控制扫描镜系统的制作方法

背景技术：

显示设备可以扫描来自光源的光以产生可视图像。各种类型的扫描机构可以被使用，包括但不限于扫描镜。

技术实现要素：

本文公开了涉及控制扫描显示系统的示例。一个示例提供了一种显示设备，其包括光源、被配置为扫描来自光源的光的扫描镜系统、和控制器，该控制器被配置为通过在时域中合成镜控制波形来控制扫描镜系统扫描光，该镜控制波形包括线性扫描部分和缝合(stitch)到该线性扫描部分的回扫(retracing)部分，该镜控制波形是连续的，并且在扫描周期之间具有由控制器可调节的任意定时。

本发明内容被提供以通过简要方式来引入了概念的选择。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在限制所要求保护的主题的范围。此外，所要求的保护主题不限于解决在本公开的任何部分中指出的任何缺陷或所有缺陷的实现。

附图说明

图1图示了示例显示设备。

图2示出了示例时域合成的镜目标轨迹波形。

图3示出了与示例时域合成的波形相比、具有80％占空比的120hz锯齿波的快速傅里叶变换的绘图。

图4示出了每帧位置变化±10％的示例时域合成的波形。

图5图示了示例电磁镜驱动电路。

图6图示了示例比例-微分(pd)控制器电路。

图7示出了用于图6的pd控制器的增益波特绘图。

图8示出了基于使用图6的pd控制电路的图5的电路而被执行的仿真实验的示例结果。

图9示出了示例计算系统的框图。

具体实施方式

一些扫描显示系统可以在第一方向上(例如，垂直地)以较慢的速率、并且在第二方向(例如，水平地)上以较快的速率扫描来自光源的光，来光栅扫描图像以用于显示。在这种显示中，慢扫描方向可使用锯齿斜坡轨迹波形，其重复频率由显示帧率决定。各种类型的扫描镜可以被使用，包括但不限于微机电系统(mems)镜。考虑到基于mems的微显示技术提供高图像质量的能力和相对小的尺寸和重量，便携式显示设备可使用基于mems的微显示技术。

图1图示了与视频源102通信的示例显示设备100。显示设备100包括控制器104，其被可操作地耦合至扫描镜系统106和光源108。控制器104被配置为基于从视频源102接收的视频图像数据来控制光源108发出光。光源108可包括任何适当的(多个)发光元件，诸如，一个或多个激光器，并且可以以任何适当的波长范围来输出光，诸如，红色、绿色和蓝色。在其他示例中，光源108可输出基本上单色的光，或其他除红色/绿色/蓝色之外的波段。

扫描镜系统106包括一个或多个扫描镜110，其可控制以改变来自光源的光被反射的角度，从而扫描图像。如上所述，扫描镜系统104可以包括在水平方向和垂直方向两者上被驱动的单个镜、或者在水平方向和垂直方向上被分离地驱动的两个镜。由扫描系统106反射的光被导向输出112以显示被扫描的图片。输出112可以采用任何适当的形式，诸如投影光学、波导光学等。作为示例，显示设备100可以被配置为虚拟现实头戴式显示器(hmd)设备，其输出110被配置为不透明表面，或者被配置为增强现实hmd设备，其输出被配置为透明结构，该透明结构允许虚拟图像与周围真实环境的视图组合。作为示例，显示设备100也可以采用其他适当的形式，诸如平视显示器、移动设备屏幕、或电视的形式。

扫描镜系统106还包括机电致动器系统114，其包括(多个)致动器116以实现(多个)扫描镜110的运动。各种类型的致动器可以被用于控制mems镜系统。关于慢扫描方向，与应用的单一振幅相比，电磁致动器可以提供倾斜角相对好的线性，并且因此可以适于与具有锯齿/斜坡状轨迹控制波形一同使用。

然而，锯齿或斜坡控制波形的较高频率分量可以导致与mems镜和镜驱动放大器两者有关的问题。为了解决这些问题，镜扫描控制系统可以使用低通滤波或频域合成，以构建具有较少高频信息的目标控制轨迹波形。然而，这种处理会影响对控制信号的镜响应的线性，和/或引入不期望的延迟。这些影响中的任一影响可能降低显示质量和/或不能提供快速且准确的动态定位。

