（光学工程专业论文）激光微投影仪中抑制散斑的研究.pdf

j j 气 a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a s e rp r o j e c t i o nd i s p l a y s ，s p e c k l ep h e n o m e n o n h a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o n i nt h i sp a p e r , s p e c k l ep a t t e r n ss i z e ，c o n t r a s ta n dt h es u i n so f s p e c k l ec h a r a c t e r i s t i ca l es t u d i e dt h e o r e t i c a l l y i tl a y e sa t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h e m e t h o d so f s u p p r e s s i n gs p e c k l e i nt h i st h e s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed e t e c t o r sa l es t u d i e d ，a n dp o i n tt h a ts p e c k l e p a t t e r n sd e t e c t e db yc c d i ss c a l e - i n v a r i a n tt ot h ee y e s ，b e c a u s eo ft h es p e c k l ep a r e m s f r a c t a lf e a t u r e s t h e nw ea n a l y z et h es p e c k l ec o n f i g u r a t i o n s i n f l u e n c i n gf a c t o r s ， i n c l u d i n gt h es c r e e n s c o n f i g u r a t i o n , a n g l eo ft h el i g h ts o u r c eo rt h ed e t e c t o r , a n dt h e d e t e c t o r st i m eo fe x p o s u r e w ec o n f o r mo u ra t t e n t i o n st ot h es p a c ec h a r a c t e r s t i co ft h e s p e c k l ep a t t e r n s ，f i n d i n go u tt h ev a r i a t i o no fs p e c k l ec o n t r a s tw i t hs p a t i a lv a l u e t h eo t h e r s i g n i f i c a t i v ew o r k i nt h i sp a p e ri st oa n a l y z et h ep r i n c i p l eo fs u p p r e s s i n gs p e c k l e 、析缸la m o v i n gd i f f u s e r , b a s i n go nt h ee i g e nf u n c t i o nt h e o r yo fp a l t i a l l yc o h e r e n to p t i c a ls y s t e m s t h i sm e t h o dc a ne a s i l yp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i cf o rt h ed i f f u s e rp r o d u c t i o np r o g r a m a n dt h ei l l u m i n a t i o nm o d e a tl a s t , a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h es u p p r e s s i o nt e c h n i q u e sa r ee x p o u n d e d a n dc h o o s ec o m p o u n d i n gt h em o v i n gd i f f u s e ra n ds p e c k l es u p p r e s s i o nt e c h n i q u e