T/CVIA 113-2023 激光显示散斑对比度的动态测试方法

　　团 体 标 准

　　T/CVIA 113-2023

　　激光显示散斑对比度的动态测试方法

　　Dynamic Measuring Method of Speckle Contrast for Laser Display

　　2023-03-10 发布 2023-03-10 实施

　　中国电子视像行业协会 发 布

　　目 次

　　前 言

　　本文件按照 GB/T1.1-2020《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

　　本文件由中国电子视像行业协会提出并归口。

　　本文件起草单位：上海唯视锐光电技术有限公司、上海电机学院、青岛海信激光显示股份有限公司、四川长虹电器股份有限公司、中国华录集团有限公司、中光学集团股份有限公司、青岛海尔多媒体有限公司、成都菲斯特科技有限公司、深圳光峰科技股份有限公司、杭州中科极光科技有限公司、宁波激智科技股份有限公司、成都极米科技股份有限公司、杭州科汀光学技术有限公司、扬州吉新光电有限公司、苏州芯鼎微光电有限公司、艾弗堤西科技(深圳)有限公司、深圳市火乐科技发展有限公司、中山联合光电科技股份有限公司、江苏舜合物联网科技有限公司、上海凝汐智能科技发展有限公司、中国科学院理化技术研究所。

　　本文件主要起草人：许仁杰、刘红、郝亚斌、冯晓曦、彭健锋、王蔚生、钟强、蔡廷柯、赵海龙、康健、孔维成、马卫华、崔志龙、吴庆富、杨佳翼、毕勇、李刚、吴昊、金波、王挺、刘昕、时保华、蔡文海、张聪、陈晓峰、饶钦和、施耀华、刘丽娜、张利利、孙敏远。

　　本文件为首次发布。

　　引 言

　　目前国际国内的各级标准中，对于激光显示散斑对比度的测试都是基于静态方法的，即被测图像是稳定的，同时激光显示设备和测试仪器均处于固定位置，此时，构成激光多光束干涉的几何关系处于稳定状态，干涉图样(即散斑)也处于较为稳定的状态，人们因此可以较好地实现散斑现象的测试。但是，这种方法主要存在以下问题：

　　1 、 屏幕的微结构会影响光强分布，从而影响测试结果;

　　2 、 构成图像的像素单元结构，如像素间隙、像素运动(如 DLP 显示中使用的 smooth picture 技术)造成的像素部分重叠等，对散斑对比度测试结果都会产生较大的影响;

　　3 、 图像亮度不均匀产生的信号起伏也会对测试结果产生影响。

　　虽然采取一些图像处理技术可以在一定程度上克服上述影响，但通用性较差，必须针对性地做一些特定的处理，在激光显示即将步入大规模产业化的背景下，通用、快速、准确的散斑对比度测试是行业亟需解决的问题。

　　散斑对比度的动态测试方法是根据散斑的上述特点设计的，可以有效克服目前激光散斑对比度测试方法易受屏幕微结构、图像像素单元结构、亮度均匀度影响的问题，提供一种通用性更好、更精确的激光显示散斑对比度的测试方法——激光显示散斑对比度的动态测试方法。

　　激光显示散斑对比度的动态测试方法

　　1 范围

　　本文件描述了激光显示散斑对比度的动态测试条件和动态测试方法。

　　本文件适用于激光电视、激光投影机、激光影院等激光显示产品散斑对比度的动态测试，其他使用激光光源产品的散斑测量可参照执行。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/TXXXXX- 12 激光显示器件 第 1-2 部分：术语及文字符号(IEC 62906- 1-2: 2015 ，IDT)

　　GB/TXXXXX-52 激光显示器件 第 5-2 部分：散斑对比度的光学测试方法(IEC 62906-5-2: 2016，

　　IDT)

　　GB/TXXXXX-54 激光显示器件 第 5-4 部分：彩色散斑的光学测试方法(IEC 62906-5-4: 2018，

　　MOD)

　　GB/T 7274.1-2012 激光产品的安全 第 1 部分：设备分类、要求T/CVIA 78-2020 激光电视散斑测试方法(物理散斑)

