使扫描显示与视频同步的制作方法

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。可以使用各种扫描系统，包括但不限于扫描镜。

技术实现要素：

本文中公开了与控制扫描显示系统有关的示例。一个示例提供了一种显示设备，该显示设备包括光源、被配置为以较高的第一扫描速率在第一方向上并且以较低的第二扫描速率在第二方向上扫描来自光源的光的扫描镜系统、以及被配置为通过以下方式控制扫描镜系统显示视频图像数据的驱动电路：向扫描镜系统提供控制信号以控制在第二方向上的扫描，并且针对视频图像数据帧的至少一个子集中的每个视频图像数据帧，将控制信号与调节信号组合以调节在第二方向上的扫描，调节信号包括具有截止频率的低通滤波信号，截止频率基于扫描镜系统在第二方向上的最低谐振频率。

提供本“发明内容”以便以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的“具体实施方式”中进一步描述。本“发明内容”既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任何部分中指出的任何或所有缺点的实现。

附图说明

图1示出了示例mems扫描显示设备的框图。

图2示出了示例mems扫描镜系统的框图。

图3示出了图2的示例中mems镜对调节信号的施加的位置响应的曲线图。

图4示出了针对示例mems镜扫描系统的bode幅度曲线图。

图5示出了被配置为利用经低通滤波的调节信号的示例mems扫描镜系统的框图。

图6示出了被配置为利用经低通滤波的调节信号的另一示例mems扫描镜系统的框图。

图7示出了mems镜对经低通滤波的调节信号的施加的位置响应的曲线图，并且还示出了该曲线图的选定区域的放大。

图8示出了经低通滤波的调节信号的曲线图和在施加经低通滤波的调节信号的情况下整个系统输出的曲线图。

图9是示出示例计算系统的框图。

具体实施方式

扫描显示系统可以利用微机电系统(mems)镜系统来扫描来自光源的光以形成用于显示的图像。图1示出了示例mems扫描显示设备的框图。显示设备100包括向扫描镜系统104输出光的一个或多个光源102(例如，激光器)。扫描镜系统104被配置为在第一扫描方向106上(例如，水平地)和在第二扫描方向108上(例如，竖直地)扫描光。扫描镜系统104可以包括在水平方向和竖直方向两者上被驱动的单个镜、或者在水平方向和竖直方向上被单独驱动的两个镜。所得到的图像被提供给输出110以供显示。输出110可以采取任何合适的形式，诸如显示器表面、投影光学器件、波导光学器件等。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，其中输出110被配置为不透明表面，或者显示设备100可以被配置为增强现实hmd设备，其中输出被配置为透视结构，该透视结构允许将虚拟图像与周围真实世界环境的视图组合。显示设备100可以采取其他合适的形式，诸如平视显示器、移动设备屏幕、监测器、电视等形式。

显示设备100还包括被配置为控制(多个)光源102、扫描镜系统104和其他设备组件的操作的控制器112。控制器112包括被配置为向扫描镜系统104提供信号以控制每个方向上的扫描的驱动电路114。在第一扫描方向和第二扫描方向上可以使用不同扫描速率进行扫描。例如，显示设备100可以在第一扫描方向上以镜的谐振频率进行扫描，并且在第二扫描方向上以约视频数据的帧速率进行扫描。一个或多个扫描镜可以采取任何合适的形式，诸如谐振压电致动镜。

然而，针对较快的扫描方向上的镜的谐振频率可能不是正在被显示的视频数据的帧速率的精确倍数。除非缓解这个问题，否则图像数据的连续帧中的图像的扫描将在图像帧中的不同位置处开始。这个问题的一种可能的解决方案是在扫描的非有效(non-active)部分期间，例如，在一个帧的扫描完成与下一帧的扫描开始之间，向慢扫描镜施加调节信号，从而使镜的位置和/或轨迹竖直地移位合适的量，以使下一帧的扫描在正确的位置处开始。这样的操作可以针对每个帧或仅针对帧的子集执行，以维持视频数据与扫描镜系统之间的合适的同步水平。

然而，在扫描的非有效部分的持续时间内实现精确的位置移位可能是具有挑战性的。例如，执行这样的调节可能需要以不是镜的自然谐振频率的频率精确地控制慢扫描镜的位置和速度。在扫描的有效部分期间，即使是很小的位置误差或速度波动也可能会产生图像伪影。这样的伪影可能是由于移位导致的在较慢扫描方向上的谐波振荡引起的“振铃(ringing)”而产生的。这个振铃必须足够快地被解决，以允许下一帧扫描开始而不会产生可见伪影。

