用于表征显示器的方法和光学系统与流程

用于表征显示器的方法和光学系统


背景技术：

1.现有技术
2.本发明涉及如专利权利要求1的前序所规定类型的方法、如专利权利要求8的前序所规定的存储介质、如专利权利要求9的前序所规定的计算机系统以及如权利要求11的前序所规定的光学系统。
3.当前传统显示技术通常基于通过照明或照射以预定方式布置的称为像素的单元的特定结构来发射电磁场。
4.显示器的像素结构可以以不同方式形成，例如但不限于液晶显示器(lcd)中的分子层，其用作光源的衰减器，该光源通常例如位于显示器的背面；或者发光二极管(led)，包括例如有机发光二极管(oled)，例如无源矩阵有机发光二极管(pmoled)或有源矩阵有机发光二极管(amoled)，其中每个像素是根据电信号发射一定量的光的led。
5.通常，当发光材料或设备作为光源位于其后部或其背部时，可包括阻挡离散或连续图案的任何光衰减材料可被认为是有效的显示器。
6.当电磁波通过非均匀介质(例如显示器的光衰减材料和/或观察者和显示器之间的介质)时，其波前相位相对于其原始形状或相位变得失真或变形。该波前失真或像差会影响并劣化光学系统的性能，特别是电子显示器的质量和性能。
7.此外，电子显示器的任何存在的缺陷、不规则、表面变形和/或像素故障可能导致波前失真或波前相位变化，这可能显著劣化显示器的性能。
8.除了上述传统显示器之外，导致光学显示系统的质量和性能的劣化的波前失真或像差的问题尤其还影响其它类型的显示器，诸如例如所谓的光场显示器(lfd)、头戴式显示器(hmd)和/或光场头戴式显示器(lf-hmd)。
9.光场显示器是一种显示器，包括传统显示器，其后是波导(例如微透镜阵列(mla)或针孔阵列)，或者是可以用作由显示器像素发射的光线的波导的任何掩模。光场显示器可以提供自动多拷贝(automultiscopy)，并且可以在显示器的视场内授予观察者全视差。
10.hmd是被设计成用作头盔并包括在一只或两只眼睛前方的显示光学器件的显示器，并且尤其可以用于虚拟现实(vr)、增强现实(ar)或混合现实(mr)中的应用。
11.术语光场头戴式显示器(lf-hmd)可以特别地指代与光场显示器类似地还包括波导(例如微透镜阵列或针孔阵列或掩模)的hmd。
12.hmd和lf-hmd还可允许在其视场内的自动多拷贝观看体验。
13.所述波导(例如微透镜阵列(mla)或针孔阵列)或者可以用作由显示像素发射的光线的波导的任何掩模，可以用作相位屏幕/附加相位屏幕，其可以将进一步的波前相位变化赋予由显示器/由显示像素发射的波前。
14.测量并可能校正由显示器(例如根据上述类型中的任何一种的显示器)发射的波前的所述像差或波前失真或波前相位变化，以及更好地理解包括表面变形和/或像素故障的特性和/或显示器的计量以及优化显示器的操作在技术上是具有挑战性的，并且可能尤其需要复杂的光学传感器和/或计算复杂的算法。


技术实现要素：

15.问题
16.因此，本发明的目的是提供用于电子显示器(例如上述任何类型的显示器)的计量和操作优化的改进装置。
17.特别地，例如，本发明的目的是提供用于测量由显示器发射的波前的特性和演变特别是测量和监测波前失真(例如波前相位失真)的改进装置。
18.此外，本发明的目的特别是简化和加速由电子显示器发射的波前的时间波前变化或时间相位变化的测量和分析。
19.技术方案
20.根据本发明，该目的通过根据权利要求1的方法、根据权利要求8的存储介质、根据权利要求9的计算机系统和根据权利要求11的光学系统来实现。
21.有利的实施例和进一步的发展是从属权利要求的主题。
22.例如，一种用于表征和操作显示器的方法，所述显示器特别是光场显示器或具有相位屏幕或具有多个相位屏幕或不具有相位屏幕的显示器，所述方法可以包括以下步骤中的一个、一些或全部。
23.·
输入阶段，其中至少一个测试信号被提供作为所述显示器的输入，其中，所述测试信号可以例如是单个瞬态信号脉冲或一系列信号脉冲，即提供给显示器的输入可以被理解为信号脉冲形式的输入，
24.·
用于获得显示输出信息的捕获阶段，
25.·
其中，所述捕获阶段可以包括由放置在距所述显示器的一定距离处的至少一个采集系统响应于至少一个所提供的测试信号来捕获所述显示器的脉冲响应，其中所述捕获脉冲响应包括在所述至少一个采集系统处测量由所述显示器响应于所述至少一个测试信号而发射的光的接收强度分布，
26.·
和/或其中所述捕获阶段可以包括：由所述至少一个采集系统或由另外附加采集系统捕获由所述显示器响应于所述至少一个测试信号而发射的光的波前相位。
27.尤其是在存在任意相位屏幕的情况下以及在存在显示器的物理结构和/或功能的不规则性的情况下，用于表征和操作显示器的上述和这里描述的示例性方法允许改进上述类型中的任何一种的显示器的表征。
28.为了完整起见，还应当注意，除了上述类型的显示器中的任何一种，例如lcd、led、lfd、hmd、lf-hmd之外，上述和这里描述的表征和操作显示器的示例性方法和装置尤其还可以应用于阴极射线管显示器(crt)、电致发光显示器(eld)、电子纸或等离子体显示面板(pdp)。
