CN116107089A - 一种衍射光波导均匀性补偿的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种衍射光波导均匀性补偿的方法，包括：搭建均匀性补偿模型；利用终端设备发送第一原始图像至微光机，根据预设模式调整微光机并将接收的第一原始图像通过衍射光波导装置耦出形成第一输出图像；利用光学检测设备接收第一输出图像并进行亮度均匀性检测，判断亮度均匀性检测结果是否小于等于第一预设阈值，若是，利用终端设备生成调制图像，否则，认为无需补偿；将调制图像发送至衍射光波导装置耦出第二输出图像，利用光学检测设备接收第二输出图像并进行亮度均匀性检测，根据亮度均匀性检测结果判断是否完成对应预设模式下的均匀性补偿。可提供亮度均匀的图像，以提高用户在可穿戴式显示设备的使用体验感，且成本低、调试方便快捷。

Description

一种衍射光波导均匀性补偿的方法

技术领域

本发明属于衍射光波导技术领域，具体涉及一种衍射光波导均匀性补偿的方法。

背景技术

基于微光机以及衍射光波导的显示系统因其重量轻、尺寸小、可穿戴性强且具有大视场角、大眼眶而广泛应用于AR、MR以及HMD领域。其中，显示系统中的微光机能够提供具有一定视场角以及一定尺寸且亮度均匀的输入图像，经过衍射光波导的输入耦合器，通过其第一衍射级次以将亮度均匀的输入图像耦合进入透明或者半透明的光波导中，并通过全内反射的方式在光波导中进行传输，之后经过输出耦合器扩展并输出进入眼眶，如图1所示。

为了使用户在AR相关的显示设备具有更好的体验，需要保证用户在眼眶的范围内能够看到亮度均匀的图像。当前技术中，在确定的视场角及出瞳尺寸的情况下，微光机提供的图像的亮度不完全均匀，如一般能达到90％，而衍射光波导的输入耦合器以及输出耦合器一般为衍射光学元件，如矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅、多台阶光栅以及超表面光栅和全息光栅，由于各类光栅的最小特征尺寸在波长甚至是亚波长范围内，此类元件对入射角度及入射波长非常敏感，因此针对不同的入射角和入射波长，其第一衍射级次的效率不一样，如输入耦合器会导致第一次不均匀性，如图2所示，为采用有限元方法对不同角度下倾斜光栅的第一衍射级次的衍射效率以及均匀性进行计算所得结果，表明当输入耦合器为衍射光学元件时，其会导致输出图像的不均匀性，如其将一种倾斜光栅作为输入光栅，在-20°～20°的视场角内，其第一衍射级次的均匀性仅有7.7％。且在经过输出耦合器出瞳复制和输出过程中多次衍射效应的叠加后，产生了第二次不均匀性，并最终导致输出到眼眶内的图像非常不均匀，进而影响了用户在使用AR等相关设备的体验感，因此，需要一种方法来提高输出图像的均匀性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出一种衍射光波导均匀性补偿的方法，能够使衍射光波导显示装置为用户提供亮度均匀的图像，以提高用户在AR、MR以及HMD等可穿戴式显示设备的使用体验感，且成本低、调试方便快捷。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

本发明提出的一种衍射光波导均匀性补偿的方法，应用于衍射光波导显示装置，衍射光波导显示装置包括微光机、波导片、输入耦合器和输出耦合器，输入耦合器和输出耦合器贴附于波导片上，衍射光波导均匀性补偿的方法包括如下步骤：

S1、搭建均匀性补偿模型，均匀性补偿模型包括终端设备和光学检测设备；

S2、利用终端设备发送第一原始图像至微光机，根据预设模式调整微光机并将微光机接收的第一原始图像通过输入耦合器耦入波导片，在波导片内全反射传输后通过输出耦合器耦出形成第一输出图像，第一原始图像为纯白图像，预设模式包括R单通道打开模式、G单通道打开模式、B单通道打开模式和RGB全通道打开模式；

S3、利用光学检测设备接收第一输出图像并进行亮度均匀性检测，判断亮度均匀性检测结果是否小于等于第一预设阈值，若是，执行步骤S4，否则，认为衍射光波导显示装置的亮度均匀性满足要求，无需补偿；

