一種位相型LCoS圖像信號處理方法以及近眼顯示系統與流程

2023-05-30 13:25:01 1

本發明屬於近眼顯示技術領域，尤其涉及一種位相型lcos圖像信號處理方法以及位相型lcos近眼顯示系統。

背景技術：

近眼顯示技術被廣泛應用於很多領域，早期以軍事、科研為主，隨著科技的進步以及核心技術的突破，近眼顯示系統已經穩步向外形輕便、價格低廉的方向發展。近眼顯示系統現在已經逐步進入日常生活中，人們可以通過近眼顯示系統進行各種娛樂，比如看電影、玩遊戲。近眼顯示系統將會進一步豐富人們的生活。

lcos作為一種微型顯示技術在20世紀90年代末興起，隨著技術的成熟、工藝的完善，已逐漸在近眼顯示領域有了不錯的應用。此外，lcos顯示技術正以其高解析度、高亮度、低成本等優點逐步取代以往的顯示技術以及投影技術，lcos顯示技術的一個很重要的優點是可以在小屏幕內顯示高解析度的圖像內容。

lcos的結構是在單晶矽上生長電晶體，利用半導體集成製作驅動面板，然後在電晶體上通過研磨技術磨平，並在上面鍍鋁膜電極作為反射鏡，形成cmos有源點陣基板，然後將cmos基板與含有ito透明電極的上玻璃基板貼合，再注入液晶周日行封裝。位相型lcos解析度為1920*1080，由leto空間光調製器(slm)控制。位相型lcos每個像素的間距為6.4微米，像素間縫隙為0.2微米，開口率達到93％，反射率達到75％。leto相位調製器作為lcos控制器放置在外部並通過hdmi線與電腦顯卡相連，且不需要另外的軟體或是專用硬體來控制。如果需要進一步校準leto設備，需要標準的usb連接。設備提供256灰度級次回應用戶指定的波長，通過提供的矯正軟體可以在2π範圍內調整響應使設備適應不同的波長需要。

輸入位相型lcos的圖像信號都是通過計算全息的方法計算獲得，而在其中最基礎是gs(gerchberg-saxton)算法。gs算法的基本思路是：已知初始相位和事先給定的入射光場分布，通過做正向衍射變換，得到輸出平面光場分布；在輸出平面引入限制條件，即以期望的光場振幅分布取代原光場振幅分布，同時保持相位不變；然後做逆向衍射變換，得到輸入平面光場分布；在輸入平面引入限制條件，即以給定的光場振幅分布取代原光場振幅分布，同時保持相位不變；接著再次做正向衍射變換，如此循環下去，直至得到滿意結果或達到足夠多的循環次數為止。由於lcos具有離散像素結構可以被認為是一種光柵結構，所以lcos成像將不可避免的形成零級亮斑。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種位相型lcos圖像信號處理方法以及近眼顯示系統，lcos成像系統以往多用於投影系統中，本發明對以往的投影系統加以改進，提出了全新的基於lcos圖像信號處理方法的近眼顯示系統，並通過一系列方法增大了系統視場角，適當的提高了清晰度。

現有的gs算法在最初幾次迭代時，收斂速度較快，但在隨後收斂速度大大減慢。本發明的圖像信號處理方法也在gs算法的基礎上進行了適當調整，引進一些參數控制其誤差函數並改善收斂速度以適應本發明的使用要求。

本發明中輸入位相型lcos的大部分相息圖都是由gs算法或其改進算法計算所得。gs算法實在物平面和譜平面之間來回迭代進行傅立葉變換，並在物平面和譜平面上施加已知的限制條件，因此也將此算法稱為迭代傅立葉變換算法。

為解決上述的技術問題，本發明所採用的技術方案如下：

一種位相型lcos圖像信號處理方法，包括：

步驟1：生成初始圖像對應的物面波函數a表示入射光的振幅，表示初始的相位，i表示虛數單位，不具有實際物理意義；

步驟2：將初始的物面波函數fn代入基爾霍夫衍射積分式，進行傅立葉變換得到其譜面波函數un；

步驟3：利用初始圖像的實振幅b取代譜面波函數un的振幅，生成新的譜面波函數

步驟4：對新的譜面波函數代入基爾霍夫逆衍射積分公式進行逆傅立葉變換得到物面波函數fn+1；

步驟5：利用實振幅a取代物面波函數fn+1的振幅，組成下一次迭代的物面波函數

步驟6：重複步驟2～步驟5的迭代循環，判斷每次迭代後的均方誤差sse和擬合係數η，直至相鄰兩次迭代後的均方誤差sse和擬合係數η小於設定的閾值，並輸出n次迭代後的物面波函數；

步驟7：加載閃耀光柵的相位信息並與n次迭代的物面波函數的相位，算得新的相位分布為為閃耀光柵的相位信息，為n次迭代後物面波函數的相位，即為輸入位相型lcos的圖像信息對應的相位。

