本發明屬于頭盔顯示技術領域,具體涉及一種全息波導顯示系統中的色彩管理裝置及方法。
背景技術:
頭盔顯示是以微型顯示器作為像源,以透明的全息護目鏡為顯示屏,通過光學系統將圖像投射到人眼上進行成像。因此,頭盔顯示技術的關鍵技術是通過光學耦合元件,實現光學系統的小型化。
現有的可實現頭盔顯示的技術中,相比于之前的離軸光學系統,全息波導顯示系統擁有結構簡單,可實現輕薄化設計等優勢,但是由于體全息光柵的波長選擇性和角度選擇性,往往會限制輸出圖像的視場。現有技術中的一種基于全息波導的頭盔顯示裝置的結構原理如圖3所示,其包括微顯示器401、準直透鏡402、波導403、入耦合全息光學元件404、出耦合全息光學元件405。如圖1所示,該顯示裝置在工作過程中,微顯示器401向外發射帶有圖像信息的發散光L40,發散光L40通過準直透鏡402后轉變為平行光L41,所述平行光L41垂直入射到入耦合全息光學元件404的表面,其中一部分穿過404,為透射光L42,另一部分構成衍射光L43,進入波導403中,以全反射的形式傳播,直至被出耦合全息光學元件405衍射輸出平行光L44,進入人眼406。由于全息光學元件的衍射方向性比較強,視場比較小,所以當視角不是正對輸出平行光時,人眼406所能接收到的圖像色差會較大,色域與微顯示器的色域差異較大。
如圖1所示,本實驗室發現某一波長的光以不同入射角進入反射型體全息光柵后,衍射光的波長會隨著入射角的變化發生偏移,入射角度偏移量越大,波長偏移量也會增大。同時,不同入射角對應的輸出圖像的色域并不相同,最終會使人眼不同視點接收到的圖像色域不同,從而會影響顯示效果。
如圖2所示為光柵傾角分別為15°和30°的反射型體全息光柵,在五種不同入射角度(-5°、-2°、0°、2°和5°)下的色域分布情況。由圖中可以看出,當光柵傾角減小時,不同入射角下的色域變化趨勢會相應減小,因此減小光柵矢量與入射光線的夾角可以有效地控制不同入射角的色域變化。通過減小光柵傾角可減小該夾角,但是不能保證衍射光在波導中發生全反射并傳播至出耦合衍射光學元件,且僅僅減小改夾角仍不能很好地實現不同入射角的色域均勻性。
技術實現要素:
發明目的:為了克服現有技術中存在的不足,本發明提供一種全息波導顯示系統及顯示方法,能夠改善頭盔顯示技術中不同視角色域差異大的問題,提高全息波導顯示系統的成像質量。
技術方案:為實現上述目的,本發明采用的技術方案為:
一種全息波導顯示系統,包括依次排列設置的微顯示器(401)、準直透鏡(402)和波導(403)。所述波導(403)的一端內嵌有入耦合衍射光學元件(404),另一端內嵌有出耦合衍射光學元件(405)。還包括色彩校正驅動模塊,所述色彩校正驅動模塊用于根據微顯示器中不同視角的圖像的三基色進行色彩映射,減小不同視角的圖像的三種基色的色彩與微顯示器的基色色彩的色差。所述色彩校正驅動模塊包括依次排列設置的色彩分離模塊(501)、XYZ轉LAB模塊(502)、LAB轉LCH模塊(503)、色彩映射模塊(504)、LCH轉LAB模塊(505)、LAB轉XYZ模塊(506)以及色彩合成模塊(507)。其中:
所述色彩分離模塊(501)用于將微顯示器(401)向外發射的帶有圖像信息分離為紅、綠、藍三種顏色的信號。
所述XYZ轉LAB模塊(502)用于將分離后的紅、綠、藍三種顏色的信號從XYZ空間轉換到LAB空間,分別得到紅、綠、藍色彩信號在LAB空間的色度坐標。
所述LAB轉LCH模塊(503)用于將得到的紅、綠、藍色彩信號在LAB空間的色度坐標轉換到LCH空間,分別得到紅、綠、藍色彩信號在LCH空間的色度坐標。
