用于降噪的衰减波前确定

摘要

一种系统和方法包括：光源；空间光调制器，该空间光调制器包括基本上透明的材料层和相位调制层；成像设备，该成像设备被配置为接收来自光源的由空间光调制器反射的光，并生成图像数据；以及控制器。该控制器向空间光调制器提供相位驱动信号，并基于图像数据确定基本上透明的材料层的衰减波前。

说明书

背景

1.技术领域

本申请总体涉及低频或DC噪声的衰减。

2.背景技术

数字投影系统通常利用光源和光学系统将图像投影到表面或屏幕上。光学系统包括诸如反射镜、透镜、波导、光纤、分束器、漫射器、空间光调制器(SLM)等的部件。

发明内容

本公开的各个方面涉及用于确定投影仪中的衰减波前的电路、系统和方法。

在本公开的一个示例性方面，提供了一种系统，该系统包括：光源；空间光调制器，该空间光调制器包括基本上透明的材料层和相位调制层；成像设备，该成像设备被配置为接收来自光源的、由空间光调制器反射的光，并生成图像数据；以及控制器。控制器被配置为向空间光调制器提供相位驱动信号，并基于图像数据确定基本上透明的材料层的衰减波前。

在本公开的另一个示例性方面，提供了一种用于驱动光学系统的方法，该方法包括：向空间光调制器提供相位驱动信号，该空间光调制器包括基本上透明的材料层和相位调制层；基于接收来自光源的、由空间光调制器反射并由成像设备接收的光而生成图像数据；以及基于图像数据确定基本上透明的材料层的衰减波前。

在本公开的另一示例性方面中，提供了一种非暂态计算机可读介质，该非暂态计算机可读介质存储指令，这些指令当由计算机的处理器执行时使计算机执行包括以下各项的操作：向空间光调制器提供相位驱动信号，该空间光调制器包括基本上透明的材料层和相位调制层；基于接收来自光源的、由空间光调制器反射并由成像设备接收的光而生成图像数据；以及基于图像数据确定基本上透明的材料层的衰减波前。

以这种方式，本公开的各个方面提供了低频和DC噪声的衰减(也称为“波前校正”)，并且提供了在至少图像投影、全息、信号处理等技术领域中的有效改进。

附图说明

在以下描述中更全面地公开了各种实施例的这些和其他更详细和具体的特征，参考附图，在附图中：

图1图示了根据本公开的各个方面的示例性投影仪的框图；

图2图示了与本公开的各个方面一起使用的示例性SLM；

图3图示了与本公开的各个方面一起使用的另一示例性SLM；

图4图示了示例性相移全息系统的框图；

图5图示了根据本公开的各个方面的示例性噪声推导系统的框图；

图6图示了根据本公开的各个方面的示例性衰减降低程序的过程流程；

图7图示了根据本公开的各个方面的另一示例性噪声推导系统的框图；

图8图示了根据本公开的各个方面的另一示例性投影仪的框图；

图9A图示了根据本公开的各个方面的示例性输出图像；以及

图9B图示了根据本公开的各个方面的示例性调整后的输出图像。

具体实施方式

本公开及其方面可以以各种形式实施，包括：由计算机实施的方法控制的硬件或电路、计算机程序产品、计算机系统和网络、用户接口和应用编程接口；以及硬件实施的方法、信号处理电路、存储器阵列、专用集成电路、现场可编程门阵列等。前述概述仅旨在给出本公开的各个方面的一般思想，并且不以任何方式限制本公开内容的范围。

在以下描述中，阐述了如电路配置、波形定时、电路操作等许多细节，以提供对本公开内容的一个或多个方面的理解。对本领域技术人员而言显而易见的是，这些具体细节仅是示例性的，并不旨在限制本申请的范围。

此外，虽然本公开主要集中于将各种电路用在数字投影系统中的示例，但是应当理解，这仅仅是实施方式的一个示例。还应当进一步理解，所公开的系统和方法可以用于需要降低或衰减噪声的任何设备；例如，显微镜、图像感测、电信、非投影图像显示器等。