S4、利用终端设备对第一输出图像依次进行灰度图转换和反相操作生成调制图像；

S5、将调制图像发送至衍射光波导装置耦出形成第二输出图像，利用光学检测设备接收第二输出图像并进行亮度均匀性检测，判断亮度均匀性检测结果是否小于等于第二预设阈值，若是，计算出第二输出图像的平均亮度值L，执行步骤S6，否则，认为衍射光波导显示装置的亮度均匀性满足要求，完成对应预设模式下的均匀性补偿，结束流程；

S6、将第二输出图像中每个像素位置对应的亮度值M-Pixel与平均亮度值L进行差值计算，获得亮度值M-Pixel高于平均亮度值L的像素位置坐标(x,y)，并将调制图像中对应像素位置坐标(x,y)的灰度值乘以系数n以更新调制图像，其中，0.5<n<0.9，返回执行步骤S5。

优选地，输入耦合器和输出耦合器均为一维表面浮雕光栅、一维体全息光栅、二维表面浮雕光栅或二维体全息光栅其中一种，周期为200nm～500nm。

优选地，波导片为单层单色光波导、单层全彩光波导、多层多色光波导其中一种。

优选地，终端设备为计算机、手机、平板其中一种。

优选地，均匀性补偿模型还包括转换模块，终端设备、转换模块和微光机依次连接，转换模块用于将终端设备提供的第一原始图像进行格式转换后发送至微光机。

优选地，微光机为Micro-LEDs显示屏、LCOS显示屏、DLP显示屏、OLED显示屏和Micro-OLEDs显示屏其中一种。

优选地，微光机为单个发光像素尺寸在2.5um～5um之间的Micro-LEDs显示屏。

优选地，亮度均匀性检测结果，计算如下：

LvUniformity＝(MinLv/MaxLv)*100

式中，MinLv为所有测试点中的最小亮度值，MaxLv为所有测试点中的最大亮度值。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过检测衍射光波导显示装置的输出图像并进行亮度均匀性检测，根据亮度均匀性检测结果生成调制图像作为所需的预补偿图像，并将调制图像再次输入微光机进行输出显示，可解决由于微光机提供图像的亮度不均匀性、衍射光波导显示装置中输入耦合器以及输出耦合器中由于衍射光学元件对角度和波长的敏感性而导致的衍射过程中产生的第一次不均匀性和第二次不均匀性，三种不均匀性叠加进而导致最终输出图像的亮度不均匀性的问题，从而使衍射光波导显示装置能够为用户提供亮度均匀的图像，以提高用户在AR、MR以及HMD等可穿戴式显示设备的使用体验感，且成本低、调试方便快捷。

附图说明

图1为现有技术衍射光波导显示装置的结构示意图；

图2为现有技术中输入耦合器引入的不均匀性效果图；

图3为本发明衍射光波导均匀性补偿的方法流程图；

图4为本发明在微光机全通道情况下亮度均匀性测试效果图；

图5为本发明在微光机红光通道情况下亮度均匀性测试效果图；

图6为本发明在微光机绿光通道情况下亮度均匀性测试效果图；

图7为本发明在微光机蓝光通道情况下亮度均匀性测试效果图；

图8为本发明在微光机绿光通道情况下的调制图像示意图；

图9为本发明在微光机绿光通道情况下的第二输出图像示意图；

图10为本发明引入转换模块的衍射光波导均匀性补偿的方法流程图。

附图标记说明：1、微光机；2、输入耦合器；3、波导片；4、输出耦合器；5、人眼；T1、第一衍射级次。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。

如图3-10所示，一种衍射光波导均匀性补偿的方法，应用于衍射光波导显示装置，衍射光波导显示装置包括微光机、波导片、输入耦合器和输出耦合器，输入耦合器和输出耦合器贴附于波导片上，衍射光波导均匀性补偿的方法包括如下步骤：

S1、搭建均匀性补偿模型，均匀性补偿模型包括终端设备和光学检测设备；

S2、利用终端设备发送第一原始图像至微光机，根据预设模式调整微光机并将微光机接收的第一原始图像通过输入耦合器耦入波导片，在波导片内全反射传输后通过输出耦合器耦出形成第一输出图像，第一原始图像为纯白图像，预设模式包括R单通道打开模式、G单通道打开模式、B单通道打开模式和RGB全通道打开模式；

S3、利用光学检测设备接收第一输出图像并进行亮度均匀性检测，判断亮度均匀性检测结果是否小于等于第一预设阈值，若是，执行步骤S4，否则，认为衍射光波导显示装置的亮度均匀性满足要求，无需补偿；

