轉動隨機微透鏡陣列對激光顯示中散斑的抑制

付瀚毅，劉偉奇，魏忠倫，康玉思，陶淑蘋，馮 睿，張大亮

（1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 100049）

1 概 述

近年來人們對視頻顯示的畫面要求不斷提高，不僅追求畫面的細膩，更為追求畫面的艷麗，這就要求顯示設備能呈現色彩更為豐富的圖像。為了能讓顯示設備展現更多更飽和的色彩，廣色域顯示成為了未來一個重要的發展方向。激光顯示技術作為新一代的顯示技術，具有其他顯示方式無法比擬的顯著優點：色域寬廣、顏色飽和度高、壽命長、無有害電磁射線輻射等。因此，激光顯示技術受到了越來越多的關注。激光顯示采用激光作為光源，激光的單色性好、飽和度高，紅、綠、藍三基色激光位于色域圖的邊緣，這樣就使得它所能覆蓋的色域更大。但是正是由于激光單色性好的特性，使得在用激光進行投影的過程中會產生“散斑”現象，這種現象會極大地影響到激光電視畫面的質量［1－3］。

國內外學者們為了抑制散斑做出了很多努力，提出了很多抑制散斑的方法，如旋轉光纖法、轉動勻光棒法、震動屏幕法、多波長法和相位元件法等。但是都有各自的不足之處，如結構復雜、成本高、抑制散斑效果一般等［4－5］。

本文通過對隨機漫射體抑制散斑的原理進行分析，提出了轉動“隨機透鏡陣列”抑制散斑的結構，這種結構具有實現方法簡單、成本低、占用空間小、光能利用率高和抑制散斑效果好的特點。經過實驗驗證。可以將散斑對比度降低到1.15%，在日常使用的條件下達到了人眼分辨不出散斑的水平。為激光顯示提供了一種簡單高效的抑制散斑的方式。

2 隨機漫射體抑制散斑的原理

激光照射在一個用波長來度量是粗糙的表面（如投影屏幕）上時，激光會在空間上發生干涉，形成散斑。如果一個激光器發出的激光對物（如LCD芯片）照明，并且在它與激光器之間有一個運動的漫射體緊靠著它，漫射體的表面相對于光波來說是粗糙的。圖1表示投影系統光路，圖中（a）是一個普通投影系統，其中不包含漫射體，（b）是在投影系統當中加入了運動的漫射體。假設這個運動的漫射體運動速度為v，并且沿某一方向轉動。

圖1 投影光學系統示意圖Fig.1 Sketch of projection system

隨著漫射體的不斷地運動，照射在物上的每個點的光的位相也在不斷的變化，于是對像上給定的任一點，物上對此像點有貢獻的區域產生的振幅隨機移動也在不斷變化，此時對這個像點的各個貢獻相位以復雜的方式隨時間變化。隨著時間推移，使像中任一點上的散斑強度隨時間變化。在積分時間T內測量得到的強度是在多個獨立的散斑的積分。如果在積分時間T內產生了M幅不同的散斑圖樣，那么根據Goodman的理論，散斑的對比度可以降低為

3 隨機微透鏡陣列抑制散斑結構

一般的漫射體由磨砂玻璃＼彩色玻璃或者全息元件制造，在整個通光孔徑里面由一個可重復均勻的平面構成，對發光區域內的亮度和形狀只能進行有限的控制，因此導致入射光的利用率很低。在激光顯示中，要同時考慮亮度的均勻性和光能的利用率，所以我們考慮用一種出射光亮度均勻的，并且有固定出射角度的漫射體。一種“隨機微透鏡陣列”可以實現如上要求。

這種“隨機微透鏡陣列”與磨砂玻璃、乳色玻璃和全息元件等隨機漫射體有著很多的區別，“隨機微透鏡陣列”由許多不同的，單獨的可控微透鏡單元組成，可以對整個發光分布區域和光束質量進行控制。與此同時，微透鏡分布還移除了零級亮斑和出射光的衍射。圖2展示了“隨機微透鏡陣列”在電子掃描顯微鏡下的圖像。

圖2 顯微鏡下“隨機微透鏡陣列”的結構Fig.2 Structure of the“random micro－lens array”under microscope

圖3 LED手電直接照射和經過“隨機微透鏡陣列”后的效果對比Fig.3 Comparison between the light illuminated by the LED glim directly and through the“random micro－lens array”

