激光顯示中的彩色散斑測(cè)量研究

劉 紅，舒 偉，劉默晗，許傳林

（上海電機(jī)學(xué)院電子信息學(xué)院，上海 2013036）

目前，激光顯示中的彩色散斑測(cè)量［1］在國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究較少，國(guó)內(nèi)少數(shù)做激光顯示的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行散斑的測(cè)量和研究，利用工業(yè)CCD相機(jī)拍攝激光散斑并進(jìn)行圖像處理，最后計(jì)算散斑對(duì)比度，但尚未形成一套自動(dòng)化、系統(tǒng)的測(cè)量方法。國(guó)外較為完善的測(cè)量激光散斑的裝置是日本OXCIDE公司一臺(tái)名為Doctor Speckle的機(jī)器，可以測(cè)量紅、綠、藍(lán)（RGB）三色的單色散斑，并由軟件得出散斑對(duì)比度的值。

近年來(lái)，激光顯示行業(yè)發(fā)展迅猛，熱門的激光電視，就是激光顯示行業(yè)的新興產(chǎn)品。對(duì)于激光顯示設(shè)備散斑的測(cè)量，不同的設(shè)備，不同的顯示屏幕，各種參數(shù)都會(huì)影響散斑的測(cè)量，給精確測(cè)量散斑帶來(lái)了不小的困難。因此，設(shè)計(jì)出一套科學(xué)且精確的散斑測(cè)量方法是非常有必要的［2］。

散斑是激光光源與生俱來(lái)的一種現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)技術(shù)對(duì)散斑的消除、減少并沒有很有效的方法。本文介紹了相干光源產(chǎn)生散斑的原理，就激光散斑這一現(xiàn)象展開了研究，用嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的方法對(duì)激光散斑進(jìn)行了測(cè)量［3］，探究影響散斑程度的關(guān)鍵參數(shù)。

1 散斑的介紹

激光投影顯示設(shè)備會(huì)產(chǎn)生無(wú)法消除的散斑現(xiàn)象［4］。由于激光光源高度的相干性［5］和單色性，在激光投影設(shè)備發(fā)出光源時(shí)，多光源彼此會(huì)發(fā)生波的疊加，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象［6］。根據(jù)惠更斯原理，激光投影顯示設(shè)備照射到屏幕表面時(shí)，由于屏幕的表面微結(jié)構(gòu)是粗糙的，當(dāng)相干光源照射到這些粗糙的表面，可以把粗糙的表面看成是一個(gè)不規(guī)則的反射面，這些點(diǎn)會(huì)對(duì)入射的光源進(jìn)行反射和透射，反射出來(lái)的光由于不同的相位彼此相遇又會(huì)發(fā)生干涉。數(shù)量龐大的干涉光線就形成了分布不規(guī)律的復(fù)合散斑［7］。工業(yè)相機(jī)拍攝到的激光投影設(shè)備散斑分布如圖1所示。

圖1 激光投影的散斑分布

在激光投影設(shè)備前放置一塊光滑的菲涅爾屏幕，打開激光投影設(shè)備可以觀察到屏幕上的散斑。散斑表現(xiàn)形式與屏幕表面的物理結(jié)構(gòu)以及激光設(shè)備的相干性都有關(guān)［8］。

激光顯示伴隨的散斑現(xiàn)象會(huì)降低圖像質(zhì)量，減小圖像分辨率，易使人眼產(chǎn)生視疲勞，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)使人感覺到不適。多年以來(lái)，人們誤認(rèn)為散斑是一種形成在顯示屏幕上的現(xiàn)象，但其實(shí)這種觀念是錯(cuò)誤的。散斑其實(shí)是從屏幕上反射的激光干涉光線形成的。屏幕的粗糙程度對(duì)散斑也會(huì)產(chǎn)生較大影響［9］。人眼看到的散斑圖案是懸浮在屏幕表面的激光干涉圖案。原則上可以用一個(gè)2D圖像傳感器直接獲取散斑圖樣。

2 測(cè)量裝置及測(cè)量步驟

2.1 測(cè)量裝置簡(jiǎn)介及測(cè)量原理

激光投影設(shè)備散斑測(cè)量裝置主要由硬件和軟件兩部分組成。軟件部分可以控制工業(yè)相機(jī)的拍攝和舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將相機(jī)拍攝到的照片進(jìn)行加工處理，計(jì)算彩色散斑的散斑對(duì)比度。硬件部分包括工業(yè)相機(jī)和控制濾光片盤轉(zhuǎn)動(dòng)的舵機(jī)。工業(yè)相機(jī)用于捕捉散斑，像素必須大于散斑的像素，因?yàn)樯叩某叽缈偸切∮谄聊簧巷@示的像素的尺寸，為了保證散斑測(cè)量的精度，10倍以上的像素放大率是必須的。本文使用2 000萬(wàn)像素的?？低暪I(yè)相機(jī)，型號(hào)為MV-CE200-10UC，可以清晰拍攝屏幕上的散斑。使用的舵機(jī)是飛特PLC控制Modbus RTU協(xié)議的磁編碼RS-485無(wú)刷高壽命智能伺服電動(dòng)機(jī)。舵機(jī)由一塊URT-1控制板通過(guò)USB線連電腦端進(jìn)行控制。為了保證散斑測(cè)量的準(zhǔn)確性，除了在夜間關(guān)閉相干光源之外，還搭建了一個(gè)簡(jiǎn)單的暗室。暗室中由背景光產(chǎn)生的照度低于0.1 lx，屬于較為合格的暗室環(huán)境。激光顯示投影設(shè)備散斑測(cè)量裝置如圖2所示。

