專利名稱：Gpu協助的液晶波前校正器的過渡灰度級驅動方法
技術領域：
本發明屬于自適應光學技術領域，是一種借助圖形處理器GPU快速處理過壓驅動數據、對液晶波前校正器驅動過程的優化技術，具體地說是GPU協助的提高高像素密度液晶波前校正器響應速度的過渡灰度級驅動方法。
背景技術：
光波前自適應校正系統的功能是對入射光的畸變波前進行實時補償校正，得到理想的光學成像。基于向列相液晶材料的液晶波前校正器，采用成熟的微電子技術制備工藝，具有高象素密度的特點，不但校正精度高，而且可以利用相息圖技術校正波前，只需要1個波長的絕對位相調制量，就可以校正深度為10個波長的畸變波前。因此使用液晶波前校正器的自適應光學系統在大口徑望遠鏡成像領域具有很大的應用潛力。但是向列相液晶器件的響應速度通常較慢，尤其是位相調制量達到SOOnm的時候響應時間長于:3ms，使液晶波前校正器很難應對快速變化的大氣湍流干擾。國際上曾提出利用鐵電液晶材料和雙頻液晶材料來實現高速波前校正。但是，鐵電液晶位相調制量小，無法滿足校正量的要求；而雙頻液晶則存在驅動電壓高、超過大規模集成電路載荷的問題，使得器件分辨率很難做高。1989年美國白勺吳i寺耳總(Shin-Tson Wu and Chiung-Sheng ffu,High-speed liquid-crystal modulatorsusing transient nematic effect, J. Appl. Phys. 65 (2), 15 January 1989)提出對向歹[J才目液晶空間光調制器進行過壓驅動，使向列相液晶的響應時間縮短到亞毫秒甚至更快。但這種方法的工作電壓一般在20V以上，需要對液晶空間光調制器件的硬件進行特殊加工，至今沒有商品出售，甚至找不到加工之處。因此，本發明基于商品化的向列相液晶波前校正器，通過過渡灰度級的驅動過程加快其響應速度。液晶波前校正器的正常驅動方式是在液晶波前校正器的位相調制量為1個波長的電壓變化區間，將其劃分為M個位相等步長變化的電壓分度值，并用整數級數灰度級來
表示，即1、2、3.......M，M為正整數；將第1灰度級稱為gl，對應此電壓區間的最低電壓分
度值，以此類推，第M灰度級稱為&，對應此電壓區間的最高電壓分度值；利用這M個灰度級準連續地驅動液晶波前校正器。向列相液晶波前校正器有如下響應特性a)從低電壓(低灰度級)變換到高電壓(高灰度級)時，液晶分子在電場作用下立起，光程縮短，相對位相變低，這個過程速度很快，通常小于Ims ；但是反過來灰度級從高到低變換時，液晶分子依靠彈性力從立起狀態而回落，回落速度較慢，通常大于:3ms，回落過程光程增長，相對位相升高，通常把液晶分子的回落耗時定義為液晶波前校正器的響應時間；b)液晶從高灰度級向低灰度級回落過程中開始速度較快，當接近目標灰度級、對應位相調制量約剩0.2λ (λ為中心校正波長)時回落速度明顯變慢，稱為響應拖尾；c)液晶校正器不同像素的響應時間不一致，回落的灰度級級差越小響應拖尾所占的比例越大，響應時間越長，其中低灰度級區間(對應低電壓區)的回落響應時間更長。因此，在進行自適應波前校正時，液晶波前校正器上各個像素的液晶響應過程并非同步，導致整體波前校正的速度變慢。

發明內容
本發明為了克服液晶波前校正器的響應拖尾問題，通過圖形處理器GPU快速處理施加在高像素密度液晶波前校正器所有像素上的過渡灰度級矩陣，以對液晶波前校正器施加一種過壓驅動，使所有像素上灰度級間的響應時間縮短，并達到一致，目的是提供GPU協助的提高高像素密度液晶波前校正器響應速度的過渡灰度級驅動方法。本發明的基本思路是制作液晶波前校正器時，將液晶波前校正器1 λ的位相調制量擴展到1. 2 λ 1. 6 λ。針對像素上
