激光投影散斑的原理、消除方法

　　王得喜，陈俊杰（康佳集团 多媒体研发中心，深圳 518053）

　　摘 要：介绍了激光显示散斑的产生原因、并讨论了消除激光散斑的解决方法。

　　关键词：激光；显示；散斑；消除；电视

　　0 引言

　　激光是20世纪60年代兴起的新的科学技术，激光电视最早是由前苏联科学物理研究所提出，1965年美国TI公司研制成功首台单色激光显示器。1970年中科院物理所研制成功我国彩色激光电视。激光显示因为它的一些技术特性，是近来发展最快、成果最多、学科渗透广、应用范围大的综合性高技术。应用涵盖医疗、生产、生活等各个方面，发展迅速。

　　相比非相干的普通光，激光具有高单色性、高方向性、高亮度的特点，同时具有色域范围广、寿命长、环保、节能等优点。所以激光显示是继黑白显示、彩色显示和超高清显示后的第四代显示技术，更是第五代显示技术——全息显示的基础。激光显示在高技术科技上占有重要地位，是显示领域的一次革命。

　　虽然激光光源的高相干性以及单色性拓宽了测量方面的应用以及提高显示色域，但是这也带来了散斑这一棘手问题。由于在激光投影显示、全息显示方面，散斑的存在严重降低了显示图像的质量，因此抑制散斑成为激光显示必需要解决的问题。

　　1 散斑产生原理

　　相比于普通光源发散角大、方向性不好，激光具有高度单色性、相干性、方向性的特点。由于激光的光辐射集中在很小的立体角范围内，因而光线能在发射方向上集中起来。

　　光具有波动性，当两个光源的两列波在空间重叠时，会出现干涉现象，每个点的振动是两列波在该点震动的合成。当激光照射到投影屏幕表面时，根据惠更斯原理，粗糙表面可以理解为无数多个点（面源）组合，各个点（面源）对入射光进行反射或者透射，不同的点（面源）的反射光或者透射光会产生不同的相位，不同点（面源）光线相遇后就会发生干涉。由于点（面源）数量巨大，且彼此独立，各光线随着空间变化而产生剧烈无规则的强弱变化。干涉后的光线就形成了无规则的散斑（如图1）。经过反射或者透射，在自由空间传播下，将形成三维的散斑空间分布。散斑图样分布是由投影屏幕表面特性、激光照射角度、激光波长以及用户观看角度决定的。

　　如果我们在投影屏幕前放置一块高分辨率的平板让其散斑曝光，然后按常规显影、定影处理。会看到明显的散斑图样（如图2）。

　　根据散斑的不同产生方式、性质，可以按照不同的分类标准分为不同的种类。主要取决于投影屏幕表面的结构性质和激光光源的相干性。根据屏幕表面的粗糙程度，分为强散射屏幕对应的高斯和弱散射屏幕对应的非高斯散斑。根据光源的相干性，分为完全相干散斑和部分相干散斑。根据光线传播，分为远场散斑、近场散斑和镜面散斑。根据观察条件，分为主观散斑和客观散斑，主观散斑是镜面散斑，近场散斑和远场散斑是客观散斑。远场散斑的相干光线原点近似看成来自无限远处，属于夫琅和费衍射区，近场散斑的光线原点和屏幕的距离相隔不远，位于菲涅尔衍射区。我们观察到的散斑强弱主要是散斑的强度大小，而不是散斑的相位分布，因此我们需要正确理解散斑强度。

　　在激光显示发展过程中，不少科研人员曾提出不同的抑制散斑的方法，如利用不同波长的光源，诸如单光纤或者纤维束照明来降低激光光源的相干性，从而减弱散斑；利用脉冲激光的叠加，移动散射体，移动孔径光阑，屏幕的震动等方法来减弱散斑。这些方法都是通过降低激光的时间或空间相干性并且在近距离情况下抑制散斑。

　　本文提出了目前减弱散斑的方法，在不改变激光束性质的前提下，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

