CN111627403B - LCoS空间光调制器的自动相位线性校正系统 - Google Patents

LCoS空间光调制器的自动相位线性校正系统 Download PDF

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Abstract

本文发明提供了一种LCoS空间光调制器的自动相位线性校正系统，包括提供测试图片、处理数据并与驱动模块通信的微控制模块，驱动点亮LCoS微显示芯片的驱动模块；相位调制深度的测量模块用于测量LCoS微显示芯片显示的图片的相位信息并将测量的数据反馈给微控制模块；微控制模块根据测量模块反馈的干涉条纹，计算并处理得到灰阶与相位调制量的数据关系，得出需要校正的数据指令发送给驱动模块，驱动模块根据微控制模块的数据指令以数字校正或者模拟配置寄存器校正的方式校正LCoS空间光调制器的相位调制性能。本发明可实现针对LCoS空间光调制器的自动相位线性校正，提高了相位线性度，实现了精度高、自动化的优点，应用范围广。

Description

LCoS空间光调制器的自动相位线性校正系统
技术领域
本发明涉及一种LCoS空间光调制器的自动相位线性校正系统，用于LCoS的相位调制性能的校正，涉及数字校正法以及模拟寄存器配置校正法，广泛应用于集成电路领域以及微显示领域。
背景技术
近年来，随着微显示器的飞速发展，其高分辨率，小尺寸，低功耗等优点逐渐显露，进而被商家广泛应用于AR、VR以及全息等发展领域。当作为LCoS空间光调制器时，相位线性校正重要的一环。相位线性校正使得LCoS空间光调制器的灰阶与相位调制量的关系，更加贴近理想的线性关系。而实际液晶的光电特性曲线是一个近似“S”型的曲线，灰阶与其相位调制量的数据关系也不是标准的线性关系，故而我们需要通过一定的手段，使得如在时序彩色全息中RGB在各子帧下的灰阶数据，对应的相位调制量都能够到达标准线性相位值。
LCoS空间光调制器的相位线性校正的传统方式往往是配置内部DAC的特性来实现的，首先其校正的精度受限：只有一套校正系统，无法根据RGB三色下，液晶的响应的微小差距而做出调整，且LCoS内部必须拥有匹配DAC特性的部分，也即y＝kx,对k的调节部分，受限于此。另外也需要花费大量的人力与时间，需要人工去测试空间光调制器得到的干涉图并记录结果，测试过程需要人为切换测试图片，当测试完成之后，需要人工去将测得的干涉图进行计算，得到相位调制量与灰阶的关系曲线，与标准的灰阶-相位调制量的直线对比，然后得出关键点的校正数据，接着人为通过驱动模块将关键点寄存器的校正数据配置到LCOS内部，这些寄存器表示的关键点数目也有限制，接着若相位调制量与标准的相位调制量的误差在允许的范围之内，就进行下一个颜色的校正或者停止校正，否则就重复之前的操作，重新再进行一轮新的测试。
发明内容
针对以上的缺点，本发明提供一种自动相位线性校正法，可以实现LCoS空间光调制器的自动模拟配置寄存器校正或者自动数字校正，灵活可配，无需人为处理测试中的大量数据，可实现自动地校准LCoS空间光调制器的相位调制性能，更重要的是这里数字校正对驱动输出的数据进行了分段线性校正拟合，是一种比传统模拟校正上增加更多校正点的，细分更多段的校正方式，精度得到了提高，同时可以省去LCOS内部模拟校正配置寄存器而去匹配DAC特性的部分，且可以实现自动对LCoS空间光调制器的相位调制性能的校正，省去大量的人力资源，具有重要的实用价值和作用。
本发明采用的技术方案：
一种LCoS空间光调制器的自动相位线性校正系统，包括：
提供测试图片、处理数据并与驱动模块通信的微控制模块，
驱动点亮LCoS微显示芯片的驱动模块；
测量LCoS微显示芯片显示的图片的相位信息并将测量的数据反馈给微控制模块的相位调制深度的测量模块；
