CN115166992B - 抑制散斑对比度的激光扫描显示装置、方法及抬头显示系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及激光扫描显示领域，公开了一种抑制散斑对比度的激光扫描显示装置，包括MEMs振镜，光源驱动器及控制器，其中控制器被配置为控制MEMs振镜在快轴方向和慢轴方向旋转，以动态地调整MEMs振镜在所述慢轴方向上的像素数。本申请还公开了抑制散斑对比度的激光扫描方法及抬头显示系统。本申请公开的方案是通过降低慢轴像素数、提高帧率的方式来实现降低画面散斑对比度，还能够显著降低观看画面的闪烁感。

Description

抑制散斑对比度的激光扫描显示装置、方法及抬头显示系统

技术领域

本申请属于激光扫描显示领域，涉及一种基于MEMs振镜栅式扫描激光投影显示，尤其涉及一种抑制散斑对比度的激光扫描显示装置、方法及抬头显示系统。

背景技术

典型的激光光束扫描显示技术中，利用了激光方向性好的特点，通过扫描器件（MEMs振镜等）动态的改变激光束的方向，使其在屏幕上投影形成画面。

目前基于MEMs振镜的激光扫描显示主要通过李萨如式扫描和栅式扫描两种方式实现。在李萨如式扫描方式中，振镜两轴均处于谐振状态，扫描路径斜向交叉排列，划分像素时需配合扫描路径的分布，算法复杂，且如果要得到高的分辨率画面，则需要很高的谐振频率，较难实现。而栅式扫描因扫描路径简单逐行排列，投影算法简单，得到的画面图像均匀性好被广泛采用。

在基于MEMs振镜栅式扫描激光扫描显示，控制器通常用于控制MEMs振镜的旋转方向，也即控制控制MEMs振镜的扫描方向，因而，控制器也称扫描振镜控制器、微机电系统（MEMs）控制器或MEMs驱动器。控制器可以产生水平扫描控制信号和竖直扫描控制信号，其用于控制可以是一个或多个MEMs振镜的扫描。在使用单个双轴MEMs振镜的情况下，水平扫描和竖直扫描控制信号被组合成复合水平和垂直扫描控制信号，或者控制器产生组合的水平和垂直扫描控制信号。在使用两个单轴MEMs振镜的情况下，水平和垂直扫描控制信号不被组合。单独的水平和垂直扫描控制信号被提供给多个单轴MEMs振镜。

通常，作为典型的，水平扫描比竖直扫描发生快得多，因此，水平扫描有时被称为MEMs振镜快轴方向上的扫描或简称快轴方向上的扫描，而竖直扫描有时被称为MEMs振镜慢轴方向上的扫描或简称慢轴方向上的扫描。在双轴MEMs振镜被使用的情况下，双轴MEMs振镜在快轴方向和慢轴方向上均旋转。在两个单轴MEMs振镜被使用的情况下，MEMs振镜中的一个在快轴方向上旋转，并且MEMs振镜中的另一个在慢轴方向上旋转。

由于激光的相干性好，激光扫描显示会在粗糙的表面（例如屏幕）上发生随机性干涉，从而呈现出颗粒状的光强随机分布，即激光散斑（Laser Speckle），这种现象会严重影响激光扫描显示效果。运动屏幕在理论上虽然能够降低散斑对比度，但在激光扫描系统中，每帧图像内像素点亮时间极短，对屏幕运动速度要求极高。

发明内容

针对上述问题，本申请实施例提供了一种抑制散斑对比度的激光扫描显示装置、方法及抬头显示系统，通过动态地调整MEMs振镜在慢轴方向上扫描的像素数来显著降低散斑对比度，用以解决现有技术中因激光散斑影响激光扫描显示效果的技术问题。

第一方面，本申请公开了一种抑制散斑对比度的激光扫描显示装置，包括：MEMs振镜，光源驱动器，被配置为选择性地驱动一个或多个发光元件以产生一束或多束单色激光，并将单色激光经合束后形成朝向MEMs振镜的激光束，以及控制器，被配置为控制MEMs振镜在快轴方向和慢轴方向旋转，以使MEMs振镜在不同方向上反射激光束。

其中，控制器被配置为动态地调整MEMs振镜在慢轴方向上的像素数。

作为优选的方案，MEMs振镜以栅式扫描的方式反射激光束。

作为优选的方案，MEMs振镜为一个具有多个旋转方向的振镜，例如，一个可同时在两个不同的方向（相互垂直）进行旋转的振镜；或多个具有不同旋转方向的振镜，例如一个振镜朝着A方向，另一个振镜朝着与A垂直的B方向。