S4、利用终端设备对第一输出图像依次进行灰度图转换和反相操作生成调制图像；

S5、将调制图像发送至衍射光波导装置耦出形成第二输出图像，利用光学检测设备接收第二输出图像并进行亮度均匀性检测，判断亮度均匀性检测结果是否小于等于第二预设阈值，若是，计算出第二输出图像的平均亮度值L，执行步骤S6，否则，认为衍射光波导显示装置的亮度均匀性满足要求，完成对应预设模式下的均匀性补偿，结束流程；

S6、将第二输出图像中每个像素位置对应的亮度值M-Pixel与平均亮度值L进行差值计算，获得亮度值M-Pixel高于平均亮度值L的像素位置坐标(x,y)，并将调制图像中对应像素位置坐标(x,y)的灰度值乘以系数n以更新调制图像，其中，0.5<n<0.9，返回执行步骤S5。

在一实施例中，输入耦合器和输出耦合器均为一维表面浮雕光栅、一维体全息光栅、二维表面浮雕光栅或二维体全息光栅其中一种，周期为200nm～500nm。

在一实施例中，波导片为单层单色光波导、单层全彩光波导、多层多色光波导其中一种。

在一实施例中，终端设备为计算机、手机、平板其中一种。或还可为现有技术中的其他具有收发功能的设备。

在一实施例中，均匀性补偿模型还包括转换模块，终端设备、转换模块和微光机依次连接，转换模块用于将终端设备提供的第一原始图像进行格式转换后发送至微光机。

在一实施例中，微光机为Micro-LEDs显示屏、LCOS显示屏、DLP显示屏、OLED显示屏和Micro-OLEDs显示屏其中一种。

在一实施例中，微光机为单个发光像素尺寸在2.5um～5um之间的Micro-LEDs显示屏。

在一实施例中，亮度均匀性检测结果，计算如下：

LvUniformity＝(MinLv/MaxLv)*100

式中，MinLv为所有测试点中的最小亮度值，MaxLv为所有测试点中的最大亮度值。

本发明中的衍射光波导显示装置如图1所示，包括微光机1、波导片3、输入耦合器2和输出耦合器4，输入耦合器2和输出耦合器4均位于波导片3的同侧，波导片3采用单层全彩光波导，或还可为现有技术中的其他衍射光波导显示装置。将终端设备与微光机1进行通信连接，如通过Type C接口、HDMI接口等，终端设备可为计算机(PC)、移动手机、平板等，将终端设备发出的图像传输至微光机1，从而为微光机1提供图像。计算机与转换模块之间通过线缆连接，如线缆的一端通过USB接口与计算机连接，另一端采用TYPE_C接口与转换模块连接，转换模块与微光机之间采用贴片板级连接器(型号为Molex:505066-1422)进行连接。转换模块将终端设备提供的第一原始图像转换为微光机的显示屏可识别的格式数据，如将图像数据转换为4bit 16位灰阶数据格式。

微光机1采用单个发光像素尺寸在2.5um～5um之间的Micro-LEDs显示屏，为衍射光波导显示装置提供图像，由于微光机1提供的图像存在亮度不均匀性，其中，输入耦合器2将图像以第一衍射级次输入到高折波导片3中，并进行全反射传输，之后通过输出耦合器4对图像进行复制并输出，通过光学检测设备，如使用包含了ProMetric成像色度计和TrueTest软件的RADIANT的TrueTest系统，以对衍射光波导显示装置的输出图像进行亮度均匀性进行测试，之后根据测试结果，对不均匀图像(即输出图像)进行采集并补偿，通过终端设备再次传输给微光机1，为衍射光波导显示装置提供经过补偿后的图像，以对衍射光波导显示装置产生的不均匀性进行补偿，并在保证测试条件不变的情况下，使用光学检测设备对补偿后输出的图像进行亮度均匀性检测，符合要求后耦入人眼5。具体地，基于MicroLEDs显示屏的微光机1具有R、G、B三个通道，可通过控制通道的开关以使微光机1为波导片3提供R(红光)、G(绿光)、B(蓝光)单色光或者白光，波导片3为单层全彩光波导。通过终端设备为微光机1提供亮度均匀的纯白图像(255,255,255)，执行如下检测方法：