因此，公开了涉及镜控制波形的时域合成的示例。如下详述，公开的示例提供了一种控制波形，其包括线性部分和缝合到该线性部的回扫部分，该线性部分具有与镜扫描对应的预选择的持续时间。所产生的波形在mems运动期间关于位置和速度变化可能是连续的，其可以在频域中表现出从基波到十次谐波大于40db的衰减，并且可以允许每一帧的任意定位。至少部分地由于较高频率分量的衰减，本文公开的示例时域波形合成可以有助于减小对镜的压力并且防止镜破损，从而改善驱动器和系统的寿命及性能。

图2示出了示例时域合成的镜目标轨迹波形200。该目标轨迹波形包括在时间间隔(t1，t2)期间的线性光栅扫描部分，其被定义为占空比d，以及将镜从t2位置返回到t1位置的回扫部分。该镜的回扫可以为非线性的，并且可以被配置为在t1时刻和t2时刻具有±vp的幅度。针对间隔(t1，t2)的函数保持基本上恒定的线性斜率，同时针对回扫间隔的函数可以在t1和t2处提供基本上相似的位置和导数(mems速度)。

各种函数可以被用于满足上文所讨论的针对目标波形的回扫部分的标准。一些示例中，三角函数，诸如正弦函数或余弦函数，可以被用于回扫部分。这种函数的一个示例如下公式(1)所示。该函数参数的推导如公式(2)所示。在这些表达中，ω包括正弦的频率，a包括正弦波的幅度，并且t为表示波形的完整循环的周期。

a*sin(ω·t1)＝vp(1)

组合以上两个公式(1)和(2)，得到以下公式：

两边可被乘以t1，由于波形的对称性，其也可以被表示之后可以应用泰勒近似来获得以下公式：

给定伯努利数且正弦波的频率可以被表示为：

此外，正弦波的幅度可以被表示为：

针对给定的帧频率、扫描间隔的占空比和位置的峰值，使用这些表达式，正弦波的幅度和频率可以被计算，并且所得到的波形可以在t1和t2被缝合到控制波形的线性部分。利用所得到的时间域合成的波形，镜位置和该镜位置的导数两者在整个周期内可以是连续的。尽管上述示例使用正弦/余弦函数，在其他示例中，回扫部分可以使用任何其他适当的三角函数来确定。在一些示例中，回扫部分可以被实时计算，然而在其他示例中，回扫部分可以从具有预计算的值的查找表中获取。

图3表示具有80％占空比的120hz锯齿波的快速傅里叶变换(fft)302的绘图(图3图例中的“斜坡”)与具有相同线性时间间隔和120hz频率的建议波形304的fft(图3图例中的“新的”)的比较300。如图所示，建议波形304的高频分量在幅度上低于理想锯齿波形的高频分量。因此，本文所公开的时间域合成的控制波形可以帮助避免由这些高频分量引起的mems镜系统问题。

上述波形可以被应用于下一帧的任意位置。例如，在扫描的结尾，针对下一次扫描的预期起始位置和时间，过渡正弦函数(或其他合适类型过渡函数)可以被评估。除频率ω和幅度a之外，还可以确定偏移和相位延迟以帮助调节扫描位置，例如通过针对当前帧的结束点和下一帧的起始点两者确定关于位置和速度连续性的边界条件。如果垂直镜扫描的持续时间是逐帧一致的，则相同的频率和相位延迟可以被逐帧应用。在这种情况下，幅度和偏移的确定足以调节帧的位置，因此相对于频率和相位延迟也被计算的情况，这会产生更少的实时计算。图4示出了根据以上描述合成的示例波形，并且示出了通过控制幅度和偏移实现的帧之间随时间轴(水平轴)的位置的10％变化。更一般地，通过确定起始位置、扫描时间间隔和mems运动斜率这四个变量，所公开的示例时域波形合成可以被应用于针对具有不同起始位置、扫描时间间隔和mems运动斜率的下一帧的任何任意位置。

为了控制镜，合成的波形被提供至镜驱动电路。图5示出了示例镜驱动电路500，其包括电磁镜系统502、驱动放大器504以及包括运算放大器507的控制器放大器级506。驱动放大器504可以是线性放大器、d类转换放大器或者其他适当类型的放大器。虽然本文在电磁驱动镜的上下文中进行描述，应当理解相同的示例也可以应用于静电驱动镜和/或其他适当的镜驱动机构。