29.在此，表征显示器的步骤尤其可以被理解为提供显示器的度量，特别是显示器的结构，例如表面结构和/或像素结构的度量，以及提供显示器的特性，诸如例如亮度、辉度、对比度、分辨率、像素间距、相位屏幕形貌、像素故障。
30.此外，操作显示器的步骤尤其可以被理解为基于导出的或确定的度量来操作显示器，即基于显示器的导出的或确定的特性来操作显示器。例如，在显示器的操作期间，可以基于所确定的显示器特性或显示器度量来修改要由显示器输出的输入信号，例如，可以向显示器的特定像素和/或特定像素集合提供特定输入信号，以补偿所述特定像素或所述特
定像素集合的一些缺陷或故障，例如，可以将特定像素和/或特定像素集合设置为特定亮度强度值。
31.用于表征和操作显示器的上述和这里描述的示例性方法特别是可以提供当存在任意相位屏幕和不规则时表征显示器的手段，例如布置在常规显示器的背面或后面上的辅助液晶(lc)层或微透镜阵列(mla)，并且其中在lcd的情况下背光存在于该结构的一侧中。这种表征可以用于实现所述显示器的带宽的更好使用。
32.特别地，用于表征和操作显示器的以上和本文描述的示例性方法可提供对限定显示器的空间结构的改进的表征。
33.例如，形成显示屏的像素可能已经具有可能不适合通常使用的方形rgb(红-绿-蓝)结构的特定形状，并且所述特定形状的测量或表征可以用于以更好(例如更准确)的方式表示来自要显示的图像的某些元素。
34.此外，显示器的制造过程中隐含的任何光学元件或制造步骤可能改变显示器的结构，从而产生不同的伪像。这些伪像可能以这样的方式干扰周围的像素，即，它可能改变这种显示区域的有效带宽。因此，考虑到该信息可以导致显示器带宽的更好的优化使用，从而改善显示器的操作。
35.可以通过上述和本文所述的捕获显示器的脉冲响应和/或通过采集系统捕获波前相位来表征和测量的另外的示例性显示器特性可以包括用于显示器校准和/或颜色校正的显示器背光和/或颜色。
36.可以通过上述和这里描述的捕获显示器的脉冲响应和/或通过采集系统捕获波前相位来测量/表征的另一显示器特性或特征是相邻或邻近像素之间的相互依赖性。例如，当像素被接通时，这可能影响其相邻像素，因此，例如，不是使用于三个像素的像素值的信号，比如0-1-0，以中间的一个像素被接通，而是实际上可能发现像0.1-1-0.1这样的东西，即，施加到像素的信号可能泄漏/串扰到其相邻像素。
37.表征/测量这种效应可以用于通过例如修改用于控制/操作显示器的驱动器来补偿/校正这种不期望的显示器行为。
38.此外，使用上文和本文描述的方法和装置意味着可以测量在制造期间堆叠不同显示层期间，例如在将微透镜阵列(mla)堆叠在显示屏(例如lcd)顶部期间可能已经发生的显示器的不同层中的任何未对准，或者可以通过它们对捕获的脉冲响应和/或测量的波前相位的影响来表征该未对准，使得该信息可以用于相应地控制用于操作显示器的驱动器。
39.提供至少一个测试信号的步骤可以特别地包括在显示器的动态范围内和/或在显示器的颜色系统内并且在预定的持续时间内将显示器的一个或多个像素设置为预定值，例如亮度强度值和/或颜色值。例如，当提供至少一个测试信号时，显示器的一个或多个像素可以被设置为其最大亮度强度值。
40.例如，在此，可以向显示器施加/提供一系列测试信号，其中所述系列的每个测试信号可以包括将显示器的仅一个像素或一组像素设置为预定值，例如亮度强度值和/或颜色值，并且其中不同测试信号之间的像素彼此不同和/或具有一些重叠。
41.在此，测试信号可以特别地被理解为包括施加到显示器的一系列信号或一系列信号脉冲。
42.换句话说，可以施加/提供给显示器的测试信号可以理解为一系列信号，其中显示
器的一个像素或一组像素被设置为预定值，例如亮度强度值，并且其中不同信号之间的像素彼此不同和/或具有一些重叠。
43.在所述示例性测试信号或示例性信号序列中，可以选择连续信号之间的预定时间间隔或时间间隙，例如将显示器的像素或像素组(例如4
×
4像素组)设置为预定值之间的预定时间间隔或时间间隙，以避免连续信号之间的不期望的干扰，并获得足够干净和精确的脉冲响应。例如，连续信号/连续测试信号之间的所述预定时间间隔或时间间隙可以取决于显示像素在已经被接通之后的稳定时间和/或可以取决于显示器的刷新速率(例如，对于60fps显示器为0.017ms)和/或可以取决于采集系统的速度，例如快门速度或曝光时间。
44.在实践中并且根据实验已经发现，在连续信号/连续测试信号之间的所述预定时间间隔或时间间隙可以是至少0.05ms，并且例如，优选地可以位于0.05ms和0.2ms之间。
45.然而，当例如为了校正视觉像差而增大光学系统的散焦时，所述示例性次数可能增加。
46.为了提高显示器的分辨率和特性的精确度，例如，可以将迭代/一系列测试信号/一系列信号应用于显示器，其中对于每个信号/每个测试信号，仅将显示器的一个像素设置为预定值，例如亮度强度值，直到显示器的每个像素都已经受到测试信号/信号，即，直到所有显示器都被测试信号扫描。