作为优选的方案，动态地调整MEMs振镜在慢轴方向上的像素数是减少像素数。

更进一步地，MEMs振镜在慢轴方向上的像素数减少到600及以下。

作为优选的方案，控制器进一步被配置为动态地调整扫描成像的显示帧率。

作为更优选的方案，动态地调整扫描成像的显示帧率是提高显示帧率。

更进一步地，扫描成像的显示帧率提高到90Hz及以上，具体的，显示帧率提高到90Hz~240Hz。

第二方面，本申请还公开一种抑制散斑对比度的激光扫描显示方法，包括：选择性地驱动一个或多个发光元件以产生一束或多束单色激光，并将单色激光经合束后形成朝向MEMs振镜的激光束，以及控制MEMs振镜在快轴方向和慢轴方向旋转，以使MEMs振镜在不同方向上（例如，栅式扫描）反射激光束。

其中，控制包括：动态地调整MEMs振镜在慢轴方向上的像素数。

MEMs振镜为一个具有多个旋转方向的振镜，或多个具有不同旋转方向的振镜。作为优选的方案，动态地调整MEMs振镜在慢轴方向上的像素数是减少像素数。

更进一步地，MEMs振镜在慢轴方向上的像素数减少到600及以下。

作为优选的方案，控制进一步包括动态地调整扫描成像的显示帧率。

作为更优选的方案，动态地调整扫描成像的显示帧率是提高显示帧率。

更进一步地，扫描成像的显示帧率提高到90Hz及以上，具体的，显示帧率提高到90Hz~240Hz。

第三方面，本申请还公开一种抬头显示系统，包括：光源驱动器，MEMs振镜，控制器，中继反射镜及扩散屏。

光源驱动器，被配置为选择性地驱动一个或多个发光元件以产生一束或多束单色激光，并将单色激光经合束后形成朝向MEMs振镜的激光束。

MEMs振镜被控制器控制为在快轴方向和慢轴方向旋转，以在不同方向上（例如，栅式扫描）反射激光束至扩散屏，扩散屏接受激光束并成像。

其中， MEMs振镜被控制器控制为减少MEMs振镜在慢轴方向上的像素数。

更进一步地，MEMs振镜在慢轴方向上的像素数减少到600及以下。

作为优选的方案，系统还包括中继反射镜，中继反射镜接受从MEMs振镜反射的激光束再次反射至扩散屏。

作为优选的方案， MEMs振镜为一个具有多个旋转方向的振镜，或多个具有不同旋转方向的振镜。

作为优选的方案，MEMs振镜还被控制器控制为提高扫描成像的显示帧率。

更进一步地，扫描成像的显示帧率提高到90Hz及以上，具体的，显示帧率提高到90Hz~240Hz。

作为优选的方案，扩散屏为运动屏。更进一步地，扩散屏运动的平均线速度在0.01~0.2 m/s。

本申请技术方案的具有如下有益效果之一：

（1）本申请公开的方案是通过降低慢轴像素数、提高帧率的方式来实现降低画面散斑对比度；

（2）采用本申请公开的方案，能够显著降低观看画面的闪烁感。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例提供的MEMs振镜栅式扫描轨迹。

图2为本申请一实施例提供的抬头显示系统结构示意图。

图3为本申请另一实施例提供的抬头显示系统结构示意图。

附图标记：1、MEMs振镜的快轴方向；2、MEMs振镜的慢轴方向；3、光源驱动器；4、MEMs振镜；5、控制器；6、中继反射镜；7、扩散屏；8、屏幕运动装置；9、快轴方向旋转的MEMs振镜；10、中继透镜组；11、慢轴方向旋转的MEMs振镜。

具体实施方式

激光扫描显示设备是通过创建“虚拟像素”来实现，每个“虚拟像素”根据MEMs振镜（双轴MEMs振镜或两个单轴MEMs振镜）的旋转位置和发光元件（例如，激光二极管）的信号的幅度而变化。发光元件可以被快速脉冲，以创建显示画面中的每个像素。

对于栅式扫描显示系统，慢轴的像素数量和快轴共振频率以及帧率/>有如下关联关系：

折返系数表征实际显示时间占快轴周期比值（某些应用中，快轴在角度极值位置附近的时间段不用于显示）。

例如，对于帧率，快轴共振频率/>，则显示的慢轴方向像素数量/>。

激光散斑是通过散斑对比度这一指标来评判的，散斑对比度C定义为散斑图像强度值的标准差与平均值/>的比值，即：

C介于0和1之间，且散斑对比度C的数值越高，散斑越明显，颗粒感也越强。通常来说，人眼所能感知到的散斑对比度的阈值是0.04。

在激光扫描显示领域，散斑对比度越小越好。使用若干独立散斑叠加能够在一定程度上降低整体的散斑对比度。对于强度为的N束独立的相干光叠加后总强度散斑对比度为：

当各个独立散斑的平均强度相等时有：

由此可以看出，独立散斑图样的个数越多，散斑对比度越低。

视觉暂留（Persistence of vision）现象是光对视网膜所产生的视觉在光停止作用后，仍保留一段时间的现象，其具体应用是电影的拍摄和放映。原因是由视神经的反应速度造成的，是动画、电影等视觉媒体形成和传播的根据。视觉实际上是靠眼睛的晶状体成像，感光细胞感光，并且将光信号转换为神经电流，传回大脑引起人体视觉。感光细胞的感光是靠一些感光色素，感光色素的形成是需要一定时间的，这就形成了视觉暂停的机理。

