一种相位反馈控制方法及投影显示设备

技术领域

本发明涉及投影显示领域，尤其涉及一种相位反馈控制方法及投影显示设备。

背景技术

光纤扫描显示技术(fiber scanning display，FSD)的成像原理是，通过光纤扫描器带动光纤进行预定二维扫描轨迹的运动，并调制光源输出待显示图像的每个像素点对应的光，然后，通过光纤将待显示图像的每个像素点对应的光逐一投射到投影面上，形成投射画面。

在投影显示过程中，需要精确控制扫描器光纤扫描轨迹。现有技术中，一般都通过增加外部传感器测量扫描器或光纤的振动从而实现扫描器反馈控制。比如测量扫描器形变，通过磁场，电场等测量扫描器振动信息，或者通过光学器件检测扫描器投射的图像内容等方法。这些方案都需要额外增加传感器，势必会增加扫描器模组体积，功耗，成本，以及增加生产装配复杂度。

发明内容

本发明的目的是提供一种相位反馈控制方法及投影显示设备，用于解决现有技术中的反馈控制方案都需要额外增加传感器，会增加扫描器模组体积，功耗，成本，以及增加生产装配复杂度的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明实施例第一方面提供一种相位反馈控制方法，应用于光纤扫描器中，所述光纤扫描器包括用于驱动光纤振动的压电致动器和设置在所述致动器上的光纤，所述方法包括：

在所述光纤扫描器运行过程中，检测所述光纤振动时反作用在所述致动器上产生的反馈信号的幅度和相位；

调节施加在所述致动器上的驱动相位，使得所述反馈信号相位和所述反馈信号幅度满足一映射关系，从而将光纤扫描轨迹的响应相位维持在建立所述映射关系时的响应相位标定值不变。

可选的，建立所述映射关系的方法包括：

在所述光纤扫描器的工作温度范围内，将光纤扫描轨迹的响应相位维持在响应相位标定值不变，建立所述反馈信号相位与所述反馈信号幅度之间的所述映射关系。

可选的，所述映射关系是指所述反馈信号幅度关于所述反馈信号相位的标定函数。

可选的，调节施加在所述致动器上的驱动相位，使得所述反馈信号相位和所述反馈信号幅度满足一映射关系，包括：

基于所述反馈信号幅度和所述标定函数，修正目标相位值；

调节所述驱动相位，使得所述反馈信号相位等于所述修正后的目标相位值。

可选的，在所述光纤扫描器的工作温度范围内，所述致动器的驱动频率位于谐振峰的一侧，所述谐振峰是指所述光纤与所述致动器相互作用形成的谐振峰。

可选的，所述标定函数呈单调变化的曲线。

本发明实施例第二方面提供一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。

本发明实施例第三方面提供一种投影显示设备，包括：

存储器，其上存储有计算机程序；

处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现如第一方面所述方法的步骤。

本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

本发明实施例中的方案中，在所述光纤扫描器运行过程中，检测所述光纤振动时反作用在压电致动器上产生的反馈信号，并基于反馈信号对光纤扫描器进行反馈控制，避免了额外增加传感器，从而缓解增加传感器带来的增加扫描器模组体积，功耗，成本，以及生产装配复杂度的技术问题。该方案能够在不额外增加传感器的前提下，实现扫描器反馈控制，在外界工作条件变化时，保证扫描器显示图像不发生变化，同时减小扫描器显示模组反馈部分体积，重量，降低扫描器显示模组的功耗和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1A为本发明实施例提供的片状扫描器的结构示意图；

图1B为本发明实施例提供的片状扫描器的正面示意图；

图1C为本发明实施例提供的片状扫描器的背面示意图；

图2为本发明实施例提供的信号处理电路的示意图；

图3A为本发明实施例提供的幅度控制环的示意图；

图3B为本发明实施例提供的相位控制环的示意图；

图4为本发明实施例提供的扫描器电极的阻抗曲线；

图5为本发明实施例提供的光纤与压电陶瓷相互作用形成的谐振峰的示意图；

图6为本发明实施例提供的幅度控制框图；

图7A-图7B为本发明实施例提供的幅度目标值A

图8为本发明实施例提供的驱动电压与反馈信号幅度关系曲线的示意图；

图9A-图9B为本发明实施例提供的目标幅度PID控制器的迭代过程的示意图；

图10为本发明实施例提供的相位控制框图；

图11为本发明实施例提供的相位温度修正函数的示意图；

图12为本发明实施例提供的反馈控制原理框图。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。

首先，对本发明实施例中方案的基本原理进行说明。

本发明实施例中，扫描器致动器部分主要由压电陶瓷构成，扫描器利用压电陶瓷的逆压电效应，将电信号转换成机械振动，通过致动器振动来驱动固定在致动器上的光纤振动，以进行图像扫描。同时，压电陶瓷具有压电效应，压电陶瓷受外力作用发生形变时，压电陶瓷的内部会发生极化现象，使得压电陶瓷的两个相对表面上同时出现正负相反的电荷。

