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(diǎn)，正是由于這些特點(diǎn)使得激光在顯示方面具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，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(dāng)前已經(jīng)成為第四代顯示技術(shù)，在國(guó)內(nèi)國(guó)外都具有廣泛的應(yīng)用，激光顯示技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷推進(jìn)。由于激光光源具有高單色性的特點(diǎn)，使其顯示色域得到了極大的拓展，同時(shí)也導(dǎo)致了激光散斑的問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致圖像的質(zhì)量嚴(yán)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(jì)90年代，人們相繼發(fā)明了He和Ne激光器，在對(duì)這些激光器進(jìn)行研究的過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)如果用激光對(duì)漫射體進(jìn)行照明，物體表面上會(huì)出現(xiàn)一層精細(xì)的顆粒狀結(jié)構(gòu)。人們對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究發(fā)展，在漫射體的散射場(chǎng)中放置一個(gè)高分辨干板來(lái)對(duì)其進(jìn)行曝光，不論干板放置在場(chǎng)中的各種位置，在對(duì)干板進(jìn)行顯影定影處理以后，干板上都會(huì)出現(xiàn)明暗相間的無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)，而且研究還發(fā)現(xiàn)這種無(wú)規(guī)則斑點(diǎn)并不是只存在于物體表面，而是整個(gè)散射空間內(nèi)都存在這種結(jié)構(gòu)，這種無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)被人們稱(chēng)為散斑。

激光這種光源具有高度相干的特點(diǎn)。對(duì)于可見(jiàn)光波長(zhǎng)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(wú)規(guī)則的面元。激光在照射到物體的表面之后，這些無(wú)規(guī)則的面元會(huì)使入射光產(chǎn)生不同的附加相位，不同面元的反射光會(huì)存在交叉，在它們相遇以后就會(huì)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(méi)有規(guī)律，彼此并不相關(guān)，因此所產(chǎn)生的干涉光強(qiáng)也并不規(guī)律，隨著空間的變化，干涉光強(qiáng)也會(huì)出現(xiàn)無(wú)規(guī)則的交替，這樣就會(huì)形成無(wú)規(guī)則的散斑圖樣。

1.2 散斑的分類(lèi)

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(biāo)準(zhǔn)對(duì)散斑進(jìn)行分類(lèi)。散斑的種類(lèi)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(lèi)，強(qiáng)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(lèi)散斑。除了這兩類(lèi)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)以外，還可以根據(jù)光線的傳播情況將其分為遠(yuǎn)場(chǎng)散斑、近場(chǎng)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(chǎng)散斑和遠(yuǎn)場(chǎng)散斑是客觀散斑。在實(shí)際觀察過(guò)程中，觀察到的散斑強(qiáng)弱主要是由散斑強(qiáng)度的大小決定的，其相對(duì)分布位置則不是影響其觀測(cè)強(qiáng)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(shì)逐漸顯現(xiàn)，但是要使其得到充分的應(yīng)用，還需要解決激散斑問(wèn)題，因此研究人員對(duì)抑制散斑的方法進(jìn)行了大量的研究。具體來(lái)說(shuō)，有研究人員希望通過(guò)降低激光光源相干性的方式來(lái)抑制散斑，具體的措施包括采用不同波長(zhǎng)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(dòng)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(shí)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(duì)激光束性質(zhì)前提進(jìn)行改變的前提下，對(duì)激光投影散斑進(jìn)行有效的抑制。

2.1 消除散斑的原理方法

基于當(dāng)前技術(shù)水平，激光投影電視主要依靠以下技術(shù)實(shí)現(xiàn)，即藍(lán)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(huì)出現(xiàn)散斑問(wèn)題，這主要是在這種設(shè)計(jì)下，激光器只采用了藍(lán)色這一種顏色的激光科技，然后綠光和紅光都是通過(guò)藍(lán)光和熒光粉來(lái)激發(fā)出來(lái)的，這樣激光沒(méi)有相干性，單獨(dú)的藍(lán)色激光不會(huì)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(guò)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(jí)，高階激光電視基本都采用三色激光，從而達(dá)到更好的色彩效果，但是在這樣的設(shè)計(jì)下，由于RGB三色激光光源都有相干性，導(dǎo)致投影時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的散斑效果。雖然說(shuō)這樣的情況下，可以達(dá)到最好的視覺(jué)效果，但是散斑問(wèn)題卻難以解決，給系統(tǒng)帶來(lái)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(zhǎng)、改變激光照射角度的措施，同時(shí)還可以將多幅獨(dú)立非相關(guān)的散斑圖樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)疊加，以這種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于散斑的抑制。下面對(duì)這兩種方法進(jìn)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(zhǎng)、改變激光照射角度的措施。這種方法是針對(duì)散斑的過(guò)程來(lái)解決散斑問(wèn)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(shí)間兩方面進(jìn)行，即改變激光波長(zhǎng)、改變激光照射角度的措施，使激光的時(shí)間相干性和空間相干性降低。

