CN104833483A - 一种激光投影显示中散斑的测量评价方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光投影显示中散斑的测量评价方法，利用散斑图样的功率谱密度函数来测量评价散斑消除的效果：对所要测量评价的散斑图样，定义三个一维的物理量：径向功率谱密度rPSD、角功率谱密度aPSD和总功率谱密度tPSD，三者分别反映了图像中散斑颗粒度、各向异性和散斑的严重度，通过对上述三个物理量的计算值的分析给出散斑测量评价的结果。本发明相对散斑对比度可以更全面的分析散斑图样，不仅可以评价图像中散斑的严重程度，还可以测量散斑的颗粒度，评价不同消散斑方法对各个方向上的消散斑情况的差异。对评价比较不同的消散斑方法及激光投影显示技术的应用具有重要的意义。

Description

一种激光投影显示中散斑的测量评价方法及应用

技术领域

本发明涉及一种激光投影显示中散斑的测量评价方法及应用，属于激光显示中散斑测量的技术领域。

背景技术

激光显示采用激光作为光源，具有色域范围广(激光显示的颜色表现能力是平板电视的2倍以上)、亮度高、显示尺寸大、寿命长、环保、节能等优点，具有广阔的市场前景。然而，激光的高相干性导致的散斑现象会严重影响显示图像质量和人眼疲劳，激光散斑是严重阻碍激光显示发展和应用的主要因素之一。因此，如何降低或消除散斑及如何测量评价散斑消除的效果成为了激光显示领域中一个非常重要的研究内容和技术难题。

在激光显示中，散斑降低或消除方法所基于的基本原理是降低或消除激光的相干性，包括时间相干性和空间相干性两种；具体实现方法有多种，如波长多样性、角度多样性、空间多样性和偏振多样性等等。关于降低或消除散斑方法，国内外已有大量文献和专利。不同的消除散斑方法，其散斑消除的效果有较大差别，需要采用一定方法、设计相应系统并建立一定标准，对不同消除散斑方法的散斑消除效果进行测量评价；此外，激光显示的最终观测者是人，其效果好坏需要依据人眼的感受来判断。关于散斑消除效果的测量评价，文献中主要采用散斑对比度作为定量分析散斑的方法，目前，结合人眼参数和实际观测系统参数的散斑测量评价方法还较少，在方法、系统和标准方面还有待完善。

计算散斑对比度是定量分析散斑最常用的方法，其基本原理是利用CCD相机等数字成像装置获取均匀照明时系统输出的散斑图样；然后对获得的散斑图样进行处理，低频滤波滤掉非散斑因素产生的光强波动；最后计算散斑对比度，分析评价散斑消除的效果及消散斑方法的优缺点。数字成像装置的器件参数及测量系统的结构参数等对记录的散斑图像有一定的影响，而且散斑对比度的测量过程受系统稳定性和外界环境的影响较大，因此尽管散斑对比度测量的思路简单清晰，但是其测量结果还不足以全面评价散斑消除效果的好坏和散斑消除方法的优劣，需要需求新的散斑测量评价方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种激光投影显示中散斑的测量评价方法。在现有技术中，散斑对比度的测量只测量了散斑的严重度，但并不能表现出图像中散斑的颗粒度和各向异性，而这些特征是人眼很容易观察到。要准确的描述散斑特性并评价消散斑方法，就需要全面分析散斑的严重程度，颗粒度和各向异性。

本发明还涉及一种上述评价方法的应用。

技术术语解释：

1.散斑严重度：是散斑图样中强度的变化程度，散斑对比度C也可用于描述散斑严重度的变化。

2.散斑颗粒度：在不同颗粒尺寸上散斑的分布情况。颗粒尺寸与散斑严重度无关，对具有相同散斑对比度C，但颗粒尺寸不同来说，其分别对应的散斑图像看上去的效果不一样。

3.散斑的各向异性：是指在不同方向上散斑的不均匀分布。该不均匀分布是由消散斑方法的各向异性引起的，例如只在一个方向破坏空间相干性等。

本发明的技术方案如下：

一种激光投影显示中散斑的测量评价方法，利用散斑图样的功率谱密度函数来测量评价散斑消除的效果：对所要测量评价的散斑图样，定义三个一维的物理量：径向功率谱密度rPSD、角功率谱密度aPSD和总功率谱密度tPSD，三者分别反映了图像中散斑颗粒度、各向异性和散斑的严重度，通过对上述三个物理量的计算值的分析给出散斑测量评价的结果。