本發明的步驟6中，所述的閾值為相鄰兩次迭代後均方誤差的變化量，作為有選的，在變化量小於10％時停止迭代。

本發明還提供一種位相型lcos近眼顯示系統，包括光源模塊、位相型lcos模塊和圖像接收模塊，

所述的光源模塊，用於發出雷射並生成入射至位相型lcos模塊的準直均勻平面波；

位相型lcos模塊，包括位相型lcos和處理單元，所述的處理單元根據上述位相型lcos圖像信號處理方法對輸入所述位相型lcos的圖像信號進行處理，所述的位相型lcos用於顯示處理單元輸入的圖像信息並反射攜帶圖像信息的光束；

所述的圖像接收模塊，用於採集由所述位相型lcos反射的光束攜帶的圖像信息，記錄位相型lcos產生的衍射圖像和投射的現實場景圖像。

本發明中，位相型lcos模塊內的處理單元根據輸入的圖像信息和入射的光束調製，生成位相型lcos顯示的圖像信息。圖像接收模塊將生成的光學虛擬圖像與現實場景疊加並記錄在，生成圖像即滿足虛擬實境效果。

作為有選的，所述的光源模塊包括沿光路依次布置的：用於發出雷射光束的雷射器；用於調節入射位相型lcos的雷射光強的可調衰減器；用於將入射到位相型lcos的雷射變成準直均勻平面波的擴束準直機構，擴束準直機構通過更換不同大小的針孔以調節擴束後均勻光斑的直徑大小。

在上述的位相型lcos模塊中，位相型lcos由leto空間光調製器控制，leto空間光調製器由hdmi線連接到處理單元(如計算機)。在計算機上通過相應的算法將所需的圖像計算並生成其相息圖，然後通過leto空間光調製器將相息圖輸入lcos中。

相息圖需要由計算全息的方法獲得，本發明提出的算法在gs算法的基礎上適當改進消除了零級亮斑的幹擾，提高了清晰度，在接下來的實施例中將介紹改進gs算法生成相息圖的過程。

在所述的位相型lcos模塊中，為了初始化或重新校準lcos的參數，需要將leto空間光調製器通過usb線直接與計算機相連，並通過配套軟體設置波長參數，調整相位匹配，以獲得更好的圖像輸出。

作為優選的，所述的擴束準直機構和位相型lcos間設置偏振稜鏡或極化分光鏡，用於發射擴束準直機構出射的光束進入位相型lcos並透射位相型lcos表面反射的光束。

作為優選的，在所述的位相型lcos和圖像接收模塊間設置4f系統和光闌；所述的4f系統具有沿光路依次設置的兩片凸透鏡，第一片透鏡焦距100mm，第二前透鏡焦距400mm，第一片透鏡的後焦面和第二片透鏡的前焦面重合；所述光闌位於4f系統的第一片透鏡的後焦點處。

本發明通過添加4f系統以增大視場角，同時4f系統的中心焦點處添加光闌以濾除高級衍射亮斑，提高成像清晰度。

本發明還提出基於位相型lcos近眼顯示系統鏡像設計後改進成雙目顯示系統，同時將鏡像後的lcos顯示的相息圖鏡像處理即可保證雙眼看到的虛擬圖像相同。

一種位相型lcos近眼顯示系統，包括鏡架以及安裝在鏡架內的光源模塊和位相型lcos模塊；

所述的光源模塊，用於發出雷射並生成入射至位相型lcos模塊的準直均勻平面波；

位相型lcos模塊，包括位相型lcos和處理單元，所述的處理單元根據權利要求1～3所述的位相型lcos圖像信號處理方法對輸入所述位相型lcos的圖像信號進行處理，所述的位相型lcos用於顯示處理單元輸入的圖像信息並反射攜帶有圖像信息的光束，由所述的位相型lcos反射的光束進入人眼形成雙目顯示。

本發明中的位相型lcos近眼顯示系統通過鏡架適合人眼佩戴，人眼可取代圖像接收模塊進行雙目顯示；進一步的，可以通過兩套位相型lcos近眼顯示系統，同時將鏡像後的lcos顯示的相息圖鏡像處理即可保證雙眼看到的虛擬圖像相同。

為滿足人眼雙目顯示的需要，作為優選的，在所述的位相型lcos和人眼間設置4f系統和光闌；所述的4f系統具有沿光路依次設置的兩片凸透鏡，第一片透鏡焦距30mm，第二前透鏡焦距60mm，第一片透鏡的後焦面和第二片透鏡的前焦面重合；所述光闌位於4f系統的第一片透鏡的後焦點處。

