轉動隨機微透鏡陣列對激光顯示中散斑的抑制

1、轉動隨機微透鏡陣列對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 ,馮睿 ,張大亮( 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春;中國科學院大學,北京)摘 要 :為 了 消 除 散 斑 現(xiàn) 象 對 隨 機 漫 射 體 抑 制 散 斑 的 可 行 性 進 行 了 探 討 分 析 了 隨 機 微 透 鏡 陣 列 作 為 隨 機 漫 射 體 在 光束 控 制 和 光 能 利 用 率 方 面 的 優(yōu) 越 性 并 提 出 了 在 光 學 系 統(tǒng) 中 加 入 轉 動 隨 機 微 透 鏡 陣 列 的 方 式 抑 制 散 斑 對 加 入 這 種結 構 后 屏 幕 上 的 散

2、斑 進 行 了 測 量 驗 證 了 此 種 方 法 可 以 將 散 斑 對 比 度 降 低 到使 人 眼 分 辨 不 出 激 光 散 斑提 升 了激 光 電 視 的 觀 看 效 果 并 與 傳 統(tǒng) 的 轉 動 勻 光 棒 法 進 行 對 比 體 現(xiàn) 了 此 種 方 法 出 色 的 抑 制 散 斑 的 能 力關 鍵 詞 :散 斑 抑 制 ;隨 機 微 透 鏡 陣 列 ;激 光 顯 示 ;散 斑 測 量中 圖 分 類 號 :文 獻 標 識 碼 :doiSpeckle reduction using rotating random micro-lensarray in laser displayCh

3、ang c hun I ns titute o f O p ti c sF ine Me c hani c s and P h y s i c sChine s e Ac ad em y o f S c i enc e sChang c hunChinaUniver s it y o f Chine s e Ac ad em y o f S c i enc e sB eij ingChinaAbstractKey words收 稿 日 期 :基 金 項 目 :國 家修 訂 日 期 :計 劃液 晶 與 顯 示第卷個 運 動 的 漫 射 體 運 動 速 度 為 v 并 且 沿 某 一 方 向轉 動

4、概述近 年 來 人 們 對 視 頻 顯 示 的 畫 面 要 求 不 斷 提高 不 僅 追 求 畫 面 的 細 膩 更 為 追 求 畫 面 的 艷 麗 這 就 要 求 顯 示 設 備 能 呈 現(xiàn) 色 彩 更 為 豐 富 的 圖 像 為 了 能 讓 顯 示 設 備 展 現(xiàn) 更 多 更 飽 和 的 色 彩 廣 色 域 顯 示 成 為 了 未 來 一 個 重 要 的 發(fā) 展 方 向 激 光 顯 示 技 術 作 為 新 一 代 的 顯 示 技 術 具 有 其 他 顯 示 方 式 無 法 比 擬 的 顯 著 優(yōu) 點 色 域 寬 廣 顏 色 飽 和 度 高 壽 命 長 無 有 害 電 磁 射 線 輻 射 等

5、 因 此 激 光 顯 示 技 術 受 到 了 越 來 越 多 的 關 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 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 行 投 影 的 過 程 中 會 產 生 散 斑 現(xiàn) 象 這 種 現(xiàn) 象 會 極 大 地 影 響 到 激 光 電 視 畫 面 的 質 量國 內 外 學 者 們 為 了 抑 制 散 斑 做 出 了 很 多 努 力 提 出 了

6、很 多 抑 制 散 斑 的 方 法 如 旋 轉 光 纖 法 轉 動 勻 光 棒 法 震 動 屏 幕 法 多 波 長 法 和 相 位 元 件 法 等 但 是 都 有 各 自 的 不 足 之 處 如 結 構 復 雜 成 本 高 抑 制 散 斑 效 果 一 般 等本 文 通 過 對 隨 機 漫 射 體 抑 制 散 斑 的 原 理 進 行 分 析 提 出 了 轉 動 隨 機 透 鏡 陣 列 抑 制 散 斑 的 結 構 這 種 結 構 具 有 實 現(xiàn) 方 法 簡 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 點普 通 投 影 系 統(tǒng)加 入 運 動 漫