圖2 散斑測(cè)量裝置

在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)20192055-T-339《激光顯示器件第5-4部分：光學(xué)散斑的測(cè)量方法》中提到了兩種測(cè)量散斑的方法，一種是采用XYZ濾光片的激光顯示設(shè)備散斑測(cè)量方法，另一種則是采用RGB三色濾光片的散斑測(cè)量方法。本文采用的是測(cè)量更為準(zhǔn)確的XYZ濾光片的方法?；驹砣鐖D3所示。

圖3 XYZ濾光片測(cè)量激光散斑原理圖

使用XYZ濾光片測(cè)量激光散斑比RGB三色濾光片測(cè)量和光譜式三刺激值測(cè)量更加準(zhǔn)確。X濾光片的兩個(gè)峰難以保證光譜透過(guò)的精度，故使用Xb和Xr兩個(gè)濾光片來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 測(cè)量步驟

連接測(cè)試裝置，設(shè)置好裝置中相機(jī)的曝光時(shí)間，調(diào)焦并拍攝4種濾光片下的散斑照片，將這些照片截取部分像素點(diǎn)進(jìn)行篩選和計(jì)算，得到激光投影設(shè)備的散斑對(duì)比度。測(cè)量流程如圖4所示。

圖4 測(cè)量流程

2.3 散斑對(duì)比度的計(jì)算

散斑對(duì)比度是衡量激光顯示設(shè)備散斑密集程度的一個(gè)指標(biāo)。對(duì)于一幅具有明顯散斑的圖片，單色散斑對(duì)比度為

式中：σ為散斑圖樣強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差；I為散斑圖樣的平均強(qiáng)度。

在激光顯示散斑測(cè)量與計(jì)算中，RGB三色的單色散斑對(duì)比度可以用式（1）計(jì)算，但當(dāng)測(cè)量白場(chǎng)的散斑對(duì)比度時(shí)，需運(yùn)用彩色散斑對(duì)比度計(jì)算，即

式中：Y為光度分布的平均值。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果及分析

3.1 不同調(diào)焦方式對(duì)散斑測(cè)量的影響

經(jīng)過(guò)大量測(cè)量以及查閱相關(guān)論文和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，在不改變裝置和激光投影顯示設(shè)備的條件下，計(jì)算得到的散斑對(duì)比度也會(huì)發(fā)生改變［10］。

在散斑的測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，相機(jī)的調(diào)焦過(guò)程會(huì)有兩種調(diào)焦方式，一種是將投影到屏幕上的字體輪廓進(jìn)行清晰調(diào)焦，通過(guò)相機(jī)可以清楚地看到屏幕上的字體（屏幕調(diào)焦）；另一種則是不刻意對(duì)相機(jī)拍攝中的字體進(jìn)行調(diào)焦，對(duì)拍攝圖像出現(xiàn)的散斑圖案進(jìn)行調(diào)焦，這時(shí)相機(jī)捕獲到的圖片上顯示的就是清晰的散斑圖樣（散斑調(diào)焦）。兩種調(diào)焦方式如圖5所示。雖然兩次調(diào)焦幅度用肉眼分辨不出差距，卻會(huì)對(duì)散斑對(duì)比度的測(cè)量和計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生比較大的影響。

圖5 兩種調(diào)焦方式

針對(duì)這兩種不同的調(diào)焦方式，操作如下。先用非相干光源的顯示設(shè)備，調(diào)焦顯示清晰字體，然后換激光相干光源顯示設(shè)備。針對(duì)屏幕調(diào)焦的散斑對(duì)比度，對(duì)散斑進(jìn)行調(diào)焦測(cè)量時(shí)，直接用激光相干光源進(jìn)行調(diào)焦，直至屏幕出現(xiàn)清晰的散斑圖案。

測(cè)量這兩種調(diào)焦方式的色場(chǎng)散斑對(duì)比度，結(jié)果記錄在表1中。其中，R、G、B、W分別表示紅、綠、藍(lán)、白。從表1可以看出，散斑調(diào)焦測(cè)量到的散斑對(duì)比度要比屏幕調(diào)焦測(cè)量到的數(shù)值大，這是因?yàn)樯哒{(diào)焦工業(yè)相機(jī)可以捕捉到清晰的散斑圖案，導(dǎo)致得到的散斑對(duì)比度偏大。