投影仪系统

在投影仪系统中，如光学系统的部件等各种内部部件可能包含不规则性，这些不规则性会将振幅和/或相位变化引入来自光源的光学波前。这些包含不规则性的波前可能进一步与光学系统的其他部件相互作用，从而导致在重建平面上产生可见的低频噪声。

图1图示了根据本公开的各个方面的示例性投影系统。具体地，图1示出了投影仪110，该投影仪包括光源111、SLM 112、可操作地连接到光源111和SLM 112的控制器113、以及投影透镜114。投影仪110朝向屏幕120投射光。实际上，投影仪110可以包括如存储器、输入/输出端口、通信电路、电源等附加部件。此外，投影仪110可以包括如反射镜、透镜、波导、光纤、分束器、漫射器、附加的SLM等附加光学部件。为便于解释，这些附加部件在此未示出。

光源111例如可以是激光光源、高压放电灯、LED等。在本公开的一些方面中，光源111可以包括多个光源111，每个光源对应于不同的波长或波长带。光源111响应于控制器113提供的图像信号而发射光。控制器113例如可以是例如投影仪110的中央处理单元(CPU)的处理器。控制器113还控制SLM 112，SLM从光源111接收光。SLM 112向光施加如相位调制等空间变化调制，并且将经调制的光重新引导朝向投影透镜114。SLM 112可以是例如硅基液晶(LCOS)SLM，如反射式LCOS SLM或透射式LCOS SLM。

图2和图3图示了SLM 112的示例，该SLM被实施为反射式LCOS SLM并且以局部截面图示出。如图2所示，SLM 200a包括硅背板210、第一电极层220、第二电极层230、液晶层240(“相位调制层”的示例)、盖板玻璃250(“基本上透明的材料层”的示例)和间隔件260。硅背板210包括与SLM 200a相关联的电子电路，如互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管等。第一电极层220包括设置在透明矩阵222中的反射元件221的阵列。反射元件221可以由如铝或银等任何高反射材料形成。透明矩阵222可以由如透明氧化物等任何高透射材料形成。第二电极层230可以由如氧化铟锡(ΓΓO)薄膜等任何透明导电材料制成。第二电极层230可以被提供为与第一电极层220的多个反射元件221相对应的公共电极。在这样的配置中，多个反射元件221中的每一个将经由相应的电场耦合到第二电极层230，从而将SLM 200a分成像素元件阵列。因此，多个反射元件221中的各个反射元件(或子集)可以经由设置在硅背板210中的电子电路来寻址。

液晶层240设置于第一电极层220与第二电极层230之间，并且包括多个液晶241。液晶241是以介于固态与液态之间的相存在的粒子；换言之，液晶241表现出一定程度的方向有序，而非位置有序。液晶241倾向于指向的方向被称为“指向矢”。液晶层240基于液晶241的双折射率Δη来修改从盖板玻璃250进入的入射光，其可以根据以下表达式(1)来表达：

An＝n

Γ＝AnXt (2)

在表达式(2)中，t是指液晶层240的厚度。该厚度通过间隔件260来设定，该间隔件密封SLM 220a并确保盖板玻璃250与硅背板210之间相隔设定距离。液晶241通常沿第一电极层220与第二电极层230之间的电场线定向自身。如图2所示，靠近SLM220a中心的液晶241以这种方式定向，而靠近SLM 220a外围的液晶241由于没有电场线通过而基本上未定向。通过经由相位驱动信号寻址多个反射元件221中的各个反射元件，可以逐像素地确定液晶241的取向。

图3图示了在结构上类似于SLM 200a的SLM 200b，不同之处在于SLM 200b在液晶层240的两侧包括配向层270。配向层270优选地由聚合物材料制成，并且用于配向液晶241以减少响应时间。相反，SLM 200a可以通过图案化或纳米结构化第一电极层220和第二电极层230、通过在液晶层240中混合合适的化合物、或者通过其他技术来实现液晶241的配向。