本发明实施例中，利用光纤振动时，光纤反作用在压电陶瓷上的应力导致的形变产生的电信号，作为反馈信号，来控制扫描器振动，从而保证光纤的振动幅度，相位稳定，不随外界因素影响而发生变化。

对于栅格式扫描方式的扫描器，包括两个致动部，分别提供x轴方向(快轴)驱动和y轴方向(慢轴)驱动，一般而言，y轴方向驱动频率小于x轴方向驱动频率，因此，两个致动部也可以分别称为慢轴致动部和快轴致动部，光纤在两个致动部所产生的振动的协同作用下，按照栅格式的轨迹扫动。因此，对于栅格式扫描方式，两个致动部可以分别看作是光纤扫描器的两个扫描轴。由于快轴轨迹是经过光纤共振放大的，更容易受到外界影响，响应轨迹变化，导致显示图像变化，显示异常，如快轴摆幅，画面椭圆，画面方正度，奇偶行重合度等变化均会引起图像显示异常。因此，对于栅格式扫描方式，需要对快轴方向振动进行反馈控制。

对于李萨如扫描方式或螺旋式扫描方式的扫描器，x轴和y轴均为光纤共振放大，因此，需要对光纤两个方向的振动进行反馈控制。

本发明实施例中的反馈控制方法，可以使光纤振动幅度，相位维持在初始状态不变，从而保证图像显示的稳定性。

本发明实施例中，为了检测反馈信号，需要在扫描器上设置反馈电极。反馈电极的具体形状、尺寸、位置、极化方式随扫描器类型、形态变化会有不同。

在一种可能的实施方式中，可以将反馈电极设置在光纤固定处，从而使得检测到的电信号能够更加准确的反映光纤的运行状态。每路反馈信号由一对尺寸位置对称的电极提供。由于每对电极中产生的信号成分，有效信号与干扰信号具有明显差异性，因此可通过简单加减运算，大幅消弱干扰信号，得到有效信号。

本发明实施例中，以片状扫描器为例对反馈电极的设置方式进行说明。

如图1A-图1C所示，为本发明实施例提供的片状扫描器的结构示意图。其中，扫描器从左至右依次包括慢轴驱动电极101、快轴驱动电极102和反馈电极103，AB电极即为一对反馈电极103。AB电极位于光纤固定处，AB电极均包括正面电极和背面电极，正面电极和背面电极分别设置在扫描器相对的两面上，AB电极的尺寸相同，AB电极以光纤为轴对称，且AB电极极化方向相同并垂直于电极。AB电极背面电极连成一体成为反馈电极公共电极1031。

在片状扫描器以栅格式扫描方式进行扫描时，片状扫描器的反馈电极103检测到的信号中，目标信号F(xf)为光纤在快轴方向(以下也称x方向)水平振动产生的信号，其他振动信号为干扰信号。

反馈电极103同时受到驱动电极，光纤的作用，因此，反馈电极103产生的信号中主要包含以下几种信号。

F(xf)，光纤在x方向振动，反作用在反馈电极103上产生的信号。

F(xcf)，光纤xc方向(与x方向垂直的方向，即y方向)振动，反作用在反馈电极103上产生的信号。

F(xd)，驱动电极在x方向振动，驱动信号耦合到反馈电极103上产生的信号。

F(xcd)，驱动电极xc方向振动，驱动信号耦合到反馈电极103上产生的信号。

AB电极中，各信号成分幅度相等，相位可能相同或接近，相位也可能反相(即相位差接近180°)，因此，可通过加减运算，消除或降低F(xcf)，F(xd)，F(xcd)等干扰信号，得到F(xf)。

其中，AB电极产生的各信号成分如下。

A电极产生的信号Sa＝F(xd)+F(xcd)+F(xcf)+F(xf)

B电极产生的信号Sb＝F(xd)+F(xcd)+F(xcf)-F(xf)

则，S＝Sa-Sb＝2F(xf)。

本发明实施例中，由于AB电极的尺寸相同，位置对称，因此，AB电极产生的各信号成分的幅值相同。对于光纤左右振动分量，在光纤向左摆动时，左侧电极受到压应力收缩变形，右侧电极受到拉应力，拉伸变形，又由于AB电极极化方向相同，则AB电极产生的电压幅度相同，方向相反。

对于光纤上下振动分量，作用在AB电极的应力方向相同，产生的电压信号相位相同。驱动信号耦合过来的分量均与驱动信号同向。因此，只需要将AB电极信号相减即可得到目标信号F(xf)。