因此人眼感知到的图像是在过去一段时间内光线刺激的总和，在不同的亮度条件下，视觉暂留的时间长度有所差异。一般地，视野内亮度越高，视觉暂留的时间越短，通常视觉暂留时间再0.03s~0.2s范围内。

运动屏是一种可用的降低散斑对比度的方案，其原理是当屏幕运动时，人眼观察到的散斑图案随着时间不断变化，从而等效成为了若干不同的独立散斑，人眼的视觉暂留效应则让这些独立散斑在视觉上发生叠加，独立散斑叠加能够有效地降低散斑对比度，改善成像效果。

但是对于激光扫描系统而言，每个像素点亮的时间长度非常短，而屏幕运动距离超过10~40μm时产生的散斑才能认为与运动前相互独立。为了使点亮期间产生多种相互独立的散斑，需要屏幕运动速度非常快，对于运动机制要求非常高。

在激光光束扫描显示系统中，在一帧图像周期内激光光束依次点亮画面的每一个像素，对于M×N像素的画面，每个像素点亮的时间为：

frame rate 为帧率，duty cycle 为整幅画面点亮时间占一帧时间的比值（由于图像处理和MEMs振镜返回需要时间，通常在一帧时间内有一小段时间光源关闭）。

以典型的激光扫描系统为例，帧率通常为60 Hz，显示分辨率为840 *480，dutycycle 为85%，则每个像素点亮时间。

以屏幕在像素点亮时间内运动距离超过20μm计算，屏幕运动速度需要超过570m/s。对于大多数运动组件，难以将屏幕驱动到如此高的速度。

可以实现的屏幕驱动频率约为50Hz，行程1mm，其运动速度约为0.4~0.8m/s，在这个速度下，像素点亮时间内（约35ns）屏幕运动距离约为21nm，散斑图案几乎没有变化，无法降低散斑对比度。

实施例1

参见图2，公开了一种车载抬头显示系统，包括光源驱动器3、MEMs振镜4、、控制器5、中继反射镜6、扩散屏7和屏幕运动装置8。

光源驱动器3激发产生红、绿、蓝三色激光经合束后形成朝向MEMs振镜4的一束白光；控制器5控制MEMs振镜4在快轴方向和慢轴方向旋转，以便按图1扫描轨迹反射白光；白光经过中继反射镜6反射到扩散屏7上成像。扩散屏7上安装有屏幕运动装置8。

MEMs振镜4反射区域直径为1.5mm，快轴共振频率为20KHz，显示时间占快轴周期比值，图像帧率从现有技术中的60Hz提高至90Hz，相应地，慢轴方向像素数降低至/>。

屏幕运动装置为音圈电机（Voice Coil Motor，VCM），周期性地驱动扩散屏，使其在屏幕面内往复运动，驱动周期为50Hz，运动范围以平衡位置为中心±0.5mm，其平均线速度为0.1m/s。

车载抬头显示亮度为2000nit时，驾驶员的视觉暂留时间约33ms，在视觉暂留积分时间内，画面显示了3帧，每帧之间屏幕位置相对位移超过100μm，可以认为每帧图案均产生相互独立的散斑，叠加后能够有效地降低散斑对比度。

实施例2

车载抬头显示系统同实施例1。

MEMs振镜4反射区域直径为1.5mm，快轴共振频率为24KHz，显示时间占快轴周期比值，图像帧率从现有技术中的60Hz提高至120Hz，相应地，慢轴方向像素数降低至/>。

屏幕运动装置为音圈电机（Voice Coil Motor，VCM），周期性地驱动扩散屏，使其在屏幕面内往复运动，驱动周期为80Hz，运动范围以平衡位置为中心±0.4mm，其平均线速度为0.128m/s。

车载抬头显示亮度为10000nit时，驾驶员的视觉暂留时间约27ms，在视觉暂留积分时间内，画面显示了3~4帧，每帧之间屏幕位置相对位移超过100um，可以认为每帧图案均产生相互独立的散斑，叠加后能够有效地降低散斑对比度。