1)打开微光机1的全部通道，通过光学检测设备对白光亮度均匀性进行测试，亮度均匀性测试结果如图4所示，图中P1-P9为9个测试点，测试点的亮度P1-P9依次为9.16、11.27、8.71、10.98、10.32、8.87、6.08、7.41、4.98；

2)打开微光机1的R(红光)通道，关闭G和B通道，通过光学检测设备对红光亮度均匀性进行测试，亮度均匀性测试结果如图5所示，测试点的亮度P1-P9依次为1.30、2.28、2.47、1.28、1.86、2.11、1.06、1.86、1.24；

3)打开微光机1的G(绿光)通道，关闭R和B通道，通过光学检测设备对绿光亮度均匀性进行测试，亮度均匀性测试结果如图6所示，测试点的亮度P1-P9依次为7.46、9.13、6.46、9.06、7.58、5.80、5.30、5.59、3.55；

4)打开微光机1的B(蓝光)通道，关闭R和G通道，通过光学检测设备对蓝光亮度均匀性进行测试，亮度均匀性测试结果如图7所示，测试点的亮度P1-P9依次为0.32、0.23、0.14、0.32、0.19、0.09、0.14、0.08、0.06。

对于亮度均匀性的测试中，使用了ANSI(美国国家标准协会)-9点测试方法，并通过以下公式计算：

LvUniformity＝(MinLv/MaxLv)*100

亮度均匀性测试结果即9个测试点中的最小亮度与最大亮度的比值LvUniformity，此值越大，则亮度均匀性越好。

各颜色亮度均匀性测试结果如下表1所示：

表1

白色	红色	绿色	蓝色
				44.19％	42.9％	38.88％	18.75％

由图4-7为光学检测设备的测试结果可知，在未经过调制时，输出图像具有较高的非均匀性。并根据表1可知，衍射光波导显示装置在正常均匀白光(色温5000-6000K之间)输入情况下，白光、红光及绿光亮度均匀性较为接近，但仅有40％左右，蓝色的亮度均匀性只有18.75％。亮度均匀性均较低，之后，可通过图4-7的亮度均匀性测试结果，来对衍射光波导显示装置进行均匀性补偿。本实施例以图6中绿光的亮度均匀性测试结果为例，通过图6的亮度分布，生成所需的预补偿图(调制图像)，如图8所示。具体生成步骤如下：

1.将图6转换为灰度图，由于波导片3输出的图像亮度不均匀，因此不同位置处具有不同的RGB颜色值，如某个位置P处的RGB颜色值为(70，200，120)；

2.对整个图6的灰度图进行反相，则对应位置P处的RGB值变为(185，55，135)，即获得对应的所需预补偿图(调制图像)，如图8所示；

3.将预补偿图输入到微光机1中进行预补偿，从而使衍射光波导显示装置显示出更均匀的图像(第二输出图像)，如图9所示。

通过终端设备将预补偿图导入到微光机1，并打开G通道，关闭R通道和B通道，再次使用光学检测设备对衍射光波导显示装置输出的图像进行亮度均匀性测试，测试结果如下：

表2

由图9光学检测设备对绿光的测试结果可知，在经过预补偿调制后，输出图像的均匀性有较大的提高，通过输入预补偿的图像，整个图像的亮度分布更加均匀。并结合表2可知，亮度均匀性由38.88％提升到70.22％，通过此方法能够有效的提高衍射光波导显示装置的亮度均匀性，以提高用户的使用体验感。白光、红光以及蓝光可以使用同样的方法来实现。

上述实施例为单次循环获得的结果，通过调制图像补偿后即可满足衍射光波导显示装置的亮度均匀性要求。容易理解的是，当判断出亮度均匀性检测结果小于等于第二预设阈值，认为衍射光波导显示装置的亮度均匀性还不满足要求，通过光学检测设备计算第二输出图像的平均亮度值L，将第二输出图像的每个像素位置对应的亮度值M-Pixel减去平均亮度值L，获得亮度值M-Pixel高于平均亮度值L的像素位置坐标(x,y)，并将上次生成的调制图像中对应像素位置坐标(x,y)的灰度值乘以一个系数n以更新调制图像，其中，0.5<n<0.9，第二预设阈值可根据实际需求调整，循环操作，在循环过程中，n的取值优选按照循环次序可以由大到小进行取值。通过对局部进行精准调节，获得亮度均匀性更佳的衍射光波导显示装置。

