CN203930230U

CN203930230U - 复色激光散斑图像的采集装置

Info

Publication number: CN203930230U
Application number: CN201420273620.8U
Authority: CN
Inventors: 王梓; 王安廷; 明海; 许立新
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2024-05-26

Abstract

本实用新型公开了一种复色激光散斑图像的采集装置，包括同光轴依次设置的第一透镜、光阑以及第二透镜：所述第二透镜为可调焦透镜，所述光阑为圆形光阑；所述光阑到所述第一透镜距离为d，所述第二透镜到所述光阑距离为d1，所述第二透镜到彩色CCD电荷耦合元件距离为d2，L为第一透镜到屏幕的距离，所述第一透镜的焦距为f1，所述第二透镜的焦距为f2，满足：第一透镜、圆形光阑、第二透镜模拟角膜，瞳孔和晶状体，获得的复色散斑图样更加接近人眼的真实感受，更加真实的反应复色散斑图样，准确的计算复色散斑图样的对比度。

Description

复色激光散斑图像的采集装置

技术领域

本实用新型涉及激光散斑测量技术，尤其涉及一种复色激光散斑图像的采集装置。

背景技术

以激光为光源的显示系统具有色彩分辨率高、色彩饱和度好、色度三角区域大、高亮度等优点，是新一代的显示技术的发展方向。但是，激光散斑是激光显示中存在的一个不利现象。激光散斑是由于激光的高相干性，当一幅图像投影到粗糙的屏幕上时，光波被分成多个相干的子波，在人眼或探测器的表面干涉产生散斑。

为了完成散斑测量，一般使用CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)芯片对散斑图样进行采集。

由于CCD传感器芯片是无法识别颜色信息的，为了显示出准确的复色图像，一般需要采用三块CCD芯片分别接收红绿蓝三色信息，再组合起来形成复色图像，但是这种方法既昂贵又不便，不便于后续计算复色散斑图样的对比度。

或者，在CCD传感器芯片前面加上CFA(Color Filter Array,颜色滤波阵列)作为彩色CCD，CFA中红绿蓝三种颜色的滤色片交替排列，每种颜色的光只能通过相对应的滤色片。彩色CCD每个像素对应一个颜色滤色片，因此每个像素只能得到对应滤色片颜色的灰度值。为了得到复色图像，需要利用已知的周围像素颜色的灰度值来求出被滤掉的像素颜色灰度值，从而获得接近真实的复色图像。然而通过插值算法来获得接近真实的复色图像误差较大，影响计算复色散斑图样的对比度误差较大。

发明内容

本实用新型实施例的目的是提供一种复色激光散斑的采集装置，降低复色图样的误差。

本实用新型实施例的目的是通过以下技术方案实现的：

一种复色激光散斑图像的采集装置，包括同光轴依次设置的第一透镜、光阑以及第二透镜：

所述第二透镜为可调焦透镜，所述光阑为圆形光阑；

所述光阑到所述第一透镜距离为d，所述第二透镜到所述光阑距离为d1，所述第二透镜到彩色CCD电荷耦合元件距离为d2，L为第一透镜到屏幕的距离，所述第一透镜的焦距为f1，所述第二透镜的焦距为f2，满足：

\frac{1}{d + d_{1} - \frac{f_{1} L}{L - f_{1}}} + \frac{1}{d_{2}} = \frac{1}{f_{2}} .

其中，所述复色激光散斑图像的采集装置还包括在所述光轴上设置的激光投影仪、屏幕和彩色CCD：

所述第一透镜和第二透镜构成复合透镜，所述激光投影仪、屏幕和彩色CCD与所述复合透镜同光轴设置，所述屏幕和所述彩色CCD相对所述复合透镜高斯共轭。

其中，所述第二透镜为电活性聚合物透镜，或者为液晶透镜。

其中，所述光阑半径为r，所述第一透镜和第二透镜构成的复合透镜的等效焦距为。

f = \frac{f_{1} f_{2}}{d + d_{1} - f_{1} - f_{2}} .