以及内部具有DAC的LCoS微显示芯片；
其中驱动模块与LCoS微显示芯片组成了空间光调制器；
其中，微控制模块根据测量模块反馈的干涉条纹，计算并处理得到灰阶与相位调制量的数据关系，得出需要校正的数据指令发送给驱动模块，驱动模块根据微控制模块的数据指令以数字校正或者模拟配置寄存器校正的方式校正LCoS空间光调制器的相位调制性能；
其中，模拟配置寄存器校正的方式通过配置LCoS微显示芯片内部的DAC特性，而数字校正的方式，直接对相应的灰阶调整，使得该灰阶下液晶像元达到标准的灰阶对应的相位调制量下的电压值，采用分段线性拟合的方式逼近标准的灰阶与相位调制量线性函数。
进一步地，空间光调制器接收RGB数据或者MIPI类型的数据。
进一步地，LCoS微显示芯片内具有一定精度的数模转换的DAC和可配置DAC特性的数组寄存器；通过配置LCoS内部数组寄存器的数值来匹配DAC的特性，使固定灰阶点的电压达到标准的灰阶对应的相位调制量下所对应的电压值，校正LCoS空间光调制器的相位调制性能。
进一步地，驱动模块与LCoS微显示芯片、微控制模块，以及微控制模块与测量模块之间均通过通信的方式进行信息交互。
进一步地，数字校正方式时，配置LCoS微显示芯片内部DAC为线性特性。
进一步地，微控制模块可切换提供视频或者图片源给驱动模块作为测试图片，并记录对应测试图片下测量模块反馈的干涉条纹，计算处理得出灰阶与相位调制量的函数关系，通过对比存储的标准线性的灰阶与相位调制量的函数关系，结合已知的灰阶与电压的一一对应关系曲线，确定出要达到标准灰阶与相位线性调制关系时，所需要的灰阶大小，并传送给驱动模块校正灰阶。
进一步地，驱动模块接受HDMI或MIPI类型数据并转化为RGB数据或者MIPI数据。
进一步地，LCoS微显示芯片内部DAC的特性，其匹配的方式包括电阻串DAC、电压切换DAC、开关电容DAC、电流驼DAC或R-2RDAC。
微控制单元是自动化的核心部分，可以处理计算相位调制性能测量模块反馈回来的干涉条纹，与内部存储的标准灰阶-相位调制量函数对比后并做处理，最终可以得到需要调整的数据。且可以根据模拟或者数字校正，发送对应的指令给驱动模块，且具有完成与驱动模块的指令通信的能力，以及提供数据源头给驱动模块的能力。其中，微控制单元包括但不限于CPU，GPU，单片机、DSP等控制处理单元，数据源头包括但不限于HDMI、DP等格式的数据，指令通信包括但不限于UART、I2C、MIPI、SPI等格式。
驱动模块驱动点亮LCoS空间光调制器，以及完成微控制单元发送而来的校正指令，具有接受不同格式的输入视频源的数据能力以及指令通信的能力，以及输出不同格式的视频数据的能力。并具有相位线性校正的能力：1.自动模拟法相位线性校正，当微控制模块接受了所有测试图片的反馈的电压与之后，即可发送指令以及寄存器配置数据给驱动模块，驱动模块就去配置LCoS微显示芯片的寄存器完成模拟校正。2.自动数字校正法，即当微控制模块接受了所有测试图片的反馈干涉图后，计算处理，之后即可发送指令以及灰阶分割点校正的真实灰阶数据给驱动模块，驱动模块就校正灰阶-相位函数分割点处灰阶所对应的数据为理想线性相位图下，对应相位调制量所对应的灰阶数据，其他相位调制量所对应的灰阶的数据采用线性拟合的方式。最终实现了LCoS空间光调制器相位调制性能的一一校正，且精确度得到提高。其中分割点的数目不局限于某一个具体数据，可根据精度需要以及驱动的资源而定。
本发明所达到的有益效果：
本发明的系统可以自动的实现LCoS空间光调制器的自动化相位线性校正，无论是模拟配置寄存器校正法还是数字校正法。且空间光调制器的相位校正的线性度得到了提高，特别是数字校正法，在多个点的准确校正下，其他的灰阶点下对应的相位校正拟合直线关系，分多段的线性拟合的方式进一步增加了整体的线性度。