　　3 术语、定义、符号和缩略语

　　下列术语、定义、符号和缩略词适用于本文件。

　　3.1 基本术语

　　3.1.1

　　散斑对比度的动态测试方法 dynamic measuring method of speckle contrast

　　DUT、屏幕、图像处于稳定状态、通过移动 LMD 或以其他方式实现图像位移以实现散斑对比度测试的方法。

　　散斑对比度的静态测试方法 static measuring method of speckle contrast

　　LMD 、DUT、屏幕、图像均处于稳定状态下对散斑对比度进行测试的方法。

　　3.2 符号

　　cS 单色散斑对比度

　　cCS 光度散斑对比度

　　dp 在屏幕上的位移像素

　　dg 平板玻璃旋转形成的 LMD 水平位移量

　　3.3 缩略语

　　4 标准测试条件

　　4.1 概述

　　激光显示的特点是采用相干光源或部分相干光源。散斑主要是由光源的相干性产生，但是激光散斑易受屏幕微结构、图像像素单元结构、亮度均匀度等条件的影响，本测试方法旨在消除这些因素的影响，得到通用性更好、准确性更高的测试结果。

　　在激光显示的光学测试时，测试的环境、设备和方法应该遵从 GB7274.1-2012 中对于人体安全的规定。

　　4.2 标准测试环境条件

　　与散斑相关的光学测试应在如下的标准环境下完成：

　　——环境温度：15℃~35℃;

　　——相对湿度：25%~85%;

　　——大气压强：86kPa~106kPa。

　　当测试不在上述标准条件下进行时，需在测试报告中标注。

　　4.3 暗室条件

　　DUT 应在背景光可控制的条件下进行测试。除DUT 发出的光之外，其他背景光线应减少到最低，

　　尤其是照射到显示屏幕上的背景光。暗室中由背景光产生的照度，应该低于 0.1 lx。如果不能满足这个条件，要求将背景光的亮度减掉并在实验报告中记录。建议对于成像设备的每个像素都应减去背景光。此外，如果光测试设备(LMD)的灵敏度不足以测试这样的最低亮度，那么光测试设备(LMD)的最低量值应记录在报告中。

　　除非另有特别的说明，标准的背景光环境应该是暗室环境。当测试在不满足上述标准暗室条件下进行时，需在测试报告中注明。

　　4.4 测试坐标系

　　投影方向是 DUT 发出的光束到待测试的投影平面的方向。投影方向由两个角度来定义：入射角度θ(与 PPUT 的表面法线方向相关)和旋转角度φ(也叫做方位角)，角度如图 1(a)所示。方位角是通过逆时针来规定的，它跟时钟指针的方向关系如下： φ = 0°是三点钟方向(右侧)， φ = 90°是十二点钟的方向(上面)，φ = 180°是九点钟方向(左侧)，φ = 270°是六点钟方向(底部)。

　　观察方向是沿着观察者看到 DUT 上面被测点所连成的直线，包括被测试的投影屏幕(PPUT)。在测试过程中，通过对准光测试设备(LMD)上面观察者感兴趣的点，光测试设备(LMD)可以模拟观察者。观察方向通过两个角度来定义：入射角度θ(与 DUT 的表面法线方向相关)和旋转角度φ,(也叫做方位角)，角度如图 1(b)所示。方位角是通过逆时针来规定的，它跟时钟表面的方向关系如下： φ = 0°是三点钟方向(右面)， φ = 90°是十二点钟的方向(上面)，φ = 180°是九点钟方向(左面)， φ = 270°是六点钟方向(底部)。

　　a) 投影方向与屏幕入射角度定义 b) 测试方向与屏幕入射角度定义标引序号说明：

　　1——DUT;

　　2——LMD或人眼;

　　3——屏幕。

　　图 1 投影方向与测试方向在极坐标系统中由入射角度和方位角定义

　　4.5 测试设备的标准条件

　　4.5.1 概述

　　所有的测试都应由具有辐射度和电学测试经验的技术人员来完成，因此本文件不再提供详细的光学和物理方面的实践方法。此外，必须确保所有的仪器都是经过校准的，记录校准数据并保持测试的可溯源性。