　　目前激光投影电视采用蓝色光源+荧光粉+色轮技术，并没有出现明显的散斑出现。这是因为这种设计方案的激光器只有蓝色一种颜色激光颗粒，而蓝光+荧光粉激发出的绿光和红光，没有相干性，这种单独蓝色激光的散斑效应非常不明显，从而可以忽略单独蓝色激光产生的散斑现象。

　　在激光投影显示中，RGB三色激光投影的色域更高，几乎100%达到BT.2020标准，可以还原自然界70%以上的色彩。因此随着产品升级，三色激光逐渐成为高阶激光电视的代表。但是因为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统体现得特别明显。因此虽然RGB激光电视效果最好，但是散斑问题的解决却是最难的。

　　从原理上综合来讲，一种是通过改变激光波长、变化激光照射角度等方法来降低激光光源相干性，另一种是通过多幅独立非相关的散斑图样的动态叠加实现散斑的抑制。第1种方法是根据散斑形成过程解决，就是激光电视屏幕散射光线相干产生散斑，所以可通过降低激光的相干性来抑制散斑的产生，主要从激光的波长、照射角度方面来降低激光的时间相干性和空间相干性。第2种利用人眼特性，人眼对图像的响应时间大约为24 ms，在响应时间内人眼接收到的图像会进行叠加。这就是人眼的视觉残留效应。当多幅独立非相关的散斑图样在这段时间内发生叠加时就会达到视觉平均的作用，从而减轻了人眼观察到的散斑。独立非相关散斑图样可以通过动态改变光源入射角、改变激光偏振态，或者可以在光路中加入动态散射器件、随机相位板等方式来获得。

　　2.2 消除散斑的实际应用

　　而RGB激光投影散斑问题的实际应用解决方法主要是两种。

　　一种是银幕震动干涉，通过电动马达对激光电视投影屏幕的震动，从而改变激光照射在屏幕的不同散射点，消除在激光光源下的屏幕块状散斑，使激光投影屏幕反射的图像颜色看起来自然、丰富、亮度均匀、画面清晰。这种方式的特点是激光光源的光电转换效率不受影响，没有激光模组散热的特殊要求。投影屏幕震动结构为机械装置，维护直观简单，技术门槛低，这种消除散斑的应用较多。还有一种类似屏幕震动的衍生方法是震动光源，同样是通过激光器的震动来实现光源不用电照射角度的改变，从而改变当前的散斑图像。但是因为无论屏幕震动还是光源震动，在某个时间点都会存在散斑，此方法只是利用人眼视觉特性。这种还不能根本解决激光散斑问题。

　　第2种方法是激光波长干涉。根据三色激光的各自特性，并通过以上分析了解到，散斑的主要发生是在绿光（绿色激光）波长环境下，所以我们对绿光波长进行干涉，通过分解绿光连续波长来实现散斑的消除。但是这种方案因为设计复杂，要求设备精度高，技术门槛低，因此并没有大面积的应用。

　　其实震动屏幕的方式也消耗电量，整体来看消除散斑的问题目前还没有一个完美的答案，更完美的RGB激光光源还需要进一步的针对散斑问题进行优化。

　　3 结束语

　　虽然投影产品中，RGB三色激光最先进，显示效果最好，但是RGB三色光源投影的散斑也是最难解决的。激光投影业界一直在投入研究解决散斑这个问题。目前对于散斑已经有了很不错的办法，取得了一定的成果。但是单一方法还没有完全彻底解决散斑，实际需要从多个方面以及综合利用不同的方法来最大限度地解决散斑问题。

　　作者简介:

　　王得喜（1982— ），男，首席设计师，研究方向：投影技术研究及应用；

　　陈俊杰（1990— ），男，硬件工程师，研究方向：整机设计、无线通信。

　　参考文献

　　[1] 许祖彦.激光显示——新一代的显示技术[J].激光与红外,2006,36:737-741

　　[2] GOODMAN J W.光学中的散斑现象：理论与应用[M].北京：科学出版社,2009

　　[3] REDDING B,CHOMA A M,CAO H. Speckle-free laserimaging using random laser illumination[J].LETTERS,2012,6(10),355-359

　　[4] 惠更斯.惠更斯光论[M].蔡勖,译.北京：北京大学出版社,2012.

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第11期第34页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。