根据本发明优选的，所述功率谱密度(PSD)的表现形式包括周期图法；所述周期图法是用信号傅里叶变换幅度的平方表示功率谱；其中选用周期图法分析散斑。

一个二维尺寸(2M+1，2N+1)的图像A(x,y)在笛卡尔坐标系下的功率谱密度表示为：

${\mathrm{PSD}}_C(f_x,f_y)={\left|\underset{\mathrm{\Δx}=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{\Δy}=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right\{A(x,y)\×\exp [-i2\mathrm{\π}(\frac{f_{x}x}{2M+1}+\frac{f_{y}y}{2N+1})]\left\}\right|}^2---\left(I\right)$

在式(I)中，PSD_C(f_x,f_y)表示在笛卡尔坐标系下二维图像A(x,y)的PSD的表示形式，(f_x,f_y)为二维坐标下x和y轴上的空间频率，Δx和Δy为x和y轴上的抽样间隔，M和N为正整数。

为了更好地研究散斑图样的角分布情况，在傅里叶空间内将笛卡尔坐标下的功率谱密度函数转化为极坐标系下，令f_x＝ρcosθ,f_y＝ρsinθ，代入(I)得出：

PSD_P(ρ,θ)＝PSD_C(ρcosθ,ρsinθ)   (II)

在式(II)中，PSD_P(ρ,θ)为极坐标下的PSD的表示形式，(ρ,θ)为极坐标系下的坐标，表示坐标系下的空间频率大小和角度。

所述散斑颗粒度定义如下：

散斑颗粒度为rPSD，在极坐标下定义径向功率谱密度(rPSD)，其表示空间频率ρ处，功率谱密度对所有角度θ的平均，表达式定义为

$\mathrm{rPSD}\left(\mathrm{\ρ}\right)=\frac{1}{n}\underset{\mathrm{\θ}=0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PSD}}_P(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})\mathrm{\ρ\Δ\θ}---\left(\mathrm{III}\right)$

在式(III)中，n为求和的数据个数，Δθ为角度间隔，其中rPSD(ρ)表示单位空间频率ρ处散斑图样在各个方向上的平均功率；散斑的颗粒尺寸反比于空间频率ρ，因此rPSD给出了整个散斑图样中不同散斑颗粒尺寸的数量。

所述散斑的各向异性如下：

散斑的各向异性为aPSD，角功率谱密度(aPSD)表示在所有空间频率范围内，一个小角间隔[θ-Δθ/2,θ+Δθ/2]内所包含的功率分布，通过对所有空间频率ρ求和取平均得出，表达式为：

${\mathrm{aPSD}}_{\mathrm{\Δ\θ}}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{n}\underset{{\mathrm{\θ}}^{\′}=\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}}{\overset{\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{\ρ}=1}{\overset{\min (M,N)}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PSD}}_P(\mathrm{\ρ},{\mathrm{\θ}}^{\′})\mathrm{\ρ\Δ\ρ\Δ}{\mathrm{\θ}}^{\′}---\left(\mathrm{IV}\right)$

在式(IV)中，Δρ为单位间隔的空间频率，Δθ为角度间隔，aPSD描述了散斑图样的角分布情况，从中得出每个方向上散斑图样的变化情况，散斑图样的各向异性用aPSD的离散度表示。

所述散斑严重度如下：

散斑严重度为tPSD，总功率谱密度(tPSD)是功率谱密度函数对所有空间频率ρ和所有方向θ的积分求和，表示散斑图样的整体严重程度，表征的物理性质与散斑对比度类似：

$\mathrm{tPSD}=\underset{\mathrm{\ρ}=1}{\overset{\min (M,N)}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{\θ}=0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PSD}}_P(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})\mathrm{\ρ\Δ\ρ\Δ\θ}---\left(V\right).$

