激光投影顯示散斑抑制方法研究

陳海洋

（山西漢威激光科技股份有限公司，山西 太原 030006）

激光具有單色性好、方向性好和高亮度等方面的特點，正是由于這些特點使得激光在顯示方面具有非常多的優(yōu)點，包括顯色色域范圍大、顏色飽和度高等，這使得激光顯示技術(shù)具有非常好的發(fā)展前景，當前已經(jīng)成為第四代顯示技術(shù)，在國內(nèi)國外都具有廣泛的應用，激光顯示技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程不斷推進。由于激光光源具有高單色性的特點，使其顯示色域得到了極大的拓展，同時也導致了激光散斑的問題，會導致圖像的質(zhì)量嚴重降低。因此，為了推廣激光顯示技術(shù)，需要抑制或者是消除散斑。

1 散斑的概念

1.1 散斑形成的原因

20世紀90年代，人們相繼發(fā)明了He和Ne激光器，在對這些激光器進行研究的過程中，人們發(fā)現(xiàn)如果用激光對漫射體進行照明，物體表面上會出現(xiàn)一層精細的顆粒狀結(jié)構(gòu)。人們對其進行進一步的研究發(fā)展，在漫射體的散射場中放置一個高分辨干板來對其進行曝光，不論干板放置在場中的各種位置，在對干板進行顯影定影處理以后，干板上都會出現(xiàn)明暗相間的無規(guī)則結(jié)構(gòu)，而且研究還發(fā)現(xiàn)這種無規(guī)則斑點并不是只存在于物體表面，而是整個散射空間內(nèi)都存在這種結(jié)構(gòu)，這種無規(guī)則結(jié)構(gòu)被人們稱為散斑。

激光這種光源具有高度相干的特點。對于可見光波長而言，物體表面基本上都是粗糙不平的，即物體表面分布著大量無規(guī)則的面元。激光在照射到物體的表面之后，這些無規(guī)則的面元會使入射光產(chǎn)生不同的附加相位，不同面元的反射光會存在交叉，在它們相遇以后就會出現(xiàn)干涉。物體的表面具有非常多數(shù)量的散射面元，而且并沒有規(guī)律，彼此并不相關(guān)，因此所產(chǎn)生的干涉光強也并不規(guī)律，隨著空間的變化，干涉光強也會出現(xiàn)無規(guī)則的交替，這樣就會形成無規(guī)則的散斑圖樣。

1.2 散斑的分類

散斑的形成方式有很多，在性質(zhì)方面也有一定的差異，因此可以根據(jù)不同的標準對散斑進行分類。散斑的種類主要由兩方面的因素決定，一是投影屏幕表面的粗糙程度；二是激光光源的相干性。屏幕表面的粗糙程度不同，可以將散斑分為兩類，強散射屏幕下所產(chǎn)生的散斑為高斯散斑，低反射屏幕下產(chǎn)生的則是非高斯散斑。根據(jù)光源的相干性可以將散斑分為完全相干和不完全相干兩類散斑。除了這兩類分類標準以外，還可以根據(jù)光線的傳播情況將其分為遠場散斑、近場散斑和鏡面散斑；根據(jù)觀察條件的不同將其分為主觀散斑和客觀散斑；主觀散斑是一種鏡面散斑，客觀散斑則包括了近場散斑和遠場散斑是客觀散斑。在實際觀察過程中，觀察到的散斑強弱主要是由散斑強度的大小決定的，其相對分布位置則不是影響其觀測強度的主要因素。

2 散斑消除方法

隨著激光顯示的快速發(fā)展，其優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，但是要使其得到充分的應用，還需要解決激散斑問題，因此研究人員對抑制散斑的方法進行了大量的研究。具體來說，有研究人員希望通過降低激光光源相干性的方式來抑制散斑，具體的措施包括采用不同波長的光源，如單光纖或者纖維束照明等光源；除了這些方法之外，脈沖激光的疊加、移動散射體等方法也都被人們用于散斑的抑制，這些方法能夠抑制散斑，主要是由于其可以降低激光在時間和空間方面的相干性，這些方法具有一定的局限性，即只能在近距離的條件下起到抑制散斑的效果。本文提出的抑制散斑的方法，能夠不對激光束性質(zhì)前提進行改變的前提下，對激光投影散斑進行有效的抑制。

2.1 消除散斑的原理方法

基于當前技術(shù)水平，激光投影電視主要依靠以下技術(shù)實現(xiàn)，即藍色光源+熒光粉+色輪技術(shù)，在這種技術(shù)條件下，激光投影并不會出現(xiàn)散斑問題，這主要是在這種設(shè)計下，激光器只采用了藍色這一種顏色的激光科技，然后綠光和紅光都是通過藍光和熒光粉來激發(fā)出來的，這樣激光沒有相干性，單獨的藍色激光不會出現(xiàn)明顯的散斑現(xiàn)象，因此可以忽略。

在激光投影顯示過程中，RGB三色激光投影的色域更高，能夠?qū)崿F(xiàn)大部分自然界中色彩的還原。隨著激光投影技術(shù)的發(fā)展以及產(chǎn)品的升級，高階激光電視基本都采用三色激光，從而達到更好的色彩效果，但是在這樣的設(shè)計下，由于RGB三色激光光源都有相干性，導致投影時會出現(xiàn)明顯的散斑效果。雖然說這樣的情況下，可以達到最好的視覺效果，但是散斑問題卻難以解決，給系統(tǒng)帶來不利的影響。