47.在用于获得显示输出信息的示例性捕获阶段中，示例性采集系统然后可以针对每个至少一个信号/针对每个至少一个测试信号脉冲捕获图像形式的脉冲响应，在至少一个采集系统处测量由显示器响应于每个信号/每个测试信号脉冲而发射的光的接收强度分布，即脉冲响应的强度图像，和/或示例性采集系统可以针对每个至少一个信号/针对每个至少一个测试信号脉冲捕获相位图像形式的脉冲响应，捕获由显示器响应于至少一个测试信号而发射的光的波前相位，即相位图像。
48.用于响应于至少一个提供的测试信号捕获显示器的脉冲响应的示例性至少一个捕获系统，其中所述捕获脉冲响应可以包括在至少一个捕获系统处测量由显示器响应于至少一个测试信号所发射的光的接收强度分布，和/或可以包括捕获由显示器响应于至少一个测试信号所发射的光的波前相位，可以包括至少一个相机，例如用于捕获入射光的光强度的相机和/或用于捕获入射光的强度和方向两者的光场相机或全光相机，和/或可以包括至少一个波前传感器，例如间接波前传感器和/或至少一个直接波前传感器，例如shack-hartmann传感器。
49.示例性的上述强度图像和/或相位图像可以由采集系统以数字格式捕获，并且为了节省存储空间，可以被裁剪，诸如仅保留与经受测试信号/信号的显示区域/显示像素相对应的图像部分/图像区域。
50.此外，可以基于所获得的显示输出信息来表征显示器或显示图像，其中，例如，所述表征可以包括基于方程的线性系统来表征显示器，所述方程的线性系统基于由显示器响应于至少一个测试信号而发射的并且由至少一个采集系统测量的光的强度分布的加权和。
51.换句话说，由至少一个采集系统响应于提供给显示器的至少一个测试信号而捕获的脉冲响应可以是由显示器响应于至少一个测试信号而发射的光的捕获或测量的强度分布。
52.即，由至少一个采集系统响应于提供给显示器的至少一个测试信号而采集的示例
性获得的显示器输出信息可以例如包括由采集系统采集至少一个图像，其中图像可以以数字格式存储以用于进一步分析和进一步处理。
53.可以由至少一个采集系统响应于提供给显示器的至少一个测试信号而捕获的所述示例性图像可以被称为显示图像。
54.例如，对所获得的显示输出信息或显示图像(即，所捕获的脉冲响应)的分析可以包括定义至少三个二维坐标系或光学平面，例如，位于三个不同空间位置(例如，三个不同光路距离)z0，z1，和z2处的三个正交二维坐标系，以及例如，用于位于空间位置z0处的显示器的坐标系χ、用于位于空间位置z1处的相位屏幕的坐标系ζ和用于位于空间位置z2处的采集系统的坐标系γ。为了完整起见，注意到附图标记χ，ζ，γ还可以指表示所述示例性二维坐标系或光学平面的法向向量，例如显示平面(χ)、相位屏幕平面(ζ)和采集系统平面(γ)。
55.例如，为了方便起见，可以将z0设为零，使得可以被解释为显示器(例如平面/坐标系χ)和相位屏幕(例如平面/坐标系ζ)之间的距离，并且可以将位置z2解释为显示器(例如平面/坐标系χ)和采集系统(例如平面/坐标系γ)之间的距离。
56.此外，上述示例性平面/二维坐标系χ，ζ，γ可以在空间上彼此平行或不平行地布置，即，可以具有彼此不同的空间定向。换句话说，显示器和/或相位屏幕和/或采集系统可以被布置为彼此平行或成角度，即，彼此倾斜。
57.然后，例如，可以由以下(向量)方程定义响应于至少一个提供的测试信号由至少一个采集系统测量或捕获的显示器的脉冲响应ir
58.i(
′
)＝i(m(χ，ζ，z1)z2+ζ)
59.其中i（γ)是在由所述显示器响应于所述测试信号而发射的光借助于光的几何传播而传播到至少一个采集系统的平面之后在所述至少一个采集系统上/处例如在所述至少一个采集系统的传感器(例如图像传感器)上/处在所述至少一个采集系统的传感器处生成/接收的光强度，并且其中所述参数m(χ，ζ，z1)指示每条光线相对于所述光学平面χ和ζ内的坐标的斜率以及所述两条光线之间的距离z1。换句话说，n(χ，ζ，z1)可以看作是描述从χ的点向ζ的点发射的光线相对于χ和ζ平面之间的距离的斜率。
60.为了完整起见，注意到，这里波前(即电磁波前或光子)的传播被假定为遵循几何光学定律，即，例如假定传播方向垂直于波前。还应注意，波前可以由具有相同相位的波的点集合来定义，即波前或波前形状可以由相位图(例如二维相位图)来描述。
61.为了改进分析和进一步处理，例如改进信噪比，可以从显示器获得偏置图像，对于该偏置图像，显示器的每个像素的亮度/强度被设置为零。然后，例如，可以从由采集系统捕获/测量的脉冲响应ir中减去该偏差。
62.可替换地或附加地，也可以获取来自至少一个采集系统本身的偏置或暗图像，并且可以从由采集系统响应于作为输入提供给显示器的测试信号而捕获的显示器的脉冲响应所获取的图像中减去该偏置或暗图像，以通过补偿采集系统的灵敏度变化来进一步提高信噪比，所述灵敏度变化例如是采集系统的传感器(例如电荷耦合器件传感器(ccd))中的热或冷像素。
63.例如，设p为至少一个采集系统的分辨率，例如采集系统的电荷耦合器件传感器(ccd)的像素分辨率，设r为矩阵，其中每列包含由采集系统在图像中捕获的显示像素的向量化响应，即r可理解为矩阵，其中每列表示由采集系统捕获的图像形式的捕获脉冲响应