其中，所述第一透镜的焦距为24mm，所述第二透镜的最小调焦范围为38mm-128mm，所述光阑到所述第一透镜的距离为3mm，所述光阑半径为2mm，所述第二透镜到所述光阑的距离为4mm，所述第二透镜到所述彩色CCD的距离为15mm，所述等效焦距变化范围为16.6mm-21.2mm。

由上述本实用新型实施例提供的技术方案可以看出，第一透镜、圆形光阑、第二透镜模拟角膜、瞳孔和晶状体，获得的复色散斑图样更加接近人眼的真实感受，更加真实的反应复色散斑图样，准确的计算复色散斑图样的对比度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本实用新型实施例提供的复色激光散斑图像的采集装置的构成示意图。

图2为本实用新型实施例提供的复色激光散斑图像的采集装置应用示意图。

图3为本实用新型实施例提供的复色激光散斑图像的采集装置中应用的CFA示意图。

图4为本实用新型实施例提供的复色激光散斑图像的采集装置中散斑图样示意图。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种复色激光散斑图像的采集装置，包括同光轴依次设置的第一透镜11、光阑12以及第二透镜13：

所述第二透镜为可调焦透镜，所述光阑为圆形光阑；

所述光阑到所述第一透镜距离为d，所述第二透镜到所述光阑距离为d1，所述第二透镜到彩色CCD电荷耦合元件距离为d2，所述第一透镜的焦距为f1，所述第二透镜的焦距为f2，满足：

\frac{1}{d + d_{1} - \frac{f_{1} L}{L - f_{1}}} + \frac{1}{d_{2}} = \frac{1}{f_{2}} .

由上述本实用新型实施例提供的技术方案可以看出，第一透镜、圆形光阑、第二透镜模拟角膜、瞳孔和晶状体，获得的复色散斑图样更加接近人眼的真实感受，更加真实的反应复色散斑图样，从而可以准确的计算复色散斑图样的对比度。

本领域技术人员可以参考现有技术中的激光投影仪、屏幕和彩色CCD，来理解本实用新型实施例激光投影仪、屏幕和彩色CCD，在此不作赘述。

本实用新型实施例提供复色激光散斑图像的采集装置中，光轴指光学系统的对称轴，在此不作赘述。

进一步的，本实用新型实施例复色激光散斑图像的采集装置，还包括在所述光轴上设置激光投影仪、屏幕和彩色CCD：

所述第一透镜和第二透镜构成复合透镜(或者称为联合光具组)，所述激光投影仪、屏幕和彩色CCD与所述复合透镜同光轴设置，所述屏幕和所述彩色CCD相对所述复合透镜高斯共轭，即满足高斯定理，也就是就是复合透镜和彩色CCD组成的拍摄系统对屏幕进行对焦拍摄。

而且，由两次成像公式得到图3中各参数的关系

其中，d、d1、d2通常为固定值，使得整个拍摄系统固定，其取值可以参考人眼中角膜、瞳孔、晶状体、视网膜的距离关系近似取值，具体的，参见下文说明。

可选的，所述第二透镜为电活性聚合物透镜，或者为液晶透镜等其他可调焦透镜。

示例性的，如图2所示，激光投影仪21产生复色激光散斑图样，屏幕22呈现激光投影仪21投射的图像，人眼模拟装置23模拟人眼成像，彩色CCD24采集人眼模拟装置23所成的散斑图样的像。

人眼模拟装置包括第一透镜231、圆形光阑232、第二(可调焦)透镜233。

光阑到第一透镜L1距离为d，光阑半径为r，可调焦透镜L2到光阑距离为d1，可调焦透镜L2到CCD距离为d2。

等效焦距为其中，f1为第一透镜L1的焦距，f2为可调焦透镜L2的焦距，等效焦距随着f2的变化而变化。

这里，等效焦距可以理解为第一透镜和第二透镜组成的复合透镜(联合光具组)的焦距。

可调焦透镜L2可以为电活性聚合物(Electroactive Polymer)材料，通过调节加载的电压来调节其焦距，或者为液晶透镜(Liquid Cristal Lens)等其他可调焦透镜。