　　所有的测试都在标准的条件下完成，即激光显示成品的最终用户的使用条件。除非另作要求，标准仪器状态在下文中给出，所有与这些条件有差异的地方都应该被记录在报告中。

　　测试应在 LDP 和测试设备稳定后才能进行。

　　在某些应用条件下，如果无法在暗室条件下完成测试的。照明和测试的几何结构和光源的光谱分布应记录在报告中。

　　4.5.2 测试设备的条件

　　散斑是由 DUT 产生的，应该采用 4.2、4.3 中所规定的标准测试条件进行测试。散斑对比度测试设备应记录如下参数：

　　a) DUT 工作模式，如果不是工厂默认模式，记录设备的特定工作状态;

　　b) 屏幕到 LMD 的相对位置;

　　c) LMD 的曝光时间;

　　d) LMD 调焦应调至屏幕图像最清晰状态;

　　e) LMD 的 F 数，应使用与人眼在测试亮度下对应的 F 数， F 数的具体数值可根据参考文献[2] 的计算式 15- 1 或表 15-4 用插值法确定人眼的瞳孔直径，再结合人眼在空气中的焦距(约 16.66mm)确定;由于精确调整 F 数在很多场合下可操作性较差，推荐使用 F 数为 5.6 作为 LMD 的标准测试条件，使用其他 F 数的测试应特别标明;

　　f) LMD 与屏幕的距离应为图像高度的 2 倍，其他测试距离需特别标明;

　　g) LMD 应垂直于屏幕放置，如特殊情况(如出现摩尔纹等情况)可适当调整角度并特别标明。

　　5 散斑对比度的动态测试原理

　　5.1 散斑现象

　　散斑是激光多光束干涉形成的光强分布，是一种统计光学的现象，散斑图像的光强分布符合随机数的分布规律[ 1]。在 LDP 中，由屏幕结构、像素结构、均匀度等非干涉效应产生的光强起伏构成了图像的背景，激光干涉形成的散斑图像则构成了图像的细节，作为一种光的干涉现象，散斑图像的分布对于观察条件的变化非常敏感，细微的变化都会产生完全不同的散斑图像分布，因而，散斑图像可以看作是对观察条件不甚敏感的背景部分和对观察条件非常敏感的散斑部分的叠加。这种现象很容易观察到，在观察屏幕上散斑时，轻微地晃动头部，就可以看到散斑的明显变化，而所看到的图像背景几乎没有变化。

　　通过对 LMD 位置的小量位移(图 2 中ΔY)，分别以相同的参数获取移动前后两个位置(图 2 中位置 1 和位置 2)所观察到的图像，如图 3 所示，在人眼看来，这两幅图像几乎看不出差异。

　　标引序号说明：

　　1——LMD放置在第1位置2——LMD放置在第2位置3——屏幕

　　图 2 散斑对比度的动态测试结构图

　　图 3 LMD 间隔 1mm 所获取的2 幅散斑图像5.2 散斑对比度的动态测试

　　5.2.1 单色散斑对比度

　　图 3 的两幅图像在相同位置背景部分的强度几乎没有差异，人眼也很难看出差异，但实际上，两

　　幅图像的散斑强度分布则是完全不同的。由于散斑是激光多光束干涉形成的，作为一种统计光学现象，其强度分布是随机的，不同位置所获得的散斑图像是两组不相关的散斑图像。将两幅图像相同位置的强度相减(差分运算)，就可以消除图像背景的作用，同时，作为一种随机现象，散斑信号的强度分布服从随机分布的特点，其标准差反而增大到单幅图像散斑强度的√2 倍。

　　将图 3 的 2 幅图像做差分计算，得到图 4 a)，由于散斑的幅度较小，图 4 a)看起来像是一副全黑的图像，图 4 b)是将图 4 a)的数值放大 20 倍后得到的图像，可以看到，图像只剩下强度分布随机的散斑信号。

　　a) 差分运算后图像 b)差分后图像亮度提升 20 倍的效果图

　　图 4 动态测试下的散斑效果图

　　在针对静态图像的单色散斑对比度测试中，单色散斑对比度的CS 计算如式(1)：

　　CS ······························ (1)

