一种可编程焦散显示装置及方法与流程

本发明属于光学元件，具体公开了一种可编程焦散显示装置及方法。

背景技术：

1、随着智能座舱、增强现实及车载抬头显示（hud）技术的发展，利用光学投影将图像显示于挡风玻璃或组合器上的显示方式得到广泛应用。现有hud系统主要采用液晶显示、数字微镜器件（dlp）或有机发光显示器（oled）作为图像源，经投影光学系统完成图像显示。上述方案普遍依赖振幅调制或像素发光形成图像，存在光能利用率较低、光学系统体积较大以及亮度受限等问题，在强环境光条件下显示效果容易下降。

2、另一方面，焦散成像技术利用透明介质对光线传播方向进行重新分布，在投影面形成目标图像，具有较高的光能利用效率。然而，现有焦散显示方案通常采用预先加工形成的固定光学元件，其对应的焦散图像在制造完成后即已确定，仅能形成单一固定图像，无法根据显示需求实时切换显示内容，因此难以满足hud场景中导航信息、车速信息、预警信息等动态显示需求。

3、因此，如何提供一种能够实现焦散图像实时更新的可编程焦散显示装置，在保持焦散显示高光能利用率的同时，实现目标图像的动态切换，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种可编程焦散显示装置及方法，以解决上述问题。

2、本发明的具体实现方式为：

3、一种可编程焦散显示装置，包括：

4、光源模块，用于输出照明光束；

5、控制模块，用于获取目标图像，并根据目标图像生成对应的相位控制信息；

6、空间光调制模块，设置于照明光束的传播光路上，并与控制模块通信连接，用于根据相位控制信息对照明光束进行空间相位调制，以改变光束的空间能量分布；

7、投影模块，设置于空间光调制模块的出射光路上，用于接收经空间相位调制后的光束，并使光束经自由空间传播后在投影面形成与目标图像对应的具有预设光能分布特征的焦散图像。

8、作为一种可选方式，空间光调制模块包括液晶空间光调制器，液晶空间光调制器采用反射式结构、透射式结构中的至少一种；

9、还包括设置于所述光源模块与所述空间光调制模块之间的准直组件；

10、投影模块包括准直组件和投影组件，当液晶空间光调制器采用反射式结构时，投影模块还包括偏振分光组件。

11、作为一种可选方式，光源模块包括多个用于输出不同波长照明光束的子光源；

12、控制模块分别生成对应不同波长的相位控制信息，并控制空间光调制模块按照预设时序加载各相位控制信息，使不同波长形成对应的焦散图像并合成为彩色焦散图像。

13、作为一种可选方式，控制模块配置为根据目标图像建立目标光能分布与空间光调制模块各调制单元之间的映射关系，并依据映射关系生成对应各调制单元的相位控制信息。

14、另一方面，本发明还提供了一种可编程焦散显示方法，应用于上述的可编程焦散显示装置，包括：

15、获取目标图像；

16、基于空间光调制模块与投影面之间的光传播模型，以及目标图像对应的目标光能分布，建立通量守恒约束条件；

17、基于通量守恒约束条件，通过可微渲染与迭代优化算法计算对应目标图像的相位控制信息；

18、控制空间光调制模块依据相位控制信息对照明光束进行空间相位调制，以改变照明光束的空间能量分布；

19、使经相位调制后的光束传播至投影面，在投影面形成与目标图像对应的焦散图像。

20、作为一种可选方式，光传播模型的建立过程包括：基于空间光调制模块各调制单元对应的相位梯度，确定经各调制单元调制后的光线空间出射方向；

21、建立通量守恒约束条件包括：建立入射光通量与目标光通量之间的通量守恒映射，使得穿过空间光调制模块特定区域的入射光通量，等于投影面上对应光照区域的目标光通量。

22、作为一种可选方式，通过可微渲染与迭代优化算法计算对应目标图像的相位控制信息，包括建立包含多个约束项的评价模型，评价模型包括：

23、预测焦散图像与目标图像之间的误差项、用于约束空间光调制模块硬件实现的相位平滑项、以及光溢出惩罚项；

24、通过自动微分计算梯度，并利用梯度下降法对当前相位控制信息进行迭代优化，直至预测焦散图像满足预设优化条件；

25、输出优化后的相位控制信息。

26、作为一种可选方式，当光源模块为扩展光源时，将扩展光源离散为多个子光源，分别计算各子光源对应的焦散分布，并对各焦散分布进行叠加，以生成相位控制信息对应的目标焦散图像。

27、作为一种可选方式，将相位控制信息划分为多个局部调制区域；

28、当目标图像发生变化时，仅重新计算目标图像变化区域对应的局部调制区域，并控制空间光调制模块更新对应局部调制区域的相位控制信息，以形成更新后的焦散图像。

29、作为一种可选方式，相位控制信息包括空间光调制模块各调制单元对应的相位延迟值，空间光调制模块依据各调制单元的相位延迟值对入射光束进行连续空间相位调制。

30、本发明的有益效果为：

31、本发明利用空间光调制模块对照明光束进行实时相位调制，实现焦散图像的动态生成与更新，在保持焦散显示高光能利用率的同时，无需更换固定焦散元件即可切换显示内容，适用于hud等需要实时显示动态信息的应用场景。

1.一种可编程焦散显示装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的可编程焦散显示装置，其特征在于，所述空间光调制模块包括液晶空间光调制器，所述液晶空间光调制器采用反射式结构、透射式结构中的至少一种；

3.根据权利要求1所述的可编程焦散显示装置，其特征在于，所述光源模块包括多个用于输出不同波长照明光束的子光源；

4.根据权利要求1所述的可编程焦散显示装置，其特征在于，所述控制模块配置为根据目标图像建立目标光能分布与空间光调制模块各调制单元之间的映射关系，并依据所述映射关系生成对应各调制单元的相位控制信息。

5.一种可编程焦散显示方法，其特征在于，应用于权利要求1至4任一项所述的可编程焦散显示装置，包括：

6.根据权利要求5所述的可编程焦散显示方法，其特征在于，所述光传播模型的建立过程包括：基于所述空间光调制模块各调制单元对应的相位梯度，确定经各调制单元调制后的光线空间出射方向；

7.根据权利要求5所述的可编程焦散显示方法，其特征在于，所述通过可微渲染与迭代优化算法计算对应所述目标图像的相位控制信息，包括建立包含多个约束项的评价模型，所述评价模型包括：

8.根据权利要求5所述的可编程焦散显示方法，其特征在于，当所述光源模块为扩展光源时，将所述扩展光源离散为多个子光源，分别计算各子光源对应的焦散分布，并对各焦散分布进行叠加，以生成所述相位控制信息对应的目标焦散图像。

9.根据权利要求5所述的可编程焦散显示方法，其特征在于，将所述相位控制信息划分为多个局部调制区域；

10.根据权利要求5所述的可编程焦散显示方法，其特征在于，所述相位控制信息包括空间光调制模块各调制单元对应的相位延迟值，所述空间光调制模块依据各调制单元的相位延迟值对入射光束进行连续空间相位调制。