刘 红，舒 伟，刘默晗，许传林

（上海电机学院电子信息学院，上海 2013036）

目前，激光显示中的彩色散斑测量［1］在国内外的相关研究较少，国内少数做激光显示的团队进行散斑的测量和研究，利用工业CCD相机拍摄激光散斑并进行图像处理，最后计算散斑对比度，但尚未形成一套自动化、系统的测量方法。国外较为完善的测量激光散斑的装置是日本OXCIDE公司一台名为Doctor Speckle的机器，可以测量红、绿、蓝（RGB）三色的单色散斑，并由软件得出散斑对比度的值。

近年来，激光显示行业发展迅猛，热门的激光电视，就是激光显示行业的新兴产品。对于激光显示设备散斑的测量，不同的设备，不同的显示屏幕，各种参数都会影响散斑的测量，给精确测量散斑带来了不小的困难。因此，设计出一套科学且精确的散斑测量方法是非常有必要的［2］。

散斑是激光光源与生俱来的一种现象，国内外的相关技术对散斑的消除、减少并没有很有效的方法。本文介绍了相干光源产生散斑的原理，就激光散斑这一现象展开了研究，用严谨、科学的方法对激光散斑进行了测量［3］，探究影响散斑程度的关键参数。

1 散斑的介绍

激光投影显示设备会产生无法消除的散斑现象［4］。由于激光光源高度的相干性［5］和单色性，在激光投影设备发出光源时，多光源彼此会发生波的叠加，产生干涉现象［6］。根据惠更斯原理，激光投影显示设备照射到屏幕表面时，由于屏幕的表面微结构是粗糙的，当相干光源照射到这些粗糙的表面，可以把粗糙的表面看成是一个不规则的反射面，这些点会对入射的光源进行反射和透射，反射出来的光由于不同的相位彼此相遇又会发生干涉。数量庞大的干涉光线就形成了分布不规律的复合散斑［7］。工业相机拍摄到的激光投影设备散斑分布如图1所示。

图1 激光投影的散斑分布

在激光投影设备前放置一块光滑的菲涅尔屏幕，打开激光投影设备可以观察到屏幕上的散斑。散斑表现形式与屏幕表面的物理结构以及激光设备的相干性都有关［8］。

激光显示伴随的散斑现象会降低图像质量，减小图像分辨率，易使人眼产生视疲劳，长时间会使人感觉到不适。多年以来，人们误认为散斑是一种形成在显示屏幕上的现象，但其实这种观念是错误的。散斑其实是从屏幕上反射的激光干涉光线形成的。屏幕的粗糙程度对散斑也会产生较大影响［9］。人眼看到的散斑图案是悬浮在屏幕表面的激光干涉图案。原则上可以用一个2D图像传感器直接获取散斑图样。

2 测量装置及测量步骤

2.1 测量装置简介及测量原理

激光投影设备散斑测量装置主要由硬件和软件两部分组成。软件部分可以控制工业相机的拍摄和舵机的转动，从而将相机拍摄到的照片进行加工处理，计算彩色散斑的散斑对比度。硬件部分包括工业相机和控制滤光片盘转动的舵机。工业相机用于捕捉散斑，像素必须大于散斑的像素，因为散斑的尺寸总是小于屏幕上显示的像素的尺寸，为了保证散斑测量的精度，10倍以上的像素放大率是必须的。本文使用2 000万像素的海康威视工业相机，型号为MV-CE200-10UC，可以清晰拍摄屏幕上的散斑。使用的舵机是飞特PLC控制Modbus RTU协议的磁编码RS-485无刷高寿命智能伺服电动机。舵机由一块URT-1控制板通过USB线连电脑端进行控制。为了保证散斑测量的准确性，除了在夜间关闭相干光源之外，还搭建了一个简单的暗室。暗室中由背景光产生的照度低于0.1 lx，属于较为合格的暗室环境。激光显示投影设备散斑测量装置如图2所示。

图2 散斑测量装置

在国家标准20192055-T-339《激光显示器件第5-4部分：光学散斑的测量方法》中提到了两种测量散斑的方法，一种是采用XYZ滤光片的激光显示设备散斑测量方法，另一种则是采用RGB三色滤光片的散斑测量方法。本文采用的是测量更为准确的XYZ滤光片的方法。基本原理如图3所示。

图3 XYZ滤光片测量激光散斑原理图

使用XYZ滤光片测量激光散斑比RGB三色滤光片测量和光谱式三刺激值测量更加准确。X滤光片的两个峰难以保证光谱透过的精度，故使用Xb和Xr两个滤光片来实现。

2.2 测量步骤

连接测试装置，设置好装置中相机的曝光时间，调焦并拍摄4种滤光片下的散斑照片，将这些照片截取部分像素点进行筛选和计算，得到激光投影设备的散斑对比度。测量流程如图4所示。