sa st h e p r a c t i c a lp r o g r a m s t h e n t h ef u r t h e rw o r ka l s op r o s p e c t e d k e y w o r d s ：l a s e rp r o j e c f i o nd i s p l a y s ，s p e c k l e ，s p e c k l ec o n t r a s t , c o h e r e n c e ，s u r f a c e r o u g h n e s s ，s u p p r e s s i n gs p e c k l e i i 矿；声 冷，驴 ， 一i 籼 “ 本学位论文工作是在福建师范大学与福州高意光学有限公司和福建华科光电有 限公司共同合作的“微型投影共性技术的研发”这个研究项目背景下完成的。 激光单色性好、方向性强、亮度高的特点，使得激光作为投影显示的光源具有 画面色彩逼真、图像清晰，适用于大屏幕显示的优点。但是由于其单色性好，相干 长度较长，使得投影系统各光学表面产生各种干涉效应，形成大量的背景杂散干涉 条纹与散斑噪声，散斑的存在将使得投影画面的质量有所降低。因此，为提高激光 投影显示的图像质量，抑制激光散斑的设计是十分必要的。本文对激光散斑形成机 理、影响因素以及抑制散斑的方法进行了系统的理论分析和实验探究，尝试较全面 地了解投影显示系统中激光散斑场的特点，旨在为激光投影显示系统中散斑效应的 抑制确定一套可行性方案。 本论文的主要工作及主要成果如下： 绪论部分概述了激光作为投影显示光源的优势及其分类，介绍了激光散斑的成 因和课题研究的意义，最后总结了抑制激光散斑实验方法研究的发展现状。 第一章首先分析了散斑场的统计特性，介绍了评价散斑场的两个重要物理参数 散斑横向尺寸大小及散斑衬比度的定义。指出对于自由空间传播中影响散斑横向尺 寸大小的物理量有照明光波的波长、观察面与散射屏幕出射平面的距离以及散射屏 的通光孔径大小；对于成像系统散斑尺度可用成像系统爱里斑的大小估计。对于散 斑图样衬比度反应的是图样的光强相对于其平均值的起伏，实验中评价一幅散斑图 样衬比度时，我们是通过提取散斑图样每个像素点灰度值的大小，通过灰度级的分 布情况来反映原图样光强分布状况。 本章最后还研究了散斑图样的叠加规律，结果指出散斑图样的叠加在一定程度 上降低了散斑衬比度，这将是多种抑制散斑方法的理论依据。 第二章主要对散斑场的特性及其影响因素进行理论分析和实验研究。文中首先 介绍了散斑探测的成像器件一人眼及c c d 图像探测器的成像原理及二者成像特 性对所观测结果的影响。并且指出由于激光散斑场分布的“分形”结构，使得c c d 图像探测器件观测到的散斑精细结构分布情况可反应人眼分辨的粗粒结构，由分形 的标度不变，可认为二者的衬比度是相同的，这表明c c d 的测量能反映人眼的观 l p ，t 如 “ v ：卜?夕 h “ i i i i 1 r 一l - 第一节激光投影显示优势及其分类1 第二节激光散斑成因以及分类 第三节抑制激光散斑技术概况- 5 一 第四节论文的创新点- 8 - 第一章激光散斑理论概述。- 9 - 第一节激光散斑图样衬比度的描述9 第二节激光散斑尺寸理论分析。1 1 第三节散斑图样叠加1 4 第二章激光散斑特性实验研究。一1 7 。 第一节激光散斑探测。 1 1 散斑在人眼中成像。1 7 1 2c c d 图像探测系统。1 8 1 3 激光散斑场的分形结构。2 0 。 第二节激光投影显示系统中散斑的形成2 0 2 1 激光投影显示系统简介 - ： o - 2 2 激光投影显示系统中散斑的形成过程。o 2 2 第三节散斑特性与曝光时间关系。2 3 第四节屏幕表面结构对激光斑纹图样的影响2 5 第五节波长和角度对散斑特性的影响。一2 9 第四节散斑场分布随空间距离变化特性研究3 卜 第三章减弱激光散斑的理论及实验研究。3 5 第一节减弱散斑的基本描述3 5 v i 福建师范大学工学硕士学位论文 第二节旋转位相片抑制散斑。- 3 5 2 1 一般分析法 2 2 信息光学本征函数理论分析法- 3 9 - 第三节增大投影物镜的数值孔径 第四节抖动光纤法抑制激光散斑 4 1 方法原理 4 2 实验和结论 - 4 5 - 。一4 5 一 第五节光纤束调制照明法减弱散斑。一4 7 - 第六节振动屏幕法 4 9 一 第七节复合散斑抑制技术。5 0 第八节本章小结 第四章总结与展望。 附录1 参考文献。 v i i 5 3 ： ” 二 p ： 0 h j “ 绪论 绪论 第一节激光投影显示优势及其分类 种利用光学技术将小图像投影放大的显示技术，而激光投影显示 激光作为投影光源的一种特殊的投影显示技术。从显示技术的发 展阶段来说，第一代是黑白电视、黑白电影；第二代是彩色显示；第三代是数字电 视、数字影院。