圖3為LED手電直接照射和經過“隨機微透鏡陣列”后的效果對比。經“隨機微透鏡陣列”后發出的光是具有一定發散角的，并在屏幕上形成均勻的光斑。

“隨機微透鏡陣列”的另外一個特點是可以提供特定的發散角，如圖4所示。圖5為LED手電經“隨機微透鏡陣列”后的亮度分布，其中右側的紅線為未經“隨機微透鏡陣列”的亮度分布，黑色的為經過“隨機微透鏡陣列”后的亮度分布，可見經過”隨機微透鏡陣列”后其能量分布均勻的分布在一定的發散角內。

圖4 “隨機微透鏡陣列”的發散特性Fig.4 Diverge characteristic of the diffuser

與其他漫射體相比，“隨機微透鏡陣列”還有著更高的透射率，其透過率為92%，我們對“隨機微透鏡陣列”的后表面鍍可見光波段的增透膜，可以進一步將其透過率提高到95%。所以這種隨機漫射體不但可以控制出射光的發散角度，在透過率方面的性能指標也比較出色，這樣光能利用率可以有很大的提高，這對于激光顯示中抑制散斑的應用可以說是非常完美的。

圖5 經“隨機微透鏡陣列”后LED手電亮度分布Fig.5 Light distribution of the LED glim after going through the“random micro－lens array”

我們將半徑為35mm的圓形“隨機微透鏡陣列”固定在轉動電機上，由電機帶動其轉動，結構如圖6所示。

圖6 轉動“隨機微透鏡陣列”結構Fig.6 Structure of rotating“random micro－lens array”

根據我們之前的分析，為了實現抑制散斑的效果，我們要求在人眼的曝光時間內，要求有M幅完全不同的散斑圖樣，這樣散斑的對比度可以降低為。

我們將由于激光光纖輸出的光束經過擴束后到達“隨機微透鏡陣列”上的光斑為大小為一半徑4mm的圓形光斑。而在被照處的光斑中心與“隨機微透鏡陣列”轉軸中心的半徑為30mm，那么在被照光斑中心處，周長約為189mm。如果光斑在“隨機微透鏡陣列”上運動1／10個光斑半徑視為產生一種不同的散斑圖案，那么當“隨機微透鏡陣列”轉動一周我們可以得到473幅完全不同的散斑圖像。電機為7200r／min，人眼的積分時間在1／24s，這樣在人眼的積分時間內，電機轉動5圈，一共產生473×5幅不同的散斑圖像，不過事實上散斑圖像的數目比這還要多，在這里我們只是做一個粗略的估計。那么根據我們估計的散斑圖像的數目，從理論上來計算，散斑的對比度可 以降低到1／槡473×5＝0.0205，也就是2.05%，而根據以往的經驗，當在正常的距離下觀看激光電視，散斑降低到4%以下，人眼便不易分辨出散斑，所以從我們的粗略估計，散斑的對比度已經降低到了一個人眼不易察覺的水平，在我們之后的測試中可以看出畫面變得非常細膩，人眼完全觀察不到散斑現象，而且散斑的對比度要比我們粗略估計的還要低。

4 散斑的測試

由于紅、綠、藍三基色的激光中兩個或三個同時輸出時，兩個波長之間并不產生干涉現象，但是它們在一定區域內的光強會在屏幕上進行疊加，由一種波長產生的散斑的“暗點”有可能被另一種波長產生的散斑的“亮點”補充，從而削弱實際散斑的效果。所以要考察散斑的實際分布，我們只將單色的激光投影到屏幕上，這里我們用綠色激光進行測試［9］。

測試步驟為：

（1）將電腦連接激光電視，并輸出一幅單一綠色的畫面；

（2）用相機對屏幕上的雜散斑圖像進行拍攝；

（3）然后用Matlab描繪雜散斑光強分布圖，程序如下：

I＝imread（＊＊.jpg）； %%%讀取散斑圖像I＝rgb2gray（I）； %%%將散斑圖像轉為灰度圖像；I＝double（I）； %%%將I轉為double格式mesh（I） %%%繪制強度直方圖

（4）計算散斑對比度，程序如下：

I＝imread（＊＊.jpg）； %%%讀取散斑圖像I＝rgb2gray（I）； %%%將散斑圖像轉為灰度圖像I＝double（I）； %%%將I轉為double格式C＝std（I）／mean（I） %%%計算散斑對比度

為了考察用“隨機微透鏡陣列”抑制散斑的效果，首先對未加入任何抑制散斑結構的激光電視進行測試，然后對加入轉動勻光棒的激光電視進行測試，最后對加入轉動“隨機微透鏡陣列”的激光電視進行散斑評價。