一种可能的解决方案是在当前扫描的有效部分完成之后立即施加调节信号，然后等待直到谐振相关的“振铃”已经阻尼到无法感知的水平。但是，这样的等待可能会延长下一有效扫描可以开始的时间，这可能会导致扫描图像大小或帧速率的不可接受的降低。

因此，本文中公开了涉及以可以避免这种振铃的方式调节较慢扫描方向上的扫描的示例。简要地，所公开的示例利用经低通滤波的调节信号，该信号包括基于竖直扫描镜的最低谐振频率的截止频率。这样的调节信号有助于避免激励在慢扫描方向上的扫描镜系统的谐振频率，并且从而有助于避免引起这样的伪影的振铃。此外，经低通滤波的调节信号的使用还允许在数据的先前帧的扫描结束之前施加该信号，如下面更详细地描述的。如本文中使用的术语“经低通滤波的调节信号”包括在与控制信号组合之前通过低通滤波器的信号、这种信号的记录、以及具有本文中公开的经低通滤波的调节信号的特性的合成信号。

图2示出了mems镜扫描系统200的框图，该mems镜扫描系统200施加调节信号，而没有在与控制信号求和之前进行低通滤波。框202表示用于产生控制信号的电路系统，该控制信号用于获得针对镜系统204的慢扫描方向的稳态扫描轨迹。控制信号(在框212中示意性地示出为上部迹线)具有锯齿形式，其中长倾斜(slope)表示图像扫描期间的镜移动，而短倾斜表示在图像帧之间的镜返回。控制信号在增益框207处被放大，并且在到达mems镜系统204之前通过低通滤波器210(这可以施加附加增益)。所得到的镜位置214可以作为反馈连续地被提供给216处的内部反馈回路以及218处的外部反馈回路。外部反馈回路218可以被配置为通过将所接收的信号与期望的理想锯齿波形进行比较来监测稳态轨迹的质量、基于这个比较生成误差信号、并且将误差信号提供给内部反馈回路。内部反馈回路216可以被配置为向控制信号施加改变以针对误差信号进行校正，从而有助于获得更接近于期望轨迹的结果。系统200可以还包括在外部反馈回路与内部反馈回路之间的低通滤波器210。低通滤波器210可以用于帮助内部回路遵循由外部回路指定的所请求的扫描轨迹。

mems镜扫描系统200还包括被配置为在求和框208处将调节信号与控制信号相加的调节信号电路206。调节信号(在框212中示意性地示出为下部迹线)采取阶跃形式。如上所述，由于信号中以一个或多个谐振频率向镜系统204的慢扫描方向提供能量的高频分量，应用这样的阶跃可能导致不期望的“振铃”效应。在低通滤波器210的上游施加调节信号可以帮助减少一些高频分量，从而在某种程度上减轻振铃。然而，因为低通滤波器210具有相对较宽的截止频率区域，所以这种减轻可能不足以将振铃减小到低于可感知的量。

图3示出了图2的示例中示例mems镜对被施加为阶跃变化的调节信号的施加的响应的曲线图300。在该示例中，在前一帧的扫描已经完成之后施加调节信号。如图所示，阶跃信号足够快地将镜位置调节到期望位置。然而，镜的所得到的“振铃”(示出为关于期望镜位置的振荡)在不合适地长的持续时间内以不希望的幅度(如示例可感知带301所示)继续。

作为另一可能策略，代替阶跃信号，可以将更平缓(gradual)的斜坡信号用作调节信号。然而，这样的信号仍然可以具有以谐振频率激励镜系统的高频分量。因此，使用足够慢的斜坡来避免过度振铃可能导致斜坡太慢而不能在图像帧扫描之间的时间内被执行。这在图3中示为曲线图302。虽然这样的斜坡信号可以帮助减少曲线300所示的响应的延长的振铃，但是镜的位置仍然在带301之外，直到第六次接近期望位置。曲线图302比曲线图300更慢地第一次到达期望位置，但是更快地安置(settle)在带301内，尽管仍然可能不如期望的那样快。

作为实现更快转变的另一可能解决方案，可以首先应用幅度大于所需要的幅度的调节阶跃(“过冲”)，然后可以应用负的阻尼阶跃以消除初始信号的不期望的影响。这种过冲然后阻尼的方法可以被称为“微调”方法。但是，利用这种微调方法，过冲和阻尼阶跃必须在制造期间针对系统专门进行调谐，并且可能需要在系统的整个生命周期中进行定期重新调谐，以解决可能影响系统的自然谐振频率的系统变化(例如，由于热、老化等引起的变化)。