【l l 激光显示技术最初于上世纪6 0 年代问世，仅用于科研目的，上 世纪9 0 年代末，这一技术的研发才迎来高潮，涌现了大量技术专利，下一代显示技 术的天下可能属于正在兴起的激光显示技术。 璋如l蛸a 口l d 图o 1 光电显示产业的发展进程 f i g 0 - lt h ed e v e l o p m e n to fo p t o e l e c t r o n i ed i l a y 激光具有单色性好、方向性强、亮度高等优点，这些都是其他光源无法比拟的， 将激光作为投影显示的光源，激光又以其色度学优势独领风骚。激光为线谱，色饱 和度高，因此色彩最为鲜艳；其次，激光谱线丰富，因此色域图上显示的色度三角 形大，色彩丰富。嘲图0 2 为不同光源对应色域图上的不同显色区域，从图中我们 可以看出激光l a s e r 相比于发光二极管l e d 和冷阴极萤光灯管c c f l 色度三角 福建师范大学工学硕士学位论文 形面积最大。激光强度高，可实现高亮度、大屏幕的显示，提高能量利用率。此外 激光显示具有很强的临场感、动人感及画面尺度调整方便的优点。然而，激光显示 技术真正实用化尚有一段距离。其中，显示图像中较强的散斑噪声是限制激光显示 广泛应用的关键因素之一。因此，深入开展激光显示系统中散斑成因和消除散斑技 术的研究，对于提高激光显示系统的图像质量显得尤为重要。 。 - - r ，。 “j ! 。 ：0 。：j 7 j 二0 j j7 ：0o 量? 。：一。：_ c j n 6 ：， ； ：0 4 ： ：i ，j ：7 ：。 侥2 o ：i 毒；0 , 2 ，：? ，。，瓴4 ：0 6 0 8 图0 - 2 对应色域图上的不同显色区域 f 逸o 一2g a m u tm a p 根据成像方式激光投影显示技术可以分为两大类：一类是依据激光的高准直、 细光束特性，利用二维扫描技术来实现投影放大的扫描型激光投影显示技术：另一 类是利用微型显示器件作为图像引擎而实现投影显示的空间光调制器激光投影显示 技术。【2 3 】 扫描型激光投影显示主要由激光光源、光调制器、二维扫描器、光束合成器、 投影物镜等几个部分组成。其产生画面的具体做法是将细激光光束照射到意行转镜 与场转镜上，使激光束按一定规律在屏幕上扫描成图像，如图0 3 所示。该类激光 投影显示的优点是光能利用率高、照明均匀、不存在聚焦问题，投影屏幕可以是任 意曲面。 j 0 h “ 目前国内的研究大多集中于基于空间光调制器的激光投影显示，根据投影系统 采用的空间光调制器件的不同，这类激光投影可分为l c d 激光投影、l c o s 激光投影 和d l p 激光投影三种类型。图0 - 4 给出了基于空间光调制器l c o s 的激光投影显示器 的结构原理。 投影镜头 图0 4 基于空间光调制器l c o s 的激光投影显示器原理结构图 f i g o - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fl a s e rp r o j e c t i o nd i s p l a yb a s e do nl c o s 福建师范大学工学硕士学位论文 红绿蓝三色激光束经反射镜后进入三色合成系统合成为同轴彩色光束，然后经 扩束系统将激光束扩束到l c o s 芯片的面积大小，扩束后的光束经p b s 棱镜起偏，投 射在经外部电压调制的l c o s 芯片上，使得反射光的偏振状态发生变化从而形成图 像，最后经投影镜头实现图像的放大。 第二节激光散斑成因以及分类 前面提到激光线宽窄，因此相干度在所难免，当激光照射在物体上时，呈现的 画面上有无规分布的颗粒状的斑纹，人们把它命名为“散斑 。图0 5 显示了两张照 片，第一张是用普通非相干光照明一平面，第二张是对同样的物体用激光照明所得。 图中红色圈中所示为图的局部放大部分，显然，激光照明物体表面呈现出散斑分布。 图o 5 激光散斑 f i g 0 - 5s p e c k l ep a t t e r n s 从可见光波长这个尺度看，一般物体表面都很粗糙。这样物体表面可看做大量 相位无规分布的面元组成，当激光照射到这个物体上时，来自粗糙表面不同面积元 的光波之间发生干涉，就形成了我们肉眼看到的散斑，散斑分为两种，一种是自由 空间散斑，如图0 6 所示，描述了这种散斑的形成过程。从散斑的成因可知，散斑 颗粒是三维的，广泛存在于散射平面出射空间中。另一种称为像面散斑，即粗糙物 体表面通过光学系统成像，光学系统的点扩展函数有足够的宽度，以保证来自散射 屏表面不同面元的光线在像面同一像点叠加干涉，观察面上也将观测到散斑。1 4 j 鲁 0 ： 够 ： ， k 缸 图0 - 6 激光散斑成因 f i g 0 6s o u r s eo fs p e c k l e 入糍矢液 激光散斑这种光学噪声是相当麻烦的，它有损于图像的质量，使得图像对比度 和分辨率下降。为了使得激光投影显示技术商业化，抑制激光散斑成为激光显示中 亟待解决的技术问题。