從原理上講，為了降低激光光源的相關(guān)性可以采取改變激光波長、改變激光照射角度的措施，同時還可以將多幅獨立非相關(guān)的散斑圖樣進行動態(tài)疊加，以這種方式來實現(xiàn)對于散斑的抑制。下面對這兩種方法進行分析：

（1）為了降低激光光源的相關(guān)性可以采取改變激光波長、改變激光照射角度的措施。這種方法是針對散斑的過程來解決散斑問題的，由于散斑是基于散射光線相干而產(chǎn)生的，那么為了抑制散斑，可以采取降低激光相干性的方法。降低激光的相干性，可以從空間和時間兩方面進行，即改變激光波長、改變激光照射角度的措施，使激光的時間相干性和空間相干性降低。

（2）當前，多幅獨立非相關(guān)的散斑圖樣的動態(tài)疊加抑制散斑是一種常見的手法，這種抑制散斑的方法利用了人眼的特點。研究發(fā)現(xiàn)，人眼對于圖像的響應時間在24ms左右，如果在響應時間內(nèi)人眼接收到了很多的圖像，就會對圖像進行疊加，研究人員將這種現(xiàn)象稱為人眼視覺殘留效應。基于人眼的這一特點，對于多幅獨立的非相關(guān)散斑圖樣，在人眼視覺殘留效應內(nèi)進入人眼，那么人眼就會對其進行疊加，呈現(xiàn)出視覺平均的效果，從而讓人不能完全觀察到散斑，實現(xiàn)對散斑的抑制。

2.2 消除散斑的實際應用

對于RGB激光投影散斑問題，在實踐中為了解決這一問題，可以采取以下兩種措施：

（1）銀幕震動干涉。這種方法原理如下：通過電動馬達的運轉(zhuǎn)，使激光電視投影屏幕保持振動的狀態(tài)，這樣屏幕上的粗糙點也在不斷的變化，從而使激光的散射點出現(xiàn)變化，由于散射點不同，可以有效的抑制激光光源下的屏幕塊狀散斑，通過這樣的方式可以有效的提升激光投影發(fā)射圖像的質(zhì)量，使圖像的顏色自然豐富，亮度均勻，保證圖像具有清晰的畫質(zhì)。利用這樣的方式具有多方面的優(yōu)點，首先，這種方法不會對激光光源的光電轉(zhuǎn)化效率造成不利的影響；其次，這種方法對于激光模組散熱沒有特殊的要求；最后，投影屏幕震動結(jié)構(gòu)為機械裝置，技術(shù)門檻比較低，同時維護起來也比較簡單。正是由于這一優(yōu)點，所以這種激光投影散斑消除方法獲得了廣泛的應用?；谶@種方法，還衍生出了另一種方法，即類似屏幕震動的衍生方法，震動光源。這種方法同同樣是利用激光器的震動，來實現(xiàn)光源不用電照射角度的改變，進而改善散斑圖像，提高圖像的質(zhì)量。但是，需要注意的是，這兩種方法都不能后完全的消除散斑，在某一個時間點還是存在散斑問題的。從本質(zhì)上講，這類方法并不能夠解決散斑問題，而是基于人眼的視覺特性，讓人看不到散斑而已，因此這并不是一個完美的解決激光投影散斑問題的方法。

（2）激光波長干涉。通過對激光的散射特點進行研究發(fā)現(xiàn)，激光投影的散射斑是在綠光波長下出現(xiàn)的，因此可以基于這一原理采取針對性的措施對綠光波長進行干涉，通過這樣的方式對綠光連續(xù)波長進行分解來實現(xiàn)散斑的消除。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)散斑的完全消除，因此效果非常好，但是對于設(shè)計、設(shè)備和技術(shù)等的要求都比較高，這影響了其的推廣應用。但是就目前激光散斑的解決方案來說，由于震動屏幕的方式會消耗比較多的電量，因此會造成比較大的能源浪費。所以，從整體上講，現(xiàn)在還不存在完美的消除散斑的方法，為了獲得更加完美的RGB激光光源，需要加強對于散斑問題的研究，研究出更好的抑制散斑的方法，對散斑問題進行進一步的優(yōu)化，從而提高抑制散斑的效果。

3 結(jié)束語

激光技術(shù)具有良好的單色性、方向性以及高亮度等，由于其具有這些特點，激光顯示技術(shù)得到了快速發(fā)展們，成為了第四代顯示技術(shù)。其中，RGB三色激光技術(shù)具有最好的顯示效果，但是散斑問題一直困擾著其應用的拓展。當前，激光投影行業(yè)正在致力于研究散斑問題的原因，并且致力于解決散斑問題，相關(guān)研究已經(jīng)取得了不錯的效果，但是散斑問題并沒有得到完全的解決，為了更好地解決這一問題，需要綜合應用多種方法，從多個方面入手，對散斑進行抑制，從而促進激光投影技術(shù)的應用。