图4示出了示例mems镜扫描系统(不包括图2的闭环反馈系统(其可能会改变系统的谐振中的一些))的频率响应的bode幅度曲线图(mems扫描系统的位置行为与输入驱动的关系)。当如上所述地应用微调时，所施加的各种特定的过冲和阻尼信号的目标将是实质上形成所示出的bode曲线图的逆反(inverse)以抵消峰值。但是，随着系统的老化或变化，这些峰值可能会变化，因此需要在设备的使用生命周期内进行重新调谐。

与上述解决方案相反，使用经低通滤波的调节信号不需要这种微调。更具体地，代替调谐调节信号以阻尼bode幅度曲线图中的特定峰值，使用经低通滤波的调节信号来衰减高于截止频率的频率，该截止频率基于较慢扫描镜的最低预期谐振频率。这样，随着系统随时间变化，无需重新调谐信号(但是可以选择低通滤波器的截止频率，以允许系统的谐振频率随时间的某种变化以改进响应时间)。被应用于调节信号的低通滤波器可以具有任何合适的截止频率。在一些示例中，低通滤波器可以足够接近较慢扫描方向系统的最低谐振频率，以允许在施加调节信号之后发生某种振铃，只要该振铃不会产生可感知的伪影(例如，伪影的幅度低于可感知的阈值水平)。

图5示出了被配置为使用经低通滤波的调节信号来使扫描镜与视频数据帧同步的示例mems扫描镜系统500的框图。系统500的配置类似于上述系统200。例如，系统500包括驱动电路，该驱动电路被配置为生成在502处的用于获得稳态扫描轨迹的控制信号，以在慢扫描方向上控制mems镜系统504。控制信号在到达mems系统504之前通过增益框513和低通滤波器512。mems系统504可以施加附加增益。

此外，系统500包括被配置为在求和框511处将控制信号与经低通滤波的调节信号求和的调节信号电路(其两个示例在508和510处示出)。

首先参考框508，在一些示例中，调节信号电路可以包括用于对“阶跃”信号506进行滤波的低通滤波器。鉴于将在其中执行镜调节的图像帧扫描之间的非常短的时间，可能希望利用激进的低通滤波器(例如，12极点低通滤波器)来实现窄截止频率区域。这可以允许将低通滤波器截止频率定位成更靠近镜系统的最低谐振频率。在其他示例中，可以使用任何其他合适的低通滤波器。合适的低通滤波器包括激进的低通滤波器，其在阶跃响应中的任何过冲都不超过期望的带的大小。接下来参考框510，在其他示例中，在510，调节信号可以采用预记录波形的形式，该波形旨在再现低通滤波器的输出。在两种情况下，使用已经如本文中描述的进行滤波的信号可以帮助实现低于在帧之间的时间之内的移位幅度的期望百分比的振铃。

在图5的示例中，低通滤波信号被示出为在信号路径中在另一低通滤波器512下游与控制信号组合。图6示出了另一示例mems扫描镜系统600，其中低通滤波信号和控制信号在低通滤波器602的上游组合。在这样的系统中，控制信号和/或调节信号可以被预失真为主动地“撤销(undo)”下游低通滤波器602的任何影响。

返回图5，在一些示例中，在514，也可以将低通滤波信号与去往外部反馈回路的反馈信号组合。这可以帮助防止控制信号的调节被外部反馈回路解释为干扰。

图7示出了mems镜对经低通滤波的调节信号的施加的示例响应的曲线图700。图7还示出了响应的曲线图700的所选择的区域的放大702和704。首先参考曲线图700，经低通滤波的调节信号允许未调节信号状态与已调节信号状态之间的相对快速的转变。此外，参考曲线图702，由于滤波导致经低通滤波的调节信号具有修整(rounded)的相对平缓的初始部分，因此在施加调节信号之后的几分之一毫秒内，镜响应未达到可感知阈值。这样，可以在到达当前视频图像数据帧的最后有效像素之前施加调节信号，从而允许调节信号在相对于急剧的阶跃或斜坡的较早时间处被施加。一旦前一帧的最后像素被扫过，则镜响应就以足够快的速度斜升以在下一扫描的第一像素开始之前到达针对下一扫描的期望的开始位置。此外，如图所示，在施加信号之后的任何振铃都在所示出的示例可感知阈值下方，从而允许在进入示例性可感知带之后立即扫描下一图像帧。该振铃可以基于低通滤波器的截止频率与镜的最低谐振频率之间的接近程度以及基于截止频率的锐度来确定，并且因此可以通过滤波器设计而被调节。图7示出了曲线图700，与由没有本文中描述的低通滤波特性的调节信号引起的曲线图进行比较。