如上述测量评价方法的应用，用于评价各种不同的激光投影显示系统。

如上述测量评价方法的应用，用于评价投影显示系统采用的各种不同的消散斑方法。

本发明的优势如下：

本发明从散斑严重程度、颗粒度和各向异性三个方面测量和评价散斑的消除情况。

(1)所述的散斑严重程度，为散斑图样中强度的变化程度。

(2)所述的散斑颗粒度，为在不同颗粒尺寸上散斑的分布情况。

(3)所述的散斑各向异性，为在不同方向上散斑的不均匀分布，这主要是由消散斑方法的各向异性引起的。

(4)所述的散斑严重程度、颗粒度和各向异性，分别用总功率谱密度、径向功率谱密度和角功率谱密度来表示。

本发明能更全面的测量评价投影显示中的散斑情况，不仅可以评价图像中散斑的严重程度，还可以测量散斑的颗粒度，评价不同消散斑方法对各个方向上的消散斑情况的差异。

附图说明

图1是本发明中所述功率谱密度(PSD)的物理意义示意图：为极坐标系下功率谱密度PSD的表示示意图；

图2是本发明中所述散斑颗粒度(rPSD)的物理意义示意图：为极坐标系下一定空间频率ρ处对所有角度积分求和得到的径向功率谱密度rPSD的物理含义示意图；

图3是本发明中所述散斑的各向异性(aPSD)的物理意义示意图：为极坐标系下一定角度θ处对所有空间频率积分求和得到的角功率谱密度aPSD的物理含义示意图；

图4是本发明中所述散斑严重度(tPSD)的物理意义示意图：为极坐标系下对所有角度、所有空间频率积分求和得到的总功率谱密度PSD的物理含义示意图。

图5是本发明的实施例1的结构图；在图5中，1、激光投影显示装置；2、散斑图样；3、屏幕；4、数字成像装置；5、数字图样；6、计算机；7、框图；8、径向功率谱密度；9、角功率谱密；10、总功率谱密度；11、计算值分析；12、分析结果。

图6为本发明实施例1中激光显示投影系统的示意图：在图5中，1-1、532nm激光器；2-2、消散斑装置；3-3、矩形光管；4-4、投影透镜；5-5、屏幕；6-6、CCD；7-7、数据处理工具。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不限于此。

实施例1、

如附图5所示，激光投影显示装置1将均匀照明下的散斑图样2投影在屏幕3上，采用CCD相机等数字成像装置4获取屏幕上散斑图样的数字图样5，并存储在计算机6中；然后，在框图7部分，根据式I-V所述原理，基于数字图样处理方法并通过编程，对获得的数字图样5进行计算，分别求出该数字图样5的径向功率谱密度8、角功率谱密度9和总功率谱密度10；最后，根据对上述三个物理量的计算值的分析11，给出散斑测量评价的结果12。

激光投影显示装置1可以是采用激光光源的各种激光投影装置。激光投影显示装置1中含有消散斑装置，该消散斑装置可以采用各种不同的方式方法或器件形式。

CCD相机等数字成像装置4包括各种可以获得数字图样的装置或方式。CCD相机等数字成像装置4的镜头参数和像面器件参数及其与屏幕的距离和角度等参数，需要根据测量对象的具体应用要求及测量环境来选取和设置。

框图7部分采用径向功率谱密度8、角功率谱密度9和总功率谱密度10，基于对上述三个物理量的计算值的分析11，并给出散斑测量评价的结果12，是本发明的核心内容。

如图1-4，一种激光投影显示中散斑的测量评价方法，利用散斑图样的功率谱密度函数来测量评价散斑消除的效果：对所要测量评价的散斑图样，定义三个一维的物理量：径向功率谱密度rPSD、角功率谱密度aPSD和总功率谱密度tPSD，三者分别反映了图像中散斑颗粒度、各向异性和散斑的严重度，通过对上述三个物理量的计算值的分析给出散斑测量评价的结果。

根据本发明优选的，所述功率谱密度(PSD)的表现形式包括周期图法；所述周期图法是用信号傅里叶变换幅度的平方表示功率谱；其中选用周期图法分析散斑。

一个二维尺寸(2M+1，2N+1)的图像A(x,y)在笛卡尔坐标系下的功率谱密度表示为：

${\mathrm{PSD}}_C(f_x,f_y)={\left|\underset{\mathrm{\Δx}=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{\Δy}=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right\{A(x,y)\×\exp [-i2\mathrm{\π}(\frac{f_{x}x}{2M+1}+\frac{f_{y}y}{2N+1})]\left\}\right|}^2---\left(I\right)$

在式(I)中，PSD_C(f_x,f_y)表示在笛卡尔坐标系下二维图像A(x,y)的PSD的表示形式，(f_x,f_y)为二维坐标下x和y轴上的空间频率，Δx和Δy为x和y轴上的抽样间隔，M和N为正整数。

