一种位相型LCoS图像信号处理方法以及近眼显示系统技术方案

本发明专利技术公开一种位相型LCoS图像信号处理方法，利用改进的GS算法对输入位相型LCoS的图像信息和入射光调制生成光学图像。本发明专利技术还公开一种位相型LCoS近眼显示系统，包括光源模块，用于发出激光并生成入射至位相型LCoS模块的准直均匀平面波；位相型LCoS模块，包括位相型LCoS和处理单元，所述的处理单元用于处理输入所述位相型LCoS的图像信号进行处理，所述的位相型LCoS用于显示处理单元输入的图像信息并反射携带图像信息的光束；所述的图像接收模块或人眼，用于采集由所述位相型LCoS反射的光束携带的图像信息，将生成的光学虚拟图像与现实场景叠加，生成图像即满足虚拟现实效果。

Phase type LCoS image signal processing method and near eye display system

The invention discloses a phase type LCoS image signal processing method, which uses the improved GS algorithm to generate an optical image for the input phase type LCoS image information and the incident light modulation. The invention also discloses a phase LCoS near eye display system includes a light source module, a laser is used to collimate and generate the incident to the phase LCoS module of uniform plane wave; phase LCoS module, including phase LCoS and a processing unit, wherein the image processing unit for signal processing of the input phase type LCoS for processing, phase LCoS of the input beam processing unit for displaying image information and reflect the carrying image information; the image receiving module or the eye, for collecting image information carried by the beam phase LCoS reflection, optical image and virtual reality scene superimposed image, namely meet the effect of virtual reality.