　　式中：

　　σ——散斑图样强度的标准差;

　　I——散斑图样的平均光强度。

　　散斑对比度的动态测试中，首先对两幅图像作差分计算，由于散斑是一种随机现象，相关计算服从的随机数的计算规律[ 1] ，差分计算后散斑分量标准差的数值将增大到单幅图像散斑的√2 倍，为了得到与静态测试方法下散斑对比度可比的测试结果，动态测试方法下散斑对比度CD 的计算如式(2)所示，动态测试方法下散斑对比度在数值上与静态测试方法下散斑对比度在数值上是一致的：

　　CD ······························ (2)

　　式中：

　　σD——散斑图样强度的标准差;

　　I——散斑图样的平均光强度。

　　式中两幅图像进行比对相减得到标准差σD 的计算公式如式(3)：

　　(3)

　　式中：

　　Nr ——被测图样的总像素数;

　　I1i——第一幅被测图样的第i个像素的强度;

　　I2i——第二幅被测图样的第i个像素的强度。

　　5.2.2 彩色散斑对比度

　　彩色散斑测试中光度散斑对比度的测试方法与单色散斑对比度类似，在光路中使用 Y 滤光片，使得 LMD 能模拟人眼的视觉匹配函数。

　　彩色散斑的其他指标(如彩色散斑的方差、协方差、彩色散斑色度分布图、彩色散斑光度分布图等)的测试与此前针对静态图像的一致，可参考 GB/T XXXXX-54 激光显示器件 第 5-4 部分：彩色散斑的光学测试方法。

　　5.3 散斑对比度的动态测试 LMD 的设计示例

　　本部分提供了用于散斑对比度的动态测试LMD一个设计示例，如图 5 所示。LMD 包含平板玻璃，滤光片，光阑，成像透镜与成像设备，要求 LMD 整体成像系统的光学 MTF(调制传递函数)与人眼相当。

　　滤光片的作用是使得测试装置的光谱响应曲线与人眼的视觉匹配函数(colour matching function)曲线一致，在对于彩色(复合色，比如白色)散斑对比度的测试中必须要用到，通常使用 Y 滤光片，

　　其作用是使得测试装置的光谱响应曲线与人眼的视觉匹配函数y(λ)一致;对于单色散斑对比度的动态测试可使用相应的滤光片(绿色测试使用 Y 滤光片、蓝色测试使用 Z 滤光片、红色测试使用 Xr 滤光片)， 以便得到具有较大动态范围的光电信号，也可选择不使用滤光片(取掉图 5 中 3-7 部件，但对于复合色的测试必须使用Y 滤光片)。滤光片的设计制作时应将光学镜头的透过率光谱曲线、图像采集单元的光谱响应曲线合并计算，使整个测试装置的光谱响应曲线与人眼的视觉匹配函数一致。

　　通过转动平板玻璃实现对图像在水平方位上的移动，转动角度的计算方式见附录 A。转动平板玻璃可以达到图 2 中设备移动到位置 1 和位置 2 的效果。这一方法可以避免图 2 所示移动整机方法时容易导致的 LMD 成像的抖动。

　　标引序号说明：

　　1——入射光;

　　2——平板玻璃;

　　3——滤光片转盘;

　　4——Y滤光片;

　　5——Xr滤光片;

　　6——Xb滤光片;

　　7——Z滤光片;

　　8——光阑;

　　9——成像透镜; 10——成像设备;

