一种基于LCoS投影的激光显示系统及其应用

本发明属于激光投影，具体涉及一种基于lcos投影的激光显示系统及其应用。

背景技术：

1、显示技术是人与信息世界交互的主要途径，已应用在现代社会的各种领域，如军事、商业娱乐、教育、医疗及工业等，显示技术已彻底改变了人们的生活方式，人们的日常生活和社会活动中已经越来越离不开它。现阶段，主流的投影技术有多种，分别是液晶显示投影(liquid?crystal?display，lcd)、数字光处理投影系统(digital?light?processing，dlp)、硅基液晶投影显示技术(liquid?crystal?on?silicon，lcos)和数字微镜器件(digital?micromirror?devices，dmd)。

2、而传统的lcos投影系统对偏振光的利用率比较低。主要由于使用普通光源作为照明光源，发出的光线为圆偏振光，并利用偏振分光棱镜(polarization?beam?splitter，pbs)改变光线的偏振态，在进入lcos芯片前需要多次偏振极化过滤，这种方法不仅转化效率低，且会有大量光线被浪费。

3、神经科学研究一直致力于解开生物神经系统的奥秘，理解大脑如何接收和处理信息进而控制行为。为了实现这一目标，研究人员开发了先进的荧光探针和光遗传学技术，以观察和操纵神经元的活动。

4、视觉系统在神经科学研究中具有特殊的重要性。视觉是人类和许多其他生物的主要感知方式之一，也是信息处理和行为控制中的核心组成部分。视觉系统负责感知世界，捕捉关于物体、运动、颜色和形状等方面的信息。理解大脑如何处理这些视觉输入对于揭示信息处理的基本原理至关重要。

5、在神经科学领域，研究人员经常需要开展实验以了解神经元如何响应不同类型的刺激。为了研究视觉系统，研究人员通常需要提供精确的视觉刺激，以模拟不同的视觉场景。传统的显示投影系统，如lcd、led和dmd通常受到分辨率、颜色生成和图像失真等问题的限制。显示系统的光源也会对实验动物体内的荧光探针和光遗传学工具产生光谱重叠，影响实验的可靠性。当显示系统与神经成像系统结合使用时，显示系统的光源会干扰成像系统的信号采集，导致信号质量的下降。

6、针对神经科学研究，特别是在视觉刺激和神经成像方面，亟需采用先进的显示技术，能够克服许多传统系统的限制，提供更高的分辨率、颜色准确性和精确的光谱控制，同时减少对成像系统的信号干扰。

技术实现思路

1、基于在神经科学视觉系统研究中，研究人员经常需要提供精确的视觉刺激实验，以了解神经元如何对不同类型的视觉刺激做出响应。针对这一难题，本发明提供了一种基于lcos投影的激光显示系统及其应用，利用先进的显示技术，能够与成像系统相结合，提供更高的分辨率、颜色准确性和精确的光谱控制，同时减少对成像系统的信号干扰。该技术有助于更精确地研究神经系统的活动和视觉感知。

2、为了实现上述的目的，本发明的技术方案具体如下：

3、一种基于lcos投影的激光显示系统，包括：

4、激光单元，包括激光器，用于发出激光；

5、第一分束单元，包括偏振分束器，用于将激光单元发出的激光分束为若干束；

6、lcos投影单元，包括与所述第一分束单元分束后激光束的数量一一对应的若干个，每个lcos投影单元包括lcos面板、设于lcos面板前方的分光棱镜以及投影镜头，来自第一分束单元的激光经分光棱镜后入射到lcos面板，经lcos面板调制后出射光经所述分光棱镜后从所述投影镜头投影图像；

7、屏幕，所述lcos投影单元的投影镜头投影图像成像在所述屏幕上。

8、进一步地，所述激光单元包括能够发出不同波长的激光的若干激光器，所述激光单元与第一分束单元之间设有合束单元，经合束单元合束后的激光进入所述第一分束单元，

9、每个lcos投影单元中包括与所述激光器数量相同的lcos面板及分光棱镜，所述lcos投影单元还包括用于将入射的激光重新按照波长进行分束的第二分束单元，分束后的激光分别入射到各分光棱镜后到达各lcos面板进行调制，各分光棱镜与投影镜头之间的光路上设有用于将各分光棱镜出射的激光进行合束后入射到所述投影镜头的合光棱镜。