因此长期以来，已有不少研究人员进行了相关的理论以及实 验研究。 第三节抑制激光散斑技术概况 自从1 9 6 0 年激光问世以来，研究者就发现了激光散斑现象，为此试图尝试全面 了解和分析激光散斑效应的机理，以便提出抑制激光散斑的实验方法。 r i g d e n 和g o r d o n 最早发现激光散斑效应源于相干光照射物体表面，由于物体 表面起伏产生的散射光相干叠加形成的。而后v e r d e t 和j w s t r u t t 对斑纹现象作了 数学研究，运用概率论和统计学的方法描述颗粒状的斑纹图像，导出了一些关于激 光斑纹的基本统计性质。 1 9 7 5 年，英国帝国学院( i m p e r i a lc o l l e g e ) 的d a i n t y 教授编辑了一本名为激 光斑纹及有关现象( l a s e rs p e c k l ea n dr e l a t e dp h e n o m e n a ) ) ) 的书，比较广泛而详 尽地总结了激光散斑场的统计特性，包括介绍了各种相干光和部分相干光形成的斑 纹图样的统计特性，减弱斑纹的方法，以及斑纹效应在各方面的应用等，是首本关 于激光散斑方面的教材，但是不论从理论分析的系统性还是应用的广泛性而言， d a i n t y 的书都很欠缺。 2 0 0 6 年1 0 月美国r o b e r t s & c o m p a n y 出版社出版了斯坦福大学j o s e p h 福建师范大学工学硕士学位论文 w g o o d m a n 教授的 s p e c k l ep h e n o m e n ai no p t i c s ：t h e o r ya n da p p l i c a t i o n s ) ) ( 光学 中的散斑现象：理论和应用) ，该书是一经典的优秀作品，正所谓“i n s t a n tc l a s s i c ”。 它详尽分析了激光散斑形成的原因，以及降低散斑的方法，并且详细讨论了散斑在 多种应用领域的现象以及效应。【5 】 由散斑的成因可知，物体表面与照明光场的的性质对散斑有决定性的影响。如 果物体表面结构、粗糙程度不同，或者照明光波的相干性、偏振状态不同，都会使 得产生的散斑场具有不同的特点。因此根据这些因素，研究者提出了如下的消除激 光散斑的技术方案。 1 9 7 0 年，a r s e n a u l t 和l o w e n t h a l 6 以及j o y e u x l 7 1 等提出了在光路中插入单个运 动的漫射体，对光束产生无规相位调制，来降低相干光束的空间相干性，从而达到 减弱散斑的目的。 1 9 7 1 年，法国光学研究院的s e r g el o w e n t h a l 和d e n i sj o y e u x 8 】提出了在光路中 使用两个紧密接触的漫射体，一个相对另一个运动的方法，如图o 7 所示。这种方 法可以更加快速的调制相位，以达到降低照明光的空间相干性从而达到减弱散斑的 目的。随后1 9 7 6 年，斯坦福大学的e r i cgr a w s o n , a n t o n i ob n a f a r r a t e t g l 等也重复 了相关实验，并理论上证明了该方法的可行性。 三f 1 9 7 1 年，h k i w m l e 和e tu w r o l 一1 川提出了一种无需运动机构的消除散斑的方 法，即采用液晶光阀来进行位相调制，电场激励使液晶发生扭曲从而调制光束的位 相，以达到减弱激光散斑对比度的目的。 ： ? 7 h “ 绪论 电寝 液晶 图0 - 8 液晶门位相调制 f i g 0 - 8p h a s em o d u l a t i n gb a s e do nc f i s t a ll i q u i d e 1 9 9 9 年，l i n g l iw a n g ，t h e ot s c h u d i 1 1 1 等提出用超声光栅的方法来调制光束。将 激光射入经超声调制的液体媒介，这时媒介可看做一折射周期变化的“位相光栅”， 激光经该位相光栅调制后会聚投影到屏幕上，在投影屏幕上就会形成移动的干涉条 纹，即“沸腾”的散斑图样，考虑到人眼的视觉暂留特性，散斑在人眼中得到均匀 化，从而达到降低斑纹的目的。 1 2 - i s 随后，他们又提出采用两个或三个不同驱动频 率的超声光栅串联来进行位相调制，这种方法可以更好的达到减弱散斑的目的。 超声波传播 条纹 图0 - 9 超声光栅减弱散斑原理图 f i g 0 - 9s p e c k l er e d u c t i o ns e t u p 、7 l ，i t l lam o d u l a t i n gu l t r a s o n i cw a v e 2 0 0 3 年，j a h j ai t r i s n a d i 1 6 ，17 】等人提出了采用特殊制作的位相掩膜片来对光束 进行调制，很好的降低了光束的空间相干性，使得散斑对比度降低到了o 0 9 。 