激光显示中的关键技术及激光散斑衬比立体成像技术的研究

论文摘要

纵观近几年激光显示技术的发展进程,可以毫不夸张的用“突飞猛进”这个词来形容。激光显示所具有的广色域、高亮度、大屏幕、低功耗等出众的优点,助力其跻身于下一代显示技术的行列。然而,由于激光显示所支持的色域范围远大于现有显示设备的标准色域范围,如果用现有的颜色信号直接在激光显示系统中进行播放,必然会导致颜色的失真。因此,颜色管理是激光显示必须要面对的议题。同时,激光显示无法回避由于激光高相干性所导致的散斑问题。这种呈颗粒状的光强随机分布现象会严重影响画面质量。如何降低散斑的影响,亦是激光显示研究领域的一个热点话题。幸运地是,激光散斑并非“一无是处”。激光散斑能够携带光束和光束通过物体后的信息,可以被广泛的应用于各个测量领域,例如:利用激光散斑剪切干涉测量微小形变,利用散斑对比度测量表面粗糙度。在生物医疗领域,我们还可以通过提取激光散斑所携带的信息来获取血液动力学参量,这就是激光散斑衬比成像技术。这一技术的显著优点在于全场、实时和非接触,但其缺点在于只能对采集平面信息,无法实现立体探测。光场成像技术的出现犹如“雪中送炭”,通过构建一种基于光场的激光散斑衬比成像技术方案,使得激光散斑衬比成像技术从二维进入三维,从而实现景深拓展的功能,进而有效地提高该技术的功能拓展性。本文首先介绍了激光显示中的颜色管理和散斑抑制这两个热点议题,随后介绍了激光散斑衬比成像技术,并通过引入光场成像技术,将其从二维探测领域拓展到三维探测领域。本论文的主要研究内容概括如下:1.介绍激光显示技术的发展进程和基本特征。概述了颜色基础科学中所涉及到的颜色、色域、色坐标及色空间等概念。解释了光源与颜色及色域之间的对应关系。介绍了颜色管理的定义,既有方案以及评价标准。重点研究了一种基于现有颜色信号模式下,从高清电视色域到超高清电视色域的颜色信号传输方案。该方案基于色空间的重心关系进行颜色的映射,可以有效地降低颜色在不同色域模式下的失真,并同时充分利用了激光显示大色域的优势。2.介绍激光散斑的外在表象、形成机制和评价指标。重点介绍了激光散斑的抑制方案,并分别通过动态消除、静态消除和混合消除这三个角度去解读。详细研究了哈达玛相位矩阵,并提出一种基于哈达玛相位板阵列和透镜阵列的静态消散斑方案。该方案以静态的方式实现哈达玛子矩阵的叠加,通过独立散斑的叠加匀化实现散斑的抑制。3.介绍激光散斑衬比成像技术的基本原理、系统结构、应用领域和市场化情况。介绍了激光散斑衬比成像技术存在的优缺点。重点研究通过原始散斑图像得到散斑衬比图像的实现方案和处理算法,并探索其应用在立体测量领域的可能性。4.介绍光场成像技术的基本原理,重点介绍了光场相机的实现方案,详细研究了光场成像的空间分辨率、深度分辨率以及两者之间的制约关系,进而分析光场成像技术的优缺点。着重研究一种双光路成像的紧凑型高分辨率光场相机方案。所提方案通过将传统成像光路与光场成像光路进行整合,进而能够在紧凑的光路结构下具备空间高分辨的技术特征。5.研究了一种基于光场成像的激光散斑衬比成像系统。传统的激光散斑衬比成像技术仅能够实现二维平面信息的采集,景深比较小;通过引入光场成像技术,不仅能够实现三维立体信息的采集,而且实现了景深拓展的功能。通过一次拍摄和算法处理,既避免了由于对焦不准导致的图像模糊,又避免了由于光阑限制所导致的景深狭小。两种技术的结合极大地拓展了激光散斑衬比成像技术的功能冗余度。本论文的主要创新点包括:1.提出了一种基于原始色域空间和目标色域空间的重心变化关系,实现从高清电视到超高清电视进行颜色映射的颜色管理方案。该方案可以有效降低因颜色信号色域范围的不匹配所导致的颜色失真。同时,通过使用该方案,可以充分利用激光显示的大色域优势,提高颜色的观感度。2.提出了一种基于相位板阵列和透镜阵列的静态激光散斑抑制方法。通过哈达玛相位矩阵产生的子矩阵,形成独立散斑;通过透镜阵列与积分透镜的共同作用,实现独立散斑的叠加匀化。该方案无需动态机构,非常适合于微型激光投影系统。相关研究成果“激光投影显示系统及消散斑技术”以向他人转让科技成果方式,完成科技成果转化。3.提出了一种双光路成像的紧凑型高分辨率光场相机结构。通过将传统成像光路整合进光场成像光路,在紧凑的光路结构中实现双光路采集,从而有效地提升图像的空间分辨率,弥补了光场成像技术空间分辨率不足的固有缺陷。4.提出了一种基于光场成像的激光散斑衬比成像系统。通过在激光散斑衬比成像技术中引入光场成像技术,运用光场成像的特性,使得激光散斑衬比成像技术从二维平面采集进入三维立体采集。通过一次拍摄后的算法处理,可以有效地拓展激光散斑衬比成像技术的景深范围。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 激光显示技术

