激光投影显示屏表面粗糙度的测量_徐美芳

；收到修改稿日期 ： ２ ０ １ ３ ０ ７ １ ２ ２ ０ １ ３ ０ ９ ０ ３ 收稿日期 ： － － － － ） 、 ） 、 ） 、 基金项目 ：国家自然科学基金 （ 山西省重大专项 （ 山西省自然科学基金 （ 中北大 ６ １ ０ ７ ８ ０ ３ ６ ２ ０ １ １ １ １ ０ １ ０ ４ ５ ２ ０ １ １ ０ １ １ ０ １ ５ ２ － 学２ ０ １ １ 年校青年科学基金 ， 作者简介 ：徐美芳 （ 女， 博士研究生 ， 讲师 ， 主要从事激光投影显示与激光散斑抑制等方面的研究 。 １ ９ ７ ４—） ： Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｘ ｍ ｆ ０ １ ２ ９＠ｎ ｕ ｃ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ ， 导师简介 ：陈旭远 （ 男， 博士 ， 教授 ， 主要从事微电子机械传感器件及系统的研发 、 半导体材料与 器 件 的 表 征 与 技 １ ９ ６ ２—） ： 术等方面的研究 。Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｃ ｈ ｅ ｎ ｘ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ． ｎ ｏ ＠ｏ ｙ 本文电子版彩色效果请详见中国光学期刊网 ｗｗｗ． ｏ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ． ｎ ｅ ｔ ｐ ｊ ０ １ ０ ８ ０ ０ ５ １ －
中 国 激 光
１ 引 言
在实际应用中 ， 人们一般对投影显示屏的增益 、 视场角和尺寸较为 关 心 ， 随着激光在投影显示技术
］ １－２ 。 屏 幕 的 表 面 粗 糙 度 开 始 受 到 关 注［ 中的应 用 ，
化就越大 。 对相同 被 测 屏 幕 ， 在自由空间中采用两 通过对这两个角度获得的散斑图 个不同角度照明 ，
（
１
中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室和电子测试技术重点实验室 ，山西 太原 ０ ３ ０ ０ ５ １
２
山西傲维光视光电股份有限公司 ，山西 太原 ０ ３ ０ ０ ３ ２
）
摘要 显示屏是激光投影显示系统的一部分 ， 其表面粗糙度直接影响着基于角 度 多 样 性 的 激 光 散 斑 抑 制 效 果 。 在 建立了被测显示屏表面粗糙度与散斑图样 之 间 的 相 关 性 之 间 的 联 系 。 对 显 示 角度多样性散斑抑制原理的基础上 ， 。 屏表面粗糙度对照射角度和角度变 化 的 敏 感 程 度 权 衡 ， 实验中将入射角和角度变化量分别固定在１ 和 ０． ° ０ ０ ３ ８ ° 为避免外界微扰和测试屏表面不平度对测试结果的影 响 ， 通 过 对 被 测 显 示 屏 ５ｃ ｍ×５ｃ ｍ 测试区域中选择９个子 区域的测试结果进行 平 均 ， 有 效 提 高 了 测 试 精 度。 运 用 提 出 的 方 法 确 定 ４ 种 材 质 显 示 屏 的 表 面 粗 糙 度 分 别 为 为设计有效降低激光散斑的投影显示屏提供了参考 。 ２ ３ ５． ８ ０， ２ ０ ９． ５ ７， １ ３ ２． ２ ４和１ ３ ７． ６ ０μ ｍ， 关键词 测量 ；激光投影 ；角度多样性 ；散斑相关性 ；表面粗糙度 ： ／ 中图分类号 Ｏ ４ ３ ６ 文献标识码 Ａ ｄ ｏ ｉ １ ０． ３ ７ ８ ８ Ｃ Ｌ ２ ０ １ ４ ４ １． ０ １ ０ ８ ０ ０ ５ Ｊ
１ ｅ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｏ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ＆Ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ Ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ，Ｍ ｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ｏ Ｅ ｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ， ｙ ｙ ｆ ｙ ｙ ｆ 烄Ｋ 烌
１ ３］ ， 样的退相关程度分析 ［ 从而获得 显 示 屏 表 面 粗 糙
度的信息 ， 为设计能 有 效 降 低 激 光 散 斑 的 投 影 显 示 屏提供参考 。
因为激光具有高度 的 空 间 和 时 间 相 干 性 ， 当它照射 粗糙面上多种多样 到具有一定粗糙度 的 屏 幕 上 时 ， 的微小面积对观察 到 的 总 场 会 产 生 随 机 相 位 基 元 ， 这些基元互相干涉 就 会 产 生 强 弱 不 同 的 光 强 ， 其在 空间呈现细微尺寸的颗粒结构即散斑 。 这些散斑会 衡 携带屏幕表面的 重 要 信 息 。 在 激 光 显 示 系 统 中 ， 它定义为均匀照 量散斑的主要参数 是 散 斑 对 比 度 ， 明屏幕上 光 强 的 标 准 方 差 与 均 值 的 比 值 ， 即Ｃ ＝ ［ ３］ ／ ＜Ｉ ＞ 。 激光散斑对比度 Ｃ 对屏幕表面高度涨 σ Ｉ 落 ｈ（ ! ）的标准方差σ 即屏幕表面粗糙度 ）存在 α， ｈ（ 一定的依赖关系 ， 屏 幕 表 面 高 度 涨 落 的 标 准 方 差σ ｈ 远小于照射波波长 ， 该屏幕表面可视为光学光滑面 ， 不产生散斑 ， 否 则， 屏幕表面为光学粗 Ｃ 值 接 近 零； 糙面 ， 会产生比较明显的散斑 ， Ｃ 值接近 １。 当激 光 束 经 屏 幕 反 射 或 透 射 后 ， 其初始相位会 即 相 位 变 化σ 随屏幕 粗 糙 度 发 生 线 性 变 化 ， ｈ， Φ ∝σ 基于散射片或屏幕 运 动 、 角度多样性以及波长多样 性的激光散斑抑制方法正是利用了这一点 。 而一般 情况下 ， 无法明确正在使用的投影显示屏的粗糙度 ， 这为测试或研发这些激光散斑抑制器件增加了不确 定因素 。 为此测量投影显示屏的粗糙度势在必行 。 表面 粗 糙 度 测 量 最 常 用 的 有 针 描 法 ， 其精度能 达纳米级 ， 但表面粗 糙 度 参 数 的 分 辨 率 取 决 于 仪 器 的测量针尖的直径 ， 还受仪器稳定性影响 ， 并且仪器 对被测屏幕会产生不同程度的损坏 。 作为该方法的 补偿 ， 光技术法是 一 种 非 接 触 式 、 非 破 坏 性 的、 高效 的测量表面粗糙度方法 。 很多研究人员在这方面做
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第４ １卷 第１期 ２ ０ １ ４年１月
中 国 激 光 ＣＨ Ｉ Ｎ Ｅ Ｓ Ｅ Ｏ Ｆ Ｌ Ａ Ｓ Ｅ Ｒ Ｓ ＯＵ ＲＮＡ Ｌ Ｊ
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激光投影显示屏表面粗糙度的测量
２ １， ２ 徐美芳１ 石云波１ 高文宏１， 陈海洋
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