[激光投影显示中散斑的测量] 激光投影机的优缺点

　　摘 要：散斑普遍存在于激光显示系统中，严重地影响了画面质量，散斑的测量显得尤为重要。为了确立一套激光显示中散斑测量的方法，文章用散斑对比度作为散斑强弱程度的衡量，采用CCD相机拍照的方法，利用MATLAB进行图像处理，求得散斑对比度的数值。通过大量的实验，分别测量了投影画面的亮度、CCD相机的参数设置等测量参数对散斑对比度数值的影响，通过经验和分析，确定了每个测量参数的取值，提出了一套激光显示中散斑测量的方法，使得测量装置能够最大程度地模拟人眼的视觉效果，真实地反映了散斑对于图像质量的影响。按照这套方法进行散斑测量，不同投影机的散斑对比度在数值上具有可比性，便于评价不同投影机的图像质量。
　　关键词： 测量；散斑；激光显示；CCD相机；MATLAB
　　中图分类号：O436 文献标识码：A
　　
　　Speckle Measurement in Laser Projection Display
　　
　　TIAN You-liang1,3, WANG Hui2, CHEN Yu3, LI De-hua1
　　(1. College of Science, Shandong University of Science and Technology, Qingdao Shandong 266590, China; 2. College of Information and Electrical Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao Shandong 266590, China; 3. National Key Lab of Hisense Group Digital Multimedia Technology, Qingdao Shandong 266071, China)
　　
　　Abstract: For seriously affecting the definition of image, speckle measurement is very important in laser display systems. In order to establish a speckle measurement method in laser display, we use speckle contrast as the scalage of speckle in this paper. Taking photos of the image by CCD camera and doing image processing in MATLAB, we obtain the speckle contrast data. The affection of image brightness, camera parameter setting and other factors were measured through lots of experiments. We set the parameters value to establish a measurement method by analyzing the experiments and experience. Our measurement system can maximally simulate human eyes" visual effect. Following this method of speckle measurement, the speckle of different projectors can be compared numerically and the image quality will be evaluated easily.
　　Keywords: Measurement; Speckle; Laser Display; CCD Camera; MATLAB
　　
　　引 言
　　
　　 目前，投影机采用的光源主要有超高压汞灯、LED和RGB三色激光[1]，其中超高压汞灯较低的寿命以及昂贵的价格大大地增加了使用成本，不利于投影机的大范围普及；LED光源光束质量较差，光能不易收集，LED投影机的亮度普遍达不到理想的要求；激光显示采用RGB三色激光器作为光源，其大色域、高亮度、高寿命等优点，被认为是最理想的投影光源[2]。但是，激光光源超高的相干性使得投影在粗糙屏幕上的画面产生颗粒状的光斑结构――散斑，严重地影响了投影画面的质量，阻碍了激光显示的实用化，成为激光显示领域的一大难题。
