眼的显现。
图5示出包含本文公开的双帧扫描双激光投影仪的电子设备。
图6示出待用来形成本文公开的扫描图案的利用红外激光的MEMS双激光投影仪。
发明内容
该发明内容被提供以引入下面在详细描述中进一步描述的构思的选择。该发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键和重要特征，也不旨在用作在限制所要求保护的主题的范围时的帮助。
本文公开了一种电子设备，包括：第一激光源，被配置成投射第一激光束，和第二激光源，被配置成投射第二激光束，第二激光束在第一方向上与第一激光束对齐但在第二方向上相对于第一激光束成角度。镜装置被定位以便反射第一和第二激光束。控制电路被配置成控制镜装置在第一扫描图案中同时反射第一和第二激光束，以形成第一图像，第一图像从具有大于镜装置以其进行振荡的水平共振频率除以第一图像的期望帧率的两倍的数目的扫描线的第一扫描图案形成。
控制电路可以控制镜装置，使得第一扫描图案的扫描线的数目等于镜装置以其进行振荡的水平共振频率除以第一图像的期望帧率的四倍。
控制电路可以进一步被配置成控制镜装置在不同于第一扫描图案的第二扫描图案中同时反射第一和第二激光束，以形成第二图像，其中第二图像从具有等于大于镜装置以其进行振荡的水平共振频率除以第二图像的帧率的两倍的数目的扫描线的第二扫描图案形成。
第二图像可以从具有等于镜装置以其进行振荡的水平共振频率除以第二图像的帧率的四倍的数目的扫描线的第二扫描图案形成，并且第一图像可以从具有等于镜装置以其进行振荡的水平共振频率除以第一图像的帧率的四倍的数目的扫描线的第一扫描图案形成。
控制电路可以控制镜装置，使得在第二扫描图案中，第一和第二激光束从它们在第一扫描图案中的位置竖直地偏移至少一个扫描线。
控制电路可以控制镜装置以便在第一扫描图案与第二扫描图案之间交替。
控制电路可以控制镜装置，使得在第一扫描图案中，第一激光束从外周扫描线的第一边缘开始扫描，并且第二激光束从外周扫描线的第二边缘开始扫描。
控制电路可以控制镜装置，使得在第二扫描图案中，第一激光束从外周扫描线的中部开始扫描，并且第二激光束从外周扫描线的中部开始扫描。
控制电路可以控制镜装置，使得在第一扫描图案中，第一激光束和第二激光束在对多个扫描线的扫描期间保持水平地同步。
第一方向可以是水平方向，并且第二方向可以是竖直方向。
具体实施方式
以下讨论被呈现以使得本领域技术人员能够制作和使用本文公开的主题。本文描述的一般原理可以在不脱离本详细描述的精神和范围的情况下应用于除上面详述的那些以外的实施例和应用。本公开不旨在限于所示实施例，而是应被赋予与本文公开或建议的原理和特征一致的最宽范围。
本文公开了一种用于激光扫描投影仪的先进设计和用于其操作的方法。为了实现特定的像素密度，由激光投影仪在二维屏幕上形成的图像的覆盖率必须足够致密，以使得能够实现将光学功率传递到像素中的每一个。因此要求最小数目的线和每条线的像素。
现有技术的激光扫描投影仪使用水平镜进行操作，以沿着等于水平镜周期除以期望帧率的比率两倍的数目的线的图案来投射激光。换句话说，该数目是由现有技术的激光扫描投影仪产生的线，可以用数学方式表示为：
在下面示出常见的显示格式和其所需的水平共振的图表：
视频模式 分辨率 每英寸像素 帧率 水平共振
720p 1,280x720 921,600 72Hz 25.92kHz
1080p 1,920x1,080 2,073,600 60Hz 32.4kHz
1440p 2,560x1,440 3,686,400 60Hz 43.2kHz
如从表中可看出的，作为常见HD标准的1080p和1440p所需的水平共振频率分别是32.4kHz和43.2kHz。如下面将说明的，使用现有技术的扫描技术难以实现在这些水平共振频率的可靠操作。如下面将进一步说明的，通过使用本文公开的扫描技术，可以降低必要的水平共振频率。例如，在一些实例中，必要的水平共振频率可以降低到1/2倍。
激光在其出现在被投影的图像表面上时的尺寸是限定像素尺寸的基本单元。因此，得出结论，为了实现每条线期望数目的像素，并因此实现期望的分辨率，激光光斑的尺寸应该足够小，使得被投影的图像适合在二维屏幕上。
光斑尺寸可以通过与波长λ成正比且与镜直径D成反比的光学分辨率R来限定。该关系式可以用数学方式表示为：
用于上面示出的HD标准的高分辨率意味着使用较大的镜直径来获得较小激光光斑，使得可以对于给定尺寸的二维屏幕形成较高分辨率的图像。
较大的镜导致较大的惯性质量。这与其他设计考虑以及制造难度一起致使使用现有技术的扫描技术难以产生HD分辨率。
首先参照图2，现在描述解决上面的问题的激光扫描投影仪100。激光扫描投影仪100以微机电(MEMS)技术来实施。