【技术实现步骤摘要】
一种位相型LCoS图像信号处理方法以及近眼显示系统
本专利技术属于近眼显示
，尤其涉及一种位相型LCoS图像信号处理方法以及位相型LCoS近眼显示系统。
技术介绍
近眼显示技术被广泛应用于很多领域，早期以军事、科研为主，随着科技的进步以及核心技术的突破，近眼显示系统已经稳步向外形轻便、价格低廉的方向发展。近眼显示系统现在已经逐步进入日常生活中，人们可以通过近眼显示系统进行各种娱乐，比如看电影、玩游戏。近眼显示系统将会进一步丰富人们的生活。LCoS作为一种微型显示技术在20世纪90年代末兴起，随着技术的成熟、工艺的完善，已逐渐在近眼显示领域有了不错的应用。此外，LCoS显示技术正以其高解析度、高亮度、低成本等优点逐步取代以往的显示技术以及投影技术，LCoS显示技术的一个很重要的优点是可以在小屏幕内显示高分辨率的图像内容。LCoS的结构是在单晶硅上生长电晶体，利用半导体集成制作驱动面板，然后在电晶体上通过研磨技术磨平，并在上面镀铝膜电极作为反射镜，形成CMOS有源点阵基板，然后将CMOS基板与含有ITO透明电极的上玻璃基板贴合，再注入液晶周日行封装。位相型LCoS分辨率为1920*1080，由LETO空间光调制器(SLM)控制。位相型LCoS每个像素的间距为6.4微米，像素间缝隙为0.2微米，开口率达到93％，反射率达到75％。LETO相位调制器作为LCoS控制器放置在外部并通过HDMI线与电脑显卡相连，且不需要另外的软件或是专用硬件来控制。如果需要进一步校准LETO设备，需要标准的USB连接。设备提供256灰度级次回应用户指定的波长，通过提供的矫正软件可以在2π范围内调整响应使设备适应不同的波长需要。输入位相型LCoS的图像信号都是通过计算全息的方法计算获得，而在其中最基础是GS(Gerchberg-Saxton)算法。GS算法的基本思路是：已知初始相位和事先给定的入射光场分布，通过做正向衍射变换，得到输出平面光场分布；在输出平面引入限制条件，即以期望的光场振幅分布取代原光场振幅分布，同时保持相位不变；然后做逆向衍射变换，得到输入平面光场分布；在输入平面引入限制条件，即以给定的光场振幅分布取代原光场振幅分布，同时保持相位不变；接着再次做正向衍射变换，如此循环下去，直至得到满意结果或达到足够多的循环次数为止。由于LCoS具有离散像素结构可以被认为是一种光栅结构，所以LCoS成像将不可避免的形成零级亮斑。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种位相型LCoS图像信号处理方法以及近眼显示系统，LCoS成像系统以往多用于投影系统中，本专利技术对以往的投影系统加以改进，提出了全新的基于LCoS图像信号处理方法的近眼显示系统，并通过一系列方法增大了系统视场角，适当的提高了清晰度。现有的GS算法在最初几次迭代时，收敛速度较快，但在随后收敛速度大大减慢。本专利技术的图像信号处理方法也在GS算法的基础上进行了适当调整，引进一些参数控制其误差函数并改善收敛速度以适应本专利技术的使用要求。本专利技术中输入位相型LCoS的大部分相息图都是由GS算法或其改进算法计算所得。GS算法实在物平面和谱平面之间来回迭代进行傅里叶变换，并在物平面和谱平面上施加已知的限制条件，因此也将此算法称为迭代傅里叶变换算法。为解决上述的技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种位相型LCoS图像信号处理方法，包括：步骤1：生成初始图像对应的物面波函数A表示入射光的振幅，表示初始的相位，i表示虚数单位，不具有实际物理意义；步骤2：将初始的物面波函数fn代入基尔霍夫衍射积分式，进行傅里叶变换得到其谱面波函数un；步骤3：利用初始图像的实振幅B取代谱面波函数un的振幅，生成新的谱面波函数步骤4：对新的谱面波函数代入基尔霍夫逆衍射积分公式进行逆傅里叶变换得到物面波函数fn+1；步骤5：利用实振幅A取代物面波函数fn+1的振幅，组成下一次迭代的物面波函数步骤6：重复步骤2～步骤5的迭代循环，判断每次迭代后的均方误差SSE和拟合系数η，直至相邻两次迭代后的均方误差SSE和拟合系数η小于设定的阈值，并输出n次迭代后的物面波函数；步骤7：加载闪耀光栅的相位信息并与n次迭代的物面波函数的相位，算得新的相位分布为为闪耀光栅的相位信息，为n次迭代后物面波函数的相位，即为输入位相型LCoS的图像信息对应的相位。本专利技术的步骤6中，所述的阈值为相邻两次迭代后均方误差的变化量，作为有选的，在变化量小于10％时停止迭代。本专利技术还提供一种位相型LCoS近眼显示系统，包括光源模块、位相型LCoS模块和图像接收模块，所述的光源模块，用于发出激光并生成入射至位相型LCoS模块的准直均匀平面波；位相型LCoS模块，包括位相型LCoS和处理单元，所述的处理单元根据上述位相型LCoS图像信号处理方法对输入所述位相型LCoS的图像信号进行处理，所述的位相型LCoS用于显示处理单元输入的图像信息并反射携带图像信息的光束；所述的图像接收模块，用于采集由所述位相型LCoS反射的光束携带的图像信息，记录位相型LCoS产生的衍射图像和投射的现实场景图像。本专利技术中，位相型LCoS模块内的处理单元根据输入的图像信息和入射的光束调制，生成位相型LCoS显示的图像信息。图像接收模块将生成的光学虚拟图像与现实场景叠加并记录在，生成图像即满足虚拟现实效果。作为有选的，所述的光源模块包括沿光路依次布置的：用于发出激光光束的激光器；用于调节入射位相型LCoS的激光光强的可调衰减器；用于将入射到位相型LCoS的激光变成准直均匀平面波的扩束准直机构，扩束准直机构通过更换不同大小的针孔以调节扩束后均匀光斑的直径大小。在上述的位相型LCoS模块中，位相型LCoS由LETO空间光调制器控制，LETO空间光调制器由HDMI线连接到处理单元(如计算机)。在计算机上通过相应的算法将所需的图像计算并生成其相息图，然后通过LETO空间光调制器将相息图输入LCoS中。相息图需要由计算全息的方法获得，本专利技术提出的算法在GS算法的基础上适当改进消除了零级亮斑的干扰，提高了清晰度，在接下来的实施例中将介绍改进GS算法生成相息图的过程。在所述的位相型LCoS模块中，为了初始化或重新校准LCoS的参数，需要将LETO空间光调制器通过USB线直接与计算机相连，并通过配套软件设置波长参数，调整相位匹配，以获得更好的图像输出。作为优选的，所述的扩束准直机构和位相型LCoS间设置偏振棱镜或极化分光镜，用于发射扩束准直机构出射的光束进入位相型LCoS并透射位相型LCoS表面反射的光束。作为优选的，在所述的位相型LCoS和图像接收模块间设置4f系统和光阑；所述的4f系统具有沿光路依次设置的两片凸透镜，第一片透镜焦距100mm，第二前透镜焦距400mm，第一片透镜的后焦面和第二片透镜的前焦面重合；所述光阑位于4f系统的第一片透镜的后焦点处。本专利技术通过添加4f系统以增大视场角，同时4f系统的中心焦点处添加光阑以滤除高级衍射亮斑，提高成像清晰度。本专利技术还提出基于位相型LCoS近眼显示系统镜像设计后改进成双目显示系统，同时将镜像后的LCoS显示的相息图镜像处理即可保证双眼看到的虚拟图像相同。一种位相型LCoS近眼显示系统，包括镜架以及安装在镜架内的光源模块和位相型LCoS模块；所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种位相型LCoS图像信号处理方法，其特征在于，包括：步骤1：生成初始图像对应的物面波函数