为了更好地研究散斑图样的角分布情况，在傅里叶空间内将笛卡尔坐标下的功率谱密度函数转化为极坐标系下，令f_x＝ρcosθ,f_y＝ρsinθ，代入(I)得出：

PSD_P(ρ,θ)＝PSD_C(ρcosθ,ρsinθ)   (II)

在式(II)中，PSD_P(ρ,θ)为极坐标下的PSD的表示形式，(ρ,θ)为极坐标系下的坐标，表示坐标系下的空间频率大小和角度。

所述散斑颗粒度定义如下：

散斑颗粒度为rPSD，在极坐标下定义径向功率谱密度(rPSD)，其表示空间频率ρ处，功率谱密度对所有角度θ的平均，表达式定义为

$\mathrm{rPSD}\left(\mathrm{\ρ}\right)=\frac{1}{n}\underset{\mathrm{\θ}=0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PSD}}_P(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})\mathrm{\ρ\Δ\θ}---\left(\mathrm{III}\right)$

在式(III)中，n为求和的数据个数，Δθ为角度间隔，其中rPSD(ρ)表示单位空间频率ρ处散斑图样在各个方向上的平均功率；散斑的颗粒尺寸反比于空间频率ρ，因此rPSD给出了整个散斑图样中不同散斑颗粒尺寸的数量。

所述散斑的各向异性如下：

散斑的各向异性为aPSD，角功率谱密度(aPSD)表示在所有空间频率范围内，一个小角间隔[θ-Δθ/2,θ+Δθ/2]内所包含的功率分布，通过对所有空间频率ρ求和取平均得出，表达式为：

${\mathrm{aPSD}}_{\mathrm{\Δ\θ}}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{n}\underset{{\mathrm{\θ}}^{\′}=\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}}{\overset{\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{\ρ}=1}{\overset{\min (M,N)}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PSD}}_P(\mathrm{\ρ},{\mathrm{\θ}}^{\′})\mathrm{\ρ\Δ\ρ\Δ}{\mathrm{\θ}}^{\′}---\left(\mathrm{IV}\right)$

在式(IV)中，Δρ为单位间隔的空间频率，Δθ为角度间隔，aPSD描述了散斑图样的角分布情况，从中得出每个方向上散斑图样的变化情况，散斑图样的各向异性用aPSD的离散度表示；

所述散斑严重度如下：

散斑严重度为tPSD，总功率谱密度(tPSD)是功率谱密度函数对所有空间频率ρ和所有方向θ的积分求和，表示散斑图样的整体严重程度，表征的物理性质与散斑对比度类似：

$\mathrm{tPSD}=\underset{\mathrm{\ρ}=1}{\overset{\min (M,N)}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{\θ}=0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PSD}}_P(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})\mathrm{\ρ\Δ\ρ\Δ\θ}---\left(V\right)$

实施例2：

如图6所示。

如实施例1所述的一种激光投影显示中散斑的测量评价方法，其中搭建一个激光投影显示系统。其中激光器选取中心波长为532nm的单模绿光激光器1-1，输出的激光进入消散斑装置2-2，使用两种不同的消散斑装置，旋转散射片和散斑衰减器(LSR-3000)，经过消散斑装置后的光束进入矩形光管3-3，获得空间均匀分布的矩形激光束，然后均匀分布的光束经过F数为2.5的投影透镜4-4，将图像投影到屏幕5-5上。用CCD 6-6获取带有散斑的图像。固定CCD 6-6的参数设置。

分别在不加消散斑装置2-2、加旋转散射片和加LSR-3000这三种情况下获取散斑图样，对三幅图样分别进行处理，用本发明提出的散斑测量评价的方法评价不同情况下散斑图样的情况，分别求出相应的rPSD、aPSD和tPSD的值。根据求得的rPSD、aPSD和tPSD的结果，分析三幅图样的散斑分布情况，评价不同的消散斑方法。

实施例3、

如实施例1、2所述的测量评价方法的应用，用于评价各种不同的激光投影显示系统。

实施例4、

如实施例1、2所述的测量评价方法的应用，用于评价投影显示系统采用的各种不同的消散斑方法。

Claims (7)

1.一种激光投影显示中散斑的测量评价方法，其特征在于，该方法利用散斑图样的功率谱密度函数来测量评价散斑消除的效果：对所要测量评价的散斑图样，定义三个一维的物理量：径向功率谱密度rPSD、角功率谱密度aPSD和总功率谱密度tPSD，三者分别反映了图像中散斑颗粒度、各向异性和散斑的严重度，通过对上述三个物理量的计算值的分析给出散斑测量评价的结果。