7、 射 體 的 投 影 系 統(tǒng)圖投 影 光 學 系 統(tǒng) 示 意 圖隨 著 漫 射 體 的 不 斷 地 運 動 照 射 在 物 上 的 每個 點 的 光 的 位 相 也 在 不 斷 的 變 化 于 是 對 像 上 給 定 的 任 一 點 物 上 對 此 像 點 有 貢 獻 的 區(qū) 域 產 生 的 振 幅 隨 機 移 動 也 在 不 斷 變 化 此 時 對 這 個 像 點 的 各 個 貢 獻 相 位 以 復 雜 的 方 式 隨 時 間 變 化 隨 著 時間 推 移 使 像 中 任 一 點 上 的 散 斑 強 度 隨 時 間 變 化 在 積 分 時 間 T 內 測 量 得 到 的 強 度 是 在 多

8、個 獨 立 的 散 斑 的 積 分 如 果 在 積 分 時 間 T 內 產 生 了 M幅 不 同 的 散 斑 圖 樣 那 么 根 據(jù)散 斑 的 對 比 度 可 以 降 低 為的 理 論M經(jīng) 過 實 驗 驗 證可 以 將 散 斑 對 比 度 降 低 到隨機微透鏡陣列抑制散斑結構在 日 常 使 用 的 條 件 下 達 到 了 人 眼 分 辨 不出 散 斑 的 水 平 為 激 光 顯 示 提 供 了 一 種 簡 單 高 效 的 抑 制 散 斑 的 方 式一 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 通 光 孔 徑 里 面 由 一 個 可 重 復

9、 均 勻 的 平 面 構 成 對 發(fā) 光 區(qū) 域 內 的 亮 度 和 形 狀 只能 進 行 有 限 的 控 制 因 此 導 致 入 射 光 的 利 用 率 很 低 在 激 光 顯 示 中 要 同 時 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 微 透 鏡 陣 列 可 以 實 現(xiàn) 如 上 要 求這 種 隨 機 微 透 鏡 陣 列 與 磨 砂 玻 璃 乳 色 玻 璃 和 全 息 元 件 等 隨 機 漫 射 體 有 著 很 多 的 區(qū) 別 隨機 微 透

10、 鏡 陣 列 由 許 多 不 同 的 單 獨 的 可 控 微 透 鏡 單 元 組 成 可 以 對 整 個 發(fā) 光 分 布 區(qū) 域 和 光 束 質 量 進 行 控 制 與 此 同 時 微 透 鏡 分 布 還 移 除 了 零 級隨機漫射體抑制散斑的原理激 光 照 射 在 一 個 用 波 長 來 度 量 是 粗 糙 的 表 面如 投 影 屏 幕 上 時 激 光 會 在 空 間 上 發(fā) 生 干 涉 形 成 散 斑 如 果 一 個 激 光 器 發(fā) 出 的 激 光 對 物 如 芯 片 照 明 并 且 在 它 與 激 光 器 之 間 有 一 個 運 動 的 漫 射 體 緊 靠 著 它 漫 射 體 的 表 面

11、 相 對 于 光波 來 說 是 粗 糙 的 圖表 示 投 影 系 統(tǒng) 光 路 圖 中是 一 個 普 通 投 影 系 統(tǒng) 其 中 不 包 含 漫 射 體是 在 投 影 系 統(tǒng) 當 中 加 入 了 運 動 的 漫 射 體 假 設 這付 瀚 毅 等 轉 動 隨 機 微 透 鏡 陣 列 對 激 光 顯 示 中 散 斑 的 抑 制第 期亮 斑 和 出 射 光 的 衍 射 圖展 示 了 隨 機 微 透 鏡陣 列在 電 子 掃 描 顯 微 鏡 下 的 圖 像圖經(jīng) 隨 機 微 透 鏡 陣 列 后手 電 亮 度 分 布圖顯 微 鏡 下 隨 機 微 透 鏡 陣 列 的 結 構機 漫 射 體 不 但 可 以 控 制

