CN116047763A - 光纤扫描显示探头、头戴式显示器及其驱动方法 - Google Patents

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陈智晖
刘友文
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Abstract

本发明公开了光纤扫描显示探头、头戴式显示器及其驱动方法，该光纤扫描显示探头包括光纤致动元件和安装在光纤致动元件上的非对称悬臂梁光纤结构，当光纤致动元件受特定正交驱动信号驱动时，使非对称悬臂梁光纤结构的主光纤端点沿利萨如扫描轨迹振动；头戴式显示器包括光源；外部调制系统，用于调节光源输出至主光纤的光强，生成用于驱动光纤致动元件的正交驱动信号；所述的光纤扫描显示探头，在主光纤前设有光束汇聚透镜，用于将主光纤端点散射的光变为汇聚光形成中继像面；以及近眼显示光路组件，用于将中继像面汇聚在视网膜上，形成人眼可见的图像。本发明兼具亮度均匀性好和扫描速率快的优点，能够提升头戴式显示器性能。

Description

光纤扫描显示探头、头戴式显示器及其驱动方法
技术领域
本发明涉及光纤扫描显示器件及头戴式显示器，具体而言，涉及一种光纤扫描显示探头，采用该光纤扫描显示探头的头戴式显示器，以及该头戴式显示器的驱动方法。
背景技术
头戴式显示器(Head-Worn Display，HWD)是利用显示器件将图像投射至视网膜上的设备，目前已应用于军事领域，例如战斗机驾驶员头盔、战地步兵即时信息获取和室内信息战等；以及特定尖端领域，例如医学诊断，建筑模拟规划等。
视网膜扫描显示(Retinal Scanning Display，RSD)是头戴式显示器的关键技术，在视网膜扫描显示的实现方案中，光纤扫描显示(Fiber Scanning Display，FSD)具备亮度高，特征频率高的优点，是较优的方案，能够满足头戴式显示器要求的投射图像能同时适应人体头部的抖动和周围实际物体的运动。
已知的光纤扫描显示方案，如美国专利US2015/0268415A1，该专利方案采用单根单模光纤悬臂梁作为扫描端，单模光纤具备圆柱对称性，因此沿两个正交方向上的刚度理论上相同，即单模光纤在正交方向上的谐振频率理论上相等。若对单模光纤直接施加正交方向上的谐振驱动信号，则由于机械耦合效应无法形成利萨如轨迹。因此，该专利方案使用四象限压电陶瓷管驱动单模光纤扫描端，将频率固定在或接近于单模光纤悬臂梁的机械共振频率的调幅正弦和余弦波应用于四象限压电陶瓷管的两对电极，以产生螺旋式扫描轨迹。但是，螺旋式扫描轨迹存在中心亮度高、边缘亮度低、扫描轨迹亮度均匀性较差的问题，严重影响显示效果，且容易造成佩戴者眼睛损伤。另外，螺旋式扫描轨迹还存在由于周期内部动量累积效应导致的周期之间扫描轨迹连续性较差的问题，导致其机械稳定性较差。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是针对上述光纤高扫描速率下亮度不均匀的问题，提出一种光纤扫描显示探头；本发明的第二目的是提出一种采用该光纤扫描显示探头的头戴式显示器；本发明的第三目的是提出该头戴式显示器的驱动方法。
技术方案：本发明第一方面提供一种光纤扫描显示探头，包括：
光纤致动元件；以及，
非对称悬臂梁光纤结构，安装在所述光纤致动元件上，包括主光纤和短于所述主光纤的附加光纤，二者平行设置并通过垂直的连接桥相连；
当所述光纤致动元件受特定正交驱动信号驱动时，使所述主光纤端点沿利萨如扫描轨迹振动。