2.根据权利要求1所述的一种激光投影显示中散斑的测量评价方法，其特征在于，所述功率谱密度(PSD)的表现形式包括周期图法；所述周期图法是用信号傅里叶变换幅度的平方表示功率谱；其中选用周期图法分析散斑；

一个二维尺寸(2M+1，2N+1)的图像A(x,y)在笛卡尔坐标系下的功率谱密度表示为：

${\mathrm{PSD}}_C(f_x,f_y)={\left|\underset{\mathrm{\Δx}=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{\Δy}=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right\{A(x,y)\×\exp [-i2\mathrm{\π}(\frac{f_{x}x}{2M+1}+\frac{f_{y}y}{2N+1})]\left\}\right|}^2---\left(I\right)$

在式(I)中，PSD_C(f_x,f_y)表示在笛卡尔坐标系下二维图像A(x,y)的PSD的表示形式，(f_x,f_y)为二维坐标下x和y轴上的空间频率，Δx和Δy为x和y轴上的抽样间隔，M和N为正整数；在傅里叶空间内将笛卡尔坐标下的功率谱密度函数转化为极坐标系下，令f_x＝ρcosθ,f_y＝ρsinθ，代入(I)得出：

PSD_P(ρ,θ)＝PSD_C(ρcosθ,ρsinθ)         (II)

在式(II)中，PSD_P(ρ,θ)为极坐标下的PSD的表示形式，(ρ,θ)为极坐标系下的坐标，表示坐标系下的空间频率大小和角度。

3.根据权利要求1所述的一种激光投影显示中散斑的测量评价方法，其特征在于，所述散斑颗粒度定义如下：

散斑颗粒度为rPSD，在极坐标下定义径向功率谱密度(rPSD)，其表示空间频率ρ处，功率谱密度对所有角度θ的平均，表达式定义为

$\mathrm{rPSD}\left(\mathrm{\ρ}\right)=\frac{1}{n}\underset{\mathrm{\θ}=0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{PS}{D}_P(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})\mathrm{\ρ\Δ\θ}---\left(\mathrm{III}\right)$

在式(III)中，n为求和的数据个数，Δθ为角度间隔，其中rPSD(ρ)表示单位空间频率ρ处散斑图样在各个方向上的平均功率；散斑的颗粒尺寸反比于空间频率ρ，因此rPSD给出了整个散斑图样中不同散斑颗粒尺寸的数量。

4.根据权利要求1所述的一种激光投影显示中散斑的测量评价方法，其特征在于，所述散斑的各向异性如下：

散斑的各向异性为aPSD，角功率谱密度(aPSD)表示在所有空间频率范围内，一个小角间隔[θ-Δθ/2,θ+Δθ/2]内所包含的功率分布，通过对所有空间频率ρ求和取平均得出，表达式为：

${\mathrm{aPSD}}_{\mathrm{\Δ\θ}}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{n}\underset{{\mathrm{\θ}}^{\′}=\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}}{\overset{\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{\ρ}=1}{\overset{\min (M,N)}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PSD}}_P(\mathrm{\ρ},{\mathrm{\θ}}^{\′})\mathrm{\ρ\Δ\ρ\Δ}{\mathrm{\θ}}^{\′}---\left(\mathrm{IV}\right)$

在式(IV)中，Δρ为单位间隔的空间频率，Δθ为角度间隔，aPSD描述了散斑图样的角分布情况，从中得出每个方向上散斑图样的变化情况，散斑图样的各向异性用aPSD的离散度表示。

5.根据权利要求1所述的一种激光投影显示中散斑的测量评价方法，其特征在于，所述散斑严重度如下：

散斑严重度为tPSD，总功率谱密度(tPSD)是功率谱密度函数对所有空间频率ρ和所有方向θ的积分求和，表示散斑图样的整体严重程度，表征的物理性质与散斑对比度类似：

$\mathrm{tPSD}=\underset{\mathrm{\ρ}=1}{\overset{\min (M,N)}{\mathrm{\Σ}}}\underset{\mathrm{\θ}=0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PSD}}_P(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})\mathrm{\ρ\Δ\ρ\Δ\θ}---\left(V\right).$

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种激光投影显示中散斑的测量评价方法，其特征在于，用于评价各种不同的激光投影显示系统。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的一种激光投影显示中散斑的测量评价方法，其特征在于，用于评价投影显示系统采用的各种不同的消散斑方法。