附图说明
图1是LCoS微显示芯片的自动相位线性校正系统的总体框架示意图。
图2是未校正之前LCoS空间光调制器的相位调制性能曲线与标准的相位线性曲线的关系。
图3是模拟配置伽马寄存器法校正后LCoS空间光调制器的相位调制量随着灰阶的变化图。
图4是数字分段线性拟合法校正后LCoS空间光调制器的相位调制量随着灰阶的变化图。
具体的实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
传统的LCoS空间光调制器的相位线性校正采用模拟方式即配置内部决定DAC特性的寄存器的方式，且需要人为去记录处理得到的灰阶对应的亮度关系，反复操作直到LCoS的相位调制性能的精度达到误差范围内，耗费人力。
参阅图1为本发明提出的针对LCoS空间光调制器的自动相位线性校正系统的总体框架示意图，包括提供测试图片、处理数据并与驱动模块通信的微控制模块，支持多种视频源输入的驱动点亮LCoS的驱动模块；能够测量由LCoS微显示芯片得到的干涉条纹的相位调制深度的测量模块，以及内部具有DAC的LCoS微显示芯片。其中微控制模块会根据来自相位调制深度的测量模块反馈的干涉条纹，与当时给的测试图片的数据，计算并处理得到灰阶-相位调制量的数据关系，对全部的反馈干涉条纹计算处理完后，得出需要校正的数据反馈给驱动模块，驱动模块可以根据来自微控制模块的指令数据通过数字校正模块或模拟校正模块去以数字校正或者模拟校正的方式校正该LCoS空间光调制器的相位调制性能。
其中模拟校正模块中采用模拟配置寄存器校正法主要是重新配置LCoS微显示芯片内部的DAC特性，而数字校正模块中采用数字校正，是直接对相应的灰阶数据的调整，使得该灰阶下液晶能够达到对应的标准相位调制量下的电压值，使用到了分段线性拟合的方式逼近标准的灰阶-相位调制量线性函数的校正方法。
空间光调制器是采用LCOS(Liquid Crystal On Silicon,硅基液晶)芯片来调节光波前的振幅或相位的光学器件。LCOS芯片是由液晶像元组成的像素阵列，每个像素都能单独地调制光。对于同一束光来说，像元的尺寸越小，调制的就越精细；像素的个数就是芯片的分辨率，分辨率越高，可调制的自由度就越高。对于理想的相位型空间光调制器来说，它只改变光的相位，而不影响光的强度和偏振状态。通过改变电压来改变液晶的排列方式，相位调制随着液晶的排列方式而变化。
LCoS空间光调制器，可以接收但不限于RGB数据或者MIPI类型的数据。
模拟配置寄存器方法的校正，通常该LCoS微显示芯片内部拥有一定精度的数模转换的DAC，是可以将数字信号转换为模拟信号如电压加载在液晶上的，而DAC特性的匹配程度是可以外界配置的，即在LCoS内部拥有可以配置的几组寄存器，寄存器的数值是间接决定固定灰阶点的出的电压的，其他灰阶点的位置通常模拟线性关系校正。这样可以通过配置LCoS内部寄存器的数值来匹配DAC的特性，把固定灰阶点的电压拉到标准的灰阶对应的相位调制量下所对应的电压值，来达到LCoS空间光调制器想要达到的相位调制性能。
驱动模块与LCoS微显示芯片，以及其他各模块之间的信息交互，均可以通过通信的方式。如URAT、I2C、SPI、MIPI等通信方式。
自动伽马校正系统中数字伽马校正，LCoS微显示芯片内部的DAC的转化特性确定后，DAC输出的数据就相当于取决于输入给LCoS微显示芯片的灰阶数据的大小了，对于LCoS微显示芯片的相位调制性能的校正即可转化为间接性的在驱动上对灰阶数据做微调整。