12、 出 射 光 的 發(fā) 散 角 度 在 透過 率 方 面 的 性 能 指 標 也 比 較 出 色 這 樣 光 能 利 用 率 可 以 有 很 大 的 提 高 這 對 于 激 光 顯 示 中 抑 制 散 斑 的 應 用 可 以 說 是 非 常 完 美 的我 們 將 半 徑 為的 圓 形 隨 機 微 透 鏡 陣列 固 定 在 轉 動 電 機 上 由 電 機 帶 動 其 轉 動 結 構如 圖 所 示圖手 電 直 接 照 射 和 經(jīng) 過 隨 機 微 透 鏡 陣 列后 的 效 果 對 比圖 為手 電 直 接 照 射 和 經(jīng) 過 隨 機 微 透鏡陣 列 后 的 效 果 對 比 經(jīng) 隨 機 微 透 鏡 陣 列

13、 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 微 透 鏡 陣 列 的 另 外 一 個 特 點 是 可 以 提圖轉 動 隨 機 微 透 鏡 陣 列 結 構根 據(jù) 我 們 之 前 的 分 析 為 了 實 現(xiàn) 抑 制 散 斑 的效 果 我 們 要 求 在 人 眼 的 曝 光 時 間 內 要 求 有 M幅 完 全 不 同 的 散 斑 圖 樣 這 樣 散 斑 的 對 比 度 可 以供 特 定 的 發(fā) 散 角 如 圖 所 示 圖 為手 電經(jīng) 隨 機 微 透 鏡 陣 列 后 的 亮 度 分 布 其 中 右 側 的紅 線 為 未 經(jīng) 隨 機 微

14、透 鏡 陣 列 的 亮 度 分 布 黑 色 的 為 經(jīng) 過 隨 機 微 透 鏡 陣 列 后 的 亮 度 分 布 可 見 經(jīng) 過 隨 機 微 透 鏡 陣 列 后 其 能 量 分 布 均 勻 的 分 布 在 一 定 的 發(fā) 散 角 內降 低 為M我 們 將 由 于 激 光 光 纖 輸 出 的 光 束 經(jīng) 過 擴 束 后到 達 隨 機 微 透 鏡 陣 列 上 的 光 斑 為 大 小 為 一 半 徑 的 圓 形 光 斑 而 在 被 照 處 的 光 斑 中 心 與隨 機 微 透 鏡 陣 列 轉 軸 中 心 的 半 徑 為么 在 被 照 光 斑 中 心 處 周 長 約 為 光 斑 在 隨 機 微 透 鏡

15、陣 列 上 運 動那如 果 個 光 斑 半徑 視 為 產 生 一 種 不 同 的 散 斑 圖 案 那 么 當 隨 機 微透 鏡 陣 列 轉 動 一 周 我 們 可 以 得 到同的 散 斑 圖 像 電 機 為幅 完 全 不人 眼 的 積 分圖隨 機 微 透 鏡 陣 列 的 發(fā) 散 特 性時 間 在這 樣 在 人 眼 的 積 分 時 間 內 電 機 轉與 其 他 漫 射 體 相 比 隨 機 微 透 鏡 陣 列 還 有動 圈 一 共 產 生幅 不 同 的 散 斑 圖 像 不著 更 高 的 透 射 率 其 透 過 率 為我 們 對 隨 機過 事 實 上 散 斑 圖 像 的 數(shù) 目 比 這 還 要 多

16、在 這 里 我們 只 是 做 一 個 粗 略 的 估 計 那 么 根 據(jù) 我 們 估 計 的 散 斑 圖 像 的 數(shù) 目 從 理 論 上 來 計 算 散 斑 的 對 比 度微 透 鏡 陣 列 的 后 表 面 鍍 可 見 光 波 段 的 增 透 膜 可以 進 一 步 將 其 透 過 率 提 高 到所 以 這 種 隨液 晶 與 顯 示第卷為 了 考 察 用 隨 機 微 透 鏡 陣 列 抑 制 散 斑 的 效果 首 先 對 未 加 入 任 何 抑 制 散 斑 結 構 的 激 光 電 視 進 行 測 試 然 后 對 加 入 轉 動 勻 光 棒 的 激 光 電 視 進 行 測 試 最 后 對 加 入 轉