所述色彩映射模塊(504)用于將得到的紅、綠、藍色彩信號在LCH空間的色度坐標分別與預先測量設置好的微顯示器的紅、綠、藍在LCH空間的色度坐標比較,在保持飽和度值H不變的情況下,將紅、綠、藍在L-C平面的點坐標分別映射至微顯示器的紅、綠、藍在L-C平面的點坐標上,得到處理后的紅、綠、藍色彩信號在LCH空間的色度坐標。
所述LCH轉LAB模塊(505)用于將處理后的紅、綠、藍色彩信號在LCH空間的色度坐標轉換到LAB空間,得到處理后的紅、綠、藍色彩信號在LAB空間的色度坐標。
所述LAB轉XYZ模塊(506)用于將處理后的紅、綠、藍色彩信號在LAB空間的色度坐標轉換到XYZ空間,得到處理后的紅、綠、藍色彩信號在XYZ空間的色彩信號。
所述色彩合成模塊(507)用于將處理后的紅、綠、藍色彩信號在XYZ空間的色彩信號進行色彩混合,得到處理后的圖像信息,該處理后的圖像信息用于微顯示器(401)向外發射。
優選的:所述入耦合衍射光學元件(404)和出耦合衍射光學元件(405)均為兩種傾角不同的反射型體全息光柵疊層結構,且所述入耦合衍射光學元件(404)和出耦合衍射光學元件(405)對稱內嵌于波導(403)中。
優選的:所述波導(403)為自由曲面波導或者平板波導。
優選的:所述波導(403)的厚度為1mm-3mm。
優選的:所述入耦合衍射光學元件(404)和出耦合衍射光學元件(405)的厚度均為15um-20um。
一種全息波導顯示系統的顯示方法,微顯示器(401)向外發射的圖像信息進入到色彩分離模塊(501)被分離為紅、綠、藍三種顏色的信號。分離后的紅、綠、藍三種顏色的信號進入到XYZ轉LAB模塊(502)進行坐標變換得到紅、綠、藍色彩信號在LAB空間的色度坐標。紅、綠、藍色彩信號在LAB空間的色度坐標進入到LAB轉LCH模塊(503)進行坐標變換得到紅、綠、藍色彩信號在LCH空間的色度坐標。
紅、綠、藍色彩信號在LCH空間的色度坐標進入到色彩映射模塊(504),色彩映射模塊(504)將得到的紅、綠、藍色彩信號在LCH空間的色度坐標分別與預先測量設置好的微顯示器的紅、綠、藍在LCH空間的色度坐標比較,在保持飽和度值H不變的情況下,將紅、綠、藍在L-C平面的點坐標分別映射至微顯示器的紅、綠、藍在L-C平面的點坐標上,得到處理后的紅、綠、藍色彩信號在LCH空間的色度坐標。
處理后的紅、綠、藍色彩信號在LCH空間的色度坐標進入到LCH轉LAB模塊(505)中進行坐標變換得到處理后的紅、綠、藍色彩信號在LAB空間的色度坐標。處理后的紅、綠、藍色彩信號在LAB空間的色度坐標進入到LAB轉XYZ模塊(506)中進行坐標變換得到處理后的紅、綠、藍色彩信號在XYZ空間的色彩信號。
處理后的紅、綠、藍色彩信號在XYZ空間的色彩信號進入到色彩合成模塊(507)進行色彩混合,得到處理后的圖像信息。
所述微顯示器(401)加載處理后的圖像信息,向外發射帶有圖像信息的發散光。發散光通過準直透鏡(402)后轉變為平行光。平行光垂直入射到入耦合衍射光學元件(404)的表面,其中一部分穿過入耦合衍射光學元件(404)為透射光,另一部分構成衍射光進入波導(403)中,在波導(403)中以全反射的形式傳播,直至被出耦合衍射光學元件(405)衍射輸出平行光進入人眼(406)。
有益效果:本發明相比現有技術,具有以下有益效果:
為解決全息波導顯示系統平行光入射角不同導致的色域不均勻問題,本發明采用色彩校正驅動模塊,根據微顯示器中不同視角的圖像的三基色進行色彩映射,減小不同視角的圖像的三種基色的色彩與微顯示器的基色色彩的色差。疊層反射型體全息光柵內嵌于波導中,可通過兩次布拉格衍射減小光柵矢量與入射光束的夾角,從而控制不同入射角的色域變化;同時保證衍射光束滿足全反射條件,使其能在波導中傳播。該裝置中色彩管理驅動模塊(色彩校正驅動模塊)根據微顯示器不同像素位置,分別控制不同像素的亮度以及色彩,該色彩管理方法能夠使不同入射角的色域都映射到微顯示器色域上,從而實現不同視角的色域均勻性。
附圖說明
圖1為錐形體系中不同入射角對應的布拉格波長示意圖;中心波長為541nm,即垂直入射時的衍射波長;圖中標注了-5°、-2°、0°、2°和5°五種入射角的衍射波長。
圖2為兩種反射型體全息光柵不同入射角(-5°、-2°、0°、2°和5°)的色域分布示意圖,其中圖2a為光柵傾角為15°的不同入射角(-5°、-2°、0°、2°和5°)的色域分布示意圖;其中圖2b為光柵傾角為30°的不同入射角(-5°、-2°、0°、2°和5°)的色域分布示意圖;
圖3為一種現有的基于全息波導的頭盔顯示裝置結構示意圖;
圖4為本發明頭盔顯示裝置的結構原理示意圖;
圖5為本發明驅動模塊的結構原理示意圖;
圖6為不同角度的衍射平行光和視點的位置關系;
圖7為本發明色彩管理裝置及方法的色域校正效果示意圖;
圖8為全息波導顯示系統校正前后紅綠藍三基色的色差對比示意圖;
圖中出現的各標號含義如下:401、微顯示器,402、準直透鏡,403、波導,404、入耦合全息光學元件,405、出耦合全息光學元件,406、人眼,407、色彩校正驅動模塊,L40、發散光,L41、入射平行光,L42、透射光,L43、衍射光,L44、出射平行光,L45、輸出光;501、色彩分離模塊,502、XYZ轉LAB模塊,503、LAB轉LCH模塊,504,、色彩映射模塊,505、LCH轉LAB模塊,506、LAB轉XYZ模塊,507、色彩合成模塊,L501、入射圖像信號,L502、紅色XYZ空間信號,L503、綠色XYZ空間信號,L504、藍色XYZ空間信號,L505、紅色LAB空間信號,L506、綠色LAB空間信號,L507、藍色LAB空間信號,L508、紅色LCH空間信號,L509、綠色LCH空間信號,L510、藍色LCH空間信號,L511、映射后紅色LCH空間信號,L512、映射后綠色LCH空間信號,L513、映射后藍色LCH空間信號,L514、映射后紅色LAB空間信號,L515、映射后綠色LAB空間信號,L516、映射后藍色LAB空間信號,L517、映射后紅色XYZ空間信號,L518、映射后綠色XYZ空間信號,L519、映射后藍色XYZ空間信號,L520,合成后出射圖像信號。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例,進一步闡明本發明,應理解這些實例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍,在閱讀了本發明之后,本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
一種全息波導顯示系統,如圖4所示,包括依次排列設置的微顯示器401、準直透鏡402和波導403。所述波導403的一端內嵌有入耦合衍射光學元件404,另一端內嵌有出耦合衍射光學元件405。還包括色彩校正驅動模塊407,所述色彩校正驅動模塊407用于根據微顯示器中不同視角的圖像的三基色進行色彩映射,減小不同視角的圖像的三種基色的色彩與微顯示器的基色色彩的色差。如圖5所示,所述色彩校正驅動模塊包括依次排列設置的色彩分離模塊501、XYZ轉LAB模塊502、LAB轉LCH模塊503、色彩映射模塊504、LCH轉LAB模塊505、LAB轉XYZ模塊506以及色彩合成模塊507。其中:
所述色彩分離模塊501用于將微顯示器401向外發射的帶有圖像信息分離為紅、綠、藍三種顏色的信號。
所述XYZ轉LAB模塊502用于將分離后的紅、綠、藍三種顏色的信號從XYZ空間轉換到LAB空間,分別得到紅、綠、藍色彩信號在LAB空間的色度坐標。
所述LAB轉LCH模塊503用于將得到的紅、綠、藍色彩信號在LAB空間的色度坐標轉換到LCH空間,分別得到紅、綠、藍色彩信號在LCH空間的色度坐標。
所述色彩映射模塊504用于將得到的紅、綠、藍色彩信號在LCH空間的色度坐標分別與預先測量設置好的微顯示器的紅、綠、藍在LCH空間的色度坐標比較,在保持飽和度值H不變的情況下,將紅、綠、藍在L-C平面的點坐標分別映射至微顯示器的紅、綠、藍在L-C平面的點坐標上,得到處理后的紅、綠、藍色彩信號在LCH空間的色度坐標。
所述LCH轉LAB模塊505用于將處理后的紅、綠、藍色彩信號在LCH空間的色度坐標轉換到LAB空間,得到處理后的紅、綠、藍色彩信號在LAB空間的色度坐標。
所述LAB轉XYZ模塊506用于將處理后的紅、綠、藍色彩信號在LAB空間的色度坐標轉換到XYZ空間,得到處理后的紅、綠、藍色彩信號在XYZ空間的色彩信號。
所述色彩合成模塊507用于將處理后的紅、綠、藍色彩信號在XYZ空間的色彩信號進行色彩混合,得到處理后的圖像信息,該處理后的圖像信息用于微顯示器401向外發射。
在微顯示器中設置色彩校正驅動模塊407,當光通過入耦合光學元件進入波導結構時,驅動模塊根據現有研究成果對不同角度的入射光分別進行處理。對不同視角的圖像的三基色進行色彩映射,使三種基色的色彩分別最接近微顯示器的基色色彩,減小不同視角的圖像與微顯示器圖像的色差。
所述全息波導顯示系統為透視型全息波導顯示裝置;
所述入耦合衍射光學元件404和出耦合衍射光學元件405的結構相同,均為兩種傾角不同的反射型體全息光柵疊層結構,且所述入耦合衍射光學元件404和出耦合衍射光學元件405對稱內嵌于波導403中。所述入耦合衍射光學元件404和出耦合衍射光學元件405的厚度均為15um-20um。
所述波導403為自由曲面波導或者平板波導,材料可以為透明的光學玻璃或光學塑料。所述波導403的厚度為1mm-3mm。
一種全息波導顯示系統的顯示方法,如圖5所示,微顯示器401向外發射的某一視角的圖像信號L501進入到色彩分離模塊501被分離為紅、綠、藍三種顏色的信號,分別輸出為L502、L503、L504。分離后的紅、綠、藍三種顏色的信號L502、L503、L504進入到XYZ轉LAB模塊502進行坐標變換得到紅、綠、藍色彩信號在LAB空間的色度坐標,分別輸出在LAB空間的色度信號L505、L506、L507。紅、綠、藍色彩信號L505、L506、L507在LAB空間的色度坐標進入到LAB轉LCH模塊503進行坐標變換得到紅、綠、藍色彩信號在LCH空間的色度坐標,分別輸出在LCH色度空間的色度信號L508、L509、L510。
紅、綠、藍色彩信號在LCH空間的色度坐標L508、L509、L510進入到色彩映射模塊504,色彩映射模塊504將得到的紅、綠、藍色彩信號在LCH空間的色度坐標分別與預先測量設置好的微顯示器的紅、綠、藍在LCH空間的色度坐標比較,在保持飽和度值H不變的情況下,將明度的值L和飽和度的值C分別改變至微顯示器的明度值與飽和度值,即將紅、綠、藍在L-C平面的點坐標分別映射至微顯示器的紅、綠、藍在L-C平面的點坐標上,得到處理后的紅、綠、藍色彩信號在LCH空間的色度坐標,色彩映射空間分別輸出紅、綠、藍經過處理后的在LCH空間的色度坐標L511、L512、L513。