本发明中，基于非对称的光纤结构，以单光纤致动元件实现分频，进而实现光纤端点在振动平面的二维扫描，实现主光纤端点沿利萨如扫描轨迹振动；利萨如扫描轨迹具有扫描亮度稳定，特征频率高，周期完整等优势；此外，利萨如扫描矩形的扫描范围也利于进行面阵扩展，实现在相同光学性能条件下更大的显示范围。探头光纤结构采用非对称悬臂梁，结构简单，易于制造，能够实现扫描频率的分频，同时实现机械耦合最小(在正交方向上无振动机械耦合)，具有良好的机械稳定性。
进一步地，所述光纤致动元件采用压电片致动器，所述主光纤沿着所述压电片致动器长度方向固定在其上端面中间位置，所述附加光纤固定在所述压电片致动器下端面边沿。
进一步地，所述光纤致动元件采用压电管致动器，所述主光纤沿着所述压电管致动器轴向固定在其内侧中心，所述附加光纤通过连接桥固定在所述主光纤正下方。
本发明的光纤扫描显示探头具有更小的体积、更轻的质量。以上述采用压电片致动器的方案为例，器件维度约为2×2×19mm，体积小于常见的用于头戴式显示器的图像源，这有利于实现头戴式显示器的进一步小型化。
本发明第二方面提供一种头戴式显示器，包括：
光源；
外部调制系统，用于调节所述光源输出至所述主光纤的光强，以及生成用于驱动所述光纤致动元件的正交驱动信号；
上述的光纤扫描显示探头，在所述主光纤前设有光束汇聚透镜，用于将所述主光纤端点散射的光变为汇聚光形成中继像面，以及控制所述中继像面的放大倍率；以及，
近眼显示光路组件，用于将所述中继像面汇聚在视网膜上，形成人眼可见的图像。
本技术方案具有上述光纤扫描显示探头所具备的优点。除此之外，由于光强调制通过外部调制系统实现，相比于传统电源内部调制，可实现更高的调制频率，最高可达到80Mhz光强调制，进而可实现更好的光学显示性能。
进一步地，所述光束汇聚透镜采用聚焦透镜或阶梯折射率透镜；当采用聚焦透镜时，所述中继像面为上下倒立的放大实像；当采用阶梯折射率透镜时，所述中继像面为上下正立的放大实像。
本发明第三方面提供上述头戴式显示器的驱动方法，包括：
光纤致动元件正交驱动信号的构建和图像均匀采样；
读取图像像素信息并生成电压数据流；
将正交驱动信号加载到光纤致动元件上，使主光纤端点沿利萨如扫描轨迹振动；将电压数据流信号输出至外部调制系统，调节光源输出光强；在时间矢量方向上，正交驱动信号将主光纤端点移动到既定位置时，电压数据流信号将主光纤端点输出的光强调节到该既定位置对应的光强，光强与该既定位置对应图像的RGB色彩参数值相符；
主光纤端点的利萨如扫描轨迹振动构成光路中的第一个像面，经光束汇聚透镜后形成中继像面，该中继像面再经近眼显示光路组件汇聚，形成人眼可见的图像。
本技术方案中，通过同步光强的调制和光纤探头的驱动，实现将图像投射到观察者视网膜上。
进一步地，
正交驱动信号的振动表达式为：
Figure BDA0003952548870000031
Figure BDA0003952548870000032
A和B分别为对应偏转电压的正弦波振幅，fx和fy分别为对应正弦波的频率，
Figure BDA0003952548870000034
和
Figure BDA0003952548870000035
分别为对应正弦波的初相位；
均匀采样标准为：
帧速率fr为fx和fy的最大公约数；
fx/fr和fy/fr要求一个为奇数，另一个为偶数，以实现最密集利萨如扫描轨迹；
为达到垂直分辨率要求，fx要求满足：
Figure BDA0003952548870000033
Ry大于图像垂直像素数；
fx和fy的比值约等于垂直分辨率和水平分辨率的比值。
进一步地，将确定的利萨如扫描轨迹在图像区域上建立坐标，根据轨迹扫描的时间顺序依次获取每个数据生成点所对应的坐标和图像的灰度值，完成采样后，生成对应利萨如扫描轨迹的像素位置表；电压数据流中的灰度数据对应于图像显示时像素位置表中需要填充的数据。