在投影仪中，入射光进入SLM 200a或200b，穿过盖板玻璃250和第二电极层230(以及，如果存在的话，配向层270)。在这种方式中，盖板玻璃是基本上透明的；换言之，盖板玻璃具有大约90％或更高的透射率。然后，光经由液晶层240经受相位调制并且被第一电极层220反射，以最终经由盖板玻璃250离开SLM 200a或200b。

在实际应用中，虽然入射光的大部分光能穿过盖板玻璃250进入液晶层240，但是盖板玻璃250的表面会将入射光的一部分光能反射回来。盖板玻璃250的表面具有不规则性，这些不规则性可能会在从其反射的波前中引入振幅和相位变化。该直接反射的波前然后干扰由液晶241调制并从第一电极层220反射的波前，这会在重建时产生可见的低频噪声。

虽然在LCOS SLM的上下文中提供了以上描述，但是应当理解，本公开不限于LCOSSLM。一般而言，本公开适用于具有盖板玻璃或任何透明材料层并且可能引入低频(DC-)噪声的任何类型的有源矩阵相位调制器。

衰减波前的推导

为了补偿由盖板玻璃250(或其他透明材料)引入的DC噪声，可以使用例如相移全息术来推导衰减波前。图4经由示例性相移全息系统图示了相移全息术的概念。

示例性系统包括：发射相干光420a的光源410；将相干光420分成第一传播波前420b和第二传播波前420c的分束器430；反射第一传播波前420b以生成第一反射波前420d的物体440(例如，盖板玻璃或透明材料)，其中，第一反射波前420d携带物体440的表面描述作为振幅和相位调制；反射第二传播波前420c以生成第二反射波前420e的可控压电反射镜450；将第一反射波前420d和第二反射波前420e组合成组合波前420f的合束器460；以及捕获组合波前420f中的所产生的干涉的成像器。压电反射镜450和成像器470可操作地连接到控制器480，从而将预定的相位延迟图案引入到第二反射波前420e中，以及处理来自成像器470的图像数据。控制器480因此可以推导物体440的表面的复振幅描述。

可以将相移全息术的概念应用于包括例如SLM的投影系统，以补偿由盖板玻璃或SLM的透明材料引入的低频噪声。图5图示了将相移全息系统与SLM组合的示例性噪声推导系统。示例性系统包括：发射相干单色光520a的光源510；SLM 530，包括盖板玻璃531和相位调制器532，它们分别反射光520a中的部分以生成第一反射波前520b和第二反射波前520c；成像器540；以及控制器550。可替代地，光源510可发射多色光(例如，具有多个波长)。SLM530可以例如是如上所述的LCOS SLM 200a或200b。盖板玻璃531对应于图4所示的示例性相移全息系统中描述的物体440，期望计算的是该盖板玻璃的表面的数字描述。成像器540优选地是如CMOS图像传感器(CIS)或电荷耦合器件(CCD)等电子成像器件。在一些实施例中，成像器540可以是投影系统的一部分。在一些其他实施例中，成像器540可以与投影系统分离。换言之，衰减波前可以基于由投影系统内部或外部的成像器采集的图像数据(例如，对应于不同相移的强度数据)来确定。控制器550控制相位调制器532并从成像器540接收图像数据。控制器550进一步推导可用于消除、补偿、衰减或减少由盖板玻璃531(或其他透明材料)引入的DC噪声或其他噪声的补偿波前，如下文将更详细地描述的。

当穿过盖板玻璃531时，光520a被分成两个传播波前，其中，光能的第一部分——第一波前520b从盖板玻璃531的表面直接反射回来作为振幅和相位调制。光能的第二部分行进进入相位调制器532并与相位调制器532中的像素阵列相互作用，这将预定的(计算机控制的)相位延迟引入波前。在许多物理实施方式中，该第二部分包含大部分入射在SLM530上的光能。虽然为了便于说明，第一反射波前520b被示为与第二反射波前520c分开，但实际上这两个波前可能是组合的。所产生的干涉被成像器540捕获以便由控制器550处理，从而推导盖板玻璃531的表面的复振幅描述。在此配置中，SLM 530本身本质上用作全息相移设置，用于推导盖板玻璃531的表面的数字描述。如此，与图4所示的相移全息系统相比，图5所示的噪声推导系统需要更少的光学部件。因此，图5所示的噪声推导系统可以产生成本降低且衰减波前确定准确度增加的装置。另外或可替代地，与SLM 530分离的SLM或压电反射镜可以用作全息相移设置。