2 0 0 6 年，韩国三星电子株式会社金成河和都尚会提出了一种衍射光学元件与光 福建师范大学工学硕士学位论文 纤束结合消除激光散斑的实验装置。 1 8 , 1 9 1 同年，中国科学院郝丽等人提出一种在远 场条件下减弱散斑的两维扫描复面转镜，当激光束通过该旋转的复面镜时，移动的 干涉条纹在屏幕上产生沸腾的散斑，在一定程度上减弱了散斑。【2 0 】 此外，研究人员还提出了采用不同波长光源照明、抖动屏幕、移动孔径光阑， 或是将以上方法结合起来使用等方法来减弱激光散斑对比度。【2 m o l 迄今为止所发明 的减弱散斑对比度的技术都是从降低照明的时间、空间相干性或通过产生沸腾的激 光散斑使得在人眼的积分时间内散斑均匀化这几个方面来操作。 综上所述，虽然已有许多研究者进行了减弱激光散斑的实验研究，并且取得了 一定效果，但激光散斑的消除带来的副产品是光能利用的降低，这给实用化带来了 问题。因此，平衡抑制散斑效果和光能利用率二者关系对抑制散斑方案的选取是至 关重要的：当方案选定后，对其进行理论分析和实验检测将有助于对方案的评估。 本文将系统分析激光投影显示系统中散斑形成机理，通过实验对主要的消散斑实验 方法进行评估，寻找适合微投影显示的最佳方案。 第四节论文的创新点 本学位论文工作依托福建师范大学与福州高意光学有限公司合作的省区域重大 项目微型投影共性技术的研发，对激光投影系统中散斑形成机理做了理论分析和 实验探讨。在此基础上，拟定了减弱散斑的技术方案 较有代表性的工作有： 1 设计一种测量纵向散斑特性的实验方法，发现散斑衬比度随纵向距离的增加 而变化的某些特征。 2 用光学系统的本征函数理论方法，分析了旋转随机位相片能降低投影屏二次 散斑，无需复杂的数学分析，就能得出散斑衬比度与照明方式、位相片结构和系统 特征量的关系，为位相片的选择和照明方式的配置提供了理论依据。 ： 妒 t p 毋 - 第一章激光散斑理论概述 第一章激光散斑理论概述 到激光散斑的物理成因，可知激光散斑图样是空间干涉场的强度分 布取决于多方面，包括入射激光场的性质、散射表面的起伏、探测 输系统的几何安排等，这些因素变化都将引起散斑图样的变化，对 关心的是激光散斑的大小、衬比度大小等。散斑的无规性决定了其 性的。 第一节激光散斑图样衬比度的描述 光学散斑的显著特征就是可观测量是其强度，因此研究散斑场光强起伏情况显 得尤其重要，散斑图样光强起伏情况可以用衬比度来衡量，它定义为 c 2 丽o i ( 1 1 ) 式中0 i 表示散斑光强的标准偏差，( ，) 表示散斑光强的平均值。衬比度是散斑图样 中强度涨落的大小相对于平均光强的度量。由散斑成因可知，散射屏幕表面的微结 构对由其散射产生的激光散斑场有很大的影响，下面我们就来讨论下散射屏幕与散 斑场特性之间的关系。 通常的散斑统计理论大多认为散射体是相位型的，并基于以下假设： 1 参与相干迭加的随机光场矢量是相互统计独立的。 2 每个光场矢量的振幅和相位是相互统计独立的。 3 相位磊分布分为以下两类： ( i ) 在( 叽，兀) 区间上均匀分布，p ( 矽) = 圭， ( 2 ) 具有零均值的高斯型非均匀肺p 2 丽ie x p 岛) 前者对应于表征高度起伏的标准差o h 比波长大的情形，对应于完全散射；后者适用 于o h 小于波长九的情形，对应于部分散射。均匀分布可视为高斯非均匀分布在位相起 伏嘞足够大的特例。 对于以上高斯型非均匀相位分布的部分散射图样衬比度为 3 1 ，3 2 】 一 福建师范大学工学硕士学位论文 。- - 二一_ 二一一= 二= = 一 c = ( 1 - 2 ) 这里表示随机光矢量的数目，假设所有随机相幅矢量长度都为l ，位相标准偏差为 q 。对于完全散射散斑而言，从( 1 2 ) 式同样可得，散斑的衬比度为1 。图卜1 ( a ) 所示为对于不同的n 值，对比度c 随位相偏差q 的变化趋势，( b ) 所示的为不同位相 偏差q 时，对比度c 与的函数关系。 c ( a ) ： ， 妒 = 9 “ n ( b ) 图卜l 位相里高斯分布的部分散斑衬比度分布情况图( a ) 对于不同的n 值，c 与位相偏差q 的函数关系：( b ) 对于不同的位相偏差q ，c 与n 的函数关系 f i g1 - 1 c o n t r a s to f p a r t l i a l l yd e v e l o p e ds p e c k l ef u n c t i o n ；( a ) c o n t r a s to f s p e c k l ep a t t e r n s a saf u n c t i o no fd e v i a t i o no ft h ep h a s ei nd i f f e r e n tn ( b ) c o n t r a s to fs p e e k l ep a t t e r n sa sa f u n e t i o no f ni nd i f f e r e n td e v i a t i o no ft h ep h a s e 第二节激光散斑尺寸理论分析 激光散斑的光强是连续分布的，不过由于它起伏变化很快，通常显示一种颗粒 状结构，这种表观颗粒尺寸是散斑的主要特性之一。