本技术方案中，电压数据流生成方式无需计算时间点阵，相同参数的扫描轨迹可以使用完全相同的像素位置表，即经过首次运算之后，所有的图像显示均可以跳过像素位置表生成的步骤，能够实现更快速的图像信息读取和调制信号的生成，同时更容易实现视频文件的读取和更快的动态显示转换为高帧速率显示，节省大量时间和运算量。
进一步地，当图像为只存在灰度值差别的类黑白图像时，电压数据流为一行；当图像为彩色图像时，根据颜色模式生成对应行的电压数据流；颜色模式包括RGB和CMYK。
进一步地，针对动态视频，生成对应每一帧图像的电压数据流。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：兼具亮度均匀性好和扫描速率快的优点，能够提升头戴式显示器性能，扩展头戴式显示器的适用领域，商用价值大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对本发明实施例中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是本申请实施例中头戴式显示器的原理图；
图2是本申请实施例中光纤扫描显示探头的结构示意图；
图3是本申请实施例中一种非对称悬臂梁光纤结构的示意图；
图4中的(a)是图3中的非对称悬臂梁光纤结构正交振动俯视图，图4中的(b)是图3中的非对称悬臂梁光纤结构正交振动侧视图；
图5是本申请实施例中另一种非对称悬臂梁光纤结构的示意图；
图6中的(a)是图5中的非对称悬臂梁光纤结构正交振动俯视图，图6中的(b)是图5中的非对称悬臂梁光纤结构正交振动侧视图；
图7是本申请实施例中近眼显示光路组件的结构示意图；
图8是本申请实施例中静态高填充率“NUAA”字母不同灰度值投影显示示意图；
图9是本申请实施例中动态高分辨率“NUAA”字母灰度值随时间深浅渐变示意图；
附图标记：100，头戴式显示器；101，光源；102，电光调制器；103，光强调制信号；104，正交驱动信号；210，光纤扫描显示探头；200，非对称悬臂梁光纤结构；201，套筒；202，压电片致动器；203，主光纤；204，附加光纤；205，连接光纤；206，压电管致动器；207，双连接桥；211，信号连接导线；212，光束汇聚透镜；213，壳体；300，近眼显示光路组件；301，中继像面；302，平面镜；303，第一聚焦透镜；304，分束镜；305，第二聚焦透镜。
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，所描述的实施例不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域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，都属于本发明的保护范围。
图1所示为本发明实施例中提供的头戴式显示器原理图，该头戴式显示器100包括光源101、外部调制系统、光纤扫描显示探头210和近眼显示光路组件300，其中外部调制系统仅部分示出，而近眼显示光路组件300未示出，该近眼显示光路组件300见图7。
光源101可以是激光光源，也可以是发光二极管、LED、LD或其他光源。光源101至少能够发出红光范围内的光，或蓝光范围内的光，或绿光范围内的光。当光源101由多个不同波长范围的光源构成时，可以存在一个或多个光学组合器，光学组合器的输入端口数量不少于光源色彩种类的数量，光学组合器的输入端连接至各个光源，输出端连接至外部调制系统。本实施例中，光源101采用激光光源。