为了推导衰减波前，控制器550可以例如是包括如CPU、存储器、用户接口、通信电路等部件的计算机。推导本身可以在控制器550中使用硬件部件、软件部件或硬件和软件部件组合来执行。另外或可替代地，一个或多个处理步骤可以由如服务器的远程计算机执行。在这样的配置中，控制器550可以上传用于由远程计算机计算的数据并下载计算结果。

当SLM 530配置有具有整体相位φ的平坦相位驱动信号时，第二反射波前520c是移位整体相位φ的光520a。由Γ表示的第一反射波前520b可以通过使用以下表达式(3)来估计：

在表达式(3)中，z是虚数单位，x’和y’是相机平面(即成像器540的平面)处的坐标，并且I

在表达式(4)中，

为了计算衰减波前

相位驱动的补偿

一旦推导出衰减波前

为了解决第一个问题，应当将来自SLM 530的衰减波前

为了解决第二个问题，需要将衰减波前

在表达式(7)中，a表示强度校正因子，它通过调整衰减波前

示例性推导和补偿过程在图6中示出。在步骤S601中，用准直光照射LCOS SLM(如SLM 530)。在步骤S602中，成像器(如成像器540)记录针对一系列相移的强度图像，并数值地计算相机平面处的盖板玻璃波前(例如第一反射波前520b)。在步骤S603中，处理器(如控制器550)使相机平面处的盖板玻璃波前数值地反向传播到调制器平面中。在步骤S604中，处理器对施加到SLM的相位驱动的衰减波前分量的整体相位和/或功率进行调谐。

推导过程可以在投影仪校准期间执行一次，在投影仪启动时执行，或者在每帧(一个或多个帧)的基础上执行。例如，衰减波前可以在投影仪生产过程的校准阶段期间推导，并且可以存储在投影仪中(例如，存储在控制器或存储部件中)。为了在投影仪启动时或在每帧的基础上执行推导，可以同时或交替执行显示和图像捕获操作。图7图示了能够在启动时或在每帧的基础上执行推导的另一示例性噪声推导系统。这种示例性噪声推导系统的几个元件与图5所示的噪声推导系统的对应元件相同或基本相似。这些元件用相同的附图标记表示，并且在此不再重复对其进行描述。

图7的噪声推导系统进一步包括选择性反射元件710。在能够在启动时执行推导的实施方式中，选择性反射元件710可以是能够移入或移出第一反射波前520b和第二反射波前520c的光路的反射镜，也可以是分束器(静态的或可移动的)等。如果选择性反射元件是分束器，则其仅反射第一反射波前520b和第二反射波前520c的一部分，并将透射波前720透射到屏幕730。如果选择性反射元件是可移动反射镜，则其在用于校准的第一位置时反射基本上所有第一反射波前520b和第二反射波前520c，而在用于显示的第二位置时透射基本上所有的第一反射波前520b和第二反射波前520c。

图7的噪声推导系统包括控制器740，其可以在结构上类似于图5所示的控制器550，或者与控制器550相比，可以包括更多或更少的部件。通常，控制器740可以是例如包括如CPU、存储器、用户接口、通信电路等部件的计算机。推导本身可以在控制器740中使用硬件部件、软件部件或硬件和软件部件组合来执行。另外或可替代地，一个或多个处理步骤可以由如服务器的远程计算机执行。在这样的配置中，控制器740可以上传用于由远程计算机计算的数据并下载计算结果。