在数字校正方法下，配置LCoS内部DAC为线性特性即可。相比较于模拟的固定几个点的校正，其他位置近似线性的校正方法，数字校正可以选取比模拟寄存器配置校正法更多的点，直接通过改变数据达到该点的校正，也即点对点的校正。举例如等分割输入灰阶数据0～255为16段，在端点处用准确数据校正，其他部分同样运用线性拟合的方式去近似标准的线性相位调制性能的曲线，实现全部数据的校正，这种方法不仅仅是提高了LCoS空间光调制器的线性相位调制性能的精确度，而且这种分段线性的数字校正方法可以省去复杂的DAC内部匹配其特性的部分。
微控制模块可以使能模拟配置寄存器校正法或者数字校正法，微控制单元亦可切换提供视频或者图片源给驱动模块，并记录对应测试图片下来自相位调制深度测量模块反馈的干涉条纹，计算处理后得出灰阶与相位调制量的函数关系，通过对比微控制器中存储的标准线性的灰阶-相位调制量的函数关系，在加上已知的灰阶与电压的一一对应关系曲线，确定出要达到的标准灰阶与相位线性调制关系时，所需要的灰阶数据大小，并传给驱动模块去校正灰阶数据。
驱动模块，是作为LCoS微显示芯片的驱动，可以为FPGA或者其他专用型芯片，可接受HDMI、MIPI等类型数据并转化为RGB数据或者MIPI等其他给LCoS微显示芯片能够接受的数据，并可以按照所述的方式进行通信。
LCoS微显示芯片内部DAC的特性，其匹配的方式包括但不局限于电阻串DAC、电压切换DAC、开关电容DAC、电流驼DAC、R-2RDAC等。
自动模拟配置寄存器校正方法的简要实施步骤，描述如下：
当测试者需要使用自动模拟配置寄存器的校正法时，只需打开微控制模块的模拟校正开关，则微控制模块开始发送测试的图片给驱动模块。驱动模块开始将接受的图像数据转化为LCoS微显示芯片可以识别的数据类型，微显示器显示驱动模块发送的数据图像。
进一步的，相位调制深度的测量模块对LCoS空间光调制器进行测量，通过测试图片的波前干涉得到干涉条纹，同步持续采集信息，并将得到的干涉条纹反馈给微控制模块，微控制模块根据得到的干涉条纹计算处理得到相位调制量的大小，切换下一测试图片并同样测试，反复一直到所有的测试图片采集完毕，结束。
这时候微控制模块会将所有采集处理得到的灰阶与相位调制量的曲线图，与标准的灰阶-相位调制量线性图做对比，如果所有的相位调制量误差均在允许范围内，则直接停止校验，否则得出LCoS微显示芯片内部几组DAC寄存器需要校正的数据，DAC寄存器的数值的意义代表某些特定灰阶处实际的灰阶大小，间接可以理解为某些灰阶点处实际对应的LCoS空间光调制器的相位调制能力的大小。微控制模块会将这组数据发送给驱动模块，驱动模块就直接将数据配置给LCoS微显示芯片内部的寄存器中，完成初步灰阶点对应相位调制能力的准确校正。
微控制模块会继续重新发送测试图片数据，重复上述的操作，直到灰阶与相位调制量的曲线关系在误差在允许范围之内。自动模拟配置寄存器法校正结束。
自动数字校正方法的简要实施步骤，描述如下：
当测试者需要使用数字校正时，只需打开微控制模块的数字校正开关，则微控制模块首先发送一组可以配置LCoS微显示芯片内部DAC为线性特性的寄存器对应的数据给驱动模块，接着发送测试图片给驱动模块。驱动模块开始将接受这组寄存器数据配置到LCoS微显示芯片内部DAC寄存器，接着将测试图片数据转化为LCoS微显示芯片可以识别的数据类型，微显示器显示驱动模块发送的数据图像。
相位调制深度的测量模块同步采集，步骤同前面自动模拟匹配寄存器校正方法中的步骤一致。
接着，这时候微控制模块会将计算处理得到的灰阶-相位调制量的关系曲线与标准的灰阶-相位线性关系的直线作对比，如果所有灰阶点处的LCoS空间光调制器的相位调制量的误差均在允许范围内，则直接立刻停止校验，否则可以对比得出若干个灰阶点处真实的需要调整到的灰阶数据大小，这些灰阶点一般是标准灰阶-相位调制量关系直线上一定灰阶距离的点，并将这一组数据发送给驱动模块，驱动模块接受后，直接做微调数据的处理：即对应灰阶点处数据直接校正成接受到的对应数据，其他灰阶处的数据采用这些灰阶点与对应校正数据组合成的点所线性拟合而成的分段函数上，如图2线性拟合图(0～255灰阶数据)，分成了16段，当然也可以是32段，甚至更多。这样最终实现了所有的灰阶点数据一一校正，且具有较自动模拟配置寄存器校正方法更高的精确度。完成初步校正。