图4 测量流程

2.3 散斑对比度的计算

散斑对比度是衡量激光显示设备散斑密集程度的一个指标。对于一幅具有明显散斑的图片，单色散斑对比度为

式中：σ为散斑图样强度的标准偏差；I为散斑图样的平均强度。

在激光显示散斑测量与计算中，RGB三色的单色散斑对比度可以用式（1）计算，但当测量白场的散斑对比度时，需运用彩色散斑对比度计算，即

式中：Y为光度分布的平均值。

3 实验测量结果及分析

3.1 不同调焦方式对散斑测量的影响

经过大量测量以及查阅相关论文和标准发现，在不改变装置和激光投影显示设备的条件下，计算得到的散斑对比度也会发生改变［10］。

在散斑的测量中发现，相机的调焦过程会有两种调焦方式，一种是将投影到屏幕上的字体轮廓进行清晰调焦，通过相机可以清楚地看到屏幕上的字体（屏幕调焦）；另一种则是不刻意对相机拍摄中的字体进行调焦，对拍摄图像出现的散斑图案进行调焦，这时相机捕获到的图片上显示的就是清晰的散斑图样（散斑调焦）。两种调焦方式如图5所示。虽然两次调焦幅度用肉眼分辨不出差距，却会对散斑对比度的测量和计算结果产生比较大的影响。

图5 两种调焦方式

针对这两种不同的调焦方式，操作如下。先用非相干光源的显示设备，调焦显示清晰字体，然后换激光相干光源显示设备。针对屏幕调焦的散斑对比度，对散斑进行调焦测量时，直接用激光相干光源进行调焦，直至屏幕出现清晰的散斑图案。

测量这两种调焦方式的色场散斑对比度，结果记录在表1中。其中，R、G、B、W分别表示红、绿、蓝、白。从表1可以看出，散斑调焦测量到的散斑对比度要比屏幕调焦测量到的数值大，这是因为散斑调焦工业相机可以捕捉到清晰的散斑图案，导致得到的散斑对比度偏大。

表1 两种调焦方式下的散斑对比度

3.2 散斑测量的影响参数

针对屏幕的不同位置，选取屏幕的中心，对左下和右下3个位置进行RGBW4个场的散斑对比度测量，结果如表2所示。使用纯激光光源显示设备，测量过程中保持距离和各色场的曝光时间不变，进行多组测量。测量发现，不同色场和屏幕不同位置的散斑对比度是有差别的。

表2 不同屏幕位置的散斑对比度

从表2中可以看出，由于激光显示设备投影的特点，屏幕中心的亮度是最高的，左右两边的亮度次之，而且亮度的降低导致散斑对比度也随之降低。可以推断出，彩色散斑对比度与激光投影设备的亮度高低有关系。屏幕中心明亮区域的散斑对比度要比屏幕左右区域的散斑对比度高。这也确实符合激光显示设备投影亮度不均匀的特性，即中心亮，四周暗。

选取不同的测量距离进行多组测量，分别选取1.0、1.2、1.5、2.0和2.5 m的测量距离，每次始终保证测量装置对准屏幕的中心，保持其他条件不变，进行多次测量，并绘制曲线如图6所示。

图6 不同测量距离下的散斑对比度

从图6可以看出，随着测量距离变长，散斑对比度随之降低。这是因为随着距离变长，相机捕捉到的散斑图样的清晰度会一定比例的降低，直接导致了彩色散斑对比度随之降低，彩色散斑对比度与测量距离成反比。将测量距离定在1.2 m，工业相机可以拍摄到清晰的散斑图案，此时投影设备的杂光对测量装置也没有较多的干扰。

激光散斑是由于相干光源干涉造成的现象[11]。为了使实验更具有科学性和对比性，本文对非相干光源进行了散斑测量。使用LED白光或者自然光作为非相干光源，将白光投射到屏幕上模拟激光显示的投影效果，得到的散斑对比度如表3所示。

使用非相干光源进行显示，理论上是不存在散斑现象的[12]，即非相干光源的散斑对比度应该为0，但是实验测量得到的对比度却不为0，这是由于工业相机的像素较高[13]，在拍摄到的图片中，屏幕表面的微结构会在计算中被当成散斑进行计算，使装置最终测得的散斑对比度不为0。显然，由于A4纸的微结构较大，表面较为粗糙[14]，使散斑对比度值偏高。

影响散斑测量的因素非常多，本文对几个较为关键的条件进行了重复的测量，每次测量中都保证其他外部条件处于一致的状态。为了模拟人眼观察到的散斑，实验中将工业相机曝光时间的设置和人眼相关，这种基于人眼视觉的设置方式使得散斑对比度与人眼感知一致。

4 结 语

本文使用激光显示测量装置对拍摄到的散斑图片进行散斑对比度测量。通过改变测量条件研究影响散斑对比度的关键因素。尽管散斑对比度对众多测量参数具有一定的依赖性，且不同条件下测得的散斑对比度也很难保证其一致性，但经过大量重复性的测量，可以尽量减少不确定的因素。使用这种标准化测量方法，会使测得的散斑对比度更具有对比性和真实性。