irn(其中n为显示像素索引或测试信号索引)，所述图像表示由显示器/由显示像素响应于测试信号发射的光的强度分布，并且设向量ρ为显示器的每个像素的待确定的强度值或权重或系数，即显示器的强度分布，使得显示器以最准确方式表示待显示的图像。
64.在此，术语向量化尤其可以被理解为展开阵列或图像，使得阵列或图像可以由向量表示以在编程语言中使用。
65.然后，可以针对每个显示器像素n通过对r和ρ的直积的求和，即通过来定义针对显示器的待观察图像i(或由显示器显示的图像)的n个方程的线性系统，其中显示器像素索引(或测试信号索引)n＝1至n，其中n是表示显示器的物理分辨率的自然数，并且其中i
p
可以被理解为由显示器(即，显示器像素或一组显示器像素)响应于测试信号而发射的光的采集系统接收/捕获的强度或强度分布，其中采集系统具有分辨率p，其中采集系统像素索引p＝1至p，并且其中ρn是物理显示器上的每个像素将具有的强度值，以便以最准确/最真实的方式表示i
p
。
66.为了完整起见，注意，可以生成/调整图像i
p
以便适合采集系统或显示器的分辨率。
67.换句话说，i
p
可以被理解为观察者或采集系统在观看显示图像i时理想地应当观察到的已知输入/已知图像/(例如，已知测试信号/已知测试图像)的强度值，并且其在这里也被称为目标图像，即，i
p
可以被理解为目标强度值，即，观察者或采集系统在观看屏幕时感知的强度值。
68.在此，术语i
p
或i可以被称为强度图像。
69.因此，示例性的上述表达式的方程是基于由显示器响应于测试信号/测试图像而发射的并且由采集系统测量的光的强度分布的加权和的方程的线性系统的示例。
70.针对ρ求解所述示例性的方程系统，则所述方程系统特别地可以用作表征和操作显示器的基础，因为ρ或ρn包括物理显示器上的每个像素应当具有的强度值，以便以最精确的方式表示i或i
p
。确定ρ或ρn允许确定显示器的上述属性和特性，并且允许针对由显示器的结构或属性引入的任何可能的误差或伪像来校正/补偿要显示的图像。例如，可以通过最小化，例如通过以下欧几里德l2范数表达式的最小二乘最小化，来求解用于显示器的上面给出的方程的线性系统，其中为了清楚起见，已经删去了指数i
p
，r
p，n
，ρn。
71.min||i-r
ρ
||272.可以由采集系统捕获并由此根据ρ或ρn(即，显示器的每个像素的强度值或权重或系数，即，显示器的强度分布)确定的显示图像i可以用作表征显示器的特性和特征的基础，并且可以例如与显示器的期望参考特性、参考结构和参考特性进行比较。
73.另外或替代地，可基于所获得的显示输出信息来表征显示器或显示图像，其中例如所述表征可包括基于方程的线性系统来表征显示器，所述方程的线性系统基于由显示器响应于至少一个测试信号而发射的且由至少一个采集系统所捕获的光的波前相位的加权和。
74.在此，相位屏幕可以特别地通过复数表达式e-jφ
来建模，其中φ是给定相位屏幕的二维相位图，并且j是虚数。
75.例如，当波前(即电磁场u)通过相位屏幕时，所得到的场或波前将具有形状或形式
ue-jφ
。
76.从计算的角度来看，相位屏幕可以由矩阵来建模，其中不同的矩阵元素表示不同的相位变化值。然后，至少部分透明对象可以被建模为相位屏幕的集合或堆叠。
77.特别地，可以测量相位屏幕的每个像素(以任何可能的组合)对在距显示器(即显示平面χ)任意距离处(包括零距离)的发射电磁场的波前相位的贡献。
78.在此，由显示器或显示屏发射的发射电磁场us可以被表达为us(x)＝as(x)exp[jφ(χ)]，其中exp[]是自然指数函数，
[0079]
其中，j是虚数，k是波数，λ是波长，φ是相位，并且s，χ是指显示平面，其中，χ是指显示平面s中使用的坐标系。
[0080]
这种发射取决于每个显示像素所给出的强度值，即，它取决于作为输入提供给显示器的测试信号。
[0081]
例如，如果由显示器发射的波前随后传播到距离z1处的相位屏幕，则所述传播取决于衍射机制，并且例如可以根据以下衍射定律之一来执行：
[0082]
·
菲涅耳衍射近似
[0083][0084]
·
夫琅和费衍射近似
[0085][0086]
·
瑞利-索莫非德近似
[0087][0088]
此外，在位置或距离z1处，即在相位屏幕处，显示器和相位屏幕之间的湍流介质的相位贡献可以包括在相位屏幕处的电磁场u1(ζ)中，如下：
[0089][0090]
然后，显示器的电磁场可以进一步传播到距离z2，即传播到采集系统平面，遵循上述衍射定律和湍流介质相位贡献近似，并且通过替代z＝z
2-z1，可以获得采集系统平面处的电磁场u2(γ)，例如，是指可以由采集系统的波前相位传感器在位置或距离z2处获得的电磁场u2(γ)。
[0091]
为了完整起见，注意到在上下文中，标号1是指相位屏幕，标号2是指采集系统平面。
[0092]
还应注意，相位屏幕对显示器的电磁场/电磁波前的相位贡献可被认为/建模为任意数量的堆叠相位屏幕的贡献，并且当例如在堆叠相位屏幕的层之间进行电磁场/显示器的电磁波前的传播时，可应用上述示例性衍射定律和示例性湍流介质相位贡献近似。
[0093]