本发明通过检测衍射光波导显示装置的输出图像并进行亮度均匀性检测，根据亮度均匀性检测结果生成调制图像作为所需的预补偿图像，并将调制图像再次输入微光机进行输出显示，可解决由于微光机提供图像的亮度不均匀性、衍射光波导显示装置中输入耦合器以及输出耦合器中由于衍射光学元件对角度和波长的敏感性而导致的衍射过程中产生的第一次不均匀性和第二次不均匀性，三种不均匀性叠加进而导致最终输出图像的亮度不均匀性的问题，从而使衍射光波导显示装置能够为用户提供亮度均匀的图像，以提高用户在AR、MR以及HMD等可穿戴式显示设备的使用体验感，且成本低、调试方便快捷。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种衍射光波导均匀性补偿的方法，应用于衍射光波导显示装置，所述衍射光波导显示装置包括微光机、波导片、输入耦合器和输出耦合器，所述输入耦合器和输出耦合器贴附于所述波导片上，其特征在于：所述衍射光波导均匀性补偿的方法包括如下步骤：

S1、搭建均匀性补偿模型，所述均匀性补偿模型包括终端设备和光学检测设备；

S2、利用终端设备发送第一原始图像至微光机，根据预设模式调整微光机并将微光机接收的第一原始图像通过输入耦合器耦入波导片，在波导片内全反射传输后通过输出耦合器耦出形成第一输出图像，所述第一原始图像为纯白图像，所述预设模式包括R单通道打开模式、G单通道打开模式、B单通道打开模式和RGB全通道打开模式；

S3、利用光学检测设备接收第一输出图像并进行亮度均匀性检测，判断亮度均匀性检测结果是否小于等于第一预设阈值，若是，执行步骤S4，否则，认为衍射光波导显示装置的亮度均匀性满足要求，无需补偿；

S4、利用终端设备对第一输出图像依次进行灰度图转换和反相操作生成调制图像；

S5、将调制图像发送至衍射光波导装置耦出形成第二输出图像，利用光学检测设备接收第二输出图像并进行亮度均匀性检测，判断亮度均匀性检测结果是否小于等于第二预设阈值，若是，计算出第二输出图像的平均亮度值L，执行步骤S6，否则，认为衍射光波导显示装置的亮度均匀性满足要求，完成对应预设模式下的均匀性补偿，结束流程；

S6、将第二输出图像中每个像素位置对应的亮度值M-Pixel与平均亮度值L进行差值计算，获得亮度值M-Pixel高于平均亮度值L的像素位置坐标(x,y)，并将调制图像中对应像素位置坐标(x,y)的灰度值乘以系数n以更新调制图像，其中，0.5<n<0.9，返回执行步骤S5。

2.如权利要求1所述的衍射光波导均匀性补偿的方法，其特征在于：所述输入耦合器和输出耦合器均为一维表面浮雕光栅、一维体全息光栅、二维表面浮雕光栅或二维体全息光栅其中一种，周期为200nm～500nm。

3.如权利要求1所述的衍射光波导均匀性补偿的方法，其特征在于：所述波导片为单层单色光波导、单层全彩光波导、多层多色光波导其中一种。

4.如权利要求1所述的衍射光波导均匀性补偿的方法，其特征在于：所述终端设备为计算机、手机、平板其中一种。

5.如权利要求1所述的衍射光波导均匀性补偿的方法，其特征在于：所述均匀性补偿模型还包括转换模块，所述终端设备、转换模块和微光机依次连接，所述转换模块用于将终端设备提供的第一原始图像进行格式转换后发送至所述微光机。

6.如权利要求1所述的衍射光波导均匀性补偿的方法，其特征在于：所述微光机为Micro-LEDs显示屏、LCOS显示屏、DLP显示屏、OLED显示屏和Micro-OLEDs显示屏其中一种。

7.如权利要求6所述的衍射光波导均匀性补偿的方法，其特征在于：所述微光机为单个发光像素尺寸在2.5um～5um之间的Micro-LEDs显示屏。

8.如权利要求1所述的衍射光波导均匀性补偿的方法，其特征在于：所述亮度均匀性检测结果，计算如下：

LvUniformity＝(MinLv/MaxLv)*100

式中，MinLv为所有测试点中的最小亮度值，MaxLv为所有测试点中的最大亮度值。

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