外部调制系统包括函数发生器，函数发生器同时输出光强调制信号103和正交驱动信号104，若光源101本身具备接收光强调制信号103并输出经调制光强的光束功能，则函数发生器输出端直接与光源101相连。
在一些实施方式中，光源101本身不具备光强调制功能，则外部调制系统还包括电光调制器102，函数发生器输出端与电光调制器102输入端相连，利用该电光调制器102接收光强调制信号103，并对光源101发出的光束进行光强调制后再进行输出。
在一些实施方式中，外部调制系统还包括高电压放大器，函数发生器输出端连接至高电压放大器输入端，高电压放大器输出端连接至电光调制器102输入端。
图2所示为本申请实施例提供的光纤扫描显示探头的结构示意图，该光纤扫描显示探头210包括壳体213，在壳体213内设有非对称悬臂梁光纤结构200和光纤致动元件。
壳体213可以是圆桶形、椭圆形、三角形、方形或其他任意多边形。光纤致动元件通过开孔的套筒201固定在壳体213内，通过信号连接导线211连接函数发生器，以接收正交驱动信号104。套筒201具有与壳体213内腔适配的形状。非对称悬臂梁光纤结构200包括主光纤203和短于主光纤203的附加光纤204，二者平行设置并通过垂直的连接桥相连，主光纤203接收前述经光强调制的光。
如图3所示为本申请实施例中一种非对称悬臂梁光纤结构的示意图，光纤致动元件采用压电片致动器202，压电片致动器202中间为固定部位，两端为自由端，前自由端为非对称悬臂梁光纤结构200端，后自由端为信号连接导线211端。压电片致动器202通过其固定部位固定在套筒201的孔中。主光纤203沿着压电片致动器202长度方向通过紫外固定胶固定在其上端面中间位置，附加光纤204通过紫外固定胶固定在压电片致动器202下端面边沿。连接桥采用连接光纤205，主光纤203与连接光纤205之间呈90°，附加光纤204与连接光纤205之间呈90°，主光纤203、附加光纤204和连接光纤205之间可以通过紫外固化胶连接，也可以通过其他类型的粘合剂连接，还可以通过熔接等方式连接。
如图5所示为本申请实施例中另一种非对称悬臂梁光纤结构的示意图，光纤致动元件采用压电管致动器206，压电管致动器206中间为固定部位，两端为自由端。前自由端为非对称悬臂梁光纤结构200端，后自由端为信号连接导线211端。压电管致动器206通过其固定部位固定在套筒201的孔中。主光纤203沿压电管致动器206轴向置于其内侧中心，并通过紫外固定胶固定位置。连接桥采用双连接桥207，主光纤203与双连接桥207之间呈90°，附加光纤204与双连接桥207之间呈90°，主光纤203、附加光纤204和双连接桥207之间可以通过紫外固化胶连接，也可以通过其他类型的粘合剂连接，还可以通过熔接等方式连接。附加光纤204通过双连接桥207固定在主光纤203正下方。
上述主光纤203可以是单模光纤，也可以是多模等其他类型或不同工作波长的光纤。
如前所述，正交驱动信号104是通过函数发生器产生的，函数发生器输出端通过信号连接导线211连接到光纤致动元件的电极上，并通过导电银胶进行固定。需要指出，光纤致动元件的作用在于通过正交驱动信号104的驱动，为主光纤203施加两个特征振动频率，因此光纤致动元件并不局限于上述的压电片致动器202和压电管致动器206，例如还可以是双晶片压电陶瓷致动器。
主光纤203为光功率输出端，其光纤端点沿垂直于光纤轴平面作如图4、图6所示的二维扫描，具体来说，是垂直于光纤的平面内的正交方向上特征频率不相等的振动。当光纤致动元件接收到正交驱动信号后，开始作对应频率的振动，该振动传递到非对称悬臂梁光纤结构200使主光纤203分别作两个方向的正交振动，振动振幅与电压大小成正比。两个方向的正交振动合成使得主光纤203端点以设定轨迹振动。
