CN109581654B - 栅格式光纤扫描成像系统及其控制方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种栅格式光纤扫描成像系统及其控制方法，在一个光纤扫描器的一个扫描周期内，通过调整慢轴驱动电压改变慢轴位移的变化速率，并同步改变光源出射光的调制频率，实现成像像素密度非均匀化。相应的，本发明还公开了应用该栅格式光纤扫描成像系统的头戴显示设备，可在整体像素不变的前提下，增加特定区域的像素密度，例如增加人眼聚焦区域的像素密度，使人眼主观感受到的“有效像素”增加，使画面更清晰，细节更丰富。无需大规模升级硬件规格的情况下，将显示效果大大提升，能极大提高头戴显示设备的用户体验，提升可用度。

Description

栅格式光纤扫描成像系统及其控制方法和应用

技术领域

本发明涉及光纤扫描显示领域，尤其涉及一种栅格式光纤扫描成像系统及其控制方法和应用。

背景技术

光纤扫描成像显示系统与传统LED、OLED、LCD等显示系统相比具有视场范围可调、无颗粒感、渲染色差度更优等优势，但是现有的栅格式扫描光纤成像系统中，像素分布均匀，因此人眼看到的所观看的区域像素密度不变，要提高所观看的像素密度，则必须提升硬件的规格，而现实规格的提升，对硬件要求极高，成本大。

发明内容

本发明的目的是提供一种栅格式光纤扫描成像系统及其控制方法，通过将成像像素密度非均匀化，实现在整体像素不变的前提下，增加特定区域的像素密度，例如增加人眼聚焦区域的像素密度，使人眼主观感受到的“有效像素”增加，使画面更清晰，细节更丰富。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种栅格式光纤扫描成像系统的控制方法，在一个光纤扫描器的一个扫描周期内，调整慢轴驱动电压改变慢轴位移的变化速率，并同步改变光源出射光的调制频率，实现成像像素密度非均匀化。

优选的，在扫描需要像素加密的成像区域时，调整慢轴驱动电压减小慢轴位移的变化速率，同时增大对光源出射光的调制频率；在扫描非像素加密区域时，调整慢轴驱动电压增大慢轴位移的变化速率，同时减小对光源出射光的调制频率。

相应的，本发明提供了另一种栅格式光纤扫描成像系统的控制方法，所述光纤扫描成像系统由多个相同的光纤扫描器拼接而成，在一个扫描周期内，至少一个光纤扫描器采用了如前述的方法实现成像像素密度非均匀化。

相应的，本发明提供了一种栅格式光纤扫描成像系统，包括至少一个光纤扫描器，所述光纤扫描器包括致动器和固定在致动器上的光纤，所述致动器包括慢轴致动部和快轴致动部，光纤一端突出快轴致动部形成光纤悬臂；快轴致动部在快轴驱动电压的作用下以第一方向振动，慢轴致动部在慢轴驱动电压的作用下带动快轴致动部以第二方向振动；所述成像系统还包括控制器和驱动电路，在一帧图像的扫描周期内，控制器控制驱动电路调整至少一个光纤扫描器的慢轴致动部的驱动电压以改变慢轴位移变化速率，且同步控制该光纤扫描器所对应的光源出射光的调制频率随慢轴致动部的驱动电压的改变而改变，实现成像像素密度非均匀化。

优选的，控制器控制驱动电路调整光纤扫描器的慢轴致动部的驱动电压以改变慢轴位移变化速率，且同步控制该光纤扫描器所对应的光源出射光的调制频率随慢轴致动部驱动电压的改变而改变，具体为：