表1 兩種調(diào)焦方式下的散斑對(duì)比度

3.2 散斑測(cè)量的影響參數(shù)

針對(duì)屏幕的不同位置，選取屏幕的中心，對(duì)左下和右下3個(gè)位置進(jìn)行RGBW4個(gè)場(chǎng)的散斑對(duì)比度測(cè)量，結(jié)果如表2所示。使用純激光光源顯示設(shè)備，測(cè)量過(guò)程中保持距離和各色場(chǎng)的曝光時(shí)間不變，進(jìn)行多組測(cè)量。測(cè)量發(fā)現(xiàn)，不同色場(chǎng)和屏幕不同位置的散斑對(duì)比度是有差別的。

表2 不同屏幕位置的散斑對(duì)比度

從表2中可以看出，由于激光顯示設(shè)備投影的特點(diǎn)，屏幕中心的亮度是最高的，左右兩邊的亮度次之，而且亮度的降低導(dǎo)致散斑對(duì)比度也隨之降低?？梢酝茢喑觯噬邔?duì)比度與激光投影設(shè)備的亮度高低有關(guān)系。屏幕中心明亮區(qū)域的散斑對(duì)比度要比屏幕左右區(qū)域的散斑對(duì)比度高。這也確實(shí)符合激光顯示設(shè)備投影亮度不均勻的特性，即中心亮，四周暗。

選取不同的測(cè)量距離進(jìn)行多組測(cè)量，分別選取1.0、1.2、1.5、2.0和2.5 m的測(cè)量距離，每次始終保證測(cè)量裝置對(duì)準(zhǔn)屏幕的中心，保持其他條件不變，進(jìn)行多次測(cè)量，并繪制曲線如圖6所示。

圖6 不同測(cè)量距離下的散斑對(duì)比度

從圖6可以看出，隨著測(cè)量距離變長(zhǎng)，散斑對(duì)比度隨之降低。這是因?yàn)殡S著距離變長(zhǎng)，相機(jī)捕捉到的散斑圖樣的清晰度會(huì)一定比例的降低，直接導(dǎo)致了彩色散斑對(duì)比度隨之降低，彩色散斑對(duì)比度與測(cè)量距離成反比。將測(cè)量距離定在1.2 m，工業(yè)相機(jī)可以拍攝到清晰的散斑圖案，此時(shí)投影設(shè)備的雜光對(duì)測(cè)量裝置也沒有較多的干擾。

激光散斑是由于相干光源干涉造成的現(xiàn)象[11]。為了使實(shí)驗(yàn)更具有科學(xué)性和對(duì)比性，本文對(duì)非相干光源進(jìn)行了散斑測(cè)量。使用LED白光或者自然光作為非相干光源，將白光投射到屏幕上模擬激光顯示的投影效果，得到的散斑對(duì)比度如表3所示。

使用非相干光源進(jìn)行顯示，理論上是不存在散斑現(xiàn)象的[12]，即非相干光源的散斑對(duì)比度應(yīng)該為0，但是實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的對(duì)比度卻不為0，這是由于工業(yè)相機(jī)的像素較高[13]，在拍攝到的圖片中，屏幕表面的微結(jié)構(gòu)會(huì)在計(jì)算中被當(dāng)成散斑進(jìn)行計(jì)算，使裝置最終測(cè)得的散斑對(duì)比度不為0。顯然，由于A4紙的微結(jié)構(gòu)較大，表面較為粗糙[14]，使散斑對(duì)比度值偏高。

影響散斑測(cè)量的因素非常多，本文對(duì)幾個(gè)較為關(guān)鍵的條件進(jìn)行了重復(fù)的測(cè)量，每次測(cè)量中都保證其他外部條件處于一致的狀態(tài)。為了模擬人眼觀察到的散斑，實(shí)驗(yàn)中將工業(yè)相機(jī)曝光時(shí)間的設(shè)置和人眼相關(guān)，這種基于人眼視覺的設(shè)置方式使得散斑對(duì)比度與人眼感知一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文使用激光顯示測(cè)量裝置對(duì)拍攝到的散斑圖片進(jìn)行散斑對(duì)比度測(cè)量。通過(guò)改變測(cè)量條件研究影響散斑對(duì)比度的關(guān)鍵因素。盡管散斑對(duì)比度對(duì)眾多測(cè)量參數(shù)具有一定的依賴性，且不同條件下測(cè)得的散斑對(duì)比度也很難保證其一致性，但經(jīng)過(guò)大量重復(fù)性的測(cè)量，可以盡量減少不確定的因素。使用這種標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量方法，會(huì)使測(cè)得的散斑對(duì)比度更具有對(duì)比性和真實(shí)性。