微控制模块会继续重新发送测试图片，重复上述的操作，直到误差在允许范围之内。自动数字校正结束。
由图2和图3对比可以看到，实际试验过程中，在没有对LCOS空间光调制器进行校正的情况下，其相位调制量随着灰阶的变化可能偏离线性较多，在进行模拟配置伽马寄存器的相位线性校正后，整体相位线性程度得到了很好的提升，效果显著。在与图4进行对比，可以直观的看出通过数字分段线性拟合校正后，整体的相位线性校正效果得到了进一步的提升，校正精度进一步提高，该校正系统极具使用价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种LCoS空间光调制器的自动相位线性校正系统，其特征在于：包括：
提供测试图片、处理数据并与驱动模块通信的微控制模块，
驱动点亮LCoS微显示芯片的驱动模块；
测量LCoS微显示芯片显示的图片的相位信息并将测量的数据反馈给微控制模块的相位调制深度的测量模块；
以及内部具有DAC的LCoS微显示芯片；
其中，驱动模块与LCoS微显示芯片组成了空间光调制器；
其中，微控制模块根据测量模块反馈的干涉条纹，计算并处理得到灰阶与相位调制量的数据关系，得出需要校正的数据指令发送给驱动模块，驱动模块根据微控制模块的数据指令以数字校正或者模拟配置寄存器校正的方式校正LCoS空间光调制器的相位调制性能；
其中，模拟配置寄存器校正的方式通过配置LCoS微显示芯片内部的DAC特性，而数字校正的方式，直接对相应的灰阶调整，使得该灰阶下液晶像元达到标准的灰阶对应的相位调制量下的电压值，采用分段线性拟合的方式逼近标准的灰阶与相位调制量线性函数；
其中，LCoS微显示芯片内具有一定精度的数模转换的DAC和可配置DAC特性的数组寄存器；通过配置LCoS内部数组寄存器的数值来匹配DAC的特性，使固定灰阶点的电压达到标准的灰阶对应的相位调制量下所对应的电压值，校正LCoS空间光调制器的相位调制性能。
2.如权利要求1所述的LCoS空间光调制器的自动相位线性校正系统，其特征在于：空间光调制器接收RGB数据或者MIPI类型的数据。
3.如权利要求1中所述的LCoS空间光调制器的自动相位线性校正系统，其特征在于：驱动模块与LCoS微显示芯片、微控制模块，以及微控制模块与测量模块之间均通过通信的方式进行信息交互。
4.如权利要求1所述的LCoS空间光调制器的自动相位线性校正系统，其特征在于：数字校正方式时，配置LCoS微显示芯片内部DAC为线性特性。
5.如权利要求1所述的LCoS空间光调制器的自动相位线性校正系统，其特征在于：微控制模块可切换提供视频或者图片源给驱动模块作为测试图片，并记录对应测试图片下测量模块反馈的干涉条纹，计算处理得出灰阶与相位调制量的函数关系，通过对比存储的标准线性的灰阶与相位调制量的函数关系，结合已知的灰阶与电压的一一对应关系曲线，确定出要达到标准灰阶与相位线性调制关系时，所需要的灰阶大小，并传送给驱动模块校正灰阶。
6.如权利要求1所述的LCoS空间光调制器的自动相位线性校正系统，其特征在于：驱动模块接受HDMI或MIPI类型数据并转化为RGB数据或者MIPI数据。
7.如权利要求1所述LCoS空间光调制器的自动相位线性校正系统，其特征在于：LCoS微显示芯片内部DAC的特性，其匹配的方式包括电阻串DAC、电压切换DAC、开关电容DAC、电流驼DAC或R-2RDAC。
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