以来自mems镜系统502的直接电信号形式的镜位置反馈被供给至控制器放大器级506的运算放大器507的反相输入，且时间域合成的目标轨迹波形508被供给至运算放大器507的非反相输入。控制器放大器级506输出具有如下增益的信号，该增益是镜位置信号与目标波形508之间的差异的函数。控制器放大器级506的输出包括被提供至驱动放大器504的控制信号，驱动放大器504经由电压源vrail来放大信号的功率，以经由信号vdrive来驱动mems镜502。新的镜位置作为信号被供给回控制器放大器506，并且以闭环的方式，控制器放大器506的输出再次被输入到驱动放大器504，以相应地调整mems镜502。控制器放大级506可以包括比例-微分(pd)控制器、比例-积分-微分(pid)控制器、超前-滞后控制器、或任何其他适当的控制电路。下问更详细地描述示例pd控制器电路。镜驱动器电路502可经配置为以操作帧频率和高带宽来提供高增益，从而促进具有适当高精度和快速响应的镜位置的控制。

与数字域相反，镜驱动器电路500可以在模拟域中实现。在模拟域中实现镜驱动器电路500可以帮助避免使用模数转换器(adc)和/或数模转换器(dac)。在数字域中，adc和dac可能需要利用高采样率来提供高质量控制信号重建，这可能将延迟引入到反馈回路中。相反，驱动器电路500可以避免这种高速adc和dac(但可利用低速dac以将被储存为数字信号的目标波形转换为模拟信号)。

如上所述，各种类型的控制电路可被使用，包括但不限于pid、pd和超前-滞后控制器。图6图示了示例pd控制电路，其可以在图5的驱动电路500中被实现。在该图中，c1和r1的并联布置对应于图5的zi，与r2和c2的串联布置并联的r2对应于图5的zf，vref对应于图5中的目标轨迹波形输入，并且verr对应于由图5的控制放大器级506输出的控制信号。

图7示出了图6的示例pd控制器的增益波特图。基于操作频率和镜阻抗，镜驱动控制器可以被配置为提供以下特性：(1)没有积分器极点，因为在正常镜操作期间，操作频率(ff)可能在60-120hz内，并且可能不需要高dc增益；(2)由位于镜的第一谐振频率(f1)附近的r1和c1形成的零点，如公式(7)所示；在镜的第一和第二振频率(f2)之间的回路增益交越频率(fc)；以及由r2、r3和c2形成的零极点对，其可位于交越频率之前或之后，如公式(8)和(9)所示。

图8示表示基于使用图6的pd控制电路的图5的电路所执行的仿真实验的示例结果。在这些模拟中，驱动放大器被表示为增益块，其具有比期望操作频率更高的带宽。此外，电磁镜由电-机等效电路表示，其捕获镜组件的频率响应。机械谐振可以由多个电等效并联和/或串联lcr(电阻器、电感器和电容器)谐振来建模。波形802示出了镜运动反馈信号，波形804示出了mems反射镜的闭环控制器和驱动放大器(例如驱动放大器504)的示例输出；波形806示出了目标和反馈信号之间的误差。可以看出，时域合成的波形在该仿真中产生了连续的镜位置和运动，并且目标和反馈信号之间的误差指示镜位置紧密地追踪所合成的波形。

本文所公开的使用目标轨迹波形的时域合成的示例镜驱动方案可以通过提供连续镜位置和导数来帮助减少mems压力。此外，与所公开的时域合成的信号结合使用，所公开的控制电路可以经由闭环反馈控制来帮助确保镜位置的静态准确性和动态响应。

在一些实施例中，本文描述的方法和过程可以依赖于具有一个或多个计算设备的计算系统。特别地，这些方法和过程可以被实施为计算机应用程序或服务、应用程序编程接口(api)、库和/或其它计算机程序产品。

图9图示了能够实施上述一个或多个方法和过程的计算系统900的非限制性实施例。计算系统900以简化形式被示出。计算系统900可以采用以下形式：一个或多个个人计算机、服务器计算机、平板计算机、家庭娱乐计算机、网络计算设备、游戏设备、移动计算设备、移动通信设备(如，智能电话)、和/或其他计算设备。

