轉(zhuǎn)動(dòng)隨機(jī)微透鏡陣列對(duì)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(píng)，馮 睿，張大亮

（1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

1 概 述

近年來(lái)人們對(duì)視頻顯示的畫(huà)面要求不斷提高，不僅追求畫(huà)面的細(xì)膩，更為追求畫(huà)面的艷麗，這就要求顯示設(shè)備能呈現(xiàn)色彩更為豐富的圖像。為了能讓顯示設(shè)備展現(xiàn)更多更飽和的色彩，廣色域顯示成為了未來(lái)一個(gè)重要的發(fā)展方向。激光顯示技術(shù)作為新一代的顯示技術(shù)，具有其他顯示方式無(wú)法比擬的顯著優(yōu)點(diǎn)：色域?qū)拸V、顏色飽和度高、壽命長(zhǎng)、無(wú)有害電磁射線輻射等。因此，激光顯示技術(shù)受到了越來(lái)越多的關(guān)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(lán)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(jìn)行投影的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生“散斑”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)極大地影響到激光電視畫(huà)面的質(zhì)量［1－3］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者們?yōu)榱艘种粕咦龀隽撕芏嗯Γ岢隽撕芏嘁种粕叩姆椒?，如旋轉(zhuǎn)光纖法、轉(zhuǎn)動(dòng)勻光棒法、震動(dòng)屏幕法、多波長(zhǎng)法和相位元件法等。但是都有各自的不足之處，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、抑制散斑效果一般等［4－5］。

本文通過(guò)對(duì)隨機(jī)漫射體抑制散斑的原理進(jìn)行分析，提出了轉(zhuǎn)動(dòng)“隨機(jī)透鏡陣列”抑制散斑的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)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(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?？梢詫⑸邔?duì)比度降低到1.15%，在日常使用的條件下達(dá)到了人眼分辨不出散斑的水平。為激光顯示提供了一種簡(jiǎn)單高效的抑制散斑的方式。

2 隨機(jī)漫射體抑制散斑的原理

激光照射在一個(gè)用波長(zhǎng)來(lái)度量是粗糙的表面（如投影屏幕）上時(shí)，激光會(huì)在空間上發(fā)生干涉，形成散斑。如果一個(gè)激光器發(fā)出的激光對(duì)物（如LCD芯片）照明，并且在它與激光器之間有一個(gè)運(yùn)動(dòng)的漫射體緊靠著它，漫射體的表面相對(duì)于光波來(lái)說(shuō)是粗糙的。圖1表示投影系統(tǒng)光路，圖中（a）是一個(gè)普通投影系統(tǒng)，其中不包含漫射體，（b）是在投影系統(tǒng)當(dāng)中加入了運(yùn)動(dòng)的漫射體。假設(shè)這個(gè)運(yùn)動(dòng)的漫射體運(yùn)動(dòng)速度為v，并且沿某一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 投影光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of projection system

隨著漫射體的不斷地運(yùn)動(dòng)，照射在物上的每個(gè)點(diǎn)的光的位相也在不斷的變化，于是對(duì)像上給定的任一點(diǎn)，物上對(duì)此像點(diǎn)有貢獻(xiàn)的區(qū)域產(chǎn)生的振幅隨機(jī)移動(dòng)也在不斷變化，此時(shí)對(duì)這個(gè)像點(diǎn)的各個(gè)貢獻(xiàn)相位以復(fù)雜的方式隨時(shí)間變化。隨著時(shí)間推移，使像中任一點(diǎn)上的散斑強(qiáng)度隨時(shí)間變化。在積分時(shí)間T內(nèi)測(cè)量得到的強(qiáng)度是在多個(gè)獨(dú)立的散斑的積分。如果在積分時(shí)間T內(nèi)產(chǎn)生了M幅不同的散斑圖樣，那么根據(jù)Goodman的理論，散斑的對(duì)比度可以降低為

3 隨機(jī)微透鏡陣列抑制散斑結(jié)構(gòu)

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(gè)通光孔徑里面由一個(gè)可重復(fù)均勻的平面構(gòu)成，對(duì)發(fā)光區(qū)域內(nèi)的亮度和形狀只能進(jìn)行有限的控制，因此導(dǎo)致入射光的利用率很低。在激光顯示中，要同時(shí)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(jī)微透鏡陣列”可以實(shí)現(xiàn)如上要求。

這種“隨機(jī)微透鏡陣列”與磨砂玻璃、乳色玻璃和全息元件等隨機(jī)漫射體有著很多的區(qū)別，“隨機(jī)微透鏡陣列”由許多不同的，單獨(dú)的可控微透鏡單元組成，可以對(duì)整個(gè)發(fā)光分布區(qū)域和光束質(zhì)量進(jìn)行控制。與此同時(shí)，微透鏡分布還移除了零級(jí)亮斑和出射光的衍射。圖2展示了“隨機(jī)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(jī)微透鏡陣列”的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the“random micro－lens array”under microscope

圖3 LED手電直接照射和經(jīng)過(guò)“隨機(jī)微透鏡陣列”后的效果對(duì)比Fig.3 Comparison between the light illuminated by the LED glim directly and through the“random micro－lens array”