范圍的任意一組初始位相和目標位相，設置一個比二者差值更大的過渡位相的灰度級，以利用液晶在位相變化的前階段響應速度快的特點，迅速到達目標位相對應位置，此時刻再對其施加目標位相所對應的灰度級以穩定保持目標位相值。利用這種方法可以消除響應拖尾，顯著提高液晶波前校正器的響應速度。為使所有灰度級間的響應速度都一樣快，即液晶波前校正器上所有像素的響應時間相同，需在每個象素上依據其初始位相和目標位相施加不同的過渡位相灰度級。為了更好的理解本發明，下面詳述本發明的操作過程。使液晶波前校正器的位相調制量為1. 2 λ 1. 6 λ。將位相調制量線性等分為M份，對應M個灰度級，S卩1、2、3、……K、……、Μ。灰度級均為整數，灰度級1稱為gl，對應最高位相，灰度級K稱為&，對應位相1 λ，灰度級M為最大灰度級稱為&，對應位相0。首先在液晶波前校正器的所有像素上施加&，使液晶分子成立起狀態，位相為0，然后再變換到gl，在這對灰度級變換中監測液晶波前校正器的回落響應曲線，示意圖如

圖1，橫軸為時間，縱軸為位相調制量即液晶波前校正器被驅動后的位相變化，單位為波長λ，位相調制量選為1. 2 λ，回落響應在開始階段很快，但位相升高到1 λ以后的響應速度越來越慢，呈現響應拖尾現象；去掉這個響應拖尾，從響應曲線上截取前1 λ位相調制量作為波前校正用的位相調制區間，所對應的響應時間為 ；;此處將1.2 λ看作1λ的過渡位相，初始灰度級為gM，目標灰度級為gK，gl為過渡位相的灰度級，再做0位相到1 λ位相的快速響應調制令驅動從變換到&，在響應過程的 ；時刻施加1 λ目標位相所對應的&，可使位相穩定平衡在1λ處。上述驅動中，初始灰度級Μ、過渡位相的灰度級1和目標灰度級K三者的關系為|Μ-1| > |Μ-Κ|，通過過渡位相的灰度級驅動，回落響應曲線沒有響應拖尾，響應時間縮短。以下將任意過渡位相的灰度級用過渡灰度級T表示，簡稱^。如果在位相調制量為1. 2 λ的回落響應曲線上截取前1 λ，仍然不能去掉響應拖尾，可將位相調制量適當加大，在1.2 λ 1.6 λ中尋找一個合適值。將上述過渡灰度級驅動下1 λ位相變化的回落時間 ；作為液晶波前校正器的響應時間。對于位相調制區間[Μ，K]內任意一對初始位相Pa和目標位相Pb，對應的變換，總可以在灰度級[M，l]區間找到一個過渡灰度級Τ，使得|Α-Τ| > |Α-Β|，過渡灰度級驅動效果如圖2(a)所示，液晶在從&到&的響應過程中，在 ；時間內到達目標位相Pb，此時如果不施加&，響應曲線將如同圖中虛線所示，位相通過I3b后緩慢升高到過渡位相Ρτ，而在Τ,時刻施加&，位相則穩定平衡在1\處，將響應時間縮短為T,;對比圖2中(b)所示的無過渡灰度級驅動，將位相從Pa調制到I3b時簡單地從^變換到&，響應時間為拖尾的Tab，遠大于Tro
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以 ；為限定條件，對灰度級[M，K]區間所有初始灰度級m和目標灰度級k之間的變換，按照上述尋找過渡灰度級T的方法，在液晶波前校正器上施加合適的過渡灰度級即gT(m，k)的過壓驅動，其中 m，k = Μ、Μ-1、Μ-2、……K，可以測得(M-K+1) X (M-K+1)個 gT(m,k)。將這些&(m，k)值排列起來建立起(M-K+l) X (M-K+1)的過渡灰度級矩陣Gt
權利要求
1.GPU協助的提高液晶波前校正器響應速度的過渡灰度級驅動方法，其特征是將液晶波前校正器1 λ的位相調制量擴展到1. 2 λ 1. 6 λ，λ代表中心校正波長；將位相調制量線性劃分為M個灰度級，S卩1、2、3、……K、……、Μ，灰度級均為整數。灰度級1稱為&，對應最高位相，其數值在1. 2 λ 1. 6 λ之間，灰度級K稱為gK，對應位相1 λ，灰度級M為最大灰度級稱為&，對應位相0，灰度級[K，Μ]區間對應1 λ的位相調制量。確定液晶波前校正器的響應時間 ；在液晶波前校正器的所有像素上施加最大灰度級&，待其響應完成后再變換到最小灰度級&，位相調制量從0不斷增加到1.2 λ 1.6λ之間的最高位相，測得液晶波前校正器的回落響應曲線；從響應曲線上截取前1 λ位相調制量所對應的灰度級區間、即從&到&的回落時間作為液晶波前校正器的響應時間 ；。