我们可以在空间域中用教斑光 强空间自相关函数的“宽度”来度量这种颗粒的粗细程度。 3 1 , 3 3 散斑颗粒是三维的， 而观察平面一般是平行于散射屏出射平面，所以我们关心的是散斑的横向尺寸。 对于自由空间传播情况( 如图卜2 ( a ) 所示) ，单色光入射到一粗糙表面( 参r ) 上，在与( 当刁) 平面平行并且相距z 的一个平面( 而少) 上观察的光场振幅为彳g ，y ) ， 则光强分布为 j g ，j ，) = 彳g ，y ) a g ，y ) ( 1 3 ) 散斑场在光场平面上任意两点( x l ，y 1 ) 即( x 2 ，y 2 ) 上的振幅自相关函数为 r x i ，y ，；x ：，y 2 ) = ( 彳g i ，y 。g 2 ，y 2 ) ) ( 1 4 ) 复相关系数定义为 福建师范大学工学硕士学位论文 心沁删= 制 ( 1 - 5 ) 散斑光强的自相关函数定义为p 4 1 足，( x t , y t , x 2 , y 2 ) 。畛_ t 哆，y ：翌、 ( 1 _ 6 ) = 歹2 q + 儿沁酬2j 一 散斑的平均“尺寸 通常由散斑相关面积以衡量 4 = 肛_ 沁酬2 d a x d a y ( 1 7 ) 如果散射屏足够粗糙，即衡量表面粗糙度的方差瓯 九，即可视为完全散射情况， 屏幕表面上方散射光场可视为非相干光，则在傍轴区内散斑光强的自相关函数表达 式( 卜7 ) 可化为渊 r i 融，砌= ( d 2 沙鲥e x p i 警+ r l a y ) d 誊d 刁 1 - i ，二：! 二：。一 蚰尸 ，刁) 1 2 喇，7 ( 1 - 8 ) ( 萨嘉 m 9 ) 表示通过自由空间传播形成的散斑光强的平均值，s 为散射屏出射平面光场分布范 围的面积，从上式可见散斑光强的均值与散射屏出射平面光场分布面积成正比。 p 皓，7 ) 表示散射屏的孔径函数，由散射屏的通光孔径决定。对于成像系统( 如图 卜2 ( b ) 所示) ，仅需将函数p 皓，刁) 替换为透镜的光瞳函数。 对于直径为d 的圆形透镜，其光瞳函数可写为 临n 文孥 a - 于是散斑光强的自相关函数为 r l b ，缈) = ( 妒1 1 + 2 以 署沁) 2 + ) 2 挈沁) z + ) 2 4 z 式中 为一阶贝塞尔函数。上式表明，散斑光强的自相关函数由一平均光强( j r ) 决 f i g 1 2s p e c k l ef o r m a t i o n ( a ) f r e e s p a c ep r o p a g a t i o ng e o m e t r yf o rs p e c k l e f o r m a t i o n ( b ) i m a g i n gg e o m e t r yf o rs p e c k l ef o r m a t i o n 定的分量和一随空间分布起伏的分量( ，) 2 2 j 1 等沁) 2 + ) 2 挈沁) z + ) z 彳z 构成，显然我 们对后一分量更感兴趣。取三一第一次降到零时的 沁) 2 + ) 2 值为斑纹的平均宽度。用厶，表示这个距离，则有 a r ：1 2 2 - 。- - 允 ( 卜1 2 ) d 一 l a - j 理如果通光孔径或者成像系统的光瞳函数为l xl 的方形区域时 啦圳却) 2 1 + s i 降卜2 ( 警) ( 1 - 1 3 ) 则散斑颗粒的横向尺度为 缸= 缈= _ 2 z ( 卜1 4 ) 从式( 卜1 2 ) 和( 卜1 4 ) 中可看出散斑大小与照明光源的波长、观察平面的距 离远近有关，对于自由空间传播散斑颗粒大小还与散射屏孔径有关，对于成像系统 散斑颗粒大小还与成像系统的光瞳孔径有关。以上分析可知，对于成像系统，可用 成像系统爱里斑的大小来估计散斑颗粒的尺寸。 第三节散斑图样叠加 散斑图样在强度上的叠加是各种抑制散斑方法的基础。因此该小节我们分析下 独立散斑图样以及相关散斑图样叠加的情况，为之后研究的各种抑制散斑方法做理 论铺垫。 如果散斑图样是由光从粗糙表面的两个不相关的部分反射或透射形成的，则每 个散斑图样的强度是统计独立的。探测器相继积分个独立的散斑图样，那么探测 器探测到的总强度为 ： l = l n - i 则总强度的平均值为 石= 万 其中l 为其中一分量的平均值。