计算系统900包括逻辑子系统902和存储子系统902。计算子系统902可以可选地包括显示子系统906、输入子系统908、通信子系统910和/或图9中未示出的其他组件。作为示例，计算系统900可以表示显示设备100和控制器104中的一个或多个。

逻辑子系统902包括被配置为执行指令的一个多个物理设备。例如，逻辑子系统902可被配置成执行指令，该指令是一个或多个应用、服务、程序、例程、库、对象、组件、数据结构或其它逻辑构造的一部分。这种指令可以被实施以执行任务、实施数据类型，转换一个或多个组件的状态、实现技术效果或以其它方式获得所需结果。

逻辑子系统902可以包括被配置为执行软件指令的一个或多个处理器。附加地或备选地，逻辑子系统902可以包括一个或多个硬件或固件逻辑机器，其被配置为执行硬件或固件指令。逻辑子系统902的处理器可以是单核或多核，并且在其上执行的指令可以被配置用于顺序的、并行的和/或分布式处理。逻辑子系统902的个体组件可以可选地被分布在两个或更多个分离设备之间,其可被远程地定位和/被配置用于协调处理。逻辑子系统902的各方面可以被虚拟化并且由可远程访问的、以云计算配置来配置的联网计算设备处理。

存储子系统904包括一个或多个物理设备，其被配置为保持由逻辑子系统902执行的指令以实施本文所描述的方法和过程。当这样的方法和过程被实施时，存储子系统904的状态可以被转换，例如以保持不同数据。

存储子系统可包括可移动的和/或内置的设备。存储子系统904可以包括光存储器(例如，cd、dvd、hd-dvd、蓝光光盘等)、半导体存储器(例如，ram、eprom、eeprom等)、和/或磁存储器(例如，硬盘驱动器、软盘驱动器、磁带驱动器、mram等)等等。存储子系统904可以包括易失性、非易失性、动态、静态、读/写、只读、随机访问、顺序访问、位置可寻址、文件可寻址和/或内容可寻址的设备。

应当理解，存储子系统904包括一个或多个物理设备。然而，本文描述的指令的各方面可以由通信介质(例如，电磁信号、光信号等)传播，该通信介质不被物理设备保持有限时长。

逻辑子系统902和存储子系统1004的各方面可被一起集成到一个或多个硬件逻辑组件中。这种硬件逻辑组件例如可以包括，现场可编程门阵列(fpga)，程序专用集成电路和应用专用集成电路(pasic/asic)、程序专用标准产品和应用专用标准产品(pssp/assp)、片上系统(soc)和复杂可编程逻辑器件(cpld)。

当包括显示子系统906时，显示子系统906可以用于呈现由存储子系统904保持的数据的视觉表示。该视觉表示可以采用图形用户界面(gui)的形式。随着本文所描述的方法和过程改变由存储器保持的数据，并因此转换存储器的状态，显示子系统906的状态可同样地被转换，以视觉地表示底层数据中的改变。显示子系统906可以包括虚拟地利用任何类型的技术的一个或多个显示设备。这种显示设备可与逻辑子系统902和/或存储子系统904被组合在共享的外壳中，或者这种显示设备可以是外部显示设备。

当包括输入子系统908时，输入子系统908可以包括一个或多个用户输入设备或者与一个或多个用户输入设备接合，诸如键盘、鼠标、触摸屏幕或游戏控制器。在一些实施例中，输入子系统可以包括被选择的自然用户输入(nui)元件或者与被选择的自然用户输入(nui)元件接合。这种元件可以是集成的或者是外围的，且输入动作的传到和/或处理可以是在板上处理或板外处理的。示例nui组件部分可包括用于语音和/或声音识别的麦克风；用于机器视觉和/或手势识别的红外、彩色、立体和/或深度相机；用于运动检测和/或意图识别的头部跟踪器、眼睛跟踪器、加速度计和/或陀螺仪；以及用于评估大脑活动的电场感测组件。