在主光纤203前还设有一个光束汇聚透镜212，该光束汇聚透镜212可以置于壳体213内，也可以置于壳体213外。主光纤203端点按照特定轨迹振动形成光路中的第一个像面，该光束汇聚透镜212的作用在于将主光纤203端点散射的光变为汇聚光，形成中继像面302，并调节中继像面302放大倍率。光束汇聚透镜212采用聚焦透镜或阶梯折射率透镜，当采用聚焦透镜时，中继像面302为上下倒立的放大实像；当采用阶梯折射率透镜时，中继像面302为上下正立的放大实像。
中继像面302的放大倍率由主光纤端点到光束汇聚透镜212的距离和光束汇聚透镜212的焦距决定，公式表示为：
Figure BDA0003952548870000061
其中，β为中继像面放大倍率，f为光束汇聚透镜212焦距，x为主光纤端点到光束汇聚透镜212的距离。中继像面302大小直接影响到最后显示效果的视场大小和角分辨率。
上述壳体213和套筒201主要起固定封装作用，以避免外界环境对光纤探头工作性能产生影响。
如图7所示为本申请实施例提供的近眼显示光路组件的结构示意图，该近眼显示光路组件300包括平面镜302、第一聚焦透镜303、分束镜304和第二聚焦透镜305，中继像面302之后的光路经过与主光轴成45°放置的平面镜302，从平面镜302出射后入射进入目镜。目镜包括一个或多个第一聚焦透镜303，将图像放大至易于人眼观察的程度。从目镜出射的光路再由与主光轴呈45°放置的分束镜304变换光路，设置分束镜304的目的是构成透视型结构，便于佩戴者观察显示图像的同时，观察人眼前方的周围世界。第二聚焦透镜305用于将分束的平行光束转换为汇聚光束。
目镜处视场大小和角分辨的公式表示为：
H＝feyepieces×tan(θ)
其中，feyepieces为目镜焦距。若H为目镜处像面大小，则θ为视场大小；若H为目镜处像面的像素尺寸，则θ为角分辨率。
近眼显示光路组件300的主要作用在于将中继像面302汇聚在人眼视网膜上，其具体结构不局限于上述给出的方案，本领域技术人员可以设计出实现同样功能的不同方案，还可以根据需要，在近眼显示光路组件300上实现包括准直、放大、聚焦和变焦等功能，优化显示质量，达到理想的视场大小。
尽管光纤扫描显示已经能够实现较好的光学显示性能，但其仍存在巨大的发展潜力。模拟研究表明，光纤扫描可以达到最高53kHz的机械振动频率，54°的视场角以及60Hz的帧速率，等于HD1440的高清显示格式。实验数据表明，本实施例中的方案，光纤扫描可以达到40°的视场角，5～95Hz的动态显示帧速率。
为了实现光纤高扫描速率下亮度均匀，需要主光纤端点沿利萨如扫描轨迹振动，而主光纤端点沿利萨如扫描轨迹振动是基于非对称的光纤结构实现的。
下面以头戴式显示器分别用于静态图像显示和动态视频显示的示例，对头戴式显示器的驱动方法作具体的介绍。
(一)
如图8所示，本示例一需要完成高填充率每个字符亮度不相同的“NUAA”字样显示。
步骤1、利萨如光纤致动元件正交驱动信号的构建和图像均匀采样；
组成利萨如扫描图形的正交驱动信号的振动表达式为：
Figure BDA0003952548870000071
Figure BDA0003952548870000072
其中，A和B分别为对应偏转电压的正弦波振幅，fx和fy分别为对应正弦波的频率，
Figure BDA0003952548870000075
和
Figure BDA0003952548870000076
分别为对应正弦波的初相位。
针对利萨如扫描图像的特征，引入帧速率fr和波瓣数lobe的概念。