为与人眼相近，取参数为：

第一透镜L1焦距为24mm，可调焦透镜L2最小调焦范围为38mm-128mm，光阑到第一透镜L1距离为3mm，光阑半径为2mm，可调焦透镜L2到光阑距离为4mm，可调焦透镜L2到CCD距离为15mm。

等效焦距变化范围为16.6mm-21.2mm，可以对0.1m至无穷远处的物体成像，与人眼功能相似。

进一步的，本实用新型实施例复色激光散斑图像的采集装置，还包括：

处理装置，用于获得彩色CCD电荷耦合元件采集到的复色散斑图像中各像素点的红色灰度值、绿色灰度值和蓝色灰度值；根据所述彩色CCD包含的CFA颜色滤波阵列，确定与所述CFA中红色滤波片对应的像素点的红色灰度值并组成红色单色散斑图像，与绿色滤波片对应的像素点的绿色灰度值组成绿色单色散斑图像以及与蓝色滤波片对应的像素点的蓝色灰度值组成蓝色单色散斑图像；根据所述红色单色散斑图像得到红色散斑对比度、根据所述绿色单色散斑图像得到绿色散斑对比度以及根据所述蓝色单色散斑图像得到蓝色散斑对比度。

本领域技术人员可以理解，通过MATLAB，或者c语言的图像处理程序可以得到复色散斑图像中各像素点的红色灰度值、绿色灰度值和蓝色灰度值，在此不作赘述。

本领域技术人员可以理解，可以借助计算机处理得到像素点的红色灰度值、绿色灰度值和蓝色灰度值。

示例性的，CFA如最常见Bayer型CFA，本领域技术人员知道的其他型CFA也可以使用，不受限制。

本领域技术人员可以理解，散斑对比度可以用公式计算，其中，σ_I为光强的平均方差，<I>为平均光强。本领域技术人员可以理解散斑对比度的计算方法，在此不再展开叙述。

示例性的，处理装置可以为MATLAB图像处理单元，本领域技术人员知道的图像处理方式也可以使用，不受限制。

具体而言，处理装置，具体可以用于：

根据CFA中红色滤波片的行列位置，提取对应行列位置的像素点及其红色灰度值作为红色像素点，并按照所述红色像素点所在行/列依次排列同行/列的红色像素点组成红色单色散斑图像；

根据CFA中各绿色滤波片的行列位置，提取对应行列位置的像素点及其绿色灰度值作为绿色像素点，并按照所述绿色像素点所在行/列依次排列同行/列的绿色像素点组成绿色单色散斑图像；

根据CFA中各蓝色滤波片的行列位置，提取对应行列位置的像素点及其蓝色灰度值作为蓝色像素点，并按照所述蓝色像素点所在行/列依次排列同行/列的蓝色像素点组成蓝色单色散斑图像。

本领域技术人员可以理解，CFA中红绿蓝三种颜色的滤色片交替排列，每种颜色的光只能通过相对应颜色的滤色片。

示例性的，如图4所示Bayer型CFA，CFA中各滤波片可以通过矩阵中的行列位置来确定，如位置(i-2，j-2)为绿色滤波片(标记为G)，位置(i-2，j-1)为红色滤波片(标记为R),位置(i-1，j-2)为蓝色滤波片(标记为B)。

可见，红绿蓝三种颜色的滤色片交替排列，并符合一定的行列规则。因此，可以根据CFA中各色滤波片的行列位置，提取对应行列位置的像素点及相应颜色灰度值。

提取对应行列位置的像素点及相应颜色灰度值后，可以按照相应颜色像素点所在行依次排列同行的相应颜色像素点，按照相应颜色像素点所在列依次排列同列的相应颜色像素点，最终组成相应颜色的单色散斑图像组成相应颜色的单色散斑图像。

如参考图3所示的红色像素点，提取j+1列、j-1列，与i-2行、i行、i+2行确定的6个位置：即位置1(i-2，j-1)，位置2(i，j-1)，位置3(i+2，j-1)，位置4(i-2，j+1)，位置5(i，j+1)，位置6(i+2，j+1)。

