激光顯示中的彩色散斑測量研究

劉 紅，舒 偉，劉默晗，許傳林

（上海電機學院電子信息學院，上海 2013036）

目前，激光顯示中的彩色散斑測量［1］在國內外的相關研究較少，國內少數做激光顯示的團隊進行散斑的測量和研究，利用工業CCD相機拍攝激光散斑并進行圖像處理，最后計算散斑對比度，但尚未形成一套自動化、系統的測量方法。國外較為完善的測量激光散斑的裝置是日本OXCIDE公司一臺名為Doctor Speckle的機器，可以測量紅、綠、藍（RGB）三色的單色散斑，并由軟件得出散斑對比度的值。

近年來，激光顯示行業發展迅猛，熱門的激光電視，就是激光顯示行業的新興產品。對于激光顯示設備散斑的測量，不同的設備，不同的顯示屏幕，各種參數都會影響散斑的測量，給精確測量散斑帶來了不小的困難。因此，設計出一套科學且精確的散斑測量方法是非常有必要的［2］。

散斑是激光光源與生俱來的一種現象，國內外的相關技術對散斑的消除、減少并沒有很有效的方法。本文介紹了相干光源產生散斑的原理，就激光散斑這一現象展開了研究，用嚴謹、科學的方法對激光散斑進行了測量［3］，探究影響散斑程度的關鍵參數。

1 散斑的介紹

激光投影顯示設備會產生無法消除的散斑現象［4］。由于激光光源高度的相干性［5］和單色性，在激光投影設備發出光源時，多光源彼此會發生波的疊加，產生干涉現象［6］。根據惠更斯原理，激光投影顯示設備照射到屏幕表面時，由于屏幕的表面微結構是粗糙的，當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不規則的反射面，這些點會對入射的光源進行反射和透射，反射出來的光由于不同的相位彼此相遇又會發生干涉。數量龐大的干涉光線就形成了分布不規律的復合散斑［7］。工業相機拍攝到的激光投影設備散斑分布如圖1所示。

圖1 激光投影的散斑分布

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

激光顯示伴隨的散斑現象會降低圖像質量，減小圖像分辨率，易使人眼產生視疲勞，長時間會使人感覺到不適。多年以來，人們誤認為散斑是一種形成在顯示屏幕上的現象，但其實這種觀念是錯誤的。散斑其實是從屏幕上反射的激光干涉光線形成的。屏幕的粗糙程度對散斑也會產生較大影響［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2D圖像傳感器直接獲取散斑圖樣。

2 測量裝置及測量步驟

2.1 測量裝置簡介及測量原理

激光投影設備散斑測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相機的拍攝和舵機的轉動，從而將相機拍攝到的照片進行加工處理，計算彩色散斑的散斑對比度。硬件部分包括工業相機和控制濾光片盤轉動的舵機。工業相機用于捕捉散斑，像素必須大于散斑的像素，因為散斑的尺寸總是小于屏幕上顯示的像素的尺寸，為了保證散斑測量的精度，10倍以上的像素放大率是必須的。本文使用2 000萬像素的?？低暪I相機，型號為MV-CE200-10UC，可以清晰拍攝屏幕上的散斑。使用的舵機是飛特PLC控制Modbus RTU協議的磁編碼RS-485無刷高壽命智能伺服電動機。舵機由一塊URT-1控制板通過USB線連電腦端進行控制。為了保證散斑測量的準確性，除了在夜間關閉相干光源之外，還搭建了一個簡單的暗室。暗室中由背景光產生的照度低于0.1 lx，屬于較為合格的暗室環境。激光顯示投影設備散斑測量裝置如圖2所示。

圖2 散斑測量裝置

在國家標準20192055-T-339《激光顯示器件第5-4部分：光學散斑的測量方法》中提到了兩種測量散斑的方法，一種是采用XYZ濾光片的激光顯示設備散斑測量方法，另一種則是采用RGB三色濾光片的散斑測量方法。本文采用的是測量更為準確的XYZ濾光片的方法。基本原理如圖3所示。

圖3 XYZ濾光片測量激光散斑原理圖

使用XYZ濾光片測量激光散斑比RGB三色濾光片測量和光譜式三刺激值測量更加準確。X濾光片的兩個峰難以保證光譜透過的精度，故使用Xb和Xr兩個濾光片來實現。

2.2 測量步驟

連接測試裝置，設置好裝置中相機的曝光時間，調焦并拍攝4種濾光片下的散斑照片，將這些照片截取部分像素點進行篩選和計算，得到激光投影設備的散斑對比度。測量流程如圖4所示。