圖3為L(zhǎng)ED手電直接照射和經(jīng)過(guò)“隨機(jī)微透鏡陣列”后的效果對(duì)比。經(jīng)“隨機(jī)微透鏡陣列”后發(fā)出的光是具有一定發(fā)散角的，并在屏幕上形成均勻的光斑。

“隨機(jī)微透鏡陣列”的另外一個(gè)特點(diǎn)是可以提供特定的發(fā)散角，如圖4所示。圖5為L(zhǎng)ED手電經(jīng)“隨機(jī)微透鏡陣列”后的亮度分布，其中右側(cè)的紅線為未經(jīng)“隨機(jī)微透鏡陣列”的亮度分布，黑色的為經(jīng)過(guò)“隨機(jī)微透鏡陣列”后的亮度分布，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)”隨機(jī)微透鏡陣列”后其能量分布均勻的分布在一定的發(fā)散角內(nèi)。

圖4 “隨機(jī)微透鏡陣列”的發(fā)散特性Fig.4 Diverge characteristic of the diffuser

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

圖5 經(jīng)“隨機(jī)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(jī)微透鏡陣列”固定在轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)上，由電機(jī)帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)動(dòng)“隨機(jī)微透鏡陣列”結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of rotating“random micro－lens array”

根據(jù)我們之前的分析，為了實(shí)現(xiàn)抑制散斑的效果，我們要求在人眼的曝光時(shí)間內(nèi)，要求有M幅完全不同的散斑圖樣，這樣散斑的對(duì)比度可以降低為。

我們將由于激光光纖輸出的光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束后到達(dá)“隨機(jī)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(jī)微透鏡陣列”轉(zhuǎn)軸中心的半徑為30mm，那么在被照光斑中心處，周長(zhǎng)約為189mm。如果光斑在“隨機(jī)微透鏡陣列”上運(yùn)動(dòng)1／10個(gè)光斑半徑視為產(chǎn)生一種不同的散斑圖案，那么當(dāng)“隨機(jī)微透鏡陣列”轉(zhuǎn)動(dòng)一周我們可以得到473幅完全不同的散斑圖像。電機(jī)為7200r／min，人眼的積分時(shí)間在1／24s，這樣在人眼的積分時(shí)間內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)5圈，一共產(chǎn)生473×5幅不同的散斑圖像，不過(guò)事實(shí)上散斑圖像的數(shù)目比這還要多，在這里我們只是做一個(gè)粗略的估計(jì)。那么根據(jù)我們估計(jì)的散斑圖像的數(shù)目，從理論上來(lái)計(jì)算，散斑的對(duì)比度可 以降低到1／槡473×5＝0.0205，也就是2.05%，而根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)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(jì)，散斑的對(duì)比度已經(jīng)降低到了一個(gè)人眼不易察覺(jué)的水平，在我們之后的測(cè)試中可以看出畫(huà)面變得非常細(xì)膩，人眼完全觀察不到散斑現(xiàn)象，而且散斑的對(duì)比度要比我們粗略估計(jì)的還要低。

4 散斑的測(cè)試

由于紅、綠、藍(lán)三基色的激光中兩個(gè)或三個(gè)同時(shí)輸出時(shí)，兩個(gè)波長(zhǎng)之間并不產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，但是它們?cè)谝欢▍^(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)會(huì)在屏幕上進(jìn)行疊加，由一種波長(zhǎng)產(chǎn)生的散斑的“暗點(diǎn)”有可能被另一種波長(zhǎng)產(chǎn)生的散斑的“亮點(diǎn)”補(bǔ)充，從而削弱實(shí)際散斑的效果。所以要考察散斑的實(shí)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(jìn)行測(cè)試［9］。

測(cè)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(huà)面；

（2）用相機(jī)對(duì)屏幕上的雜散斑圖像進(jìn)行拍攝；

（3）然后用Matlab描繪雜散斑光強(qiáng)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(zhuǎn)為灰度圖像；I＝double（I）； %%%將I轉(zhuǎn)為double格式mesh（I） %%%繪制強(qiáng)度直方圖

（4）計(jì)算散斑對(duì)比度，程序如下：

I＝imread（＊＊.jpg）； %%%讀取散斑圖像I＝rgb2gray（I）； %%%將散斑圖像轉(zhuǎn)為灰度圖像I＝double（I）； %%%將I轉(zhuǎn)為double格式C＝std（I）／mean（I） %%%計(jì)算散斑對(duì)比度

為了考察用“隨機(jī)微透鏡陣列”抑制散斑的效果，首先對(duì)未加入任何抑制散斑結(jié)構(gòu)的激光電視進(jìn)行測(cè)試，然后對(duì)加入轉(zhuǎn)動(dòng)勻光棒的激光電視進(jìn)行測(cè)試，最后對(duì)加入轉(zhuǎn)動(dòng)“隨機(jī)微透鏡陣列”的激光電視進(jìn)行散斑評(píng)價(jià)。