　　 在激光投影显示领域中，散斑的出现成为令人烦扰的现象，严重影响人们从图像中提取信息的能力，散斑的强弱甚至直接决定了投影机的图像质量，所以散斑的测量显得尤为重要。散斑的强弱很大程度上取决于测量装置，同一个激光投影机在不同的测量装置下得到的散斑数值很可能不同，因此，确立一套精准合理的散斑测量方案非常必要。
　　 目前，国内外关于散斑测量的工作相对较少，比利时的巴可公司提出了一套测量激光投影机散斑的方案[4]，该方案通过设定测量参数使得散斑达到最大值，按照该方案搭建的测量装置，可以在数值上比较不同的投影机的散斑强弱，但是，散斑归根结底还是一种人眼观察到的现象，我们认为最理想的散斑测量方案是能够模拟人眼，并且可以适用于不同的激光投影机。本文通过研究几个重要测量参数的变化对散斑的影响，规定了散斑测量装置的几个重要参数的取值，确立了一套散斑的测量方案，使得测量装置模拟人眼具有最佳效果。
　　
　　1 实验装置
　　
　　 散斑对比度是图像上颗粒状斑点密集程度的表征，对于一幅图像，散斑对比度定义[3]为：
　　 其中σ为图像每一点强度的标准差，I为图像上各点强度的均值。本文采用CCD相机拍照的方法[4]测量散斑对比度，相机的每一个像素作为一个采样点，通过计算得到散斑对比度的数值。
　　 激光投影机的红光和蓝光光源采用半导体激光器，其频谱宽度为2～3nm，对散斑的贡献较小，而绿光光源采用全固态倍频激光器，其频谱宽度只有0.1nm，加之人眼对绿光非常敏感，所以绿光成为影响散斑强弱的关键因素。如图1所示，本实验装置测量激光投影机在静态绿场下的散斑对比度，作为激光投影机的散斑对比度。利用CCD相机拍照的方法获得屏幕上图像的信息，然后将图像信息导入计算机，利用MATLAB软件编写程序计算散斑对比度，计算机和软件程序构成了图像处理器。散斑对比度的测量步骤如下：
　　 （1） 打开激光投影机，调至测试模式下的绿场，投射到投影屏幕上面；
　　 （2） 连接好CCD相机和图像处理器，确定CCD相机到屏幕的距离，设定CCD相机的F-number值和曝光时间，并调节焦距使画面清晰；
　　 （3） 用CCD相机对准屏幕拍照，并将图像信息导入到图像处理器中，运行程序计算出散斑对比度的数值。
　　2 实验结果分析
　　
　　 经过研究发现，影响散斑对比度测量的参数主要有以下几个：投影画面的亮度、CCD相机的参数设置、CCD相机与投影幕的距离和角度、投影幕的类型等。本文采用图1所示的散斑测量装置，测量不同参数下的散斑对比度数值，通过分析得到不同参数与散斑对比度之间的关系，然后确定这些参数的取值，使之能最大程度地模拟人眼。下面逐个讨论每个参数变化对散斑对比度测量的影响。
　　
　　2.1 投影画面的亮度
　　 在实际的散斑测量中，不同的投影机投射出的画面在亮度上也有较大差异，从散斑理论可以得出，理想情况下画面亮度的均匀增减不会影响散斑对比度的数值，但是，人眼在实际观察中通常难以分辨亮度较暗的散斑图像，导致实际观察到的散斑减弱。由于人眼在正常情况下的F-number变化范围[5]是6～8，我们将CCD相机的F-number分别设为6和8，通过电路控制激光投影机使投射到屏幕上的画面亮度依次变化，用照度计测得画面最亮模式下为600 lm，将此时的亮度值设定为100，画面亮度依次变暗到30，在距离屏幕1m和2m的位置分别测量散斑对比度，所得的数据如图2所示。
　　 本实验中投影机与屏幕的距离为2.6m，投影画面为65英寸。从图2中的变化曲线可以看出，当激光投影机画面的亮度在50～100的范围内变化时，散斑对比度基本上是不变的，随着亮度衰减到30，散斑对比度会变小，但是变化幅度不是很大。所以我们规定，F-number在6～8之间，投影画面的尺寸在65英寸以上时，激光投影机的亮度要设定在180 lm以上。人眼的F-number是一定的，所以如果投影机的亮度较低，只能通过调节投影画面的大小来满足上述要求。由于CCD相机感测到的亮度与投影画面的面积成正比，如果激光投影机的亮度为φ，那么投影机画面的尺寸应小于0.36×φ。
　　
　　2.2 CCD相机的参数设置