采集系统的所述示例性可能波前传感器然后可以捕获由显示器发射并且传播通过所述示例性相位屏幕的波前相位图像，该图像可以被保存到存储设备并且可以用作表征显示器的特性和特征的基础。
[0094]
然后，可以由采集系统的可能的波前传感器捕获的波前相位信息可以像可以由采
集系统捕获的显示图像一样用于表征显示器，如上所述，该显示图像包括由显示器响应于至少一个测试信号而发射的光的强度分布。
[0095]
例如，由采集系统的波前传感器在采集系统平面处捕获的波前相位信息或电磁场信息可以基于由显示器响应于至少一个测试信号而发射的光的波前相位的加权和而被表达为以下方程的线性系统：
[0096][0097]
其中，场的幅度可以与强度贡献相关，并且n是用于评估传感器平面处的相位的激励的数目/测试信号的数目(或显示器的像素/像素单元的数目)，并且索引2是指采集系统平面。所述系统可以通过最小化来再次求解，例如，以下欧几里德范数表达的最小二乘最小化
[0098][0099]
其中u
′
p
(γ)表示由所述显示器发射的并且由所述采集系统平面中的采集系统捕获/测量的所述电磁场/波前相位的后向或前向传播。
[0100]
因此，由采集系统平面中的采集系统捕获/测量的电磁场/波前相位可以传播到例如可以表示不同观察者/不同观察者位置的其他平面/其他光学深度。
[0101]
因此，由显示器响应于至少一个测试信号所发射的光的捕获/测量的波前相位可以包括根据上述衍射近似中的至少一个来计算由显示器响应于至少一个测试信号所发射的光到至少一个相位屏幕和/或到至少一个采集系统和/或到任意观察者位置的传播：菲涅耳衍射近似、夫琅和费衍射近似、瑞利-索莫非德衍射近似。
[0102]
如前所述，由采集系统测量的由显示器响应于至少一个测试信号而发射的光的强度分布和/或由采集系统捕获的由显示器响应于至少一个测试信号而发射的光的波前相位可以作为图像存储在计算机可读存储介质或存储设备上。
[0103]
由显示器响应于至少一个测试信号而发射的光的所捕获/测量的强度分布信息和/或由获取系统捕获的由显示器响应于至少一个测试信号而发射的光的波前相位信息除了用作表征显示器的基础之外，还可以用于改进显示器的操作和性能。
[0104]
例如，本文描述的方法还可以包括显示阶段，其中显示要在显示器上输出的输入信号可以包括考虑所捕获的显示输出信息来显示输入信号。
[0105]
例如，如果根据由采集系统捕获的信息已经确定某个显示像素对测试信号具有不同的响应，例如发射更多或更少的光，即，如它们根据测试信号应当是更亮或更暗的，则例如可以调整所述像素的亮度以补偿测量的偏差。
[0106]
此外，在显示器上显示要输出的输入信号并在其中考虑所捕获的显示输出信息的示例性步骤可以包括校正从所捕获的显示输出信息检测/导出的视觉像差。
[0107]
此外，例如，一旦测量了由显示器发射的电磁场的波前相位，则可以基于所捕获的波前相位信息将待输出的输入信号的波前相位精确地传播到预定光学平面。
[0108]
用于表征和操作显示器、特别是光场显示器或具有或不具有相位屏幕的显示器的
以上和本文描述的示例性步骤可以作为计算机可读指令存储在计算机可读存储介质上，使得从所述介质读取所述指令的计算机系统能够执行以上和本文描述的步骤中的任一个。
[0109]
适于执行用于表征和操作显示器的上述和本文描述的示例性步骤中的任何步骤的计算机系统可以包括至少一个处理器单元，例如图形处理器单元gpu或中央处理单元cpu。
[0110]
还可以想到，所述示例性计算机系统可以包括现场可编程门阵列fpga和/或复杂可编程逻辑器件cpld，其被配置用于执行或被配置用于辅助/支持执行用于以上和本文描述的用于表征和操作显示器的示例性步骤的计算。
[0111]
用于表征和操作显示器、特别是光场显示器或者具有一个相位屏幕或多个相位屏幕或没有相位屏幕的显示器的示例性光学系统尤其可以包括至少一个采集系统，其中所述至少一个采集系统可以放置在距显示器的预定距离处。
[0112]
所述至少一个采集系统可以被配置用于响应于施加到显示器的至少一个测试信号来捕获显示器的脉冲响应，并且其中所述捕获脉冲响应可以包括测量在至少一个采集系统处接收到的由显示器响应于所施加的至少一个测试信号而发射的光的强度分布。
[0113]
另外或替代地，所述至少一个采集系统可被配置用于捕获由显示器响应于施加到显示器的至少一个测试信号而发射的光的波前相位。
[0114]
所述示例性的至少一个获取系统可以包括至少一个相机，例如用于捕获入射光的光强度的相机和/或用于捕获入射光的强度和方向两者的光场相机或全光相机。
[0115]
附加地或替代地，所述至少一个采集系统可以包括至少一个波前传感器，例如间接波前传感器和/或至少一个直接波前传感器，例如shack-hartmann传感器。
[0116]
这里示例性描述的用于表征和操作显示器的装置，例如光场显示器或具有相位屏幕或具有多个相位屏幕或没有相位屏幕或任何种类的显示器，可以提供用于显示器的表征/计量和操作/操作性能的多个益处和改进。
[0117]
所述有利益处和改进尤其可以包括：
[0118]
·