激光扫描投影仪100包括第一调制激光源101a和第二调制激光源101b。第一调制激光源101a和第二调制激光源101b中的每一个由三个激光二极管(红色、绿色和蓝色)组成，它们通过相应的透镜组合以产生第一和第二成形激光束，该第一和第二成形激光束进而被接着朝向相应的RGB组合器105a和105b投射。第一RGB组合器105a产生第一RGB激光束107a，并且第二RGB组合器105b产生第二RGB激光束107b。
第一RGB激光束107a和第二RGB激光束107b接着被朝向包括两个镜112和114的镜机构110引导。控制电路130生成用于镜112和114的驱动信号，并且用于控制镜112和114。
镜112是作为快扫描(例如，8KHz至11KHz)共振镜的水平扫描镜(快轴镜)，并且镜114是作为慢扫描(例如，55Hz至80Hz)线性镜的竖直扫描镜(慢轴镜)。图像在竖直镜114的扫描周期时间期间被绘制出并且被投影在二维屏幕120上。
在图3中示出了更示意性的视图，该视图示出了RGB激光束107a和107b入射在镜机构110上并且由镜机构110反射。在这里，可以看出，第一RGB激光束107a与镜机构110形成第一入射角度a1，并且第二RGB激光束107b与镜机构110形成第二入射角度a2，其中第二入射角度a2等于第一入射角度a1+Δa。换句话说，第二RGB激光束107b将其激光在第一方向(即，水平方向)上与第一RGB激光107a对齐地但在第二方向(即，竖直方向)上相对于第一RGB激光107a成角度地投射。因此，从第一RGB激光107a投射在二维屏幕120上的光斑与从第二RGB激光107b产生在二维屏幕120上的光斑水平(第一方向)对齐，但与其以至少一个扫描线(在下面的示例中，该竖直间距是两个扫描线)竖直地(第二方向)间隔开。来自第一RGB激光107a和第二RGB激光107b的光斑被基本上同时形成在二维屏幕上。
在操作中，水平镜112在控制电路130的控制下以水平(快)扫描速率从第一边缘(即，左侧)到第二边缘(即，右侧)连续地扫描第一和第二RGB激光107a、107b并且再次往回。该移动随着竖直镜114也在控制电路130的控制下以比水平扫描速率慢的竖直扫描(慢)速率使第一RGB激光107a和第二RGB激光107b的光斑位置从第三边缘(即，顶侧，示出为扫描线SL7)到第四边缘(即，底侧，示出为扫描线SL0)连续地移位而重复。
在图4A中可以看出所得到的扫描图案。在这里，应该注意的是，水平扫描速率使得水平镜112使第一RGB激光107a和第二RGB激光107b横跨包括扫描线(即，扫描线SL7)的一半而不是全扫描线的展度移动。因此，对于从左边缘到右边缘的每一个完整的行程，第一RGB激光107a和第二RGB激光107b已扫描通过了两个扫描线(即，扫描线SL7-SL6)。换句话说，扫描线的数目大于水平镜112以其进行振荡的水平扫描速率除以期望帧率的两倍。在示出的示例中，扫描线的数目等于水平扫描速率的四倍；这意味着，对于给定数目的扫描线，本文公开的技术的水平扫描速率是现有技术的一半。这些新设想的技术的优点因此应该是显而易见的，因为它们对于给定水平扫描速率准许显示分辨率的加倍。
归因于两个RGB激光107a、107b的同时使用，使用本文中教导的较慢水平扫描速率由RGB激光107a、107b覆盖的总表面积等于使用现有技术的扫描速率由现有技术的一个激光的使用所提供的总表面积，提供了可接受的图像质量。
水平镜112和竖直镜114可以协作，以用如下多种方式重复地绘制图4A中示出的扫描图案：(1)从顶部开始，到达底部，并接着返回至顶部以开始再次从顶部到底部的扫描，(2)从顶部开始，到达底部，并接着开始从底部到顶部的扫描，(3)从底部开始，到达顶部，并接着返回至底部再次开始再次从底部到顶部的扫描，和(4)从底部开始，到达顶部，并接着开始从顶部到底部。
备选地，水平镜112和竖直镜114可以协作，以用如下各种方式代替地重复绘制图4B中示出的扫描图案：(1)从顶部开始，到达底部，并接着返回至顶部以开始再次从顶部到底部的扫描，(2)从顶部开始，到达底部，并接着开始从底部到顶部的扫描，(3)从底部开始，到达顶部，并接着返回至底部再次开始再次从底部到顶部的扫描，和(4)从底部开始，到达顶部，并接着开始从顶部到底部。
在另一实施例中，水平镜112和竖直镜114可以协作，以交替地绘制图4A中示出的扫描图案、接着绘制图4B中示出的扫描图案、接着绘制图4A中示出的扫描图案、接着绘制图4B中示出的扫描图案，如此循环往复。水平镜112和竖直镜114可以协作，以从顶部开始朝向底部扫描来自图4A至图4B的扫描图案两者，或者从底部开始朝向顶部扫描来自图4A至图4B的扫描图案两者。在一些情况中，水平镜112和竖直镜114可以代替地从顶部朝向底部扫描来自图4A的图案，并接着从底部朝向顶部扫描来自图4B的图案；或者，水平镜112和竖直镜114可以从底部朝向顶部扫描来自图4A的图案，并接着从顶部朝向底部扫描来自图4B的图案。