在扫描需要像素加密的成像区域时，调整慢轴驱动电压减小慢轴位移的变化速率，同时增大对光源出射光的调制频率；

在扫描非像素加密区域时，调整慢轴驱动电压增大慢轴位移的变化速率，同时减小对光源出射光的调制频率。

优选的，所述成像系统还包括像素加密需求触发器，控制器根据像素加密需求触发器所产生的数据或指令，确定需要像素加密的成像区域。

优选的，所述像素加密需求触发器包括眼动追踪模块、语音控制模块、手势识别模块中的一个或多个。

相应的，本发明提供了一种包括本发明栅格式光纤扫描成像系统的头戴显示设备。

优选的，所述头戴显示设备为虚拟现实头戴显示设备或增强现实头戴显示设备。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的栅格式光纤扫描成像系统及其控制方法，在一个光纤扫描器的一个扫描周期内，通过调整慢轴驱动电压增大慢轴位移的变化速率，并同步改变光源出射光的调制频率，实现成像像素密度非均匀化。可在整体像素不变的前提下，增加特定区域的像素密度，例如增加人眼聚焦区域的像素密度，使人眼主观感受到的“有效像素”增加，使画面更清晰，细节更丰富。无需大规模升级硬件规格的情况下，将显示效果大大提升，能极大提高头戴显示设备的用户体验，提升可用度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为栅格式光纤扫描器结构示意图一；

图2为栅格式光纤扫描器结构示意图二；

图3为本发明实施例中不采用局部像素加密时，一帧内慢轴扫描的轨迹示意图；

图4为本发明实施例中不采用局部像素加密时，一帧内扫描光斑的二维轨迹示意图；

图5为本发明实施例中采用局部加密时，一帧内慢轴扫描的轨迹示意图；

图6为本发明实施例中采用局部加密时，一帧内扫描光斑的二维轨迹示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于人眼对其聚焦的视场中央部分的画质最敏感，而对边缘的画质不敏感，且这种敏感程度随视场衰减剧烈。利用这一原理，本发明的发明人提出了本发明栅格式光纤扫描成像系统的控制方法，该方法特别适用于针对单独一个用户使用的显示设备中进行画质调节，例如头戴虚拟现实显示设备、头戴增强现实显示设备等。

本发明实施例中所述的栅格式光纤扫描成像系统，其光纤扫描器的致动器包括慢轴致动部和快轴致动部，快轴致动部在快轴驱动电压的作用下以第一方向振动，慢轴致动部在慢轴驱动电压的作用下带动快轴致动部以第二方向振动，光纤一端突出快轴致动部形成光纤悬臂，光纤悬臂最终被带动以第一方向与第二方向的合成方向上扫动。光纤投影扫描成像系统中，没有物理像素尺寸的限制，实际显示像素的尺寸由光斑运动轨迹和每个像素的激光点亮时长决定。

本发明实施例的栅格式光纤扫描成像系统的控制方法，是在一个光纤扫描器的一个扫描周期内，通过调整慢轴驱动电压改变慢轴位移的变化速率，并同步改变光源出射光的调制频率，实现成像像素密度非均匀化。其中，光源的出射光被以内调制或外调制的方式调制后传至光纤悬臂并从光纤悬臂末端出射。本发明实施例中所述的一个扫描周期可以理解为扫描一个图像帧的周期。

调整慢轴驱动电压改变慢轴位移的变化速率，主要是通过改变驱动电压，以及各频率分量(因为是三角波，其频谱包含许多频率分量)之间的电压变化来实现。

为了使像素网格始终呈正方形，保持成像图像不发生畸变，从扫描非加密区域转向扫描需要像素加密的成像区域时，调整慢轴驱动电压减小慢轴位移的变化速率，同时增大对光源出射光的调制频率；而从扫描加密区域转向扫描非像素加密区域时，则调整慢轴驱动电压增大慢轴位移的变化速率，同时减小对光源出射光的调制频率。

增加光源出射光的调制频率，对应的效果为增加水平方向的像素密度，调整慢轴驱动电压减小慢轴位移的变化速率，对应的效果为增加慢轴的像素密度。同时减小慢轴位移变化速率、增大调制频率，可以使水平和竖直方向的密度都增加，且像素网格保持正方形。为了达到同样的目的，同时调整快轴和慢轴驱动电压实现同时减小快轴和慢轴位移的变化速率，而无需改变光源出射光调制频率也可以做到这一点，但会导致图像显示区域的减小。

本发明实施例公开的栅格式光纤扫描成像系统的控制方法，不仅适用于单光纤扫描器，也适用于多光纤扫描器拼接而成的光纤扫描成像系统，当所述光纤扫描成像系统由多个相同的光纤扫描器拼接而成，在一个扫描周期内，至少一个光纤扫描器采用上述方法实现成像像素密度非均匀化即可。