帧速率为单位时间内轨迹的重复次数，利萨如扫描的帧速率由两个简谐振动的谐振频率决定，可以通过求fx和fy的最大公约数GCD得到，帧速率越高扫描获得的图像越流畅更接近动态。波瓣数为利萨如轨迹和轨迹边缘构成的矩形的交点，波瓣数是图像轨迹密度的量化反映，越高的波瓣数代表越密集的轨迹。
帧速率和波瓣数的公式表示为：
fr＝GCD(fx，fy)
Figure BDA0003952548870000073
帧速率是对图像刷新速度的描述，波瓣数是对图像覆盖密度的描述，两者均由正弦波的频率所决定。为了实现高质量图像显示质量需要满足利萨如均匀采样标准，均匀采样标准为：
(1)利萨如轨迹的帧速率fr为fx和fy的最大公约数；
(2)fx/fr和fy/fr要求一个为奇数，另一个为偶数，以实现最密集利萨如扫描轨迹；
(3)为达到垂直分辨率要求，fx要求满足：
Figure BDA0003952548870000074
Ry大于图像垂直像素数；
(4)fx和fy的比值约等于垂直分辨率和水平分辨率的比值。
本示例中，A/B的比值确定为图像横向和纵向像素数的比值，即3/4。满足以上均匀采样标准的fx和fy分别为1930Hz和1400Hz。
作为本领域技术人员，还可以根据以上均匀采样的频率选取标准，得到其他可行频率。因此，基于以上标准确定的特征频率在本申请的保护范围内。
为实现轨迹起始点在中心位置，两正弦波初相位均取0。
步骤2、读取图像像素信息并生成电压数据流；
将确定的利萨如扫描轨迹在图像区域上建立起坐标，根据轨迹扫描的时间顺序依次获取每个数据生成点所对应的坐标和图像的灰度值。
当采用利萨如扫描模式进行图像信息获取时，采集速率也会对显示的质量产生影响，若采集速率能够大于轨迹中心位置处的扫描速度，则不会对扫描成像产生影响，若小于中心位置处的扫描速度，则会导致一部分区域由于采集速率不够，信息没有完整采集，导致欠采样情况的发生。
整个利萨如轨迹通过单个像素的最短时间可以表示为：
Figure BDA0003952548870000081
经计算，确定本示例采样速率为1M/s，可以实现10FPS下达到99.99993％的覆盖率，实现高填充率的图像显示。
完成采样过程后，会生成针对特定轨迹参数的像素位置表和针对特定图像的电压数据流。在本示例中，像素位置表的维度为100,000×2。相同参数的扫描轨迹可以使用完全相同的像素位置表，即经过首次运算之后所有的图像显示均可以跳过像素位置表生成的步骤，为高帧速率显示节省大量时间和运算量。电压数据流包括行数×100,000个从0～255的每个像素的灰度数据，对应着图像显示时像素位置表中所需要填充的数据。
步骤3、驱动程序将利萨如正交驱动信号输出至光纤致动元件，正交驱动信号所携带的频率使得光纤致动元件在特征频率上振动，进而实现主光纤端点按照既定的利萨如轨迹进行振动。
步骤4、驱动程序将电压数据流信号输出至外部调制系统，进而通过电光调制器调节光源输出光强。
根据图像颜色信息的复杂程度，电压数据流行数可能存在不同。例如，只存在灰度值差别的类黑白图像只需要生成一行电压数据流即可，而包含彩色图像可以根据颜色模式RGB三值生成三行对应的电压数据流。无论电压数据流读取的色彩模式是RGB模式还是其他的颜色模式，如CMYK模式，运算原理均与本实施例完全相同。
步骤5、在时间矢量方向上，利萨如正交驱动信号将主光纤端点移动到既定位置，同时电压数据流信号将主光纤端点输出的光强调制到既定位置对应的光强度，光强度与既定位置对应图像的RGB色彩参数值相符合。本步骤保证了光纤探头在正确的时间振动到正确的位置同时输出正确的光信号。
步骤6、主光纤端点的利萨如轨迹振动构成光路中第一个像面，主光纤端点出射的光经过上述的光路在人眼底的视网膜处扫描，利用视觉暂留效应，构成人眼可观察的完整图像。完成本示例每个字符亮度不相同的“NUAA”字样显示。