處理后的紅、綠、藍色彩信號在LCH空間的色度坐標L511、L512、L513進入到LCH轉LAB模塊505中進行坐標變換得到處理后的紅、綠、藍色彩信號在LAB空間的色度坐標,分別輸出在LAB色度空間的色度信號L514、L515、L516。處理后的紅、綠、藍色彩信號在LAB空間的色度坐標L514、L515、L516進入到LAB轉XYZ模塊506中進行坐標變換得到處理后的紅、綠、藍色彩信號在XYZ空間的色彩信號,分別輸出在XYZ空間的色彩信號L517、L518、L519。
處理后的紅、綠、藍色彩信號在XYZ空間的色彩信號L517、L518、L519進入到色彩合成模塊507進行色彩混合,得到處理后的圖像信息。
如圖4所示,所述微顯示器401加載處理后的圖像信息,向外發射帶有圖像信息的發散光L40。發散光L40通過準直透鏡402后轉變為平行光L41。平行光L41垂直入射到入耦合衍射光學元件404的表面,其中一部分穿過入耦合衍射光學元件404為透射光L42,另一部分構成衍射光L43進入波導403中,在波導403中以全反射的形式傳播,直至被出耦合衍射光學元件405衍射輸出平行光L44進入人眼406。
由于像素點的位置決定了透過準直透鏡的平行光的入射角度,因此,所述色彩校正驅動模塊根據像素點位置,對微顯示器上不同位置的亮度和色彩進行控制,從而不同視角的色域被校正,與微顯示器的色域相接近。經過校正后的平行光以不同的角度入射到入耦合衍射光學元件上,被入耦合衍射光學元件衍射,進入波導中;在波導中,光以全反射的形式傳播,直至被出耦合衍射光學元件衍射輸出。輸出的各個角度下的平行光經過人眼晶狀體,匯聚到視網膜不同的視點上,微顯示器上不同的像素點與視網膜不同的視點位置一一對應,從而還原微顯示器顯示的圖像。疊層反射型體全息光柵內嵌于波導中,可通過兩次布拉格衍射減小光柵矢量與入射光束的夾角,從而控制不同入射角的色域變化;同時保證衍射光束滿足全反射條件,使其能在波導中傳播。該裝置中色彩管理驅動模塊(色彩校正驅動模塊)根據微顯示器不同像素位置,分別控制不同像素的亮度以及色彩,該色彩管理方法能夠使不同入射角的色域都映射到微顯示器色域上,從而實現不同視角的色域均勻性。本發明通過對圖像進入系統的驅動信號進行校正的色彩管理方法,改善系統在不同視角的色域不同的問題,從而使得全息波導顯示系統能夠更好地還原像源色彩。
如圖6所示為衍射平行光角度θ和成像視點的位置關系。當衍射光以一定角度θ出射進入人眼,若晶狀體和視網膜的距離為H,所述平行光經過人眼晶狀體,會在視網膜上距離中心點H*tanθ處匯聚于一點,和微顯示器上的各像素點對應。
本發明可以通過優化驅動模塊的色彩映射模塊的算法和信號傳遞的參數,進一步實現色域重合面積的擴大與色差的減小。
為了驗證本發明技術方案的效果,對本發明全息波導頭盔顯示裝置進行了實驗驗證,色彩校正結果如圖7和圖8所示。圖7為校正后不同入射角對應的色域,和校正之前的比較,校正后的色域幾乎一致,圖8為校正前與校正后的紅綠藍三基色色差對比,從圖中可以看出,校正之后色差變得很小。
以上所述僅是本發明的優選實施方式,應當指出:對于本技術領域的普通技術人員來說,在不脫離本發明原理的前提下,還可以做出若干改進和潤飾,這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。