本發明還可以通過同一位相型lcos近眼顯示系統實現雙眼的雙目顯示，作為優選的，分別在左右眼的正前方沿光路放置第一半透半反鏡和第二半透半反鏡，用於反射相同光強進入左右眼。因此，通過設計兩塊半透半反鏡的透過率和反射率可同樣保證雙眼看到虛擬圖像相同，同時降低了設計複雜度。

附圖說明

圖1為一個基於gs算法得出目標圖片相息圖的流程圖實施例；

圖2為位相型lcos近眼顯示系統最基本的結構圖；

圖3為位相型lcos近眼顯示系統增大視場角並去除零級亮斑和高級衍射幹擾的實施例；

圖4為位相型lcos近眼顯示系統運用到雙目顯示中的光路設計和結構調整實施例；

圖5為位相型lcos近眼顯示系統在使用單光學引擎時的光路設計實施例。

具體實施方式

本發明的詳細描述主要通過程序、步驟、邏輯塊、過程或其他象徵性的描述來直接或間接地模擬本發明技術方案的運作。為透徹的理解本發明，在接下來的描述中陳述了很多特定細節。而在沒有這些特定細節時，本發明則可能仍可實現。所屬領域內的技術人員使用此處的這些描述和陳述向所屬領域內的其他技術人員有效的介紹他們的工作本質。換句話說，為避免混淆本發明的目的，由於熟知的方法、程序、成分和電路已經很容易理解，因此它們並未被詳細描述。

此處所稱的「實施例」是指可包含於本發明至少一個實現方式中的特定特徵、結構或特性。在本說明書中不同地方出現的「在一個實施例中」並非均指同一個實施例，也不是單獨的或選擇性的與其他實施例互相排斥的實施例。此外，表示一個或多個實施例的方法、流程圖或功能框圖中的模塊順序並非固定的指代任何特定順序，也不構成對本發明的限制。

圖1為實施例中一個基於gs算法的實施例，利用算法根據輸入的圖像信息和入射光調製生成位相型lcos所要顯示的光學圖像，該算法是一種採用多次迭代求解圖像相息圖的相位恢復算法，其循環迭代的基本步驟如下：

(1)如步驟101，對已知實振幅的物面波函數的相位賦予初始值，即選擇並組成初始圖像對應的初始物面波函數並令迭代次數n＝0，如步驟102；

(2)將物面波函數代入基爾霍夫衍射積分式，進行傅立葉變換得到其譜面波函數un,即

其中λ為入射光的波長，k＝2π/λ為波數，r是平面波波面上任一點的位置矢量，θ為該任一點到頻譜面的光線與水平方向的夾角；

(3)用初始圖像的實振幅b取代譜面波函數un的振幅，與其相位組成新的譜面波函數，即如步驟104；

(4)對新的譜面波函數代入基爾霍夫逆衍射積分公式進行逆傅立葉變換得到物面波函數fn+1，如步驟106；

(5)如步驟107，用已知的實振幅a取代物面波函數fn+1的振幅，保持相位不變，組成下一次迭代的物面波函數，即

式中，q為圖片的通光孔徑。

(6)如步驟108，對相應符號進行迭代，即然後回到步驟103開始下一次的迭代循環；

(7)如步驟105，經過n次迭代後，可得到觀察平面內的光強分布，而圖片的相位分布為此時為判斷多次迭代後的結果，利用均方誤差sse或擬合係數η來決定是否停止迭代，其中

其中，u,v為x,y在頻譜面上對應的空間頻率，ε和γ是兩個百分數，在本發明中分別取5％和95％。隨著迭代次數的增加，誤差逐漸減小。當see<5％且η＞95％時可以停止迭代，得到輸出結果，如步驟109；

(8)由於lcos具有離散像素結構可以被認為是一種光柵結構，所以lcos成像將不可避免的形成零級亮斑，閃耀光柵是一種常用的衍射光學元件，具有閃耀特性，因此運用其特性處理gs算法獲得的相位將有效解決零級亮斑問題。閃耀光柵一般以2π為周期對光波進行調製，重新調整光的衍射方向，使得再現像偏移，即可避免零級亮斑。根據光波的周期性質，將閃耀光柵的相位信息加載到算法中後，其相位可能超過它的周期，因此需要對新的相位對2π進行取餘操作，得到的相位分布在0～2π之間，進而可以得到閃耀光柵的表達式：