通过在这两个不同扫描图案之间交替，当由人眼感知到时，二维屏幕120的较大部分被覆盖，这可以在图4C中示出的表示中看出。
现在进一步描述图4A至图4B中示出的扫描图案的显现。尽管第一RGB激光107a和第二RGB激光107b例如在图4A中被水平地对齐且竖直地间隔开，但是由此绘制的线没有示出为被水平地对齐。为了理解扫描线SL0的显现，应该理解的是，如果要示出扫描线SL(-1)和SL(-2)，则在SL(-1)和SL(-2)中的激光二(虚线)将与SL0和SL1中的激光一(实线)水平地对齐。同样，如果要示出扫描线SL8和SL9，则激光一(实线)将与SL6和SL7中的激光二(虚线)水平地对齐。相同的逻辑适用于图4B中示出的扫描图案。
应该理解的是，激光扫描投影仪100可以包括超过两个的RGB激光，并且这些激光可以在各种定向上。所使用的各附加RGB激光可以进一步降低对于给定分辨率所需的水平共振频率，其中对于给定分辨率所需的水平共振频率上的总降低等于所使用的RGB激光的数目的倒数。还应该理解的是，可以使用与上面所描述的水平扫描频率不同的水平扫描频率，并且可以使用与上面所描述的扫描图案不同的扫描图案。也可以存在以任何顺序扫描的任何数目的所使用的扫描图案。另外，可以代替地在没有组合的情况下使用单色激光，而不是将三个激光组合成RGB激光。另外，应该理解的是，激光扫描投影仪100的定向可以使得水平镜、水平扫描和水平扫描速率实际上是竖直的，但是保持快轴镜、较快扫描方向和较快扫描速率。类似地，在该情况中，竖直镜、竖直扫描和竖直扫描速率变成水平的，但是保持慢轴镜、慢扫描方向和较慢扫描速率。操作保持相同。
参照图6，现在描述备选配置。在这里，激光扫描投影仪100’包括第一调制红外激光源101a’和第二调制红外激光源101b’。第一调制红外激光源101a’和第二调制红外激光源101b’的输出分别产生第一红外激光束107a’和第二红外激光束107b’。该激光扫描投影仪100’的操作如上面所描述地进行，其中差异是使用红外激光代替RGB激光。
参照图5，现在描述包含扫描激光投影仪100的便携式电子设备200。便携式电子设备200可以是智能手机、智能手表、平板计算机、膝上型计算机、可折叠的、可穿戴的、智能眼镜、激光雷达、智能头灯或其他手持设备。便携式电子设备200包括片上系统202或其他微处理器、用于向用户提供输出以及从其接收输入的触摸屏幕206、照相机208、诸如闪存RAM等的非易失性存储器210和为便携式电子设备200供电的电池112。片上系统202可以控制扫描激光投影仪100。
虽然本文讨论的主题可经受各种修改和备选构造，但是在图中示出了并且已在上面详细地描述了其某些图示出的实施例。然而，应该理解的是，不存在将权利要求限制为所公开的特定形式的意图，而是相反，意图是覆盖落入权利要求的精神和范围内的所有修改、备选构造和等同替换。

Claims (22)

1.一种电子设备，包括：
第一激光源，被配置成投射第一激光束；
第二激光源，被配置成投射第二激光束，所述第二激光束在第一方向上与所述第一激光束对齐但在第二方向上相对于所述第一激光束成角度；
镜装置，被定位以便反射所述第一激光束和所述第二激光束；和
控制电路，被配置成
控制所述镜装置在第一扫描图案中同时反射所述第一激光束和所述第二激光束，以形成第一图像，所述第一图像从具有大于所述镜装置以其进行振荡的水平共振频率除以所述第一图像的期望帧率的两倍的数目的扫描线的所述第一扫描图案形成。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述控制电路控制所述镜装置，使得所述第一扫描图案的扫描线的数目等于所述镜装置以其进行振荡的所述水平共振频率除以所述第一图像的所述期望帧率的四倍。
3.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述控制电路进一步被配置成控制所述镜装置在不同于所述第一扫描图案的第二扫描图案中同时反射所述第一激光束和所述第二激光束，以形成第二图像，所述第二图像从具有等于大于所述镜装置以其进行振荡的所述水平共振频率除以所述第二图像的帧率的两倍的数目的扫描线的所述第二扫描图案形成。
4.根据权利要求3所述的电子设备，其中所述第二图像从具有等于所述镜装置以其进行振荡的所述水平共振频率除以所述第二图像的帧率的四倍的数目的扫描线的所述第二扫描图案形成；并且其中所述第一图像从具有等于所述镜装置以其进行振荡的所述水平共振频率除以所述第一图像的帧率的四倍的数目的扫描线的所述第一扫描图案形成。