測量過渡灰度級T的方法在液晶波前校正器的所有像素上施加初始灰度級m，共同的目標灰度級為k，m和k為灰度級[K，M]區間任意兩個灰度級；以響應時間 ；為限定條件，選擇過渡灰度級T，滿足|T-m| > |k-m|，同時在&(m，k)的過壓驅動下，使液晶波前校正器在 ；時間內從&響應到&所對應的位相位置，即刻施加&使位相穩定在&所對應的位相位置；繼續以響應時間 ；為限定條件，對應灰度級[M，K]區間所有初始灰度級、和與這些初始灰度級組合的目標灰度級，測得(M-K+l) X (M-K+1)個過渡灰度級&(m，k)，使灰度級[M，K]區間所有灰度級間的響應時間都一致化地縮短為 ；，將這些&(m，k)值排列起來建立起(M-K+l) X (M-K+1)的過渡灰度級矩陣Gt “gM gT(MM-\) LgT(M,K)“G = gT(M-l,M) ^m-!OMMOgK+1 gr(K + l,K)gT(K,M)LgT(K,K + \) gK其中對角線上的矩陣元是灰度級自身，表明相同灰度級之間沒有過渡灰度級，gT(M,M-1)代表從初始灰度級M變換到目標灰度級M-I的過渡灰度級；每一行初始灰度級不變目標灰度級逐一降低，每一列目標灰度級不變初始灰度級逐一降低。將測得的過渡灰度級矩陣Gt的數據按行順序一行一行地讀入圖形處理器GPU中，形成長度為(M-K+1)2的一維向量GT(i)，i為[1，(M-K+1)2]區間內的整數，SP i = 1、2、3......(M-K+l)2，i與任意一對屬于[M，K]區間內的初始灰度級m和目標灰度級k的關系為i = (M-m) (M-K+l)+ (M-k+1)。利用i值，即可在一維向量&(1)中查找到過渡灰度級gT(m, k)。液晶波前校正器上NXN個像素都有其相應的過渡灰度級，N是[1，2000]中的任意整數，NXN個過渡灰度級的集合構成過渡灰度圖&(」)，」為像素的序號，j = 1、2、3......N2。液晶波前校正器的過渡灰度級驅動過程為依據已知的初始灰度圖Gm(j)和目標灰度圖(ik(j)，GPU在存儲的過渡灰度級矩陣Gt中查找出每個像素上的過渡灰度級，得出過渡灰度圖Gt(j)，然后將Gt(j)傳輸到計算機內存中；計算機立刻給液晶波前校正器發送過渡灰度圖Gt(j)，信號傳輸時間為ts，且有ts < Tr ；當過渡灰度圖GT(j)的施加時間達到Tr-ts時，再給液晶波前校正器發送目標灰度圖，經過ts時間(ik(j)信號傳輸完成，液晶波前校正器上NXN個像素都同時達到各自的目標位相，然后在目標灰度圖(ik(j)使波前位相穩定，完成一次“過渡灰度圖一Tr時間延遲一目標灰度圖”的周期驅動程序。
2.根據權利要求1所述的GPU協助的提高液晶波前校正器響應速度的過渡灰度級驅動方法，其特征是采用了 GTX480型號的GPU。
全文摘要
本發明屬于自適應光學領域，是GPU協助的提高液晶波前校正器響應速度的過渡灰度級驅動方法，其特征是使液晶波前校正器的位相調制量為1.2～1.6個波長，針對像素上任意一組初始位相和目標位相，設置一個比二者差值更大的過渡位相的灰度級，以利用液晶在位相響應的前階段速度快的特點，迅速到達目標位相對應的位置，此時刻再對其施加目標位相所對應的灰度級以保持目標位相值。本發明的關鍵就是采用高速運算的圖形處理器GPU進行過渡灰度圖數據的處理，使處理時間只有0.01ms，是適用于高像素密度液晶波前校正器的過渡灰度級驅動方法。
文檔編號G02F1/133GK102566114SQ201210007938
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者劉永剛, 夏明亮, 姚麗雙, 宣麗, 彭增輝, 曹召良, 李大禹, 楊程亮, 穆全全, 胡立發, 胡紅斌, 魯興海 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所