17、 動 隨 機 微 透 鏡 陣 列 的 激 光 電 視 進 行 散 斑 評 價我 們 對 未 加 入 任 何 抑 制 散 斑 結 構 的 散 斑 圖 樣可 以 降 低 到而 根 據(jù) 以 往 的 經(jīng) 驗 看 激 光 電 視 散 斑 降 低 到也 就 是當 在 正 常 的 距 離 下 觀 以 下 人 眼 便 不 易 分辨 出 散 斑 所 以 從 我 們 的 粗 略 估 計 散 斑 的 對 比 度已 經(jīng) 降 低 到 了 一 個 人 眼 不 易 察 覺 的 水 平 在 我 們 之 后 的 測 試 中 可 以 看 出 畫 面 變 得 非 常 細 膩 人 眼 完 全 觀 察 不 到 散 斑 現(xiàn) 象 而 且

18、散 斑 的 對 比 度 要 比 我 們 粗 略 估 計 的 還 要 低進 行 測 試 拍 攝 圖 像 如 圖所 示 可 以 看 到 未 加入 任 何 抑 制 散 斑 結 構 的 激 光 電 視 呈 現(xiàn) 的 畫 面 散 斑嚴 重 且 極 為 不 均 勻 令 人 難 以 接 受散斑的測試由 于 紅 綠 藍 三 基 色 的 激 光 中 兩 個 或 三 個 同時 輸 出 時 兩 個 波 長 之 間 并 不 產 生 干 涉 現(xiàn) 象 但 是 它 們 在 一 定 區(qū) 域 內 的 光 強 會 在 屏 幕 上 進 行 疊 加 由 一 種 波 長 產 生 的 散 斑 的 暗 點 有 可 能 被 另 一 種 波 長

19、 產 生 的 散 斑 的 亮 點 補 充 從 而 削 弱 實 際 散 斑 的 效 果 所 以 要 考 察 散 斑 的 實 際 分 布 我 們 只圖未 經(jīng) 任 何 抑 制 散 斑 結 構 散 斑 圖 像將 單 色 的 激 光 投 影 到 屏 幕 上光 進 行 測 試 測 試 步 驟 為這 里 我 們 用 綠 色 激經(jīng)對比 度 為計 算 光 強 分 布 圖 如 圖 所 示 散 斑可 以 看 出 散 斑 對 比 度 很 高 通過 人 眼 可 以 清 楚 地 看 出 散 斑 效 果將 電 腦 連 接 激 光 電 視 并 輸 出 一 幅 單 一 綠色 的 畫 面 用 相 機 對 屏 幕 上 的 雜 散

20、斑 圖 像 進 行 拍 攝然 后 用程 序 如 下描 繪 雜 散 斑 光 強 分 布 圖讀 取 散 斑 圖 像圖未 經(jīng) 任 何 抑 制 散 斑 結 構 得 到 的 光 強 分 布將 散 斑 圖 像 轉 為 灰 度 圖 像將 轉 為格 式下 面 將 光 學 系 統(tǒng) 中 加 入 轉 動 勻 光 棒 考 察 加入 轉 動 勻 光 棒 后 抑 制 散 斑 的 的 效 果 圖 為 拍 攝 的 散 斑 圖 像繪 制 強 度 直 方 圖計 算 散 斑 對 比 度程 序 如 下讀 取 散 斑 圖 像將 散 斑 圖 像 轉 為 灰 度 圖 像將 轉 為格 式圖加 入 轉 動 勻 光 棒 后 的 散 斑 圖 像計