5.根据权利要求3所述的电子设备，其中所述控制电路控制所述镜装置，使得在所述第二扫描图案中，所述第一激光束和所述第二激光束从它们在所述第一扫描图案中的位置竖直地偏移至少一个扫描线。
6.根据权利要求3所述的电子设备，其中所述控制电路控制所述镜装置以便在所述第一扫描图案与所述第二扫描图案之间交替。
7.根据权利要求3所述的电子设备，其中所述控制电路控制所述镜装置，使得在所述第一扫描图案中，所述第一激光束从外周扫描线的第一边缘开始扫描，并且所述第二激光束从所述外周扫描线的第二边缘开始扫描。
8.根据权利要求7所述的电子设备，其中所述控制电路控制所述镜装置，使得在所述第二扫描图案中，所述第一激光束从所述外周扫描线的中部开始扫描，并且所述第二激光束从所述外周扫描线的所述中部开始扫描。
9.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述控制电路控制所述镜装置，使得在所述第一扫描图案中，所述第一激光束和所述第二激光束在多个扫描线的扫描期间保持水平地同步。
10.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第一方向是水平方向；并且其中所述第二方向是竖直方向。
11.一种电子设备，包括：
第一激光源，被配置成投射第一激光束；
第二激光源，被配置成投射第二激光束，所述第二激光束在第一方向上与所述第一激光束对齐但在第二方向上相对于所述第一激光束成角度；
镜装置，被定位以便反射所述第一激光束和所述第二激光束；
控制电路，被配置成
控制所述镜装置在第一扫描图案中同时反射所述第一激光束和所述第二激光束以形成第一图像，以及
控制所述镜装置在不同于所述第一扫描图案的第二扫描图案中同时反射所述第一激光束和所述第二激光束，以形成不同于所述第一图像的第二图像。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其中，在所述第二扫描图案中，所述第一激光束和所述第二激光束从它们在所述第一扫描图案中的位置竖直地偏移至少一个扫描线。
13.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述控制电路控制所述镜装置以便在所述第一扫描图案与所述第二扫描图案之间交替。
14.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述控制电路控制所述镜装置，使得在所述第一扫描图案中，所述第一激光束从外周扫描线的第一边缘开始扫描，并且所述第二激光束从所述外周扫描线的第二边缘开始扫描。
15.根据权利要求14所述的电子设备，其中所述控制电路控制所述镜装置，使得在所述第二扫描图案中，所述第一激光束从所述外周扫描线的中部开始扫描，并且所述第二激光束从所述外周扫描线的所述中部开始扫描。
16.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述控制电路控制所述镜装置，使得在所述第一扫描图案中，所述第一激光束和所述第二激光束在多个扫描线的扫描期间保持水平地同步。
17.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述第一方向是水平方向；并且其中所述第二方向是竖直方向。
18.一种方法，包括：
从第一激光源投射第一激光束；
从第二激光源投射第二激光束；
使用镜以在如下两个状态之间交替：
在第一扫描图案中同时反射所述第一激光束和所述第二激光束，以形成第一图像，和
在不同于所述第一扫描图案的第二扫描图案中同时反射所述第一激光束和所述第二激光束，以形成不同于所述第一图像的第二图像。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，在所述第二扫描图案中，所述第一激光束和所述第二激光束从它们在所述第一扫描图案中的位置竖直地偏移至少一个扫描线。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，在所述第一扫描图案中，所述第一激光束从外周扫描线的第一边缘开始扫描，并且所述第二激光束从所述外周扫描线的第二边缘开始扫描。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，在所述第二扫描图案中，所述第一激光束从所述外周扫描线的中部开始扫描，并且所述第二激光束从所述外周扫描线的所述中部开始扫描。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，在所述第一扫描图案中，所述第一激光束和所述第二激光束在多个扫描线的扫描期间保持水平地同步。
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