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(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、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(gè)光源的兩列波在空間重疊時(shí)，會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，每個(gè)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(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(gè)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(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(gè)問題。目前對于散斑已經(jīng)有了很不錯(cuò)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(gè)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。