我們對未加入任何抑制散斑結構的散斑圖樣進行測試，拍攝圖像如圖7所示，可以看到，未加入任何抑制散斑結構的激光電視呈現的畫面散斑嚴重且極為不均勻，令人難以接受。

圖7 未經任何抑制散斑結構散斑圖像Fig.7 Image of the speckle with no speckle reduction

經Matlab計算光強分布圖如圖8所示，散斑對比度為17.46%，可以看出散斑對比度很高，通過人眼可以清楚地看出散斑效果。

圖8 未經任何抑制散斑結構得到的光強分布Fig.8 Light intensity distribution of the speckle with no speckle reduction

下面將光學系統中加入轉動勻光棒，考察加入轉動勻光棒后抑制散斑的的效果。圖9為拍攝的散斑圖像。

圖9 加入轉動勻光棒后的散斑圖像Fig.9 Image of the speckle with rotating uniform light stick

經Matlab計算光強分布圖如圖10所示，經計算散斑對比度為5.42%：

圖10 加入轉動勻光棒后的散斑圖像Fig.10 Light intensity distribution of the speckle with rotating uniform light stick

下面將光學系統中加入轉動的“隨機微透鏡陣列”，并用1／80s的曝光時間對散斑進行拍攝，這個曝光時間要比人眼的響應時間短很多，這樣可以看出相對靜態的散斑效果，散斑圖像如圖11所示。

圖11 加入轉動“隨機微透鏡陣列”后用1／80s的曝光時間拍攝的散斑圖像Fig.11 Image of the speckle with rotating“random micro－lensarray”exposed in 1／80s

經Matlab計算光強分布圖如圖12所示，經計算散斑對比度為2.89%。

可以看出加入”隨機微透鏡陣列”后光強分布變得“平整”，同時散斑對比度降低到很低的水平。接下來我們用人眼的響應時間1／30s的曝光時間來對散斑進行拍攝，從而考察實際應用當中也就是人眼所觀察到的散斑的對比度，散斑圖像如圖13所示，可以看出由于拍攝曝光時間的增加，圖像的亮度也有所增加，整體畫面也相對均勻。

經Matlab計算光強分布圖如圖14所示，經計算散斑對比度為1.15%：

圖12 加入轉動“隨機微透鏡陣列”后用1／80s的曝光時間拍攝的光強分布Fig.12 Light intensity distribution of the speckle with rotating diffuser exposed in 1／80s

圖13 加入轉動“隨機微透鏡陣列”后用1／24s的曝光時間拍攝的散斑圖像Fig.13 Image of the speckle with rotating “random micro－lens array”exposed in 1／24s

圖14 加入轉動“隨機微透鏡陣列”后用1／24s的曝光時間拍攝的光強分布Fig.14 Light intensity distribution of the speckle with rotating “random micro－lens array”exposed in 1／80s

所以加入轉動“隨機微透鏡陣列”后散斑的對比度有極大的降低，通過對1／80s曝光時間和1／24s的曝光時間下兩幅強度分布圖的對比可以看出：如果在相差這短時間內，在激光電視的屏幕上并沒有形成很多幅不同的散斑圖像，而是相對靜態的散斑圖樣，隨著積分時間的增加，光強強的點會更強，光強弱的點會更弱，這樣散斑對比度會更大。但是實驗的事實證明，散斑對比度有了顯著地降低，同時通過兩個數據我們可以發現，積分時間后者是前者的3倍，而散斑對比度也下降到接近原來的1／3。由此可以推斷在3倍的時間內，屏幕上產生了3倍不同的散斑圖像，從而使散斑對比度降低。這也是對我們之前的理論分析的肯定。

5 結 論

利用轉動“隨機微透鏡陣列”的結構可以將散斑對比度降低到1.15%，抑制散斑達到人眼無法分辨的水平，解決了長期以來激光散斑對激光電視成像質量的影響，與此同時由于這種結構小巧，不會占用整個光學系統很大的空間，且光能利用率高、運行穩定、無風險，這也給今后激光電視的小型化帶來了福音。

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［5］ 田志輝，劉偉奇，李霞，等 .激光顯示中散斑的減弱［J］.光學 精密工程，2007，15（9）：1366－1370.Tian Z H，Liu W Q，Li X，et al.Speckle contrast reduction in laser display［J］.Optics and Precision Engineering，2007，15（9）：1366－1370.（in Chinese）

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［8］ Francon M.Laser Speckle and Applications in Optics ［M］.Elsevier，2012.

［9］ Baribeau R，Rioux M.Influence of speckle on laser range finders［J］.Applied Optics，1991，30（20）：2873－2878.