激光投影散斑的原理、消除方法

　　王得喜，陳俊杰（康佳集團(tuán) 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(jì)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?yàn)樗囊恍┘夹g(shù)特性，是近來發(fā)展最快、成果最多、學(xué)科滲透廣、應(yīng)用范圍大的綜合性高技術(shù)。應(yīng)用涵蓋醫(yī)療、生產(chǎn)、生活等各個方面，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、環(huán)保、節(jié)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(chǔ)。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(yīng)用以及提高顯示色域，但是這也帶來了散斑這一棘手問題。由于在激光投影顯示、全息顯示方面，散斑的存在嚴(yán)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(nèi)，因而光線能在發(fā)射方向上集中起來。

　　光具有波動性，當(dāng)兩個光源的兩列波在空間重疊時(shí)，會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，每個點(diǎn)的振動是兩列波在該點(diǎn)震動的合成。當(dāng)激光照射到投影屏幕表面時(shí)，根據(jù)惠更斯原理，粗糙表面可以理解為無數(shù)多個點(diǎn)（面源）組合，各個點(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產(chǎn)生不同的相位，不同點(diǎn)（面源）光線相遇后就會發(fā)生干涉。由于點(diǎn)（面源）數(shù)量巨大，且彼此獨(dú)立，各光線隨著空間變化而產(chǎn)生劇烈無規(guī)則的強(qiáng)弱變化。干涉后的光線就形成了無規(guī)則的散斑（如圖1）。經(jīng)過反射或者透射，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、激光波長以及用戶觀看角度決定的。

　　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(guī)顯影、定影處理。會看到明顯的散斑圖樣（如圖2）。

　　根據(jù)散斑的不同產(chǎn)生方式、性質(zhì)，可以按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)分為不同的種類。主要取決于投影屏幕表面的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和激光光源的相干性。根據(jù)屏幕表面的粗糙程度，分為強(qiáng)散射屏幕對應(yīng)的高斯和弱散射屏幕對應(yīng)的非高斯散斑。根據(jù)光源的相干性，分為完全相干散斑和部分相干散斑。根據(jù)光線傳播，分為遠(yuǎn)場散斑、近場散斑和鏡面散斑。根據(jù)觀察條件，分為主觀散斑和客觀散斑，主觀散斑是鏡面散斑，近場散斑和遠(yuǎn)場散斑是客觀散斑。遠(yuǎn)場散斑的相干光線原點(diǎn)近似看成來自無限遠(yuǎn)處，屬于夫瑯和費(fèi)衍射區(qū)，近場散斑的光線原點(diǎn)和屏幕的距離相隔不遠(yuǎn)，位于菲涅爾衍射區(qū)。我們觀察到的散斑強(qiáng)弱主要是散斑的強(qiáng)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(qiáng)度。

　　在激光顯示發(fā)展過程中，不少科研人員曾提出不同的抑制散斑的方法，如利用不同波長的光源，諸如單光纖或者纖維束照明來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，移動散射體，移動孔徑光闌，屏幕的震動等方法來減弱散斑。這些方法都是通過降低激光的時(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(lán)色光源+熒光粉+色輪技術(shù)，并沒有出現(xiàn)明顯的散斑出現(xiàn)。這是因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)方案的激光器只有藍(lán)色一種顏色激光顆粒，而藍(lán)光+熒光粉激發(fā)出的綠光和紅光，沒有相干性，這種單獨(dú)藍(lán)色激光的散斑效應(yīng)非常不明顯，從而可以忽略單獨(dú)藍(lán)色激光產(chǎn)生的散斑現(xiàn)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(dá)到BT.2020標(biāo)準(zhǔn)，可以還原自然界70%以上的色彩。因此隨著產(chǎn)品升級，三色激光逐漸成為高階激光電視的代表。但是因?yàn)镽GB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(tǒng)體現(xiàn)得特別明顯。因此雖然RGB激光電視效果最好，但是散斑問題的解決卻是最難的。

　　從原理上綜合來講，一種是通過改變激光波長、變化激光照射角度等方法來降低激光光源相干性，另一種是通過多幅獨(dú)立非相關(guān)的散斑圖樣的動態(tài)疊加實(shí)現(xiàn)散斑的抑制。第1種方法是根據(jù)散斑形成過程解決，就是激光電視屏幕散射光線相干產(chǎn)生散斑，所以可通過降低激光的相干性來抑制散斑的產(chǎn)生，主要從激光的波長、照射角度方面來降低激光的時(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(yīng)時(shí)間大約為24 ms，在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)人眼接收到的圖像會進(jìn)行疊加。這就是人眼的視覺殘留效應(yīng)。當(dāng)多幅獨(dú)立非相關(guān)的散斑圖樣在這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生疊加時(shí)就會達(dá)到視覺平均的作用，從而減輕了人眼觀察到的散斑。獨(dú)立非相關(guān)散斑圖樣可以通過動態(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態(tài)散射器件、隨機(jī)相位板等方式來獲得。

　　2.2 消除散斑的實(shí)際應(yīng)用

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

　　一種是銀幕震動干涉，通過電動馬達(dá)對激光電視投影屏幕的震動，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自然、豐富、亮度均勻、畫面清晰。這種方式的特點(diǎn)是激光光源的光電轉(zhuǎn)換效率不受影響，沒有激光模組散熱的特殊要求。投影屏幕震動結(jié)構(gòu)為機(jī)械裝置，維護(hù)直觀簡單，技術(shù)門檻低，這種消除散斑的應(yīng)用較多。還有一種類似屏幕震動的衍生方法是震動光源，同樣是通過激光器的震動來實(shí)現(xiàn)光源不用電照射角度的改變，從而改變當(dāng)前的散斑圖像。但是因?yàn)闊o論屏幕震動還是光源震動，在某個時(shí)間點(diǎn)都會存在散斑，此方法只是利用人眼視覺特性。這種還不能根本解決激光散斑問題。

　　第2種方法是激光波長干涉。根據(jù)三色激光的各自特性，并通過以上分析了解到，散斑的主要發(fā)生是在綠光（綠色激光）波長環(huán)境下，所以我們對綠光波長進(jìn)行干涉，通過分解綠光連續(xù)波長來實(shí)現(xiàn)散斑的消除。但是這種方案因?yàn)樵O(shè)計(jì)復(fù)雜，要求設(shè)備精度高，技術(shù)門檻低，因此并沒有大面積的應(yīng)用。

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

　　3 結(jié)束語

　　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問題。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。但是單一方法還沒有完全徹底解決散斑，實(shí)際需要從多個方面以及綜合利用不同的方法來最大限度地解決散斑問題。

　　作者簡介:

　　王得喜（1982— ），男，首席設(shè)計(jì)師，研究方向：投影技術(shù)研究及應(yīng)用；

　　陳俊杰（1990— ），男，硬件工程師，研究方向：整機(jī)設(shè)計(jì)、無線通信。

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