(二)
如图9所示，本示例二需要完成高帧速率动态视频文件显示，显示效果为“NUAA”四个字母的灰度值随时间深浅渐变的动态效果。
步骤1、利萨如光纤致动元件正交驱动信号的构建和图像均匀采样；
组成利萨如扫描图形的正交驱动信号的振动表达式为：
Figure BDA0003952548870000091
Figure BDA0003952548870000092
其中，A和B分别为对应偏转电压的正弦波振幅，fx和fy分别为对应正弦波的频率，
Figure BDA0003952548870000094
和
Figure BDA0003952548870000095
分别为对应正弦波的初相位。
本示例中，A/B的比值确定为图像横向和纵向像素数的比值，即3/4。满足上述均匀采样标准同时能够实现高帧速率动态显示的特征频率fx和fy选取为1920Hz和1410Hz，实现的帧速率为30FPS。
为实现轨迹起始点在中心位置，两正弦波初相位均取0。
步骤2、读取图像像素信息并生成电压数据流；
将确定的利萨如轨迹在图像区域上建立起坐标，根据轨迹扫描的时间顺序依次获取每个数据生成点所对应的坐标和图像的灰度值。
当采用利萨如扫描模式进行图像信息获取时，采集速率也会对显示的质量产生影响，若采集速率能够大于轨迹中心位置处的扫描速度，则不会对扫描成像产生影响，若小于中心位置处的扫描速度，则会导致一部分区域由于采集速率不够，信息没有完整采集，导致欠采样情况的发生。
整个利萨如轨迹通过单个像素的最短时间可以表示为：
Figure BDA0003952548870000093
经计算，确定本示例采样速率为1M/s，可以实现30FPS下达到89.91666％的覆盖率，实现高帧速率的图像显示。
完成采样过程后，会生成针对特定轨迹参数的像素位置表和针对特定图像的电压数据流。在本示例中，像素位置表的维度为100,000×2。针对本示例动态视频，每一帧图像所对应的电压数据流都需要读取像素位置表进行生成，因此所提出的可反复使用的像素位置表在动态显示中节省运算时间、提升显示性能极为重要。电压数据流包括行数×100,000个从0～255的每个像素的颜色数据，对应着图像显示时像素位置表中所需要填充的数据。
步骤3、驱动程序将动态视频文献读入，并输出每一帧图像的电压数据流。在本示例中，读取视频文件的帧率为30FPS，与利萨如轨迹的刷新率相同。在不同的运用中，可以实现视频文件的帧率低于利萨如轨迹的刷新率。
步骤4、驱动程序将利萨如正交驱动信号输出至光纤致动元件，正交驱动信号所携带的频率使得光纤致动元件在特征频率上振动，进而实现主光纤端点按照既定的利萨如轨迹进行振动。
步骤5、驱动程序将电压数据流信号输出至外部调制系统，进而通过电光调制器调节光源输出光强。
步骤6、在时间矢量方向上，利萨如正交驱动信号将主光纤端点移动到既定位置，同时电压数据流信号将主光纤端点输出的光强调制到既定位置对应的光强度，光强度与既定位置对应图像的RGB色彩参数值相符合。本步骤保证了光纤探头在正确的时间振动到正确的位置同时输出正确的光信号。
步骤7、光纤探头的利萨如轨迹振动构成光路中第一个像面。主光纤端点出射的光经过上述的光路在人眼底的视网膜处扫描，利用视觉暂留效应，构成人眼可观察的完整图像。完成本示例效果为“NUAA”四个字母的灰度值随时间深浅渐变的动态效果的显示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.光纤扫描显示探头，其特征在于，包括：
光纤致动元件；以及，
