利用双缝干涉技术的像素对齐方法，用于高动态范围激光显示系统

《Displays》：Pixel alignment method with double-slit interference for high-dynamic-range laser display system

高动态范围激光显示系统中，基于双缝干涉的像素对齐方法通过分析干涉条纹位移实现PLM与DMD的微米级对齐（精度21.6μm），解决了传统复杂对准工艺难题。

　　

郭大博|陈云川|郭斌|贾宇|段媛

中国海洋大学信息科学与工程学院，山东青岛

摘要

在激光显示技术领域，空间光调制器（SLM）是实现显示的核心设备。然而，由于其固有的物理特性，单个空间光调制器系统的对比度存在上限，难以满足高动态范围（HDR）显示的要求。因此，通常会使用两个空间光调制器来扩展动态范围，而这两个设备之间的像素对齐程度成为系统性能的决定性因素。本研究提出了一种基于双缝干涉的方法，用于实现仅相位调制和仅幅度调制的空间光调制器之间的像素对齐，并构建了一个基于相位光调制器（PLM）和数字微镜（DMD）的高动态范围激光显示系统。通过计算干涉条纹的相对位置，揭示了PLM和DMD在激光光路中的相对对齐状态，包括三维方向上的平移和倾斜角度。实验结果表明，该方法操作简单，能够将PLM和DMD的像素对齐精度控制在21.6微米以内。

引言

“动态范围”指的是图像中的最大和最小亮度范围，通常通过对比度来衡量。标准动态范围（SDR）的对比度为100:1到1000:1，而人眼可以感知到高达100,000:1的对比度[1]。有限的动态范围在渲染细节时存在挑战。因此，HDR技术应运而生，旨在通过保留更宽的亮度和暗度细节范围来提高成像质量[2]、[3]、[4]。实现HDR的主要方法是通过级联两个空间光调制器来提高对比度。在投影系统的SLM前加入一个仅相位的SLM，通过相位调制控制照射到SLM上的光场强度分布，从而增加峰值亮度、加深黑色层次并实现更高的对比度[5]、[6]、[7]。然而，这种方法需要精确对齐两个空间光调制器[8]、[9]。在本研究中，将PLM集成到原有的DMD系统中，通过调制激光束的相位来实现DMD的动态照明。这种改进显著提高了对比度，从而实现了HDR激光显示。但是，如果PLM和DMD之间没有准确的像素对齐，投影图像会出现局部对比度降低和细节丢失的问题，从而影响HDR显示质量。

目前，实现两个空间光调制器精确对齐的主要方法是使用精密仪器和复杂的实验程序。例如，2006年，Ri S等人[10]采用DMD和电荷耦合器件（CCD）相机的级联配置来实现HDR图像采集。该方法利用CCD相机捕捉DMD微镜并观察捕获图像中的莫尔条纹，从而实现CCD像素单元与DMD微镜之间的像素对齐。然而，这种方法仅适用于HDR图像采集，不适用于带有光源的HDR激光显示系统。Damberg G等人使用仅相位的硅基液晶空间光调制器（LCoS-SLM）作为自由形透镜进行光场相位调制，并结合仅幅度的LCoS-SLM来实现高动态范围显示[11]。2024年，Xiaofei Li等人[12]通过级联PLM和DMD实现了激光HDR投影以提高对比度。然而，这两种方法都没有提到两个SLM精确像素对齐的要求。此外，为了实现复杂的幅度控制和全息显示而级联两个空间光调制器也会涉及像素对齐的问题。例如，2011年，Makowski M等人[13]通过级联两个LCoS-SLM实现了复杂的幅度调制。这种方法使用精细的中继光学系统来实现双SLM的对齐，但操作较为复杂。2017年，SeeReal公司开发了一种中型实时全息三维显示设备[14]。该全息显示通过叠加两个液晶面板实现，第一个液晶面板控制相位，第二个液晶面板控制幅度，两个液晶面板必须进行像素对齐。他们使用精密机械系统进行横向定位和旋转，通过显微镜观察来实现对齐。这种方法会增加实验的复杂性和成本。2017年，Yijun Qi等人[15]通过级联两个仅相位的空间光调制器实现了光场的复杂幅度调制[15]，并使用4f系统进行光路对齐[16]，但调整过程需要相位编码和光学解码，且像素对齐精度受图像重建精度的影响。2024年，郭斌等人[17]将仅相位的空间光调制器分为三个区域，并用三原色激光照射相应的区域。通过调整加载到每个区域的闪耀光栅参数，实现了场序列的彩色显示。这种方法需要不断调整闪耀光栅的周期，直到观察到颜色通道图像的对齐，操作复杂且图像分辨率降低。此外，对于小规模显示系统（如近眼波导显示器[18]、[19]、[20]），也需要高效且高精度的方法来确保光路的准确性。因此，探索一种更简单、更有效的像素对齐方法非常重要。

本研究提出了一种基于双缝干涉的方法来实现双SLM的像素对齐。实验结果表明，该方法可以简单有效地实现双SLM之间的像素对齐，对齐精度保持在21.6微米以内。这种方法为使用两个空间光调制器实现高动态范围、全息显示和复杂幅度调制的光路构建提供了宝贵的参考。

方法部分

方法

仅相位的SLM通过调制入射光的相位分布并利用光转向原理来显示图像[21]，因此与幅度调制相比具有更高的效率[22]。在单芯片DMD投影系统中，DMD通常由光源均匀照明。PLM可用于调整DLP系统中入射光的光场分布。

PLM的相位调制测量

为了验证基于双缝干涉的像素对齐方法，按照图6所示设置了HDR激光显示系统。PLM是基于微机电系统（MEMS）的仅相位SLM，尺寸为0.67英寸，分辨率为1358×800，像素间距为10.8微米，具有4位位移控制能力。DMD为DLP471TP，尺寸为0.47英寸，分辨率为1920×1080，像素间距为5.4微米。在光路中，使用532纳米半导体激光器发出的光

结果与讨论

设置好HDR激光显示系统后，对其HDR显示性能进行了验证。在验证实验中，选择了图16第一行所示的三个代表性测试图像进行显示。原始图像被加载到DMD上，而通过相位恢复算法从原始图像获得的相位图案被加载到PLM上。PLM调制了照射到DMD上的光场的光强度分布，从而改变了被照亮的区域

结论

本研究介绍了一种基于PLM和DMD的HDR激光显示系统。通过双缝干涉方法测量了PLM的相位调制深度。通过分析干涉条纹的位移，计算出了PLM中16阶微镜的相位调制深度分布。通过将结果与理论相位调制深度分布数据进行比较，验证了该方法的准确性。此外，我们还提出了一种实现像素对齐的方法

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点科技项目（2025ZD0616600）、国家重点研发计划（2024YFB3612304）和中央高校基本科研业务费（编号202364009）的支持。我衷心感谢所有在本研究过程中提供支持和帮助的个人和机构。