静电MEMS微镜与激光器同步投影技术及控制电路
2025-02-08 20:07
No.1337877665952309248
技术概要
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本技术涉及一种静电MEMS微镜与激光器同步投影技术及其控制电路,适用于LBS投影系统。该系统利用二维静电谐振式MEMS微镜和激光器,通过同步运动实现高效投影。方法步骤包括生成快速扫描信号,控制MEMS微镜与激光器同步,以及精确调整投影参数,以优化图像质量和系统性能。
背景技术
增强现实(Augmented Reality,AR)显示技术能够将虚拟数据无缝覆盖至现实世界中,目前正引领人类感知与互动方式的深刻变革。因此,设计出能够将虚拟数字内容与现实体验相融合的高性能显示设备已成为AR领域的焦点。AR显示系统可大致分为基于面板的显示系统与扫描显示系统。基于面板的显示系统,如常见的数字光处理技术(DigitalLight Processing,DLP)、液晶显示技术(Liquid Crystal Display,LCD)等,通过全局像素照明,然后逐像素遮光以调节光强,最终实现图像的投影显示。但对于AR应用来说,图像投影通常只需全局30%的像素点亮,而显示时却整个面板始终维持点亮状态,导致了有限的发光效率、低图像对比度和显著的发热量。此外,由于系统需要多个用于投影的光学透镜,所以这类技术不可避免地增加了光学系统的体积。相比之下,基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)微镜的激光束扫描投影显示系统(Laser BeamScanning,LBS)因其无焦点、高效的按需投影机制,充分结合激光技术与MEMS技术各自的优点,已成为AR显示领域一种极具吸引力的替代方案。LBS显示系统在时间与空间上调制光脉冲,并利用MEMS反射镜依次形成图像的每个像素。这种显示技术在像素级精度上点亮或熄灭激光器,提高高光学效率和对比度的同时,能够减少废热的产生。此外,LBS无焦点投影的特性消除了其对投影的需求,显著减小了光学系统的体积。因此,LBS投影显示技术在AR眼镜、汽车AR抬头显示(head up display,HUD)等典型的AR显示领域中具有广阔的应用前景。 LBS投影系统中由于MEMS微镜的工作原理不同,激光扫描投影方式有多种,最常用的两种扫描方式为光栅扫描与李萨如扫描,其中,传统的光栅扫描在目前的应用中更加常见。光栅扫描的工作方式为沿X轴方向的简谐振动与沿Y轴方向的线性振动的两个相互垂直振动的合成运动,Y方向上的扫描速率远小于X方向上的扫描速率,当X方向上扫描完一个周期后,Y方向上只扫描移动了极短的距离,故可近似看作激光在X方向上扫描出了一条横线。当Y方向上扫描完一个周期后,整个显示区域被许多条横线覆盖,产生的扫描图案类似一副光栅。该扫描方式与阴极射线管(Cathode ray tube,CRT)显示技术类似,二者在理论与实践中可相互借鉴。此外,光栅格扫描的扫描轨迹固定,与图像像素存储方式类似,像素位置与时间有简单的对应关系,图像编码算法相对简单。但基于光栅扫描的LBS投影系统的缺点也较为明显,比如,Y方向上较低的扫描频率导致光栅扫描的帧率受限、抗外部振动干扰能力不强;扫描回程状态的存在导致显示效率不高;Y方向上的振动未工作在谐振状态导致扫描角度受限;器件制作难度大等。 李萨如扫描的工作方式为两个相互垂直的简谐振动的合成运动,一个沿X方向,一个沿Y方向,此时,X、Y方向上的扫描频率均以MEMS微镜两轴谐振频率附近较快的频率工作,当两轴的频率比为整数时,其扫描轨迹为某种形式的封闭曲线,其被称为李萨如图形。相比光栅扫描,基于李萨如扫描的LBS投影系统是在双轴高频的谐振状态下驱动MEMS反射镜。故基于李萨如扫描的LBS投影系统具有帧率较高、抗外部干扰能力强、扫描角度大、工作电压低等优势,同时,由于李萨如扫描无需考虑回程时间,其显示效率更高。此外,实现李萨如扫描的微镜主要为静电驱动类型,器件制作相对容易。因此,基于李萨如扫描的LBS投影系统在AR投影显示领域具有更加广阔的前景。 由于李萨如扫描轨迹为斜向依序偏移,在图像编码与时序控制方面不符合常规思维,与光栅扫描相比,基于李萨如扫描的LBS投影系统实现难度较大。在二维静电MEMS微镜驱动方面,由于需要同步控制MEMS微镜与激光器的运动,硬件需要根据帧率与驱动频率为MEMS微镜分别提供两路准确的快、慢轴驱动信号。此外,根据MEMS微镜的扫频特性,微镜驱动频率在第一谐振点与第二谐振点之间工作时,微镜能够产生更大的扫描角度,但需要通过硬件增加相应的扫频模块实现。然而常规的基于李萨如扫描的LBS投影系统为了简化硬件设计,在实际电路中往往不增加扫频模块。在MEMS微镜与激光器的同步控制方面,由于MEMS微镜每轴的固有延迟与驱动电路的延迟等延迟存在,施加至MEMS微镜快、慢轴的方波驱动信号与MEMS微镜角度振动的关系被改变,无法直接通过方波驱动信号建立MEMS微镜运动与激光器的同步控制关系。此外,还需要根据MEMS微镜运动与激光器的同步控制关系确定LBS投影系统的投影开始点,在常规的基于李萨如扫描的LBS投影系统中,通常采用点亮固定时间的激光器并不断调整李萨如扫描轨迹的位置以确定系统存在的延迟大小,通过延迟激光器的点亮时间或对像素数据施加延迟的手段,最终实现同步控制MEMS微镜与激光器的运动并确定LBS投影系统的投影开始点。这些方法存在许多弊端,首先,基于李萨如轨迹的调试方法繁琐且困难;其次,当李萨如轨迹较密时,人眼难以分辨,需使用高速相机抓拍并设计额外的程序进行李萨如轨迹的调试,设计复杂度大大增加。
实现思路
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技术研发人员:
周文彪  魏博宇  曹英超  江子俊  陆风驰  谢会开
技术所属: 北京理工大学
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