　　 CCD相机是测量散斑对比度的核心器件，相机的参数设置直接决定了散斑对比度测量的准确性和可靠性，对散斑对比度测量影响最大的参数是曝光时间和F-number值。我们按照前面所述的散斑对比度的测量步骤，分别变化CCD相机的曝光时间和F-number值，并测得相应的散斑对比度的数值，绘制成曲线如图3所示，（a）为散斑对比度随曝光时间的变化曲线，从图中可以看出，随着曝光时间的加长，散斑对比度近似均匀地降低，对于每个曝光时间，我们对比CCD相机拍摄的照片和投影画面的亮度，肉眼对比发现曝光时间为50ms的时候，CCD相机拍摄的照片的亮度最接近投影画面的亮度，所以我们规定，在散斑对比度测量中，CCD相机的曝光时间设为50ms；（b）为散斑对比度随CCD相机F-number的变化曲线，从图中可以看出，散斑对比度随着F-number的增大而增大，F-number在6～8之间散斑对比度迅速增大，在8～16之间变化很小，我们规定，相机的F-number设为8，不仅与人眼的F-number值相近，而且测量误差小。
　　
　　2.3 CCD相机与投影屏幕的位置关系
　　 CCD相机与屏幕之间距离的变化也会显著改变散斑对比度，人眼的理论分别能力是1角分[5]，转换成弧度是0.000291rad，假设激光投影机的分辨率为m×n，投影画面的像高为H，投影距离为L，那么最理想的观看距离为：
　　 如果投影机的分辨率为1,920×1,080，像高为80cm，那么最理想的观看距离为2.5m。我们规定，散斑对比度的测量中CCD相机与投影屏幕之间的距离设定为L，数值由公式（2）给出。
　　 另外，在散斑对比度的测量中，CCD相机与屏幕之间的角度也会影响散斑对比度的数值，这里CCD相机的倾斜角度为CCD相机与投影屏幕法线的夹角。按照前述测量步骤搭建好测量装置，将CCD相机倾斜角度依次设为0°、30°、45°和60°，分别在距离投影屏幕1m和3m的位置测量每个倾斜角度下的散斑对比度，绘制成曲线如图4所示。
　　 从图中我们可以看出，距离为1m的位置在倾斜角度变化的时候，散斑对比度变化不大；而在距离3m的位置，倾斜角度在30°以内散斑对比度变化很小，倾斜角度在30°以上时，散斑对比度会显著降低。我们规定，在散斑对比度测量中，CCD相机尽量与屏幕垂直，倾斜角度允许的误差范围为20°。
　　
　　2.4 投影屏幕
　　 投影屏幕的类型[6]也会对散斑对比度的测量产生很大影响，屏幕的增益、表面粗糙度和极化特性都会很大程度上影响散斑对比度的数值，其中影响最大的是屏幕的极化特性。如果光源和屏幕是正交极化的，那么散斑对比度最大可以降低到原来的1/2。由于特殊的屏幕价格较高，不易获得，我们规定，在散斑对比度的测量中，使用普通的投影屏幕，没有极化和增益特性。
　　
　　3 结 论
　　
　　 散斑现象普遍存在于激光投影系统中，严重影响了显示画面的质量，散斑对比度表征了显示画面散斑的强弱，成为影响画质的重要参数，其测量显得非常重要。散斑对比度对于测量参数的依赖性很大，不同的测量条件下得到的散斑对比度在数值上也有很大的差异。本文通过大量的实验，分别测量了投影画面的亮度、CCD相机的参数设置等测量参数对散斑对比度的影响，通过经验和分析，给出了一套激光显示散斑测量的方案，规定了各个测量参数的取值，使得模拟人眼的效果最佳。按照此方案进行散斑测量，散斑对比度在数值具有可比性，便于鉴别不同投影机散斑的强弱。
　　 稿件创新点：目前关于激光显示散斑的测量标准还不成熟，本文通过研究测量条件对散斑对比度的影响，以最大限度模拟人眼为标准，给出了一套散斑测量的方案，规范了散斑的测量，使得不同投影机的散斑的测量数值具有可比性。
　　
　　参考文献
　　[1] Matthew S. Brennesholtz, Edward H. Stupp. Projection Displays[M]. WILEY Press, 2008, 169～211.
　　[2] Charles E. Laser display technology[J]. IEEE,1968, 5(12): 39～50.
　　[3] Joseph W.Goodman. 光学中的散斑现象[M]. 科学出版社，2007. 23～24.
　　[4] Peter Janssens. Laser projector speckle measurement[C]. SID, 2009.
　　[5] 赵凯华. 光学[M]. 北京：高等教育出版社，2004，64～66.
　　[6] Jahja I. Trisnadi. Speckle contrast reduction in laser projection displays[J]. SPIE, 2002.省略。李德华（1964-），男，博士，副教授，主要从事THz技术方面的研究，Email：jcbwl@sdust.省略。

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