显示器表面上的缺陷的校正，例如包含在响应于至少一个提供的测试信号而捕获的显示器的脉冲响应中的采样/捕获信息，其中，其中所述捕获脉冲响应包括在至少一个获取系统处测量由显示器响应于至少一个测试信号而发射的光的接收强度分布和/或包含在由显示器响应于至少一个测试信号而发射的光的捕获的波前相位中，可以用于消除或减轻显示器表面上存在的制造问题或不期望的伪像的影响。
[0119]
这是由于假设特定图像被直接呈现到观察者的视网膜中。
[0120]
由于本文所述的示例性采集系统可以提供例如在假定与眼睛相同的像差时显示器的像素如何转移到采集系统的测量，因此可以说明根据本文所提出的方法观察到的图像可以直接呈现到观察者的视网膜中。
[0121]
·
校正低阶和高阶像差：
[0122]
ο当捕获脉冲响应包括在至少一个采集系统处测量由显示器响应于至少一个测试信号而发射的光的接收强度分布，并且求解上面指出的用于脉冲响应irn的n个方程的线性系统时，当存在隐含的视觉像差时，可以获得用于该系统的解。对于具有相似或相等像差的观察者，这可以例如表示为：
[0123]
[0124]
其中是卷积运算符并且
⊙
是
⊙
逐元素乘积，r
′n是当系统(例如观察者/采集系统)离焦时的卷积脉冲响应，并且m是考虑光线通过相位屏幕的几何传播的空间限制的掩模函数，并且psf是点扩展函数。
[0125]
利用该信息求解所述方程的线性系统产生了在考虑了引入的像差的这种光功率下的重建。
[0126]
ο当捕获由显示器响应于至少一个测试信号而发射的光的波前相位时，可以根据由光学系统(即，观察者)引起的相位来估计观察者的点扩展函数(psf)。这可以表示为系数的多项式，例如zernike或seidel。对于物场，即观察者理想地应当在没有任何失真或像差的情况下感知的电磁场，在光学系统的光瞳处，相位φ
obs
被添加到物镜电磁场u
′
p
(γ)。
[0127]
·
如果利用具有比显示器的有效显示区域更高分辨率的采集系统(例如相机等)来执行对显示器响应于至少一个所提供的测试信号的脉冲响应的测量(包括通过采集系统测量由显示器响应于至少一个测试信号而发射的光的强度分布)，则可以实现超分辨率，即，可以在观察者的视网膜处形成过采样图像。
[0128]
·
可以实现多深度自动聚焦。例如，如果要显示的图像的多于一个部分被分配给不同深度，则可以考虑多深度重新聚焦。这可以借助于深度图来表示。
[0129]
这里描述的方法和装置不仅能够校正低阶像差，例如散焦和散光，而且能够校正高阶像差。
[0130]
·
可以实现自动立体显示：例如，如果原始显示器用作光场源，则可以使用从这两种技术获得的信息、从捕获脉冲响应获得的信息、包括在至少一个获取系统处测量由显示器响应于至少一个测试信号而发射的光的接收强度分布(强度捕获技术)、和/或从捕获由显示器响应于至少一个测试信号而发射的光的波前相位获得的信息(波前相位捕获技术)，以便在光场显示和常规显示之间切换。
[0131]
ο强度捕获技术：针对与观察者的预期位置相关的多个捕获(在距显示器的不同距离/位置处由显示器响应于至少一个测试信号而发射的光的强度分布的多个测量)求解上面识别的线性方程的系统。
[0132]
ο波前相位捕获技术：这里，仅需要对由显示器响应于至少一个测试信号而发射的光的电磁场或波前相位进行一次测量，因为所测量的电磁场或波前/波前相位然后可以根据几何光学定律向后或向前传播以考虑光场。
[0133]
·
一种无串扰的光场显示器可被获得：
[0134]
从强度捕获技术和/或波前相位捕获技术获得的信息可以克服在光场显示中观察两个不同视图的重叠的问题，如果观察者位于不满足奈奎斯特-香农采样定理的条件的特定距离处的话。
[0135]
为了防止或最小化串扰，例如，可以以至少两倍于其频率的频率对任何信号进行采样，以便以足够的精度表示。
附图说明
[0136]
下图示出示例性的：
[0137]
图1：第一示例性基本光学设置
[0138]
图2：第二示例性基本光学设置
[0139]
图3：用于表征和操作显示器的方法的示例性方面。
具体实施方式
[0140]
图1示例性地示出简化到一维的基本光学设置，以示出本发明的一些方面。
[0141]
其中示出位于示例性光学平面/示例性坐标系χ中/处的示例性显示器101，例如液晶显示器(lcd)，其与位于示例性光学平面/示例性坐标系ζ1中/处的距离109处的(第一)相位屏幕102(例如示例性微透镜阵列)一起可以形成示例性光场显示器114或集成显示器。距离109由此例如可以对应于相位屏幕102的焦距，例如微透镜阵列的焦距。
[0142]
示例性光源105可以位于显示器101的背面，并且可以用于向显示器101、114施加示例性测试信号或信号脉冲，例如将像素107设置为预定亮度强度。
[0143]
示例性采集系统104可位于示例性光学平面/示例性坐标系γ中/处，并且可被配置为响应于至少一个所提供的测试信号来捕获显示器101的脉冲响应106ir，其中所述捕获脉冲响应可包括在至少一个采集系统104处(例如在像素或区域108处)测量由显示器101响应于至少一个测试信号而发射的光的接收强度分布，和/或可包括捕获由显示器101响应于至少一个测试信号而发射的光的波前相位。