如在放大曲线图704中可以看到的，在到达可感知带之前，响应的斜坡不是笔直的倾斜，而是随着由于振铃而接近带而变得不那么陡峭。在一些示例中，这可以通过调节被施加到低通滤波器的输入信号来减轻。例如，被施加到低通滤波器的输入信号可以包括初始过冲部分以维持期望的斜坡轮廓，从而帮助镜更快地到达期望位置。

图8示出了调节信号路径中的低通滤波器的输出的曲线图800、以及在应用低通滤波器的情况下整个系统输出的曲线图802。

尽管在mems扫描显示设备的上下文中进行描述，但是本文中公开的经低通滤波的调节信号可以用于调节任何其他合适的mems系统。

在一些实施例中，本文中描述的方法和过程可以与一个或多个计算设备的计算系统联系在一起。特别地，这样的方法和过程可以被实现为计算机应用程序或服务、应用程序编程接口(api)、库和/或其他计算机程序产品。

图9示意性地示出了可以实施上述方法和过程中的一个或多个的计算系统900的非限制性实施例。计算系统900以简化形式示出。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(例如，智能电话)、可穿戴设备、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904。计算系统900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。

逻辑子系统902包括被配置为执行指令的一个或多个物理设备。例如，逻辑子系统902可以被配置为执行作为一个或多个应用、服务、程序、例程、库、对象、组件、数据结构或其他逻辑构造的一部分的指令。这样的指令可以被实现以执行任务，实现数据类型，转变一个或多个组件的状态，实现技术效果，或者以其他方式实现期望结果。

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。另外地或替代地，逻辑子系统902可以包括被配置为执行硬件或固件指令的一个或多个硬件或固件逻辑机器。逻辑子系统902的处理器可以是单核或多核的，并且在其上执行的指令可以被配置用于顺序、并行和/或分布式处理。逻辑子系统902的各个组件可选地可以分布在两个或更多个分离的设备之间，这些设备可以位于远程和/或被配置用于协调处理。逻辑子系统902的各方面可以由以云计算配置进行配置的可远程访问的联网计算设备虚拟化和执行。

存储子系统904包括被配置为保存由逻辑机器可执行以实现本文中描述的方法和过程的指令的一个或多个物理设备。当这样的方法和过程被实现时，存储子系统904的状态可以被转变，例如以保存不同的数据。

存储子系统904可以包括可移除和/或内置设备。存储子系统904可以包括光学存储器(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。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、随机存取、顺序存取、位置可寻址、文件可寻址和/或内容可寻址设备。

应当理解，存储子系统904包括一个或多个物理设备。然而，替代地，本文中描述的指令的各方面可以由物理设备未在有限的持续时间内保持的通信介质(例如，电磁信号、光信号等)传播。

逻辑子系统902和存储子系统904的各方面可以一起集成为一个或多个硬件逻辑组件。这样的硬件逻辑组件可以包括现场可编程门阵列(fpga)、程序和应用特定集成电路(pasic/asic)、程序和应用特定标准产品(pssp/assp)、系统级芯片(soc)和复杂可编程逻辑器件(cpld)。

当被包括时，显示子系统906可以用于呈现由存储子系统904保存的数据的视觉表示。该视觉表示可以采取图形用户界面(gui)的形式。当本文中描述的方法和过程改变由存储机器保存的数据，并且因此转变存储机器的状态时，显示子系统906的状态同样可以被转变以可视地表示底层数据的改变。显示子系统906可以包括实际上利用任何类型的技术的一个或多个显示设备。这样的显示设备可以在共享外壳中与逻辑子系统902和/或存储子系统904组合，或者这样的显示设备可以是外围显示设备。

当被包括时，输入子系统908可以包括一个或多个用户输入设备或与之交互，诸如键盘、鼠标、触摸屏或游戏控制器。在一些实施例中，输入子系统可以包括所选择的自然用户输入(nui)组件或与之交互。这样的组件可以是集成的或外围的，并且输入动作的转导和/或处理可以在板上或板外进行。示例nui组件可以包括用于语音和/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应组件。

当被包括时，通信子系统910可以被配置为将计算系统900与一个或多个其他计算设备通信地耦合。通信子系统910可以包括与一种或多种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，通信子系统可以被配置用于经由无线电话网络或者有线或无线局域网或广域网进行的通信。在一些实施例中，通信子系统910可以允许计算系统900经由诸如互联网等网络向其他设备发送消息和/或从其他设备接收消息。