实施例3

参见图3，公开了一种车载抬头显示系统，包括光源驱动器3、快轴方向旋转的MEMs振镜9、中继透镜组10、慢轴方向旋转的MEMs振镜11、扩散屏7、屏幕运动装置8（图中未示出）和控制器5（图中未示出）。

其中，光源驱动器3包含三个基色激光器，例如红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器。控制器5分别控制快轴方向旋转的MEMs振镜9与慢轴方向旋转的MEMs振镜11的旋转方向。屏幕运动装置8安装在扩散屏7上。

红绿蓝三色激光合束后入射在快轴方向旋转的MEMs振镜9上，然后经过中继透镜组10后汇聚在慢轴方向旋转的MEMs振镜11上，然后以栅式扫描在扩散屏7上呈现画面。

快轴方向旋转的MEMs振镜9反射区域直径为1.2mm，快轴共振频率为26KHz，显示时间占快轴周期比值，图像帧率从现有技术中的60Hz提高至100Hz，相应地，慢轴方向像素数降低至/> 。

屏幕运动装置为压电陶瓷驱动（piezo），周期性地驱动扩散屏，使其在屏幕面内往复运动，驱动周期为80Hz，运动范围以平衡位置为中心±0.4mm，其平均线速度为0.128m/s。

车载抬头显示亮度为10000nit时，驾驶员的视觉暂留时间约27ms，在视觉暂留积分时间内，画面显示了3~4帧，每帧之间屏幕位置相对位移超过100μm，可以认为每帧图案均产生相互独立的散斑，叠加后能够有效地降低散斑对比度。

需要指出的是，虽然在图2中MEMs振镜4被示出为一个，但多个单轴振镜（例如，两个可分别在快轴方向和慢轴方向旋转）也在实施例的范围内。另外，在实施例1-3中尽管均包含屏幕运动装置8，在其他的一些实施例中，可以不包含屏幕运动装置8，例如，仅采用扩散屏7也能实现本申请所期望的效果。

已经出于说明和描述的目的呈现了前述具体实施方式。其并非旨在穷举或将本文

要求保护的技术方案限制为所公开的（多种）精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变型都是可能的。所描述的实施例是以便最好地说明所公开的技术的原理及其实际应用而被选择的，从而使得本领域的其他技术人员能够在各种实施例中以及用适合于预期的特别用途的各种修改，来最好地利用该技术。本公开的范围旨在由所附权利要求来限定。

尽管以结构特征和/或方法动作特定的语言描述了本技术方案，但应理解的是，所附权利要书中限定的技术方案不一定限于上述具体的特征或动作。相反，上述具体特征和动作被公开作为实现权利要求的示例形式。

Claims (7)

1.一种抑制散斑对比度的激光扫描显示方法，其特征在于，包括：

选择性地驱动一个或多个发光元件以产生一束或多束单色激光，并将所述单色激光经合束后形成朝向MEMs振镜的激光束，以及

控制所述MEMs振镜在快轴方向和慢轴方向旋转，以使所述MEMs振镜在不同方向上将所述激光束反射至扩散屏，

动态地减少MEMs振镜在所述慢轴方向上的像素数同时周期性地驱动扩散屏运动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述MEMs振镜为一个具有多个旋转方向的振镜，或多个具有不同旋转方向的振镜。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述动态地减少MEMs振镜在所述慢轴方向上的像素数通过提高扫描成像的显示帧率实现。

4.一种抬头显示系统，其特征在于，包括：光源驱动器，MEMs振镜，控制器，扩散屏以及屏幕运动装置；

所述光源驱动器，被配置为选择性地驱动一个或多个发光元件以产生一束或多束单色激光，并将所述单色激光经合束后形成朝向所述MEMs振镜的激光束；

所述MEMs振镜被所述控制器控制为在快轴方向和慢轴方向旋转，以在不同方向上反射所述激光束至所述扩散屏；

所述扩散屏接受所述激光束并成像；

所述屏幕运动装置安装在扩散屏上，用于周期性地驱动扩散屏；

其中，所述MEMs振镜被所述控制器控制为减少所述MEMs振镜在所述慢轴方向上的像素数且同时所述扩散屏在所述屏幕运动装置驱动下进行往复运动。

5.根据权利要求4所述的抬头显示系统，其特征在于：所述系统还包括中继反射镜，所述中继反射镜接受从所述MEMs振镜反射的所述激光束再次反射至所述扩散屏。

6.根据权利要求4所述的抬头显示系统，其特征在于：所述MEMs振镜为一个具有多个旋转方向的振镜，或多个具有不同旋转方向的振镜。

7.根据权利要求4所述的抬头显示系统，其特征在于：所述控制器通过提高扫描成像的显示帧率来减少所述MEMs振镜在所述慢轴方向上的像素数。