本发明实施例中，之所以要保证AB电极的极化方向相同，是因为如果AB电极的极化方向相反，则光纤水平振动作用在AB电极上的信号相位相同，垂直方向振动作用在AB电极信号相位相反，则AB电极信号成分如下。

Sa＝F(xd)+F(xcd)+F(xcf)+F(xf)

Sb＝F(xd)+F(xcd)-F(xcf)+F(xf)

这时，Sa+Sb＝F(xd)+F(xcd)+2F(xf)

Sa-Sb＝2F(xcf)

可见，在AB电极的极化方向相反时，通过加减运算均无法得到纯净的F(xf)信号。

通过上述信号分析可知，在采集反馈信号时，由于AB电极背面电极连成一体成为反馈公共电极，直接将AB电极的正面电极引出，即为AB电极的差分信号S＝Sa-Sb＝2F(xf)。

然后，差分信号经由信号处理电路提取幅度信息和相位信息。如图2所示，采集电路包括前置放大器，乘法器，低通滤波器。信号经前置放大器放大，再与频率相同的参考信号相乘，经低通滤波器后输出的直流电压则代表信号的相位。信号经前置放大器，低通滤波器后，输出的直流电压，代表信号的幅度，两直流电压经AD采样后送入控制器，进行运算。

在其他实施例中，对于不同的扫描器类型，反馈电极的数量和形态变化会有不同。举例来讲，可以在扫描器上设置两对以上的反馈电极，反馈电极的排布方式可以根据扫描器类型确定，反馈电极的形状可以为方形、圆形、平面、曲面等。同样的，对于多对反馈电极的情况，也可以根据多对反馈电极中产生的信号成分，有效信号与干扰信号之间的差异性，通过运算来消弱干扰信号，得到有效信号。

在采集到反馈信号后，可以基于采集到的反馈信号进行反馈控制，本发明实施例中，以栅格式扫描方式为例分别对幅度反馈控制方法和相位反馈控制方法进行说明。

本发明实施例中，在温度稳定时，扫描器压电陶瓷响应特性稳定。光纤在受到气压，污染物，根部约束等条件影响时，光纤的振动响应特性会发生变化，此时，光纤反作用在反馈电极上产生的电压信号随之变化。如图3A和图3B所示，图3A为本发明实施例提供的幅度控制环的示意图，在扫描器工作过程中，检测在反馈电极上产生的信号的当前幅度值A

接下来，分别对x方向光纤幅度调节温度补偿、x方向相位调节温度补偿以及xc方向矫正信号温度补偿进行说明。

光纤幅度调节温度补偿

由于扫描器致动器部分主要由压电陶瓷构成，压电陶瓷是温度敏感器件，当环境温度变化时，压电陶瓷的响应特性会发生改变。如图4所示，图4是本发明实施例提供的扫描器某电极的阻抗曲线(本说明书中，为了便于区分，附图采用不同颜色表示)。阻抗曲线可以采用压电陶瓷阻抗分析仪测得。

从图4可以看出，压电陶瓷阻抗曲线和相位曲线均随温度变化而发生了平移。当施加在压电陶瓷上的驱动频率保持不变时，压电陶瓷的响应幅度，相位均会发生变化。同理，扫描器驱动电极和扫描器反馈电极均是压电陶瓷，温度变化就会导致以下结果。

(1)、驱动信号不变时，当环境温度变化时，扫描器振动的幅度，相位均发生变化，从而导致图像显示异常。

(2)、光纤振动保持不变时，当环境温度变化时，反馈电极响应的信号幅度相位，也会发生变化。

因此，本发明实施例中，需要对反馈电极信号进行修正补偿。如图5所示，图5中绿色范围内的谐振峰是光纤与压电陶瓷相互作用形成的谐振峰，其频率与光纤固有频率接近，在该谐振峰附近驱动光纤时，光纤处于谐振状态，对压电陶瓷的振动具有放大作用。因此，本发明实施例中，需要选择该谐振峰附近的频率作为快轴驱动频率。

本发明实施例中，需要在谐振峰一侧选择驱动频率，如图5中的两个绿色区域所示，且在扫描器整个工作温度范围内，驱动频率均落在该谐振峰同侧。这样，扫描器的快轴响应，在扫描器整个工作温度范围内，随温度变化的趋势是单调的，就能够通过建立在光纤摆幅固定条件下，快轴驱动电压与反馈信号幅度之间的映射关系，得到标定函数A