非对称悬臂梁光纤结构，安装在所述光纤致动元件上，包括主光纤和短于所述主光纤的附加光纤，二者平行设置并通过垂直的连接桥相连；
当所述光纤致动元件受特定正交驱动信号驱动时，使所述主光纤端点沿利萨如扫描轨迹振动。
2.根据权利要求1所述的光纤扫描显示探头，其特征在于，所述光纤致动元件采用压电片致动器，所述主光纤沿着所述压电片致动器长度方向固定在其上端面中间位置，所述附加光纤固定在所述压电片致动器下端面边沿。
3.根据权利要求1所述的光纤扫描显示探头，其特征在于，所述光纤致动元件采用压电管致动器，所述主光纤沿着所述压电管致动器轴向固定在其内侧中心，所述附加光纤通过连接桥固定在所述主光纤正下方。
4.头戴式显示器，其特征在于，包括：
光源；
外部调制系统，用于调节所述光源输出至所述主光纤的光强，以及生成用于驱动所述光纤致动元件的正交驱动信号；
权利要求1至3中任一项所述的光纤扫描显示探头，在所述主光纤前设有光束汇聚透镜，用于将所述主光纤端点散射的光变为汇聚光形成中继像面，以及控制所述中继像面的放大倍率；以及，
近眼显示光路组件，用于将所述中继像面汇聚在视网膜上，形成人眼可见的图像。
5.根据权利要求4所述的头戴式显示器，其特征在于，所述光束汇聚透镜采用聚焦透镜或阶梯折射率透镜；当采用聚焦透镜时，所述中继像面为上下倒立的放大实像；当采用阶梯折射率透镜时，所述中继像面为上下正立的放大实像。
6.权利要求4或5所述的头戴式显示器的驱动方法，其特征在于，包括：
光纤致动元件正交驱动信号的构建和图像均匀采样；
读取图像像素信息并生成电压数据流；
将正交驱动信号加载到光纤致动元件上，使主光纤端点沿利萨如扫描轨迹振动；将电压数据流信号输出至外部调制系统，调节光源输出光强；在时间矢量方向上，正交驱动信号将主光纤端点移动到既定位置时，电压数据流信号将主光纤端点输出的光强调节到该既定位置对应的光强，光强与该既定位置对应图像的RGB色彩参数值相符；
主光纤端点的利萨如扫描轨迹振动构成光路中的第一个像面，经光束汇聚透镜后形成中继像面，该中继像面再经近眼显示光路组件汇聚，形成人眼可见的图像。
7.权利要求6所述的驱动方法，其特征在于，
正交驱动信号的振动表达式为：
Figure FDA0003952548860000021
Figure FDA0003952548860000022
A和B分别为对应偏转电压的正弦波振幅，fx和fy分别为对应正弦波的频率，
Figure FDA0003952548860000023
和
Figure FDA0003952548860000024
分别为对应正弦波的初相位；
均匀采样标准为：
帧速率fr为fx和fy的最大公约数；
fx/fr和fy/fr要求一个为奇数，另一个为偶数，以实现最密集利萨如扫描轨迹；
为达到垂直分辨率要求，fx要求满足：
Figure FDA0003952548860000025
Ry大于图像垂直像素数；
fx和fy的比值约等于垂直分辨率和水平分辨率的比值。
8.权利要求6所述的驱动方法，其特征在于，将确定的利萨如扫描轨迹在图像区域上建立坐标，根据轨迹扫描的时间顺序依次获取每个数据生成点所对应的坐标和图像的灰度值，完成采样后，生成对应利萨如扫描轨迹的像素位置表；电压数据流中的灰度数据对应于图像显示时像素位置表中需要填充的数据。
9.权利要求6所述的驱动方法，其特征在于，当图像为只存在灰度值差别的类黑白图像时，电压数据流为一行；当图像为彩色图像时，根据颜色模式生成对应行的电压数据流；颜色模式包括RGB和CMYK。
10.权利要求6或9所述的驱动方法，其特征在于，针对动态视频，生成对应每一帧图像的电压数据流。
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