[0144]
可选地，示例性采集系统104还可以包括相位屏幕103，例如相位屏幕，例如透镜，其位于示例性光学平面/示例性坐标系ζ2处，该示例性光学平面/示例性坐标系ζ2被布置在距采集系统平面γ的(焦点)距离111处，以将显示器101响应于至少一个测试信号而发射的光聚焦到采集系统104的传感器上。
[0145]
为了完整起见，注意到附图标记110表示沿着示例性光轴113在两个示例性相位屏幕102和104之间的距离110，并且附图标记112表示示例性光线路径几何形状，包括用于由显示器101响应于示例性至少一个测试信号而发射的光的主光线和辅助光线，其中显示器101、114的示例性像素107被设置为预定亮度强度值。
[0146]
在相位屏幕102是示例性微透镜阵列的示例性情况下，示例性采集系统在示例性传感器平面/采集系统平面中捕获的脉冲响应的位置γ
ir
可以例如表示为：
[0147][0148]
其中，d是指示例性相位屏幕102和103之间的示例性距离110，fm是指显示器和(第一)相位屏幕ζ1之间的示例性距离(焦距)，并且其中，f
l
是指示例性可选(第二)相位屏幕ζ2和采集系统之间的示例性距离(焦距)。
[0149]
换句话说，所述示例性表达可以描述从显示平面中的测试信号到采集系统平面中的捕获脉冲响应的位置映射。
[0150]
图2示例性地示出示例性替代光学系统/装置200，以示出本发明的另一方面。
[0151]
在此，示出了位于示例性光学平面/示例性坐标系χ中/处的示例性显示器201，并且其与位于示例性光学平面/示例性坐标系ζ中/处的相位屏幕202(例如，示例性微透镜阵列)一起可以形成示例性光场显示器207或集成显示器。
[0152]
例如，假设如上所述的并且位于示例性光学平面/示例性位置/示例性坐标系γ1处的采集系统(未示出)可能已经响应于至少一个提供的测试信号而捕获了显示器201、207的脉冲响应，其中所述捕获脉冲响应包括在至少一个采集系统处测量由显示器201、207响
应于至少一个测试信号而发射的光的接收强度分布，和/或可能已经响应于至少一个测试信号而捕获了由显示器201、207发射的光的波前相位，并且进一步假设基于由采集系统捕获的信息如上所述地表征和操作显示器201、207，仅位于γ1处，即采集系统(未示出)最初放置的位置处的示例性观察器203将正确地看到由显示器201、207输出的图像。
[0153]
然而，由于示例性采集系统还能够捕获由显示器201、207响应于至少一个测试信号而发射的光的波前相位，因此可以使用(如上文进一步解释的)所述捕获的波前相位信息，以使用任何上述衍射近似定律，将由显示器201、207发射的光/电磁场传播到处于不同距离/位置/光学深度的任何其他观察者位置，使得例如相对于显示器201、207处于位置γ2，γ3和具有不同定向的观察者204、205也可以看到由显示器201、207示出/输出的正确/优化的图像。
[0154]
为了完整起见，注意到附图标记206表示由显示器201、207发射的光(例如图像输出/图像信号)的示例性光路几何形状。
[0155]
图3示例性地示出用于这里描述的某些方面的方案300，用于表征和操作显示器，示出了由(传统)显示器和示例性微透镜阵列(mla)形成的示例性光场显示器303。
[0156]
理想地，观察者例如想要看到图像i的准确表示/显示，即，示例性的客观图像，i
p
描述采集系统平面中的像素应当具有的(真实)强度值(在不存在由于表面变形和/或显示器故障和其他不规则性而导致的任何失真或像差的情况下)。
[0157]
然而，由于显示器的实际上不可避免的缺陷，观察者仅看到/感知到劣化的(未校正的)例如模糊的图像305。
[0158]
通过遵循上述方法以获得关于显示器的特性和属性的信息，该信息可以从当经受测试信号时显示器的捕获响应中提取，然而，该劣化图像305可以被校正并且可以被正确地显示308为尽可能准确地表示(输入)图像304的校正图像309。
[0159]
在该示意性示例中，示出用于由放置在距显示器一定距离处的至少一个采集系统(未示出)响应于测试信号312(为了简单起见，仅描绘了4
×
4像素样本)来捕获306显示器303的脉冲响应的示例，其中所述捕获脉冲响应还包括在采集系统处测量由显示器303响应于所述至少一个测试信号而发射的光的接收强度分布，并且其中示例性步骤包括基于由显示器响应于测试信号而发射的并且由采集系统测量的光的强度分布的加权和来建立的方程的线性系统313。
[0160]
示例性地，设p为至少一个采集系统的分辨率，例如，采集系统的电荷耦合器件传感器(ccd)的像素分辨率，并且设r为在捕获步骤306期间生成312的矩阵，其中每列包含由采集系统在图像中捕获的显示像素的向量化响应，即，r可以被理解为矩阵，其中每列以由采集系统捕获的图像的形式表示捕获的脉冲响应irn(其中n为显示像素索引或测试信号索引)，所述图像表示由显示器/由显示像素响应于测试信号发射的光的强度分布，并且设向量ρ为显示器的每个像素的待确定的强度值或权重或系数，即，显示器的强度分布，使得显示器以最准确的方式表示待显示的图像。