当包括通信子系统908时，通信子系统908可以被配置为将计算系统900通信地耦合至一个或多个其它计算设备。通信子系统910可以包括与一个或多个不同通信协议兼容的有线和/或无线通信设备。作为非限制性示例，通信子系统910可以被配置为经由无线电话网络、或有线或无线局域或广域网进行通信。在一些实施例中，通信子系统910可以允许计算系统900经由如因特网等网络向其它设备发送消息和/或从其它设备接收消息。

另一示例提供了一种显示设备，其包括光源、被配置为扫描来自光源的光的扫描镜系统和控制器，该控制器被配置为通过在时域中合成镜控制波形来控制扫描镜系统扫描光，镜控制波形包括线性扫描部分和被缝合至线性扫描部分的回扫部分，镜控制波形是连续的，并且在扫描周期之间具有由控制器可调节的任意定时。该控制器可以附加或备选地被配置为：基于扫描镜系统在当前帧结束时的当前位置和扫描镜系统针对下一帧的目标位置，实时计算回扫部分。该控制器可以附加或备选地被配置为从具有预计算的值的查找表获取回扫部分。该回扫部分可以附加或备选地包括三角函数。该回扫部分可以附加或备选地包括正弦函数或余弦函数。该线性部分可以附加或备选地包括预选择的占空比。该显示设备可以附加或备选地包括闭环控制电路，闭环控制电路被配置为基于来自扫描镜系统的位置反馈和镜控制波形，控制被提供至扫描镜系统的驱动放大器的功率。该闭环控制电路可以附加或备选地包括比例-微分(pd)控制器，并且被配置为基于模拟反馈来控制该扫描镜系统。附加地或备选地，镜控制波形的回扫部分的频域变换可以包括从基波到十次谐波的40db或更多的衰减。

另一示例提供了一种控制显示设备的图像的显示的方法，该方法包括控制光源输出光，通过在时域中合成镜控制波形，经由扫描镜系统扫描来自光源的光，镜控制波形包括线性扫描部分和缝合至线性扫描部分的回扫部分，镜控制波形是连续的，并且在扫描周期之间具有由控制器可调节的任意定时。合成镜控制波形可以附加或备选地包括：基于扫描镜系统在当前帧结束时的当前位置和扫描镜系统针对下一帧的目标位置，实时计算回扫部分。合成镜控制波形可以附加或备选地包括从具有预计算的值的查找表获取回扫部分。回扫部分可以附加或备选地包括三角函数。该方法可以附加或备选地包括：基于来自扫描镜系统的位置反馈和镜控制波形，向扫描镜系统的驱动放大器提供控制信号。该方法可以附加或备选地包括基于模拟反馈来控制扫描镜系统。附加地或备选地，镜控制波形的回扫部分的频域变换可以包括从基波到十次谐波的40db或更多的衰减。另一示例提供了一种显示设备，该显示设备包括光源、扫描镜系统和控制器，该扫描镜系统被配置为在第一方向上以较高的第一扫描速率、并且在第二方向上以较慢的第二扫描速率扫描来自光源的光，该控制器被配置为通过在时域中合成镜控制波形来控制扫描镜系统扫描光，该镜控制波形包括(a)线性扫描部分和(b)回扫部分，该回扫部分包括三角函数并且被缝合至该线性扫描部分，该镜控制波形是连续的，并且在扫描周期之间具有由控制器可调节的任意定时。该控制器可以附加或备选地被配置为：基于扫描镜系统在当前帧结束时的当前位置和扫描镜系统针对下一帧的目标位置，实时计算回扫部分。该控制器可以附加或备选地被配置为从具有预计算的值的查找表获取回扫部分。该控制器可以附加或备选地包括闭环控制电路，该闭环控制电路被配置为基于来自扫描镜系统的位置反馈和镜控制波形，控制被提供至扫描镜系统的驱动放大器的功率。

应当理解，本文描述的配置和/或方法本质上是示例性的，并且这些具体实施例或示例不应被认为是限制性的，因为多种变形是可能的。本文描述的特定方式或方法可以表示任何数目的处理策略中的一个或多个。同样地，所示出和/或描述的各种动作可以按所示出/所描述的顺序、以其他顺序、并行地或省略以执行。类似地，上述过程的顺序可以被改变。

本公开的主题包括本发明公开的各种程序、系统和配置，和其他特征、功能、动作、和/或属性的所有新颖和非显而易见的组合和子组合，以及它们的任何和所有等同。