本发明实施例栅格式光纤扫描成像系统的控制方法，利用光纤扫描成像的特点，通过控制使局部区域包含更多的像素，使现实画面局部像素密度更大，清晰度更高，颗粒感更小。

下面我们先介绍本发明栅格式光纤扫描成像系统实施例。

本发明实施例一种栅格式光纤扫描成像系统，包括至少一个光纤扫描器，所述光纤扫描器包括致动器和固定在致动器上的光纤，所述致动器包括慢轴致动部和快轴致动部，光纤一端突出快轴致动部形成光纤悬臂；快轴致动部在快轴驱动电压的作用下以第一方向振动，慢轴致动部在慢轴驱动电压的作用下带动快轴致动部以第二方向振动。其中，光纤扫描器的具体结构本发明不做限制，下面以图1和图2为示意，以便理解。图1和图2中，标号1表示慢轴致动部，标号2表示快轴致动部，标号3为光纤，标号4是连接部或隔离部，图1中，慢轴致动部和快轴致动部为分体卡接设计，图2为一体成型设计。

本发明实施例的成像系统还包括控制器和驱动电路，在一帧图像的扫描周期内，控制器控制驱动电路调整至少一个光纤扫描器的慢轴致动部的驱动电压以改变慢轴位移变化速率，且同步控制该光纤扫描器所对应的光源出射光的调制频率随慢轴致动部的驱动电压的改变而改变，实现成像像素密度非均匀化。

具体控制模式为：从扫描非加密区域转向扫描需要像素加密的成像区域时，调整慢轴驱动电压减小慢轴位移的变化速率，同时增大对光源出射光的调制频率；而从扫描加密区域转向扫描非像素加密区域时，则调整慢轴驱动电压增大慢轴位移的变化速率，同时减小对光源出射光的调制频率。

控制器中可以存储加密区域和非加密区域分别对应的不同驱动电压波形，设定方式有多种，方式1：可以是固定的若干段像素加密区域，每一段加密区域对应一种加密模式，当人眼注视时，根据算法识别，选取其中一种加密模式。每一种加密模式中，在非加密区域内对应固定的驱动波形(序列)，而加密的区域固定为另一种驱动波形。方式2：根据人眼聚焦的位置，利用实现存储的算法实时计算获得所需要的慢轴运动轨迹，并计算出所需的一帧内的驱动波形，并按照此波形进行驱动，每一帧重复此波形，直到人眼聚焦区域的变化达到预设的阈值，则进行下一次计算，利用新的波形进行驱动，如此重复下去实现动态的驱动调整进行加密。方式3：若用户不使用加密功能(选择关闭此功能)，则可以按照预先存储的驱动波形或者经过一次计算确定驱动波形，并按此运行。上述仅为有限举例，本领域技术人员可以根据这些范例类推其他方式。