图8图示了噪声推导系统(如图7的噪声推导系统)被实施为投影仪810。如图8所示，投影仪810包括光源811、SLM 812、选择性反射元件813、投影透镜814、成像器815和控制器816。控制器816可操作地连接到光源811、SLM 812和成像器815。投影仪朝向屏幕820投射光。实际上，投影仪810可以包括如存储器、输入/输出端口、通信电路、电源等附加部件。此外，投影仪810可以包括如反射镜、透镜、波导、光纤、分束器、漫射器、附加的SLM等附加光学部件。为便于解释，这些附加部件在此未示出。

光源811例如可以是激光光源、高压放电灯、LED等。在本公开的一些方面中，光源811可以包括多个光源811，每个光源对应于不同的波长或波长带。光源811响应于控制器816提供的图像信号而发射光。控制器816例如可以是例如投影仪810的中央处理单元(CPU)的处理器。控制器816还控制SLM 812，SLM从光源811接收光。控制器816控制和/或接收来自成像器815的数据。SLM 812向光施加如相位调制等空间变化调制，并且将经调制的光重新引导朝向选择性反射元件813。选择性反射元件813可以是分束器，在这种情况下，其将光的第一部分引导到投影透镜814并将光的第二部分引导到成像器815。选择性反射元件813可以是可移动反射镜，在这种情况下，其在第一位置时将基本上所有光引导到成像器815，并且在第二位置时允许基本上所有光通过而后到达投影透镜814。SLM 812可以是例如硅基液晶(LCOS)SLM，如反射式LCOS SLM或透射式LCOS SLM。更具体地，SLM 812可以是反射式LCOSSLM，如上述SLM 200a或200b。投影仪810可以被配置为在投影仪810启动时一次地或在投影仪810的显示操作期间间隔一帧或多帧重复地形成如上所述的那些推导和补偿过程。

图9A和图9B图示了在推导和补偿过程之前和之后的示例性输出图像。图9A和图9B可以由诸如图4-图5、和图7-图8中所示的系统的系统，使用诸如图6所示方法的方法生成。具体地，图9A图示了未执行推导和补偿过程的情况下的示例性输出图像。如可从图9A看到的，输出图像包括由于盖板玻璃或其他透明材料引起的噪声导致的图像伪影，可见为一系列带。图9B图示了在执行推导和补偿过程之后的示例性输出图像。与图9A的输出图像相比，图9B的输出图像基本上没有由噪声导致的图像伪影。

关于这里本文描述的过程、系统、方法、启发法等，应当理解，虽然这些过程等的步骤已经被描述为按照特定有序的顺序进行，但是这样的过程可以利用所描述的步骤以与本文描述的顺序不同的顺序执行。还应当理解，某些步骤可以同时执行，可以添加其他步骤，或者可以省略本文描述的某些步骤。换句话说，本文的过程描述是出于说明某些实施例的目的而提供的，并且决不应当被解释为为了限制权利要求。

因此，应当理解，以上描述旨在是说明性的而非限制性的。通过阅读以上描述，除了所提供的示例之外的许多实施例和应用将是显而易见的。范围不应参考以上描述来确定，而是应当参考所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等效物的全部范围来确定。预期并希望的是，本文讨论的技术将在未来有所发展，所公开的系统和方法将结合进这样的未来实施例中。总之，应当理解，本申请是可以修改和变化的。

权利要求中所使用的所有术语都旨在被赋予其如了解本文描述的技术的人所理解的最广泛的合理解释及普通含义，除非本文中出现相反的明确指示。特别地，如“一(a)”、“该(the)”、“所述(said)”等单数冠词的使用应被理解为叙述一个或多个所指示的要素，除非权利要求叙述了相反的明确限制。

提供本公开的摘要以允许读者快速确定技术公开的性质。基于其将不被用于解释或者限制权利要求的范围或者含义的理解提交本摘要。另外，在前述的具体实施方式中，可以看到，出于将本公开连成一个整体的目的而将各种特征一起组合到各种实施例中。本公开的方法不应被解释为反映所要求的发明需要比每项权利要求中所明确叙述的特征多的特征的意图。相反，如权利要求所反映的，创造性主题在于少于单个公开的实施例的全部特征。因此，所附权利要求由此被结合到具体实施方式中，每项权利要求独自作为单独要求保护的主题。