我們對(duì)未加入任何抑制散斑結(jié)構(gòu)的散斑圖樣進(jìn)行測(cè)試，拍攝圖像如圖7所示，可以看到，未加入任何抑制散斑結(jié)構(gòu)的激光電視呈現(xiàn)的畫(huà)面散斑嚴(yán)重且極為不均勻，令人難以接受。

圖7 未經(jīng)任何抑制散斑結(jié)構(gòu)散斑圖像Fig.7 Image of the speckle with no speckle reduction

經(jīng)Matlab計(jì)算光強(qiáng)分布圖如圖8所示，散斑對(duì)比度為17.46%，可以看出散斑對(duì)比度很高，通過(guò)人眼可以清楚地看出散斑效果。

圖8 未經(jīng)任何抑制散斑結(jié)構(gòu)得到的光強(qiáng)分布Fig.8 Light intensity distribution of the speckle with no speckle reduction

下面將光學(xué)系統(tǒng)中加入轉(zhuǎn)動(dòng)勻光棒，考察加入轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)勻光棒后的散斑圖像Fig.9 Image of the speckle with rotating uniform light stick

經(jīng)Matlab計(jì)算光強(qiáng)分布圖如圖10所示，經(jīng)計(jì)算散斑對(duì)比度為5.42%：

圖10 加入轉(zhuǎn)動(dòng)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(xué)系統(tǒng)中加入轉(zhuǎn)動(dòng)的“隨機(jī)微透鏡陣列”，并用1／80s的曝光時(shí)間對(duì)散斑進(jìn)行拍攝，這個(gè)曝光時(shí)間要比人眼的響應(yīng)時(shí)間短很多，這樣可以看出相對(duì)靜態(tài)的散斑效果，散斑圖像如圖11所示。

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

經(jīng)Matlab計(jì)算光強(qiáng)分布圖如圖12所示，經(jīng)計(jì)算散斑對(duì)比度為2.89%。

可以看出加入”隨機(jī)微透鏡陣列”后光強(qiáng)分布變得“平整”，同時(shí)散斑對(duì)比度降低到很低的水平。接下來(lái)我們用人眼的響應(yīng)時(shí)間1／30s的曝光時(shí)間來(lái)對(duì)散斑進(jìn)行拍攝，從而考察實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中也就是人眼所觀察到的散斑的對(duì)比度，散斑圖像如圖13所示，可以看出由于拍攝曝光時(shí)間的增加，圖像的亮度也有所增加，整體畫(huà)面也相對(duì)均勻。

經(jīng)Matlab計(jì)算光強(qiáng)分布圖如圖14所示，經(jīng)計(jì)算散斑對(duì)比度為1.15%：

圖12 加入轉(zhuǎn)動(dòng)“隨機(jī)微透鏡陣列”后用1／80s的曝光時(shí)間拍攝的光強(qiáng)分布Fig.12 Light intensity distribution of the speckle with rotating diffuser exposed in 1／80s

圖13 加入轉(zhuǎn)動(dòng)“隨機(jī)微透鏡陣列”后用1／24s的曝光時(shí)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(zhuǎn)動(dòng)“隨機(jī)微透鏡陣列”后用1／24s的曝光時(shí)間拍攝的光強(qiáng)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(zhuǎn)動(dòng)“隨機(jī)微透鏡陣列”后散斑的對(duì)比度有極大的降低，通過(guò)對(duì)1／80s曝光時(shí)間和1／24s的曝光時(shí)間下兩幅強(qiáng)度分布圖的對(duì)比可以看出：如果在相差這短時(shí)間內(nèi)，在激光電視的屏幕上并沒(méi)有形成很多幅不同的散斑圖像，而是相對(duì)靜態(tài)的散斑圖樣，隨著積分時(shí)間的增加，光強(qiáng)強(qiáng)的點(diǎn)會(huì)更強(qiáng)，光強(qiáng)弱的點(diǎn)會(huì)更弱，這樣散斑對(duì)比度會(huì)更大。但是實(shí)驗(yàn)的事實(shí)證明，散斑對(duì)比度有了顯著地降低，同時(shí)通過(guò)兩個(gè)數(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)，積分時(shí)間后者是前者的3倍，而散斑對(duì)比度也下降到接近原來(lái)的1／3。由此可以推斷在3倍的時(shí)間內(nèi)，屏幕上產(chǎn)生了3倍不同的散斑圖像，從而使散斑對(duì)比度降低。這也是對(duì)我們之前的理論分析的肯定。

5 結(jié) 論

利用轉(zhuǎn)動(dòng)“隨機(jī)微透鏡陣列”的結(jié)構(gòu)可以將散斑對(duì)比度降低到1.15%，抑制散斑達(dá)到人眼無(wú)法分辨的水平，解決了長(zhǎng)期以來(lái)激光散斑對(duì)激光電視成像質(zhì)量的影響，與此同時(shí)由于這種結(jié)構(gòu)小巧，不會(huì)占用整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)很大的空間，且光能利用率高、運(yùn)行穩(wěn)定、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)，這也給今后激光電視的小型化帶來(lái)了福音。

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