图3和图4分别为不采用局部像素加密时，一帧内慢轴扫描的轨迹示意图以及对应的扫描光斑的二维轨迹示意图。

图5和图6分别对应为采用局部加密时，一帧内慢轴扫描的轨迹示意图以及对应的扫描光斑的二维轨迹示意图。

在本发明实施例中，控制器可以为根据默认指令确认哪些区域为需要像素加密的成像区域，也可以根据其他传感器所产生的数据或指令来确定需要像素加密的成像区域。

优选实施方式为，所述成像系统还包括像素加密需求触发器，控制器根据像素加密需求触发器所产生的数据或指令，确定需要像素加密的成像区域。

所述像素加密需求触发器包括眼动追踪模块、语音控制模块、手势识别模块中的一个或多个。

下面我们以像素加密需求触发器为眼动追踪模块为例，我们在控制器中的程序根据眼动跟踪模块传输来的数据，确定人眼聚焦位置。当人眼聚焦(视场中央)于中间位置，眼动追踪模块将采集数据传输给处理器，处理器根据采集数据确定成像中央区域需要提高像素密度，控制器控制驱动电路在一帧内向慢轴致动器施加不同幅值电压，使慢轴按照图5轨迹运动，而光纤的扫描光斑的二维轨迹便会形成图6轨迹，从图5和图6可见光斑在慢轴的运动轨迹先是以较快的速度匀速运动，导致扫描线间隔较大，此时像素网格较大，像素密度较小；到人眼所聚焦的视场中央范围时，慢轴光斑运动速度开始减慢，且保持匀速，此时扫描线间隔较小，像素尺寸减小，密度增加，使得人眼看到更多的像素细节，颗粒感减小，画面更自然；远离视场中央时，光斑的运动速度又被增大，扫描线间隔增大。最终实现中央视场像素增多，重点渲染，边缘视场像素减小，模糊(不影响观看体验)。随着人眼的转动，配合眼动追踪系统，可以动态的调节网格加密的区域，始终保持人眼的视场中央具有足够的像素密度，达到改善用户体验的目的。

本发明实施例还提出一种头戴显示设备，包括上述的栅格式光纤扫描成像系统。所述头戴显示设备为虚拟现实头戴显示设备或增强现实头戴显示设备。头戴显示设备采用本发明实施例的栅格式光纤扫描成像系统后，可在整体像素不变的前提下，增加人眼聚焦区域的像素密度，使人眼主观感受到的“有效像素”增加，使画面更清晰，细节更丰富。无需大规模升级硬件规格的情况下，将显示效果大大提升，能极大提高头戴显示设备的用户体验，提升可用度。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种栅格式光纤扫描成像系统，其特征在于：包括至少一个光纤扫描器，所述光纤扫描器包括致动器和固定在致动器上的光纤，所述致动器包括慢轴致动部和快轴致动部，光纤一端突出快轴致动部形成光纤悬臂；快轴致动部在快轴驱动电压的作用下以第一方向振动，慢轴致动部在慢轴驱动电压的作用下带动快轴致动部以第二方向振动；所述成像系统还包括控制器和驱动电路，在一帧图像的扫描周期内，控制器控制驱动电路调整至少一个光纤扫描器的慢轴致动部的驱动电压以改变慢轴位移变化速率，且同步控制该光纤扫描器所对应的光源出射光的调制频率随慢轴致动部的驱动电压的改变而改变，实现成像像素密度非均匀化；

控制器控制驱动电路调整光纤扫描器的慢轴致动部的驱动电压以改变慢轴位移变化速率，且同步控制该光纤扫描器所对应的光源出射光的调制频率随慢轴致动部驱动电压的改变而改变，具体为：

在扫描需要像素加密的成像区域时，调整慢轴驱动电压减小慢轴位移的变化速率，同时增大对光源出射光的调制频率；

在扫描非像素加密区域时，调整慢轴驱动电压增大慢轴位移的变化速率，同时减小对光源出射光的调制频率。

2.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括像素加密需求触发器，控制器根据像素加密需求触发器所产生的数据或指令，确定需要像素加密的成像区域。

3.如权利要求2所述的成像系统，其特征在于，所述像素加密需求触发器包括眼动追踪模块、语音控制模块、手势识别模块中的一个或多个。

4.一种如权利要求1所述的栅格式光纤扫描成像系统的控制方法，其特征在于，在一个所述光纤扫描器的一个扫描周期内，调整所述慢轴驱动电压改变所述慢轴位移的变化速率，并同步改变所述光源出射光的调制频率，实现成像像素密度非均匀化；

在扫描需要像素加密的成像区域时，调整所述慢轴驱动电压减小所述慢轴位移的变化速率，同时增大对所述光源出射光的调制频率；

在扫描非像素加密区域时，调整所述慢轴驱动电压增大所述慢轴位移的变化速率，同时减小对所述光源出射光的调制频率。

5.一种栅格式光纤扫描成像系统的控制方法，其特征在于，所述光纤扫描成像系统由多个相同的所述光纤扫描器拼接而成，在一个扫描周期内，至少一个所述光纤扫描器采用了如权利要求4所述的控制方法实现成像像素密度非均匀化。

6.一种头戴显示设备，其特征在于，包括权利要求1至3任一项所述的栅格式光纤扫描成像系统。

7.如权利要求6所述的头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备为虚拟现实头戴显示设备或增强现实头戴显示设备。

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