雷射投影散斑的原理、消除方法

　　王得喜，陳俊傑（康佳集團 多媒體研發中心，深圳 518053）

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201910/406436.htm

　　摘 要：介紹了雷射顯示散斑的產生原因、並討論了消除雷射散斑的解決方法。

　　關鍵詞：雷射；顯示；散斑；消除；電視

　　0 引言

　　雷射是20世紀60年代興起的新的科學技術，雷射電視最早是由前蘇聯科學物理研究所提出，1965年美國TI公司研製成功首臺單色雷射顯示器。1970年中科院物理所研製成功我國彩色雷射電視。雷射顯示因為它的一些技術特性，是近來發展最快、成果最多、學科滲透廣、應用範圍大的綜合性高技術。應用涵蓋醫療、生產、生活等各個方面，發展迅速。

　　相比非相干的普通光，雷射具有高單色性、高方向性、高亮度的特點，同時具有色域範圍廣、壽命長、環保、節能等優點。所以雷射顯示是繼黑白顯示、彩色顯示和超高清顯示後的第四代顯示技術，更是第五代顯示技術——全息顯示的基礎。雷射顯示在高技術科技上佔有重要地位，是顯示領域的一次革命。

　　雖然雷射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，但是這也帶來了散斑這一棘手問題。由於在雷射投影顯示、全息顯示方面，散斑的存在嚴重降低了顯示圖像的質量，因此抑制散斑成為雷射顯示必需要解決的問題。

　　1 散斑產生原理

　　相比於普通光源發散角大、方向性不好，雷射具有高度單色性、相干性、方向性的特點。由於雷射的光輻射集中在很小的立體角範圍內，因而光線能在發射方向上集中起來。

　　光具有波動性，當兩個光源的兩列波在空間重疊時，會出現幹涉現象，每個點的振動是兩列波在該點震動的合成。當雷射照射到投影屏幕表面時，根據惠更斯原理，粗糙表面可以理解為無數多個點（面源）組合，各個點（面源）對入射光進行反射或者透射，不同的點（面源）的反射光或者透射光會產生不同的相位，不同點（面源）光線相遇後就會發生幹涉。由於點（面源）數量巨大，且彼此獨立，各光線隨著空間變化而產生劇烈無規則的強弱變化。幹涉後的光線就形成了無規則的散斑（如圖1）。經過反射或者透射，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、雷射照射角度、雷射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解析度的平板讓其散斑曝光，然後按常規顯影、定影處理。會看到明顯的散斑圖樣（如圖2）。

　　根據散斑的不同產生方式、性質，可以按照不同的分類標準分為不同的種類。主要取決於投影屏幕表面的結構性質和雷射光源的相干性。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。根據光線傳播，分為遠場散斑、近場散斑和鏡面散斑。根據觀察條件，分為主觀散斑和客觀散斑，主觀散斑是鏡面散斑，近場散斑和遠場散斑是客觀散斑。遠場散斑的相干光線原點近似看成來自無限遠處，屬於夫琅和費衍射區，近場散斑的光線原點和屏幕的距離相隔不遠，位於菲涅爾衍射區。我們觀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。

　　在雷射顯示發展過程中，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雷射光源的相干性，從而減弱散斑；利用脈衝雷射的疊加，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雷射的時間或空間相干性並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，在不改變雷射束性質的前提下，可以有效抑制雷射投影散斑。

　　2 散斑消除方法

　　2.1 消除散斑的原理方法

　　目前雷射投影電視採用藍色光源+螢光粉+色輪技術，並沒有出現明顯的散斑出現。這是因為這種設計方案的雷射器只有藍色一種顏色雷射顆粒，而藍光+螢光粉激發出的綠光和紅光，沒有相干性，這種單獨藍色雷射的散斑效應非常不明顯，從而可以忽略單獨藍色雷射產生的散斑現象。

　　在雷射投影顯示中，RGB三色雷射投影的色域更高，幾乎100%達到BT.2020標準，可以還原自然界70%以上的色彩。因此隨著產品升級，三色雷射逐漸成為高階雷射電視的代表。但是因為RGB三色雷射光源都有相干性，散斑在RGB三色雷射光源投影系統體現得特別明顯。因此雖然RGB雷射電視效果最好，但是散斑問題的解決卻是最難的。

　　從原理上綜合來講，一種是通過改變雷射波長、變化雷射照射角度等方法來降低雷射光源相干性，另一種是通過多幅獨立非相關的散斑圖樣的動態疊加實現散斑的抑制。第1種方法是根據散斑形成過程解決，就是雷射電視屏幕散射光線相干產生散斑，所以可通過降低雷射的相干性來抑制散斑的產生，主要從雷射的波長、照射角度方面來降低雷射的時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間大約為24 ms，在響應時間內人眼接收到的圖像會進行疊加。這就是人眼的視覺殘留效應。當多幅獨立非相關的散斑圖樣在這段時間內發生疊加時就會達到視覺平均的作用，從而減輕了人眼觀察到的散斑。獨立非相關散斑圖樣可以通過動態改變光源入射角、改變雷射偏振態，或者可以在光路中加入動態散射器件、隨機相位板等方式來獲得。

　　2.2 消除散斑的實際應用

　　而RGB雷射投影散斑問題的實際應用解決方法主要是兩種。

　　一種是銀幕震動幹涉，通過電動馬達對雷射電視投影屏幕的震動，從而改變雷射照射在屏幕的不同散射點，消除在雷射光源下的屏幕塊狀散斑，使雷射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。這種方式的特點是雷射光源的光電轉換效率不受影響，沒有雷射模組散熱的特殊要求。投影屏幕震動結構為機械裝置，維護直觀簡單，技術門檻低，這種消除散斑的應用較多。還有一種類似屏幕震動的衍生方法是震動光源，同樣是通過雷射器的震動來實現光源不用電照射角度的改變，從而改變當前的散斑圖像。但是因為無論屏幕震動還是光源震動，在某個時間點都會存在散斑，此方法只是利用人眼視覺特性。這種還不能根本解決雷射散斑問題。

　　第2種方法是雷射波長幹涉。根據三色雷射的各自特性，並通過以上分析了解到，散斑的主要發生是在綠光（綠色雷射）波長環境下，所以我們對綠光波長進行幹涉，通過分解綠光連續波長來實現散斑的消除。但是這種方案因為設計複雜，要求設備精度高，技術門檻低，因此並沒有大面積的應用。

　　其實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雷射光源還需要進一步的針對散斑問題進行優化。

　　3 結束語

　　雖然投影產品中，RGB三色雷射最先進，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。雷射投影業界一直在投入研究解決散斑這個問題。目前對於散斑已經有了很不錯的辦法，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，首席設計師，研究方向：投影技術研究及應用；

　　陳俊傑（1990— ），男，硬體工程師，研究方向：整機設計、無線通信。

　　參考文獻

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　　本文來源於科技期刊《電子產品世界》2019年第11期第34頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。