总强度的二阶矩为 一 nn n nn e = 丽= 砰+ 芝芝丽 t r - ! m - !n l l n - l ；i 肼 h 对于各个强度分量为负指数分布，则总强度的方差为 町2 ：n 万2 n - l ( 1 - 1 5 ) ( 1 - 1 6 ) ( 1 - 1 7 ) ( 1 - 1 8 ) 哮墨 对于各个分量平均强度相等的特殊情况，即一i = i o ，上式简化为 c 之喜 ( 卜2 0 ) 0n 可见，随着独立散斑个数n 的增加，总强度对比度降低。 不相 各个 如果入射光波照射一投影屏幕，用c c d 探测系统观察屏幕上图样时( 示意图如 图1 - 3 ) ，探测器在屏幕上的有效测量面内所包含的照明波相关面积元都会产生一套 独立的散斑图样，探测器探测到的将是这些独立散斑图样的强度叠加后的图。如图 卜4 所示，大圆代表探测物镜在屏幕上的有效测量面积，小圆代表照明光波在投影 屏幕上的相干面积( 即投影镜头在屏上分辨单元) 。根据本节的分析结果，设探测器 在屏幕上有效测量面内包含个相关面积元，则探测器将探测到的散斑衬比度为 一 1 丽 成像莉跷镜头 像平面 图卜3 成像光路图 f i g 1 - 3i m a g i n gs y s t e m ( 1 - 2 1 ) 探测物镜在屏幕上的分辨单元 投影镜头在屏幕上的分辨单元 图卜4 散射屏幕上的各个几何因子 f i g 1 - 4g e o m e t r i cf a c t o r so nt h es c a t t e r i n gs u 渤c e 性的因 y v 0 4 ， 约为毫 绿光激 性等因 散斑场 第一节激光散斑探测 投影成像最后的环节就是图像的探测，它是投影成像系统重要组成部分，对其 了解有助于分析、设计和评价成像系统，使得成像结果进一步改善。 投影图像的探测按照记录的原理可分为：生理转换过程通过人眼的生理过 程，将外界图像信息转换成有用信息传递给大脑；光电转换过程通过各类光电 器件的光电和电光过程将外界图像信息记录在各种光电接收器上。下面就这两种图 像探测方法来分析和说明与显示技术相关的视觉以及探测器件的主要特性。 1 1 散斑在人眼中成像 在投影显示中，投影仪发出的可见光波经投影屏幕反射后在人的视网膜上成像， 然后为视觉神经所感知，使得人能够借助视觉观察投影显示的内容。 基于显示技术的需要，介绍下人眼的一些视觉特性。 1 视觉调节力 人眼的焦距可以通过改变晶状体的折射率来实现；依靠视神经和瞳孔的调节， 人眼能够适应比较宽的亮度范围。此外通过调节控制眼球运动的肌肉，使得眼睛能 够自发地以及非自发地运动参与来扩宽人眼的视野，以此来产生很好的临场感受。 福建师范大学工学硕士学位论文 2 视觉暂留 眼睛具有一个视觉反应过程，把人眼视网膜上图像滞留所持续的时间称为人眼 积分时间，一般约为1 2 0 秒。由于这种视觉暂留效应，人眼视网膜上记录的像是一 个时间积累过程( 即对时间的积分) 。 3 视觉三维感觉机理 眼睛的另一个重要特性是可观察三维物体。人眼之所以可以感觉真实的三维世 界，是因为双目之间存在视差。两眼注视某一物体时，两眼的观察角度存在微小的 差别，因此在视网膜上形成的像也有微小差别，后经视觉神经传导到大脑，通过大 脑的融合功能将它们融合成一个物象，由此产生各种立体感。 由散斑的成因可知，激光散斑广泛分布于散射平面出射空间中。当人眼观察散 射屏幕上图样时，不仅会看见屏幕上的散斑图样，而且由于人眼的调节特性也将会 观察到分布于屏幕表面上方到明视距离处的纵向散斑场，这些扰人的散斑将会妨碍 图像的视觉效果。并且由人眼视觉暂留和视觉三维感觉机理可知，人眼感受到的图 样是在人眼积分时间内所观察到各个纵剖面散斑图在眼底的非相干叠加( 否则衬比 度将为零) ，这点构成与以下将讨论的c c d 的显著区别。 1 2c c d 图像探测系统 为记录散斑图像，有利于进一步了解和分析激光散斑场，须采用光电探测器件 记录激光散斑图样。国内文献中提到激光散斑的观察和拍摄所使用的光电探测器通 常是照相机或者数码相机。当观测散斑场时，我们一般都是将相机焦距调整到屏幕 上观察散斑图样。 聚焦面 一景深一 图2 1 景深示意图【3 5 】 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fd e p t ho ff i e l d ( d o f ) 不同面上的 较大景深的 为从实验上 深较小的显 示于计算机不亍订舁矶 ( 2 - 1 ) 式中甩是物镜和标本或聚光器之间的媒介的折射率，实验中媒介是空气，则n = l ，九 是所使用的光波的波长，实验中我们采用的是5 3 2 n m 波长的绿光激光器，肘是总放 大率( 即各物镜的放大率目镜的放大率) ，实验中总的放大率为1 0 0 ，n a 为数值。 孔径，实验中选用镜头的数值孔径为0 4 5 。代入景深计算公式中可求得实验中我们 使用的镜头的景深为4 5 t u n 。 c c d 采集到的图像为r g b 真彩图像，r g b 图像有三个颜色通道，每一像素的颜色 由存储在相应位置的红、绿、蓝颜色分量的组合来确定；灰度图像每一像素单元仅 有一个灰度值( 又称强度值或亮度值) 。