激光投影散斑的原理、消除方法

　　王得喜，陳俊杰（康佳集團 多媒體研發(fā)中心，深圳 518053）

　　摘?要：介紹了激光顯示散斑的產(chǎn)生原因、并討論了消除激光散斑的解決方法。

　　關(guān)鍵詞：激光；顯示；散斑；消除；電視

　　0 引言

　　激光是20世紀60年代興起的新的科學(xué)技術(shù)，激光電視最早是由前蘇聯(lián)科學(xué)物理研究所提出，1965年美國TI公司研制成功首臺單色激光顯示器。1970年中科院物理所研制成功我國彩色激光電視。激光顯示因為它的一些技術(shù)特性，是近來(lái)發(fā)展最快、成果最多、學(xué)科滲透廣、應用范圍大的綜合性高技術(shù)。應用涵蓋醫療、生產(chǎn)、生活等各個(gè)方面，發(fā)展迅速。

　　相比非相干的普通光，激光具有高單色性、高方向性、高亮度的特點(diǎn)，同時(shí)具有色域范圍廣、壽命長(cháng)、環(huán)保、節能等優(yōu)點(diǎn)。所以激光顯示是繼黑白顯示、彩色顯示和超高清顯示后的第四代顯示技術(shù)，更是第五代顯示技術(shù)——全息顯示的基礎。激光顯示在高技術(shù)科技上占有重要地位，是顯示領(lǐng)域的一次革命。

　　雖然激光光源的高相干性以及單色性拓寬了測量方面的應用以及提高顯示色域，但是這也帶來(lái)了散斑這一棘手問(wèn)題。由于在激光投影顯示、全息顯示方面，散斑的存在嚴重降低了顯示圖像的質(zhì)量，因此抑制散斑成為激光顯示必需要解決的問(wèn)題。

　　1 散斑產(chǎn)生原理

　　相比于普通光源發(fā)散角大、方向性不好，激光具有高度單色性、相干性、方向性的特點(diǎn)。由于激光的光輻射集中在很小的立體角范圍內，因而光線(xiàn)能在發(fā)射方向上集中起來(lái)。

　　光具有波動(dòng)性，當兩個(gè)光源的兩列波在空間重疊時(shí)，會(huì )出現干涉現象，每個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)是兩列波在該點(diǎn)震動(dòng)的合成。當激光照射到投影屏幕表面時(shí)，根據惠更斯原理，粗糙表面可以理解為無(wú)數多個(gè)點(diǎn)（面源）組合，各個(gè)點(diǎn)（面源）對入射光進(jìn)行反射或者透射，不同的點(diǎn)（面源）的反射光或者透射光會(huì )產(chǎn)生不同的相位，不同點(diǎn)（面源）光線(xiàn)相遇后就會(huì )發(fā)生干涉。由于點(diǎn)（面源）數量巨大，且彼此獨立，各光線(xiàn)隨著(zhù)空間變化而產(chǎn)生劇烈無(wú)規則的強弱變化。干涉后的光線(xiàn)就形成了無(wú)規則的散斑（如圖1）。經(jīng)過(guò)反射或者透射，在自由空間傳播下，將形成三維的散斑空間分布。散斑圖樣分布是由投影屏幕表面特性、激光照射角度、激光波長(cháng)以及用戶(hù)觀(guān)看角度決定的。

　　如果我們在投影屏幕前放置一塊高分辨率的平板讓其散斑曝光，然后按常規顯影、定影處理。會(huì )看到明顯的散斑圖樣（如圖2）。

　　根據散斑的不同產(chǎn)生方式、性質(zhì)，可以按照不同的分類(lèi)標準分為不同的種類(lèi)。主要取決于投影屏幕表面的結構性質(zhì)和激光光源的相干性。根據屏幕表面的粗糙程度，分為強散射屏幕對應的高斯和弱散射屏幕對應的非高斯散斑。根據光源的相干性，分為完全相干散斑和部分相干散斑。根據光線(xiàn)傳播，分為遠場(chǎng)散斑、近場(chǎng)散斑和鏡面散斑。根據觀(guān)察條件，分為主觀(guān)散斑和客觀(guān)散斑，主觀(guān)散斑是鏡面散斑，近場(chǎng)散斑和遠場(chǎng)散斑是客觀(guān)散斑。遠場(chǎng)散斑的相干光線(xiàn)原點(diǎn)近似看成來(lái)自無(wú)限遠處，屬于夫瑯和費衍射區，近場(chǎng)散斑的光線(xiàn)原點(diǎn)和屏幕的距離相隔不遠，位于菲涅爾衍射區。我們觀(guān)察到的散斑強弱主要是散斑的強度大小，而不是散斑的相位分布，因此我們需要正確理解散斑強度。

　　在激光顯示發(fā)展過(guò)程中，不少科研人員曾提出不同的抑制散斑的方法，如利用不同波長(cháng)的光源，諸如單光纖或者纖維束照明來(lái)降低激光光源的相干性，從而減弱散斑；利用脈沖激光的疊加，移動(dòng)散射體，移動(dòng)孔徑光闌，屏幕的震動(dòng)等方法來(lái)減弱散斑。這些方法都是通過(guò)降低激光的時(shí)間或空間相干性并且在近距離情況下抑制散斑。