在得到标定函数之后，在对光纤摆幅进行反馈控制的过程中，通过调节快轴驱动电压，使得反馈信号幅度A

如图6所示，图6为本发明实施例提供的幅度控制框图，在幅度控制环的基础上，增加了对幅度目标值的修正控制，包括以下步骤。

当幅度控制环误差小于阈值后，取当前快轴驱动电压，根据标定函数F

接下来，结合扫描器样本的实际测量数据对本发明实施例中的幅度控制方法进行说明。从实际测量数据可以看出，满足设计要求的扫描器所得函数F

扫描器样本1的测量数据如表1所示，幅度目标值A

表1

扫描器样本2的测量数据如表2所示，幅度目标值A

表2

本发明实施例中，如表3所示，该图表为扫描器样品测量值。从表3中的数据可以看出，驱动电压与光纤摆幅，反馈信号幅度呈正相关。在固定温度下，驱动电压与反馈信号幅度关系曲线，是一条斜向上的曲线，如图8所示。

表3

接下来，对迭代过程进行举例说明。

如图9A所示，图9A为本发明实施例提供的目标幅度PID控制器的P参数设置为1时的迭代过程，其中，P参数是指比例。

其中，曲线1为扫描器在某温度下，反馈信号幅度随驱动电压变化的曲线。曲线2为在不同温度下，固定光纤摆幅，标定的快轴驱动电压与反馈信号幅度之间的函数关系F

假设当t1时刻，幅度控制环调节误差小于阈值时，快轴驱动电压D

然后，等待幅度控制环调节快轴驱动电压使得反馈信号幅度A

重复上述过程，使得幅度控制环调节到位后的点会逐渐逼近曲线1和曲线2的交点，从而使得光纤摆幅到达标定值。

本发明实施例中，通过修改目标幅度PID控制器的参数，可以将迭代过程变的更平缓，迭代次数更少。

举例来讲，如果将P参数设置为P<1，I＝0，D＝0时，调节过程会优化成图9B所示，其中P、I、D参数分别为比例、积分、微分参数。

相位调节温度补偿

如图10所示，为本发明实施例提供的相位控制框图。同幅度补偿原理一样，在不同温度下，固定光纤摆幅，将图像奇偶行图像调重合时的反馈信号相位值与反馈信号幅度标定出一个函数P

对于栅格式扫描而言，奇行图像是指一个快轴扫描周期内，前半个周期内的扫描轨迹；偶行图像是一个快轴扫描周期内，后半个周期内的扫描轨迹。在驱动信号相位调节过程中，将光纤扫描轨迹的响应相位维持在建立上述函数关系时的响应相位标定值不变，就可以使图像奇偶行图像保持重合，因此，利用上述函数，根据反馈信号幅度实时修正目标相位值P

本发明实施例中，如表4所示，为扫描器样本实测数据。

可见，本发明实施例的方案通过标定不同温度下，相同摆幅，反馈信号幅度与相位在奇偶行重合时的关系，修正相位反馈控制器的目标值，从而消除温度变化对压电陶瓷响应相位的影响，实现相位控制。

xc方向矫正信号温度补偿

如图12所示，如前述实施例中所述，xc方向是指与x方向垂直的方向，幅度控制环，相位控制环在调节驱动电压幅度，驱动相位的同时，还可以同步调节xc方向矫正信号的幅度和相位，以确保扫描轨迹不会开口，以及确保画面方正度，即光纤在x轴方向的振动轨迹闭合不画圈，且振动方向水平(光纤xc方向的振动分量为0)。

为了简化扫描器反馈控制，本发明实施例中，不需要针对xc方向矫正信号温度补偿单独设计反馈电极，也不另采集信号对xc方向单独反馈控制。而是根据x方向的幅度控制环，相位控制环调节到位的基础上，对xc驱动信号进行修正。

取扫描器工作温度范围内，幅度，相位调节到位后，调节矫正电压幅度和相位，记录当前矫正电压幅度与驱动电压幅度的比值n。在幅度控制环调节过程中，始终设置矫正电压D

接下来，对矫正相位修正函数的标定方法进行说明。

在相位环控制环，幅度控制环正常工作下，设置D

可见，通过本发明实施例中的方案，可以在不单独设计反馈电极，也不需要采集信号对xc方向反馈控制，通过标定不同温度，相同摆幅，奇偶行重合时，矫正电压幅度与驱动电压幅度的比值n，以及矫正相位的修正函数，修正矫正轴驱动信号，消除由温漂(温度变化)造成的xc方向响应变化导致的图像异常，从而保证图像显示稳定。

在另一示例性实施例中，还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现上述的相位反馈控制方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为存储器，上述程序指令可由投影显示设备的处理器执行以完成上述的相位反馈控制方法。

在另一示例性实施例中，还提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包含能够由可编程的装置执行的计算机程序，该计算机程序具有当由该可编程的装置执行时用于执行上述的相位反馈控制方法的代码部分。

本发明实施例中，投影显示设备可以为头戴式AR(英文全称：Augmented Reality；中文名称：增强现实)设备、头戴式VR英文全称：Virtual Reality；中文名称：虚拟现实)设备、投影电视、投影仪等等，应用十分广泛。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。