1.1.1 激光显示技术的诞生与发展

1.1.2 激光显示技术中的关键议题

1.2 基于光场的激光散斑衬比成像技术

1.2.1 激光散斑衬比成像技术

1.2.2 光场成像技术

1.3 主要研究内容

参考文献

第2章激光显示中的颜色管理

2.1 颜色基础科学

2.1.1 颜色

2.1.2 色度系统

2.1.3 均匀颜色空间

2.2 基于激光光源的颜色管理方案

2.2.1 颜色复制

2.2.2 色域映射

2.3 从高清电视到超高清电视的色域映射

2.3.1 ITU-R BT.709与ITU-R BT.2020

2.3.2 HDTV与UHDTV色域边界的获取

2.3.3 基于色域重心坐标变换的色域映射

2.3.4 色域映射方案的评价

2.4 本章小结

参考文献

第3章激光显示中的散斑抑制

3.1 激光散斑

3.1.1 激光散斑的形成机制

3.1.2 独立散斑的叠加

3.2 激光散斑的抑制

3.2.1 动态方式的散斑抑制

3.2.2 静态方式的散斑抑制

3.2.3 混合方式的散斑抑制

3.3 基于相位板阵列和透镜阵列的散斑抑制

3.3.1 激光散斑的测量

3.3.2 哈达玛相位矩阵

3.3.3 基于哈达玛相位矩阵阵列的静态散斑抑制

3.4 本章小结

参考文献

第4章激光散斑衬比成像技术

4.1 激光散斑衬比成像技术的原理方案

4.1.1 激光散斑衬比成像技术的工作原理

4.1.2 激光散斑衬比成像技术的参数设定

4.2 激光散斑衬比成像技术的应用及限制

4.2.1 激光散斑衬比成像技术应用于视网膜成像

4.2.2 激光散斑衬比成像技术应用于皮肤灌注成像

4.2.3 激光散斑衬比成像技术应用于脑皮层成像

4.2.4 激光散斑衬比成像技术的应用限制

4.3 激光散斑衬比成像技术的图像处理

4.3.1 基于空间的激光散斑衬比成像算法

4.3.2 基于时间的激光散斑衬比成像算法

4.3.3 基于时空复用的激光散斑衬比成像算法

4.4 本章小结

参考文献

第5章基于光场的激光散斑衬比成像技术

5.1 光场成像技术

5.1.1 光场的基本概念

5.1.2 光场成像的实现方式

5.2 基于透镜阵列的光场相机

5.2.1 数字重聚焦技术

5.2.2 光场成像的空间分辨率和深度分辨率

5.2.3 一种双光路成像的紧凑型高分辨率光场相机

5.3 基于光场的激光散斑衬比成像技术

5.3.1 理论基础

5.3.2 实验模型

5.3.3 图像处理

5.3.4 活体实验验证

5.4 本章小结

参考文献

第6章总结与展望

6.1 全文总结

6.2 主要创新

6.3 研究展望

攻读博士学位期间发表的论文、专利及获奖情况

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 马晓辉

导师: 欧阳钟灿,王安廷

关键词: 激光显示,颜色管理,色域映射,激光散斑,哈达玛矩阵,透镜阵列,激光散斑衬比成像,光场成像

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,电信技术

单位: 中国科学技术大学

分类号: TN24;TN873

总页数: 106

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激光显示中的关键技术及激光散斑衬比立体成像技术的研究

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