位置1(i-2，j-1)与位置4(i-2，j+1)位于同一行，位置2(i，j-1)与位置5(i，j+1)位于同一行，位置3(i+2，j-1)与位置6(i+2，j+1)位于同一行，位置1与位置2和位置3位于同一列，位置4与位置5和位置6位于同一列。

得到单色散斑图像中，第一行第一列为位置1，第二行第一列为位置2，第三第一列为位置3，第一行第二列为位置4，第二行第二列为位置5，第三第二列为位置6。

也即是，将j+1列左移一列，与j-1列(作为第一列)相邻；i行上移动与i-2行(作为第一行)相邻，i+2行上移动与i行相邻。

示例性的，如图4所示，左边起第一列为复色散斑图像41；第二列为复色散斑图像41分别提取出的红色像素点的散斑图像421、绿色像素点的散斑图像422、蓝色像素点的散斑图像423；第三列为对红色像素点的散斑图像421的像素点排列后得到的单色散斑图像431，对绿色像素点的散斑图像422的像素点排列后得到的单色散斑图像432，对蓝色像素点的散斑图像423的像素点排列后得到的单色散斑图像433。

下面说明本实用新型实施例复色激光散斑的处理方法的应用步骤：

首先，激光投影仪产生一幅复色散斑图样，成像在屏幕上。

接着，屏幕上的成像通过人眼模拟装置成像在彩色CCD芯片上，即被彩色CCD所采集。

其中，人眼模拟装置由透镜L1、圆形光阑、可调焦透镜L2组成。为与人眼相近，取参数为：透镜L1焦距24mm，可调焦透镜L2最小调焦范围为38mm-128mm，光阑到透镜L1距离3mm，光阑半径为2mm，可调焦透镜L2到光阑距离4mm，可调焦透镜L2到CCD距离15mm。等效焦距变化范围为16.6mm-21.2mm，可以对0.1m至无穷远处的物体成像，与人眼功能相似。

可调焦透镜L2可以为电活性聚合物材料，通过调节加载的电压来调节其焦距，也可以为液晶透镜等其他可调焦透镜。

接着，将彩色CCD拍摄所得的复色散斑图样用计算机处理，得到每个像素点红、绿、蓝三色的灰度值。

接着，对应所用彩色CCD表面的颜色滤波阵列(CFA)，将每个颜色的滤波片下所对应的该颜色的灰度值提取出来，分别组成新的红、绿、蓝单色散斑图样。

最后，分别计算此时提取出的红、绿、蓝单色散斑图样的对比度。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种复色激光散斑图像的采集装置，其特征在于，包括同光轴依次设置的第一透镜、光阑以及第二透镜：

所述第二透镜为可调焦透镜，所述光阑为圆形光阑；

\frac{1}{d + d_{1} - \frac{f_{1} L}{L - f_{1}}} + \frac{1}{d_{2}} = \frac{1}{f_{2}} .

2.根据权利要求1所述的复色激光散斑图像的采集装置，其特征在于，所述复色激光散斑图像的采集装置还包括：激光投影仪、屏幕和彩色CCD：

3.根据权利要求1或2所述的复色激光散斑图像的采集装置，其特征在于，所述第二透镜为电活性聚合物透镜，或者为液晶透镜。

4.根据权利要求1或2所述的复色激光散斑图像的采集装置，其特征在于，所述光阑半径为r，所述第一透镜和第二透镜构成的复合透镜的等效焦距为

5.根据权利要求4所述的复色激光散斑图像的采集装置，其特征在于，所述第一透镜的焦距为24mm，所述第二透镜的最小调焦范围为38mm-128mm，所述光阑到所述第一透镜的距离为3mm，所述光阑半径为2mm，所述第二透镜到所述光阑的距离为4mm，所述第二透镜到所述彩色CCD的距离为15mm，所述等效焦距变化范围为16.6mm-21.2mm。