　　本文提出了目前減弱散斑的方法，在不改變激光束性質(zhì)的前提下，可以有效抑制激光投影散斑。

　　2 散斑消除方法

　　2.1 消除散斑的原理方法

　　目前激光投影電視采用藍色光源+熒光粉+色輪技術(shù)，并沒(méi)有出現明顯的散斑出現。這是因為這種設計方案的激光器只有藍色一種顏色激光顆粒，而藍光+熒光粉激發(fā)出的綠光和紅光，沒(méi)有相干性，這種單獨藍色激光的散斑效應非常不明顯，從而可以忽略單獨藍色激光產(chǎn)生的散斑現象。

　　在激光投影顯示中，RGB三色激光投影的色域更高，幾乎100%達到BT.2020標準，可以還原自然界70%以上的色彩。因此隨著(zhù)產(chǎn)品升級，三色激光逐漸成為高階激光電視的代表。但是因為RGB三色激光光源都有相干性，散斑在RGB三色激光光源投影系統體現得特別明顯。因此雖然RGB激光電視效果最好，但是散斑問(wèn)題的解決卻是最難的。

　　從原理上綜合來(lái)講，一種是通過(guò)改變激光波長(cháng)、變化激光照射角度等方法來(lái)降低激光光源相干性，另一種是通過(guò)多幅獨立非相關(guān)的散斑圖樣的動(dòng)態(tài)疊加實(shí)現散斑的抑制。第1種方法是根據散斑形成過(guò)程解決，就是激光電視屏幕散射光線(xiàn)相干產(chǎn)生散斑，所以可通過(guò)降低激光的相干性來(lái)抑制散斑的產(chǎn)生，主要從激光的波長(cháng)、照射角度方面來(lái)降低激光的時(shí)間相干性和空間相干性。第2種利用人眼特性，人眼對圖像的響應時(shí)間大約為24 ms，在響應時(shí)間內人眼接收到的圖像會(huì )進(jìn)行疊加。這就是人眼的視覺(jué)殘留效應。當多幅獨立非相關(guān)的散斑圖樣在這段時(shí)間內發(fā)生疊加時(shí)就會(huì )達到視覺(jué)平均的作用，從而減輕了人眼觀(guān)察到的散斑。獨立非相關(guān)散斑圖樣可以通過(guò)動(dòng)態(tài)改變光源入射角、改變激光偏振態(tài)，或者可以在光路中加入動(dòng)態(tài)散射器件、隨機相位板等方式來(lái)獲得。

　　2.2 消除散斑的實(shí)際應用

　　而RGB激光投影散斑問(wèn)題的實(shí)際應用解決方法主要是兩種。

　　一種是銀幕震動(dòng)干涉，通過(guò)電動(dòng)馬達對激光電視投影屏幕的震動(dòng)，從而改變激光照射在屏幕的不同散射點(diǎn)，消除在激光光源下的屏幕塊狀散斑，使激光投影屏幕反射的圖像顏色看起來(lái)自然、豐富、亮度均勻、畫(huà)面清晰。這種方式的特點(diǎn)是激光光源的光電轉換效率不受影響，沒(méi)有激光模組散熱的特殊要求。投影屏幕震動(dòng)結構為機械裝置，維護直觀(guān)簡(jiǎn)單，技術(shù)門(mén)檻低，這種消除散斑的應用較多。還有一種類(lèi)似屏幕震動(dòng)的衍生方法是震動(dòng)光源，同樣是通過(guò)激光器的震動(dòng)來(lái)實(shí)現光源不用電照射角度的改變，從而改變當前的散斑圖像。但是因為無(wú)論屏幕震動(dòng)還是光源震動(dòng)，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)都會(huì )存在散斑，此方法只是利用人眼視覺(jué)特性。這種還不能根本解決激光散斑問(wèn)題。

　　第2種方法是激光波長(cháng)干涉。根據三色激光的各自特性，并通過(guò)以上分析了解到，散斑的主要發(fā)生是在綠光（綠色激光）波長(cháng)環(huán)境下，所以我們對綠光波長(cháng)進(jìn)行干涉，通過(guò)分解綠光連續波長(cháng)來(lái)實(shí)現散斑的消除。但是這種方案因為設計復雜，要求設備精度高，技術(shù)門(mén)檻低，因此并沒(méi)有大面積的應用。

　　其實(shí)震動(dòng)屏幕的方式也消耗電量，整體來(lái)看消除散斑的問(wèn)題目前還沒(méi)有一個(gè)完美的答案，更完美的RGB激光光源還需要進(jìn)一步的針對散斑問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。

　　3 結束語(yǔ)

　　雖然投影產(chǎn)品中，RGB三色激光最先進(jìn)，顯示效果最好，但是RGB三色光源投影的散斑也是最難解決的。激光投影業(yè)界一直在投入研究解決散斑這個(gè)問(wèn)題。目前對于散斑已經(jīng)有了很不錯的辦法，取得了一定的成果。但是單一方法還沒(méi)有完全徹底解決散斑，實(shí)際需要從多個(gè)方面以及綜合利用不同的方法來(lái)最大限度地解決散斑問(wèn)題。

　　作者簡(jiǎn)介:

　　王得喜（1982— ），男，首席設計師，研究方向：投影技術(shù)研究及應用；

　　陳俊杰（1990— ），男，硬件工程師，研究方向：整機設計、無(wú)線(xiàn)通信。

　　參考文獻

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　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第11期第34頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。