【技术特征摘要】
1.一种位相型LCoS图像信号处理方法，其特征在于，包括：步骤1：生成初始图像对应的物面波函数A表示入射光的振幅，表示初始的相位，i表示虚数单位；步骤2：将初始的物面波函数fn代入基尔霍夫衍射积分式，进行傅里叶变换得到其谱面波函数un；步骤3：利用初始图像的实振幅B取代谱面波函数un的振幅，生成新的谱面波函数步骤4：对新的谱面波函数代入基尔霍夫逆衍射积分公式进行逆傅里叶变换得到物面波函数fn+1；步骤5：利用实振幅A取代物面波函数fn+1的振幅，组成下一次迭代的物面波函数步骤6：重复步骤2～步骤5的迭代循环，判断每次迭代后的均方误差SSE和拟合系数η，直至相邻两次迭代后的均方误差SSE与拟合系数η均小于设定的阈值，且输出n次迭代后的物面波函数；步骤7：加载闪耀光栅的相位信息并与n次迭代的物面波函数的相位，算得新的相位分布为为闪耀光栅的相位信息，为n次迭代后物面波函数的相位，即为输入位相型LCoS的图像信息对应的相位。2.如权利要求1所述的位相型LCoS图像信号处理方法，其特征在于，在步骤6中，所述的阈值为相邻两次迭代后均方误差SSE和拟合系数η的变化量。3.如权利要求1所述的位相型LCoS图像信号处理方法，其特征在于，所述闪耀光栅的表达式为：其中，m,n是二维闪耀光栅横纵范围，T是光栅周期，x,y分别表示加载到m和n方向的闪耀光栅。4.一种位相型LCoS近眼显示系统，其特征在于，包括光源模块、位相型LCoS模块和图像接收模块，所述的光源模块，用于发出激光并生成入射至位相型LCoS模块的准直均匀平面波；位相型LCoS模块，包括位相型LCoS和处理单元，所述的处理单元根据权利要求1～3所述的位相型LCoS图像信号处理方法对输入所述位相型LCoS的图像信号进行处理，所述的位相型LCoS用于显示处理单元输入的图像信息并反射携带图像信息的光束；所述的图像接收模块，用于采集由所述位相型LCoS反射的光束携带的图像信息，记录位相型LCoS产生的衍射图像和投射的现实场景...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑臻荣，孙鹏，袁飞，常胜倩，刘思奇，王畅，申俊飞，陶骁，谢婷，张思曼，李华烨，张文涛，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33