21、 算 散 斑 對 比 度付 瀚 毅 等 轉 動 隨 機 微 透 鏡 陣 列 對 激 光 顯 示 中 散 斑 的 抑 制第 期經(jīng)計 算 光 強 分 布 圖 如 圖所 示 經(jīng)計 算 散 斑 對 比 度 為圖加 入 轉 動 隨 機 微 透 鏡 陣 列光 時 間 拍 攝 的 光 強 分 布后 用的 曝圖加 入 轉 動 勻 光 棒 后 的 散 斑 圖 像下 面 將 光 學 系 統(tǒng) 中 加 入 轉 動 的 隨 機 微 透 鏡陣 列 并 用的 曝 光 時 間 對 散 斑 進 行 拍 攝這 個 曝 光 時 間 要 比 人 眼 的 響 應 時 間 短 很 多 這 樣可 以 看 出 相 對 靜 態(tài) 的 散 斑 效

22、 果 散 斑 圖 像 如 圖 所 示圖加 入 轉 動 隨 機 微 透 鏡 陣 列光 時 間 拍 攝 的 散 斑 圖 像后 用的 曝圖加 入 轉 動 隨 機 微 透 鏡 陣 列 后 用光 時 間 拍 攝 的 散 斑 圖 像的 曝經(jīng)計 算 光 強 分 布 圖 如 圖所 示 經(jīng)圖加 入 轉 動 隨 機 微 透 鏡 陣 列光 時 間 拍 攝 的 光 強 分 布后 用的 曝計 算 散 斑 對 比 度 為可 以 看 出 加 入 隨 機 微 透 鏡 陣 列 后 光 強 分 布 變 得 平 整 同 時 散 斑 對 比 度 降 低 到 很 低 的 水 平接 下 來 我 們 用 人 眼 的 響 應 時 間的 曝

23、光 時間 來 對 散 斑 進 行 拍 攝 從 而 考 察 實 際 應 用 當 中 也就 是 人 眼 所 觀 察 到 的 散 斑 的 對 比 度 散 斑 圖 像 如出 如果在相差 這 短 時 間 內 在 激 光 電 視 的 屏 幕 上并沒有形成很多幅不同的散斑圖像 而是相對靜態(tài) 的散斑圖樣 隨 著 積 分 時 間 的 增 加 光 強 強 的 點 會 更強 光強弱的點會更弱 這樣散斑對比度會更大 但是實驗 的 事 實 證 明 散 斑 對 比 度 有 了 顯 著 地 降 低 同時通過兩 個 數(shù) 據(jù) 我 們 可 以 發(fā) 現(xiàn) 積 分 時 間 后 者是前者的 倍 而散斑對比度也下降到接近原來圖所 示 可

24、以 看 出 由 于 拍 攝 曝 光 時 間 的 增 加圖 像 的 亮 度 也 有 所 增 加 整 體 畫 面 也 相 對 均 勻經(jīng)計 算 光 強 分 布 圖 如 圖所 示 經(jīng)計 算 散 斑 對 比 度 為所以加入轉 動 隨 機 微 透 鏡 陣 列 后 散 斑 的 對比度有極大的 降 低 通 過 對曝 光 時 間 和的由此可以推 斷 在 倍 的 時 間 內 屏 幕 上 產的曝光時 間 下 兩 幅 強 度 分 布 圖 的 對 比 可 以 看液 晶 與 顯 示第卷生了 倍 不 同 的 散 斑 圖 像 從 而 使 散 斑 對 比 度 降斑 對 比 度 降 低 到抑 制 散 斑 達 到 人 眼 無 法低這也是對我們之前的理論分析的肯定分 辨 的 水 平 解 決 了 長 期 以 來 激 光 散 斑 對 激 光 電視 成 像 質 量 的 影 響 與 此 同 時 由 于 這 種 結 構 小 巧 不 會 占 用 整 個 光 學 系 統(tǒng) 很 大 的 空 間 且 光 能 利 用 率 高 運 行 穩(wěn) 定 無 風 險 這 也 給 今 后 激 光 電 視 的 小 型 化 帶 來 了 福 音結論利 用 轉 動 隨 機 微 透 鏡 陣 列 的 結 構 可 以 將 散參考 文 獻 :康 玉 思 ,劉