10、其中，lcos面板起到空间光调制的作用，通过微小透镜的开与关形成图像；分光棱镜可以根据各个波长的入射激光利用光的偏振性，将光按照偏振方向分离，决定是反射还是透射；合光棱镜可以将不同方向的光聚合。

11、另外，先合束，之后进行分束的目的是可以分别对各个波长的图像进行更改。

12、优选的，所述激光单元中激光器的数量为2～5个。这些激光器源具有不同的波长，以适用于不同颜色的视觉刺激和荧光探针。通过合理选择激光波长，可以避免光谱重叠，最大程度减弱对成像系统的干扰，确保成像的准确性。

13、进一步地，所述合束单元包括数量比激光器的数量少一个、用于将各激光器发出的不同波长的激光合为一束的半透半反镜。

14、优选的，所述lcos投影单元的数量为至少2个。当只有一个lcos投影单元时，失真会很严重，所以覆盖更多的环形屏幕的话至少需要两个lcos投影单元。

15、进一步地，所述第二分束单元包括若干半透半反镜。

16、进一步地，所述屏幕为环形屏幕?？梢允蛊涓鞲龇较蛏系木嗬胂嗤?，实验上可以控制变量。支撑屏幕的3d打印支架维持其弧形形状。屏幕材料可以选择具有适当的透明度和扩散特性，以确保投影光的均匀分布。比如，硫酸纸或者宣纸。

17、具体的，投影镜头投影图像成像在所述屏幕上时，部分像素点会失真，对失真的像素点进行校正，校正时，在环形屏幕上覆盖带有棋盘格线条的校正纸，将点阵图案投射到环形屏幕上，记录下点阵的位置矩阵(x1，y1)，移动点阵，利用校正纸确定失真修复后的位置，记录此时的点阵位置矩阵(x2，y2)，对校正数据进行拟合，使得原位置矩阵(x1，y1)通过映射函数计算后得到新点阵位置矩阵(x2，y2)，生成映射函数，利用所得映射函数，将输入像素位置映射到新的几何位置，以修复激光投影的失真，确保图案的准确表示。

18、本发明还提供了所述基于lcos投影的激光显示系统在视觉刺激实验中的应用。

19、本发明还提供了一种基于lcos投影的视觉刺激实验方法，使用所述基于lcos投影的激光显示系统，所述基于lcos投影的视觉刺激实验方法包括以下步骤：

20、(1)选择发射特定波长激光的激光器，在所述屏幕上成像；

21、(2)由屏幕上所成的图像对待研究的实验动物进行视觉刺激；

22、(3)通过对待研究的实验动物在接受特定视觉刺激前后神经成像，比较神经成像结果，研究神经系统的活动和视觉感知，

23、其中，步骤(1)中激光器的波长选择避开待研究的实验动物所使用的外源性光敏蛋白的光谱和/或荧光探针的激发光谱、发射光谱。

24、考虑实验动物可能存在的内源性光感受器的特定波长敏感性，可选择波长适用于激活实验动物内源性光感受器的激光器，以实现对特定神经元的刺激。

25、本发明的有益效果：

26、本发明中的显示系统使用具有不同波长激光器源，用于选择性地激活特定波长的内源性光感受器，实现对特定神经元的刺激。与成像系统相结合，提供更高的分辨率、颜色准确性和精确的光谱控制，同时减少对成像系统的信号干扰。通过选择激光器波长，避开激活外源性光敏蛋白的光谱，成功实现对特定神经元的光遗传学刺激最小化干扰，提高实验的可控性。维持屏幕的弧形形状，确保投影光的均匀分布，有助于保持视觉刺激距离的一致性，可以提供更接近自然环境的实验条件。