圖4 測量流程

2.3 散斑對比度的計算

散斑對比度是衡量激光顯示設備散斑密集程度的一個指標。對于一幅具有明顯散斑的圖片，單色散斑對比度為

式中：σ為散斑圖樣強度的標準偏差；I為散斑圖樣的平均強度。

在激光顯示散斑測量與計算中，RGB三色的單色散斑對比度可以用式（1）計算，但當測量白場的散斑對比度時，需運用彩色散斑對比度計算，即

式中：Y為光度分布的平均值。

3 實驗測量結果及分析

3.1 不同調焦方式對散斑測量的影響

經過大量測量以及查閱相關論文和標準發現，在不改變裝置和激光投影顯示設備的條件下，計算得到的散斑對比度也會發生改變［10］。

在散斑的測量中發現，相機的調焦過程會有兩種調焦方式，一種是將投影到屏幕上的字體輪廓進行清晰調焦，通過相機可以清楚地看到屏幕上的字體（屏幕調焦）；另一種則是不刻意對相機拍攝中的字體進行調焦，對拍攝圖像出現的散斑圖案進行調焦，這時相機捕獲到的圖片上顯示的就是清晰的散斑圖樣（散斑調焦）。兩種調焦方式如圖5所示。雖然兩次調焦幅度用肉眼分辨不出差距，卻會對散斑對比度的測量和計算結果產生比較大的影響。

圖5 兩種調焦方式

針對這兩種不同的調焦方式，操作如下。先用非相干光源的顯示設備，調焦顯示清晰字體，然后換激光相干光源顯示設備。針對屏幕調焦的散斑對比度，對散斑進行調焦測量時，直接用激光相干光源進行調焦，直至屏幕出現清晰的散斑圖案。

測量這兩種調焦方式的色場散斑對比度，結果記錄在表1中。其中，R、G、B、W分別表示紅、綠、藍、白。從表1可以看出，散斑調焦測量到的散斑對比度要比屏幕調焦測量到的數值大，這是因為散斑調焦工業相機可以捕捉到清晰的散斑圖案，導致得到的散斑對比度偏大。

表1 兩種調焦方式下的散斑對比度

3.2 散斑測量的影響參數

針對屏幕的不同位置，選取屏幕的中心，對左下和右下3個位置進行RGBW4個場的散斑對比度測量，結果如表2所示。使用純激光光源顯示設備，測量過程中保持距離和各色場的曝光時間不變，進行多組測量。測量發現，不同色場和屏幕不同位置的散斑對比度是有差別的。

表2 不同屏幕位置的散斑對比度

從表2中可以看出，由于激光顯示設備投影的特點，屏幕中心的亮度是最高的，左右兩邊的亮度次之，而且亮度的降低導致散斑對比度也隨之降低。可以推斷出，彩色散斑對比度與激光投影設備的亮度高低有關系。屏幕中心明亮區域的散斑對比度要比屏幕左右區域的散斑對比度高。這也確實符合激光顯示設備投影亮度不均勻的特性，即中心亮，四周暗。

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

圖6 不同測量距離下的散斑對比度

從圖6可以看出，隨著測量距離變長，散斑對比度隨之降低。這是因為隨著距離變長，相機捕捉到的散斑圖樣的清晰度會一定比例的降低，直接導致了彩色散斑對比度隨之降低，彩色散斑對比度與測量距離成反比。將測量距離定在1.2 m，工業相機可以拍攝到清晰的散斑圖案，此時投影設備的雜光對測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象[11]。為了使實驗更具有科學性和對比性，本文對非相干光源進行了散斑測量。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，得到的散斑對比度如表3所示。

使用非相干光源進行顯示，理論上是不存在散斑現象的[12]，即非相干光源的散斑對比度應該為0，但是實驗測量得到的對比度卻不為0，這是由于工業相機的像素較高[13]，在拍攝到的圖片中，屏幕表面的微結構會在計算中被當成散斑進行計算，使裝置最終測得的散斑對比度不為0。顯然，由于A4紙的微結構較大，表面較為粗糙[14]，使散斑對比度值偏高。

影響散斑測量的因素非常多，本文對幾個較為關鍵的條件進行了重復的測量，每次測量中都保證其他外部條件處于一致的狀態。為了模擬人眼觀察到的散斑，實驗中將工業相機曝光時間的設置和人眼相關，這種基于人眼視覺的設置方式使得散斑對比度與人眼感知一致。

4 結 語

本文使用激光顯示測量裝置對拍攝到的散斑圖片進行散斑對比度測量。通過改變測量條件研究影響散斑對比度的關鍵因素。盡管散斑對比度對眾多測量參數具有一定的依賴性，且不同條件下測得的散斑對比度也很難保證其一致性，但經過大量重復性的測量，可以盡量減少不確定的因素。使用這種標準化測量方法，會使測得的散斑對比度更具有對比性和真實性。