[0161]
然后，可以针对每个显示器像素n通过对r和ρ的直积的求和，即通过来定义针对显示器的待观察图像i(或由显示器显示的图像)的n个方程的线性系统313，其中显示器像素索引(或测试信号索引)n＝1至n，其中n是表示显示器的物理分辨率的自然
数，并且其中i
p
可以被理解为由显示器(即，显示器像素或一组显示器像素)响应于测试信号而发射的光的采集系统接收/捕获的强度或强度分布，其中采集系统具有分辨率p，其中采集系统像素索引p＝1至p，并且其中ρn是物理显示器上的每个像素将具有的强度值，以便以最准确/最真实的方式表示i
p
。
[0162]
如上所述，针对ρ求解所述示例性的方程的系统(311)，然后所述ρ特别地可以用作表征和操作显示器的基础，因为ρ或ρn包括物理显示器上的每个像素应该具有的强度值，以便以最精确的方式表示图像i(304)或i
p
。
[0163]
确定ρ或ρn允许确定显示器303的上述属性和特性，并且允许针对由显示器303的结构或属性引入的任何可能的误差或伪像来校正/补偿要显示的图像304。例如，可以通过最小化310，例如通过以下欧几里德l2范数表达式的最小二乘最小化，来求解用于显示器的上面给出的方程的线性系统，其中为了清楚起见，已经删去了指数i
p
，r
p，n
，ρn。
[0164]
min||i-r
ρ
||2[0165]
然后，可以由采集系统捕获并且根据ρ或ρn(即，显示器的每个像素的强度值或权重或系数，即，显示器的强度分布)确定的显示图像304 i，可以用作表征显示器的特性和特征的基础，并且可以例如与显示器的期望参考特性、参考结构和参考特征进行比较。
[0166]
利用基于所确定的ρ示例性获得的显示输出/特性信息，然后例如可以控制/修改操作显示器303的驱动器以校正显示器的输出，使得显示308最准确地表示用户/观察者/采集系统想要看到的(真实)图像304的校正图像309。
[0167]
后面是包括图1、图2和图3的三页，并且其中附图标记表示以下部件：
[0168]
100 示例性光学系统/设置
[0169]
101 示例性显示器，例如lcd，没有相位屏幕的示例性显示器
[0170]
102 示例性(第一)相位屏幕、示例性微透镜阵列(mla)
[0171]
103 示例性(第二)相位屏幕、示例性透镜
[0172]
104 示例性采集系统、采集系统的示例性传感器，例如ccd图像传感器和/或波前相位传感器
[0173]
105 示例性光源、示例性测试信号、示例性脉冲
[0174]
106 示例性的测量/捕获的脉冲响应、接收显示器响应于所施加的测试信号而发射的光的示例性位置/区域/像素
[0175]
107 应用示例性信号/测试信号/脉冲的显示器的示例性像素/像素组
[0176]
108 接收显示器响应于所施加的测试信号而发射的光的采集系统的示例性像素/像素组/区域
[0177]
109 显示器与(第一)相位屏幕之间的示例性距离
[0178]
110 示例性相位屏幕之间的示例性距离
[0179]
111 (第二)相位屏幕与示例性采集系统之间的示例性距离
[0180]
112 包括主光线和辅助光线的示例性光学光线路径几何形状
[0181]
113 示例性光轴
[0182]
114 具有相位屏幕的示例性显示器、示例性光场显示器、由显示器101和相位屏幕102形成的示例性集成显示器
[0183]
200 示例性的替代光学系统/设置
[0184]
201 示例性显示器
[0185]
202 示例性相位屏幕，例如微透镜阵列mla
[0186]
203 第一位置处的示例性(第一)观察者
[0187]
204 第二位置处的示例性(第二)观察者
[0188]
205 第三位置处的示例性(第三)观察者
[0189]
206 由显示器/示例性显示器输出发射的光的示例性光路几何结构
[0190]
207 具有相位屏幕的示例性显示器、示例性光场显示器、由显示器201和相位屏幕102形成的示例性集成显示器
[0191]
300 用于表征和操作显示器的示例性方案
[0192]
301 示例性显示器，例如带有显示器
[0193]
302 示例性微透镜阵列(mla)
[0194]
303 由显示器和微透镜阵列形成的示例性光场显示器
[0195]
304 观察者想看到所显示的示例性图像，i或i
p
，即示例性目标图像
[0196]
305 当不施加校正时，观察者实际看到的示例性图像
[0197]
306 从显示器捕获脉冲响应的示例性阶段/步骤
[0198]
307 脉冲响应矩阵r的示例性生成
[0199]
308 示例性显示阶段
[0200]
309 示例性的所显示/感知的校正图像
[0201]
310 示例性最小化
[0202]
311 显示器的每个像素的示例性的确定向量p或ρn或待确定的强度值或权重或系数，即显示器的示例性强度分布，即包括物理显示器上的每个像素应当具有的强度值，以便以最精确的方式表示i或i
p
[0203]
312 示例性测试信号
[0204]
313 基于由显示器响应于至少一个测试信号而发射的并且由至少一个采集系统测量的光的强度分布的加权和的示例性的方程的线性系统