（2）當(dāng)前，多幅獨(dú)立非相關(guān)的散斑圖樣的動(dòng)態(tài)疊加抑制散斑是一種常見(jiàn)的手法，這種抑制散斑的方法利用了人眼的特點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，人眼對(duì)于圖像的響應(yīng)時(shí)間在24ms左右，如果在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)人眼接收到了很多的圖像，就會(huì)對(duì)圖像進(jìn)行疊加，研究人員將這種現(xiàn)象稱(chēng)為人眼視覺(jué)殘留效應(yīng)?；谌搜鄣倪@一特點(diǎn)，對(duì)于多幅獨(dú)立的非相關(guān)散斑圖樣，在人眼視覺(jué)殘留效應(yīng)內(nèi)進(jìn)入人眼，那么人眼就會(huì)對(duì)其進(jìn)行疊加，呈現(xiàn)出視覺(jué)平均的效果，從而讓人不能完全觀察到散斑，實(shí)現(xiàn)對(duì)散斑的抑制。

2.2 消除散斑的實(shí)際應(yīng)用

對(duì)于RGB激光投影散斑問(wèn)題，在實(shí)踐中為了解決這一問(wèn)題，可以采取以下兩種措施：

（1）銀幕震動(dòng)干涉。這種方法原理如下：通過(guò)電動(dòng)馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)，使激光電視投影屏幕保持振動(dòng)的狀態(tài)，這樣屏幕上的粗糙點(diǎn)也在不斷的變化，從而使激光的散射點(diǎn)出現(xiàn)變化，由于散射點(diǎn)不同，可以有效的抑制激光光源下的屏幕塊狀散斑，通過(guò)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(huà)質(zhì)。利用這樣的方式具有多方面的優(yōu)點(diǎn)，首先，這種方法不會(huì)對(duì)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(duì)于激光模組散熱沒(méi)有特殊的要求；最后，投影屏幕震動(dòng)結(jié)構(gòu)為機(jī)械裝置，技術(shù)門(mén)檻比較低，同時(shí)維護(hù)起來(lái)也比較簡(jiǎn)單。正是由于這一優(yōu)點(diǎn)，所以這種激光投影散斑消除方法獲得了廣泛的應(yīng)用?；谶@種方法，還衍生出了另一種方法，即類(lèi)似屏幕震動(dòng)的衍生方法，震動(dòng)光源。這種方法同同樣是利用激光器的震動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)光源不用電照射角度的改變，進(jìn)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(gè)時(shí)間點(diǎn)還是存在散斑問(wèn)題的。從本質(zhì)上講，這類(lèi)方法并不能夠解決散斑問(wèn)題，而是基于人眼的視覺(jué)特性，讓人看不到散斑而已，因此這并不是一個(gè)完美的解決激光投影散斑問(wèn)題的方法。

（2）激光波長(zhǎng)干涉。通過(guò)對(duì)激光的散射特點(diǎn)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，激光投影的散射斑是在綠光波長(zhǎng)下出現(xiàn)的，因此可以基于這一原理采取針對(duì)性的措施對(duì)綠光波長(zhǎng)進(jìn)行干涉，通過(guò)這樣的方式對(duì)綠光連續(xù)波長(zhǎng)進(jìn)行分解來(lái)實(shí)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(duì)于設(shè)計(jì)、設(shè)備和技術(shù)等的要求都比較高，這影響了其的推廣應(yīng)用。但是就目前激光散斑的解決方案來(lái)說(shuō)，由于震動(dòng)屏幕的方式會(huì)消耗比較多的電量，因此會(huì)造成比較大的能源浪費(fèi)。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(qiáng)對(duì)于散斑問(wèn)題的研究，研究出更好的抑制散斑的方法，對(duì)散斑問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，從而提高抑制散斑的效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

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(diǎn)，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(wèn)題一直困擾著其應(yīng)用的拓展。當(dāng)前，激光投影行業(yè)正在致力于研究散斑問(wèn)題的原因，并且致力于解決散斑問(wèn)題，相關(guān)研究已經(jīng)取得了不錯(cuò)的效果，但是散斑問(wèn)題并沒(méi)有得到完全的解決，為了更好地解決這一問(wèn)題，需要綜合應(yīng)用多種方法，從多個(gè)方面入手，對(duì)散斑進(jìn)行抑制，從而促進(jìn)激光投影技術(shù)的應(yīng)用。