由前分析，我们可知考察一幅图像光强分布，矿秒 信息仅需求出其对应灰度图中灰度级信息即可。 实验中为提取c c d 采集到的r g b 散斑图像的信息，我们将r g b 图像导入到m a t l a b 图像处理软件中，将其转化为灰度图，从灰度图各像素点的灰度级分布情况来反映 原r g b 图像的光强分布。 实验探测数据流程图如图2 - 2 所示。 图2 2 实验探测数据流程图 f i g 2 2f l o wc h a r to f t h ec x p e d m e m 福建师范大学工学硕士学位论文 激光投影装置发出的光束照射在投影屏幕上获得散斑图样，经屏幕反射后被 c c d 接收，散斑图像经数据采集卡数字化后以t i f 格式存储在计算机中，利用图像 处理软件m a t l a b 进行灰度值的处理得出散斑图样的相关信息。 1 3 激光散斑场的分形结构 分形几何的基本思想是i 客观事物具有自相似性，某系统或结构的局部与整体 在形态、功能、时间、空间等方面具有统计意义上的相似性。此外，分形结构还具 有标度不变性，即不论将其放大或是缩小，它的形态、不规则性等各种特点均不会 变化。1 3 7 】 散斑场就具有类似分形特征的类图样，我们肉眼观察散斑时，所分辨的散斑 颗粒，用放大倍率更大的探测器观测试时将发现其由大量的更小尺度的散斑颗粒组 成，且这些小散斑颗粒的随机分布与肉眼观察的散斑分布近似呈自相似结构，散斑场 的这种特点符合分形几何的特性。 由分形结构的特征我们知道，虽然实验中我们探测散斑使用的探测仪器是具有 高放大倍率的显微镜，c c d 探测到的是微米量级散斑尺度，且该散斑结构是在人眼 的分辨极限之下，但分形结构保证了所检测散斑的衬比度是标度不变的，设c c d 与人 眼的标度变换是九，则标度不变性为 i ( 2 x ) = 2 x ( x ) ，仃( = 卯盯( 功 ( 2 2 ) 于是 c a = 鬻= 鬻= 沼3 ， 这表明c c d 的测量能反映人眼的观察结果。 第二节激光投影显示系统中散斑的形成 2 1 激光投影显示系统简介 在分析完散斑的一些特性及散斑图样探测等问题之后，本小节主要讨论投影显 示中散斑的形成过程。首先来了解下本研究项目中投影显示系统的整机结构，如图 2 3 所示，各元件的定义见表2 - 1 。 iilli1iiliiiillili 第二章激光散斑特性实验研究 图2 - 3 激光投影显示系统结构设计图 f i g 2 3t h el a s e rp r o j e c t i o nd i s p l a ys y s t e md e s i g n ， 表2 - 1 激光投影显示系统中各元定义 t a b l e2 1o p t i c a le l e m e n t so ft h el a s e rp r o j e c t i o nd i s p l a y ss y s t e m 1绿光激光器9合光镜1 2 红光激光器 1 0合光镜2 3蓝光激光器 1 l 透镜1 4绿光整形透镜1 2 光管 5 红光整形透镜 1 3透镜2 6蓝光整形透镜1 4偏振分光棱镜 7 反射镜 1 5l c o s 8 反射镜 1 6 镜头 激光器包括了上图中的1 、2 和3 ，分别对应绿光、红光和蓝光激光器。本项目 中红光和蓝光拟采用半导体激光器，绿光激光器使用8 0 8 n m 波长的l d 泵浦n d ：y v 0 , 晶体所发射的1 0 6 4 n m 激光经倍频k t p 而生成5 3 2 n m 的绿光。激光器发出的光束经各 自的光学系统准直，后经合光元件合束为彩色光束，然后进入匀光系统，均匀化后 的光束经偏振棱镜后成像于l c o s 芯片上加载图像强度信息，最后经投影镜头放大在 投影屏幕上形成图像。 福建师范大学工学硕士学位论文 2 2 激光投影显示系统中散斑的形成过程 在激光投影显示中，由于激光的单色性好，有较长的相干长度，投影系统中个 光学元器件表面将产生各种干涉效应，形成大量的干涉条纹及散斑背景噪声。从激 光投影仪出射后的带有散斑噪声的光束经一段距离传输后照射于投影屏幕上，经反 射传输最终成像于观察者眼中。 图2 4 激光投影显示及探测简图 f i g 2 - 4b a s i cp r o j e c t o r - d e t e c t o rg e o m e t r y 投影显示结构简略示意图如图2 - 4 所示，为简单起见，图中简化和省略了一些 光学元件，并将l c o s 画成透射式( 这不影响结果) 。从图中可知观察者眼中所见的激 光散斑来源于两个方面：一方面是具有高度相干性的激光在屏幕之前的光学系统中 传输后在屏幕上形成的各种背景杂散条纹，称为一次散斑：另一方面是经投影系统后 的激光束在屏幕散射后形成的二次散斑场。这里必须指出的是，照射在投影屏幕上 的激光束是已经散斑化的了，即二次散斑场的形成