　　图 5 散斑对比度的动态测试 LMD 设计示例

　　6 测试方法

　　6.1 概述

　　目的是为了确定 DUT 的散斑对比度。该方法主要用于测试 DUT 在屏幕上的散斑对比度。

　　6.2 散斑对比度的动态测试方法

　　测试应该按以下的步骤进行：

　　a) 按照要求将 DUT 放到预设的投影位置，将测试图像投影到屏幕上;

　　b) 将 LMD 放置在如 T/CVIA 78-2020 图 7 所示的位置。测试位置应该与观察位置相同;测试距离很大程度上取决于 DUT。例如，对于全高清投影机，推荐使用的测试距离应是屏幕高度的两倍。对于影院投影机，推荐使用 5m 的测试距离。成像器件的光敏面应放置于屏幕的共轭像面上。

　　c) DUT 的投影画面在空间上是均匀的(典型的是基色的画面：红色、绿色或蓝色)。当被测试器是多基色系统时，所有的基色散斑都应该被测试，图像的尺寸应该大于 LMD 的视场;

　　d) 如果需要，放置一片单色的滤光片来滤掉不必要的光学噪声信号。单色滤光片应对投影图像的主要基色光具有高透过率。对于不同基色的测试，应选择对该基色具有较大通过率的滤光片，以便得到较大的图像动态范围;

　　e) 将平板玻璃置于初始位置(图 A.1 中 2 a))，调节 LMD 的焦距，使抓取的画面在 LMD 上清晰成像;

　　f) 调整曝光时间，确认曝光时间应避免成像器件信号饱和，曝光时间应尽可能设定在人眼视觉暂留时间的 50 至 200ms 之间，100ms 为佳，如图像亮度过大导致曝光时间过短，可使用中性滤光片降低图像亮度;

　　g) 采集第一幅图像;旋转平板玻璃至如图A.1 中 2 b)的位置，采集第二张图像。旋转玻璃的位移效果等同于图 2 中的位置 1 和位置 2;

　　h) 对两张图像中相应的位置进行差分运算，通过式 3 计算散斑的标准差;

　　i) 通过计算第一张图片和第二张图样的平均光强度，取平均值作为计算中的平均光强度;

　　j) 通过式(2)计算得出散斑对比度。

　　附 录 A

　　(资料性)

　　平板玻璃的角度参数

　　在本标准中推荐使用平板玻璃的方式来达到在不同位置对 PPUT 上图像进行采集。通过 公式 A.1、 A.2、A.3 计算出玻璃片旋转角与图像在图像传感器上的位移像素数：

　　dp M ·········· (A. 1)

　　式中：

　　sp——图像传感器像素尺寸;

　　M——LMD 对于屏幕图像的放大率;

　　dg——玻璃片对光束的位移量;

　　dp——图像在图像传感器上的位移像素数。

　　平板玻璃从与 LMD 法线垂直方向夹角为Ri 的位置旋转到一Ri 的位置，通过公式 A.2 计算出平板玻璃旋转形成的光束的位移量，即为 LMD 水平位移量dg。

　　dg T ·········· (A. 2)

　　Rr = sin ·········· (A. 3)

　　式中：

　　Ri ——玻璃片旋转角;

　　Rr ——折射角;

　　T——平板玻璃的厚度;

　　n——平板玻璃的折射率。

　　图 A.1 给出玻璃片旋转效果图，PPUT 反射的光线通过 2 a)位置玻璃片后在 DMD 上的成像和光线通过 2 a)位置的玻璃片后在 DMD 上的成像存在位置差距，完成动态测试的位移要求。

　　标引序号说明：

　　1——PPUT(屏幕)

　　2(a)——平板玻璃的初始位置

　　2(b)——旋转后的平板玻璃位置3——LMD

　　图 A.1 玻璃片旋转效果图

　　附 录 B

　　(资料性)

　　可能的错误及其来源

　　尽管执行了标准中描述的测试方法，仍然可能会产生测试错误，以下是一些可能存在错误的地方：

　　a) LMD 对光应具有线性响应，有些相机默认进行 gamma 校正。

　　b) 传感器应具有较高的信噪比，一般不应小于 40 dB，以适应低散斑对比度数值的测试。

　　c) 长的积分时间(≥400ms)需要对测试系统有更高的要求。

　　参考文献

　　[ 1] Joseph W. Goodman 著，曹其智等译，《光学中的散斑现象：理论与应用》(Speckle Phenomena in Optics: Theory and Applications)，2006;

　　[2] 李景镇，《光学手册》，1986。