其中m,n是二維閃耀光柵橫縱範圍，t是光柵周期，x，y分別表示加載到m和n方向的閃耀光柵。帶入gs算法獲得的相位後得出新的相位分布為如步驟110；

(9)即為最終輸出的相位，也就是位相型lcos所要顯示的圖像信息，如步驟111。

圖2為位相型lcos近眼顯示系統的基本結構圖。系統主要包括光源模塊、位相型lcos模塊和圖像接收模塊。具體包括：雷射光源201，可以為紅綠藍某一種單色光，也可以是多重雷射複合光，雷射器作為光源發出雷射進入lcos模塊；可調衰減器202，該裝置用以調節入射lcos系統的雷射光強度，適應不同實驗光強需要。擴束準直機構203，該機構由顯微物鏡、針孔和凸透鏡組成。雷射光束通過顯微物鏡後在針孔處會聚，隨後發散經過準直凸透鏡變成準直均勻平面波。偏振稜鏡或極化分光鏡204，均勻平面波被偏振稜鏡的偏振面反射後至位相型lco205。隨後光束在位相型lcos表面發生反射再次通過偏振稜鏡，至圖像接收模塊，在此過程中光束經過極化變成p波。半透半反鏡206，光束經過半透半反鏡206反射後進入照相機鏡頭207，照相機鏡頭207可同時記錄經半透半反鏡反射的lcos產生的衍射圖像和投射的現實場景圖像，如此即達到虛擬圖像和顯示場景結合的目的。

圖3為系統增大視場角並去除零級亮斑和高級衍射圖像的實施例。圖3與圖2的主要區別是在圖像接收系統，也包括雷射光源301、可調衰減器302、擴束準直機構303、偏振稜鏡或極化分光鏡304、位相型lco305、半透半反鏡308和照相機鏡頭309。系統增設4f系統306和光闌307，4f系統306由兩片凸透鏡組成。當光束通過4f系統306第一片透鏡時在透鏡後焦點處成像，此時由於位相型lcos的衍射特性會產生多級衍射圖案，在焦點處放置一光闌307，在本發明中我們將虛擬圖像的中心位置由零級偏移到正一級，調整光闌307位置和通光孔徑可以使正一級通過，便得到清晰無幹擾的圖像。4f系統前後兩片透鏡的焦距完全相同，得到的圖像視場角不會有放大效果，因此需要對透鏡焦距進行調整，使整個系統起到放大作用，本實施例使用的是第一片透鏡焦距100mm，第二前透鏡焦距400mm，第一片透鏡的後焦面和第二片透鏡的前焦面重合，此時圖像起到最好的放大效果，經過測量，視場角為35度。

圖4為位相型lcos近眼顯示系統運用到雙目顯示中的光路設計實施例。具有兩套組件相同的位相型lcos近眼顯示系統，分別對應左右眼。每套位相型lcos近眼顯示系統均包括雷射光源401、可調衰減器402、擴束準直機構403、偏振稜鏡或極化分光鏡404、位相型lco405、4f系統406、光闌407和半透半反鏡408。本實施例中，為便於佩戴，可設置鏡架或頭盔，各部件安裝在鏡架或頭盔上。人的眼睛409替換相機鏡頭來接收圖像細膩。由於人的眼鏡也是一個光學系統，其原理與相機鏡頭類似，所以適當調節眼鏡位置同樣可以看到清晰的圖像。為了壓縮空間，4f系統406中的兩片凸透鏡需調整參數，遠離人眼的透鏡焦距為30mm，靠近人眼的透鏡焦距為60mm，其他的位置關係和圖3實施例相同。該設計壓縮了系統的體積，使出瞳距降低到15mm，更適合人眼佩戴，但是放大效果較圖3實施例相比有所下降，視場角為30度。左右眼的光學系統完全相同，因此右眼的光路設計與左眼關於人的鼻梁位置鏡像對稱，當右眼的光學引擎輸出的圖案與左眼的鏡像對稱時，兩隻眼睛看到的虛擬圖像將完全一致，這樣即可達到雙目顯示的效果。

圖5為位相型lcos近眼顯示系統在使用單光學引擎時的光路設計實施例。採用單套位相型lcos近眼顯示系統實現左右眼的雙目顯示。包括雷射光源501、可調衰減器502、擴束準直機構503、偏振稜鏡或極化分光鏡504、位相型lco505、4f系統506、光闌507、第一半透半反鏡508和第二半透半反鏡510。4f系統506為兩片凸透鏡，採用圖4實施例所述的光學設計。當光束通過54f系統06後首先經過第一半透半反鏡508，該半透半反鏡的反射率為30％，透過率為60％，光束通過第一半透半反鏡508後30％的光能經過反射至即人的左眼509；60％的光能透過第一半透半反鏡508後傳播至第二半透半反鏡510，該半透半反鏡的反射率為50％，這樣反射進入即人的右眼511的光能即為30％，如此即可保證進入兩隻眼鏡虛擬像的光強完全相同。為了保證真實環境透射進人眼的光強也相同，在第二半透半反鏡510遠離眼鏡的一面鍍一層增透膜，增大透過第二半透半反鏡510的光強，如此即可保證進入兩隻眼睛的光強和圖像信息完全相同。

以上實施方式僅用於說明本發明，而非對本發明的限制。儘管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。