一个示例提供了一种显示设备，该显示设备包括：光源、被配置为以较高的第一扫描速率在第一方向上扫描来自光源的光并且以较低的第二扫描速率在第二方向上扫描来自光源的光的扫描镜系统、以及被配置为通过以下方式控制扫描镜系统显示视频图像数据的驱动电路：向扫描镜系统提供控制信号以控制在第二方向上的扫描，并且针对视频图像数据帧的至少一个子集中的每个视频图像数据帧，将控制信号与调节信号组合以调节在第二方向上的扫描，调节信号包括具有截止频率的低通滤波信号，截止频率基于在第二方向上扫描镜系统的最低谐振频率。调节信号可以另外地或替代地包括预记录信号。驱动电路可以另外地或替代地包括被配置为从输入信号形成调节信号的低通滤波器。低通滤波器可以另外地或替代地包括第一低通滤波器，驱动电路可以另外地或替代地包括第二低通滤波器，并且驱动电路可以另外地或替代地包括被配置为在第二低通滤波器的上游将控制信号与调节信号组合。低通滤波器可以另外地或替代地包括第一低通滤波器，驱动电路可以另外地或替代地包括第二低通滤波器，并且驱动电路可以另外地或替代地包括被配置为在第二低通滤波器的下游将控制信号与调节信号组合。被提供给低通滤波器的输入信号可以另外地或替代地包括初始过冲部分。扫描镜系统可以另外地或替代地包括用于在第一方向上的扫描和在第二方向上的扫描的同一镜。扫描镜系统可以另外地或替代地包括被配置为在第一方向上扫描光的第一扫描镜和被配置为在第二方向上扫描光的第二扫描镜。驱动电路可以另外地或替代地被配置为在到达当前视频图像数据帧的最后有效像素之前将控制信号与调节信号组合。低通滤波器可以另外地或替代地包括多极低通滤波器。

另一示例提供了一种显示设备，该显示设备包括光源和扫描镜系统，该扫描镜系统包括被配置为以较高的第一扫描速率在第一方向上并且以较低的第二扫描速率在第二方向上扫描来自光源的光的一个或多个镜、被配置为向一个或多个镜提供驱动信号以控制在第二方向上的扫描的驱动电路，并且驱动电路包括调节电路，调节电路被配置为向驱动信号提供调节信号以帮助使扫描镜系统与视频数据帧同步，调节电路包括调节信号源和低通滤波器。低通滤波器可以另外地或替代地被配置为从输入信号形成调节信号。调节电路可以另外地或替代地被配置为在输入信号中提供初始过冲部分。低通滤波器可以另外地或替代地包括第一低通滤波器，驱动电路可以另外地或替代地包括第二低通滤波器，并且驱动电路可以另外地或替代地包括被配置为在第二低通滤波器的上游将控制信号与调节信号组合。低通滤波器可以另外地或替代地包括第一低通滤波器，驱动电路可以另外地或替代地包括第二低通滤波器，并且驱动电路可以另外地或替代地被配置为在第二低通滤波器的下游将控制信号与调节信号组合。驱动电路可以另外地或替代地被配置为在到达当前视频图像数据帧的最后有效像素之前将控制信号与调节信号组合。低通滤波器可以另外地或替代地包括多极低通滤波器。

另一示例提供了一种显示视频图像的方法，该方法包括：控制光源以输出光；以较高的第一扫描速率在第一方向上扫描光，并且以较低的第二扫描速率在第二方向上扫描光；以及针对正在被显示的视频数据的视频图像数据帧的至少一个子集中的每个视频图像数据帧，将用于控制在第二方向上的扫描的控制信号与调节信号组合，以用于调节在第二方向上的扫描，调节信号包括具有截止频率的低通滤波信号，截止频率基于扫描镜系统在第二方向上的最低谐振频率。将控制信号与调节信号组合可以另外地或替代地包括：在到达当前视频图像数据帧的最后有效像素之前将控制信号与调节信号组合。根据权利要求18所述的方法，还包括：将低通滤波器应用于输入信号以形成所述调节信号。

应当理解，本文中描述的配置和/或方法本质上是示例性的，并且这些特定实施例或示例不应当被视为限制性的，因为可能有多种变型。本文中描述的特定例程或方法可以表示任何数目的处理策略中的一个或多个。这样，所示出和/或描述的各种动作可以按照所示出和/或描述的顺序执行，以其他顺序执行，并行地执行，或者省略。同样，上述处理的顺序可以改变。

本公开的主题包括本文中公开的各种过程、系统和配置以及其他特征、功能、动作和/或特性的所有新颖且非明显的组合和子组合、及其任何和所有等效项。

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